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1、 I 摘 要 【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。温度测量是温度控制的基础技术已经比较成熟。传统的测温元件有热电偶和二电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压再转换成对应的温度这些方法相对比较复杂需要比较多的外部硬件支持。我们用一种相对比较简单的方式来测量。我们采用美国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作为检测元件温度范围为-55125 oC,最高
2、分辨率可达0.0625 oC。DS18B20可以直接读出被侧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和易使用的特点。 本文主要介绍高精度温度计的设计。本设计大体分三个工作过程首先,由DS18b20温度传感器芯片测量当前的温度,并将结果送入单片机。然后,通过AT89C51单片机对送来的温度进行计算和转换,并将此结果送入液晶显示模块。最后,由1602液晶显示器将温度显示出来。 【关键词】: 温度控制、温度测试、AT89C51、1602LCD、DS18b20温度传感器 目 录第一章 绪论 . 1 第二章 系统硬件的设计 . 2 2.1 硬件设计 . 2 2.1.1功能要求 .
3、2 2.1.2方案论证 . 2 2.2 系统硬件电路的设计.2 2.2.1 AT89C51单片机 . 2 2.2.1.1 AT89C51简介及引脚功能说明.2 2.2.1.2 复位电路.4 2.2.1.3 时钟(晶振)电路 . 4 2.2.2 1602液晶显示器 . 5 2.2.2.1 1602LCD 基本参数及引脚功能说明.5 2.2.2.2 1602LCD 指令说明及时序.6 2.2.2.3 1602LCD 标准字符库.8 2.2.2.4 1602LCD 显示电路图.9 2.2.3 DS18b20 温度传感器.10 2.2.3.1 DS18B20 结构及引脚功能说明.10 2.2.3.2
4、DS18B20 内部结构.10 2.2.3.3 DS18B20 初始化和读/写时序.12 2.2.3.4 DS18B20 常用指令.13 2.2.3.5 DS18B20 温度采集电路图.14 第三章 系统程序的设计 . 15 3.1 主程序 . 15 3.2 DS18B20模块程序 . 15 3.3 1602液晶模块程序. 16 第四章 应用的相关软件 . 18 4.1 keil uVision3编辑软件 . 18 4.2 Protel 99SE 电路板设计软件 . 18 4.3 智能高速通用编辑器 . 18 第五章 实物效果展示 . 20 第六章 结论与心得 . 21 致谢 . 22 参考文
5、献 . 23 附录A. 高精度温度计电路原理图 . 24 附录B. 材料清单 . 25 附录C. 源程序 . 26 第一章 绪论 随着科学技术的发展和现代工业技术的需要测温技术也在不断地改进和提高由于测温范围越来越广根据不同的要求又制造出不同需要的测温仪器现实社会发展的许多情况下需要测量温度参数。 DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比他能够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912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量并且从DS18B20读出的信息或写
6、入DS18B20的信息仅需要一根口线单线接口读写,温度变换功率来源于数据总线总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 随着微电子技术的不断发展微处理器芯片的集成程度越来越高单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器计数器、并行和串行接口、前置放大器、AD转换器、DA转换器等多种电路这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合组成智能化测量控制系统。AT89C51单片机是美国ATMEL公司推出的单片机
7、它与MCS51完全兼容4K程序存储器采用闪速存储技术设有三级加密不易仿制其宽电压范围2767V及低功耗的特点特别适用于微型仪器仪表。 LCD应用于智能仪表、通信和办公自动化等领域,它的主要作用是显示ASCII码字符,因此又被称作字符型显示器件。利用点阵字形特点可自定义汉字字库让其显示汉字。该液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用。目前字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。LCD1602液晶显示模块可以显示两行,每行16个字符,采用单+5V电源供电,外围电压。 我们设计的温度系统是由中央控制器、温度检测器
8、及显示器组成。控制器采用单片机AT89S51温度检测部分采用DS18B20温度传感器用1602LCD做显示器。温度传感器DS18B20采集温度信号送该给单片机处理存储器通过单片机对某些时间点的数据进行存储单片机再把温度数据送LCD显示已达到显示当前温度的目的。 .2 Protel 99SE 电路板设计软件 .q系统硬件的设计 毕业设计论文 2 第二章 系统硬件的设计 2.1 硬件设计 2.1.1功能要求 在智能最小系统的基础上使用单个DS18B20采集环境温度并用1602液晶显示器显示温度结果测量范围在10500C之间,精度0.010C。 2.1.2方案论证 该设计方案是以AT89C51单片机
9、为控制核心用温度传感器DS18B20进行温度采集继而显示在1602LCD上从而达到显示当前环境温度的目的。在论证过程中我们需要将温度精确到0.010C已达到对温度的精准。整个系统硬件部分包括单片机、温度检测系统、液晶显示器。高精度温度计设计方案框图见图 2-1。 图2-1 高精度温度计系统方案 2.2 系统硬件电路的设计 2.2.1 A89C51单片机 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压高性能CMOS 8位微处理器俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失
10、存储器制造技术制造与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 2.2.1.1 AT89C51引脚功能说明 掌握AT89C51单片机应首先了解AT89C51的引脚熟悉并牢记各引脚的功能。AT89C51 P3 P2 按键复位 晶振电路 DS18B20 1602LCD 毕业设计论文 高精度温度计 3 AT89C51有40条引脚。这40条引脚可分为I/O端口线32条、控制线4条、电源线2条、外接晶体线2条四部分,AT89C51引脚排列
11、如图2-2所示。 图2-2 AT89C51芯片引脚图 AT89C51共有40个引脚大致可分为4类 (1) 电源引脚 Vcc:电源端+5V。 Vss: 接地端(GND)。 (2) 时钟电路引脚 XTAL1:外接晶振输入端。 XTAL2:外接晶振输出端。 (3) I/O引脚 P0.PP0.7/AD0AD7: 一组8位漏极开路型双向I/O口也是地址/总线复用口。作入/输出口时必须外接上拉电阻它可驱动8个TTL门电路。当访问片外存储器时用作地址/总线分时复用口线。 P1.0P1.7: 一组内部带上拉电阻的8位准双向I/O口可驱动4个TTL门电路。 P2.0P2.7/A8A15: 一组内部带上拉电阻的8
12、位准双向I/O口可驱动4个TTL门电路。当访问片外存储器时用作高8位地址总线。 P3.0P3.7: 一组内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。出于芯片引脚数的限制P3端口每个引脚具有第二功能。 (4) 控制线引脚 RST: 复位端。当RESET端出现持续两个机器周期以上的高电平时可实现复位操作。 EA: 片外程序存储器选择端。若要访问外部程序存储器则EA端必须保持低电2.1.1 AT89C51引脚功能说明 -系统硬件的设计 毕业设计论文 4 平。 ALE: 地址锁存允许端。当访问外部程序存储器或数据存储器时ALE输出脉冲用于锁存P0口分时送出的低8位地址下降沿有效。不访问外部存储器时该端以时钟频
13、率的1/6输出固定的正脉冲信号可用作外部时钟。对内部Flash存储器编程期间该引脚用于输入编程脉冲。 PSEN: 读片外程序存储器选通信号输出端。当89C51从外部程序存储器取指令时该脚有效(上升沿)。每个机器周期PSEN均产生两次有效输出信号。 2.2.1.2 复位电路 RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效。高电平有效的持续时间应为24个振荡周期以上。若时钟频率为6MHz则复位信号至少应持续4微秒以上才可以使单片机复位。本次设计中采用按键复位的方法进行复位操作。如下图2-3所示。 图2-3 按键复位电路 按键复位是利用开关按钮来实现的即通电后按下开关使得瞬间RST端的电位与Vc
14、c相同随着电容上储能增加电容电压也增大充电电流减少RESET端的电位逐渐下降。这样在RST端就会建立一个脉冲电压调节电容与电阻的大小可对脉冲持续的时间进行调节。 2.2.1.3 时钟(晶振)电路 时钟电路对单片机系统而言是必需的.由于单片机内部是由各种各样的数字逻辑器件(如触发器寄存器存储器等)构成,这些数字器件的工作必须按时间顺序完成,这种时间顺序就称为时序.时钟电路就是提供单片机内部各种操作的时间基准的电路,没有时钟电路单片机就无法工作。此次设计中我们采用由由内部方式产生时钟的方法形成时钟电路具体如图2-4所示。 毕业设计论文 高精度温度计 5 图2-4 时钟电路 内部方式在XTAL1和X
15、TAL2端外接石英晶体作定时元件内部反相放大器自激振荡产生时钟。时钟发生器对振荡脉冲二分频即若石英频率fosc6MHz则时钟频率3MH2因此时钟是一个双相信号由P1相和P2相构成。fosc可在2MHZ12MHZ选择。小电容可以取30PF左右。 2.2.2 1602液晶显示器 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD目前常用16*116*220*2和40*2行等的模块。1602LCD应用于智能仪表、通信和办公自动化等领域,它的主要作用是显示ASCII码字符,因此又被称作字符型显示器件。利用点阵字形特点可自定义汉字字库让其显示汉字。 2.2.2.1 1602 LCD 基本
16、参数及引脚功能说明 1、1602LCD主要技术参数 显示容量:162个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 2、引脚功能说明 1602LCD采用标准的14脚无背光或16脚带背光接口各引脚接口说如表2.1所示 表2.1 1602 LCD 引脚接口说明表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据 2 VDD 电源正极 10 D3 数据 3 VL 液晶显示偏压 11 D4 数据 4 RS 数据/命令选择 12 D5 数据 鞅匦氚词奔渌承蛲瓿?这种时间?系统硬件的设
17、计 毕业设计论文 6 5 R/W 读/写选择 13 D6 数据 6 E 使能信号 14 D7 数据 7 D0 数据 15 BLA 背光源正极 8 D1 数据 16 BLK 背光源负极 第1脚VSS为地电源。 第2脚VDD接5V正电源。 第3脚VL为液晶显示器对比度调整端接正电源时对比度最弱接地时对比度最高对比度过高时会产生“鬼影”使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 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R/W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R/W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R/W为高电平时可以读
18、忙信号当RS为高电平R/W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714脚D0D7为8位双向数据线。 第15脚背光源正极。 第16脚背光源负极。 2.2.2.2 1602 LCD 指令说明及时序 1、1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令如表2.2所示 表2.2 1602 LCD 控制命令表 序号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4
19、显示开/关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址 8 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址 9 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址 10 写数到CGRAM或DDRAM 1 0 要写的数据内容 毕业设计论文 高精度温度计 7 11 从CGRAM或DDRAM读数 1 1 读出的数据内容 1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。说明1为高电平、0为低电平 指令1清显
20、示指令码01H,光标复位到地址00H位置。 指令2光标复位光标返回到地址00H。 指令3光标和显示模式设置 I/D光标移动方向高电平右移低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效低电平则无效。 指令4显示开关控制。 D控制整体显示的开与关高电平表示开显示低电平表示关显示 C控制光标的开与关高电平表示有光标低电平表示无光标 B控制光标是否闪烁高电平闪烁低电平不闪烁。 指令5光标或显示移位 S/C高电平时移动显示的文字低电平时移动光标。 指令6功能设置命令 DL高电平时为4位总线低电平时为8位总线 N低电平时为单行显示高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符高电平时
21、显示5x10的点阵字符。 指令7字符发生器RAM地址设置。 指令8DDRAM地址设置。 指令9读忙信号和光标地址 BF为忙标志位高电平表示忙此时模块不能接收命令或者数据如果为低电平表示不忙。 指令10写数据。 指令11读数据。 2、1602 读/写时序 当 RS=0、RW=0时为写指令 RS=0、RW=1时为读指令 RS=1、RW=0时为写数据 RS=1、RW=1时为读数据。 具体的1602读写操作时序如图2-5和2-6所示。 贮器地址 9 读忙标志或地址 0 1系统硬件的设计 毕业设计论文 8 图2-5 读操作时序 图2-6 写操作时序 2.2.2.3 1602 LCD 标准字符库 1602
22、液晶模块内部的字符发生存储器CGROM)已经存储了不同的点阵字符图形这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等每一个字符都有一个固定的代码其中数字与字母同ASCII码兼容对应关系如下表所示。其内部还有自定义字符CGRAM可用于存储自已定义的字符。 表2.3为1602标准字符库 毕业设计论文 高精度温度计 9 高位 低 位 0000 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1010 1011 1100 1101 1110 1111 0000 CGRA(1) 0 P p - P 0001 (2) ! 1 A Q a q ? ? q 0010 (3) ” 2
23、 B R b r 0011 (4) # 3 C S c s 0100 (5) $ 4 D T d t 0101 (6) % 5 E U e u ? 0110 (7) & 6 F V f v 0111 (8) 7 G W g w g 1000 (1) ( 8 H X h x X 1001 (2) ) 9 I Y i y y 1010 (3) * : J Z j z j 千 1011 (4) + ; K k 万 1100 (5) , N n n 1111 (8) / ? O - o ? 2.2.2.4 1602 LCD 显示电路图 在此次设计中1602LCD作为显示端显示由P2口输入DS18B20
24、采集的数据1602硬件接口如图2-7所示。 当 RS=0、RW=0时为写指令 RS=0、RW=1时为读指令 RS=#系统硬件的设计 毕业设计论文 10 图2-7 1602字符液晶显示电路接口图 2.2.3 DS18b20 温度传感器 DS18B20是DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器具有3引脚TO92小体积封装形式温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度对应的可辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出支持3V5.5V的电压范围使系统设计更灵活、方便,其工作电源既可在远端引入也可采用寄生电源方式产生.同时多个DS
25、18B20可以并联到3根或2根线上CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信占用处理器的端口较少可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。 2.2.3.1 DS18b20结构及引脚功能说明 DS18B20的引脚 图2-8 温度传感器DS18B20引脚图 表2.4 温度传感器DS18B20引脚功能表 序号 名称 引脚功能描述 1 GND 地信号 2 DQ 数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用在寄生电源下也可以向器件提供电源。 3 VDD 外接供电电源输入端。当工作于寄生电源时此引脚必须接地。 2.2.3.2 DS18B20 内部结构 D
26、S18B20内部结构主要由四部分组成64位光刻ROM、温度传感器、非易失性温om当 RS=0、RW=0时为写指?毕业设计论文 高精度温度计 11 度报警触发器TH和TL、配置寄存器。具体结构如图2-9所示。 图2-9 DS18B20内部结构图 1 64位激光ROM。64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位家族代码(28H)组成。 2 温度灵敏元件。用于采集温度并转换成电信号。 3 非易失性温度报警触发器TH和TL。可通过软件写入用户报警上下限值。 4 高速暂存存储器 高速暂存存储器由9个字节组成其分配图2-10所示。当温度转换命令发布后经转换所得的温度值以二字节补码形式
27、存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据读取时低位在前高位在后数据格式如图2-11所示。对应的温度计算当符号位S=0时直接将二进制位转换为十进制当S=1时先将补码变为原码再计算十进制值。 8位CRC 保留 保留 保留 配置 TL TH 温度高位 温度低位 MSB LSB 图2-10 DS18B20存储器映像图 图2-11 DS18B20温度存储器数据格式 5 配置寄存器。配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。DS18B20在工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值其各位定义如图2-四部分组成64位光刻ROM、温度?系统硬件的设计 毕业设计论文 12
28、 所示。其中TM测试模式标志位出厂时被写入0不能改变R0、R1温度计分辨率设置位其对应四种分辨率如表2.5所列出厂时R0、R1置为缺省值R0=1R1=1即12位分辨率用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。 TM R1 R0 1 1 1 1 1 图2-12 DS18B20配置寄存器结构图 表2.5 配置寄存器与分辨率关系表 R0 R1 温度计分辨率/bit 最大转换时间/ms 0 0 9 93.75 0 1 10 187.5 1 0 11 375 1 1 12 750 2.2.3.3 DS18b20 初始化和读/写时序 由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式即在一根数据线实现
29、数据的双向传输而对AT89C51单片机来说硬件上并不支持单总线协议因此我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。从而对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始如果要求单总线器件回送数据在进行写命令后主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 1、DS18B20的初始化时序 图2-13 DS18B20的初始化时序图 2、DS18B2
30、0的读/写时序 控制器在写时序写数据到DS18B20,在读时序从DS18B20中读取数据.每一总线时序传送一位数据。 净虻刂?0 1毕业设计论文 高精度温度计 13 1读流程时序 对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。 对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后在15秒之内就得释放单总线以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程至少需要60us才能完成。 2写流程时序 对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。 对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同当要写0时序时单总线要被拉低至少60us保证DS18B20
31、能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平当要写1时序时单总线被拉低之后在15us之内就得释放单总线。 图2-14 DS18B20的/读写时序 2.2.3.4 DS18B20常用指令 DS18B20的操作分为ROM操作指令和RAM操作指令两类。 表2.6 ROM操作指令 指令 约定代码 功能 读ROM 33H 读DS18B20 ROM中的编码(即64位地址) 符合ROM 55H 发出此命令之后,接着发出64位ROM编码,访问总线上与该编码相对应的DS18B20使之作出响应,为下一步对该DS18B20的读写做准备 dir=C:WINDOWS系统硬件的设计 毕业设计论文 14
32、 搜索ROM 0F0H 用于确定挂在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址,为操作各器件作好准备 跳过ROM 0CCH 忽略64位ROM地址,直接向DS18B20发温度变换命令,适用于单片工作 告警搜索命令 0ECH 执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才作出响应 表2.7 RAM操作指令 指令 约定代码 功能 温度变换 44H 启动DS18B20进行温度转换,转换时间最长500ms(典型为200ms),结果存入内部9字节RAM中 读存储器 0BEH 读内部RAM中9字节的内容 写存储器 4EH 发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令紧跟该命令之后是传送两字节的数
33、据 复制存储器 48H 将RAM中3、4字节的内容复制到EEPROM中 重调EEPROM 0B8H 将EEPROM中的内容恢复到RAM中的3、4字节 读供电方式 0B4H 读DS18B20的供电模式寄生供电时DS18B20发送“0”外接电源供电DS18B20发送“1” 2.2.3.5 DS18B20 温度采集电路图 在本设计中由DS18B20组建温度采集系统。其中1脚GND2脚为数据输入端3脚VCC2脚与3脚间接上一个4.7K的电阻形成上拉电阻。详细的采集电路如图2-15所示。 图2-15 DS18B20温度采集电路 詈螳粗骰?需启动读时序完成?毕业设计论文 高精度温度计 15 第三章 系统程
34、序的设计 3.1 主程序 在主程序流程图中初始化液晶模块然后延时一段时间进入While循环读取温度将温度显示在LCD液晶屏上。主程序的流程图如下 图 3-1主程序流程图 3.2 DS18B20模版程序 首先DS18B20初始化复位DS18B20然后单片机等待DS18B20的应答脉冲。一旦单片机检测到应答脉冲便发起跳过ROM匹配操作命令。成功执行了ROM操作命令后就可以使用内存操作命令启动温度转换延时一段时间后等待温度转换完成。再发起跳过ROM匹配操作命令然后读暂存器将转换结果读出并转为显示码送到液晶显示。DS18B20模块程序流程图如图3-2所示。 While(1) 读取温度值 温度值显示 开始 液晶模块初始化 延时 vice.projectx.wonibo.c系统程序的设计 毕业设计论
