基于AT89C51單片機的數(shù)字溫度計

1、 CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY科研實踐題目：基于單片機的數(shù)字溫度計的設計二級學院（直屬學部）： 延陵學院 專業(yè)： 電氣工程及其自動化 班級： 10電Y2 學生姓名： 王超 學號： 10120822 指導教師姓名： 范力旻 職稱： 副教授 2013年12月30日至2014年1月10日目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc9462 目錄 PAGEREF _Toc9462 2 HYPERLINK l _Toc13064 1.緒論 PAGEREF _Toc13064 3 HYPERLINK l _Toc5682 1.1課題研究背景及意義

2、PAGEREF _Toc5682 3 HYPERLINK l _Toc22213 1.2課題研究的內(nèi)容 PAGEREF _Toc22213 3 HYPERLINK l _Toc24641 2.數(shù)字溫度計的系統(tǒng)概論 PAGEREF _Toc24641 5 HYPERLINK l _Toc1502 2.1系統(tǒng)的功能 PAGEREF _Toc1502 5 HYPERLINK l _Toc9159 2.2溫度計的分析 PAGEREF _Toc9159 5 HYPERLINK l _Toc24321 3.設計方案和要求 PAGEREF _Toc24321 6 HYPERLINK l _Toc27364

3、3.1設計任務和要求 PAGEREF _Toc27364 6 HYPERLINK l _Toc22834 3.2元器件的選取 PAGEREF _Toc22834 6 HYPERLINK l _Toc14420 3.3系統(tǒng)最終設計方案 PAGEREF _Toc14420 7 HYPERLINK l _Toc15616 4.硬件設計 PAGEREF _Toc15616 8 HYPERLINK l _Toc10296 4.1總體設計結構圖 PAGEREF _Toc10296 8 HYPERLINK l _Toc7304 4.2硬件電路概述 PAGEREF _Toc7304 8 HYPERLINK l

4、 _Toc30876 4.2.1最小系統(tǒng) PAGEREF _Toc30876 8 HYPERLINK l _Toc26762 4.2.2輸入電路設計 PAGEREF _Toc26762 11 HYPERLINK l _Toc16050 4.2.3輸出電路設計 PAGEREF _Toc16050 12 HYPERLINK l _Toc29459 5.硬件仿真 PAGEREF _Toc29459 15 HYPERLINK l _Toc30550 6.實物制作 PAGEREF _Toc30550 18 HYPERLINK l _Toc29834 6.1電路板焊接 PAGEREF _Toc29834

5、18 HYPERLINK l _Toc21604 6.2電路板調(diào)試 PAGEREF _Toc21604 19 HYPERLINK l _Toc3623 7.小結 PAGEREF _Toc3623 20 HYPERLINK l _Toc30164 附錄 PAGEREF _Toc30164 21 HYPERLINK l _Toc23836 1.參考文獻 PAGEREF _Toc23836 21 HYPERLINK l _Toc29895 2.原理圖 PAGEREF _Toc29895 22 HYPERLINK l _Toc3057 3.元器件清單 PAGEREF _Toc3057 23 HYPER

6、LINK l _Toc6116 4.軟件程序 PAGEREF _Toc6116 24 HYPERLINK l _Toc31720 5.實物圖 PAGEREF _Toc31720 301.緒論1.1課題研究背景及意義 單片機技術作為計算機技術的一個分支，廣泛地應用于工業(yè)控制，智能儀器儀表，機電一體化產(chǎn)品，家用電器等各個領域?！皢纹瑱C原理與應用”在工科院校各專業(yè)中已作為一門重要的技術基礎課而普遍開設。學生在課程設計，畢業(yè)設計,科研項目中會廣泛應用到單片機知識，而且，進入社會后也會廣泛接觸到單片機的工程項目。鑒于此，提高“單片機原理及應用”課的教學效果，讓學生參與課程設計實習甚為重要。單片機應用技術

7、涉及的內(nèi)容十分廣泛，如何使學生在有限的時間內(nèi)掌握單片機應用的基本原理及方法，是一個很有價值的教學項目。為此，我們進行了“單片機的學習與應用”方面的課程設計，鍛煉學生的動腦動手以及協(xié)作能力。 單片機課程設計是針對模擬電子技術，數(shù)字邏輯電路，電路，單片機的原理及應用課程的要求，對我們進行綜合性實踐訓練的實踐學習環(huán)節(jié)，它包括選擇課設任務、軟件設計，硬件設計，調(diào)試和編寫課設報告等實踐內(nèi)容。通過此次課程設計實現(xiàn)以下三個目標:第一，讓學生初步掌握單片機課程的試驗、設計方法，即學生根據(jù)設計要求和性能約束，查閱文獻資料，收集、分析類似的相關題目，并通過元器件的組裝調(diào)試等實踐環(huán)節(jié)，使最終硬件電路達到題目要求的性

8、能指標；第二，課程設計為后續(xù)的畢業(yè)設計打好基礎，畢業(yè)設計是系統(tǒng)的工程設計實踐，而課程設計的著眼點是讓學生開始從理論學習的軌道上逐漸引向?qū)嶋H運用，從已學過的定性分析、定量計算的方法，逐步掌握工程設計的步驟和方法，了解科學實驗的程序和實施方法。第三，培養(yǎng)學生勤于思考樂于動手的習慣，同時通過設計并制作單片機類產(chǎn)品，使學生能夠自己不斷地學習接受新知識（如在本課設題目中存在智能測溫器件DS18B20，就是課堂環(huán)節(jié)中不曾提及的“新器件”），通過多人的合作解決現(xiàn)實中存在的問題，從而不斷地增強學生在該方面的自信心及興趣，也提高了學生的動手能力，對學生以后步入社會參加工作打下一定良好的實踐基礎。1.2課題研究的

9、內(nèi)容 本文主要介紹了一個基于AT89C51單片機的測溫系統(tǒng)，詳細描述了利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20開發(fā)測溫系統(tǒng)的過程，重點對傳感器在單片機喜愛的硬件連接，軟件編程以及各模塊系統(tǒng)流程進行了詳盡分析，對各部分的電路也進行一一介紹，該系統(tǒng)可以方便的是實現(xiàn)溫度采集和顯示，并可以根據(jù)需要任意設定上下限報警溫度，它使用起來方便，具有精度高、量程寬、靈敏度高、體積小、功耗低等優(yōu)點，適合我們?nèi)粘Ｉ詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測量，也可以當做溫度處理模塊嵌入其他系統(tǒng)中，作為其他主系統(tǒng)的輔助擴展。DS18B20和AT89C51結合實現(xiàn)最簡溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構簡單，抗干擾能力強，適合與惡劣環(huán)境下進行現(xiàn)場溫度測量，

10、有廣泛的應用前景。 本設計首先是確定目標，氣候是各個功能模塊的設計，再在Proteus軟件上進行仿真，修改，仿真。本溫度計屬于多功能溫度計，可以設置上下報警溫度，當溫度不在設置范圍內(nèi)時，可以報警。 2.數(shù)字溫度計的系統(tǒng)概論2.1系統(tǒng)的功能 此數(shù)字溫度計是基于51單片機，18B20，四位數(shù)碼管，led發(fā)光二級管，按鍵等阻容元件設計制作而成，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠很好的測量出溫度值，并顯示。此系統(tǒng)帶有溫度報警指示功能。2.2溫度計的分析元件設計的意義： 關于按鍵：共設計了4個獨立按鍵，一個為進入調(diào)整上下限的功能鍵，一個為加，一個為減，另一個為確定設置鍵，按下調(diào)整鍵進入上限設置，右邊紅色二極管亮，設置完

11、上限按確定鍵，延時并且蜂鳴器響1下，綠二極管亮，自動進入下限設置。設置完下限按確定鍵蜂鳴器響2下，進入溫度正常顯示狀態(tài)。 關于發(fā)光二極管：共設計了三個發(fā)光二極管，一個為電源指示，另外兩個分別為上下限指示或溫度報警指示。當進入調(diào)整上限時紅色的亮，進入下限時綠色的亮。當正常顯示溫度時，溫度高于上限紅色的亮，低于下限時綠色的亮。 關于蜂鳴器：作為報警或者調(diào)整上下限時提示用，當前溫度高于上限或者低于下限蜂鳴器鳴響！從上限設置跳到下限設置時，蜂鳴器響一下，確定下限設置時蜂鳴器響兩下。 關于數(shù)碼管：當溫度為正時，顯示溫度值，溫度為負時，最高位顯示“”，溫度數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后一位。 系統(tǒng)采用5v直流供電，通

12、電前注意電源正負極，以及電源接口是否匹配。 3.設計方案和要求3.1設計任務和要求1、基本范圍15422、精度誤差小于0.53、LED 數(shù)碼直讀顯示4、可以任意設定溫度的上下限報警功能.3.2元器件的選取單片機芯片的選取：方案一：采用89C51芯片作為硬件核心，利用Flash ROM，內(nèi)部具有4KB ROM 存儲空間,能于3V的超低壓工作,而且與MCS-51系列單片機完全兼容,但是運用于電路設計中時由于不具備ISP在線編程技術, 當在對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，對芯片的多次拔插會對芯片造成一定的損壞。方案二:采用AT89C51單片機與MCS-51系列單

13、片機相比有兩大優(yōu)勢：第一，片內(nèi)程序存儲器采用閃存，使程序的寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整個硬件電路的體積更小，且管腳數(shù)目為20個，與MCS-51相比減少一倍，使理解更容易。綜上所述：本課設中單片機芯片采用AT89C51。 溫度傳感器的選?。?方案一：采用熱敏電阻傳感器。利用熱敏電阻隨溫度變化而顯著變化，能直接將溫度的變化轉換為能量的變化，進而制成溫度計。但是其測溫傳感器比較復雜，而且不易通過編制程序來控制測溫精度，增大系統(tǒng)設計的難度。 方案二： 采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20的內(nèi)部3腳（或8腳）封裝；使用特有的溫度測量技術，將被測溫度轉換成數(shù)值信號；3.05.5V

14、的電源供電方式和寄生電源供電方式；ROM由64位二進制數(shù)字組成，共分為8個字節(jié)；RAM由9個字節(jié)的高速暫存器和非易失性電擦寫ROM組成。綜上所述：溫度傳感器選取智能測溫器件DS18B20。3.3系統(tǒng)最終設計方案綜上各方案所述,對此次課設的方案選定: 采用AT89C51作為主控制系統(tǒng); 1602液晶顯示模塊芯片作為溫度數(shù)據(jù)顯示裝置;而智能溫度傳感器DS18B20器件作為測溫電路主要組成部分。至此，系統(tǒng)最終方案確定。4.硬件設計4.1總體設計結構圖圖4-1 總體設計結構圖4.2硬件電路概述4.2.1最小系統(tǒng)晶振電路 晶振采用12MHz，分別接入到X1與X2端中。同時在晶振兩端各接一個22pF的電容

15、，每個電容的另一端再接入到地。 圖4-2 晶振電路復位電路 復位電路采用的是上電復位。如圖所示，在RST復位輸入引腳上接一電容至Vcc端，下接一個電阻到底。線路上接一按鈕，通過按下按鈕，復位電路通過電容給RST一個短暫的高電平信號。達到復位狀態(tài)。 圖4-3 復位電路單片機 本設計采用的單片機是AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單

16、片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖4-4 AT89C51引腳圖電源電路 78系列集成穩(wěn)壓器是常用的固定輸出電壓的集成穩(wěn)壓器。它的內(nèi)部含有限流保護，采用了噪聲低，溫度漂移小的基準電壓源，工作穩(wěn)定可靠。78系列集成穩(wěn)壓器為三端器件：1腳為輸入端，2腳為接地端，3腳為輸出端，使用十分方便

17、。78系列集成穩(wěn)壓器典型應用電路如下，這是一個輸出5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1,C2分別為輸入端和輸出端的濾波電容，RL為負載輸出電阻。當輸出電流較大時，7805應配上散熱板。 圖4-5 電源電路 4.2.2輸入電路設計按鍵電路 關于按鍵：共設計了4個獨立按鍵，一個為進入調(diào)整上下限的功能鍵，一個為加，一個為減，另一個為確定設置鍵，按下調(diào)整鍵進入上限設置，右邊紅色二極管亮，設置完上限按確定鍵，延時并且蜂鳴器響1下，綠二極管亮，自動進入下限設置。設置完下限按確定鍵蜂鳴器響2下，進入溫度正常顯示狀態(tài)。 圖4-6 按鍵電路測溫電路 測溫電路方面，我們選擇的溫度傳感器是D

18、S18B20.這是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型只能溫度傳感器，不同于傳統(tǒng)的熱敏電阻，DS18B20能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字讀書方式。DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖4所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。當DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時

19、VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。這里我們把溫度傳感器的DQ端與P23相接，以P23作為溫度輸入口。溫度傳感器VCC端接電源，GND端接地端。如下圖所示 圖4-7 測溫電路4.2.3輸出電路設計顯示電路 關于發(fā)光二極管：共設計了三個發(fā)光二極管，一個為電源指示，另外兩個分別為上下限指示或溫度報警指示。當進入調(diào)整上限時紅色的亮，進入下限時綠色的亮。當正常顯示溫度時，溫度高于上限紅色的亮，低于下限時綠色的亮。LED發(fā)光二極管的壓降一般為1.52.0 V，其工作電流一般取1020 mA為宜。電阻 R=U/I ,計算得出范圍在250-500間，在這里取470。 圖4-8 溫度

20、上下限報警燈 圖4-9 電源指示燈 關于數(shù)碼管：顯示溫度，溫度數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后一位。數(shù)碼管使用條件：a、段及小數(shù)點上加限流電阻b、使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定；小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定c、使用電流：靜態(tài)：總電流80mA（每段10mA）；動態(tài)：平均電流4-5mA峰值電流 100mA。靜態(tài)電阻 R=U/I=5V/10mA=500 為了使數(shù)碼管正常工作，所需電流應大于靜態(tài)電流值，故電阻要小于靜態(tài)電阻，故取470。 圖4-10 數(shù)碼管5.硬件仿真1.設置溫度上限為42度，溫度下限為15度。上限溫度下限溫度2.如圖所示。此時溫度為38度，溫度在規(guī)定范圍內(nèi)，綠燈指示，不報警。3.如圖所示。此時溫度為4

21、5度，超過上限溫度，紅燈指示并報警。4如圖所示。此時溫度為10度，低于下限溫度，紅燈指示并報警。6.實物制作6.1電路板焊接元器件在電路板插裝的要求：元器件在電路板插裝的順序是先低后高，先小后大，先輕后重，先易后難，先一般元器件后特殊元器件，且上道工序安裝后不能影響下道工序的安裝。元器件插裝后，其標志應向著易于認讀的方向，并盡可能從左到右的順序讀出。有極性的元器件極性應嚴格按照圖紙上的要求安裝，不能錯裝。元器件在電路板上的插裝應分布均勻，排列整齊美觀，不允許斜排、立體交叉和重疊排列；不允許一邊高、一邊低，也不允許引腳一邊長、一邊短。二、插裝元器件焊接規(guī)范：1、電阻器的插裝：、看電阻器上的色環(huán)（

22、高精度金屬膜電阻器）或電阻器上的標示字符排列順序（高精度低溫漂電阻器），確定電阻值是否正確，如有色環(huán)不全（字跡不清晰）或封裝有破損的需更換器件；、彎腳插裝，根據(jù)插裝孔的實際間距對比電阻器的引腳，用鑷子夾住引腳平移到合適位臵后快速將引腳彎下，以兩引腳插裝后能自行穩(wěn)固為宜，同時使電阻離印制板面高度為2mm左右；、插裝時注意電阻器的正反方向，正向應為從左到右前四個色環(huán)之間間隙較小，與第五個色環(huán)間隙相對較大（高精度低溫漂電阻器的正反判斷和集成電路相同）；反之則為反向。正確的插裝方式應為正向插裝；、若是縱向排列，則按色環(huán)排列，上面四個環(huán)間隙較小，第五個環(huán)與前四個色環(huán)間隙較大（高精度金屬膜電阻器）或電阻器

23、上的表示字符為從上到下排列（高精度低溫漂電阻器）。2、電容的插裝：、看電容上的文字標識，確定使用產(chǎn)品與器件表無誤，如有封裝損壞、字跡模糊或斷腿則需更換器件；、彎腿插裝, 根據(jù)插裝孔的實際間距對比電容的引腳，用鑷子夾住引腳平移到合適位臵后快速將引腳彎下，以兩引腳插裝后能自行穩(wěn)固為宜，同時使電容離印制板面高度為2mm左右; 、電容排列要保證其標識字方向一致，便于觀測。焊盤左右排列的電容應使標識字面朝操作者，焊盤上下排列的電容應使標識字面向操作者左邊方向。（電路板正面向上）3、二極管的焊接正確辨認正負極后按要求裝入規(guī)定位臵，型號及標記要易看得見，焊接要求可參考電阻的要求。4、集成電路器件的插裝：、如

24、器件引腳彎曲，則用鑷子夾住彎曲引腳所在面所有引腳輕輕捏合以矯正；、如有引腳端裂或斷則視為器件損壞，不予使用需更換新器件；、在進行插裝的時候要注意器件的正反，面對器件時，器件上的標號字符應為由左到右排列。6.2電路板調(diào)試 最小系統(tǒng)的電路不工作，首先應該確認電源電壓是否正常。用電壓表測量接地引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否符合電源電壓，常用的是5V左右。接下來就是檢測復位引腳的電壓是否正常，EA引腳的電壓要正常為5V左右。 如果補焊電源后最小系統(tǒng)還是不能工作，有可能是AT89C52單片機壞掉了，重新選擇一個AT89C52單片機焊接。如果是工作但是不能按需要的功能執(zhí)行，也可用更換AT89C52單片機

25、方法調(diào)試，但在此之前可以選擇檢查對應的模塊是否有焊接問題，若沒有再進行更換。7.小結 這次設計，首次動手自己設計電路。把以往所學的理論知識投入到實際應用當中，加強了對課本上面知識的了解。在設計過程中，針對測溫電路這方面，研究了很長一段時間。一開始的選擇是采用傳統(tǒng)的熱電阻，然后采集對應溫度下的電流和電壓，通過A/D電路進單片機處理來得出溫度。這種方案的精度雖然高很多，測溫范圍也廣，但是電路的設計復雜了很多，在編程方面也復雜了很多。后來參考相關資料，最終選定了以DS18B20作為溫度傳感器來設計測溫電路，通過補償提高精度。在設計過程中，遇到了最大的問題就是對單片機芯片不熟。各端口的作用搞不清，在設

26、計過程中需要不斷翻書查看。通過這樣，加固了對以前所學知識的了解。經(jīng)過兩個星期的設計，通過不斷翻查資料，不斷學習，終于完成了這次的設計，并成功仿真。不僅提高了我們的學習興趣，也讓我真正懂得，要理論聯(lián)系實際，對于以前學習的東西，如果不真正自己動手做一回，是很難真正弄懂的，只有自己認認真真動手做一回，學以致用，才能算是真正搞懂。附錄1.參考文獻1 高偉.單片機原理及應用M.北京:國防工業(yè)出版社，2008年.2 蔡朝陽.單片機控制實習與專題制作M.北京:北航出版社,2006年. 3 范力旻.單片機原理及應用技術.電子工業(yè)出版社.4 胡文金 楊健.單片機應用技術實訓教程.重慶大學出版社. 5 楊加國.單

27、片機原理與應用及C51程序設計.清華大學出版社,2006年.6 胡漢才.單片機原理與接口技術M.北京：清華大學出版社，1998年.7 郭培源.電子電路及電子器件.高等教育出版社,2003年.8 張齊 朱寧西.單片機應用系統(tǒng)設計實驗(C51).電子工業(yè)出版社,2013年.2.原理圖3.元器件清單序號名稱數(shù)量規(guī)格型號1電阻104702電阻54.7k3電阻13k4電阻110k5電阻11k6電容1100uf7電容110uf8電容1104pf9電容122pf10三極管5855011按鍵412DC電源座子113晶振112M14LED發(fā)光二極管2紅色15LED發(fā)光二極管1綠色16數(shù)碼管117溫度傳感器1DS

28、18B2018蜂鳴器119單片機1Stc89c5120芯片座子1Dip4021萬能板14.軟件程序Main.h#ifndef MAIN_H_#define MAIN_H_#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay1m(uint x);/延時函數(shù)聲明void smg_scan();/顯示函數(shù)聲明uint read_temperature();/讀取溫度數(shù)據(jù)函數(shù)聲明void convert(uint dat);/轉換函數(shù)聲明void alarm_function();/報警函數(shù)聲明#endif18B2

29、0.C#includemain.h#include#define nops(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /定義空指令sbit DQ = P23;/18b20數(shù)據(jù)端sbit red=P21;bit flag;/溫度正負標記，0正，1負/=時基為1ms的延時函數(shù)void delay1ms(uint a)while(a-);/=18b20復位函數(shù)=void rst_18b20()bit flag = 1;while(flag)while(flag)DQ = 1;delay1ms(1);DQ = 0;/拉低總線delay1ms(50);DQ = 1;d

30、elay1ms(6);flag = DQ;delay1ms(40);flag = DQ;DQ = 1;/=寫一字節(jié)=void write_byte(uchar dat)uchar i; for(i = 0;i =1;DQ = 1;/=讀一字節(jié)=uchar read_byte()uchar dat,i;for(i = 0;i = 1;DQ = 0;nops(); /4usDQ = 1;/釋放總線準備讀nops(); /4usif(DQ) dat |= 0 x80; delay1m(6);DQ = 1;return(dat);/=讀出溫度高低八位=uint read_temperature()uchar a,b;uint temp;rst_18b20