1、1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY科研实践题目：基于单片机的数字温度计的设计2目录目录 .21.绪论 .31.1 课题研究背景及意义 .31.2 课题研究的内容 .32.数字温度计的系统概论 .52.1 系统的功能 .52.2 温度计的分析 .53.设计方案和要求 .63.1 设计任务和要求 .63.2 元器件的选取 .63.3 系统最终设计方案 .74.硬件设计 .84.1 总体设计结构图 .84.2 硬件电路概述 .84.2.1 最小系统 .84.2.2 输入电路设计 .114.2.3 输出电路设计 .125.硬件仿真 .156.实物制作 .186.1 电
2、路板焊接 .186.2 电路板调试 .197.小结 .20附录 .211.参考文献 .212.原理图 .223.元器件清单 .234.软件程序 .245.实物图 .3031.绪论1.1 课题研究背景及意义单片机技术作为计算机技术的一个分支，广泛地应用于工业控制，智能仪器仪表，机电一体化产品，家用电器等各个领域。 “单片机原理与应用”在工科院校各专业中已作为一门重要的技术基础课而普遍开设。学生在课程设计，毕业设计,科研项目中会广泛应用到单片机知识，而且，进入社会后也会广泛接触到单片机的工程项目。鉴于此，提高“单片机原理及应用”课的教学效果，让学生参与课程设计实习甚为重要。单片机应用技术涉及的内容
3、十分广泛，如何使学生在有限的时间内掌握单片机应用的基本原理及方法，是一个很有价值的教学项目。为此，我们进行了“单片机的学习与应用”方面的课程设计，锻炼学生的动脑动手以及协作能力。单片机课程设计是针对模拟电子技术，数字逻辑电路，电路，单片机的原理及应用课程的要求，对我们进行综合性实践训练的实践学习环节，它包括选择课设任务、软件设计，硬件设计，调试和编写课设报告等实践内容。通过此次课程设计实现以下三个目标:第一，让学生初步掌握单片机课程的试验、设计方法，即学生根据设计要求和性能约束，查阅文献资料，收集、分析类似的相关题目，并通过元器件的组装调试等实践环节，使最终硬件电路达到题目要求的性能指标；第二
4、，课程设计为后续的毕业设计打好基础，毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。第三，培养学生勤于思考乐于动手的习惯，同时通过设计并制作单片机类产品，使学生能够自己不断地学习接受新知识（如在本课设题目中存在智能测温器件 DS18B20，就是课堂环节中不曾提及的“新器件” ） ，通过多人的合作解决现实中存在的问题，从而不断地增强学生在该方面的自信心及兴趣，也提高了学生的动手能力，对学生以后步入社会参加工作打下一定良好的实践基础。1.2 课题研究的内容
5、本文主要介绍了一个基于 AT89C51 单片机的测温系统，详细描述了利用数字温度传感器 DS18B20 开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机喜爱的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也进行一一介绍，该系统可以方便的是实现温度采集和显示，并可以根据需要任意设定上下限报警温度，它使用起来方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合我们日常生活和工农业生产中的温度测量，也可以4当做温度处理模块嵌入其他系统中，作为其他主系统的辅助扩展。DS18B20 和AT89C51 结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合与恶劣环境下进行现场温
6、度测量，有广泛的应用前景。本设计首先是确定目标，气候是各个功能模块的设计，再在 Proteus 软件上进行仿真，修改，仿真。本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。 52.数字温度计的系统概论2.1 系统的功能此数字温度计是基于 51 单片机，18B20，四位数码管，led 发光二级管，按键等阻容元件设计制作而成，系统工作稳定，能够很好的测量出温度值，并显示。此系统带有温度报警指示功能。2.2 温度计的分析元件设计的意义：关于按键：共设计了 4 个独立按键，一个为进入调整上下限的功能键，一个为加，一个为减，另一个为确定设置键，按下调整键进入上限设置，右
7、边红色二极管亮，设置完上限按确定键，延时并且蜂鸣器响 1 下，绿二极管亮，自动进入下限设置。设置完下限按确定键蜂鸣器响 2 下，进入温度正常显示状态。关于发光二极管：共设计了三个发光二极管，一个为电源指示，另外两个分别为上下限指示或温度报警指示。当进入调整上限时红色的亮，进入下限时绿色的亮。当正常显示温度时，温度高于上限红色的亮，低于下限时绿色的亮。关于蜂鸣器：作为报警或者调整上下限时提示用，当前温度高于上限或者低于下限蜂鸣器鸣响！从上限设置跳到下限设置时，蜂鸣器响一下，确定下限设置时蜂鸣器响两下。关于数码管：当温度为正时，显示温度值，温度为负时，最高位显示“” ，温度数据精确到小数点后一位。
8、系统采用 5v 直流供电，通电前注意电源正负极，以及电源接口是否匹配。63.设计方案和要求3.1 设计任务和要求1、基本范围 15422、精度误差小于 0.53、LED 数码直读显示4、可以任意设定温度的上下限报警功能.3.2 元器件的选取单片机芯片的选取：方案一：采用 89C51 芯片作为硬件核心，利用 Flash ROM，内部具有 4KB ROM 存储空间,能于 3V 的超低压工作,而且与 MCS-51 系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备 ISP 在线编程技术, 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损
9、坏。方案二:采用 AT89C51 单片机与 MCS-51 系列单片机相比有两大优势：第一，片内程序存储器采用闪存，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路的体积更小，且管脚数目为 20 个，与 MCS-51 相比减少一倍，使理解更容易。综上所述：本课设中单片机芯片采用 AT89C51。温度传感器的选取：方案一：采用热敏电阻传感器。利用热敏电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化，进而制成温度计。但是其测温传感器比较复杂，而且不易通过编制程序来控制测温精度，增大系统设计的难度。方案二：采用 DS18B20 温度传感器。DS18B20 的内部 3 脚（或
10、 8 脚）封装；使用特有的温度测量技术，将被测温度转换成数值信号；3.05.5V 的电源供电方式和寄生电源供电方式；ROM 由 64 位二进制数字组成，共分为 8 个字节；RAM由 9 个字节的高速暂存器和非易失性电擦写 ROM 组成。综上所述：温度传感器选取智能测温器件 DS18B20。73.3 系统最终设计方案综上各方案所述,对此次课设的方案选定: 采用 AT89C51 作为主控制系统; 1602 液晶显示模块芯片作为温度数据显示装置;而智能温度传感器 DS18B20 器件作为测温电路主要组成部分。至此，系统最终方案确定。84.硬件设计4.1 总体设计结构图图4-1 总体设计结构图4.2
11、硬件电路概述4.2.1 最小系统晶振电路晶振采用 12MHz，分别接入到 X1 与 X2 端中。同时在晶振两端各接一个22pF的电容，每个电容的另一端再接入到地。9图4-2 晶振电路复位电路复位电路采用的是上电复位。如图所示，在 RST 复位输入引脚上接一电容至Vcc 端，下接一个电阻到底。线路上接一按钮，通过按下按钮，复位电路通过电容给 RST 一个短暂的高电平信号。达到复位状态。图4-3 复位电路10单片机本设计采用的单片机是 AT89C51。AT89C51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read O
12、nly Memory）的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图4-4 AT89C51引脚图电源电路78系列集成稳压器是常用的固定输出电压的集成稳压器。它的内部含有限流保护，采用了噪声低，温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。78系列集成稳压器为三端器件：1脚为输入端，2脚为接地端，3脚为输出端，使用十分方便。78系列集成稳压器典型应用电路如下，这是一个输出5V 直流电压的稳压电源电
