【正文】 .........................................................34 信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 單片機電子溫度計設(shè)計 5 1 緒論 課題的背景及目的 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn)．能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。環(huán)境溫度一直是生物能否較適宜生存的一個重要因素，而人們對環(huán)境溫度的感知也從單純的身體感官的感受發(fā)展到用各種溫度計來對環(huán)境溫度進行準確的測 量。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件。熱敏電阻的成本低，但需后續(xù)信號處理電路，而且可靠性相對較差，測溫準確度低，檢測系統(tǒng)也有一定的誤差。與傳統(tǒng)的溫度計相比，這里設(shè)計的數(shù)字溫度計具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫精確，數(shù)字顯示，適用范圍寬等特點。 單片機自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS48 開始，迄今已有三十多年了。由于單片機集成度高、功能強、可靠性高、體積小、功耗低、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點 ，單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。本設(shè)計討論的單片機多功能定時器的核心是目前應(yīng)用極為廣泛的 51 系列單片機，配置了外圍設(shè)備，構(gòu)成了一個可編程的計時定時系統(tǒng)，具有體積小，可靠性高，功能強等特點。不僅能滿足所需要求而且還有很多功能可供開發(fā)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 [1]。 20 世紀 80 年代中期以后， Intel 公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把 8051 內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許多半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如 ATMEL、 PHILIPS、 ANALOG、 DEVICES、DALLAS 等。這些廠家生產(chǎn)的芯片是 MCS51 系列的兼容產(chǎn)品，準確地說是與MCS51 指令系統(tǒng)兼容的單片機。 MCS51 系列及 80C51 單片機有多種品種。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有些區(qū)別。目前使用的MCS51 系列單片機及其兼容產(chǎn)品通常分成以下幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超 8 位型、片內(nèi)閃爍存儲器型。其中 ATMEL 公司的標準型 AT89單片機因其與 MCS51 的完全兼容性、優(yōu)良的工作性能、使用的靈活性以及較高的性能價格比，成為 AT89 系列單片機的主流機型，在嵌入式控制系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。 美國 Dallas 公司生產(chǎn)的的溫 度傳感器 DS1820 是世界上第一片支持 “一線信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 單片機電子溫度計設(shè)計 6 總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板 (ONB0ARD)專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)?！耙痪€總線”獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念?，F(xiàn)在，新一代的 DS18B20 體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。使你可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點。 同 DS1820 一樣， DS18B20 也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 55176。 C～ +125176。 C，在 10～ +85176。 C 范圍內(nèi)，精度為177。 176。C?，F(xiàn)場溫度 直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。 DSl8B20 作為測溫傳感器通過 LCD1602 并行傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度顯示。通過 DSl8B20 直接讀取被測溫度值，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該器件的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，線性度較好，在 55℃ ~125℃最大線性偏差小于 ℃。該器件可直接向單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理及控制。另外，該溫度計還能直接采用測溫器件測量溫度，從而簡化數(shù)據(jù)傳輸與處理過程。 課題的設(shè)計目的 固、加深和擴大單片機應(yīng)用的知識面，提高綜合及靈活運用所學(xué)知識解決工業(yè)控制的能力。 2 學(xué)習(xí) DS18B20 數(shù)字溫度傳感器的測溫原理，提高運用所學(xué)專業(yè)知識進行獨立思考和綜合分析、解決實際問題的能力； 3 通過對課題設(shè)計方案的分析、選擇、比較、熟悉單片機用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程，軟硬件設(shè)計的方法、內(nèi)容及步驟。 4 學(xué)會用 PROTEL99SE 進行電路原理圖和 PCB 圖的繪制。 5 學(xué)習(xí)用 PSPICE、 MULTISIM 8 等仿真軟件進行電路設(shè)計和仿真。 國內(nèi)外的研究狀況 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十 分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。成熟的溫控產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的 PID信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 單片機電子溫度計設(shè)計 7 控制器為主，它們只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，而用于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對科研的投入加大，對相關(guān)企業(yè)資源進行了重組，相繼建立了一些國家級，省級的研發(fā)機構(gòu)，開展創(chuàng)新性研究，使我國儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他 的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。國內(nèi)很多公司已經(jīng)能夠獨立生產(chǎn)一些高性能的單片機了，例如華為，炬力，中興等公司。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。目前，高端的 32 位單片機主頻已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至幾毛錢，最高端的型號也只有 10 美元。當(dāng)代單片機系統(tǒng)已 經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機上。 單片機發(fā)展有明顯的趨勢，可靠性及應(yīng)用越來越水平高和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一種明顯的走向。它所集成的部件越來越多； NS（美國國家半導(dǎo)體）公司的單片機已把語音、圖象部件也集成到單片機中，也就是說，單片機的意義只是在于單片集成電路，而不在于其功能了；如果從功能上講它可以講是萬用機。原因是其內(nèi)部已集成上各種應(yīng)用電路，它的功耗越來越低和模擬電路結(jié)合越來越多。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計水平的提高，單片機還會不斷產(chǎn)生新的變化和進步，最 終人們可能發(fā)現(xiàn)：單片機與微機系統(tǒng)之間的距離越來越小，甚至難以辨認。 課題的主要工作 本課題的研究重點是設(shè)計一種基于單片機的數(shù)字溫度計控制系統(tǒng)。利用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，此傳感器課讀取被測量溫度值，進行轉(zhuǎn)換。 主要工作如下： mcu 和溫度傳感器以及顯示元件，畫出硬件電路圖，并且焊接好電路 信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 單片機電子溫度計設(shè)計 8 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，利用單總線式連接方式與單片機的串行接口 引腳相連； 1602 液晶，能準確顯示溫度 ，調(diào)試，以達到設(shè)計要求 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 數(shù)字溫度計采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電阻，熱電偶，半導(dǎo)體，熱敏電阻等），將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化，如電壓和電流的變化，溫度變化和電信號的變化有一定的關(guān)系，這個電信號可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路即A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號再送給處理單元，如單片機或者 PC 機等，處理單元經(jīng)過內(nèi)部的軟件計算將這個數(shù)字信號和溫度聯(lián)系起來，成為可以顯示出來的溫度數(shù)值，然后通過顯示單元，顯示出來給人觀察。這樣就完成了數(shù)字溫度計的基本測溫功能。其主要研究內(nèi)容包括兩方面，一是對系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，包括溫度采集電路和顯示電路；二是對系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計，應(yīng)用 C 語言實現(xiàn)溫度的采集與顯示。通過利用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 進行設(shè)計，能夠滿足實時檢測溫度的要求，同時通過 LED 數(shù)碼管的顯示功能，構(gòu)成實現(xiàn)溫度檢測與顯示的單片機控制系統(tǒng)，即數(shù)字溫度計。通過對單片機編寫相應(yīng)的程序可以實現(xiàn)不間斷的溫度顯示，并帶有復(fù)位功能。 2 開發(fā)工具 keil 軟件 Keil介紹 編程使用的軟件是 KEIL，編程使用 C 語言。 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部分組合在一起。運行 Keil 軟件需要 WIN9 NT、 WIN202信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 單片機電子溫度計設(shè)計 9 WINXP 等操作系統(tǒng)。假如運用 C 語言編程， Keil 的使用十分方便，即使不使用C 語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也能發(fā)揮很大 作用。 系統(tǒng)概述 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows 界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 Keil C51 生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細介紹 Keil C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。 Keil C51 單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) C51 工具包的整體結(jié)構(gòu)， uVision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件。然后分別由 C51及 C51 編譯器編譯生成目標文件 (． OBJ)。目標文件可由 LIB51 創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng) L51 連接定位生成絕對目標文件 (． ABS)。 ABS 文件由OH51 轉(zhuǎn)換成標準的 Hex 文件，以供調(diào)試器 dScope51 或 tScope51 使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。 使用獨立的 Keil 仿真器 時，注意事項： *仿真器標配 11． 0592MHz 的晶振，但用戶可以在仿真器上的晶振插孔中換插其他頻率的晶振。 *仿真器上的復(fù)位按鈕只復(fù)位仿真芯片，不復(fù)位目標系統(tǒng)。 *仿真芯片的 31 腳（ /EA）已接至高電平，所以仿真時只能使用片內(nèi) ROM，不能使用片外 ROM；但仿真器外引插針中的 31 腳并不與仿真芯片的 31 腳相連，故該仿真器仍可插入到擴展有外部 ROM（其 CPU 的 /EA 引腳接至低電平）的目標系統(tǒng)中使用。 信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 單片機電子溫度計設(shè)計 10 3 數(shù)字溫度計的方案設(shè)計 設(shè)計方案論證與比較 顯示電路方案 方案一：采用數(shù)碼管動態(tài)顯示 使用七段 LED 數(shù)碼管，采用動態(tài)顯示的方法來顯示各項指標，此方法雖然價格成本低，但是顯示單一，且功耗較大。 方案二：采用 LCD 液晶顯示 采用 1602 LCD 液晶顯示，此方案顯示內(nèi)容相對豐富，且價格不高。 綜合上述原因，采用方案二，使用 LCD 液晶作顯示電路。 測溫電路方案 方案一 由于本設(shè)計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行 A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ，其中還涉及到電阻與溫度的對應(yīng)值的計算，感溫電路比較麻煩。而且在對采集的信號進行放大時容易受溫度的影響出現(xiàn)較大的偏差。 方案二 進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器 DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉(zhuǎn)換，電路簡單，精度高，軟硬件都以實現(xiàn)，而且使用單片機的接口便于系統(tǒng)的再擴展，滿足設(shè)計要求。 從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，費用較低，可靠性高，軟件設(shè)計也比較簡單，故采用了方案二。 系統(tǒng)總體構(gòu)成圖和系統(tǒng)總電路圖 如圖 31 和圖 32 所示信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）