1、 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*5 2.1 课题的意义*5 2.2 系统整体硬件电路*5 2.2.1 芯片简介*5 2.2.2 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 。
2、 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
3、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
4、 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
5、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
6、 减 到 数 十 微 秒 。 存 储 器 容 量 RAM 发 展 到 1K、 2K， RO M 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、 U ART、 Timer Counter、 DMA、 Watchdog、 Serial Port、 Sensor、 driver、 还 有 显 示 驱 动
7、 、 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 A 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
8、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
9、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
10、 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
11、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-5
12、1 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
13、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
14、， 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、
15、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 /Y0Y7 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 ag 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
16、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 DS18B20 1 个 74LS
17、138 1 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
18、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
19、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 110MS 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
20、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 /G2B C B A /Y0 /Y1 /Y2 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0
21、 1 0 1 1 0 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 1.212MHz，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
22、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，再发出系统的温度转换启动码，就可以实现所有 1820 的统一转换，在经过一秒后，就可以用很
23、少的时间逐一读取。 第三章：系统软件算法设计 由于汇编语言学的时间太短，所以用 C 语言。望老师谅解！ #include #include #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long sbit key1 = P11; /按下开始检测 sbit key2 = P13; /按下显示 sbit le = P23; sbit oe = P24; sbit beep=P16; sbit DQ=P17; /DS18B20 数据 I/O
24、 口 #define COMMAND_UNKNOW 8 /不可识别的返回类型 /= = / 基本的常用常量 /= = #define TRUE 1 /正确 #define FALSE 0 /错误 unsigned char num; uchar code dispcode= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0xff,0x6f ; /共阴极显示代码 uchar disp_buf3=0x00,0x00,0x00; /显示数据缓冲区 uchar dp0=0,dp1=0,dp2=0; #define NOP _nop_() uchar temp_h,
25、temp_l; /*温度值变量*/ uchar flag1; /*正负标志位*/ sbit tem_in=P17; /*温度读取端口 1*/ uchar Tem_H,Tem_L; /用于存储温度转换值高 8 位和低 8 位 bit Flag=0; /正、负温度值符号标志位，0 为正， 1 为负 void delay1ms(uchar x); /延时约 1ms 程序 /*函数声明*/ void delay(int us); /延时函数 bit Init_DS18B20(void); /DS18b20 初始化函数 uchar Read_bit(void); /DS18b20 读一个字节 void
26、Write_bit(uchar val_bit); /DS18b20 写一个字节 uchar Read_byte(void); /DS18B20 读字节函数 void Write_byte(uchar com); /DS18B20 写字节函数 int ReadTemperature(); /DS18b20 读取温度 void display_temp(void); /显示函数 void adj_dat(); /显示字节调整函数 void l_delay(int n); /延时函数 void delay(unsigned int count) unsigned int i; while(coun
27、t) i=200; while(i0)i-; count-; void Delay_us(uchar n) uchar i; i=0; while(i0)i-; tem_in=1; i=4; while(i0)i-; /*= 函数功能:向 B20 写一字节 入口参数:待写数据 说 明 : =*/ void tmpwrite(unsigned char dat) unsigned int i; unsigned char j; bit testb; for(j=1;j1; if(testb) tem_in=0;i+;i+; tem_in=1; i=8;while(i0)i-; else tem_
28、in=0; i=8;while(i0)i-; tem_in=1;i+;i+; /*= 函数功能:直接读一字节程序 入口参数:无 说 明 :返回结果 =*/ uchar ReadByte(void) uchar i,k; i=8; k=0; while(i-) tem_in=1; Delay_us(1); tem_in=0; k=k1; tem_in=1; NOP; if(tem_in)k |= 0x80; Delay_us(4); return(k); void tmpchange(void) dsreset(); /*复位*/ delay(1); tmpwrite(0xcc); /跳过序列号
29、命令 tmpwrite(0x44); /转换命令 delay(1); void tmp(void) float dis; / uchar tempbuf; dsreset(); delay(1); tmpwrite(0xcc); tmpwrite(0xbe); temp_l=ReadByte(); /低位在前 temp_h=ReadByte(); /高位在后 flag1=temp_h if(flag1) temp_h=temp_h; if(temp_l=0)temp_h+; /若低位全为且温度为负，取补时就要向高位 进 temp_l=temp_l+1; dis=(temp_h*256+temp
30、_l)/16; if(int)dis60) disp_buf0=dispcode(int)dis%1000/100; /显示百位 disp_buf1=dispcode(int)dis%100/10; /显示十位 disp_buf2=dispcode(int)dis%10; /显示个位 /*温度检测*/ void tmp_test(void) float dis; dsreset(); delay(1); tmpwrite(0xcc); tmpwrite(0xbe); temp_l=ReadByte(); /低位在前 temp_h=ReadByte(); /高位在后 flag1=temp_h i
31、f(flag1) temp_h=temp_h; if(temp_l=0)temp_h+; /若低位全为且温度为负，取补时就要向高位 进 temp_l=temp_l+1; dis=(temp_h*256+temp_l)/16; if(dis60)/超出温度极限报警 beep=1; else beep=0; /*主程序*/ void main (void) dp0=dispcode0; dp1=dispcode0; dp2=dispcode0;/初始化数码管显示 0 delay1ms(2000); /延时 2S while(1) tmpchange(); delay(10); tmp_test()
32、;/检测温度并报警 if(!key1) delay1ms(10); /去抖动 tmpchange(); / 启动温度转换 delay(10);/采集温度 if(!key2) delay1ms(10); dp0=disp_buf0; dp1=disp_buf1; dp2=disp_buf2;/将采集温度赋给显示变量 /分段显示数码管数字 P2=0x00; P0 =dp0; delay1ms(1); P2=0x01; P0 =dp1; delay1ms(1); P2=0x02; P0 =dp2; delay1ms(1); /*延时函数 */ void l_delay(int n) int i,j;
33、 for(i=0;ii; /右移 i 次取低位发送 temp Write_bit(temp); delay(5); /*温度值正负判断程序 */ uint Get_Tem(uchar dath,uchar datl) uint temp=0,temp_h=0,temp_l; temp_h=(uint)dath; temp=temp_h temp_l=(uint)datl; temp_l temp=(temp8)|temp_l; /去掉符号值后合并成 16 位数据 if(dath temp=temp+1; /负数时求补 else Flag=0; return(temp); /*温度读取函数*/
34、int ReadTemperature() uint temp=0; float temp1=0; while(!(Init_DS18B20(); Write_byte(0xCC); /跳过读序号列号的操作 Write_byte(0x44); /启动温度转换 while(!(Init_DS18B20(); / Match_ROM(n); Write_byte(0xBE); /读取温度寄存器等（共可读 9 个寄 存器） 前两个就是温度 Tem_L=Read_byte(); /低位 Tem_H=Read_byte(); /高位 temp=Get_Tem(Tem_H,Tem_L); temp1=te
35、mp*0.0625; temp=temp1*10+0.5; return(temp); /*显示数据处理函数*/ void adj_dat() uint temp; temp=ReadTemperature(); /读温度 /temp=345; disp_buf0=dispcodetemp%1000/100; /显示百位 disp_buf1=dispcodetemp%100/10; /显示十位 disp_buf2=dispcodetemp%10; /显示个位 void delay1ms(uchar x) /延时约 1ms 程序 uchar Time,Time1; for(Time=0;Time
36、x;Time+) for(Time1=0;Time1120;Time1+); 心得体会 通过这次单片机课程设计，我不仅加深了对单片机理论和汇编 语言的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如 何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新 可以使自己在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，使之成 为自己的东西。 杨靖老师严格要求虽然给我带来的很大的压力，但是给我们的 收益也是成正比的，从开始的浮躁、不认真到最后的努力专研；我 们的态度从根本上发生了变化； 在这里深深的感谢杨老师的教导，让我们认识到自己的不足、 浮躁、没有一颗做学问的新是我们当今大学生最大的缺失，我以后 会努力的改进，端正自己的学习态度，能自己完成的任务独立完成， 不在渴求得到别人的帮助！ 参考文献 【 1】 单片机原理及接口技术 清华大学出版社 【 2】 ds18b20 工 作 原 理 和 中 文 资 料 百 度 文 库 【 3】 80C51 引 脚 图 及 各 个 引 脚 的 用 处 百 度 文 库 【 4】 单片机原理及应用(MCS-51) 重庆大学出版社 【 5】 MCS-51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术 北京航空航天大学出版社 【 6】 C 语言程序设计 清华大学出版社 【 7】 程序流程图 【 8】 【 9】 【10】 【 11】 硬 件 图
