数字温度计

河南理工大学 摘要 在日常生活及工业生产过程中，经常要用到温度的检测及控制，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例。 温度是物体内分子间平均动能的一种现形式，是表征物体冷热程度的物理量，它与人们的生活密切相关。但是用传统的水银或酒精温度计来测量温度，不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一，已经不能满足人们在数字化时代的要求，从而制约了它在众多领域中的应用。数字式温度计的出现，使得这些问题迎刃而解，数字温度计采用进口高精度、低温漂、超低功耗集成电路和宽温型液晶显示器，内置高能量电池连续工作数年无需敷设供电电缆，是一种精度高、稳定性好、适用性极强的新型现场温度显示仪。是传统温度计的理想替代产品，它不仅拓宽了温度计的应用范围，而且具有实时性、准确性、高效性等特点。 随着时代的进步和发展以及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字单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，它所给人带来的方便也是不可否定的，本设计中的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。 本设计是测量温度电路，使用温度传感器，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换就从而满足设计要求。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，该设计控制器使用单片机AT89S52，测温传感器使用DALLAS18B20，用4位共阴极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。 关键词： 数字温度计 AT89S52 LED数显 超限报警 目录 1、 概述……………………………………………………………………………3 1.1题目设计要求………………………………………………………………3 1.2该课程设计的目的…………………………………………………………3 1.3该课程设计的意义…………………………………………………………3 2、 系统总体及硬件设计………………………………………………………4 2.1系统总体方案设计……………………………………………………………4 2.2硬件电路设计………………………………………………………………6 3、软件设计………………………………………………………………………13 3.1 主程序………………………………………………………………………13 3.2读出温度子程序……………………………………………………………14 3.3定时中断服务程序…………………………………………………………14 3.4计算温度子程序……………………………………………………………15 3.5显示数据刷新子程序………………………………………………………15 3.6芯片的写入…………………………………………………………15 4、Proteus软件仿真………………………………………………………………17 4.1.原理图…………………………………………………………………17 4.2仿真步骤……………………………………………………………………17 4.3 Wave软件下的程序编译……………………………………………………17 4.4 PROTEUS软件下仿真………………………………………………………17 5、课程设计体会…………………………………………………………………18 参考文献……………………………………………………………………19 附1：源程序代码…………………………………………………………………20 附 2：实物图1…………………………………………………………………………………24 附3：实物图2………………………………………………………………………………25 附4：系统原理图………………………………………………………………………………26 1 概述 1.1题目设计要求 1、基本范围-50℃-110℃。 2、精度误差小于0.5℃。 3、LED数码直读显示。 4、扩展功能。 5、可以任意设定温度的上下限报警功能。 1.2 该课程设计的目的 作为理工科的学生应该在学习与动手实践中提高自己的专业技能知识，通过课程设计使我进一步熟悉了单片机的内部结构和工作原理，掌握了单片机应用系统设计的基本和步骤；通过利用MCS-51单片机，理解单片机在自动化装置中的作用以及掌握单片机的编程调试方法；通过设计一个简单的实际应用输入控制及显示系统，掌握protues和Wave以及各种仿真软件的使用。现在的学习都是为以后的发展而做铺垫，通过课程设计提高自己的动手能力。 1.3 该课程设计的意义 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，传感器是温度计中的重要组成部分，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。为了构成性能优良的监控系统应运用传感器与自己的设计连接起来，设计出比较成熟的成品。 2 系统总体方案及硬件设计 2.1系统总体方案设计 2.1.1系统方案比较 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 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。 首先，在方案中要确定温度计的一切所必须设计，其中包括DS18B20的数据线端口、动态数码显示、数码显示方式处理、报警电路，在实现了上述所说的设计后，可以进行Proteus软件仿真。 Proteus软件仿真可以正确的验证设计思路是否正确，检验程序设计是否有错误，利用这个仿真软件检测所设计的结果，不但可以验证所设计的方案的可行性，在方案可行的基础上又能检查出设计过程的不小心出现的错误。 2.1.2 系统方框图 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AT89S52，温度传感器采用DS18B20，用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。该数字温度计由电源电路、晶振电路、复位电路、下载电路、单片机、数字显示电路、温度测量电路、报警电路和控制电路组成。可以实现基本范围-50℃-110℃的测量和任意设置温度的上下限，当所设置的温度高于所设置的上限或低于所设置的下限时可通过蜂鸣器和发光二极管报警。 图1总体设计方框图 2.1.3 DS18B20功能 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。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。它的引脚图如下图2所示。 图2 DS18B20引脚图 2.2硬件电路设计 2.2.1复位电路设计 MCS-52单片机通常采用上电自动复位、按钮电平复位、外部脉冲复位、上电+按钮电平复位、程序运行监视复位等方式。 AT89S52需要外加复位电路，本设计采用按键+上电复位，上电复位是利用电容充电来实现的，即上电瞬间RST/Vpd端的电位与Vcc相同，随着充电电流的减少，最后被嵌位在0V,采用10uF的C3和10K的R2可以保证加在引脚上的高电平持续2个机器周期，即使单片机有效地复位。按键可以随时使电路复位，当键按下时10K的R2分压使RST为高电平，即复位。复位电路图如下图3所示。 图3复位电路 2.2.2时钟晶振电路 MCS-51内部有一个用于构成震荡器的高增益反向放大器，此放大器的输入端和输出端分别是XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接晶振可构成时钟电路。时钟电路在单片机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢。本次设计采用内部方式的外部时钟接法。为达到振荡周期是12MHZ的要求，这里要采用12MHZ的晶振，电容C1、C2对频率有微调作用，故外接晶振时，C1和C2在本设计中选择30pF，振荡频率取12MHz。晶振的两个引脚分别连到XTAL1和XTAL2振荡脉冲输入引脚。时钟晶振电路如下图4 所示。 图4时钟晶振电路 2.2.3 温度检测电路 温度检测采用数字温度计DS18B20。如下图5所示。 图5 温度检测电路 2.2.4 报警电路和指示电路 报警电路采用蜂鸣器报警，指示电路采用一个发光二极管。如下图6所示。 图6 报警和指示电路 2.2.5 键盘设置电路 温度上下限报警设置采用四个独立按键，分别为功能、加、减、取消，其中功能按键第一次按下是设置温度上限，第二次按下是设置温度下限，第三次按下是确认；取消按键是在按下任一次功能键的基础上，再按取消键是取消以往的设置恢复到初始值0-125。如图7所示。 图7 键盘电路 2.2.6 显示电路 此电路是通过P0口与四位七段式数码管相连，去控制各个数码管点亮，p0.0--p0.7代表a、b、c、d、e、f及dp。P2.0--p2.3分别接数码管的地端。如下图8所示。 图8数码管显示电路 2.2.7 单片机电路 采用AT89S52实现温度检测转换，温度显示，键盘设置，报警等功能。引脚分配连接如下图9所示。 图9 单片机连接图 2.2.8 下载线接口电路图 AT89S51系列单片机支持在线编程，方便了程序的调试，本系统留有isp下载线的接口，如下图10所示。 图10 下载线接口电路 2.2.3LED显示电路 显示电路采用一个4位LED显示数码管，共阴极接法，由于LED显示电路较多选用动态扫描方式，为实现该方式，除了要给显示器提供段的输入之外，还要对显示器加位的控制，即段控和位控。所以需用P0口输出8条段控线，位控线由P1.0～P1.3控制。显示电路如下图11所示。 图11显示电路 本次设计中采用共阴极数码管作为显示器。LED的驱动电路简单，使用方便，具有耗电少、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、使用寿命长等优点。LED显示器与单片机的接口一般有动态显示与静态显示接口两种电路。 静态显示方式：是指当显示器显示某一字符时，发光二极管的位选始终被选中。在这种显示方式下，每一个LED数码管显示器都需要一个8位的输出口进行控制，显示稳定，提高了CPU的工作效率。其不足之处是占用硬件资源较多，每个LED数码管需要独占8条输出线。随着显示器位数的增加，需要的I/O口线也将增加。 动态显示方式：动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器（称为扫描），即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。对于每一位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关, 由于扫描速度极快，显示效果与静态驱动相同。通过调整电流和时间参数，可以既保证亮度，又保证显示。 2.2.4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： 1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； 2）多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 3）无须外部器件； 4）可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ； 5）零待机功耗； 6）温度以９或１２位数字； 7）用户可定义报警设置； 8）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； 9）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； 3 软件 3.1主程序 系统程序主要包括延时子程序、外部中断0服务子程序、外部中断1服务子程序、显示温度子程序、报警子程序、主程序等。 主程序的功能为：刚开机时显示电路显示“00.0”，过一小段时间后，显示电路自动关闭，此后若按下开关键，使处于开的状态后，则可实现4位LED数码直接读出温度。若按一下设置键，则可设置温度的上限，此时按一下增加键可使上限值加1，按一下减少键可使上限值减1，（处于调整上限状态时，温度值闪烁显示，并且最后一位显示’H’）。 若再按一下设置键，则可设置温度的下限，此时按一下增加键可使下限值加1，按一下减少键可使下限值减1，（处于调整下限状态时，温度值闪烁显示，并且最后一位显示’L’）。 若再按一下设置键,则恢复显示所测温度状态，当所测的温度高于所设置的上限，红色发光二极管闪烁亮，蜂鸣器滴滴滴报警，当所测的温度低于所设置的下限，红色发光二极管闪烁亮，蜂鸣器滴滴滴报警。 图12 主程序图 图13 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13所示。 3.3定时中断服务程序 进入中断服务程序后，可进行当前温度检测及显示，根据所测值与设定值比较进行温度控制等。 图14定时中断程序流程图 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，并进行温度值是否超限的的判定，其程序流程图如图15所示。 图15　计算温度流程图 图16　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16所示。 3.6芯片的写入 编程下载软件采用PROGISP，可以在线烧写芯片，简便快捷。软件界面如图17所示。 编程下载器采用USBISP，需要以下器件 1.USBISP编程器一个 2.连接目标板用的10芯线一条 3.USB2.0连接线一根 USBISP的特点: 1.支持USB1.1或USB2.0通信;支持WIN2K/XP操作系统。 2.采用USB口供电。 3.在对芯片编程时,可以使用目标板本身电源,也可选择USB电源给目标板。 4.可下载S51/S52及AVR系列单片机。 4 Proteus & Wave软件仿真 4.1原理图 在Proteus环境下，按照附录4图调出各元器件并用导线连接设置参数。 4.2仿真步骤 图18仿真流程图 4.3 WAVE软件下的程序编译 首先按照设计要求编写好程序，把程序保存为C文件；打开wave软件，把源程序的C文件导入，再在菜单栏中选择项目-编译，若程序无误，直接生产HEX文件，若有误，则利用软件功能，找寻程序出错处，修改程序，直到编译正确。4.4 PROTEUS软件下仿真 首先按照设计要求画出原理图，检查接线无误后，把在Wave下生产的HEX文件导入，开始仿真运行，运行时，观察运行是否正确，若不正确，则检查原理图是否正确、源程序是否正确，做适当修改，直到运行正确；若运行正确，记录结果。 5课程设计体会 在技能的提高过程中少不了动手操作，通过这次的课程设计提高了综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题的能力。在课程设计的过程中使我们对单片机的结构、基本工作原理、单片机应用系统开发有了更深一步的了解，特别是在硬件设计和软件编程方面有了很大提高。在这次单片机课程设计中，使我更加了解单片机在我们学习生活中的重要性，课程设计中遇到的困难，经过上网查资料、在图书馆翻阅专业课本、和同学讨论一一解决。 此次课程设计不仅巩固了以前所学过的知识，加深了我对所学知识的理解，而且学到了很多在书本上未涉及的知识，提高了自己的动手能力。软件编程过程中，由于采用汇编语言编程，所以参考了别人的设计思路，学习明白之后，对程序作了修改。在编译仿真时对软件Keiv 和Proteus有了更多的认识。在焊接的过程中也遇到了不少的问题，因为每个引脚都是不样一的，只有让各个引脚互相对应，才能得出正确的结果。并且用的是铜线，所以在焊接时很麻烦稍不注意就会连线，在焊接时明显感觉到自己的动手能力比较差，通过这次的设计有了明显的提高。 通过这次设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为以后的能更好的融入工作当中去打下了坚实的基础。 参考文献： [1]. 《单片微型计算机原理及应用》 张毅坤 西安电子科技大学出版社 1998 [2].《单片机原理及接口技术》 余锡存 曹国华 西安电子科技大学出版社,2000 [3]. 《单片机原理及应用》 曹巧媛 北京：电子工业出版社，1997 [4].《微机原理与接口技术》 雷丽文 等 电子工业出版社，1997 [5]. 《单片机原理及接口技术》胡 键 机械工业出版社，2004年10月 附1 源程序代码 ORG 0000H LJMP TYU ORG 0003H LJMP GD ORG 0013H LJMP JING TYU: TEMPER_L EQU 29H TEMPER_H EQU 28H FLAG1 EQU 38H a_bit equ 20h b_bit equ 21h DOT EQU 27H FLAG2 EQU 37H FLAG3 EQU 36H SETB FLAG3 CLR P2.6 MOV 29H,#00H MOV DOT,#3FH SHANGXIAN EQU 35H XIAXIAN EQU 34H MAIN: SETB EA CLR IT0 SETB IT1 SETB EX0 SETB EX1 CLR PX0 SETB PX1 MOV SHANGXIAN,#90 MOV XIAXIAN,#00 LCALL GET_TEMPER MOV A,29H ANL A,#0FH MOV DOT,A MOV DPTR,#JIANCHA MOVC A,@A+DPTR MOV DOT,A MOV A,28H LCALL FUHAO MOV A,29H MOV C,40H RRC A MOV C,41H RRC A MOV C,42H RRC A MOV C,43H RRC A MOV 29H,A LCALL BAOJING LCALL DISPLAY AJMP MAIN INIT_1820: SETB P2.7 NOP CLR P2.7 MOV R1,#3 TSR1:MOV R0,#107 DJNZ R0,$ DJNZ R1,TSR1 SETB P2.7 NOP NOP NOP MOV R0,#25H TSR2: JNB P2.7,TSR3 DJNZ R0,TSR2 LJMP TSR4 TSR3: SETB FLAG1 LJMP TSR5 TSR4: CLR FLAG1 LJMP TSR7 TSR5: MOV R0,#117 TSR6: DJNZ R0,TSR6 TSR7: SETB P2.7 RET GET_TEMPER: SETB P2.7 LCALL INIT_1820 JB FLAG1,TSS2 RET TSS2: MOV A,#0CCH LCALL WRITE_1820 MOV A,#44H LCALL WRITE_1820 LCALL DISPLAY LCALL INIT_1820 MOV A,#0CCH LCALL WRITE_1820 MOV A,#0BEH LCALL WRITE_1820 LCALL READ_18200 RET WRITE_1820: MOV R2,#8 CLR C WR1: CLR P2.7 MOV R3,#6 DJNZ R3,$ RRC A MOV P2.7,C MOV R3,#23 DJNZ R3,$ SETB P2.7 NOP DJNZ R2,WR1 SETB P2.7 RET READ_18200: MOV R4,#2 MOV R1,#29H RE00: MOV R2,#8 RE01: CLR C SETB P2.7 NOP NOP CLR P2.7 NOP NOP NOP SETB P2.7 MOV R3,#9 RE10: DJNZ R3,RE10 MOV C,P2.7 MOV R3,#23 RE20: DJNZ R3,RE20 RRC A DJNZ R2,RE01 MOV @R1,A DEC R1 DJNZ R4,RE00 RET DISPLAY: MOV A,29H JNB FLAG2,DOP XRL A,#0FFH INC A DOP: MOV B,#10 DIV AB MOV a_bit,A MOV b_bit,B MOV DPTR,#NUMTAB MOV R0,#4 DPLL: MOV R1,#250 DPLOP: JNB FLAG2,LOP MOV P0,#40H CLR P1.0 LCALL DL1MS SETB P1.0 LOP: MOV A,DOT ;xiaoshu MOV P0,A CLR P1.3 LCALL DL1MS SETB P1.3 MOV A,b_bit ;个位 MOVC A,@A+DPTR ADD A,#80H MOV P0,A CLR P1.2 LCALL DL1MS SETB P1.2 MOV A,a_bit ;十位 MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A CLR P1.1 LCALL DL1MS SETB P1.1 DJNZ R1,DPLOP DJNZ R0,DPLL RET DL1MS: MOV R7,#250 MOV R6,#2 LL:DJNZ R7,$ DJNZ R6,LL RET ;dui zhong duan de jie shi JING: CPL FLAG3 CPL P2.5 LCALL DL20MS RETI GD: CLR EA JNB P3.2,GD LJMP AA BB: LCALL DL20MS LCALL DL20MS INC SHANGXIAN LJMP AA SS: LCALL DL20MS LCALL DL20MS DEC SHANGXIAN AA: MOV A,SHANGXIAN MOV P0,#76H CLR P1.0 LCALL DL1MS SETB P1.0 LCALL SDF JNB P2.4,SS JNB P2.3,BB JNB P3.2,JJ LJMP AA JJ: LCALL DL20MS LCALL DL20MS LJMP DD ZZ: LCALL DL20MS LCALL DL20MS INC XIAXIAN LJMP DD IOP: LCALL DL20MS DEC XIAXIAN DD: MOV A,XIAXIAN MOV P0,#38H CLR P1.0 LCALL DL1MS SETB P1.0 LCALL SDF JNB P2.3,ZZ JNB P2.4,IOP JNB P3.2,WW LJMP DD WW: LCALL DL20MS LCALL DL20MS SETB EA RETI SDF: MOV B,#10 DIV AB MOV DPTR,#NUMTAB MOV R0,A MOV R1,B MOV B,#10 MOV A,R0 DIV AB MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A CLR P1.1 LCALL DL1MS SETB P1.1 MOV A,B MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A CLR P1.2 LCALL DL1MS SETB P1.2 MOV A,R1 MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A CLR P1.3 LCALL DL1MS SETB P1.3 MOV FLAG2,R0 RET FUHAO: ANL A,#80H RLC A JC ZHISHU CLR FLAG2 RET ZHISHU: SETB FLAG2 RET DL20MS: MOV R1,#4 CC: MOV R0,#50 XX: LCALL DL1MS DJNZ R0,XX DJNZ R1,CC RET BAOJING: JB FLAG3,WER MOV A,29H JNB FLAG2,VV ANL A,#0FFH INC A CJNE A,XIAXIAN,MM SETB P2.6 WER: RET VV: MOV A,29H CJNE A,SHANGXIAN,MM SETB P2.6 RET MM: CLR P2.6 RET NUMTAB:DB 3FH 6H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 7H 7FH 6FH JIANCHA:DB 3FH 6H 6H 6H 5BH 4FH 4FH 66H 6DH 6DH 7DH 7DH 7H 7FH 7FH 6FH END 附2 实物图1 附3 实物图2 附4 系统原理图