1、 西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告目录1 前言 .12 总体方案设计 .321 设计内容 .322 方案比较 .3221 方案一 .3222 方案二 .32.2.3 方案三 .423 方案论证 .524 方案选择 .53 单元模块设计 .63.1 各单元模块功能介绍及电路设计 .63.1.1 电源电路 .63.1.2 中央处理电路 .63.1.3 测温电路 .73.1.4 显示电路 .73.1.5 超温报警电路 .93.1.6 串口下载电路 .103.2 电路参数的计算及元器件的选择 .113.2.1 中央处理电路 .113.2.2 测温电路 .113.2.4 显示电路 .113.3
2、 特殊器件的介绍 .113.3.1 STC89C52 单片机特点及特性 .113.3.2 DS18B20 介绍 .133.3.3 矩阵键盘 .153.4 各单元模块的联接 .164 软件设计 .174.1 软件设计原理及使用工具 .174.1.1 设计原理 .174.1.2 使用工具 .174.2 系统软件设计结构图及其功能 .174.3 主要软件设计流程框图及说明 .184.3.1 主程序流程及说明 .185 系统调试 .205.1 系统调试 .216 系统功能、指标参数 .226、1 说明系统能实现的功能 .226、1、1 设置温度上限 .226、1、2 温度测量 .226、1、3 报警
3、.22西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告6.2 系统性能分析 .237 结论 .248 总结与体会 .259 参考文献 .2610 附录 1：相关设计图11 附录 2：相关设计软件第 1 页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告1 前言随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。而温度传感器在生产和生活中有广泛应用，对其的了解及应用就显得更为重要了。单片机在测控领域中具有十分广
4、泛的应用，它既可以测量电信号，又可以测量温度、湿度等非电信号。由单片机构成的温度检测、温度控制系统可广泛应用于很多领域。在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。目前的智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在 20 世纪 90 年代中期问世的，它的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传
5、感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。温度计是常用的热工仪表，常用于工业现场作为过程的温度测量。在工业生产过程中，不仅需要了解当前温度读数，而且还希望能了解过程中的温度变化情况。随着工业现代化的发展，对温度测量仪表的要求越来越高，而数字温度表具有结构简单，抗干扰能力强，功耗小，可靠性高，速度快等特点，更加适合于工业过程中以及科学试验中对温度进行在线测量的要求。数字温度计的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪
6、表。数字化是当前计量仪器仪表发展的主要方向之一。而高准确度数字温度计的出现，又使温度计进入了精密标准测量领域。与此相适应，测量的可靠性、准确性显得越来越重要。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元, 为了进行数据处理,单片机控制数字温度传感器,把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递到单片机上。单片机数据处理之后,发出控制信息改变报警和控制执行模块的状态,同时将当前温度信息发送到 液晶显示屏进行显示。本系统可以实现多路温度信号采集与显示,可以使用按键来设置温度限定值,通过进行温度数据的运算处理,发出控制信号达到控制蜂鸣器和发光二极管的目的。我所采用的控制芯片为 STC89c52,此芯片功能较为
7、强大,能够满足设计要求。通过对电路的设计,对芯片的外围扩展,来达到对多路温度的采集和显示功能。第 2 页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告本课程设计是配合课堂教学的一个重要的实践教学环节，它能起到巩固课堂和书本上的知识，加强综合能力，提高系统设计水平，启发创新思想的效果，培养资料搜集和汇总的能力，培养总体设计和方案论证的意识，提高硬件，软件设计与开发的综合能力， 提高软件和硬件联合调试的能力，掌握相关开发软件，仿真软件的使用方法。现在计算机科学在应用上得到飞速发展，因此，学习这方面的知识必须紧跟实际连接。掌握这方面的知识更重要强调解决实际问题的能力。该课程设计给我们提供了一个很好的机会
8、，它要求我们结合课堂上和书本中学到的知识去独立设计一个硬件系统，它是我们迈向实践和应用的桥梁，我们学习书本上的知识是一个不断积累的过程，而该课程设计却使得我们能够尽情发挥他们，让我们更了解计算机及软硬件的结合使用，虽然课程设计的时间比较短，但它却在整个教学计划中占据了及其重要的位置。第 3 页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告2 总体方案设计21 设计内容利用温度传感器 DSB18B20 实现温度的测量，由单片机 STC89C52 控制信号并在 LED或 LCD 上显示测量结果。利用键盘上的数字键设置每一路的报警温度，LCD 将显示 4 路温度值，在超温后蜂鸣器将鸣叫报警且 LCD 将
9、显示超温的通道。22 方案比较对同一种目的的实现，可以用不同的方案，下面就着重介绍以下三种方案对同一目的的实现方法。并比较三种方案的优劣。221 方案一原理框图如图 2.1：图 2.1 方案一的原理框图方案一的原理简述：该方案的各部分电源均由总电源供电，温度传感器为热电偶，热电偶的热端感受被测物体温度 t，产生相应的热电势。热电势与热端温度成单值函数关系，用模数转换器 ADC 将热电势转化为数字量，按照热电势与温度的函数关系将该数字量转换为对应温度值，经译码显示电路显示在数码管上，从而实现数字温度计的功能。222 方案二原理框图如图 2.2：热电偶ADC译码显示电路电源第 4 页西华大学电气信
10、息学院智能化电子系统设计报告图 2.2 方案二的原理框图方案二的原理简述：该方案的各部分电源均由总电源供电，选择 DS18B20 作为本系统的温度传感器， 选择单片机 STC89C52 为测控系统的核心来完成数据采集、 处理、显示、 报警等功能。 选用数字温度传感器 DS18B20，数字温度传感器在采集到输出温度后直接输出数字量信号。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路，省略了采样、保持电路、运放、数模转换电路以及进行长距离传输时的串并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。当 LCD1602 液晶显示屏接收到来自 STC89C52 单片机传送来的温
11、度信息后，分别显示当前的温度；若采集的温度超过了程序设定的报警温度，则发光二极管闪烁发光，蜂鸣器同时发出报警。2.2.3 方案三原理框图如图 2.3：图 2.3 方案三的原理框图方案三的原理简述：该方案的各部分电源均由总电源供电，由模拟及数字元器件组成的控制电路作为核心，控制数字温度计采集温度，数字温度传感器在采集到温度后直接输出数字量，传给控制电路进行处理，控制电路将传回的二进制数据处理后转换为相应温度，由译码显示电路以十进制形式显示在数码管上。显示电路电源数字温度传感器STC89C52最小系统锁存器报警电路数字温度传感器 控制电路译码显示电路传感器第 5 页西华大学电气信息学院智能化电子系
12、统设计报告23 方案论证以上三种方案都是可行的，第一种方案的优点是由纯硬件电路构成，不涉及软件编程，但是由于热电势与温度之间的函数关系较复杂，利用硬件电路完成其转化较复杂，设计该电路难度较大且电路将比较庞大。第二种方案的难点主要是单片机程序编制，但其硬件电路相对简单，借助于微控制器的强大功能可使设计周期缩短，测量精度高，且易于扩展功能，增强了电路对各种工作要求的适应性。第三种方案的优点是由纯硬件电路构成，不涉及软件编程，但是数字式温度传感器的工作涉及复杂的时序，用硬件电路实现将十分复杂，电路设计难度大且电路庞大。24 方案选择考虑到电路的灵活性和适用性及本次课程设计的要求，经过上面三个方案的分
13、析，第二个方案的可行性高，所以我们选择第二个方案做为本次的设计方案。在第二个方案中，数字式温度传感器和单片机起着主导作用，单片机控制传感器测温并将其传回的数据进行处理、分析，通过改变程序，还可改变测量精度及电路的功能，因而可实现本次设计的要求。第 6 页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告3 单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1 电源电路D4R111KVCC123J4入入入入1 2 3456S1KEY5V
14、CC+15VCOM23VCGNDGNDJ5USB入入入TVS1P6KE6.8A入 入 入 入图 3.1 电源电路原理图电源采用 USB 供给，通过 USB 接口输入至电路，S1 为电源开关，发光二极管显示电路板的上电状态。3.1.2 中央处理电路中央处理电路主要由时钟振荡电路，复位电路及 STC89C52 单片机构成，其中 RP1为 10k 的排阻，作为单片机 P0 口的上拉电阻。中央处理电路控制数字温度传感器进行测温并对传回的数据进行处理，再控制显示电路将测得温度显示在数码管上。第 7 页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告3.1.3 测温电路123J21DS18b20 R315.1K
15、VCC123J18DS18b20R285.1KVCC123J9DS18b20R155.1KVCC123J8DS18b20VCC R145.1K图 3.2 测温电路测温电路主要由数字温度传感器 DS18B20 构成。DS18B20 使用外部电源 Vcc 故其 3脚接 Vcc，I/O 口 2 脚通过信号线与单片机相连，I/O 口线要接 5K 左右的上拉电阻。测温电路完成温度的测量，将测得温度以二进制数据形式反馈给单片机进行处理。3.1.4 显示电路本系统使用的是 1602 液晶显示模块。1602 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、位数多、程序简单的诸多优点，在各类仪表和低功耗系
16、统中得到广泛的应用。根据显示内容可以分为字符型液晶，图形液晶。根据显示容量又可以分为单行 16 字，2 行 16 字，两行 20 字等等。在本系统中使用的是字符型两行 16 字液晶显示器。在与单片机连接时使用接口电路（排针）相连，为并行通信。以下是 1602 液晶显示器外型图和液晶显示的典型应用。第 8 页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告1602 液晶显示采用标准的 16 脚接口，其中：（模块背面有标注）第 1 脚：VSS 为地电源第 2 脚：VDD 接 5V 正电源 第 3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，使用时通过一个 5K 的电位
17、器调整对比度第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当 RS 为高电平、RW 为低电平时可以写入数据。第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。第 1516 脚：空脚1602 液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了不同的点阵字符图形，这些字符有，阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，其中数字与字母同 ASCII 码兼容。图 3.3 液晶显示器外形图
