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数字温度计设计论文
课程设计报告
数字温度计
专业班级
姓 名
时间
指导教师
20005年12月29日
1设计要求
■基本范围-50℃-110℃
■精度误差小于0.5℃
■LED数码直读显示
2扩展功能
■实现语音报数
■可以任意设定温度的上下限报警功能
数字温度计
应教022李世朋
摘要:
温度计是工农业生产及科学研究中最常用的测量仪表。
随着时代的进步和发展,数字温度计得到了迅速的发展。
数字温度计的优点是准确度高,不易误读,分辨率高,特别是在测量小的温度变化时比较准确。
数字温度计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。
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:
数字控制,温度计,DS18B20,AT89S51
1引言
随着人们生活水平的不断提高,数字化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。
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。
2总体设计方案
2.1数字温度计设计方案论证
由于本设计是测温电路,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。
2.2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所示,控制器采用单片机AT89S51,温度传感器采用DS18B20,用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。
图1 总体设计方框图
2.2.1A/D转换器
ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。
它包含31/2位数字A/D转换器,可直接驱动LED数码管,内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。
这里我们介绍一种她的典型应用电路--数字电压表的制作。
其电路如附图。
制作时,数字显示用的数码管为共阳型,2K可调电阻最好选用多圈电阻,分压电阻选用误差较小的金属膜电阻,其它器件选用正品即可。
该电路稍加改造,还可演变出很多电路,如数显电流表、数显温度计等.
ICL7107安装电压表头时的一些要点:
按照测量=±199.9mV来说明。
1.辨认引脚:
芯片的第一脚,是正放芯片,面对型号字符,然后,在芯片的左下方为第一脚。
也可以把芯片的缺口朝左放置,左下角也就是第一脚了。
许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。
知道了第一脚之后,按照反时针方向去走,依次是第2至第40引脚。
(1脚与40脚遥遥相对)。
2.牢记关键点的电压:
芯片第一脚是供电,正确电压是DC5V。
第36脚是基准电压,正确数值是100mV,第26引脚是负电源引脚,正确电压数值是负的,在-3V至-5V都认为正常,但是不能是正电压,也不能是零电压。
芯片第31引脚是信号输入引脚,可以输入±199.9mV的电压。
在一开始,可以把它接地,造成“0”信号输入,以方便测试。
3.注意芯片27,28,29引脚的元件数值,它们是0.22uF,47K,0.47uF阻容网络,这三个元件属于芯片工作的积分网络,不能使用磁片电容。
芯片的33和34脚接的104电容也不能使用磁片电容。
4.注意接地引脚:
芯片的电源地是21脚,模拟地是32脚,信号地是30脚,基准地是35脚,通常使用情况下,这4个引脚都接地,在一些有特殊要求的应用中(例如测量电阻或者比例测量),30脚或35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。
--本文不讨论特殊要求应用。
5.负电压产生电路:
负电压电源可以从电路外部直接使用7905等芯片来提供,但是这要求供电需要正负电源,通常采用简单方法,利用一个+5V供电就可以解决问题。
比较常用的方法是利用ICL7660或者NE555等电路来得到,这样需要增加硬件成本。
我们常用一只NPN三极管,两只电阻,一个电感来进行信号放大,把芯片38脚的振荡信号串接一个20K-56K的电阻连接到三极管“B”极,在三极管“C”极串接一个电阻(为了保护)和一个电感(提高交流放大倍数),在正常工作时,三极管的“C”极电压为2.4V-2.8V为最好。
这样,在三极管的“C”极有放大的交流信号,把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管,构成倍压整流电路,可以得到负电压供给ICL7107的26脚使用。
这个电压,最好是在-3.2V到-4.2V之间。
6.如果上面的所有连接和电压数值都是正常的,也没有“短路”或者“开路”故障,那么,电路就应该可以正常工作了。
利用一个电位器和指针万用表的电阻X1档,我们可以分别调整出50mV,100mV,190mV三种电压来,把它们依次输入到ICL7107的第31脚,数码管应该对应分别显示50.0,100.0,190.0的数值,允许有2-3个字的误差。
如果差别太大,可以微调一下36脚的电压。
7.比例读数:
把31脚与36脚短路,就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端,这时候,数码管显示的数值最好是100.0,通常在99.7-100.3之间,越接近100.0越好。
这个测试是看看芯片的比例读数转换情况,与基准电压具体是多少mV无关,也无法在外部进行调整这个读数。
如果差的太多,就需要更换芯片了。
8.ICL7107也经常使用在±1.999V量程,这时候,芯片27,28,29引脚的元件数值,更换为0.22uF,470K,0.047uF阻容网络,并且把36脚基准调整到1.000V就可以使用在±1.999V量程了。
9.这种数字电压表头,被广泛应用在许多测量场合,它是进行模拟-数字转换的最基本,最简单而又最低价位的一个方法,是作为数字化测量的一种最基本的技能。
2.2.2显示电路
显示电路采用3位共阳LED数码管,从P3口RXD,TXD串口输出段码。
2.2.3温度传感器
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:
●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;
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图2所示。
图2DS18B20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3 DS18B20字节定义
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。
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1DS18B20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2 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。
2.3DS18B20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。
2.4系统整体硬件电路
2.4.1主板电路
系统整体硬件电路包括,传感器数据采集电路,温度显示电路,上下限报警调整电路,单片机主板电路等,如图5所示。
图5中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置,图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时,发出报警鸣叫声音,同时LED数码管将没有被测温度值显示,这时可以调整报警上下限,从而测出被测的温度值。
图5中的按健复位电路是上电复位加手动复位,使用比较方便,在程序跑飞时,可以手动复位,这样就不用在重起单片机电源,就可以实现复位。
2.4.2显示电路
显示电路是使用的串口显示,这种显示最大的优点就是使用口资源比较少,只用p3口的RXD,和TXD,串口的发送和接收,四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动,显示比较清晰。
电压测量范围:
0-200V,
电压测量电路是电阻分压再经运放正向放大,然后到7107
当JP21.2短路时为20mV档
当JP23.4短路时为200mV档
当JP25.6短路时为2V档
当JP27.8短路时为20V档
当JP29.10短路时为200V档
温度测量电路:
温度传感器选用负温度系数热敏电阻(NTC)
第一第二个运放产生一个电压给测温电桥,电桥的产生差压经通过一个减法器到7107
图5单片机主板电路
图6温度显示电路
3系统软件算法分析
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。
3.1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7所示。
图7主程序流程图图8读温度流程图
3.2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8示
图9温度转换流程图
3.3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显示程序延时法等待转换的完成。
温度转换命令子程序流程图如上图,图9所示
3.4计算温度子程序
计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算,并进行温度值正负的判定,其程序流程图如图10所示。
图10 计算温度流程图 图11 显示数据刷新流程图
3.5显示数据刷新子程序
显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作,当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。
程序流程图如图11。
4总结与体会
经过将近三周的单片机课程设计,终于完成了我的数字温度计的设计,虽然没有完全达到设计要求,但从心底里说,还是高兴的,毕竟这次设计把实物都做了出来,高兴之余不得不深思呀!
在本次设计的过程中,我发现很多的问题,虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多,单片机课程设计重点就在于软件算法的设计,需要有很巧妙的程序算法,虽然以前写过几次程序,但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事,举个例子,以前写的那几次,数据加减时,我用的都是BCD码,这一次,我全部用的都是16进制的数直接加减,显示处理时在用除法去删分,感觉效果比较好,有好多的东西,只有我们去试着做了,才能真正的掌握,只学习理论有些东西是很难理解的,更谈不上掌握。
从这次的课程设计中,我真真正正的意识到,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,这就是我在这次课程设计中的最大收获。
参考文献
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北京航空航天大学出版社,1998
[2] 李广弟.单片机基础[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1994
[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] 廖常初.现场总线概述[J].电工技术,1999.
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