基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)

1.1課題名稱

   基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

1.2課題要求

   1）基本范圍-50℃~110℃

2）精度誤差小于0.5℃

3）LED數(shù)碼直讀顯示

4）可以設(shè)定溫度的上下限報(bào)警功能

1.3設(shè)計(jì)目的和意義

   溫度數(shù)我們?nèi)粘Ｉ�產(chǎn)和生活中實(shí)時(shí)在接觸到的物理量，但是它是看不到的，僅憑感覺只能感覺到大概的溫度值，傳統(tǒng)的指針式的溫度計(jì)雖然能指示溫度，但是精度低，使用不夠方便，顯示不夠直觀，數(shù)字溫度計(jì)的出現(xiàn)可以讓人們直觀的了解自己想知道的溫度到底是多少度。

　　數(shù)字溫度計(jì)采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電阻，熱電偶，半導(dǎo)體，熱敏電阻等），將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，如電壓和電流的變化，溫度變化和電信號(hào)的變化有一定的關(guān)系，如線性關(guān)系，一定的曲線關(guān)系等，這個(gè)電信號(hào)可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路即AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)再送給處理單元，如單片機(jī)或者PC機(jī)等，處理單元經(jīng)過內(nèi)部的軟件計(jì)算將這個(gè)數(shù)字信號(hào)和溫度聯(lián)系起來，成為可以顯示出來的溫度數(shù)值，如25.0攝氏度，然后通過顯示單元，如LED,LCD或者電腦屏幕等顯示出來給人觀察。這樣就完成了數(shù)字溫度計(jì)的基本測(cè)溫功能。

數(shù)字溫度計(jì)根據(jù)使用的傳感器的不同，AD轉(zhuǎn)換電路，及處理單元的不同，它的精度，穩(wěn)定性，測(cè)溫范圍等都有區(qū)別，這就要根據(jù)實(shí)際情況選擇符合規(guī)格的數(shù)字溫度計(jì)。數(shù)字溫度計(jì)有手持式，盤裝式，及醫(yī)用的小體積的等等。

另外作為電氣工程及其自動(dòng)化的學(xué)生，通過基于單片機(jī)數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)可以提高自己理論聯(lián)系實(shí)際的能力，可以更好的掌握所學(xué)的專業(yè)理論只是，也培養(yǎng)了自己的動(dòng)手能力，同時(shí)，也培養(yǎng)了信息搜集能力和分析問題解決問題的能力

作為對(duì)專業(yè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)后的實(shí)踐環(huán)節(jié)，我選擇了自行設(shè)計(jì)基于AT89S52單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)。設(shè)計(jì)原理框圖如,圖 1。

圖 1 數(shù)字溫度計(jì)原理框圖

2.1  單片機(jī)的選擇

AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。Protues仿真軟件中用AT89C51代替AT89S52，單片機(jī)小系統(tǒng)的電路圖如圖2所示。

圖2  單片機(jī)小系統(tǒng)電路

AT89S52主要性能

1、與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容；

　　2、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器；

　　3、1000次擦寫周期；

　　4、全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz；

　　5、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；

　　6、32個(gè)可編程I/O口線；

　　7、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；

　　8、六個(gè)中斷源；

　　9、全雙工UART串行通道；

　　10、低功耗空閑和掉電模式；

　　11、掉電后中斷可喚醒；

　　12、看門狗定時(shí)器；

　　13、雙數(shù)據(jù)指針；

14、掉電標(biāo)識(shí)符 。

DS18B20可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，精度為±0.5°C。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EPROM中，掉電后依然保存。

圖3  溫度傳感器

引腳功能說明：

    NC ：空引腳，懸空不使用；

    VDD ：可選電源腳，電源電壓范圍3~5.5V。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。

    DQ ：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳。漏極開路，常態(tài)下高電平。

    GND ：為電源地

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。

光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。

DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。

這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，-55℃的數(shù)字輸出為FC90H。

DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。

暫存存儲(chǔ)器包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測(cè)得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。

該字節(jié)各位的意義如下：

TM R1 R0 1 1 1 1 1

低五位一直都是1 ，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如表1所示：（DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位）

表1  DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表

根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。

DS18B20采用外部電源供電方式，在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VCC引腳接入，此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空 ，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85℃。

圖4 DS18B20接線

2.4  復(fù)位信號(hào)及外部復(fù)位電路

該復(fù)位信號(hào)高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期即兩個(gè)機(jī)器周期以上。若使用頻率為12 MHz的晶體振蕩器，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過2μs才完成復(fù)位操作。

圖 5 復(fù)位電路

報(bào)警電路分為兩部分，一部分是蜂鳴器聲音報(bào)警，另一部分是發(fā)光二極管放光報(bào)警。具體情況如下：

接通電源，兩個(gè)（紅色，黃色）發(fā)光二極管都不亮，當(dāng)溫度超過上線設(shè)定值（如38攝氏度）時(shí)，紅色二極管亮，同時(shí)蜂鳴器也報(bào)警；當(dāng)溫度低于下限設(shè)定值時(shí)（如5攝氏度）時(shí)，黃色二極管亮，同時(shí)蜂鳴器也開始報(bào)警。

     

     圖6 蜂鳴器報(bào)警                 圖7 發(fā)光二極管報(bào)警

采用技術(shù)成熟的5461AS共陰4位數(shù)碼管 0.56英寸紅色。LED顯示分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。這里采用靜態(tài)顯示，系統(tǒng)通過單片機(jī)的串行口來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)顯示。串行口為方式零狀態(tài)，即工作在移位寄存器方式，波特率為振蕩頻率的1/12。當(dāng)器件執(zhí)行任何一條將SBUF作為目的寄存器的命令時(shí)，數(shù)據(jù)便開始從RXD端發(fā)送。在寫信號(hào)有效時(shí)，相隔一個(gè)機(jī)器周期后發(fā)送控制端SEND有效，即允許RXD發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)允許從TXD端輸出移位脈沖。圖8為顯示電路的連接圖。

                     圖 8 數(shù)碼顯示連接圖

DSl8820的主要數(shù)據(jù)元件有：64位激光Lasered ROM，溫度靈敏元件和非易失性溫度告警觸發(fā)器TH和TL。DSBl820可以從單總線獲取電源，當(dāng)信號(hào)線為高電平時(shí)，將能量貯存在內(nèi)部電容器中；當(dāng)單信號(hào)線為低電平時(shí)，將該電源斷開，直到信號(hào)線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳?電容)電源為止。此外，還可外接5 V電源，給DSl8820供電。DSl8820的供電方式靈活，利用外接電源還可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。圖9為讀取數(shù)據(jù)流程圖。

圖9  讀取數(shù)據(jù)的流程圖

讀出溫度數(shù)據(jù)后，LOW的低四位為溫度的小數(shù)部分，可以精確到0.0625℃，LOW的高四位和HIGH的低四位為溫度的整數(shù)部分，HIGH的高四位全部為1表示負(fù)數(shù)，全為0表示正數(shù)。所以先將數(shù)據(jù)提取出來，分為三個(gè)部分：小數(shù)部分、整數(shù)部分和符號(hào)部分。小數(shù)部分進(jìn)行四舍五入處理：大于0.5℃的話，向個(gè)位進(jìn)1；小于0.5℃的時(shí)候，舍去不要。當(dāng)數(shù)據(jù)是個(gè)負(fù)數(shù)的時(shí)候，顯示之前要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將其整數(shù)部分取反加一。還因?yàn)镈S18B20最低溫度只能為-55℃，所以可以將整數(shù)部分的最高位換成一個(gè)“-”，表示為負(fù)數(shù)。圖10為溫度數(shù)據(jù)處理程序的流程圖。

圖10 溫度數(shù)據(jù)處理流程圖

仿真過程相當(dāng)順利，需要注意原件的選取，尤其是數(shù)碼管顯示塊的共陰、共陽，還有就是電阻的選取，太大太小都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果。在仿真中不存在焊接的問題，所以接線只要引腳接口正確就是沒問題的。另外就是程序的調(diào)試，相當(dāng)重要。

             圖 11 當(dāng)溫度為上下限之間時(shí)的仿真情況

圖 12 溫度在溫度下限設(shè)定值以下的仿真圖

                圖 13 溫度在溫度上限設(shè)定值以上的仿真圖

4.2仿真結(jié)果分析

溫度在上下限設(shè)定值范圍內(nèi)是，放光二極管都是不亮的，當(dāng)實(shí)際溫度值，低于設(shè)定下限時(shí)，黃色放光二極管亮;當(dāng)實(shí)際溫度高于上限設(shè)定值時(shí)，紅色發(fā)光二極管亮。

   原因，通過程序控制P1.0(紅色放光二極管) P1.1（黃色發(fā)光二極管），度在上下限設(shè)定值范圍內(nèi)是，P1.0,P1.1都是低電平，故發(fā)光二極管不會(huì)亮，當(dāng)實(shí)際溫度值，低于設(shè)定下限時(shí)，P1.0 為低電平P1.1為高電平，故黃色放光二極管亮;當(dāng)實(shí)際溫度高于上限設(shè)定值時(shí)，P1.0為高電平P1.1為低電平，故紅色發(fā)光二極管亮。

作為一名電氣工程及其自動(dòng)化大三學(xué)生，我覺得做單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是很有意義的，而且也是必要的。在做這次課程設(shè)計(jì)的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)資料了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，查閱這方面的實(shí)際資料是十分必要的，也是必不可少的。

其次，在這次課程設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用了以前學(xué)過的專業(yè)課知識(shí)，如：proteus仿真、C語言、模擬和數(shù)字電路知識(shí)等。雖然過去我從未獨(dú)立應(yīng)用過他們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計(jì)的又一收獲。

最后，要做好一個(gè)課程設(shè)計(jì)，就必須做到：在設(shè)計(jì)程序之前，對(duì)所用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)系統(tǒng)的了解，知道該單片機(jī)有哪些資源；要有一個(gè)清晰的思路和一個(gè)完整的軟件流程圖；在設(shè)計(jì)程序時(shí)，不能妄想一次將整個(gè)程序設(shè)計(jì)好，反復(fù)修改、不斷改進(jìn)是程序設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，這樣為資料的保留和交流提供了方便；在設(shè)計(jì)中遇到的問題要記錄，以免下次遇到同樣的問題。

在這次的課程設(shè)計(jì)中，我真正的意識(shí)到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實(shí)際，把我們所學(xué)的理論知識(shí)用到實(shí)際當(dāng)中，學(xué)習(xí)單片機(jī)更是如此，程序只有在經(jīng)常寫與讀的過程中才能提高，這就是這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲。