1、天津职业技术师范大学课程设计报告天津职业技术师范大学电子工程学院专业课程设计报告同组学生姓名（学号）： 赵晓强（0993*） 李志明（0993*） 郑筱晨（0993*） 赵洁洁（0993*） 班 级： 应电1112班 任务分工： 赵晓强 整体方案设计、程序调试 李志明、郑筱晨 电路板的制作、焊接 赵洁洁 论文、整理资料 设计时间： 2015年7月6日 2015 年 7月24日指导教师： 张健 倪晓昌 第一个题目：DS18B20数字温度计的设计课 程 设 计 任 务 书 电子工程学院应用电子技术系 应电1112 班 学生 赵晓强 课程设计课题：DS18B20数字温度计的设计 一、课程设计工作日自
2、 2015 年 7 月 6 日至 2015 年 7 月 24 日二、同组学生： 李志明 郑筱晨 赵洁洁 三、课程设计任务要求（包括课题来源、类型、目的和意义、基本要求、完成时间、主要参考资料等）：1、课题来源：老师和学生共同拟订。2、类型：实做。3、目的和意义：掌握单片机微机系统的设计。4、基本要求： 设计以8952单片机为核心，设计DS18B20数字温度计，数字式温度计测量范围554125C，误差在0.5C，采用四位LED数码管只读显示。5、完成时间：2015年7月24日6、主要参考资料： 何立民.单片机应用技术选编M.北京航空航天大学出版社，1993年. 张洪润,蓝清华.单片机应用技术教程
3、M.清华大学出版社，1998年.李广弟.单片机基础M.北京航空大学出版社,1994年6月.4、设计报告内容要求：（每组1份）1、题目4、系统组成框图7、电路仿真10、参考文献2、主要技术指标5、总体电路图8、调试过程及测试结果11、总结（每人一份）3、方案论证及选择6、单元电路设计9、主要元件清单指导教师签字： 教研室主任签字： 1课程设计的目的与要求（含设计指标）1.1设计意义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。其缺点如下： 硬件电路复杂； 软件调试复杂； 制作
4、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-55125，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，具有低成本和易使用的热点。1.2系统功能要求设计以8952单片机为核心，设计DS18B20数字温度计，数字式温度计测量范围55125C，误差在0.5C，采用四位LED数码管只读显示。2方案论证及选择2.1设计方案的确立及论证2.1.1 温度传感器方案一：采用热敏电阻可满足测温要求，但热敏电阻精度低，重复性和可靠性较差，对于精度要
5、求较高的测温不适用，而且采用热敏电阻要求复杂的电路和算法，增加了设计复杂度。方案二：采用专用的集成温度传感器（如AD590、LM35/LM45）和数字化温度传感器（DS18B20、DS1620）测温，数字化温度传感器具有接口简单、直接数字量输出、精确度高等优点。DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，它的测量温度范围为55125，在1085范围内，精度为0.5，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制
6、、设备或过程控制、测温类消费电子产品等，DS18B20支持35.5V的电压范围，使系统设计更灵活、更方便、更便宜、体积更小。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5，分辨率设定及用户设定的报警温度存储在E2PROM中，掉电后依然保存。因此，本方案选用DS18B20作为温度测量传感器。2.1.2 单片机系统目前比较流行51系列单片机和凌阳单片机。 AT89C51单片机需要用仿真器来实现软硬件的调试，较为繁琐； AT89S52八位单片机除具有AT89C51单片机所有的优点外，具有更大的程序存储空间，可在线仿真的功能，方便调试。凌阳十六位单片机虽然可以更好的完成控制功能，但较AT89
7、S52八位单片机价格昂贵，而且编程以及外围功能电路的设计都不及AT89S52成熟。因此，选用AT89S52八位单片机作为温度采集的控部分。3原理设计（或基本原理） 按照系统设计的功能的要求，本方案设计的系统由单片机系统、温度传感器模块、LED数码管显示模块、电源模块组成，其数字温度计总体架构如图1-1。采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1
8、8B20和微控制器AT89S52构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号，可直接与计算机连接。这样，测温系统的结构就比较简单,体积也不大。采用51单片机控制，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机通信上传数据，另外AT89S52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。该系统利用AT89S52芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度。显示模块采用采用了四位数码管，通过温度传感器和单片机交换数据，把当前环境下的
9、温度数据适时传输给数码管。图1-1 数字温度计总体电路结构框图3.1 单片机系统采用AT89S52单片机作为控制器，完成所有的控制功能，包括： 温度传感器DS18B20的初始化和读去温度值 LED数码管显示驱动与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、 全静态操作：0Hz33Hz 、 三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符。片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器；存储数据保存时间为
10、10年；宽工作电压范围：VCC可为2.7V到6V；全静态工作：可从0Hz至16MHz；程序存储器具有3级加密保护；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线，两个16位定时器/计数器；中断结构具有5个中断源和2个优先级，可编程全双工串行通道，空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。AT89C52 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。AT89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。另
11、外，AT89S52 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、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。8位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52。AT89C52引脚如图1-2所示：图1-2 AT89C52引脚图P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，
12、P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能P1
13、.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八
14、位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 端口引脚 第二
15、功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。3.2温度传感器模块3.2.1 DS18B20原理DS18B20 采用3 脚PR-35 封装或8 脚SOIC 封装，管脚排列如图1-3所示。图中GND 为地，DQ 为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平，Vcc 是外部+5V 电源端，不用时
16、应接地，NC 为空脚。图1-3 DS18B20的外部结构DS18B20内部主要包括寄生电源、温度传感器、64 位激光ROM 单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH 和TL 解发器存储与控制逻辑、8 位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分，内部结构如图1-4。图1-4 DS18B20内部结构寄生电源由二极管VD1、VD2 和寄生电容C 组成，电源检测电路用于判定供电方式，寄生电源供电时，VDD 端接地，器件从单线总线上获取电源，在DQ 线呈低电平时，改由C上的电压Vc继续向器件供电。该寄生电源有两个优点：第一，检测远程温度时无需本地电源；第
17、二，缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源VDD，则通过VD2 向器件供电。DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术。其内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS18B20 对f0 计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9 位（符号点1位），但因符号位扩展成高8 位，故以16位被码形式读出，表1给出了温度和数字量的关系。表1 DS1820 温度数字对应关系表DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存
18、RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低8位，第二个字节是温度的高8位，第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新，第六、七、八个字节用于内部计算，第九个字节是冗余检验字节，如表2所示。表2 DS18B20暂存器分布寄存器内容字节地址温度最低数字位0温度最高数字位1高温限制2低温限制3保留4保留5计数剩余值6每度计数值7CRC校验8根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B
19、20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。ROM命令令和暂存器的命令如表1和表3。表3 DS18B20暂存器的命令指令说明温度转换（44H）启动在线DS1820做温度A/D转换读数据（BEH）从高速暂存器读9bits温度值和CRC值写数据（4EH）将数据写入高速暂存器的第2和第3字节中复制（48H）将高速暂存器
20、中第2和第3字节复制到EERAM读EERAM（B8H）将EERAM内容写入高速暂存器中第2和第3字节读电源供电方式（B4H）了解DS1820的供电方式3.2.2 DS18B20电路连接 由于DS18B20 工作在单总线方式，其硬件接口非常简单，仅需利用系统的一条I/ O线与DS18B20的数据总线相连即可，如图1-5所示。图1-5 DS18B20电路3.3显示电路的设计 DS18B20采集的温度数据经单片机分析在该数码管上显示。3.4复位电路设计复位电路工作原理：电容在上接高电平，电阻在下接地，中间为RST。这种复位电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后
21、电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始正常工作。复位电路如图1-6所示。图1-6 复位电路3.5时钟电路设计时钟电路作用：单片机外部必须接上振荡器（也可以是内部振荡器），其提供的高频脉冲经过分频处理后，成为单片机内部时钟信号，作为片内各部件协调工作的控制信号。 如果没有时钟信号，触发器的状态就不能改变，单片机内部的所有电路在完成一个任务后将最终达到一个稳定状态而不能再继续进行其它任何工作了。时钟电路如图1-7所示：图1-7时钟电路温度计电路设计原理图如下图1-8所示，控制器使用单片机AT89S52，温度传感器使用DS18B20，用4位共阳LED数码管
22、以动态扫描法实现温度显示。图1-8温度计电路设计原理图3.6仿真结果本论文设计在仿真软件上仿真实现了所需要求，仿真结果如图1-9、图1-10所示图1-9仿真实验图图1-10 仿真实验图4调试及性能分析4.1调试步骤调试分为硬件调试和软件调试。硬件调试主要是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊等。具体步骤及测试结果如下：（1）检查电源与地线是否全部连接上，用万用表对照电路原理图测试各导线是否完全连接，测试结果所有连接线都已连接好；（2）检验单片机的晶振是否起振，用示波器观察波形；测试结果波形都很好；（3）检查各芯片的功能是否正常，检测按键的导通情况。测试结果正常。软件调试主要是程序调试，将整个温度
23、计显示程序按照实现功能分为各子模块进行调试，首先都要在实验台上进行调试。具体步骤如下：（1）显示程序调试。在单片机实验课中我们已经做过LED显示实验，所以这部分相对简单，很快便调试无误了。我们设计的硬件显示部分与实验台虽然并不相同，但相差并不多，经改动后在单路板上也调试通过了；（2）主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序和显示数据刷新子程序等的调试。由于DS18B20与单片机采用串行数据传送，因此，对DS18B20进行读/写编程时，必须严格的保证读/写时序，否则将无法读取测量结果。4.2性能分析性能测试可用制作的温度计和已有的成品温度计同时进行测量比较。由于DS18B20的
24、精度很高，所以误差指标可以限制在0.5以内。 另外，-55+125的测量范围使得该温度计完全适合一般的应用场合，其低压供电特性可以做成电池供电的手持电子温度计。 DS18B20温度计还可以在高低温报警、远距离多点测温控制等方面进行应用开发，但在实际设计中应注意一下问题： DS18B20工作时电流高达1.5mA，总线上挂接点数较多且同时进行转换时要考虑增加总线驱动，可用单片机端口在温度转换时导通一个MOSFET供电。 连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的，因此在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配等问题。 在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20
25、发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号。一旦某个DS18B20接触不好或短线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时要给予一定的重视。5总结程序在编译过程中，出现了一些语法错误，经过细心修改得以纠正。但是，将程序下载到单片机之后，发现串口显示模块一直显示“127.5”，经过推断得知，读取的温度值为全“1”，出现这个问题，全是因为DS18B20有严格的时序和通信协议，在每次读取温度数据时，都有其严格的时序要求，经过检查，发现程序中有一个地方少加了一个1毫秒左右的延时，按照DS18B20的时序原理，把忘记加的延时
26、加上之后，就可以让单片机读取传感器的温度值了。此次数字温度计设计，让我学会了规范化程序的编写、程序调试的各种方法以及解决调试过程中出现的一系列的问题。更重要的是让我明白程序的优化是多么重要。要想编写出一个系统的程序，就必须十分清楚硬件电路中所用芯片的工作原理以及使用它们的一些注意事项，比如这次设计中所用的DS18B20数字温度传感器，它的时序要求十分严格，由于它是采用单总线结构的输入输出方法，它的时序中所用到的延时必然很关键，时间过长了会使整个温度计的反应时间变慢，延时时间过短会使传感器不能正常工作。本课题的重点、难点是：（1） 初步接触温度传感器，要对传感器的原理、结构、应用等各方面从头开始
27、琢磨；（2）了解并掌握了传感器的基本理论知识，更深入的掌握单片机的开发应用和PC编程控制。为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、PC软件开发打下了良好的基础，树立了独立从事产品研发的信心，并在这种能力上得到了比较充分的锻炼。附录附录1元器件清单序号名称型号及规格数量1单片机AT89S5212晶振11.0592M23温度传感器18B2024发光二极管（蓝）LED15三极管855046稳压电源5V17拨码开关MD818按键微动59排阻A103G-10k110电阻MF-25T0.25W-1K1511电阻MF-25T0.25W-2001512电阻MF-25T0.25W-10K1513电解电容105-5
28、0V-22uF20214电解电容105-50V-10uF20215电解电容NOP-50V-22pF102附录2原理图及PCB图 附录3 源程序代码/* 功能及原理 */*采用AT89S52主控，4位一体共阳数码管用于显示，P0用于数码管段选，P2.4-P2.7用于数码管位选，P3.3接4.7K上拉电阻后用于DS18B20数据传输 */*预处理*/#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define DIS_duan P0#define DIS_wei P2uchar Sys_Status=0;
29、/系统状态，1启动显示，0关闭显示uchar Temp_Form=0;/显示状态设置，1华氏度，0摄氏度， 模式摄氏度sbit K1=P00;sbit K2=P01; /*变量定义*/bit S=0;bit T=0; /开机显示标志uchar flag_work=1; /温度更新时间uchar i=0; /数码管动态扫描计数sbit DQ=P30; /DS18B20数据接口sbit dot=P07; /数码管小数点位uchar code dis_num12=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf;/共阳数码管段码
30、0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 不亮 - uchar wei=0xef,0xdf,0xbf,0x7f; /数码管位选uchar data temp_data=0x00,0x00; /读出温度暂放uchar data dis_temp=0x7f,0x7f,0x7f,0x7f;/数码管显示数据缓存/*函数定义*/void delay(uint t);void Reset();void write_byte(uchar val);uchar read_byte(void) ;void read_temp() ;void work_temp() ;void Init_Timer();/*主函数*
