数字温度计设计-毕业设计Word文档格式.doc

1、2.3.1 74LS164引脚功能及特性122.3.2 显示电路132.4 报警电路的实现142.5 报警上、下限调整电路实现142.6 复位电路的实现143 系统软件设计153.1 主程序153.2 读出温度子程序163.3 温度转换命令子程序173.4 计算温度子程序183.5 显示数据刷新子程序193.6 系统的调试过程194 结束语20附录：程序清单21附录2 ：整体设计原理图29参考文献：3031前言随着人们生活水平的不断提高，单片机在我们的日常生活中越来越广泛，它带给人们的方便是不可否定的，不如说，数字温度计，现在人们对它的要求是越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方

2、便的设施就需要从单片机技术着手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 本设计将介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确的特点，其输出温度采用数字显示，该设计的控制器使用单片机 AT89S51，测温传感器使用DS18B20，用3位共阳极LED数码管以串口传送数据，实现温度显示，能准确达到以上列出的要求。随着时代的进步与发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种较为成熟的技术。本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，但温度不在设置范围内时，可以报警。1 数字温度计设计方案的论证1.1 方

3、案一由于本次设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D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，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路相对比较麻烦。1.2 方案二因为要考虑到温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器 DS18B20，这类传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，可以满足设计要求。方案二的总体设计框图温度计电路设计总体设计方框图如图1.2.1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用

4、5位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。单片机复位报警点按键调整时钟振荡主 控 制 器LED显 示温 度 传 感 器图1.2.1 总体设计框图从以上两种方案，很容易得出一个观点：采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单。2 数字温度计详细设计2.1 主控制器 AT89S51AT89S51引脚图如图2.1.1-1所示，共有40个引脚，4kbytes flash 片内程序存储器，128bytes 的随机存取存储器（ram）,32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（wd）电路，片内时钟振荡器。图2.1.1

5、-1 AT89S51 引脚图此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0hz，并且可以通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 ram 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 pdip、tqfp和plcc 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：兼容mcs-51指令系统 4k 可反复擦写（100次）ip flash rom32个双向i/o口 4.5-5.5工作电压2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33mhz全双工uart串行中断口线 128x8bit内部ram2

6、个外部中断源 低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式 3级加密位看门狗（wdt）电路 软件设置空闲和省电功能灵活的isp字节和分页编程 双数据寄存器指针2.1.2 管脚功能说明VCC：供电电压。GND:接地。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写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进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。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

7、入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，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，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，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FLAS

8、H编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。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，由于外部上拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如以下所诉：P3口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INTO（外部中断0）P3.3 /INTO（外部中断1）P3.4 T0（计时器0外部输入）P3.5 T1（计时器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

9、存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。通常情况下，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。然而需要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果想禁止ALE的输出，可以在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚将被略微拉

10、高。如果微处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指期间，每个机器周期两次/PSEN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，则在此期间为外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器。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，此间为内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：来自反向振荡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。2.1.3 振荡器特

11、性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.1.4 芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89S51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置

12、模式下，CPU停止工作。但RAM,定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。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。2.2 温度采集部分的设计2.2.1 温度传感器DS18B20DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。TO-92封转的D

13、S18B20的引脚排列见下图（底视图），其管脚功能描述见表2.2.1-1。图2.2.1-1引脚排列图表2.2.1-1 DS18B20 详细引脚功能描述序号名称引脚功能说明1GND地信号2DQ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。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DS18B20的性能特点如下： 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V；零待机功耗；温度以9或12位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别

14、并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；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；DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构图如图2.2.1-2所示。64位ROM和单线接口存储器与控制逻辑高速缓存低温触发器TL8位CRC发生器I/O温度传感器高温触发器配置寄存器C图2.2.1-2 DS18B20内部结构64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的唯一序号，共有48位，最后8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TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度

15、传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图2.2.1-3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失性的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的作用是来确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图2.2.1-3所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。温度 LSB

16、温度 MSBTH 用户字节1TL用户字节2保留CRCTMR1R0图2.2.1-3 DS18B20字节定义由表2.2.1-2 可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1，第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的准确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后

17、，数据格式以0.0625/LSB 形式表示。当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变为原码，再计算十进制。表2.2.1-3是一部分温度值对应的二进制温度数据。表2.2.1-2 DS18B20温度转换时间表分辨率/位温度最大转向时间/ms993.7510187.51137512750DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若TTH或TTL,则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64

18、位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM 的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC 值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理是这样的，器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的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晶振频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55%所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温

19、度寄存器中，计数器1温度寄存器被预置在55%所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1预置值减到0，温度寄存器的值将加1减法计数器1预置将重新被装入，减法计数器1新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，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致被测温度值。表2.2.1-3 一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 01

20、01 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H0000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20

21、的各种操作按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。2.2.2 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图2.2.2-1所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。单 片 机VCCDS18B20029DS18B294.7K图2.2.2-1 DS18B20与单片机的接口电路当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D

22、转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先，其复位时序如图2.2.2-2所示。图

23、2.2.2-2 DS18B20的复位时序对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。其时序图如图2.2.2-3所示。图2.2.2-3 DS18B20的读时序图对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样I/O总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。其时序图如图2.2.2-4所示。图2.2.2-4 DS18B20的写时序图2.3 显示部分电路设计2.3.1 74LS164引脚功能及特性74LS164是一个串入并出的8位移位寄存器，其引脚图如图2.3.1-1所示。它常用于单片机