基于单片机的温度测量系统Word格式文档下载.docx
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目录
摘要I
AbstractII
目录III
1引言1
1.1选题的背景1
1.2选题的目的及意义2
1.3论文结构2
2设计的整体方案3
2.1设计的主要内容3
2.2设计性能要求4
3器件的选择5
3.1单片机的选择5
3.1.1AT89S52的特点及选择原因5
3.1.2AT89S52的工作模式及注意事项6
3.2温度传感器的选择8
3.2.1DS18B20的特点及选择原因8
3.2.2DS18B20的测温原理10
3.3显示器的选择11
4电路原理13
4.1晶振电路与复位电路13
4.2温度采集电路15
4.3显示电路16
4.4报警系统17
4.5按键电路和指示灯电路18
5程序原理及系统流程图19
5.1主程序19
5.2读出温度子程序20
5.3温度数据显示子程序22
5.4设置温度上下限程序23
5.4计时时间设置25
6软件仿真26
6.1软件介绍26
6.2仿真过程26
7实物的焊接与调试29
8体会与展望31
8.1设计总结31
8.2设计前景32
致谢33
参考文献34
附录A系统总图35
1引言
1.1选题的背景
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的。
单片机在测控领域中具有十分广泛的应用，它既可以测量电信号，又可以测量温度湿度等非电信号。
由单片机构成的温度检测、温度控制系统可广泛应用于很多领域。
单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。
今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。
时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。
人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。
测量温度的关键是温度传感器，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域。
温度传感器的发展经历了三个发展阶段：
传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。
目前的智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）。
社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
1.2选题的目的及意义
随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统应用于诸多领域。
无论是在工业方面，农业方面或者是平民大众的生活当中，我们都能看到温度计的身影。
传统的温度检测以热敏电阻和AD590为温度敏感元件。
热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差。
测温准确度低，检测系统也有一定的误差。
因此，利用新型温度传感器取代旧式的温度传感器是必然的趋势，新型的温度传感器的优势越来越得到体现，越来越普及。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。
本设计的温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，测温传感器使用DS18B20，LCD以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。
同时计时器的应用，使得温度计在使用时能够提示运行时间，设置报警时间等。
1.3论文结构
第一章主要介绍了此设计的历史背景和存在的意义。
第二章主要通过叙述设计的整体思路，即如何将单片机，温度传感器和显示屏结合在一起以达到设计目标。
第三张主要叙述了选择AT89S52单片机和DS18B20的原因，还简要叙述了显示设备。
第四章主要选取合适的引脚连接电路。
第五章主要分析编程过程中，如何利用流程图来编写合适的程序；
第六章通过仿真软件来模拟温度计，为实物的焊接做准备；
第七章记录了在焊接过程中遇到的问题，和在焊接完后，遇到的问题和解决方法；
第八章客观评价本设计存在的优缺点，及作品的发展。
2设计的整体方案
2.1设计的主要内容
根据系统的设计要求，当温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89S52单片机上，经AT89S52处理，将把温度在显示电路上显示，除了显示温度以外还可以设置一个报警温度，对所测温度进行监控。
利用外接的键盘设置电路，对温度进行上下限设置。
当温度高于或低于设定温度时，开始报警并启动相应程序。
同时，系统还会显示温度计已经工作的时间，方便用户进行简单的人机对话。
当开机后，计数器自动运行，开始记录已开机时间，在进行上下限操作时，计时的功能不关闭，持续计时。
同时，能够设置报警温度，在到达报警时间后能够提示报警。
利用AT89S52芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。
系统框图如下图：
图1-1系统框图
选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89S52为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。
选用数字温度传感器DS18B20，输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路，省却了采样／保持电路、运放、数／模转换电路以及进行长距离传输时的串／并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。
当LCD液晶显示器接收到来自AT89S52单片机传送来的温度信息后，分别显示了当前的温度，温度上限，温度下限和温度计运行时间。
2.2设计性能要求
设计的主要功能和指标如下：
（1）提示开机，当按下开机键后，响起开机声。
（2）利用温度传感器（DS18B20）测量某一点环境温度。
（3）测量范围为-55℃～＋110℃，精度为±
0.5℃。
（4）用液晶进行实际温度值显示。
（5）能够根据需要方便设定上下限报警温度。
（6）当达到报警温度后，能够自动发出报警声。
（7）显示测温时间，方便控制。
（8）设计开机时间报警功能。
3器件的选择
本设计是选用DS18B20作为温度传感器，选用AT89S52单片机作为整个设计的核心处理器部分。
通过处理作为温度传感器传输的温度信息后，将处理后的信息传输给LCD液晶显示器。
所以用到的器件有AT89S52、DS18B20、LCD等。
3.1单片机的选择
3.1.1AT89S52的特点及选择原因
AT89S52作为温度测试系统设计的核心器件．该器件是INTEL公司生产的MCS一5l系列单片机中的基础产品，采用了可靠的CMOS工艺制造技术．具有高性能的8位单片机，属于标准的MCS一51的CMOS产品。
片内含8Kbytes的可贩毒擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件兼容标准的MCS-51指令系统。
片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。
结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征。
其具有如下性质：
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（2）8K字节可重擦写Flash闪烁存储器。
（3）寿命：
1000写/擦循环。
（4）数据保留时间：
10年。
（5）全静态工作：
0Hz-24Hz。
（6）三级程序存储器锁定。
（7）128*8位内部RAM。
（8）32可编程I/O线。
（9）三个16位定时器/计数器。
（10）8个中断源。
（11）可编程串行通道。
（12）低功耗的闲置和掉电模式。
（13）片内振荡器和时钟电路。
AT89S52单片机提供以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
由于此设计需要编写程序，需要将程序烤入单片机中，因此单片机必须具有足够多的存储空间，其具有8K字节的Flash完全满足要求。
32位的I/O口线能够使得单片机与温度显示器、温度传感器、键盘、报警电路、按键电路和指示灯连接等等变得可能。
16位的定时计数器使得读取数据变得更加简单，同时其结构有利于晶振电路和复位电路的连接。
最重要的是，能够在掉电状态下保存RAM内的数据。
同时，与同类51单片机相比，AT89S52具有更强的可操作性。
因此，对于本设计来说，选择AT89S52是最有利的。
3.1.2AT89S52的工作模式及注意事项
AT89S52单片机有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。
这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源控制寄存器）中的PD（PCON1）和IDL（PCON0）位来实现的。
PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。
IDL是空闲等待方式，当IDL=1，激活空闲工作模式，点偏激进入睡眠状态。
如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。
在空闲工作状态下，CPU保持睡眠状态而所有的片内的外设都保持激活状态，这种方式由软件产生，此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。
空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
终止空闲工作模式的方法有两种，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RST1（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式的那条指令后面的一条指令。
其二是通过硬件复位可以将空闲工作模式终止。
需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的吓一跳指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其他端口。
为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲状态的那条指令后一条指令不应是一条端口或外部存储器的写入指令。
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令。
片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。
退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但并没有因此改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，但必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。
AT89S52单片机具有一些极限参数：
（1）工作温度：
-55摄氏度至+125摄氏度
（2）储藏温度：
-65摄氏度至+150摄氏度
（3）任一引脚对地电压：
-1.0V至+7.0V
（4）最高工作电压：
6.6V
（5）直流输出电流：
15.0mA
表3-1空闲和掉电模式外部引脚状态
模式
程序存储器
ALE
PSEN
P0
P1
P2
P3
空闲模式
内部
1
数据
外部
浮空
地址
掉电模式
3.2温度传感器的选择
3.2.1DS18B20的特点及选择原因
DS18B20是美国DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单总线数字式温度传感器，它在转换速度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较之前产品有了很大的改进，给用户带来了更方便、更令人满意的效果。
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
温度测量范围为-55～+125摄氏度，可编程为9位～12位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；
其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；
多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DQ为数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源；
GND为地信号；
VDD为可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；
另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。
无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻.
DS18B20的性能特点如下：
独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
图3-1DS18B20内部结构框图
DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
其具有9条特点：
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
（2）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±
（3）零待机功耗。
（4）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
（5）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
（6）用户可定义报警设置。
（7）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。
（8）结果直接输出数字温度信号，以"
一线总线"
串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
DS18B20作为新型的一线器件，能够方便的和中心处理器进行连接，并具有很大的扩展空间。
温度范围较广，使得整体的测温范围能大幅度的上升，零待机消耗更是起到了节能的作用。
利用用户能自定义报警设置这一特点，能够在实现报警功能上得到很大的便利，同时极强的抗干扰性能使得温度的检测更加准确，作为温度计最基本的要求，准确必须满足。
这些好处使得DS18B20最终被选择。
3.2.2DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理如图3-2所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量.计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
首先用DS1820提供的读暂存寄存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度整数部分T整数，然后再用BEH指令读取计数器1的计数剩余值M剩余和每度计数值M每度，考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度T实际可用下式计算得到：
T实际=（T整数－0.25℃）+（M每度－M剩余）/M每度。
图3-2DS18B20测温原理图
3.3显示器的选择
由于设计中要求同时显示测试温度、温度上限、温度下限和开机时间，因此显示屏首先要能够一次性容纳这些字符。
工作电压不能太高，与单片机的连接方式需要简单，显示准确。
本设计中采用的是1602型LCD液晶屏能够很好的满足这些要求。
此液晶属于工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要2～3伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线，比传统的数码LED显示器显示的界面有了质的提高。
在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。
1602拥有很多出色的优点：
（1）显示质量高，由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。
（2）数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单操作也很方便。
（3）功率消耗小，相比而言液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动IC上，因而耗电量比其他器件要小很多。
4电路原理
整个设计的电路包括了最小系统电路、温度控制电路、温度显示电路、按键电路和报警电路五部分电路组成。
4.1晶振电路与复位电路
晶振电路和复位电路与单片机连接构成最小系统电路，如何选取合适的引脚，选取何种连接方式都至关重要。
因此需要了解AT89S52的引脚特点。
图4-1AT89S52单片机引脚图
在晶振电路中，主要用到了XTAL1和XTAL2两个引脚。
（1）XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
（2）XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
在晶振电路中，AT89S52具有两种晶振方式，一种是片内时钟振荡方式，但需要在引脚外接石英晶体和振荡电容，振荡电容的值一般取10-30pf。
另一种是外部时钟方式，即将XTAL1接外部时钟，X
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