简易数字温度计的设计 精品Word下载.docx
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5.3温度转换命令子程序………………………………………………….…….………….36
5.4计算温度子程序…………………………………………………………..…………….37
5.5显示数据刷新子程序…………………………………………………………..……….38
6调试及性能分析………………………………………………………………..………….39
结论…………………………………………………………………………..……………….40
致谢………………………………………………………………………………..………….41
参考文献…………………………………………………………………………..………….42
附录…………………………………………………………………………..……………….43
附录一原理图……………………….………...……………………..…………...……44
附录二控制源程序清单……………………………………………..…………...……48
基于单片机的数字温度计的设计
指导教师:
宗文军
2006级机电专业学号20060279姓名胡雄飞
摘要
随着时代的进步和发展,人类不断的需求,科技不断的进步。
温度计所给人类带来的方便也是不可否定的,其中数字温度计就是一个典型的例子,但人们对它的要求越来越高。
由于老式温度计的精确度低,测量范围小,无法满足现代化生活:
工业、教学、科研、旅游等等各个领域的需求。
随着集成电路技术的发展,单片微型计算机的功能也不断增强,由于单片机技术已经普及到我们生活,工作,科研,各个领域,已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计,它属于多功能温度计。
本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比,具有读数方便,测温范围广,测温准确等优点。
该温度计以AT89S51为主控器,通过DS18B20来检测温度,并通过四位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示。
同时可以设置上下线报警温度,当温度不在设置范围内时,可以报警。
数字温度计是单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。
关键词:
单片机;
数字控制;
温度计;
DS18B20;
AT89S51
Basedonthedesignofmicrocontrollerdigitalthermometer
Tutor:
QinZhiGuang
Author:
JiaZhen
Abstract
Asthetimesprogressanddevelopment,humanconstantdemand,technologicalprogress.Thermometer,giventheconvenienceofmankindisundeniable,inwhichthedigitalthermometerisatypicalexample,butithavebecomeincreasinglydemanding.Duetothelowaccuracyofold-fashionedthermometer,measuringrangeissmall,doesnotmeetmodernlife:
industry,teaching,research,andtourismdemandinvariousfields.Withtheintegratedcircuitstechnology,single-chipmicro-computerfeaturesarealsogrowing,duetomicrocontrollertechnologyhasspreadtoourlives,work,researchinvariousfieldshasbecomearelativelymaturetechnology,thisarticledescribesacontrolbasedonsinglechipdigitalthermometer,itbelongstomulti-functionthermometer.Thedesignpresentedindigitalthermometerwithatraditionalthermometer,comparedwithareadingconvenience,awiderangeoftemperaturemeasurement,temperaturemeasurementaccurate.ThethermometerinordertoAT89S51-basedcontroller,throughtheDS18B20todetectthetemperature,andthroughfourcommonanodeLEDdigitaltubes,serialtransmissionofdatatoachievetemperaturedisplay.Youcansetthealarmofftheassemblylineatthesametimethetemperatureissetwhenthetemperatureisnotwithinthescopewhenitcouldbereported.Digitalthermometerisasinglebusdevice,withasimplecircuit,smallsizeandcharacteristics.Therefore,useittoformatemperaturemeasurementsystemwithasimplecircuit,inacommunicationlinecancarrymanyofthesedigitalthermometerisveryconvenient.
Keywords:
SCM;
digitalcontrol;
thermometer;
DS18B20;
AT89S51
引言
在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测与控制,而在传统的温度测量系统中,一般采用热电偶或铂电阻进行温度测量。
在这些电路中,有这样一些问题必须解决:
为了进行准确的温度测量,必须给铂电阻提供一个良好的恒流源;
由于热电偶出来的信号是模拟信号,所以此信号在送给CPU之前必须先进行A/D转换,然后再送给CPU进行处理;
并且热电偶的信号很微弱,只有十几个mA,因此在A/D转换之前通常还需要进行增益放大,因此,采用热电偶和铂电阻进行温度测量,需要考虑很多问题,构成的系统也比较复杂。
况且它们测出一般为电压,再转换成相应的温度,需要比较多的外部硬件来支持,这样以来造成系统硬件电路复杂,软件调试复杂,并且制作成本高。
DALLAS公司推出的数字式温度传感器DS18B20很好地解决了这样一些问题,DS18B20采用一线接口,只需占用单片机的一个I/O口位,其外围电路也非常简单;
并且DS18B20将测得的温度信号转换为数字量输出,可以与单片机直接相连,而不需进行信号放大和A/D转换,大大简化了电路的设计,因此本数字温度计的设计采用了DS18B20作为温度传感器进行温度采集。
单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点,四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要,很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
显示电路采用3位共阳LED数码管,从P3口RXD,TXD串口输出段码。
本数字温度计采用DS18B20作为检测原件,控制器使用单片机AT89S51,用3位共阳极LED数码管实现温度显示,减少了外部硬件电路,具有读数方便,测温范围广,测温准确,低成本,易使用等特点。
1功能要求
1)以AT89S51单片机为核心器件,组成一个数字式温度计;
2)采用数字式温度计传感器DS18B20为检测器件,精度误差小于0.5℃;
3)温度显示采用3位LED数码管显示,三位整数,一位小数;
4)具有键盘输入上、下限功能,超过上、下限温度时,进行声音报警。
2系统方案论证与比较
2.1数字温度计设计方案论证
一个典型的单片机自动测温系统由三大部分组成:
测量放大电路、A/D转换电路和显示电路。
它广泛应用于发电厂、化工厂的测温和温度控制系统中。
2.1.1方案一
传统的测温元件有热电偶和热电阻。
热电偶和热电阻测出相应的电压值,再将电压转化成对应的温度。
本方案硬件电路设计主要由热电偶温度传感器、测量放大电路、A/D转换电路、ICL与单片机的接口电路和显示电路构成;
软件设计主要由ICL模块、WAVE数字滤波模块、MODIFY模块、YA查表模块、查表法和DIR组成。
需要比较多的外部硬件支持,硬件电路复杂,软件调试复杂,制作成本高。
2.1.2方案二
本数字温度计设计采用温度传感器DS18B20作为检测元件,测温基本范围为-50℃-110℃,最大分辨率可达0.0625℃。
DS18B20可以读出被测温度值,而且采用3线制与单片机相连,减少了外部的硬件电路,具有低成本和易使用的特点。
从以上两种方案,很容易看出,采用方案二,电路比较简单,软件设计也比较简单,故采用了方案二。
2.2方案二的总体设计框图
按照系统设计功能的要求,确定系统由3个模块组成:
主控制器、测温电路及显示电路。
数字温度计总体电路结构框图如图2-1所示。
主控制器
显示电路
图2-1数字温度计电路结构框图
3系统主要元器件的选择及介绍
3.1单片机的选用及功能介绍
3.1.1单片机简介
一、单片机的概念
所谓的单片机就是在一块半导体芯片上集成了CPU(中央处理器)、ROM(只读存储器)、RAM(静态可读/写存储器)、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等功能部件的的微型计算机。
单片机全称叫单片微型计算机,又称微处理器或微控制器等。
二、单片机的特点
1、性价比高;
2、集成度高、体积小、可靠性高;
3、控制功能强;
4、低电压、低功耗。
3.1.2单片机的产生与发展
从1974年12月,仙童(Fairchild)公司首先推出8位单片机F8,采用:
双片形式F8(8位CPU+64RAM+2个并行I/O口)+3851(1KROM+定时器/计数器+2个并行I/O)。
至今经历四代:
第一代:
1974~78,典型代表如Intel公司的MCS-48型8位单片机,采用8位CPU、2个I/O口、8位定时器/计数器、64RAM/1KROM、简单中断,寻址小于4K,且无串行口。
第二代:
1978~83,高档8位单片机,如MCS-51,MC6801,Zilog公司的Z8等。
增加功能:
串行I/O、多级中断、16定时/计数器、片内RAM/ROM增大,寻址64K,片内带A/D转换器接口。
第三代:
1983~90年代初,16位单片机出现,如MCS-96系列的8096、8098芯片。
增加性能:
16位CPU,RAM/ROM增大,中断能力增强、A/D、HSIO等
第四代:
90年代至今,高档16位产品和32位产品的出现,如80196,MC8300等,性能、速度大大提高。
3.1.3单片机的应用
1、测控系统;
2、智能仪表;
3、机电一体化产品;
4、智能接口;
5、智能民用产品。
3.1.4MCS-51单片机引脚及功能介绍
单片机引脚如图3-1所示
1.电源引脚
VCC:
电源端,单片机的工作电源,接+5V直流电;
VSS:
接地端;
图3-1MCS-51单片机引脚介绍
2.控制信号引脚
/EA:
程序存储器选择控制端,
/EA=0,选择片外程序存储器;
/EA=1,选择片内程序存储器
RST:
复位信号输入,当干引脚保持2个机器周期的高电平,就能使单片机复位。
ALE(AddressLatchEnable):
地址锁存允许信号输出端
/PSEN(ProgramSelectEnable):
外部程序存储器输出允许控制信号
常用复位电路:
图3-2(a)上电复位电路图3-2(b)上电复位和按键复位电路
3.并行I/O接口引脚
P0.0~P0.7:
P0口,双向输入/输出口。
如系统接有外部存储器,P0口可作为数据总线和低8位地址总线。
当作为普通I/O口使用时,应接上拉电阻。
P1.0~P1.7:
P1口,仅作为一般I/O口使用。
P2.0~P2.7:
P2口,准双向输入/输出口。
如系统接有外部存储器,P0口作为高8位地址总线。
P3.0~P3.7:
P3口,准双向输入/输出口。
P3口具有第二功能。
P3口的第二功能如表3-1所示。
4.时钟电路引脚
XTAL1:
内部振荡电路输入端,外接晶体振荡器的一个引脚;
XTAL2:
内部振荡电路输出端,外接晶体振荡器的另一个引脚,如图3-3所示。
表3-1P3口的第二功能
I/O口
第二功能
P3.0
串行数据接收端
P3.4
T/C0外部脉冲输入端
P3.1
串行数据发送端
P3.5
T/C1外部脉冲输入端
P3.2
外部中断0输入
P3.6
写片外数据存储器
P3.3
外部中断1输入
P3.7
读片外数据存储器
晶振可选择4M-40MHZ
电容可选20-30PF
图3-3内部振荡方式
3.2温度传感器的选择
3.2.1DS18B20简单介绍
DSl8B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数,指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出,因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线)。
DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。
因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号,因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上。
这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。
DSl8B20的测量范围从-55°
C到+125°
C,增量值为0.5°
C,可在ls(典型值)内把温度变换成数字。
每一个DSl8B20包括一个唯一的64位长的序号,该序号值存放在DSl8B20内部的ROM(只读存贮器)中。
开始8位是产品类型编码(DSl8B20编码均为10H)。
接着的48位是每个器件唯一的序号。
最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码。
DSl8B20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM,编号为0号和1号。
1号存贮器存放温度值的符号,如果温度为负°
C,则1号存贮器8位全为1,否则全为0。
0号存贮器用于存放温度值的补码,LSB(最低位)的1表示0.5°
C。
将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值。
3.2.2DS18B20的性能特点和使用中的注意事项
1DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
DS18B20的性能特点如下:
(1)独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;
(2)多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能;
(3)无须外部器件;
(4)可通过数据线供电,电压范围为3.0~5.5V;
(5)零待机功耗;
(6)温度以9或12位数字;
(7)用户可定义报警设置;
(8)报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件;
(9)负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
2DS18B20温度计还可以在高底温报警、远距离多点测温等方面进行应用开发,但在实际设计中应注意一下问题:
(1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿,由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送,因此,在对DS1820进行读写编程时,必须严格的保证读写时序,否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时,对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。
(2)DS18B20工作时电流高达1.5mA,总线上挂接点数较多且同时进行转换时,要考虑增加总线驱动,可用单片机端口在测温转换时导通一个MOSFET供电。
(3)连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的,因此在用DS18B20进行长距离测温系统设计时,要充分考虑总线分别电容和抗阻匹配等问题。
(4)在DS18B20测温程序设计中,向DS18B20发出温度转换命令后,程序总要等待DS18B20的返回信号,一旦某个DS18B20接触不好或断线,当程序读该DS18B20时,将没有返回信号,程序进入死循环,这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时要给与一定的重视。
3.2.3DS18B20的引脚及内部结构
1DS18B20的引脚及功能
图3-4TO-92封装的DS18B20的引脚排列
表3-2 DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。
2DS18B20的内部结构及各部分功能
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图3-5所示。
主要由4部分组成:
64位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。
图3-5DS18B20内部结构
4.2.4DS18B20的工作原理
64位ROM的结构如图3-6所示,开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共有48位,最后8位是前面56位的CRC检验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
非易失性温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入户报警上下限。
图3-664位ROM结构图
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器,结构如图3-7所示。
头2个字节包含测得的温度信息,第3和第4字节TH和TL的拷贝,是易失的,每次上电复位时被刷新。
第5个字节,为配置寄存器,它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如图3-8所示。
低5位一直为1,TM是工作模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式,DS18B20出厂时该位被设置为0,用户要去改动,R1和R0决定温度转换的精度位数,来设置分辨率,定义方法见表3-3。
图3-7高速暂存RAM结构图
TM
R1
R0
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