单片机温度采集显示系统设计.docx

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单片机温度采集显示系统设计

课程设计

课程名称：

微机原理与接口技术课程设计

题目名称：

温度采集显示系统

学生学院

专业班级

学号

学生姓名

指导教师

一、设计题目

温度采集系统

二、设计任务和要求

功能要求：

（1）温度测量范围0-99℃。

（2）温度分辨率±1℃。

（3）选择合适的温度传感器。

（4）使用键盘输入温度的最高点和最低点，温度超出范围时候报警。

（报警温度不

需要保存）

要求完成的内容：

（1）系统硬件设计，并用电子CAD软件绘制出原理图，

（2）给出流程图，编写并调试程序。

（3）撰写设计报告。

三、原理电路图和设计程序

1、方案比较

（1）、系统总体方案设计

总体框架图如图1示，软件流程图如图示

①　该温度控制系统的设计包括硬件设计和软件设计两大部分，结合实际情况，该系统应具备如下功能：

　　A、实时采集温度；

　　B、显示温度；

　　C、串行传送数据；

　　D、控制外设；

　　E、温度超限报警；

　②系统硬件设计

　　系统的硬件设计部分主要由以下几部分组成：

　　A、单片机最小系统；

　　B、温度采集模块；

　　C、温度显示模块；

　　D、串行通信模块；

　　E、报警电路；

图2软件流程图

（2）、方案比较

方案一采用8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温。

此方案简易可行,器件的价格便宜,但8031内部没有程序存储器,需要扩展,增加了电路的复杂性,且ADC0809是8位的模数转换,不能满足本题目的精度要求。

方案二采用比较流行的AT89S51作为电路的控制核心,AT89S52不但与8051，8052指令，管脚完全兼容，而且其片内的程序存储器采用FLASH工艺，用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。

AT89S52单片机还支持在线编程，用户通过简单的电路连接就可以将电脑里的程序下载到单片机中，减少调试程序时不断拆卸和插入给芯片带来的损坏。

此外AT89S52单片机有8KB的程序存储器和256B的数据存储器，不需外部扩展存储芯片，可以降低硬件电路的复杂度。

此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。

综上分析,我们采用方案二。

仿真总体电路图如图3示

图3

图3

（3）、单元电路设计

①、单片机最小系统设计

单片机是整个系统的核心处理器，其负责驱动温度传感器DS18B20工作、温度显示、控制外围设备的工作以及与上位机进行通信等工作。

单片机最小系统主要由两块组成，其一为晶振起振电路，其二为复位电路，在此，采用按键手动复位，相对来讲，这种复位方式更加方便，更加人性化，不必要切断电源即可对系统进行复位。

AT89S51简介：

AT89S52是89系列单片机的一种，它不但与8051，8052指令，管脚完全兼容，而且其片内的程序存储器采用FLASH工艺，用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。

AT89S52单片机还支持在线编程，用户通过简单的电路连接就可以将电脑里的程序下载到单片机中，减少调试程序时不断拆卸和插入给芯片带来的损坏。

此外AT89S52单片机有8KB的程序存储器和256B的数据存储器，不需外部扩展存储芯片，可以降低硬件电路的复杂度。

②、温度采集模块设计

温度传感器是该系统的关键器件，本系统选用的是美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DS18B20。

本系统中DS18B20的DQ口与单片机的P1.0口连接，GND接地，VDD接电源，信号和5V电源之间的接上一个上拉电阻R。

DS18B20简介：

DS18B20有三个主要数字部件组成：

64位激光ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL。

DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，在-10~+85°C范围内，精度为±0.5°C。

DS18B20采集到的现场温度直接以先进的单总线数据通信方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

DS18B20可程序设定9~12位的分辨率，精度可达±0.5°C。

DS18B20具有内置的EEPROM，用户设定的分辨率和报警温度都可存储在其中，且掉电后依然存在。

CPU只需一根端口线就能与DS18B20进行通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

与前一代产品（DS1820温度传感器）不同，DS18B20支持3.0V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便，而且DS18B20价格更便宜，体积更小。

　如图J1所示，　DS18B20有三个管脚：

3脚GND为电源地，2脚DQ为数字信号输入/输出端，1脚VDD为外接供电电源接入端（用寄生电源方式时接地）。

在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，

此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，

可以保证转换精度，同时理论上总线可以挂接任意

多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。

在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，

否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。

③温度显示模块设计

根据实际应用情况，该温度显示模块采用七段数码管显示电路，

数码管选用共阳极数码管，如图U3示，以动态方式显示，显示数据

由P1口送出，位控信号由P2口送出，经74LS244进行信号放大，

以产生足够大的电流驱动数码管显示。

流程图如图示：

④串行通信模块设计

　　AT89S52单片机内部含有一个可编程全双工串行通信接口，由TXD引脚来传送串行数据，而由RXD引脚来接收数据。

该接口具有UART（通用异步接收和发送器）的全部功能，它不仅能同时进行数据的发送和接收，也可作为一个同步移位寄存器使用，可构成双机或者多机通信系统。

⑤报警电路设计

　　本设计采用蜂鸣器报警电路，它由晶体管和蜂鸣器组成。

当温度的测量值超出给定的上下限时，由单片机的P3.7口输出信号控制晶体管导通，则蜂鸣器报警。

⑥系统软件设计

本系统采用AT89S52作为核心处理器件，把经过DS18B20现场实时采集到的温度数据，存入AT89S52的内部数据存储器，并送LED数码管显示，并与温度的设定值进行比较，然后由单片机输出控制信号去控制外部设备。

进行温度控制程序的设计还应考虑越限报警，当采集到的温度值与温度的设置值进行比较后，若发现当前温度值越限，则产生报警信号。

与硬件电路相关联，本温度控制系统的软件设计主要分为以下几个部分：

主程序，温度上下限值设定子程序、温度读取子程序、温度显示子程序、串口通信子程序、输出控制子程序和报警子程序等。

其中温度上下限值设定子程序完成对温度范围值的设定及数据保存；温度读取子程序完成对温度传感器数据的读取，并通过温度显示子程序显示温度值；串口通信子程序将采集到的温度数据传送到PC机，以实现远程监控；输出控制子程序根据采集到的温度数据完成对外部设备的控制；报警子程序则当采集到的温度数据超过设定的温度上下限值时报警。

整个运行程序，见电子版

下面是测温程序段：

sbitDQ=P3^3;//定义DQ引脚为P3.3

/*******************************延时函数********************************

*功能：

在11.059MHz的晶振条件下调用本函数需要24μs，然后每次计数需16μs

**************************************************************************/

voidDS18_delay（intuseconds）{

ints;

for（s=0;s

}

/*******************************复位函数*******************************

*功能：

完成单总线的复位操作。

*复位时间为480μs，因此延时时间为（480-24）/16=28.5，取29μs。

*经过70μs之后检测存在脉冲，因此延时时间为（70-24）/16=2.875，取3μs。

**************************************************************************/

unsignedcharow_reset（void）{

unsignedcharpresence;

DQ=0;//将DQ线拉低

DS18_delay（29）;//保持480μs

DQ=1;//DQ返回高电平

DS18_delay（3）;//等待存在脉冲

presence=DQ;//获得存在信号

DS18_delay（25）;//等待时间隙结束

return（presence）;//返回存在信号，0=器件存在,1=无器件

}

/******************************位写入函数*******************************

*功能：

向单总线写入1位值：

bitval

*************************************************************************/

voidwrite_bit（charbitval）{

DQ=0;//将DQ拉低开始写时间隙

if（bitval==1）DQ=1;//如果写1，DQ返回高电平

DS18_delay（5）;//在时间隙内保持电平值，

DQ=1;//DS18_delay函数每次循环延时16μs，因此DS18_delay（5）=104μs

}

/****************************字节写入函数*******************************

*功能：

向单总线写入一个字节值：

val

*************************************************************************/

voidds18write_byte（charval）{

unsignedchari;

unsignedchartemp;

for（i=0;i<8;i++）{//写入字节,每次写入一位

temp=val>>i;

temp&=0x01;

write_bit（temp）;

}

DS18_delay（5）;

}

/****************************位读取函数********************************

*功能：

从单总线上读取一位信号，所需延时时间为15μs，因此无法调用前面定义

*的DS18_delay（）函数，而采用一个for（）循环来实现延时。

************************************************************************/

unsignedcharread_bit（void）{

unsignedchari;

DQ=0;//将DQ拉低开始读时间隙

DQ=1;//thenreturnhigh

for（i=0;i<3;i++）;//延时15μs

return（DQ）;//返回DQ线上的电平值

}

/****************************字节读取函数*******************************

*功能：

从单总线读取一个字节的值

*************************************************************************/

unsignedcharDSread_byte（void）{

unsignedchari;

unsignedcharvalue=0;

for（i=0;i<8;i++）{//读取字节，每次读取一个字节

if（read_bit（））value|=0x01<

DS18_delay（6）;

}

return（value）;

}

/*******************************读取温度函数*****************************

*功能：

如果单总线节点上只有一个器件则可以直接掉用本函数。

如果节点上有多个器

*件，为了避免数据冲突，应使用MatchROM函数来选中特定器件。

*注：

本函数是根据DS1820的温度数据格式编写的，若用于DS18B20，必须根据

*DS18B20的温度数据格式作适当修改。

**************************************************************************/unsigned

intReadTemperature（void）{

unsignedcharget[10];

unsignedchartemp_lsb,temp_msb;

unsignedintt;

unsignedchark;

ow_reset（）;

ds18write_byte（0xCC）;//跳过ROM

ds18write_byte（0x44）;//启动温度转换

DS18_delay（5）;

ow_reset（）;

ds18write_byte（0xCC）;//跳过ROM

ds18write_byte（0xBE）;//读暂存器

for（k=0;k<2;k++）{get[k]=DSread_byte（）;}

temp_msb=get[1];//Signbyte+lsbit

temp_lsb=get[0];//Tempdatapluslsb

t=temp_msb*256+temp_lsb;

t=t&0x0ff0;

if（t<0xff&&t>0xf0）

t=（-1）*t;

returnt>>4;

//temp_f=（（（int）temp_c）*9）/5+32;

//输出华氏温度值

}

⑦、软件清单

四、电路仿真

使用protel99se仿真软件仿真，优点在于此软件为这学期刚刚学的一款电子电路软件，使用起来比较熟悉和顺手，且不用花过多的时间在软件学习，缺点在于，此仿真软件对于单片机类实例进行不了仿真，也就相当于没有仿真数据，这样会容易出错，但是AT89S52刚刚好能够弥补这个缺陷，所以还是选择用protel99se来做仿真实验。

电路原理图如下图示：

电路版的预览图如下图示：

PCB打印预览图

该设计的pcb图见附图：

完整的PCB图

五、总结

通过此次课程设计，我学到了很多很多新的知识，同时，也加深了对旧知识的了解和认知。

不管是从动手能力还是理论学习上讲，这次课程设计都让我有了一定的提高。

首先是对单片机芯片AT89S52的学习，之前我们学的89C51系列的，前者对于后者来讲，比较先进和高级，而且更加贴近于我们的生活。

鉴于自己对AT89S52的一点认识也没有，所以一切只能从头开始学起，从到图书馆找资料到网上查找，从一个人奋战到找同学帮助，一点一滴地，从无到有，在不断的努力之下，我终于也了解到一点点AT89S52单片机芯片的工作原理和功能了

接着便是DS18B20温度传感器的学习，AT89S52单片机芯片还可以从89C53系列找相似之处，但DS18B20就完全没有了，不过，还好，现代DS18B20的应用技术也比较普遍和熟练，所以能找得到比较多的资料区了解和学习。

一门比较成熟的技术要掌握起来是比较容易的，只要你有耐心和恒心去学习。

有了初步的构思之后，就要开始着手仿真实验了，虽然protel99se软件进行不了单片机芯片的仿真实验，拿不到确切的仿真数据，但是使用protel99se软件却也是这次课程设计中必不可少的步骤，因为使用protel99se软件可以设计此次课程设计的pcb电路图，这样就可以制作pcb感光板。

使用感光板来做此次实验，能大大地减少花费的时间和精力。

但是制作感光板的过程也是一个挑战，它讲究的是耐心和技术，一不小心，之前所做的功夫就很有可能被白白的浪费掉。

而且，通过此次制作感光板，我也大大地感受到高新技术的作用，我们不断地对世界对社会对知识进行探索，其目的不就在于让我们生活的世界变得更加的简单方便快捷美好吗？

成功地制作出感光板后，焊接实物就不是一个问题，但是最最困难的还不是制作感光板，而是程序的编写。

本来在上一学年中，自己对汇编就学得不怎样好的了，现在到了真真正正地使用到它的时候，就更加感觉到力不从心了，不过，办法总是比困难多的。

虽然使用汇编语言对于我来讲是困难了点，但是我可以选择用C语言来编写程序。

可是一波未平一波又起，工具问题虽然是解决了，但是凭我现有的C语言水平编写此次课程设计的程序还是有一定的难度的。

我了解到同学中有几个人的C语言还是很好的，于是乎，我就鼓起勇气，不断地向他们请教，不懂就问，不懂就找资料，终于，在自己的坚持不懈之下，一段段程序终于从我手中完成了，更让我觉得高兴的是，在调试的过程中，虽然也有很多问题，但是都能比较顺利地解决了。

在此次课程设计中，我受益匪浅，尤其是在操作方面。

在感光板的制作过程中、实物的焊接过程中，很多细节都是同学提醒和注意的。

跟同学一起协作，真的是学到很多东西，不管是合作精神、探讨热情，还是学习方法、学习态度，同学都给我很大的感触，让我了解到一个人努力了、付出了，就一定会有收获。

最后，是此次课程设计的不足之处。

最最明显的就是没有仿真数据，对于课程设计来讲，没有仿真数据的前提下制作实物其实是一个挺冒险的行为。

其次，便是此次课程设计的功能较单一，而且是用单片机芯片做的，没能做到创新。

希望自己在以后的学习中，要注意培养自己创新这一方面的能力。

实物照片