【正文】 第一章：緒論隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速興起與蓬勃發(fā)展，其穩(wěn)定、安全、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)十分突出，所以其應(yīng)用也十分廣泛。單片機(jī)已經(jīng)無(wú)處不在、與我們生活息息相關(guān)，并且滲透到生活的方方面面。單片機(jī)的特點(diǎn)是體積較小，也就是其集成特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，增加一些外圍電路，就能夠組成一個(gè)完整的小系統(tǒng)，單片機(jī)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。它具有和普通計(jì)算機(jī)類(lèi)似的、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，通過(guò)使用一些科學(xué)的算法，可以獲得很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。所以單片機(jī)在工業(yè)中應(yīng)用中，可以極大地提高工業(yè)設(shè)備的智能化、數(shù)據(jù)處理能力和處理效率，而且單片機(jī)無(wú)需占用很大的空間。隨著溫度檢測(cè)理論和技術(shù)的不斷更新, 溫度傳感器的種類(lèi)也越來(lái)越多，在微機(jī)系統(tǒng)中使用的傳感器，必須是能夠?qū)⒎请娏哭D(zhuǎn)換成電量的傳感器，目前常用的有熱電偶傳感器、熱電阻傳感器和半導(dǎo)體集成傳感器等，每種傳感器根據(jù)其自身特性，都有它自己的應(yīng)用領(lǐng)域。溫度是一個(gè)非常重要的物理量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵?、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形、結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過(guò)程。因此對(duì)溫度的檢測(cè)的意義就越來(lái)越大。溫度采集系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和人們的生活領(lǐng)域中，得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，很多時(shí)候都需要對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，以使得生產(chǎn)能夠順利的進(jìn)行，產(chǎn)品的質(zhì)量才能夠得到充分的保證。溫度采集系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。嵌入式系統(tǒng)雖然起源于微型計(jì)算機(jī)時(shí)代，但是微型計(jì)算機(jī)的體積、價(jià)位、可靠性，都無(wú)法滿(mǎn)足廣大對(duì)象對(duì)嵌入式系統(tǒng)的要求，因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨(dú)立發(fā)展道路。這條道路就是芯片化道路。將計(jì)算機(jī)做在一個(gè)芯片上，從而開(kāi)創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí)代。單片機(jī)誕生于二十世紀(jì)七十年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU和SOC三大階段。第二章：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案論證本章主要內(nèi)容是論述基于51單片機(jī)的溫度采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及方案論證。本系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度信號(hào)采集與A/D轉(zhuǎn)換、人機(jī)交互、電源系統(tǒng)單元、通信單元五部分組成，功能模塊具體實(shí)現(xiàn)的器件的不同，將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能及成本，為了達(dá)到高效、實(shí)用的目的，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前的方案論證是十分重要的。，見(jiàn)圖21系統(tǒng)上電初始化DS18B20進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式傳至單片機(jī)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理LCD進(jìn)行溫度顯示通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)圖21系統(tǒng)工作流程單片機(jī)：該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫(xiě)入各種控制命令、讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心。溫度信號(hào)采集與傳感器：本部分的主要作用是用傳感器檢測(cè)模擬環(huán)境中的溫度信號(hào)，溫度傳感器上電流將隨環(huán)境溫度值線(xiàn)性變化。再把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，使用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字溫度傳感器，以上過(guò)程都在溫度傳感器內(nèi)部完成。 人機(jī)交互及串口通信：人機(jī)交換的目的是為了提高系統(tǒng)的可用性和實(shí)用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過(guò)按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，便于進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為將來(lái)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展做好基礎(chǔ)工作。電源系統(tǒng)單元：本單元的主要功能是為單片機(jī)提供適當(dāng)?shù)墓ぷ麟娫?，同時(shí)也為其他模塊提供電源。如液晶顯示屏、按鍵等，在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，電源系統(tǒng)輸出 +5 V 的電源。在多數(shù)電子設(shè)計(jì)當(dāng)中，基于性?xún)r(jià)比的考慮，8位單片機(jī)仍是首選。目前，8位單片機(jī)在國(guó)內(nèi)外仍占有重要地位。在8位單片機(jī)中又以MCS－51系列單片機(jī)及其兼容機(jī)所占的份額最大。MCS－51的硬件結(jié)構(gòu)決定了其指令系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生變化，設(shè)計(jì)人員可以很容易的對(duì)不同公司的單片機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行選型，他們只需將重點(diǎn)放在芯片內(nèi)部資源的比較上。在以前的電子設(shè)計(jì)中，應(yīng)用比較廣泛的單片機(jī)是AT89C51單片機(jī)了，但是該單片機(jī)最致命的缺陷在于不支持ISP功能。Atmel公司目前已經(jīng)停止了AT89C51生產(chǎn)，51單片機(jī)必須加上ISP功能才能更好延續(xù)MCS51 的傳奇，AT89S51就是在這樣的背景下誕生的，目前AT89S51已經(jīng)成為了實(shí)際應(yīng)用市場(chǎng)上的新寵兒。89S51在工藝上進(jìn)行了改進(jìn)， mm新工藝，不但降低成本了，而且增加了功能，提升了單片機(jī)性能，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。AT89S51新增了許多功能，性能也有了較大的提升，但是價(jià)格仍舊與AT89C51的價(jià)格一致。新增的功能之中最具有影響力的就是ISP在線(xiàn)編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)在于，改寫(xiě)單片機(jī)Flash存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。顯然，AT89S51在性能上比AT89C51要優(yōu)良得多，因?yàn)樗坏贏(yíng)T89C51的基礎(chǔ)上增加了許多功能，而且價(jià)格基本沒(méi)有提高，所以在器件選擇的時(shí)候首先排除AT89C51，對(duì)于市場(chǎng)上的另外一種比較流行的單片機(jī)C8051F，盡管它在性能、功能上都要比AT89S51優(yōu)良很多，但是它的價(jià)格是S51的數(shù)倍，本系統(tǒng)使用S51已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的功能，基于成本的考慮，放棄C8051F，選擇AT89S51作為本系統(tǒng)的主控單元。本部分主要是論證溫度傳感器的選型。傳感器的選擇受到很多因素的影響，首先是各種溫度傳感器自身的優(yōu)缺點(diǎn)，其次是各種不同的環(huán)境因素，還有就是系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的精度等，所以在不同的設(shè)計(jì)當(dāng)中溫度傳感器的選擇也將不同。方案一：熱電偶傳感器熱電偶傳感的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化。它是利用兩種不同材料的金屬連接在一起，構(gòu)成的具有熱電效應(yīng)原理的一種感溫元件。其優(yōu)點(diǎn)為精確度高、測(cè)量范圍廣、構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便，型號(hào)種類(lèi)比較多且技術(shù)成熟等。目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用產(chǎn)品中。熱電偶傳感器的種類(lèi)很多，在選擇時(shí)必須考慮其靈敏度、精確度、可靠性、穩(wěn)定性等條件。方案二：熱電阻傳感器熱電阻傳感器的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。熱電阻傳感器是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點(diǎn)是：測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精度是最高的，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制作成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。從熱電阻的測(cè)溫原理可以知道，被測(cè)溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)表現(xiàn)的。因此，熱電阻的引出線(xiàn)的電阻的變化會(huì)給測(cè)溫帶來(lái)影響[9]。為消除引線(xiàn)電阻的影響，一般采用三線(xiàn)制或四線(xiàn)制。熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線(xiàn)、顯示儀表組成。方案三：半導(dǎo)體集成模擬溫度傳感器半導(dǎo)體IC溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流、電壓與溫度變換關(guān)系來(lái)測(cè)溫的一種感溫元件。這種傳感器輸出線(xiàn)性好、精度高，而且可以把傳感器驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路等，與溫度傳感器部分集成在同一硅片上，體積小，使用方便，應(yīng)用比較廣泛的有AD590等。IC溫度傳感器在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通常用于室溫或環(huán)境溫度的檢測(cè)，以便微型計(jì)算機(jī)對(duì)溫度測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償。方案四：半導(dǎo)體集成數(shù)字溫度傳感器隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，新型溫度傳感器的種類(lèi)繁多，應(yīng)用逐漸廣泛，并且開(kāi)始由模擬式向著數(shù)字式、單總線(xiàn)式、雙總線(xiàn)式、多總線(xiàn)式發(fā)展[10]。數(shù)字溫度傳感器，更因適合與各種微處理器的I/O接口相連接，組成自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)克服了模擬傳感器與微處理器接口時(shí)需要信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器的弊端，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電子測(cè)溫、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中比較有代表性的有DS18B20等。電子設(shè)計(jì)中常用的幾種溫度傳感器的性能、價(jià)格等的對(duì)比，如表21所示：表21傳感器對(duì)比表傳感器AD590PT100DS18B20產(chǎn)地美國(guó)德國(guó)美國(guó)量程50℃~+150℃200℃~+450℃55℃~+125精度177。 ℃177?！?77?！婀╇婋妷?4V~+30V+13V~+36V+~+輸出信號(hào)類(lèi)型模擬信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)PT100與AD590都不能與單片機(jī)的I/O口直接相連，需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路。而DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，并且采用單總線(xiàn)技術(shù)，使該傳感器不但可以直接與單片機(jī)I/O口相連，并且只需要一個(gè)I/O就可以連接多個(gè)溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量與控制。所以使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20不但可以節(jié)約單片機(jī)I/O口，還能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本降低。按鍵是現(xiàn)階段電子設(shè)計(jì)中最常用、最實(shí)用的輸入設(shè)備。按鍵能夠成為最普遍的輸入設(shè)備，主要是其具備了以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：工作原理、硬件電路連接簡(jiǎn)單、操作實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格便宜，程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：機(jī)械抖動(dòng)比較嚴(yán)重、外型不夠美觀(guān)。電子設(shè)計(jì)中常用的輸出顯示設(shè)備有兩種：數(shù)碼管和LCD。數(shù)碼管是現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中使用相當(dāng)普遍的一種顯示設(shè)備，每個(gè)數(shù)碼管由7個(gè)發(fā)光二極管按照一定的排列結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)七個(gè)發(fā)光二極管的正負(fù)極連接不同，又分為共陰極數(shù)碼管和共陽(yáng)極數(shù)碼管兩種，選擇的數(shù)碼管不同，程序設(shè)計(jì)上也有一定的差別。數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容比較直觀(guān)，通常顯示從0到F中的任意一個(gè)數(shù)字，一個(gè)數(shù)碼管可以顯示一位，多個(gè)數(shù)碼管就可以顯示多位，在顯示位數(shù)比較少的電路中，程序編寫(xiě)，外圍電路設(shè)計(jì)都十分簡(jiǎn)單，但是當(dāng)要顯示的位數(shù)相對(duì)多的時(shí)候，數(shù)碼管操作起來(lái)十分煩瑣，顯示的速度受到限制。并且當(dāng)硬件電路設(shè)計(jì)好之后，系統(tǒng)顯示能力基本也被確定，系統(tǒng)顯示能力的擴(kuò)展受到了限制。而液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動(dòng)手設(shè)計(jì)的圖案。當(dāng)需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時(shí)候，它的優(yōu)點(diǎn)就突現(xiàn)出來(lái)了，并且當(dāng)硬件設(shè)計(jì)完成時(shí)，可以通過(guò)軟件的修改來(lái)不斷擴(kuò)展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，顯示能力的擴(kuò)展將不會(huì)涉及到硬件電路的修改，可擴(kuò)展性很強(qiáng)。字符型液晶顯示屏已經(jīng)成為了單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件之一。不足之處在于其價(jià)格比較昂貴，驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)比較復(fù)雜。本設(shè)計(jì)所需要顯示的內(nèi)容比較復(fù)雜，不但包括現(xiàn)場(chǎng)溫度值、溫度限定值、還有溫度傳感器序列號(hào)的顯示，所以本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示設(shè)備采用LCD。串行通信的主要功能是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換，當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析的時(shí)候，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，使用上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果又發(fā)送給單片機(jī)。這樣可以大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，還可以方便的對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)與外界的數(shù)據(jù)傳送大部分都是串行的，其傳送距離可以從幾米到幾千米。 第三章：本系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 線(xiàn)路簡(jiǎn)單DS18B20與單片機(jī)之間一根導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，接線(xiàn)簡(jiǎn)單。 溫度測(cè)量準(zhǔn)確，所以對(duì)溫度值可以進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度轉(zhuǎn)換。第四章：硬件設(shè)計(jì)本部分詳細(xì)介紹了基于A(yíng)T89S51單片機(jī)的嵌入式溫度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)所需要完成的功能是將溫度傳感器DS18B20采集到的溫度信號(hào)，輸送到AT89S51單片機(jī)的I/O口，然后把單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果，送至JDL162A進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括溫度傳感器電路、LCD驅(qū)動(dòng)電路、按鍵驅(qū)動(dòng)電路、電源系統(tǒng)電路、串口通信電路、AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)所用的硬件有：見(jiàn)表41。表41系統(tǒng)硬件清單器件名稱(chēng)數(shù)量AT89S51單片機(jī)1個(gè)74HC573鎖存器2個(gè)LED發(fā)光二級(jí)管8個(gè)蜂鳴器1個(gè)獨(dú)立鍵盤(pán)5個(gè)液晶顯示屏1個(gè)三極管1個(gè)DS18B201個(gè)MAX233串口芯片1個(gè)電容若干電阻若干導(dǎo)線(xiàn)若干軟件有：windows操作系統(tǒng)、 keil軟件和串口調(diào)試助手等軟件組成。單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，其應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展也很快。1971年Intel公司首次宣布4004的4位微處理器，1974年12月Fairchild(仙童)公司即推出了8位單片機(jī)F8，開(kāi)創(chuàng)了單片機(jī)的門(mén)戶(hù)。單片機(jī)在我國(guó)的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代末，那時(shí)我國(guó)的科研工作者開(kāi)始對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行了初期探索，20世紀(jì)80年代，單片機(jī)在我國(guó)得以廣泛的應(yīng)用，各理工科院校陸續(xù)開(kāi)設(shè)了有關(guān)應(yīng)用課程。在教學(xué)及應(yīng)用上，Zilog公司生產(chǎn)的Z80CPU成為我國(guó)工業(yè)控制的主流，以Z80為CPU組成的TP801單板機(jī)在教學(xué)上及應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮過(guò)巨大作用。20世紀(jì)80年代末至90年代初，我國(guó)在工業(yè)控制領(lǐng)域開(kāi)始轉(zhuǎn)向使用Intel公司生產(chǎn)的MCS51。單片機(jī)從1976年公布8位機(jī)至今不到30年的時(shí)間，它沒(méi)有像微處理器那樣從8位、16位，一直發(fā)展到32位、64位，8位機(jī)目前依然是單片機(jī)的主流機(jī)型。但是，它突破了原有的集成結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部繼承了越來(lái)越多的外圍電路和外設(shè)接口，從而發(fā)展成為控制器(MicroController)的體系結(jié)構(gòu)，其發(fā)展歷程大致分為以下幾步：第一階段：?jiǎn)纹瑱C(jī)的控索階段第二階段：?jiǎn)纹瑱C(jī)的完善階段第三階段：8位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)的推出階段第四階段：微控制器的全面發(fā)展階段單片機(jī)已在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，為適應(yīng)更多的應(yīng)用領(lǐng)域，廠(chǎng)家采取了在一塊單片機(jī)芯片上集成多種功能部件和大容量存儲(chǔ)器的方法。因而，整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)不需要擴(kuò)展，而體積變小、可靠性增高，使單片機(jī)成為真正意義上的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)是隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)極其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU，RAM，ROM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成了芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，因此單片