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： 东1东 温度测量范围 0 - 99。 东2东 温度分辨率1。 东3东 选择合适的温度传感器。 东4东 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 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； 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； （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 8 KB 的程 图 2 软件流程图 序存储器和 256 B 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 （3） 、单元电路设计 、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 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Number RevisionSize B Date: 1-Jan-2002 Sheet of File: D:东东东东东东东东东MyAngel.ddb Drawn By: Q1 NPN U2 BUZZER R3 R1 200 S3 S4 S2 S1 +5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 RP1 16PIN 1 2 3 J1 CON3 R2 4.7k +5V GND GND P3.0 P3.1 P3.2 Y1 CRYSTAL C2 30p GND +5V +5V 1 2 3 J2 CON3 P1.01 P1.34 P1.45 P1.5(MOSI)6 P1.6(MOSO)7 P1.7(SCK)8 P1.23 P1.12 RST9 P3.0(RXD)10 P3.1(TXD)11 P3.2(INT0)12 P3.3(INT1)13 P3.4(T0)14 P3.5(T1)15 P3.6(WR)16 P3.7(RD)17 XTAL118 XTAL019 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P2.7/A15 28 PESN 29 ALE/PROG 30 EA/VPP 31 P0.7/AD7 32 P0.6/AD6 33 P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35 P0.3/AD3 36 P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38 VCC 40 P0.0/AD0 39 GND20 P2.0/A8 21 U1 AT89S52 +5V P3.0 P3.1 P3.2 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 RP2 1k 图 3 图 3 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 8 KB 的程序存储器和 256 B 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。 、 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-55C+125C，被测温度 用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，在-10+85C 范围内，精度为0.5C。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 912 位的分辨率，精度可达0.5C。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。 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： 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。 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。 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： sbit DQ = P33; / 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 24s ，然后每次计数需 16s */ void DS18_delay(int useconds) int s; for (s=0; si; temp 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 15s，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。 * */ unsigned char read_bit(void) unsigned char i; DQ = 0; /将 DQ 拉低开始读时间隙 DQ = 1; / then return high for (i=0; i0xf0) t=(-1)*t; return t4; /temp_f = (int)temp_c)* 9)/5 + 32; / 输出华氏温度值 、软件清单 四、 电路仿真 使用 protel 99se 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 protel 99se 来做仿真实验。 电路原理图如下图示： 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Number RevisionSize B Date: 20-Dec-2010 Sheet of File: D:东东东东东东东东东MyAngel.ddb Drawn By: Q1 NPN U2 BUZZER R3 R1 200 S3 S4 S2 S1 +5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 RP1 16PIN 1 2 3 J1 CON3 R2 4.7k +5V GND GND P3.0 P3.1 P3.2 Y1 CRYSTAL C1 30p C2 30p GND +5V +5V 1 2 3 J2 CON3 P1.01 P1.34 P1.45 P1.5(MOSI)6 P1.6(MOSO)7 P1.7(SCK)8 P1.23 P1.12 RST9 P3.0(RXD)10 P3.1(TXD)11 P3.2(INT0)12 P3.3(INT1)13 P3.4(T0)14 P3.5(T1)15 P3.6(WR)16 P3.7(RD)17 XTAL118 XTAL019 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P2.7/A15 28 PESN 29 ALE/PROG 30 EA/VPP 31 P0.7/AD7 32 P0.6/AD6 33 P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35 P0.3/AD3 36 P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38 VCC 40 P0.0/AD0 39 GND20 P2.0/A8 21 U1 AT89S52 +5V P3.0 P3.1 P3.2 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 RP2 1k 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 protel 99se 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 protel 99se 软件却也是这次课程设计中必不 可少的步骤，因为使用 protel 99se 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