基于51单片机的温度测量系统仿真

基于51单片机的温度测量系统仿真专题实验内容与设计要求主要设计条件1、Proteus或者其它软件2、实验室现有软硬件设施2、相关参考文献报告书格式11.专题实验设计报告书封面。2.专题设计任务书。3.报告书目录。4.正文5.总结。6.参考文献。7.附录。8.专题设计评分表。正文部分包括（概述、总体设计、硬件电路设计及调试等）进度安排星期一：布置课题任务，课题内容介绍。星期二～星期五：仔细了解分析实验任务，明确实验要求，收集实验专题设计资料。阅读相关资料，设计方案确定，相关元器件选型；进行电路和软件设计，编写实验报告。2一．温度测量系统的重要性在现今科技高速发展的时代，各行各业对控制和测量的要求越来越高，其中，温度测量和控制在很多行业中都有比较重要的应用，尤其在工业上，如炼钢时对温度高低的控制。要控制好温度，测量是前提，测量的精度影响着后续工序的进行，因此温度测量的方法和选取就显得相当重要了。二．设计目的与意义随着电子技术的高速发展，对电子方面人才的要求越来越高，不仅要求其具备相关的专业理论知识，还要求其具有较强的设计、制作等实践动手能力。此次专题实验无疑是对从事测控专业的人的一次很好的锻炼和考验，是培养测控技术的人才的一次良好的机会，为其提供了一个理论知识与实践相结合的平台。通过本次专题实验，引导学生结合所学的测控电路理论知识，思考设计方案，以小组合作方式，分工完成各个部分，从而掌握相关的测量显示电路的设计和调试技术，一方面提高了学生的实践动手和协作能力，另一方面培养了学生综合运用所学理论知识进行工程设计的能力。通过此次专题实验，可以培养学生的工程设计能力，包括动手能力、独立思考设计能力、解决实际设计过程中遇到的问题以及团队协作能力等，为今后的专业学习和工程实践打下坚实的基础。三．实验方案3.1系统方案3.1.1方案一该方案为ICL7107A/D转换&译码方案。常见A/D转换器的转换方式有非积分式和积分式两类，如逐次逼近比较式A/D转换、斜坡电压式A/D转换等属于非积分式，其特点是转换速度快，但抗干扰能力差。电压反馈型V-F变换、双积分式A/D转换则属于积分式，其特点是抗干扰能力强、测量精度高，但转换速度低，在转换速度要求不太高的情况下，获得广泛应用。工作方框图如图1所示：3电路原理图如图2所示：3.1.2方案二该方案利用AVR单片机对输入信号进行模数转换输出数字信号控制数码管显示温度值。并且可以通过编写程序对输入信号进行分段线性化处理，使得测量精度大大提高，而且该电路无须外接译码器，结构简单。工作框图如图3所示：图1方案一工作框图图2方案一电路原理图43.1.3方案三该方案以AT89S52为控制器，采用DS18B20温度传感器检测温度信号，利用红外遥控设置温度测量的上下限数值，并通过LCD液晶显示。工作框图如图4所示：经过综合研究分析，考虑整个设计和成本，方案三成本低，测量温度方便简单，故此次数字温度计专题实验选取方案三。3.2传感器方案3.2.1方案一该方案采用热敏电阻。热敏电阻价格比较便宜、灵敏度比较好，在实际应用的时候线性度较差，另外调试比较困难。不适合使用。故不使用热敏电阻。3.2.2方案二该方案采用AD590。图3方案二工作框图图4方案三工作框图5AD590拥有良好的线性关系，灵敏度较高、使用简单方便。但是这种传感器的价格比其他的两种都贵很多。故不选用。方案三：DS18B20数字温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司智能温度传感器，他能够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从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面拥有很大优势，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。3.3测量显示方案3.3.1方案一该方案采用LED显示。LED数码显示中每一个像素单元就是一个发光二极管，如果是单色，一般是红色发光二级管。如果是彩色，一般是三个三原色小二极管组成的一个大二级管。这些二级管组成的矩阵由数码控制实时显示文字或者图像，造价相对低廉，组成的显像面积大。3.3.2方案二该方案采用LCD液晶显示。液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。LCD液晶的像素单元是整合在同一块液晶版当中分隔出来的小方格。通过数码控制这些极小的方格进行显像。造价高但是显示非常细腻。四．系统工作原理本系统由温度传感器DS18B20、AT89S52、LCD显示电路、软件构成。DS18B20输出表示摄氏温度的数字量，然后用51单片机进行数据处理、译码、显示、报警等，系统框图如图5所示：64.1微控制器原理AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBytesISP的可反复擦写100000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，其具有如下特点：40个引脚，8KBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器，32个外部双向输入/输出口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。单片机引脚如图6所示：4.2传感器原理4.2.1DS18B20简介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，它能图5系统框图图6单片机引脚图7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元件图如图7所示：DS18B20的性能特点如下：●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；●无须外部器件；●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；●零待机功耗；●温度以９或１２位数字；●用户可定义报警设置；●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；●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；4.2.2DS18B20内部结构DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图8所示。64位ROM的结构开始８位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后８位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为８字节的存储器，结构如图9所示。头２个字节包含测得图7DS18B20元件图C64位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器Vdd图8DS18B20内部结构图8的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第５个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3所示。低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。TMR11R01111....由表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。R0R1000101119101112分辨率/位温度最大转向时间/ms93.75187.5375750....高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８字节保留未用，表现为全逻辑１。第９字节读出前面所有８字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第１、２字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。温度LSB温度MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC图9DS18B20字定义表1DS18B20温度转换时间表9DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TＬ字节内容作比较。若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器１；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，计数器１和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。减法计数器１对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器１的预置值减到０时，温度寄存器的值将加１，减法计数器１的预置将重新被装入，减法计数器１重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。温度/℃二进制表示十六进制表示+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100000191H+10.125000000001010000100A2H+0.500000000000000100008H000000000000010000000H-0.51111111111110000FFF8H-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H表2一部分温度对应值表104.2.3DS18B20测温原理DS18B20低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基