基于单片机地温湿度监测系统毕业设计

基于单片机的温湿度监测系统毕业设计无锡职业技术学院毕业设计任务书课题名称基于单片机的温湿度监测系统指导教师班级职称讲师学生姓名指导教师学号职称工程师专业名称课题需要完成的任务:1、基于单片机设计一个温湿度监测系统，要求:1、温度18~28?，相对湿度40%~70%;2、用户可以设置系统温湿度报警值;3、检测得到的数据可以通过显示模块显示。2、可行性方案分析及方案论述。3、系统设计(各功能模块设计和接口电路设计)。4、软件设计及调试。5、电路原理图的绘制。6、毕业论文撰写。课题计划:1.11~2.10查资料，初步方案设计;2.11~2.20确定最佳方案;2.21~4.7设计电路，绘制电路，写毕业论文。4.8~4.15修改、完善毕业论文，并做答辩准备。计划答辩时间:4.8~4.15电子信息技术系(部、分院)2012年12月10日-1-无锡职业技术学院AbstractInrecentyears,withthecomputerpenetrationinthesocialfield,theapplicationofSCMistokeepatthesametime,traditionalcontroltestingupdateonCrescentbenefits.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolsystemofsingle-chipapplications,oftenasasingle-chipcorecomponenttouseonlysingle-chipisnotenoughknowledge,butalsothespecifichardwarestructureandthespecificfeaturesofapplicationsoftwareobjectscombinetomakeperfect.Inthispaper,bothhardwareandsoftwareforautomaticcontrolofwatertemperatureontheprocess,inthecontrolofthemainapplicationoftheprocessofAT89C51,ADC0809,LEDdisplay,LM324comparator,butmainlythroughthedigitaltemperaturesensorDS18B20collectingambienttemperaturetosingle-chipmicrocomputerasthecorecontrolcomponents,andthroughfourreal-timedigitaldisplayofadigitalthermometertemperature.Softwareusingassemblylanguageforprogramming,sothattheimplementationofDirectivespeed,tosavestoragespace.Inordertofacilitatetheexpansionandchangestothedesignofmodularsoftwarestructure,sothatthelogicoftherelationshipbetweenprogramdesignmoreconcise,Hardwaresoftwareco-operationunderthecontrolofit.Andsystematicprocessis:Firstofall,bysettingthebutton,setthethermostattemperatureatthetimeofoperation,anddigitaldisplayofthetemperature.Then,intherunningtemperatureoftheprocessofsamplinganalogintotheA/Dconverterinthesimulation-digitalconverter,andthenconverteddigitalcontrolwithdigitaldisplay,thelastsingle-chipmicrocomputertocontroltheheaterusedforheatingorstopheatinguntilthetemperatureintheprovisionsundertheconstanttemperatureheating.Keywords:Single-chipmicrocomputersystem;Sensor;DataAcquisition;ADC;Temperature2无锡职业技术学院调研报告温湿度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。因此,能够确保快速、准确地测量温湿度的技术及其装置普遍受到各国的重视。近年来,利用智能化数字式温湿度传感器以实测技术的一种发展趋势。介绍的温湿度检测现温度信息的在线检测已成为温湿度系统,以智能化数字式温湿度传感器与PIC微处理器有机结合,构成了一种新型温湿度检测系统。该系统具有性能可靠、测温准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具线路简捷、使用灵活、抗干扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到广泛应用。随着电子技术的发展，将组成CPU的部件集成在一块半导体芯片上，这个具有CPU功能的大规模集成电路芯片就称之为微处理器(MPU)。微处理器的出现，推动了微型计算机的发展，同时也引起了电子设计技术领域的探到变革—电子技术专业人员，使之可以把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中，使电子系统具有可编程序的智能化特点，开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔大地。将微处理器、存储器、I/O电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌入式技术的发展，单片微型计算机是这种设计技术中的一个典型代表。单片机适用于测量和控制领域，它以芯片形式嵌人到电子产品或系统中起到“电脑”作用，受到电子专业技术人员的青睐。单片机以其体积小、可靠性高、功能的专门化为特点。沿着与适用微处理器不同的方向发展。它的出现和发展，标志着单片嵌入技术已经成为电子系统设计的一个重要发展方向。本课题主要为采用单片机实现数据采集与温湿度检测的制作。突出民用产品的低成本多动能的特点。按照选题要求应实现温湿度的测量，并且能够实现数字钟和测量部分的通过键盘进行控制。国内外测温湿技术及其发展趋势在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制。准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。相比之下，测量湿度要比测量温度更复杂，这是因为温度是个独立的被测量，而湿度却受大气压强和温度的影响。目前，温湿度测量领域的新技术不断涌现，新产品也层出不穷。主要表现在以下两方面:(1)温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿3无锡职业技术学院度测控系统创造了有利条件;(2)在温湿度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新技术。4无锡职业技术学院目录1引言2总体方案设计3单元电路设计和论证4软件设计5软硬件系统的调试6附录7参考文献5无锡职业技术学院引言单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视。特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强，能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。而现在的单片机在农业上页有了很多的应用。温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常用到的一个物理量。测量温度的基本方法是使用温度计直接读取温度。最常见到得测量温度的工具是各种各样的温度计，例如:水银玻璃温度计，酒精温度计，热电偶或热电阻温度计等。它们常常以刻度的形式表示温度的高低，人们必须通过读取刻度值的多少来测量温度。利用单片机和温度传感器构成的电子式智能温度计就可以直接测量温度，得到温度的数字值，既简单方便，有直观准确。6无锡职业技术学院1温度传感器的简介1.1集成温度传感器的介绍在工农业生产、科学研究过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品的质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50%.温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能做温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度变化而引起物理参数变化的有:膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。温度传感器的发展很快，种类很多，随着生产的发展，新型温度传感器还会不断的涌现。在此我们用到的集成温度传感器。1.2温度传感器的发展历史人们研究温度测量的历史已相当久远，所使用的传感器也种类很多。近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段:传统的分立式温度传感器(含敏感元件);模拟集成温度传感器,控制器;智能温度传感器(即数字温度传感器)。1.2.1分立式温度传感器传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器，均属于分立式温度传感器，传感器本身就是一个完整的、独立的感温元件。此类传感器通常要配温度变送器，以获得标准的模拟量(电压或电流)输出信号。使用时还需配上二次仪表，才能完成温度测量及控制功能。其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精度较低、分辨率不高、需进行温度校准(例如非线性校准、温度补偿、传感器标定等)，另外它们的体积较大、使用也不够方便。因此，分立式温度传感器将逐渐被淘汰。1.2.2模拟集成温度传感器集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集7无锡职业技术学院成传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC，它属于最简单的一种集成温度传感器。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校难。外围电路简单，它是目前在国内外应用员为普遍的一种集成传感器。典型产品有AD590、AD592、TMP17、LMl35等。1.2.3模拟集成温度控制器模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如TC652,653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处，但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。1.2.4智能温度传感器智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶，它也是集成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。目前，国际上许多著名的集成电路生产厂家己开发出上百种智能温度传感器产品。智能温度传感器具有以下三个显著特点:第一，能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各微控制器(MCU);第二，能以最简方式构成高性价比、多功能的智能化温度测控系统;第三，它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。智能温度传感器内部都包含温度传感器、AD转换器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。1.2.5智能温度控制器智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。智能温度控制器8无锡职业技术学院适配备种微控制器，构成智能化温控系统:它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪，既可以工作在连续转换模式，亦可选择单次转换模式。智能温度传感器,控制器可广泛用于温度测控系绞、计算机及家用电器中。1.2.6内含温度传感器的专用集成电路值得重视的是，目前配置有温度传感器的新型专用集成电路也己问世了。例如，美国MAXIM公司最新研制的MAXl298和MAXl299型5通道12位ADC芯片，片内就集成了精密温度传感器，在—40到85?范围内的测温精度可达?l?。MAXl298,1299的内部结构及外部电路如图1—1所示。芯片中主要包括七部分;内部温度传感器(用于测量本地温度)，远程测温通道(外接2N3904型NPN晶体管，利用其发射结来测量远程温度)，多路转换开关(即模拟输入转换器)，12位ADC，内部基准电压源，时钟电路和3线串行接口电路。该串行接口能与SPI总线、QSPI总线及MICROWIRE服总线兼容。MAXl298和MAXl299具有两种输入方式:差分输入或单端输入。作差分输入时可构成3通道温控系统，单端输入时能构成5通道温控系统(不包括本地测温通道)。当芯片温度或远程被测温度超过最高允许温度时，经过串行接口可输出温度越限报警信号，再通过相应的控制电路起到过热保护作用。其模拟输入端既可接电压信号，亦可接温度传感器。图1-1MAX1298,1299的内部结构及外部电路图9无锡职业技术学院1.3智能温度传感器发展的新趋势进入21世纪之后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。1.3.1提高测温精度和分辨率在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨率只能达到1?。日前，国外己相继推出多种高精度、高分辨率的智能温度传感器，所用的是9到12位A/D转换器，分辨率一般可达0.5到0.0625?。特别是由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨率智能温度传感器，采用13位A/D转换器，能够输出13位二进制数据，其分辨率高达0.03125?，测温精度为?0.2?，为实现精密测量温度创造了有利条件。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。1.3.2不断增加测试功能新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DSl629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC)，使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的EPROM存储器，可存储用户的短信息。DSl629则在片内集成了32字节的静态存储器(RAM)。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。对某些智能温度传感器而言，主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率(典型产品为MAX6654)，分辨率及最大转换时间(典型产品为DSl624)。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DSl620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智能温度控制器适配各10无锡职业技术学院种微控制器，构成智能化温控系统:它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪，既可以工作在连续转换模式，亦可选择单次转换模式。1.3.3总线技术的标准化与规范化与此同时，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化。目前所采用的总线主要有单线(1—Wire)总线、I2C总线、SMBμs和SPI总线。第一种属于一线串行总线，第二、三种属于二线串行总线，第四种则为三线串行总线。上述温度传感器作为从机，可通过专用总线接口与主机进行通信，由于它们的总线接口符合标准化、规范化设计，使用户操作起来更加简便。1.3.4可靠性及安全性设计传统的A,D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其缺点是噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差，分辨率较低、成本较高，线性度也不够理想。为了提高传感器的抗干扰能力，新型智能温度传感器(例如TMP03,04、LM74、LM83)。普遍采用了高性能的?—?式A/D转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨率将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨率。?—?式A/D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外因元件的精度要求低;由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。这种智能温度传感器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。为了避免当温控系统受到噪声干扰时出现误动作现象，在AD7416,7417/7817、LM75,76、MAX6625,6626等智能温度传感器芯片内部，都设置一个可编程的“故障排队(faultqueue)”计数器，专门用来设定允许被测温度值超过温度上、下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n(n=1至4)时，才能触发中断端。若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。这就意味着假如设定n,3时，那么偶然受到一次或两次唤声干扰，都不会影响温控系统的正常工作。11无锡职业技术学院LM76型智能温度传感器增加了温度窗口比较器，非常适合设计一个符合ACPI(AdvanceConfigurationandPowerInterface，即“先进配置与电源接口”)规范的温控系统。这种系统具有完善的过热保护功能，可用来监控笔记本电脑和服务器中CPU及主电路的温度。微处理器最高可承受的工作温度规定为TH，台式计算机一般为75?，高档笔记本电脑的专用CPU可达100?。一旦CPU或主电路的温度超出所设定的上、下限时，INT端立即使主机产生中断，再通过电源控制器发出信号，迅速将主电源关断起到保护作用。此外，当温度超过CPU的极限温度时，严重超温报警输出端(T_CRIT_T入)也能直接关断主电源，并且该端还可以通过独立的硬件关断电源来切断主电源，以防主电源控制失灵。上述三重安全件保护措施已成为国际上设计温控系统的新观念。为防止因人体静电放电(ESD)而损坏芯片，一些智能温度传感器还增加了ESD保护电路，一般可承受1000到4000V的静电放电电压。通常是将人体等效于由100pF电容和1.2KΩ电阻串联而成的电路模型，当人体放电时，TCN75型智能温度传感器的串行接口端、中断/比较器信号输出端和地址输入端均可承受1000V的静电放电电压，LM83型智能温度传感器则可承受4000V的静电放电电压。最新开发的智能温度传感器(例如MAX6654、LM83)还增加了传感器故障检测功能，能自动检测外部晶体管温度传感器(亦称远程传感器)的开路或短路故障。MAX6654还具有选择“寄生阻抗抵消”(ParasiticResistanceCancellation，英文缩写为PRC)模式，能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差，即使引线阻抗达到100Ω，也不会影响测量精度。远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。1.3.5开发虚拟温度传感器和网络温度传感器(1)虚拟传感器自20世纪90年代以来，一种全新模念的“虚拟仪器”正获得愈来愈广泛的应用。虚拟仪器(VI)是测量仪器、计算机和软件这三者的有机结合。它将仪器硬件(例如数字采集系统、A/D、D/A装唤器、数字I/O)、计算机资源(如微处理器、存储器、显示器)、软件(如传感器标定、软面板、图形界面、数据处理、12无锡职业技术学院信息交换等)有机的结合起来，构成软硬结合、实虚共体的新一代电子测量仪器。与此同时，“虚拟传感器”的概念也被人们所接受，这种传感器是基于计算机平台并且完全通过软件开发而成的。利用软件来建立传感器模型、标定参数及标定模型，以实现最佳性能指标。美国B,K公司最近已开发出一种基于软件设置的TEDS型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘，软盘上存储着对该传感器进行标定的有关数据。使用时，传感器通过数据采集接垒计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取，传感器设置和记录工作。此外，专供开发虚拟传感器产品的软件工具也已经面市了。这样在以后的产品设计过程中对元件选择可以均衡各种性能的要求来决定。(2)网络温度传感器网络温度传感器是包含数据传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。这里讲的网络已经不限于传感器总线，还应包括现场总线、局域网和因特网。数字传感器首先将被测温度转换成数字量，在传送给微控制器作数据处理，最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间，传感器与系统之间的数据交换及资源共享。一个分布式智能温度传感器系统是通过网络将每个传感器节点、控制节点和中央控制器联系起来的。其中传感器节点用来实现温度测量并将数据传输给网络上的其它节点。控制节点则根据从网络读取的温度数据来确定合适的控制方式。以满足对温度控制的需要。传感器节点和控制节点不仅互相独立，节点的数量可根据实际需要而定，而且能做到“即插即用”(Plug,Play),在更换传感器节点时，也无需对传感器进行标定和校准，这样就极大的方便了用户。2简介单片机2.1单片机AT89C51的简介随着社会的发展，单片机以其体积小、可靠性高、使用方便等特点在社会生活中达到广泛应用。根据温度控制的特点，本次设计采用AT89C51单片机。以下对其进行详细介绍。AT89C51单片机是美国Intel公司的8位高档单片机系列。也是目前应用最13无锡职业技术学院为广泛的一种单片机系列。其内部结构简化框图如图2—1所示。AT89C51系列单片机主要有CPU、存储器(包括RAM和ROM)、I\O接口电路及时钟电路等部分组成。2.1.1中央处理器CPU中央处理器CPU是单片机的核心。是计算机的控制指挥中心。同一般微机的CPU类似。AT89C51单片机内部CPU包括控制器和运算器两部分。如图2-1AT89C51单片机内部结构简化框图。2.1.2运算器AT89C51运算器电路以算术逻辑单元ALU为核心。有累加器ACC、寄存器B、暂存器1、暂存器2、程序状态寄存器PSW和布尔处理机共同组成。它主要完成数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传输等操作。运算结果的状态由程序寄存器PSW保存。2.1.3算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B算术逻辑单元ALU不但能完成8位二进制的加、减、乘、除等算数运算。而且还能对8位变量进行逻辑“与”“或”“异或”循环位移等逻辑运算。累加器ACC(简称累加器A)为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁的寄存器。专门存放操作数或运算结果。14无锡职业技术学院图2-1AT89C51单片机内部结构简化框图2.1.4程序状态寄存器程序状态寄存器PSW是一个8位的状态寄存器。用于存放标志寄存器。用于存放指令执行后的状态，以供程序查询和判别。PSW各位的状态通常是在指令执行的过程中自动设置的。但可以由用户根据需要指令加以改变。状态寄存器共有进位标志位CY、辅助进位标志位(或称半进位)AC、用户自定义标志位F0、工作寄存器组选择位RS1、RS0、溢出标志位OV、奇偶标志位P。2.1.5控制器控制部件是单片机的神经中枢。它包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器和定时器控制电路等。它先以主振频率为基准发出CPU的时序对指令进行译码，然后发出各种控制信号。完成一系列定时控制的微操作。用来协调单片机各部分正常工作。2.2AT89C51单片机引脚功能AT89C51系列单片机的封装形式有两种:一种是双列直插方式封装;另一种是方形封装。AT89C51单片机40个引脚及总线结构图如下所示。其CMOS工艺制造的低地功耗芯片也有采用方形封装的。但为44个引脚，其中4个引脚是不使用的。由于89C51单片机是高性能的单片机。同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。如图2-2单片机引脚图。1.主电源引脚主电源引脚两根:VCC接+5V电源正端;VSS接+5V电源地端。2.外接晶体引脚两根XTAL1:接外部石英体和微调电源的一端。XTAL2:接外部晶体和微调电容的另一端。其中，对用外部时钟时，对于HMOS单片机,XTAL1脚接地，XTAL2脚作为外部振荡信号的输入端。对CHMOS单片机XTAL1脚作为外部振荡信号的输入端，XTAL2脚空不接。15无锡职业技术学院图2-2单片机引脚图3.引脚功能I\O引脚共32根。?PO口:P0.0-P0.7统称为PO口是8位双向I/O口线。P0口即可作为地址/数据总线使用，又可作为通用的I/O口线。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。?P1口:P1.0-P1.7统称为P1口。是8位准双向I/O口线。P1口作为通用的I/O口使用。?P2口:P2.0-P2.7统称为P2口。是8位准双向I/O口线。P2口即可作为通用的I/O口使用。也可作为片外存储器的高8位地址线。与P0口组成16位片外存储器单元地址。?P3口:P3.0-P3.7统称为P3口。是8位准双向I/O口线。P3口除作为准双向口使用外。每个引脚还具有第二功能。P3口的每一个引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能，P3口的第二功能如下表所示:P3口的第二功能16无锡职业技术学院P3.0RXD串行口输入P3.1TXD串行口输出P3.2外部中断0输入IM0IM1P3.3外部中断1输入P3.4T0定时/计数器0计数输入P3.5T1定时/计数器1输入P3.6片外RAM写选通信号(输出)WRRDP3.7片外RAM读选通信号(输出)4(控制线控制线共四根。?ALE/PROG地址锁存有效信号输出率。?PSEN片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效。?RST/VPD复位信号备用电源输入信号。?EA/VPP片外程序存储器选用端。2.3AT89C51单片机的存储器结构AT89C51单片机的存储器物理结构上分为片内数据存储器、片内程序存储器、片外数据存储器和片外程序存储器4个存储空间。2.4AT89C51单片机的并行I/O端口AT89C51单片机有4个8位并行I/O端口(P0、P1、P2、P3)每个端口都各有8条I/O口线，每条I/O口线都独立地用作输入输出，在具有片外扩展存储器的系统中，P2口送出高8位地址，P0口分时送出低8位地址和8位数据。各端口的功能不同，结构上也有差异，但是每个端口的8位结构是完全相同的。如图2-3I/O口位结构图所示。1.P0口。P0口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用口，也可作为通用I/O接口。2.P1口。P1口为准双向口，它在结构上与P0口的区别在与输出驱动部分。17无锡职业技术学院其输出驱动部分由场效应管V1与内部上拉电阻组成，当某某位输出高电平时，可以提供上拉电流负载，不必像P0口上那样需要外接上拉电阻。3.P2口。P2口也为准双向口。其具有通用I/O接口或高8位地址总线输出两种功能，所以其输出驱动结构比P1口输出驱动结构多了一个输出模拟转换开关MUX和反相器3.4.P3口。P3口的输出驱动由与非门3和V1组成，比P0、P1、P2口结构多了一个缓冲器4.P3口除了可为通用准双向I/O接口外，每一根线还具有第二功能。(a)P0口结构(b)P1口结构(c)P2口结构(d)P3口结构图2-3I/O口位结构图2.5AT89C51单片机时钟电路及时序1.时钟电路AT89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生:一种是内部方式，一种是外部方式。图2-4、2-5所示。2.时序18无锡职业技术学院AT89C51单片机指令字节数和机器周期数可分为六类。即单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、单字节四机器周期指令，双字节单机器指令、双字节双机器周期指令和三字节双机器周期指令。图2-4内部方式时钟电路图2-5外部方式时钟电路2.6复位电路复位是通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初值状态的操作，AT89C51单片机在时钟电路工作以后，在RST/VPD端持续给出两个机器周期的高电平就可以完成复位操作。复位分为上电复位和按键手动复位两种方式。AT89C51单片机复位状态如下表所示寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HACC00HB00HPSW00HSP07HDPTR0000HP0-P1OFFHIPXXX00000BIE0XX00000BTMOD00HTCON00HTL0、TL100HTH0、TH100HSCON00HSBUF不定PCON0XXX0000B2.7AT89C51单片机的指令系统控制计算机与操作的指令是一组二进制编码，称之为机器语言。计算机只能识别和执行机器语言指令。AT89C51单片机指令与指令系统共有111条指令，从19无锡职业技术学院功能上可分成数据传输类指令、算术运算指令、逻辑运算和移位指令、程序控制转移类指令和位操作指令五大类。3DS18B20温度传感器3.1DS18B20温度传感器的性能特点DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现,,,,位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下:?独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;?多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能;?无须外部器件;?可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5,;?零待机功耗;?温度以,或,,位数字;?用户可定义报警设置;?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;3.2DS18B20温度传感器的内部结构框图及设置DS18B20采用,脚PR,35封装或,脚SOIC封装，其内部结构框图如图3-1所示。存储器与控制辑64逻位温度传感器ROI/OM和高温触发器C单TH高低温触发器TL线速接缓20配置寄存器口存8位CRC发生器Vdd无锡职业技术学院图3-1DS18B20内部结构64位ROM的结构开始,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,位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器,,和,,，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存,,,和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为,字节的存储器，结构如图3-2所示。头,个字节包含测得的温度信息，第,和第,字节,,和,,的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第,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工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3所示。低,位一直为,，,,是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为,，用户要去改动，R1和,0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。21无锡职业技术学院温度LSB温度MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存..器TM111R1R011..保留图3-2DS18B20字节定义保留保留由表3-3可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且CRC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,,,的第,、,、,字节保留未用，表现为全逻辑,。第,字节读出前面所有,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位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第,、,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0.0625?,LSB形式表示。当符号位,,,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,,,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3-1是一部分温度值对应的二进制温度数据。表3-1DS18B20温度转换时间表22无锡职业技术学院..分辨率/位温度最大转向时间/msR1R000993.750110187.510113751112750..DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、T,字节内容作比较。若,,TH或T,TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码(CRC)。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理是这这样的,器件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,;高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器,的脉冲输入。器件中还有一个计数门，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?所对应的一个基数分别置入减法计数器,、温度寄存器中，计数器,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,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,的预置值减到,时，温度寄存器的值将加,，减法计数器,的预置将重新被装入，减法计数器,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计数到,时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。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+1250000011107D0H11010000+85000001010550H23无锡职业技术学院01010000+25.0625000000010191H10010000+10.1250000000000A2H10100001+0.5000000000008H000000100000000000000H00001000-0.511111111FFF8H11110000-10.12511111111FF5EH01011110-25.062511111110FE6FH01101111-5511111100FC90H10010000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VCC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。..VCCDS18B20DS18B20DS18B20单片4.7KGNDGNDGND机图3-3DS18B20与单片机的接口电路24..无锡职业技术学院3.3DS18B20温度传感器与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图3-3所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。3.4本章小结本章主要讲述的是DS18B20温度传感器的性能特点，内部结构以及与单片机的接口电路。4显示及报警模块器件选择4.1显示模块常用的LED显示器有LED状态显示器(俗称发光二极管)LED七段显示器(俗称数码管和LED十六段显示器，发光二极管可显示两种状态，用于系统显示;数码管用于数字显示;LED十六段显示器，用于字符显示)1(数码管结构数码管由8个发光二极管(以下简称字段)构成，通过不同组合可用来显示数字0-9.字符A-F及小数点“.”。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。2.数码管工作原理共阳极数码管的8个发光二级管的阳极(二极管正端)连接在一起。通常会共阳极接高电平1.一般接电源1.当某个阴极接低电平时，则该数码管导通并点亮。共阴极数码管的8个发光二极管的阴极(二极管负端)连接在一起。公共阴25无锡职业技术学院极接低电平(一般接地)当某个阳极接高电平，则该数码管并点亮。3.静态显示接口静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地(共阴极)获接正电源(共阳极)每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O地址相连，I/O口只要有断码输出，相应字符即显示出来并保持不变直动I/O口输出新的端码采用静态显示方式。较小的电流即可获得较大的亮度。且占用CPU时间少编程简单，显示，便于检测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂、成本高，只适合于显示位数较少的场合。4.动态显示接口动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管。这种逐位点亮显示的方式称为位扫描。通常各位数码管的段选线相应并联在一起由8位的I/O口控制。各位的位选线(公共阴极或阳极)有另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管。并送出相应的端码，在另一位数码管并送出相应的端码。依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。4.2温度报警电路本设计采软件处理报警，利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。当所测温度超过获低于所预设的温度时，数据口相应拉高电平，报警输出。(也可采用发光二级管报警电路，如过需要报警，则只需将相应位置1，当参数判断完毕后，再看报警模型单元ALARM的内容是否与预设一样，如不一样，则发光报警)报警电路硬件连接见图4-1。蜂鸣器用CS9013三极管驱动，蜂鸣器用5V的无源蜂鸣器，，同时在三极管基极串接个限流电阻,数据端口接P1^7(由单片机的P1^7直接输出驱动)。26无锡职业技术学院图4-1温度报警5智能温度报警器的设计5.1总体设计方案在单片机电路设计中，使用传感器，是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。5.2方案的总体设计框图温度计电路设计总体设计方框图如5-1所示，控制器采用单片机AT89C51，温度传感器采用DS18B20，用2位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。LED单片机复位显示主控报警点按键调整制温器27度传时钟振荡感器无锡职业技术学院图5-1总体设计方框图5.2.1主控制器在第二章中已经提到单片机AT89C51，在此详细介绍一下各引脚的功能及其有优点。单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能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用二节电池供电。AT89C51的引脚AT89C51采用引脚双列直插式封装，现将各引脚的功过能说明如下。?Vcc(20):电源电压端。?GND(10):地端。?RST(1):复位输入端。当RST引脚出现两个机器周期的高电平时，单片机复位。复位后，AT89C51内部专用寄存器及I/O口的处置与8051的情况一样，而内部的状态保持不变。?XTAL1(5):振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入端。?XTAL1(4):振荡器反相放大器的输出端。?P1口:P1口是一个8位双向I/O口。P1.2-P1.3引脚内部接有上拉电阻。P1.0和P1.1分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0)和反相输入(AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。当P1口的锁存器写入“1”时，P1口可作为输入端。当引脚P1.2--P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流(II1)。P1口还在闪速编程和程序校验期间接受代码数据。?P3口:P3口的P3.0-P3.5和P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输入信号并且它作为一通用I/O引脚而不能访问。P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口锁存器写入“1”时，它们被上拉电阻拉高并可作为输入端。用作输入时，被外部拉低的P3口引脚将由于28无锡职业技术学院上拉电阻而流出电流(Ii1)。P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。P3口还用于实现AT89C51的一些特殊功能，这些特殊功能定义如下:口线特殊功能P3.0RXD(串行口输入端)P3.1TXD(串行口输出端)P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)P3.4T0(定时器0外部输入)P3.5T1(定时器1外部输入)下面就目前国内全胜较多的两种单片机，讨论一下2051的性能价格比1、与80C31系统相比较如果需要构成一个80C31的最小系统的话，除了CPU之外，至少需要一片27C64,而系统的有效引脚和89C2051基本相同。从元器件的成本，电路板的面积和加密性来看，使用89C2051都是合算的。2、与PIC单片机比较目前，国内小型的单片机全胜较多的有PIC系列，89C51与PIC相对应芯片比较有如下特点:89C51的价格高于PIC的OTP型号，但大大低于PIC的EPROM型，89C51片内不含WatchDog，这是89C51的不足之处，中断系统堆栈结构、串等通讯笔定时器系统都大大强于PIC系统。由于PIC芯片中无标准串等口，所以在单片机的联网应用上面，PIC不太适合。与PIC相比51更适合于较复杂的应用场合，适合一些软件需要多次修改的应用。3、在应用方面就目前中国市场的情况来看，89C2051有很大的市场。其原因有下列几点:(1)51采用的是MCS51的核心，十分容易为广大用户所接受;(2)51内部基本保持了80C31的硬件I/O功能;29无锡职业技术学院(3)51的Flash存贮器技术，可重复擦/写1000次以上，容易解闷调试手段;(4)更适合小批量系统的应用，容易实现软件的升级。89C51适合于家用电器控制，分布式测控网络，I/O量不足不是很大的应用系统。5.2.2显示电路常用的LED显示器有LED状态显示器(俗称发光二极管)LED七段显示器(俗称数码管和LED十六段显示器，发光二极管可显示两种状态，用于系统显示;数码管用于数字显示;LED十六段显示器，用于字符显示)图5-2数码管与单片机接口5.2.3温度传感器DS18B20的测温原理如图5—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，用于产生的信号作为减法计数器1;高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显变，所以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对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，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决定，每次测量前，首先将—55?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和温度寄存器被预置在—55?所对应的一个基数值。30无锡职业技术学院图5-3DS18B20测温原理图减法计数器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就是所测温度值。斜率累加器用于温度补偿和修正测温过程中的非线形性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值。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，因此读写时很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为:初始化DS18B20(发复位脉冲)?发ROM功能命令?发存储器操作命令?处理数据。5.3系统整体硬件电路5.3.1主板电路系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，如图5-4所示。图5-4中有三个独立式按键可以分别调整温度计的上下限报警设置，图中蜂鸣器可以在被测温度不在上下限范围内时，发出报警鸣叫声音，同时LED数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而测出被测的温度值。图5-4中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。31无锡职业技术学院5.3.2显示电路显示电路是使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用p3口的RXD,和TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。图5-4主板电路32无锡职业技术学院图5-5硬件原理图33无锡职业技术学院6硬件电路6.1系统硬件主要构成整个系统硬件可以分为主控制器模块，测温电路模块和显示电路模块。每个模块执行其相应的功能，共同组成了一个有序，协调的系统。主要元件有控制器—AT89C2051,温度传感器DS18B20、数码管—LED和三极管9012。6.2调试及性能分析系统调试以程序为主。硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，然后可用万用表测试或通电检测。软件调试可以先编写显示程序并进行硬件正确性检验，然后分别进行主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示刷新等子程序的编程及调试，由于DS18B20与单片机采用串行数据传送，因此，对DS18B20进行读写编程时必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测量结果。本程序采用单片机汇编编写，用wave3.2编译器编程调试。软件调试到能显示温度值，而且在有温度变化时(例如用手去接触)显示温度能改变就基本完成。性能测试可用制作的温度计和已有的成品温度计来同时测量比较，由于DS18B20的精度很高，所以误差指标可以限制在0.1?以内，另外—55至+125?的测温范围使得该温度计完全适合一般的应用场合，其低压供电特性可作成用电池供电的手持电子温度计。图6-1为它的暂存器操作命令流程图。34无锡职业技术学院图6-1暂存器操作命令流程图35无锡职业技术学院附录附录1:原理图36无锡职业技术学院附录2:PCB图附录3:部分源程序LED_0EQU30H37无锡职业技