基于单片机的温度测量.docx
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基于单片机的温度测量
毕业设计（论文）
课题名称便携式温度测量仪设计
学生姓名刘静
学号1041203009
系、年级专业电气工程系、10级测控技术与仪器
指导教师王跃球
2014年5月19日
邵阳学院毕业设计（论文）任务书
年级专业
10级测控技术与仪器
学生姓名
刘静
学号
1041203009
课题名称
便携式温度测试仪设计
设计（论文）
起止时间
2013年11月15日至2014年6月10日
课题类型
■工程设计□应用研究□开发研究
□软件工程□理论研究 □其他
课题性质
□真实■模拟□虚拟
一、课题研究的目的与主要内容
1.毕业设计的目的：
本课题是对工程实际问题的真实模拟，熟悉单片机控制系统的设计方法，掌握单片机硬件及软件设计的基本方法。
同时，掌握电气控制系统一般设计过程，培养科学的思维方式，正确的设计思想和解决实际问题的能力。
通过本课题的设计研究，为毕业后从事技术的研究工作打下基础，并得到初级测控技术人员的初步锻炼。
2.毕业设计的内容：
采用单片机80C51为控制核心，温度采集用温度传感器DS18B20，设计出便携式温度测试仪。
二、基本要求
（1）测温范围为-55℃~+125℃；显示电路采用4位共阳LED数码管；
（2）实现温度的采集，转换和显示，达到一定的精度，具有低功耗的功能。
（3）单片机最小系统设计；单片机与A/D转换接口电路设计；温度检测及变换电路设计；
（4）相关软件设计。
（5）严格按照邵阳学院毕业设计指导条例的要求完成开题报告一份，毕业设计说明书一份，与毕业设计内容相关的英文文献翻译稿一篇。
注：
1．此表由指导教师填写，经系、教研室主任审批生效；
2．此表1式3份，学生、系、教务处各1份。
三、课题研究已具备的条件（包括实验室、主要仪器设备、参考资料）
1、单片机实验室、微机室、Proteus软件环境；
2、参考资料：
［1］张俊谟．单片机中级教程——原理与应用[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2008．
［2］陈立周，陈宇．单片机原理及应用[M]．北京：
机械工业出版社，2008．
［3］蒋辉平，周国雄．基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例[M]．北京：
机械工业出版社，2009．
［4］张克弄．数字电子技术基础[M]．北京：
高等教育出版社，2003．
［5］梁贺青．增强核内存80C51教程[M]．北京：
电子工业出版社，2003．
四、设计（论文）进度表
1、2013年11月15日—2013年12月25日：
搜集、阅读和整理资料，交出开题报告
2、2013年12月26日—2014年1月25日：
进行方案论证并初步确定总体方案
3、2014年1月26日—2014年3月27日：
完成硬件电路设计
4、2014年3月28日—2014年4月28日：
进行软件设计与仿真，撰写论文并提交初稿
5、2014年4月29日—2014年5月20日：
修改论文，完成论文的撰写
6、2014年5月21日—2014年6月5日：
专家评审，准备论文答辩
7、2014年6月6日—2014年6月10日：
进行论文答辩
五、教研室审批意见
教研室主任（签名）年月日
六、系审批意见
主管系领导（签名）：
单位（公章）年月日
指导教师（签名）：
学生（签名）：
摘要
本设计为便携式温度测试仪设计，该系统本质为对温度物理量的测量与显示，采用开环控制，主控芯片为STC90C51使用LCD1602液晶屏幕进行数据显示，采用DS18B20温度数据的采集。
使用5V电源对单片机最小系统和LCD1602液晶显示屏和温度采集电路及报警电路进行驱动控制。
该系统理论和原理都比较简单、响应速度快、运行稳定，51系列单片机足以满足对系统的控制，再加上51单片机久经历练应用范围广，可靠性高。
采用DS18B20温度传感器，保证了采集数据的准确性和实时性，保证了温度的测量结果的精度，大大增大了可信度。
由于近年来，我国工业现代化的进程和电子信息产业连续的高速增长，带动了传感器市场的快速上升。
温度传感器作为传感器中的重要一类，占整个传感器总需求量的40%以上。
温度传感器用途十分广阔，可用作温度测量与控制、温度补偿、流速、流量和风速测定、液位指示、温度测量、紫外光和红外光测量、微波功率测量等而被广泛的应用于彩电、电脑彩色显示器等领域。
因此，传感器在当今的社会应用范围是越来越广，备受人们喜爱。
关键字：
便携式温度测试仪；开环控制；STC90C51；DS18B20；LCD1602。
Abstract
Thedesignforthedesignofportableinstrumentfortemperaturemeasurementsystem,thenatureformeasuringanddisplayingthetemperaturephysicalquantities,usingopenloopcontrol,themainchipfortheSTC90C51usingtheLCD1602liquidcrystalscreendatadisplay,DS18B20temperaturedataacquisition.Theuseof5VpowersupplyfordrivingcontroloftheSCMsystemandthesmallestLCD1602LCDdisplayandtemperatureacquisitioncircuitandanalarmcircuit.Thetheoryandprincipleofthissystemaresimple,fastresponsespeed,stableoperation,51seriesmicrocontrollerisenoughtosatisfythecontrolforthesystem,plus51singleexperiencedawiderangeofapplication,highreliability.TheDS18B20temperaturesensor,toensuretheaccuracyofdataacquisitionandreal-time,toensurethemeasuringresultsoftemperatureaccuracy,greatlyincreasesthereliability.Inrecentyears,China'sindustrialmodernizationandtheelectronicinformationindustrycontinuousgrowth,drivenbytherapidriseofsensormarket.Thetemperaturesensorisusedinoneofthemostimportantrequirementsofthesensor,accountedformorethan40%oftheamountof.Thetemperaturesensorusesaverybroad,canbeusedasatemperaturemeasurementandcontrol,temperaturecompensation,flowvelocity,flowrateandwindspeed,liquidlevelindicator,temperaturemeasurement,ultravioletandinfraredmeasurement,microwavepowermeasurementiswidelyusedincolorTV,computercolordisplayetc..Therefore,sensorintoday'ssocietyapplicationscopeismoreandmorewidely,whichpeoplelove.
Keywords:
portableinstrumentfortemperaturemeasurement;open-loopcontrol;STC90C51;DS18B20;;LCD1602;
目录
摘要I
AbstractII
目录III
1绪论1
1.1课题来源1
1.2目的意义1
1.3应用前景2
1.4国外发展状况2
1.5国内发展状况2
1.6温度检测类型3
1.7研究内容和方法3
2系统主芯片介绍5
2.1单片机STC89C515
2.2液晶显示屏LCD16028
2.3温度传感器DS18B2011
3硬件电路设计15
3.1复位电路15
3.2晶振电路15
3.3显示电路16
3.4温度采样电路17
4软件设计20
4.1主程序流程20
4.2温度采样流程21
5软件仿真23
5.1Protues简介23
5.2温度显示仿真23
5.3温度超限仿真25
6实物制作与调试26
6.1实物焊接26
6.2排除电路问题27
6.3显示调试28
6.4温度测试29
参考文献30
附录Ⅰ31
附录Ⅱ31
致谢40
1绪论
1.1课题来源
温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。
温度测量系统是最早开发，应用最广的一类测量系统之一。
温度传感器控制系统的市场份额大大超过了其他的传感器控制系统。
从17世纪初人们开始利用温度进行测量。
在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。
与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
温度传感器是最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。
温度是表示物体的冷热程度的物理量，是生产过程和科学实验中最普遍而重要的参数之一，生产中各种工艺过程都是在一定的温度下进行的。
因此，温度的检测与控制在工业生产中有重要的作用，是确保生产过程优质、高产、低耗和安全的一项重要技术。
1.2目的意义
温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，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。
温度是一个十分重要的物理量,对它的测量与控制有十分重要的意义。
随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高,人们也迫切需要检测与控制温度:
如大气及空调房中温度的高低,直接影响着人们的身体健康;在大规模集成电路生产线上,环境温度不适当,会严重影响产品的质量。
测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。
而随着人们生活水平的不断提高,科技不断发达，温度控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的。
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。
单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。
今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。
时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。
因此，对温度的控制和测量显示已经是在我们的生活学习和工作之中无处不在，所发挥的作用也是越来越重要，尤其是在工业控制，医疗检测，军事设备等方面更是得到了长足的应用。
1.3应用前景
温度测量控制显示系统的应用已经不再只是局限于工业的生产和应用了，他已经逐渐的向人们的日常生活，农作业的生产和耕作，医疗设备的研发以及尖端技术的应用方面快速的延伸发展。
也因此衍生出各种各样的温度测量控制系统和多样化的温度传感器，比如红外线温度传感器，光纤传感器，无线传感器设备等。
由于测温手段的多样化，测量精度的精确化，测量结果的实时性和可靠性以及测量设备的微型化，使得温控系统的应用在加速城市樊荣华化，农村城镇化，城乡卫生清洁化，工业系统简易控制化，日常生活舒适化的进程。
1.4国外发展情况
国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。
先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。
80年代末出现了分布式控制系统。
目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
现状世界各国的温度控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着全自动化、无人化的方向发展。
像园艺强国荷兰，以先进的鲜花技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。
英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术可以观测50千米以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，进行遥控。
1.5国内发展情况
我国对于温度控制技术的研究较晚，始于20世纪80年度。
我国工程技术人员在吸收发达国家温度控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。
我国温室设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。
在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。
我国温室现状还远温室装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享。
1.6温度检测的类型
随着国内外工业日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的温度计种类繁多，应用范围也比较广泛，大致包括以下几种方法：
（1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计，利用此原理制成的温度计大致分成三类：
玻璃温度计，双金属温度计，压力时温度计。
（2）利用热点效应技术制成的温度检测元件。
利用此技术制成的温度检测原件主要湿热电偶。
热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广检测元件之一。
热电偶具有结构简单，制作方便，测量范围宽，精度高，热惯性较小等特点，因此广泛作为温度传感器的测量元件。
（3）利用热电阻效应技术制成的温度计。
用此技术制成的温度计大致分为以下几类：
电阻测温原件，道题测温元件，陶瓷热敏原件。
（4）利用热辐射原理制成的温度计。
热辐射高温计通常分为两种：
一种是单色辐射高温计，一般称为光学高温计；一种是全辐射高温计，它的原理是物体吸收热辐射后，实务题本身的性质，能将它吸收，透过或者反射。
1.7研究的主要内容和方法
1.7.1主要内容
使用温度传感器DS18B20配合单片机进行温度的采集并使用LCD1602液晶屏幕进行数据的显示。
在温度或湿度超过设定范围的上限或下限的时候通过单片机I/O口来控制显示和报警电路。
1.7.2研究方法
（1）显示设备采用LCD1602液晶屏幕，原本计划使用数码管来实现数据显示，但由于数码管只能显示数字，显示数据有限，占用I/O口比较多，并且不可以显示像物理信息单位符号，所以选用了功能更为强大的LCD1602。
（2）主控芯片选用STC90C51。
（3）温度采集电路，温度传感器分别为DS18B20温度传感器。
（4）蜂咛器和发光二极管报警电路。
（5）晶振电路和复位电路。
图1.1系统结构图
2系统主芯片介绍
2.1单片机AT89C51
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器，是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳[1]。
AT89C51（如图2.1所示）是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）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AT89S51是一种高效微控制器，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。
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
图2.1AT89C51单片机示意图
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。
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当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，
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地位字节。
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指令是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。
PSEN：
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/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当/EA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，/EA将内部锁定为RESET；当/EA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）。
如表2-1所示，它是单片机各个特殊功能寄存器初始化的指令表，从表中我们可以看到个别特殊功能寄存器初始化的第一位地址是不同的，绝大部分是00H。
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。
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。
有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[4]。
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，AT89S51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
表2-1特殊功能寄存器初始化指令表
特殊功能寄存器
初始态
特殊功能寄存器
初始态
ACC
00H
B
00H
PSW
00H
SP
07H
DPH
00H
TH0
00H
DPL
00H
TL0
00H
IP
xxx00000B
TH1
00H
IE
0xx00000B
TL1
00H
TMOD
00H
TCON
00H
SCON
xxxxxxxxB
SBUF
00H
P0-P3
1111111B
PCON
0xxxxxxxB
他芯片功能，直到下一个硬件复位为止[12]。
2.2液晶显示屏LCD1602
如图2.2所示，是LCD1602的实物图和引脚图。
LCD1602工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5x7或者5x11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。
图2.2LCD1602实物图和引脚图
2.2.1引脚接口说明表
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
表2-2LCD1602引脚功能表
1
VSS电源地
11
D2数据
2
VDD电源正极
12
D3数据
3
VL液晶显示偏压
13
D4数据
4
RS数据/
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