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基于单片机的数字温度计设计课程设计
2020-10-11 19:45:28 ℃基于单片机的数字温度计设计 引言 随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现.能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低,但需后续信号处理电路,而且可靠性相对较差,测温准确度低,检测系统也有一定的误差。与传统的温度计相比,这里设计的数字温度计具有读数方便,测温范围广,测温精确,数字显示,适用范围宽等特点。选用AT89C51型单片机作为主控制器件,DSl8B20作为测温传感器通过4位共阳极LED数码管串口传送数据,实现温度显示。通过DSl8B20直接读取被测温度值,进行数据转换,该器件的物理化学性能稳定,线性度较好,在0℃~100℃最大线性偏差小于0.1℃。该器件可直接向单片机传输数字信号,便于单片机处理及控制。另外,该温度计还能直接采用测温器件测量温度,从而简化数据传输与处理过程。
2 系统硬件设计方案 根据系统功能要求,构造图1所示的系统原理结构框图。
图1
系统原理结构框图 2.1
单片机的选择 AT89C51作为温度测试系统设计的核心器件。该器件是INTEL公司生产的MCS一5l系列单片机中的基础产品,采用了可靠的CMOS工艺制造技术,具有高性能的8位单片机,属于标准的MCS—51的CMOS产品。不仅结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,而且继承和扩展了MCS—48单片机的体系结构和指令系统。单片机小系统的电路图如图2所示。
图2
单片机小系统电路 AT89C51单片机的主要特性:
(1)与MCS-51 兼容,4K字节可编程闪烁存储器; (2)灵活的在线系统编程,掉电标识和快速编程特性; (3)寿命为1000次写/擦周期,数据保留时间可10年以上; (4)全静态工作模式:0Hz-33Hz; (5)三级程序存储器锁定; (6)128*8位内部RAM,32可编程I/O线; (7)两个16位定时器/计数器,6个中断源; (8)全双工串行UART通道,低功耗的闲置和掉电模式; (9)看门狗(WDT)及双数据指针; (9)片内振荡器和时钟电路; 2.2
温度传感器介绍 DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率,精度为±0.5°C。可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。分辨率设定,及用户设定的报警温度存储在EPROM中,掉电后依然保存。
温度传感器DS18B20引脚如图3所示。
8引脚封装
TO-92封装
图3
温度传感器 引脚功能说明:
NC :空引脚,悬空不使用;
VDD :可选电源脚,电源电压范围3~5.5V。当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。
DQ :数据输入/输出脚。漏极开路,常态下高电平。
GND :为电源地 DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位。
这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H,+25.0625℃的数字输出为0191H,-25.0625℃的数字输出为FF6FH,-55℃的数字输出为FC90H。
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第一个字节的内容是温度的低八位,第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝,第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝,这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。
该字节各位的意义如下:
TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是1 ,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率,如表1所示:(DS18B20出厂时被设置为12位)
表1
DS18B20温度转换时间表 R1 R0 分辨率/位 温度最大转向时间 0 0 9 93.75 0 1 10 187.5 1 0 11 375 1 1 12 750 根据DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:每一次读写之前都要对DS18B20进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,DS18B20收到信号后等待16~60微秒左右,后发出60~240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。
2.3
温度传感器与单片机的连接 温度传感器的单总线(1-Wire)与单片机的P2.0连接,P2.0是单片机的高位地址线A8。P2端口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O,其输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对该端口写“1”,可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平,此时可作为输入口使用,这是因为内部存在上拉电阻,某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时。如执行MOVX DPTR指令,则表示P2端口送出高8位的地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时,可执行MOVX RI指令,P2端口内容即为特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器内容,整个访问期间不改变。在Flash编程和程序校验时,P2端口也接收高位地址和其他控制信号。图4为DSl8820内部结构。图5为DSl8820与单片机的接口电路。
图4
DS18B20内部结构图
图5
DS18B20和单片机的接口连接 2.4
复位信号及外部复位电路 单片机的P1.6端口是MAX813看门狗电路中喂狗信号的输入端,即单片机每执行一次程序就设置一次喂狗信号,清零看门狗器件。若程序出现异常,单片机引脚RST将出现两个机器周期以上的高电平,使其复位。该复位信号高电平有效,其有效时间应持续24个振荡脉冲周期即两个机器周期以上。若使用频率为12 MHz的晶体振荡器,则复位信号持续时间应超过2μs才完成复位操作。
2.5
单片机与报警电路 系统中的报警电路是由发光二极管和限流电阻组成,并与单片机的P1.2端口连接。P1端口的作用和接法与P2端口相同,不同的是在Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址数据。
2.6
电源电路 由于该系统需要稳定的5 V电源,因此设计时必须采用能满足电压、电流和稳定性要求的电源。该电源采用三端集成稳压器LM7805。它仅有输入端、输出端及公共端3个引脚,其内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路.由于所需外接元件少,使用方便、可靠,因此可作为稳压电源。图6为电源电路连接图。
图6
电源电路连接图 2.7
显示电路 采用技术成熟的74HCl64实现串并转换。LED显示分为静态显示和动态显示。这里采用静态显示,系统通过单片机的串行口来实现静态显示。串行口为方式零状态,即工作在移位寄存器方式,波特率为振荡频率的1/12。当器件执行任何一条将SBUF作为目的寄存器的命令时,数据便开始从RXD端发送。在写信号有效时,相隔一个机器周期后发送控制端SEND有效,即允许RXD发送数据,同时允许从TXD端输出移位脉冲。图7为显示电路的连接图。
图7
显示电路的连接图 2.8
看门狗电路 系统中把P1.6作为看门狗的“喂狗”信号;将MAX813的RESET与单片机的复位信号RST连接。由于单片机每执行一次程序,就会给看门狗器件一个复位信号,这样也可以用手工方式实现复位。当按键按下时,SW—SPST就会在MAX813引脚产生一个超过200 ms的低电平,其实看门狗器件在1.6 s时间内没有复位,使7引脚输出一个复位信号的作用是相同的,其连接图如图8所示。
图8
看门狗器件的MAX813的连接图 3 软件设计 DSl8820的主要数据元件有:64位激光Lasered ROM,温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器TH和TL。DSBl820可以从单总线获取电源,当信号线为高电平时,将能量贮存在内部电容器中;当单信号线为低电平时,将该电源断开,直到信号线变为高电平重新接上寄生(电容)电源为止。此外,还可外接5 V电源,给DSl8820供电。DSl8820的供电方式灵活,利用外接电源还可增加系统的稳定性和可靠性。图9为读取数据流程图。
开始 DS18B20的初始化 启动温度转换 读取温度寄存器 跳过读序列号的操作 跳过读序列号的操作 DS18B20的初始化 RET LOW-低八位
HIGH-高八位
图9
读取数据的流程图 读出温度数据后,LOW的低四位为温度的小数部分,可以精确到0.0625℃,LOW的高四位和HIGH的低四位为温度的整数部分,HIGH的高四位全部为1表示负数,全为0表示正数。所以先将数据提取出来,分为三个部分:小数部分、整数部分和符号部分。小数部分进行四舍五入处理:大于0.5℃的话,向个位进1;小于0.5℃的时候,舍去不要。当数据是个负数的时候,显示之前要进行数据转换,将其整数部分取反加一。还因为DS18B20最低温度只能为-55℃,所以可以将整数部分的最高位换成一个“-”,表示为负数。图10为温度数据处理程序的流程图。
开始 提取整数部分存入HT 提取小数部分存入LT LT右移三位,将精度降低到0.5摄氏度 HT++ 将小数部分整数化 提取符号部分存入sign LT是否大于5 Sign=?0XF0 RET 负数表示flag=1 HT=~HT+1 Y N N Y
图10
温度数据处理流程图 4 数据测试 将温度传感器与冰水混合物接触,经过充分搅拌达到热平衡后调节系统,使显示读数为0.00(标定0℃);利用气压计读出当时当地的大气压强,并根据大气压强和当地重力加速度计算出当时的实际压强;根据沸点与压强的关系查出沸点温度。把温度传感器放入沸水中,待显示读数稳定后重新调节,使显示器显示读数等于当地当时沸点温度后工作结束。该温度计的量程为-50℃~150℃,读数精度为0.1℃,实际使用一般在0℃~100℃。采用0℃~50℃和50℃~100℃的精密水银温度计作检验标准,对设计的温度计进行测试,其结果表明能达到该精度要求。
5 总结与体会 作为一名电子信息工程的大四学生,我觉得做单片机课程设计是很有意义的,而且也是必要的。在做这次课程设计的过程中,我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善,查阅这方面的实际资料是十分必要的,也是必不可少的。
其次,在这次课程设计中,我们运用了以前学过的专业课知识,如:proteus仿真、汇编语言、模拟和数字电路知识等。虽然过去我从未独立应用过他们,但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高,这是我做这次课程设计的又一收获。
最后,要做好一个课程设计,就必须做到:在设计程序之前,对所用单片机的内部结构有一个系统的了解,知道该单片机有哪些资源;要有一个清晰的思路和一个完整的软件流程图;在设计程序时,不能妄想一次将整个程序设计好,反复修改、不断改进是程序设计的必经之路;要养成注释程序的好习惯,这样为资料的保留和交流提供了方便;在设计中遇到的问题要记录,以免下次遇到同样的问题。
在这次的课程设计中,我真正的意识到,在以后的学习中,要理论联系实际,把我们所学的理论知识用到实际当中,学习单片机更是如此,程序只有在经常写与读的过程中才能提高,这就是这次课程设计的最大收获。
附录1 仿真图
附录2 程序源代码 DATA_BUS BIT P3.3
FLAG
BIT 00H
;标志位
TEMP_L
EQU
30H
;温度值低字节
TEMP_H
EQU 31H
;温度值高字节
TEMP_DP
EQU 32H
;温度小数
TEMP_INT EQU 33H
;温度值整数
TEMP_BAI EQU 34H
;温度百位数
TEMP_SHI EQU 35H
;温度十位数
TEMP_GE
EQU 36H
;温度个位数
DIS_BAI
EQU 37H
;显示百位数
DIS_SHI
EQU 38H
;显示十位数
DIS_GE
EQU 39H
;显示个位数
DIS_DP
EQU 3AH
;显示小数位
DIS_ADD
EQU 3BH
;显示地址
ORG
0000H
AJMP
START
ORG
0050H
;初始化
START:
MOV SP, #40H MAIN: LCALL READ_TEMP
;调读温度程序
LCALL PROCESS
;调数据处理程序
AJMP MAIN ;读温度程序 READ_TEMP:
LCALL RESET_PULSE
;调用复位脉冲程序
MOV
A, #0CCH
;跳过ROM命令
LCALL
WRITE
MOV A, #44H
;读温度
LCALL
WRITE
LCALL DISPLAY
;显示温度
LCALL RESET_PULSE
;调用复位脉冲程序
MOV A, #0CCH
;跳过ROM命令
LCALL WRITE
MOV A, #0BEH
;读缓存命令
LCALL
WRITE
LCALL READ
RET ;复位脉冲程序 RESET_PULSE: RESET: SETB DATA_BUS
NOP
NOP
CLR DATA_BUS
MOV R7, #255
DJNZ R7, $
SETB
DATA_BUS
MOV R7, #30
DJNZ R7,$
JNB
DATA_BUS, SETB_FLAG
CLR FLAG
AJMP NEXT SETB_FLAG:
SETB
FLAG NEXT: MOV
R7, #120
DJNZ R7, $
SETB
DATA_BUS
JNB FLAG, RESET
RET ;写命令 WRITE: SETB DATA_BUS
MOV R6, #8
CLR C WRITING:
CLR DATA_BUS
MOV R7, #5
DJNZ R7, $
RRC A
MOV DATA_BUS, C
MOV R7, #30H
DJNZ R7, $
SETB DATA_BUS
NOP
DJNZ R6, WRITING
RET ;循环显示段位 DISPLAY:
MOV
R4, #200 DIS_LOOP:
MOV A, DIS_DP
MOV P2, #0FFH
MOV P0, A
CLR P2.7 LCALL DELAY2MS
MOV A, DIS_GE
MOV P2, #0FFH
MOV P0, A
SETB P0.7
CLR P2.6
LCALL DELAY2MS
MOV A, DIS_SHI
MOV P2, #0FFH
MOV P0, A
CLR P2.5
LCALL DELAY2MS
MOV A, DIS_BAI
MOV P2, #0FFH
MOV P0, A
MOV A, TEMP_BAI
CJNE A, #0,SKIP
AJMP NEXTT
SKIP: CLR P2.4
LCALL DELAY2MS
NEXTT: NOP
DJNZ R4, DIS_LOOP
RET ;读命令 READ: SETB DATA_BUS
MOV R0, #TEMP_L
MOV
R6, #8
MOV R5, #2
CLR C READING:
CLR DATA_BUS
NOP
NOP
SETB DATA_BUS
NOP
NOP
NOP
NOP
MOV C, DATA_BUS
RRC A
MOV R7, #30H
DJNZ R7, $
SETB DATA_BUS
DJNZ R6, READING
MOV @R0, A
INC
R0
MOV R6, #8
SETB DATA_BUS
DJNZ R5, READING
RET ;数据处理 PROCESS:
MOV
R7, TEMP_L
MOV A, #0FH
ANL A, R7
MOV TEMP_DP,A
MOV
R7, TEMP_L
MOV A, #0F0H
ANL A, R7
SWAP A
MOV TEMP_L, A
MOV R7, TEMP_H
MOV A, #0FH
ANL A, R7
SWAP A
ORL A, TEMP_L
MOV
B, #64H
DIV AB
MOV TEMP_BAI,A
MOV A, #0AH
XCH A, B
DIV AB
MOV TEMP_SHI,A
MOV TEMP_GE,B
MOV A, TEMP_DP
MOV
DPTR, #TABLE_DP
MOVC A, @A+DPTR
MOV DPTR, #TABLE_INTER
MOVC
A, @A+DPTR
MOV DIS_DP, A
MOV A, TEMP_GE
MOV
DPTR, #TABLE_INTER
MOVC A, @A+DPTR
MOV
DIS_GE, A
MOV A, TEMP_SHI
MOV
DPTR, #TABLE_INTER
MOVC A, @A+DPTR
MOV DIS_SHI, A
MOV A, TEMP_BAI
MOV
DPTR, #TABLE_INTER
MOVC A, @A+DPTR
MOV
DIS_BAI ,A
RET DELAY2MS:
MOV R6, #3 LOOP3: MOV R5, #250
DJNZ R5, $
DJNZ R6, LOOP3
RET TABLE_DP:
DB 00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06H
DB 06H,07H,08H,08H,09H,09H TABLE_INTER:
DB 03FH,006H,05BH,04FH,066H
DB 06DH,07DH,07H,07FH,06FH
END
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