单片机课程设计数字温度计控制系统设计

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1、第一章 引言随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理

2、、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器。其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度控制系统。文中传感器理

3、论单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用DS18B20温度传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。本设计应用性比较强，设计系统可以作为热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节实施温度监控。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。第二章 方案设计与论证一、 项目目的1、 学习和理解DS18B20的测量原理2、 了解DS18B20的内部结构和特性3、 掌握DS18B20与单片机接口方法和编程方法二、 项目要求1、 掌握的D/A转换程序的设计方法2、 将采集到温度通过数码管显示的方法3、 通过改变温度高于和低于是会发生报警4

4、、 DS18B20构成测温系统，测量的温度精度达到0.1度，测量的温度的范围在20度到100度之间，用8位数码管显示出来。并具有上下限报警功能三、 项目方案采用LED数码管显示，即将所有位的段选线相应的并联在一起，有一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个4位I/O口。采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字节的段码。在确定LED不同位显示的时间间隔，不能太短，因为发光二极管从导通到发光有一定的延

5、时，导通时间太短，发光太弱人眼无法看清。但也不能太长，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多，另外，显示位增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态显示实质是一牺牲CPU时间来换取元件的减少。优点是LED数码管价格便宜，显示清晰并且编程较简单。1、电路方案：单片机复位电路报警点按键调时钟振荡电路LCD显示电路继电器控制电路温度传感器电路2、 温度传感器现场温度数据温度传感器单片机温度显示 报警灯报警温度传感器原理图首先通过DS18B20温度传感器采集现场的温度数据，经过DS18B20自身的A/D转换器为16数字代码，再通过单片机利用数码管显示当前的温度，同时设置当前超

6、过一定温度报警。 温度数据移入显示寄存器十位数0？百位数0？十位数显示符号百位数不显示百位数显示数据（不显示符号） 结束NNYY 开始温度零下?温度值取补码置“”标志计算小数位温度BCD值 计算整数位温度BCD值 结束置“+”标志NY图13显示数据刷新流程图Y发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令读取操作，CRC校验9字节完？CRC校验正？确？移入温度暂存器结束NNY图12计算温度流程图 初始化调用显示子程序1S到？初次上电读出温度值温度计算处理显示数据刷新发温度转换开始命令NYNY发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命令 结束图9 主程序流程图 图10读温度

7、流程图第三章 硬件设计温度报警器电路图u AT89C51图31 是单片机AT89c51的内部结构总框图。它可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时/计数器和中断逻辑几个部分。图31 AT89c51 内部结构框图AT89c51主要特性 与MCS-51单片机产品兼容 4K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态工作：0Hz33MHz 32个可编程I/O口线 2个16位定时器/计数器 6个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 灵活的ISP编程 4.0-5.5V电压工作范围 CPU由运算器和控制逻辑构成。其中包括若干

8、特殊功能寄存器（SFR） AT89C51时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式。（如图32所示）AT89C51中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英或陶瓷震荡器一起构成自激震荡器震荡电路如图。外接石英晶体（或陶瓷震荡器）及电容C1、C2接在放大器的震荡回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有非常严格的要求，但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡工作的稳定性、起震的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用30pF10pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF10pF。用户还可

9、以采用外部时钟，采用外部时钟如图所示。在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，既内部时钟发生器的输入端，XTAL2悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频的触发器后作为内部时钟信号的所以外部时钟的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续的时间和最大低电平持续的时间应符合产品技术条件的要求。 内部震荡电路 外部震荡电路图32 AT89C51的时钟电路 AT89C51在物理上有四个存储空间：片内/片外程序存储大路、片内/片外数据存储器。片内有256B数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且和有64KB的寻址范围。 AT89C51内部有一个可编程的、全

10、双工的串行接口。它串行收发存储在特殊功能寄存器SFR的串行数据缓冲器SBUF中的数据。 AT89C51共有4个（P0、P1、P2、P3口）8位并行I/O端口，共32个引脚。P0口双向I/O口，用于分时传送低8位地址和8位数据信号；P1、P2、P3口均为准双向I/O口；其中P2口还用于传送高8位地址信号；P3口每一引脚还具有特殊功能（图3-3），用于特殊信号的输入输出和控制信号。 AT89C51内部有两个16位可编程定时器/计数器T0、T1。最大计数值为216-1。工作方式和定时器或计数器的选择由指令来确定。 中断系统允许接受5个独立的中断源，即两个外部中断，两个定时器/计数器中断以及一个串行口

11、中断。外部特性（引脚功能）AT89C51芯片有40条引脚，双列直插式封装引脚图如34所示： Vcc(40)：电源+5V Vss(20): 接地 XTAL1（19）和XTAL2（18）：使用内部振荡电路时，用来接石英晶体和电容；使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。 P0口（3932）：是一组8位漏极开路行双向I/O口，也既地址/数据总线复用口。可作为输出口使用时，每位可吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入输入端用。在访问外部数据存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，PO口接收指令字节，而在程序校验时，

12、输出指令字节，校验时，要求接上拉电阻。 P1口（18）：是一个内部有上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流（I）。Flash编程和程序校验期间，P1口接收8位地址。 P2口（2128）：是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输入缓冲极可以驱动（输入或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时和作为输出口，作输出口时，因为存在内部上拉电阻，某个引脚被外部信

13、号拉低时会输出一个电流。在访问外部存储器或1位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口线的内容（也既特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高地址和其他控制信号。 P3口（1017）：是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输出端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除可作为一般的I/

14、O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如图33所示：P3口还接收一些用于Flas 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。图33 P3口引脚的特殊功能 图34 AT89C51引脚图 ALE/（30）：地址锁存信号输出端。在访问片外丰储器时，若ALE为有效高电平，则P0口输出地址低8位，可以用ALE信号作外部地址锁存信号。公式（21）fALE=1/6fOSC ,也可作系统中其它芯片的时钟源。第二功能是对EPROM编程时的编程脉冲输入端。 RST/VPD（9）：复位信号输入端。AT89S51接能电源后，在时钟电路作用下，该脚上出现两个机器周期以上的高电平，使内部复位。第二功能是VPD，即备用电源输入端

15、。当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，VPD将为RAM提供备用电源，发保证存储在RAM中的信号不丢失。AT89S81通常采用上电自动复位和开关手动复位，我们采用的就是这种方法。/Vpp(31):内部和外部程序存储器选择线。=0时访问外部ROM 0000HFFFFH；=1时，地址0000H0FFFH空间访问内部ROM，地址1000HFFFFH空间访问外部ROM。（29）：片外程序存储器选通信号，低电平有效。u DS18B20外观图：使用集成芯片，能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，简化电路的结构。使用集成芯片，已经慢慢的成为设计电路的一种趋势。本系统使用温度芯片也正是顺应了这一趋

16、势。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位的数字值读数方式。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可以并联在惟一的三线上，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3.05.5；零待机功耗；温度以或位数字；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；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； 内部结构框图如图37所示。图

17、37 DS18B20内部结构64位ROM的结构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。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为字节的存储器，结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第个字节，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

18、各位的定义如图38 所示。低位一直为，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，用户要去改动，R1和0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC图38 DS18B20字节定义由表31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。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令

19、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、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，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位时，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；当符号位时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表32是一部分温度值对应的二进制温度数据。表31 DS18B20温度转换时间表寄存器内容 字节地址温度值低位 （LS Byte）0温度值高位 （MS Byte）1高温限值（TH）2低温限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8DS18B2

20、0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TH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；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的脉冲输入。器件中还

21、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、温度寄存器中，计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器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

22、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32一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 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110

23、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的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。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39 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。当DS18B20处于写

24、存储器操作和温度A/D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。 图39 DS18B20与单片机的接口电路DS18B20暂存寄存器分布 根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行 复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后 释放，当DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低

25、脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。u DS18B20数据输出格式DS18B20读出的温度结果的数据为两字节，用16位符号扩展的二进制补码形式提供。因此，在系统中要将得到的温度数据进行格式转换，才能用于显示。高8位中的高5位是符号位，表示温度是零下还是零上。高8位中的低3位D6、D5、D4和低8位中的高4位D3、D2、D1、D0构成温度的整数部分，低8位中的D-1、D-2、D-3、D-4为温度的小数部分（为0.5+0.25+0.125+0.0625）。DS18B20上点复位时的温度固定值为0550H。第四章 软件设计#include #include #define uchar unsign

26、ed char#define uint unsigned intsbit ds=P27; /18b20数据线sbit SPK=P11; /蜂鸣器uint temp;float f_temp;uint warn_l1=300;uint warn_l2=250;uint warn_h1=300;uint warn_h2=320;/sbit led0=P10;/sbit led1=P11;/sbit led2=P12;/sbit led3=P13;unsigned char code table=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09, /

27、不带小数点的0-90x02,0xf2,0x24,0x0c,0x98,0x48,0x40,0x1e,0x00,0x08, /带小数点的0-90x63; /温度符号Cvoid dis_temp(uint t);void delay(uint z)/延时函数uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-); /延时时间大约为：z*1msvoid dsreset(void) /DS18B20复位，初始化，每次读写操作都要进行初始化 uint i; ds=0; /数据线拉低延时范围在480-960us之间 i=60; while(i0)i-;/延时480us左右 ds=1;

28、 i=60; while(i0)i-;/延时480us左右bit tempreadbit(void) /读1位数据 uint i; bit dat; ds=0; i+; /i+ 延时作用,读数据前单片机要将数据线拉低1us,才释放数据线 ds=1; /释放总线,并进行延时7us左右 i+; i+; dat=ds; /读取数据位 i=8;while(i0)i-; /延时70us左右 return (dat);/每读一次数据位,要保证在60us-120us之间时间内完成.uchar tempread(void) /读1个字节数据 uchar i,j,dat; dat=0; for(i=1;i=8;

29、i+) j=tempreadbit(); dat=(j1); /读取温度数据是从低位读起,经过这样8次读操作可以按照从高到低排好数据 return(dat);void tempwritebyte(uchar dat) /向DS18B20写一个字节数据 uint i; uchar j; bit testb; for(j=1;j1; if(testb) /写数据位 1，写数据1时，单片机先将数据线拉低，并在15us内释放数据线 ds=0; i+;i+; /延时7us左右 ds=1; i=7; while(i0)i-;/延时70us左右 else ds=0; /写数据位 0 i=7; while(i

30、0)i-; /延时70us左右 ds=1;/释放数据线 i+;i+; /每次循环写数据都要有个时间间隔,这里就是延时 void tempchange(void) /DS18B20启动 dsreset(); /DS18B20初始化 / delay(1); /延时1ms tempwritebyte(0xcc); / 写跳过读ROM指令 tempwritebyte(0x44); / 写温度开始转换指令uint get_temp() /读取DS18B20寄存器中的温度数据 6.01ms uchar a,b; dsreset(); /DS18B20初始化/ delay(1); /延时1ms tempwr

31、itebyte(0xcc); / 写跳过读ROM指令 tempwritebyte(0xbe); /读9字节温度数据,实际这里只需要读取前2个字节数据即可 a=tempread(); /读低8位数据 b=tempread(); /读高8位数据 temp=b; temp1000|temp(num); /位选码右移选通,总共要移4次。 P2=i; delay(1);void dis_temp(uint t) uchar j; if(t=100) while(1) for(j=0;j200;j+)/喇叭发声的时间循环，改变大小可以改变发声时间长短 delay(80);/参数决定发声的频率，估算值 SP

32、K=!SPK; SPK=1; /喇叭停止工作，间歇的时间，可更改 delay(20000); uchar i; i=t/100; /十位 display(0,i);/1.01ms i=t%100/10;/带小数点的个位 display(1,i+10); i=t%100%10;/小数位 display(2,i); i=20;/温度符号C display(3,i);void main() while(1) tempchange(); /2.296ms get_temp(); / 6.01ms dis_temp(temp);/4.7ms 第五章 实验总结及心得这次我们组做得课程设计的内容就是数字温度

33、报警系统的设计。这个内容没有现成的程序和设计图，需要我们真正亲手去编，最郁闷的莫过于画设计图。按照实验要求上的图画了出来，加载程序以后却不能正常运行，改了好多次都没有成功。同学们电脑上软件的版本差异也影响了交流。有些元件的型号不同，但在选用时图形确很相似，致使选错了元件，影响了结果。这两周的实习真的有点郁闷，程序里面的好多内容不懂，自我感觉是单片机我们所学的内容还不足以编出程序，但是只好硬着头皮去看去理解。但在学习过程中也充满了乐趣，当看懂了程序的一些语句，画出了要求的设计图，那我喜悦那种成就感油然而生。 这次实习让我受益匪浅，无论从知识上还是其他的各个方面，在实习中见过甚至使用了单片机及其系

34、统，能够理论联系实际的学习，开阔了眼界，提高了单片机知识的理解和水平。在这次课程设计中又让我体会到了合作与团结的力量，当遇到不会或是设计不出来的地方，我们就会在QQ群里讨论或者是同学之间相互帮助。团结就是力量，无论在现在的学习中还是在以后的工作中，团结都是至关重要的，有了团结会有更多的理念、更多的思维、更多的情感。通过此次课程设计我对单片机有了更深的认识，从理论和实践上都得到了很大的提高，所以这次任务的完成使我学到了很多东西。首先，丰富了自己的知识面，学到了以前没能学通的东西，具体了解了怎样去完成一个电路的设计：从流程图、电路图、软件设计、仿真一整套东西。巩固了单片机AT89C51的内部结构及

35、其工作原理，加深了对时钟电路和控制电路工作原理的了解，还有1602LCD显示器的工作原理，巩固了C语言的使用能力，提高了自己动手的能力，学到了很多经验，并且提高了自己分析问题的能力和创新能力，得到了理论联系实际的机会，做出了成果。使自己在硬件设计方面树立了信心，为以后从事这方面的工作打好了基础，这也是这次设计的最大收获。 单片机是很重要的一门课程，老师和一些工作的朋友都曾说过，如果学好一门单片机，就凭这个技术这门手艺找一个好工作也不成问题。尽管我们在课堂学到的内容很有限，但在以后的学习中单片机还需要好好的深入研究和学习，学好了单片机也就多了一项生存的本钱。最后感谢老师对我们的精心指导和帮助，感谢同学们对我们的帮助。