PAGE23江西中醫(yī)藥大學(xué)課程設(shè)計課程名稱電子制作課題名稱溫度測量及控制電路設(shè)計專業(yè)班級10生物醫(yī)學(xué)工程姓名***學(xué)號2010010150**指導(dǎo)教師***2013年10月25日目錄TOC\o"1-3"\h\u1737一．摘要 231413二．設(shè)計目的與意義 313383三．方案論證與確定 4101093.1系統(tǒng)方案的確定 436603.1.1方案一 4307143.1.2方案二 55873.1.3方案三 5266823.2傳感器方案的確定 5222623.2.1方案一 5234463.3測量顯示方案的確定 610063.3.1方案一 6118213.3.2方案二 613263四．系統(tǒng)工作原理分析 728774.1微控制器原理 7111734.2傳感器原理 8305324.2.1DS18B20簡介 8274124.2.2DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8133184.2.3DS18B20測溫原理 10129874.3溫度數(shù)值分析 105615五．電路制作與軟件調(diào)試 11190855.1硬件制作 11239195.2軟件調(diào)試 12287415.2.1主程序流程 1231805六．附錄 14220436.1課程設(shè)計心得體會 14116826.2系統(tǒng)電路原理圖及仿真測試圖 14169626.3程序代碼 158015七．參考文獻 2222628八．致謝 22一．摘要在現(xiàn)今科技高速發(fā)展的時代，各行各業(yè)對控制和測量的要求越來越高，其中，溫度測量和控制在很多行業(yè)中都有比較重要的應(yīng)用，尤其在工業(yè)上，如煉鋼時對溫度高低的控制。要控制好溫度，測量是前提，測量的精度影響著后續(xù)工序的進行，因此溫度測量的方法和選取就顯得相當(dāng)重要了。針對各種溫度測量方案的討論分析后，我們組決定以STC89C52為核心，采用DS18B20溫度傳感器進行溫度信號的檢測，并通過數(shù)碼管顯示測量所得溫度，外加按鍵調(diào)節(jié)設(shè)置溫度測量的上下限數(shù)值（默認(rèn)溫度上下限為00℃～99℃），在所測溫度到達、超過所設(shè)上下限數(shù)值時，啟動相應(yīng)的升溫和降溫功能（由兩個發(fā)光二極管模擬）。本報告是我們組所設(shè)計的數(shù)字溫度計的說明書，包括方案論證選取、工作原理、所用元件介紹和設(shè)計電路原理圖、調(diào)試程序等。關(guān)鍵詞：STC89C52、DS18B20、LED數(shù)碼管顯示、模擬溫控設(shè)計目的與意義隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，對電子方面人才的要求越來越高，不僅要求其具備相關(guān)的專業(yè)理論知識，還要求其具有較強的設(shè)計、制作等實踐動手能力。此次課程設(shè)計無疑是對從事測控專業(yè)的人的一次很好的鍛煉和考驗，是培養(yǎng)測控技術(shù)的人才的一次良好的機會，為其提供了一個理論知識與實踐相結(jié)合的平臺。通過本次課程設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)的測控電路理論知識，思考設(shè)計方案，以小組合作方式，分工完成各個部分，從而掌握相關(guān)的測量顯示電路的設(shè)計和調(diào)試技術(shù)，一方面提高了學(xué)生的實踐動手和協(xié)作能力，另一方面培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用所學(xué)理論知識進行工程設(shè)計的能力。通過此次課程設(shè)計，可以培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力，包括動手能力、獨立思考設(shè)計能力、解決實際設(shè)計過程中遇到的問題以及團隊協(xié)作能力等，為今后的專業(yè)學(xué)習(xí)和工程實踐打下堅實的基礎(chǔ)。方案論證與確定3.1系統(tǒng)方案的確定3.1.1方案一該方案為ICL7107A/D轉(zhuǎn)換&譯碼方案。常見A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方式有非積分式和積分式兩類，如逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換、斜坡電壓式A/D轉(zhuǎn)換等屬于非積分式，其特點是轉(zhuǎn)換速度快，但抗干擾能力差。電壓反饋型V-F變換、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換則屬于積分式，其特點是抗干擾能力強、測量精度高，但轉(zhuǎn)換速度低，在轉(zhuǎn)換速度要求不太高的情況下，獲得廣泛應(yīng)用。工作方框圖如圖1所示：圖1方案一工作框圖圖1方案一工作框圖電路原理圖如圖2所示：圖2方案一電路原理圖圖2方案一電路原理圖3.1.2方案二該方案利用AVR單片機對輸入信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字信號控制數(shù)碼管顯示溫度值。并且可以通過編寫程序?qū)斎胄盘栠M行分段線性化處理，使得測量精度大大提高，而且該電路無須外接譯碼器，結(jié)構(gòu)簡單。工作框圖如圖3所示：圖3方案二工作框圖圖3方案二工作框圖3.1.3方案三該方案以STC89C52為控制器，采用DS18B20溫度傳感器檢測溫度信號，利用按鍵設(shè)置溫度測量的上下限數(shù)值，并通過LED數(shù)碼管顯示。工作框圖如圖4所示：圖4方案三工作框圖圖4方案三工作框圖經(jīng)過綜合研究分析，考慮整個設(shè)計和成本，方案三成本低，測量溫度方便簡單，故此次數(shù)字溫度計課程設(shè)計選取方案三。3.2傳感器方案的確定3.2.1方案一該方案采用熱敏電阻。熱敏電阻價格比較便宜、靈敏度比較好，在實際應(yīng)用的時候線性度較差，另外調(diào)試比較困難。不適合使用。故不使用熱敏電阻。3.2.2方案二DS18B20數(shù)字溫度傳感器，是美國DALLAS半導(dǎo)體公司智能溫度傳感器，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面擁有很大優(yōu)勢，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。經(jīng)過上述兩種方案的論證比較，綜合考慮成本、性能等因素，最終選方案二。3.3測量顯示方案的確定3.3.1方案一該方案采用LED顯示。LED數(shù)碼顯示中每一個像素單元就是一個發(fā)光二極管，如果是單色，一般是紅色發(fā)光二級管。如果是彩色，一般是三個三原色小二極管組成的一個大二級管。這些二級管組成的矩陣由數(shù)碼控制實時顯示文字或者圖像，造價相對低廉，組成的顯像面積大。3.3.2方案二該方案采用LCD液晶顯示。液晶顯示器是一種被動式的顯示器，即液晶本身并不發(fā)光，而是利用液晶經(jīng)過處理后能改變光線通過方向的特性，而達到白底黑字或黑底白字顯示的目的。LCD液晶的像素單元是整合在同一塊液晶版當(dāng)中分隔出來的小方格。通過數(shù)碼控制這些極小的方格進行顯像。造價高但是顯示非常細(xì)膩。經(jīng)過研究分析，考慮成本等選擇方案一。系統(tǒng)工作原理分析本系統(tǒng)由溫度傳感器DS18B20、STC89C52、LED數(shù)碼顯示電路、軟件構(gòu)成。DS18B20輸出表示攝氏溫度的數(shù)字量，然后用51單片機進行數(shù)據(jù)處理、譯碼、顯示、報警等，系統(tǒng)框圖如圖5所示：圖5系統(tǒng)框圖圖5系統(tǒng)框圖4.1微控制器原理STC89C52是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8KBytesISP的可反復(fù)擦寫100000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用STC公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，其具有如下特點：40個引腳，8KBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，32個外部雙向輸入/輸出口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。單片機引腳如圖6所示：圖6單片機引腳圖圖6單片機引腳圖4.2傳感器原理4.2.1DS18B20簡介DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。采用單總線工作方式，能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9~12位的數(shù)字值的讀數(shù)方式。DS18B20元件圖如圖7所示：DS18B20的性能特點如下：獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；無須外部器件；可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0~5.5Ｖ；零待機功耗；溫度以9或12位數(shù)字；用戶可定義報警設(shè)置；報警搜索命令識別標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）；負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；圖7DS18B20元件圖4.2.2DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖7DS18B20元件圖DS18B20采用3腳PR－35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖8。C64C64位ROM和單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器8位CRC發(fā)生器Vdd圖8DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖8DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖64位ROM的結(jié)構(gòu)開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖9所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖3所示。低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。溫度LSB溫度MSBTH用戶字節(jié)1TL用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留CRC

圖9DS18B20字定義圖9DS18B20字定義由表1可見，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。表1DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表表1DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。它有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。4.2.3DS18B20測溫原理DS18B20低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入。當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。此外，用斜率累加器補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，4.3溫度數(shù)值分析利用的單片機的一個IO口，讀取DS18B20的溫度高位，溫度低位。由上面的分析可知：溫度高位的高5位的符號位、低3位是整數(shù)部分的高四位（整數(shù)部分的最高位永遠為0），溫度低溫的高四位為整數(shù)部分的低四位，溫度地位的低四位是小數(shù)部分用以下公式計算：整數(shù)部分＝溫度低位/16＋溫度高位×16小數(shù)部分十分位＝(溫度低位&0x0f)×10/16由于DS18B30的集成度很高，使得設(shè)計的原理還是比較簡單，設(shè)計的關(guān)鍵是了解DS18B20的時序，準(zhǔn)確地獲得溫度高位和溫度低位。

電路制作與軟件調(diào)試5.1硬件制作本次設(shè)計應(yīng)用Proteus繪制電路原理圖，然后焊接電路元件，最后調(diào)試系統(tǒng)功能。硬件電路主要由單片機最小系統(tǒng)、DS18B20為核心的傳感器電路、數(shù)碼顯示電路、模擬溫控電路和供電電路組成。單片機最小系統(tǒng)：提供一個上電復(fù)位高電平，和12MHZ時鐘振蕩。DS18B20傳感器電路：加電即可工作，DATA端加4.7K電阻作上拉電阻保證有足夠大的灌拉電流。數(shù)碼顯示電路：用兩個4位共陽數(shù)碼管顯示實測溫度和設(shè)定的溫度范圍。模擬溫控電路：利用兩個發(fā)光二極管代替升溫和降溫指示。供電電路：利用7805組成線性穩(wěn)壓電源為整個系統(tǒng)供電。具體電路連接如圖10、11所示：圖10焊接板反面圖10焊接板反面圖圖11焊接板正面5.2軟件調(diào)試首先用Proteus進行仿真，調(diào)試程序，然后在制作好的電路板上調(diào)試程序。測溫精度可取到小數(shù)點后一位。5.2.1主程序流程主程序說明：小于最低溫度，亮紅色LED，表示開啟升溫功能；大于最高溫度，亮綠色LED，表示開啟降溫功能；按鍵控制，改變上下限溫度。主程序流程圖如圖12所示5.2.2子程序流程DS18B20工作流程圖如圖13所示圖1圖12主程序流程圖YY發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，CRC校驗9字節(jié)完？CRC校驗正？確？移入溫度暫存器結(jié)束NNY圖13圖13DS18B20工作流程圖圖14溫度讀取流程圖附錄6.1課程設(shè)計心得體會本次課程設(shè)計，我們組成功完成了數(shù)字溫度計的設(shè)計、制作與調(diào)試。三天的時間里，我們分工合作，我負(fù)責(zé)寫程序和設(shè)計電路，***和***負(fù)責(zé)電路部分（主要繪制電路、焊接電路）。最后的調(diào)試工作我們共同參與，遇到了不少問題，大家從電路、程序中尋找出錯的原因（負(fù)責(zé)檢查自己負(fù)責(zé)的那部分，并作相應(yīng)修改），經(jīng)過討論、思考找到解決的方法，使得最終用程序調(diào)試電路顯示成功。在這里，很感謝與我共同奮斗的我們組的成員，尤其是***，幾乎是她一個人獨自焊接完整個電路圖。這次課程設(shè)計，我嘗試用Keil連接并調(diào)試Proteus仿真電路。因為我們是采取教材上相關(guān)例題改作的，所以剛開始調(diào)試時很成功。后來修改了電路和程序，調(diào)試中出現(xiàn)了很多問題，邊學(xué)邊用，學(xué)到很多。這次課程設(shè)計我受益匪淺，也是進實驗室以來的又一次不錯的經(jīng)歷。團隊協(xié)作做出來的作品，每一部分都不可或缺，既要分工又要合作，這樣才能有更佳的效果。6.2系統(tǒng)電路原理圖及仿真測試圖6.3程序代碼TMPL EQU 29HTMPH EQU 28HFLAG1 EQU 38HDATAIN BIT P3.7 ORG 00H LJMP MAIN1 ORG 03H LJMP ZINT0 ORG0BH LJMPZIT0 ORG 13H LJMP ZINT1ORG1BH LJMPZIT1 ORG 30HMAIN1: MOVTMOD,#66HMOVTL0,#0FFH MOVTH0,#0FFH MOVTL1,#0FFH MOVTH1,#0FFH MOV SP,#78HSETB IT0 SETB EA SETB EX0 SETB IT1 SETB EX1 SETBTR0 SETBET0 SETBTR1 SETBET1 SETB P3.2 MOV 74H,#9 MOV 75H,#9 MOV 76H,#0 MOV 77H,#0MAIN: LCALL GET_TEMPER LCALL CVTTMP LCALLCOMPARE LCALL DISP1 AJMP MAININIT_1820: SETB DATAIN NOP CLR DATAIN MOV R1,#3TSR1: MOV R0,#107 DJNZ R0,$ DJNZ R1,TSR1 SETB DATAIN NOP NOP NOP MOV R0,#25HTSR2: JNB DATAIN,TSR3 DJNZ R0,TSR2 CLR FLAG1 SJMP TSR7TSR3: SETB FLAG1 CLR P1.7 MOV R0,#117TSR6: DJNZ R0,$TSR7: SETB DATAIN RET GET_TEMPER: SETB DATAIN LCALL INIT_1820 JB FLAG1,TSS2 NOP RETTSS2: MOV A,#0CCH LCALL WRITE_1820 MOV A,#44H LCALL WRITE_1820 ACALL DISP1 LCALL INIT_1820 MOV A,#0CCH LCALL WRITE_1820 MOV A,#0BEH LCALL WRITE_1820 LCALL READ_1820 RETWRITE_1820: MOV R2,#8 CLR CWR1: CLR DATAIN MOV R3,#6 DJNZ R3,$ RRC A MOV DATAIN,C MOV R3,#23 DJNZ R3,$ SETB DATAIN NOP DJNZ R2,WR1 SETB DATAIN RETREAD_1820: MOV R4,#2 MOV R1,#29HRE00: MOV R2,#8RE01: CLR C SETB DATAIN NOP NOP CLR DATAIN NOP NOP NOP SETB DATAIN MOV R3,#9RE10: DJNZ R3,RE10 MOV C,DATAIN MOV R3,#23RE20: DJNZ R3,RE20 RRC A DJNZ R2,RE01 MOV @R1,A DEC R1 DJNZ R4,RE00 RETCVTTMP: MOV A,TMPH ANL A,#80H JZ TMPC1 CLR C MOV A,TMPL CPL A ADD A,#1 MOV TMPL,A MOV A,TMPH CPL A ADDC A,#0 MOV TMPH,A MOV 73H,#0BH SJMP TMPC11TMPC1: MOV 73H,#0AHTMPC11: MOV A,TMPL ANL A,#0FH MOV DPTR,#TMPTAB MOVC A,@A+DPTR MOV 70H,A MOV A,TMPL ANL A,#0F0H SWAP A MOV TMPL,A MOV A,TMPH ANL A,#0FH SWAP A ORL A,TMPLH2BCD: MOV B,#100 DIV AB JZ B2BCD1 MOV 73H,AB2BCD1: MOV A,#10 XCH A,B DIV AB MOV 72H,A MOV 71H,BTMPC12: NOPDISBCD: MOV A,73H ANL A,#0FH CJNE A,#1,DISBCD0 SJMP DISBCD1DISBCD0: MOV A,72H ANL A,#0FH JNZ DISBCD1 MOV A,73H MOV 72H,A MOV 73H,#0AHDISBCD1: RETTMPTAB: DB 0,1,1,2,3,3,4,4,5,6,6,7,8,8,9,9COMPARE:MOVA,77HCJNEA,75H,COM SJMPCOM01COM:JNCCOM02SJMPCPENDCOM01:MOVA,76HCJNEA,74H,COM11 SJMPCPENDCOM11:JNCCOM03SJMPCPENDCOM02:MOVA,77HXCHA,75H MOV77H,ACOM03: MOVA,76H XCHA,74H MOV76H,ACPEND:RETDISP1: MOV R1,#70H MOV R0,#74H MOV R5,#01HPLAY: MOV P1,#00H MOV A,R5 MOV P2,A MOV A,@R1 MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A MOV A,@R0 MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A MOV A,R5 JNB ACC.2,LOOP1 SETB P0.7 SETB P1.7LOOP1: ACALL DL1MS INC R1 INC R0 MOV A,R5 JB ACC.3,ENDOUT RL A MOV R5,A MOV A,73H CJNE A,#1,DD2 SJMP LEDHDD2: MOV A,72H CJNE A,#0AH,DD3 MOV 72H,#0DD3: MOV A,75H CJNE A,72H,DDH SJMP DDLDDH: JNC PD SJMP LEDHDDL: MOV A,74H CJNE A,71H,DDL1 SJMP PLAY2DDL1: JNC PD4SJMPLEDHPD:MOVA,77HCJNEA,72H,PD1SJMPPD2PD1:JNCPLAY1SJMPPLAY2PD2:MOVA,76HCJNEA,71H,PD3SJMPPLAY2PD3:JNCPLAY1SJMPPLAY2PD4:MOVA,77HCJNEA,72H,PLAY2SJMPPD5PD5:MOVA,76HCJNEA,74H,PD6SJMPPLAY1PD6:MOVA,76HCJNEA,71H,PD