单片机温度采集显示系统设计.docx
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单片机温度采集显示系统设计
课程设计
课程名称:
微机原理与接口技术课程设计
题目名称:
温度采集显示系统
学生学院
专业班级
学号
学生姓名
指导教师
一、设计题目
温度采集系统
二、设计任务和要求
功能要求:
(1)温度测量范围0-99℃。
(2)温度分辨率±1℃。
(3)选择合适的温度传感器。
(4)使用键盘输入温度的最高点和最低点,温度超出范围时候报警。
(报警温度不
需要保存)
要求完成的内容:
(1)系统硬件设计,并用电子CAD软件绘制出原理图,
(2)给出流程图,编写并调试程序。
(3)撰写设计报告。
三、原理电路图和设计程序
1、方案比较
(1)、系统总体方案设计
总体框架图如图1示,软件流程图如图示
① 该温度控制系统的设计包括硬件设计和软件设计两大部分,结合实际情况,该系统应具备如下功能:
A、实时采集温度;
B、显示温度;
C、串行传送数据;
D、控制外设;
E、温度超限报警;
②系统硬件设计
系统的硬件设计部分主要由以下几部分组成:
A、单片机最小系统;
B、温度采集模块;
C、温度显示模块;
D、串行通信模块;
E、报警电路;
图2软件流程图
(2)、方案比较
方案一采用8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温。
此方案简易可行,器件的价格便宜,但8031内部没有程序存储器,需要扩展,增加了电路的复杂性,且ADC0809是8位的模数转换,不能满足本题目的精度要求。
方案二采用比较流行的AT89S51作为电路的控制核心,AT89S52不但与8051,8052指令,管脚完全兼容,而且其片内的程序存储器采用FLASH工艺,用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。
AT89S52单片机还支持在线编程,用户通过简单的电路连接就可以将电脑里的程序下载到单片机中,减少调试程序时不断拆卸和插入给芯片带来的损坏。
此外AT89S52单片机有8KB的程序存储器和256B的数据存储器,不需外部扩展存储芯片,可以降低硬件电路的复杂度。
此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。
综上分析,我们采用方案二。
仿真总体电路图如图3示
图3
图3
(3)、单元电路设计
①、单片机最小系统设计
单片机是整个系统的核心处理器,其负责驱动温度传感器DS18B20工作、温度显示、控制外围设备的工作以及与上位机进行通信等工作。
单片机最小系统主要由两块组成,其一为晶振起振电路,其二为复位电路,在此,采用按键手动复位,相对来讲,这种复位方式更加方便,更加人性化,不必要切断电源即可对系统进行复位。
AT89S51简介:
AT89S52是89系列单片机的一种,它不但与8051,8052指令,管脚完全兼容,而且其片内的程序存储器采用FLASH工艺,用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。
AT89S52单片机还支持在线编程,用户通过简单的电路连接就可以将电脑里的程序下载到单片机中,减少调试程序时不断拆卸和插入给芯片带来的损坏。
此外AT89S52单片机有8KB的程序存储器和256B的数据存储器,不需外部扩展存储芯片,可以降低硬件电路的复杂度。
②、温度采集模块设计
温度传感器是该系统的关键器件,本系统选用的是美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DS18B20。
本系统中DS18B20的DQ口与单片机的P1.0口连接,GND接地,VDD接电源,信号和5V电源之间的接上一个上拉电阻R。
DS18B20简介:
DS18B20有三个主要数字部件组成:
64位激光ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL。
DS18B20支持“一线总线”接口,测量温度范围为-55°C~+125°C,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出,在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
DS18B20采集到的现场温度直接以先进的单总线数据通信方式传输,大大提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境的现场温度测量,如:
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
DS18B20可程序设定9~12位的分辨率,精度可达±0.5°C。
DS18B20具有内置的EEPROM,用户设定的分辨率和报警温度都可存储在其中,且掉电后依然存在。
CPU只需一根端口线就能与DS18B20进行通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
与前一代产品(DS1820温度传感器)不同,DS18B20支持3.0V~5.5V的电压范围,使系统设计更灵活、方便,而且DS18B20价格更便宜,体积更小。
如图J1所示, DS18B20有三个管脚:
3脚GND为电源地,2脚DQ为数字信号输入/输出端,1脚VDD为外接供电电源接入端(用寄生电源方式时接地)。
在外部电源供电方式下,DS18B20工作电源由VDD引脚接入,
此时I/O线不需要强上拉,不存在电源电流不足的问题,
可以保证转换精度,同时理论上总线可以挂接任意
多个DS18B20传感器,组成多点测温系统。
在外部供电的方式下,DS18B20的GND引脚不能悬空,
否则不能转换温度,读取的温度总是85℃。
③温度显示模块设计
根据实际应用情况,该温度显示模块采用七段数码管显示电路,
数码管选用共阳极数码管,如图U3示,以动态方式显示,显示数据
由P1口送出,位控信号由P2口送出,经74LS244进行信号放大,
以产生足够大的电流驱动数码管显示。
流程图如图示:
④串行通信模块设计
AT89S52单片机内部含有一个可编程全双工串行通信接口,由TXD引脚来传送串行数据,而由RXD引脚来接收数据。
该接口具有UART(通用异步接收和发送器)的全部功能,它不仅能同时进行数据的发送和接收,也可作为一个同步移位寄存器使用,可构成双机或者多机通信系统。
⑤报警电路设计
本设计采用蜂鸣器报警电路,它由晶体管和蜂鸣器组成。
当温度的测量值超出给定的上下限时,由单片机的P3.7口输出信号控制晶体管导通,则蜂鸣器报警。
⑥系统软件设计
本系统采用AT89S52作为核心处理器件,把经过DS18B20现场实时采集到的温度数据,存入AT89S52的内部数据存储器,并送LED数码管显示,并与温度的设定值进行比较,然后由单片机输出控制信号去控制外部设备。
进行温度控制程序的设计还应考虑越限报警,当采集到的温度值与温度的设置值进行比较后,若发现当前温度值越限,则产生报警信号。
与硬件电路相关联,本温度控制系统的软件设计主要分为以下几个部分:
主程序,温度上下限值设定子程序、温度读取子程序、温度显示子程序、串口通信子程序、输出控制子程序和报警子程序等。
其中温度上下限值设定子程序完成对温度范围值的设定及数据保存;温度读取子程序完成对温度传感器数据的读取,并通过温度显示子程序显示温度值;串口通信子程序将采集到的温度数据传送到PC机,以实现远程监控;输出控制子程序根据采集到的温度数据完成对外部设备的控制;报警子程序则当采集到的温度数据超过设定的温度上下限值时报警。
整个运行程序,见电子版
下面是测温程序段:
sbitDQ=P3^3;//定义DQ引脚为P3.3
/*******************************延时函数********************************
*功能:
在11.059MHz的晶振条件下调用本函数需要24μs,然后每次计数需16μs
**************************************************************************/
voidDS18_delay(intuseconds){
ints;
for(s=0;s } /*******************************复位函数******************************* *功能: 完成单总线的复位操作。 *复位时间为480μs,因此延时时间为(480-24)/16=28.5,取29μs。 *经过70μs之后检测存在脉冲,因此延时时间为(70-24)/16=2.875,取3μs。 **************************************************************************/ unsignedcharow_reset(void){ unsignedcharpresence; DQ=0;//将DQ线拉低 DS18_delay(29);//保持480μs DQ=1;//DQ返回高电平 DS18_delay(3);//等待存在脉冲 presence=DQ;//获得存在信号 DS18_delay(25);//等待时间隙结束 return(presence);//返回存在信号,0=器件存在,1=无器件 } /******************************位写入函数******************************* *功能: 向单总线写入1位值: bitval *************************************************************************/ voidwrite_bit(charbitval){ DQ=0;//将DQ拉低开始写时间隙 if(bitval==1)DQ=1;//如果写1,DQ返回高电平 DS18_delay(5);//在时间隙内保持电平值, DQ=1;//DS18_delay函数每次循环延时16μs,因此DS18_delay(5)=104μs } /****************************字节写入函数******************************* *功能: 向单总线写入一个字节值: val *************************************************************************/ voidds18write_byte(charval){ unsignedchari; unsignedchartemp; for(i=0;i<8;i++){//写入字节,每次写入一位 temp=val>>i; temp&=0x01; write_bit(temp); } DS18_delay(5); } /****************************位读取函数******************************** *功能: 从单总线上读取一位信号,所需延时时间为15μs,因此无法调用前面定义 *的DS18_delay()函数,而采用一个for()循环来实现延时。 ************************************************************************/ unsignedcharread_bit(void){ unsignedchari; DQ=0;//将DQ拉低开始读时间隙 DQ=1;//thenreturnhigh for(i=0;i<3;i++);//延时15μs return(DQ);//返回DQ线上的电平值 } /****************************字节读取函数******************************* *功能: 从单总线读取一个字节的值 *************************************************************************/ unsignedcharDSread_byte(void){ unsignedchari; unsignedcharvalue=0; for(i=0;i<8;i++){//读取字节,每次读取一个字节 if(read_bit())value|=0x01< DS18_delay(6); } return(value); } /*******************************读取温度函数***************************** *功能: 如果单总线节点上只有一个器件则可以直接掉用本函数。 如果节点上有多个器 *件,为了避免数据冲突,应使用MatchROM函数来选中特定器件。 *注: 本函数是根据DS1820的温度数据格式编写的,若用于DS18B20,必须根据 *DS18B20的温度数据格式作适当修改。 **************************************************************************/unsigned intReadTemperature(void){ unsignedcharget[10]; unsignedchartemp_lsb,temp_msb; unsignedintt; unsignedchark; ow_reset(); ds18write_byte(0xCC);//跳过ROM ds18write_byte(0x44);//启动温度转换 DS18_delay(5); ow_reset(); ds18write_byte(0xCC);//跳过ROM ds18write_byte(0xBE);//读暂存器 for(k=0;k<2;k++){get[k]=DSread_byte();} temp_msb=get[1];//Signbyte+lsbit temp_lsb=get[0];//Tempdatapluslsb t=temp_msb*256+temp_lsb; t=t&0x0ff0; if(t<0xff&&t>0xf0) t=(-1)*t; returnt>>4; //temp_f=(((int)temp_c)*9)/5+32; //输出华氏温度值 } ⑦、软件清单 四、电路仿真 使用protel99se仿真软件仿真,优点在于此软件为这学期刚刚学的一款电子电路软件,使用起来比较熟悉和顺手,且不用花过多的时间在软件学习,缺点在于,此仿真软件对于单片机类实例进行不了仿真,也就相当于没有仿真数据,这样会容易出错,但是AT89S52刚刚好能够弥补这个缺陷,所以还是选择用protel99se来做仿真实验。 电路原理图如下图示: 电路版的预览图如下图示: PCB打印预览图 该设计的pcb图见附图: 完整的PCB图 五、总结 通过此次课程设计,我学到了很多很多新的知识,同时,也加深了对旧知识的了解和认知。 不管是从动手能力还是理论学习上讲,这次课程设计都让我有了一定的提高。 首先是对单片机芯片AT89S52的学习,之前我们学的89C51系列的,前者对于后者来讲,比较先进和高级,而且更加贴近于我们的生活。 鉴于自己对AT89S52的一点认识也没有,所以一切只能从头开始学起,从到图书馆找资料到网上查找,从一个人奋战到找同学帮助,一点一滴地,从无到有,在不断的努力之下,我终于也了解到一点点AT89S52单片机芯片的工作原理和功能了 接着便是DS18B20温度传感器的学习,AT89S52单片机芯片还可以从89C53系列找相似之处,但DS18B20就完全没有了,不过,还好,现代DS18B20的应用技术也比较普遍和熟练,所以能找得到比较多的资料区了解和学习。 一门比较成熟的技术要掌握起来是比较容易的,只要你有耐心和恒心去学习。 有了初步的构思之后,就要开始着手仿真实验了,虽然protel99se软件进行不了单片机芯片的仿真实验,拿不到确切的仿真数据,但是使用protel99se软件却也是这次课程设计中必不可少的步骤,因为使用protel99se软件可以设计此次课程设计的pcb电路图,这样就可以制作pcb感光板。 使用感光板来做此次实验,能大大地减少花费的时间和精力。 但是制作感光板的过程也是一个挑战,它讲究的是耐心和技术,一不小心,之前所做的功夫就很有可能被白白的浪费掉。 而且,通过此次制作感光板,我也大大地感受到高新技术的作用,我们不断地对世界对社会对知识进行探索,其目的不就在于让我们生活的世界变得更加的简单方便快捷美好吗? 成功地制作出感光板后,焊接实物就不是一个问题,但是最最困难的还不是制作感光板,而是程序的编写。 本来在上一学年中,自己对汇编就学得不怎样好的了,现在到了真真正正地使用到它的时候,就更加感觉到力不从心了,不过,办法总是比困难多的。 虽然使用汇编语言对于我来讲是困难了点,但是我可以选择用C语言来编写程序。 可是一波未平一波又起,工具问题虽然是解决了,但是凭我现有的C语言水平编写此次课程设计的程序还是有一定的难度的。 我了解到同学中有几个人的C语言还是很好的,于是乎,我就鼓起勇气,不断地向他们请教,不懂就问,不懂就找资料,终于,在自己的坚持不懈之下,一段段程序终于从我手中完成了,更让我觉得高兴的是,在调试的过程中,虽然也有很多问题,但是都能比较顺利地解决了。 在此次课程设计中,我受益匪浅,尤其是在操作方面。 在感光板的制作过程中、实物的焊接过程中,很多细节都是同学提醒和注意的。 跟同学一起协作,真的是学到很多东西,不管是合作精神、探讨热情,还是学习方法、学习态度,同学都给我很大的感触,让我了解到一个人努力了、付出了,就一定会有收获。 最后,是此次课程设计的不足之处。 最最明显的就是没有仿真数据,对于课程设计来讲,没有仿真数据的前提下制作实物其实是一个挺冒险的行为。 其次,便是此次课程设计的功能较单一,而且是用单片机芯片做的,没能做到创新。 希望自己在以后的学习中,要注意培养自己创新这一方面的能力。 实物照片
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