【正文】 保密類(lèi)別 編 號(hào) 武漢大學(xué) 畢 業(yè) 論 文 基于 MCS51 系列 單線(xiàn)制的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng) 武漢大學(xué) 2021 年 05 月 2 日 摘 要 本設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量系統(tǒng)以 MCS51 系列單片機(jī)為核心部件，外加溫度采集電路、鍵盤(pán)電路、顯示電路和聲光報(bào)警電路組成。采用總線(xiàn)型數(shù)字式的溫度傳感器 DS18B20，及行列式鍵盤(pán)和動(dòng)態(tài)顯示的數(shù)碼管作為主要器件。通過(guò)小鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度數(shù)據(jù)的采集與切換 顯示。同時(shí)，也可利用小鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)溫度最大最小 值的設(shè)定。對(duì)于超過(guò)此 的 溫度數(shù)據(jù)將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。 本作品既可以對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示又可以對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控，人性化的行列式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)使設(shè)置溫度簡(jiǎn)單快速。采用浮點(diǎn)小數(shù)的顯示方式使具有更高的顯示精度和靈活性。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)的合理規(guī)劃，發(fā)揮單片機(jī)自身集成眾多系統(tǒng)級(jí)功能單元的優(yōu)勢(shì)，在不減少功能的前提下有效降低了硬件成本，系統(tǒng)操控顯得更加簡(jiǎn)便。 關(guān)鍵詞： MCS51 系列單片機(jī) DS18B20 溫度采集 溫度監(jiān)控 目 錄 摘要 ?????????????? ??????????????? I 第一章 緒論 ?????????????????????????? 1 第一章 方案論證 為什么選用 DS18B20 而不選用熱電偶作為溫度傳感器？ ???? 5 為什么要選用 AT89C51 單片機(jī)？ ?????????????? 5 為什么要設(shè)置鍵盤(pán)電路？ ????????????????? 6 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制模塊 ?????????????????????? 7 溫度采集模塊 ?????????????????????? 13 顯示電路模塊 ?????????????????????? 15 鍵 盤(pán)電路 ???????????????????????? 17 報(bào)警電路 ???????????????????????? 18 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件 程序 ???????????????????????? 19 結(jié)論 ?????????????????????????????? 20 參考文獻(xiàn) ???????????????????????????? 21 附錄 ?????????????????????????????? 22 后記 ?????????????????????????????? 28 第一 章 緒論 自從 1976 年 Intel 公司推出第一批單片機(jī)以來(lái)， 80 年代單片機(jī)技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，近年來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)繼續(xù)朝快速、高性能方向發(fā)展，從 4 位、 8 位單片機(jī)發(fā)展到 16 位、 32 位單片機(jī)。單片機(jī)主要用于控制，它的應(yīng)用領(lǐng)域遍及各行各業(yè)，大到航天飛機(jī)，小至日常生活中的冰箱、彩電，單片機(jī)都可以大顯其能。單片機(jī)在國(guó)內(nèi)的三大領(lǐng)域中應(yīng)用得十分廣泛：第一是家用電器業(yè)，例如全自動(dòng)洗衣機(jī)、智能玩具；第二是通訊業(yè)，包括電話(huà)、手機(jī)和 BP機(jī)等等；第三是儀器儀表和計(jì)算機(jī)外設(shè)制造，例如軟盤(pán)、硬盤(pán)、收銀機(jī)、電表。 除了上述傳統(tǒng)領(lǐng)域外，汽車(chē)、電子工業(yè)在國(guó)外也是單片機(jī)應(yīng)用十分廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能靈活的組裝成各種智能控制裝置，由它構(gòu)成的智能儀表解決了長(zhǎng)期以來(lái)測(cè)量?jī)x器中的誤差的修正、線(xiàn)性處理等問(wèn)題。 單片機(jī)將微處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 I/O 接口電路等集成在一個(gè)芯片上的大規(guī)模集成電路，本身即是一個(gè)小型化的微機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)技術(shù)與傳感與測(cè)量技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)分析技術(shù)、電路設(shè)計(jì)技術(shù)、可編程邏輯應(yīng)用技術(shù)、微機(jī)接口技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、軟 件工程、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)控制、誤差分析、儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等的結(jié)合，使得單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。同時(shí)，單片機(jī)具有較強(qiáng)的管理功能。采用單片機(jī)對(duì)整個(gè)測(cè)量電路進(jìn)行管理和控制，使得整個(gè)系統(tǒng)智能化、功耗低、使用電子元件較少、內(nèi)部配線(xiàn)少、成本低，制造、安裝、調(diào)試及維修方便。 溫度作為作物生長(zhǎng)一個(gè)非常重要的參數(shù)，溫度的變化影響作物的發(fā)芽、幼苗的成長(zhǎng)、作物的開(kāi)花、果實(shí)的成熟等等。對(duì)于不同的作物，其適宜的生長(zhǎng)溫度總是在一個(gè)范圍。超過(guò)這個(gè)范圍，作物或許會(huì)活著，但是其生長(zhǎng)的規(guī)律將發(fā)生明顯的變化。這對(duì)于我們所 希望的要求作物能夠優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的愿望相距甚遠(yuǎn)，所以我們必須實(shí)時(shí)獲取作物生長(zhǎng)的環(huán)境溫度。對(duì)于，超過(guò)作物生長(zhǎng)適宜范圍的溫度能夠報(bào)警。同時(shí)，我們也希望作物的適宜溫度范圍可以由檢測(cè)人員根據(jù)實(shí)際情況加以改變。同時(shí)，由于作物分布空間的狹小，各點(diǎn)的溫度在同一時(shí)間上可能存在差異，所以對(duì)于溫室必須采取多點(diǎn)采集，以保證能夠更準(zhǔn)確的獲知作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)溫度。 本設(shè)計(jì)就是基于單片機(jī) AT89C51 設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)溫度采集。通過(guò)小鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì) 不同路溫度數(shù)據(jù)的切換顯示。同時(shí)，也可利用小鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)溫度最大最小值的設(shè) 定。對(duì)于超過(guò)此限的溫度數(shù)據(jù)將產(chǎn)生報(bào) 警信號(hào) 。 第二章 方案論證 DS18B20 而不選用熱電偶作為溫度傳感器？ 溫度檢測(cè)可以使用低溫?zé)崤蓟蜚K電阻，數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有 A/D 通道的單片機(jī)。考慮到一般的 A/D 輸入通道都只能接收大信號(hào)，所以還要設(shè)計(jì)相應(yīng)的放大電路。而模擬信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，抗電磁干擾是令人傷腦筋的問(wèn)題。此方案的軟件簡(jiǎn)單，但硬件復(fù)雜，且檢測(cè)點(diǎn)數(shù)追加時(shí)，各敏感元件參數(shù)的不一致性，都將會(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，難以完全清除，而且成本會(huì)有較大增長(zhǎng)幅度。 DALLAS 公司的 DS18B20 單總線(xiàn)數(shù)字傳感器工作溫度范圍是 55℃ ～ 125℃ ，在 30℃ ～ 85℃ 范圍內(nèi)溫度測(cè)量精度為177。 ℃ ；具有溫度報(bào)警功能，用戶(hù)可設(shè)置最高和最低報(bào)警溫度，且設(shè)置值掉電不丟失；采用 DALLAS 公司特有的單總線(xiàn)通信協(xié)議，只用一條數(shù)據(jù)線(xiàn)就可實(shí)現(xiàn)與 MCU 的通信；此外，這類(lèi)溫度傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，且多路溫度傳感器可以?huà)煸?1 條總線(xiàn)上，共同占用單片機(jī)的 1個(gè) I/O 口即可實(shí)現(xiàn)。在提升單片機(jī) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力的前提下，理論上可以任意擴(kuò)充檢測(cè)的溫度點(diǎn)數(shù)。 DS18B20 具有下列特點(diǎn)： ① 具有高的測(cè)量精度和分辨率，測(cè)量范圍大； ② 抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好； ③ 信號(hào)易于處理、傳送和 自動(dòng)控制； ④ 便于動(dòng)態(tài)及多路測(cè)量，讀數(shù)直觀(guān)； ⑤ 安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性高 。6夠直接從數(shù)據(jù)線(xiàn)獲得電源，無(wú)需外部電池供電。 綜上所述故選用 DS18B20 作為溫度傳感器 2 .2 為什么要選用 AT89C51 單片機(jī)？ 單片機(jī)，專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) — Micro Controller Unit(微控制器件 )，它是由 INTEL 公司發(fā)明的，最早的系列是 MCS48，后來(lái)有了 MCS51，現(xiàn)在還有 MCS96 系列，我們經(jīng)常說(shuō)的 51 系列單片機(jī)就是 MCS51，它是一種 8 位的單片機(jī)，而 MCS96 系列則是一種16 位的單片機(jī)， 目前在我國(guó)比較流行的就是美國(guó) ATMEL 公司的 89C51，它是一種帶Flash ROM 的單片機(jī) AVR 系列單片機(jī)也是 ATMEL 公司生產(chǎn)的一種 8 位單片機(jī)，它采用的是一種叫 RISC（精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)）的結(jié)構(gòu)，所以它的技術(shù)和 51 系列有所不同，開(kāi)發(fā)設(shè)備也和 51 系列是不通用的，它的一條指令的運(yùn)行速度可以達(dá)到納秒級(jí)（即每秒 1000000000 次），是 8 位單片機(jī)中的高端產(chǎn)品。由于它的出色性能，目前應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，大有取代51 系列的趨勢(shì)， IC 系列單片機(jī)，它是美國(guó) MICROCHIP 公司，微芯公司的生產(chǎn) 的另一種 8 位單片機(jī)，它采用的也是 RISC 的指令集，它的指令系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)工具與 51 系列 更是不同，但由于它的低價(jià)格和出色性能，目前國(guó)內(nèi)使用的人越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)也有很多的公司在推廣它，不過(guò)它的影響力遠(yuǎn)沒(méi)有 51 系列的大，所以作為初學(xué)者， 51 系列當(dāng)然是首選。且 AT89C51 單片機(jī)有以下特點(diǎn)： 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32可編程 I/O 線(xiàn) 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 綜上所述故選用 AT89C51 單片機(jī) 為什么要設(shè)置鍵盤(pán)電路？ 單片機(jī)系統(tǒng)所用的鍵盤(pán)有編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)兩種。 編碼鍵盤(pán)本身除了按鍵之外，還包括產(chǎn)生鍵碼的硬件電路。只要按下編碼鍵盤(pán)的某一個(gè)鍵，它就能產(chǎn)生這個(gè)鍵的代碼，并稱(chēng)為鍵碼，與此同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，以通知 CPU 接收鍵碼，編碼鍵盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)是使用比較方便，亦不需要編寫(xiě)太復(fù)雜的程序。其缺點(diǎn)是使用的硬件較復(fù)雜。 非編碼鍵盤(pán)的按鍵是排列成行、列矩陣形式的。按鍵的作用只是簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)的接 通或斷開(kāi)，因此必須有一套相應(yīng)的程序與之配合，才能產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼，非編碼鍵盤(pán)幾乎不需要附加什么硬件電路。因此為了簡(jiǎn)潔電路，我使用非編碼鍵盤(pán)。但使用非編碼鍵盤(pán)需要通過(guò)軟件來(lái)解決按鍵的識(shí)別、防抖動(dòng)以及如何產(chǎn)生鍵碼的問(wèn)題。 在這里我們使用非編碼鍵盤(pán)電路，通過(guò)小鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度數(shù)據(jù)的采集與切換顯示。同時(shí)，也可利用小鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)溫度最大最小值的設(shè)定。 綜上所述故需設(shè)置鍵盤(pán)電路 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 圖 系統(tǒng)控制 模塊 功能簡(jiǎn)介 ： AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。 AT89C2051 是一種帶 2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(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。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供 了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖 ： 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫(xiě) /擦