畢業(yè)設計論文基于單片機數(shù)字溫度計設計

1、 ?？飘厴I(yè)設計（論文）設計題目： 基于單片機數(shù)字溫度計設計 系 部： 電氣工程系 專 業(yè)： 電氣自動化技術（工企電氣） 班 級： 工企電氣091301 姓 名： 學 號： 093905130144 指導教師： 職 稱： 助教 2012年6月 南京摘 要 隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術已經(jīng)普及到我們的生活、工作、科研、各個領域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術。本文介紹一種基于at89c51單片機的一種溫度測量,該電路采用ds18b20作為溫度監(jiān)測元件，測量范圍-30-150。正文著重給出了軟硬件系統(tǒng)的各部分電路，介紹了集成溫度傳感器ds18b20的原理，at89c51單片機功能和應用。該系統(tǒng)可以方

2、便的實現(xiàn)溫度采集和顯示，并可根據(jù)需要設定上下限溫度，它使用起來具有精確度高、測量廣、靈敏度高、體積小、功耗低等優(yōu)點。該電路設計新穎、功能強大、結構簡單,有廣泛的應景。關鍵詞 溫度測量 ds18b20 at89c51abstractalong with the progress and development of the ages,single slice the machine technigue has already make widely availablc the life is to us,work,research,each reach,have alrealy become t

3、he technique of a kind of comparison maturity.the introduction of a cost-based at89c51 mcu a temperatur measurement circuits, the circuits used ds18b20 high-precision temperatur sensor , measuring scope -30+150。the paper focuses on providing a software and hardware system components circuit, introdu

4、ced the theory of ds18b20, the founctions and applications of at89c51 .system can easily to collect and display the temperature,it can also arbitrary set alarm temperature according to the accrual need.it is used convenience ,it has high precision ,wide range,high sensitivity,small size,and low powe

5、r disspition,this circuit design innovative, powerful, can be expansionary strong,turu into as a complementary expansion.keywords temperatur measurement ds18b20 at89c51 目 錄1 引言12 傳統(tǒng)測溫與數(shù)字溫度計的比較22.1 傳統(tǒng)測溫方法22.2 基于溫度傳感器的溫度測量23 器件簡介23.1 at89c51簡介23.2 ds18b20 簡介43.3 lcd 液晶顯示64 系統(tǒng)設計64.1 設計方案64.2 總體設計框圖75 系

6、統(tǒng)硬件軟件設計75.1 硬件設計75.2 軟件設計11結論13致謝14參考文獻151 引言溫度控制是無論是在工業(yè)生產(chǎn)中，還是在日常生活中都有著非常重要的作用，過低的溫度或過高的溫度都會使水資源失去應有的作用，從而造成水資源的浪費。特別是在當今全球水資源缺乏的情況下，我們更應該掌握好對水溫的控制，把身邊的水資源好好地利用起來。在現(xiàn)代冶金、石油、化工及電力生產(chǎn)過程中，溫度是極為重要而又普遍的熱工參數(shù)之一。在環(huán)境惡劣或溫度較高等場合下，為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動強度、節(jié)約能源，要求對加熱爐爐溫進行測、顯示、控制，使之達到工藝標準，以單片機為核心設計的爐溫

7、控制系統(tǒng)，可以同時采集多個數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過通訊口送至上位機進行顯示和控制。那么無論是哪種控制，我們都希望水溫控制系統(tǒng)能夠有很高的精確度，幫助我們實現(xiàn)我們想要的控制，解決身邊的問題。在計算機沒有發(fā)明之前，這些控制都是我們難以想象的。而當今，隨著電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，計算機技術和傳感器技術的不斷改進，而且計算機和傳感器的價格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技術來實現(xiàn)水溫控制并提高控制的精確度不僅是可以達到的而且容易實現(xiàn)的。用高新技術來解決工業(yè)生產(chǎn)問題，排除生活用水問題實施對水溫的控制已成為我們電子行業(yè)的任務，以此來加強工業(yè)化建設，提高人民的生活水平。本文是基于at89s51單片機，采用數(shù)字溫度傳

8、感器ds18b20，利用ds18b20不需要a/d轉(zhuǎn)換，可直接進行溫度采集顯示，報警的數(shù)字溫度計設計。 2 傳統(tǒng)測溫與數(shù)字溫度計的比較2.1 傳統(tǒng)測溫方法傳統(tǒng)工業(yè)中主要用熱敏電阻之類的器件，利用其感溫效應，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行a/d轉(zhuǎn)換后，可以用單片機進行數(shù)據(jù)處理，在顯示電路上顯示，這需要用到a/d轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。熱電阻的引線主要有三種方式：二線制、三線制、四線制。2.2 基于溫度傳感器的溫度測量 基于at89c51單片機，采用溫度傳感器ds18b20的數(shù)字溫度計，在實際測量溫度時，電路不需要進行a/d轉(zhuǎn)換，可直接進行溫度采集顯示。以上可以看出采用溫度傳感器

9、的電路比較簡單，軟件設計也比較簡單，所以在現(xiàn)代工業(yè)中一般采用數(shù)字溫度的測量方式。3 器件簡介3.1 at89c51簡介3.1.1 at89c51簡介at89c51是一種帶4k字節(jié)flash存儲器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的高性能、低電壓cmos 8位微處理器，稱之為單片機。采用atmel高密度非易失存儲器制造技術來制造，與工業(yè)mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。atmel的at89c51是一種高效微控制器，用單個芯片將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在其中。3.1.2 主要特性1 與 mcs-51 兼容2 4

10、k 字節(jié)可編程閃爍存儲器3 壽命：1000 寫/擦循環(huán)4 數(shù)據(jù)保留時間：10 年5 全靜態(tài)工作：0hz-24hz6 三級程序存儲器鎖定7 128*8 位內(nèi)部 ram8 32 可編程 i/o 線9 兩個 16 位定時器/計數(shù)器10 5 個中斷源3.1.3 管腳說明各引腳功能說明如下:vcc: 電源gnd: 接地 p0 口：p0口是一個8位漏極開路的雙向i/o口。每位可以驅(qū)動8個ttl邏輯電平。對p寫“1”時，輸入高阻抗。p0 可以用于外部程序數(shù)據(jù)存儲，可以定義它為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在這種模式下，p0中存在內(nèi)部上拉電阻。在flash編程的時候，p0口還可以用來接收指令字節(jié)；程序校驗的時候，可以輸

11、出指令字節(jié)。 p1口：p1口是一個內(nèi)部給予上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口。p1輸出可以驅(qū)動4個ttl邏輯電平。p1 口寫 1 后，端口拉高內(nèi)部上拉電阻，作為輸入口使用。作輸入使用的時候，因為內(nèi)部電阻被外部拉低，于是輸出電流（iil）。除此之外，p1.0和p1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（p1.0/t2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex） p2口：p2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o 口。p2 輸出緩沖器能夠驅(qū)動4個ttl邏輯電平。p2 寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻拉高端口，做輸入口使用。作為輸入時，輸出電流（iil）。在用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器或訪問外部

12、程序存儲器時，p2口輸出高八位地址。于是p2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時候，p2口輸出p2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗的時候，p2口也可以接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 p3口：p3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o 口。p3 寫“1”的時候，拉高內(nèi)部上拉電阻，做輸入口使用。做輸入時，因為內(nèi)部電阻，被外部拉低的引腳將輸出電流（iil）。p3口也可以作為at89c51特殊功能來使用，如表1所示。表1 at89c51引腳號第二功能p3.0 rxd（串行輸入口）p3.1 txd（串行輸出口）p3.2 /int0（外部中斷0）p3.3 /int1（

13、外部中斷1）p3.4 t0（定時器0外部輸入）p3.5 t1（定時器1外部輸入）p3.6/wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 rst 腳兩個機器周期的高電平時間。 ale/prog：地址鎖存控制信號（ale）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在一般情況下，ale以晶振1/6的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時候，會跳過ale脈沖。如果有必要，通過將地址為8eh的sfr的第0位置“1”，ale操作將無效。這一位置“1”，ale 僅在執(zhí)行mov

14、x 或movc指令時有效。否則，將微弱拉高ale。在flash編程中，引腳（prog）也用作編程輸入脈沖。這個ale使能標志位（地址為8eh的sfr的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。/psen：外部程序存儲器的選通信號。在外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen 信號將不出現(xiàn)。3.2 ds18b20 簡介3.2.1 ds18b20 簡介ds18b20溫度傳感器是采用美國dallas公司生產(chǎn)的 ds18b20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，經(jīng)過焊接，外加不銹鋼保護管封裝而成，具有體積小，耐磨耐碰，使用方便，封裝形式多種多

15、樣，能用于各類狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域,并且可以實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。3.2.2 ds18b20的性能特點1）單線接口；2）多個ds18b20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；3）可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5v；4）溫度以9或12位數(shù)字；5）可定義報警設置；6）報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件。3.2.3 ds18b20的內(nèi)部結構ds18b20的內(nèi)部結構框圖如圖1所示。 圖1 ds18b20內(nèi)部機構ds18b20內(nèi)部結構主要由四部分組成：1） 64位光刻rom2） 溫度傳感器3） 非揮發(fā)的度報警觸發(fā)器th和tl4） 配置寄存器3.2

16、.4 ds18b20 的測溫原理：ds18b20是通過溫度對振蕩器的頻率影響來測量溫度的，如圖2所示。ds18b20 有兩個不同溫度系數(shù)的振蕩器，低溫系數(shù)振蕩器和高溫系數(shù)振蕩器。低溫系數(shù)的振蕩器的輸出脈沖信號產(chǎn)生一個高溫度系數(shù)開門周期被計算在內(nèi)，來測量溫度。計數(shù)器預置為與- 55對應的一個基數(shù)值，如果計數(shù)器在高溫系數(shù)的門前結束的輸出為零，表示測量溫度高于-55，預置在- 55的溫度寄存器就增加一個增量，同時因為要補償和校正溫度的非線性振蕩器，斜率累加器所決定的值預置計數(shù)器，時鐘使計數(shù)器計數(shù)值到零，假如開門通時間仍沒有結束，那么就重復這個過程，一直到高溫系數(shù)振蕩器的門周期結束。此時寄存器中的值就

17、是被測的溫度值。這個值以16位二進制補碼的形式存儲于便箋式存儲器。其溫度值由主機通過一個內(nèi)存讀取命令，以補充和十進制轉(zhuǎn)換，得到測量的溫度值。 停止+1預置計數(shù)器 溫度寄存器=0計數(shù)器=0斜率累加器預置 比較器 高溫度系數(shù)振蕩器 低溫度系數(shù)振蕩器圖2 ds18b20測溫原理3.3 lcd 液晶顯示 本文顯示屏采用了lm016l。lm016l液晶模塊采用了hd44780 控制器，hd4478擁有簡單而功能較強的指令集，能夠?qū)崿F(xiàn)字符移動，閃爍等功能，lm016l與單片機mcu通訊可采用4位或8位并行傳輸這兩種方式，hd44780 控制器由兩個8位寄存器，指令寄存器（ir）和數(shù)據(jù)寄存器（dr），忙標志

18、（bf），顯示數(shù) ram（ddram），字符發(fā)生器roma（cgorom）、字符發(fā)生器ram（cgram），地址計數(shù)器 （ac） 。當ir 用于寄存指令碼，便只能寫入不能讀出，dr 用于寄存數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動寫入 ddram 和 cgram,或暫存從 ddram 和 cgram 讀出的數(shù)據(jù)，bf 為1時，模塊為內(nèi)部模式，不會響應外部操作指令和接受數(shù)據(jù)，ddtam用來存儲顯示的字符，可以存儲 8個字符碼，cgrom由8位字符碼生成5*7點陣字符160中和5*10 點陣字符 32 種。4 系統(tǒng)設計4.1 設計方案選用at89c51型單片機作為主控制器件，ds18b20作為測溫傳感器，通過4

19、個共陽極lcd串口傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度顯示。通過ds18b20直接讀取被測溫度值，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該器件的物理化學性能穩(wěn)定，在-30150最大誤差小于正負0.5?？梢灾苯觽鬏敂?shù)字信號，便于單片機處理及控制。同時，該溫度計還能直接采用測溫器件測量溫度，從而簡化數(shù)據(jù)傳輸與處理過程。 4.2 總體設計框圖 溫度計電路設計總體設計方框圖如圖3所示，控制器用單片機at89c51，溫度傳感采用ds18b20;用lcd實現(xiàn)溫度顯示。 模擬溫度值經(jīng)過ds18b20處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，然后送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)送到lcd中顯示。圖3 總體設計方框圖5 系統(tǒng)硬件軟件設計5.1 硬件設計5.1.1 主板

20、電路主板電路如圖4所示。圖中包括at89c51單片機、時鐘電路和復位電路、發(fā)光二極管、按鍵設置報警電路、液晶顯示模塊、上拉電阻、蜂鳴器、ds18b20溫度傳感器。圖4有4個獨立鍵按鍵，可以分別調(diào)整溫度計的上下限報警設置，當被測溫度不在上下限范圍時，蜂鳴器就會發(fā)出警報聲音，lcd顯示屏顯示測出的溫度值；按鍵復位電路是上電和手動復位，使用比較方便。圖4 單片機主板仿真圖5.1.2 復位信號及外部復位電路單片機的端口是看門狗電路中喂狗信號的p1.6 max813輸入端即單片機每運行一次程序就設置一次喂狗信號，清零看門狗器件。如果程序出現(xiàn)異常，單片機引腳會出現(xiàn)兩個機器周rst期以上的高電平，使其復位。

21、該復位信號高電平有效，有效時間應持續(xù)24個振蕩脈沖周期即兩個機器周期以上。假如用用12mhz頻率的晶體振蕩器，則復位信號持續(xù)的時間應該超過2us才能完成復位操作。 5.1.3 溫度傳感器與單片機的連接 溫度傳感器的單總線與p2.0連接，p2.0為高位地址線a8。p2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o，其輸出緩沖級可驅(qū)動4個ttl邏輯門電路。寫“1”時，通過內(nèi)部上拉電阻的轉(zhuǎn)換到一個高的水平，作為輸入使用，當訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)時，如執(zhí)行movx dptr指令, 則表示p2端口送出高8位的地址數(shù)據(jù).在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時, 可執(zhí)行movx ri指令, p2端口內(nèi)

22、容則為特殊功能寄存器區(qū)中r2寄存器內(nèi)容,整個訪問期間不改變。在flash編程和程序校驗時, p2端口也接收高位地址和其他控制信號。 圖5為ds18b20內(nèi)部結構。圖6為ds18b20與單片機的接口電路。 圖5 ds18b20的內(nèi)部結構圖6 ds18b20與單片機的連接5.1.4 溫度控制及超溫和超溫警報單元當采集的溫度經(jīng)處理后超過規(guī)定溫度上限時，單片機通過 p1.4 輸出控制信號驅(qū)動三極管 d1 ，使繼電器 k1開啟降溫設備 ( 壓縮制冷設備 ) ：當采集的溫度經(jīng)處理后低于設定溫度下限時，單片機通過 p1.5 輸出控制信號驅(qū)動三極管d2 ，使繼電器k2開啟升溫設備( 加熱1)。當由于環(huán)境溫度變

23、化太劇烈或由于加熱或降溫設備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導致在一段時間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時候，單片機通過三極管驅(qū)動揚聲器發(fā)出警笛聲。如圖7：圖7 具體電路連接圖5.1.5 液晶顯示電路 在液晶顯示的電路設計中選擇具有單向輸出數(shù)據(jù)功能的po端口向液晶顯示模塊提供數(shù)據(jù)，p2.5、p2.6、p2.7口作為液晶顯示模塊的端口，在po口上需要外加上拉電阻，才可以是液晶顯示模塊正常顯示如圖8.圖8 液晶顯示電路仿真圖5.2 軟件設計5.2.1 主程序 主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理ds18b20測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。其程序流程見圖9所示。圖9 主程序流程圖5.2.2 讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出ram中的9字節(jié)，在讀出的時候需進行crc校驗。cr為cyclical redundancy check （循環(huán)冗余檢驗）的縮寫，是一種檢錯能力很強、使用廣泛的差錯檢測方法。對數(shù)據(jù)進行多項式計算，并將得到的和數(shù)作為這個文件的一個實用的特征碼。校驗有錯時，不進溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖10所示。 圖10 讀溫度流程圖 5.2.3 顯示數(shù)據(jù)子程序顯示數(shù)據(jù)子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進行操作。當最高顯示位為0 時