【正文】 ............................................................................................ 27 畢業(yè)設(shè)計(jì)心得體會(huì) ................................................................................................ 28 參 考 文 獻(xiàn) ...................................................................................................................... 29 致 謝 ...................................................................................................................................... 30 附錄 A 程序源代碼 ............................................................................................................... 31 附錄 B 元器件清單 ............................................................................................................... 41 1 1 緒 論 溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中要實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開(kāi)溫度的測(cè)量，因此研究溫度的測(cè)量方法和裝置具有重要意義。測(cè)量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，采用智能溫度傳感器以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)字化，既能以數(shù)字形式直接輸出被測(cè)溫度值，具有測(cè)量誤差小，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，帶串行總線接口等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)、溫度傳感器與 7 段數(shù)碼管顯示器等電子器件的互聯(lián)，可以研制和 開(kāi)發(fā)出具有高性價(jià)比的新一代測(cè)溫系統(tǒng) —— 基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)。經(jīng)單片機(jī)處理后，將實(shí)時(shí)溫度顯示在四個(gè) 7 段 LED 數(shù)碼管顯示器上。 由于 甲型 H1N1 流感入境， 所以 為了把好關(guān)，需對(duì)流動(dòng)人口進(jìn)行人體體溫測(cè)量。出于對(duì)此問(wèn)題的探索，我通過(guò)上網(wǎng)查閱及相關(guān)資料的收集，做了本設(shè)計(jì)。 2 完成本設(shè)計(jì)需要軟件編程和硬件電路設(shè)計(jì)，需要用到兩種軟件。 硬件電路設(shè)計(jì) Proteus 的簡(jiǎn)介 硬件電路設(shè)計(jì)使用英國(guó) Lab Center Electronics 公司推出的 Proteus 用于仿真單片機(jī)及其外圍設(shè)備的 EDA 工具軟件。 Proteus 的虛擬仿真技術(shù) (USM)第一次真正實(shí)現(xiàn)了在物理原型出來(lái)之前對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和測(cè)試。 設(shè)計(jì)中用到的所有電子器件 單片機(jī) (STC89C52)、溫度傳感器 (DS18B20)、 7 段 LED 數(shù)碼管、晶振、排阻、電容、電阻、 蜂鳴器、發(fā)光二極管、按鍵、 NPN 型三極管等。 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)方案論證 方案 一 ： 采用模擬集成溫度傳感器 集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器，它是將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用 IC。 圖 是 AD590 用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。但由于 AD590 的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整?；蛟谑覝叵?(25℃ )條件下調(diào)整電位器 ,使V0=+25=（ mV）。 AD590 把被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換為電流再通過(guò)放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)字量送給單片機(jī)進(jìn)行溫度控制。 4 圖 基于 AD590 測(cè)溫基本應(yīng)用電路 方案二： 采用數(shù)字單片智能溫度傳感器 智能溫度傳感器 (亦稱數(shù)字溫度傳感器 )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)部都包含溫度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器 (或寄存器 )和接口電路。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能 輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)。溫度傳感器作為從機(jī)可通過(guò)專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。典型產(chǎn)品有 DS18B20， 智能溫度控制器適配各種微控制器 ， 構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng) ；它們還可以脫離微控制器單獨(dú)工作 ， 自行構(gòu)成一個(gè)溫控儀 。溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋ 125℃ ,可編程為 9 位～ 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度 ,測(cè)溫分辨率可達(dá) ℃ ， 被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出 ， 其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生 ； 多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上， CPU只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信 ， 占用微處理器的端口較少 ， 可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 DS18B20 的 精度較差為177?，F(xiàn)場(chǎng)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。如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念 。使您可以充分發(fā)揮 “ 一線總線 ” 的長(zhǎng)處。 由于 DS18B20 將溫度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、 A/D 轉(zhuǎn)換、接口全部集成于一芯片，與單片機(jī)連接簡(jiǎn)單、方便，與 AD590 相比是更新一代的溫度傳感器，所以溫度傳感器采用 DS18B20。 總體設(shè)計(jì)框圖 數(shù)字溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方框 圖如圖 所示 ，控制器采用單片機(jī) STC89C52，溫度傳感器采用 DS18B20，用 4 位 LED 數(shù)碼管以 并 口 方式 傳送數(shù)據(jù) 并以動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管的方式 實(shí)現(xiàn)溫度顯示。 DS18B20 的性能特點(diǎn)如下： (1)獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信； (2)多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián) 在同一根數(shù)據(jù)線 上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能； (3)無(wú)須外部器件； (4)可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 ～ ； (5)零待機(jī)功耗； (6)溫度以 6 或 12 位數(shù)字； (7)用戶可 自 定義 設(shè)置 報(bào)警 溫度 ； (8)報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度 (溫度報(bào)警條件 )； (9)負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作； DS18B20 采用 3 腳 PR35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL，可通過(guò)軟件寫入戶報(bào)警上下限。 2． DQ： 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。當(dāng)被用 在寄生電源下，也可以向器件提供電源。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為 8 字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖 所示。第 5 個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。該字節(jié)各位的定義如圖 所示。 8 圖 DS18B20 字節(jié)定義 表 溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表 R1 R0 分辨率 /位 溫度最大轉(zhuǎn)向時(shí)間 /ms 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 1 1 12 750 由 表 可見(jiàn)， DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長(zhǎng)，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。 高速暫存 RAM 的第 8 字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯 1。 溫度 LSB 溫度 MSB TH用戶字節(jié) 1 TL用戶字節(jié) 2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC TM R1 1R0 1 1 1 1 .... 9 當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后 ，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。單片機(jī)可以通過(guò)單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 ℃ /LSB 形式表示。表 是一部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。若 TTH 或 TTL，則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令作出響應(yīng)。 DS18B20 的測(cè)溫原理 ,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。計(jì)數(shù)門的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定 ，每次測(cè)量前，首先將－ 55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直到溫度 寄存器值大致被測(cè)溫度值。系統(tǒng)對(duì) DS18B20 的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。 DS18B20 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí) DS18B20 的 1腳接地， 2 腳作為信號(hào)線， 3 腳接電源。 當(dāng) DS18B20 處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度 A/D 轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為 10us。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。 (1) DS18B20 的復(fù)位時(shí)序 ： 由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序 、 寫時(shí)序。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收 ；數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 對(duì)于 DS18B20的讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在 15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓 DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。 12 圖 DS18B20 的 讀 時(shí)序 (3)DS18B20 的寫時(shí)序 ： 對(duì)于 DS18B20 的寫時(shí)序仍然分為寫 0 時(shí)序和寫 1 時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。 圖 DS18B20 的 寫 時(shí)序 STC89 系列高性能單片機(jī) MCS51 單片機(jī)是目前國(guó)內(nèi)實(shí)用最廣泛的一種單片機(jī)型，全球各單片機(jī)生產(chǎn)廠商在MCS51 內(nèi)核基礎(chǔ)上，派生了大量的 51 內(nèi)核系列單片機(jī)，極大地豐富了 MCS51 的種群。 STC89 系列單片機(jī)是 MCS51 系列單片機(jī)的派生產(chǎn)品。STC89系列單片機(jī)高速 (最高時(shí)鐘頻率 90MHz)，低功耗，在系統(tǒng) /在應(yīng)用可編程 (ISP， IAP),不占用戶資源。 STC89 系列單片機(jī) 主要特性： (1)80C51 核心處理器單元； (2)3V/5V工作電壓，操作頻率 0～ 33MHz（ STC89LE516AD 最高可達(dá) 90MHz）；5V工作電壓，操作頻率 0～ 40MHz； (3)大容量?jī)?nèi)部數(shù)據(jù) RAM： 1K 字節(jié) RAM； 13 (4)64/32/16/8kB 片內(nèi) Flash程序存儲(chǔ)器，具有在應(yīng)用可編程 (IAP) ,在系統(tǒng)可編程(ISP)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程軟件升級(jí)，無(wú)需編程器； (5)支持 12 時(shí)鐘 (默認(rèn) )或 6 時(shí)鐘模式； (6)雙 DPTR 數(shù)據(jù)指針； (7)SPI(串行外圍接口 )和增強(qiáng)型 UART ； (8)PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列 )，具有 PWM 的捕獲 /比較功能； (9)4 個(gè) 8 位 I/O 口，含 3 個(gè)高電流 P1 口，可直接驅(qū)動(dòng) LED； (10)3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； (11)可編程看門狗定時(shí)器 (WDT)； (12)低 EMI 方式 (ALE 禁止 )； (13)兼容 TTL和 COMS 邏輯電平； (14)掉電檢測(cè)和低功耗模式等。 這類數(shù)碼管可以分為共陽(yáng)極與共陰極兩種，共陽(yáng) 極就是把所有 LED 的陽(yáng)極連接到共同接點(diǎn) ，而每個(gè) LED 的陰極分別為 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g及 dp(小數(shù)點(diǎn) )；共陰極則是把所有 LED 的陰極連接到共同接點(diǎn) ，而每個(gè) LED 的陽(yáng)極分別為 a、 b、 c、 d、e、 f、 g及 dp(小數(shù)點(diǎn) )，如下圖 所示。 圖 數(shù)碼管段碼圖 還有一種比較常用的是四位數(shù)碼管，內(nèi)部的 4 個(gè)數(shù)碼管共用 A～ DP 這 8 根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因?yàn)槔锩嬗?4 個(gè)數(shù)碼管，所以它有 4 個(gè)公共端 ，加上 A～DP，共有 12 個(gè)引腳，下面便是一個(gè)共 陰 的四位數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 (共 陽(yáng) 的與之相反 )。 15 圖 四位共陰數(shù)碼管 管腳圖 溫度報(bào)警電路 蜂鳴器的結(jié)構(gòu)原理 (1)壓電式蜂鳴器 ： 壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。 多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。 壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。 (2)電磁式蜂鳴器 ： 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲。當(dāng)所測(cè)溫度超過(guò)或低于所預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，數(shù)據(jù)口 相應(yīng)拉高電平，報(bào)警輸出。 16 圖 蜂鳴器電路連接圖 系統(tǒng)整體硬件電路 溫度計(jì)