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课程报告
数字电子技术课程设计
题目:
数字温度计
专业:
软件设计
班级:
111
姓名:
郑名敏学号:
2011041143103
指导老师:
张雨沐
小组成员:
郑名敏李维杰梁其榕何豪杰尹海媚
成绩:
摘要
在这个信息化高速发展的时代,在工、农业生产和日常生活中,对温度的测量与控制占据着极其重要的地位,单点温度检系统应用于各个方面的领域:
消防电器的非破坏性检测,电力、电讯设备之过热故障预知检测,空调系统的温度检测,各类运输工具之组件的过热检测,保全监视系统之应用,医疗与健诊的温度测试,化工、机械等设备温度过热检测。
温度检测系统应用十分广泛。
本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计,本设计主要的任务是单片机软件的设计,而软件中的核心在于单片机与集成温度传感器DS18B20接口程序的设计,另外一点便是对数码管扫描显示的理解与运用。
由于DS18B20集成了温度数据采集、模数转换于一体,其具有单总线的优点,可以使用户轻松的组建起传感网络,并可使多点温度量变得简单、可靠。
在进行软件设计前,须对该芯片反复研究,掌握其核心内容,关键是要对其工作过程的理解。
对数码管扫描显示的程序设计,只要理解了其显示的工作原理,也是可以掌握的。
通过课程设计提高和巩固了所学的专业知识,以及知识的综合应用和焊接技术。
关键词:
单片机;数字控制;数字温度计;DS18B20
目录
引言-4-
1设计要求-5-
1.1基本要求-5-
1.2设计扩展-5-
2设计内容-6-
2.1总体设计方案方框图:
-6-
2.2主要电路设计-6-
2.3工作过程-9-
2.4元器件清单-11-
3测试结果及分析:
-12-
3.1调试阶段-12-
4总结与体会:
-12-
参考文献-15-
引言
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数字温度计就是一个典型的例子,但人们对它的要求越来越高,要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手,一切向着数字化控制,智能化控制方向发展。
测量温度通常需要测量温度参数。
然而通常测温系统的主要器件是热敏电阻,由于它体积小、重复性好、测量方法简单,所以在测温系统中广泛应用。
但采用热敏电阻的测温系统需要A/D转换,而且测量精度不高。
本文采用Dallas公司生产的一种新型温度传感器DS18B20,它集温度测量、A/D转换于一体,其测量范围宽(0℃~99℃),DS18B20是一款具有单总线结构的器件。
由DS18B20组建的温度测量单元体积小,便于携带、安装。
同时,DS18B20的输出为数字量,可以直接与单片机连接,无需后级A/D转换,控制简单。
由于DS18B20具有单总线特性,便于扩展,可在一根总线上挂接多个DS18B20来组建温度测量网络。
本设计所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,其输出温度采用数字显示,主要用于对测温比较准确的场所,或科研实验室使用,可广泛用于食品库、冷库、粮库、温室大棚等需要控制温度的地方。
目前,该产品已在温控系统中得到广泛的应用。
1设计要求
1.1基本要求
(1)设计一款利用51单片机为控制器的数字温度计;
(2)用专用集成温度传感器DS18B20作为数据采集传感器;
(3)利用数码管显示当前温度值;
(4)测量精度为0.1度,测量范围:
0~99.9度;
1.2设计扩展
(1)系统以DS18B20为传感器用以将温度模拟量转化为电压数字量以总线传入单片机
(2)以AT89S52为主芯片,在主芯片对DS18B20传入的温度值进行处理,由单片机程序控制,将经处理后的温度由12864液晶屏显示出来。
2设计内容
2.1总体设计方案方框图:
数字温度计电路设计总体设计方框图如图1所示,控制器采用单片机AT89C52,温度传感器采用DS18B20,用两只4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。
图1数字温度计设计框图
2.2主要电路设计
(1)主控制器
主控制器采用单片机AT89C52。
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
(2)显示电路
显示电路采用两只4位共阴LED数码管和数码管的驱动芯片74LS245。
数码管如图2所示:
图2数码管的外形尺寸
图3数码管的引脚排布
注:
管脚顺序:
从数码管的正面看,以第一引脚为起点,管脚的顺序是逆时针排列的。
A-11B-7C-4D-2E-1F-10G-5DP-3
数码管的驱动芯片74LS245:
74LS245用来驱动led或者其他的设备,它是8路同相三态双向总线收发器,可双向传输数据
*74LS245还具有双向三态功能,既可以输出,也可以输入数据。
*当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时,必须接入74LS245等总线驱动器
*/G=1,DIR=X(X=0或者1),输入和输出均为高阻态;高阻态的含意就是相当于没有这个芯片。
*当/G低电平有效时,DIR=“0”,信号由B向A传输(接收)DI;DIR=“1”,信号由A向B传输;(发送)。
图474LS245引脚分布
(3)温度传感器
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司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。
1)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3.0~5.5V;
●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;
2)DS18B20详细引脚功能描述,见表1
表1引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
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。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。
3)通信过程:
(1)主机拉低单总线至少480us产生复位脉冲;
(2)主机释放单总线,进入接收模式,释放时产生上升沿;
(3)单总线器件检测到上升沿,延时15-60us;
(4)单总线器件通过拉低总线60-240us来产生应答脉冲;
(5)主机接受应答信号,对从机ROM进行命令和功能命令操作;
所有读写时序至少60us,两个独立的时序间至少1us回复时间。
4)DS18B20的基本参数
DS18B20的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
图5 DS18B20字节定义
由表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正确性。
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,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,要先将补码变成原码,再计算十进制数值。
表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
表2DS18B20温度转换时间表
DS18B20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T>TH或T<TL,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-55℃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-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。
表3一部分温度对应值表
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+85
0000010101010000
0550H
+25.0625
0000000110010000
0191H
+10.125
0000000010100001
00A2H
+0.5
0000000000000010
0008H
0
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
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4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。
2.3工作过程
(1)主板电路
系统整体硬件电路包括,传感器数据采集电路,蜂鸣器报警电路,发光二极管报警电路,单片机控制电路等,如图6所示。
图6单片机主板电路
(2)显示电路
显示电路由两只四位共阴极数码管和数码管驱动芯片组成。
如图7所示。
本图数码管驱动芯片未画出。
图7温度显示电路
该6路竞赛抢答器,每组受控于一个抢答按键开关,低电平表示抢答有效。
设置主持人控制复位按键,用于控制整个系统清零和抢答有效开始控制的启动。
每按下一次复位,使74LS279锁存器的所有R为低电平清零,若组别按键开关一个都没有按下去,则表示各选手都在准备当中,此时输出端为低电平。
按下复位时,74LS279锁存器的控制端4Q为高电平,若组别按键开关有两个以上,只优先选择,显示器只显示优先选择的编号。
图6抢答电路图
其工作原理是:
当主持人控制开关处于“清零”位置时,RS触发器的R端为低电平,输出端(4Q~1Q)全部为低电平。
于是74LS48的BI=0,显示器灭灯;74LS148的选通输入端ST=0,74LS148处于工作状态,此时锁存电路不工作。
当主持人将开关拨到“开始”位置时,优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态,既抢答器处于等待工作状态,等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号,当有选手将键按下时(如按下S5),74LS148的输出Y2Y1Y0=010,YEX=0,经RS锁存器后,CTR=1,BI=1,此时74LS279处于工作状态,4Q3Q2Q=101,经74LS48译码后,显示器显示出“5”。
此外,CTR=1,使74LS148的ST端为高电平,74LS148处于禁止工作状态,封锁了其它按键的输入。
当按下的键松开后,74LS148的YEX高电平,但由于CTR维持高电平不变,所以74LS148仍处于禁止工作状态,其它按键的输入信号仍不会被接受。
这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。
当优先抢答者回答完问题后,主持人操作控制开关S,使抢答电路复位,以便进行下一轮抢答
(图7实物图)
2.4元器件清单
表1元器件清单
1、电阻10K一包
2、74LS148
3、74LS27974ls48数码管各两个
4、按键若干
5、飞线若干
6、LED灯若干
7、排针若干
8、蜂鸣器一个
9、电源
3测试结果及分析:
3.1调试阶段
首先是调试抢答电路部分,当我们从仿真软件画出电路图,要动手焊接的时候,我们在电子楼数电实验室进行了实验,第一次做的时候没有效果,实物图没有连接出来,连接出来也没有显示我们想要的功能,第一个问题是:
数码管出现乱码,不能正确显示抢答者的编号。
我们通过咨询老师才得知,我们在74LS148的第五个端口接错了,我们应该给低电平的,我们却给了高电平。
第二个问题是:
芯片74LS279的R非端,我们应该给低电平的,这样的目的在于,支持人能够清零,每次抢答一次都可以控制其他选手不能第二次抢答。
对于上面两个问题,我们咨询了,在老师的帮助下,我们实现了整个电路的抢答功能。
接着第三个问题是:
如何对抢答者的编号的锁存?
我们也是通过咨询老师和网上查找资料解决的.
4总结与体会:
我们本次设计是以单片机为控制器,以温度传感器DS18B20作为检测元件,完成了数字温度计的制作。
这个系统结构简单,性能稳定,可靠性高。
本系统已经达到了设计的基本要求和发挥部分的要求。
刚开始对自己没有什么要求,所以在设计过程中,我们遇到了各种困难,但通过团队的仔细分析和自我调整后我们终于解决了不少问题,认识到自己需要的是什么,第一我们要做的是仿真实验。
第二我们要做的是在数字电子试验仪上做出来,看看效果如何。
第三是从实验到实践的跨越,实物图的焊接。
体会:
通过这次的课程设计,我真正意识到从书本的知识到实践操作是有一定的困难的,所以在以后的学习中,要理论联系实际,把我们所学的理论知识用到实际当中,学习单机片机更是如此,程序只有在经常的写与读的过程中才能提高,这就是我们在这次设计中的最大收获。
在本次的课程设计中,我主要是负责电路的焊接设计以及报告论文制作,一开始我根本不知道一些芯片的用法也不知道它的功能是怎么样的,但经过老师指导以及上网查询,在网上找到一些资料,加以引用之后,再加上经过试验之后,才对其有一定了解,通过这次的课程真的让我学习到很多东西,起码以前我不知道的原理现在懂得多了,不会像刚学数电的时候那种迷茫。
也让我感觉到现在真的是信息时代,很大量的信息在涌进我们的脑海。
同时经过本次设计也深刻的体会到了共同协作和团队精神的力量所在。
我们在本次比赛中做到精益求精,在完成基本功能之后,又向发挥部分进发,最后完成了所有的基本功能和部分发挥部分.
总之,通过这次课程设计,我确实学到了不少平时在课堂上所学不到的知识。
这样的课程设计不论是对我们的理论知识还是实践能力都有很大的帮助,可以使我们能更快更准确的掌握专业方面的理论知识。
同时体会到对办任何事情我们都要先经过认真细致的观察和分析,才能确定我们到底该如何去做它,要不然,只会是事倍功半,耽误我们的办事效率。
我觉得这个方面的经验是最宝贵的,也是我们在毕业后,进入社会所必须的能力。
我们也只有具备了这个基本的能力后,才不至于在以后的生活,学习和工作中误入歧途,对自己和对他人造成不必要的损失。
对于一个生活在信息量大爆炸的时代,我们不能停止脚下的步伐,我们应该往前冲,走在信息时代的前端,去瞻望未来的世界。
我也希望有更多这样的机会,从实践中学习知识真的很不错!
针对课程设计题目数字温度计,不会运用所学知识进行有效设计,但通过上网查阅各种类似的设计,去图书馆翻阅相关设计书籍,查阅所提供的芯片功能,确定基本设计方案,又通过仿真验证试验方案的可实行性,虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。
同时也使自己认识到自己的不足。
以下是设计的几个基本要素:
1)设计思路是整个设计的灵魂
拿下每个课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。
只有对课题的充分理解,对各种器件的熟练掌握,勾画出基本的设计图是成功的关键,,必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。
翻阅各种资料,上网查询填补所需知识的空白是必要的。
2)焊接制作必须精益求精
焊接必须精益求精,一丝不苟,一点的差错都可能导致实验结果错误,因此必须准确无误还要工整,这样才能在调试中能比较轻松进行,也是整个电路可看性更好。
3)调试
调试工作是个精细工作。
在调试过程中,有些问题是芯片本身损坏引起的,也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心,通过对芯片功能的检验,对焊点的检查最后检查出问题所在。
当最后解决问题时,电路的正确是非常振奋,也很有成就感和满足感。
4)建议
设计的作品主要是用集成芯片来完成的,在焊接的过程中由于芯片的引脚过多,布线工作不是很方便。
有时候还因为某一跟线没有焊牢,造成电路的不稳定,这些都是有待改进的。
5)不足
实验效率低,焊接水平不足导致电路稳定性不高,布线比较混乱,这些都有待提高。
参考文献
[1]钱培怡.电子电路实验及课程设计.西安电子科技大学出版社.1992
[2]刘华东.单片机应用技术.北京:
电子工业出版社,2009
[3]阎石.数字电子技术基础(第三版).北京:
高等教育出版社,1989
[4]王毓银.数字电路逻辑设计(第三版).高等教育出版社.1999
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