基于单片机的温度监测电路课程设计报告书.docx
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基于单片机的温度监测电路课程设计报告书
唐山学院
ProtelDXP课程设计
题目基于单片机的温度监测电路
系（部）信息工程系
班级
姓名
学号
指导教师
2013年12月16日至2013年12月27日共2周
2013年12月30日
《ProtelDXP》课程设计任务书
一、设计题目、容及要求
设计题目：
1、双声道音频功率放大电路（要求具备电源、音频输入、音频输出、放大等模块）
2、基于单片机的温度监测电路（要求具备电源、DS18B20测温、单片机控制、键盘预设、温度显示等模块）
设计容：
1、原理图设计；
2、原理图元件库的制作；
3、印制电路板设计；
4、印制电路板元件封装的制作。
设计要求：
1、熟练掌握PROTELDXP基本操作；
2、按题目要求设计电路，要求电路设计合理，器件选择准确，布局符合电气规。
说明：
单号同学做题目1，双号同学做题目2。
二、设计原始资料
ProtelDXP软件
三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）
1、课程设计说明书
2、完整的protel设计工程
四、进程安排
2013-12-16——2013-12-18根据设计要求设计电路，选择器件；
2013-12-19——2013-12-20进行电子线路设计；
2013-12-23——2013-12-24答辩；
2013-12-25——2013-12-27撰写课程设计说明书。
五、主要参考资料
[1]与核.ProtelDXP2004sp2实用教程，清华大学，2012.1
[2]王冬.ProtelDXP2004应用100例，电子工业，2011.1
[3]薛楠.ProtelDXP2004原理图与PCB设计实用教程，机械工业，2012.3
指导教师（签名）：
教研室主任（签名）：
课程设计成绩评定表
出勤
情况
出勤天数
缺勤天数
成
绩
评
定
出勤情况及设计过程表现（20分）
课设答辩（30分）
说明书（20分）
设计成果（30分）
总成绩（100分）
提问
（答辩）
问题
情况
综
合
评
定
指导教师签名：
年月日
1引言1
2设计任务2
2.1设计容2
2.2设计要求2
3原理图设计3
3.1电路的总体工作原理3
3.2单片机最小系统的设计4
3.3电源电路5
3.4温度传感电路设计5
3.5键盘电路的设计7
3.6显示电路的设计8
3.7温度控制电路的设计10
4系统的软件设计11
4.1系统的主程序设计11
4.2中断程序的设计11
6设计总结13
致14
参考文献15
附录16
1引言
在工、农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。
首先让我们了解一下多点温度检测系统在各个方面的应用领域：
消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械…等设备温度过热检测。
温度检测系统应用十分广阔。
本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。
该系统采用RS-232串行通讯标准，通过上位机（PC）控制下位机（单片机）进行现场温度采集。
温度值既可以送回主控PC进行数据处理，由显示器显示。
也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。
下位机采用的是单片机基于数字温度传感器DS18B20的系统。
DS18B20利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量，轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。
本系统可以应用在大型工业及民用常温多点监测场合。
如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、温控制程生产线之温度影像检测、医疗与健诊的温度测试、空调系统的温度检测、石化、机械…等。
2设计任务
2.1设计容
1、原理图设计；
2、原理图元件库的制作；
3、印制电路板设计；
4、印制电路板元件封装的制作。
2.2设计要求
1、熟练掌握PROTELDXP基本操作；
2、按题目要求设计电路，要求电路设计合理，器件选择准确，布局符合电气规。
3原理图设计
3.1电路的总体工作原理
温度控制系统采用AT89C51八位机作为微处理单元进行控制。
采用4X4键盘把设定温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器，还可以通过键盘完成温度检测功能的转换。
温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比较来控制温度控制器。
图3.1系统框图
根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51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，省却了采样／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。
该系统的总体设计思路如下：
温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符LCD，1602液晶模块。
检测围5摄氏度到60摄氏度。
本系统除了显示温度以外还可以设置一个温度值，对所测温度进行监控，当温度高于或低于设定温度时，开始报警并启动相应程序。
3.2单片机最小系统的设计
目前的单片机开发系统只能够仿真单片机，却没有给用户提供一个通用的最小系统。
由设计的要求，只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。
其应用特点是:
（1）全部I/O口线均可供用户使用。
（2）部存储器容量有限（只有4KB地址空间）。
（3）应用系统开发具有特殊性。
图3.2最小系统图
单片机最小系统如图3.2所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必须的时钟控制信号，部电路在时钟信号的控制下，严格地按时序指令工作。
MCS-51部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。
电路中的微调电容通常选择为30pF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体的振荡频率为12MHz。
把EA脚接高电平，单片机访问片程序存储器，但在PC值超过0FFFH（4Kbyte地址围）时，将自动转向执行外部程序存储器的程序。
MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现。
采用最简单的外部按键复位电路。
按键自动复位是通过外部复位电路的来实现的。
我们选用C1取47μf。
3.3电源电路
因为单片机工作电源为+5V，且底层电路功耗很小。
采用7805三端稳压片即可满足要求。
具体电路图如下：
图3.3电源电路图
3.4温度传感电路设计
DS18B20的性能特点：
采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）。
测温围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃。
含64位经过激光修正的只读存储器ROM。
适配各种单片机或系统机。
用户可分别设定各路温度的上、下限。
含寄生电源。
DS18B20的部结构如下图所示：
图3.4DS18B20部结构图
在硬件上，DS18B20与单片机的连接是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；无论是部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻,如图3.5所示：
图3.5温度传感电路图
把DS18B20的数据线与单片机的13管脚连接,再加上上拉电阻。
DS18B20有六条控制命令，如表3-1所示：
表3-1DS18B20控制命令
指 令
约定代码
操 作 说 明
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换
读暂存器
BEH
读暂存器9个字节容
写暂存器
4EH
将数据写入暂存器的TH、TL字节
复制暂存器
48H
把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中
重新调E2RAM
B8H
把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节
读电源供电方式
B4H
启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU
CPU对DS18B20的访问流程是：
先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。
DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。
如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
3.5键盘电路的设计
如图3.7所示，用AT89S51的并行口P1接4×4矩阵键盘，以P1.0－P1.3作输入线，以P1.4－P1.7作输出线；液晶显示器上显示每个按键的“0－F”序号。
键盘中阿拉伯数字0~9是数据输入键，A键是写上限的功能键，B键是写下限的功能键，C键是取消键，其他的键置空。
对应的按键的序号排列如图3.6所示：
图3.6按键的序号排列图
图3.7中微处理单元是AT89S51单片机，X1和X2接12M的两脚晶振，接两个30PF的起振电容，J1是上拉电阻.单片机的P1口8位引脚与行列式键盘输出脚相连，控制和检测行列式键盘的输入。
行线通过上拉电阻接到+5V上，无按键按下时，行线处于高电平状态，有键按下时，行线的电平状态将由与此行线相连接的列线的电平决定。
键盘输入的信息主要进程是：
1CPU判断是否有键按下。
2确定是按下的是哪个键。
3把此键所代表的信息翻译成计算机可以识别的代码或者其他的特征符号。
图3.7键盘硬件电路图
3.6显示电路的设计
液晶显示器是一种将液晶显示器件，连接器件，集成电路,PCB线路板，背光源，结构器件装配在一起的组件。
根据显示容和方式的不同可以分为，数显LCD，点阵字符LCD，点阵图形LCD在此设计中我们采用点阵字符LCD，这里采用常用的2行16个字的1602液晶模块。
1602采用标准的14脚接口，其中:
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，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。
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为低电平RW为高电平时可以读忙信号，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7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15～16脚：
空脚。
与单片机的连接如图3.8所示：
图3.8液晶显示电路图
把8根数据线和P2口连接，把3根控制线和P2.5、P2.6、P2.7连接。
给VCC端加上+5V的电压，GND端接地。
VEE端的驱动电压不要过大，要调节滑动变阻器使VEE在0.7伏以下显示器才能工作。
3.7温度控制电路的设计
图3.9温度控制电路
下限进行比较,来控制P0.7端口的高低电平。
把P0.7端口分别与三极管的基极连接来控制温度和报警。
当测量的温度超过了设定的最高温度，P2.2由高电平变成低电平，就相当于基极输入为“0”，反之，当基极输入为“1”时，三极管不导通，报警器和控制电路都不工作。
只要控制单片机的P0.7口的高低电平就可以控制模拟电路的工作。
4系统的软件设计
4.1系统的主程序设计
主程序是系统的监控程序，在程序运行的过程中必须先经过初始化，包括键盘程序，中断程序，以及各个控制端口的初始化工作。
流程图如4.1所示。
系统在初始化完成后就进入温度测量程序，实时的测量当前的温度并通过显示电路在LCD上显示。
程序中以中断的方式来重新设定温度的上下限。
根据硬件设计完成对温度的控制。
按下4*4键盘上的A键可以设定温度上限，按下B键可以设定温度下限。
系统软件设计的总体流程图：
图4.1系统总体设计流程图
4.2中断程序的设计
MCS-51单片的中断系统有5个中断请求源，用户可以用关中断指令“CLREA”来屏蔽所有的中断请求，也可以用开中断指令“SETEA”来允许CPU接收中断请求。
在本设计中我们选用INTO来作为中断请求源。
INT1—外部中断请求0，由INTO引脚输入，中断请求标志为IE0。
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0003H（中断入口地址）
JMPINT0
ORG0038H（主程序的起始地址）
MAIN（主程序）
MCS-51响应中断后，就进入中断服务程序，中断程序的基本流程图如下图：
图4.2中断服务程序基本流程
6设计总结
本系统的设计，是为了保证某特定环境温度维持在设定的围，以保证工作系统在稳定的状态下工作。
本系统的设计成本很低，总成本不超过50元人民币。
如果采用大批量生产的话，生产成本会更低。
在市场上的温度自动控制系统的价格在百元人民币以上。
对于本系统的使用者来说，本系统能够很稳定的控制温度而且稳定性很高。
只要配上适当的温度传感器，这个系统便还可以实现很多领域的温度自动控制。
这对于提高系统的利用率，避免重复设计有很大的帮助的。
在本系统的作用下，可以为工作系统提供一个良好的环境，使产品的数量和质量有很大的提高。
使得产品的生产成本降低，从而使系统的使用者获得的利润提高了。
通过分析表明：
本系统是一个性价比比较好的系统，不论对于生产者还是使用者来说，它都可以带来好的经济效益。
本设计是以AT89S51为核心，利用软硬件相结合的自动控制的典型例子。
在单片机自动控制已经广泛的应用于人们的生产和生活的今天，传统用模拟电路来控制温度的做法，已经逐渐被淘汰。
这个系统的实现，改变了传统的温度控制方法，为温度的控制开辟了一条新的道路。
根据我国的科技和工业水平，这个系统的设计是符合工业生产的需要。
实现我国的工业化，自动控制是其中的一个重要目标，自动控制系统正广泛的应用于工业生产和人们的日常生活。
本系统的设计成功知识实现自动控制的“冰山一角”，但它为以后更加智能化、人性化的自动控制系统的设计，作了铺垫。
因此这种系统的设计具有比较好的社会效益。
这次设计基本的完成了任务书的要求，实现了温度的控制。
通过测试表明系统的设计是正确的，可行的。
但是由于设计者的设计经验和知识水平有限，系统还存在许多不足和缺陷。
致
在本次毕业设计中，不仅自己付出了很多心血，也得到了很多老师和同学的支持，为我创造了很多有利条件，在这里，我要特别感我的老师，在毕业设计的开始，老师给了我很多帮助，指导我了解了很多单片机的相关知识，并在当我设计遇到困难时，及时的给予帮助和鼓励，同时，对我其他学科的鼓励也渗透在设计的同时，给了我莫大的信心，为我顺利完成设计起到了非常重要的作用。
同时。
我还要感实习组及实验室的所有老师，为我的设计提供了非常便利的条件。
最后还要感帮助我的同学，在我遇到困难时给予我耐心的帮助。
再次对在本次设计中给予过我帮助的老师和同学至上我最真挚的意。
参考文献
[1]与核.ProtelDXP2004sp2实用教程，清华大学，2012.1
[2]王冬.ProtelDXP2004应用100例，电子工业，2011.1
[3]薛楠.ProtelDXP2004原理图与PCB设计实用教程，机械工业，2012.3
附录
附录I温度测试子程序流程图
温度测试子程序流程图
附录II程序
DIEQUP3.3
DOEQUP3.4
CLKEQUP3.5
CSEQUP3.6;LCD端口定义
D2RSEQUP2.7
D2RWEQUP2.6
D2EEQUP2.5
KEYPORTEQUP1;DS18B20端口定义
TEMPER_LEQU36H
TEMPER_HEQU35H
TEMPER_NUMEQU38H
FLAG1BIT00H
DQBITP2.4
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0003H
JMPINT00
ORG0038H
MAIN:
MOVSP,#60H
SETBP2.0
SETBP2.1
SETBP2.2
SETBEA
SETBEX0
SETBP2.0
SEETBP2.1
SETBP2.2
MOVR0,#01H;清屏并置地址计数器AC为0
LCALLDIS_CMD_WRT
MOVR0,#38H;8位数据接口，双行显示，5*7点阵
LCALLDIS_CMD_WRT
CALLDIS_CUR_OFF
MOV42H,#20
MOV43H,#32
XIAN:
LCALLGET_TEMPER
LCALLDISP
LCALLDELAY43MS
MOVA,TEMPER_NUM
SUBBA,42H
JCZZZL
MOVA,TEMPER_NUM
SUBBA,43H
JNCZZZ2
SETBP2.0
SETBP2.1
SETBP2.2
JMPXIAN
ZZZL:
CLRP2.0
CLRP2.2
JMPXIAN
ZZZ2:
CLRP2.0
CLRP2.1
JMPXIAN
INT0:
;扫描键盘程序
LCALLASK
SAO:
CLR01H
LCALLKEY
JNB01H,SAO
CJNEA,#10,PAN
LCALLANSW
RETI
PAN:
CJNEA,#12,SAO
RETI;显示函数部分，可供调用
DIS_CUR_OFF:
MOVR0,#0CH
LCALLDIS_CMD_WRT
RET
DIS_CUR_ON:
MOVR0,#0EH
LCALLDIS_CMD_WRT
RET
CHK_BUSY_FLG:
MOVP0,#0FFH
CLRD2RS
NOP
NOP
NOP
LCALLDISPLAY_RD
ACC.7,CHK_BUSY_FLG
RET
CLEAR_DIS:
MOVR0,#01H
LCALLDIS_CMD_WRT
RET
DIS_CMD_WRT:
LCALLCHK_BUSY_FLG
MOVP0,R0
CLRD2RS
NOP
NOP
NOP
LCALLDISPLAY_WRT
RET
DIS_DATA_WRT:
LCALLCHK_BUSY_FLG
CJNEA,#10H,DIS_DAT_WRT1
MOVP0,#0C0H;1100,00000行起始地址为40
CLRD2RS
NOP
NOP
NOP
LCALLDISPLAY_WRT
DIS_DAT_WRT1:
MOVP0,R0
SETBD2RS
NOP
NOP
NOP
LCALLDISPLAY_WRT
RET
DISPLAY_WRT:
CLRD2RW
NOP
NOP
NOP
SETBD2E
NOP
NOP
NOP
CLRD2E
NOP
NOP
NOP
RET
DISPLAY_RD:
SETBD2RW
NOP
NOP
NOP
SETBD2E
NOP
NOP
NOP
MOVA,P0
NOP
NOP
NOP
CLRD2E
NOP
NOP
NOP
RET
DIS_DATA_RD:
LCALLCHK_BUSY_FLG
MOVP0,#0FFH
SETBD2RS
LCALLDISPLAY_RD
RET;键盘程序，出口：
A为按键值01H：
0无键按下1有键按下
KEY:
MOVKEYPORT,#0FH
MOVA,KEYPOR
CJNEA,#0FH,KEYDOWN
MOVA,#0FFH
RET
KEYDOWN:
LCALLDELAY43MS
MOVKEYPORT,#0FH
MOVA,KEYPORT
CJNEA,#0FH,KEYDOWN_YES
MOVA,#0FFH
RET
KEYDOWN_YES:
MOVB,A
MOVKEYPORT,#0F0H
MOVA,KEYPORT
ORLA,B
PUSH30H
MOV30H,A
MOVR3,#10H
MOVDPTR,#KEYVALUE
NEXT_KEY:
MOVA,R3
MOVCA,a+dptr
CJNEA,30h,NEXTKEYVALUE
DECR3
POP30H
WAITKEY_F:
MOVKEYPORT,#0FH
MOVA,KEYPORT
CJNEA,#0FH,WAITKEY_F
MOVA,R3
SETB01H
RET
NEXTKEYVALUE:
DJNZR3,NEXT_KEY
DECR3
POP30H
WAITKEY_FREE:
MOVKEYPORT,#0FH
MOVA,KEYPORT
CJNEA,#0FH,WAITKEY_FREE
MOVA,R3
SETB01H
RET
KEYVALUE:
DB0F
升级会员 