单片机原理及系统课程设计报告：基于89C51单片机的数字温度计设计

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1、单片机原理及系统课程设计报告基于89C51单片机的数字温度计设计1 引言本次课程设计的目的是设计一种数字温度计，在设计方法要遵循模块化的设计方法，该数字温度计主要应用于环境的温度检测，所以需要以下几点要求：（1）测量的温度的范围不宜过大，保证同时能够测量零上温度和零下温度。（2）误差应当小于物理温度计由于观察造成的误差。（3）该温度计的数字界面要友好直观在温度计出现错误时要能够报错。2 设计方案及原理说明2.1设计方案本次可程设计的课题是数字温度计，我们的重点是温度的采集即测温电路。由此可以得到以下两个方案：方案一：通过利用热敏电阻的感温效应，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转

2、换后，用单片机对其进行温度处理，在显示元件上显示。优点：所用的电子元件容易得到，单片机处理程序简单。缺点：电路过于复杂，精度较差，容易受到外界环境的影响。方案二：使用DS18B20传感器。该传感器可以测量-55至125范围内的温度值，将采集的温度数据转换成16位二进制数，由单片机负责计算转换成相应温度值，并且通过显示元件上显示。优点；精度较高，电路设计较为简单，用到的电子元件较少。缺点：对与软件的要求比较高。综上，选择方案二更为合理。2.2设计原理有上述方案，我们可以将本次课程设计分为硬件设计和软件设计两部分。其中硬件电路又分为DS18B20传感器检测电路、1602LCD显示电路、包含复位电路

3、及内部时钟电路的单片机控制电路。软件设计通过使用C语言编程，利用Keil Uvision3对其进行编译并通过单片机开发板进行仿真。该系统总的来说有三大模块构成，分别是传感器模块、显示模块以及单片机模块。其组成原理是这样的，单片机写入读取和控制传感器的命令，使DS18B20采集温度数据并将其传输到单片机后单片机负责把接收到的数字量经过数据的进制转换和相应的计算，并且将其送入到显示屏显示。为了能够显示信息，单片机还通过自行编写的程序来控制写入地址,写入数据及显示命令来达到在1602LCD显示屏上显示温度传感器检测到的温度的功能。设计框图如下图1所示。晶振复位电路1602LCD 显示屏DS18B20

4、传感器电路AT89C51单片机图1 数字温度计设计框图3 数字温度计硬件电路设计3.1数字温度计设计芯片选择本次课程设计用到了89C51单片机、DS18B20温度传感器和1602LCD屏。3.2数字温度计硬件连接方法及原理该系统连接方法如下1602LCD 的DB口是双向的数据线与单片机P0口连接，用单片机P 2.1，P2.2 ，P2.3来分别与1602LCD的RS、RW、E三个管脚连接，VDD接5V电源，VEE与VSS接地即可。传感器的DQ与单片机P3.3相连，晶振和复位电路不作说明，该系统连接图如图2所示图2 数字温度计硬件原理连接图该系统是基于这样的原理进行设计:首先因为DS18B20传感

5、器采集的温度数据是以两个字节的数据存放，用DQ口串行传输并与单片机P3.3相连，通过这根线单片机读取数据和写入指令。数据进入单片机后经处理由P0口送入显示块DB口，因为单片机的P2.1，P2.2，P2.3与液晶屏的RS、RW、E相连以起到对液晶屏命令写入和数据读取的控制作用使液晶块实时读入命令和数据。4 数字温度计软件设计软件编写有三个模块，传感器温器度读取和液晶屏数据显示及单片机对采集来温度数据的计算。因为DS18B20温度传感器与单片机之间单总线串行传输，时序非常的重要，所以我们编写的程序时序为：传感器复位发送存在脉冲发送传感器存储器操作指令执行数据读写指令周传感器复位周而复始的做温度的采

6、集。因为是单片测量在温度传感器进行测量流程图中跳过ROM指令，传感器流程序程图如附录A图（a）所示。1602LCD与单片机之间有八条数据线负责二者之间的通信。这里我们要注意D7口是作为忙碌位，当单片机在向液晶屏写入数据时必须当该位为检测为低电平时才可以写入数据。显示模块的程序流程图如附录图A（b）所示。综上主程序流程如下图3所示。源代码详见附录C。YN开始液晶屏初始化检测传感器是否存在？传感器检测温度液晶屏显示温度显示报错信息显示温度传感器初始化 图3 主程序流程图在Keil Uvision3上将编写的源代码录入生成后缀名为.c的文件，经过编译可将生成的.hex格式的文件。程序编译调试结果如附

7、录B图所示。6 数字温度计的硬件仿真调试及说明将生成的.hex其烧入单片机后接通单片机电源，系统开始工作。刚开始界面会显示85约有1秒，后恢复正常测得室温下如图4所示。经过查询资料得因为在初始化时传感器的寄存器中会默认一个国定数值，经计算后显示正好为85，所以不可避免但能通过修改延时程序改变其显示时间。图4 测量室内温度由上图可知室内温度为24.13，为了证明其是否可以测量实时温度用手捏住DS18B20温度传感器，发现其温度有所变化，上升至32.05，如下图6所示。图5 手捏住传感器的温度当拔掉DS18B20温度传感器，重新启动传感器时，屏幕会显示报错信息，如下图7所示.。图7 报错提示信息经

8、过认真分析，实物仿真正确，达到之前的设计要求。7 总结我在设计中遇到了这样的问题，在程序编译好之后无法在Protues软件中仿真电路中实现，但是程序却可以在实物电路中正常运行。经过查资料终于解决，原因是我所使用的传感器与仿真软件中的传感器型号相同，但是只能够行程序时序不同，导致仿真结果不能正确显示。我通过下载新版本的软件完成了对该设计的仿真，由于篇幅所限，这里未能展示出结果。通过本次课程设计在设计方法上我有以下几点需要总结：首先，是模块化的设计思想，这一点对于我们以后的学习十分重要，因为无论工程有多么的庞大总是可以划分成很多小模块，只要将这些小模块挨个解决，庞大的工程问题也就迎刃而解。其次是对

9、于这次课程设计本身的结果，我同样有很多收获。首先在设计中我认识了可以单片机控制的很多电子元器件比如1602LCD显示屏和DS18B20温度传感器，还有其工作的方式都有了很深的认识，其次我还明白了时序对于程序和电子元器件的重要性，如果在程序中时序处理不好轻则会影响单片机处理数据的速度，重则还会导致元件无法正常工作。就拿这次来说DS18B20温度传感器和单片机的通信就需要严格的时序控制，必须用延时程序严格控制延时的子程序。参考文献1 王思明,张金敏,苟军年,张鑫,杨乔礼.单片机原理及应用系统设计M.北京:科学出版社,20122 李群芳.单片机原理、接口及应用M.北京:清华大学出版社,20053 彭

10、为等.单片机典型系统设计实例精讲M.北京:电子工业出版社,20064 杜洋，DS18B20传感器技术手册J.深圳市安特凌科技有限公司,20075 杜洋，通用1602液晶显示模块使用手册J.伟纳电子科技有限公司，2009附录A 子程序流程图YNYYNN跳过ROM指令检测存在脉冲写入一位控制指令是否写完读出一位温度数据是否读完读温流程结束写入显示模式设置写入显示显示地址写入显示符号是否接收到报错信息写入显示温度报错传感器复位液晶屏初始化图（a） 传感器模块流程图 图（b） 显示平模块流程图附录B 程序调试结果图 图（a） 程序编译结果图图（b） 程序链接接结果图附录C 数字温度计程序源代码#inc

11、lude /包含单片机寄存器的头文件#include /包含_nop_()函数定义的头文件unsigned char code digit10=0123456789; /定义字符数组显示数字unsigned char code Str= Thermomenter ; /说明显示的是温度unsigned char code Error=No Sensor check!; /说明没有检测到unsigned char code Temp=Temp:; /说明显示的是温度unsigned char code Cent=C; /温度单位sbit RS=P20; /寄存器选择位，将RS位定义为P2.0引脚

12、sbit RW=P21; /读写选择位，将RW位定义为P2.1引脚sbit E=P22; /使能信号位，将E位定义为P2.2引脚sbit BF=P07; /忙碌标志位，将BF位定义为P0.7引脚void delay1ms() /延时功能函数延时1ms unsigned char i,j; for(i=0;i10;i+); for(j=0;j33;j+); void delaynms(unsigned char n) /延时功能函数延时n毫秒 unsigned char i;for(i=0;in;i+); delay1ms(); bit BusyTest(void) /判断液晶屏是否忙碌的函数

13、bit result;RS=0; /根据规定，RS为低电平，RW为高电平时，可以读状态 RW=1; E=1; /E=1，才允许读写 _nop_(); /空操作 _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四个机器周期，给硬件反应时间 result=BF; /将忙碌标志电平赋给result E=0; /将E恢复低电平 return result; void WriteInstruction (unsigned char dictate) /将指令和数据写入液晶块的操作 while(BusyTest()=1); /如果忙就等待 RS=0; /根据规定，RS和R/W同时为低电平时，

14、可以写入指令 RW=0; E=0; /E置低电平(根据表8-6，写指令时，E为高脉冲， / 就是让E从0到1发生正跳变，所以应先置0 _nop_(); _nop_(); /空操作两个机器周期，给硬件反应时间 P0=dictate; /将数据送入P0口，即写入指令或地址 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四个机器周期，给硬件反应时间 E=1; /E置高电平 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四个机器周期，给硬件反应时间 E=0; /当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令 void WriteAd

15、dress(unsigned char x) /指定字符显示的实际地址的函数 WriteInstruction(x|0x80); /显示位置的确定方法规定为80H+地址码x void WriteData(unsigned char y) /将数据(字符的标准ASCII码)写入液晶模块的函数 while(BusyTest()=1); /液晶块是否忙碌 RS=1; /RS为高电平，RW为低电平时，可以写入数据 RW=0; E=0; /让E从0到1发生正跳变，所以应先置0 P0=y; /将数据送入P0口，即将数据写入液晶模块 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /

16、空操作四个机器周期，给硬件反应时间 E=1; /E置高电平 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四个机器周期，给硬件反应时间 E=0; /当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令 void LcdInitiate(void) /LCD的显示模式进行初始化设置 delaynms(15); /延时15ms，首次写指令时应给LCD一段较长的反应时间 WriteInstruction(0x38); /设置模式：162显示，57点阵，8位数据接delaynms(5); /延时5ms，给硬件一点反应时间 WriteInstruction(0x38);de

17、laynms(5); /延时5ms，给硬件一点反应时间WriteInstruction(0x38); /连续三次，确保初始化成功delaynms(5); /延时5ms，给硬件一点反应时间WriteInstruction(0x0c); /显示模式设置：显示开，无光标，光标不闪烁delaynms(5); /延时5ms，给硬件一点反应时间WriteInstruction(0x06); /显示模式设置：光标右移，字符不移delaynms(5); /延时5ms，给硬件一点反应时间WriteInstruction(0x01); /清屏幕指令，将以前的显示内容清除delaynms(5); /延时5ms，给硬

18、件一点反应时间 sbit DQ=P33;unsigned char time; /设置全局变量，专门用于严格延时bit Init_DS18B20(void)/DS18B20传感器初始化，读取应答信号函数 bit flag; /储存DS18B20存在的标志，flag=0存在；flag=1不存在 DQ = 1; /先将数据线拉高 for(time=0;time2;time+) /略微延时约6微秒 ; DQ = 0; /再将数据线从高拉低，要求保持480960us for(time=0;time200;time+) /略微延时约600微秒 ; /以向DS18B20发出一持续480960us的低电平复

19、位脉冲 DQ = 1; /释放数据线（将数据线拉高） for(time=0;time10;time+); /释放总线后需等待30us让其输出存在脉冲 flag=DQ; /让单片机检测是否输出了存在脉冲（DQ=0表示存在） for(time=0;time200;time+); /延时足够长时间，等待存在脉冲输出完毕 return (flag); /返回检测成功标志unsigned char ReadOneChar(void) /从DS18B20读取一个字节数据的函数 unsigned char i=0;unsigned char dat; /储存读出的一个字节数据for (i=0;i=1; _n

20、op_(); /等待一个机器周期 DQ = 1; /将数据线拉高,为单片机检测DS18B20的输出作准备 for(time=0;time2;time+);/延时约6us，使主机在15us内采样 if(DQ=1) dat|=0x80; /如果读到的数据是1，则将1存入datelsedat|=0x00;/如果读到的数据是0，则将0存入dat /将单片机检测到的电平信号DQ存入ri for(time=0;time8;time+);/延时14us,两个读时序间必须大于恢复期 return(dat); /返回读出的十进制数据 WriteOneChar(unsigned char dat) /DS18B2

21、0写入一个字节数据unsigned char i=0;for (i=0; i8; i+) DQ =1; / 先将数据线拉高 _nop_(); /等待一个机器周期 DQ=0; /将数据线从高拉低时即启动写时序 DQ=dat&0x01; /利用与运算取出要写的某位二进制数据, /并将其送到数据线上等待DS18B20采样 for(time=0;time10;time+) ;/延时约20us，DS18B20在拉低后的约1560us期间从数据线上采样 DQ=1; /释放数据线 for(time=0;time=1; /将dat中的各二进制位数据右移1位 for(time=0;time4;time+); /

22、稍作延时,给硬件一点反应时间 void display_error(void) /显示没有检测到DS18B20的函数 unsigned char i; WriteAddress(0x00); /写显示地址，将在第1行第1列开始显示 i = 0; /从第一个字符开始显示while(Errori != 0) /只要没有写到结束标志，就继续写WriteData(Errori); /将字符常量写入LCDi+; /指向下一个字符delaynms(100); /延时100ms较长时间 while(1) /进入死循环，等待查明原因 ;void display_explain(void) /显示说明函数 un

23、signed char i; WriteAddress(0x00); /写显示地址，将在第1行第1列开始显示 i = 0; /从第一个字符开始显示while(Stri != 0) /只要没有写到结束标志，就继续写WriteData(Stri); /将字符常量写入LCDi+; /指向下一个字符delaynms(100); void display_symbol(void) /显示温度符号 unsigned char i; WriteAddress(0x40); /写显示地址，将在第2行第1列开始显示 i = 0; /从第一个字符开始显示while(Tempi != 0) /只要没有写到结束标志，

24、就继续写WriteData(Tempi); /将字符常量写入LCDi+; /指向下一个字符delaynms(50); /延时50ms给硬件一点反应时间void display_dot(void) /显示温度的小数点 WriteAddress(0x49); /写显示地址，将在第2行第10列开始显示 WriteData(.); /将小数点的字符常量写入LCD delaynms(50); /延时50ms给硬件一点反应时间void display_minus(); (void) WriteAddress(0x45); /写显示地址，将在第2行第10列开始显示 WriteData(-); /将小数点的字

25、符常量写入LCD delaynms(50); /延时50ms给硬件一点反应时间void display_cent(void) /显示温度的单位函数 unsigned char i; WriteAddress(0x4c); /写显示地址在第2行第13列 i = 0; /从第一个字符开始显示 while(Centi != 0) /只要没有写到结束标志，就继续写WriteData(Centi); /将字符常量写入LCDi+; /指向下一个字符delaynms(50); /延时50ms给硬件一点反应时间void display_temp1(unsigned char x) /整数输出部分 unsign

26、ed char j,k,l; /j,k,l分别储存温度的百位、十位和个位j=x/100; /取百位k=(x%100)/10; /取十位l=x%10; /取个位 WriteAddress(0x46); /写显示地址,将在第2行第7列开始显示WriteData(digitj); /将百位数字的字符常量写入LCDWriteData(digitk); /将十位数字的字符常量写入LCDWriteData(digitl); /将个位数字的字符常量写入LCDdelaynms(50); /延时50ms给硬件一点反应时间 void display_temp2(unsigned char x) /显示小数部分函数

27、 unsigned char m,n;m=x/10;n=x%10; WriteAddress(0x4a); /写显示地址,将在第2行第11列开始显示WriteData(digitm); /将小数部分的第一位数字字符常量写入LCD WriteData(digitn);delaynms(50); /延时50ms给硬件一点反应时间void ReadyReadTemp(void) /读温度准备函数 Init_DS18B20(); /将DS18B20初始化WriteOneChar(0xCC); / 跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换 for(time=0;tim

28、e100;time+); /温度转换需要一点时间Init_DS18B20(); /将DS18B20初始化WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器,前两个分别是温度低位和高位void main(void) unsigned char TL; /储存暂存器的温度低位 unsigned char TH; /储存暂存器的温度高位 unsigned char TN; /储存温度的整数部分 unsigned char TD; /储存温度的小数部分 LcdInitiate(); /将液晶初始化程序包含显示模式的设置 delaynm

29、s(5); /延时5ms给硬件一点反应时间 if(Init_DS18B20()=1) display_error(); display_explain(); display_symbol(); /显示温度说明 display_dot(); /显示温度的小数点 display_cent(); /显示温度的单位 while(1) /不断检测并显示温度 ReadyReadTemp(); /读温度准备包括传感器初始化和写入读温和温度转换命令 TL=ReadOneChar(); /先读的是温度值低位TH=ReadOneChar(); /接着读的是温度值高位if(TH&0xf8=0x00) /如果读的温度

30、是零上温度 TN=TH*16+TL/16; /实际温度值为(TH*256+TL)/16 /这样得出的是温度的整数部分,小数部分被舍去 TD=(TL%16)*100/16; /计算温度的小数部分取整， /这样得到的是温度小数部分的两位数字 display_temp1(TN); /显示温度的整数部分 display_temp2(TD); /显示温度的小数部分 delaynms(10); else /如果读的温度是零下温度 TH=TH;/温度值高位取反 TL=TL; /温度值低位取反 TN=(TH*256+TL+1)/16; /得出零下温度的整数值 TD=(TL+1)%16)*100/16; /得出零下温度的小数值 display_temp1(TN); /显示温度的整数部分 display_temp2(TD); /显示温度的小数部分 display_minus(); /显示负号 delaynms(10); 16