【正文】 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 1 緒論 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的需要，測(cè)溫技術(shù)也不斷地改進(jìn)和提高。由于測(cè)溫范圍越來越廣，根據(jù)不同的要求，又制造出不同需要的測(cè)溫儀器。下面介紹幾種。 氣體溫度計(jì)多用氫氣或氦氣作測(cè)溫物質(zhì)，因?yàn)闅錃夂秃獾囊夯瘻囟群艿?，接近于絕對(duì)零度，故它的測(cè)溫范圍很廣。這種溫度計(jì)精確度很高，多用于精密測(cè)量 。 電阻溫度計(jì)分為半導(dǎo)體電阻溫度計(jì)和金屬電阻溫度計(jì)， 它們 都是根據(jù)電阻 的阻 值隨溫度的變化 而變化 這一 性質(zhì)而 制成的。半導(dǎo)體溫度計(jì)主要用鍺、碳 制成。 金屬溫度計(jì)主要用鎳、銅、金、鉑等純金屬及磷青銅、銠鐵合金 制成 。電阻溫度計(jì) 的使用方法簡(jiǎn)單 ， 目前 已廣泛應(yīng)用 于各個(gè)領(lǐng)域 。它的 溫測(cè) 范圍 是 260℃ ～ 600℃。 溫差電偶溫度計(jì)是一種工業(yè)上廣泛應(yīng)用的測(cè)溫儀器。利用溫差電現(xiàn)象制成。兩種不同的金屬絲焊接在一起形成工作端，另兩端與測(cè)量?jī)x表連接，形成電路。把工作端放在被測(cè)溫度處，工作端與自由端溫度不同時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，因而有電流通過回路。通過電學(xué)量的測(cè)量，利用已知處的溫度，就可以測(cè)定另一處的溫度。這種溫度計(jì)多用銅 —— 康銅、鐵 —— 康銅、 鎳鉻 —— 康銅、金鈷 —— 銅、鉑 —— 銠等組成。 它適用于溫差較大的兩種物質(zhì)之間，多用于高溫和低 溫 測(cè)量。有的溫差電偶能測(cè)量高達(dá) 3000℃的高溫，有的能測(cè)接近絕對(duì)零度的低溫。 高溫溫度計(jì)是指專門用來測(cè)量 500℃以上的溫度的溫度計(jì)，有光測(cè)溫度計(jì)、比色溫度計(jì)和輻射溫度計(jì)。高溫溫度計(jì)的原理和構(gòu)造都比較復(fù)雜，這里不再討論。其測(cè)量范圍為500℃至 3000℃以上，不適用于測(cè)量低溫。 指針 式溫度計(jì)是形如儀表盤的溫度計(jì)，也稱寒暑表，用來測(cè) 室溫，是用金屬的熱脹冷縮原理制成的。它是以 雙金屬片 做為感溫元件，用來控制指針。雙金屬片通常是用銅片和鐵片鉚在一起，且銅片在左，鐵片在右。由于銅的熱脹冷縮效果要比鐵明顯的多，因此當(dāng)溫度升高時(shí)，銅片牽拉鐵片向右彎曲，指針在雙金屬片的帶動(dòng)下就向右偏轉(zhuǎn)（指向高溫）；反之，溫度變低，指針在雙金屬片的帶動(dòng)下就向左偏轉(zhuǎn)（指向低溫）。 玻璃管溫度計(jì) ：玻璃管溫度計(jì)是利用熱脹冷縮的原理來實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量的。由于測(cè)溫介質(zhì)的膨脹系數(shù)與沸點(diǎn)及凝固點(diǎn)的不同，所以我們常見的玻璃管溫度計(jì)主要有：煤油溫度計(jì)、水銀溫度計(jì)、紅 鋼筆 水溫度計(jì)。他的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)量 精度 相對(duì)較高，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)是測(cè)量上下限和精度受玻璃質(zhì) 量與測(cè)溫介質(zhì)的性質(zhì)限制。且不能遠(yuǎn)傳，易碎。 壓力式溫度計(jì)： 壓力 式溫度計(jì)是利用封閉容器內(nèi)的液體，氣體或飽和蒸氣受熱后產(chǎn)生體積膨脹或壓力變化作為測(cè)信號(hào)。它的基本結(jié)構(gòu)是由溫包、 毛細(xì)管 和指示表三部分組成。壓力式溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度高，不怕震動(dòng)。價(jià)格低廉，不需要外部能源。缺點(diǎn)是：測(cè)溫范圍有 限制，一般在 80～ 400℃；熱損失大響應(yīng)時(shí)間較慢。 水銀溫度計(jì)： 水銀 溫度計(jì)是膨脹式溫度計(jì)的一種，水銀的凝固點(diǎn)是 :℃ ,沸點(diǎn)是 :℃ ,用來測(cè)量 0～ 150℃或 500℃以內(nèi)范圍的溫度，它只能作為就地監(jiān)督的 儀表 。用它來測(cè)量溫度，不僅比較簡(jiǎn)單直觀，而且還可以避免外部遠(yuǎn)傳溫度計(jì)的誤差 。煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 設(shè)計(jì)目的 溫度測(cè)量在人們的日常生活中無處不在，本文的目的是設(shè)計(jì)一款能直接以數(shù)字形式顯示溫度值的溫度計(jì)，并在其基礎(chǔ)上采用單片機(jī)的控制技術(shù)，使測(cè)得的溫度信息以語(yǔ)音形式播報(bào)出來，以充分發(fā)揮聽覺的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)完全用視覺信號(hào)傳遞信息的不足。能為現(xiàn)代人們的工作、科研、生活提供更多的方便。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 2 方案選擇 系統(tǒng)方案選擇 本設(shè)計(jì)電路的核心是一個(gè)信號(hào)處理單元，用溫度傳感器將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電流、電壓）的變化，而 溫度 的 變化和電信號(hào)的變化有一定的 線性 關(guān)系 ， 這個(gè)電信號(hào)可以使用 AD 轉(zhuǎn)換 電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)再送給 信號(hào) 處理單元， 信號(hào) 處理單元經(jīng)過內(nèi)部的軟件計(jì)算將這個(gè)數(shù)字信號(hào) 與 溫度 相關(guān)聯(lián) ， 從而 成為可以顯示的溫度數(shù)值，然后通過顯示 模塊 和語(yǔ)音 播報(bào)模塊 顯示和播放。 具體過程如圖 所示。 圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖 在單片機(jī) 的 眾多 家族 成員中， MCS51 系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比在我國(guó)得到廣泛的推廣應(yīng)用，成為電子系統(tǒng)中最 為常見的產(chǎn)品 ， 同時(shí)MCS51 系列單片機(jī) 也 是目前應(yīng) 用最廣泛 , 品種最多的單片機(jī)。它具有集成度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展方便，可靠性高，處理功能強(qiáng)、速度快，容易 量 產(chǎn)化等優(yōu)點(diǎn) 。 MCS51 系列的開發(fā)環(huán)境要求低，軟件資源 比較 豐富，開發(fā)工具和語(yǔ)言簡(jiǎn) 單 化。按照實(shí)際 的 需要，同時(shí)也考慮到設(shè)計(jì) 的 成本 和 整個(gè)系統(tǒng)的 實(shí)用 性，在本系統(tǒng)中選用價(jià)格較低、工作穩(wěn)定 、在國(guó)內(nèi)流行的 AT89S51 單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器 件 。 單元模塊方案選擇 電源模塊 為使系統(tǒng)調(diào)試方便，能夠穩(wěn)定工作，必須有可靠電源 ，因此 采用獨(dú)立的穩(wěn)壓電源。 溫度傳感器模塊 采用美國(guó) Dallas 半導(dǎo)體公司推出的支持“一線總線”（在一條總線上僅有一個(gè)主系統(tǒng)和若干個(gè)從系統(tǒng)組成的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)）接口的溫度傳感器 DS18B20。 它具有微型化、低語(yǔ)音播 報(bào) 顯示模塊 溫度采集 鍵 控 模塊 信號(hào)處理 報(bào)警模塊 AD 轉(zhuǎn)化 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理 。 新型數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測(cè)溫效果 ， 其供電方式簡(jiǎn)單，可用數(shù)據(jù)線供電，所需的外圍器件極少，甚至不需要外圍元件 [1]。 顯示模塊 采用 LCD 液晶屏進(jìn)行顯示。 LCD 液晶 顯示器是一種低壓、微功耗的顯示器件，只要 兩到三 伏就可以工作，工作電流僅為幾微安，是任何顯示器無法比擬的，同時(shí)可以顯示大量信息，除數(shù)字外，還可以顯示文字、曲線，比傳統(tǒng)的 直插式 LED 顯示器顯示的界面有了質(zhì)的提高。對(duì)后續(xù)的功能兼容性高，只需將軟件作修改即可，可操作性強(qiáng)，也易于讀數(shù)，采用 RT1602 兩行十六個(gè)字符的顯示，能同時(shí)顯示 溫度和時(shí)間 [2]。 鍵盤控制模塊 在本設(shè)計(jì)中所需要的控制點(diǎn)數(shù)較少，只需要 四 個(gè)功能鍵， 為了節(jié)約成本和簡(jiǎn)化 操作 ，采用獨(dú)立式按鍵。 語(yǔ)音播報(bào)模塊 要彌 補(bǔ)以前用視覺單一解決問題的缺陷，使人們不僅能夠看到還能夠聽到，就是要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能，這就必須要用語(yǔ)音集成塊。 ISD 系列語(yǔ)音芯片是美國(guó) ISD 公司出品的新型優(yōu)質(zhì)單片錄放音電路 ,它 可以直接把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) ,完成分段輸出 、 存儲(chǔ) 和 語(yǔ)音的錄入 , 它的 失真 度很 小 , 操作 方便 , 不需專用 的 語(yǔ)音開發(fā) 工具 , 成本低，因而在現(xiàn)代技術(shù)上得到廣泛使用 [3]。在眾多語(yǔ)音芯片中有 10s， 20s， 16min 等不同的時(shí)間容量，但是對(duì)于本設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 的要求，只要大概 15 秒的時(shí)間，所以選擇 ISD1420 語(yǔ)音錄放。 （ ISD1420是長(zhǎng)度 為 20 秒的語(yǔ)音芯片 ）該芯片采用了模擬存取技術(shù)， 省去了 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器， 方便擴(kuò)展更多的功能 。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 3 硬件電路設(shè)計(jì) 電源模塊設(shè)計(jì) 由于次系統(tǒng)各個(gè)芯片的工作電壓均在 5V 左右，因此選用 5V 的穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電。 濾波電容使用電解電容與小電容并聯(lián)的方式，能夠有效消除高頻自激現(xiàn)象 。穩(wěn)壓電源 電路 如圖 所示。 圖 穩(wěn)壓電源電路 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì) 硬件連接 如圖 所示為 AT89S51 的引腳圖 。 圖 AT89S51 引腳圖 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 ① 主要特性： ⑴與 MCS51 兼容 ； ⑵ 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ； ⑶壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) ； ⑷數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 ； ⑸全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； ⑹三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ； ⑺ 128*8 位內(nèi)部 RAM； ⑻ 32 可編程 I/O 線 ； ⑼兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； ⑽ 5 個(gè)中斷源 ； ⑾可編程串行通道 ； ⑿低功耗的閑置和掉電模式 ； ⒀片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 [4]。 ②引 腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管 腳第一次寫 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FLASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FLASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口 是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。外接 I/O 設(shè)備時(shí)，可作為擴(kuò)展系統(tǒng)的地址總線，輸出高 8位地址，與 P0口一起組成 16位地址總線。對(duì)于 8031 而言， P2口一般只作為地址總線使用，而不作為 I/O 線直接與外部設(shè)備相連。 P3 口： P3 口 是雙功能口。當(dāng) P3 樓作為通用 I/O 口使用時(shí)，是準(zhǔn)雙向口。作為第二功能使用時(shí)，每一位的功能表述如下： 口管腳 備選功能 RXD（ 串行口數(shù)據(jù)接收輸入端 ） TXD（串行 口數(shù)據(jù)發(fā)送輸出端 ） /INT0（外中斷 0 請(qǐng)求輸入端 ） /INT1（外中斷 1 請(qǐng)求輸入端 ） 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 T0（ 定時(shí) /計(jì)數(shù) 器 0外部輸入 端 ） T1（ 定時(shí) /計(jì)數(shù) 器 1外部輸入 端 ） /WR（ 片外 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 端 ） /RD（ 片 外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 端 ） P3口同時(shí)為編程校驗(yàn)和閃爍編程接收 某 些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。 當(dāng)該引腳上出現(xiàn) 2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。 ALE/PROG：地址鎖存允許 /編程信號(hào)線。當(dāng) CPU 訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 用來鎖存 P0 輸出的地址信號(hào)的低 8 位。它的頻率為振蕩器頻率的 1/6。在對(duì) 8751 編程時(shí)，此引腳輸入編程脈沖信號(hào)。 /PSEN： 外接程序存 儲(chǔ)器讀選通信號(hào) 。在 外接程序存儲(chǔ)器取 指期間，每個(gè)機(jī)器周期 出現(xiàn) 兩次 /PSEN 有效。但在訪問 外接程序存儲(chǔ)器 時(shí)，不 會(huì) 出現(xiàn)這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)。 /EA/VPP： 訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。當(dāng) /EA=1 時(shí)， CPU 從片內(nèi) ROM 讀取指令； /EA=0時(shí)， CPU 從片外 ROM 讀取指令。此外，當(dāng) 8751 內(nèi)部 EPROM 編程時(shí)， 21V 編程電源由此輸入。 XTAL1： 片內(nèi) 振蕩 器反相 放大器的輸入 端，也是 內(nèi)部時(shí)鐘 發(fā)生器 的輸入 端 。 XTAL2： 片內(nèi)振蕩器反相器的輸出端 。 ③ 芯片擦除： 三個(gè)鎖定位和整個(gè) PEROM 陣列的電擦除可通過 多種 控制信號(hào)組合，并 使 ALE 腳 保持 低電平 十個(gè)毫秒 來完成。在芯片擦 除 操作中，代碼 的 陣列全被寫 為 “ 1”且該操作必須在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前被執(zhí)行 [5]。 時(shí)鐘電路 AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器 來 構(gòu)成振蕩器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接微調(diào)電容和石英晶體振蕩器， 從而 構(gòu)成一個(gè) 相對(duì)穩(wěn)定 的自激振蕩器 [6]。 時(shí)鐘電路如圖 所示 。 圖 時(shí)鐘電路 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。 當(dāng)一個(gè) 單片機(jī)啟 動(dòng)后開始 運(yùn)行時(shí)，都需要先 對(duì)其進(jìn)行 復(fù)位，其作用是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件處于 某 個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)確定的初始狀態(tài)開始工作 [7]。因而，復(fù)位是一 項(xiàng) 很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)復(fù)位的，必須配合 與之 相應(yīng)的外部電路 連接 才能實(shí)現(xiàn)。 它