基于单片机的数字温度计资料.docx
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基于单片机的数字温度计资料
基于单片机的数字温度计
摘要:
本文介绍一种基于AT89C2051单片机的一种温度测量及报警电路,该电路采用DS18B20作为温度监测元件,测量范围-55℃-~+125℃,使用4位LED模块显示,能通过键盘设置温度报警上下限。
正文着重给出了软硬件系统的各部分电路,介绍了集成温度传感器DS18B20的原理,AT89C2051单片机功能和应用。
该电路设计新颖、功能强大、结构简单。
关键词:
温度测量,DS18B20
Abstract:
Theintroductionofacost-basedAT89C2051MCUatemperaturmeasurementcircuits,thecircuitsusedDS18B20high-precisiontemperatursensor,measuringscope-55℃-~+125℃,canusethekeybordsetthewarninglimitation,theuseoffourbitssevensegmentsLEDthatcanbedisplaythecurrenttemperature.Thepaperfocusesonprovidingasoftwareandhardwaresystemcomponentscircuit,introducedthetheoryofDS18B20,thefounctionsandapplicationsofAT89C2051.Thiscircuitdesigninnovative,powerful,canbeexpansionarystrong.
KeyWords:
Temperaturmeasurement,DS18B20
1前言
数字温度计(DigitalThermometer)简称DTM,它是采用数字化测量技术,把连续的温度值转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
传统的温度计功能单一、精度低,不能满足数字化时代的需求,采用单片机的数字温度计,由于精度高、抗干扰能力强,可扩展性强、集成方便得到了广泛的应用。
温度是许多监控系统中的一个重要参数。
DS18B20直接把温度信息转换成相应的数字信号。
数据采集、处理模块主要由AT89C2051单片机构成,完成温度数据的读取和显示。
本章重点介绍DS18B20的工作原理,尤其是其编程原理,以及由它们构成的基于单片机的数字温度计的工作原理。
2系统功能描述
3系统原理及基本框图
如图3.1所示,模拟温度值经过DS18B20处理后转换为数字值,然后送到单片机中进行数据处理,并与设置的温度报警限比较,超过限度后通过扬声器报警。
同时处理后的数据送到LED中显示。
图3.1系统基本方框图
3硬件设计
3.1输入电路
图3.1.1量程切换开关图3.1.2衰减输入电路
输入电路的作用是把不同量程的被测的电压规范到A/D转换器所要求的电压值。
智能化数字温度计所采用的单片双积分型ADC芯片ICL7135,它要求输入电压0-±2V。
本仪表设计是0-1000V电压,灵敏度高所以可以不加前置放大器,只需衰减器,如图3.1.2所示9M、900K、90K、和10K电阻构成1/10、1/100、1/1000的衰减器。
衰减输入电路可由开关来选择不同的衰减率,从而切换档位。
为了能让CPU自动识别档位,还要有图3.1.1的硬件连接。
3.2A/D转换电路
A/D转换器的转换精度对测量电路极其重要,它的参数关系到测量电路性能。
本设计采用双积A/D转换器,它的性能比较稳定,转换精度高,具有很高的抗干扰能力,电路结构简单,其缺点是工作速度较低。
在对转换精度要求较高,而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。
3.2.1双积A/D转换器的工作原理
图3.2.1.1双积A/D转换器
图3.2.1.2双积A/D转换器的波形图
如图所示:
对输入模拟电压和基准电压进行两次积分,先对输入模拟电压进行积分,将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1,再利用计数器测出此时间间隔,则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压;接着对基准电压进行同样的处理。
在常用的A/D转换芯片(如ADC-0809、ICL7135、ICL7109等)中,ICL7135与其余几种有所不同,它是一种四位半的双积分
A/D转换器,具有精度高(精度相当
于14位二进制数)、价格低廉、抗干扰能力强等优点。
本文介绍用单片机并行方式采集ICL7135的数据以实现单片机温度计和小型智能仪表的设计方案。
3.2.17135的应用
7135是采用CMOS工艺制作的单片4位半A/D转换器,其所转换的数字值以多工扫描的方式输出,只要附加译码器,数码显示器,驱动器及电阻电容等元件,就可组成一个满量程为2V的数字温度计。
㈠7135主要特点如下:
①双积型A/D转换器,转换速度慢。
②在每次A/D转换前,内部电
3.2.1.1ICL7135引脚图
路都自动进行调零操作,可保证零点在常温下的长期稳定。
在20000字(2V
满量程)范围内,保证转换精度1字相当于14bitA/D转换器。
③具有自动极性转换功能。
能在但极性参考电压下对双极性模拟输入电压进行A/D转换,模拟电压的范围为0~±1.9999V。
。
④模拟出入可以是差动信号,输入电阻极高,输入电流典型值1PA。
⑤所有输出端和TTL电路相容。
⑥有过量程(OR)和欠量程(UR)标志信号输出,可用作自动量程转换的控制信号。
⑦输出为动态扫描BCD码。
⑧对外提供六个输入,输出控制信号(R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR),因此除用于数字温度计外,还能与异步接收/发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。
⑨采用28外引线双列直插式封装,外引线功能端排列如图所示。
㈡7135数字部分
数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。
7135一次A/D转换周期分为四个阶段:
1、自动调零(AZ);2、被测电压积分(INT);3、基准电压反积分(DE);4、积分回零(ZI)。
具体内部转换过程这里不做祥细介绍,主要介绍引脚的使用。
①R/H(25脚)当R/H=“1”(该端悬空时为“1”)时,7135处于连续转换状态,每40002个时钟周期完成一次A/D转换。
若R/H由“1”变“0”,则7135在完成本次A/D转换后进入保持状态,此时输出为最后一次转换结果,不受输入电压变化的影响。
因此利用R/H端的功能可以使数据有保持功能。
若把R/H端用作启动功能时,只要在该端输入一个正脉冲(宽度≥300ns),转换器就从AZ阶段开始进行A/D转换。
注意:
第一次转换周期中的AZ阶段时间为9001-10001个时钟脉冲,这是由于启动脉冲和内部计数器状态不同步造成的。
②/ST(26脚)每次A/D转换周期结束后,ST端都输出5个负脉冲,其输出时间对应在每个周期开始时的5个位选信号正脉冲的中间,ST负脉冲宽度等于1/2时钟周期。
图3.2.1.2ICL7135的波形图
第一个ST负脉冲在上次转换周期结束后101个时钟周期产生。
因为每个选信号(D5--D1)的正脉冲宽度为200个时钟周期(只有AZ和DE阶段开始时的第一个D5的脉冲宽度为201个CLK周期),所以ST负脉冲之间相隔也是200个时钟周期。
需要注意的是,若上一周期为保持状态(R/H=“0”)则ST无脉冲信号输出。
ST信号主要用来控制将转换结果向外部锁存器、UARTs或微处理器进行传送。
③BUSY(21脚)在双积分阶段(INT+DE),BUSY为高电平,其余时为低电平。
因此利用BUSY功能,可以实现A/D转换结果的远距离双线传送,其还原方法是将BUSY和CLK“与”后来计数器,再减去10001就可得到原来的转换结果。
④OR(27脚)当输入电压超出量程范围(20000),OR将会变高。
该信号在BUSY信号结束时变高。
在DE阶段开始时变低。
⑤UR(28脚)当输入电压等于或低于满量程的9%(读数为1800),则一当BUST信号结束,UR将会变高。
该信号在INT阶段开始时变低。
⑥POL(23脚)该信号用来指示输入电压的极性。
当输入电压为正,则POL等于“1”,反之则等于“0”。
该信号DE阶段开始时变化,并维持一个A/D转换调期。
⑦位驱动信号D5、D4、D3、D2、D1(12、17、18、19、20脚)每一位驱动信号分别输出一个正脉冲信号,脉冲宽度为200个时钟周期,其中D5对应万位选通,以下依次为千、百、十、个位。
在正常输入情况下,D5--D1输出连续脉冲。
当输入电压过量程时,D5--D1在AZ阶段开始时只分别输出一个脉冲,然后都处于低电平,直至DE阶段开始时才输出连续脉冲。
利用这个特性,可使得显示器件在过程时产生一亮一暗的直观现象。
⑧B8、B4、B2、B1(16、15、14、13脚)该四端为转换结果BCD码输出,采用动态扫描输出方式,即当位选信号D5=“1”时,该四端的信号为万位数的内容,D4=“1”时为千位数内容,其余依次类推。
在个、十、百、千四位数的内容输出时,BCD码范围为0000--1001,对于万位数只有0和1两种状态,所以其输出的BCD码为“0000”和“0001”。
当输入电压过量程时,各位数输出全部为零,这一点在使用时应注意。
最后还要说明一点,由于数字部分以DGNG端作为接地端,所以所有输出端输出电平以DGNG作为相对参考点。
基准电压,基准电压的输入必须对于模拟公共端COM是正电压。
㈢与单片机系统的串行连接
在ICL7135与单片机系统进行连接时,使用并行采集方式,要连接BCD码数据输出线,可以将ICL7135的/STB信号接至AT89C52的P3.2(INT0)。
ICL7135需要外部的时钟信号,本设计采用CD4060来对4M信号进行32分频得到125KHz的时钟信号。
CD4060计数为14级2进制计数器,在数字集成电路中可实现的分频次数最高,而且CD4060还包含振荡电路所需的非门,使用更为方便。
图3.2.1.3ICL7135与系统的连接图图3.2.1.4CD4060时钟发生电路
3.3单片机部分
单片机选用的是ATMEL公司新推出的AT89S52,如图3.2.1.1所示。
该芯片具有低功耗、高性能的特点,是采用CMOS工艺的8位单片机,与AT89C51完全兼容。
AT89S52还有以下主要特点:
①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器(NV-SRAM)技术;
②其片内具有256字节RAM,8KB的可在线编程(ISP)FLASH存储器;
③有2种低功耗节电工作方式:
空闲模式和掉电模式
④片内含有一个看门狗定时器(WDT),WDT包含一个14位计数器和看门狗定时器复位寄存器(WDTRST),只要对WDTRST按顺序先写入01EH,后写入0E1H,WDT便启动,当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时,WDT即可有效地使系统复位,提高了系统的抗干扰性能。
3.4液晶显示部分
图3.2.1.189S52引脚图
显示接口用来显示系统的状态,命令或采集的电压数据。
本系统显示部分用的是LCD液晶模块,采用一个16×1的字符型液晶显示模块,
点阵图形式液晶由M行×N列个显示单元组成,假设LCD显示屏有64行,每行有128列,每8列对应1个字节的8个位,即每行由16字节,共16×8=128个点组成,屏上64×16个显示单元和显示RAM区1024个字节相对应,每一字节的内容和屏上相应位置的亮暗对应。
一个字符由6×8或8×8点阵组成,即要找到和屏上某几个位置对应的显示RAM区的8个字节,并且要使每个字节的不同的位为‘1’,其它的为‘0’,为‘1’的点亮,为‘0’的点暗,这样一来就组成某个字符。
但对于内带字符发生器的控制器来说,显示字符就比较简单了,可让控制器工作在文本方式,根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址,设立光标,在此送上该字符对应的代码即可。
3.4.11601使用说明
图3.4.1.11601引脚图
表3.4.1.1LCD1601液晶模块的引脚
引脚
符号
功能说明
1
GND
接地
2
Vcc
+5V
3
VL
驱动LCD,一般将此脚接地
4
RS
寄存器选择0:
指令寄存器(WRITE)Busyflag,位址计数器(READ)1:
数据寄存器(WRITE,READ)
5
R/W
READ/WRITE选择1:
READ0:
WTITE
6
E
读写使能(下降沿使能)
7
DB0
低4位三态、双向数据总线
续表3.4.1.1LCD1601液晶模块的引脚
8
DB1
9
DB2
10
DB3
11
DB4
高4位三态、双向数据总线
另外DB7也是一个Busyflag
12
DB5
13
DB6
14
DB7
寄存器选择,如表所示:
表3.4.1.3寄存器选择控制线操作
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器(清除屏幕…等)
0
1
读Busyflag(DB7),以及读取位址计数器(DB0~DB6)值
1
0
写入数据寄存器(显示各字型等)
1
1
从数据寄存器读取数据
Busyflag(DB7):
在此位未被清除为“0”时,LCD将无法再处理其他指令要求。
(1)显示地址:
内部地址计数器的计数地址:
SB7=0(DB0~DB6)第一行00、01、02……等,第二行40、41、42……等,可配合检测DB7=1(RS=0,R/W=1)读取目前显示字的地址,判断是否需要换行。
表3.4.1.4LCD160116×1显示字的地址
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
00
01
02
03
04
05
06
07
40
41
42
43
44
45
46
47
(2)外部地址:
DB7=1,亦即80H+内部计数地址,可以用此方式将字显示在某一位置。
LCD各地址列举如下表:
表3.4.1.5LCD160116×1显示字的外部地址
16×116字1行1601
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
80
81
82
83
84
85
86
87
C0
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
表3.4.1.6LCD1601的指令组
指令
说明
设置码
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
清除显示幕
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
光标回到原点
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
进入模式设定
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
显示幕ON/OFF
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
功能设定
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
字发生器地址设定
0
0
0
1
AGC
设置显示地址
0
0
0
1
ADD
忙碌标志位BF
0
0
1
BF
显示数据
1
0
写入数据
读取数据
1
1
读取数据
I/DI/D=1表示加1,I/D=0表示减1
SS=1表示显示幕ONS=0表示OFF
DD=1表示显示屏幕OND=0表示显示屏幕OFF
CC=1表示光标ONC=0表示光标OFF
BB=1表示闪烁ONB=0表示显示闪烁OFF
S/CS/C=1表示显示屏幕移位S/C=0光标移位
R/LR/L=1表示右移R/L=0表示左移
DLDL=1表示8位DL=0表示4位
FF=1表示5×10点矩阵F=0表示5×7点矩阵
NN=1表示2行显示行N=0表示1行显示行
BFBF=1:
内部正在动作BF=0:
可接收指令或数据码
3.4.2液晶显示部分与89S52的接口
如图所示:
用89S52的P2口作为数据线,用P0.1、P0.2、P0.3分别作为LCD的E、R/W、RS。
其中E是下降沿触发的片选信号,R/W是读写信号,RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下:
显示模块初始化:
首先清屏,再设置接口数据位为8位,显示行数为1行,字型为5×7点阵,然后
设
3.4.2.1液晶与89S52的接口
置为整体显示,取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位。
向LCD的显示缓冲区中送字符,程序中采用2个字符数组,一个显示字符,另一个显示电压数据,要显示的字符或数据被送到相应的数组中,完成后再统一显示.首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区,程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数,不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。
3.5通讯模块
图3.5.1MAX232引脚功能图
89S52内部已集成通信接口URT,只需扩展一片MAX232芯片将输出信号转换成RS-232协议规定的电平标准, MAX232是一种双组驱动器/接收器,每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平。
每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。
即EIA接口,就是把5V转换为-8V到-15V电位0V转换为8V到15V再经RXD输出,接收时由RXD输入,把-8V到-15V电位转换为5V,8V到15V转换为0V。
MAX232的工作电压只需5V,内部有振荡电路产生正负9V电位。
4系统的软件设计
4.1主程序设计
ICL7135A/D与单片机连接电路的软件设计系统的程序流程图如图所示。
主程序一开始运行则设置堆栈起始地址为70H,设置中断寄存器,用来对ICL7135的中断进行计数,每5次后清零,完成一次数据采集工作,然后设置ICL7135的STB端的中断的优先级。
紧接着LCDM1601B进行一次清屏,使其各个指令、数据寄存器的值进行清空,屏幕不显示任何字符。
以前面对1601B的介绍,只要将01H送到数据总线,使RS=0,R/W=0,E有个下降沿的脉冲就可以完成清屏工作。
用以下指令实现MOVP2,#01H;送到数据DB7---DB0,调用子程序ENABLE,由于下降沿时,内部数据要送到RAM区,所以要有一个延时子程序,使这个下降沿持续2.5毫秒。
内部RAM有指令代码后就开始对RAM进行清零,所以屏幕原有的字符将被清除。
接着对1601进行功能的设定。
MOVP2,#01111000B,按表3.4.5来看是设定
图4.1.1主程序流程图
显示器按2行显示,每行8位,5×7点阵。
调用一次子程序ENABLE程序,写入CPU的指令寄存器中。
每次向LCDM中写入一个指令,就调用一次ENABLE,然后再对显示器进行闪烁、光标等功能进行设定。
显示器的RAM地址按加1方法进行读写。
再设定第一行字符,也就是‘Voltage’的显示地址80H。
字符‘Voltage’的TABLE表地址送到DPTR中,然后调用远程查表命令,依次把数据送到P2口,这时再调用子程序WRITE3,使LCD1601的RS=1,R/W=0使使能端E产生一个下降沿脉冲,将数据送入到数据寄存器中,接下来执行子程序DISPLAY1,它的主要功能是将TABLE表中的字符输出到LCD中去。
调定好显示字符数即远程查表的次数,就开始查表了。
例如第一个字符“V”的ASCII码是56H,就将这个码送到P2口,再调用使能数据子程序,使RS=1(数据区使能)写入显示数据区,R/W=0表示写,E=来个下降沿延时2.5毫秒,使数据写入RAM内。
完成
图4.1.2数据地址
TABLE表输出以后,向指令RAM中写入第2
行的起始地址为OCH,再调用显示采样数据
的子程序。
采样数据存放的数据地址安排如下图所示,首先将60H中的数显示在正负号的位置上,按照ASCII码表,正号不显示(#20H),负号显示“-”(#2DH)。
4.2A/D中断程序设计
图4.2.1中断子程序流程图
ICL7135每一分钟完成3次据的采集工作,1/3秒完成后向CPU申请中断,CPU这时暂停工作,为中断服务.中断响应后关中断,将PSW、ACC压栈,判断是否首次中断,如果是首次中断,则将正负号标志位置入60H,再把万位置入61H中,如果不是首次中断,则跳到NEXT处,如果是第二次中断,则将千位数置入62H中,如果是第三次中断,再将百位数置入63H中,第四次中断则将十位数置入64H中,第五次中断则将小数点位置入65H中,同时个位置入66H中。
同时清除中断次数寄存器30H中的值,完成中断后将ACC、PSW出栈,开中断。
消隐的思想:
每次电压采集后,CPU将数据送到LCD显示,将可能出现以下几种需要消隐的情况。
例如:
2000V档量程:
─
0
1
9
9
.
9
此时万位的值‘0’不符合人们的视觉习惯,需要把万位的值消隐掉,编程是将#20H送入万位,使其在LCD中不显示任何字符即可。
同样的情况如下:
需要消隐万位、千位
需要消隐万位、千位、百位
2000V档量程:
─
0
0
1
9
.
9
─
0
0
0
1
.
9
需要消隐万位
需要消隐万位、千位
200V档量程:
─
0
1
9
.
9
9
─
0
0
1
.
9
9
需要消隐万位
20V档量程:
─
0
1
.
9
9
9
在采集到数据之后,置数之前判断档位,是2V档不消隐,是其他档位时再看要消隐的位之前有几个是零。
例如2000V档量程,-0001.9V,在2次中断时判断档位是2000V档,第1位是零,消隐第2位千位。
4.3通讯模块程序设计
89S52单片机内部有一个全双工的串行通信口,即串行接收和发送缓冲器(SBUF),这两个在物理上独立的接收发送器,既可以接收数据也可以发送数据。
但接收缓冲器只能读出不能写入,而发送缓冲器则只能写入不能读出,它们的地址为99H。
这个通信口既可以用于网络通信,亦可实现串行异步通信,还可以构成同步移位寄存器使用。
如果在传行口的输入输出引脚上加上电平转换器,就可方便地构成标准的RS-232接口。
89S52的串行口有4种工作方式,1种同步方式,3种异步方式。
本方式选方式1,一帧数据有10位,包括起始位0、8位数据位和1位停止位1。
串行口电路在发送时能自动加入起始位和停止位。
在接收时,停止位进入SCON中的RB8位。
方式1的波特率是可变的,由定时器1的溢出率决定。
由定时器1最好工作在方式2上(自动重装载模式),这样只需对TH1设置一
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