温度采集系统设计论文.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 2页 共 39 页目 次1 绪论11.1 设计背景21.2 电路的总体工作原理22 方案论证32.1 题目分析32.2 温度传感器的选择32.3 显示器的选择92.4 单片机的选择103 系统的硬件设计163.1 单片机最小系统的设计163.2 温度传感电路设计183.3 显示电路的设计204 系统的软件设计224.1 系统的主程序设计225 系统测试255.1 Proteus软件功能概述25结论32致谢33参考文献34附录 主程序351 绪论温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。温度是我们日常生产和生活中实时在接触到的物理量，但是它是看不到的，仅凭感觉只能感觉到大概的温度值，传统的指针式的温度计虽然能指示温度，但是精度低，使用不够方便，显示不够直观，数字温度计的出现可以让人们直观的了解自己想知道的温度到底是多少度。1.1 设计背景 数字温度计采用进口芯片组装精度高、高稳定性，误差0.5%， 内电源、微功耗、不锈钢外壳，防护坚固，美观精致。数字温度计采用进口高精度、低温漂、超低功耗集成电路和宽温型液晶显示器，内置高能量电池连续工作5年无需敷设供电电缆，是一种精度高、稳定性好、适用性极强的新型现场温度显示仪。是传统现场指针双金属温度计的理想替代产品，广泛应用于各类工矿企业，大专院校，科研院所。数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即AD转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，如单片机或者PC机等，处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元，如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。这样就完成了数字温度计的基本测温功能。数字温度计根据使用的传感器的不同，AD转换电路，及处理单元的不同，它的精度，稳定性，测温范围等都有区别，这就要根据实际情况选择符合规格的数字温度计1。本设计是一个基于51单片机的数字温度计可以对温度进行测量。1.2 电路的总体工作原理温度控制系统采用AT89C51八位机作为微处理单元进行控制。采用温度传感器把采集的信号通过LED显示出来。系AT89C51LED显示温度传感器单片机复位时钟振荡统框图如图1.1所示：图1.1 系统框图根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、显示等功能。选用数字温度传感器DS18B20，省却了采样保持电路、运放、数模转换电路以及进行长距离传输时的串并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。该系统的总体设计思路如下：温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将温度在显示电路上显示4。 本科毕业设计说明书（论文） 第 41 页 共 39 页2 方案论证本章主要对毕业设计的题目进行了分析，根据要实现的功能，综合比较几种设计方法，提出了实现系统功能的最佳方案。2.1 题目分析本设计是一个数字温度测量系统，能采集和测量温度。2.1.1 具体要求根据设计的要求，要利用温度传感器实时温度。毕业设计的主要任务是能对温度进行采集和测量。设计中采用单片机来采集和测量温度。要实现系统的设计要用到的知识点有单片机的原理及其应用，温度传感器的原理和应用，及显示电路的设计等。2.2 温度传感器的选择2.2.1 采用数字单片智能温度传感器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，它能过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912位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和2位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以想所挂接DS18B20供电，而无需额外电源，因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果7。而且该传感器才用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路。DS18B20的性能特点：（1）DS18B20的供电电压范围为3.0-5.5V。当在-10+85范围内，可确保测量误差不超过0.5，在-55+125范围内，测量误差也不超过2。（2）DS18B20的转换速率比较高，进行9位的温度转换仅需93.75ms。（3）具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保护DS18B20不会因发热而烧毁。但此时芯片无法正常工作。（4）适配各种单片机或系统。（5）采用DALLAS公司独特的“单线总线”专有技术。（6）内含64位激光修正的只读存储ROM，扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码（CRC）之后，产品序号占48位。出厂前产品序号存入其ROM中。（7）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（8）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。DS18B20采用了3脚PR35封装或8脚SOIC封装，引脚排列如图2.1所示。图 2.1 DS18B20的管脚排列其引脚功能描述见表2.1。 表2.1 DS18B20详细引脚功能描述 序号名称引脚功能描述1GND地信号。2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DS18B20采用3脚PR-15封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.2所示。 C64位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器Vdd图2.2 DS18B20内部结构64位ROM的结构开始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TH和TL，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RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3所示。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2.3所示。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，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRCTMR1R011111图2.3 DS18B20字节定义由表2.2可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，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S=0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S=1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2.3是一部分温度值对应的二进制温度数据。表2.2 DS18B20温度转换时间表R1 R0分辨率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若TTH或TTL，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1；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2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1、温度寄存器中，计数器1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计数到0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2.3 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+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。DS18B20的使用方法： 由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。DS18B20的复位时序, 如图2.4所示。图2.4 DS18B20的复位时序DS18B20的读时序, 如图2.5所示。对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。图2.5 DS18B20的读时序DS18B20的写时序, 如图2.6所示。 对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。图2.6 DS18B20的写时序由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便，是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20。2.3 显示器的选择在显示器的选择上，我选择了LED显示器。简单的数据显示常采用液晶显示或数码管显示。液晶显示有耗电低、外形美观的优点，并且，点阵液晶可显示较复杂的字符或图案。其缺点是通用液晶显示器的显示方案构建不够灵活，在较暗的环境下液晶需要背光，而且，液晶显示成本较高。相对液晶显示器来讲，由于数码管种类繁多，其显示方案构建灵活，成本较低。由于本身即是发光体，所以，数码管显示无需额外光源。数码管的缺点是功耗较大，字符较多时，必须交流供电，而且，数码管不能显示复杂字型。所以，液晶和数码管两个方案的选择要根据显示的具体情况而定。根据要求选择8位数码管能够满足温度计显示的要求。2.31 LED数码管数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴极数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。数码管的驱动方式如下。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。动态显示驱动。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。2.4 单片机的选择STC单片机：STC公司的单片机主要是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快812倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强。PIC单片机：是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。EMC单片机：是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与PIC8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比PIC的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差。ATMEL单片机(51单片机)：ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列,AT89系列是8位Flash单片机,与8051系列单片机相兼容,静态时钟模式;AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机,也叫AVR单片机。PHLIPIS 51PLC系列单片机(51单片机)：PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机,嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能,这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。HOLTEK单片机：台湾盛扬半导体的单片机,价格便宜,种类较多,但抗干扰较差,适用于消费类产品。TI公司单片机(51单片机)：德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机.TMS370系列单片机是8位CMOS单片机,具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合;MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合。 松翰单片机（SONIX）：是台湾松翰公司的单片大多为8位机，有一部分与PIC 8位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有PMW ADC内振内部杂讯滤波。缺点RAM空间过小，抗干扰较好2。2.4.1 采用凌阳单片机随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital SignalProcessing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的nSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称nSP）。围绕nSP所形成的16位nSP系列单片机（以下简称nSP家族）采用的是模块式集成结构，它以nSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。nSP内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。利用凌阳单片机有一定的好处凌阳的优势是硬件性能，抗干扰能力强，但凌阳单片机我们没有系统的学习，这对于刚接触单片机的我们来说不是很容易上手，其价格也要比89C51昂贵一些，因此我们并没有将其作为首选3。2.4.2 采用AT89C51单片机AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) 8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容18。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C51（以下简称89C51）将具有多种功能的8位 CPU与FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比较高15。一 、89C51性能及特点：（1）与MCS51微控制器产品系列兼容。 （2）片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器（Flash Memory）。 （3）存储器可循环写入擦除1000次。 （4）空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。 （5）宽工作电压范围：Vcc可为2.7V6V。 （6）全静态工作：可从0Hz至16MHz。 （7）程序存储器具有3级加密保护。 （8）1288位内部RAM。 （9）32条可编程IO线。（10）两个16位定时器计数器。（11）中断结构具有5个中断源和2个优先级。（12）可编程全双工串行通道。（13）存储数据保存时间为10年。 二、片内快闪存储器 （Flash Memory）由于EEPROM具有在线改写，并在掉电后仍能保存数据的特点，可为用户的特殊应用提供便利。但是，擦除和写入对于要求数据高速吞吐的应用还显得时间过长，这是EEPROM芯片的主要缺陷。表2.4列出了几种典型EEPROM芯片的主要性能数据16。表2.4 几种典型EEPROM芯片主要性能型号28162816A28172817A2864A取数时间/ms250200/250250200/250250擦/写电压/V2152155字节擦除时间/ms10915101010写入时间/ms10915101010由上表可见，所列各种芯片的字节擦除时间和写入时间基本上均为10ms，这样长的时间对于许多实际应用是不能接受的。因此，为了将存储器集成到微控制器芯片内，设法缩短此类存储器的擦除和写入时间是一个首要的问题。片内快闪存储器（ Flash Memory）的概念就是在这种背景下提出来的。Flash存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器(简记为FPEROM)，这使开发调试更为方便。在MCS51系列产品中，凡标有89CXX的芯片均为带有此类存储器的产品系列11。三、AT89C51硬件结构及引脚 图2.7 AT89C51内部结构图AT89C51的内部硬件结构如图2.7所示。除程序存储器由FPEROM取代了80C5l的EPROM外，其余部分完全相同10。AT89C51的引脚与80C51的引脚也是完全兼容的，其引脚配置如图2.8所示。各引脚对应的功能简要介绍如下：Vss 接地。Vcc 电源端，接5V。P0.00.7 P0口是开漏双向口可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入，P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1。P0口每位可以能驱动8个LS型TTL负载。P1.01.7 P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入1时P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。P1口每位可以能驱动4个LS型TTL负载。P2.02.7 P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址，此时通过内部强上拉传送1。当使用8位寻址方式访问外部数据存储器时，P2口每位可以能驱动4个LS型TTL负载。P3.03.7 P3口是带内部上拉的双向I/O口，向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时被外部拉低的P3口，会因为内部上拉而输出电流。P3口每位可以能驱动4个L负载。P3口还具有以下特殊功能：RxD(p3.0) 串行输入口TxD(P3.1) 串行输出口INT0(P3.2) 外部中断0INT1(P3.3) 外部中断T0(P3.4) 定时器0 外部输入T1(P3.5) 定时器1 外部输入图2.8 AT89C51封装引脚配置图WR(P3.6) 外部数据存储器写信号RD(P3.7) 外部数据存储器读信号RST 复位。当晶振在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平，即可复位内部。有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。ALE 地址锁存使能。在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE 输出信号恒定为1/6 振荡频率并可用作外部时钟或定时。PSEN 程序存储使能。当执行外部程序存储器代码时，PSEN每个机器周期被激活两次。在访问外部数据存储器时，PSEN无效。访问内部程序存储器时，PSEN无效。EA/Vpp 外部寻址使能/编程电压。在访问整个外部程序存储器时EA必须外部置低，如果EA为高时将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址。该引脚在对FLASH编程时，接5V/12V编程电压(Vpp)，如果保密位1已编程，EA在复位时由内部锁存。XTAL1 反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。XTAL2 反相振荡放大器输出。以MCS-51技术核心为主导的单片机已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象，并以此为基核，推出许多与MCS51有极好兼容性的CHMOS单片机，同时增加了一些新的功能,所以用AT89C519。3 系统的硬件设计3.1 单片机最小系统的设计目前的单片机开发系统只能够仿真单片机，却没有给用户提供一个通用的最小系统。由设计的要求，只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。其应用特点是:（1）全部I/O口线均可供用户使用。 （2）内部存储器容量有限（只有4KB地址空间）。 （3）应用系统开发具有特殊性。图 3.1 最小系统图单片机最小系统如图3.1所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必须的时钟控制信号，内部电路在时钟信号的控制下，严格地按时序指令工作。MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。电路中的微调电容通常选择为30pF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率为12MHz。把EA脚接高电平，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH（4Kbyte地址范围）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序14。MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现。采用最简单的外部按键复位电路。按键自动复位是通过外部复位电路的来实现的.我们选用时钟频率为12MHz,C1取47f。3.1.1振荡器特性XTAL1和XTAL2的反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.1.2单片机芯片的擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。AT89C51的稳态逻辑可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.1.3单片机的时钟电路 图3.2 片内振荡电路的时钟电路AT89C1单片机内部的振荡电路是一个高增益反向放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。AT89C51的时钟产生方式有两种：内部时钟电方式和外部时钟方式。由于外部时钟方式用于多片单片机组成的系统中，所以此处选用内部时钟方式。即利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路产生自激振荡。最常用的是在 XTAL1和XTAL2之间接晶体振荡器与电路构成稳定的自激振荡器，如图3.2电路所示为单片机最常用的时钟振荡电路的接法，其中晶振可选用振荡频率为6MHz的石英晶体，电容器一般选择30PF左右。3.1.4单片机的复位电路图3.3 AT89C51的复位电路本设计中AT89C51是采用上电自动复位和按键复位两种方式。最简单的复位电路如图3.3所示。上电瞬间，RC电路充电，RST引线端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效地复位。其中R1和R2分别选择200和1K的电阻，电容器一般选择22F17。3.2 温度传感电路设计DS18B20的性能特点：（1）采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）。（2）测温范围为-55-+125，测量分辨率为0.0625。（3）内含64位经过激光修正的只读存储器ROM。（4）适配各种单片机或系统机。（5）用户可分别设定各路温度的上、下限。（6）内含寄生电源。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图3.4所示。（a） (b) 图 3.4 DS18B20管脚图在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻.我们采用的是第一种连接方法,如图3.5所示:把DS18B20的数据线与单片机的13管脚连接,再加上上拉电阻。图 3.5 温度传感电路图DS18B20有六条控制命令，如表3.1所示：表3.1 DS18B20控制命令指 令 约定代码 操 作 说 明 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 CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作8。3.3 显示电路的设计LED显示器是由4位共阴极LED显示器组成，采用动态分时扫描方式。采用4位共阴极LED显示器能使测量结果保持在小数点后两位，提高测量精度。显示电路中单片机AT89C51的P0扣直接驱动8段数码管（其中需要给P0外接上拉电阻）完成字形码的输出（字形选择）。而P2.1-P2.5控制4位LED进行分时选通，这样在任意时刻，只有一位LED是亮的。共阴极LED显示器的阳极和单片机CPU的P1口连接，显示段码由CPU通过P1口传送到LED显示器的阳极12。位扫描码由单片机8051的P2口低四位输出，经同相驱动器传送到LED显示器的阴极，选通LED显示器的数位：P2.3，P2.2,P2.1,P2.0输出电平为0111时，选通左边的第一位数字；P2.3，P2.2,P2.1,P2.0输出电平为1011时，选通左边的第二位数字；P2.3，P2.2,P2.1,P2.0输出电平为1101时，选通左边的第三位数字；P2.3，P2.2,P2.1,P2.0输出电平为1110时，选通左边的第四位数字。连接如图3.6所示。图3.6 显示电路图4 系统的软件设计4.1 系统的主程序设计统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，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，其程序流程见图4.1所示6。Y发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令读取操作，CRC校验9字节完？CRC校验正？确？移入温度暂存器结束NNY初始化调用显示子程序1S到？初次上电读出温度值温度计处理显示数据刷新发温度转换开始命令NYNY图4.1 主程序流程图 图4.2 读温度流程图 4.1.1 读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图4.2示。4.1.2 温度转换命令子程序温度转换命令子程序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，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图4.3所示。发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命令 结束图4.3 温度转换流程图4.1.3 计算温度子程序 开始温度零下?温度值取补码置“”标志计算小数位温度BCD值 计算整数位温度BCD值 结束置“+”标志NY计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图4.4所示。 图4.4计算温度流程图4.1.4显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图4.5。温度数据移入显示寄存器十位数0？百位数0？十位数显示符号百位数不显示百位数显示数据（不显示符号） 结束NNYY图4.5显示数据刷新流程图5 系统测试用proteus仿真、调试，完成满足设计要求的高精度温度计系统。5.1 Proteus软件功能概述Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器5。Proteus具有四大功能模块：（1）智能原理图设计（ISIS） 丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件； 智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件； 智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间； 支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰； 可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。 （2）完善的电路仿真功能（Prospice） ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真； 超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件； 多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入； 丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等； 生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动； 高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。 (3）独特的单片机协同仿真功能（VSM） 支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器； 支持通用外设模型：如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信； 实时仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真； 编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。 （4）实用的PCB设计平台 原理图到PCB的快速通道：原理图设计完成后，一键便可进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计； 先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理； 完整的PCB设计功能：最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层（含板边），灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D 可视化预览； 多种输出格式的支持：可以输出多种格式文件，包括Gerber文件的导入或导出，便利与其它PCB设计工具的互转（如protel）和PCB板的设计和加工。 5.1.1 界面介绍安装完 Proteus 后，运行ISI