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基于单片机的数字温度计设计.doc

上传人:无敌 文档编号:636973 上传时间:2018-04-16 格式:DOC 页数:30 大小:669KB
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1、 第 页 共 II 页基于单片机的数字温度计设计摘 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、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

2、中,作为其他主系统的辅助扩展。DS18B20 与AT89S52 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。关键词:单片机;温度检测;AT89S52;DS18B20;AbstractAlong with the progress and development of the ages, single slice the machine technique has already make widely available the life is to us,work,research,each realm, have alread

3、y become the technique of a kind of comparison maturity. This paper mainly describes a temperature measurement system based on DS18B20, detailed describing the development process use digital temperature sensor, the paper introduces the hardware connectivity and software programming of the DS18B20 b

4、ased on the single-chip, and give the software flow chart of each module, as well as introduced each circuit of the system. System can easily to collect and display the temperature, it can also arbitrary set alarm temperature according to the actual need, It is used convenience, it has high precisio

5、n, wide range ,high sensitivity, small size, and low power dissipation, The device is especially applied to measure temperature in peoples daily lives ,industrial and agricultural production, and also easily as a temperature processing module embed in the other system, turn into as a complementary e

6、xpansion.Key words : Single chip ;temperature measurement;AT89S52; DS18B20第 I 页 共 II 页目 录引言11 系统方案比较1.1 方案一11.2 方案二22 主要器件介绍2.1 单片机 32.1.1 AT89S52 系列单片机简介 32.1.2 主要性能 32.1.3 引脚说明 42.2 温度传感器72.2.1 DS18B20 简介 72.2.2 DS18B20 内部结构与原理 72.2.3 DS18B20 使用的注意事项 122.3 显示和报警 122.3.1 数码管的结构和原理 122.3.2 蜂鸣器的结构和原理

7、 133 硬件电路设计3.1 控制电路模块 153.2 显示电路模块 153.3 温度检测电路模块 163.4 报警电路模块 174 软件设计4.1 主程序模块 174.2 各控制模 174.1.1 温度检测模块 174.1.2 报警模块 185 结论 19谢辞 20参考文献 20附录 21桂林电子科技大学本科课程设计(论文)报告用纸 第 0 页 共 26 页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

8、,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

9、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AT89S52单片机,测温传

10、感器使用DALLAS公司DS18B20,用液晶来实现温度显示。1 系统方案论证与比较概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,下面将列出两种在日常生活中和工农业生产中经常用到的实现方案。1.1 方案一采用热电偶温差电路测温,温度检测部分可以使用低温热偶,热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成(热电偶的构成如图 2.1),热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度第 1 页 共 26 页并测量该电压,便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有A/D 通道的单片机,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行A/D

11、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。热电偶的优点是工作温度范围非常宽,且体积小,但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点,并且这种设计需要用到A/D 转换电路,感温电路比较麻烦。图 1.1热电偶电路图系统主要包括对A/D0809 的数据采集,自动手动工作方式检测,温度的显示等,这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。此外还有复位电路,晶振电路,启动电路等。故现场输入硬件有手动复位键、A/D 转换芯片,处理芯片为51 芯片,执行机构有4 位数码管、报警器等。系统框图如图 2.2所示:图 1.2热电偶温差电路测温系

12、统框图1.2 方案二采用数字温度芯片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AT89S52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,而第 2 页 共 26 页且体积小,硬件实现简单

13、,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AT89S52 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AT89S52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

14、集和整理时间温度数据。系统框图如图 2.3所示图 2.3 DS18B20温度测温系统框图从以上两种方案,容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小,但是线性误差较大。方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单,故本次设计采用了方案二。2 主要器件介绍2.1 单片机2.1.1 简介AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的

15、8 位 CPU 和在系统可编程 Flash,使得 AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。第 3 页 共 26 页2.1.2 主 要 性 能1、 与 MCS-51 单 片 机 产 品 兼 容 ; 2、 8K 字 节 在 系 统 可 编 程 Flash 存 储 器 ; 3、 1000 次 擦 写 周 期 ; 4、 全 静 态 操 作 : 0Hz-33MHz; 5、 三 级 加 密 程 序 存 储 器 ; 6、 32 个 可 编 程 I/O 口 线 ; 7、 三 个 16 位 定 时 器 /计 数 器 ; 8、 六 个 中 断 源 ; 9、 全 双 工 UART 串 行 通 道 ;

16、10、 低 功 耗 空 闲 和 掉 电 模 式 ; 11、 掉 电 后 中 断 可 唤 醒 ; 12、 看 门 狗 定 时 器 ; 13、 双 数 据 指 针 ; 14、 掉 电 标 识 符 。 2.1.3 引 脚 说 明AT89S52 是 一 种 低 功 耗 、 高 性 能 CMOS8 位 微 控 制 器 , 具 有 8K 在 系 统 可 编程 Flash 存 储 器 。 使 用 Atmel 公 司 高 密 度 非 易 失 性 存 储 器 技 术 制 造 , 与 工 业80C51 产 品 指 令 和 引 脚 完 全 兼 容 。 片 上 Flash 允 许 程 序 存 储 器 在 系 统 可

17、编 程 ,亦 适 于 常 规 编 程 器 。 在 单 芯 片 上 , 拥 有 灵 巧 的 8 位 CPU 和 在 系 统 可 编 程Flash, 使 得 AT89S52 为 众 多 嵌 入 式 控 制 应 用 系 统 提 供 高 灵 活 、 超 有 效 的 解 决方 案 。 AT89S52 具 有 以 下 标 准 功 能 : 8k 字 节 Flash, 256 字 节 RAM, 32 位I/O 口 线 , 看 门 狗 定 时 器 , 2 个 数 据 指 针 , 三 个 16 位 定 时 器 /计 数 器 , 一 个6 向 量 2 级 中 断 结 构 , 全 双 工 串 行 口 , 片 内 晶

18、振 及 时 钟 电 路 。 另 外 , AT89S52 可 降 至 0Hz 静 态 逻 辑 操 作 , 支 持 2 种 软 件 可 选 择 节 电 模 式 。 空 闲 模 式 下 ,CPU 停 止 工 作 , 允 许 RAM、 定 时 器 /计 数 器 、 串 口 、 中 断 继 续 工 作 。 掉 电 保 护方 式 下 , RAM 内 容 被 保 存 , 振 荡 器 被 冻 结 , 单 片 机 一 切 工 作 停 止 , 直 到 下 一个 中 断 或 硬 件 复 位 为 止 。 AT89S52 单 片 机 的 引 脚 图 如 图 3.1 所 示 。第 4 页 共 26 页图 3.1AT89S

19、52 引 脚 图 DIP 封 装P0 口 : P0 口 是 一 个 8 位 漏 极 开 路 的 双 向 I/O 口 。 作 为 输 出 口 , 每 位 能 驱动 8 个 TTL 逻 辑 电 平 。 对 P0 端 口 写 “1”时 , 引 脚 用 作 高 阻 抗 输 入 。 当 访问 外 部 程 序 和 数 据 存 储 器 时 , P0 口 也 被 作 为 低 8 位 地 址 /数 据 复 用 。 在 这 种 模式 下 , P0 不 具 有 内 部 上 拉 电 阻 。 在 flash 编 程 时 , P0 口 也 用 来 接 收 指 令 字节 ; 在 程 序 校 验 时 , 输 出 指 令 字

20、节 。 程 序 校 验 时 , 需 要 外 部 上 拉 电 阻 。 P1 口 : P1 口 是 一 个 具 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 , p1 输 出 缓冲 器 能 驱 动 4 个 TTL 逻 辑 电 平 。 对 P1 端 口 写 “1”时 , 内 部 上 拉 电 阻 把 端 口拉 高 , 此 时 可 以 作 为 输 入 口 使 用 。 作 为 输 入 使 用 时 , 被 外 部 拉 低 的 引 脚 由 于内 部 电 阻 的 原 因 , 将 输 出 电 流 ( IIL) 。 此 外 , P1.0 和 P1.1 分 别 作 定 时 器 /计 数 器 2 的 外

21、部 计 数 输 入 ( P1.0/T2)和 定 时 器 /计 数 器 2 的 触 发 输 入 ( P1.1/T2EX) 。 在 flash 编 程 和 校 验 时 , P1口 接 收 低 8 位 地 址 字 节 。 引 脚 号 第 二 功 能 : P1.0 T2( 定 时 器 /计 数 器 T2 的 外 部 计 数 输 入 ) , 时 钟 输 出 P1.1 T2EX( 定 时 器 /计 数 器 T2 的 捕 捉 /重 载 触 发 信 号 和 方 向 控 制 ) P1.5 MOSI( 在 系 统 编 程 用 ) P1.6 MISO( 在 系 统 编 程 用 ) P1.7 SCK( 在 系 统 编

22、 程 用 ) P2 口: P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻 辑 电 平 。 对 P2 端 口 写 “1”时 , 内 部 上 拉 电 阻 把 端 口 拉 高 , 此 时可 以 作 为 输 入 口 使 用 。 作 为 输 入 使 用 时 , 被 外 部 拉 低 的 引 脚 由 于 内 部 电 阻 的 原因 , 将 输 出 电 流 ( IIL) 。 在 访 问 外 部 程 序 存 储 器 或 用 16 位 地 址 读 取 外 部 数 据存 储 器 ( 例 如 执 行 MOVX DPTR) 时 , P2 口 送 出 高 八 位 地 址

23、 。 在 这 种 应 用 中 ,P2 口 使 用 很 强 的 内 部 上 拉 发 送 1。 在 使 用 8 位 地 址 ( 如 MOVX RI) 访 问 外 部数 据 存 储 器 时 , P2 口 输 出 P2 锁 存 器 的 内 容 。 在 flash 编 程 和 校 验 时 , P2 口也 接 收 高 8 位 地 址 字 节 和 一 些 控 制 信 号 。 第 5 页 共 26 页P3 口 : P3 口 是 一 个 具 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 , p3 输 出 缓冲 器 能 驱 动 4 个 TTL 逻 辑 电 平 。 对 P3 端 口 写 “1”时 ,

24、内 部 上 拉 电 阻 把 端 口拉 高 , 此 时 可 以 作 为 输 入 口 使 用 。 作 为 输 入 使 用 时 , 被 外 部 拉 低 的 引 脚 由 于内 部 电 阻 的 原 因 , 将 输 出 电 流 ( IIL) 。 P3 口 亦 作 为 AT89S52 特 殊 功 能 ( 第 二功 能 ) 使 用 , 如 下 表 所 示 。 在 flash 编 程 和 校 验 时 , P3 口 也 接 收 一 些 控 制 信号 。 端 口 引 脚 第 二 功 能 : P3.0 RXD(串 行 输 入 口 ) P3.1 TXD(串 行 输 出 口 ) P3.2 INTO(外 中 断 0) P3

25、.3 INT1(外 中 断 1) P3.4 TO(定 时 /计 数 器 0) P3.5 T1(定 时 /计 数 器 1) 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 ) 此 外 , P3 口 还 接 收 一 些 用 于 FLASH 闪 存 编 程 和 程 序 校 验 的 控 制 信 号 。 RST: 复 位 输 入 。 当 振 荡 器 工 作 时 , RST 引 脚 出 现 两 个 机 器 周 期 以 上 高 电 平将 是 单 片 机 复 位 。 ALE/PROG: 当 访 问 外 部 程 序 存 储 器 或 数 据 存

26、储 器 时 , ALE( 地 址 锁 存 允 许 )输 出 脉 冲 用 于 锁 存 地 址 的 低 8 位 字 节 。 一 般 情 况 下 , ALE 仍 以 时 钟 振 荡 频 率 的1/6 输 出 固 定 的 脉 冲 信 号 , 因 此 它 可 对 外 输 出 时 钟 或 用 于 定 时 目 的 。 要 注 意 的 是 :每 当 访 问 外 部 数 据 存 储 器 时 将 跳 过 一 个 ALE 脉 冲 。 对 FLASH 存 储 器 编 程 期 间 ,该 引 脚 还 用 于 输 入 编 程 脉 冲 ( PROG) 。 如 有 必 要 , 可 通 过 对 特 殊 功 能 寄 存 器( SF

27、R) 区 中 的 8EH 单 元 的 D0 位 置 位 , 可 禁 止 ALE 操 作 。 该 位 置 位 后 , 只 有 一条 MOVX 和 MOVC 指 令 才 能 将 ALE 激 活 。 此 外 , 该 引 脚 会 被 微 弱 拉 高 , 单 片 机 执行 外 部 程 序 时 , 应 设 置 ALE 禁 止 位 无 效 。 PSEN: 程 序 储 存 允 许 ( PSEN) 输 出 是 外 部 程 序 存 储 器 的 读 选 通 信 号 , 当AT89S52 由 外 部 程 序 存 储 器 取 指 令 ( 或 数 据 ) 时 , 每 个 机 器 周 期 两 次 PSEN 有效 , 即 输

28、 出 两 个 脉 冲 , 在 此 期 间 , 当 访 问 外 部 数 据 存 储 器 , 将 跳 过 两 次 PSEN信 号 。 EA/VPP: 外 部 访 问 允 许 , 欲 使 CPU 仅 访 问 外 部 程 序 存 储 器 ( 地 址 为0000H-FFFFH) , EA 端 必 须 保 持 低 电 平 ( 接 地 ) 。 需 注 意 的 是 : 如 果 加 密 位 LB1被 编 程 , 复 位 时 内 部 会 锁 存 EA 端 状 态 。 如 EA 端 为 高 电 平 ( 接 Vcc 端 ) , CPU则 执 行 内 部 程 序 存 储 器 的 指 令 。 FLASH 存 储 器 编

29、程 时 , 该 引 脚 加 上 +12V 的 编程 允 许 电 源 Vpp, 当 然 这 必 须 是 该 器 件 是 使 用 12V 编 程 电 压 Vpp。 XTAL1: 振 荡 器 反 相 放 大 器 和 内 部 时 钟 发 生 电 路 的 输 入 端 。 第 6 页 共 26 页XTAL2: 振 荡 器 反 相 放 大 器 的 输 出 端 。2.2 温度传感器由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压,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。2.2.1 DS18B20 简单介绍

30、: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DS1

31、8B20 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。2.2.2 DS18B20内部结构与原理图为 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3.2所示第 7 页 共 26 页图 3.2 DS18B20 内部

32、结构框图64 b 闪速 ROM 的结构如下:开始位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共有48 位,最后位是前面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。温度报警触发器和,可通过软件写入户报警上下限。主机操作ROM的命令有五种,如表所列指 令 说 明读ROM (33H) 读DS1820的序列号匹配ROM (55H) 继读完64位序列号的一个命令,用于多个DS1820 时定位跳过ROM (CCH) 此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820搜ROM (F0H) 识别总线上各器件的编码,为操作各器件作好准备报警搜索(ECH ) 仅温度越限的器件对此命令作出响应

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