单片机课程设计单片机控制的温度测试仪的设计.doc

单 片 机 原 理 课 程 设 计单片机课程设计题 目 ： 单片机控制的温度测试仪的设计学院名称 ： 电气工程学院班 级 ： 本09通信工程02班学 号 ： 20094400229 学生姓名 ： 余衡 指导老师 ： 黄智伟 吴荣燕教研室主任 ： 王彦 二零一二年六月单片机控制的温度测量仪设计摘要由于单片机技术领域正得到越来越广泛你的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继 推出了各种类型的单片机，其中，STC89C52单片机以优越的性能，成熟的技术，迅速占领了相关市场。STC89C52单片机最小系统主要由STC89C52，RS232串口电路，晶振电路，复位电路等组成，其优点是功能强，体积小，可靠性高，造价低和开发周期短，在日常中也发挥了很大的作用。本系统是利用STC89C52单片机，温度传感器DS18B20，蜂鸣器等元器件，构成一个温度检测的单片机小系统。关键字:STC89C52单片机 DS18B20 最小系统 温度检测 报警AbstractBecause single chip technology is getting more and more extensive application of you, many of the worlds integrated circuit manufacturers successively Rolled out of the various types of single chip microcomputer, among them, STC89C52 single-chip microcomputer with superior performance, mature technology, quickly occupied the relevant market. STC89C52 single chip minimize system mainly by the STC89C52, RS232 serial interface circuit, crystals circuit, reset circuit and other components, its advantage is strong function, small size, high reliability, low cost and short development cycle, in daily also have a role to play. This system is STC89C52 using single-chip microcomputer, the temperature sensor DS18B20, a buzzer components, constitute a temperature detection of singlechip processor system.Keyword: STC89C52 single chip DS18B20 Minimum system Temperature detection Alarm目 录1 系统方案设计及论证41.1 设计任务与要求41.2设计分析41.3 各模块方案论证51.3.1 控制器模块51.3.2 显示模块51.3.3 温度检测模块52 单元电路介绍62.1 STC89C52单片机介绍62.2 温度传感器DS18B20介绍102.2.1 DS18B20测温原理112.2.2 DS18B20 的管脚排列及封装112.2.3 DS18B20内部构成122.3 四位共阳数码管介绍132.4 报警电路143 系统整体电路图153.1 系统原理图154 软件设计166 心得体会18参考文献:19附录20附录1：元器件清单20附录2：程序清单21附录3 任务书261 系统方案设计及论证1.1 设计任务与要求题目：一个典型单片机应用系统设计要求：输入信号为传感器、电压、电流、开关等形式，单片机型号可以自己选择（51,128,430等），输出控制信号为模拟电压或者数字信号，控制对象可以是电机（直流电机，步进电机）、开关、显示器等。1.2设计分析要成功实现设计任务与要求，系统必须具备以下功能模块：单片机最小系统、温度检测模块、显示模块。本系统由温度传感器DS18B20检测温度，通过单片机采集分析数据，然后送到数码管上显示。整体系统框图如下：显示温度控制部分温度传感器转换检测信号图1.1 整体系统框图1.3 各模块方案论证 1.3.1 控制器模块方案一：采用FPGA作为主控制器。FPGA内部具有独立的I/O 接口和逻辑单元，使用灵活，适用性强，且相对单片机来说，还有速度快，外围电路较少，集成度高的特点，因此特别适用于复杂逻辑电路设计。但是FPGA的成本偏高，算术运算能力不强，而且由于本设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。方案二：采用ARM7TDMI-S微控制器LPC2148。32位的LPC2148工作电压为3.3V，典型工作电流为53mA，工作频率可高达60MHz，具有45个可承受5V电压的I/O口，内置宽范围的串行通信接口，采用3级流水线工作模式，具有掉电和空闲两种低功耗工作模式。方案三：采用STC89C52RC单片机作为主控制器，其有40个引脚，32个独立的I/O 口，二个外部中断，三个定时/计数器，虽然相对FPGA来说在功能和速度上有点差异， 但单片机算术运算功能强，软件编程灵活、可用软件较简单的实现各种算法和逻辑控制，并且由于其成本低、体积小、技术成熟和功耗小等优点，开发过程中可以利用的资源和工具丰富。由于是单片机课程设计，系统拟采用方案三，使用STC89C52RC单片机作为本系统的主控制器。1.3.2 显示模块方案一：使用数码管进行显示，按键用于切换显示。可采用周立功公司生产的ZLG7290芯片来配合控制器对数码管和按键进行控制，该芯片具有I2C 串行接口，只需占用控制器3个管脚，便可方便地控制数码管显示和检测按键。 方案二：用12864液晶，12864液晶能同时显示64个字符或32个汉字，工作电压为5V,显示内容多，操作方便，显示清晰,不需额外电路。方案选择：由于不需要显示汉字，只需要显示温度数字，综合考虑选择方案一 1.3.3 温度检测模块方案一：采用热敏电阻，利用温度不同其电阻值不同的特性，用A/D转换器测量其两端的电压便能知道温度的高低。这种设计简单，但是测量复杂，不够精确。方案二：采用温度和湿度转换器DHT11同时测量温度和湿度，该芯片的温度误差为正负2度，误差过大。方案三：采用数字温度传感器DS18B20，耐磨耐碰，体积小，接口电路简单，测量精度高。通过编程便能完成温度数据的处理综合分析，本系统拟采用方案三,采用DS18B20完成测温部分。2 单元电路介绍2.1 STC89C52单片机介绍STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。单片机总控制电路如下图11：图11单片机总控制电路1.时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。（a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路 图12时钟电路2.复位及复位电路（1）复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表1-1所示。 表1-1 一些寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H（2）复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图13所示：图13复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图14（a）所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图14（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图14（c）所示：（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位图14复位电路STC89C52具体介绍如下： 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7STC89C52主要功能如表1-2所示： 表1-2 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能2.2 温度传感器DS18B20介绍该芯片采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。其主要有以下应用特点：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5。 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。 工作电源: 35V/DC 在使用中不需要任何外围元件 测量结果以912位数字量方式串行传送 不锈钢保护管直径6 适用于DN1525, DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选 PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。 DS18B20采用独特的一线接口，只需要一条口线通信。多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源 测量温度范围为-55 C至+125 。华氏相当于是-67 F到257华氏度 -10 C至+85 C范围内精度为0.5 C 图2.2（a） DS18B20温度格式表 图2.2（b） DS18B20与单片机接口图2.2.1 DS18B20测温原理图1.2.1 DS18B20 的内部测温电路框图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，为计数器提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，很敏感的振荡器，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。图中还隐含着计数门，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 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，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。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即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，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，直至温度寄存器值达到被测温度值。2.2.2 DS18B20 的管脚排列及封装图2.2. 2 DS18B20 实物管脚分布图DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端，电源电 3.05.5V （在寄生电源接线方式时接地）。2.2.3 DS18B20内部构成 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 、配置寄存器。光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码。 64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（地址： 28H ）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，并且每个 DS18B20 的序列号都不相同，因此它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码；最后 8 位则是前面 56 位的循环冗余校验码（ CRC=X8+X5+X4+1 ）。由于每一个 DS18B20 的 ROM 数据都各不相同，因此微控制器就可以通过单总线对多个 DS18B20 进行寻址，从而实现一根总线上挂接多个 DS18B20的目的 图2.2.3DS18B20内部结构图2.3 四位共阳数码管介绍 数码管按连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳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。本系统采用的是共阳数码管。下面是其原理图。 图3（a）共阳数管原理图如图是一个四位一体共阳数码管，BIT1-BIT4是四位数码管的正极。A-G分别对应个段的负极。其内部框图如下： 图3（b） 共阳数码管内部框图2.4 报警电路当温度超过程序设定的最大温度时，蜂鸣器会发出报警声 图4（a）蜂鸣器连接电路 图4中蜂鸣器使用的是PNP三极管进行驱动控制的，此蜂鸣器为电磁式有源蜂鸣器。三极管的集电极通过蜂鸣器接5V电源，基极是控制端，发射极接地，当单片机的P2.3输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器发声。蜂鸣器为感性原件，也可以在两端并接一个二极管来起到泄放作用。3 系统整体电路图3.1 系统原理图 图3.1系统原理图3.2 系统PCB图图3.2系统PCB图4 软件设计发送端软件设计流程图如下图所示。结束温度数据显示温度数据转换读取温度DS18B20检测温度开始 5 调试 完成程序下载后进行调试时，四位数码管只有中间两位显示，经过排查，发现是由于虚焊导致，重新焊接后，数码管能正确显示温度，将打火机靠近温度传感器DS18B20时，明显看到数码管上温度数字不断升高，当超过程序中设定的35时发生报警。6 心得体会 通过两周的单片机课程设计我学到了很多在课本上学不到的东西，要完成一个设计，不仅需要丰富的知识，还要有严谨的态度。制作实物毫无疑问增强了自己的动手能力，制作PCB板得整个流程我都完整的经历了一遍，其中的一些细节问题还真是不能忽视，比如不小心虚焊了就不能实现功能，还要花很多时间来排查问题。总之通过这次设计，我懂得了理论与实践的相结合的重要意义，学会了坚持，耐心和努力，我想这为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我想单片机这门课程的重要性对于我们专业来说是不言而喻的。所以通过这样一次课程设计我体会到了自己这方面知识还不是很扎实，特别是对于编写程序方面，我还有很多问题，我还要加强平常的练习和学习 ，进一步提高自己。 参考文献: （1） 黄智伟.凌阳单片机课程设计M. 北京：北京航空航天大学出版社，2007.6（2） 胡汉才，单片机原理及其接口技术，清华大学出版社（3） 黄智伟.无线数字收发电路设计M.北京:电子工业出版社.2004年（4） 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛制作实训M.北京：北京航空航天大学出版社，2006.（5） 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛 技能训练（第2版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2011.1，全国大学生电子设计竞赛“十二五”规划教材（6） 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛 电路设计（第2版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2011.1，全国大学生电子设计竞赛“十二五”规划教材 附录附录1：元器件清单 表附-1元器件清单元器件数值或型号个数单片机芯片STC89C522温度传感器DS18B201四位数码管共阳1晶振12MHz1电容10uf，30pf3按键3电阻1k，4k，10K,4708无线接收模块NRF9051蜂鸣器1稳压芯片ASM1117-3.31LED灯1电源开关6脚1排针若干三极管90124数码管驱动芯片MC74HC573AN1二极管4 附录2：程序清单#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ = P37 ; /定义DS18B20端口DQsbit BEEP=P36 ; /蜂鸣器驱动线sbit wei1 =P24;sbit wei2 =P25;sbit wei3 =P26;sbit wei4 =P27;bit presence ;unsigned char code ditab16 = 0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04, 0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09 ;/*小数位表，四舍五入*/unsigned char data temp_data2 = 0x00,0x00 ;unsigned char data display5 = 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00 ;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;uchar code table1=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10,0x08,0x03,0x46,0x21,0x06,0x0e,0x3f/*（横杠和小数点*/,0x7f/*(只显示小数点*/;void beep() ;unsigned char code mytab8 = 0x0C,0x12,0x12,0x0C,0x00,0x00,0x00,0x00 ;#define delayNOP() ; _nop_() ;_nop_() ;_nop_() ;_nop_() ; ;/*延时1MS*/void delay_ms(int ms) unsigned char y ; while(ms-) for(y = 0 ; y 0 ; i-) DQ = 0 ; / 给脉冲信号 dat = 1 ; DQ = 1 ; / 给脉冲信号 if(DQ) dat |= 0x80 ; delay_us(4) ; return (dat) ;/* 写一个字节 */*/void WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i = 0 ; for (i = 8 ; i 0 ; i-) DQ = 0 ; DQ = dat&0x01 ; delay_us(5) ; DQ = 1 ; dat=1 ; /* 读取温度 */*/void Read_Temperature(void) Init_DS18B20() ; WriteOneChar(0xCC) ; / 跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0x44) ; / 启动温度转换 Init_DS18B20() ; WriteOneChar(0xCC) ; /跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0xBE) ; /读取温度寄存器 temp_data0 = ReadOneChar() ; /温度低8位 temp_data1 = ReadOneChar() ; /温度高8位/* 数据转换与温度显示 */*/void Disp_Temperature() display4=temp_data0&0x0f ; display0=ditabdisplay4 ; /查表得小数位的值 display4=(temp_data0&0xf0)4)|(temp_data1&0x0f)4) ; display3=display4/100 ; display1=display4%100 ; display2=display1/10 ; display1=display1%10 ;P0 = tabledisplay3;wei1=0;wei2=1;wei3=1;wei4=1;delay_us(100);wei1=1;P0 = tabledisplay2;wei1=1;wei2=0;wei3=1;wei4=1;delay_us(100);wei2=1;P0 = table1display1;wei1=1;wei2=1;wei3=0;wei4=1;delay_us(100);wei3=1;P0 = tabledisplay0;wei1=1;wei2=1;wei3=1;wei4=0;delay_us(100);wei4=1;/*/* 蜂鸣器响一声 */*/void beep() unsigned char y ; for (y=0 ;y34) /35度时报警Disp_Temperature() ;beep() ; Disp_Temperature() ; while(!presence) ; do Init_DS18B20() ; beep() ; while(presence) ;附录3 任务书 南华大学电气工程学院 单片机课程设计任务书设计题目： 一个典型的单片机应用系统设计 专 业： 本09通信01/02班 学生姓名: 学 号: 起迄日期: 2012年5月27日 2012年6月9日 指导教师: 黄智伟 吴荣燕 教研室主任： 王 彦 单片机课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：一、课程设计内容 题目：一个典型单片机应用系统设计要求：输入信号为传感器、电压、电流、开关等形式，单片机型号可以自己选择（51,128,430等），输出控制信号为模拟电压或者数字信号，控制对象可以是电机（直流电机，步进电机）、开关、显示器等。注：可以采用单片机、传感器电路模块以及集成电路芯片制作。二、课程设计要求1. 综合运用已学习过模拟电路、数字电路、单片机、通信电子线路等知识，阅读相关集成电路芯片资料和相关文献，了解单片机应用系统系统设计、电路设计的有关知识，方法和特点，掌握基本的单片机应用系统系统设计、电路设计和芯片使用方法。2. 一人一题，所设计的系统、电路必须制作成功，并且全部或者部分通过计算机仿真。课程设计必须自己独立完成，不得从网上下载，一经发现该课程成绩记零分。3. 课程设计设计说明书（报告）应包括有： 系统电路工作原理分析 系统电路元器件参数设计计算 系统电路调试说明 系统电原理图和PCB图（必须自己画） 系统模块元器件装配图（必须自己画） 元器件清单 自己的收获和体会 要求字数不得少于3500字 要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel等软件绘制电原理图（SCH）、元器件布局图和印制电路板(PCB)。 4. 所有的文档和表格必须采用Word形式。5. 同类型的设计题可以组成一个设计组，组员之间可以开展研究与讨论。雷同者均计0分。6. 阅读有关芯片英文参考资料，理解资料内容。7. 英文资料中的曲线、参数、方框图、引脚端封装等图（不包括电原理图和PCB图）可以直接采用（pdf文档中的图可放大300倍后裁剪到Word文档中），图中的英文可以采用英文（中文）方式翻译在图下。8. 英文资料中的一些词，如果翻译拿不准，可以采用英文（中文）方式标注。9. 设计资料中的有关的公式可以直接采用。10. 课程设计结束，需要交制作的作品、文字稿和电子稿，采用Word文档形式。11. 成绩评定： 按ABCDE分档，其中：优秀为A，良好为B，中等为C，及格为D，不及格为E。 课程设计设计说明书占60%，实物制作占40%。 2对课程设计成果的要求包