基于单片机温度测试系统硬件设计.docx

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基于单片机温度测试系统硬件设计

沈阳化工大学

本科毕业论文

题目：

基于单片机的温度测试系统硬件设计

院系：

信息工程学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气0703

学生姓名：

王丽伟

指导教师：

梁禹

论文提交日期：

2011年6月27日

论文答辩日期：

2011年6月28日

毕业设计（论文）任务书

电气工程及其自动化专业

电气0703班

学生：

王丽伟

毕业设计（论文）题目：

基于单片机的温度测试系统硬件设计

毕业设计（论文）内容：

了解单片机基本和温度传感器的基本原理，熟练使用单片机的温度传感器进行单片机温度测试系统硬件设计。

毕业设计（论文）专题部分：

通过运用单片机和温度传感器对温度进行测量；设计单片机的温度测试系统硬件原理图和进行模拟实验。

起止时间：

2010年3月---2010年6月

指导教师：

梁禹签字2011年3月1日

教研主任：

签字年月日

学院院长：

签字年月日

摘要

近年来跟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，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

论文主要介绍了一个基于51单片机的温度信号采集显示系统的设计，主要叙述了单片机温度采集控制系统的硬件电路设计、调试过程。

本系统主要包括：

DS18B20温度传感器、控制电路、显示电路三大部分。

系统实现的功能是温度检测、数值显示。

温度传感器DS18B20对环境温度进行检测，通过单总线传递给单片机，单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制数字温度传感器，把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递到单片机上。

单片机数据处理之后，发出控制信息改变报警和控制执行模块的状态，同时将当前温度信息发送到LED进行显示，发出控制信号达到控制蜂鸣器和发光二级管的目的。

即可实现温度信号采集转化，显示与报警功能！

该系统设计和布线简单、体积小、重量轻、性价比高、扩展方便。

采用适当的技术将模拟的温度量转化为数字量在原理上虽然不困难但成本较高,还会遇到其它方面的问题。

因此对单片机温度控制系统的研究有重要目的和意义.本设计所介绍的数字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，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。

关键词：

单片机；温度采样；AT89C51；显示

Abstract

Inrecentyears,Shouldbebasedonthespecifichardwarealongwiththecontinuousimprovementofpeople'slivingstandard,single-chipcontrolisundoubtedlyoneoftheobjectivespursued,itgivespeopletheconveniencecannotbenegative,inwhichdigitalthermometerisatypicalexample,butpeopleitsincreasinglyhighdemandforpeopletowork,scientificresearch,lifeandmoreconvenienttoprovidebetterfacilitieswillneedtostartfromthenumberofsingle-chiptechnology,alltowardthedigitalcontrol,intelligentcontrolofdirection.

Paperintroducesasingle-chipbasedon51showsthatthetemperaturesignalacquisitionsystemismainlydescribedinsingle-chiptemperaturecontrolsystemforacquisitionofhardwarecircuitdesignandsoftwaredevelopment,debuggingprocess.Ofthesysteminclude:

temperatureacquisition,controlcircuit,signalamplificationcircuit,mostthree.Systemisthetemperaturefunctionsofdetection,numericaldisplay.DS18B20temperaturesensortodetecttemperatureontheenvironment,asinglebustransfertothesingle-chip,single-chipmicrocomputerasthedataprocessingandcontrolunit,inordertocarryoutdataprocessing,asingleControlthenumberoftemperaturesensors,thetemperaturesignalfromasingle-busdigitaltemperaturesensoronthetransmissiontothesingle-chipmicrocomputer.Single-chipdataprocessing,theissueofcontrolinformationandcontroltochangethealarmstatusoftheimplementationofmodules,atthesametime,currenttemperatureinformationissenttotheLEDdisplay,theissueofcontrolsignalstocontrolLEDandbuzzerspurposes.Temperaturesignalacquisitioncanberealizedintoshowsandalarmfunctions!

Designandlayoutofthesystemissimple,smallsize,lightweight,cost-effective,easytoexpand.Useofappropriatetechnologiestosimulatethetemperatureofthevolumeintoadigital,althoughinprincipleisnotdifficultbutthecostishigher,butalsoencounteredotherproblems.Therefore,single-chiptemperaturecontrolsystemhasanimportantpurposeandsignificanceofthedesignintroducedindigitalthermometerwithatraditionalthermometer,comparedwithareadingofconvenience,awiderangeoftemperaturemeasurement,temperaturemeasurementaccuracy,theoutputofthetemperaturedigitaldisplay,themainformoreaccuratetemperaturemeasurementsites,orresearchlaboratory.

Keywords:

Single-chip；temperaturesampling；AT89C51；showing

第一章序言

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，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

温度的测量是日常生活和工业生产中常遇到的问题，而日常生活中常用的普通的温度计不能和计算机接口，也就不能实现现代的工业控制。

本设计是通过MCS-51单片机和DS18B20转换芯片，实现对环境温度的采集、模/数转换、处理、显示过程。

要求综合运用所学主要课程的知识，并要求查询有关技术资料和书籍，得到本设计所要的技术数据和相关知识。

1.1温度计的检测方法

目前国内使用的温度计虽然品种繁多，应用范围也较广，但它的检测技术基本是以下几种方法：

（1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。

如：

玻璃温度计，双金属温度计，压力式温度计

（2）利用热电效应技术制成的温度检测元件。

利用此技术制成温度检测元件主要是热电偶，热电偶是发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。

（3）利用热阻效应技术制成的温度计①热电阻测温元件②半导体测温元件③陶瓷热敏元件

（4）利用热辐射原理制成的高温计热辐射高温计通常分为两种：

一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计；一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，物体本身的性质，能将它吸收，透过或反射。

而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。

热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的

1.2正在研究的检测技术

（1）晶体管温度检测元件半导体温度检测元件是具有代表性的新集成电路温度检测元件利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系（即半导体PN结的温度特性）进行测温，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即就构成了集成电路温度检测元件目前，国内外也进行了生产。

（2）核磁共振温度检测器所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁波的吸收现象。

利用共振吸收频率随温度上升而减小的原理研制成的温度测器，称为核磁共振温度检测器。

这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。

在常温下，可作理想的标准温度计之用。

1.3国内外温度检测技术的动向与趋势

温度检测的动向与趋势随着工业生产效率不断提高，自动他水平与范围也不断扩大，因而对温度检测技术的要求也愈来愈高，一般可以归纳以下几方面：

（1）扩展检测范围

现在工业上通用的检测温度范围为一200～300℃，而今后要求能测量超高温与超低温尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如10K以下的温度检测是当前重点研究课题。

（2）扩大测温对象温度检测技术将会由点测量发展到线、面、甚至立的测量。

应用范围将同工业领域延伸到环境保护，家用电器、汽车工业及航天工业领域。

（3）发展新型产品利用老的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足于用户需要。

同时利用新的检测技术制造出新的产

（4）适应特殊环境下测温在工业生产中，对许多场合的温度检测器有特殊要求，如防硫、防爆、耐磨等性能要求；又如移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温、火焰温度的检测等。

（5）显示数字化

温度仪表向数字化方向发展。

其最大优点是直观、无读数误差、分辨率高、测量误差小，因而有广阔的销售市场。

（6）标定自动化应用计算机技术，快速、准确、自动地标定温度检测器。

根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展。

①继续生产量大面广的传统的温度检测元件，如：

热电偶、热电阻、热敏电阻等。

②加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。

如近年来已开发的碳化硅薄膜热敏电阻温度检测器、厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，③向智能化、集成化、实用化方向发展。

新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机技术向智能化方向发展④向机电一体化方向发展！

1.4温度检测系统

1.4.1温度自动检测系统简介

温度自动检测系统主要用于检定工作热电偶、工作用热电阻、工业用水银温度计和双金属温度计。

是集计算机技术、电子技术、自动测试技术于一体的自动化检定系统。

它以计算机为核心，并由上位机与下位机组成，实现同时检定各种类型测温元件。

整个检定过程除接线以外全部自动完成，对于检定工业热电阻、工业热电偶实现了控制温度、数据采集、数据显示全自动完成。

随着科学技术的不断发展，各企业采用了强化生产手段，对温度检测技术提出了更高的要求，希望利用新的测方法，制造出适应性更强、精度更高、性能更稳定、并具有智能功能的新一代温度检测仪表。

1.4.2温度自动检测系统的核心

单片机，是把中央处理器CPU、存储器、定时器、I/O接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，是人们在通用计算机无法满足广泛的电气智能化要求的情况下，按照嵌入式应用要求，设计出最底层要求的芯片级嵌入式计算机系统；即微小型化。

低价位（芯片形态，芯片价）的嵌入式计算机系统！

在经历过探索-完善-MCU化，到现在的百花齐放的第四阶段，单片机也成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具与检测工具。

1.4.3温度自动检测系统发展

该设计介绍了温度计的测量和控制之间的关系：

检测是控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。

不仅如此，检测还涉及国计民生各个部门，可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。

科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。

现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。

同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。

目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。

目前的温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。

传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。

但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。

软硬件结合，加以完善。

第二章硬件的设计

2.1系统方案的总体设计

2.1.1方案一

该案由单片机、模拟温度传感器AD590、运算放大器、AD转换器、4×4键盘、LCD显示电路、集成功率放大器、报警器组成。

本方案采用模拟温度传感器AD590作为测温元件，传感器将测量的温度变换转换成电流的变化，再通过电路转换成电压的变化，使用运算放大器将信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，传给单片机，单片机将温度值进行处理之后用LCD显示，当温度值超过设置值时，系统开始报警。

见图2-1所示:

图2-1方案一温度测量系统方案框图

2.1.2方案二

该方案使用了AT89S51单片机作为控制核心,以智能温度传感器DS18B20为温度测量元件，采用一个温度传感器对温度进行检测，通过键盘模块对温度进行自动、手动设置，上、下限设置，超过其温度值就报警。

显示电路采用4位数码管显示，使用9013三极管为中心组成的报警电路。

见图2-2所示

图2-2方案二温度测量系统方案框图

温度计电路设计总体设计：

控制器采用单片机AT89C51，温度传感器采用DS18B20，用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示[1]。

2.2系统整体硬件电路

温度计电路设计原理图见图2-3所示，控制器使用单片机AT89C51温度

传感器使用DS18B20，用4位共阴LED数码管以动态扫描实现温度显示[2][3]。

按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑时，可

以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位[4][5]。

图2-3设计原理图

2.3系统组成

由AT89C51构成的数字温度计由三部分组成：

DS18B20温度传感器、AT89C51、显示模块。

产品的主要技术指标：

（1）采用单总线技术，与单片机通信只需要一根I/O线，在一根线上可以挂接多个DS18B20。

（2）每只DS18B20具有一个独有的，不可修改的64位序列号，根据序列号访问地址器件。

（3）低压供电，电源范围从3～5V，可以本地供电，也可以直接数据线上窃取电源（寄生电源方式）。

（4）测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃~85℃范围内误差为：

±0.5℃。

（5）可编辑数据为9～12位，转换12位温度时间为750ms（最大）

（6）用户可自行设定报警上下限温度

（7）报警搜索命令可识别和寻址哪个器件的温度超出预定值

（8）DS18B20的分辨率由用户通过EEPROM设置为9～12位

（9）DS18B20可将检测到温度值直接转化为数字量，并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。

2.4温度检测系统工作原理

利用AT89C51组成的数字温度计的工作原理：

温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），传感器可置于离装置150米以内的任何地方，输出脚I/O直接与单片机的P1.1相连，AT89C51内带FlashROM，用户程序存放在这里。

显示器模块由四个单独的共阴LED数码管组成。

系统程序分传感器控制程序和显示器程序两部分，传感器空控制程序是按照DS18B20的通信协议编制。

系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。

2.5主控制器

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三节电池（1.5V/节）供电。

[6]

2.5.1单片机的选择

属于哈佛体结构的MCS-51系列单片机，其程序存储器和数据存储器各自独立，编址范围均为64KB。

该系列产品功能强，运行速度高，可靠性强，其为低电压；高性能CMOS8位单片机，片内含4位的EEPROM和128位的RAM，兼容MCS-51指令系统，片内通用8位CPU和Flash存储单元，可灵活运用于性价比高的应用场合，所以设计中单片机选取的型号为AT89C51！

图2-4单片机管脚图

（1）主要性能参数：

①与MCS-51产品指令系统兼容4K字节EEPROM

②1000次擦写周期

③全静态操作：

0HZ~24MHZ

④三级加密程序存储器

⑤23*8字节的内部RAM

⑥32个可编程I/O口线

⑦2个16位定时/计数器

⑧6个中断源

⑨可编程串行UART通道

⑩低功耗空闲和掉电模式述：

（2）功能特性描述：

AT89C51提供以下标准功能：

4K字节FLASH闪速存储器，128字节的内部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模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/记数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存中的内容，但是振荡器停止工作并禁止其它所有部件直到下一个硬件复位！

各引脚对应的功能简要介绍如下：

图2-5AT89C51的内部结构图

GND——接地。

VCC——电源端，接＋５Ｖ

P0.0～0.7——P0口

当P0口作为普通输入接口时，应先向口锁存器写“1”。

当P0口是在访问片外存储器（扩展RAM或ROM）时，它是标准的双向I/O接口。

分时复用作为低8位地址线和8位双向数据总线使用。

P1.0～1.7——P1口，它仅用作为I/O口使用，它也是自带上拉电阻的8位准双向I/O端口，每一位可以能驱动４个ＬＳＴＴＬ负载。

当P1口用作输入接口时，应先向口锁存器写“1”。

P2.0～2.7——P2口。

作为普通I/O口使用时，它是自带上拉电阻的8位准双向I/O，每一位可以能驱动４个ＬＳＴＴＬ负载。

作为输入接口时，应先向口锁存器写“1”。

在访问片外存储器（扩展RAM或ROM）时，作为高8位地址线使用。

P3.0～3.7——P3口，是自带上拉电阻的8位准双向I/O口，每一位可以能驱动４个ＬＳＴＴＬ负载。

可用作输入口，应先向口锁存器写“1”。

P3口还具有以下特殊功能：

RXD（P3.0）——串行输入口

TXD（P3.1）——串行输出口

INT0（P3.2）——外部中断0

INT1（P3.3）——外部中断

T0（P3.4）——定时器0外部输入

T1（P3.5）——定时器1外部输入

WR（P3.6）——外部数据存储器写信号

RD（P3.7）——外部数据存储器读信号

RST——复位。

当振荡器在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平，即可复位内部。

有扩散电阻连接到VSS，仅需要外接一个电容到VCC即可实现上电复位。

ALE——地址锁存使能。

在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率并可用作外部时钟或定时。

PSEN——程序存储使能。

当执行外部程序存储器代码时，PSEN每个机器周期被激活两次。

在访问外部数据存储器时，PSEN无效。

访问内部程序存储器时，PSEN无效。

EA/VPP——外部寻址使能/编程电压。

在访问整个外部程

序存储器时EA必须外置低电平，如果EA为高时将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内

FLASH的地址。

该引脚在对FLASH编程时，接5V/12V编程电压（Vpp），如果保密位1已编程，EA在复位时由内部锁存。

XTAL1——反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入[7]。

2.5.2复位电路

见图2-8所示：

图2-8单片机复位电路

复位电路工作原理[8]：

电容在上接高电平，电阻在下接地，中间为RST。

这种复位电路的工作原理是：

通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始正常工作。

2.6显示电路

显示器件选用的是4位共阴极数码管显示，8个数据接口用4.7K电阻作为上拉电阻。

见图2-9所示:

显示电路采用静态显示，4位共阴LED数码管。

所谓静态显示，就是每一个

显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接用于笔划段字形代码。

这样单片

机只要把要显示的字形代码发送到接门电路，就不用管它了，直到要显示新的

数据时，再发送新的宇形码，因此，使用这种方法，单片机中CPU的开销小。

（1）LSD的静态显示

实际使用的LED显示器通常由多位构成，对多位LED显示器的控制包括字

行控制和字位控制，在静态显示方式下，每一位显示器的字行控制是独立的，

分别接到一个8位I/0接口上，字