海产养殖温度报警器1.docx
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海产养殖温度报警器1
一、课程设计题目
《----------------》
二、课程总体设计要求
1、设计说明书
2、系统硬件电路原理图
3、软件流程图及程序
4、系统仿真及系统仿真图
三、课程设计具体内容要求
1、根据课程设计题目的要求，进行实施方案的分析，制定相应的总体控制模块方案及框图。
2、根据总体设计控制模块方案，分别设计各独立控制模块方案及绘出该控制模块方框图。
3、根据各独立控制模块方案，设计各独立模块内的电路。
4、根据各模块内的相应单元电路设计结果，查阅资料，选择元件或集成电路型号。
5、将个模块电路进行电气连接，完成硬件控制系统电气原理图的设计。
6、绘出硬件控制系统电气原理图。
（无阴影）
7、绘出系统仿真电气原理图。
8、列出电路使用的元器件和集成电路明细表
9、绘出硬件控制系统电气原理图。
10、软件设计需要设计程序流程图和编写程序。
11、写出设计小结和参考文献
四、根据课程设计任务书的要求，写出课程设计报告。
摘要：
随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同种类的传感器，可实现诸如电压、湿度、温度、速度、硬度、压力等的物理量的测量。
本文将介绍一种基于单片机控制理论及其应用系统设计的数字温度计。
本文主要介绍了一个基于AT89C51单片机的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机喜爱的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也进行一一介绍，该系统可以方便的是实现温度采集和显示，并可以根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合我们日常生活和工农业生产中的温度测量，也可以当做温度处理模块嵌入其他系统中，作为其他主系统的辅助扩展。
DS18B20和AT89C51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合与恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。
本设计首先是确定目标，气候是各个功能模块的设计，再在Proteus软件上进行仿真，修改，仿真。
本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。
关键词：
单片机，数字控制，温度计，DS18B20，AT89C51
目录独立一页
海产养殖温度报警器
1.绪论
单片机技术作为计算机技术的一个分支，广泛地应用于工业控制，智能仪器仪表，机电一体化产品，家用电器等各个领域。
“单片机原理与应用”在工科院校各专业中已作为一门重要的技术基础课而普遍开设。
学生在课程设计，毕业设计,科研项目中会广泛应用到单片机知识，而且，进入社会后也会广泛接触到单片机的工程项目。
鉴于此，提高“单片机原理及应用”课的教学效果，让学生参与课程设计实习甚为重要。
单片机应用技术涉及的内容十分广泛，如何使学生在有限的时间内掌握单片机应用的基本原理及方法，是一个很有价值的教学项目。
为此，我们进行了“单片机的学习与应用”方面的课程设计，锻炼学生的动脑动手以及协作能力。
单片机课程设计是针对模拟电子技术，数字逻辑电路，电路，单片机的原理及应用课程的要求，对我们进行综合性实践训练的实践学习环节，它包括选择课设任务、软件设计，硬件设计，调试和编写课设报告等实践内容。
通过此次课程设计实现以下三个目标:
第一，让学生初步掌握单片机课程的试验、设计方法，即学生根据设计要求和性能约束，查阅文献资料，收集、分析类似的相关题目，并通过元器件的组装调试等实践环节，使最终硬件电路达到题目要求的性能指标；第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础，毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。
第三，培养学生勤于思考乐于动手的习惯，同时通过设计并制作单片机类产品，使学生能够自己不断地学习接受新知识（如在本课设题目中存在智能测温器件DS18B20，就是课堂环节中不曾提及的“新器件”），通过多人的合作解决现实中存在的问题，从而不断地增强学生在该方面的自信心及兴趣，也提高了学生的动手能力，对学生以后步入社会参加工作打下一定良好的实践基础。
2.方案选择
2.1阐述设计要求
（1）基本范围-20℃——125℃
（2）精度误差小于0.5℃
（3）LED数码直读显示
（4）可以任意设定温度的上下限报警功能.
2.2系统方案设计方框图
单片机芯片的选取：
方案一.
采用89C51芯片作为硬件核心，利用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
方案二:
采用AT89C51单片机与MCS-51系列单片机相比有两大优势：
第一，片内程序存储器采用闪存，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路的体积更小，且管脚数目为20个，与MCS-51相比减少一倍，使理解更容易。
综上所述：
本课设中单片机芯片采用AT89C51。
温度传感器的选取：
方案一：
采用热敏电阻传感器。
利用热敏电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化，进而制成温度计。
但是其测温传感器比较复杂，而且不易通过编制程序来控制测温精度，增大系统设计的难度。
方案二：
采用DS18B20温度传感器。
DS18B20的内部3脚（或8脚）封装；使用特有的温度测量技术，将被测温度转换成数值信号；3.0～5.5V的电源供电方式和寄生电源供电方式；ROM由64位二进制数字组成，共分为8个字节；RAM由9个字节的高速暂存器和非易失性电擦写ROM组成。
综上所述：
温度传感器选取智能测温器件DS18B20。
本设计显示电路采用1602液晶显示模块芯片。
2.3确定系统方案及框图
综上各方案所述,对此次课设的方案选定:
采用AT89C51作为主控制系统;1602液晶显示模块芯片作为温度数据显示装置;而智能温度传感器DS18B20器件作为测温电路主要组成部分。
至此，系统最终方案确定。
3.功能模块设计
3.1功能模块描述（分别画出各功能模块图，阐述各功能模块功能）
显示模块：
显示当前温度。
报警模块：
当温度过低时蓝指示灯亮并报警，当温度过高时红指示灯亮并报警。
温度检测电路：
检测当前温度并传入单片机中。
报警温度调整键：
调整温度k1键只是显示华氏温度，k2键按下不松开显示高低报警温度，松开后恢复显示正常温度，k4键和k3键是分别用来调节高低报警温度。
3.2功能模块设计（分别独立设计各功能模块电路）
（1）分别画出各功能模块电路原理图
晶振控制和复位电路模块
晶振与复位系统
单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
晶振采用12MHZ。
复位电路采用上电加自动复位。
报警温度调整键模块
报警温度调整键
本系统一共设置了五个按键，k1键只是显示华氏温度，k4键按下不松开显示高低报警温度，松开后恢复显示正常温度，k2键和k3键是分别用来调节高低报警温度，k键控制调节时的上调或下调。
具体调节如将高温报警温度调高，第一步将k4键按下不松，k键升起位置，调节k2键，则高温报警温度向上增加，反之亦然。
低温报警同理。
ＬＣＤ显示模块
LCD显示电路
1、液晶显示原理：
液晶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，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
2、液晶显示器的分类：
液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。
除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。
3、液晶显示器各种图形的显示原理：
线段的显示：
点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。
这就是LCD显示的基本原理。
字符的显示：
用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。
汉字的显示：
汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。
双重报警模块
报警电路
当温度过高时LED-RED指示灯亮，则SOUNDER通电从而蜂鸣器发音；当温度过低时LED-BLUE指示灯亮，SOUNDER也通电蜂鸣器也报警。
即当温度过高或过低时，蜂鸣器和指示灯能够实现双重报警。
温度检测模块
温度检测电路
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：
（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，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。
（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网测温；
（3）无须外部器件，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；
（4）可通过数据线供电，电压范围为3.0-5.5Ｖ；
（5）零待机功耗；
（6）温度以9或12位数字，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；
（7）用户可定义报警设置；
（8）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；
（9）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；
（10）测量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采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其引脚排列及内部结构框图如图及测温原理图如下所示：
引脚排列
内部结构框图
DS18B20测温原理图
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4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5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，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
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
保留
保留
CRC
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
DS18B20的字节定义
DS18B20的分辨率定义如表1所示
表1分辨率设置表
R0
R1
分辨率
最大温度转移时间
0
0
9位
96.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
由表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。
主机控制DS18B20完成温度转换过程是：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，即将数据总线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待16-60us左右，之后发出60-240us的存在低脉冲，主CPU收到此此信号表示复位成功；复位成功后发送一条ROM指令，然后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预订的读写操作。
表2ROM指令集
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS18B20中的编码
符合ROM
55H
发出此命令后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该编辑相对应的DS18B20使之做出响应，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的DS18B20个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作准备
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发送温度变换指令
告警搜索命令
0ECH
执行后，只有温度跳过设定值上限或下限的片子才能做出反应
表3RAM指令集
指令
约定代码
功能
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换
读暂存器
0BEH
读暂存器9个字节内容
写暂存器
4EH
将数据写入暂存器的TH、TL字节
复制暂存器
48H
把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中
重调E2RAM
0B8H
把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节
读供电方式
0B4H
启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU
DS18B20的测温原理是这这样的,器件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振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
器件中还有一个计数门，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，首先将最低温所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在最低温所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。
单片机模块
单片机
（1）AT89C51功能特性概述
目前市面上使用的比较普遍的51系列单片机是AT89C51。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准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，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
其主要性能参数如下：
（a）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（b）4k字节可重擦写Flash闪速存储器
（c）1000次擦写周期
（d）全静态操作：
0Hz－24MHz
（e）三级加密程序存储器
（f）128×8字节内部RAM
（g）32个可编程I／O口线
（h）2个16位定时／计数器
（i）6个中断源
（j）可编程串行UART通道
（k）低功耗空闲和掉电模式
AT89C51的引脚排列图
AT89C51单片机提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C51单片机的基本组成图
（2）AT89C51的内存空间
1、内部程序存储器（FLASH）4K字节。
2、外部程序存储器（ROM）64K字节。
3、内部数据存储器（RAM）256字节。
4、外部数据存储器（RAM）64K字节。
表3-2程序存储器的6个特殊地址
0000H
上电或复位入口地址
0003H
000BH
0013H
001BH
0023H
外部中断0入口地址
定时器T0中断入口地址
外部中断1入口地址
定时器T1中断入口地址
串口中断入口地址
在上述事件发生时，PC指针获得固定的地址，然后CPU执行PC指针所指地址单元内的程序。
AT89C51的存储器结构
4.系统硬件原理图（系统软件流程图）
温度报警器硬件原理图
5.系统仿真及仿真图
系统仿真图
6.设计小结
我通过基于典型单片机ATC单片机的设计和应用，对于单片机工作原理，功能有了宏观的了解，并对单片机汇编程序的应用有了新的、进一步的认识。
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是下手很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路。
另外单片机系统的知识似懂非懂，而且很多知识当时弄明白了，现在要用的时候又不记得，造成我用了大量的时间去查阅各种资料和程序命令，因此整个过程时间安排不合理。
由于设计的计划没有安排好，设计的时间极为仓促，尤其是在硬件调试的过程中出现了很大的问题。
另外资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助。
开发与调试的过程中，我们遵循由易到难，由简到繁，循序渐进的过程。
我们将具体过程分为以下五个步骤进行：
（1）理论准备，重点是各元件应用环境的熟悉。
（2）将系统划分为传感器，稳压电路，功率放大器集成电路三大模块。
（3）初步设计制作实现上述各模块的功能。
（4）组装系统，测试系统的整机性能。
（5）系统调试。
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8.附录
（1）电路元器件表
器件名称
型号
数值
生产厂家
备注
电阻
10k
1
电容
22pF
2
极性电容
10uP
1
晶振
CRYSTAL
1
开关
BUTTON
5
排阻
RESPACK-8
1
LCD显示器
LM016L
1
温度传感器
DS18B20
1
升级会员 