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31毕业设计--基于单片机的数字温度计


基于单片机的数字温度计 毕业设计论文
摘要:本文介绍一种基于 AT89C2051 单片机的一种温度测量及报警电路,该电路 采用 DS18B20 作为温度监测元件,测量范围-55℃-~+125℃,使用 4 位 LED 模块 显示, 能通过键盘设置温度报警上下限。正文着重给出了软硬件系统的各部分电 路,介绍了集成温度传感器 DS18B20 的原理,AT89C2051 单片机功能和应用。该 电路设计新颖、功能强大、结构简单。 关键词:温度测量,DS18B20 Abstract : The introduction of a cost-based AT89C2051 MCU a temperatur measurement circuits, the circuits used DS18B20 high-precision

temperatur sensor , measuring scope -55℃-~+125℃,can use the keybord set the warning limitation, the use of four bits seven segments LED that can be display the current temperature. The paper focuses on providing a software and hardware system components circuit, introduced the theory of DS18B20, the founctions and applications of AT89C2051 .This circuit design innovative, powerful, can be expansionary strong. Key Words : Temperatur measurement, DS18B20

1 前言
数字温度计(Digital Thermometer)简称DTM,它是采用数字化测量技术,把连 续的温度值转换成不连续、 离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的温度计功 能单一、精度低,不能满足数字化时代的需求,采用单片机的数字温度计,由于 精度高、抗干扰能力强,可扩展性强、集成方便得到了广泛的应用。温度是许多 监控系统中的一个重要参数。DS18B20直接把温度信息转换成相应的数字信号。 数据采集、 处理模块主要由AT89C2051单片机构成,完成温度数据的读取和显示。 本章重点介绍 DS18B20 的工作原理,尤其是其编程原理,以及由它们构成的 基于单片机的数字温度计的工作原理。

2 系统功能描述

3 系统原理及基本框图
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如图 3.1 所示, 模拟温度值经过 DS18B20 处理后转换为数字值,然后送到单 片机中进行数据处理, 并与设置的温度报警限比较, 超过限度后通过扬声器报警。 同时处理后的数据送到 LED 中显示。

传感器部分

设置报警键 盘

AT89C2051 单片机 LED 显示 报警扬声器

图 3.1 系统基本方框图

3 硬件设计 3.1 输入电路
图 3.1.1 量程切换开关 图 3.1.2 衰减输入电路

输入电路的作用是把不同量程的被测的电压规范到 A/D 转换器所要求的电 压值。智能化数字温度计所采用的单片双积分型 ADC 芯片 ICL7135,它要求输入 电压 0-±2V。本仪表设计是 0-1000V 电压,灵敏度高所以可以不加前置放大器, 只需衰减器,如图 3.1.2 所示 9M、900K、90K、和 10K 电阻构成 1/10、1/100、 1/1000 的衰减器。衰减输入电路可由开关来选择不同的衰减率,从而切换档位。 为了能让 CPU 自动识别档位,还要有图 3.1.1 的硬件连接。

3.2 A/D 转换电路
A/D 转换器的转换精度对测量电路极其重要,它的参数关系到测量电路性 能。本设计采用双积 A/D 转换器,它的性能比较稳定,转换精度高,具有很高 的抗干扰能力, 电路结构简单, 其缺点是工作速度较低。 在对转换精度要求较高, 而对转换速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用。

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3.2.1 双积 A/D 转换器的工作原理

图 3.2.1.1 双积 A/D 转换器 如图所示:对输入模拟电压和基 准电压进行两次积分,先对输入模拟 电压进行积分,将其变换成与输入模 拟电压成正比的时间间隔 T1,再利用 计数器测出此时间间隔,则计数器所 计的数字量就正比于输入的模拟电 压;接着对基准电压进行同样的处理。 在常用的 A/D 转换芯片 (如 ADC -0809、 ICL7135、ICL7109 等)中,ICL7135 与其余几种有所不同,它是一种四位 半的双积分 A/D 转换器,具有精度高(精度相当 于 14 位二进制数)、价格低廉、抗干扰 能力强等优点。 本文介绍用单片机并行方 式采集 ICL7135 的数据以实现单片机温 度计和小型智能仪表的设计方案。 3.2.1 7135 的应用
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图 3.2.1.2 双积 A/D 转换器的波形图

7135 是采用 CMOS 工艺制作的单片 4 位半 A/D 转换器,其所转换的数字值以 多工扫描的方式输出, 只要附加译码器, 数码显示器, 驱动器及电阻电容等元件, 就可组成一个满量程为 2V 的数字温度计。 ㈠7135 主要特点如下: ①双积型 A/D 转换器,转换速度慢。 ②在每次 A/D 转换前,内部电 路都自动进行调零操作,可保证零点在常温下的长期稳定。在 20000 字(2V 3.2.1.1 ICL7135 引脚图 满量程)范围内,保证转换精度 1 字相当于 14bitA/D 转换器。 ③具有自动极性转换功能。 能在但极性参考电压下对双极性模拟输入电压进 行 A/D 转换,模拟电压的范围为 0~±1.9999V。。 ④模拟出入可以是差动信号,输入电阻极高,输入电流典型值 1PA。 ⑤所有输出端和 TTL 电路相容。 ⑥有过量程(OR)和欠量程(UR)标志信号输出,可用作自动量程转换的控 制信号。 ⑦输出为动态扫描 BCD 码。 ⑧对外提供六个输入,输出控制信号(R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR),因此除用于 数字温度计外,还能与异步接收 /发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。 ⑨采用 28 外引线双列直插式封装,外引线功能端排列如图所示。 ㈡7135 数字部分 数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。7135 一次 A/D 转换周期分为四个阶段:1、自动调零(AZ);2、被测电压积分(INT); 3、基准电压反积分(DE);4、积分回零(ZI)。具体内部转换过程这里不做祥 细介绍,主要介绍引脚的使用。 ①R/H(25 脚)当 R/H=“1”(该端悬空时为“1”)时,7135 处于连续转 换状态,每 40002 个时钟周期完成一次 A/D 转换。若 R/H 由“1”变“0”,则 7135 在完成本次 A/D 转换后进入保持状态,此时输出为最后一次转换结果,不 受输入电压变化的影响。因此利用 R/H 端的功能可以使数据有保持功能。若把 R/H 端用作启动功能时,只要在该端输入一个正脉冲(宽度≥300ns),转换器

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就从 AZ 阶段开始进行 A/D 转换。注意:第一次转换周期中的 AZ 阶段时间为 9001-10001 个时钟脉冲,这是由于启动脉冲和内部计数器状态不同步造成的。 ②/ST(26 脚)每次 A/D 转换周期结束后,ST 端都输出 5 个负脉冲,其输出 时间对应在每个周期开始时的 5 个位选信号正脉冲的中间,ST 负脉冲宽度等于 1/2 时钟周期。 第一个 ST 负脉冲在上次转换周期结束后 101 个时钟周期产生。因为每个选 信号(D5--D1)的正脉冲宽度为 200 个时钟周期(只有 AZ 和 DE 阶段开始时的第 一个 D5 的脉冲宽度为 201 个 CLK 周期),所以 ST 负脉冲之间相隔也是 200 个 时钟周期。需要注意的是,若 上 一 周 期 为 保 持 状 态 (R/H=“0”)则 ST 无脉冲信 号输出。ST 信号主要用来控制 将转换结果向外部锁存器、 UARTs 或微处理器进行传送。 ③BUSY(21 脚)在双积分 阶段(INT+DE),BUSY 为高电 平,其余时为低电平。因此利 用 BUSY 功能,可以实现 A/D 转 换结果的远距离双线传送,其 还 原 方 法 是 将 BUSY 和 CLK“与”后来计数器,再减去 10001 就可得到原来的转换结果。 ④OR(27 脚)当输入电压超出量程范围(20000),OR 将会变高。该信号在 BUSY 信号结束时变高。在 DE 阶段开始时变低。 ⑤UR(28 脚)当输入电压等于或低于满量程的 9%(读数为 1800),则一当 BUST 信号结束,UR 将会变高。该信号在 INT 阶段开始时变低。 ⑥POL(23 脚)该信号用来指示输入电压的极性。当输入电压为正,则 POL 等于“1”,反之则等于“0”。该信号 DE 阶段开始时变化,并维持一个 A/D 转 换调期。 ⑦位驱动信号 D5、D4、D3、D2、D1(12、17、18、19、20 脚)每一位驱动
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