数字温度计设计与总结报告

时间:2024.3.27

数字温度计(A2题)设计与总结报告

                                  专科组:    陈春  梁福鑫  钟才莉     

摘要:随着时代的进步和发展,单片机技术已经普及到我们生活,工作,科研等各个领域,已经成为一种比较成熟的技术, 本设计在参阅了大量前人设计的数字温度计的基础上,利用单片机技术结合DS18B20温度传感器和DS1302时钟芯片构建了一个数字温度计。本温度计属于多功能温度计,当测量温度超过设定的温度上、下限,启动蜂鸣器和指示灯报警,可以显示当前测量日期、时间、温度,可调整显示日期、时间和星期。

关键词:单片机;数字控制;数字温度计;DS18B20;DS1302;报警

前言

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DS18B20,以及使用时钟芯片DS1302测实时时钟,用一块低功耗的RT1602C液晶显示器以串口传送数据,实现温度和时间显示,能准确达到以上要求。

本设计主要分为两部分:硬件电路及软件程序。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、测温电路、实时时钟电路、声光报警电路、语音报读电路、LED显示电路及电源电路,各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍;程序的设计使用C语言编程,利用Keil 软件对其编译和仿真,详细的设计算法将会在程序设计部分详细介绍。                              

 一、方案论证比较与选择

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,制作成本高。

方案二:

 

此设计方案是由数字式温度传感器、单稳态定时电路、计数电路、译码与LED数码管显示电路等组成的。但其测温范围较小,电路设计也比较繁琐。

方案三:

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,因此我们改用一种智能传感器DS18B20作为检测元件,测温范围-55℃~+125℃,分辨率最大可达0.0625℃。此传感器,可以直接读取被测温度值,而且采用3线制与单片机相连,减少了外部硬件电路,具有低成本和易使用的特点。

从以上三种方案,很容易看出,采用方案三,电路比较简单,软件设计也比较简单,故采用了方案三。

二、系统框图

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,实时时钟采用DS1302,用RT1602C液晶显示器以串口传送数据实现温度和时间的显示。

三、主要电路设计

1. 主板电路

系统整体硬件电路包括,传感器数据采集电路,时钟电路,时间与温度显示电路,声光报警和按键电路,单片机主板电路等,如图1.1 所示。

图1.1中有五个独立式按键可以分别调整时间设置和复位,图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时,发出报警鸣叫声音以及红灯闪烁,同时液晶显示器将被测温度值和时间显示出来。其中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。

                                    图1.1  单片机主板电路

2. DS18B20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,如图2.1所示。另一种是寄生电源供电方式,如图2.2 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。


图2.1  DS18B20与单片机的接口电路

                     图2.1  DS18B20与单片机的接口电路

3. 时钟电路

1.DS1302的引脚图如图3.1所示。        2. 管脚说明如图3.2所示。

           

     图3.1  DS1302的引脚图                            图3.2  管脚说明图   

3. DS1302与单片机的接口如图3.3所示。

                 图3.3 DS1302与单片机的接口电路

4. 显示电路

本系统的显示部分采用RT1602C字符显示模块,与采用数码管相比,硬件连接和软件调试上都由优势。只要把要显示的内容放进液晶模块的显示存储器里面就可以直观的显示出指定的内容,操作方便。

RT1602C接口功能:

RT1602C采用标准的14脚接口,其中:

第1脚:VSS为地电源。

第2脚:VDD接5V正电源。

第3脚:V0为液晶显示器对比度调整端。

第4脚:RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚:RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚:E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。

第7~14脚:D0~D7为8位双向数据线。

第15~16脚:空脚

 RT1602C液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口,电路如图4.1所示。

图4.1  液晶显示原理图

该模块的硬件原理图如图4.1所示。RT1602C的数据口接单片机的P0口,使能端E接P2.7,液晶的RS端接P2.5,读写端RW接P2.6,这样使用下面的子程序就可以实现写入命令和数据:

       LcdEn=0;

       LcdRs=style;

       LcdRw=0;             _nop_();

       DBPort=input;       _nop_();//注意顺序

       LcdEn=1;              _nop_();//注意顺序

       LcdEn=0;              _nop_();

       LCD_Wait(); 

5. 电源电路

需要提供给系统+5V的电源。电源采用桥式全波整流、大电容滤波、三端稳压芯片稳压的方法,可产生各种直流电压。稳压芯片采用的是7805典型电路,如图2.2.4所示。

图2.2.4  电源稳压电路

采用这种电路的+5V电源在输出前经过了电感和电容组合网络滤波,实测纹波小于3mV。

6 声光报警与按键电路

    按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定,这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态,称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关,一般在5-10ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合,应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键,直接用I/O口线构成单个按键电路,每个按键占用一条I/O口线,每个按键的工作状态不会产生互相影响。

   电路图如下:

    P3.0口表示时间表的切换,当按下该开关,程序默认为最后的显示,表示当前执行的是最后输入的数据,用红发光二级管显示。

    P3.1口表示数字“+“键,按一下则对应的数字加1,用红发光二级管显示,表示当前执行的是数据输入。

    P3.2口表示数字“-”键,按一下则对应的数字减1,用红发光二级管显示,表示当前执行的是数据输入。

    P3.3口表示功能移位键,按键选择要调整的年、月、日、周、时、分、秒,用红发光二级管显示,表示当前执行的是数据输入。

四、单片机软件设计

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,显示数据刷新子程序,设置和调整时间程序等。

4.1 主程序

主程序的主要功能是负责温度和时间的实时显示、读出并处理DS18B20测量的当前温度值和DS1302测量的时间,并且通过按键的控制可以设置和调整时间,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和时间,其程序流程见图4.1所示。

4.2 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4.2示。

4.3 温度转换命令子程序

温度转换命令子程序主要是发出温度转换开始命令,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4.3所示。

                                                          

                                                                                                                                                                    

图4 . 1 主程序流程图                                  图4 . 2 读温度流程图                                

4. 4 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4.4所示。


图4 . 3  温度转换流程图

图4 . 4 显示数据刷新流程图

4.5设置和调整时间程序

设置和调整时间程序主要功能是设置和调整时间,并对该数据进行刷新操作,显示出相应的时间。程序流程图如图4. 5所示。

 


                         图4.5设置和调整时间程序

五、总结与体会

 经过一个月的奋战,终于完成了我们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基本做了出来,高兴之余不得不深思呀!

在本次设计的过程中,我们发现很多的问题,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,我用的都是软件计算法,这一次,我全部用的都是10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

[1] 刘华东.单片机原理与应用(第2版).电子工业出版社,2006.8

[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.


第二篇:数字温度计设计报告(方案)


数字温度计设计报告方案

课题:数字温度设计

指导老师:

学生:

目录

1 引言.........................................................................................................1

2 方案设计.................................................................................................2

2.1 设计任务......................................................................................2

2.2 设计要求....................................................................................2

2.2.1 基本要求............................................................................2

2.2.2 提高要求............................................................................2

2.2.3 发挥部分............................................................................2

2.2.4 设计方案及元件选择........................................................2

3 硬件设计.................................................................................................3

3.1 主控制器设计..............................................................................3

3.2 显示电路......................................................................................3

3.3 温度传感器工作原理..................................................................4

3.4 温度传感器接口电路..................................................................6

4 总结.........................................................................................................7

5 附录.........................................................................................................8

附录1:................................................................................................8 附录2:.............................................................错误!未定义书签。

1 引言

随着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。

现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长,而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中,传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器技术,在我国各领域已经引用的非常广泛,可以说是渗透到社会的每一个领域,人民的生活与环境的温度息息相关,在工业生产过程中需要实时测量温度,在农业生产中也离不开温度的测量,因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。

目前的智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的,它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶,特点是能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU)。社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高,现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式,从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展,并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展,本文将介绍智能集成温度传感器DS18B20的结构特征及控制方法,并对以此传感器,89S51单片机为控制器构成的数字温度测量装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍。与传统的温度计相比,其具有读数方便,测温范围广,测温准确,输出温度采用数字显示,主要用于对测温要求比较准确的场所,或科研实验室使用。该设计控制器使用STC公司的STC89C52单片机,测温传感器使用DALLAS公司DS18B20,用数码管来实现温度显示。

1

2 方案设计

2.1 设计任务

设计一个可测量一定温度范围的温度计,并显示当前温度。

2.2 设计要求

2.2.1 基本要求

(1)可测温度范围:000.0C~102.0C OO

(2)温度分辨力:0.4OC

(3)测量相对误差:?2%

(4)系统时间响应:?5s

(5)用液晶屏实时显示被测温度

2.2.2 提高要求

(1)实现多个温度点的实时测量

(2)实现温度的分档测量

2.2.3 发挥部分

(1)实现零下温度并显示

(2)实现摄氏度,华氏度的转换并显示

(3)温度过高报警

2.2.4 设计方案及元件选择

在日常生活及工农业生产中,经常要用到温度的检测及控制,传统的测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压,再转换成相对应的温度,需要比较多的外部硬件支持。其缺点如下:

1. 硬件电路复杂;

2. 软件调试复杂;

3. 制作成本高。

本数字温度计设计采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件,测温范围为-55~125℃,最高分辨率可达0.0625℃。

DS18B20可以直接读出被测温度值,而且采用三线制与单片机相连,减少了外部的硬件电路,具有低成本易使用的特点。

2

按照系统功能设计的要求,确定系统有三个模块组成:主控制器,测温电路和显示电路。 数字温度计总体电路结构框图如图所示。

图1

3 硬件设计

3.1 主控制器设计

在这次设计中我们使用的是STC89C52,STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能: 8k字节Flash,512字节RAM, 32 位I/O 口线,看门狗定时器,内置4KB EEPROM,MAX810复位电路,三个16 位 定时器/计数器,一个6向

量2级中断结构,全双工串

行口。另外 STC89X52 可降

至0Hz 静态逻辑操作,支

持2种软件可选择节电模

式。空闲模式下,CPU 停止

工作,允许RAM、定时器/ 计数器、图2 串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz,6T/12T可选。

3.2 显示电路

3

显示采用液晶屏显示

图3

3.3 温度传感器工作原理

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一个端口引脚进行通讯

? 简单的多点分布应用

? 无需外部器件

? 可通过数据线供电

? 零待机功耗

? 测温范围-55~+125℃,以0.5℃递增。华氏器件-67~+2570F,以0.90F 递增 ? 温度以9 位数字量读出

? 温度数字量转换时间200ms(典型值)

? 用户可定义的非易失性温度报警设置

? 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

DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列、各种封装形式如图

3.3.1所示,DQ 为数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源;GND为地信号;VDD为可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。其电路图 3.3.2所示.。

数字温度计设计报告方案

4

图4

数字温度计设计报告方案

DS18B20的测温原理如图3.3.3所示,图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震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,图中还隐含着计数门,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后进行计数,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 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器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2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温图2

数字温度计设计报告方案

中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其 5

输出用,于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值,这就是DS18B20的测温原理。

另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,他有严格的时隙概念,因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为:

初始化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

数字温度计设计报告方案

图5

在正常测温情况下,DS1820的测温分辨力为0.5℃,可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果:首先用DS1820提供的读暂存器指令(BEH)读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果,然后切去测量结果中的最低有效位(LSB),得到所测实际温度的整数部分Tz,然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系,实际温度Ts可用下式计算:

Ts?(Tz?0.25℃)?(CD-Cs)/CD

3.4 温度传感器接口电路

6

数字温度计设计报告方案

6

4 总结

为期三周的实习终于结束了,通过这三周的实习,我充分的领会到团队合作的重要性。在这三周的时间里,我们学习了一个我们以前没有学过的芯片编程,同时我们也掌握了一些画图与仿真技巧。在进行电路的硬件制作的过程中,对于原件的正负极,以及引脚方面知识还不是很够,所以我们也查阅很多相关的资料,制作过程我们是边焊电路板边进行测试,力求焊接准确,经过为期一周的焊接我们顺利的完成了电路版的制作。对于软件方面也是一个大难题,但是经过长时间的不断调试,最后我们也顺利的完成了任务。

实习是辛苦的,但是也是很有意义的,看到您自己完成的作品还是比较高兴的,同时也为自己以后从事相关工作留下了宝贵的经验。

7

5 附录 附录1:

数字温度计设计报告方案

总设计电路图

8

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