基于单片机的数字温度计设计论文

仅供个人参考不得用于商业用途1绪论1.1设计背景随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大。由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。1.2国内外现状Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse温度计在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度计来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。温度计测温技术的关键在于温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展，同时具有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，发展以温度传感器为载体的温度测量技术具有重大意义。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大仅供个人参考不得用于商业用途致经历了以下三个阶段：传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；模拟集成温度传感器/控制器；数字温度传感器。温度传感器的发展现状：温度传感器使用范围广，数量多，居各种传感器之首，其发展大致经历了以下3个阶段：①传统的分立式温度传感器（含敏感元件）——热电偶传感器,主要是能够进行非电量和电量之间转换。②模拟集成温度传感器/控制器。集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。③智能温度传感器。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE_）的结晶。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路[1]。从国内外来看工业生产控制中用数字温度计可清晰显示温度来防止元气件失效或损坏等不必要的非人为损失，对做好车间机器维修与保养起很重要的作用。温度是一般工业领域最容易碰到的检测参数，如环境温度的检测，工业工艺温度参数的检测，设备的温度保护检测等，而市场上专用的、通用的各类温控仪产品也比较丰富。国内外的温度检测仪器的发展水平主要体现在仪器的智能化水平、测量的文的范围、测量的精度以及仪器的功耗等技术指标上，目前国内的温度测量，在精度上很少有高于0.1℃的。近年来温度计正处在传统型向新型温度计转型的发展阶段，新型温度计的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化，他不仅促进了传统产业的改造。而且可导致建立新型工业，是21世纪新的经济增长的。1.3本课题研究方法及内容1.3.1研究方法本课题的研究方法是利用单片机和数字温度传感器DS18B20设计一台数字温度计。单片机作为主控制器，数字温度传感器DS18B20作为测温元件，传感器DS18B20可以读取被测量温度值，进行转换，从而用4位共阴极LED数码管来显示转换后的温度值。仅供个人参考不得用于商业用途1.3.2研究内容本课题的主要研究内容如下：1.温度测试基本范围0℃—100℃。2.精度为0.5℃。3.LED液晶显示。4.可以设定温度的上下限报警功能。5.实现报警提示。2系统方案设计2.1方案选择方案一：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。此方案数据处理比较麻烦，且容易产生信号失真。方案二：使用温度传感器，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。而且此方案电路比较简单，软件设计也比较容易实现。从以上两种方案很容易看出方案二电路比较简单，软件设计容易实现，故实本设计中采用方案二。方案二可以只用一根线实现信号的双向传输，具有接口简单容易扩展等优点，DS18B20可以直接温度转换为串行数字信号，供单片机进行处理，具有低功耗、商性能、抗干扰能力强等优点。2.1系统的总体设计方案本设计采用STC89C52RC单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信。另外STC89C52RC在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。单总线数字温度计DS1820采用基板专利技术来测量温度,温度传感器及各种数字转换电路仅供个人参考不得用于商业用途都集成在一起,由总线串行输出测量值(9位二进制编码)。测温范围从-55～+125℃,还可以读内部计数器,获得较高的分辨率。同时还可以进行上、下限温度的设定和报警等。本课题主要研究如何利用DS18B20智能温度传感器实时显示温度，并将其与LED显示键盘合并使用，制成一个能实时显示温度的数字温度计。本设计将利用DS18B20智能温度传感器和单片小系统，设计一个数字温度采集系统。并设计一个人机接口电路：键盘采用独立按键（功能自定义），显示器采用共阴极4位LED显示。系统的总体设计方案框图如图2.1所示图2.1系统总体设计方案框图按照系统设计功能的要求，系统主要由单片机、温度传感器DS18B20、LED数码显示管和PC机组成。系统的硬件电路主要由复位电路、测温电路、显示电路、晶振电路和报警电路组成，系统总体结构方框图如图2.2所示。仅供个人参考不得用于商业用途图2.2系统总体结构框图3硬件设计3.1STC89C52RC芯片功能简介3.1.1STC89C52RC芯片简介STC89C52RC是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电、高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失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[2]。3.1.2引脚功能STC89C52RC芯片的引脚图如图3.1所示:仅供个人参考不得用于商业用途图3.1STC89C52引脚图STC89C52RC的引脚功能如下[2]：①主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源GND(Pin20)：接地线②外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端③控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，仅供个人参考不得用于商业用途如果接高电平则从内部程序存储器读指令。④可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7STC89C52主要功能如表3-1所示。表3-1STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写FlashROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能1.时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3.2(a)所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图3.2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。仅供个人参考不得用于商业用途RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用[3]。（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路图3.2时钟电路2.复位及复位电路（1）复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表3-2所示[3]。表3-2一些寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIP0X000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0X000000BTMOD00H仅供个人参考不得用于商业用途（2）复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图3.3所示：图3.3复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式[4]。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3.4（a）所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3.4（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图3.4（