单片机课程设计(数字电压表,数字温度计,计时器设计)

《单片机原理与应用》课程设计目录第1章简易数字电压表的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1第2章DS18B20数字温度计的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4第3章秒表/时钟计时器的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．121第一章简易数字电压表的设计1.1功能要求简易数字电压表的设计可以测量0～5V的8路输入电压值，并在四位上轮流显示或单路选择显示。测量最小分辨率为0.019V，测量误差为±0.02V。1.2方案论证按系统功能实现要求，决定控制系统采用AT89C52单片机，A/D转换采用ADC0809。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行8路其它A/D转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。数字电压表系统设计方案框图如图1.1。1.3系统硬件电路的设计简易数字电压测量电路由A/D转换、数据处理及显示控制等组成，电路原理图如图1.2所示。A/D转换由集成电路0809完成，0809具有8路模拟输入端口，地址线（23～25脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2μs宽高电平脉冲时，就开始A/D转换。7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从端口输出10脚为0809的时钟输入端，利用单片机30脚的六分频晶振频率再通过14024二分频得到1MHz时钟。单片机的P1、P3.0～P3.3端口作为四位LED数码管显示控制。P3.5端口用作单路显示/循环显示转换按钮，P3.6端口用作单路显示时选择通道。P0端口作A/D转换数据读入用，P2端口用作0809的A/D转换控制。21.4系统程序的设计1.4.1初始化程序系统上电时，初始化程序将70H～77H内存单元清0，P2口置0。1.4.2主程序在刚上电时，系统默认为循环显示8个通道的电压值状态。当进行一次测量后，将显示每一通道的A/D转换值，每个通道的数据显示时间为1s左右。主程序在调用显示子程序和测试子程序之间循环，主程序流程图见图1.3。1.4.3显示子程序显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的数值显示。测量所得的A/D转换数据放在70H～77H内存单元中，测量数据在显示时需转换成为十进制BCD码放在78H～7BH内存单元中，其中7BH存放通道标志数。寄存器R3用作8路循环控制，R0用作显示数据地址指针。1.4.4模/数转换测量子程序模/数转换测量子程序用来控制对0809八路模拟输入电压的A/D转换，并将对应的数值移入70H～77H内存单元。其程序流程见图1.4。31.5调试及性能分析1.5.1调试与测试采用WaveE2000编译器进行源程序编译及仿真调试，同时进行硬件电路板的设计制作，烧好程序后进行软硬件联调，最后进行端口电压的对比测试，要求测试对比中标准电压值采用UT56数字万用表测得。简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差应在0.02V以内。1.5.2性能分析1.由于单片机为8位处理器，当输入电压为5.00V时，输出数据值为255（FFH），因此单片机最大的数值分辨率为0.0196V（5/255）。这就决定了该电压表的最大分辨率（精度）只能达到0.0196V。测试时电压数值的变化一般以0.02的电压幅度变化，如要获得更高的精度要求，应采用12位、13位的A/D转换器。2.简易电压表测得的值基本上均比标准值偏大0.01～0.02V。这可以通过校正0809的基准电压来解决，因为该电压表设计时直接用7805的供电电源作为基准电压，电压可能有偏差。另外可以用软件编程来校正测量值。3.ADC0809的直流输入阻抗1MΩ，能满足一般的电压测试需要。另外，经测试ADC0809可直接在2MHz的频率下工作，这样可省去分频器14024。4第二章DS18B20数字温度计的设计2.1功能要求数字式温度计要求测温范围为－50°～110℃，精度误差在0.1℃以内，LED数码管直读显示。2.2方案论证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，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。本数字温度计设计采用美国DALLAS半导体公司继DS18B20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℃，最大分辨率可达0.0625℃。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3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。按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：主控制器、测温电路及显示电路。数字温度计总体电路结构框图如图2.1所示。图2.1数字温度计电路结构框图2.3系统硬件电路的设计温度计电路设计原理图如图2.2所示，控制器使用单片机AT89C2051，温度传感器使用DS18B20，用4位共阳LED数码管以动态扫描法实现温度显示。图2.2数字温度计电路设计原理图52.3.1主控制器单片机AT89C2051具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用，系统可用二节电池供电。2.3.2显示电路显示电路采用4位共阳LED数码管，从P1口输出段码，列扫描用P3.0～P3.3口来实现，列驱动用9012三极管。2.3.3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：⑴独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；⑵多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；⑶无需外部器件；⑷可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V；⑸零待机功耗；⑹温度以9或12位数字量读出；⑺用户可定义的非易失性温度报警设置；⑻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；⑼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。图2.3DS18B20内部结构框图DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.3所示。64位ROM的位结构如图2.4所示。开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，图2.464位ROM位结构这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。图2.5高速暂存RAM结构6DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图2.5所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节是TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如图2.6所示。第5位一直为1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，定义方法见表2.1。TMR1R011111图2.6配置寄存器由表2.1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。温度值格式如图2.7所示。当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制值。表2.2是一部分温度值对应的二进制温度数据。LS字节MS字节图2.7温度数据值格式232221202-12-22-32-4232221202-12-22-32-47表2.2DS18B20温度与测得值对应表温度/℃二进制表示十六进制表示＋125000001111101000007D0H＋8500000101010100000550H＋25..62500000001100100010191H＋10.125000000001010001000A2H＋0.500000000000010000008H000000000000000000000H－0.51111111111111000FFF8H－10.1251111111101011110FF5EH－25..6251111111001101111FE6FH－551111110010010000FC90HDS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若T＞TH或T＞TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM根据是否正确。DS18B20的测温原理如图2.8所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于生产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振荡频率明显改变，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℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、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的预置值将重新被装入，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就是所测温度值。图2.8中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，图2.8DS18B20测温原理图8其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，直到温度寄存器值达到被测温度值。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对错误！链接无效。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.2.3.4DS18B20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.另一种是寄生电源供电方式,如图2.9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。图2.9DS18B20采用寄生电源供电图当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10μs.采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地，由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。2.4系统程序的设