数字显示温度计毕业设计完整版.docx
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西安航空职业技术学院
毕业设计(论文)
论文题目:
数字显示温度计
所属系部:
电子工程系
指导老师:
丁欢职称:
讲师
学生姓名:
张海龙班级、学号:
10202230
专业:
电子信息工程技术
西安航空职业技术学院制
2012年12月15日
西安航空职业技术学院
毕业设计(论文)任务书
题目:
数字显示温度计
任务与要求:
使用数码管显示实时温度,可以手动调节校正温度,使用单片机实现A/D转换和显示控制。
该数字温度计的测量范围为-55℃~128℃,显示分辨率为12位,误差≤±0.5℃利用温度传感器DS18B20测量某一点环境温度。
时间2012年10月15日至2012年12月15日共8周
所属系部:
电子工程系
学生姓名:
张海龙学号:
10202230
专业:
电子信息工程技术
指导单位或教研室:
应用电子技术教研室
指导教师:
丁欢职称:
讲师
西安航空职业技术学院制
2012年12月15日
毕业设计(论文)进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
2012.10.15
至
2012.10.29
熟悉课题和相关资料查阅
已完成
2012.10.30
至
2012.11.11
总体设计方案确定
已完成
2012.11.12
至2012.11.17
系统硬件设计
已完成
2012.11.18
至-
2012.11.24
系统软件设计
已完成
2012.11.25
至-
2012.12.1
进行程序编写
已完成
2012.12.2
至
2012.12.9
程序调试及电路仿真
已完成
2012.12.10
至
2012.12.15
整理.撰写论文,准备答辩
已完成
教师对进度计划实施情况总评
签名
年月日
本表作评定学生平时成绩的依据之一。
数字显示温度计
【摘要】
本文介绍一种基于AT89C51单片机的一种温度测量及控制电路,该电路采用DS18B20作为温度监测元件,测量范围-55℃~+128℃,使用LED模块显示,可以手动调节校正温度。
正文着重给出了软硬件系统的各部分电路,介绍了集成温度传感器DS18B20的原理,AT89C51单片机功能和应用等。
关键词:
温度测量;AT89C51;DS18B20
【Abstract】
Theintroductionofacost-basedAT89C51MCUatemperaturmeasurementcircuits,thecircuitsusedDS18B20high-precisiontemperatursensor,measuringscope-55℃~+128℃,cansetthewarninglimitation,theuseofsevensegmentsLEDthatcanbedisplaythecurrenttemperature.Thepaperfocusesonprovidingasoftwareandhardwaresystemcomponentscircuit,introducedthetheoryofDS18B20,thefounctionsandapplicationsofAT89C51.
Keywords:
Temperaturmeasurement;DS18B20;AT89C51
目录
1引言 1
1.1研究背景 1
1.2研究现状 1
2总体设计方案 2
2.1设计思路 2
2.2总体设计框图 2
2.3所用主要元器件 3
3硬件设计 4
3.1单片机的选择 4
3.1.1AT89C51单片机的主要特性 4
3.1.2引脚功能及管脚电压 5
3.2温度传感器的选择 7
3.2.1DS18B20的主要特性 7
3.2.2DS18B20的实物图 8
3.2.3DS18B20使用中注意事项 8
4电路及原理图 10
4.1温度检测电路 10
4.2复位电路 11
4.3时钟电路 11
4.4温度控制电路 12
4.5显示电路 12
4.6主电路原理图 13
4.7数字显示温度计的工作原理 13
5软件设计 14
5.1概述 14
5.2主程序模块 14
6仿真 15
6.1Proteus介绍 15
6.2Proteus功能 15
7调试 16
结束语 17
谢辞 18
参考文献 19
附录A 20
附录B 21
1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,人们在生产过程中会越来越关注精密而实用的仪器,能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。
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,要为现代人工作、科研、生活等提供更好更方便快捷的设施就需要从单片机技术入手,一切向着数字化控制,智能化控制方向发展。
1.1研究背景
目前温度计的发展很快,从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等,温度计中传感器是它的重要组成部分,它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。
传感器应用极其广泛,目前已经研制出多种新型传感器。
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。
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,测温精确,数字显示,适用范围宽等特点,主要用于对测温比较准确的场所或科研实验室使用,可广泛用于工业控温系统、温度计、消费产品以及其它温度测控系统。
目前,该产品已在温控系统中得到了广泛使用。
因此本设计就尝试通过编程与芯片的结合来解决传统数字温度计的弊端,设计出新型数字温度计。
1.2研究现状
温度传感器的发展现状:
温度传感器使用范围广,数量多,居各种传感器之首,其发展大致经历了以下3个阶段:
(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)——热电偶传感器,主要是能够进行非电量和电量之间转换。
(2)模拟集成温度传感器/控制器,集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
(3)智能温度传感器。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE_)的结晶。
智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
2总体设计方案
2.1设计思路
本设计是一个基于单片机AT89C51的数字显示温度计和温度传感DS18B20的设计,用来测量环境温度,测量范围为-55~128℃,显示分辨率为12位,误差≤±0.5℃.整个设计系统主要包括硬件电路的设计和系统软件的设计。
硬件电路主要包括主控制器,测温电路和显示电路等。
主控制器采用单片机AT89C51,温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20来实现环境温度的采集和A/D转换,同时因其输出为数字形式,且为串行输出,这就方便了单片机进行数据处理,但同时也对编程提出了更高的要求。
单片机把采集到的温度进行相应的转换后,显示电路采用LED显示器以动态扫描法直读显示。
系统程序主要包括主程序,读出温度子程序,写入温度子程序等。
2.2总体设计框图
本系统采用单片机作为微控制器,由复位电路,时钟电路,控制电路,温度检测电路,温度数字显示五大模块组成,复位电路与时钟电路构成单片机最小系统,温度检测电路主要检测周围环境的温度,然后再由LED显示器显示出来。
通过控制电路来手动调节温度的高低。
如图2.1所示。
单片机用AT89C51、温度传感器用DS18B20,采用12MHZ晶振,电源采用5V。
该电路经过设计分析、绘图、仿真调试、制板、焊接等工作后数字显示温度计成形。
采用数字温度芯片DS18B20测量温度,输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,此元件线形较好。
在0—100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输,由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。
采用51单片机控制,软件编程的自由度大,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制,而且体积小,硬件实现简单,安装方便。
主
控
制
单
元
温度数字显示
复位电路
时钟电路
温度检测电路
控制电路
图2.1总体设计框图
2.3所用主要元器件
单片机AT89C51一个,温度传感器DS18B20一个,12MHz晶振一个,LED显示屏一个,电源一个,排阻一个,按钮开关三个,电阻电容及导线若干等。
3硬件设计
3.1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,采是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89S51单片机在电子行业中有着广泛的应用。
单片机小系统的电路图如图3.1所示。
图3.1单片机小系统电路
3.1.1AT89C51单片机的主要特性
(1)兼容MCS-51指令系统,4K字节可编程闪烁存储器;
(2)8k可反复擦写(大于1000次)FlashROM;
(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)低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能;
(10)有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式,以适应不同产品的需求。
3.1.2引脚功能及管脚电压
AT89C51为8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的89C52相同。
如图3.2所示。
图3.2AT89C51引脚图
(1)P0口
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
(2)P1口
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),参见表3.1。
Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。
表3.1P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2,时钟输出
P1.1
T2EX(定时/计数器2)
(3)P2口
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
(4)P3口
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
(5)RST
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
(6)ALE/PROG
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
(7)PSEN
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
(8)EA/VPP
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接VCC端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源VPP,当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。
(9)XTAL1
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
(10)XTAL2
振荡器反相放大器的输出端。
3.2温度传感器的选择
DS18B20温度传感器是美国DALLAS公司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,并且具有耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样等特点,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
3.2.1DS18B20的主要特性
(1)适应电压范围更宽,电压范围:
3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电;
(2)独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯;
(3)DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温;
(4)DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内;
(5)温范围-55℃~+128℃,在-10℃~+85℃时精度为±0.5℃;
(6)可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温;
(7)在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快;
(8)测量结果直接输出数字温度信号,以“一线总线”串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力;
(9)负压特性:
电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
3.2.2DS18B20的实物图
如图3.3所示
图3.3DS18B20实物图
3.2.3DS18B20使用中注意事项
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下几方面的问题:
(1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿,由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送,因此,在对DS18B20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DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。
(2)在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题,容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20,在实际应用中并非如此。
当单总线上所挂DS18B20超过8个时,就需要解决微处理器的总线驱动问题,这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
(3)连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。
试验中,当采用普通信号电缆传输长度超过50m时,读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时,正常通讯距离可达150m,当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时,正常通讯距离进一步加长。
这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。
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布电容和阻抗匹配问题。
(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DS1820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也要给予一定的重视。
测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线,其中一对线接地线与信号线,另一组接VCC和地线,屏蔽层在源端单点接地。
4电路及原理图
4.1温度检测电路
DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式,DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。
DS18B20的电源供电方式有2种:
外部供电方式和寄生电源方式。
工作于寄生电源方式时,VDD和GND均接地,他在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用,原理是当1Wire总线的信号线DQ为高电平时,窃取信号能量给DS18B20供电,同时一部分能量给内部电容充电,当DQ为低电平时释放能量为DS18B20供电。
但寄生电源方式需要强上拉电路,软件控制变得复杂(特别是在完成温度转换和拷贝数据到E2PROM时),同时芯片的性能也有所降低。
因此,在条件允许的场合,尽量采用外供电方式。
无论是内部寄生电源还是外部供电,I/O口线要接5KΩ左右的上拉电。
在这里采用前者方式供电。
DS18B20与芯片连接电路如图4.1所示:
图4.1DS18B20和单片机的接口连接
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式,工作稳定可靠,抗干扰能力强,而且电路也比较简单,可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。
在开发中使用外部电源供电方式,毕竟比寄生电源方式只多接一根VCC引线。
在外接电源方式下,可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点,即使电源电压VCC降到3V时,依然能够保证温度量精度。
由于DS18B20只有一根数据线,因此它和主机(单片机)通信是需要串行通信,而AT89C51有两个串行端口,所以可以不用软件来模拟实现。
经过单线接口访问DS18B20必须遵循如下协议:
初始化、ROM操作命令、存储器操作命令和控制操作。
要使传感器工作,一切处理均严格按照时序。
4.2复位电路
如图4.2所示。
上电复位用RC电路,电容用10uF,电阻用10K。
根据DS18B20的通讯协议,主机(单片机)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进行复位操作,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,当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。
单片机复位是使CPU和系统中的其它功能部件都处在一个确定的初始状态,复位是单片机的初始化操作,其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。
单片机复位的条件是:
必须使RST引脚加上持续两个机器周期的高电平,复位电路在接电瞬间,RESET端的电位与VCC相同,随着充电电流的减少,RESET的电位逐渐下降。
只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期,便能正常复位。
复位后PC值为0000H,表明复位后程序从0000H开始执行,从第一个单元取指令。
例如,若时钟频率为12MHz,每机器周期为1us,则只需2us以上的高电平,在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。
单片机复位期间不产生ALE信号,即ALE=1.表明单片机复位期间不会有任何取指操作。
图4.2复位电路
4.3时钟电路
单片机的晶振频率低于40MHZ,所用我们采用12MHZ,加两个30pF电容。
如图4.3所示。
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号,单片机本身就是一个复杂的同步时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。
一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振,再有两个电容分别接到晶振的两端,另一端接地,这两个电容串联的容量值应该等于负载电容。
在单片机内部有一个高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2,在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体震荡器和微调电容,形成反馈电路,就构成一个稳定的自激震荡器,一般的晶振的负载电容为20pF-45pF之间,考虑到元件引脚的等效输入电容
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