基于简单IO口的8LED显示温度控制器设计.docx
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基于简单IO口的8LED显示温度控制器设计
一、实验目的及要求 ……………………………………………２
１、实验目的…………………………………………………２
２、设计要求…………………………………………………２
二、要求分析 ……………………………………………………２
三、系统框架图 …………………………………………………２
四、元件明细表 …………………………………………………３
１、单片机……………………………………………………３
２、显示屏……………………………………………………４
五、系统电路总体设计……………………………………………４
六、系统电路总体设计……………………………………………５
１、系统工作原理……………………………………………５
２、硬件系统设计……………………………………………６
３、系统程序设计……………………………………………１１
七、系统总体调试…………………………………………………１５
八、实验总结………………………………………………………１７
九、附录 参考文献………………………………………………１８
十、附录 程序清单………………………………………………１９
基于简单I/O口的8LED显示温度控制器设计
一、设计要求
（1）基本要求：
1用18B20或AD590温度传感器作温度探头，采集温度数据并转换成BCD码在数码管上显示。
2记录间隔可任意设定（1S到1h，步长1s），能按设定时间存储数据。
3通过键回放温度和记录时间参数。
（2）发挥部分：
1通过DA回放数据（直方图），用模拟示波器显示。
2设定温度告警门限。
3通过声、光告警显示。
（3）动态显示格式：
自定
注：
基于简单IO口是指显示器由74HC373控制
二、要求分析
根据设计要求，需要利用DS18B20作为温度探头，采集温度数据并转换成BCD码在数码管上显示。
当按下键盘的设定步长按键后，可以设定任意长度的步长，能按设定时间存储数据。
当按下键盘的读取存储数据按键后，可以通过按键1-9来回放相应的温度和记录时间参数。
三、系统框架图
键盘
单片机
89C51
8LED
锁存器
74HC373
DS18B20
四．元件明细表
元件名称
型号
单片机
89C51
温度探测器
DS18B20
锁存器
74LS373
数码显示器
7SEG-MPX8-CC-BLUE
4*4键盘
KEYPAD-SMALLCALC
1、单片机
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
作为嵌入式系统控制核心的单片机具有其体积小、功能全、性价比高等诸多优点。
51系列单片机是国内目前应用最广泛的单片机之一，随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和普遍接受及应用，51系列单片机的发展又进入了一个新的阶段。
在今后很长一段时间内51系列单片机仍将占据嵌入式系统产品的中低端市场。
2、显示屏
五、总体方案的确定
在温度采集方面，在设计开始时就准备了两种方案：
一种是采用热敏电阻式传感器和ADC0809转换器进行数据采集。
具体方案如下：
温度传感器的模拟信号转换为数字信号后由P0口输入。
ADC0809由P3.0启动转换，由P3.1控制输出。
信号传输采用无条件输入方式，启动A/D转换后延时100微妙从P0口采集数据。
时间延迟由T0实现。
另一种是采用单线数字温度传感器DS18B20进行数据采集。
DSB18B20S数字温度计提供9到12位温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DS18B20送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线和地，读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，甚至不需要外部电源。
而总体方案和系统电路图方面基本上和热敏式传感器相同，只在数据采集方面有所差别。
根据选择传感器的原则，考虑到模拟量输出传感器会带来许多不便，具体体现在接线多、信号处理复杂等，在硬件实现方面比较困难。
而且热敏电阻式温度传感器互换性差，非线性严重。
而数字温度传感器DS18B20接线简单，数字输出量能直接作为单片机的输入数据，同时考虑到只是在普通环境下测量，无论在灵敏度、线性范围、稳定性，还是在精度方面，DS18B20的强大功能已足够满足设计需要。
在本次设计中，温度数据采集用到的传感器是DS18B20。
具体电路图如图1所示。
图1数字传感器式温度控制器
六、系统电路总体设计
1、系统工作原理
该温度控制系统用到89C51单片机作为系统的CPU进行控制控制，由数字传感器DS18B20进行数据采集，89C51对采集到的数据进行处理，得到各种信号。
而这些信号将作为LED数码管显示的信号输入，同时将利用单片机的其它使能端口实现键盘的控制作用。
2、硬件系统设计
系统的硬件部分主要可分为温度采集电路，信号处理与控制控制，温度显示电路，键盘控制电路四大部分。
（1）温度采集电路
本系统中采集温度使用的是DS18B20数字温度传感器。
DS18B20是Dallas半导体公司生产的世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
与之前的传感器相比，DS18B20体积更小、适用电压更宽、更经济。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃到+125℃，在-10到+85℃范围内,精度为±0.5℃。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，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。
与前一代产品不同，新的产品支持3V到5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜，体积更小。
DS18B20可以程序设定9到12位的分辨率，精度为±0.5℃。
当分辨率为12位时，转换时间为750ms。
使得用户可选择更小的封装方式，更宽的电压适用范围和分辨率设定，同时用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
DS18B20一般为三极管型封装，包括温度传感器、64位激光ROM单线单口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等。
其引脚图如图2所示。
这三个引脚分别为：
GND——电源地；QD——数字信号输入/输出端；VDD——外接供电电源（可选5V）。
图2DS18B20引脚图
在单片机89C51中，输入/输出端口分别P0、P1、P2、P3。
其中P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻吧端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被电阻拉低的引脚会输出一个电流。
在该系统中，DS18B20的数字信号输入/输出端连接到89C51的P3.7中，作为89C51的数据输入。
（2）信号处理与控制电路
信号处理与控制采用51单片机基本电路。
此电路以51单片机为核心，51的具体引脚图如图3。
在该系统中，要使单片机实现信号处理与控制，则要使单片机的18、19脚（XTAL2、XTAL1）接12MHz的晶振和两个电容，组成片内振荡电路，为单片机提供时钟脉冲。
9脚（RST）接按键复位电路，提供复位信号给单片机。
图389C51引脚图
89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。
两个电容通常取30pF左右，稳定频率并对震荡频率有微调作用。
如图4所示。
图4晶振电路
手动复位是通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态。
系统上电运行后，若需要复位，则通过手动复位来实现的。
如图5所示。
图5手动复位电路
（3）温度显示电路
本系统中，温度显示硬件由74HC373和八位LED数码管构成。
1.八位LED数码管
八位数码管引脚图如图6所示。
它的1、2、3、4、5、6、7、8脚为位选脚，分别对应从左到右八个数码管，输入低电平选通。
剩下的其他引脚为数据输入脚，此电路中数码管的8个数据引脚（a、b、c、d、e、f、g、dp）。
图6LED数码管引脚图
2、74HC373
373为三态输出的八口透明锁存器，共有74HC373和74LS373两种线路结构形式。
在本系统中，采用74HC373，因为在PROTUES仿真里，用74LS373会被报错。
74HC373的D0-D7脚分别与单片机的P0.0-P0.7脚相连。
74HC373引脚图如图7所示：
图774HC373引脚图
（4）键盘控制电路
键盘控制电路的作用是通过按键回放温度和记录时间参数。
当所设置的功能键或数字键按下时，单片机系统应该完成该按键所设定的功能，因此，键的输入信息是与软件结构密切相关的。
在本系统中采用4*4的键盘，键盘的列线与P1口的低4位相连，行线与P1口的高4位相连。
键盘控制电路如图8所示：
图8键盘控制电路
3、系统程序设计
（1）主程序模块（如图9所示）。
主程序开始
读取温度
温度转换
温度显示
键盘按下
按键盘要求作处理
结束
图9主程序流程图
（2）DS18B20的工作流程如图10所示。
图11DS18B20的工作流程
（3）温度显示流程图如图11所示。
图11温度显示流程图
（4）键盘控制电路流程图如图12所示
是否有键按下
执行相应操作
显示新设置
返回
图12键盘控制电路流程图
完整的程序请详见附录。
七、系统的调试
1、程序调试过程中遇到的问题和解决办法
1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器
采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
2）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要
等待DS1820的返回信号，一旦DS1820连线未接好，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS1820软件设计时也要给予一定的重视。
3）编程时要注意，在程序开始时，要写入各定时器中断的入口地址。
4）编程过程中要注意加注释或分割线，否则，在程序过长时容易变得很乱，
不便于查找或更改。
5）程序的结构要设计的合理，避免上下乱调用的现象，这样会使程序更加
清晰化。
6）编程前要加流程图，这样会使思路清晰。
2、调试结果
（1）温度显示结果
DS1820采集温度数据并转换成BCD码在8位LED上显示，结果如图13所示：
图13温度显示结果
（2）键盘控制显示结果
通过键盘回放温度和记录时间参数，结果如图13所示：
图13键盘控制显示结果
八、实验总结
这次的课程设计，我觉得我学到了很多的东西，受益匪浅。
首先我了解了proteus软件的基本使用方法，以及利用这个软件用来仿真，对于电路的设计有了一定的理解，懂得了如何利用C语言联系实际来进行编程，同时在编程的过程中，了解一些管脚的使用方法，以及在C语言中使用的代码和一些器件的初始化方法，同时也让我明白了自己的一些不足，认识到仅仅把书本上的知识学好是远远不够的，需要拓宽自己的知识面，来应付未来的挑战。
当然在本次课程设计中，我遇到了很多没有遇到过的困难，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。
在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。
我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。
而且在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。
有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作来进行调试，然后才能解决。
自然而然，我分析问题解决问题的能力得到了增强。
为以后的工作积累了经验，增强了信心。
通过这次的软件设计，我熟悉了单片机开发的每个步骤，它不但检查了我的整个知识面的掌握程度，知道了自己的不足，让我更加牢固的掌握了单片机方面的相关知识！
这次的软件设计也让我学会了在遇到问题时，如何冷静的思考问题以及解决问题！
更让我懂得了学习贵在坚持。
我学到了更多以前没有学到过的知识。
在这里，我很感谢指导老师和同学给我的帮助，使我能顺利完成我的软件设计。
总之通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，如何把理论应用于实际，又如何实践中遇到的问题怎样用理论去解决。
感谢学校给我们大家这样一次课程设计的机会，为我们以后的工作打下了坚实的基础。
附录参考文献
雷晓平，李晓东，罗海天.2021.单片机原理及应用.机械工业出版社
于珍珠,赵娜,赵刚等.2021.基于51单片机的温度测量系统.单片机开发与应用.23（1-2）：
146-148
齐建家,胡天明.2021.基于DS18B20的数字温度设计及其应用.黑龙江工程学院学报.22
（2）：
59-62
罗平,陶冶.袁永超.2021.基于DS18B20的温度测量系统.农机化研究.（10）：
161-164
曹柏荣.2021.单片机原理及其应用技术.上海：
原子能出版社
曹海平.2021.基于单片机和DS18B20的分布式多点温度检测系统的设计.自动化技术与应用.27（11）：
90-93
魏英智.2021.DS18B20在温度控制中的应用.煤矿机械.（3）：
92-93
魏泽鼎.2021.单片机应用技术与实例.北京：
电子工业出版社
附录程序清单
#include
#include
#include
#include
#include
typedefunsignedcharuchar;
typedefunsignedintuint;
typedefsignedcharschar;
typedefsignedintsint;
#defineDQP3_7//温度检测P3.7
#defineKEY_SET14//on/c
#defineKEY_COMFIRM15//=
externvoidDelayXms（uintxms）;
externucharKeyScan（）;
ucharcodedis_code[11]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40};//0-9、负号,共阴极数码管
uinttimecnt=0,step=1,stepcnt=0;
uchartemptable[11],position=0;
schartemp=0;
//延时函数
voidDelayXus（uinti）
{
while（i--）;
}
//初始化函数
voidInitialDS18B20（）
{
ucharx=0;
DQ=1;//DQ复位
DelayXus（8）;//稍做延时
DQ=0;//单片机将DQ拉低
DelayXus（80）;//精确延时大于480us
DQ=1;//拉高总线
DelayXus（14）;
x=DQ;//稍做延时后如果x=0则初始化成功x=1则初始化失败
DelayXus（20）;
}
//读一个字节
ucharReadByte（）
{
uchari=0,dat=0;
for（i=8;i>0;i--）
{
DQ=0;//给脉冲信号
dat>>=1;
DQ=1;//给脉冲信号
if（DQ）
dat|=0x80;
DelayXus（4）;
}
returndat;
}
//写一个字节
voidWriteByte（uchardat）
{
uchari=0;
for（i=8;i>0;i--）
{
DQ=0;
DQ=dat&0x01;
DelayXus（5）;
DQ=1;
dat>>=1;
}
//DelayXus（4）;
}
//读取温度
uintReadTemperature（）
{
uchara=0;
ucharb=0;
uintt=0;
floattt=0;
InitialDS18B20（）;
WriteByte（0xCC）;//跳过读序号列号的操作
WriteByte（0x44）;//启动温度转换
InitialDS18B20（）;
WriteByte（0xCC）;//跳过读序号列号的操作
WriteByte（0xBE）;//读取温度寄存器等（共可读9个寄存器）前两个就是温度
a=ReadByte（）;
b=ReadByte（）;
t=b;
t<<=8;
t=t|a;
tt=t*0.0625;//5/8;
//t=tt*10+0.5;//放大10倍输出并四舍五入---此行没用
returnt;
}
/*******************************************
*ledplay数码管显示，chan0-8,num数值0-9、负号
*/
voidledplay（ucharchan,ucharnum）
{
if（chan<8&&num<=10）
{
P2=0xff;
P2=（~（0x01<P0=dis_code[num];//显示
DelayXms（100）;//delay（）;
}
}
voidInitTimer1（void）
{
TMOD=0x10;
TH1=0xFC;
TL1=0x18;
EA=1;
ET1=1;
TR1=1;
}
/*******************************************
*tempdisplay温度显示函数
*/
voidtempdisplay（schartem）
{schartempbit1=0;
schartempbit2=0;
//if（（tem<=-40）||（tem>=125））return;
if（tem<0）
{
ledplay（5,10）;tem=256-tem;
}
if（tem>99）
{
ledplay（5,1）;tem=tem-100;
}
tempbit1=tem%10;//个位HexToBcd
tempbit2=tem/10;//十位
ledplay（6,tempbit2）;
ledplay（7,tempbit1）;
}
/*******************************************
*Timer1Interrupt定时器1000us*1000=1s
*/
voidTimer1Interrupt（void）interrupt3
{
TH1=0xFC;
TL1=0x18;
timecnt++;
if（timecnt>=1000）//1s-------------温度值存放
{
timecnt=0;
stepcnt++;
if（stepcnt>=step）
{
stepcnt=0;
if（position<10）temptable[position++]=temp;
else{temptable[position]=temp;position=0;
}
}
}
}
uintsetStep（）
{
ucharkey,i=0;
uintstep=0;
P2=0xff;//清屏
for（;;）
{
key=KeyScan（）;
if（key==KEY_COMFIRM）returnstep;
if（key<10）
{
step=key;
for（;;）
{
key=KeyScan（）;
ledplay（7,step）;
if（key==KEY_COMFIRM）returnstep;
if（key<10）
{step=step*10+key;
for（;;）
{
key=KeyScan（）;
if（key==KEY_COMFIRM）returnstep;
ledplay（6,step/10）;
ledplay（7,step%10）;
if（key<10）
{
step=step*10+key;
for（;;）
{
key=KeyScan（）;
if（key==KEY_COMFIRM）returnstep;
ledplay（5,step/100）;
ledplay（6,（step%100）/10）;
ledplay（7,step%10）;
if（key<10）
{step=step*10+key;
for（;;）
{
key=KeyScan（）;
if（key==KEY_COMFIRM）returnstep;
ledplay（4,step/1000）;
ledplay（5,（step%1000）/100）;
ledplay（6,（step%100）/10）;
ledplay（7,step%10）;
}
}
}
}
}
}
}
}
}
}
voidmain（）
{
uinti=0,j;
InitTimer1（）;
for（;;）
{
ucharkey=0xff,dis;
i=ReadTemperature（）;//读温度
if（i!
=0xffff）temp=i>>4;
tempdisplay（temp）;//主循环显示温度
key=KeyScan（）;//检查按键
ledplay（0,key）;
if（key==KEY_SET）//进入设置状态
{
if（0!
=（j=setStep（）））
step=
升级会员 