温度监控系统设计论文Word文档下载推荐.docx
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1.1选题的目的及意义
随着数字温度计的发展，它已然成为单片机等器材的应用领域.基于单片机的数字温度计的研究开发以及应用，让我更加了解到单片机技术已经成为日常生活和研究领域一个不可或缺的一部分，基于单片机的数字温度计具有电路简单、成本低、测量方便等特点.本文主要介绍如何使用单片机来实现数字温度计的仿真以及其具体步骤.
1.2研究现状
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域.此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途.
数字温度计是数字仪表的基础与核心.它在生活生产学习中有着广泛的应用.
1.3本文工作及其设计方案
本次设计通过单片机的应用，并通过PROTEUS中的虚拟终端观察是否可以实现温度检测的情况，最终完成并实现数字式温度计开发的设计.
在这次设计中我本着先有软件在有硬件的方法去设计.首先我对硬件进行了解，然后开始着手设计软件系统，软件设计完成后开始连电路图，当软件和硬件都设计好了就开始完成最后一步仿真实验.
2基础知识
2.1单片机基础知识
人们往往把运算器和控制器合并称为中央处理单元——CPU.单片机除了进行运算外，还要完成控制功能.所以离不开计数和定时.因此，在单片机中就设置有定时器兼计数器，其基本结构与本连载之
（二）中的举例类似.到这里为止，我们已经知道了单片机的基本组成，即单片机是由中央处理器（即CPU中的运算器和控制器）、只读存贮器（通常表示为ROM）、读写存贮器（又称随机存贮器通常表示为RAM）、输入/输出口（又分为并行口和串行口，表示为I/O口）等等组成.实际上单片机里面还有一个时钟电路，使单片机在进行运算和控制时，都能有节奏地进行.另外，还有所谓的“中断系统”，这个系统有“传达室”的作用，当单片机控制对象的参数到达某个需要加以干预的状态时，就可经此“传达室”通报给CPU，使CPU根据外部事态的轻重缓急来采取适当的应付措施.
单片机指令系统与汇编语言程序
前面已经讲述了单片机的几个主要组成部分，这些部分构成了单片机的硬件.所谓硬件（Hardware），就是看得到，摸得到的实体.但是，光有这样的硬件，还只是有了实现计算和控制功能的可能性.单片机要真正地能进行计算和控制，还必须有软件（Software）的配合.软件主要指的是各种程序.只有将各种正确的程序“灌入”（存入）单片机，它才能有效地工作.单片机所以能自动地进行运算和控制，正是由于人把实现计算和控制的步骤一步步地用命令的形式，即一条条指令（Instruction）预先存入到存贮器中，单片机在CPU的控制下，将指令一条条地取出来，并加以翻译和执行.就以两个数相加这一简单的运算来说，当需要运算的数已存入存贮器后，还需要进行以下几步：
第一步：
把第一个数从它的存贮单元（Location）中取出来，送至运算器.第二步：
把第二个数从它所在的存贮单元中取出来，送至运算器；
第三步：
相加；
第四步：
把相加完的结果，送至存贮器中指定的单元.
2.2
Proteus简介
Proteus
与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU
的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况.因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果.
2.2.1proteus
的工作过程
运行proteus
的ISIS
程序后，进入该仿真软件的主界面.在工作前，要设置view
菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目.通过工具栏中的p（从库中选择元件命令）命令，在pick
devices
窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；
在source
菜单的Definecode
generation
tools
菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；
菜单的Add/removesource
files
命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；
通过debug
菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况.
2.2.2Proteus
软件所提供的调试手段
提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试.对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus
提供了两种方法：
一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况.
对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug
菜单下的execute
菜单项或F12
快捷键启动执行，用debug菜单下的pause
animation
菜单项或pause
键暂停系统的运行；
或用debug
菜单下的stop
菜单项或shift-break
组合键停止系统的运行.
对于软件的分步调试，应先执行debug
菜单下的start/restart
debugging
菜单项命令，此时可以选择stepover
、step
into
和
step
out
命令执行程序（可以用快捷键F10、F11
和ctrl+F11），执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行.在执行了start
/
restart
debuging
命令后，在debug
菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源等，可供调试时分析和查看.
2.3数字温度计简介
2.3.1数字温度计的发展概况
温度测量是电子测量的一个重要内容.随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，测温技术也不断地改进和提高.由于测温范围越来越广，根据不同的要求，又制造出不同需要的测温仪器.如：
气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、高温温度计、指针式温度计、玻璃管温度计、压力式温度计、转动式温度计、半导体温度计、光测高温计、热电偶温度计、液晶温度计.
2.3.2数字温度计的设计背景
随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而温度的测量甚为突出，因为温度的测量最为普遍.传统的模拟温度计，已有百年的发展历史，虽然经过改进，但是仍然远远不能满足测量的需要.近几十年来随着电子技术的发展，经常需要测量高精度的温度，因此数字温度计应运而生，发展的数度很快.
3设计方案及硬件实现
3.1设计方案
3.1.1方案一
由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦.
3.1.2方案二
进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求.
从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二.
方案二设计方框图如图3.2.1：
时钟振荡
图3.2.1方案二设计图
3.2设计所需硬件
AT89C51LCDRESCAP、CAP-ELEC：
电容、电解电容；
CRYSTAL：
晶振
3.2.1AT89C51
AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000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，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案.
AT89C51具有如下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）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（WDT）电路，片内时钟振荡器.
此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式.空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位.同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求.
主要特性：
•8031CPU与MCS-51兼容
•4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）
•全静态工作：
0Hz-24KHz
•三级程序存储器保密锁定
•128*8位内部RAM
•32条可编程I/O线
•两个16位定时器/计数器
•6个中断源
•可编程串行通道
•低功耗的闲置和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路
2．管脚说明：
VCC：
供电电压.
GND：
接地.
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流.当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入.P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位.在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高.
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流.P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故.在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收.
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入.并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流.这是由于内部上拉的缘故.P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位.在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容.P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号.
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流.当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入.作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故.
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号.
IRST：
复位输入.当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间.
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节.在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲.在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6.因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的.然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲.如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0.此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用.另外，该引脚被略微拉高.如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效.
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号.在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效.但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现.
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器.注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器.在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）.
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入.
XTAL2：
来自反向振荡器的输出.
AT89CXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品.
3.2.2LCD显示器
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3.2.2.1所示：
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
2
光标返回
*
3
置输入模式
I/D
S
4
显示开/关控制
D
C
B
5
光标或字符移位
S/C
R/L
6
置功能
DL
N
F
7
置字符发生存贮器地址
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
读出的数据内容
控制命令表
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的.（说明：
1为高电平、0为低电平）
指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置.
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H.
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移.高电平表示有效，低电平则无效.
指令4：
显示开关控制.D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁.
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标.
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符.
指令7：
字符发生器RAM地址设置.
指令8：
DDRAM地址设置.
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙.
指令10：
写数据.
指令11：
读数据.
（二）LCD管脚图如图3.2.1所示：
图3.2.1LCD管脚图
第1脚：
VSS为地电源.
第2脚：
VDD接5V正电源.
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度.
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器.
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作.当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据.
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令.
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线.
第15脚：
背光源正极.
第16脚：
背光源负极.
3.2.3DS18B20
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；
DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装.DS18B20的外形如图3.2.3.1所示：
图3.2.3.1DS18B20的外形
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3所示.头２个字节包含测得的温度信息，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定温度转换的精度位数，来设置分辨率.DS18B20字节定义如表3.2.3.1所示
表3.2.3.1DS18B20字节定义
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
CRC
由表3.2.3.1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.
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
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