1、温度测量显示电路设计课程设计报告课 程 设 计课程名称 测控电路 课题名称 温度测量显示电路设计 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 2011年 月 日课程设计任务书课程名称 测控电路 课题名称 温度测量显示电路设计 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 任务书下达日期 2011年 6月 22 日任务完成日期 2011年 月 日设计内容与设计要求设计内容：以设计为主完成一个温度范围为0-50 0C的温度测量显示电路的设计与制作。1、主要设计内容： （1）系统原理框图设计与分析（包括传感器的选择与确定）；（2）系统方案设计、比较及选定（给出两种以上的方案比较）；（3）系统原理图设计（包含测量电路、
2、放大电路、A/D转换及显示电路等）；（4）确定原理图中元器件参数（给出测量电路、放大电路计算公式与数据）；2、运用protel软件绘出系统原理电路图（鼓励能完成印刷电路板图的绘制）。设计要求：1）确定并分析系统设计要求；2）进行系统的方案设计；3）要绘制原理框图，绘制原理电路4）要有必要的计算及元件选择说明5）如果采用单片机，必需绘制软件流程图6）写说明书7）答辩 所设计的方案能满足题目要求并实现相应的功能，所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出。主 要 设 计 条 件1、Protel软件。2、参考文献若干。说 明 书 格 式1.课程设计说明书封面。2.课程设计任
3、务书。3.说明书目录。4.正文5.总结。6.参考文献。7.附录。8.课程设计评分表。正文部分包括（概述、总体设计、硬件电路设计及调试等）进 度 安 排第1周：星期一上午：布置课题任务，课题内容介绍。星期一下午：仔细阅读设计任务书，明确设计任务与要求，收集设计资料。星期二星期五：阅读相关资料，设计方案确定，相关元器件选型。第2周：星期一星期二：电路设计。星期三星期四：编写设计说明书,准备答辩。星期五：答辩。参 考 文 献1 2 3 4 5一摘 要在现今科技高速发展的时代，各行各业对控制和测量的要求越来越高，其中，温度测量和控制在很多行业中都有比较重要的应用，尤其在工业上，如炼钢时对温度高低的控制
4、。要控制好温度，测量是前提，测量的精度影响着后续工序的进行，因此温度测量的方法和选取就显得相当重要了。针对各种温度测量方案的讨论分析后，我们组决定以AT89S52为核心，采用DS18B20温度传感器进行温度信号的检测，并通过LCD液晶显示测量所得温度，外加红外遥控调节设置温度测量的上下限数值（默认温度上下限为1024），在所测温度到达所设上下限数值时，蜂鸣器启动报警提示。本报告是我们组所设计的数字温度计的说明书，包括方案论证选取、工作原理、所用元件介绍和设计电路原理图、调试程序等。关键词：AT89S52、DS18B20、LCD液晶显示、红外遥控2设计目的与意义随着电子技术的高速发展，对电子方面
5、人才的要求越来越高，不仅要求其具备相关的专业理论知识，还要求其具有较强的设计、制作等实践动手能力。此次课程设计无疑是对从事测控专业的人的一次很好的锻炼和考验，是培养测控技术的人才的一次良好的机会，为其提供了一个理论知识与实践相结合的平台。通过本次课程设计，引导学生结合所学的测控电路理论知识，思考设计方案，以小组合作方式，分工完成各个部分，从而掌握相关的测量显示电路的设计和调试技术，一方面提高了学生的实践动手和协作能力，另一方面培养了学生综合运用所学理论知识进行工程设计的能力。通过此次课程设计，可以培养学生的工程设计能力，包括动手能力、独立思考设计能力、解决实际设计过程中遇到的问题以及团队协作能
6、力等，为今后的专业学习和工程实践打下坚实的基础。3方案论证与确定3.1系统方案的确定3.1.1方案一该方案为ICL7107 A/D转换&译码方案。常见A/D转换器的转换方式有非积分式和积分式两类，如逐次逼近比较式A/D转换、斜坡电压式A/D转换等属于非积分式，其特点是转换速度快，但抗干扰能力差。电压反馈型V-F变换、双积分式A/D转换则属于积分式，其特点是抗干扰能力强、测量精度高，但转换速度低，在转换速度要求不太高的情况下，获得广泛应用。工作方框图如图1所示：图1 方案一工作框图电路原理图如图2所示：图2 方案一电路原理图3.1.2方案二该方案利用AVR单片机对输入信号进行模数转换输出数字信号
7、控制数码管显示温度值。并且可以通过编写程序对输入信号进行分段线性化处理，使得测量精度大大提高，而且该电路无须外接译码器，结构简单。工作框图如图3所示：图3 方案二工作框图3.1.3方案三该方案以AT89S52为控制器，采用DS18B20温度传感器检测温度信号，利用红外遥控设置温度测量的上下限数值，并通过LCD液晶显示。工作框图如图4所示：图4 方案三工作框图经过综合研究分析，考虑整个设计和成本，方案三成本低，测量温度方便简单，故此次数字温度计课程设计选取方案三。3.2传感器方案的确定3.2.1方案一该方案采用热敏电阻。热敏电阻价格比较便宜、灵敏度比较好，在实际应用的时候线性度较差，另外调试比较
8、困难。不适合使用。故不使用热敏电阻。3.2.2方案二该方案采用AD590。AD590拥有良好的线性关系，灵敏度较高、使用简单方便。但是这种传感器的价格比其他的两种都贵很多。故不选用。方案三：DS18B20数字温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司智能温度传感器，他能够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912位的数字值读数方式从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面拥有很大优势，给用户带来了更方便
9、的使用和更令人满意的效果。经过上述三种方案的论证比较，综合考虑成本、性能等因素，最终选取方案三。 3.3测量显示方案的确定3.3.1方案一该方案采用LED显示。LED数码显示中每一个像素单元就是一个发光二极管，如果是单色，一般是红色发光二级管。如果是彩色，一般是三个三原色小二极管组成的一个大二级管。这些二级管组成的矩阵由数码控制实时显示文字或者图像，造价相对低廉，组成的显像面积大。3.3.2方案二该方案采用LCD液晶显示。液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。LCD液晶的像素单元是整合在同一块液晶
10、版当中分隔出来的小方格。通过数码控制这些极小的方格进行显像。造价高但是显示非常细腻。经过研究分析，选择方案二。4系统工作原理分析本系统由温度传感器DS18B20、AT89S52、LCD显示电路、软件构成。DS18B20输出表示摄氏温度的数字量，然后用51单片机进行数据处理、译码、显示、报警等，系统框图如图5所示：图5 系统框图4.1微控制器原理AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K Bytes ISP的可反复擦写100000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成
11、了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，其具有如下特点：40个引脚，8K Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器，32个外部双向输入/输出口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。单片机引脚如图6所示：图6 单片机引脚图4.2传感器原理4.2.1DS18B20简介DS18B20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位的数字值读数方式。DS18B20元件
12、图如图7所示：DS18B20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；零待机功耗；温度以或位数字；用户可定义报警设置；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； 图7 DS18B20元件图负电压特性，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； 4.2.2DS18B20内部结构DS18B20采用脚PR35封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如图8所示。Vdd 图8 DS18B20内部结构图64位ROM的结构开始位是产品类型的编号，接
13、着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后位是前面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。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。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的结构为字节的存储器，结构如图9所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，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所示。低位一直为，是工作模式位，用于设置DS18B2
14、0在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为，用户要去改动，R1和0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC图9 DS18B20字定义由表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。表1 DS18B20温度转换时间表高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16
15、位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第、字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100
16、A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H表2一部分温度对应值表 DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、T字节内容作比较。若TH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位
17、ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器、温度寄存器中，
18、计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。 另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20
19、（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。4.2.3DS18B20测温原理DS18B20低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当
20、减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。此外，用斜率累加器补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，4.3温度数值分析利用的单片机的一个IO口，读取DS18B20的温度高位，温度低位。由上面的分析可知：温度高位的高5位的符号位、低3位是整数部分的高四位（整数部分的最高位永远为0），温度低温的高四位为整数部分的低四
21、位，温度地位的低四位是小数部分用以下公式计算： 整数部分温度低位/16温度高位16 小数部分十分位(温度低位&0x0f)10/16由于DS18B30的集成度很高，使得设计的原理还是比较简单，设计的关键是了解DS18B20的时序，准确地获得温度高位和温度低位。5电路制作与软件调试5.1硬件制作本次设计应用Protel DXP绘制电路原理图，生成PCB图，然后用雕刻机刻板，焊接电路元件，最后用程序调试系统功能。硬件电路主要由单片机最小系统、DS18B20为核心的传感器电路、液晶显示电路、报警电路、红外遥控电路和供电电路组成。单片机最小系统：提供一个上电复位高电平，和12MHZ时钟振荡。DS18B2
22、0传感器电路：加电即可工作，DATA端加4.7K电阻作上拉电阻保证有足够大的灌拉电流。液晶显示电路：报警电路：利用5V蜂鸣器作报警提示。供电电路：利用7805组成线性稳压电源为整个系统供电。具体电路连接见附录SCH电路原理图，硬件接线正确，单片机能构正常工作，硬件调试成功。5.2软件调试首先用Proteus进行仿真，调试程序，然后在制作好的电路板上调试程序。测温精度可取到小数点后三位。5.2.1主程序流程主程序说明：小于10度，亮黄色LED，表示较凉，开蜂鸣器； 大于24度，亮绿色LED，表示温度较热，开蜂鸣器； 遥控远程控制，改变上下限报警温度。主程序流程图如图10所示： 否图10 主程序流
23、程图 5.2.2子程序流程DS18B20工作流程图如图11所示；计算温度流程图如图12、图13所示；温度读取流程图如图14所示。YY图11 DS18B20工作流程图Y 图12 计算温度流程图Y图13 显示数据刷新流程图图14 温度读取流程图6附录6.1课程设计心得体会本次课程设计，我们组成功完成了数字温度计的设计、制作与调试。三天的时间里，我们分工合作，组长全瑞负责写程序，我和景存负责电路部分（主要绘制电路、焊接电路），安荣负责刻板、包装。最后的调试工作我们共同参与，遇到了不少问题，大家从电路、程序中寻找出错的原因（负责检查自己负责的那部分，并作相应修改），经过讨论、思考找到解决的方法，使得最
24、终用程序调试电路显示成功。在这里，很感谢与我共同奋斗的我们组的成员，尤其是景存，在我绘制电路原理图和PCB图时给予我很多帮助。这次课程设计，我尝试用Protel DXP绘制电路图，因为我们在讨论方案是确定了电路制作方面采用刻板方式。虽然以前有学过Protel 99，但从未接触过DXP，所以还是去图书馆借了相关的书籍，边学边绘制。这次用DXP而不用99，主要是考虑到对以后学习FPGA等会有更大的帮助。绘制电路图的过程中，的确遇到了不少问题。虽然这次设计的电路并不复杂，（主要由单片机最小系统、DS18B20测温电路、液晶显示电路、红外遥控电路、报警电路和供电电路组成），但里面的元件查找和封装很繁琐
25、，导入PCB后有些封装太大，要做相应的替换。通过这次绘制电路，认识了不少元件的各种封装，更学会了刻板时用到的相关参数的设置，例如焊盘、布线等参数的设置。因为是第一次刻板，在设置这些参数时还请教了我们513实验室的师兄，在这里非常感谢他们给予的帮助。导入PCB后，更头痛的是布局。刚开始尝试用自动布局功能，但是出来的效果不是很理想，有不少跳线，所以还是用手动布局。对应着电路原理图，初步调整元件的位置，在尽量避免线路的交叉。在布局过程中，景存和我一起思考讨论布局方案，可是第一次自动布线后，还是有不少跳线。我们研究自动布线时线路的走向，讨论怎样移动一下元件的位置能让这里的跳线消除，让线路有空间绕过去而
26、不必跳线。另外结合刻板的实际（例如雕刻机的刀有些钝），线的大小和焊盘孔径的大小的修改也相当考验我。当安荣把第一块板刻出来时，发现线太细，有些几乎要断了，孔径太小，根本无法钻孔。就这样，我结合师兄给予的建议和实际出来的效果修改了相关参数，最后终于有所成效。出来自己负责的绘制电路原理图和PCB图外，我还学会了雕刻电路板（例如如何定位雕刻刀、如何调整进刀的大小等），在电路调试中更是深有感慨。一个作品无论大小、复杂或简单，在软硬件相结合的过程中总会出现一些问题，要我们去调试，去检查，才能使结果更精确。而且调试时让我着实体会到前期电路制作部分很重要，电路制作得好，会减少调试中出现问题的可能性。这次课程设
27、计我受益匪浅，也是进实验室以来的又一次不错的经历。团队协作做出来的作品，每一部分都不可或缺，既要分工又要合作，这样才能有更佳的效果。6.2系统电路原理图 6.3PCB图6.5程序代码*LCD1602模块*/#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit rs=P27; /液晶使能端口sbit rw=P26;sbit e=P25;sbit P3_6=P36;sbit P1_0=P10;sbit P1_1=P11;/sbit P1_0 = P10;/sbit P1_1 = P11;void delay_ms(uch
28、ar ms) /延时 uint i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j120;j+); void lcd_wcmd(uchar cmd) /液晶写指令 rs=0;rw=0; e=0; P0=cmd; e=1; e=0; delay_ms(5);void lcd_wdat(uchar dat) /液晶写数据 rs=1;rw=0; e=0; P0=dat; e=1; e=0; delay_ms(5); void lcd_dis(uchar post,uchar *p) lcd_wcmd(0x80 | post); /设置数据地址指针 显示 while(*p!=0) lcd_w
29、dat(*p+); uchar code def_char0=0x10,0x06,0x09,0x08,0x08,0x09,0x06,0x00; /字符void lcd_wcgram(uchar adress,uchar tmp) uchar i; for(i=0;i8;i+) lcd_wcmd(adress+i); lcd_wdat(tmpi); void lcd_inti() delay_ms(15); lcd_wcmd(0x38); /16X2字符，5X7点阵，8位数据接口 lcd_wcmd(0x38); lcd_wcmd(0x08); /关闭显示 lcd_wcmd(0x01); /清屏 lcd_wcmd(0x06); /设置光标工作方式 lcd_wcmd(0x0c); /开显示，设置光标显示方式 lcd_wcgram(0x48,def_char0); /载入用户自定义字符sbit DQ=P37; /18B20数据管脚/*ds18b20延迟子函数（晶振12MHz ）*/ void delay_18B20(unsigned int i) while(i-);void reset() uchar x=0; DQ = 1; /DQ复位 delay_1
