温度采集系统课程设计课程设计(论文).doc

课程设计(论文)

题 目 名 称 温度采集系统设计
课 程 名 称 智能仪器设计
学 生 姓 名 欧阳华芬
学 号 1241203038
系 、专 业 12级电气系测控
指 导 教 师 王跃球

2015年06月26日

邵阳学院课程设计（论文）任务书
年级专业
12测控
学生姓名
欧阳华芬
学 号
1241203038
题目名称
温度采集系统设计
设计时间
2015年6月15日—2015年6月26日
课程名称
智能仪器设计
课程编号
1212012010
设计地点
智能仪器及开发实验室\创新实验室（214）（305）
一、 课程设计（论文）目的
课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。现代测控技术课程设计，要求学生更多的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象. 《智能仪器设计课程设计》是继《电子技术》、和《单片机原理与应用》课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程“电子技术基础”、“智能仪器设计”的基本知识，独立进行智能仪器设计及开发工作。
二、 已知技术参数和条件
运用所学单片机及智能仪器设计知识，设计一个花木温室的温度采集系统。
三、 任务和要求
设计一个花木温室的温度采集系统。每10分钟测温一次，24小时连续采集，数据存入内存。每隔24小时把数据输出给电平记录仪并画出24小时中的温度变化曲线，接着再进行下一次测温循环。
注：1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；
2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。
四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）
已学的《数字电子技术》、《模拟电子技术》、《单片机技术》、《智能仪器设计》
创新实验室
智能仪器及开发实验室
五、进度安排
2015年6月15日-17日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求总体方案设计
2015年6月18日-21日：硬件电路设计
2015年6月22日-23日：软件设计
2015年6月23日-24日：系统调试改进
2015年6月25日：整理书写设计说明书
2015年6月26日：答辩并现场考核
六、教研室审批意见

教研室主任（签名）： 年 月 日
七|、主管教学主任意见

主管主任（签名）： 年 月 日
八、备注

指导教师（签字）： 学生（签字）：

邵阳学院课程设计（论文）评阅表

学生姓名 欧阳华芬 学 号 1241203038
系 电气系 专业班级 12测控班
题目名称 温度采集系统设计 课程名称 智能仪器设计
一、学生自我总结

学生签名： 年 月 日
二、指导教师评定
评分项目
平时成绩
论文
答辩
综合成绩
权 重
30
40
30

单项成绩

指导教师评语：

指导教师（签名）： 年 月 日
注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；
2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。
摘 要
本次课程设计的目的是温度采集系统的设计。以AT89C51单片机为核心，结合DS1302时钟芯片、DS18B20数字温度传感器及液晶显示器等元件组成一个温度采集电路并仿真。利用单片机并写入正确的程序，综合分别处理采集到的温度、时间，并把两者送到液晶显示器实现实时刷新显示当前的温度和时间。该系统的电路较简单且能实现自动测量、显示，可节省CPU资源且有效地提高CPU的利用率。
关键词：AT89C51单片机；DS18B20数字温度传感器；DS1302时钟芯片

V

目 录

摘要….…………………………………………………………...………1
1课题方案论证……..……………………………………...………….…1
1.1主要器件介绍….……………………………………………………..1
1.2设计方案..….…………………………………..……………………..6
1.3系统优点..…….………………………………..……………………..7
2硬件电路设计..………….……………………………….. …………....8
2.1系统概述 ………….………..…………………….............................8
2.2单元模块设计………….………………………….............................8
3 软件电路设计…....…………………………………………………..11
3.1温度显示模块…..….……………………………….............. ............12
3.2读出温度子程序模块 .………...…………………...........................12
4 仿真与原理分析.……………..………………………………….…..14
4.1Proteus软件简介…………….………………………………..……..14
4.2 Proteus仿真测试...………….………………………………..……..14
4.3 Proteus仿真操作...………….………………………………..……..15
4.4Proteus仿真截图…..…......…………………………………..……..13
致谢………………………………………………..……………………16
参考文献………………………………………………………………..17

1 课题方案论证
1.1主要器件介绍
1.1.1 AT89C51
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。如图1.1为引脚图所示。图1.2为实物图。

图1.1 AT89C51引脚图

图1.2 AT89C51实物图
主要特征：
与MCS-51 兼容
　　4K字节可编程闪烁存储器
　　寿命：1000写/擦循环
　　数据保留时间：10年
　　全静态工作：0Hz-24MHz
　　三级程序存储器锁定
　　128×8位内部RAM
　　32可编程I/O线
　　两个16位定时器/计数器
　　5个中断源
　　可编程串行通道
　　低功耗的闲置和掉电模式
　　片内振荡器和时钟电路
特性概述：
AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
管脚说明：
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。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示。
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
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间。
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。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）。
1.1.2 DS18B20数字温度传感器
DS18B20的封装图如下。

1
2
3
4
8
7
6
5
Vcc2
X1
X2
GND
Vcc1
SCLK
I/O
RST

图1.3 DS1302封装图
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、 DS1822 “一线总线”字化温度传感器 同DS1820一样，DS18B20也 支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55°C—+125°C，-10—+85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为± 2°C 。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 DS18B20、 DS1822 的特性 DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电依然保存。DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。
DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。DS18B20的内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下: DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
以下是DS18B20转化温度形式。

表1.1 DS18B20转化温度形式

实际温度值

数字输出（二进制）

数字输出（十六进制）

+125℃

0000 0111 1101 0000

07D0H

+85℃

0000 0101 0101 0000

0550H

+25.0625℃

0000 0001 1001 0001

0191H

+10.125℃

0000 0000 1010 0010

00A2H

+0.5℃

0000 0000 0000 1000

0008H

0℃

0000 0000 0000 0000

0000H

-0.5℃

1111 1111 1111 1000

FFF8H

-10.125℃

1111 1111 0101 1110

FF5EH

-25.0625℃

1111 1110 0110 1111

FE6EH

-55℃

1111 1100 1001 0000

FC90H
1.2 设计方案
温度是国际单位制7个基本物理量之一，是生产过程和科学试验中的物理参数。在工业生产中，常需要对温度进行检测和监控。采用微型机进行温度检测、显示、信息存储及实时控制。对于提高生产效率、节约能源都有重要作用。为此设计了一个基于AT89C51单片机单通道温度检测及显示系统，可以很容易实现温度采集及显示。
整体结构框图如图1.4所示。
热
电
阻
直
流
电
桥
隔
离
放
大

AT89C51
电平
转换
电脑
显示
LCD显示
电源
报警

图1.4　温度采集整体结构框图

系统工作流程图1.5如下。通过系统上电初始化，温度传感器DS8B20采集信号，把非电量转化为电量把温度信息以二进制的形式传到单片机，单片机再进行进行处理，通过液晶显示器把数字量显示出来。
系统上电初始化
DS18B20进行数据的采集并将数据以二进制的形式传至单片机
单片机对数据进行处理
液晶显示器进行温度显示
通过串口将数据传至计算机

图1.5 系统工作流程

1.3系统优点
线路简单
DS18B20与单片机之间一根导线进行数据传输，不需要对数据进行转换，接线简单。
温度测量准确
DS18B20的温度分辨率为0.0625，所以对温度值可以进行准确的温度转换。

2 硬件电路设计
2.1 系统概述
本次课程设计是单片机在温度信号采集与处理方面的应用，内容主要包括传感器电路、放大电路、单片机串行通信的接口电路，显示电路及程序设计。通过DS18B20传感器将温度信号转变为电信号，然后经过放大器把微弱电信号放大，进行信号的采集和处理，用DS1302进行时钟显示。最后使得AT89C51控制的液晶显示器显示经处理后的电压信号。
2.2 单元模块设计
2.2.1温度采集测量电路
由于热电阻随温度变化产生的一个电阻信号，当温度升高时电阻值增大。因此必须将热电阻接成单臂直流电桥，将其阻值变化转换为电压变化信号。本系统采用三线制热电阻测量方式，即将导线一根接到电桥的电源端, 其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。因采集到的电压值太小, 容易受到干扰，不易测量, 必须对测量信号增加放大环节, 而采集的数据对单片机的通信也需要隔离。其电路图如下所示。

图2.1
2.2.2时钟电路
由DS1302芯片为主要构成，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时星期和年，一个月小于31天时可自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5—5.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式。如图2.2。

图2.2
2.2.3液晶显示器
本电路采用160128A图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及格160×128全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示10×8个(16×16点阵)汉字。图2.3为液晶显示器。

图2.3 液晶显示器
2.2.4主控电路
温度采集监控系统的主控电路采用高性能、功能强大的AT89C51。AT89C51与MCS51指令集完全兼容，机器周期由标准的12个系统时钟降为一个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值速度可达25MI/S。
如下图2.4。

图2.4 主控电路图

3 软件电路设计
3.1 温度显示模块
显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图，见图3.1。
温度数据移入
显示寄存器

N
十位数0？

Y

Y

N
百位数0？

Y

十位数显示符号
百位数不显示

结束

图3.1 温度显示子程序
3.2 读出温度子程序
读出温度子程的主要功能是读出RAM中的9字节。在读出时须进行CRC校验，校验有错时不能进行温度数据的改写。
读温度子程序主要注意控制器读数的时间间隔，根据DS18B20的读时序可以得知，首先应发出DS18B20复位命令，接着发出跳过ROM命令，然后时取温度命令，读取温度之后，利用CRC校验，若是九字节完成了而且CRC校验正确，将温度移入温度暂存器。
若是九字节没有完成则继续读取温度进行CRC校验。若是CRC校验不正确则结束此子程序。
读出温度子程序流程图如图3.2所示。
发DS18B20复位命令
Y
发跳过ROM命令
发读取温度命令
读取操作，CRC校验
9字节完？
结束
CRC校验正
移入温度暂存器
N
Y
N

图3.2 读温度子程序

4仿真与原理分析
4.1 Proteus软件简介
Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译。
（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、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、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。
（2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型：ARM7(LPC21xx)、 8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。
（3）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，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2、MPLAB等软件。
（4）具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能强大。
4.2 Proteus仿真测试
通过Proteus仿真软件设计硬件连接，再倒入所编程序倒入到仿真单片机中经行Proteus仿真，在仿真过程中通过改变P3.4引脚所连接的脉冲信号发生器改变输入单片机的脉冲信号，通过改变索输入的频率信号通过单片机的检测和测试，将信号输入到LED数码管中，并且显示出相应的检测到的频率，这就是Proteus仿真的过程。通过仿真不但可以验证结果的正确性，而且操作简单易懂明了简洁。为做实物奠定纯理论的基础。
4.3 Protues仿真操作
双击AT89C51单片机读入程序，确认电路连接正确，运行，得到仿真图像，调节各元件参数，观察显示变化。
4.4Protues仿真截图
仿真时的一个截图如下图4.1。通过单片机的控制把温度通过温度传感器将非电量转化为电量。再在LCD上显示起来。DS1302时钟芯片把时钟信息通过AT89C51在液晶显示器上显示出来。把C语言程序写入到单片机内，通过调试、仿真得到下面的图形。

图4.1 proteus仿真图
致谢
本次可课程设计得到了老师和同学的大力帮忙，使我在面临困难的时候得到了他们的帮助，在此我真诚的向大家说声谢谢。
这次课程设计对我来说充满了新鲜感，趣味性。虽然面临着许多的困难，但其使我受益匪浅。
首先进行的是理论设计，然后确定的具体方案，再用仿真软件仿真，最后到调试电路、显示结果。整个过程都需要大家的共同努力。团结就是力量，只要大家一起研究，一起奋斗，那么一切的荆棘都会被扫除。
通过这次温度采集系统的设计，让我掌握把理论运用于实际，不再只固定于书本，不再是死读书，读死书。搞设计是个很复杂的东西，要熟悉一些基本元件的用法和灵活运用。很多东西容易出错，错一点，影响的就是全局。有点像“一粒耗子屎打坏一锅汤”。
总之，这次实验过程中我受益匪浅，同伴的相互合作即增加了我们的团队意识以及把理论的知识运用于实际，同时也增加了我们的友谊。我们在摸索课题所要求的结果。这次的课程设计不仅让我培养了自己的设计思维，增加了动手操作的能力，还使我懂得“神奇”的东西我们也可以做出来，更让我体会到实现电路功能的那种无以名状的喜悦。此次课程设计使我明白知识是无限的，自己需要努力的地方还太多太多，我真心的急迫的希望自己可以不断进步，不断提高自己，使自己不再是局限于书本，而是活学活用，在实践中求得真知识。

参考文献
[1] 何立民.电子设计自动化[J].北京：高等教育出版社,2008.
[2] 李鸿. 嵌入式系统设计[M]. 深圳：科技电子出版社,2008.
[3] 严天峰. 单片机开发[M].彭军泽. 成都：科学出版社,2007．
[4] 谢维成. 单片机原理与应用[D].北京：清华大学,2003.
[5] 钱显毅．电子电路设计[N]．北京：科技时报,2009．

18