1、 摘 要 随着社会的发展，自动控制越来越受到人们的关注，温度的控制系统也成为人们备受关注的焦点之一。单片机的广泛应用已经成为高新科学技术的重要内容和标志之一，它在国民经济中的各个领域正在发挥着引人注目的作用。本文利用单片机技术和传感器技术设计了一种实时温度监控系统。 本次设计的温度控制器的主控器是 ATMEL 公司生产的 AT89S51。传感器是使用较为广泛的数字温度传感器 DS18B20，它具有独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与 DS18B20的双向通信，通过键盘设置温度上下限，用 LED 数码管显示实时温度，另外使用蜂鸣器进行超温时的警报。 本文对系统的总体
2、设计方案与论证、硬件系统的设计、软件系统的设计等模块做出了详尽的说明。 关键词 ： AT89S51;DS18B20;温度控制系统 ;Proteus;Keil Abstract With the development of society,the automatic control is being paid more and more attention ,the temperature control system has also become a focus of concern.The MCU application of new and high science and techn
3、ology has become the important content and one of marks, which in all areas of the national economy is playing the role of attract peoples attention.In this paper,the MCU technology and the sensor technology is used to design a real-time temperature monitoring system The temperature controller of th
4、e master of this design is the AT89S51, which is produced by the ATMEL.The sensor is widely used in the digital temperature sensor DS18B20, which has a unique single interface is connected with the microprocessor, only needs one line can realize microprocessor with DS18B20 bidirectional communicatio
5、n, through the keyboard to set the temperature of upper and lower limits, with LED digital tube display the real-time temperature.In addition to using the buzzer for super high temperature alarm The systems overall design and demonstration of hardware systems design,software system design module to
6、make a detailed explanation. Keywords: AT89S51;DS18B20;temperature control system;Proteus;Keil 目 录 1 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.2 国内外 的发展状况 . 2 1.3 课题内容安排 . 3 2 仿真软件的介绍 . 4 2.1 Proteus 软件 . 4 2.1.1 proteus 软件简介 . 4 2.1.2 Proteus ISIS 工作环境 . 5 2.1.3 Proteus 的基本操作 . 6 2.1.4 Proteus 简单应用 . 6 2.2 Keil
7、软件 . 7 2.2.1 Keil 软件简介 . 7 2.2.2 Keil uVision4 工作环境 . 8 2.2.3 Keil 工程的创建 . 8 3 系统总体方案的设计 . 10 3.1 系统方案的设计 . 10 3.2 系统方案的论证 . 10 3.2.1 单片机的选型 . 10 3.2.2 传感器的选型 . 12 3.2.3 键盘的选型 . 14 4 系统硬件模块的设计 . 16 4.1 单片机 AT89S51 电路的设计 . 16 4.1.1 单片机系统的组成 . 16 4.1.2 单片机的引脚功能 . 16 4.1.3 时钟电路 . 19 4.1.4 复位电路 . 19 4.1
8、.5 单片机的最小系统 . 21 4.2 温度采集电路 . 21 4.2.1 DS18B20 的结构框图 . 21 4.2.2 DS18B20 引脚定义 . 24 4.2.3 DS18B20 的控制方法 . 24 4.2.4 DS18B20 测温原理 . 26 4.2.5 DS18B20 与单片机的接口电路 . 28 4.3 数码管的显示电路 . 28 4.3.1 LED 的结构 . 28 4.3.2 LED 的工作原理 . 29 4.3.3 LED 数码管显示接口电路 . 29 4.4 键盘输入电路 . 30 4.4.1 消抖动措施 . 30 4.4.2 按键状态识别 . 31 4.4.3
9、独立式键盘的接口电路 . 31 4.5 蜂鸣器电路 . 32 5 系统软件模块的设计 . 33 5.1 主程序流程图 . 33 5.2 读出温度子程序 . 34 5.3 温度转换命令子程序 . 34 5.4 计算温度子程序 . 35 5.5 显示数据刷新子程序 . 36 5.6 按键扫描处理子程序 . 36 6 系统仿真 . 37 6.1 单片机 C 语言的简单介绍 . 37 6.1.1 C51 编译器所支持的数据类型 . 37 6.1.2 C51 所支持的存储类型 . 37 6.1.3 编程过程中需要注意的事项 . 37 6.2 仿真的调试过程 . 38 6.3 仿真结果 . 38 总结 .
10、 41 致谢 . 42 参考文献 . 43 附录一 . 45 附录二 . 46 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 随着科学技术和生产的不断发 展 和创新 ，需要对各种参数进行温度测量 和设置 。因此温度一词在生产生活 当 中出现的频率 越来越多 ，与之相对应的，温度控制和测量也成为生活生产中 被广泛 使用的词语，同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用 ，温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。例如：在农业温室大棚生产、冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制作和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类环境、加热
11、炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测。 温度的测量及控制对保证产品质量、提高生 产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展 都有 非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。 随着温度检测理论和技术的不断更新 , 温度传感器的种类也越来越多， 不断 的 满足生产生活 当 中的需要 。 在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器 ，然而 传统的控制方式不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制
12、，通断频率很低。近几年来 快速发展了多种先进的温度控制方式， 采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控制温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业中经常遇到的问题。 基于单片机的温度控制系统可以实现对温度的显示、预警、控制等功能，对于工业生产效率的提高可以起到很大的作用。科学技术是第一生产力，对温度实现比较系统化的检测控制使人们的生产节奏有一个良好的循环。从而将节约更多的人力物力，降低生产过程中可以省略的一些繁琐的细节。一个简单有效地控制 系统可以在一定程度上使工厂的生产效益上一个台阶，只要使用得
13、当，就能发挥作用。 1.2 国内外的发展状况 进入 21世纪后，智能温度控制器正朝着高精度，多功能，总线标准化，高可靠性及安全性，开发虚拟温度控制器和网络温度控制器，研发单片机测温控系统等高科技的方向迅速发展。 (1)提高温度控制器测温精度和分辨力 在 20世纪 90年代中期最早推出的智能温度控制器采用的是 8位 A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到 2摄氏度。目前，国外以相继推出多种高精度，高分辨力的智能温度传感器，也有的芯片采用高速逐次逼近式 A/D转换器。 (2)新型智能温度控制器的测试功能也在不断增强。 例如，采用 DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟，使其功能更
14、加完善。另外，智能温度控制器正在从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。 (3)温度控制器总线技术的标准化与规范化 目前，智能温度控制器的温度传感器的总线技术也实现了标准化，所采用的总线主要有单线总线、 I2C总线、 SMBus总线。采用的温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。 (4)虚拟温度 控制器和网络温度控制器 虚拟温度控制器是基于温度控制器硬件和计算机平台，并通过软件开发而成的。利用软件可完成温度控制器的标定及校准指标。 网络温度控制器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能温度控制器。它通过数字传感器首先将被测温度转换成数字量
15、，再送给微控制器作数据处理，最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享。 (5)温度控制器单片测温控制系统 单片系统是 21世纪一项高新科技产品。它是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度高达 108109元件 /片，这将给 IC产业及 IC应用带来划时代的进步。 1.3 课题内容安排 本次设计首先简单介绍了 Keil 和 Proteus 两个应用软件，对其功能有基本的了解，为后面系统仿真做准备；完成了系统的总体设计方案，并对系统的主要部件进行了选型；了解单片机、温度传感器、键盘、 LED数码管等模块的工作原理与特性，完成硬件系统的
16、设计；完成软件系统的设计；调试运行，保证系统的稳定性和程序的可靠性，最后撰写论文。 2 仿真软件的介绍 2.1 Proteus 软件 2.1.1 proteus 软件简介 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司 开发的电路分析与仿真软件。 Proteus 主要有 ISIS 和 ARES 两部分组成。本文主要使用 Proteus7.7软件的 ISIS 对系统进行原理图设计，并在原理图上对单片机 C 语程序进行调试与仿真。 ISIS 是该公司出品的用于原理图设计、电路分析与仿真、处理程序代码调试和仿真、系统测试以及功能验证的 EDA 软件，运行 Windows
17、 操作系统之上，具有界面友好、使用方便、占用存储空间少、仿真资源丰富、试验周期短、硬件投入少、实验过程损 耗小和实际设计接近等特点。它具有模拟电路仿真、数字电路仿真、数模混合电路、单片机等微处理器及其外围电路（如总线驱动器 74LS373、可编程外围定时器 8253、并行接口 8255、实时时钟芯片 DS1302、 LCD、 RAM、 ROM、键盘、马达、LED、 AD/DA、 SPI、 IIC 器件等）组成的系统的仿真等功能，配合可供选择的虚拟仪器，可搭建一个完备的电子设计开发环境，同时支持第三方的软件的编辑和调试环境，可与 Keil、 Protel 等软件进行联调，达到实时的仿真效果，因此
18、受到广大电子爱好者的青睐。 该软件 具有以下 特点 ： （ 1）实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、各种单片机 (51 系列、 AVR、 PIG 等常用的 MCU)及其外围电路 (如 LCD、 RAM、 ROM、键盘、 LED、 A/D、 D/A )组成的系统仿真、 RS-232 动态仿真、 SPI 调试器、键盘和 LCD 系统仿真的功能 ;有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等调试非常方便。 （ 2）提供软件调试功能，在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态。 （ 3）支持主流单片机系
19、统的仿 真。目前支持的单片机类型有 8051 系统、 ARM 系列、 AVR 系列、 PIC 系列以及各种外围芯片。 （ 4）具有强大的原理图绘制功能。 Proteus 与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机 CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变 ,而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用阉脱节的矛盾和现象。同时，当硬件调试成功后，利用 Proteus ARES 软件，很容易获得其 PCB 图
20、，为今后电路板的制造提供了方便。 2.1.2 Proteus ISIS 工作环境 图 2-1 Proteus ISIS Professional 用户界面 如图所示 2-1“ ISIS Professional”也提供了多种命令执行方式：菜单栏提供了诸如文件 File（文件）、 View（视图）、 Edit（编辑）、 Tools（工具）、 Design（设计）、 Graph（图形）、 Source（源）、 Debug（调试）、Library（库）、 Template（模板）和 Help 等 12 种操作菜单；使用工具栏按钮可以快速地执行 ISIS 命令；使用键盘快捷键也可以执行 ISIS 命令
21、，键盘快捷键根据使用习惯等需要还可以重新设置 。 2.1.3 Proteus 的基本操作 使用 Proteus 进行设计仿真的基本操作步骤：（ 1）新建设计文件；（ 2)对象的选择与放置；（ 3）对象的编辑；（ 4）电路布线；（ 5）设置元器件属性；（ 6）电气规则检查；（ 7）仿真调试。 2.1.4 Proteus 简单应用 （ 1）绘制原理图：绘制原理图要在原理图编辑窗口中的蓝色方框内完成。原理 图编辑窗口的操作是不同于常用的 WINDOWS 应用程序的，正确的操作是：用左键放置元件；右键选择元件；双击右键删除元件；右键拖选多个元件；先右键后左键编辑元件属性；先右键后左键拖动元件；连线用左键，删除用右键；改连接线：先右击连线，再左键拖动；中键放缩原理图。 （ 2）定制自己的元件：有三个个实现途径，一是用 PROTEUS VSM SDK开发仿真模型，并制作元件；另一个是在已有的元件基础上进行改造，比如把元件改为 bus 接口的；还有一个是利用已制作好 (别人的 )的元件，我们可以到网上下载一些新元件并把它们添加 到自己的元件库里面。 （ 3） Sub-Circuits 应用：用一个子电路可以把部分电路封装起来，这样可以节省原理图窗口的空间。
