毕业设计（论文）-基于单片机的数字温度计的电路设计.doc

密级： 公开 科学技术学院NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OFSCIENCE AND TECHNOLOGY学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR（2010 2014 年）题 目 基于单片机的数字温度计的电路设计 学 科 部： 信息学科部 专 业： 通信工程 班 级： 通信101班 学 号： 7023810035 学生姓名： 指导教师： 起讫日期：2013年12月2日2014年5月26日南昌大学 科学技术学院学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保 密 ，在 年解密后适用本授权书。不保密 。（请在以上相应方框内打“” ）作者签名： 日期：导师签名： 日期：目 录摘要IAbstractII第一章 数字温度计和DS18B2011.1 数字温度计的优越性11.2 数字温度计的内部结构和性能1第二章 系统总体设计方法2硬件系统设计方案2电路系统组成22.1 硬件电路设计32.2 系统元器件的选择42.3 温度传感器与单片机的接口电路72.4 单片机与温度报警82.5 小结8第三章 部分硬件组成93.1 80C51单片机的中断系统93.2 单片机的工作时钟93.3 数值温度计DS18B2093.4 字符液晶显示器简介103.5 字符液晶显示部分与微处理机的接口12第四章 数字温度计软件134.1 主程序模块134.2 主程序流程图134.3 DS18B20初始化144.4仿真结果154.5小结16总 结17参考文献（References）18致 谢19附录一：源程序20附录二：实物图26基于单片机的数字温度计的电路设计专业：通信工程 学号：7023810035 学生姓名：郑善金 指导教师：陈巍摘要：电路系统的设计是主控制芯片微控制器，包括硬件电路设计和系统程序设计，通过数字温度计实现温度的测量，并通过测量温度的LCD1602液晶显示器。单片机系统的硬件电路包括采用STC89C51单片机，数字温度计采用美国公司的数字DALLAS半导体公司的芯片DS18B20，液晶显示电路采用字符液晶LCD1602的单片机的温度采集电路，液晶显示电路和过温报警电路，系统主处理器。相较于传统的数字温度计，其读数方便，控温精度和温度范围宽等优点。本文介绍了一种基于单片机STC89C51单片机温度测量电路和超温报警电路，该系统用作温度检测DS18B20的贴片元件，其温度控制范围为-50+110，采用字符型液晶显示模块，可设定温度报警限值。关键字：DS18B20，STC89C51，数字温度计，单片机，温度传感器，LCD1602Circuit design based on single chip microcomputer digital thermometerAbstract：The design of the circuit system is the main control chip microcontroller, including the design of hardware circuit design and system procedures, realize the measurement of the temperature through digital thermometer, and through LCD1602 display of the measured temperature. SCM system hardware circuit includes a microcontroller, temperature acquisition circuits, liquid crystal display circuit and over-temperature alarm circuit, system host processor using SCM STC89C51, digital thermometer using the U.S. companys digital DALLAS Semiconductor chip DS18B20, LCD circuits using characters LCD1602. In contrast to the traditional thermometer digital thermometer with easy reading, temperature precision and wide temperature range and other strengths. This article describes a microcontroller based STC89C51 temperature measurement circuit and over-temperature alarm, the system uses as the temperature detection DS18B20 chip components, temperature control range is -50 +110 , using a character LCD display module can be set temperature alarm limit. Keywords: DS18B20, STC89C51, digital thermometer,MicroController Unit, temperature sensor，LCD1602II第一章 数字温度计和DS18B201.1数字温度计的优越性由于普通的监控现场电磁环境都非常不理想，电磁干扰信号错综复杂，传统的模拟温度信号更容易受到电磁干扰而产生很大的测量误差，这严重影响测量的精确度。加上传统的温度计设计繁杂，设计成本高，使用的环境条件要求较高，对于实时温度的测量不精确。所以，数字温度计就在这种情况下应运而生，独特3引脚结构以及抗电磁干扰能力强的新型数字温度计能很好的解决电磁环境的各种信号干扰。1.2 数字温度计的内部结构和性能美国达拉斯半导体公司生产的数字温度计DS18B20使用单根总线通信，数字温度计DS18B20的特点是可在没有外部电源供电的情况下正常工作,当总线处在高电平状态时，DQ与上拉电阻连接通过数字温度计单总线对器件进行供电。同时让高电平状态的总线对电路内部瓷片电容（Cpp）进行充电，一旦总线变为低电平状态时，该瓷片电容能持续不断提供能量给系统元器件。数字温度计这种提供能量的形式被称做“寄生电源”。作为替代选择，数字温度计DS18B20同样可以通过VDD引脚连接外部电源进行供电。 数字温度计简单的结构、灵活的使用范围和低廉的价格，使它被大量应用各种工业生活场所。图1.1 数字温度计引脚封装如图第二章 系统总体设计方法该系统的电路组成主要有四部分分别是数据采集，温度测量，温度显示和超温报警，实现该电路的方法有如下两种方法。方法一热电偶温差检测法，该方法的基本原理是将两种不同材料的导体或半导体焊接构成一个闭合回路，该方法的优点是测温范围较宽，但缺点是电路输出电压小且容易受到外部噪声干扰。利用单片机与字符液晶显示器接口进行数据A/D转换，把被测实时环境温度通过LCD1602液晶屏显示出来。该电路系统示意图如下 图2.1 热电偶温差测温系统示意图方法二用数字温度计DS18B20与STC89C51单片机实时检测环境温度，以达到环境温度的功能快速准确的测量，并且可以根据需要来控制不同的上限和下限报警温度，用AT24C16芯片存储设备作为一种方法来存储温度数据。电路系统设计方案DS18B20数字温度计可以通过先将所测量的环境温度进行处理，然后发送给单片机进行数据处理，把处理后的温度数据送给字符液晶显示屏LCD1602进行显示，若超过所设的温度报警上下限值，则通过蜂蜜器进行扬声警报。电路系统组成本次设计电路系统构成主体由微处理器模块、复位电路模块、时钟电路模块、超温报警模块、数字温度计模块、LCD1602液晶显示模块等组成。2.1硬件电路设计数字温度计电路系统总体设计框架图如下图所示。 图2.2 温度计总体设计框图1. 主控制器微控制器STC89C51具有低电压供电和电路系统占用体积小、低功耗等优点，该电路系统只需两节5号干电池就能提供系统所需的电源电压需求，四个输入输出口只需两个I/O口就能提供本电路系统的设计需要。2. 显示电路本次设计显示电路采用字符液晶LCD1602，从P2口向字符液晶写入实时温度数据。字符液晶LCD1602显示实时温度的最大特点是减少对I/O口资源的使用，操作时序简单，显示温度准确清楚。3. 温度传感器本次设计的数字温度计具有工作稳定性好，灵明度高，单总线的数据传输协议，可直接与计算机串口连接，体积小,电路简单等特点。微处理机与数字温度计进行实时温度数据传送处理，测量到的实时环境温度通过字符液晶显示屏进行实时显示。2.2系统元器件的选择2.2.1 51单片机本次毕业设计的运用功能是实时对数字温度计的数据进行实时采样处理，并通过字符液晶进行显示，功能运用相对简单，运算量相对不是很大。考虑到各种电路设计因素，选用国产宏晶科技公司生产的STC89C51单片机。80C51单片机系统包括4K字节的程序存储器（ROM）和128字节的数据存储器（RAM）的组成，与四组工作寄存器和特殊功能寄存器（SFR）组成。MCU（微控制器）是基于哈佛结构的系统，在ROM和RAM的哈佛架构下单独处理与单独存放，也就是说程序和数据可以对不同的指令访问地址进行区分，并同时接入的这样的系统结构有利于提高下的各种操作指令微控制器的执行速度。80C51单片机结构图如下图2.3 单片机结构微控制器由以下几部分组成：1. 1个8位的微处理器，可由自身的内部晶振电路提供工作时钟，也可外接外部时钟震荡源，外部时钟频率根据电路应用的功能不同提供多种选择，单片机内部有数据总线，地址总线，控制总线，三种总线协调工作于单片机的各种指令操作。2. 本次设计使用的51单片机是一个拥有4K字节ROM，128字节RAM的存储器系统， 特殊功能寄存器SFR在P3口上，它使得单片机具有不同的操作功能。3. 本次设计电路使用的单片机是双列直插式的，其拥有4组8位的I/O口，51单片机可工作与内部定时或者外部计数，这由它的两组16位定时计数器决定。4. 它还拥有一个RXD和一个TXD，即一个串行接收和发送口。5. 单品机的中断系统可以给各个不同的中断源分配不同的优先级去响应中断请求。 图2.4 80C51单片机管脚图 2.2.2单片机部分引脚功能说明：1. 微处理器的时钟电路引脚：XTAL2(18 脚)：单片机的第18脚是反相放大器的输出端，如果单片机应用电路使用外部时钟，那么应该向该引脚输入外部时钟脉冲，使得单片机获得稳定的起振频率。XTAL1(19 脚)：如果单片机使用的是外部时钟时，那么此微处理器的第19引脚引脚必须接GND。2. 微处理器的控制信号引脚：RST/VPD(9 脚)：单片机的自动复位引脚，当单片机上电后，可以自动复位，也可以对单片机进行手动复位，手动复位只需按一下复位电路上相应的复位按钮单片机即可实现复位。ALE/PROG(30 脚)：如若程序执行的操作地址指向外部地址时，单片机的第30引脚将输出脉冲锁存外部地址的低8位。该位置位后， MOVX和MOVC指令可以用于激活ALE。PSEN(29 脚)：当程序执行的是外部地址空间的程序存储器时，此单片机的第29引脚将定时输出负脉冲使得片外存储器被选通。EA/Vpp(31 脚)：EA 引脚始终高电平，即该引脚始终被拉高，单片机只对片内EPROM/ROM进行操作，当程序计数器的值超过0FFFH时，处理器将自动跳转到片外地址空间相应程序。4组通用并行I/O口：4组通用I/O口都有输入和输出功能，但是P0口在作输出时要外接上拉电阻，这四组I/O口都可以驱动一定数量的TTL型负载，当单片机访问外部程序存储器时，P0口作为高8位地址，P2口作为低8位地址供单片机使用，另外P3口与其它几个I/O 端口功能也有区别，P3口不同与其他I/O口的地方在于它的特殊第二功能，各个通信口的功能如，P3.0口用不串行接收，P3.1口用于串行发送，这是一组串口。而P3.2、P3.3口是单片机的外部中断0和1的输入口，P3.4和P3.5口分别是定时计数器0和1的输入端口，微处理器的P3.6口用于写选通，P3.7口用与数据存储器的读选通。表2.1 单片机P3口引脚说明 2.3 温度传感器与单片机的接口电路数字温度计若使用寄生电源供电方式时第三引脚必须接地, 数字温度计DS18B20可以采用两种方式供电，即数字温度计可以使用外接电源供电也可以使用寄生电源供电，这两种电路的选择各有优缺点，具体电路的选择还得看与单片机接口电路的功能作用。图2.5 数字温度计与单片机的接口电路2.4 单片机与温度报警 系统中的报警电路是由蜂鸣器和发光二极管组成，系统正常工作时，P1.0口控制发光二极管绿灯亮，超温时，红灯亮，系统中的蜂鸣器实现超温鸣叫报警功能。图2.6 发光二极管与蜂鸣器报警2.5小结本章节主要讲解了单片机与数字温度计之间的功能控制，并简单介绍了数字温度传感器DS18B20在工业控制中的优缺点，以及在此次设计中是如何有效利用的。通过结合框图形式更直观、更形象地介绍了系统的整体组成以及各个模块之间的协调工作。第三章 部分硬件组成3.1 微控制器的中断系统微处理机能在程序设计时进行中断服务程序嵌套，中断允许寄存器IE决定是否响应中断请求；中断优先级寄存器IP给各个中断请求提供先后顺序；同一优先级内若出现不同的中断请求，由微控制器按照从上到下的自然顺序响应中断。3.2单片机的工作时钟单片机在一定的时钟频率下工作，如图3.1所示。Crystal为晶振，为单片机提供工作所需的振荡频率。XTAL1为单片机内部时钟振荡器的输入端，XTAL2为单片机内部时钟的输出端。本次设计使用的是12MHZ晶振。C1、C2为振荡补偿瓷片电容，起到放宽起振频率，可让时钟更容易起振。图3.1 时钟频率3.3 数字温度计DS18B20数字温度计只有三个引脚，1脚接GND，2脚与单片机通信口相连，3脚接VCC。单片机与数字温度计DS18B20仅需一条线连接，如下图所示。图3.2 数字温度计管脚图3.4 字符液晶显示器简介字符液晶显示器是通过自身对光的反应，改变其透明度或者由于外部电磁场的电磁效应，改变其显示颜色，使得液晶显示器上显示出各种不同的字符。显示部分用来显示所测的实时环境温度数据，本次毕业设计电路显示模块用的是字符液晶LCD1602，它是一个16列2行的字符型液晶显示模块，即该液晶屏可显示2行，每行可显示16个字符，每屏总共可显示32个字符。图3.3 字符液晶显示地址3.4.1液晶屏的结构以及功能：液晶屏是一种有机化合物，它内部有两个核心芯片HD44780，它的操作时序简单易懂，但指令功能强大，它可以与单片机进行通信，单片机可通过I/O口把各种要显示的数据传送到字符液晶显示屏上进行显示，拥有背光功能的液晶显示屏，在晚上可以发挥出像白天一样的显示各种数据的功能，但不具有背光功能的字符液晶显示屏只能在白天进行数据显示。液晶显示模块是一个慢显示器件，在液晶显示屏初始化完成后，在执行每条指令之前，要确保模块的忙标志为低电平，即先判断表示不忙，否则此指令失效，无法执行相关的读写命令操作。液晶显示屏引脚功能如下；图3.4 1602引脚图液晶显示屏引脚的功能讲解：液晶器件VSS引脚，即数字温度计的第一引脚一般接地，液晶器件VDD引脚，即数字温度计的第二引脚一般外接电源，液晶器件VEE脚，此第三引脚是液晶显示器的对比度调节端，液晶器件RS脚，此第四引脚又叫数据命令选择端，液晶器件R/W脚，该第五引脚是读写信号选择线，当该引脚被写入高电平1时程序将进行读操作，若该引脚被写入低电平0时则程序将进行写操作，液晶器件第6脚是E(或EN)端，该引脚为字符液晶LCD1602的使能(enable)端，DB0DB7为字符液晶LCD1602与单片机进行传输数据的数据口，通过这八个口，温度数据将被稳定精确的显示在字符液晶上。寄存器选择控制如下图所示；表3.1 各引脚使用说明 表3.2 操作时序说明3.5字符液晶显示部分与微处理机的接口单片机的的P2口作为数据传输口，液晶显示器LCD的E、R/W、RS端分别位定义为P3.2、P3.1、P3.0。通过软硬件设计，把所侧到的实时环境温度通过字符液晶显示屏进行实时温度控制。如下图所示。图3.5 液晶与89C51的接口温度报警控制电路的工作过程为：单片机定时采集DS18B20温度传感器所测得到的被测对象的实时表面温度，并将采集的温度数据通过单片机I/O口通信显示在字符液晶上，同时将采集到的实时温度数据与单片机内设定的温度上下限进行比较，如在正常的温度范围，则正常显示绿灯，若高出或低于设定的值，则发出蜂鸣器警告。第四章 数字温度计软件4.1主程序模块 通过keil软件编写程序，软件仿真通过后，使用protues硬件仿真软件实现联调，测试各个功能模块的作用是否能够在硬件电路上一一实现。4.2主程序流程图 图4.1 主程序流程图4.3 DS18B20初始化 图4.2 DS18B20初始化流程图4.4仿真结果本次程序上限超温报警温度为30度，下限低温报警温度为0度。1. 由下图仿真一中数据可看出，当实时温度为零上31度时，超出程序设定的上限报警温度，则电路中红灯亮，继而蜂鸣器鸣叫报警。图4.3 仿真图一2. 由下图仿真二中数据可看出，当实时温度为零下负一度时，低于程序设定的下限报警温度，则电路中红灯也亮，继而蜂鸣器也实现鸣叫报警。图4.4 仿真图二如下图仿真三所示温度数据。此时实时温度数据为零上25度，该被测温度值在程序所允许的温度范围内，所以绿灯亮，表明一切工作正常，温度正常。图4.5 仿真图三4.5小结通过本章节的学习，我们学习了如何从开始的硬件电路设计，再到结合软件的编写，让硬件电路通过软件代码实现真正的功能应用，这也让我们学习了51单片机的编程方式，以及如何正确使用protues软件实现硬件的仿真。总结通过本次毕业设计使我对电路系统中的一些基本原理有了简单的理解 ，从选题到硬件电路的完成，感觉自己的收获很大。首先，我在确定选题后查找和阅读了很多相关的理论知识，尤其是对DS18B20这个器件做了很多的了解。其次，也提高了我使用 proteus 软件做软件仿真的能力和技巧。本次毕业设计的硬件电路设计与实物制作让我更是深深体会到这一点，只有自己亲自动手操作，自己动手制作的作品才是真正意义上属于自己的成果，才能真正体会到理论联系实践的总要性，在结合keil编程软件编写程序过程中，进一步加强了我对整体硬件电路的理解。最后，完成硬件作品也是很关键的步骤，再多的理论知识也只有通过其产生的实物应用才能体现它的价值。因而制作出完美的实物作品是必不可少的，经过自己几个月的努力，通过焊接、调试、检修，我最终制作出了设计作品，验证了自己在本次设计中学习到的知识和设计的正确性。 参考文献（References）1 电工电子实践指导.王港元.江西科学技术出版社，2009.3.2 电子元器件应用手册.黄继昌.人民邮电出榜社，2004.7.3 电路第5版.邱关源.罗先觉.高等教育出版社 ，2006. 5.4 数字电子技术基础 .张申科.电子工业出版社，2005.5.5 模电数电基础实验及Multisim7仿真.黄培根.浙江大学出版社，2007.3.6 微型计算机系统原理及应用.杨素行.清华大学出版社，2004. 2.7 综合电子设计与实践.王振红.张常年.清华大学出版社 ，2005. 3.8 单片机原理及应用教程第2版.赵金利.肖兴达.机械工业出版社，2007.7.9 电子技术基础模拟部分（第四版）.康华光.高等教育出版社, 1999.10 电子技术实验与课程设计.蔡忠法.浙江大学出版社，2003.致谢通过这几个月的研究学习以及在导师的帮助下，我成功的完成了自己毕业设计实物的制作以及论文的编写。回首自己这四年大学生活，有笑有泪，有花有果，想感谢的人很多，多到自己都无从说起。从去年的基本理论知识整理，到最近几个月的电路设计，从刚开始的源程序编写，接着仿真成功，再到最后的画PCB板，焊板子，在我们电子系指导老师陈老师的耐心指导下，我完成了本次毕业设计的全部工作。这次设计不仅涉及到对单片机系统基本原理的理解，也涉及到如何对电路中出现的问题的分析和解决能力。陈巍老师多次询问毕业设计的进程，并为我指点迷津，陈老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，不仅授我以文，帮助我开拓电路设计思路，而且教我做人，给我以终生受益无穷之道。正是在陈老师的指点下，我才能如此顺利地完成本次毕业设计。所以，再一次表达我对学科部领导以及无论是在学习上还是在生活中帮助过我的老师最衷心的感谢，是你们在我前进的道路上给我以正确的人生引导，并无私的教授予我专业知识以及各种为人处世之道。 郑善金2014年5月26日附录一：源程序全部程序清单#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar i;sbit lcdrs=P30;sbit lcdrw=P31;sbit lcden=P32;sbit d1=P10;sbit d2=P11;uchar code table1=wendu: ;uchar code table2=H: L:;uchar code wendu=0123456789; /利用一个温度表解决温度显示乱码sbit DQ = P37;/定义ds18B20总线IOsbit beep=P35;uchar fuhao=0;/;标记温度正负 1为负数 0为正数int HIGH_temp=0,LOW_temp=0,temp,l; uint num=0; uchar bai,shi,ge,xiaoshu,k=0;/延时模块void delay(uint z)uint x,y;for(x=100;x1;x-)for(y=z;y1;y-);/液晶显示模块void write_com(uchar com)lcdrs=0;/写命令P2=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;P2=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init_lcd() /初始化液显uchar i;lcden=0;/en开始时拉低lcdrw=0;/写write_com(0x38);write_com(0x01);write_com(0x0c);/开显示，显示光标write_com(0x06);write_com(0x80);for(i=0;table1i!=0;i+)write_data(table1i);write_com(0xC0);for(i=0;table2i!=0;i+)write_data(table2i);/温度采集模块void tmpDelay(int num)/延时函数while(num-) ;/*/void Init_DS18B20()/初始化ds1820uchar x=0;DQ = 1; /DQ复位tmpDelay(8); /稍做延时DQ = 0; /单片机将DQ拉低tmpDelay(80); /精确延时 大于 480usDQ = 1; /拉高总线tmpDelay(14);x=DQ; /稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败tmpDelay(20);uchar ReadOneChar()/读一个字节uchar i=0;uchar dat=0;for (i=8;i0;i-)DQ = 0; / 给脉冲信号dat=1;DQ = 1; / 给脉冲信号if(DQ)dat|=0x80;tmpDelay(4);return(dat);void WriteOneChar(unsigned char dat)/写一个字节uchar i=0;for (i=8; i0; i-)DQ = 0;DQ = dat&0x01;tmpDelay(5);DQ = 1;dat=1; unsigned int Readtemp()/读取温度uchar a=0;uchar b=0;uint t=0;float tt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换delay(750);Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器a=ReadOneChar(); /连续读两个字节数据