基于单片机的数字温度计专业课程设计硬件.doc

摘要

本设计以STC89S51单片机为核心温度控制系统工作原理和设计办法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号方式传送给单片机。文中简介了该控制系统硬件某些，涉及：温度检测电路、温度控制电路。单片机通过对信号进行相应解决，从而实现温度控制目。文中还着重简介了软件设计某些，在这里采用模块化构造，重要模块有：数码管显示程序、键盘扫描及按键解决程序、温度信号解决程序、led控制程序。

核心词：STC89S51；单片机；DS18B20；温度芯片；LED

目录

引言 1
1.设计概述 2
1.1 设计目的和规定 2
1.2 设计思路 2
2.系统方案及硬件设计 3
2.1 设计方案 3
2.2 方案硬件总体方框图 3
2.3 温度传感器DS18B20测温原理 4
2.4 硬件设计 9
2.4.1主控制器电路 9
2.4.2复位电路 10
2.4.3时钟振荡电路 10
2.4.4正相驱动电路 11
2.4.5反相驱动电路 11
2.4.6显示电路 12
2.5 软件设计 12
3.系统原理图 14
4.proteus软件仿真成果 15
4.1系统仿真设计 15
4.2仿真成果分析 15
5.结论 16
6.参照文献 17

引言

单片机以其体积小、功能完善、抗干扰能力强、价格低廉等长处而被广泛应用于工业控制、可编程序控制器、通信、家电等领域。89C51系列单片机通过近年发展，在性能、指令功能、运算速度、控制能力等方面均有很大提高，已被越来越多科学工作者所关注。 　　
当前，大学院校有关电子、机电、自动化、计算机等专业都在开设这门课程。单片机课程设计是学生加深理论知识理解、提高实际设计能力重要环节，从设计电路板，到程序编制与调试，最后完毕一种单片机系统设计，可以使学生体验到成功高兴。Proteus虚拟单片机仿真软件可以成功地进行绝大某些单片机硬件仿真，轻松实现程序功能展示。

1.设计概述
1.1 设计目的和规定
1.用所学单片机知识设计制作数字温度计；
2.测温范畴是-50℃---100℃；
3.误差不大于0.5℃；
4.所测温度值可以由LCD数码管直接显示；
5.进一步熟悉proteus,protel,word软件功能和用法；
1.2 设计思路
一方面拟定咱们所设计是一种数字温度计，由单片机、温度传感器以及其她电路共同实现。
依照所要实现功能，先在proteus软件上仿真。依照所选用硬件可以将整个软件设计分为若干子程序，有初始化、查询时间、发送指令、读取数据、显示温度等构成，可将以上子程序分别设计，实现各自功能，再在子程序中调用，就可以实现预期目的。
在proteus软件里画出相应电路图，将编写好程序编译后文献下载到proteus电路图单片机里，进行仿真，对温度传感器设立不同参数，看与否达到了咱们设计所规定目的，如果不符合规定，需要检查程序算法和硬件连接与否有误。若仿真成功，就按照电路图焊接硬件。
2.系统方案及硬件设计
2.1 设计方案
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。采用了单总线数据传播，由数字温度计DS18B20和AT89C51单片机构成温度测量装置,它直接输出温度数字信号,也可直接与计算机连接。采用AT89C51单片机控制，软件编程自由度大，可通过编程实现各种各样算术算法和逻辑控制，并且体积小，硬件实现简朴，安装以便。该系统运用AT89C51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，可以实现迅速测量环境温度，并可以依照需要设定上下限温度。该系统扩展性非常强。该测温系统电路简朴、精准度较高、实现以便、软件设计也比较简朴。
2.2 方案硬件总体方框图
基于增强AVR RISC构造低功耗8位CMOS微控制器AT89C51，温度传感器采用DS18B20，用四位数码管显示温度。

图2.2.1 硬件总体方框图
2.3 温度传感器DS18B20测温原理
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出一种改进型智能温度传感器，与老式热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可依照实际规定通过简朴编程实现9-12位数字值读数方式。
DS18B20性能特点如下：
（1）独特单线接口仅需要一种端口引脚进行通信，DS18B20在与微解决器连接时仅需要一条口线即可实现微解决器与DS18B20双向通讯。
（2）DS18B20支持多点组网功能，各种DS18B20可以并联在惟一三线上，实现多点组网测温；
（3）不必外部器件，所有传感元件及转换电路集成在形如一只三极管集成电路内；
（4）可通过数据线供电，电压范畴为3.0-5.5Ｖ；
（5）零待机功耗；
（6）温度以9或12位数字，相应可辨别温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；
（7）顾客可定义报警设立；
（8）报警搜索命令辨认并标志超过程序限定温度（温度报警条件）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；
（10）测量成果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同步可传送CRC校验码，具备极强抗干扰纠错能力DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其引脚排列及内部构造框图如图2及图3以及图4测温原理图如下所示：

图2.3.1 引脚排列图

图2.3.2 内部构造框图

图2.3.3 DS18B20测温原理图
64位ROM构造开始8位是产品类型编号，接着是每个器件惟一序号，共有48位，最后8位是前面56位CRC检查码，这也是各种DS18B20可以采用一线进行通信因素。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20温度传感器内部存储器还涉及一种高速暂存RAM和一种非易失性可电擦除EERAM。高速暂存RAM构造为8字节存储器，构造如图2.3.3所示。头2个字节包括测得温度信息，第3和第4字节TH和TL拷贝，是易失，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配备寄存器，它内容用于拟定温度值数字转换辨别率。DS18B20工作时寄存器中辨别率转换为相应精度温度数值。该字节各位定义如图2.3.4所示。低5位始终为1，TM是工作模式位，用于设立DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设立为0，顾客不要去改动，R1和R0决定温度转换精度位数，来设立辨别率。
温度 LSB
温度 MSB
TH顾客字节1
TL顾客字节2
配备寄存器
保存
保存
保存
CRC

TM
R1
R0
1
1
1
1
1

图2.3.4 DS18B20字节定义图
DS18B20辨别率定义如表2-1所示。
表2-1 辨别率设立表
R0
R1
辨别率
最大温度转移时间
0
0
9位
96.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
由表2-1可见，DS18B20温度转换时间比较长，并且辨别率越高，所需要温度数据转换时间越长。因而，在实际应用中要将辨别率和转换时间权衡考虑。
主机控制DS18B20完毕温度转换过程是：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，即将数据总线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待16-60us左右，之后发出60-240us存在低脉冲，主CPU收到此此信号表达复位成功；复位成功后发送一条ROM指令，然后发送RAM指令，这样才干对DS18B20进行预订读写操作。
表2-2 ROM指令集
指令
商定代码
功能
读ROM
33H
读DS18B20中编码

符合ROM

55H
发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该编辑相相应DS18B20使之做出响应，为下一步对该DS18B20读写作准备
搜索ROM
0F0H
用于拟定挂接在同一总线上DS18B20个数和辨认64位ROM地址，为操作各器件作准备
跳过ROM
0CCH
忽视64位ROM地址，直接向DS18B20发送温度变换指令
告警搜索命令
0ECH
执行后，只有温度跳过设定值上限或下限片子才干做出反映

表2-3 RAM指令集
指令
商定代码
功能
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换
读暂存器
0BEH
读暂存器9个字节内容
写暂存器
4EH
将数据写入暂存器TH、TL字节
复制暂存器
48H
把暂存器TH、TL字节写到E2RAM中
重调E2RAM
0B8H
把E2RAM中TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节
读供电方式
0B4H
启动DS18B20发送电源供电方式信号给主CPU
DS18B20测温原理是这这样,器件中低温度系数晶振振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率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振荡频率明显变化，所产生信号作为减法计数器2脉冲输入。器件中尚有一种计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生时钟脉冲进行计数进而完毕温度测量。计数门启动时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，一方面将最低温所相应一种基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在最低温所相应一种基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1预置值减到0时，温度寄存器值将加1，减法计数器1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脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器累加，此时温度寄存器中数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器预置值，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体被测温度值。
2.4 硬件设计
2.4.1主控制器电路
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器低电压、高性能CMOS 8位微解决器，俗称单片机。
AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器单片机。单片机可擦除只读存储器可以重复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业原则MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMELAT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它一种精简版本。AT89C51单片机为诸多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉方案。引脚图如图2.4.1所示。

图2.4.1 AT89C51引脚图
2.4.2复位电路
在这里采用是按钮加上电复位，系统每次上电和每次按下复位按钮，系统就会复位。复位电路图如图2.4.2所示。

图2.4.2 复位电路图
2.4.3时钟振荡电路
在这里采用是1MHZ晶振频率，它与单片机硬件连接电路如图2.4.3所示。

图2.4.3 晶振电路图

2.4.4正相驱动电路
74LS245为数码管断码驱动芯片，P0.0~P0.7输出段码控制信号。正相驱动电路图如图2.4.4所示。

图2.4.4 正相驱动电路图
2.4.5反相驱动电路
7407为反相驱动芯片，P2.0~P2.3输出位扫描控制信号，经由7407反相后驱动4位共阴极数码管位选信号。反相驱动电路图如图2.4.5所示。

图2.4.5 反相驱动电路图
2.4.6显示电路
显示电路采用集成四位一体数码管，为共阴极构造，通过设立不同段码可以显示温度。

图2.4.6 显示电路图
2.5软件设计
系统程序重要涉及DS1820初始程序，向DS1820读字节程序，向DS1820写字节程序，温度读取及转换程序，计算温度子程序，温度显示程序。主程序流程图如图2.5.1所示。

图2.5.1 主程序流程图

3.系统原理图
通过Proteus进行元器件查找与电路图连接得到如图3.1.1系统原理图。

图3.1.1 系统原理图
4. proteus软件仿真成果
4.1系统仿真设计
本设计是在Proteus环境下进行仿真，仿真所用到器件有：单片机AT89C51，DS1820温度传感器，74LS245芯片，7407芯片，液晶显示屏，某些电阻，电容等。
4.2仿真成果分析
本设计在仿真条件下可以对的显示温度，且本设计温度显示可以精准到0.1满足设计规定，仿真时温度显示如图4.2.1所示。

图4.2.1 仿真成果分析图
5.结论
单片机设计至今为止已经进入了令人鼓舞阶段，在进行了长达两周时间摸索与实验，使我不但仅是对于单片机入门软件与硬件惯用设计与功能，还使我对于一项设计研究制作过程所需要详细环节和详细实现办法力度掌握。基于此作品作为单片机课程设计设计创作成果，在当其中机器功能等方面并非处在一种成熟阶段，并且仅仅是由于余教师规定以及咱们初步尝试，当中缺陷是无可非议地存在着。
固然在这次宝贵课程设计活动中，经验才是对于咱们最大收获，并且还增强了自身对未知问题以及对知识深化结识能力，用受益匪浅这个词语来概括这次难忘活动我觉得再适当但是了。但是，光是完毕了作品还是不可以自我满足，在从一开始时候就怀着将作品制作得更加人性化，更加令人满意，更加地使功能完美又以便地被应用领域这个最后目下，随着对单片机这门学科结识加深，到达了拓展限度，我想这个目将在不远时期内被实现。
总之，这次设计从软件编写、调试到软硬件联机调试，咱们倾注了大量时间和心血。真是曾经为程序编写而冥思查找过，曾经为无法找出错误而郁闷苦恼过，也曾经为某一功能不能实现而踌躇彷徨过，但最后咱们成功了。因而咱们不但品味到了成果喜悦，更明白了过程弥足贵重，最后要感谢教师予以咱们这次实践机会和余教师对咱们实践指引。
6.参照文献
【1】李群芳，肖看.单片机原理接口与应用（第2版）.北京：清华大学出版社，.
【2】谢瑞和等.串行技术大全.北京：清华大学出版社，.
【3】陈光东，赵性初.单片微型计算机原理与接口技术.武汉：华中科技大学出版社，1999.
【4】谢瑞和等.微机技术实践（修订版）.武汉：华中科技大学出版社，1995.
【5】马忠梅等.单片机C语言应用程序设计.北京：北京航空航天大学出版社，.