微机原理与单片机课程设计-基于单片机的温度警报器的设计.doc

新能源与动力工程学院新能源与动力工程学院 课程设计报告 微机原理与单片机课程设计 专业电力工程与管理 班级电力 1201 姓名 学号201211354 指导教师 2015 年 7 月 兰州交通大学新能源与动力工程学院课程设计任务书兰州交通大学新能源与动力工程学院课程设计任务书 课程名称：课程名称： 单片机课程设计单片机课程设计 指导教师（签名）：指导教师（签名）： 班级：班级： 电力工程与管理电力工程与管理12011201 姓名：姓名： 学号：学号： 201211354201211354 一、一、课程设计题目课程设计题目 基于单片机的温度警报器的设计 二、课程设计使用的原始资料（数据）及设计技术要求：二、课程设计使用的原始资料（数据）及设计技术要求： 硬件电路的设计、软件电路的设计，总体方案的选择、讨论确定。软件流程图的 设计，硬件电路各部分的设计，程序的软调试、整机的调试，撰写设计报告。 三、课程设计的目的三、课程设计的目的 通过制作简易温度警报器，加深对所学专业知识的认识，提高对单片机的应用能 力，提高收集文献，资料的能力，从而达到综合运用所学的知识进行电子产品设计， 制作与调试。 四、课程设计的主要内容和要求四、课程设计的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、工作量要求 等） （1）硬件电路的设计、软件电路的设计 （2）总体方案的选择、讨论确定 （3）软件流程图的设计，硬件电路各部分的设计，整机的调试 （4）撰写设计报告 五、工作进度安排五、工作进度安排 7 月 6 日 熟悉课程设计内容及要求制定方案。 7 月 7 日 设计电路及软件测试。 7 月 8 日 采购温度警报器组件按照设计电路进行焊接。 7 月 9 日 产品整理并完成设计报告及答辩。 六、主要参考文献六、主要参考文献 1 郭庭吉 8051 单片机实践与应用m.北京：清华大学出版社，2002。 2 高峰 单片微型计算机与接口技术m.北京：科学出版社，2003。 审核批准意见审核批准意见 系主任（签字）系主任（签字） 年年 月月 日日 指导教师评语及成绩指导教师评语及成绩 指导教师评语指导教师评语 设计过程设计过程 （4040） 设计报告设计报告 （5050） 小组答辩小组答辩 （1010） 总成绩总成绩 （100100） 成成 绩绩 指导教师签字指导教师签字： 年年 月月 目录 引言 1 设计内容及性能指标.5 2 系统方案比较、设计与论证.5 2.2 温度器件的选择.5 2.3 按键方案的选择.6 2.4 显示方案的选择.6 2.5 电源方案的选择.6 3 系统总体方案.6 4 主控芯片的设计与介绍.7 4.1 单片机的简介.7 4.2 最小系统模块.7 4.3 温度传感器的选择.8 5 硬件实现及单元电路设计.8 5.1 主控制模块.8 5.2 显示模块电路.9 5.3 数码管显示驱动电路.9 5.4 温度传感器(ds18b20)电路.10 5.5 蜂鸣器、发光二极管报警电路.11 6 系统软件设计.12 6.1 程序结构分析.12 6.2 系统初始化程序流图.12 7 系统的安装与调试.13 7.1 安装步骤.13 7.2 电路的调试.13 总结14 参考文献15 附录16 引言引言 随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精 确度的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些 参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集、 信息传输和信息处理中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤 其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说 是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关， 在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度 的测量，因此研究温度的测量方法和温度报警装置具有重要的意义。 测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个 发展阶段： 传统的分立式温度传感器 模拟集成温度传感器 智能集成温度传感器。 社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传 感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能 化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、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。本设计控制器使用 stc89c51 单片机， 测温传感器使用 dallas 公司 ds18b20，用数码管来实现温度显示。 - 1 - 1 1 设计内容及性能指标设计内容及性能指标 本设计主要是介绍了单片机控制下的温度报警系统，详细介绍 了其硬件和软件设计，并对其各功能模块做了详细介绍，其主要功 能和指标如下：单片机实时检测温度传感器 ds18b20 的状态，并将 ds18820 得到的数据进行处理。 上电后数码管显示当前的环境温度，通过按键可设置高低温报 警值，当检测到的温度高于设置的报警值的时候，蜂鸣器报警同时 报警灯闪烁，温度检测精确到 0.1 度。并具有掉电保存功能，数据 保存在单片机内部 eepom 中，进入设置界面后如果没有键按下系统 会在 15 秒后自动退出设置界面。 2 2 系统方案比较、设计与论证系统方案比较、设计与论证 该系统主要由温度测量和温度设置及系统状态显示三部分电路 组成，下面介绍实现此系统功能的方案。 2.12.1 主控制器模块的选择主控制器模块的选择 采用 stc89c51 单片机作为整个系统的核心，单片机就显现出来 它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充 分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、 价格低廉等优点。stc89c51 单片机具有功能强大的位操作指令， i/o 口均可按位寻址，程序空间大，对于本设计也绰绰有余，更可 贵的是 stc89c51 单片机价格非常低廉。 2.22.2 温度器件的选择温度器件的选择 - 2 - 采用数字温度芯片 ds18b20 测量实际温度，输出信号全数字化。 便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且 该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形 较好。采用 51 单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实 现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单， 安装方便。既可以单独对多 ds18b20 控制工作，还可以与 pc 机通 信上传数据，另外 stc89c51 在工业控制上也有着广泛的应用，编程 技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。 2.32.3 按键方案的选择按键方案的选择 采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根 i/o 接口线,每个 i/o 口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺 点为当按键较多时占用单片机的 i/o 口数目较多，优点为电路设计 简单，且编程相对比较容易。 2.42.4 显示方案的选择显示方案的选择 用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，使用简单，显示 效果简洁明了而得到了广泛应用。 2.52.5 电源方案的选择电源方案的选择 采用 3 节 1.5 v 干电池共 4.5v 做电源，经过实验验证系统工作 时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电 池更换方便。 3 3 系统总体方案系统总体方案 根据上述方案比较，结合题目要可以将系统分为主控模块，显 - 3 - 示模块，温度采集模块,按键模块和报警模块，其框图如下： 图 1 总图框图 4 4 主控芯片的设计与介绍主控芯片的设计与介绍 4.14.1 单片机的简介单片机的简介 cpu 是整个控制部分的核心。在考虑经济性和满足需求的前提 下，本系统选用 stc89c51 单片机作为整个系统的控制中心。 管脚图如图 2： 图 2 stc89c51 管脚图 4.24.2 最小系统模块最小系统模块 单片机最小 系统 温度采集模块 电源模块 声光报警模块 显示模块 按键模块 - 4 - 本次设计中，选用 51 系列单片机 stc89c51 芯片作为温度报警 器数据处理及操作控制芯片。只有单片机芯片无法完成数据处理及 控制功能，必须有附加的电路，使单片机芯片组成一个可运行的系 统才能实现其功能。本次设计中，由 stc89c51 芯片连同附加电路构 成的单片机最小系统作为数据处理及控制模块，其中，使用 p1 口作 为数码管的段选的数据传输口，p3 口的高四位做为数码管的位选， 其中 p20、p21、p23 做为按键接口，p24 做为温度传感器 ds18b20 的数据口，p25 用做蜂鸣器声光报警口。其电路连接图如 下： p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 (rxd)p3.0 10 (txd)p3.1 11 (int0)p3.2 12 (int1)p3.3 13 (t0)p3.4 14 (t1)p3.5 15 (wr)p3.6 16 (rd)p3.7 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale/prog 30 ea/vpp 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 u1 u1 vcc r1470 r3470 r4470 r5470 r6470 r7470 r8470 r9470 a b c d e f g dp r151k r141k r131k r121k s2s3s4 gnd p24 p25 p34 p35 p36 p37 图 3 连接图 4.34.3 温度传感器的选择温度传感器的选择 由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压，再转换 成对应的温度，需要比较多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制 作成本相对较高。这里采用 dallas 公司的数字温度传感器 ds18b20 作为测温元件。 5 5 硬件实现及单元电路设计硬件实现及单元电路设计 - 5 - 5.15.1 主控制模块主控制模块 要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图 4 所示。 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 (rxd)p3.0 10 (txd)p3.1 11 (int0)p3.2 12 (int1)p3.3 13 (t0)p3.4 14 (t1)p3.5 15 (wr)p3.6 16 (rd)p3.7 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale/prog 30 ea/vpp 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 u1 u1 y1 12m c20.1uf c30.1uf vcc gnd r11 10k c110uf vcc 1 2 3 4 j1 vcc s1 r1100 r3100 r4100 r5100 r6100 r7100 r8100 r9100 a b c d e f g dp r151k r141k r131k r121k s2s3s4 gnd p24 p25 p34 p35 p36 p37 图 4 单片主控电路 单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。 5.25.2 显示模块电路显示模块电路 显示采用四位数码管显示，显示电路如图 5 e 1 d 2 dp 3 c 4 g 5 4h 6 2h 9 f 10 a 11 1h 12 b 7 3h 8 ds1 a b c d e f g dp 1h 2h 3h 4h 图 5 数码管显示 5.35.3 数码管显示驱动电路数码管显示驱动电路 - 6 - 三极管 8550 来驱动 4 位数码管，不仅简单，而且价格便宜。 q2 8550 q3 8550 q4 8550 q5 8550 vcc 1h 3h 2h 4h p34 p35 p36 p37 图 6 驱动电路 5.45.4 温度传感器温度传感器(ds18b20)(ds18b20)电路电路 5.4.15.4.1 ds18b20ds18b20 基本介绍基本介绍 ds18b20 它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易 配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号处理器处理。 ds18b20 进行精确的温度转换，i/o 线必须保证在温度转换期间 提供足够的能量，由于每个 ds18b20 在温度转换期间工作电流达到 1ma，当几个温度传感器挂在同一根 i/o 线上进行多点测温时，只靠 4.7k 上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度 误差极大。 因此，下图电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不 适宜采用电池供电系统中。并且工作电源 vcc 必须保证在 5v，当电 源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变 大。 - 7 - gnd1 data 2 vcc3 u2 ds18b20 gnd r10 4.7k vcc p24 图 7 温度传感器电路引脚图 5.4.25.4.2 ds18b20ds18b20 控制方法控制方法 ds18b20 有六条控制命令： 温度转换 44h 启动 ds18b20 进行温度转换 读暂存器 beh 读暂存器 9 个字节内容 写暂存器 4eh 将数据写入暂存器的 th、tl 字节 复制暂存器 48h 把暂存器的 th、tl 字节写到 e2ram 中 重新调 e2ram b8h 把 e2ram 中的 th、tl 字节写到暂存器 th、tl 字节 读电源供电方式 b4h 启动 ds18b20 发送电源供电方式的信号给 主 cpu 5.45.4.3.3 ds18b20ds18b20 供电方式供电方式 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。本设计采 用电源供电方式， p2.2 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，可用一个上拉电阻和 stc89c51 的 p2.2 来完成对总线的上拉。主机控制 ds18b20 完成温度转换必须经过 3 个步骤：初始化，rom 操作指令，存储器操作指令。 5.55.5 蜂鸣器、发光二极管报警电路蜂鸣器、发光二极管报警电路 - 8 - 电路如图 8 主要是用来设定温度报警温度的、有高温和低温报 警。本设计中报警提醒电路采用 npn 型 s8550 三极管驱动，当单片 机的 p25 口输出低电平时，三极管 vevbvc0。三极管的发射结 正偏，集电结反偏，三几个饱和导通，此时发光二极管和蜂鸣器发 出声光闹钟报警提醒，当单片机的 p25 口输出高电平时，三极管截 止，声光闹钟停止工作。 b1 蜂鸣器 q1 8550 vcc 12 d1 d gnd + r2 2k p25 图 8 蜂鸣器、发光二极管驱动引脚图 6 6 系统软件设计系统软件设计 6.16.1 程序结构分析程序结构分析 主程序调用了 3 个子程序，分别是数码管显示程序、温度 信号处理程序、按键设定报警温度程序。温度信号处理程序：对温 度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。数码管显示程序： 向数码管的显示送数，控制系统的显示部分。按键设定程序：可以 设定低温和高温报警可精确到 0.1 度。 6.26.2 系统初始化程序流图系统初始化程序流图 - 9 - 发复位命令 发跳过 rom 命令 初始化成功 结束 图9 初始化程序流程图 7 7 系统的安装与调试系统的安装与调试 7.17.1 安装步骤安装步骤 1.检查元件的好坏 2.放置、焊接各元件 7.27.2 电路的调试电路的调试 首先烧入显示程序，看显示正不正常。在调试程序时，发现有 的指令用的不正确，导致电路功能不能完全实现，另外软件程序中 的延时有的过长、有的过短。 - 10 - 总结总结 本温度报警器，通过单片机实时检测温度传感器 ds18b20 的状 态，并将 ds18820 得到的数据进行处理。上电后数码管显示当前的 环境温度，通过按键可设置高低温报警值，当检测到的温度高于设 置的报警值的时候，蜂鸣器报警同时报警灯闪烁，温度检测精确到 0.1 度。并具有掉电保存功能，数据保存在单片机内部 eepom 中， 进入设置界面后如果没有键按下系统会在 15 秒后自动退出设置界面。 由于采用了 4 节干电池供电使系统的抗干扰性得到加强。在软件上， 充分利用了 stc89c51 的系统资源，系统运行流畅。 本设计结构简单，调试方便，系统反映快速灵活，经实验测试， 该温度报警系统设计方案正确、可行，各项指标稳定、可靠。 - 11 - 参考文献参考文献 1 曹巧媛主编. 单片机原理及应用(第二版). 北京:电子工业出版社,2002 2 全国大学生电子设计竞赛组委会编.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品 选编(2001), 北京:北京理工大学出版社，2003 3 何力民编. 单片机高级教程. 北京:北京航空大学出版社,2000 4 金发庆等编. 传感器技术与应用.北京机械工业出版社,2002 5 刘坤、宋戈、赵洪波、张宪栋编51 单片机 c 语言应用开发技术大全，北京： 人民邮电出版社，2008 6 谭浩强著c 程序设计北京：清华大学出版社，2007； 7 王忠飞，胥芳mcs-51 单片机原理及嵌入式系统应用m西安：西安电子 科技大学出版社，2007p268-273 8 peter van der linden 著，徐波译.c 专家编程，人民邮电出版社，2003 - 12 - 附录附录 附录附录 1 1 整体电路原理图整体电路原理图 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 (rxd)p3.0 10 (txd)p3.1 11 (int0)p3.2 12 (int1)p3.3 13 (t0)p3.4 14 (t1)p3.5 15 (wr)p3.6 16 (rd)p3.7 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale/prog 30 ea/vpp 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 u1 u1 y1 12m c20.1uf c30.1uf vcc gnd r11 10k c1 10uf vcc s1 e 1 d 2 dp 3 c 4 g 5 4h 6 2h 9 f 10 a 11 1h 12 b 7 3h 8 ds1 r1100 r3100 r4100 r5100 r6100 r7100 r8100 r9100 a b c d e f g dp 1h 2h 3h 4h a b c d e f g dp r151k r141k r131k r121k s2s3s4 gnd 5 4 6 2 3 1 sw1 sw-灰灰 1 2 p2 r161k b1 蜂鸣器 q1 8550 12 d2 d vcc vcc 12 d1 d + r2 2k p24 p25 p25 gnd1 data 2 vcc3 u2 ds18b20 r10 4.7k p24 q2 8550 q3 8550 q4 8550 q5 8550 vcc 1h 3h 2h 4h p34 p35 p36 p37 p34 p35p36 p37 - 13 - 附录附录 2 2 部分程序部分程序 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit dq=p37; sbit beep=p30; void reset（）; /ds18b20 复位函数 void write_byte(uchar val); /ds18b20 写命令函数 uchar read_byte(void); /ds18b20 读 1 字节函数 void read_temp（）; /温度读取函数 void led_display（）; void alarm（）; uchar temph,templ,num; uchar table10= 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /09 的 led 字符编码 uchar setvalue_low=15; uchar setvalue_high=30; main（） while(1) read_temp（）; led_display（）; alarm（）; void delay(uint t) for(;t0;t-); - 14 - void reset（） /ds18b20 的复位 uchar presence=1; while(presence) while(presence) dq=1;_nop_（）;_nop_（）; dq=0; delay(5