大学毕业论文-—数显温度控制仪的设计设计.doc

四 川 理 工 学 院毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目：数显温度控制仪的设计系 别：专业班级：学生姓名：指导教师：教 研 室：提交时间：毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日数显温度控制仪的设计教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘 要单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。单片机由于其微小的体积和极低的成本，广泛的应用于家用电器、工业控制等领域中。在工业生产中，电流、电压、温度、压力和流量也都是常用的被控参数。本论文介绍了基于单片机的温度控制系统的硬件设计和软件开发的过程。本系统由DALLAS出品的新型单路串行数字式温度传感器DS18B20完成温度测量；采用AT89C51单片机作为系统的控制芯片，完成温度值接收、转换、分析、判断阈值、输出功能、报警处理。整个系统具有集成度高、可靠性强、抗干扰性强（串行通信特点）、鲁棒性强、可扩展性强、体积小、功耗低等特点。具有测温、上限报警、下限报警、温度控制及显示功能 。关键词： DS18B20 单片机 显示 报警- I -数显温度控制仪的设计ABSTRACTThe development and application of MCU (Micro Control Unit) have made a great change in many fields of modern industrial detection and control. Because of the small scale, low price and high efficiency of MCU, it is widely used in home appliances and industrial control. In the process of producing、current、voltage、 temperature and pressure are usually the parameters to be monitored.This paper mainly includes the introduction of AT89C51 and the general chips which are used in the system, the design of hardware and software. In the system, One wire digital thermometer, DS18B20, is used to measure temperature and output the temperature signal into AT89C51, then AT89C51 fulfill the functions, such as receiving the temperature signal, conversion, judge the threshold and alarm. The whole system has many features, high integration, strong reliability, anti-jamming(the character of serial communication), robust, expansibility and low power consumption. This system can measure temperature, display it and alarm when temperature over upper limit or lower limit, in the mean while, AT89C51 output signal to trigger the equipment which can regulate temperature.Keywords: DS18B20singlechipdisplayalarm 目 录摘要.ABSTRACT.第1章 概述.1第2章 任务与要求.2第3章 方案设计.3第4章 单片机AT89C51的结构和原理.54.1 AT89C51单片机的结构.54.2 引脚功能说明.6 4.3 AT89C51存储器.9 4.4 复位及其复位电路.11第5章 DS18B20智能温度控制器的介绍.12 5.1 DS18B20的内部结构.13 5.2 DS18B20温度传感器的存储器.16 5.3 DS18B20的操作命令.17 5.4 DS18B20的测温原理.19 5.5 DS18B20使用中注意事项.20第6章 温度控制仪的硬件设计.21 6.1 硬件结构框图.21 6.2 Protel99设计原理图.22 6.3 各部件电路介绍.25第7章 温度控制仪的软件设计.28 7.1程序模块设计.28 7.2 软件流程图.29第8章 硬件电路板的制作步骤.33第9章 结束语.35谢辞.37参考文献.38附录.39数显温度控制仪的设计第1章 概述电子技术的飞速发展，给人类生活带来了根本的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现的微型计算机，更是将人类社会带入了一个新的时代。利用微机的强大功能，人们可以完成各种各样的控制。然而，微机的造价高，对于大多数的工业控制来说，并不需要微机那样强大的功能，于是单片机就应运而生了。单片机其实是一个简化的微机，将微机的CPU、存储器、I/O接口、定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机，它主要用来完成各种控制功能。相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单的控制场合以降低成本。另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可在工业现场复杂的环境下运行。单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业控制、数据采集、智能化仪表、家用电器等方面得到极为广泛的应用。在现代工业设计，工程建设及日常生活中基于单片机的温度控制仪都起着重要的作用，早期的温度控制仪主要用于工厂生产中，起到实时采集温度数据，提高生产效率、产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制仪不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，以及家庭生活中。如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及显示温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，温度控制仪就可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时的反映生产、生活中温度的变化，使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化的情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制仪更好的服务于社会生产、生活。第2章 任务与要求一、设计任务 以温度传感器作为系统的检测元件，采用单片机作为系统的控制芯片，完成温度值接受、转换、分析、判断阀值、信号输出、报警处理。整个系统具有测量温度、上限报警、下限报警、温度控制及数码显示功能。不须设计具体的加热及降温电路，只需检测向外围设备输出的温度控制信号是否存在即可。二、 主要内容及基本要求1） 利用温度传感器检测温度，将非电信号转换成电信号；2） 利用单片机收集处理数据，并向外围设备输出控制信号；3） 采用LED实时显示被控温度及设定温度；4） 论文条理清楚、通顺，论述要求充实，符合技术用语要求，符号统一；编号齐全，书写工整，图文清晰；5） 翻译相关外文文献。第3章 方案设计数显温度控制仪，是利用单片机作为系统的主控制器，根据温度传感器测得的温度值，由软件查询判断上下阀值是否达到（阀值由编程设定）。如果超过温度上限，启动风扇用以降低温度使温度值返回到阀值以下；如果温度值达到下限阀值，则启动加热炉用以增加温度使温度值返回阀值以上。风扇和加热炉的启动与关闭，利用单片机管脚电平的高低分别控制。考虑到本次数显温度控制仪的控制对象是室温，温度检测和调整范围只需为099，温度控制的精度只需为1即可满足设计要求。根据这些指标可选用数字式温度传感器DS18B20作为系统的检测元件，单片机则选择通用性较好的AT89C51作为系统的主控芯片，再增加LED数码管显示电路、加热及降温电路、过温报警等辅助电路，通过软件程序设计来实现人机对话功能，即可实现对室内的温度控制。而本设计不须设计具体的加热及降温电路，只需检测向外围设备输出的温度控制信号是否存在即可，所以分别用发光二极管和蜂鸣器模拟代替。根据系统要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。 分析硬件电路主要包括：电源电路部分，键盘输入部分，温度采集电路部分，过温报警电路部分，LED显示电路部分，加热及降温电路部分，AT89C51单片机部分。这些可用一个方框图来表示，如图1-1所示。8951单片机LED显示键 盘过温报警电路温度采集电路加热及降温电路电源电路图1.1 温度控制系统方框图 从方框图上我们可以看出，整个系统主要划分为控制电路部分、加热及降温电路部分和测量电路三个部分。控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号，发出相应的指令来控制相关执行电路，是系统的核心。AT89C51对温度的控制是通过加热及降温电路部分实现的，只要改变加热或者降温电路接通的时间便可改变升温或者降温的幅度，从而达到调节温度的目的。而加热电路或者降温电路的接通时间可以通过在P10和P12引脚上产生的触发脉冲控制，该出发脉冲由AT89C51用软件产生。加热及降温电路用来实现对系统的升温或者降温。当温度没有达到要求，电路利用在P10和P12引脚上产生触发脉冲的高低分别决定加热或者降温电路的接通与断开。不过此次设计中没有对加热和降温的具体电路作出要求，我们就用蜂鸣器和发光二极管分别代替，检测其控制输出信号是否存在即可。测量电路的功能是将测量到的温度信号送入单片机中进行处理，它的核心元件是智能温度传感器DS18B20。与传统的热敏电阻相比，DS18B20不需要A/D转换器件和进行误差校正，而且分辨率更高，转换时间更快，稳定性更好。 软件程序主要由管理程序和控制程序组成，是设计的核心部分。其中管理程序是对显示LED进行动态刷新，控制指示灯，处理键盘的扫和响应，执行中断服务程序等。控制程序是用来对被控的对象进行采样，数据处理，根据温度控制要求进行计算和输出。整篇论文的主要内容包括：单片机AT89C51的结构和原理、DS18B20智能温度控制器的介绍、温度控制仪的硬件设计和软件设计、硬件电路板的制作步骤等。第4章 单片机AT89C51的结构和原理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 Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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， AT89C51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。本章通过介绍AT89C51单片机内部硬件结构、引脚功能、储存器和其复位电路等基础知识，使大家对89系列单片机的各种应用特性有较全面的了解，进一步理解本设计的原理。4.1AT89C51单片机的结构 AT89系列单片机在结构上基本相同，只是在个别模块和功能上有些区别，图4.1是AT89C51单片机的内部结构方框图。它包含了作为微型计算机所需的基本功能部件，而各部分功能部件通过片内单一总线连成一个整体，集成在一块芯片上。时钟电路程序存储器RAM数据存储器RAM中央处理器CPU中断系统各种I/O定时/计数器CTC图4.1 AT89C51单片机的内部结构 由图4.1可知，AT89C51单片机主要由中央处理器（CPU）、存储器、I/O端口、定时器/计数器、中断系统和内部总线等组成。主要特性有： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路4.2 引脚功能说明本系统选用的89C51芯片有40条引脚，与其他51系列单片机引脚是兼容的。这40条引脚可分为I/O端口线、电源线、控制线、外接晶体线四部分。其双列直插封装形式如图4.2所示。图4.2 AT89C51双列直插式封装和引脚分配图一. 管脚说明： VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 端口 管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 （外部中断0） P3.3 （外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 （外部数据存储器写选通） P3.7 （外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置“0”。此时，ALE只有在执行MOVX、MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 /VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。二、振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。其余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。三、芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。4.3 AT89C51存储器AT89C51单片机存储器结构采用哈佛型结构，即将程序存储器和数据存储器分开，它们有各自独立的存储空间、寻址机构和寻址方式，其典型结构如图4.3所示。外 部内部=1外部=0专用寄存器内部RAM外部FFFFH1000H0FFFH0000H0000H00H80H7FH00HFFFFH图4.3 AT89C51存储器结构图（a）程序存储器地址分配； （b）数据存储器地址分配一、程序存储器AT89C51程序存储器有片内和片外之分。片内有4KB字节的Flash程序存储器，地址范围为0000H0FFFH。当不够使用时，可以扩展片外程序存储器，因为程序计数器PC和程序地址指针DPTR都是16位的，所以片外程序存储器扩展的最大空间是64KB，地址范围为0000HFFFFH。无论片内还是片外扩展的程序存储器，两者的地址空间是统一的。0000H0FFFH这4KB的地址空间为片内和片外程序存储器所共有，或片内占用或者片外占用，但两者不能同时占用。为了加以区分，AT89C51提供了一个专用的控制引脚。引脚接高电平时，单片机程序从内部ROM开始执行，当PC值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。若引脚接低电平，则程序从外部扩展程序存储器的0000H地址开始取指执行，不管是否有内部Flash存储器。在64KB程序存储器空间中，有六个单元具有固定用途。第一个是0000H单元，由于AT89C51复位后程序计数器PC的内容为0000H，CPU必须从0000H单元开始执行程序，即0000H单元是整个系统程序的起始地址。而0000H单元与另一固定地址单元0003H之间只有3个字节空间，因此，一般在0000H单元中存放一条绝对转移指令，用户编写的程序从转移地址开始存放，这样做的目的是为了跳过其他五个中断入口地址。当系统不使用中断时，则无需跳转，程序从0000H单元开始顺序存放即可。在系统需要扩展外部程序存储器时，P0口和P2口作为地址/数据总线使用。P口作为地址/数据复用总线使用，它先输出16位地址的低8位（PC程序计数器低8位）。当系统不需扩展，只用内部4KB的Flash存储器时，P0口和P2口可作为普通I/O口使用。二、数据存储器AT89C51数据存储器也有片内和片外之分。片内有256个字节RAM，地址范围为00HFFH。片外数据存储器可扩展64KB存储空间，地址范围为0000HFFFFH，但两者的地址空间是分开的，各自独立的，结构分配如图2.3(b)所示。访问的指令也各不相同，访问内部数据存储器时，用MOV指令；访问外部数据存储器时，用MOVX指令。片内数据存储器分为两部分：00H7FH单元空间的128字节为RAM区；80HFFH单元空间的128字节为专用寄存器(SFR)区。两部分的地址空间是连续的。AT89C51单片机可扩展片外64KB空间的数据寄存器，地址范围为0000HFFFH，它与程序存储器的地址空间是重合的，但两者的寻址指令和控制线不同。程序存储器的访问指令为MOVC，控制线为,而片外数据存储器访问指令为MOVX，读写控制线为、。所以，尽管地址重合，也不会造成混乱。值得注意的是，数据存储器与I/O端口及外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O端口以及外围设备地址均占用数据存储器地址，因此使用时要合理安排数据存储器地址空间。4.4 复位及其复位电路单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。AT89C51单片机的复位是靠外部电路实现的，信号由RESET(RST)引脚输入，高电平有效，在振荡器工作时，只要保持RST引脚高电平两个机器周期，单片机即可复位，复位后，PC程序计数器的内容为0000H，片内RAM中的内容不变。复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路三种，本设计采用的复位电路是手动开关复位，如图4.4。图4.4 手动复位电路手动复位电路在有按键按下时，