实时温度显示系统的设计与仿真设计.docx
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实时温度显示系统的设计与仿真设计
信息职业技术学院
毕业设计报告（论文）
设计（论文）题目：
实时温度显示系统的设计与仿真
信息职业技术学院
毕业设计（论文）成绩评定表
学生姓名
系部
学号
课题名称
实时温度显示系统的设计与仿真
指导教师评语：
该生综合运用理论与专业技术知识能力较强，能够独立地分析解决问题，设计的工作量比较大；工作严谨、学习努力，尊敬老师；按计划进行工作进度，及时提交资料，结论合理，有一定的个人见解，研究成果具有一定水平和实用价值，从仿真结果来看，较好地完成设计要求。
建议成绩：
90指导教师：
侯文芳
2014年6月5日
评阅教师评语：
该生对研究方案、技术条件有比较丰富的文献材料和较充足的理论依据研究成果，能从个人角度分析和解决问题，较好地完成了实时温度计的设计，并进行仿真验证，结论合理，具有一定水平和实用价值。
建议成绩：
90评阅教师:
张忠华
2014年6月6日
答辩小组评语：
该生对课题工作的总体介绍简洁，流利，清楚，重点突出，回答问题正确，有理有据，研究成果具有一定水平和实用价值，结论合理，论文结构合理，文字通顺，书写规范。
建议成绩：
90答辩小组负责人：
张宗橙
2014年6月7日
苏州信息职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
专业
机电一体化
学号
G1*******
姓名
栾泽军
课题名称：
实时温度显示系统的设计与仿真
主要技术指标：
测温范围：
-50~+1100C，精度误差在0.50C
工作内容和要求：
1．查阅相关资料熟悉单片机相关知识，了解单片机的设计流程，熟悉并学会使用PROTEUS仿真软件。
2．写开题报告
3．给出设计总体结构图，具体分析硬软件设计过程，并利用PROTEUS软件仿真运行。
4根据设计，完成毕业论文
主要参考文献：
1曾令琴.电路分析基础（第2版）.北京:
人民邮电出版社，2008
2沙占友.智能化传感器原理与应用.北京:
电子工业出版社，2004
3孙育才.单片微型计算机及其应用.东南大学出版社,2004
4潘新民.王燕芳.微型计算机控制技术.电子工业出版社,2003
5张鑫.单片机原理及应用.电子工业出版社，2008，11
学生（签名）栾泽军2013年9月16日
指导教师（签名）侯文芳2013年9月16日
教研室主任（签名）钱天翔2013年9月16日
系主任（签名）张宗橙2013年9月16日
苏州信息职业技术学院
毕业设计（论文）开题报告
专业
机电一体化
学号
G1*******
姓名
栾泽军
设计（论文）题目
实时温度显示系统的设计与仿真
一、选题的背景和意义：
单片机自20世纪70年代问世以来，极高的性能价格比，受到人们的关注，其应用很广、发展很快。
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。
概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。
当前社会，随着信息化的飞速发展。
单片机作为一门应用性很强的技术，已经深入到机电一体化、智能仪器仪表、工业测控及家用电器等多个领域。
选用AT89C51型单片机作为主控制器件，DS18B20作为测温传感器通过4位共阳极LED数码管串口传送数据，实现温度显示。
通过DS18B20直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性度较好，在0°C到100°C最大线性误差小于0.1°C，可直接向单片机传输信号，便于单片机处理和控制。
另外，该温度计还能直接采用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。
二、课题研究的主要内容：
用DS18B20智能温度传感器作为检测元件，通过LED数码显示管显示温度，使用PROTUES
实现电路设计和程序设计，并且进行实时交互仿真。
三、主要研究（设计）方法论述：
1．查阅资料法（查阅相关资料，熟悉单片机软硬件设计方法，了解DS18B20智能温度传感器的基本工作原理，熟悉PROTEUS软件的使用。
）
2．测试验证法（通过PROTEUS软件进行仿真，检测实时温度）。
四、设计（论文）进度安排：
时间（迄止）日期
工作内容
2013.9.16~2013.9.30
查阅相关资料，确认选题
2013.10.1~2013.10.14
根据任务要求，完成论开题报告
2013.10.15~2014.3.1
进行硬、软件设计，并仿真测试
2014.3.2~2014.6.6
撰写论文，并根据答辩小组提出的建议，修改并完善论文
五、指导教师意见：
选题符合专业发展、社会发展的需要，有一定的实用价值。
同意开题。
指导教师签名：
侯文芳2013年10月14日
六、系部意见
同意开题
系主任签名：
张宗橙2013年10月14日
苏州信息职业技术学院
毕业设计（论文）中期检查表
学生姓名
栾泽军
学号
G1128024
指导教师
侯文芳
选题情况
课题名称
实时温度显示系统的设计与仿真
难易程度
偏难
适中
√
偏易
工作量
较大
适中
√
较小
符合规范化的要求
任务书
有
√
无
开题报告
有
√
无
外文翻译质量
优
良
中
差
学习态度、出勤情况
好
√
一般
差
工作进度
快
按计划进行
√
慢
中期工作汇报及解答问题情况
按计划进行
指导教师侯文芳
2014年3月9日
所在专业意见：
继续进行
系主任张宗橙
2014年3月9日
实时温度显示系统的设计与仿真
摘要：
本文介绍了以单片机发展为背景，采用DS18B20为温度传感器的新型数字温度计的设计。
论文介绍了硬件电路和软件系统的设计。
其中硬件电路主要由数码管显示电路、报警电路和温度检测电路等组成，主控制器采用AT89C51单片机为核心的控制器件，显示电路采用4位共阴极LED数码管以动态扫描法直读显示。
系统软件主要分析了主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。
最后在Proteus软件上进行仿真、测试。
由于采用了改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，与传统的温度计相比，本数字温度计减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
关键词：
单片机DS18B20LED显示数字温度计
１绪论........................................................1
1.1选题背景及意义...........................................1
1.2单片机的发展现状.........................................2
1.3研究的主要目的及内容.....................................3
2、系统设计....................................................3
2.1系统总体结构图...........................................3
2.2硬件设计.................................................42.3软件设计.................................................7
3、系统仿真...................................................10
3.1仿真软件简介............................................10
3.2仿真过程.................................................10
3.3仿真结果.................................................11
结论...........................................................12
致谢...........................................................12
参考文献.......................................................13
附录A主要元件清单............................................14
附录B源程序..................................................15
1绪论
1.1选题背景及意义
随着电子技术，特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展，人类生活发生了根本性的改变。
如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。
目前，单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、高可靠性、高性能价格比、开发较为容易，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走人家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。
因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。
随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。
传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度采集方和数据处理问题能够得到很好的解决。
温度是工业控制对象中的一个重要的被控参数，然而所采用的温度元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。
环境温度对农业、工业、商业以及人们的正常生活都有很大的影响。
温度的测量是人们生活中一项必不可少的工作。
传统的温度计测量费时，准确度也比较低。
单片机温度计与传统的温度计相比，具有测量方便，测量范围广，测温准确，结果采用数字显示。
能够满足对测温要求准确的场所和实验室。
因此，单片机温度计被广泛的应用诸多领域。
传统的温度检测以热敏电阻为为温度敏感元件。
热敏电阻的成本低，但需后续处理电路，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。
与传统的温度计相比，这里设计的数字温度计具有使用方便，测量范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。
选用AT89C51型单片机作为主控制器件，DS18B20作为测温传感器通过4位共阳极LED数码管串口传送数据，实现温度显示。
通过DS18B20直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性度较好，在0°C到100°C最大线性误差小于0.1°C。
该器件可直接向单片机传输信号，便于单片机处理和控制。
另外，该温度计还能直接采用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。
1.2单片机的发展与应用
1）单片机的发展大致可分为以下四个阶段：
第一阶段：
单片机探索阶段。
以Intel公司MCS-48，Motorola公司6801为代表，属于低档型8位机。
第二阶段：
单片机完善阶段。
以Intel公司MCS-48，Motorola公司68HC05为代表，属高档型8位机。
此阶段，8位单片机体系进一步完善，特别是MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，奠定了它在单片机领域的经典地位，形成了事实上的8位单片机标准结构。
第三阶段：
8位机和16位机争艳阶段，也是单片机向微控制器发展阶段。
此阶段Intel公司推出了16位的MCS-96系列单片机，世界其他芯片制造商业纷纷推出了性能优异的16位单片，但由于价格不菲，其应用受到一定限制。
相反MCS-51单系列片机，由于其性能价格比高，却得到了广泛应用，并吸引世界许多知名芯片制造商，使用以80C51位内核，扩展部分测控系统中使用的电路技术、接口技术、A/D、D/A和看门狗等功能部件，推出了许多与80C51兼容的8位机。
强化了微控制器的特征，进一步恐怖和发展了8位单片机的主流地位。
第四阶段：
微控制器全面发展阶段。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，世界各大电气、半导体厂商普遍投入，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位∕16位∕32位通用型单片机以及小型廉价的专用单片机，单片机已进入一个广泛选择和全面发展的应用时代。
2）展望当今单片机技术的方向，有以下几个方面的趋势：
（1）在智能仪器仪表上的应用
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，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
（2）在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
（3）在家用电器中的应用
现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
（4）在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
（5）单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
1.3研究的主要目的及内容
1）研究目的
（1）综合运用课程中所学到的理论知识完成一个设计课题。
（2）通过查阅手册和文献资料，培养分析和解决实际问题的能力。
（3）进一步熟悉常用电子器件的类型和特征，并掌握合理选用的原则。
（4）学会撰写设计报告，并附有整体电路图。
2）研究内容
用DS18B20智能温度传感器作为检测元件，通过LED数码显示管显示温度，使用PROTUES实现电路设计和程序设计，并且进行实时交互仿真。
2系统设计
2.1系统总体结构图
按照系统设计功能的要求，即数字温度计测温范围为-50～+110°C，精确误差在0.5°C以内，确定系统由主控制器、测温电路及显示电路3个模块组成。
其数字温度计总体电路结构框图如图2.1所示。
图2.1系统结构框图
2.2硬件设计
本设计的电路原理图如图2.2所示。
图2.2电路原理图
2.2.1DS18B20工作原理
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，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。
其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济,一线总线独特且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构成引入全新概念。
DS18B20的测量温度范围为-55～+125°C，在-10～+85°C范围内，精确度为0.5°C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，明显提高了系统地抗干扰性，能够胜任恶劣环境的现场温度测量，如环境控设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
DS18B20的测温原理如图2.3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就对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数晶振来决定，每次测量前，首先将-55°C所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中。
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的预置值将重新开始
对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，如此循环，直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存其中的数值就是所测温度值。
增加
停止
图2.3DS18B20测温原理图
2.2.2AT89C2051芯片
在本设计中，采用了单片机AT89C2051作为核心电路的设计。
AT89C2051是一个带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压，高性能8位CMOS微处理器。
它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。
通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器，ATMEL的AT89C2051是一强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。
AT89C2051提供以下标准功能：
2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。
空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。
单片机AT89C2051具有低电压供电和小体积等特点，两个端口刚好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，系统可以用两节电池供电。
2.2.3复位电路
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有：
手动按钮复位和上电复位。
本设计中AT89C2051是采用上电自动复位。
如图2.4所示。
RC构成微分电路，在上电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机器周期，将复位。
为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于两个机器周期。
图2.4复位电路图2.5晶振电路
2.2.4晶振电路
AT89C2051单片机内部的振荡电路是一个高增益反向放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。
单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。
AT89C2051的时钟产生方式有两种：
内部时钟电方式和外部时钟方式。
由于外部时钟方式用于多片单片机组成的系统中，所以此处选用内部时钟方式。
即利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路产生自激振荡。
最常用的是在 XTAL1和XTAL2之间接晶体振荡器与电路构成稳定的自激振荡器，如图2-5电路所示为单片机最常用的时钟振荡电路的接法，其中晶振可选用振荡频率为6MHz的石英晶体，电容器一般选择30PF左右。
2.2.5显示电路
显示电路采用4位共阳极LED数码管，如图2.6所示。
图2.6LED显示器
LED显示器工作在静态显示时，其公共阳极（或阴极）接VCC（或GND），一直处于显示有效状态，所以每一位的显示内容必须由锁存器加以锁存，显示各位相互独立。
静态显示时，LED的亮度高，控制容易，但功耗大，所需口线多。
若显示位数增多，则静态显示方式很难适应。
一般需要采用动态显示方式。
2.3软件设计
2.3.1系统程序设计
系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序和显示数据刷新子程序。
1）主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值，温度测量每一秒进行一次。
其程序流程图如图2.7所示
2）读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。
流程图如图2.8所示。
3）温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令。
当采用12位分辨率时，转换时间约为750ms。
在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换完成。
N
Y
Y
Y
Y
N
Y
图2.7主程序流程图图2.8读出温度子程序流程图
4）计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图2.9所示。
5）显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时，将符号显示位移入下一位。
程序流程图如图2.10所示。
N
Y
图2.9计算温度子程序流程图
N
YN
Y
图2.10显示数据刷新子程序流程图
2.3.2源程序
（见附录B）
3系统仿真
3.1仿真软件简介
本设计采用Proteus软件进行仿真。
proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件，它不仅有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的软件。
Proteus从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。
它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表。
它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。
可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。
相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。
在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。
因此，Proteus有较高的推广利用价值。
3.2仿真过程
1
升级会员 