《单片机应用技术》课程设计报告-基于单片机的数字温度计设计.doc
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1、学号: 070911100 1 2009 - 2010 学年 第 2 学期 单片机应用技术单片机应用技术 课课 程程 设设 计计 报报 告告 题题 目:目:基于单片机的数字温度计设计 专专 业:业: 电气自动化电气自动化 班班 级:级: 0707 电气自动化本电气自动化本 姓姓 名:名: 指导教师:指导教师: 成成 绩:绩: 电气工程系 1 2010 年 5 月 25 日 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 学生班级: 07 电气自动化本 学生姓名: 学号:0709111001 设计名称: 基于单片机的数字温度计设计 起止日期: 2010 年 5 月 242010 年 5 月 28 指导
2、教师: 臧老师 设计要求: 本设计主要是介绍了单片机控制下的温度检测系统,详细介绍了其硬 件 和软件设计,并对其各功能模块做了详细介绍,其主要功能和指标如下: 利用温度传感器(DS18B20)测量某一点环境温度 测量范围为-5599,精度为0.5 用液晶进行实际温度值显示 能够根据需要方便设定上下限报警温度 2 目目 录录 一、一、引言引言 5 5 二、设计内容及性能指标二、设计内容及性能指标5 5 三、系统方案论证三、系统方案论证 5 5 (一)、方案6 四、系统器件选择四、系统器件选择7 7 (一)、 单片机的选择 .7 1、 89S51 引脚功能介绍8 (二)、温度传感器的选择.10 1
3、、 DS18B20 简单介绍:10 2、 DS18B20 使用中的注意事项.12 3、 DS18B20 内部结构.13 4、DS18B20 测温原理.17 5、提高 DS1820 测温精度的途径 .18 (三)、显示及报警模块器件选择.20 五、硬件设计电路五、硬件设计电路2121 (一)、主控制器.22 (二)、显示电路.22 3 (三)、 温度检测电路 22 (四)、温度报警电路.29 六、六、 软件设计软件设计 (一)、 概述 30 (二)、主程序模块.30 (三)、各模块流程设计.31 1、 温度检测流程 .31 2、报警模块流程 32 3、 中断设定流程 .33 七、自我评价七、自我
4、评价3535 八、致谢八、致谢 3636 参考文献参考文献 3636 4 摘要:摘要:随着时代的进步和发展,单片机技术已经普及到我们生活、工作、 科研、各个领域,已经成为一种比较成熟的技术, 本文主要介绍了一个基于 89S51 单片机的测温系统,详细描述了利用数字温度传感器 DS18B20 开发测温 系统的过程,重点对传感器在单片机下的硬件连接,软件编程以及各模块系统 流程进行了详尽分析,对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以方便的实 现实现温度采集和显示,并可根据需要任意设定上下限报警温度,它使用起来 相当方便,具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点,适合于 我们日常生活和工
5、、农业生产中的温度测量,也可以当作温度处理模块嵌入其 它系统中,作为其他主系统的辅助扩展。DS18B20 与 AT89C51 结合实现最简温 度检测系统,该系统结构简单,抗干扰能力强,适合于恶劣环境下进行现场温 度测量,有广泛的应用前景。 5 一、引言一、引言 随着科技的不断发展,现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的 要求都有了几何级的增长,而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受 制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息 传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中,传感器属于信息技术的前沿尖 端产品,尤其是温度传感器技术,在我国各领域已经引用的非常广泛,可 以
6、说是渗透到社会的每一个领域,人民的生活与环境的温度息息相关,在 工业生产过程中需要实时测量温度,在农业生产中也离不开温度的测量, 因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。 测量温度的关键是温度传感器,温度传感器的发展经历了三个发展阶 段: 传统的分立式温度传感器 模拟集成温度传感器 智能集成温度传感器。 目前的智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问 世的,它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶,特点是 能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU)。社会的 发展使人们对传感器的要求也越来越高,现在的温度传感器正在基于单片 机的基础上从
7、模拟式向数字式,从集成化向智能化、网络化的方向飞速发 展,并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟 传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展,本文 将介绍智能集成温度传感器DS18B20的结构特征及控制方法,并对以此传 感器,89S51单片机为控制器构成的数字温度测量装置的工作原理及程序设 计作了详细的介绍。与传统的温度计相比,其具有读数方便,测温范围广, 测温准确,输出温度采用数字显示,主要用于对测温要求比较准确的场所, 或科研实验室使用。该设计控制器使用ATMEL公司的AT89S51单片机,测 温传感器使用DALLAS公司DS18B20,用液晶来实现温
8、度显示。 二、设计内容及性能指标二、设计内容及性能指标 本设计主要是介绍了单片机控制下的温度检测系统,详细介绍了其硬 件和软件设计,并对其各功能模块做了详细介绍,其主要功能和指标如下: 利用温度传感器(DS18B20)测量某一点环境温度 6 测量范围为-5599,精度为0.5 用液晶进行实际温度值显示 能够根据需要方便设定上下限报警温度 三、系统方案论证三、系统方案论证 该系统主要由温度测量和数据采集两部分电路组成,实现的方法有很 多种,下面将列出一种在日常生活中和工农业生产中经常用到的实现方案。 (一)、方案(一)、方案 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
9、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0100 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AT89S51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。既可以单独对多DS18B20 控制工作,还可以与PC 机通信上传数据,另外AT89S5
10、1 在工业控制 上也有着广泛的应用,编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。 该系统利用AT89S51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并 显示,能够实现快速测量环境温度,并可以根据需要设定上下限报警温度。 该系统扩展性非常强,它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数 据,在数据处理同时显示时间,并可以利用AT24C16芯片作为存储器件, 以此来对某些时间点的温度数据进行存储,利用键盘来进行调时和温度查 询,获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信, 方便的采集和整理时间温度数据。 7 系统框图如图 3.3所示 图 3.3 DS18B20
11、温度测温系统框图 四、系统器件选择四、系统器件选择 (一)、(一)、 单片机的选择单片机的选择 对于单片机的选择,可以考虑使用8031与8051系列,由于8031没有内 部RAM,系统又需要大量内存存储数据,因而不适用。AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗,高性能 CMOS8 位单片机,片内含 4kbytes 的可编程的 Flash 只读程序存储器,兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器既可在线编程(ISP),也可用传统方法进行编程,所以 低价位 AT89S51单片机可为提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于 各种控制领域,对于简单的测温系统已经足够
12、。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。主要特 性如下 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 8 寿命:1000写/擦循环 数据保留时间:10年 全静态工作:0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 图 4.1 AT89S51单片机引脚图 1 1、89S5189S51 引脚功能介绍引脚功能介绍 AT89S51 单片机为40 引脚双
13、列直插式封装。 其引脚排列和逻辑符号如图4.1 所示。 各引脚功能简单介绍如下: VCC:供电电压 GND:接地 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每个管脚可吸收8TTL门 电流。当P1口的管脚写“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 9 校验时,P0输出原码,此时P0外部电位必须被拉高。 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,电位被内部上 拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平
14、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,其管脚电位被内部 上拉电阻拉高,且作为输入。作为输入时,P2口的管脚电位被 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 的优势,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
15、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。作为输入时,由于外部下拉为低电平,P3口将输 出电流(ILL),也是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51 的一些特殊功能口: P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INT0(外部中断0) P3.3 INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器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) 同时P3口同时为闪烁编
16、程和编程校验接收一些控制信号。 10 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。在平时,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。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置 0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令时 ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处
17、 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址期间, 每个机器周期PSEN两次有效。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,访问外部ROM;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,访问内 部ROM。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程 电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大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。 (二)、温度传感器的选择(二)、温度传感器的选择 由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电
18、压,再转换成对应 的温度,需要比较多的外部元件支持,且硬件电路复杂,制作成本相对较 高。这里采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。 11 1 1、DS18B20DS18B20 简单介绍简单介绍: : DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件” ,其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线” 接口的温度传感器。温度测量范围为-55+125 摄氏度,可编程为9位12 位转换精度,测温分辨率可达0.0625摄氏度,分辨率设定参数以及用户设定 的报警
19、温度存储在EEPROM 中,掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的 16位数字量方式串行输出;其工作电源既可以在远端引入,也可以采用寄 生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3 根或2 根线上,CPU只需一 根端口线就能与诸多DS18B20 通信,占用微处理器的端口较少,可节省大 量的引线和逻辑电路。因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在 一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。 DS18B20 的性能特点如下: 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 DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20
20、可以并联在唯一的三线 上,实现组网多点测温 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 适应电压范围更宽,电压范围:3.05.5V,在寄生电源方式下可由 数据线供电 温范围55125,在-10+85时精度为0.5 零待机功耗 可编程的分辨率为912位,对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、 12 0.125和0.0625,可实现高精度测温 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 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
21、 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 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 以上特点使DS18B20非常适用与多点、远距离温度检测系统。 DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、 非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列、各 种封装形式如图 4.2 所示,DQ 为数据输入/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;GND为地信号; VDD为可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时,此引脚必须接地
22、。其电 路图 4.3所示.。 13 图 4.2 外部封装形式 图4.3 传感器电路图 2 2、DS18B20DS18B20 使用中的注意事项使用中的注意事项 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: DS18B20 从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间, 这是必须保证的,不然会出现转换错误的现象,使温度输出总是显示 85。 在实际使用中发现,应使电源电压保持在5V 左右,若电源电压过低, 会使所测得的温度精度降低。 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿,由于DS1820与微处 理器间采用串行数据传
23、送,因此,在对DS1820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DS1820操作部分最好采用汇编 14 语言实现。 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。 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DS18B20的返回信号,一旦某个DS18B20 接
24、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。 3 3、DS18B20DS18B20 内部结构内部结构 图为 DS1820 的内部框图,它主要包括寄生电源、温度传感器、64 位激 光 ROM 单线接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式 RAM) ,用于存 储用户设定的温度上下限值的 TH 和 TL 触发器存储与控制逻辑、8 位循环冗 余校验码(CRC)发生器等七部分。 DS18B20采用脚PR35 封装或脚SOIC封装,其内部结构框图如 图 4.4所示 15 图 4.4 DS18B20内部结
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