基于单片机的数字温度计设计【毕业论文】.doc
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1、(2011届)毕业设计题目基于单片机的数字温度计设计姓名专业电子信息工程班级学号指导教师导师职称年月日I基于单片机的数字温度计设计摘要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,它所给人们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,用单片机和温度传感器来实现温度测温是数字温度设计的一大亮点。随着单片机的飞速发展,功能变得越来越强大,可以实现很多电路系统的设计。基于单片机的数字温度计系统就是一个很好的例子,将温度传感器与单片机最小系统相连,通过LED数码管或液晶显示屏显示出来,可以直观、方便、快速的测量温度。单片机通过编写程序亦可实现时钟显示、定时闹铃等其他功
2、能,满足人们的需求。关键字数字温度计、温度传感器、单片机IIBASEDONSCMDIGITALTHERMOMETERDESIGNABSTRACTASPEOPLELIVINGSTANDARDRISECEASELESSLY,SCMCONTROLISUNDOUBTEDLYONEOFTHEGOALSOFTHEPEOPLETOPURSUE,ITHASGIVENPEOPLEBRINGTOCONVENIENCEISNOTNEGATIVE,INCLUDINGDIGITALTHERMOMETERISONEEXAMPLE,USINGSCMANDTEMPERATURESENSORTOACHIEVETHETEMPER
3、ATUREMEASURINGTEMPERATUREISDIGITALTEMPERATUREDESIGNOFTOMCOMWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFMCU,FUNCTIONISBECOMINGSTRONGERANDCANREALIZEMANYCIRCUITSYSTEMDESIGNBASEDONSCMDIGITALTHERMOMETERSYSTEMISAVERYGOODEXAMPLE,WILLTHETEMPERATURESENSORANDCONNECTEDBYSINGLECHIPMINIMIZESYSTEM,LEDDIGITALDISPLAYTUBEORLCDSCREEN,I
4、NTUITIVE,CONVENIENTANDQUICKMEASURINGTEMPERATURESCMBYWRITINGAPROGRAMCANALSOBEACHIEVEDTHECLOCKDISPLAY,REGULARALARMANDOTHERFUNCTIONS,SATISFYPEOPLESNEEDSKEYWORDSDIGITALTHERMOMETER,TEMPERATURESENSORS,MICROCONTROLLERIII目录摘要IABSTRACTI1绪论111课题的来源112课题的意义113数字温度计国内外发展现状2131温度传感器的研究现状2132单片机的发展的研究现状314课题研究的主要
5、内容52数字温度计的总体设案63系统硬件电路设计731电路原理732各单元总体说明833主控制器AT89S518344位共阳数码管动态扫描935温度传感器DS18B201036电路原材料清单1737使用工具及仪表清单184系统软件设计1941流程图1942读出温度子程序1943温度转换命令子程序2044数字温度计程序清单20结论22参考文献23致谢错误未定义书签。附录24基于单片机的数字温度计设计11绪论11课题的来源温度测量在物理实验、食品生产、医疗卫生等领域,尤其在热学试验(如物体的热功当量、压强温度系数、汽化热等教学实验)中有特别重要的意义。传统所使用的温度计一般都是精度为01和1的煤油
6、、水银或酒精温度计。这些温度计的刻度间隔一般都非常紧密,不容易去准确的分辨,读数比较困难,而且它们的热容量比较大,达到热平衡所需的时间都比较长,因此很难读的准确,并且使用十分不方便。而数字温度计与传统的温度计相比,具有测温准确,测温范围广,读数方便等优点,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,比如科研实验室使用。目前温度计的发展非常快,从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电偶温度计、热电阻温度计、数字温度计、电子温度计等等,温度计中传感器是它的重要组成部分,它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、控制范围、测量范围和用途等。传感器的应用极其的广泛,目前已经研制出多种新型的传感器
7、。但是,作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用合适的传感器,并与自己设计的系统相连接起来,从而构成性能优良的监控系统。12课题的意义20世纪90年代中期推出的数字温度传感器,最早采用的是8位A/D转换器,其测温精度比较低,分辨力仅达到1。目前,国外已推出多种高速度、高分辨力的数字温度传感器,所用的是912位A/D转换器,分辨力一般可达0500625。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力数字温度传感器,能输出13位二进制数据,其分辨力高达003125,测温精度为02。为了提高多通道数字温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道数
8、字温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27S、9S。MAXIM公司生产的DS1620,DS1620是直接数字输出的温度传感器,采用DS1620不需要在AT89S51系统中扩展A/D转换器,因此可以降低电路的复杂性。DS1620是一片片内建有温度测量并转换为数值的8引脚的集成电路,它集温度数据转换与传输、温度传感、温度控制等功能于一体。测温范围55到125,精度达到05。该芯片非常容易与单片机连接,实现温度的测控应用,单独当做温度控制器时,可不用外加其他辅助元件。DS1620可把测得的温度用9位的数据表示出来,同时,本身还有3个温度报警输出,因此在恒温箱、温度计及其
9、它对温度敏感的毕业设计2系统中得到了广泛的应用。1313数字温度计国内外发展现状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数单片机技术入手,一切向着数字化控制,智能化控制方向发展。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。131温度传感器的研究现状集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。其
10、种类很多,大致可分为以下5类1、模拟集成温度传感器;2、模拟集成温度控制器;3、智能温度传感器;4、通用智能温度控制器;5、微机散热保护专用的智能温度控制器。集成温度传感器的主要应用领域有以下3个方面1温度测量可以构成温度变送器、数字温度计、温度巡回检测仪、网络化测温系统及智能化温度检测系统。2温度控制适用于工业过程控制、智能化温度测控系统、环境温度监测及报警系统、现场可编程温度控制系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器及微机系统的过热保护装置、电信设备、现代办公设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路及家用电器。3特殊应用例如,热电偶冷端温度补偿、测量温差、测量平均温度、测量温
11、度场、电子密码锁(仅对内含64位ROM的单线总线智能温度传感器而言)及液晶显示器表面温度监测等8。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一、价格低、测温误差小、传输距离远、响应速度快、微功耗、体积小等,适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器,典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。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(A
12、TE)的结晶。目前,国际上已基于单片机的数字温度计设计3开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的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);并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开发水平。进入21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、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。在20
13、世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器,采用的是8位A/D转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到1。目前,国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器,所用的是912位A/D转换器,分辨力一般可达0500625。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器,能输出13位二进制数据,其分辨力高达003125,测温精度为02。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27S、9S。新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如,DS
14、1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC),使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能,利用芯片内部256字节的E2PROM存储器,可存储用户的短信息。另外,智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展,这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化,所采用的总线主要有单线总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线。132单片机的发展的研究现状现在单片机是百花齐放、百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互
15、补,为单片机的应用提供广阔的天地15。纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有1低功耗CMOS化MCS51系列的8031推出时的功耗达630MW,而现在的单片机普遍都在100MW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS互补金属氧化物半导体工艺。象80C51就采用了HMOS即高密度金属氧化物半导体工艺和CHMOS互补高密度金属氧化物半导体工艺。CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和毕业设计4低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主
16、要途径。2微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器CPU、随机存取数据存储RAM、只读程序存储器ROM、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW脉宽调制电路、WDT看门狗、有些单片机将LCD液晶驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD表面封装越来越受欢迎,使得由单片机
17、构成的系统正朝微型化方向发展。3主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的WINBOND系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而MICROCHIP公司的PIC精简指令集RISC也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、
18、共同发展的道路。本毕业设计介绍了温度计的测量和控制之间的关系检测是控制的基础和前提,而检测的精度必须高于控制的精确度,否则无从实现控制的精度要求。不仅如此,检测还涉及国计民生各个部门,可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等,在很大程度上决定了科学技术的发展水平。同时,科学技术的发展达到的水平越高,又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前温度计的发展很快,从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。目前的温度计中传感器是它的重要组成部分,它的精度灵
19、敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。传感器应用极其广泛,目前已经研制出多种新型传感器。但是,作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器,并与自己设计的系统连接起来,从而构成性能优良的监控系统。基于单片机的数字温度计设计514课题研究的主要内容本设计以单片机作为控制内核,其次主要的就是温度传感器DS18B20,及其他重要部分电路的配合下设计出一套完整的硬件系统,及它的灵魂软件系统。得到了一种基于单片机控制的数字温度计,本温度计属于多功能温度计,可以设置上下报警温度,当温度不在设置范围内时,可以报警。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
20、,测温准确,其输出温度采用数字显示,该设计控制器使用单片机AT89S51,测温传感器使用DS18B20,用4位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。当以单片机用作测控系统时,系统总要有被测信号进入输入通道,由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言,如何准确获得被测信号是其核心任务;而对测控系统来讲,对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。毕业设计62数字温度计的总体设案21数字温度计设计方案论证(一)方案一热敏电阻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
21、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。如下图图21热敏电阻二方案二温度传感器DS18B201进而考虑到用温度传感器,在设计中,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。从以上两种方案,很容易看出,采用方案二,电路比较简单,软件设计也比较简单,故采用了方案二。2方案二的总体设计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AT89S51,温度传感器采用DS18B20,用4位LED数码管以串口传送数
22、据实现温度显示。图22总体设计方框图主控制器LED显示温度传感器单片机复位时钟振荡报警点按键调整基于单片机的数字温度计设计73系统硬件模块设计31电路原理本章主要介绍本次设计中的硬件设计部分,其中包含显示模块、按键扫描模块、温度采集模块、蜂鸣器报警模块。图41数字温度计设计电路图一、JP1与C3、与C4三个元器件组成数字温度计的电源部分,JP1的两个插孔连接电源的零线与火线,C3与C4起到滤波作用,VCC端连接在单片机40脚上,可以说这一部分是数字温度计的血脉。二、Y1与C1、C2给单片机提供晶振信号,这一部分可以说是单片机的心脏。三、最重要的一部分是DS18B20,它的连接方式是外接电源方式
23、。四、P0口是数据口,连接数码管。五、四支三极管为数码管提供驱动。六、复位电路,S3为复位开关。七、蜂鸣器电路,三极管起到开关的作用。八、显示电路,P0口是数据口连接数码管的段码,数码管采用共阳连接,P2口是控制线。毕业设计832各单元总体说明1显示模块本设计中采用4位LED数码管显示温度值,其中最后一位为小数位。2按键模块本设计中采用3按键设置,第一按键为复位按键,第二、三按键为温度调节按键,连接上拉电阻使其未按键时能够保持高电平。3温度采集模块本次设计中使用温度传感器DS18B20采集实时温度,使用PID算法控制加热炉仿真模型进行温度控制,数字温度传感器DS18B20只需一个引脚,即可与单
24、片机进行通信,在设计中将DS18B20与51单片机的P34口连接,用其来完成温度的测量。4蜂鸣器报警模块本设计中采用蜂鸣器做为报警系统,当采集到的温度经过处理后,超过规定温度上、下限时,单片机将通过P15口向蜂鸣器发送高电平信号使其发出警报生。33按键单元一般的键盘设计采用的是硬件设计,可是其在仿真设计中连接,线路会比较麻烦。所以在本此设置中我采用的是3按键软件控制,第一个按键为复位按键,其他两个为调节按键,3按键即可完成设计中起始温度设置与复位要求,方便简洁,线路清晰设计起来也较为方便。连接上上拉电阻,使其当未有按键按下时,各各按键位都处于高电平。按键操作说明1号按键为复位设置按键,第一次按
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