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温度检测设计
电气工程学院
单片机课程设计报告
班级：
姓名：
学号：
设计题目：
温度检测系统设计
设计时间：
评定成绩：
评定教师：
摘要
以51单片机为核心，设计一个温度检测系统。
该系统基于8051核心的单片机AT89S51，通过串行AD转换芯片PCF8591将基于NTC热敏电阻的测温电路输出的模拟信号转换成数字信号，并根据电路特性曲线计算出目标温度值，还具有通过lcd1602液晶显示目标温度和超过设定阈值报警功能。
该系统面向普通的要求不高的测温场景，并尽可能提高测量精度、减小测量误差。
Proteus仿真、keil与proteus联调是此次设计该系统的主要手段，即过程中，通过软件对系统各个模块功能的调试。
该系统的核心有以下几个部分：
lcd控制、i²c通信协议，以及NTC热敏电阻特性曲线和补偿算法。
由于该系统功能简单，元器件数量较少，最终可以在单片机学习板上实现。
由于仿真和实际学习板的条件不同，使用软件仿真是时采用AT89S51单片机，实际调试时使用STC89C52RC单片机，其功能完全兼容AT89S52单片机。
关键词：
温度检测、51单片机、i²c通讯、NTC热敏电阻、仿真
一、设计要求
温度检测及报警
实现具有温度检测、显示、以及报警功能的温度检测应用系统，功能指标如下：
（1）满足通用要求；
（2）温度采集及显示精度为1位小数；
其中：
*通用要求
1、人机接口：
可选择开关、按键、发光管、LED数码管、点阵字符LCD、图形字符LCD等；
2、模拟器件：
可选择A/D、D/A、运放、模拟开关等，其中A/D、D/A要求是串行接口类；
3、传感器：
要求是模拟量输出。
1.1设计要求分析
在现有的条件和一定的成本控制下，应该尽可能提高温度检测的精度和响应速度。
在显示方面应该尽可能清晰直观，设定操作也应该简单方便。
满足通用要求即系统可以提供人机交互，应通过显示模块显示被测参数，且可以通过按键或开关对系统进行设置。
模拟器件要求是串行接口，可以节省io资源，但是编程相对较为复杂。
传感器要求模拟量输出，则不能使用数字温度传感器，如18B20数字温度传感器。
设计一个具有温度检测、显示、以及报警功能的温度检测应用系统，可以分为温度检测模块检测温度，显示模块用于显示温度值和其他信息，报警模块用来提供警报，系统的核心应由单片机系统完成信息和用户操作的处理。
对于各个模块的方案分析和选用，在下一章节进行详细的说明。
二、方案设计和选定
2.1文献综述
查阅相关资料之后，在各个模块的选用方案在考虑成本、性能、设计要求和使用环境的前提下，最终做出较为合适的选择。
系统方案的最终目标是在考虑成本的前提下，尽量提高系统的易用度、提高温度检测的精度。
各个模块的方案比较和选用具体如下：
2.1.1单片机模块
由于系统目标功能比较简单，所以核心微控制器可以采用成本低廉、应用非常广泛的8位单片机。
根据实际情况，有以下几种单片机可供选择：
51单片机、avr单片机、stm8、pic单片机等。
相比于其他几类单片机，51单片机在功能、价格、稳定性、处理速度上均不具特别优势，但是由于其使用比较简单、价格足够便宜、例程丰富和在现有软硬件资源限制下，最终选择8051核心的AT89S51增强版单片机。
AT89S51单片机是Atmel公司的产品，其具有4组8位双向IO口，内部集成2个16位定时器/计数器、两个外部中断以及一个全双工异步uart通信接口，此外片内集成4KBflashROM和128B高速RAM。
该单片机可工作于0-33MHz速度下，其性能足以用来设计该温度检测系统。
2.1.2AD转换模块
由于该款单片机内部未集成AD转换功能，所以需采用一片外部AD转换芯片。
常用的AD芯片由转换方法可分为积分型、逐次比较型、电容阵列逐次比较型等等。
AD转换芯片的分辨率越高、转换速度越快，其价格越高。
受限于成本要求和应用场景，主要有以下几款芯片待选：
TLC5510、ADC0809、AD574、PCF8591。
以上四种AD转换芯片都具有8位或12位的转换精度，但是其转换类型各有不同，输入通道数量也有所不同，成本都比较适中。
由于设计要求使用串行接口的芯片并且要求检测和显示精度为小数点后一位，并且根据现有的单片机学习版的资源，最终选用具有串行接口的8位AD芯片PCF8591。
该芯片使用逐次逼近方法进行AD转换，使用i²c通信协议。
其有四个输入通道，可作为独立4通道输入，或者3或2组差分输入，另有一个模拟输出接口（该系统中未使用）。
i²c通信协议是一种串行通讯协议，其只需一根双向数据线、一根时钟脉冲线即可完成通讯，占用IO口少，但编程相对较为复杂。
相比而言，PCF8591芯片具有差分输入功能，可以一定程度上抑制共模信号，所以可以设计电路使其具有一定的抗干扰能力。
2.1.3显示模块
从实际系统要求和成本考虑，主要有两类显示模块可供选择：
LED显示和LCD显示。
LED模块主要有八段数码管、点阵LED，LCD模块主要有lcd1602、lcd12864、诺基亚5110液晶屏。
下面分别将五个模块在成本、功能、控制、优缺点等方面做出比较：
点阵LED
八段数码管
lcd1602
lcd12864
Nokia5110
价格
低
低
较低
较高
一般
显示内容
较少
少
多
多
多
数量需求
2-4
4-6
1
1
1
优点
亮度高、成本低
亮度高、成本低
可直接显示ascll字符，可显示16*2个字符，成本较低、控制简单
128*64点阵，显示内容多，可显示各种字符和图案
串行通讯、需要io口较少，84*48点阵可显示30个字符，工作速度快、价格低
缺点
驱动电流大，占用io口多，需动态扫描、编程复杂
驱动电流大，占用io口多，需动态扫描、编程复杂
占用io口较多、难以显示复杂字符，不适合显示图案
占用io口较多、需要的显示数据多、成本高
自身不带有字库，需要的显示数据较多
综合成本
8元
4元
5元
24元
11元
最终根据设计要求和考虑成本，选用lcd1602液晶作为系统的显示模块显示被测温度值和提供人机交互界面。
Lcd1602液晶屏在成本和功能、易用度等各个方便均由不错的表现，几乎是设计该系统显示模块的不二之选。
2.1.4报警模块
根据设计要求，系统可以根据用户设定的温度值进行监控，当被测温度高于设定温度时应该提供警报，提供警报。
警报的方式有很多种，此次采用最常见的声光警报。
声音警报可以选用有源蜂鸣器、无源蜂鸣器和专用的声音ic芯片。
有源蜂鸣器在通电之后就可以发出特定频率和间隔的声音；无源蜂鸣器需要给予一定500-20000Hz的脉冲才可发出人类可听见的声音；专用的声音ic配合微型扬声器就可以发出不同的声音。
三种方案成本都比较低，但是无源蜂鸣器的成本最低，不足0.5元钱。
可以利用单片机控制其发出特定频率的声音作为声音警报，所以选用无源蜂鸣器作为声音警报模块。
另外使用一颗led发光管作为警报光源。
2.1.5测温模块
根据要求使用NTC热敏电阻组成的测温电路进行温度测量。
类似的还有PTC热敏电阻构成测温电路，其输出均为模拟量，满足设计要求。
NTC热敏电阻又称为负温度系数热敏电阻，是一类电阻值随温度增大而减小的一种传感器电阻。
广泛用于各种电子原件中，如温度传感器、可复式保险丝及自动调节的加热器等。
其价格低廉，工作比较稳定，适用于测量精度要求不高的场合。
普通型的NTC热敏电阻可以用于测量-20—200℃，可选阻值。
现选用10k阻值的NTC热敏电阻和10k阻值的不变电阻组成分压电路。
该测温电路输出0-5vDC模拟量，温度和输出量呈非线性关系，需要进行大量的数据测量并据此使用数学工具软件拟合出关系公式，最终得出尽量准确的温度曲线。
此外为保证数据的准确性，还应该根据实际温度曲线和建模拟合的曲线进行比对，并适当对数据进行修正。
2.1.6输入模块
根据设计要求，系统应该具有报警功能。
设定温度值应由用户输入设定，另外还需提供一个报警的开关功能选定。
采用简单的按键输入方案。
使用单片机学习版提供的四脚轻触开关，其成本低廉，但是由于其机械结构，在按下的过程中会产生机械抖动情况，应该尽量使用编程方法消除可能产生的误差。
根据系统功能要求，使用三个按键即可实现要求的功能。
三个按键分别用于设定温度的“+”、“-”功能，以及警报的开关功能。
2.2最终方案选定
最终方案：
选用AT89S51单片机作为控制核心，使用PCF8591AD芯片和NTC热敏电阻测温电路构成系统的测温模块，使用一片lcd1602液晶作为系统的显示模块，使用一个无源蜂鸣器和led发光管作为系统的报警模块，使用3个按键作为系统的输入模块。
系统结构图如下：
各模块功能说明：
AT89S51
单片机
PCF8591
AD转化
LCD1602
液晶屏
控制按键
NTC热敏电阻测温电路
报警模块
1、单片机配合对应的电源、复位和晶振模块，使之成为可以工作的最小系统。
该部分可以独立工作并完成基本功能。
2、报警模块由一个串联限流电阻的发光二极管和蜂鸣器构成，二极管以单片机引脚直接低电平驱动，蜂鸣器采用一个NPN三极管驱动。
3、LCD1602液晶屏的数据引脚由单片机的P0口连接，三个控制引脚分别由P2口低三位控制。
4、三个按键功能分别为：
设定温度+0.5，设定温度-0.5和警报开关、前两个按键锁定功能。
5、AD转化、测温电路由PCF8591和NTC热敏电阻以及一个10k电阻构成。
2.3硬件成本计算
在选定最终方案后，应该计算系统的硬件成本。
硬件成本如下表：
单价
数量
总价
AT89S51单片机
5.0
1
5.0
pcf8591p
11.0
1
11.0
lcd1602液晶
5.0
1
5.0
无源蜂鸣器
0.5
1
0.5
NTC热敏电阻
0.1
1
0.1
其他零散元件
8
1
8
PCB制版费
15.0
1
15.0
其他
10.0
1
10.0
总计
39.6
关于硬件成本计算的补充说明：
1、所有元器件的封装要根据实际情况进行选定，但是成本近似相等。
2、实际系统中多使用各种规格的电容、电阻、晶振、按键、芯片插槽、排针、导线等零散元件，由于其种类多、价格低廉，所以不逐个列出。
还有制作做过程中产生的成本，如焊接设备、耗材等，只进行统一折算。
3、PCB制版要根据实际情况做改动，此处的10元成本是指批量定制（10片及以上）的平均成本。
4、该系统使用5v电源即可满足供电要求，因此默认使用USB供电而未单独设计电源模块。
三、硬件设计（基于proteus）
系统方案确立后，应该根据设定的方案具体实现规定的功能。
在硬件方面，可以使用proteus软件进行电路原理图的设计并进行初步仿真。
Proteus提供了硬件的设计及仿真，能仿真许多常用电子器件的功能，可以为设计者提供方案的可行性检测和初步仿真。
在仿真过程中可以发现设计方案的不足并加以改正，此外还可以很大程度的验证程序设计的可行性。
3.1仿真原理图设计
以下根据模块来介绍仿真原理图。
1、单片机模块
该模块包含AT89S51单片机、晶振电路和复位电路。
系统采用12MHz的晶振，折算到机器周期为1us。
复位电路主要由一个电容、电阻和按键组成，上电时电容充电在单片机RST引脚产生一个高电平，其周期与RC时间常数有关。
在正常工作时，电容饱和，RST引脚通过电阻接地为低电平，按键按下Vcc直接接入单片机RST引脚并且使电容放电，按键松开时，电容充电从而使RST引脚维持高电平一段时间。
AT89S51的复位信号为大于2个机器周期的高电平有效。
应该注意的是，proteus默认的元件库中并没有AT89S51单片机，但是完全可以用AT89C51代替，两者功能互相兼容，在此设计中仿真效果基本一致。
2、按键模块
按键电路比较简单，使用三个按键直接和单片机io引脚相连，另一端与地相连。
单片机读引脚时先向io引脚内部的锁存器写“1”使场效应管截止，因此按键若未按下则读入为“1”，按下则读入为“0”。
另外单片机io引脚默认复位电平为高电平，应考虑复位后io高电平可能产生的不良影响。
3、报警电路
报警电路采用一个无源蜂鸣器和一个发光二极管。
由于单片机的io驱动能力不强，仅为几个毫安，而无源蜂鸣器一般需要几十毫安的驱动电流，所以应该给无源蜂鸣器配备驱动电路。
该电路中采用了一个NPN型三极管，在单片机输出高电平至其基极时三极管导通，输出低电平时关断。
实际应用中，可选用常见的8050或9013三极管，其最大集电极电流大概在500mA左右，工作频率在100MHz以上，完全可用于驱动三极管。
Led驱动电流极小，只需用单片机以低电平方式驱动即可。
可用于实际仿真的单片机学习板提供一片uln2003驱动芯片，其驱动效果和NPN三极管相同。
4、显示电路
使用通用的lcd1602，软件的仿真元件和实际元件的控制方式完全相同，工作频率相近，显示效果相同。
Lcd1602有一个8位数据接口，用于数据和命令的传输，使用单片机的P0口作为数据接口。
由于单片机的P0口作为io口时漏极开路，所以应该接入上拉电阻以实现标准双向io口的功能。
Lcd1602另需三个控制信号，分别由单片机的P2.0、P2.1、P2.2三个io口控制。
5、i²c调试工具
该部分由proteus提供的i²c调试工具组成，可以据此判断i²c总线的工作情况，对于程序调试非常有帮助。
此外还能看见i²c传输的时序、应答信号、传输的地址和内容信息。
6、AD转换电路及测温电路
PCF8591芯片工作在差分输入方式，其输出结果为AIN0和AIN1通道的电压差，差分输入可以一致共模信号，是系统抗干扰的能力大大增加。
NTC电阻仿真型号为NCP15XH103，其典型阻值为10k，随温度的增大其阻值变小。
在其参数属性中可以设置不同的工作温度，配合pcf8591检测电压，可以得到温度与电压对应的数据。
3.2仿真器件选择及参数设定
仿真器件的参数一般要在器件的属性里进行设置，如AT89C51单片机工作频率是在属性页面里设置，而不是由外部电路的晶振频率决定的。
NTC热敏电阻可以在属性设置假定的环境温度，使其阻值发生相应的变化。
有的器件可以改变工作电压和电流的条件，方便调试时使用。
设置器件参数如下：
12MHz晶振，配合两个22pF的启动电容，复位电路用一个10uF的电容以及1k欧的限流、下拉电阻，P0口采用10k欧的上拉电阻，报警电路的led采用220欧姆的限流电阻，测温电路选用10k的定值电阻和NTC组成分压电路，AD芯片的参考电压采用5v的Vcc等。
四、程序设计
4.1程序流程图
程序主要分为以下几个部分：
PCF8591控制读取程序，按键读取程序，LCD1602控制程序，报警程序等。
实际编程使用C语言，C51编程速度快，可读性好，移植性好。
采用模块化编程，即将不同部分的程序分门别类写入不同的.c文件中，在主程序中调用，好处是方便修改、可读性高。
4.2LCD显示程序
Lcd1602液晶主要有写指令、写数据、读数据、读状态四种控制状态，在读、写时应该严格遵守手册的操作时序。
如图，分别是lcd1602的读写时序和典型的时序时间表。
对于51单片机来说，由于其工作指令周期一般在1us以上，因此一般无需考虑lcd1602时序对时间的要求，但是在使用高速型微控制器时应该考虑这个问题。
Lcd1602的控制程序主要是由初始化程序、写指令程序、读状态程序以及写数据程序构成。
使用前应该先进行初始化，每次进行读写操作时应该检测lcd1602的状态信息，忙状态不可对屏幕进行控制。
4.3PCF8591控制程序
PCF8591芯片的使用重点在于i²c协议的掌握，只要编写调试出i²c协议的程序，即可根据芯片手册提供的控制字对芯片进行各种操作。
i²c是一种串行通讯协议，需要两根线用于通讯：
一根时钟线、一根双向数据线。
通讯过程主要有以下几个部分构成：
起始信号、应答信号、数据帧、地址帧构成。
每次通讯均由主机发起，时钟信号由主机提供。
主机发出开始信号后接着发出地址帧，地址帧包括芯片的识别码、引脚地址和读写操作位，然后由芯片返回应答信号，接着主机读取或发送一字节数据。
每字节数据发送完，接收方应该返回一个应答信号以继续进行通讯。
关于i²c的操作时序如下图：
根据pcf8591的芯片手册，芯片使用步骤大概如下：
先发送地址帧和读/写选择信号，如果是写操作则由主机发送控制字，读操作则主机读取寄存器中转换的8位数值。
pcf8591的控制字如下：
Pcf8591芯片地址帧后写入的第一个字节为控制字，第二个字节为DA转换的数值（可缺省）。
读入为控制字设置的模式和通道对应的寄存器。
此程序中，设置芯片为AIN0、1和AIN2、3差分输入，其结果分别会被存入channel0、1中。
应注意每次读取寄存器的值为上一次转换结果。
Pcf8591程序如下：
根据芯片手册的操作要求，事实上无需由主机发送应答信号。
最终在主程序中只要调用ReadAdc（）这个程序即可完成对通道0或1的读取。
读取的数据为8位无符数据，参考电压设置为5.0v，则可以算出对应的电压值。
4.4测温电路建模及算法设计
测量温度的核心是NTC热敏电阻随着环境温度的升高其阻值降低，通过分压电路测量电压变化则可以根据温度—电压的关系曲线得到对应的温度值。
电压—温度的转换可以有两种方法，一是查表法，二是根据电压—温度的关系曲线得到关系式，从而根据电压值计算出温度值。
首先查表法由于数据量较大，因此执行时需要较多时间，且有精度限制。
其次测量数值为浮点型数据，单个数据需占用4个字节，由于AT89S51的存储容量限制，数据不能过多。
最后考虑到51单片机的计算能力和存储容量，决定采用关系式计算的方法。
关系式计算法具有连续性和更大的适用范围，理论上能提供更高精度的计算结果。
关系式由电压—温度的关系曲线得来，此处用软件仿真的方法，测量0—100℃之间共101个温度整数值对应电压的数据，反复测量得出准确的的数据。
根据pcf8591的转换精度，采集的电压值精确到小数点后三位。
将获得的温度—电压一一对应的数据输入表格工具并加以整理，然后用数学工具MATLAB软件中的CFTOOL工具箱描绘出二者的关系曲线：
接下来对不连续曲线进行分析和拟合，由于曲线非线性，所以不能采用线性数学公式。
经过试验并根据单片机的实际处理能力，决定尝试以下几种常用的拟合公式：
四次多项式、五次多项式、傅里叶公式和高斯曲线公式。
其拟合公式和曲线分别如下：
以下为四次多项式的拟合结果：
以上为4次多项式的拟合结果，可见拟合曲线和原曲线基本重合，不过相对于5次多项式拟合结果方差较大。
由于数据是由软件仿真得来，因此不能保证其精确性。
一下为5次多项式的拟合结果：
可见相对于4次多项式的拟合结果，5次多项式具有更小的方差，曲线更加重合，但是没有显现出很大的差距。
以下为傅里叶拟合结果：
由于数据的数量和准确性限制，傅里叶函数拟合结果并没有显现出很好的效果，且在0—10℃区域内不能很好的重合，计算公式也比较复杂。
以下为高斯曲线拟合结果：
结果和傅里叶曲线拟合结果和傅里叶一样，并不具有优势，且计算较为复杂。
通过以上图标和公式对比可知：
其中傅里叶和高斯拟合公式的结果相比多项式而言，一是方差较大且在个别区域内拟合曲线较实际曲线偏差较大，二是其计算公式复杂会导致单片机计算负担过大，从而可能影响整个系统的工作效率，故考虑采用多项式进行拟合。
由于选用的AD芯片精度和单片机数学公式计算程序的误差限制，在四次和五次多项式两项中，比较根据公式计算的结果与真实值之间的实际误差来看，两者效果相近，所以优先采用计算较为简单的四次多项式。
但是计算结果和实际温度值仍有偏差，所以在现有的关系公式基础上，增加了分段补偿。
部分数据如下：
即将电压值分成若干个区间进行分段修正。
可以看见理想情况下的修正效果比较明显，整体的误差明显降低。
程序实现如下：
经过程序仿真，最终可以实现在0—100℃的范围内，测量误差在1℃以内。
以上数据均来源于仿真，在实际应用中，由于条件限制，无法得到所需数量的电压—温度关系数据，因此准确性大大降低。
在于普通的温度计进行不严格的比对后，发现实际的测量误差通常在2℃以内，误差较大。
4.5报警模块和按键模块程序设计
报警模块程序比较简单，利用单片机的一个16位定时器使无源蜂鸣器发出1KHz的警报声。
报警模块主要配合按键，根据用户设定值完成报警。
报警和按键模块的程序如下：
利用单片机的定时器1产生1kHz的方波，是蜂鸣器发出1kHz的报警声音。
51单片机的定时器工作的必要条件是TR=1，因此只要控制TR就能完成对定时器1中断的控制。
配合按键程序使用，程序如下：
两功能模块的程序在主程序中的使用如下：
定时器1中断程序如下，每次进入中断io口输出电平取反，即可产生占空比为50％的方波：
五、调试过程
5.1软硬件调试
调试过程采用Keil与Proteus联调的调试方式。
首先应该对软件进行功能配置，
在debug选项中选择ProteusVSMMonitor-51Driver，并勾选“Runtomain”。
然后在Proteus的菜单栏“degug”，选择允许远程调试，然后点击keil的调试按钮，即可在两软件间进行联调。
使用联调有助于快速发现程序和原理图存在的问题，在keil上选择单步调试可以跟随程序一步步执行并观察执行结果。
对于复杂程序，单步调试效率较低，此时可以在任意地方设置任意数量的断点，然后可以全速运行到断点处停下，然后根据需要选择单步调试和断点调试，最终通过分析可以推断问题所在。
例如在调试i²c的过程中，程序发生问题，通讯失败，经过软件联调并使用proteus中的i²c调试工具，最终发现问题出在i²c通讯中的应答信号上。
在i²c调试工具中，可以清楚看到通讯过程中的起始信号、应答信号和传输数据的情况。
可以据此推断程序运行状况，并锁定问题大致所在区域。
在整个调试过程中，出现过很多小问题，均可通过联调的方式发现问题端倪，最终一一调试解决。
另外，在整个程序调试过程中，应该分模块逐渐编程并调试。
先解决了显示屏的程序，然后在一一解决其他模块的程序时可以利用显示屏显示调试结果。
最终一步步完成整个程序的编写调试工作。
5.2运行效果展示
1、系统运行初始界面：
此时显示屏第一行的‘Temp：
36.29’为当前检测的温度，第二行‘SetT：
40.0’为用户设定的温度值，开机默认值为四十，‘N’表示当前不允许温度超过设定值警报并禁用温度+、-键。
当前的NTC热敏电阻仿真属性为36℃条件下。
2、按下选择键：
‘N’变‘Y’，即允许温度报警并可以使用+、-按键。
3、按下‘+’键：
温度设定值+0.5.
4、按下‘-’键：
温度设定值-0.5
5、设定值低于检测温度值：
显示‘！
’，报警电路工作。
6、再次按下选择键：
‘Y’变成‘N’，且‘！
’不显示，报警电路停止工作。
7、检测温度值大于设定值时系统工
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