毕业设计论文室内采暖温度检测系统方案

1、目 录1 引言 .11.1 设计课题的目的及意义 .11.2 温度检测技术的国内外现状 .22 室内采暖温度检测系统方案论证 .52.1 方案设计 .52.2 方案选择 .63 室内采暖温度检测系统硬件设计 .73.1 单片机模块 .73.2 温度检测模块 .93.3 报警电路模块 .153.4 存储模块 .163.5 时钟芯片模块 .173.6 日期调整按键模块 .193.7 1602 液晶显示模块.193.8 电源模块 .233.9 硬件总体设计 .234 室内采暖温度检测系统软件设计 .254.1 系统程序总体流程概况 .254.2 子程序设计 .255 系统调试与结果分析 .305.1

2、 软件调试 .305.2 仿真结果 .306 总结 .31参考文献 .32致 谢 .33附录一、电路原理图 .34附录二、系统仿真图 .35附录三、源程序 .361 引言随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。 单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据

3、处理能力。所以单片机在工业中应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。该系统设计核心控制器使用单片机 at89c51，测温传感器使用 ds18b20，时钟芯片采用ds1302，存储芯片采用 at24c02，用 lcm1602 液晶显示实现温度和日期的动态显示,并且如果超出温度范围，报警系统会即时进行报警。1.1 设计课题的目的及意义北方的冬季一般比较寒冷，温度往往达到-20以下，为了抵御寒冷，各个供暖公司燃烧大量的煤为住户进行供暖，但是燃烧的煤炭所散发的热量与住户屋内的温度是否成正比，是否有大量的热量从住户的墙壁或门窗散发出去而造成大量的能源

4、损失，一直是大家所关心的问题。随着国家环保、节能意识的提高，迫切需要一种检测系统对流入住户屋内的热量以及住户屋内所实际能达到的温度进行检测。 温度检测的传统方法是使用热电偶、热电阻、半导体 pn 结等的模拟温度传感器，信号经取样、放大后通过模数转换，再由单片机处理。 被测温度信号从温敏元件到单片机，经过众多器件，易受干扰，不易控制且精度不高。这次毕业设计的目的主要是让生活在信息时代的我们，将所学知识应用于生产生活当中，掌握系统总体设计的流程，方案的论证，选择，实施与完善。通过对温度控制通信系统的设计、制作、了解信息采集测试、控制的全过程，提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完

5、成工程项目中所应具备的基本素质和要求。培养研发能力，通过对电子电路的设计，初步掌握在给定条件和要求的情况下，如何达到以最经济实用的方法、巧妙合理地去设计工程系统中的某一部分电路，并将其连接到系统中去。提高查阅资料、语言表达能力和理论联系实际的技能。随着温度检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。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、提供更好更方便的设施就需要从

6、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。 21 世纪科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的主流之一，被广泛的应用于生产的各个领域。当今社会温度的测量与控制系统在生产与生活的各个领域中扮着越来越重要的角色，大到工业冶炼，物质分离，环境检测，电力机房，冷冻库，粮仓，医疗卫生等方面；小到家庭冰箱，空调，电饭煲，太阳能热水器等方面都得到了广泛的应用，温度控制系统的广泛应用也使得这方面研究意义非常的重要。1.2 温度检测技术的国内外现状国外对温度控制技术研究较早，始于 2

7、0 世纪 70 年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80 年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。我国对于温度测控技术的研究较晚，始于 20 世纪 80 年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统

8、居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。在今后的温控系统的研究中会趋于智能化，集成化，系统的各项性能指标更准确，更加稳定可靠。温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制中 7 个基本物理量之一，它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。随着科学技术水平的不断把提高，温度测量技术也得到了不断的发展。1.2.1 温度检测技术简介温度检测技术是一种利用微机来实现数据采集、数据通讯传输和数据

9、分析处理的一门新技术，是在生产过程中记录和说明热加工产品与空气温度关系的技术，追踪测量得到的数据被显示为图表或数字。这个过程最简单的形式就是它可以告诉生产者所生产的产品的温度、保持这个温度有多长时间以及在什么时间达到了什么温度。通过分析数据，生产人员可以保证产品达到最好的质量、解决产品存在问题、优化生产工艺路线及节约能耗。无论是在电子产品的生产、食品加工、其它工业生产，还是在医疗器械生产方面，只要在生产过程中温度是重要的控制指标，温度检测技术就具有非常广阔的应用前景。随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的方法种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法

10、：（1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计；（2）利用热电效应技术制成的温度检测元件；（3）利用热阻效应技术制成的温度计；（4）利用热辐射原理制成的高温计；（5）利用声学原理进行温度测量；（6）利用红外测温技术；温度的检测方法通常分为两大类即接触式测温和非接触式测温。接触式测温是基于热平衡原理，测温时，感温元件与被测介质直接接触，当达到热平衡时，获得被测物体的温度，例如，热电偶，热敏电阻，膨胀式温度计等就属于这一类；非接触式测温基于热辐射原理或电磁原理，测温时，感温元件不直接与被测介质接触，通过辐射实现热交换，达到测量的目的，例如，红外测温仪、光学高温计等。常用的测温传感器有热电偶，热电阻，导体

11、温度传感器等。集成温度传感器可以分为三类：模拟集成温度传感器、模拟集成温度控制器、智能温度传感器。1.2.2 温度检测技术的发展在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果，其中前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达 0.0001，理论上可达 0.00001，而且在-40230范围内具有温度与频率的线性特性；我国生产的石英温度传感器分辨率达到 0.0001，误差在 0.05以内，中国航天工业总公司 702 所研制的 5901(stp-1000)型粘贴式测温片，其静态测温精度为0.5%，快速响应时间小于 0.013s。虽然温度测量方法多种多样，但在很多情况下，对于实际工程现场或一些特殊条件下的温度测

12、量，比如对极限温度、高温腐蚀性介质温度、气流温度、表面温度、固体内部温度分布、微尺寸目标温度、大空间温度分布、生物体内温度、电磁干扰条件下温度测量来讲，要想得到准确可靠的结果并非易事，需要非常熟悉各种测量方法的原理及特点，结合被测对象要求选择合适的测量方法才能完成。同时，还要不断探索新的温度测量方法，改进原有测量技术，以满足各种条件下的温度测量需求。温度检测技术应用领域非常的广泛，冷冻库，粮仓，储罐，电信机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域。轴瓦，缸体，纺机，空调等狭小空间工业设备测温和控制。汽车空调，冰箱，冷柜以及中低温干燥箱等。太阳能供热，制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量等。2

13、室内采暖温度检测系统方案论证2.1 方案设计2.1.1 方案一：利用 plc 实现对温度恒定的控制利用 plc 实现对温度恒定的控制，其控制系统的结构框图如图 2-1 所示：采用 plc 控制实现电热丝和风扇加热制冷，以全通、间断导通和全断加热制冷的自动控制方式，来达到温度的恒定。智能型热电偶温度表将置于被测环境中，热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较，构成闭环系统，生成温差电压 vt，plc 自适应恒温控制电路，根据vt 的大小计算出全通、间接导通和全断的自适应恒温控制电路，并将占空比可调的控制电平经输出隔离电路去控制可控硅门极的通断，实现自适应的恒温控制。若温度升的过快或者降低过

14、快，plc 也将输出关断电平信号转换为可控硅电路相匹配的输入信号。、 、 、 、 、 、 、 、 、sz-4plc、 、 、 、 、 、 、 、 、vt、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、图 2-1 方案一的系统结构图2.1.2 方案二：用热电耦检测温度以单片机为主控制系统，其总体结构如图 2-2 所示。采用热电偶对温度进行采集，将采集到的信号利用放大器进行放大，再经过 a/d 转换，然后将采集到的数据用单片机在液晶显示器上显示出来，然后再利用控制电路对温度控制其升温或者降温。、 、 、 、 、 、 、 、a/d、 、 、 、 、 、 、 、 、 、lcd、 、 、 、 、 、 、图 2

15、-2 方案二的系统结构图2.1.3 方案三：用温度传感器检测温度仍以单片机为主控制系统，采用数字温度传感器实现温度采集，其总体结构如图 2-3所示。系统主要包括以系统核心 at89c51 单片机作为微处理器的现场温度采集、实时温度显示与存储、相应时刻日期显示与调整、超温报警装置系统。、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、图 2-3 方案三的系统总体结构框图温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。采用单线单点检测技术，其中ds1302 时钟芯片为系统提供日期和时间，由单片机对温度传感器所采集的数据进行处理，经 lcm1602 液晶显示

16、器显示出来，并将处理后的温度值与设定值进行比较，从而控制报警电路是否发出报警信号。2.2 方案选择对于方案一，采用 plc 实现恒温控制，由于 plc 成本高，且 plc 是外围系统配置复杂，不利于我们的设计；由于数字 pid 调节，运算量大，只有选择对于温度的控制精度合适的参数才往往能达到较好的效果。对于方案二，虽然许多热电偶精度非常高，但是其构成系统太复杂，抗干扰能力也不强，而且成本比较高。对于方案三，采用数字温度传感器进行温度采集，该方案成本低，可靠性高，抗干扰性强，而且易于设计和控制，同时也是本次毕业设计任务书上所要求的方案。故本设计我选方案三，采用数字温度传感器采集温度来实现室内温度

17、检测。3 室内采暖温度检测系统硬件设计3.1 单片机模块主控单片机采用一片 atmel at89c51。根据题目要求，充分利用了单片机灵活控制的优点，发挥其优势功能，采用单片机控制显示信号灯，提高了系统的灵活性，设置方便。at89c51 芯片本身集成了看门狗（wdt）电路，这是为了系统更加的稳定可靠，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生这种做法对于实际上长时间运行在恶劣状况的交通灯控制系统来说是十分必要的。它可以完成自动加载复位，省去人工调整的麻烦，可以做到无人职守1。at89c51 是一个低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k bytes isp(in-system prog

18、rammable)的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储器，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 mcs-51 指令系统及 80c51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 isp flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 at89c51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案1。 at89c51 具有如下特点1：40 个引脚，4k bytes flash 片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（ram） ，32 个外部双向输入/输出（i/o）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定

19、时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器，如图 3-1 所示。图 3-1 at89c51 芯片引脚 此外，at89c51 设计和配置了振荡频率可为 0hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，cpu 暂停工作，而 ram 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 ram 的数据，停止芯片其它功能直到外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 pdip、tqfp 和 plcc 等三种封装形式，以适应不同产品的需求2。3.1.1 复位键控制模块 单片机复位电路是使 cpu 和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从该状态开始工作，例如

20、复位后 pc=0000h，使单片机从第一个单元取指令。无论是在单片机刚接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。单片机复位的条件是：使 rst/vpd引脚加上持续两个机器周期（即 24 个振荡周期）的高电平。若时钟频率为 12mhz，每机器周期为 1us，则只需 2us 以上时间的高电平，在 rst 引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位2。单片机常见的复位电路如图 3-2 按键复位电路所示。图 3-2 按键复位电路该电路除了具有上电复位电路功能，还可以使用中复位，只要按下图中的复位键，在rst 端会产生一个复位高电平。单片机复位期间不产生 ale 和 psen 信号，即 ale=1，这

21、表明单片机复位不会有任何取值操作2。按键复位电路，易掌握，好操作。3.1.2 驱动模块单片机的驱动主要是由晶振组成的驱动电路提供2，如图 3-3 所示：由一个 12mhz 的晶振以及两个 22pf 的电容组成，单片机以及外围的一些电路能够正常工作，都是由晶振电路所提供的动力。因此，在单片机中晶振电路是必不可少的，也正是这样，它也是单片机最小系统的重要组成部分2。图 3-3 晶振电路3.2 温度检测模块3.2.1 温度传感器的概述ds18b20 是美国 dallas 半导体公司继 ds1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求

22、通过简单编程实现 912 位的数字值读数方式3。可以分别在 93.75ms 和 75oms 内完成 9 位和 12 位的数字量。它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的 a/d 转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 ds18b20 供电，而无需额外电源，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高5。ds18b20 的测温范围-55+125，最高分辨率可达 0.0625，由于每一个 ds1

23、8b2o 出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其 rom 中，因此 cpu 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。ds18b2o 具有独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用单片机的 i/o 引脚资源少，和单片机的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远5。3.2.2 ds18b20 性能特点与内部结构ds18b20 是美国 dallas 公司生产的单总线数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易于与未处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。该器件将半导体温敏器件、a/d 转化器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度

24、信号数字值。信号传输采用两芯（或三芯）电缆构成的单总线结构。一条单总线上可以挂接若干个数字温度传感器，每个传感器有一个唯一的地址码。微控制器通过对器件的寻址，就可以读取某个传感器的温度值，从而简化了信号采集系统的电路结构。(1)ds18b20 的性能特点6如下：1)独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2)多个 ds18b20 可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；3)无须外部器件；4)可通过数据线供电，电压范围为 3.05.5v；5)零待机功耗；6)温度以 3 位数字显示；7)用户可定义报警设置；8)报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；9)负电压特性，电源极

25、性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 (2)ds18b20 的外形及管脚排列6，如下图 3-4 所示: 图 3-4 ds18b20 封装(3)ds18b20 内部结构6主要由六分组成：1)64 位光刻 rom。开始 8 位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48 位，最后 8 位是前 56 位的 crc 校验码，这也是多个 ds18b20 可以采用一线进行通信的原因。64 位闪速 rom 的结构如下：8b 检验 crc48b 序列号8b 工厂代码（10h） msb lsb msb lsb msb lsb内部电源探测位和单线端口位产生器暂存器下限触发上限触发温度传感器

26、存储器和控制逻辑图 3-5 ds18b20 内部结构ds18b20gnddqvdd2)非挥发的温度报警触发器 th 和 tl，可通过软件写入用户报警上下限值。3)高速暂存存储，可以设置 ds18b20 温度转换的精度。ds18b20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存 ram 和一个非易失性的可电擦除的 e2pram。高速暂存 ram 的结构为 8 字节的存储器，结构如图 3-5 所示7。头 2 个字节包含测得的温度信息，第 3 和第 4 字节 th 和 tl 的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第 5 个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。ds18b20工作

27、时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。它的内部存储器结构和字节定义如图 3-6 所示7。低 5 位一直为 1，tm 是工作模式位，用于设置 ds18b20 在工作模式还是在测试模式。byte0温度测量值 lsb（50h）byte1温度测量值 msb（50h）e2prombyte2th 高温寄存器-th 高温寄存器byte3tl 低温寄存器-tl 低温寄存器byte4配位寄存器-配位寄存器byte5预留（ffh）byte6预留（0ch）byte7预留（ioh）byte8循环冗余码校验（crc）图 3-6 ds18b20 内部存储器结构ds18b20 出厂时该位被设置为 0，用户要去改动，r

28、1 和 r0 决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。表 3-1 ds18b20 温度转换时间表 r1 r0 分辨率/位 温度最大转向时间/ms 0 0 9 93.75 0 1 10 187.5 1 0 11 375 1 1 12 750由表 3-1 可见，分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存 ram 的第 6、7、8 字节保留未用，表现为全逻辑 1。第 9 字节读出前面所有8 字节的 crc 码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当 ds18b20 接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以 16 位带符号扩

29、展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第 1、2 字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以 0.0625lsb 形式表示。当符号位 s0 时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位 s1 时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表3-2 是一部分温度值对应的二进制温度数据。表 3-2 一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007d0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00000191h+

30、10.1250000 0000 1010 000100a2h+0.50000 0000 0000 00100008h00000 0000 0000 10000000h-0.51111 1111 1111 0000fff8h-10.1251111 1111 0101 1110ff5eh-25.06251111 1110 0110 1111fe6fh-551111 1100 1001 0000fc90h 4)crc 的产生 在 rom 的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（crc） 。主机根据 rom 的前 56 位来计算 crc 值，并和存入 ds18b20 中的 crc 值做比较，以判断主机收

31、到的 rom 数据是否正确。另外，由于 ds18b20 单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对 ds18b20 的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化 ds18b20（发复位脉冲）发 rom 功能命令发存储器操作命令处理数据。5)外接电源ds18b20 有两种供电方式：3.05.5v 的电源供电方式和寄生电源供电方式（直接从数据线获取电源） 。本设计采用外部电源给器件供电，外部电源接 vcc 引脚向器件供电，如图3-7 所示，gnd 接地，dq 接单片机。vccdqgndds18b20gnd接单片机vcc图 3-7 外部电源供电6）温度报警信号ds18b20

32、 完成温度转化后，就把测的温度值与 th、tl 做比较，若 tth 或 tvcc1+0.2v 时，由 vcc2 向 ds1302 供电，当vcc2 vcc1 时，由 vcc1 向 ds1302 供电；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。故室内采暖温度检测系统时钟电路设计,如图 3-15 所示。图 3-15 ds1302 时钟电路设计3.6 日期调整按键模块本设计总的用了四个按扭开关作为调整设

33、置按键，如图 3-16 所示:按 key1 进入时间设置；再按一下进行确认；按 key2 进行加；按 key4 进行减；按 key3 进入日期设置；进入设置后进行光标左移。图 3-16 日期调整按键模块3.7 1602 液晶显示模块3.7.1lcm1602 液晶显示的概述lcm（lcd module）即 lcd 显示模组，是指将液晶显示器件、连接件、控制与驱动等外围电路，pcb 电路板，背光源，结构件等装配在一起的组件。lcm 提供用户一个标准的 lcd显示驱动接口，用户按照接口要求进行操作来控制 lcd 正确显示。lcm 是一种相对更高集成度的 lcd 产品，可以比较方便地与各种微控制器（如

34、单片机）连接，作为简易的人机接口。其中，mcs-51 单片机作为 lcm1602 显示控制系统的核心部件。它由中央处理器（cpu） 、存储器（rom 与 ram） 、输入/输出单元(i/o)三大基本部分构成。单片机具有高性能、低价格；体积小，集成度高，可靠性和抗干扰能力强；较低工作电压（1.85v） ，低功耗等优点。并且，只要在单片机的外围适当加一些必要的扩展电路及通道接口，就可以构成各种应用系统，如工业控制系统、数据采集系统、自动控制系统、自动测试系统、检测监视系统。总之，该 lcm1602 液晶显示控制系统具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发

35、展趋势。3.7.2 lcm1602 体系结构介绍lcm1602 是 2 行16 个字符的字符型液晶显示模块。它由 32 个字符点阵块组成，每个字符点阵块由 57 或 510 个点阵组成，可以显示 ascii 码表中的所有可视的字符。lcm1602 采用标准的 16 脚接口，其中各引脚的功能2，如下表：表 3-3 各引脚说明引脚符号功能说明1vss电源负极2vdd电源正极（+5v）3v0液晶显示器对比度调整，lcd 驱动电压（一般为 0.8v，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，会产生“鬼影”可以通过一个 10k 的电位器调整对比度） 。4rsrs 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄

36、存器、低电平 0 时选择指令寄存器。5r/wr/w 为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6ee(或 en)端为使能(enable)端，下降沿使能，液晶模块执行命令714db0db7低四、高四位三态、双向数据总线 0 位(最低位）7 位(最高位)15bla背光电源正极16blk背光电源负极 寄存器选择控制如表 3-4：表 3-4 寄存器选择控制说明rsr/w操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）或者显示地址01读 busy flag（db7） ，以及读取位址计数器（db0db6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据3.7.3 lcm1602

37、模块内部结构lcm1602 内部主要寄存器有：输入/输出缓冲器，指令寄存器（instuction register，即 ir） ，指令译码器，数据寄存器（data register，即 dr） ，地址计数器（address counter，即 ac） ，忙标识（busy flag，即 bf）以及显示数据存储器（display data ram，即 ddram） ，字符发生器（character generate rom，即 cgrom）2。其各个单元的功能作用如下：输入/输出缓冲器，用于缓存输入/输出的数据与控制信号。指令寄存器（ir） ，为八位寄存器。用于存放 lcd 指令、ddram 或

38、cgrom 地址。数据输入流程：数据存入 dr，然后将该数据地址与指令存入 ir，最后将该数据输入到 ddram 或cgrom。读取数据流程：将该数据地址与指令存入 ir，dr 取得该地址数据。指令译码器，将 ir 里的指令进行译码，以获取 ddram 或 cgrom 地址。数据寄存器（dr） ，连接 lcm 内部数据总线以及缓存 ddram 或 cgrom 的存取数据。当cpu 读取 dr 内容后，dr 能自动加载下一个地址的内容。地址计数器（ac） ，连接 lcm 内部数据总线以及缓存 ddram 或 cgrom 的存取数据地址。当存取 ddram 或 cgrom 的数据地址，ac 能自动

39、加载下一个存储地址。忙标识（bf） ，表示 lcm 的当前状态。若 bf=1，则表示 lcm 处于忙碌状态，无法接收外部数据或指令。显示数据存储器（ddram） ，存储所要显示数据的 ascii 码，根据该 ascii 码地址，即可到 cgrom 里找到该字符的显示编码。在送待显示字符代码的指令之前，先要送 ddram 的地址(即待显示的字符显示位置)。162 的字符型 lcd 的 ddram 地址与显示位置的对应关系，如表 3-5 所示。表 3-5 lcd 的 ddram 地址与显示位置的对应关系ddram 地址与显示字符位置（16*2）的对应关系00h01h02h03h04h05h06h0

40、7h08h09h0ah0bh0ch0dh0eh0fh40h41h42h43h44h45h46h47h48h49h4ah4bh4ch4dh4eh4fh此外，还有自定义字符发生器，串行/并行数据转换器，光标闪烁控制电路，时序产生电路，偏压产生电路，共同端驱动电路以及段驱动电路等。3.7.4 lcm1602 体系结构介绍由于 mpu 可以直接访问模块内部的 ir 和 dr。作为缓冲区域，ir 和 dr 在模块进行内部操作之前，可以暂存来自 mpu 的控制信息。这样就给用户在 mpu 和外围控制设备的选择上，增加了余地。模块的内部操作由来自 mpu 的 rs、r/w、e 以及数据信号 db 决定，这些

41、信号的组合形成了模块的指令。本系列模块向用户提供了 11 条指令，大致可以分为四大类：模块功能设置；设置内部 ram 地址；完成内部 ram 数据传送；完成其他功能。内部 ram 的数据传送的功能使用最为频繁，因此，ram 中的地址指针所具备的自动加一或减一功能，在一定程度上减轻了 mpu 编程负担。数据移位指令与写显示数据可同时进行，这样用户就能以最少系统开发时间，达到最高的编程效率。另外，在每次访问模块之前，mpu 应首先检测忙标志 bf，确认 bf=0 后，访问过程才能进行。1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，如表 3-6 所示。 表 3-6 1602 液晶模块内部控制

42、指令序号指令rsr/w d7d6d5d4d3d2d1d01清显示，ddram 存入 20h，光标至左上角，ac 清零00000000012光标返回，ddram 内容保持，ac 清零000000001*3置输入模式00000001i/ds4显示开/关控制0000001dcb5光标或字符移位000001s/c r/l*3.7.5 lcm1602 显示电路设计单片机 p0.0p0.7 分别于 lcm1602 液晶显示模块的 d0d7 数据线连接，p2.0p2.2接到液晶显示模块控制信号引脚 rs、rw 和 e，lcd 模块的 vdd 引脚接电源+5v，vss 和 vee引脚接地。结合 lcm1602

43、 控制指令，通过 at89c51 单片机来控制 lcm1602 显示相应的时间与温度，如图 3-17 所示。图 3-17 显示电路设计3.8 电源模块该系统电源是由集成稳压器件构成的直流可调稳压电源，为系统各模块及芯片提供电源。主要由变压、整流、滤波和稳压等部分电路8。具体如下：交流电源经过电路中的保险丝 f，变压器 t 降压成低压交流电，经二极管组 d2 成的整流桥整流成单向脉冲直流电压，其中 f 起到短路保护作用。稳压电路部分中，电路采用 lm7805 集成稳压器作为稳压器件，用典型接法，220v 电源整流滤波后送入 lm7805 稳压，在输出端接上电容进一步滤除纹波，得到 5v 稳压电源

44、，如图 3-18 所示。6置功能00001dlnf*7置字符发生存贮器寻址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器寻址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01bf计数器地址10写数到 cgram 或 ddram）10要写的数据内容11从 cgram 或 ddram 读数11读出的数据内容图 3-18 电源电路设计3.9 硬件总体设计本设计的硬件总体设计主要包括主控单片机模块、温度检测模块，显示模块，时钟模块，存储模块以及报警模块。电路原理图详见附录一。温度检测流程：先用温度传感器模块对环境温度进行采集，然后主单片机模块将温度传感器所采集的数据进行处理经过显示模块将温度值显示出来，并将此时的

45、温度与规定的温度进行比较。当此时的温度高于规定值时，红色二极管亮，并且蜂鸣器发出报警；当温度值在规定值范围内时，蜂鸣器不报警；当温度低于规定值时，蜂鸣器发出报警。日期和时间显示流程：主要由时钟芯片控制，四个功能按键进行日期和时间的调整，通过显示屏上显示出来，并把当时的温度存储记录下来，方便供热公司查询。4 室内采暖温度检测系统软件设计在系统设计过程中，软件与硬件同样重要。硬件是系统的躯体，软件则是系统的灵魂，系统的硬件电路设计好之后，它的主要功能还是要靠软件编程来实现，而且软件的设计在很大程度上决定了系统的性能。为了满足系统设计的要求，在软件设计方面一般要符合易理解、易维护、实时性、准确性、可

46、靠性等几点要求。4.1 系统程序总体流程概况该检测系统主要包括单片机对 ds18b20 温度检测、lcm1602 液晶显示、万年历显示控制,以及温度数据存储四部分。软件控制程序主要有主控程序、电子时钟的时间控制程序、温度检测、显示程序和数据存储等程序组成。主控程序负责对整个程序进行调用与控制，进行了初始化程序还有键盘功能程序；显示程序和时间控制程序是电子时钟中比较重要的部分，时间控制程序体现了年、月、日、时、分、秒的计算方法。主控程序如图 4-1 所示。、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、nnyy、 、图 4-1 系统总控流

47、程图4.2 子程序设计 在子程序设计中，要求系统结构清晰，尽可能地保证单入口单出口，减少与其他程序之间的耦合，但为了提高这类滞后对象的实时性指标，可以在个程序适当的部分进行揉合。例如在播放语音时，需要调用一段延时，在本程序中，利用 cpu 执行温度转换这段代码占有的时间代替这段延时。在正常执行温度转换时，同样需要调用一段延时，而本系统利用cpu 执行显示子程序占有的时间代替这段延时。总之，系统设计时要协调这种时间滞后，使系统满足实时性要求。4.2.1 温度检测显示程序温度检测显示程序包含了读出温度，温度转换命，计算温度，显示数据等流程。温度的实时显示、读出并处理 ds18b20 的测量的当前温

48、度值，温度测量每 1s 进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度。温度转换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。计算温度则将 ram 中读取值进行 bcd 码的转换运算，因为本设计应用在室内的温度检测，所以没有进行温度值正负判定程序的显示。温度检测显示流程如图 4-2 所示。、 、 、 、 、 ds18b20、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 ds18b20、 、 、 、 、 、 、 、 750ms、 、 、 、 、 、 、 、 、 lcd、 、 、 、 、 、 750ms、 、 、 、 、 、 、 、 、 rom、 、 、 、 、 、

49、 、 、 、 、 、 、 、 、 bcd、 、 、 、 、图 4-2 温度检测显示流程4.2.2 日历显示程序 时间控制程序主要是定时器 0 计时中断程序每隔 10ms 中断一次当作一个计数，每中断一次则计数加 1，当计数 100 次时，则表示 1 秒到了，秒变量加 1；同理，再判断是否 1 分钟到了，再判断是否 1 小时到了，再判断是否 1 天到了，再判断是否 1 月到了，再判断是否 1 年到了；若计数到了，则相关变量清零。先给出一般年份的每月天数。如果是闰年，第二个月天数不为 28 天，而是 29 天。闰年的判断规则为，如果该年份是 4 或 100 的整数倍或者是 400 的整数倍，则为闰

50、年；否则为非闰年。在我们的这个设计中由于只涉及 100年范围内，所以判断是否闰年就只需要用该年份除 4 来判断就行了。cpu 读取数据进行显示，当各自的条件得不到满足时，对应的显示器状态就不发生改变，只是在满足条件的情况下，显示器的状态才变化。程序流程图如图 4-3 所示。、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、图 4-4 日历显示程序流程图4.2.3 按键扫描操作程序该按键扫描电路用了四个按扭开关作为日期和时间的调整设置按键，随着时间的调整相应的温度也会显示当时的温度，程序流程如图 4-5 所示。、 、 k1、 、 k2、 、 、 、 、

51、 、 、 k3、 、 k4y 、 、 、 、 、 、nnny 、 1y 、 、 、 、 、 、y 、 1、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、图 4-5 按键扫描操作流程图4.2.4 温度储存程序eeprom 采用 i2c 总线与单片机进行通信 i2c 总线是由飞利浦公司推出，是近年来微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准，具有接口线少、控制简单、器件封装形式小、通信速率较高等优点1。i2c 总线由两条导线构成，数据导线称为串行数据线(sda)，时钟导线称为串行时钟线(scl)，即可发送数据，也可接受数据。在 cpu 与 ic 之间，ic 与 ic 之间都可以进行双向通信，最高传送速

52、率为 400kbps，各种被控器件均并联在总线上，每个器件都有唯一的地址。i2c 总线上的数据传输用一个起始条件来启动1如图 4-6 所示，sda 信号发生由高到低的转换，同时 scl 信号保持高，表示起始条件。i2c 总线上的数据传输用一个终止条件来结束。如下图所示，sda 信号发生由低到高的转换，同时 scl 信号保持高，表示终止条件。实际数据在起始和终止条件之间传输。图 4-6 起始和停止条件典型的 i2c 字节写入周期的操作过程是：主执行设备用一个起始条件启动传输，接着发送设备地址，该地址是要写入数据字节的设备的地址，以高位在前、低位在后的方式发送。数据的发送如图 4-7 所示，图中主

53、执行设备将数据位的值放在 sda 信号线上，同时scl 信号线为低，sda 信号线上的值要一直保持到 scl 信号线出现时钟脉冲。在发送接收设备的地址后，主执行设备发送一个 0，接收设备在第一个 ack 时钟周期使 sda 信号线保持低，确认收到该地址。确认之后，主执行设备以高位在前、低位在后的方式发送一个字节数据。接收设备在第二个 ack 时钟周期使 sda 信号线保持低，确认收到数据。典型的 i2c 字节读取周期的操作过程是：主执行设备用一个起始条件启动传输，接着发送设备地址，该地址是要读取数据字节的设备的地址，以高位在前、低位在后的方式发送。1 和 0 的发送同上。在发送读取设备的地址后

54、，主执行设备发送一个 1，请求读取，并等待接收确认信号，接着发送设备发送一个字节数据，接收设备产生一个终止条件，确认数据的接收并终止传输1。图 4-7 i2c 总线的数据传输5 系统调试与结果分析近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。根据方案设计的要求，调试过程共分三大部分：硬件调试、软件调试和软硬联调。 单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试

55、中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起，本设计主要看仿真结果，不需要做实物，这里我们只进行软件调试和软硬仿真联调。5.1 软件调试系统软件调试可以先调试液晶显示程序,在液晶上显示出正确的时间，随后调试时间调整函数。接下来分别进行 ds18b20 温度显示程序的调试，调试到液晶能显示温度值，在环境温度有变化时，显示温度能改变就说明已能正确读取温度数据。最后调试报警温度函数，直到实现设计任务的要求为止。5.2 仿真结果 使用 keil uvision4 软件调试编译源程序，生成目标代码

56、 hex 文件，然后在 proteus 软件中虚拟单片机系统9。模拟仿真设计结果，详见附录二。通过编译调试，本系统能完成以下功能：（1）显示公历日期功能（年、月、日、时、分、秒） ；（2）通过按键可随时调校年、月、日、时、分；（3）当温度超过设定值 28时，led 指示灯亮，蜂鸣器报警；当温度低于设定值15时，蜂鸣器报警。6 总结 本设计研究是基于单片机控制的室内采暖温度检测系统的设计，介绍了温度的采集、数据处理及显示、超温报警过程以及万年历的显示、按键调控过程。在硬件设计方面，我采用 at89c51 单片机为核心，以 ds18s20 温度传感器、ds1302 时钟芯片、at24c02 存储芯

57、片及 lcm1602 液晶显示的硬件电路完成对温度的实时检测及显示，利用 ds18s20 与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对超出设定的上下限温度的报警系统。 该系统具有微型化、低功耗、高性能、抗干拢能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片ds18s20 都有唯一的产品号并可存入其 rom 中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个 ds18s20 芯片。从 ds18s20 读出或写入 ds18s20 信息仅需要一根口线，其读写及温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的 ds18s20 供电，而无

58、需额外电源。在本系统设计过程中遇到了很多问题，刚开始由于对使用芯片的不了解，电路原理图的绘制过程出现很多错误，尤其注意管脚的功能和特点。在后期软件编译的过程，特别是在程序调试方面，使我学到许多东西，深深感到实践相对于理论的重要性，只有我们亲自动手实践，才能认识和更深层次的掌握这些知识和技能。经过这次毕业设计，我更加认识到只有通过不断的强化自身的实践动手能力，才能用理论来指导实践。参考文献1新型单片机 at89c51 及其应用举例j. 1996 年 04 期2徐伟，徐富军，沈建良c51 单片机高效入门北京：机械工业出版社3张海. 基于 at89c51 和 ds18b20 的最简温度测量系统的设计

59、j-现代电子技术,2007(09)4梁中明. 基于 ds18b20 与虚拟 i(2)c 总线的数字温度测量装置设计j.湖北电子报 2006.5金杰. ds18b20 实现高精度温度测量j.郑州电子报 2005.6周云波. 由 ds18b20 单线数字温度计构成的单线多点温度测量系统m.1996(2).7蒋根深，张明亮，解旭辉，李圣怡.基于 ds18b20 的数字式温度控制系统m.2003.8周长彧. 基于单片机的多功能温度检测系统的设计与研究j.吉大电子与通信工程.2008.059周润景，张丽娜基于 proteus 的电路及单片机系统设计与仿真m北京:航空航天大学出版社,2006. 10pet

60、er lute and dolf van paassen.“optimal indoor temperature control using a predictor”,1995.致 谢本次毕业设计是在刘红喜老师的悉心栽培和精心指导下完成的，经过此次毕业设计，我既巩固了已学过的专业知识，又学到了许多课本上面学不到的知识。通过这次毕业设计,我亲身体会到实践和理论相结合的重要性，使得大学期间我所学到的电子专业知识得以真正应用到产品设计上，让我获益匪浅。在面临实际困难的同时，也深深的体会到理论与实践的差距。此次毕业设计，让我深刻感受到：要想顺利完成设计任务，我们既需要全面了解并掌握理论知识，洞悉实际元器件的工