1928_基于單片機(jī)的溫度檢測控制

1928_基于單片機(jī)的溫度檢測控制,基于,單片機(jī),溫度,檢測,控制,節(jié)制 黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 1 頁 第1章 緒論1.1 課題意義及發(fā)展前景隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會對各種信息參數(shù)的準(zhǔn)確度和精確度的要求都有了幾何級的增長，而如何準(zhǔn)確而又迅速的獲得這些參數(shù)就需要受制于現(xiàn)代信息基礎(chǔ)的發(fā)展水平。在信息采集、信息傳輸和信息處理中，傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器技術(shù)，在我國各領(lǐng)域已經(jīng)引用的非常廣泛，可以說是滲透到社會的每一個領(lǐng)域，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：①傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器②模擬集成溫度傳感器③智能集成溫度傳感器計算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶，特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)。社會的發(fā)展使人們對傳感器的要求也越來越高，現(xiàn)在的溫度傳感器正在基于單片機(jī)的基礎(chǔ)上從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展，并朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展，基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計設(shè)計與傳統(tǒng)的溫度計相比，其具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準(zhǔn)確，輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對測溫要求比較準(zhǔn)確的場所，或科研實驗室使用。溫度的檢測與控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中比較典型的應(yīng)用之一，隨著傳感器在生產(chǎn)和生活中的更加廣泛的應(yīng)用，利用新型單總線式數(shù)字溫度傳感器實現(xiàn)對溫度的測試與控制得到更快的開發(fā)。本設(shè)計為基于DS18B20和AT89C51單片機(jī)的溫度測量及控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及C語言程序設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計和布線簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，性價比高，擴(kuò)展方便，在大型倉庫，工廠，智能化建筑等領(lǐng)域的多點溫度檢測中有廣闊的應(yīng)用前景。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 2 頁 1.2 設(shè)計內(nèi)容及性能指標(biāo)本設(shè)計主要是介紹了單片機(jī)控制下的溫度檢測系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了其硬件和軟件設(shè)計，并對其各功能模塊做了詳細(xì)介紹，其主要功能和指標(biāo)如下：1、利用溫度傳感器（DS18B20）測量某一點環(huán)境溫度2、用數(shù)碼管進(jìn)行實際溫度值顯示和時間顯示3、能夠根據(jù)需要方便設(shè)定上下限報警溫度1.3 本次設(shè)計采用如圖所示系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖圖1.1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖通過數(shù)字溫度芯片對外界溫度進(jìn)行讀取，并通過單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再由數(shù)碼管進(jìn)行直觀的數(shù)字顯示。同時設(shè)定溫度比較程序，由單片機(jī)進(jìn)行測量溫度與設(shè)定溫度的比較，若不在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，則令蜂鳴器報警。單片機(jī)選用AT89C51作為溫度測試系統(tǒng)設(shè)計的核心器件。它是具有高性能的8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS— 51的CMOS產(chǎn)品。不僅結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征，而且繼承和擴(kuò)展了MCS —48單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。數(shù)字溫度芯片采用DS18B20測量溫度，輸出信號全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性能很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測溫元件，此元件線性較好。在0—100℃時，最大線性偏差小于1℃。采用51單片機(jī)控制，軟件編程的自由度大，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術(shù)運(yùn)算和邏輯控制，黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 3 頁 而且體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便，既可以單獨對多DS18B20控制工作，還可以與PC 機(jī)通信上傳數(shù)據(jù).利用AT89C51芯片控制溫度傳感器DS18B20進(jìn)行實時溫度檢測并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報警溫度，利用按鍵來進(jìn)行調(diào)時和溫度查詢。可以看出此方案測溫裝置電路簡單、精確度較高、實現(xiàn)方便、軟件設(shè)計也比較簡單。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 4 頁 第2章 系統(tǒng)器件選擇2.1 主控芯片介紹主控芯片選擇單片機(jī) AT89C51，該單片機(jī)具有低電壓供電和體積小等特點，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。AT89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的 AT89C51 提供了高性價比的解決方案。AT89C51 是一個低功耗高性能單片機(jī)，40 個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口，2 個 16 位可編程定時計數(shù)器，2 個全雙工串行通信口，AT89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程.其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C51主要功能特性：●與 MCS-51 兼容●4K字節(jié)可編程閃爍存儲器●壽命：1000寫/擦循環(huán)●數(shù)據(jù)保留時間：10年●全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz●三級程序存儲器鎖定●128*8位內(nèi)部RAM●32條可編程I/O線●兩個 16位定時器/計數(shù)器●5個中斷源黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 5 頁 ●可編程串行口●低功耗的閑置和掉電模式●片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 圖2.1 AT89C51單片機(jī)的管腳圖2.2 溫度傳感器的選擇由于傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，需要比較多的外部元件支持，且硬件電路復(fù)雜，制作成本相對較高。這里采用 DALLAS 公司的數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 作為測溫元件。2.2.1 DS18B20 性能特點: ●獨特的單線接口方式，DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 6 頁 處理器與 DS18B20 的雙向通訊?！馜S18B20 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫?！馜S18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)?！襁m應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。●溫范圍－55℃～＋125℃，在－10～＋85℃時精度為±0.5 ℃?！窳愦龣C(jī)功耗。●可編程的分辨率為 9～12 位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 0.5℃、0.25℃、0.125℃和 0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫?！裨?9 位分辨率時最多在 93.75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12 位分辨率時最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快?！裼脩艨啥x報警設(shè)置?！駡缶阉髅钭R別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件?！駵y量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給 CPU，同時可傳送CRC 校驗碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力?！褙?fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。以上特點使 DS18B20 非常適用與多點、遠(yuǎn)距離溫度檢測系統(tǒng)。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 7 頁 圖 2.2 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2.2.2 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測溫原理DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。DQ 為數(shù)據(jù)輸入/ 輸出引腳；開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用在寄生電源下，也可以向器件提供電源；GND 為地信號；VDD 為可選擇的 VDD 引腳；當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地.DS18B20 采用 3 腳 PR-35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如上圖所示。閃速 ROM 開始 8 位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有 48 位，最后 8 位是前面 56 位的 CRC 檢驗碼，這也是多個 DS18B20 可以采用一線進(jìn)行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL，可通過軟件寫入戶報警上下限.主機(jī)操作ROM 的命令有五種，如下表所示：指 令 說 明讀ROM（33H） 讀DS1820的序列號匹配ROM（55H） 繼讀完64位序列號的一個命令，用于多個DS1820時黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 8 頁 表2.1 ROM的命令DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EPROM.前2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率.DS18B20 工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。溫度低位 溫度高位 TH TL 配置 保留 保留 保留 8位CRCLSB MSBDS18B20測溫原理當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1，2字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.062 5 ℃/LSB形式表示。溫度值格式如下：23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4LSB MSBS S S S S 26 25 24LSB MSB定位跳過ROM（CCH） 此命令執(zhí)行后的存儲器操作將針對在線的所有DS1820搜ROM（F0H） 識別總線上各器件的編碼，為操作各器件作好準(zhǔn)備報警搜索（ECH） 僅溫度超越極限的器件對此命令做出響應(yīng)黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 9 頁 這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。圖中，S表示位。對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位S=0 時，表示測得的溫度值為正值，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時，表示測得的溫度值為負(fù)值，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計算十進(jìn)制值。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，－55℃的數(shù)字輸出為FC90H。另外，由于 DS18B20 單線通信功能是分時完成的，他有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時程序很重要。系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖） →發(fā) ROM 功能命令→發(fā)存儲器操作命令 →處理數(shù)據(jù)。在正常測溫情況下，DS1820 的測溫分辨力為 0.5℃，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果：首先用 DS1820 提供的讀暫存器指令（BEH）讀出以 0.5℃為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所測實際溫度的整數(shù)部分 Tz，然后再用 BEH 指令取計數(shù)器 1 的計數(shù)剩余值 Cs 和每度計數(shù)值 CD?？紤]到 DS1820 測量溫度的整數(shù)部分以 0.25℃、0.75℃為進(jìn)位界限的關(guān)系，實際溫度 Ts可用下式計算：Ts =（Tz－0.25℃）+(CD－Cs)/CD2.2.3 DS18B20 使用中的注意事項和控制方法DS18B20 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：●DS18B20 從測溫結(jié)束到將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時間，這是必須保證的，不然會出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯誤的現(xiàn)象，使溫度輸出總是顯示85?！裨趯嶋H使用中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)使電源電壓保持在5V 左右，若電源電壓過低，會使所測得的溫度精度降低?！褫^小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS1820 與微處理器間采用串黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 10 頁 行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS1820進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計時，對DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)?！裨?DS18B20的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS18B20 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個DS18B20，在實際應(yīng)用中并非如此，當(dāng)單總線上所掛DS18B20 超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進(jìn)行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意?！裨?DS18B20測溫程序設(shè)計中，向 DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20 時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)，這一點在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。在硬件上，DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，I/O 與單片機(jī)的I/O 線相連；另一種是用寄生電源供電，此時UDD、GND 接地，I/O接單片機(jī) I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5KΩ 左右的上拉電阻。此次設(shè)計選擇的是前面一種控制。CPU對DS18B20的訪問流程是：先對DS18B20 初始化，再進(jìn)行 ROM操作命令，最后才能對存儲器操作，數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時序和通信協(xié)議。如主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。2.3 顯示元件的選擇顯示元件本設(shè)計選擇四位一體的八段共陰極數(shù)碼管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管； 按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 11 頁 應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮.當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出需要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示驅(qū)動靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動.靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機(jī)的I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼的二→十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 5×8＝40 根 I/O 端口來驅(qū)動，要知道一個 89S51 單片機(jī)可用的 I/O 端口才 32個呢，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。動態(tài)顯示驅(qū)動數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃“a，b，c ，d，e，f，g，dp”的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通 COM 端電路的控制，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為 1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 12 頁 第3章 硬件設(shè)計3.1 復(fù)位電路為確保兩點間溫度控制系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般電路正常工作需要供電電源為 5V±5%，即4.75～5.25V復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其目的是使 CPU 及各專用寄存器處于一個確定的初始狀態(tài)。如：把 PC 的內(nèi)容初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要復(fù)位以使其恢復(fù)正常工作狀態(tài)。RST 端的外部復(fù)位電路有兩種操作方式：上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種，本系統(tǒng)設(shè)計采用上電復(fù)位，如圖 3.1 所示。上電復(fù)位是直接將 RST 端通過電阻接高電平來實現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 13 頁 圖 3.1 復(fù)位電路3.2 時鐘電路單片機(jī)的時鐘信號用來提供單片機(jī)內(nèi)各種微操作的時間基準(zhǔn)，時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號。時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩和外部振蕩。本系統(tǒng)設(shè)計采用內(nèi)部振蕩方式，如圖 3.2 所示。MCS-51 單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTALl 和 XTAL2 分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式.本設(shè)計中晶振取 12MHz。圖3.2 時鐘電路3.3 顯示電路黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 14 頁 圖3.3 顯示電路正如前面所說顯示電路采用的元器件為四位一體的八段共陰極數(shù)碼管。采用動態(tài)顯示驅(qū)動形式，電路圖如下。P0.0～P0.7 為數(shù)據(jù)輸入端，根據(jù)所要顯示的不同數(shù)據(jù)從數(shù)組里進(jìn)行調(diào)取。由于 P0 口本身驅(qū)動能力有限，所以需要在 P0 口接上拉電阻，以保證有合適的電流來驅(qū)動數(shù)碼管進(jìn)行顯示。P2.0～P2.3 為位選擇端口，分別控制四位數(shù)碼管的顯示與否。本設(shè)計通過選擇位的不同對四位數(shù)碼管進(jìn)行分別顯示，利用人眼的視覺暫留以達(dá)到顯示數(shù)據(jù)的目的。此電路的優(yōu)點的電路簡單控制方便。可以實現(xiàn)四位數(shù)碼管的分別控制，以便于實現(xiàn)多方面的顯示需求。3.4 測溫電路測溫電路采用的元件即為 DS18B20。測溫電路采用外部供電方式。VCC 接外部電源，GND 接地，I/O 與單片機(jī)的 P2.6 口相連, I/O 口線接 4.7KΩ 左右的上拉電阻。單片機(jī)的數(shù)據(jù)讀取和輸出都通過 P2.6 口與 DS18B20 的 I/O 口進(jìn)行。采用單串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，電路設(shè)計簡單.但對軟件有更多的要求。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 15 頁 圖3.4 測溫電路3.5 控制電路圖3.5 控制電路本電路摒棄了復(fù)雜的矩陣鍵盤電路，而僅僅采用了四個按鍵組成簡單電路來實現(xiàn)需要的控制。不僅降低了硬件的成本，也使編程變的簡單.電路圖如下。四個按鍵分別連接單片機(jī)的 P3.1，P3.0，P3.2 和 P3.3 端。P3.2 和 P3.3 為外部中斷端口，通過他們來進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。而 P3.1 和 P3.0 端口則分別實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的減和增的操作。操作起來簡單易懂，硬件開發(fā)的消耗也大為減少。3.6 報警電路本設(shè)計采用軟件處理報警，利用有源蜂鳴器進(jìn)行報警輸出，采用直流供電。當(dāng)所測溫度超過或者低于所預(yù)設(shè)的溫度時，數(shù)據(jù)口相應(yīng)位拉高電平，報警輸出。（也可采用發(fā)光二級管報警電路，如果需要報警，則只需將相應(yīng)位置 1，當(dāng)參數(shù)判斷完畢后，再看報警模型單元 ALARM 的內(nèi)容是否與預(yù)設(shè)一樣，如不一樣，則發(fā)光報警）。并在電黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 16 頁 路中添加開關(guān)按鍵，只有當(dāng)開關(guān)閉合時才會報警，否則僅僅顯示溫度，通過開關(guān)鍵控制報警，非常方便和容易操作。報警電路硬件連接見圖。蜂鳴器通過 NPN 管連接到單片機(jī)的 P1.7 口，采用外部電源進(jìn)行連接，NPN 起到了電流放大的作用，以保證有足夠的電流去驅(qū)動蜂鳴器進(jìn)行報警。圖3.6 報警電路3.7 整機(jī)電路及工作原理當(dāng)接通電源以后，溫度傳感器正常工作，溫度傳感器將根據(jù)被測溫度的不同來采集不同的數(shù)據(jù)，然后通過計算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的字庫代碼，通過調(diào)用字庫數(shù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字的顯示。通過外部中斷 1 可以進(jìn)行時間顯示與溫度顯示的切換。當(dāng)處于不同的顯示狀態(tài)時可以通過外部中斷 0 來實現(xiàn)時間的調(diào)整和溫度上下限的調(diào)整。P3.0 口實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的增加，每按一下按鈕數(shù)據(jù)會增加一個，為 P3.1 口則實現(xiàn)的數(shù)據(jù)的遞減。在程序中設(shè)定數(shù)據(jù)上下限以防止數(shù)據(jù)的溢出。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 17 頁 圖3.7 原理圖黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 18 頁 第4章 軟件設(shè)計從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、計算、顯示、通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能選擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)實時性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關(guān)系。4.1 主程序模塊主程序主要完成硬件初始化，顯示切換等功能主程序如下：M a i n 函數(shù)定時器 0 初始化獲取溫度限值判斷 d i s p 值進(jìn)行相應(yīng)調(diào)用圖 4.1 主程序流程圖void main( ){Speak=0; //蜂鳴器關(guān)閉TMOD=0x11; //定時器 0 初始化黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 19 頁 IE=0x8f;TCON=0x05;TH0=0X3C;TL0=0XB0;TR0=1;Recall( ); //獲取溫度限值while(1){ switch(disp) { case 0:temp( );break; //溫度顯示 case 1:time( );break; //時間顯示 case 2:tempset( );break; //溫度上下限調(diào)整 case 3:timeset( );break; } //時間調(diào)整 }}4.2 溫度測量相關(guān)模塊DS18B20 初始化程序如下：reset( ){char presence=1;while(presence){while(presence){DQ=1;_nop_( );_nop_( );DQ=0; 黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 20 頁 delay(50); // 550usDQ=1; delay(6); // 66uspresence=DQ;}delay(45); presence = ~DQ;}DQ=1;} D S 1 8 B 2 0 初始化D Q 置 1D Q 清零 ， 復(fù)位延時 5 5 0 u sD Q 置 1延時 6 6 u s獲取 D Q 狀態(tài)延時 2 0 0 u sD Q 置 1結(jié)束圖 4.2 DS18B20 初始化流程圖黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 21 頁 DS18B20 取數(shù)據(jù)圖4.3 DS18B20讀數(shù)據(jù)流程圖程序如下：uchar readbyte(void) {uchar i;uchar value = 0;for (i=8;i>0;i--){DQ=1; _nop_( );_nop_( );value>>=1;黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 22 頁 DQ = 0; //_nop_( );_nop_( );_nop_( );_nop_( ); //4usDQ = 1; _nop_( );_nop_( );_nop_( );_nop_( ); //4us if(DQ)value|=0x80;delay(6); //66μs}DQ=1;return(value);DS18B20 寫數(shù)據(jù)圖4.4 DS18B20寫數(shù)據(jù)流程圖黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 23 頁 程序如下：void writebyte(uchar val){uchar i;for (i=8; i>0; i--) //{DQ=1; _nop_( );_nop_( ); DQ=0; _nop_( );_nop_( );_nop_( );_nop_( );_nop_( );//5usDQ = val&0x01; delay(6); //66usval=val/2; }DQ = 1;delay(1); }溫度讀取與轉(zhuǎn)換及報警程序程序如下：void GetTemp( ){uchar n=0,temp;reset( ); //DS18B20 復(fù)位writebyte(0xCC); // Skip ROMwritebyte(0xBE); // 發(fā)送讀取命令TL=readbyte( ); //讀取溫度低 8 位TH=readbyte( ); //讀取溫度高 8 位reset( ); //復(fù)位黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 24 頁 writebyte(0xCC); // Skip ROMwritebyte(0x44); //發(fā)送轉(zhuǎn)換命令if((TH&0xf8)!=0x00){TH=~(TH);TL=~(TL)+1;n=1;} //負(fù)溫度求補(bǔ)碼if(TL>255)TH++; //數(shù)值轉(zhuǎn)換temp=TL&0x0f;shifen=ditab[temp];temp=((TL&0xf0)>>4)|((TH&0x07)=TH2)) //判斷溫度是否在報警范圍內(nèi)Speak=1;elseSpeak=0;}本設(shè)計將溫度獲取轉(zhuǎn)換程序與報警程序融合在一起，簡化了程序的復(fù)雜度，并且通過硬件開關(guān)來控制報警系統(tǒng)的開通與閉合，更加方便直接.溫度上下限設(shè)置程序黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 25 頁 程序如下：void tempset( ){switch(pic){case 0: v1(TL2/100);v2(TL2/10%10);v3(TL2%10);v4(10);//下限值設(shè)置if(P30==0) //數(shù)值增加 1{delay(600);while(P30==0);++TL2;if(TL2>99)TL2=0;}if(P31==0) //數(shù)值減少 1{delay(600);while(P31==0);if(TL2==0)TL2=99;--TL2;}break; case 1:v1(TH2/100);v2(TH2/10%10);v3(TH2%10); //上限值設(shè)置if(P30==0) //增 1{delay(600);while(P30==0);++TH2;黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 26 頁 if(TH2>99)TH2=0;}if(P31==0) //減 1{delay(600);while(P31==0);if(TH2==0)TH2=99;--TH2;}break;case 2:if(TH260)minter=0;}if(P31==0) //分鐘-1{ delay(600);while(P31==0);if(minter==0)minter=61;--minter; }break;case 2:v1(hour/10);v2(hour%10); //小時修改if(P30==0) //小時+1{delay(600);while(P30==0);++hour; if(hour>24)hour=0;}if(P31==0) //小時-1{delay(600);while(P31==0);if(hour==0)hour=25;--hour;}break;case 3:disp=1;pic=0;}}4.4 中斷相關(guān)程序1、外部中斷黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 29 頁 void intersvr0(void) interrupt 0 { P0=0X00;delay(600); //主要通過改變 pic 值輔助數(shù)據(jù)修改if(disp==0)disp=2;else if(disp==1)disp=3;else++pic; }2、外部中斷void zhuanhuan(void) interrupt 2 { P0=0X00; //通過改變 disp 的值進(jìn)行顯示切換delay(600);++disp; if(disp>1)disp=0;}3、定時器中斷 void int1()interrupt 1 {TH0=0X3C; //重新開始計時，計時時間 50MSTL0=0XB0;++court;if(court==20) //計數(shù) 20 次，分鐘加 1{court=0;++second;黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 30 頁 if(second==60){second=0;++minter;if(minter==60){minter=0;++hour;if(hour==24)hour=0;} }}}4.5 其他相關(guān)程序1、延時程序void delay(uint n) { while(n--); }2、實現(xiàn)調(diào)整時的屏幕閃爍顯示void shanshuo() { ++x;if(x==300){P0=0X00; delay(25000);x=0;}}3、數(shù)碼管顯示程序void v4(int a) //顯示數(shù)碼管第 4 位 { P0=d[a];P23=0;黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 31 頁 delay(15);P23=1;}void v3(int b) //顯示數(shù)碼管第 3 位{P0=d[b]; P22=0;delay(15);P22=1;}void v2(int c) //顯示數(shù)碼管第 2 位{P0=d[c];P21=0;delay(15);P21=1;}void v1(int e) //顯示數(shù)碼管第 1 位{P0=d[e];P20=0;delay(15);P20=1;}黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 32 頁 第5章 Proteus進(jìn)行仿真程序編寫完以后，我們先對其進(jìn)行仿真，初步驗證電路圖和程序的可行性和正確性。5.1 Proteus簡介Proteus 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：1 實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232 動態(tài)仿真、I 2C 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。2 支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：ARM7(LPC21xx)、 8051/52 系列、AVR 系列、PIC10/12/16/18 系列、 HC11 系列以及多種外圍芯片。3 提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2、MPLAB等軟件。 具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和 SPICE 分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。 proteus6.5 是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具，真的很不錯?？梢苑抡?51 系列、AVR、PIC 等常用的 MCU 及其外圍電路（如LCD、RAM、 ROM、鍵盤、馬達(dá)、LED、AD/DA、部分 SPI 器件、部分 IIC 器件、…） 其實 Proteus 與 Multisim 比較類似，只不過它可以仿真 MCU。5.2 Proteus仿真圖為了方便記錄溫度，在初始的時候?qū)r間進(jìn)行設(shè)置。通過 S1 進(jìn)行時間和溫度的切換，來實現(xiàn)對時間的調(diào)整。通過按鈕 S2 對時間的小時和分鐘進(jìn)行切換。S3 對時間的數(shù)值進(jìn)行減一，S4 對時間的數(shù)值進(jìn)行加一。如下圖所示： 黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 33 頁 在初始的時候?qū)囟鹊纳舷拗岛拖孪拗颠M(jìn)行測試，以便于符合實際的生產(chǎn)應(yīng)用。通過 S1 進(jìn)行時間和溫度的切換，來實現(xiàn)對溫度的設(shè)置。通過按鈕 S2 對溫度的上限值和下限值進(jìn)行數(shù)值設(shè)置切換。S3 對溫度的限制值進(jìn)行減一，S4 對溫度的限制值進(jìn)行加黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 34 頁 一。設(shè)置最高報警溫度為 99 度，最低報警溫度零度。如下圖所示，當(dāng)溫度超過設(shè)置的報警溫度的時候，會出現(xiàn)二級管進(jìn)行發(fā)光的情況，從而提示報警。本次軟件調(diào)試通過。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 35 頁 總結(jié)本設(shè)計是利用 AT89C51 芯片控制溫度傳感器 DS18B20，再輔之以部分外圍電路實現(xiàn)對環(huán)境溫度的測取，性能穩(wěn)定，精度度高，而且擴(kuò)展性好.并且通過單片機(jī)的計數(shù)器配合 12MHz 的晶振實現(xiàn)了時間顯示的功能。DS18B20 本身具有保存溫度限值的功能，使得溫度上下限值不容易丟失。由于 DS18B20 的測量精度只有±0.5℃，往往很多場合需要更加精確的溫度，在所測溫度精度不變的基礎(chǔ)上必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。經(jīng)過三個月的學(xué)習(xí)和積累，終于完成了此次課程設(shè)計，雖然有些地方仍存有缺陷但基本的要求都已經(jīng)達(dá)到。在本次設(shè)計的過程中，遇到了許多自己不懂的問題，不熟悉的器件。這個時候通過咨詢老師和查詢資料是最好的解決方法，在牛老師的幫助和指導(dǎo)下我克服了一個個的知識缺陷。掌握了設(shè)計中所需的元器件的應(yīng)用及編程。畢業(yè)設(shè)計重點就在于單片機(jī)硬件方面的設(shè)計和軟件的設(shè)計，硬件電流圖本設(shè)計采用了最簡單的設(shè)計方案。盡量減少了硬件方面的消耗。本次設(shè)計讓我掌握了許多新鮮的知識，自己的很多能力也得到了提高與鍛煉。為以后在社會工作打下了一定基礎(chǔ)。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 36 頁 致謝四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。四年的求學(xué)生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)給一位平凡的人，我的導(dǎo)師。我不是您最出色的學(xué)生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會了基本的思考方式，從論文題目的選定到論文寫作的指導(dǎo)，經(jīng)由您悉心的點撥，再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟，常常讓我有“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”。 感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！ 同時也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計的環(huán)境。 最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 第 37 頁 參考文獻(xiàn)[1]魏偉,胡瑋 ,王永清.51 單片機(jī) C 語言開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)案例詳解[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2010.[2]皮大能,南光群 ,劉金華.單片機(jī)課程設(shè)計指導(dǎo)書[M].北京：北京理工大學(xué)出版社.2010.[3]王質(zhì)樸. 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