基于单片机的数字温度计设计报告

1课程设计报告引言随着电子技术的不断发展，我们能应用到的电子产品也越来越多。而生活中我们用的很多电子产品都越来越轻巧，价格也越来越便宜．利用电子芯片实现的东西也越来越来越多，比如数字温度计。当然，非电子产品的常用温度计也很便宜。此次课设论文所介绍的是自己动手制作的一个高精度数字温度计。本次课设不但丰富了课余生活，还从实践中学到并了很多新知识，并从中巩固了以前的知识。用Protel99软件来设计制作电路板——PCB(PrintedcircuitBound)。在PCB上，布置一系列的芯片、电阻、电容等元件，通过PCB上的导线相连，构成电路，一起实现一定的功能。电路通过连接器或者插槽进行输入/输出，有时还有显示部分（如发光二极管LED、.数码显示器等）。可以说，PCB是一块连接板，它的主要目的是为元件提供连接，为整个电路提供输入输出端口和显示，电气连接通性是PCB最重要的特性之一。PCB在各种电子设备中有如下功能：（1）提供集成电路等各种电子元件固定、装配的机械支撑。（2）实现集成电路等各种电子元件之间的布线和电气连接或电绝缘，提供所要的电气特性。（3）为电动装配提供阻焊徒刑，为元器件插装、检查、维修提供识别符和图形。做本课题的所用到的知识是我们学过的模拟电子电路以及数字逻辑电路等，当然还用到了刚刚学过不久的单片机知识。本次课设是把理论和实践结合起来，这不但可以锻炼自己的动手能力，而且还可以加深对数字逻辑电路和模拟电子电路的学习和理解。同时也激起了我学好单片机的斗志。为了全面清晰的表达，本论文用图文并茂的方式，尽可能详细的地介绍此次设计的全过程。21．设计务任和要求1.1、基本范围-20℃——100℃1.2、精度误差小于0.5℃1.3、LED数码直读显示1.4、可以任意设定温度的上下限报警功能2.系统总体方案及硬件设计2.1数字温度计设计方案论证2.1.1方案一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，其中还涉及到电阻与温度的对应值的计算，感温电路比较麻烦。而且在对采集的信号进行放大时容易受温度的影响从而出现较大的偏差。2.1.2方案二考虑到用温度传感器，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，电路简单，精度高，软硬件都以实现，而且使用单片机的接口便于系统的再扩展，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，费用较低，可靠性高，软件设计也比较简单，故采用了方案二。2.2系统总体设计温度计电路设计总体设计方框图如图2.1所示，控制器采用单片机STC89C52，温度传感器采用DS18B20，用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。3图2.1有了总体设计方案后，下面就是原理图的制作了。原理图如下图2.2及图2.3示。为了降低绘制PCB是的麻烦度，特意将数码管电路与主控制电路分开画，最后两者是用导线连接。数码管位选接P20—P23，段选接P0口。图2.2数码管电路4图2.3单片机控制电路2.3模块简介系统由单片机最小系统、显示电路、按键、温度传感器等组成。2.3.1主控制器单片机STC89C52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。晶振采用12MHZ。复位电路采用上电加按钮复位。图2.4晶振电路图2.5复位电路2.3.2显示电路显示电路采用4位共阴极LED数码管，P0口由上拉电阻提高驱动能力，作为段码输出并作为数码管的驱动。P2口的低四位作为数码管的位选端。采用动态扫描的方式显示。2.3.3温度传感器DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现９～１２位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：51、独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2、多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能3、无须外部器件；4、可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；5、零待机功耗；6、温度以９或１２位数字；7、用户可定义报警设置；8、报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；9、负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。图2.6温度传感器与单片机的连接2.3.4报警温度调整按键本系统设计三个按键，采用查询方式，一个用于选择切换设置报警温度和当前温度，另外两个分别用于设置报警温度的加和减。均采用软件消抖。图2.7按键电路3.系统软件算法分析系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序，按键扫描处理子程序等。3.1主程序流程图主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图3.1所示。6图3.1主程序流程图3.2读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图3.2示3.3温度转换命令子程序温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如图3.3所示7图3.2读文读流程图图3.3温度转换流程图3.4计算温度子程序计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图3.4所示。3.5显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序主要是对分离后的温度显示数据进行刷新操作，当标志位位为1时将符号显示位移入第一位。程序流程图如图3.5。图3.4计算温度流程图图3.5显示数据刷新流程图3.6按键扫描处理子程序按键采用扫描查询方式，设置标志位，当标志位为1时，显示设置温度，否则显示当前温度。如下图3.6示。8图3.6按键扫描处理流程图4.电路仿真通过仿真软件验证该原理图的可行性。采用protues软件对电路仿真，可以得到预期效果。因protues软件中没有STC89C52故用AT89C52代替。仿真图如图4.1示。图4.1电路仿真图9右图4.2为温度传感器的仿真效果图，此图验证了传感器的温度与数码管显示的数字一致。当按下SET键一次时，进入温度报警上线调节，此时显示软件设置的温度报警上线，按ADD或DEC分别对报警温度进行加一或减一。当再次按下SET键时，进入温度报警下线调节，此时显示软件设置的温度报警下线，按ADD或DEC分别对报警温度进行加一或减一。当第三次按下SET键时，退出温度报警线设置。显示当前温度。验证了电路图正确性后，下面就进入PCB的绘制了5.电路板制作过程随着计算机技术的发展，电路设计中的很多工作都可以交由计算机来完成。Protel99SE系统是一套建立在PC环境下的EDA电路集成设计系统，由于其高度的集成性与扩展性，很快就成为PC平台上最流行的电子设计自动化软件。在完成本课程设计过程中，充分运用了Protel99SE的电路及PCB设计功能加快了设计进程，下面将就电路板的制作过程做详细阐述。Protel进行电路设计有两个步骤如下图所示:产生网络表电路原理图设计印刷电路板设计图9电路板设计的步骤图5.1PROTEL设计步骤5.1原理图编辑原理图的设计是整个电路设计的基础，它决定了后面工作的进展。原理图的设计过程可以按下图所示的设计流程进行。图5.2设计流程图（1）图纸设置是绘制电路图的第一步，必须根据实际电路的大小来选择合的图纸设置图纸的大小包括设置图纸尺寸、网络和光标的设置等等。10（2）加载元器件库，在Protel99SE中，原理图中的元器件符号均存放在不同的原理图元件库中，在绘制电路原理图之前，必须将所需的原理图元件库装入原理图编辑器。（3）放置元器件，即将所需的元件符号从元件库中调入原理图中。（4）调整元器件布局，将各个元件用具有电气性能的导线连接起来并进一步调整元器件的位置、元器件标注的位置及连线等。（5）最后打印存盘。5.2PCB制作在绘制好原理图的情况下要想得到一块电路板还需要绘制一张PCB版图，PCB做的好坏将直接影响电路板的美观和性能，所以要尽量把PCB做的合理。我们可以按以下流程来完成PCB的绘制。开始规划电路板设置参数装入元件网表及封装保存及打印手动调整布线元件布局结束图5.3PCB设计流程图整个过程中元器件的布局是关键，布局直接影响到最后做板的元件格局，所以在整个过程中要不断的调整直至最终合理。图5.4是本课程设计的最终PCB印刷电路,USB母座放在边上便于插拔电源线。。图5.4电路PCB图116.电路调试过程电路板的设计在经过了原理图的引用分析，元件的选取和电路原理的仿真验证后，通过PROTEL99便可以制作成对应的原理图，然后完成PCB的版图设计，最后便制作成完整的电路板。电路板的制作完成只是占课题的一小部分，接下来将进入比较棘手也是较为需要耐心和细心的电路调试环节。说实在的，对于电路调试实在有点怕，上一次课设调板的阴影还没散去呢。调试，要的就是耐性，毅力外加细心。看似完美无缺的电路板，检查了之后却是漏洞百出，断线的，虚焊的。不过这些都不是大问题，有了多次电路设计经验后这些故障很快就解决了。接下来最棘手的应该是软件编程了。编程向来都是我的软肋，不过还好，在广大网友的支持下，最后还是搞定了。7.总结与体会本次课程设计即将进入尾声，回想这两周来的电子设计制作经历，我感触甚是深刻。通过本次课程设计，使我对电子设计及制作产生了较为浓厚的兴趣，这不仅加强了自己对理论知识的理解和巩固，还能提高自己的动手能力，可以说受益匪浅。当然更重要的是，激起了我学好单片机的斗志。本次课程设计主要分为四部分：设计、仿真、制作及调试。这四个步骤在整个课程设计过程中起着重要的作用。本次课程设计的任务是：根据老师给出的设计题目的要求选择合适的电路，确定元件参数，对原理图进行电路仿真，制作PCB图等。在整个设计制作过程中用到了两个软件，PROTUES仿真软件和Protel99SE做板软件。可以说，在此之前自己未曾使用过protues软件。而且Protel99SE用起来也是相当的陌生，毕竟已隔将近半年多没用此软件做板了。本次课设让我学到了如何去运用protues软件对电路进行仿真，仿真出来的效果与理论上的效果以及与实物做出来的效果有何不同或相似。而在使用Protel99SE软件设计时，我也有了不少的学习应用心得。首先，在制作原理图的时候一定要非常细心，一个小错误都可能影响往后的制板工作。其次，在做PCB时，本人不提倡应用自动布线工具。虽然手动布线很烦人，但这可以提高你的动手能力，同时也可以提升你的耐力。总之，在学习和运用设计电路软件时遇到了不少问题，在向老师和同学请教后得到了解决，也在这个过程中学到了不少解决问题的方法。做板可是说是在考验一个人的耐力以及动手能力。电路设计完之后就是开始真正的做板了。做板大致来说有六个步骤：买元件———印铜——腐蚀——打孔——安装元器件——焊接。买元件时要注意元件的管脚要与封装一致，比如电位器有很多种，在选择