单片机温度采集显示系统设计

课程设计
课程名称：微机原理与接口技术课程设计题目名称：温度采集显示系统
学生学院
专业班级
学号
学生姓名
指导教师
一、设计题目
温度采集系统
二、设计任务和要求
功能要求：
（1）温度测量范围 0 - 99℃。

（2）温度分辨率±1℃。

（3）选择合适的温度传感器。

（4）使用键盘输入温度的最高点和最低点，温度超出范围时候报警。

（报警温度不需要保存）
要求完成的内容：
（1）系统硬件设计，并用电子CAD软件绘制出原理图，
（2）给出流程图，编写并调试程序。

（3）撰写设计报告。

三、原理电路图和设计程序
1、方案比较
（1）、系统总体方案设计
总体框架图如图1示，软件流程图如图示
①该温度控制系统的设计包括硬件设计和软件设计两大部分，结合实际情况，该系统应具备如下功能：
A、实时采集温度；
B、显示温度；
C、串行传送数据；
D、控制外设；
E、温度超限报警；
②系统硬件设计
系统的硬件设计部分主要由以下几部分组成：
A、单片机最小系统；
B、温度采集模块；
C、温度显示模块；
D、串行通信模块；
E、报警电路；
图2 软件流程图
（2）、方案比较
方案一采用8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温。

此方案简易可行,器件的价格便宜,但8031内部没有程序存储器,需要扩展,增加了电路的复杂性,且ADC0809是8位的模数转换,不能满足本题目的精度要求。

方案二采用比较流行的AT89S51作为电路的控制核心, AT89S52不但与8051，8052 指令，管脚完全兼容，而且其片内的程序存储器采用FLASH 工艺，用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。

AT89S52 单片机还支持在线编程，用户通过简单的电路连接就可以将电脑里的程序下载到单片机中，减少调试程序时不断拆卸和插入给芯片带来的损坏。

此外AT89S52 单片机有8 KB的程序存
Q1NPN
U2
BUZZER
R3
R1200
S3S4
S2S1+5V
12345678910111213141516RP116PIN
123J1CON3
R24.7k
+5V
GND
GND P3.0P3.1P3.2Y1
CRYSTAL C2
30p
GND +5V
+5V
123
J2CON3
P1.01
P1.34P1.45P1.5(MOSI)6P1.6(MOSO)7P1.7(SCK)8P1.23P1.12RST 9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(INT0)12
P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL118XTAL019P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528PESN 29ALE/PROG 30EA/VPP 31P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138VCC
40P0.0/AD039GND 20
P2.0/A821
U1
AT89S52
+5V
P3.0P3.1P3.212345678161514131211109
RP21k
图3
围设备的工作以及与上位机进行通信等工作。

单片机最小系统主要由两块组成，其一为晶振起振电路，其二为复位电路，在此，采用按键手动复位，相对来讲，这种复位方式更加方便，更加人性化，不必要切断电源即可对系统进行复位。

AT89S51简介：
AT89S52 是89 系列单片机的一种，它不但与8051，8052 指令，管脚完全兼容，而且其片内的程序存储器采用FLASH 工艺，用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。

AT89S52 单片机还支持在线编程，用户通过简单的电路连接就可以将电脑里的程序下载到单片机中，减少调试程序时不断拆卸和插入给芯片带来的损坏。

此外AT89S52 单片机有8 KB的程序存储器和256 B 的数据存储器，不需外部扩展存储芯片，可以降低硬件电路的复杂度。

②、温度采集模块设计
温度传感器是该系统的关键器件，本系统选用的是美国Dallas 半导体公司生产的数字化温度传感器 DS18B20。

本系统中DS18B20 的DQ 口与单片机的 P1.0 口连接，GND 接地，VDD 接电源，信号和5V 电源之间的接上一个上拉电阻R。

DS18B20简介：
DS18B20 有三个主要数字部件组成：64 位激光ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH 和TL 。

DS18B20 支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，被测温度用符号扩展的16 位数字量方式串行输出，在-10~+85°C 范围内，精度为±0.5°C。

DS18B20 采集到的现场温度直接以先进的单总线数据通信方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

DS18B20 可程序设定9~12 位的分辨率，精度可达±0.5°C。

DS18B20具有内置的EEPROM，用户设定的分辨率和报警温度都可存储在其中，且掉电后依然存在。

CPU 只需一根端口线就能与DS18B20 进行通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

与前一代产品（DS1820 温度传感器）不同，DS18B20 支持
3.0V ~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便，而且DS18B20 价格更
便宜，体积更小。

如图J1所示，DS18B20 有三个管脚：3脚 GND 为电源地，2脚DQ 为
数字信号输入/输出端，1脚VDD 为外接供电电源接入端（用寄生电源方式时接地）。

在外部电源供电方式下，DS18B20 工作电源由VDD 引脚接入，
此时I/O 线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，
可以保证转换精度，同时理论上总线可以挂接任意
多个DS18B20 传感器，组成多点测温系统。

在外部供电的方式下，DS18B20 的GND 引脚不能悬空，
否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。

③温度显示模块设计
根据实际应用情况，该温度显示模块采用七段数码管显示电路，
数码管选用共阳极数码管，如图U3示，以动态方式显示，显示数据
由P1口送出，位控信号由P2口送出，经74LS244进行信号放大，
以产生足够大的电流驱动数码管显示。

流程图如图示：
④串行通信模块设计
AT89S52 单片机内部含有一个可编程全双工串行通信接口，由TXD 引脚来传送串行数据，而由RXD 引脚来接收数据。

该接口具有UART(通用异步接收和发送器)的全部功能，它不仅能
同时进行数据的发送和接收，也可作为一个同步移位寄存器使用，可构成双机或者多机通信系统。

⑤报警电路设计
本设计采用蜂鸣器报警电路，它由晶体管和蜂鸣器组成。

当温度的测量值超出给定的上下限时，由单片机的P3.7 口输出信号控制晶体管导通，则蜂鸣器报警。

⑥系统软件设计
本系统采用 AT89S52 作为核心处理器件，把经过DS18B20 现场实时采集到的温度数据，存入AT89S52 的内部数据存储器，并送LED 数码管显示，并与温度的设定值进行比较，然后由单片机输出控制信号去控制外部设备。

进行温度控制程序的设计还应考虑越限报警，当采集到的温度值与温度的设置值进行比较后，若发现当前温度值越限，则产生报警信号。

与硬件电路相关联，本温度控制系统的软件设计主要分为以下几个部分：主程序，温度上下限值设定子程序、温度读取子程序、温度显示子程序、串口通信子程序、输出控制子程序和报警子程序等。

其中温度上下限值设定子程序完成对温度范围值的设定及数据保存；温度读取子程序完成对温度传感器数据的读取，并通过温度显示子程序显示温度值；串口通信子程序将采集到的温度数据传送到PC 机，以实现远程监控；输出控制子程序根据采集到的温度数据完成对外部设备的控制；报警子程序则当采集到的温度数据超过设定的温度上下限值时报警。

整个运行程序，见电子版
下面是测温程序段：
sbit DQ = P3^3; // 定义DQ引脚为P3.3
/******************************* 延时函数 ********************************
* 功能：在11.059MHz的晶振条件下调用本函数需要24μs ，然后每次计数需16μs **************************************************************************/
void DS18_delay(int useconds) {
int s;
for (s=0; s<useconds;s++);
}
/******************************* 复位函数 ******************************* * 功能：完成单总线的复位操作。

* 复位时间为480μs，因此延时时间为(480-24)/16 = 28.5，取29μs。

* 经过70μs之后检测存在脉冲，因此延时时间为(70-24)/16 = 2.875，取3μs。

**************************************************************************/ unsigned char ow_reset(void) {
unsigned char presence;
DQ = 0; // 将 DQ 线拉低
DS18_delay(29); // 保持 480μs
DQ = 1; // DQ返回高电平
DS18_delay(3); // 等待存在脉冲
presence = DQ; // 获得存在信号
DS18_delay(25); // 等待时间隙结束
return(presence); // 返回存在信号，0 = 器件存在, 1 = 无器件
}
/****************************** 位写入函数 ******************************* * 功能：向单总线写入1位值：bitval
*************************************************************************/ void write_bit(char bitval) {
DQ = 0; // 将DQ 拉低开始写时间隙
if(bitval==1) DQ =1; // 如果写1，DQ 返回高电平
DS18_delay(5); // 在时间隙内保持电平值，
DQ = 1; // DS18_delay函数每次循环延时16μs，因此DS18_delay(5) = 104μs }
/**************************** 字节写入函数 *******************************
* 功能：向单总线写入一个字节值：val
*************************************************************************/ void ds18write_byte(char val) {
unsigned char i;
unsigned char temp;
for (i=0; i<8; i++) { // 写入字节, 每次写入一位
temp = val>>i;
temp &= 0x01;
write_bit(temp);
}
DS18_delay(5);
}
/**************************** 位读取函数 ******************************** * 功能：从单总线上读取一位信号，所需延时时间为15μs，因此无法调用前面定义* 的DS18_delay()函数，而采用一个for()循环来实现延时。

* ***********************************************************************/ unsigned char read_bit(void) {
unsigned char i;
DQ = 0; //将DQ 拉低开始读时间隙
DQ = 1; // then return high
for (i=0; i<3; i++); // 延时15μs
return(DQ); // 返回 DQ 线上的电平值
}
/**************************** 字节读取函数 ******************************* * 功能：从单总线读取一个字节的值
*************************************************************************/ unsigned char DSread_byte(void) {
unsigned char i;
unsigned char value = 0;
for (i=0;i<8;i++) { // 读取字节，每次读取一个字节
if(read_bit()) value|=0x01<<i; // 然后将其左移
DS18_delay(6);
}
return(value);
}
/******************************* 读取温度函数 ***************************** * 功能：如果单总线节点上只有一个器件则可以直接掉用本函数。

如果节点上有多个器* 件，为了避免数据冲突，应使用Match ROM函数来选中特定器件。

* 注：本函数是根据DS1820的温度数据格式编写的，若用于DS18B20，必须根据
* DS18B20的温度数据格式作适当修改。

**************************************************************************/unsig ned
int ReadTemperature(void) {
unsigned char get[10];
unsigned char temp_lsb,temp_msb;
unsigned int t;
unsigned char k;
ow_reset();
ds18write_byte(0xCC); // 跳过 ROM
ds18write_byte(0x44); // 启动温度转换
DS18_delay(5);
ow_reset();
ds18write_byte(0xCC); // 跳过 ROM
ds18write_byte(0xBE); // 读暂存器
for (k=0;k<2;k++){get[k]=DSread_byte();}
temp_msb = get[1]; // Sign byte + lsbit temp_lsb = get[0]; // Temp data plus lsb
t=temp_msb*256+temp_lsb;
t=t&0x0ff0;
if(t<0xff&&t>0xf0)
t=(-1)*t;
return t>>4;
//temp_f = (((int)temp_c)* 9)/5 + 32;
// 输出华氏温度值
}
⑦、软件清单
电路版的预览图如下图示：
该设计的pcb图见附图：
五、总结
通过此次课程设计，我学到了很多很多新的知识，同时，也加深了对旧知识的了解和认知。

不管是从动手能力还是理论学习上讲，这次课程设计都让我有了一定的提高。

首先是对单片机芯片AT89S52的学习，之前我们学的89C51系列的，前者对于后者来讲，比较先进和高级，而且更加贴近于我们的生活。

鉴于自己对AT89S52的一点认识也没有，所以一切只能从头开始学起，从到图书馆找资料到网上查找，从一个人奋战到找同学帮助，一点一滴地，从无到有，在不断的努力之下，我终于也了解到一点点AT89S52单片机芯片的工作原理和功能了接着便是DS18B20温度传感器的学习，AT89S52单片机芯片还可以从89C53系列找相似之处，但DS18B20就完全没有了，不过，还好，现代DS18B20的应用技术也比较普遍和熟练，所以能找得到比较多的资料区了解和学习。

一门比较成熟的技术要掌握起来是比较容易的，只要你有耐心和恒心去学习。

有了初步的构思之后，就要开始着手仿真实验了，虽然protel 99se软件进行不了单片机芯片的仿真实验，拿不到确切的仿真数据，但是使用protel 99se软件却也是这次课程设计中必不可少的步骤，因为使用protel 99se软件可以设计此次课程设计的pcb电路图，这样就可以制作pcb感光板。

使用感光板来做此次实验，能大大地减少花费的时间和精力。

但是制作感光板的过程也是一个挑战，它讲究的是耐心和技术，一不小心，之前所做的功夫就很有可能被白白的浪费掉。

而且，通过此次制作感光板，我也大大地感受到高新技术的作用，我们不断地对世界对社会
对知识进行探索，其目的不就在于让我们生活的世界变得更加的简单方便快捷美好吗？
成功地制作出感光板后，焊接实物就不是一个问题，但是最最困难的还不是制作感光板，而是程序的编写。

本来在上一学年中，自己对汇编就学得不怎样好的了，现在到了真真正正地使用到它的时候，就更加感觉到力不从心了，不过，办法总是比困难多的。

虽然使用汇编语言对于我来讲是困难了点，但是我可以选择用C语言来编写程序。

可是一波未平一波又起，工具问题虽然是解决了，但是凭我现有的C语言水平编写此次课程设计的程序还是有一定的难度的。

我了解到同学中有几个人的C语言还是很好的，于是乎，我就鼓起勇气，不断地向他们请教，不懂就问，不懂就找资料，终于，在自己的坚持不懈之下，一段段程序终于从我手中完成了，更让我觉得高兴的是，在调试的过程中，虽然也有很多问题，但是都能比较顺利地解决了。

在此次课程设计中，我受益匪浅，尤其是在操作方面。

在感光板的制作过程中、实物的焊接过程中，很多细节都是同学提醒和注意的。

跟同学一起协作，真的是学到很多东西，不管是合作精神、探讨热情，还是学习方法、学习态度，同学都给我很大的感触，让我了解到一个人努力了、付出了，就一定会有收获。

最后，是此次课程设计的不足之处。

最最明显的就是没有仿真数据，对于课程设计来讲，没有仿真数据的前提下制作实物其实是一个挺冒险的行为。

其次，便是此次课程设计的功能较单一，而且是用单片机芯片做的，没能做到创新。

希望自己在以后的学习中，要注意培养自己创新这一方面的能力。

实物照片。