單片機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

一、設(shè)計(jì)要求1.1基本要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度顯示，測(cè)溫范圍0～500C，誤差50C以內(nèi)。1.2擴(kuò)展功能溫度報(bào)警，能任意設(shè)定溫度范圍實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警；每隔10分鐘記錄一次溫度數(shù)據(jù)，至少能查詢過去10個(gè)時(shí)刻的溫度情況。二、總體方案設(shè)計(jì)2.1方案論證2.1.1方案一 由于本設(shè)計(jì)是測(cè)溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件，將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采樣，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)溫度顯示。這種設(shè)計(jì)需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，增大了電路的復(fù)雜性，而且要做到高精度也比較困難。2.1.2方案二 考慮到在單片機(jī)屬于數(shù)字系統(tǒng)，容易想到數(shù)字溫度傳感器，可選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，此傳感器為單總線數(shù)字溫度傳感器，起體積小、構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)處理，即可實(shí)現(xiàn)溫度顯示。另外DS18B20具有3引腳的小體積封裝，測(cè)溫范圍為-55~+125攝氏度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625攝氏度，其測(cè)量范圍與精度都能符合設(shè)計(jì)要求。 以上兩種方案相比較，第二種方案的電路、軟件設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，此方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在功耗、測(cè)量精度、范圍等方面都能很好地達(dá)到要求，故本設(shè)計(jì)采用方案二。2.2總體設(shè)計(jì)框圖 本方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、數(shù)字溫度傳感器、LED顯示模塊、按鍵控制模塊、溫度報(bào)警模塊組成，其總體架構(gòu)如下圖1。單片機(jī)報(bào)警電路顯示電路驅(qū)動(dòng)電路測(cè)溫電路按鍵輸入電路時(shí)鐘、復(fù)位電路單片機(jī)報(bào)警電路顯示電路驅(qū)動(dòng)電路測(cè)溫電路按鍵輸入電路時(shí)鐘、復(fù)位電路 圖1系統(tǒng)總體方框圖三、硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，完成所有功能的控制，包括：DS18B20數(shù)字溫度傳感器的初始化和讀取溫度值LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)與控制按鍵識(shí)別和響應(yīng)控制溫度設(shè)置和報(bào)警溫度值的存儲(chǔ)和讀取單片機(jī)系統(tǒng)電路原理圖：圖2單片機(jī)系統(tǒng)原理圖3.2數(shù)字溫度傳感器模塊3.2.1DS18B20性能獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信簡(jiǎn)單的多點(diǎn)分布應(yīng)用無需外部器件可通過數(shù)據(jù)線供電零待機(jī)功耗測(cè)溫范圍-55~+125℃，以0.5℃遞增可編程的分辨率為9~12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間200ms，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)品、溫度計(jì)和任何熱感測(cè)系統(tǒng)負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，傳感器不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作3.2.2DS18B20外形及引腳說明圖3DS18B20外形及引腳GND：地DQ：?jiǎn)尉€運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳VD：可選的電源引腳3.2.3DS18B20接線原理圖單總線通常要求接一個(gè)約4.7K左右的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線空閑時(shí)，其狀態(tài)為高電平。圖4DS18B20接線原理圖3.2.4DS18B20時(shí)序圖 主機(jī)使用時(shí)間隙來讀寫DS18B20的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位。初始化時(shí)序如下圖：圖5DS18B20初始化時(shí)序DS18B20讀寫時(shí)序：圖6DS18B20讀寫時(shí)序3.2.5數(shù)據(jù)處理 高速暫存存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成，其分配如表5所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第0和第1個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后。圖7字節(jié)分配下表為12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，實(shí)際溫度=07D0H*0.0625=2000*0.0625=125℃。例如-55℃的數(shù)字輸出為FC90H，則應(yīng)先將11位數(shù)據(jù)位取反加1得370H（符號(hào)位不變，也不作運(yùn)算）， 實(shí)際溫度=370H*0.0625=880*0.0625=55℃?？梢娖渲械退奈粸樾?shù)位。 圖8DS18B20溫度數(shù)據(jù)表3.3顯示電路 LED數(shù)碼管顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式，能簡(jiǎn)化電路布線，節(jié)約單片機(jī)I/O端口。段碼和位碼由單片機(jī)P0送出，分別用74HC673N鎖存。圖9數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路

3.4聲光報(bào)警電路 當(dāng)溫度超過設(shè)定溫度值時(shí)，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，蜂鳴器鳴叫、8個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮。蜂鳴器由單片機(jī)P2^3口控制，用三極管驅(qū)動(dòng)，發(fā)光二極管接單片機(jī)P1口，由74HC673N鎖存。圖10聲光報(bào)警電路3.5鍵盤輸入電路 四個(gè)鍵分別連接單片機(jī)P3^4、P3^5、P3^6、P3^7構(gòu)成獨(dú)立式鍵盤，分別實(shí)現(xiàn)報(bào)警溫度范圍上下限的設(shè)定功能。圖11鍵盤輸入電路四、軟件設(shè)計(jì)4.1主程序模塊 主程序需要調(diào)用3個(gè)子程序，分別為：實(shí)時(shí)溫度顯示子程序：驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管把實(shí)時(shí)溫度值送出在LED數(shù)碼管顯示查詢記錄溫度值子程序：查詢過去存儲(chǔ)的溫度值，最多可查詢10個(gè)值溫度設(shè)定、報(bào)警子程序：設(shè)定報(bào)警溫度值，當(dāng)溫度超過該值時(shí)產(chǎn)生報(bào)警，即驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴叫、8個(gè)發(fā)光二極管發(fā)光主程序流程圖：開始開始定時(shí)器初始化、啟動(dòng)定時(shí)器初始化、啟動(dòng)顯示實(shí)時(shí)溫度顯示實(shí)時(shí)溫度溫度設(shè)定、報(bào)警溫度設(shè)定、報(bào)警 查詢記錄溫度值查詢記錄溫度值 圖12主程序流程圖4.2讀溫度值模塊 讀溫度值模塊需要調(diào)用4個(gè)子程序，分別為：DS18B20初始化子程序：讓單片機(jī)知道DS18B20在總線上且已準(zhǔn)備好操作DS18B20寫字節(jié)子程序：對(duì)DS18B20發(fā)出命令DS18B20讀字節(jié)子程序：讀取DS18B20存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)延時(shí)子程序：對(duì)DS18B20操作時(shí)的時(shí)序控制讀溫度值模塊流程圖：入口入口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理讀取溫度值高低位跳過讀序列號(hào)DS18B20初始化延時(shí)啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換跳過讀序列號(hào)DS18B20初始化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理讀取溫度值高低位跳過讀序列號(hào)DS18B20初始化延時(shí)啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換跳過讀序列號(hào)DS18B20初始化返回 返回 圖13讀溫度值子程序流程圖DS18B20初始化子程序流程圖：入口入口DQ為低電平？延時(shí)15~60msDQ拉高電平延時(shí)>480msDQ復(fù)位0稍延時(shí)DQ置高電平DQ為低電平？延時(shí)15~60msDQ拉高電平延時(shí)>480msDQ復(fù)位0稍延時(shí)DQ置高電平 N返回Y返回 圖14DS18B20初始化子程序流程圖DS18B20寫字節(jié)和讀字節(jié)子程序流程圖： 圖15DS18B20寫字節(jié)子程序流程圖 圖16DS18B20讀字節(jié)子程序流程圖4.3中斷模塊 中斷采用T0方式1，初始值定時(shí)為50ms。中斷模塊需調(diào)用兩個(gè)子程序：讀溫度值子程序：定時(shí)讀取溫度值，實(shí)時(shí)更新溫度值記錄溫度值子程序：定時(shí)記錄溫度值，供查詢使用把這兩個(gè)子程序放在中斷的原因是，不會(huì)因?yàn)檎{(diào)整報(bào)警溫度或查詢歷史溫度值而停止更新溫度值和記錄溫度值。中斷模塊流程圖：1秒？計(jì)數(shù)值加1定時(shí)器重置初值中斷入口1秒？計(jì)數(shù)值加1定時(shí)器重置初值中斷入口讀溫度值 Y讀溫度值中斷返回記錄溫度值N中斷返回記錄溫度值 圖17中斷模塊流程圖4.4溫度查詢模塊 溫度查詢模塊需要接受按鍵輸入，進(jìn)入查詢界面后，按加減鍵分別查詢上一個(gè)和下一個(gè)歷史溫度值，并驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示需要查詢的溫度值。 溫度查詢模塊流程圖如下：入口入口功能鍵按下？功能鍵按下？ N確認(rèn)按下？延時(shí)消抖Y確認(rèn)按下？延時(shí)消抖 N 顯示溫度值與位次Y顯示溫度值與位次 加鍵按下？ N加鍵按下？確認(rèn)按下？延時(shí)消抖Y確認(rèn)按下？延時(shí)消抖查詢下一個(gè)值查詢下一個(gè)值 Y 減鍵按下？N減鍵按下？ N查詢上一個(gè)值確認(rèn)按下？延時(shí)消抖Y查詢上一個(gè)值確認(rèn)按下？延時(shí)消抖 Y退出功能鍵按下？N退出功能鍵按下？ N返回Y返回 圖18溫度查詢模塊流程圖4.5溫度設(shè)定、報(bào)警模塊 此模塊跟溫度查詢模塊類似，需要接受按鍵輸入，進(jìn)入模塊界面后，按加減鍵分別上調(diào)和下調(diào)設(shè)定報(bào)警溫度值，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度值超過設(shè)定值時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，并點(diǎn)亮8位發(fā)光二極管，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。 溫度設(shè)定、報(bào)警模塊流程圖如下：入口延時(shí)消抖減鍵按下？確認(rèn)按下？延時(shí)消抖加鍵按下？顯示設(shè)定溫度值確認(rèn)按下？延時(shí)消抖功能鍵按下？入口延時(shí)消抖減鍵按下？確認(rèn)按下？延時(shí)消抖加鍵按下？顯示設(shè)定溫度值確認(rèn)按下？延時(shí)消抖功能鍵按下？ NY NY NY上調(diào)設(shè)定值 Y上調(diào)設(shè)定值N NY下調(diào)設(shè)定值確認(rèn)按下？下調(diào)設(shè)定值確認(rèn)按下？ Y N聲光報(bào)警溫度超出設(shè)定值？ Y聲光報(bào)警溫度超出設(shè)定值？ N取消報(bào)警取消報(bào)警判斷退出界面？ N判斷退出界面？Y返回返回圖19溫度設(shè)定、報(bào)警模塊流程圖4.6數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊 本設(shè)計(jì)數(shù)碼管通過鎖存器接單片機(jī)P0口，采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)7段LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，需調(diào)用延時(shí)子程序以穩(wěn)定顯示。 模塊流程圖如下：P0清零關(guān)位選送位碼開位選P0置高關(guān)段選入口P0清零關(guān)位選送位碼開位選P0置高關(guān)段選入口 開段選開段選 延時(shí)關(guān)段選送段碼延時(shí)關(guān)段選送段碼 返回返回圖20數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊流程圖五、總結(jié) 此次課程設(shè)計(jì)中，難點(diǎn)在于DS18B20的使用，即對(duì)它的時(shí)序控制、初始化以及字節(jié)讀寫方法，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)或是時(shí)序控制不到位的話就不能得到正確的數(shù)據(jù)。一旦學(xué)會(huì)了正確的使用方法，就能感覺到它帶來的便利是熱電偶不能比擬的，以后再次使用的話就能很快上手了。 軟件設(shè)計(jì)中，把程序按功能分模塊的話能提高編程效率，把問題一一解決，同時(shí)畫流程圖能幫助理清思路，使問題簡(jiǎn)單化。定義變量時(shí)，盡量定義局部變量，在字符型變量能達(dá)到要求的情況下就不用定義成整形變量了，以節(jié)省內(nèi)存空間。同時(shí)局部變量應(yīng)避免與全局變量取同名，否則全局變量將被屏蔽或與局部變量相沖突而達(dá)不到設(shè)計(jì)的效果。另一方面，取變量名時(shí)也要講究技巧，應(yīng)盡量使其見名知意，同樣地，寫程序時(shí)加注釋確是非常必要的，否則隔一段時(shí)間后，想再改進(jìn)或做擴(kuò)展的話就比較困難了，因?yàn)榧词故亲约簩懙某绦蛞沧兊秒y讀難懂了。在做鍵盤消抖時(shí)，延時(shí)的時(shí)間比較重要，一般為10ms左右，延時(shí)太短就會(huì)使按鍵太過靈敏，按一下就使數(shù)字跳變幾次；而延時(shí)過長(zhǎng)則可能使按鍵按下了卻無響應(yīng)，在外部定義初始化一個(gè)延時(shí)函數(shù)的入口參量則能很方便地調(diào)整延時(shí)時(shí)間，以達(dá)到比較好的效果。另外，如果對(duì)按鍵進(jìn)行釋放判斷的話就能解決長(zhǎng)時(shí)間按鍵導(dǎo)致按鍵重復(fù)響應(yīng)的問題。 此設(shè)計(jì)中沒有為溫度的單位（攝氏度）準(zhǔn)備專用的數(shù)碼管來顯示，若單獨(dú)用一個(gè)數(shù)碼管顯示“C”來代替“℃”的話，看起來感覺很別扭。偶然想起如若用一個(gè)數(shù)碼管的上半部顯“0”，即a、b、f、g段點(diǎn)亮，來代替“℃”左上角的“度”的話，效果應(yīng)該不錯(cuò)，便作了一試，發(fā)現(xiàn)這是確是一個(gè)很好的主意，便在此次設(shè)計(jì)中采用了這個(gè)辦法來顯示溫度單位。另外此次設(shè)計(jì)也考慮了實(shí)時(shí)溫度顯示界面與報(bào)警溫度設(shè)置界面的區(qū)別，即在進(jìn)入報(bào)警溫度設(shè)置界