单片机课程设计数字温度计.docx
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单片机课程设计数字温度计
前言
单片机技术作为计算机技术的一个分支，广泛地应用于工业控制，智能仪器仪表，机电一体化产品，家用电器等各个领域。
“单片机原理与应用”在工科院校各专业中已作为一门重要的技术基础课而普遍开设。
学生在课程设计，毕业设计,科研项目中会广泛应用到单片机知识，而且，进入社会后也会广泛接触到单片机的工程项目。
鉴于此，提高“单片机原理及应用”课的教学效果，让学生参与课程设计实习甚为重要。
单片机应用技术涉及的内容十分广泛，如何使学生在有限的时间内掌握单片机应用的基本原理及方法，是一个很有价值的教学项目。
为此，我们进行了“单片机的学习与应用”方面的课程设计，锻炼学生的动脑动手以及协作能力。
单片机课程设计是针对模拟电子技术，数字逻辑电路，电路，单片机的原理及应用课程的要求，对我们进行综合性实践训练的实践学习环节，它包括选择课设任务、软件设计，硬件设计，调试和编写课设报告等实践内容。
通过此次课程设计实现以下三个目标:
第一，让学生初步掌握单片机课程的试验、设计方法，即学生根据设计要求和性能约束，查阅文献资料，收集、分析类似的相关题目，并通过元器件的组装调试等实践环节，使最终硬件电路达到题目要求的性能指标；第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础，毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。
第三，培养学生勤于思考乐于动手的习惯，同时通过设计并制作单片机类产品，使学生能够自己不断地学习接受新知识（如在本课设题目中存在智能测温器件DS18B20，就是课堂环节中不曾提及的“新器件”），通过多人的合作解决现实中存在的问题，从而不断地增强学生在该方面的自信心及兴趣，也提高了学生的动手能力，对学生以后步入社会参加工作打下一定良好的实践基础。
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,单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同种类的传感器，可实现诸如电压、湿度、温度、速度、硬度、压力等的物理量的测量。
本文将介绍一种基于单片机控制理论及其应用系统设计的数字温度计。
本文主要介绍了一个基于AT89C51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喜爱的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也进行一一介绍，该系统可以方便的是实现温度采集和显示，并可以根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合我们日常生活和工农业生产中的温度测量，也可以当做温度处理模块嵌入其他系统中，作为其他主系统的辅助扩展。
DS18B20和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，适合与恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。
本设计首先是确定目标，气候是各个功能模块的设计，再在Proteus软件上进行仿真，修改，仿真。
本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。
关键词：
单片机，数字控制，温度计，DS18B20，AT89C51
前言…………………………………………………………………………………………1
摘要…………………………………………………………………………………………3
关键字………………………………………………………………………………………3
一．单片机简介………………………………………………………………………………5
1．1单片机的应用…………………………………………………………………………5
1．2单片机的开发过程……………………………………………………………………6
二、设计方案…………………………………………………………………………………6
2．1设计任务和要求………………………………………………………………………6
2．2方案辩证………………………………………………………………………………7
1温度计软件设计流程图………………………………………………………………7
2元器件的选取…………………………………………………………………………7
3系统最终设计方案……………………………………………………………………8
三、设计方案的总体设计框图……………………………………………………………8
3．1硬件电路框图…………………………………………………………………………8
3．2硬件电路概述…………………………………………………………………………9
3．3主控电路………………………………………………………………………………9
3．4显示电路………………………………………………………………………………10
3．5报警温度调节电路……………………………………………………………………10
3．6温度传感器及DS18B20测温原理…………………………………………………11
四、系统软件算法设计………………………………………………………………15
4．1主程序…………………………………………………………………………………15
4．2读出温度子程序………………………………………………………………………16
4．3温度转换命令子程序…………………………………………………………………17
4．4计算温度子程序………………………………………………………………………17
4．5显示数据刷新子程序…………………………………………………………………17
4．61602的液晶显示……………………………………………………………………18
五、软件仿真………………………………………………………………………………18
5．1系统仿真设计…………………………………………………………………………18
5．2系统原理图……………………………………………………………………………19
结与体会……………………………………………………………………………………20
附录……………………………………………………………………………………………21
参考文献………………………………………………………………………………………29
一、单片机简介
二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。
单片机在这种情况下诞生了。
截止今日，单片机应用技术飞速发展，纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。
单片机自70年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善:
单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，用户不需要扩充资源就可以完成项目开发，不仅是开发简单，产品小巧美观，同时抗干扰能力加强,系统也更加稳定，使得它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景；提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝贵时间。
此外单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。
单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制（就是快速反应）的需要。
我作为21世纪的工科大学生，学的是电气的专业，无论是从事科学研究工作，还是开办电子器件的工厂还是经营电子厂品的贸易，不仅要熟练地使用通用微机进行各种数据处理，还要把计算机技术运用到本专业领域或相关领域，既具有开发创新能力。
这就要求我们要熟练地掌握单片机。
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者实现规定的任务。
1．1单片机的应用
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管
理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6.在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。
如：
音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。
7.单片机在汽车设备领域中的应用
单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
1．2单片机的开发过程
这里所说的开发过程并不是一般书中所说的从任务分析开始，我们假设已设计并制作好硬件，下面就是编写软件的工作。
在编写软件之前，首先要确定一些常数、地址，事实上这些常数、地址在设计阶段已被直接或间接地确定下来了。
如当某器件的连线设计好后，其地址也就被确定了，当器件的功能被确定下来后，其控制字也就被确定了。
然后用文本编辑器（如EDIT、CCED等）编写软件，编写好后，用编译器对源程序文件编译，查错，直到没有语法错误，除了极简单的程序外，一般应用仿真机对软件进行调试，直到程序运行正确为止。
运行正确后，就可以写片（将程序固化在EPROM中）。
在源程序被编译后，生成了扩展名为HEX的目标文件，一般编程器能够识别这种格式的文件，只要将此文件调入即可写片。
二、设计方案
2．1设计务任和要求
1、基本范围-20℃——125℃
2、精度误差小于0.5℃
3、LED数码直读显示
4、可以任意设定温度的上下限报警功能.
2．2方案辩证
1温度计软件设计流程图：
2元器件的选取：
单片机芯片的选取：
方案一.
采用89C51芯片作为硬件核心，利用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
方案二:
采用AT89C51单片机与MCS-51系列单片机相比有两大优势：
第一，片内程序存储器采用闪存，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路的体积更小，且管脚数目为20个，与MCS-51相比减少一倍，使理解更容易。
综上所述：
本课设中单片机芯片采用AT89C51。
温度传感器的选取：
方案一：
采用热敏电阻传感器。
利用热敏电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化，进而制成温度计。
但是其测温传感器比较复杂，而且不易通过编制程序来控制测温精度，增大系统设计的难度。
方案二：
采用DS18B20温度传感器。
DS18B20的内部3脚（或8脚）封装；使用特有的温度测量技术，将被测温度转换成数值信号；3.0～5.5V的电源供电方式和寄生电源供电方式；ROM由64位二进制数字组成，共分为8个字节；RAM由9个字节的高速暂存器和非易失性电擦写ROM组成。
综上所述：
温度传感器选取智能测温器件DS18B20。
本设计显示电路采用1602液晶显示模块芯片。
3系统最终设计方案：
综上各方案所述,对此次课设的方案选定:
采用AT89C51作为主控制系统;1602液晶显示模块芯片作为温度数据显示装置;而智能温度传感器DS18B20器件作为测温电路主要组成部分。
至此，系统最终方案确定。
三、设计方案的总体设计框图
温度计电路设计总体设计方框图如图所示，控制器采用单片机AT89C51，温度传感器采用DS18B20，用1602液晶显示屏以串口传送数据实现温度显示。
3.1硬件电路框图：
图 总体设计方框图
3.2硬件电路概述：
系统由单片机最小系统、显示电路、按键、温度传感器等组成。
本电路是由AT89C2051单片机为控制核心，具有与MCS-51系列单片机完全兼容，程序加密等功能，带2KB字节可编程闪存，工作电压范围为2.7～6V，全静态工作频率为0～24MHZ；显示电路由1602液晶显示模块芯片，可以进行多行显示；温度报警按键设为五个，可以显示华氏温度，调节高低报警温度；温度传感器电路主要由DS18B20测温器件构成，该器件主要功能有：
采用单总线技术；每只DS18B20具有一个独立的不可修改的64位序列号；低压供电，电源范围为3～5V；测温范围为-20℃～+125℃，误差为±0.5℃；复位电路是10K电阻构成的上电自动复位。
3.3主控电路
单片机AT89C51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。
晶振采用12MHZ。
复位电路采用上电加自动复位。
主控芯片AT89C51
晶振电路
复位电路
3.4显示电路
本设计显示电路采用1602液晶显示模块芯片，该芯片可现实16x2个字符，比以前的七段数码管LED显示器在显示字符的数量上要多得多。
另外，由于1602芯片编程比较简单，界面直观，因此更加易于使用者的操作和观测。
1602A芯片的接口信号说明如下表：
1602A芯片的接口信号说明
图液晶显示电路
3．5报警温度调节电路
本系统一共设置了五个按键，k1键只是显示华氏温度，k4键按下不松开显示高低报警温度，松开后恢复显示正常温度，k2键和k3键是分别用来调节高低报警温度，k键控制调节时的上调或下调。
具体调节如将高温报警温度调高，第一步将k4键按下不松，k键升起位置，调节k2键，则高温报警温度向上增加，反之亦然。
低温报警同理。
图报警点调节电路
3.6温度传感器及DS18B20测温原理
DS18B20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9-12位的数字值读数方式。
DS18B20的性能特点如下：
（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，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。
（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网测温；
（3）无须外部器件，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；
（4）可通过数据线供电，电压范围为3.0-5.5Ｖ；
（5）零待机功耗；
（6）温度以9或12位数字，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；
（7）用户可定义报警设置；
（8）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；
（9）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；
（10）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
DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其引脚排列及内部结构框图如图及测温原理图如下所示：
图引脚排列
图内部结构框图
图DS18B20测温原理图
64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，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4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，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于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5所示。
低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
保留
保留
CRC
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
图5DS18B20的字节定义
DS18B20的分辨率定义如表1所示
表1分辨率设置表
R0
R1
分辨率
最大温度转移时间
0
0
9位
96.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
由表1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。
主机控制DS18B20完成温度转换过程是：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，即将数据总线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待16-60us左右，之后发出60-240us的存在低脉冲，主CPU收到此此信号表示复位成功；复位成功后发送一条ROM指令，然后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预订的读写操作。
表2ROM指令集
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS18B20中的编码
符合ROM
55H
发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该编辑相对应的DS18B20使之做出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备
搜索ROM
0F0H
用于确定挂接在同一总线上的DS18B20个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作准备
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发送温度变换指令
告警搜索命令
0ECH
执行后，只有温度跳过设定值上限或下限的片子才能做出反应
表3RAM指令集
指令
约定代码
功能
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换
读暂存器
0BEH
读暂存器9个字节内容
写暂存器
4EH
将数据写入暂存器的TH、TL字节
复制暂存器
48H
把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中
重调E2RAM
0B8H
把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节
读供电方式
0B4H
启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU
DS18B20的测温原理是这这样的,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振荡频率明显改变，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，首先将最低温所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在最低温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的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重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时，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。
测温电路
四、系统软件算法设计
整个系统是由硬件配合软件来实现的，在硬件确定后，编写的软件的功能也就基本定型了。
所以软件的功能大致可分为两个部分：
一是监控，这也是系统的核心部分，二是执行部分，完成各个具体的功能。
系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。
4.1主程序
主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。
这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图所示。
图主程序流程图图读温度流程图
4.2读出温度子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。
其程序流程图如图示
图温度转换流程图
4.3温度转换命令子程序
温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延
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