數(shù)字式溫度計系統(tǒng)設(shè)計

1、數(shù)字式溫度計系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計姓名：許紅升 專業(yè)：通信工程 學(xué)號：P01214179 性別： 男 郵箱：466570324 聯(lián)系方式指導(dǎo)老師：李斌 張宏偉 一、最終要實現(xiàn)的設(shè)計要求（或摘要）1、以微機系統(tǒng)作為主控，利用并行輸入輸出接口芯片對溫度計的控制時序進行模擬，實現(xiàn)溫度采集、處理、數(shù)據(jù)顯示等功能。2、 為了充分理解溫度計DS18B20的控制時序并實現(xiàn)正確的時序模擬，前期先用自己較為熟悉的MC9S128XS128單片機作為微控制器，采集溫度數(shù)據(jù)，并顯示在高精度OLED上。為后期用微機系統(tǒng)采集溫度打好基礎(chǔ)。3、 比較用微機系統(tǒng)與單片機作為主控進行溫度采集的相同點和不同點

2、。二、內(nèi)容設(shè)計（方法論）1、硬件電路（微機系統(tǒng)）1.1硬件電路方案論證n 方案一由于本設(shè)計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，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，就可以用微機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。n 方案二由于現(xiàn)在市場上有很多集成的溫度傳感器，有模擬溫度傳感器，如AD590，也有數(shù)字式溫度傳感器，如DS18B20。DS18B20采用單總線協(xié)議，內(nèi)部集成了較高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，采用數(shù)字量輸出。通過比較以上兩種方案，并從簡化外圍電路以及保證較高精度的角度出發(fā)，最終確定方案二

3、，即采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B2O。1.2硬件框圖硬件電路總體框圖如下。主控采用8086微機系統(tǒng)，溫度計采用數(shù)字式的DS18B20，通過并行輸入輸出接口芯片8255對溫度計的時序進行模擬，將采集到的數(shù)據(jù)顯示在七段數(shù)碼管上。并行輸入輸出接口芯片8255DS18B20LED控制器8086微機系統(tǒng)數(shù)碼管顯示模塊時鐘源熱源控制圖1、硬件框圖1.3電路原理圖本設(shè)計涉及的電路有溫度測量/控制電路、8255接口電路、LED控制電路、數(shù)碼管顯示電路等。采用Altium designer繪制部分電路原理圖如下：圖2、溫度測量/控制電路原理圖圖3、數(shù)碼管顯示電路圖4、8279鍵盤/LED控制器2、軟件設(shè)計（微

4、機系統(tǒng)）2.1程序設(shè)計思路控制程序設(shè)計思路說明：本程序主要功能分為初始化、讀溫度量、寫操作及LED的顯示輸出。 初始化主要實現(xiàn)寫8255方式控制字，設(shè)置控制字為89h，,即10001001，8255芯片工作于方式0，PA口作輸出段選， PB口作輸出位選，PC口作為輸入。 然后向DS18B20發(fā)送讀溫度指令，準備讀溫度前先復(fù)位，跳過ROM匹配，發(fā)出讀溫度命令，調(diào)用讀18B20子程序, 先讀低8位再讀高8位，讀出轉(zhuǎn)換后的溫度值存在AX中。再調(diào)用顯示子程序，將溫度值顯示出來。實現(xiàn)二進制到十六進制數(shù)字型碼的轉(zhuǎn)化主要通過二進制數(shù)從段選碼中查表找出相應(yīng)的字型碼并從8255中送出在LED顯示器中顯示。2.2

5、軟件流程圖2.2.1主程序流程圖開始初始化8255調(diào)用啟動DS18B20子程序CF=1延時1SYN調(diào)用讀溫度子程序BCD碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管消隱圖5、主程序流程圖2.2.2讀DS18B20子程序由于DS18B20采用的是單總線協(xié)議，為了讀取到DS18B20的內(nèi)部數(shù)據(jù)，在查閱DS18B20的數(shù)據(jù)手冊里描述的控制時序，匯編程序中利用8255對控制時序進行模擬。為了正常模擬時序，延時語句顯得非常重要，這直接決定所編寫的時序是否符合DS18B20的單總線協(xié)議的要求。程序流程圖如下：N開始8->CX8255控制口地址->DX80H->ALAL->DX(0->PC0)89H-&

6、gt;ALAL->DX(PC口輸入)NOPNOPNOP8255PC口地址->DXDX->ALROR AL,1RCR BL,1CX-1=0BL->AL返回Y 圖6、讀DS18B20程序流程3、硬件電路（單片機）3.1、MC9S12XS128介紹及電路原理圖因為之前參加比賽的過程中學(xué)習(xí)過幾款單片機，如8位的51單片機、飛思卡爾公司的16位MC9S12XS18和32位的MK60DN512LL10、microchip公司的8位PIC單片機。這幾款單片機各有特點，其中我更傾向于使用16位的MC9S12XS128微控制器。該款單片機相比51單片機，不僅有更高的處理速度以及更多的雙向

7、I/O口，同時內(nèi)部集成了很多接口電路，如AD轉(zhuǎn)換器，IIC、SPI、CAN總線等。下面為MC9S12XS128的封裝圖：圖7、MC9S12XS128封裝（112LQFP）為了更快的熟悉DS18B20的功能和使用方法，在課程設(shè)計前期我采用MC9S12XS128單片機作為主控，并搭建相關(guān)外圍電路，如高精度的OLED的顯示電路。下面為部分電路原理圖：圖8、MC9S12XS128核心板圖9、DS18B20溫度采集電路圖10、高精度OLED與MC9S12XS128的連接圖3.2、OLED簡介OLED，即有機發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode），又稱為有機電激光顯示（Or

8、ganic Electroluminesence Display, OELD）。因為具備輕薄、省電等特性，因此從 2003 年開始，這種顯示設(shè)備在 MP3播放器上得到了廣泛應(yīng)用，而對于同屬數(shù)碼類產(chǎn)品的 DC 與手機，此前只是在一些展會上展示過采用 OLED 屏幕的工程樣品。自 2007 年后，壽命得到很大提高，具備了許多 LCD 不可比擬的優(yōu)勢。下面為OLED的外觀圖：圖11、OLED外觀圖4、開發(fā)環(huán)境（單片機） 以IAR System公司的IAR for ARM 為開發(fā)環(huán)境，該IDE適用很多半導(dǎo)體廠商的上百種微控制器、微處理器等，具有友好的設(shè)計界面，集成了編輯器、編譯器、模擬器等。軟件界面如

9、下：圖12、IAR界面5、測試結(jié)果圖（單片機）圖13、測試結(jié)果三、設(shè)計說明微機系統(tǒng)設(shè)計部分所使用的系統(tǒng)資源介紹如下：1、8086微處理器及其體系結(jié)構(gòu)1.1、8086微處理器的一般性能特點 （1） 16位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，16位雙向數(shù)據(jù)信號線； （2）20位地址信號線，可尋址1M字節(jié)存儲單元； （3）較強的指令系統(tǒng)； （4）利用第16位的地址總線來進行I/O端口尋址，可尋址64K個I/O端口； （5）中斷功能強，可處理內(nèi)部軟件中斷和外部中斷，中斷源可達256個；（6）單一的5V電源，單相時鐘5MHz。 另外，Intel公司同期推出的Intel8088微處理器一種準16位微處理器，其內(nèi)部寄存器，內(nèi)部操作

10、等均按16位處理器設(shè)計，與Intel8088微處理器基本上相同，不同的是其對外數(shù)據(jù)線只有8位，目的是為了方便地與8位I/O接口芯片相兼容。1.2、8086CPU的編程結(jié)構(gòu)編程結(jié)構(gòu)：是指從程序員和使用者的角度看到的結(jié)構(gòu)，亦可稱為功能結(jié)構(gòu)。從功能上來看，8086CPU可分為兩部分，即總線接口部件BIU（Bus Interface Unit）和執(zhí)行部件EU（Execution Unit）。8086CPU的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖14所示：圖14、8086CPU內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖1.3、8086CPU引腳圖8086CPU采用40條引腳的雙列直插（DIP）封裝，如圖15所示，由于有16條數(shù)據(jù)總線，20條地址總線，一

11、些引腳必須分時復(fù)用。圖15、8086CPU引腳圖2、并行輸入輸出接口芯片82552.1、8086的可編程外設(shè)接口電路8255的數(shù)據(jù)口D0-D7與CPU的6根控制線相連接，控制8255A內(nèi)部的各種操作?？刂凭€RESET用來使8255A復(fù)位。CS和地址線A1及A0用于芯片選擇和通道尋址。分別與8086的高位地址線A19，A1,A0相連接。 圖16、 8086的可編程外設(shè)接口電路2.2、8255A并行IO接口8255A芯片內(nèi)包含有3個8位的端口，它們是A口，B口和C口。這3個端口均可作為CPU與外設(shè)通訊時的緩沖器或鎖存器，當需要“狀態(tài)”或“聯(lián)絡(luò)”信號時，C口可以提供，此時，將C口的高4位為

12、A口所用，C口的低4位為B口所用。3個端口通過各自的輸入/輸出線與外設(shè)聯(lián)系。并行輸入/輸出端口：一個并行輸入/輸出的LSI芯片，多功能的I/O器件，可作為CPU總線與外圍的接口。具有24個可編程設(shè)置的I/O口，即使3組8位的I/O口為PA口，PB 口和PC口。它們又可分為兩組12位的I/O口，A組包括A口及C口(高4位，PC4PC7)，B組包括B口及C口(低4位，PC0PC3)。A組可設(shè)置為基本的I/O口，閃控(STROBE)的I/O閃控式，雙向I/O3種模式；B組只能設(shè)置為基本I/O或閃控式I/O兩種模式，而這些操作模式完全由控制寄存器的控制字決定。 8255引腳功能：RESET:復(fù)位輸入線

13、，當該輸入端處于高電平時，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被 清除，所有I/O口均被置成輸入方式。CS:芯片選擇信號線，當這個輸入引腳為低電平時，即CS=0時，表示芯片被選中，允許8255與CPU進行通訊；CS=1時，8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸。RD:讀信號線，當這個輸入引腳為低電平時，即RD=0且CS=0時，允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。   WR:寫入信號，當這個輸入引腳為低電平時，即WR=0且CS=0時，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。  D0D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，82

14、55與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。    PA0PA7:端口A輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。PB0PB7:端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器， 一個8位的輸入輸出緩沖器。   PC0PC7:端口C輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設(shè)定而分成2個4位的端口， 每個4位的端口包含

15、一個4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。  A0、A1:地址選擇線，用來選擇8255的PA口，PB口，PC口和控制寄存器。   當A0=0，A1=0時，PA口被選擇；  當A0=0，A1=1時，PB口被選擇；   當A0=1，A1=0時，PC口被選擇； 當A0=1。A1=1時，控制寄存器被選擇。3、溫度傳感器3.1、DS18B20簡介DALLAS 最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20是一種新型的“一線器件”，其體積更小、更適用于多

16、種場合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟。DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。溫度測量范圍為-55+125 攝氏度，可編程為9位12 位轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625攝氏度，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM 中，掉電后依然保存。被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；多個DS18B20可以并聯(lián)到3 根或2 根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。因此用它來組成一個

17、測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。表1、  DS18B20分辯率的定義規(guī)定由表1可見，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且設(shè)定的分辯率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長。因此，在實際應(yīng)用中要將分辯率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。3.2、DS18B20內(nèi)部框圖圖17、DS18B20內(nèi)部框圖DS18B20依靠一個單總線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進行存儲器和控制操作。因此，控制器必須首先提供下面5個ROM操作命令之一：1）讀ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳過ROM，5）報警搜索。這些命令對每個期間

18、的激光ROM部分進行操作，在單總線上掛有多個器件時，同時可以向總線控制器指明有多少個器件或是什么型號的器件。成功執(zhí)行完一條ROM操作序列后，即可進行存儲器和控制操作，控制器可以提供6條存儲器和控制操作指令中的任一條。一條控制操作命令指示DS18B20完成一次溫度測量。測量結(jié)果放在DS18B20的暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲器操作命令可以把暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報警觸發(fā)器TH和TL各有一個EEPROM字節(jié)構(gòu)成。如果沒有對DS18B20使用報警搜索命令，這些寄存器可以作為一般用途的用戶存儲器使用?？梢杂靡粭l存儲器操作命令對TH和TL進行寫入，這些寄存器的讀出需要通過暫存器。所有數(shù)據(jù)都是以最低

19、有效位在前面的方式進行讀寫。3.3、DS18B20讀寫時序圖18、DS18B20讀寫時序四、可提煉的可驗證性數(shù)據(jù)本次課程設(shè)計微機系統(tǒng)設(shè)計部分主要以實驗室的微機原理及接口技術(shù)試驗箱為平臺。在硬件電路調(diào)試過程中，利用示波器來測試相關(guān)波形是否正確；調(diào)試程序時，利用星研集成開發(fā)環(huán)境集成的模擬調(diào)試器對程序進行調(diào)試。經(jīng)過幾天的努力，最終完成了整個數(shù)字溫度計微機系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。1、實驗效果圖2、示波器調(diào)試五、最終結(jié)論課程設(shè)計的這幾天里，經(jīng)過查閱資料、方案選擇、設(shè)計電路、編寫匯編程序、調(diào)試電路、軟件調(diào)試，最終將數(shù)字式溫度計的微機系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)完成了。整個系統(tǒng)能實時地讀取當前的溫度，并顯示在數(shù)碼管上。六、小結(jié)和以前

20、的所有課程設(shè)計不同的是，這是我第一次利用微機進行系統(tǒng)設(shè)計，從以前使用C語言進行程序設(shè)計到這次的利用匯編語言編寫程序，使我們從中學(xué)會了很多知識。本次課程設(shè)計使我們學(xué)會了微機原理、匯編程序編寫和對其他器件的認識。在課設(shè)過程中，我們不僅認識到了微機系統(tǒng)的構(gòu)架，而且通過不斷查閱相關(guān)資料，學(xué)會了微機的應(yīng)用?？梢哉f，通過這次微機系統(tǒng)的實踐學(xué)習(xí)，我們學(xué)到了很多，而且對微機的有關(guān)知識以及其在現(xiàn)實生活中的多方面應(yīng)用有了更深層次的認識，這對于我們以后的學(xué)習(xí)和步入社會后參加工作都有很大的幫助。 在此次課程設(shè)計的進程中，我遇到了很多問題，例如，一開始我們在確定課設(shè)題目后，不知道怎么把溫度顯示在數(shù)碼管上，用什

21、么元件來采集溫度，還有微機該如何控制DS18B20；對新器件DS18B20智能測溫的相關(guān)知識我們很模糊甚至可以說一無所知，不過后來，我們通過查找一些相關(guān)的資料書以及尋求基地同學(xué)的幫助，終于用Altium designer將原理圖繪制出來以及寫出正確的程序。在仿真時，由于我們有了之前的數(shù)模電課設(shè)仿真經(jīng)驗，所以此時我們課設(shè)進行的很順利，并沒有受到什么大的阻礙。 通過此次微機課程設(shè)計，從找資料到原理圖的繪制再到去實驗室做板，我們明白了很多，理論指導(dǎo)實踐，但是理論也需要實踐給予證明，凡事都要通過自己的思考推敲和動手去做，否則自己不會取的大的進步。而且在平時的學(xué)習(xí)生活中應(yīng)該多和周圍的同學(xué)相互學(xué)

22、習(xí)，交流經(jīng)驗，遇到不會的東西時，切忌焦躁，首先要經(jīng)過自己的獨立思考，有了一定想法后，可以去查找相關(guān)的資料書刊或者找同學(xué)討論，如果實在解釋不了，再去找輔導(dǎo)老師，在這個遇到問題解決問題的過程中，不斷加強自我的動腦能力，進而去指導(dǎo)動手能力，也只有這樣，你才能學(xué)到真正的知識！附錄1、微機系統(tǒng)匯編程序assume cs:code,ds:_data,ss:_stackmov ax,_datamov ds,axmov es,axnopcall init8255main:call start_temperaturejb maincall delaytimecall rd_temperaturecall dis

23、_bcdjmp maindis_bcd proc nearmov bx,axlea di,buffer+7stdmov al,10hstosbstosbstosbstosbtest ah,08hjnz dis_bcd1stosbjmp dis_bcd2dis_bcd1: mov al,11h stosb neg bxdis_bcd2:shl bx,1shl bx,1shl bx,1shl bx,1mov ax,10xchg al,bhdiv bhcmp al,0jnz dis_bcd3mov al,10hxchg al,di+1stosbjmp dis_bcd4dis_bcd3:stosbdi

24、s_bcd4:mov al,ahor al,80hstosbxor al,altest bl,10hjz dis_bcd5mov al,6dis_bcd5:test bl,20hjz dis_bcd6add al,12hdaadis_bcd6:test bl,40hjz dis_bcd7add al,25hdaadis_bcd7:test bl,40hjz dis_bcd8add al,50hdaadis_bcd8:mov cl,4ror al,cland al,0fhstosbcldlea si,buffercall display8retdis_bcd endpdelaytime proc

25、 nearxor cx,cxloop $loop $loop $retdelaytime endpw_l proc nearpush axmov dx,con_8255mov al,80hout dx,alpop axretw_l endpw_h proc nearpush axmov dx,con_8255mov al,01hout dx,alpop axretw_h endpinit_18b20 proc nearcall w_lmov cx,136loop $mov dx,con_8255mov ax,89hout dx,aldec dx dec dxmov cx,15init_18b2

26、0_1:in al,dxtest al,01hjz init_18b20_2loop init_18b20_1stcretinit_18b20_2:mov cx,136loop $clcretinit_18b20 endpwrite_18b20 proc nearmov cx,8wri:push axmov dx,con_8255mov al,80hout dx,alpop axror al,1jnb wri1push axmov dx,con_8255mov al,01hout dx,alpop axwri2:push cxmov cx,7loop $pop cxcall w_hloop w

27、riretwri1:push cxnoppop cxjmp wri2write_18b20 endpread_18b20 proc nearmov cx,8read:mov dx,con_8255mov al,80hout dx,almov al,89hout dx,alnopnopnopnopnopmov dx,pc_8255in al,dxror al,1rcr bl,1push cxmov cx,11loop $pop cxloop readmov al,blretread_18b20 endpstart_temperature:call init_18b20jb get_tmov al

28、,0cchcall write_18b20mov al,44hcall write_18b20clcget_t:retrd_temperature:call init_18b20mov al,0cchcall write_18b20mov al,0behcall write_18b20call read_18b20mov ah,alcall read_18B20xchg al,ahretinit8255 proc nearmov dx,con_8255mov al,80hout dx,aldec dxdec dxmov al,0ffhout dx,alretinit8255 endpstart

29、 endpcode endsend start附錄2、單片機C語言程序（部分）/*MC9S12XS128溫度采集程序 -Code Warrior 5.0/1Target : MC9S12XS128Crystal: 16.000Mhzbusclock:16.000MHzpllclock:32.000MHz 使用說明：OLED電源使用3.3V。 -G 電源地3.3V 接3.3V電源D0 PORTA_PA0 D1 PORTA_PA1RST PORTA_PA2 DC PORTA_PA3CS 已接地，不用接=OLED電源使用5V。 -G 電源地3.3V 接5V電源，電源跟模塊之間串接100歐姆電阻，并加

30、3.3V鉗位二極管D0 PORTA_PA0 單片機跟模塊之間串接1k-3.3k電阻 D1 PORTA_PA1 單片機跟模塊之間串接1k-3.3k電阻 RST PORTA_PA2 單片機跟模塊之間串接1k-3.3k電阻 DC PORTA_PA3 單片機跟模塊之間串接1k-3.3k電阻 CS 已接地，不用接 = 如果用戶使用的是5V單片機，請看用戶手冊，切勿燒毀模塊！ =*/#include "derivative.h"#include <stdio.h>#include <string.h> #include "LQ12864.h"

31、 / PLL初始化子程序 BUS Clock=16Mvoid SetBusCLK_16M(void) CLKSEL=0X00;/ disengage PLL to system PLLCTL_PLLON=1;/ turn on PLL SYNR=0x00 | 0x01; / VCOFRQ7:6;SYNDIV5:0 / fVCO= 2*fOSC*(SYNDIV + 1)/(REFDIV + 1) / fPLL= fVCO/(2 × POSTDIV) / fBUS= fPLL/2 / VCOCLK Frequency Ranges VCOFRQ7:6 / 32MHz <= fVCO

32、 <= 48MHz 00 / 48MHz < fVCO <= 80MHz 01 / Reserved 10 / 80MHz < fVCO <= 120MHz 11 REFDV=0x80 | 0x01; / REFFRQ7:6;REFDIV5:0 / fREF=fOSC/(REFDIV + 1) / REFCLK Frequency Ranges REFFRQ7:6 / 1MHz <= fREF <= 2MHz 00 / 2MHz < fREF <= 6MHz 01 / 6MHz < fREF <= 12MHz 10 / fREF > 12MHz 11 / pllclock=2*osc*(1+SYNR)/(1+REFDV)=32MHz; POSTDIV=0x00; / 4:0, fPLL= fVCO/(2xPOSTDIV) / If POSTDIV = $00 then fPLL is identical to fVCO (divide by one). _asm(nop); / BUS CLOCK=16M _a