【正文】 ........................................32 附錄 .......................................................................................................................................33 附錄 1 元器件清單 ..........................................................................................................33 附錄 2 全部程序清單 .......................................................................................................34 附錄 3 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖 .......................................................................................................43 附錄 4 PCB 仿真線路及 3D 圖 ..........................................................................................44 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 4 1 緒論 設(shè)計(jì)背景 隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近年來單片機(jī)發(fā)展十分迅速，一個(gè)以微機(jī)應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、 冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油 等各個(gè)行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度差，單片機(jī)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。 溫度是工業(yè)對(duì)象中的一個(gè)重要的被控參數(shù)。然而所采用的測(cè)溫元件和測(cè)量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)的控制方式以不能滿足高精度，高速度 的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大。由于他主要通過控制接觸器的通斷時(shí)間比例來達(dá)到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進(jìn)的溫度控制方式，如： PID 控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡(jiǎn)便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。 本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為核心進(jìn)行控制。單片機(jī)具有集成度高，通用性好，功能強(qiáng)，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和 使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 溫度計(jì)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度計(jì)來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。溫度計(jì)測(cè)溫技術(shù)的關(guān)鍵在于溫度傳感器。目前，國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，同時(shí)具有抑制串模干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國(guó)四個(gè)現(xiàn)代化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)在科技和生產(chǎn)各領(lǐng)域都取得了飛速的發(fā)展和進(jìn)步，發(fā)展以溫度傳感器為載體的溫度測(cè)量技術(shù) 具有重大意義。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 5 致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器 (含敏感元件 )；模擬集成溫度傳感器 /控制器；數(shù)字溫度傳感器。 溫度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀：溫度傳感器使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之首，其發(fā)展大致經(jīng)歷了以下 3 個(gè)階段： ① 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件） —— 熱電偶傳感器 ,主要是能夠進(jìn)行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換。 ② 模擬集成溫度傳感器 /控制器。集成傳感器是采用硅半導(dǎo) 體集成工藝制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。 ③ 智能溫度傳感器。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)（ ATE_）的結(jié)晶。智能溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器、 A/D 傳感器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器（或寄存器）和接口電路。 從國(guó)內(nèi)外來看工業(yè)生產(chǎn)控制中用數(shù)字溫度計(jì)可清晰顯示溫度來防止元?dú)饧Щ驌p壞等不必要的非人為損失，對(duì)做好車間機(jī)器維修與保養(yǎng)起很重要的作用。溫度是一般工業(yè)領(lǐng)域最容易碰到的檢測(cè)參數(shù)，如環(huán)境溫度的檢測(cè)，工業(yè)工藝溫度參數(shù)的檢測(cè)，設(shè)備的溫度保護(hù)檢測(cè)等，而市場(chǎng)上專用的、通用的各類溫控儀產(chǎn)品也比 較豐富。國(guó)內(nèi)外的溫度檢測(cè)儀器的發(fā)展水平主要體現(xiàn)在儀器的智能化水平、測(cè)量的文的范圍、測(cè)量的精度以及儀器的功耗等技術(shù)指標(biāo)上，目前國(guó)內(nèi)的溫度測(cè)量，在精度上很少有高于℃的。近年來溫度計(jì)正處在傳統(tǒng)型向新型溫度計(jì)轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段，新型溫度計(jì)的特點(diǎn)是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化，他不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造。而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)，是 21 世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的。 課題的設(shè)計(jì)目的 1. 鞏固、加深和擴(kuò)大單片機(jī)應(yīng)用的知識(shí)面，提高綜合及靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工業(yè)控制的能力。 2. 培養(yǎng)針對(duì)課題需要，選擇和查閱有 關(guān)手冊(cè)、圖表及文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力，提高組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試的動(dòng)手能力。 3. 通過對(duì)課題設(shè)計(jì)方案的分析、選擇、比較、熟悉單片機(jī)用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程，軟硬件設(shè)計(jì)的方法、內(nèi)容及步驟。 課題的主要工作 本課題的研究重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)控制系統(tǒng)。能夠顯示溫度的測(cè)量值 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 6 主要工作如下： 1. 溫度測(cè)試基本范圍 0℃ — 100℃。 2. 精度為 ℃。 3. LED 液晶顯示。 4. 可以設(shè)定溫度的上下限報(bào)警功能。 5. 實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示。 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 方案選擇 方案一：使用熱敏電阻之類的器件 利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來，這種設(shè)計(jì)需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路。此方案數(shù)據(jù)處理比較麻煩，且容易產(chǎn)生信號(hào)失真。 方案二：使用溫度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計(jì)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(cè)溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計(jì)要求。而且此方案電路比較簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)也比較容易實(shí)現(xiàn)。 從以上兩種方案很容易看出方案二電路比較簡(jiǎn) 單，軟件設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)，故實(shí)本設(shè)計(jì)中采用方案二。方案二可以只用一根線實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向傳輸，具有接口簡(jiǎn)單容易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)， DS18B20 可以直接溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行處理，具有低功耗、商性能、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì) 采用 STC89C52RC 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程的自由度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制。而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便。既可以單獨(dú)對(duì)多 DS18B20 控制工作，還可以與 PC 機(jī)通信 。 另外 STC89C52RC 在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程 技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。 單總線數(shù)字溫度計(jì) DS1820 采用基板專利技術(shù)來測(cè)量溫度 ,溫度傳感器及各種數(shù)字轉(zhuǎn)換電路都集成在一起 ,由總線串行輸出測(cè)量值 (9 位二進(jìn)制編碼 ) 。測(cè)溫范圍從 55～ + 125 ℃ , 還可以讀內(nèi)部計(jì)數(shù)器 ,獲得較高的分辨率。同時(shí)還可以進(jìn)行上、 下限溫度單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 7 的設(shè)定和報(bào)警等。本課題主要研究如何利用 DS18B20 智能溫度傳感器實(shí)時(shí)顯示溫度，并將其與 LED 顯示鍵盤合并使用，制成一個(gè)能實(shí)時(shí)顯示溫度的數(shù)字溫度計(jì)。 本設(shè)計(jì)將利用 DS18B20 智能溫度傳感器和單片小系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字 溫度采集系統(tǒng)。并設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)接口電路：鍵盤采用獨(dú)立按鍵（功能自定義），顯示器采用共陰極 4位 LED 顯示。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖 所示 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案框圖 圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 8 按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求， 系統(tǒng)主要由單片機(jī)、溫度傳感器 DS18B LED 數(shù)碼顯示管和 PC 機(jī)組成。系統(tǒng)的硬件電路主要由復(fù)位電路、測(cè)溫電路、顯示電路、晶振電路和報(bào)警電路組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方框圖如圖 所示。 3 硬件設(shè)計(jì) STC89C52RC 芯片功能簡(jiǎn)介 STC89C52RC 芯片簡(jiǎn)介 STC89C52RC 是一種帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROMFlash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電、高性能 COMOS8 的微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 引腳功能 STC89C52RC 芯片的引腳圖如圖 所示 : 圖 STC89C52 引腳圖 STC89C52RC 的引腳功能如下： ① 主電源引腳（ 2根） VCC(Pin40)：電源輸入，接＋ 5V電源 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 9 GND(Pin20)：接地線 ②外接晶振引腳（ 2根） XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 ③控制引腳（ 4根） RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào) PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 讀指令。 ④可編程輸入 /輸出引腳（ 32 根） STC89C52 單片機(jī)有 4組 8位的可編程 I/O 口，分別位 P0、 P P P3 口，每個(gè)口有 8位（ 8 根引腳），共 32 根。 PO 口（ Pin39～ Pin32）： 8位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P1 口（ Pin1～ Pin8）： 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P2 口（ Pin21～ Pin28）： 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P3 口（ Pin10～ Pin17）： 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ STC89C52 主要功 能 如表 31 所示。 表 31 STC89C52 主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8K 可反復(fù)擦寫 Flash ROM 32 個(gè)雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷 時(shí)鐘頻率 024MHz 2 個(gè)串行中斷 可編程 UART 串行通道 2 個(gè)外部中斷源 共 6 個(gè)中斷源 2 個(gè)讀寫中斷口線 3 級(jí)加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 STC89C52 內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 RXD 和 TXD 分別是此放大器的輸入端和 輸出端。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路如圖 (a) 所示，在 RXD 和 TXD 引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 10 產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在 ～ 12MHz 之間選擇，電容值在 5～ 30pF 之間選擇，電容值的大小可對(duì)頻率起微調(diào)的作用。 外部方式的時(shí)鐘電路如圖 （ b） 所示， RXD 接地， TXD 接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相 時(shí)鐘 P1和 P2，供單片機(jī)使用。 RXD 接地， TXD 接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘 P1 和 P2，供單片機(jī)使用。 （ a）內(nèi)部方式時(shí)鐘電路 （ b）外部方式 時(shí)鐘電路 圖 時(shí)鐘電路 （ 1）復(fù)位操作 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使單片機(jī)從0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。除 PC 之外，復(fù)位操作還對(duì)其他一些寄存器有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)如表 32所示。 表 32 一些寄存器的復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) PC 0000H TCON 00H ACC 00H TL0 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0P3 FFH SCON 00H 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 11 IP 0X