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基于Proteus的数字温度计设计与仿真.rar

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    基于 Proteus 数字 温度计 设计 仿真
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    贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页目 录摘要 ..........................................................................................................................................IVAbstract ......................................................................................................................................V第一章 绪论 .............................................................................................................................11.1 背景 ............................................................................................................................11.2 引言 ............................................................................................................................11.3 方案选择 ....................................................................................................................11.4 本文结构 ....................................................................................................................2第二章 主要器件和开发工具介绍 .........................................................................................32.1 一线式数字温度传感器 DS18B20...........................................................................32.1.1 DS18B20 的概述 ............................................................................................32.1.2 DS18B20 的主要特性 ....................................................................................32.1.3 DS18B20 典型应用电路 ................................................................................32.1.4 DS18B20 的操作步骤 ....................................................................................42.2 SST89E516RD 单片机 ..............................................................................................52.2.1 SST89E516RD 单片机的特点 .......................................................................52.2.2 SST89E516RD 单片机内部资源简介 ...........................................................52.3 开发工具 Keil C51....................................................................................................72.3.1 Keil 主要特点 .................................................................................................72.3.2 Keil 开发单片机的地位 .................................................................................72.3.3 Keil 基本使用步骤 .........................................................................................82.4 仿真软件 Proteus.......................................................................................................92.4.1 Proteus 的特性 ................................................................................................92.4.2 Proteus 仿真过程 ............................................................................................9第三章 系统总体设计 ...........................................................................................................103.1 总体设计流程 ..........................................................................................................103.1.1 硬件设计 .......................................................................................................103.1.2 软件设计 .......................................................................................................10贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页3.2 DS18B20 与单片机的连接 .....................................................................................103.3 温度显示 ..................................................................................................................12第四章 系统详细设计 ...........................................................................................................134.1 硬件电路详细设计 ..................................................................................................134.2 系统软件详细设计 ..................................................................................................144.2.1 系统程序 .......................................................................................................14第五章 系统仿真与调试和实现 ...........................................................................................185.1 Keil 与 Proteus 联机 ................................................................................................185.2 仿真 ..........................................................................................................................185.2.1 仿真调试 .......................................................................................................185.2.2 系统仿真 .......................................................................................................205.3 实物调试与实现 ......................................................................................................225.3.1 实物调试 .......................................................................................................225.3.2 实物实现 .......................................................................................................23第六章 总结 ...........................................................................................................................25参考文献 ...................................................................................................................................26附录一 源程序 .......................................................................................................................27附录二 电气图 .......................................................................................................................35致谢 ...........................................................................................................................................36诚信承诺书 ...............................................................................................................................37贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页基于 Proteus 的数字温度计设计与仿真摘要本设计是以 DS18B20 温度传感器为基础的数字温度计,它具有接口简单、响应速度快、抗干扰能力强、精度高、工作稳定、温度值显示直接、使用方便等优点,可适应对温度值精度要求高的场合,可被广泛地用于生产中的各个领域,如房间空调控制、仓库测温、恒温条件实验室等等。设计思路是温度只要在-55℃到+125℃内,就会在显示设备中精确的显示出来,当数字温度计上电工作以后,系统复位刷新显示,温度传感器采集温度值传送到微控制器进行检查和处理,再由微控制器送出信号经过驱动电路送向显示电路进行显示。设计中使用了能仿真 51 单片机的 EDA 软件 Proteus 对整个电路进行了仿真调试,该软件的应用大大提高了开发效率,缩短开发时间。而借助 Keil 集成开发环境 IDE 和Proteus 的联合仿真和调试,能发现并解决设计中出现的各种软硬件问题。仿真表明设计完全达到预期。关键字:Proteus;Keil;DS18B20;微控制器;仿真贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页Design and Simulation of Digital Thermometer Based on ProteusAbstractThe design is based on temperature sensor DS18B20 digital thermometer, it has a simple interface, fast response, anti-interference ability, high precision, stable, temperature values are displayed directly, easy to use, etc., can be adapted to the temperature accuracy high places, can be widely used in the production of various fields, such as room air-conditioning control, storage temperature, constant temperature laboratory and so on. As long as the design concept is the temperature -55 ℃ to +125 ℃ in the will in the display device to show the precise, when the digital thermometer on the power of work, the system reset refresh the display, temperature sensor to collect temperature transmitted to the micro-controller inspection and processing, then sent by the microcontroller through the drive circuit to send signals to the display circuit to display. Design can be simulated using the EDA software 51 MCU Proteus simulation of the entire circuit debugging, the software application development greatly enhanced the efficiency and reduce development time. The integrated development environment IDE with Keil and Proteus joint simulation can identify and solve design problems arising in various hardware and software. Simulation results show that the design fully meet expectations.Key words: Proteus , Keil , DS18B20, MCU, Simulation贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页第一章 绪论1.1 背景温度测量在生活的各个领域都始终占据着极其重要的地位,如在农业生产、环境保护、工业自动化、安全生产、大棚等等对温度的测量非常重要。传统的模拟式温度传感器在测量温度时需要进行复杂的校准和标定,且需要复杂的信号采集电路和模数转换电路,使用时也不太方便,不便应用。随着科技的不断发展,对温度的检测要求越来越高 。需要利用现代的科技制作出抗干扰能力强、精度高、工作稳定、使用方便并具有智能功能的新一代的温度检测仪器来适应现代生活和生产对温度的高要求。数字温度计具有接口简单、响应速度快、抗干扰能力强、精度高、工作稳定、温度值显示直接、使用方便等优点,从而来满足现代生活和生产对温度的高要求。1.2 引言温度是我们日常生产和生活中实时在接触到的物理量,但它是看不到的摸不着的,仅凭感觉只能感觉到它大概的温度值,传统的指针式的刻度式的温度计虽然能指示温度,但是精度低,使用不够方便,显示不够直观,数字温度计的出现可以让人们直观的了解自己想知道的温度到底是多少度。特别是一些对温度的精度要求极高的产业,比如核工业,如果用传统的温度计没有高精度的温度值,可能会造成不可想象的后果。比如发酵产业,如果用传统的温度计,不但不方便,而且由于精度不高导致最后不能达到预期的效果。又比如粮仓,恒温实验室等等。所以数字温度计的设计是现代社会的要求也是替代传统温度计的要求。1.3 方案选择现在数字温度计设计方案有很多种,数字温度计可采用热电偶、热电阻、热敏电阻、PN 结型温度传感器、集成温度传感器等。方案一是采用热电偶差电路测量,温度检测可以使用低温热电偶,热电偶产生的热电势由两种金属的接触点势和单一导体的温差电势组成,通过将参考终点保持在抑制温度并测量该电压,便可知道终点的温度,但它存在着输出电压小,容易受到来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点,而且这种设计还需要 A/D 转换电路。方案二是使用热敏电阻,利用其感温效应,再将被测温度变化的电流或电压采集来,进行 A/D 转换,用单片机进行数据的处理,在显示贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页设备上将被测温度值显示出来,但需要 A/D 转换,感温电路比较复杂。方案三是采用铂电阻,虽然其温度精度高测量范围比较广,但热响应慢,成本比较高。本设计选用以 DS18B20 温度传感器基于微控制器的方案,同时利用 EDA 中的 Proteus 软件进行仿真和调试。确定这个方案原因是,DS18B20 具有体积小,使用方便,封装形式多样,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域,同时基于微控制器不需要专门的 A/D转换器件就可以直接将模拟信号送至单片机输入口,且其输出信号与温度的关系不存在明显的非线性,使其温度值精确可靠,硬件电路相对于其它方案比较小巧和简单等等。1.4 本文结构本文通过基于 Proteus 的数字温度测量系统仿真与实现。第一章:绪论(本章阐述了课题的研究背景,课题研究现状,课题的目标和意义,本论文方案选择原因及本文结构。 )第二章:主要器件和开发工具介绍(本章主要介绍 Proteus 及 Keil C51 软件,介绍温度传感 DS18B20 及 SST89E516RD 单片机。 )第三章:系统总体设计(系统总体设计思路与过程。 )第四章:系统详细设计与实现(章主要介绍系统详细设计过程与仿真。 )第五章:系统仿真与调试和实现(实物实现。 )第六章:总结贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页第二章 主要器件和开发工具介绍该设计选用 DS18B20 作为温度传感器,SST89E516RD 作为测量电路核心,开发工具主要选用了 Proteus 和 Keil。 2.1 一线式数字温度传感器 DS18B202.1.1 DS18B20 的概述DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器 DS18B20,体积小,使用方便,封装形式多样,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域;它具有独特的一线接口,将地址线、数据线和控制线合并为一根双向串行传输数据的信号线,允许在这根信号线上挂接多个 DS18B20;因此,单片机只需要通过一根 I/O 线就可以与多个 DS18B20 通信 [1]。 2.1.2 DS18B20 的主要特性DS18B20 测温范围是-55 —+125℃,在-10—+85 ℃时精度为±0.5℃;它的转换精度是9—12 位二进制数(包括符号 1 位) ,可编程确定转换精度的位数;它的温度分辨率是9 位精度为 0.5℃,10 位精度为 0.25℃,11 位精度为 0.125℃,12 位精度为 0.0625℃;它的转换时间为 9 位精度为 93.75ms,10 位精度为 187.5ms,12 位精度为 750ms;它的适应电压范围为 3.0—5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电 [2]。2.1.3 DS18B20 典型应用电路DS18B20 的引脚定义如图 2.1 所示,其中 Vcc:电源正,寄生时直接接地;DQ:单线输入/输出;Vss: 电源地 [3]。D S 1 8 B 2 0G N DV c cD Q图 2.1 DS18B20 引脚图贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页2.1.4 DS18B20 的操作步骤由于 DS18B20 采用的是 1-Wire 总线协议方式,即在一根数据线实现数据的双向传输,而对 80C51 单片机来说,硬件上并不支持单总线协议,因此,我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访问;DS18B20 是在一根I/O 线上读写数据,因此,对读写的数据位有着严格的时序要求;DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性;该协议定义了几种信号的时序:初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备,单总线器件作为从设备;而每一次命令和数据的传输都是从主机启动写时序开始,如果要求单总线器件回送数据,在进行写命令后,主机需启动读时序完成数据接收;数据和命令的传输都是低位在先 [4]。1-Wire 通信流程图如图 2.2 所示,其初始化时序图 [5]如图 2.3 所示。复位 1 - W i r e 总线 选定 D S 1 8 B 2 0 器件对器件执行读写操作图 2.2 1-Wire 通信流程图DS18B20 的读时序,对于 DS18B20 的读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 的读时隙是从主机把单总线拉低之后,在 15 秒之内就得释放单总线,以让 DS18B20 把数据传输到单总线上。DS18B20 在完成一个读时序过程,至少需要60us 才能完成,其读时序图 [5]如图 2.4 所示。 DS18B20 的写时序,对于 DS18B20 的写时序仍然分为写 0 时序和写 1 时序两个过程。对于 DS18B20 写 0 时序和写 1 时序的要求不同,当要写 0 时序时,单总线要被拉低至少 60us,保证 DS18B20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样 IO 总线上的“0”电平,当要写 1 时序时,单总线被拉低之后,在 15us 之内就得释放单总线,其写时序图 [5]如图 2.5 所示。图 2.3 初始化时序图贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页图 2.4 读时序图 2.5 写时序2.2 SST89E516RD 单片机2.2.1 SST89E516RD 单片机的特点SST89E516RD 单片机可靠性高,价格低廉,软硬件全兼容 8051/52 系列单片机,完全符合设计要求。SST89E516RD 单片机最高工作频率可达 40MHz,内部具有64K+8KB 的 FALSH ROM 存储器,可反复读写超过十万次;在应用中基本无需再扩展程序储存器;此外内部数据 RAM 达 1K 字节,能满足大多数应用,比标准 51 机的RAM 大 8 倍;最重要的是该型单片机,支持在应用可编程(IAP) ,和在系统可编程(ISP) ,可实现远程升级,而不用编程器;另外该单片机有 BSL(Boot-Strap Loader)引导下载程序,该程序可以替换 SoftICE 监控程序,固化在 ROM 中,从而使该单片机具有引导下载功能;总之 SST89E516RD 单片机特点有源代码调试支持汇编语言和 C51高级语言,单步执行 STEP 和 STEP OVER,断点调试做多到 10 个固定和 1 个临时断点,全速运行,显示修改变量,读/写数据存储器,读 /写代码存储器,读/写 SFR 特殊功能寄存器,读/写 P0-P3 端口,下载 INTEL HEX 文件,对 8051 程序存储区的反汇编,在线汇编等等 [6]。2.2.2 SST89E516RD 单片机内部资源简介ST89E516RD 的引脚与 51/52 完全兼容,电平兼容 TTL/COMS 标准,这样可以直贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 6 页接和大多数集成电路连接,不需要进行电平转换。1. 单片机的 I/O 口SST89E516RD 的引脚与 51/52 完全兼容,有 4 个并行 I/O 端口,分别记作P0、P1、P2、 P3。每个端口都包含一个同名的特殊功能寄存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。对并行 I/O 口的控制是通过对同名的特殊功能寄存器的控制实现的。2. 单片机的定时/计数器SST89E516RD 单片机内部有两个 16 位的定时器/计数器,即定时器 T0 和定时器T1,它们既可以用做定时器方式,也可以用做计数器方式;定时/计数器的实质是加 1计数器(16 位) ,由高 8 位和低 8 位两个寄存器组成;作定时方式时,输入由内部机器周期脉冲产生,定时器可以看作是对计算机机器周期的计数器;作对外计数方式时,外部输入信号由引脚 P3.4(T0)或 P3.5(T1)输入;定时器/ 计数器有四种工作方式,其工作方式选择和控制由 TMOD 和 TCON 寄存器的内容决定 [7]。(1) 工作方式寄存器 TMOD工作方式寄存器 TMOD 用于设置定时/计数器的工作方式,低四位用于 T0,高四位用于 T1。其格式如图 2.6 所示。位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0TMOD GATEC/T M1 M0GATEC/T M1 M0图 2.6 TMOD 定时/ 计数器工作方式 GATE:门控位。 GATE=0 时,只要用软件使 TCON 中的 TR0 或 TR1 为 1,就可以启动定时/计数器工作。  : 定时/计数模式选择位。 =0 为定时模式; =1 为计数模式。 M1、M0 :工作方式设置位。定时/计数器有四种工作方式,由 M1、M0 进行设置如表 2.1 所示。表 2.1 TMOD 定时/ 计数器四种工作方式M1 M0 工作方式 说 明0 0 0 13 位定时器/计数器0 1 1 16 位定时器/计数器1 0 2 8 位自动重装定时器/计数器CTC/TC/T
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