数字温度计设计-毕业设计Word文档格式.doc
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2.3.174LS164引脚功能及特性 12
2.3.2显示电路 13
2.4报警电路的实现 14
2.5报警上、下限调整电路实现 14
2.6复位电路的实现 14
3系统软件设计 15
3.1主程序 15
3.2读出温度子程序 16
3.3温度转换命令子程序 17
3.4计算温度子程序 18
3.5显示数据刷新子程序 19
3.6系统的调试过程 19
4结束语 20
附录1:
程序清单 21
附录2:
整体设计原理图 29
参考文献:
30
31
前言
随着人们生活水平的不断提高,单片机在我们的日常生活中越来越广泛,它带给人们的方便是不可否定的,不如说,数字温度计,现在人们对它的要求是越来越高,要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术着手,一切向着数字化控制,智能化控制方向发展。
本设计将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,测温准确的特点,其输出温度采用数字显示,该设计的控制器使用单片机AT89S51,测温传感器使用DS18B20,用3位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上列出的要求。
随着时代的进步与发展,单片机技术已经普及到我们生活,工作,科研,各个领域,已经成为一种较为成熟的技术。
本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计,本温度计属于多功能温度计,可以设置上下报警温度,但温度不在设置范围内时,可以报警。
1数字温度计设计方案的论证
1.1方案一
由于本次设计是测温电路,可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行A/D转换后,就可以用单片机进行数据的处理,在显示电路上,就可以将被测温度显示出来,这种设计需要用到A/D转换电路,感温电路相对比较麻烦。
1.2方案二
★因为要考虑到温度传感器,在单片机电路设计中,大多都是使用传感器,所以这是非常容易想到的,所以可以采用一只温度传感器DS18B20,这类传感器,可以很容易直接读取被测温度值,进行转换,可以满足设计要求。
★方案二的总体设计框图
温度计电路设计总体设计方框图如图1.2.1所示,控制器采用单片机AT89S51,温度传感器采用DS18B20,用5位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。
单片机复位
报警点按键调整
时钟振荡
主控制器
LED显示
温度传感器
图1.2.1总体设计框图
从以上两种方案,很容易得出一个观点:
采用方案二,电路比较简单,软件设计也比较简单。
2数字温度计详细设计
2.1主控制器AT89S51
AT89S51引脚图如图2.1.1-1所示,共有40个引脚,4kbytesflash片内程序存储器,128bytes的随机存取存储器(ram),32个外部双向输入/输出(i/o)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(wd)电路,片内时钟振荡器。
图2.1.1-1AT89S51引脚图
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0hz,并且可以通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而ram定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
主要功能特性:
兼容mcs-51指令系统4k可反复擦写(>
100次)ipflashrom
32个双向i/o口4.5-5.5工作电压
2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33mhz
全双工uart串行中断口线128x8bit内部ram
2个外部中断源低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式3级加密位
看门狗(wdt)电路软件设置空闲和省电功能
灵活的isp字节和分页编程双数据寄存器指针
2.1.2管脚功能说明
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时,P0口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部上拉为低电平,P3口将输出电流(ILL),这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如以下所诉:
P3口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INTO(外部中断0)
P3.3/INTO(外部中断1)
P3.4T0(计时器0外部输入)
P3.5T1(计时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
通常情况下,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而需要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如果想禁止ALE的输出,可以在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚将被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间为外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;
当/EA端保持高电平时,此间为内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
来自反向振荡器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
2.1.3振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2.1.4芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦除操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89S51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
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。
2.2温度采集部分的设计
2.2.1温度传感器DS18B20
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9~12位的数字值读数方式。
TO-92封转的DS18B20的引脚排列见下图(底视图),其管脚功能描述见表2.2.1-1。
图2.2.1-1引脚排列图
表2.2.1-1DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能说明
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。
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可以并联在唯一的三线上,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3.0~5.5V;
零待机功耗;
温度以9或12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;
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;
DS18B20采用3脚PR—35封装或8脚SOIC封装,其内部结构图如图2.2.1-2所示。
64
位
ROM
和
单
线
接
口
存储器与控制逻辑
高速缓存
低温触发器TL
8位CRC发生器
I/O
温度传感器
高温触发器
配置寄存器
C
图2.2.1-2DS18B20内部结构
64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的唯一序号,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。
温度报警触发器TH和TL,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8字节的存储器,结构如图2.2.1-3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,是易失性的,每次上电复位时被刷新。
第5个字节,为配置寄存器,它的作用是来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2.2.1-3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。
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
保留
CRC
TM
R1
R0
图2.2.1-3DS18B20字节定义
由表2.2.1-2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。
高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用,表现为全逻辑1,第9字节读出前面所有8字节的CRC码,可用来检验数据,从而保证通信数据的准确性。
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1、2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0.0625℃/LSB形式表示。
当符号位S=0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S=1时,表示测得的温度值为负值,要先将补码变为原码,再计算十进制。
表2.2.1-3是一部分温度值对应的二进制温度数据。
表2.2.1-2DS18B20温度转换时间表
分辨率/位
温度最大转向时间/ms
9
93.75
10
187.5
11
375
12
750
DS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。
若T>
TH或T<
TL,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1;
高温度系数晶振随温度变化其晶振频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
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1、温度寄存器中,计数器1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,当减法计数器1预置值减到0,温度寄存器的值将加1减法计数器1预置将重新被装入,减法计数器1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0,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。
表2.2.1-3一部分温度对应值表
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+85
0000010101010000
0550H
+25.0625
0000000110010000
0191H
+10.125
0000000010100001
00A2H
+0.5
0000000000000010
0008H
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
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:
初始化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
2.2.2DS18B20温度传感器与单片机的接口电路
DS18B20可以采用两种方式供电,一种是采用电源供电方式,此时DS18B20的1脚接地,2脚作为信号线,3脚接电源。
另一种是寄生电源供电方式,如图2.2.2-1所示单片机端口接单线总线,为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流,可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。
单片机
VCC
DS18B20029
DS18B29
4.7K
图2.2.2-1DS18B20与单片机的接口电路
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10us。
采用寄生电源供电方式时VDD端接地。
由于单线制只有一根线,因此发送接口必须是三态的。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据,因此,对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序:
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备,单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始,如果要求单总线器件回送数据,在进行写命令后,主机需启动读时序完成数据接收。
数据和命令的传输都是低位在先,其复位时序如图2.2.2-2所示。
图2.2.2-2DS18B20的复位时序
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。
对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后,在15秒之内就得释放单总线,以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20在完成一个读时序过程,至少需要60us才能完成。
其时序图如图2.2.2-3所示。
图2.2.2-3DS18B20的读时序图
对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同,当要写0时序时,单总线要被拉低至少60us,保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样I/O总线上的“0”电平,当要写1时序时,单总线被拉低之后,在15us之内就得释放单总线。
其时序图如图2.2.2-4所示。
图2.2.2-4DS18B20的写时序图
2.3显示部分电路设计
2.3.174LS164引脚功能及特性
74LS164是一个串入并出的8位移位寄存器,其引脚图如图2.3.1-1所示。
它常用于单片机
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