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单片机数字电子钟温度计:实用设计与智能化应用
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更新于2024-07-01
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本篇文档是关于"基于单片机的数字电子钟温度计的设计"的毕业设计。设计初衷在于解决人们因忘记时间而导致的各种问题,强调了时间管理在日常生活中的重要性,特别是在现代社会中电子技术的快速发展背景下。电子钟不仅提供传统的时间显示功能,还具备了丰富的扩展功能,如定时报警、自动控制等,这些都是通过数字化技术实现的,极大地提高了人们的生活便利性。 设计目标有两个:一是通过实际操作加深对传感器,尤其是温度传感器(DS18B20)的理解和应用,这有助于提升技术水平;二是利用单片机89S51作为核心控制器,结合液晶显示器LCD1602和万年历芯片DS1302,构建一个既能显示时间又能测量温度的智能系统,为用户的日常生活提供实时的时间和温度信息。 设计的技术要求包括硬件部分的搭建,如电路设计采用Protel99SE工具,电路原理图绘制以及印刷电路板(PCB)制作。编程方面,借助Keil uVision这个集成开发环境进行源代码编写和调试,确保软件与硬件的协同工作。整个设计过程强调的是单片机的广泛应用价值,特别是在成本敏感和功能需求明确的场景中,单片机显示出其经济高效的优势,这对于中国社会主义初级阶段的发展具有重要意义。 此外,随着智能化时代的到来,单片机作为微电子控制的核心,对于培养新一代科技人才,尤其是青年人的技能提升和技术素养,具有深远的影响。因此,本设计不仅关注技术实现,也注重理论与实践的结合,以及对未来科技趋势的洞察。通过这个项目,学生可以深化对单片机和传感器技术的理解,提升实际操作能力,为将来的职业发展打下坚实基础。
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TM
R1
R0
1
1
1
1
1
低五位一直都是 1 ,TM 是测试模式位,用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试
模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0,用户不要去改动。R1 和 R0 用来设置分辨率,
如表 3-5 所示:(DS18B20 出厂时被设置为 12 位)分辨率设置表:
表 3-5 温度值分辨率设置表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9 位
93.75ms
0
1
10 位
187.5ms
1
0
11 位
375ms
1
1
12 位
750ms
(3)高速暂存存储器
高速暂存存储器由 9 个字节组成,其分配如表 3-7 所示。当温度转换命令发布后,经
转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第 0 和第 1 个字节。单片机
可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式如表 3-4 所示。对应
的温度计算:当符号位 S=0 时,直接将二进制位转换为十进制;当 S=1 时,先将补码变
为原码,再计算十进制值。第九个字节是冗余检验字节。
表 3-6 DS18B20 暂存寄存器分布
寄存器容
字节地址
温度值低位
0
温度值高位
1
高温限值 TH
2
低温限值 TL
3
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17 / 109
配置寄存器
4
保留
5
保留
6
保留
7
CRC 检验
8
根据 DS18B20 的通讯协议,主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤:
每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位,复位成功后发送一条 ROM 指令,最后发送
RAM 指令,这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500
微秒,然后释放,DS18B20 收到信号后等待 16~60 微秒左右,后发出 60~240 微秒的
存在低脉冲,主 CPU 收到此信号表示复位成功
[8]
。
表 3-7 ROM 指令表
指 令
约定代码
功 能
读 ROM
33H
读 DS18B20ROM 中的编码(即 64 位地址)
符合 ROM
55H
发出此命令之后,接着发出 64 位 ROM 编码,访问单总
线上与该编码相对应的 DS18B20 使之作出响应,为下
一步对该 DS18B20 的读写作准备。
搜索 ROM
0F0H
用于确定挂接在同一总线上 DS18B20 的个数和识别
64 位 ROM 地址。为操作各器件作好准备。
跳过 ROM
0CCH
忽略 64 位 ROM 地址,直接向 DS18B20 发温度变换命
令。适用于单片工作。
告警搜索命令
0ECH
执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响
应。
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表 3-8 RAM 指令表
指 令
约定代码
功 能
温度变换
44H
启动 DS18B20 进行温度转换,转换时最长为 500ms
(典型为 200ms)。结果存入部 9 字节 RAM 中。
读暂存器
0BEH
部 RAM 中 9 字节的容
写暂存器
4EH
发出向部 RAM 的 3、4 字节写上、下限温度数据命令,
紧跟该命令之后,是传送两字节的数据。
复制暂存器
48H
将 RAM 中第 3、4 字节的容复制到 EEPROM 中。
重调 EEPROM
0B8H
将 EEPROM 中容恢复到 RAM 中的第 3、4 字节。
读供电方式
0B4H
读 DS18B20 的供电模式。寄生供电时 DS18B20 发送
“0”,外接电源供电 DS18B20 发送“1”。
第四章 总体软硬件设计
4.1 硬件与功能要求
(1) 硬件要求使用 AT89S51 单片机,DS18B02 温度传感器,DS1302 万年历芯片,
LCD1602 液晶显示器等;
(2)功能:实现正常的走时和年月日时分秒显示,用一开关可控制不显示;测量温度并
显示;用户可设置初始时间和日期;可设置多个闹钟和整点报时。
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4.2 设计方案
AT89S51 作为硬件核心,采用模块化的设计思想,硬件模块分为温度的感应模块、时
钟模块、控制模块、显示模块、闹铃模块;软件同样采用模块化设计,分为中断模块、温
度转化模块、时间调整模块,LCD 显示模块。
(1)液晶显示模块:LCD1602 显示的原理是利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区
域进行控制,有点就显示,这样不仅可以显示数字也可以显示出图形。它分为带背光和不
带背光两种,两者管脚分别为 16 根和 14 根,应用并无差别。它与 89S51 可以直接连接,
可用 P0 口做 LCD1602 的数据口,P2 口的低三位做读写控制口和使能信号。
(2)万年历芯片时钟模块:DS1302 的封装为 DIP8,与 CPU 的连接需要三条线,即
SSCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。X1 和 X2 是振荡源,外接 32.768kHz 晶振。RST 是复位/片
选线,通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。上电运行时,在 Vcc>2.0V
之前,RST 必须保持低电平。只有在 SSCLK 为低电平时,才能将 RST 置为高电平。I/O
为串行数据输入输出端(双向),后面有详细说明。SCLK 为时钟输入端。
(3)温度感应模块:DS18B20 的外形大小或封装和三极管一样是 TO-92。管脚排列如
下:GND 为电源地;I/O 为数字信号输入/输出端;VDD 为外接供电电源输入端。测量温度
围为-55℃~ +125℃,DS18B20 可以程序设定 9-12 位的分辨率。它只需要一条口线通信
可实现与 89S51 的双向通讯,具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等
优点。
(4)闹铃模块:可采用蜂鸣器,只需要占用 CPU 一个口线,另一端接地。采用蜂鸣器来
当做闹铃,因为其电路结构简单,一端接 CPU 的 I/O(采用 P1.7)口,另一端接地,只
要 I/O 口发出脉冲信号,蜂鸣器就会鸣叫。电路简单,容易控制。
(5)控制模块:为了简化电路,且 CPU 有多余的口线,决定采用独立键的控制方式,这
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样也简化了控制程序。因为 I/O 口线较富余,且为了简化软件程序的编写,采用独立键的
模式来控制 CPU。用 CPU 的 P3 口的高 4 位做键盘 I/O 接口。别外,再采用两个独立键
来设置一个外部中断,用来完成任务要求的关闭 LCD 显示器和开启 LCD 显示器要求,其
各键功能如表 4-1。
表 4-1 各键功能表
代号
位地址
功能
S5
P3.7
时间设置切换
S4
P3.6
闹铃设置切换/关闭响铃
S3
P3.5
设置值加一
S2
P3.4
设置值减一
S6
P3.3
开启/关闭显示
( 注:S2、S3 只在 S5 或 S6 键按下后有效 )
4.3 总电路图与说明
总电路图如图 4-1 所示,本论文将围绕 AT89S51 对各器件的连接一一说明。P0 口接
LCD1602 的 8 位数据线,另接 8 个 10k 的电阻做 P0 口的上拉电阻;P2.1、P2.2、P2.3
分别接 RS、R/W、E。温度传感器 DS18B20 的 QD 口接 CPU 的 P2.7。CPU 的 P1.0、
P1.1、P1.2 分别接 DS1302 的 SSCLK、I/O、RST。CPU 的 P1.7 口接闹铃;复位电路采
用上电复位和按键复位;晶振采用 12Mhz,即机器周期为 1us。
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