单片机温度检测记录系统实验报告1.docx

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单片机温度检测记录系统实验报告1

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单片机温度检测记录系统

2012年7月17日

摘要

温度参数检测在测控系统、工业控制等场合中占有重要的地位，设计一个具有温度实时显示和动态记录功能的温度检测记录系统就显得非常必要。

本文提出了以STC89C52单片机为核心的温度检测与记录系统的设计方法，在这种方法中采用了新型可编程温度传感器DS18B20进行温度检测，这种传感器具有很多的特点，抗干扰能力强、温度采集精度高、稳定性好、电路简单、控制方便等等；时钟显示模块采用了DS1302，它能提供包括秒、分、时、日期、月份、年份信息，可以选择12小时制和24小时制；创造性的采用了24C02与串口的方法来有效得存储数据；LCD液晶显示器用来显示时间温度的数据。

这篇文章还给出了系统总体框架、程序流程图和AltiumDesigner6原理图，并在硬件平台上实现了所设计功能。

关键词：

STC89C52单片机；温度传感器；时钟显示

目录

1.设计任务1

1.1任务描述1

1.1.1小任务1

1.2技术指标1

1.3难点分析1

2.方案比较与论证2

2.1方案选择2

2.2方案论证3

2.3小结4

3.系统硬件设计5

3.1总体设计5

3.2硬件模块电路分析6

3.3发挥部分设计13

3.4电路原理图13

3.5小结13

4.系统仿真与软件设计14

4.1仿真设计与分析14

4.2软件设计15

5.系统调试与组装18

5.1PCB板18

5.2样机调试18

5.3样机功能18

5.4发挥部分测试结果19

5.5小结19

6.结论20

参考文献21

附录一22

附录二25

1.设计任务

1.1任务描述

设计制作一台可检测和记录温度的系统。

1.1.1小任务

温度检测系统可以根据外界的情况在相应的间隔时间显示出对应的温度值。

1.2技术指标

（1）LCD显示实时时钟：

年、月、日、时、分、秒；

（2）每30秒采样温度，LCD更新显示温度值；

（3）按键触发存储当前温度和时钟信息（年、月、日、时、分）；

（4）按键触发串口传输存储的温度和时钟信息；

（5）温度测量精度：

±1度。

1.3难点分析

在本次设计实验中，主要的难点有：

满足设计要求的keilC语言程序设计，并且满足protues仿真时也要确保实物电路满足要求，因为仿真电路的晶振频率和延时函数与实际电路有区别，所以在这些细节处我们更应该主要，避免实物电路出不了结果；用AltiumDesigner6画PCB板时，因为没有库文件所以对元器件的封装必须正确，在摆放元器件时要尽量减少交叉线；在做实物板时，必须确保焊接的正确，没有虚焊、漏焊、桥接的情况，确保硬件没有问题；在调试过程中，由于加了稳压器，所以系统的输入电压才3.7V左右，达不到一些元器件的工作电压，到时LED显示不稳定，既在设计电路之前就必须先查看所用到的元器件的资料，确保各个元器件都正常工作。

2.方案比较与论证

做任何一件事情并不是只有一种方法，只要勤于思考，不但会有很多不同的途径，还能从中选取最优的那一种，这次的设计，我们这一组的成员对器件的使用也展开了讨论，目的是在众多的具有相同功能的一类器件中选择一款更能达到本次设计任务。

以下选择性的介绍一下各类型的器件的比较以及我们选择所用到的器件的原因。

2.1方案选择

2.1.1温度传感器

方案1：

热电偶传感器是温度测量中最常用的传感器，它是由在一端连接的两条不同金属线构成，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差，可用测量的电势差来计算温度。

电压与温度是呈非线性关系，温度变化时电压变化很小，并且需要为参考温度（Tref）作第二次测量，并利用测试设备软件和硬件在仪器内部处理电压-温度变换，以最终获得热偶温度（TX）。

方案2：

热敏电阻是用半导体材料制成，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低，它的体积非常小，对温度的变化响应也很快，具有结构简单，测量范围广，热惯性小，准确度高，输出信号远的优点，但价格较高。

方案3：

DS18B20的操作用汇编语言编写的具体程序,测温精度高、分辨率高。

具有非易失性上、下限报警设定的功能，成本低,易于采集信号。

2.1.2时钟显示

方案1：

采用内部时钟计时，利用单片机内部的振荡器，然后在引脚XTAL1（18脚）和XTAL2（19脚）两端接晶振，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，外接晶振时，晶振两端的电容一般选择为30PF左右；这两个电容对频率有微调的作用，晶振的频率范围可在1.2MHz—12MHz之间选择为了减少寄生电容，更好的保证震荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。

方案2：

采用外部时钟芯片DS1302，它是一种。

高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V—5.5V。

它的主要特点是采用串关闭行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。

2.1.3时间温度数据显示

方案1：

采用LED数码管显示，LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个，这些段分别由字母a、b、c、d、e、f、g、dp来表示。

当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样。

方案2：

采用LCD显示器显示。

液晶显示器在当今的生活中随处都可以看到，我们采用的LM016L液晶模块采用了HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能。

LM016L是一种专门用来显示字母、数位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行距的作用。

2.1.4数据的串口传送与储存显示

方案1：

通过串口将数据传送到另一个单片机系统上显示，采用24C02存储器对数据进行储存。

方案2：

通过串口将数据传送到PC机上并用VB程序编写的界面显示，采用PC机对数据进行储存。

2.2方案论证

2.2.1温度传感器

利用热电偶传感器一般会考虑铂电阻和铜电阻，铂电阻适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度系数大，适用于无腐蚀介质，超过150度易被氧化。

并且采用热电偶传感器或者热敏电阻作为温度传感器，都需要采用专用的温度补偿导线与仪器连接，但是温度补偿导线的价格很高，同时如果线路太长，会影响测量精度，这是直接以模拟量形式进行采集的不可避免的问题。

采用新型可编程温度传感器DS18B20进行温度检测可以避免热电偶或热敏电阻作为温度传感器所造成的测量精度误差过大等问题，它的测温范围-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625℃。

DS18B20可以直接读出被测温度值。

而且采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

DS18B20是Dallas半导体公司的数字化温度传感器，它是一种支持“一线总线”接口的温度传感器。

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。

一线总线将独特的电源和信号复合在一起，并仅使用一条线，每个芯片都有唯一的编码，支持联网寻址，简单的网络化的温度感知，零功耗等待等特点。

因此采用方案3。

2.2.2时钟显示

单片机的时钟信号可以由外部振荡和内部振荡两种方式取得，在引脚XTAL1和XTAL2外接晶振振荡器或陶瓷谐振器，就构成了单片机的内部振荡方式。

由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲。

虽然采用内部时钟计时，可以节省IO引脚，降低成本，但是内部振荡器使用阻容震荡，其精度不高，为了防止掉电，还需要备一块电池供电。

单片机的外部振荡方式时把已有的时钟信号引入单片机内。

这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号一致。

（对于HMOS的单片机（8031，8031AH等），外部时钟信号由XTAL2引入，对于CHMOS的单片机（8XCXX）,外部时钟由XTAL1引入。

采用外部时钟芯片DS1302，不仅仅能对时间进行计时还可以对年、月、日、周进行计时，具有闰年补偿功能而且对于使用串口、或者PWM等对时钟比较敏感的功能，不会产生影响。

所以选择方案2。

2.2.3时间温度数据显示

如果采用数码管动态扫描显示时间温度数据，往往不止一个数码管，一个数码管8段加一个公共端需要9根口线才能完全显示任意字符，为了节省IO口线，就需要用到人眼视觉驻留的原理，每一位数码管显示一会儿，然后关掉，再去显示下一个数码管。

使用LCD显示时，由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，所以它的画质高且不会闪烁，由于液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作也更加方便。

并且液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的液晶显示器每一个点，在质量上也比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

同时，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，功耗电量非常少。

所以使用方案2。

2.2.4数据的串口传送与储存显示模块

在这一个通过模块中我们考虑到将两种方法结合起来，因为这两种方式各有其优势和劣势，同时采用可以取长补短，也并不会发生矛盾。

串口将数据从一个单片机传送到另一个单片机上设置较为简单，将数据存储到24C02存储器上，不易于对任意时间温度数据进行提取，而将数据传送到PC机上并用VB界面显示出来不仅美观而且信息量丰富，但是有可能会丢失，我们将数据储存在“D：

\温度.TXT”目录下不仅存储量大，而且便于直观查看。

将两种方法结合起来后，这一个模块的工作情况能够更加的有保障，因此，将方案1与方案2结合起来。

2.3小结

通过这一部分的讨论，在比较了各种方案对该设计的影响及达到设计的技术指标的保准后，我们就确定了选用单片机STC89C51为核心元件，温度传感器STC89C52，时钟芯片DS1302，存储芯片24C02，传输芯片MAX232，并且为了保证系统能够更加有保障的传输数据，还采用了串口将数据传送到PC机上并用VB程序编写的界面显示。

这样，整个系统的大致所需要的芯片就可以确定了，为单片机添加晶振、保护电阻时所需的器件以及其大小类型，画仿真图的时候可以确定。

3.系统硬件设计

3.1总体设计

该系统是以STC89C52单片机为核心，采用了新型可编程温度传感器DS18B20进行温度检测，它具有抗干扰能力强、电路简单、精度高等特点，时钟显示模块采用了DS1302，它能够提供包括秒、分、时、日期、月份、年份信息，闰年可自行调整，还可以选择12小时制和24小时制，并通过串口、24C02与主机进行通信，最后以LCD显示。

通过按键开关可对日期年月进行手动选择，单片机通过max232串口传输能实现与PC机直接的存储信息交流。

图3-1硬件总体框图

根据硬件的总体框图，我们画出了相应的proteus仿真图，将正确的程序在入之后，能够显示出正确的时间与所处环境的温度值，如下图所示，是在2012年7月16日晚上20:

13:

56时，星期一，所测得温度值为37度。

图3-2总体设计图

3.2硬件模块电路分析

3.2.1核心系统模块

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

工作电压为5.5V~3.3V（5V单片机）/3.8V~2.0V（3V单片机），它的工作频率范围为0~40MHz，相当于普通8051的0~80MHz，实际工作频率可达48MHz，用户应用程序空间为8K字节，偏上集成512字节RAM，通用I/O口（32个）复位后为：

P1、P2、P3、P4是准双口向上/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

它不仅具有EEPROM功能，还具有看门狗功能。

一共有3个16位定时器/计数器，即定时器T0、T1、T2，外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

STC89C52管脚图如图3-3（a）所示，仿真图如图3-3（b）所示。

图3-3（a）STC89C52管脚图图3-3（b）STC89C52仿真图

各引脚功能分别为：

VCC：

电源电压；

VSS：

接地；

P0端口：

P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。

作为输入端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入每个引脚驱动，写入“1”时，可以作为高阻抗输入。

在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。

此时，P0口内部上拉电阻有效。

在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

P1端口：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。

对端口写入“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。

P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入。

P2端口：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P2的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。

对端口写入“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P2口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。

在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时，P2送出高8位地址。

在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容在整个访问期间不会改变。

P3端口：

P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。

对端口写入“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P3口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。

P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能。

RST：

复位输入。

当输入连续两个机器周期以上高低那平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作。

看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器可以AUXR上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复为高电平有效。

ALE/ROG:

地址锁存控制信号，ALE是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在Flash编程时，ROG也用作编程输入脉冲。

STC89C52的工作模式为：

掉电模式：

典型功耗<0.1

A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序

空闲模式：

典型功耗2mA

正常工作模式：

典型功耗4Ma~7mA

掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。

3.2.2温度传感器模块

DS18xx系列温度传感器是数字式温度传感器，相对于传统温度传感器精度高、稳定性好、电路简单、控制方便。

DS18B20有很多特性，现列举以下几点：

（1）应用中不需要外部任何元器件即可实现测温电路。

（2）测温范围为-55度—125度，最大精度可以达到0.0625度。

（3）只通过一条数据线即可实现通信。

（4）每个DS18B20器件上都有独一无二的序列号，所以一条数据线上可以挂接很多该传感器。

（5）内部有温度上下限警告功能。

DS18B20的管脚及外部形状图如3-4（a）所示，仿真图如3-4（b）所示

图3-4（a）DS18B20管脚及外部形状图3-4（b）DS18B20仿真图

DS18B20工作时需要接受特定的指令来完成相应的功能，它的指令可分为ROM指令和RAM指令；ROM指令主要是对其内部的ROM进行操作，如查询所使用DS18B20的序列号，如果只使用一个DS18B20，ROM操作一般就可以直接跳过了；RAM指令主要是完成对其内RAM中的数据进行操作，如让其开始进行数据采集、读数据等。

DS18B20数字温度传感器是单总线器件，数据的读写只通过一条数据线进行并且这一条线上允许挂很多该传感器；这样对器件进行读写指令时就比较麻烦，必须应用特定时序来识别高低平信号，所以指令表中0、1在写给DS18B20时就得变成代表0、1电平的时序段序列。

同样，从DS18B20读数据时，也是由特定的时序来完成数据读取。

DS18B20的工作过程如下：

（1）复位操作

（2）执行ROM操作的5条指令之一：

1）读ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警搜索

（3）存储器操作命令：

温度转换、读取温度、设定上下限温度值指令

（4）读取温度数据：

主机读取温度数据后进行数据处理

可以初始化数据精度，按芯片手册写入固定指令。

数据位数可设置成9、10、11、12位，其中七位为温度整数部分，1位表示温度正负，其余位数为小数。

如9位数据时，有1位为小数，精度为0.5。

DS18B20需要严格的协议以确保数据的完整性，协议包括几种单线信号类型：

复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。

总线这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。

和DS18B20间的任何通讯都需要以初始化序列开始。

一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明DS18B20已经准备好发送和接收数据。

DS18B20内部对9位温度数据格式计算的结果可提供0.5度的分辨率。

温度以16位带符号位扩展的二进制补码形式读出，表1给出了温度值和输出数据的关系。

数据通过单线借口以串行方式输出。

DS18B20测温范围为-55度至125度，以0.5度递增。

如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。

读取数据时需要读取前16位数据，低字节在前，高字节为符号位。

温度值与输出数据的关系如表3-1

表3-1温度值与输出数据关系

每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。

主机在进入操作程序前必须用读ROM（33H）命令将该DSl8B20的序列号读出。

ROM命令代码见表3.1。

程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。

DS18B20的测温原理，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，还隐含着计数门，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后进行计数，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-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃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2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

它的测温原理内部设置如图3-3所示。

图3-5DS18B20测温原理内部设置

3.2.3时钟显示模块

DS1302包括时钟/日历寄存器和31字节（8位）的数据暂存寄存器，数据通信仅通过一条输入输出口。

实时时钟/日历提供包括秒、分、时、日期、月份、年份信息，闰年可自行调整。

可以选择12小时制和24小时制，可以设置AM、BM。

DS1302的管脚图与仿真图分别如图3-6（a）和3-6（b）所示，

图3-6（a）DS1302管脚图图3-6（b）DS1302仿真图

各引脚的功能为：

Vcc1：

备用电源；

Vcc2：

主电源。

当Vcc2>Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2

在实物中，我们将vcc1与一颗3V的钮扣电池相连，从而实现时钟实时更新功能。

SCLK：

串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；

I/O：

三线接口时的双向数据线；

CE：

输入信号，在读、写数据期间，必须为高。

该引脚有两个功能：

第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。

它的主要工作部件有：

移位寄存器、控制逻辑、晶振、时钟和RAM。

在进行任何数据传输时，

必须被制高电平，在每个SCLK上升沿时数据被输入，下降沿是数据被输出，一次只能读写一位，适度还是写需要通过串行输入控制指令来实现，通过8个脉冲便可读取一个字节从而实现串行输入与输出。

最初通过8个时钟周期载入控制字节到移位寄存器。

如果控制指令选择的是单字节模式，连续的8个时钟脉冲可以进行8位数据的写和8位数据的读操作，SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据。

8个脉冲便可读写一个字节。

在突发模式，通过连续的脉冲一次性都写完7个字节的时钟日历寄存器，也可以一次性读写8~328位RAM数据。

图3-7DS1302的工作原理图

3.2.4数据的串口传送与储存模块

对于数据的传送与存储我们分别选用了MAX232和24C02C，由前面的介绍可以了解，数据的存储这一部分，为了安全起见，我们还采用了PC机的功能。

MAX232是一款兼容RS232标准的芯片。

由于电脑串口rs232电平是-10V+10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是0~+5v,MAX232就是用来进行电平转换的，该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器提供TIA/EIA-232-F电平。

该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平。

每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。

它的主要特点是：

单5V电源工作；LinBiCMOSTM工艺技术；有两个驱动器和两个接收器；正负30V输入电平；低电源电流，典型值是8mA；符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28；ESD保护大于MIL-STD-883标准的2000V。

图3-8（a）为MAX232的管脚图，图3-8（b）为MAX232的仿真图

图3-8（a）MAX232管脚图图3-8（b）MAX232的仿真图

各引脚的功能为：

C1+,C1-,C2+,C2-：

外接电容端；

R1lN,R2lN：

2路RS-232电平信号接收输入端；

R1OUT,R2OUT：

2路转换后的TTL电平接收信号输出端，送单片机的RXD接收端；

T1lN,T2lN：

2路TTL电平发送输入端，接收机的TXD发送端；

T1OUT,T2OUT：

2路转换后的发送RS-232电平信号输出端，接传输线；

V+：

经电容接+5V电源；

V-：

经电容接地。

24C02C是点可擦除PROM，采用256*8-bit的组织结构以及两线串行接口。