数字温度计经典设计本科论文.docx
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数字温度计经典设计本科论文
摘要
单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛,温度则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个量。
科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。
现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等,在很大程度上决定了科学技术的发展水平。
本文作者采用AT89C2051单片机和温度传感器DS18B20从硬件和软件两方面介绍了一款简易数字温度计的设计过程, 并对硬件原理图和程序流程图作了简洁的描述。
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。
关键词:
单片机AT89C2051;温度传感器DS18B20;74LS48七段数码译码器
Abstract
Single-chipelectronicproductsinthedailyapplicationofmoreandmorewidely,thetemperatureisoftentheneedfordailylifeinameasureandcontrolthevolume.Developmentofscienceandtechnologydevelopmentandtestingarecloselyrelated.Modernmethodstoachievetheaccuracy,sensitivityandmeasurementrange,toalargeextentdeterminethelevelofdevelopmentofscienceandtechnology.TheauthorofthisarticleusingAT89C2051MCUandtemperaturesensorDS18B20frombothhardwareandsoftware,introducedasimpledigitalthermometerofthedesignprocess,andschematicdiagramofhardwareandprocedureswereconcisedescriptionofflowchart.Digitalthermometerwithatraditionalthermometer,comparedwithareadingofconvenience,awiderangeoftemperaturemeasurement,temperaturemeasurementaccuracy,theoutputofthetemperaturedigitaldisplay,mainlyusedformoreaccuratetemperaturemeasurementsites.
Keywords:
single-chipAT89C2051;temperaturesensorDS18B20;DigitalSevenSegmentDecoder74LS48
第一章绪论
随着单片机技术的不断发展,单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛,广泛应用于冰箱、空调器、粮仓等日常生活中温度的测量和控制。
传统的温度计有反应速度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点,本课程利用集成温度传感器DS18B20设计并制作了一款基于AT89C51的3位数码管显示的数字温度计,其电路简单,软硬件结构模块化,易于实现。
目前温度计的发展很快,从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。
目前的温度计中传感器是它的重要组成部分,它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。
传感器应用极其广泛,目前已经研制出多种新型传感器。
通过“数字温度计的设计”的设计过程,结合所学的课程,掌握目前自动化仪表的一般设计要求、工程设计方法、开发及设计工具的使用方法,通过这一设计实践过程,锻炼学生的动手能力和分析、解决问题的能力;积累经验,培养按部就班、一丝不苟的工作和对所学知识的综合应用能力。
一、课题背景
单片机,顾名思义就是将计算机的基本部件集成到一块芯片上。
包括CPU、ROM、RAM、并行口、串行看口、定时器/计数器、中断系统、系统时钟及系统总线。
虽然单片机具有通用计算机的基本部件,但又不同于通用计算机。
单片机主要用于控制场合,所追求的目标是:
尽可能体积小,又能实时、快速地对外部事件做出响应,迅速采集大量数据,做出逻辑判断与推理后实现对被控制对象的参数调整与控制。
本文讨论的单片机数字温度计的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机,配置了外围设备,构成了一个可编程的测温系统,具有体积小,可靠性高等特点。
不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发,有着广泛的应用领域。
20世纪80年代中期以后,Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家,如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。
这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品,准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。
这些兼容机与8051的系统结构(主要是指令系统)相同,采用CMOS工艺,因而,常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机,它们对8051单片机一般都作了一些扩充,更有特点。
其功能和市场竞争力更强,不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机,因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。
MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。
它们的引脚及指令系统相互兼容,主要在内部结构上有些区别。
目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类:
基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。
二、单片机的发展概况
单片机的发展历史可以分为以下4个阶段:
单片机初级阶段(1974~1976年),因工艺限制,单片机采用双芯片形式且功能比较简单。
例如,美国仙童(Fairchild)公司生产的世界上第一台F8单片机,由于仅包括8位CPU、64B的RAM喝2个并行口,需另加一块3851(由1KBROM、定时器/计数器和2个并行I/O口构成)才能构成一台完整的计算机。
低性能单片机阶段(1976~1978年),以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表,这种单片机片内集成有8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM和ROM等。
不足之处是没有串行口,中断处理比较简单,片内RAM和ROM容量较小且寻址范围不大于4KB。
高性能单片机阶段(1978~1982年),这个阶段推出的单片机普遍带有串行口、多级中断系统、16位定时器/计数器,片内ROM、RAM容量加大,且寻址范围可达64KB,有的片内还带有A/D转换器、可编程逻辑器件PLD、USB接口、PWM通道等。
这类单片机的典型代表是Intel公司的MCS-51系列、Freescale公司的6801和Zilog公司的Z8等。
由于这类单片机的性能价格比高,所以仍被广泛应用,是目前应用数量较多的单片机。
8位单片机巩固发展及16位、32位单片机推出阶段(1982年至今),此阶段的主要特征是一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机;另一方面,不断完善高档8位计算机,改善其结构,以满足不同用户的需要。
16位单片机的典型产品如Intel公司生产的MCS-96系列单片机,其集成度已达120000管子/片,主振为12MHz,片内RAM为232B,ROM为8KB,中断处理为8级,而且片内带有多通道10位A/D转换器和高速输入/输出部件(HIS/HSO),实时处理的能力很强。
而32位单片机除了具有更高的集成度外,其主振已达66MHz,这使32位单片机的数据处理速度比16位单片机增快许多,性能比8位、16位单片机更加优越。
三、单片机的应用领域
单片机应用领域可以归纳为以下几个方面。
1.智能仪表。
用单片机系统取代老式的测量、控制仪表,实现从模拟仪表向数字化、智能化仪表的转化,如各种温度仪表、压力仪表、流量仪表、电能计量仪表等。
2.测控系统。
用单片机取代原有的复杂的模拟数字电路,完成各种工业控制、数据采集系统等工作。
3.电能变换。
应用单片机设计变频调速控制电路。
4.通信。
用单片机开发通信模块、通信器材等。
5.机电产品。
应用单片机检测、控制传统的机械产品,使传统的机械产品结构简化,控制智能化,提高了机电产品的可靠性,增强了产品的功能。
6.智能接口。
在数据传输中,用单片机实现外部设备与微机通信。
第二章数字式温度计的硬件设计
第一节设计要求与方案
一、设计任务与要求
1.设计任务
(1)设计基于单片机控制的数字温度计,本温度计属于多功能温度计。
(2)设置上下报警温度,当温度不在设置范围内时,可以报警。
2.设计要求
(1)以MCS-51系列单片机为核心器件,组成一个数字式温度计。
(2)采用数字式温度计传感器为检测器件,进行单点温度检测,检测精度为±0.5℃
(3)温度显示采用3位LED数码管显示,两位整数,一位小数。
(4)具有键盘输入上、下限功能,超过上、下限温度时,进行声音报警。
二、设计方案与思路
1.设计方案
方案一
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,感温电路比较麻烦。
方案二
进而考虑到用温度传感器,在单片机电路设计中,大多都是使用传感器,所以这是非常容易想到的,所以可以采用一只温度传感器DS18B20,此传感器,可以很容易直接读取被测温度值,进行转换,就可以满足设计要求。
从以上两种方案,很容易看出,采用方案二,电路比较简单,软件设计也比较简单,故采用了方案二。
2.设计思路
1)根据设计要求,选择AT89C2051单片机为核心器件。
2)温度检测器件采用DDS18B20数字式温度传感器。
与单片机的接口为P3.7引脚。
3)键盘采用独立式按键,由3个按键组成,分别为:
设置键(SET)、加一键(+1)、确认键(RET).
SET键(上下限温度设置键):
当该键按下时,进入上下限温度设置功能。
+1键(加一调整键):
在输入上下限温度时,该键按下一次,被调整位加一。
RET键(确认键):
当该键按下时,指向下一个要调整的位。
按键的接入方式:
SET键:
通过P3口INT0引脚接入,中断工作方式。
+1键:
通过P3口引脚接入,查询工作方式。
RET键:
通过P3口引脚接入,查询工作方式。
4)声音报警蜂鸣器通过P1.7引脚接入。
第二节数字温度计的结构原理与器件介绍
一、单片机AT89C2051功能介绍和应用
Atmel公司的生产的AT89C2051是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含2kbytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes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AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
AT89C2051是一个功能强大的单片机,但它只有20个引脚,15个双向输入/输出(I/O)端口,其中P1是一个完整的8位双向I/O口,两个外中断口,两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口,一个模拟比较放大器。
同时AT89C2051的时钟频率可以为零,即具备可用软件设置的睡眠省电功能,系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口,系统唤醒后即进入继续工作状态。
省电模式中,片内RAM将被冻结,时钟停止振荡,所有功能停止工作,直至系统被硬件复位方可继续运行。
芯片示图2-1如下:
图2-1AT89C2051芯片示图
1.主要功能特性
(1).兼容MCS51指令系统
(2).2k可反复擦写(>1000次)FlashROM
(3).15个双向I/O口
(4).6个中断源
(5).两个16位可编程定时/计数器
(6).2.7-6V的宽工作电压范围
(7).时钟频率0-24MHz
(8).128x8bit内部RAM
(9).两个外部中断源
(10).两个串行中断
(11).可直接驱动LED
(12).两级加密位
(13).低功耗睡眠功能
(14).内置一个模拟比较放大器
(15).可编程UARL通道
(16).软件设置睡眠和唤醒功能
2.单片机AT89C2051引脚功能说明
(1).Vcc:
电源电
(2).GND:
地
(3).P1口:
P1口是一组8位双向I/O口,P1.2-P1.7提供内部上拉电阻,P1.0和P1.1内部无上拉电阻,主要是考虑它们分别是内部精密比较器的同相输入端(AIN1),如果需要应在外部接上拉电阻。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并可直接驱动LED.当P1口引脚写入“1”时可作输入端,当引脚P1.2-1.7用做输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而输出电流(In)。
P1口还在Flash闪速编程及程序校验时接收代码数据。
(4).P3口:
P3口的P3.0-P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O口。
P3.6没有引出,它作为一个普通I/O口但不可访问,但可作为固定输入片内比较器的输出信号,P3口缓冲器可吸收20mA电流。
当P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端,作输入端时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(In)。
P3口还用于实现AT89C2051特殊的功能,
如下表2.1所示:
表2.1P3口特殊的功能
引脚口
功能特性
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
/INTO(外中断0)
P3.3
/INT1(外中断1)
P3.4
T0(定时\计数器0输入)
P3.5
T1(定时\计数器1输入)
P3口还接收一些用于Flash闪速存储编程及程序校验的控制信号。
(5).RST:
复位输入。
RST引脚一旦变成两个机器周期以上电平,所有的I/O都将复位到“1”(高电平)状态,振荡器正在工作时,持续两个机器周期以上的电平便可完全复位,每个机器周期为12个振荡时钟周期。
(6).XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
(7).XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
二、74LS48数码管译码器引脚及功能
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器,常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中,在此简要介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料。
芯片示图2-2如下:
图2-274ls48芯片示图
4线-七段译码器/驱动器(BCD输入,有上拉电阻)
简要说明:
48为有内部上拉电阻的BCD-七段译码器/驱动器,共有54/7448、54/74LS48两种
线路结构型式,其主要电特性的典型值如下:
型号IOLVO(OFF)PD(典型)
54/74486.4mA5.5V265mW
54LS482mA5.5V125mW
74LS486mA5.5V125mW
输出端(Ya-Yg)为高电平有效,可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。
当要求输出0-15时,消隐输入(BI)应为高电平或开路,对于输出为0时还要求脉冲消隐输入(RBI)为高电平或者开路。
当BI为低电平时,不管其它输入端状态如何,Ya-Yg均为低电平。
当RBI和地址端(A0-A3)均为低电平,并且灯测试输入端(LT)为高电平时,Ya-Yg为低电平,脉冲消隐输出(RBO)也变为低电平。
当BI为高电平或开路时,LT为低电平可使Ya-Yg均为高电平。
48与248的引出端排列、功能和电特性均相同,差别仅在显示6和9,248所显示的6和9比48多出上杠和下杠。
引出端符号A0-A3译码地址输入BI/RBO消隐输入(低电平有效)/脉冲消隐输出(低电平有效)LT灯测试输入端(低电平有效)RBI脉冲消隐输入端(低电平有效)Ya-Yg段输出逻辑图。
74ls48引脚功能表—七段译码驱动器功能表
十进数
或功能
输入
BI/RBO
输出
备注
LT
RBI
DCBA
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
0000
H
1
1
1
1
1
1
0
1
1
H
x
0001
H
0
1
1
0
0
0
0
2
H
x
0010
H
1
1
0
1
1
0
1
3
H
x
0011
H
1
1
1
1
0
0
1
4
H
x
0100
H
0
1
1
0
0
1
1
5
H
x
0101
H
1
0
1
1
0
1
1
6
H
x
0110
H
0
0
1
1
1
1
1
7
H
x
0111
H
1
1
1
0
0
0
0
8
H
x
1000
H
1
1
1
1
1
1
1
9
H
x
1001
H
1
1
1
0
0
1
1
10
H
x
1010
H
0
0
0
1
1
0
1
11
H
x
1011
H
0
0
1
1
0
0
1
12
H
x
1100
H
0
1
0
0
0
1
1
13
H
x
1101
H
1
0
0
1
0
1
1
14
H
x
1110
H
0
0
0
1
1
1
1
15
H
x
1111
H
0
0
0
0
0
0
0
BI
x
x
xxxx
L
0
0
0
0
0
0
0
2
RBI
H
L
0000
L
0
0
0
0
0
0
0
3
LT
L
x
xxxx
H
1
1
1
1
1
1
1
4
三、硬件电路设计框图与原理图
根据设计要求与设计思路,硬件电路设计框图如图2-3所示。
硬件电路结构与与电子时钟相似,不同之处,一是LED数码管的位驱动电路是由3个PNP型晶体管VT2、VT3、VT4和6个电阻组成,基极与单片机的P1.4、P1.5、P1.6连接。
其工作原理是,当某个晶体管的基极为低电平时,该晶体管导通,对应位的LED被点亮,反之则不亮。
二是加入了一只温度传感器DS18B20进行温度检测,DS18B20的数据I/O端与单片机的P3.7引脚连接。
硬件电路原理图见附录A
图2-3硬件电路设计框图
第三节数字温度传感器DS18B20及应用
DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的一种单总线数字温度传感器,它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点,适合于各种温度测控系统。
该器件将半导体文敏器件、A\D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上,传感器直接输出的就是温度信号数字值。
信号传输采用两芯(或三芯)电缆构成的单总线结构。
一条单总线上可以挂接若干个数字温度传感器,每个传感器有一个唯一的地址编码。
微控制器通过对器件的寻址,就可以读取某一个器件的温度值,从而简化了信号采集系统的电路结构。
DS18B20的性能特点如下:
1.采用单总线技术,与单片机通信只需要一根I/O线,在一根线上可以挂接多个DS18B20。
2.每只DS18B20具有一个独有的,不可修改的64位序列号,根据序列号访问地应的器件。
3.低压供电,电源范围从3~5V,可以本地供电,也可以直接从数据线上窃取电源(寄生式供电)。
4.测温范围为-55℃~+125℃,在-10℃~85℃范围内误差为±0.5℃。
5.可编辑数据为9~12位,转换12位温度时间为750ms(最大)。
6.用户可自设定报警上下限温度
7.报警搜索命令可识别和寻址哪个器件的温度超出预定值。
8.DS18B20的分辩率由用户通过EEPROM设置为9~12位
9.DS18B20可将检测到温度值直接转化为数字量,并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。
一、DS18B20的引脚
DS18B20采用3脚(或8脚)封装,如图2-4a)所示。
其中,VCC和GND是电源和接地引脚,DQ时数据线引脚。
从图中看到,DS18B20以串行通信的方式与为控制器进行数据通信,读出和写入数据仅需要一根I\O接口线。
GNDDQVCC
图2-4a)DS18B20引脚图
图2-4b)DS18B20内部结构图
二、DS18B20内部结构及功能
DS18B20的内部结构如图12-3b所示,主要包括:
寄生电源、温度传感器、64位激光ROM和单总线接口、存放中间数据的高速暂存器RAM、用于存储用户设定温度上下限值的TH和TL触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码(CRC)发生器等7部分
1.温度传感器
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术,将被测温度转换成数值信号,测量结果存入温度寄存器中。
温度和数字量的关系如表12-1所示。
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
表12-1温度和数字量的关系
DS18B20与单片机的接口电路
2.寄生电源
寄生电源由二极管VD1、VD2、寄生电容C和电源检测电路组成,如图12-3所示。
电源检测电路用于判定供电方式:
3.0~5.5V的电源供电方式和寄生电源供电方式(直接从数据线获取电源)。
若采用外部电源给器件供电,外部电源接VCC引脚通过VD2向器件供电,如图12-4所示。
寄生电源供电时,VCC接地,器件从单线总线上获取电源,如图12-5所示。
在I\O线呈低电平时,改由电容C上的电压继续向器件供电。
该寄生电源有两个优点:
第一,检测远程温度时无需本地电源;第二,缺少正常电源时也能读ROM。
3.64位只读存
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