王健_数码管显示的温控电动机设计详解

1 引言
1.1 设计任务与要求
（1）使用AT89C51单片机为核心，使用4位集成式数码管显示当前温度，温度传感器使用DS18B20。

（2）用4位集成式数码管显示当前温度，当温度在-200 ~ 700范围之外时，直流电动机开始旋转。

1.2 实用价值与理论意义
电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

数码管温控电机是多种技术知识的结合，不仅涉及到软件的设计，而且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合，使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点。

电路板的设计技术和机械加工工艺的巧妙结合，使其具备了显示直观、体积做工精细等特点，能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础。

因为经过我们调查发现许多应用场合原来就有测温控温仪器，只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高，以往的那些测温控温的仪器根本不能满足现在的要求。

其中，有部分应用场合对精度提高的幅度要求也不是特别高。

因此，为了提高性价比，我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良，以此为出发点，主要阐述的是一种数码管显示的温控电动机的实现方法。

现代各种家用电器以及生产机械都广泛应用电动机来驱动，电动机的作用是将电能转换为机械能，但是传统的电动机只是机械的按照其工作原理来工作，需要依靠人手动操作电动机的运行、停止、反向等操作，这样需要消耗大量的人力资源，在操作过程中也有很多不便，有时会因为外界环境和温度的因素使电动机造成不必要的损坏。

所以，为了减少这种不必要的损失，在电动机上添加温控装置，可以通过温控装置来监控当前温度，当温度达到要求的温度时，电动机产生相应的操作，
以达到工程机械或家用电器的功能要求，而添加数码管可以更加直观的监测当前温度。

2 单片机简介
2.1 单片机的定义
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

2.2 AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only 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。

1.主要特性
AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

2．AT89C51管脚图
图2.1 AT89C51管脚图
3 Keil软件和Proteus软件简介
3.1 Keil软件简介
单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。

机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。

Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。

运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

3.1.1 Keil软件系统概述
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。

3.1.2 Keil C51单片机软件开发系统的整体结构
C51工具包的整体结构中uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos 的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。

开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。

然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。

目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。

ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

使用独立的Keil仿真器时，注意事项：
(1)仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。

(2)仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。

(3)仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。

3.2 Proteus软件简介
Proteus 软件是来自英国Labcenter electronics 公司的EDA 工具软件，Proteus 软件有近20年的历史，在全球广泛使用。

它除了具有和其它EDA 工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是交互的，可视化的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，可以
测量仿真的波形及记录仿真数据。

在不需要硬件设备投入的情况下，Proteus 软件可以建立完整的电子学习设计开发环境，缩短研发周期，并且降低开发成本。

3.2.1 Proteus软件的构成
Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。

此系统受益于多年来的持续开发,被《电子世界》在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品—“The Route to PCB CAD”。

Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM 技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。

用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。

其功能模块:—个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真;ARESPCB设计。

PROSPICE 仿真器的一个扩展PROTEUS VSM:便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。

此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LED甚至LCD显示CPU模型。

3.2.2 Proteus的主要特征
(1)支持许多通用的微控制器，如ARM、PIC、A VR、以及8051。

(2)交互的装置模型包括：LED和LCD显示、RS232终端、通用键盘。

(3)强大的调试工具，包括寄存器和存储器、断点和单步模式。

(4)IAR C-SPY 和Keil uVision2 等开发工具的源层调试。

(5)应用特殊模型的DLL界面-提供有关元件库的全部文件。

4 DS18B20的软件设计
4．1 DS18B20的简介
4.1.1 DS18B20的主要特性
1.适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

2.独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

3. DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

4.DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

5.温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

6.可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

7.在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

8.测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

9.负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

4.1.2 DS18B20的外形和内部结构
1. DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

2.DS18B20的外形及管脚排列如下图4.1:
图4.1 DS18B20外形及引脚排列图
3.DS18B20引脚定义
(1)DQ为数字信号输入/输出端；
(2)GND为电源地；
(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

DS18B20寄生电源供电方式电路图如下面图4所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内
部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。

独特的寄生电源方式有三个好处：
1）进行远距离测温时，无需本地电源。

2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM 。

3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温。

要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。

因此，图4电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。

并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。

图 4.2 DS18B20寄生电源工作方式（电源从IO口上获得）
图 4.3 DS18B20外接电源工作方式
4．2 单片机实现温度转换流程图
单片机实现温度转换读取温度数值程序的流程如图4.4所示
图4.4单片机实现温度转换读取温度数值程序的流程图
开始
初始化DS18B20
应答脉冲
发起skip rom 的命令
发起Convert T 的命令
延时1s 等待温度转换完成
初始化DS18B20
应答脉冲
发起read scratchpad 命令
读取第一二字节即为温度数据
是
否
是 否
5 数码管显示的温控电动机
5.1 设计要求
（1）使用AT89C51单片机为核心，使用4位集成式数码管显示当前温度，温度传感器使用DS18B20。

（2）用4位集成式数码管显示当前温度，当温度在C C 0070~20 范围之外
时，直流电动机开始旋转。

5.2 设计过程
5.2.1 设计程序及编写
先建立一个新的工程，保存到一个位置，如图5.1所示：
图5.1 新建工程
接下来会弹出如下对话框，选择处理器，这里选择AT89S51或AT89S52。

图5.2 选择处理器
接下来对话框提示是否把Startup Code加入到工程，选否即可。

工程就建立完了。

图5.3 对话框提示
接下来可以新建一个文档用来编辑程序。

图5.4 新建文档
将数码管显示的温控电动机的程序输入到新建文档中，编辑完存为.asm（汇编源文件）或.h（C语言头文件）或.c（C语言实现文件）即可。

图5.5 编辑程序
接下来把保存的.asm, .c或.h文件加入到工程里即可。

如图5.6所示：
图5.6 将文件加入工程
下面进行工程配置。

点击Project菜单下的Options for Target ‘Target 1’。

在弹出对话框的Target 项里输入晶振为12M，然后勾上Use On-chip ROM。

在Output项里勾上Create HEX File。

这就是产生要烧写的.hex文件。

图5.8 工程配置（2）
然后点击Project菜单里的build target或Rebuild all target files以编译要烧写
的.hex文件。

编译完会在下面Output Window里显示编译成功与否的信息和错误
提示。

图5.9 程序编译
5.2.2 电路绘制及调试
添加元件，单击“P”按钮，在对话框的KEYWORDS中输
入AT89C51，得到以下结果：
图5.10 查找元件
单击OK，关闭对话框，这时元件列表中列出AT89C51，用同样的方法找
出其他元件。

如图5.11所示：
图5.11 所需元件
放置元件，在元件列表中左键选取AT89C51，在原理图编辑窗口中单击左键，这样AT89C51就被放到原理图编辑窗口中了，用同样的方法放置其他元件，如图5.12所示：
图5.12 放置元件
按照数码管显示的温控电动机的原理连接电路，如图5.13所示：
图5.13 电路原理图
完成控制电路的绘制，将Proteus与Keil开发工具结合，搭建单片机开发平
台，实现二者的联调，然后仿真出控制电路，如图5.14所示：
图5.14 电路原理图
6 结论
本课程设计阐述了以AT89C51单片机为核心，使用DS18B20温度传感器以及4位集成式数码管显示温度的数码管显示的温控电动机。

实现了通过数码管监
测温度，当温度在C C 0
070~20 范围之外时，直流电动机开始旋转的要求。

本设
计着重运用单片机原理设计数码管显示的温控电动机的程序，并用Keil 软件编写程序，用Proteus 软件进行控制电路的仿真操作。

在课程设计过程中，遇到一些问题，例如：从网上查找到相关程序和本设计题目一样,但是用到这个程序是出现错误,自己查找不出错误所在,最后经过问老师得到了解决。

设计过程中由于对单片机理论知识的欠缺，使得对一些指令不是很了解，导致程序编写错误，期间花费了大量时间找资料和同学探讨调试，最终编
写出正确的程序；此外，由于初次接触Proteus软件，对其使用不是很熟悉，又查阅了大量该软件的资料和使用教程来完成控制电路的绘制；在进行控制电路仿真过程中最重要的就是Keil软件和Proteus软件的联调，对此我也查阅了很多相关资料，以保证该课程设计的正确性和可行性。

附录A:设计所用的C语言程序清单
#include <reg51.H>
#include <intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit DS=P1^6;
sbit IN1=P1^0; //P1.0与电机驱动IN1相连
sbit IN2=P1^1; //P1.1与电机驱动IN2相连
sbit ENA=P1^4;
uint temp,t;
uchar flag,count;
uchar data dis_buf[8];
uchar data dis_digit,dis_index;
uchar code table[]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,
0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f
};
uchar code table1[]={
0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,
0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef
};
void delay(uint ms)
{
uint i,j;
for(i=ms;i>0;i--)
for(j=110;j>0;j--);
}
void init()
{
TMOD=0x11;
TH0=(65536-1000)/256;
TL0=(65536-1000)%256;
TH1=(65536-5000)/256;
TL1=(65536-5000)%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
ET1=1;
TR1=1;
flag=0;
ENA=0;
count=0;
}
void dsreset(void) {
uint i;
DS=1;
i++;
DS=0;
i=103;
while(i>0)i--;
DS=1;
i=4;
while(i>0)i--;
DS=1;
}
bit tmpreadbit(void) {
uint i;
bit dat;
DS=1;
DS=0;i++;i++;
DS=1;i++;
dat=DS;
i=8;while(i>0)i--;
return (dat);
}
uchar tmpread(void)
{
uchar i,j,dat;
dat=0;
for(i=1;i<=8;i++)
{
j=tmpreadbit();
dat=(j<<7)|(dat>>1);
}
return(dat);
}
void tmpwritebyte(uchar dat) {
uint i;
uchar j;
bit testb;
for(j=1;j<=8;j++)
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if(testb) //write 1
{
DS=0;
i++;i++;
DS=1;
i=8;while(i>0)i--;
}
else
{
DS=0;
i=8;while(i>0)i--;//write 0
DS=1;
i++;i++;
}
}
}
void tmpchange(void)
{
dsreset();
delay(1);
tmpwritebyte(0xcc); tmpwritebyte(0x44); }
uint tmp()
{
float tt;
uchar a,b,b1;
dsreset();
delay(1); tmpwritebyte(0xcc); tmpwritebyte(0xbe); a=tmpread();
b=tmpread();
temp=b;
b1=b;
temp<<=8;
temp=temp|a;
if(b1<8)
{
flag+=1;
tt=temp*0.0625;
temp=tt*10+0.5;
dis_buf[0]=0;
}
else
{
flag-=1;
temp=~temp;
temp=temp+1;
tt=temp*0.0625;
temp=tt*10+0.5;
dis_buf[0]=0x40;
}
return temp;
}
void display(uint temp) {
uchar A1,A2,A3;
A1=temp/100;
A2=temp%100/10;
A3=temp%10;
t=A1*10+A2;
dis_buf[3] = table[A3];
dis_buf[2] = table1[A2];
dis_buf[1] = table[A1]; }
void Turn_t(void)
{
ENA=0;
IN1=0;
IN2=0;
}
void Turn_z(void)
{
ENA=1;
IN1=1;
IN2=0;
}
void main()
{
init();
dis_buf[7]=table[0];
dis_buf[6]=table[0];
dis_buf[5]=table[0];
dis_buf[4]=table[0];
dis_buf[3]=table[0]; dis_buf[2]=table[0]; dis_buf[1]=table[0]; dis_buf[0]=table[0]; dis_digit=0xfe;
dis_index=0;
while(1)
{
if(flag==1)
{
flag=0;
if(t>=70)
Turn_z();
else
Turn_t();
}
else
if(flag==-1)
{
flag=0;
if(t>20)
Turn_z();
else
Turn_t();
}
}
}
void timer0() interrupt 1
{
TH0 = (65536-500)/256;
TL0 = (65536-500)%256;
P2=0xff;
P0=dis_buf[dis_index];
P2=dis_digit;
dis_digit = _crol_(dis_digit,1);
dis_index++;
dis_index &= 0x07;
}
void timer1() interrupt 3
{
TH1=(65536-5000)/256;
TL1=(65536-5000)%256;
count++;
if(count==4)
{
count=0;
tmpchange();
display(tmp());
}
}
附录B:直流电机在-200 C ~700范围之内外的旋转情况
附图1在-200 C ~700范围之内时电机不旋转
附图4在-200 C ~700范围之外时电机继续旋转
参考文献
［1］彭伟. 单片机C语言程序设计实训――基于8051+Protues仿真[M].电子工业出版社.2010
［2］徐玮,徐富军,沈建良. C51单片机高效入门[M].机械工业出版社.2010 ［3］林志琦. 郎建军.基于Proteus 的单片机可视化软硬件仿真. 北京航空航天大学出版社. 2006
［4］郁有文. 传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社.2000.6
［5］李朝青. 单片机原理及接口技术. 北京航空航天大学出版社.2005
［6］李全利. 单片机原理及应用技术. 高等教育出版社. 2004.11
［7］耿德根. 高速嵌入式单片机原理与应用. 北京航空航天大学出版社.2003。