基于单片机的温度传感器课设.docx

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基于单片机的温度传感器课设

1绪论

1.1选题的背景与意义

单片机开发学习板自发展以来已走过了近20多个年头的发展改进之路。

单片机开发学习板的改良和发展是基于超大规模集成电路技术及微处理器（MPU）技术之上的，其被应用在各式各样的领域，跟微处理器相比较它更具有个性化发展的潜力。

小到遥控电子玩具，大到航空航天技术等各行各业的电子应用中都有单片机开发学习板的身影。

针对51单片机开发板在电子行业自动化领域的重要应用，为满足广大学生、爱好者、产品研究者能较快地学会掌握单片机这门技术，于是产生51单片机开发板。

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

1.2研究的基本内容与拟解决的主要问题

本次课程设计的课题是：

便携式单片机学习板硬件系统结构设计。

要求：

在Keil和Proteus环境下进行以AT89C52为核心器件的单片机的研究与开发，并完成实际电路的开发；可以在该板上完成LED灯定时亮灭、数码管的动态扫描显示、矩阵键盘的扫描检测、与PC机的串口通信、EEROM芯片的读写、DS1302芯片读写、字符型LCD读写接口、流水灯、AD芯片接口。

等实验。

旨在通过本次设计，实现便携式单片机学习板硬件系统结构设计课题由系统和模块两大部分组成：

以AT89C52单片机为中心控制系统和温度传感器DS18B20模块、电源电路、液晶显示器、键盘、LED显示指示灯等模块。

对于单片机学习板首先要研究它的基本原理和关键技术，只有弄清楚原理才好设计制作。

故对单片机学习板有以下要求：

（1）合理布局，提高电路工作的可靠性。

（2）考虑系统内外部因素来保证单片机系统可靠安全运行。

（3）研究设计单片机各个外围功能模块的驱动软件。

（4）对开发板的功能进行仿真验证。

（5）研究设计单片的最小系统及外围电路，在ALTIUMDESIGNER。

中进行电路的设计。

针对以上问题采用了以下解决方法：

（1）对于那些易产生噪声的器件，应尽量使其远离单片机的逻辑控制电路和存储电路（ROM、RAM），如果可能的话，可以将这些电路另外制成电路板，这样有利于抗干扰。

另外应把相互有关的器件尽量放得靠近些，能获得较好的抗噪声效果。

（2）尽量在关键元件如ROM、RAM等芯片旁安装去耦电容。

尽可能选择典型电路，布线时尽量减少回路的面积。

对于单片机闲置的I/O不要悬空，要接地和电源。

（3）学会使用Keil进行编辑、编译及仿真调试，实现对单片机进行C语言开发。

（4）以Proteus为平台，对单片机外围各个功能模块进行软件仿真验证功能。

1.351系列单片机的结构和功能

51系列单片机是英特尔公司生产的具有一定结构和功能的单片机产品。

它们的基本组成，基本性能和指令系统都是一样的。

一般情况习惯用8051来代表51系列单片机。

一个单片机的系统是由以下几部分组成：

（1）一个8位CPU微处理器。

（2）静态随机存取存储器，能够储存程序运行过程中产生的数据。

（3）程序存储器ROM/EPROM中（4KB/8KB），用来保存程序和一些初始数据。

但是在一些单片机中不使用ROM/EPROM中，如8031，8032，80c系列等。

（4）4个8排的I/O并行接口P0~P3，每个口可以用作输入，也可以用作输出。

（5）2个定时器/计数器，每个定时器/计数器可设置计数用来计数外部事件，可以设置成常用的定时方式，并可以根据计算或结果控制单片机的运行。

（6）五个中断源控制系统。

（7）1个双向串行I/O口的UART（通用异步接收器/发送器UART），用于实现单片机的串行通信。

（8）振荡器和时钟产生电路，需要外部电源的石英晶体微调电路，允许接在12v的振荡频率上。

2系统整体设计

2.1总体设计方案

本开发板共分为十一个模块主要是：

串口通信模块C52单片机主控制器模块、DS18B20模块、4*4矩阵键盘、数码管显示模块、流水灯模块、蜂鸣器模块、USB及下载器模块；其次是：

键盘模块、DS1302时钟模块、AT24C02模块。

其中以C52单片机作为核心控制器；4*4矩阵键盘模块用来显示数码管数字；数码管模块用来显示简单的数字、字母；LCD1602模块用来显示字母、数字、符号；流水灯模块用来显示单片机I/O口电平的变化；蜂鸣器模块用来发出声音；下载器模块用来实现C52单片机的ISP在线编程；USB模块用来提供电源键盘模块用来向单片机输入特定编码的信息；DS1302时钟模块用来实现实时时钟；测温模块用来测量环境温度；AT24C02模块通过IIC总线接口进行数据的存取。

2.2设计原则

开发板系统的扩展和配置应遵循以下设计原则：

（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。

为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

（2）系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。

硬件结构布局和软件设计方案两者之间会互相产生影响，所要顾虑的原则性问题是：

软件能够实现的功能可由它自身来完成，从而来简化硬件的结构布局。

但有需要注意的事项：

硬件功能通过软件来实现的，其一般的回应时间比硬件自身实现更长，与此同时会占用CPU运行的时间。

（4）当单片机开发板上有许多外围电路时，必须要考虑其驱动能力。

如果驱动能力不足，系统工作会具有不可靠性，可通过多放置线驱动器来增强单片机的驱动能力或减少芯片所需功耗来降低总线负载量。

（5）尽可能地向“单片”方向来设计硬件系统。

系统中的器件越多，各器件之间相互干扰也会越强，功耗也会相应地增大，也不可避免地降低了系统的稳定性

第3章硬件部分

3.1硬件结构框图

总体硬件结构主要包括：

串口通信模块C52单片机主控制器模块、测温模块、4*4矩阵键盘、数码显示模块、流水灯模块、蜂鸣器模块、USB及下载器模块键盘模块、DS1302时钟模块、测温模块、AT24C02模块。

硬件结构框图如1所示：

图1总体硬件结构框图

3.2硬件开发工具

3.2.1Protues简介

Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，您不需要别的，Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境！

尤其重要的是ProteusLite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果;功能最强的Proteus专业版也非常便宜，人人用得起，对高校还有更多优惠。

3.3硬件开发工具

3.3.1AltiumDesigner简介

电子产品开发不再是独立的流程。

AltiumDesigner统一了整个设计流程，可在单一、集成的设计流环境中管理开发的所有方面。

AltiumDesigner提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。

AltiumDesigner在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。

并集成了现代设计数据管理功能,使得AltiumDesigner成为电子产品开发的完整解决方案，一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案[8]。

3.4软件开发工具

3.4.1KeilC51概述

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

4硬件电路设计

4.1CPU选型

4.1.1ST89C52单片机简介

本课题是基于C51单片机。

所以选用Philips公司推出的STC89C52完成。

STC89C52是高性能、低功耗的8位微处理器。

有先进的RISC结构，由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

4.1.2ST89C52单片机特性

字节程序存储空间、12字节数据存储空间、带2K字节EEPROM存储空间、直接使用串口下载、T89C52单片机:

8K字节程序存储空间、56字节数据存储空间、带2KB的EEPROM存储空间

4.1.3ST89C52单片机介绍

ST89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

单片机总控制电路图如下图2所示

图2单片机总控制电路图

4.2硬件电路设计

4.2.1C52单片机控制器模块

C52单片机最小系统包括：

时钟电路、复位电路、晶振电路。

原理图如图3所示：

图3C52单片机主控制模块原理图

采用按键复位方式，选取晶振为12MHZ，系统机器周期为1us。

4.2.2DS18B20测温模块

（1）DS18B20简介：

DS18B20是DALLAS半导体公司生产的，是一种单总线温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，有两种封装形式分别为3脚PR-35封装和16脚SSOP封装。

本文采用的是3脚PR-35封装，其具有以下特点：

采用了单总线技术，传感器直接以二进制输出被测温度，可通过串行口线，也可与单机通过I/O口连接；所能测量的温度范围为：

-55℃～+115℃，测量的精度可高达+0.6℃；内包括寄生电源，寄生电源可在两线方式下通过数据线提供，而无需再独自给它供电；转换时间在分辨率为12位（即0.0625℃）时最大为750ms；使用者能分别对每个器件设定温度的上下限；DS18B20在使用时不需要任何外围元件，一只形如三极管的集成电路内包含了全部的传感元件及转换集成电路；当电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能进行正常工作；每个DSl8B20器件对应一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在ROM中，可通过序号匹配实现多点测温。

引脚排列如图4所示:

VDD：

接电源引脚，电源供电3.0～5.5V；

DQ：

数据的输入和输出引脚；

GND：

接地

图4DS18B20引脚图

（2）硬件实现：

DS18B20温度传感器模块的原理图如图5所示：

图5DS18B20温度传感器模块原理图

单片机与DS18B20通过P3.5相连，作为数据/控制信号线。

4.2.3数码管显示模块

数码管显示模块由三部分构成：

（1）4位一体显示数码管。

（2）4个8550三极管。

（3）电阻。

1）四位显示数码管是一种半导体发光器件，它的基本单元由发光二极管组成。

能显示4个数码管叫四位数码管。

数码管可以按段数进行分类：

七段数码管和八段数码管，七段数码管比八段数码管少一个发光二极管单元（少一个小数点显示）；发光二极管单元连接方式可以分为共阳极式连接和共阴极式连接。

共阳数码管的连接方式是将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

使用共阳数码管时应将公共极COM接到+5V电源上，当