电子科技大学中山学院学生实验报告

 

第二篇：单片机课设数字温度计

 前 言

  单片机技术作为计算机技术的一个分支，广泛地应用于工业控制，智能仪器仪表，机电一体化产品，家用电器等各个领域。“单片机原理与应用”在工科院校各专业中已作为一门重要的技术基础课而普遍开设。学生在课程设计，毕业设计,科研项目中会广泛应用到单片机知识，而且，进入社会后也会广泛接触到单片机的工程项目。鉴于此，提高“单片机原理及应用”课的教学效果，让学生参与课程设计实习甚为重要。单片机应用技术涉及的内容十分广泛，如何使学生在有限的时间内掌握单片机应用的基本原理及方法，是一个很有价值的教学项目。为此，我们进行了“单片机的学习与应用”方面的课程设计，锻炼学生的动脑动手以及协作能力。

     单片机课程设计是针对模拟电子技术，数字逻辑电路，电路，单片机的原理及应用课程的要求，对我们进行综合性实践训练的实践学习环节，它包括选择课设任务、软件设计，硬件设计，调试和编写课设报告等实践内容。通过此次课程设计实现以下三个目标:第一，让学生初步掌握单片机课程的试验、设计方法，即学生根据设计要求和性能约束，查阅文献资料，收集、分析类似的相关题目，并通过元器件的组装调试等实践环节，使最终硬件电路达到题目要求的性能指标；第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础，毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。第三，培养学生勤于思考乐于动手的习惯，同时通过设计并制作单片机类产品，使学生能够自己不断地学习接受新知识（如在本课设题目中存在智能测温器件DS18B20，就是课堂环节中不曾提及的“新器件”），通过多人的合作解决现实中存在的问题，从而不断地增强学生在该方面的自信心及兴趣，也提高了学生的动手能力，对学生以后步入社会参加工作打下一定良好的实践基础。

   

任务书

                 数字温度计的软件设计与硬件调试       

一．任务及要求：

    设计并制作一个数字温度计。实现功能如下：

   1. 所设计实验装置以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个数字式温度计。

   2. 所设计实验装置能够测试外界温度以及温度变化。

   3. 所设计实验装置能够进行A-D转换。

   4. 所设计实验装置能够利用LED直接显示出外界温度（个，十，百位三位显示）及温度变化。

   5. 所设计实验装置利用新器件DS18B20智能测温。

   6. 所设计实验装置测试外界温度误差范围在±0.5℃之间。

         

目 录

           一．前言……………………………………………………………………………………………………2

           二．任务书………………………………………………………………………………………………4

           三．方案论证…………………………………………………………………………………………7

      3.1．整体设计思路………………………………………………………………7

（1）.软件设计流程图…………………………………………………………7

（2）.元器件的选取……………………………………………………………8

（3）.系统最终设计方案………………………………………………………8                                                                       

               3.2. 整体电路设计………………………………………………………………9

                        （1）.硬件电路框图……………………………………………………………9

                  （2）.硬件电路概述……………………………………………………………10

                       3.3. 主要单元电路的设计……………………………………………………10

                        （1）.单片机主控模块…………………………………………………………10

                  （2）.温度采集模块……………………………………………………………11

                  （3）.数据显示模块……………………………………………………………12

                  （4）.硬件电路的组装与调试………………………………………………13

             四．系统的软件程序及硬件总图……………………………………………………14

               4.1．软件程序………………………………………………………………………14

                 4.2．硬件电路………………………………………………………………………17

    4.3. 元器件清单…………………………………………………………………23

           

      三．方案论证

3.1.整体设计思路：

                             

（2）元器件的选取：

单片机芯片的选取：

方案一.

采用89C51芯片作为硬件核心，利用Flash ROM，内部具有4KB ROM 存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术, 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。

方案二:

采用AT89C2051单片机与MCS-51系列单片机相比有两大优势：第一，片内程序存储器采用闪存，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路的体积更小，且管脚数目为20个，与MCS-51相比减少一倍，使理解更容易。

综上所述：本课设中单片机芯片采用AT89C2051。

  温度传感器的选取：

  方案一：

采用热敏电阻传感器。利用热敏电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化，进而制成温度计。但是其测温传感器比较复杂，而且不易通过编制程序来控制测温精度，增大系统设计的难度。

   方案二：

      采用DS18B20温度传感器。DS18B20的内部3脚（或8脚）封装；使用特有的温度测量技术，将被测温度转换成数值信号；3.0～5.5V的电源供电方式和寄生电源供电方式；ROM由64位二进制数字组成，共分为8个字节；RAM由9个字节的高速暂存器和非易失性电擦写ROM组成。

综上所述：温度传感器选取智能测温器件DS18B20。

动态显示模块选取四位一体的共阴LED显示器。本课设中选取型号为SM420564的显示器。

（3）系统最终设计方案：

综上各方案所述,对此次课设的方案选定: 采用AT89C2051作为主控制系统;四位一体共阴LED显示器SM420564作为温度数据显示装置;而智能温度传感器DS18B20器件作为测温电路主要组成部分。至此，系统最终方案确定。

3.2．整体电路设计

 （1）硬件电路框图：

（2）硬件电路概述：

 本电路是由AT89C2051单片机为控制核心，具有与MCS-51系列单片机完全兼容，程序加密等功能，带2KB字节可编程闪存，工作电压范围为2.7～6V，全静态工作频率为0～24MHZ；显示电路由4位一体的共阴LED显示器提供，任取其中三位作为所读取的外界温度个位，十位，百位显示，该器件较之单个LED显示器具有引脚个数少，便于连线，出错机率低，查找方便等优点；温度传感器电路主要由DS18B20测温器件构成，该器件主要功能有：采用单总线技术；每只DS18B20具有一个独立的不可修改的64位序列号；低压供电，电源范围为3～5V；测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～85℃范围内误差为±0.5℃；可编程数据为9～12位，转换12位温度期间为750ms等；复位电路由1uf电解电容和10K电阻构成。

3.3. 主要单元电路的设计：

  （1）单片机主控模块：

AT89C2051单片机芯片采用DIP-20封装形式，与80C51芯片进行比较，减少了两个对外端口（P0口和P2口），P3.6口在内部已与片内比较器输出相连，外端引脚并不显示，其P1口为8位双向I/O引脚，P3.0～P3.5与P3.7口为7个带内部上拉的双向I/O引脚。

单片机的最小系统如下图所示,4引脚和5引脚接时钟电路,XTAL1接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出.第1引脚为复位输入端,接上电容,电阻构成上电复位电路,20引脚为电源端,10引脚为电源端. 主控电路如下：

其中：P1口的P1.0～P1.6为显示器的段选信号；P3口中的P3.4，P3.5，P3.7口为位选控制端，分别对应数据中的百位，十位，个位。P3.2口为温度传感器DS18B20的信号端。

  （2）温度采集模块：

采用数字式温度传感器DS18B20，它是单总线智能传感器，具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。该器件将半导体温敏器件，A/D转换器，存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。该器件仅需要一条数据线进行数据传输，使用P3.2与DS18B20的DQ口连接加一个上拉电阻,VCC接5V电源,GND接 地。测温电路如下：

（3）数据显示模块：

  采用4位一体共阴LED显示器。本课程设计中，显示器型号选取SM420564。在采用动态扫描方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，根据课设任务所要求的功能确定。显示电路如下：

              

其中：A～G管脚与P0口的P1.0～P1.6相连，确定显示器被选中数据位的段码；

      2，3，4管脚分别于P3口的P3.4，P3.5，P3.7相连，确定显示器的位码，分别对应于数据的百位，十位和个位。

  （4）硬件电路的安装与调试

   电路的安装与调试是我们这次课程设计的主要任务之一，也是整个过程的最难阶段。在整个过程中，开始的时候我和我们组的组员们都信心百倍，一切进展顺利，直到硬件连接完毕接上5V电源时，第一个问题摆在我们面前，显示器示数存在却不发生变化，甚至在外界温度变化比较大时也一样，开始我们怀疑是硬件连线有问题，可是经过反复检查，并不断对照资料上各个元器件管脚图及其相应功能，并没发现连线方面的错误。之后，有的组员怀疑是程序有问题，可是也有的组员提出系统仿真并没有出现类似问题，所以不应该是这样。最后经过讨论，我们一致决定检查程序。因为软件为硬件服务，硬件出现了问题，也不能完全说程序一定正确。可是经过重新确认，检查程序漏洞，并没有发现任何错误，大家开始感觉有点烦了，不过好在大家的信心并没有丧失，我们开始查找资料而且向身边的同学虚心求教，最终我们把目标锁定在温度传感器DS18B20器件和显示器SM420564上，确认是两者可能存在问题。后又分开检测两者之一，经过软件程序的单独处理，我们得出最终结论，我们所领取的元器件DS18B20是劣质品。我们重新申请领取了一个DS18B20，用其替换了原来的那个，发现一切运行正常，经过测试各方面的性能，而且反复检查了几遍，一致认定硬件电路的性能完全符合我们的任务要求指标。直到这时，大家才松了一口气，每个人都很兴奋，完全没有了之前的烦闷。至此，装调工作结束。

四．系统的软件程序及硬件总图

  4.1.软件程序如下：（流程图已在第7页中给出，在此给出根据确定任务要求所设计程序主体）

ORG 0000H

TEMPER_L EQU 41H

TEMPER_H EQU 40H

FLAG1 EQU 38H

A_BIT1 EQU 31H

B_BIT1 EQU 32H

D_BIT1 EQU 35H

DQ EQU P3.2

MOD7: MOV SP, #60H

LCALL GET_TEMPER

LCALL TEMPCOV

LCALL DISPLAY

AJMP MOD7

TEMP0: INC A

AJMP TEMP1

TEMPCOV: MOV A, TEMPER_L

MOV B, #16

DIV AB

JB B.3, TEMP0

TEMP1: MOV 34H, A

MOV A, B

MOV B, #10

MUL AB

MOV B, #16

DIV AB

MOV 30H, A

MOV A, TEMPER_H

MOV B, #16

MUL AB

ADD A, 34H

MOV B, #10

DIV AB

MOV 31H, B

MOV B, #10

DIV AB

MOV 32H, B

MOV B, #10

DIV AB

MOV 35H, B

MOV A, TEMPER_H

MOV 33H, #10H

JB ACC.7, EXIT7

MOV 33H, #00H

EXIT7: RET

INIT_1820: SETB DQ

NOP

CLR DQ

MOV R1, #3

TSR1: MOV R0, #107

DJNZ R0, $

DJNZ R1, TSR1

SETB DQ

NOP

NOP

NOP

MOV R0, #25H

TSR2: JNB DQ, TSR3

DJNZ R0, TSR2

LJMP TSR4

TSR3: SETB FLAG1

LJMP TSR5

TSR4: CLR FLAG1

LJMP TSR7

TSR5: MOV R0, #117

TSR6: DJNZ R0, TSR6

TSR7: SETB DQ

RET

GET_TEMPER: SETB DQ

LCALL INIT_1820

JB FLAG1, TSS2

RET

TSS2: MOV A, #0CCH

LCALL WRITE_1820

MOV A, #44H

LCALL WRITE_1820

LCALL DISPLAY

LCALL INIT_1820

MOV A, #0CCH

LCALL WRITE_1820

MOV A, #0BEH

LCALL WRITE_1820

LCALL READ_18200

RET

WRITE_1820: MOV R2, #8

CLR C

WR1: CLR DQ

MOV R3, #6

DJNZ R3, $

RRC A

MOV DQ, C

MOV R3, #23

DJNZ R3, $

SETB DQ

NOP

DJNZ R2, WR1

SETB DQ

RET

READ_18200: MOV R4, #2

MOV R1, #TEMPER_L

RE00: MOV R2, #8

RE01: CLR C

SETB DQ

NOP

NOP

CLR DQ

NOP

NOP

NOP

SETB DQ

MOV R3, #9

RE10: DJNZ R3, RE10

MOV C, DQ

MOV R3,#23

RE20: DJNZ R3, RE20

RRC A

DJNZ R2, RE01

MOV @R1, A

DEC R1

DJNZ R4, RE00

RET

DISPLAY: MOV DPTR, #TAB

MOV R0, #4

DPL1: MOV R1, #250

DPLOP:

MOV A, 31H

MOVC A,@A+DPTR

MOV P1, A

CLR P3.7

ACALL D1MS

SETB P3.7

MOV A, 32H

MOVC A,@A+DPTR

MOV P1, A

CLR P3.5

ACALL D1MS

SETB P3.5

MOV A, 35H

MOVC A,@A+DPTR

MOV P1, A

CLR P3.4

ACALL D1MS

SETB P3.4

MOV P1, #00H

DJNZ R1, DPLOP

DJNZ R0, DPL1

RET

D1MS: MOV R7, #0FFH

DJNZ R7, $

RET

TAB: DB 3FH

DB 06H

DB 5BH

DB 4FH

DB 66H

DB 6DH

DB 7DH

DB 07H

DB 7FH

DB 6FH

END

4.2.硬件电路图如下：

   注：此图为仿真软件proteus7.4中的仿真电路截图，所以单片机主控部分未曾给出晶振控制部分（需要通过系统设置为12MHZ）以及AT89C2051芯片的电源VCC引脚和地端GND引脚的相应连线（表示已默认二者正常连线）。

   

五．附录

   5.1.系统电路所用元器件引脚图及其功能：

（1）单片机芯片AT89C2051引脚图及各引脚功能：

VCC,GND：电源电压，接地信号；

RST：复位信号输入引脚，当其变为高电平并保持两个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”电平；

XLAT1，XTAL2：反向振荡放大器内部时钟工作电路的输入和输出引脚；

P1.0～P1.7：P1口的8位双向I/O引脚；P1口写入“1”后，可用作输入，P1口输出缓冲器能接收输入电流20mA，并能直接驱动LED显示器；

P3.0～P3.5与P3.7：为7个带内部上拉的双向I/O引脚，P3.0～P3.5引脚功能与8051相同，P3.7作为普通I/O引脚；

   （2）温度传感器DS18B20的引脚图及其各自功能：

DS18B20采用3脚（或8脚）封装，其中，VDD和GND是电源和接地引脚，DQ是数据线引脚；DS18B20以串行通信的方式与微控制器进行数据通信，读出或写入数据仅需要一根I/O接口线；其工作电压为3～5V。

     （3）四位一体LED引脚图及各个引脚功能：

其中：a～g引脚控制所显示数据的段码；dp引脚控制数据的小数点部分；n1～n4引脚控制所显示数据的位码。

5.2.系统设计原理图：

（1）DS18B20内部结构图:

（2）DS18B20写时隙时序：

（3）DS18B20读时隙时序：

   5.3.元器件清单

六．参考文献

李建忠主编的《单片机原理及应用》第二版，由西安电子科技大学出版社出版；

陈梓城主编的《实用电子电路设计与调试》，由中国电力出版社出版；

    韩志军，沈晋源，王振波编著的《单片机应用系统设计——入门导学与设计实例》，由机械工业出版社出版。