基于单片机的温度监测系统

课程设计课程名称：基于单片机的温度监测系统设计学院：明德学院专业：电自10152姓名：郭贵方号：102003110228年级：大三任课教师：杨靖2013年7月6日目录前言第一章单片机概述**********************************************3第二章总体方案设计********************************************52.1课题的意义*********************************************52.2系统整体硬件电路***************************************52.2.1芯片简介**********************************************52.2.2硬件电路设计及描述************************************6第三章系统软件算法设计***************************************11心得体会******************************************************20参考文献******************************************************21第一章单片机概述单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。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。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世,但依然沿袭对时钟分频的作法。单片机问世以来所走的路与微处理器是不同的。微处理器向着高速运算、数据分析与处理能力、大规模容量存储等方向发展，以提高通用计算机的性能。其接口界面也是为了满足外设和网络接口而设计的。单片机则是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。因此，单片机有着自已的特点，主要是：〔1〕〔2〕·品种多样，型号繁多。品种型号逐年扩充以适应各种需要。使系统开发者有很大的选择自由。·提高性能，扩大容量。集成度已达200万个晶体管以上。总线工作速度已达数十微秒。工作频率达到30MHz甚至40MHz。指令执行周期减到数十微秒。存储器容量RAM发展到1K、2K，ROM发展到32K、64K；·增加控制功能，向外部接口延伸。把原属外围芯片的功能集成到本芯片内。现今的单片机已发展到在一块含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存储器和I／O接口外，还有A／D、PWM、UART、Timer／Counter、DMA、Watchdog、SerialPort、Sensor、driver、还有显示驱动、键盘控制、函数发生器、比较器等，构成一个完整的功能强的计算机应用系统；·低功耗。供电电压从5V降到3V、2V甚至1V左右。工作电流从mA级降到μA级。在生产工艺上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS过渡；·应用软件配套。提供了软件库，包括标准应用软件，示范设计方法。使用户开发单片机应用系统时更快速、方便。使有可能做到用一周时间开发一个新的应用产品；·系统扩展与配置。有供扩展外部电路用的三总线结构DB、AB、CB，以方便构成各种应用系统。根据单片机网络系统、多机系统的特点专门开发出单片机串行总线。此外，还特别配置有传感器，人机对话、网络多通道等接口，以便构成网络和多机系统。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。第二章总体方案设计2.1课题设计的意义一：消化与巩固《单片机原理及接口技术》课程所学的知识。一切问题来源于书本，在做课题的时候，有很多的问题都需要在课本中找到答案，这就使得把这学期的《单片机原理及接口技术》有了一次系统的复习，对所学的知识进行了巩固与消化。二：理论联系实际，用理论知识解决实际的问题。三：培养设计能力，初步掌握设计的步骤和方法。四：设计一个具有一定功能的温度检测系统，该系统上电或按键复位后监测准备状态，按监测启动键，系统开始监测温度，并将温度通过串行口方式传送给计算机，按下停止键，系统停止监测。要求使用DS18B20监测温度，有上电复位和按键复位，要有声光报警。2.2系统整体硬件电路2.2.1芯片介绍本次设计一共用到了以下几个芯片：80C51、DS18B20、74LS138、LED数码管显示器。80C51的介绍：MCS-51系列单片机的硬件结构基本相同，主要区别在于芯片上ROM的形式和配置。8051的基本结构由：1个8位的CPU、1个片内时钟振荡器、4KB的片内程序存储器、128个字节的片内数据存储器、4个并行的I/O口，具有32个双向的、可独立操作的I/O线、2个16位的定时/计数器、1个全双工的串行口、5个中断源，可设置成2个优先级、21个特殊功能寄存器、具有很强的布尔处理功能有机结合在一起，共有40个引脚。DS-18B20数字温度传感器的介绍：DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。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。测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃，支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。DS18B20数字温度计提供9位二进制温度读数，指示器件的温度，信息经过单线接口送入BS1820，因此从主机CPU到DS1820仅需一条线盒地线，DS1820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。74LS138的介绍：74LS138是一种常用的3-8译码器芯片。其中，A、B、C为数据输入端，/G2A.、/G2B、和G1为数据输入允许端，/YO-/Y7为译码器的输出端，低电平有效，显然，当输入C、B和A的状态确定时，译码器输出/Y0~Y7只有1个为低电平，其余为高电平。LED数码显示器的介绍：LED数码显示管是单片机应用产品中常用的廉价输出设备，它是由若干个发光二极管组成显示字段，当二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，就能显示出各种字符，常用的8段LED显示a~g和dp为显示字段控制端。2.2.2硬件电路的描述及设计二硬件电路的描述1.温度采集系统功能说明及总体方案的介绍（1）温度测量功能利用DS18B20数字温度传感器实现对温度进行精确测量，是温度值显示在数码管上。（2）温度采集功能利用DS18B20数字传感器对温度进行采集，单片机作为控制器件，数据通过串行口传至计算机，进行温度的采集。（3）系统工作流程附图一（4）总体方案的介绍利用DS18B20对温度进行下采集，通过单片机的处理，在LED上显示出数据，利用两个开关控制，开始键按下，开始测试，停止按键，按下后停止检测，数码管显示最近一次检测值。超过60度，声光报警。2绘制硬件电路图，3温度检测系统的原件清单器件名称数量80C51单片机1个DS18B201个74LS1381个LED数码管3个蜂鸣器1个二极管1个电容若干电阻若干开关若干4详细介绍温度检测系统电路主要部分的工作原理（1）单片机型号的选择及引脚的工作情况本设计用到了80C51共有40个引脚，其中用到的引脚有：控制引脚、RESET、/EA、P0、P1、P2口，还用到了XTAL1、和XTAL2的晶整信号的输入、输出引脚。RESET引脚：复位信号，在RESET引脚上保持2个机器周期以上的高电平，单片机复位，通过按键上电复位电路输入信号，控制单片机。/EA引脚：内外程序存储器选择控制端，/EA接高电平，CPU对程序存储器的操作从单片机内部程序存储器开始，并可延伸到单片机的外部程序存储器。P0口引脚：8位双向的三态I/O口，单片机有外部扩展时，作为低8位地址线和数据总线使用，可以驱动8个TTL负载，在设计中P0.0和P0.1控制开关K1和K2，P0.2、P0.3、P0.4控制74LS138译码器的选通。P1口引脚：8位准双向I/O口，可以驱动4个TTL负载，在设计中P1.0接的是GND接地引脚，P1.1和P1.2接的是声光报警器，P1.3接的是DS18B20的温度检测器。P2口引脚：8位准双向的I/O口，当单片机有外部扩展时，作为高8位的地址线使用，可以驱动4个TTL负载，设计中用P2口控制三个共阴级的LED。XTAL1、XTAL2引脚：晶体振荡器信号输入输出引脚，用来控制设计中的晶振电路。（2）复位电路的原理复位电路的目的是产生持续时间小于2个机器周期的高电平。通常，在设计时，使复位电路在单片机上能产生1~10MS的高电平，保证可靠的实现复位。按键开关及上电自动复位电路：上图为按键开关及上电自动复位电路，当按键开关S按下时，+5V电源通过S接通电阻R和R1构成电路网咯，设计时使电阻R1上的分压达到高电平的值，就可以是单片机复位，因为按动按钮开关使其闭合的时间远远大于单片机复位随需要的时间，通常把上电复位和按钮开关复位电路综合在一起，这样就可以在每一次电源接通时系统复位，也可以满足强制复位的要求，C取22uf，R取1000，R1取200左右。（3）74LS138译码器的工作原理原理：当一个选通端G为高电平，另外两个选通端/G2A、/G2B为低电平时可以将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平输出。其真值表如下：/G/G2A/G2BCBA/Y0/Y1/Y2100000011100001101100010110当C、B、A输出为000时，74LS138选中LED1，LED1管发亮，输出001时，LED2管发亮，输出为010时，LED3管发亮。（4）晶振电路利用单片机芯片上提供的反相放大器电路，在XTAL1和XTAL2引脚之间外接振荡源构成单片机的时钟电路，有振荡源OSC和电容C1和C2构成了并联谐振回路作为定时元件，振荡源QSC晶体振荡器或陶瓷振荡器，频率为1.2~~12MHz，电容C1、C2为30pF，起频率微调作用，在单片机的应用系统中，晶振的频率越高，单片机的运行速度越快。（5）声光报警系统声光报警器的主要源器件是由感应器，发光二极管、蜂鸣器等构成整个报警器，当温度超过60是，就自动报警。（6）DS18B20温度检测器的原理DS18B20工作过程中的协议如下：初始化，ROM操作指令，存储器操作指令，数据处理。多路测量，当每一片DS18B20在其ROM中都存有其唯一的48位系列号，在出厂前，与写入片内ROM，主机在进入操作程序前必须接入1820用读，ROM命令将1820的系列号读出并登陆，在1820组成的测温系统中，主机在发出跳过ROM命令之后