基于AT89C51单片机控制的八路温度采集与显示系统方案设计书.docx

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基于AT89C51单片机控制的八路温度采集与显示系统方案设计书

学生姓名

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指导教师

职称

摘要

在实际生产和生活等各个领域中，温度是环境因素不可或缺的一部分，对温度进行及时精确的控制和检测显得尤为重要。

本次设计在控制成本的前提下，设计了一款高精度、可同时检测八路温度并由液晶显示器对各路温度值进行显示的温度检测显示系统。

该系统以AT89C51为控制核心，采用可编程单总线数字式温度传感器DS18B20进行温度采集，八路温度值由LM041L液晶显示器显示。

系统正常运行时，其测温范围为-55℃～+125℃，该系统在现代电子工业飞速发展的时期有良好的应用前景。

关键词：

AT89C51；多路；温度检测；显示

Abstract

Temperatureisanessentialofenvironmentalfactorsinouractualproduction，livingandmanyotherfields.It’sparticularlyimportanttocontrolanddetectthetemperaturepromptlyandexactly.

Ithasdesignedahighprecisiontemperaturetestingsysteminthebaseoflostcontrol,whichcaninspecteightroutetemperatureatonetimeandshoweachrouteoftemperaturebyLCD.AT89C51isadoptedascontrolcoreinthissystem.ItssensorsfortemperatureissinglebusdigitalDS18B20,sendingtemperaturetoLM041LLCDtodisplay.Whenitoperatesnormally,it’stemperaturerangesfrom-55℃to+125℃,thesystemhasagoodapplicationprospectinthemordenperiodwhenelectronicsindustrydevelopingrapidly.

Keywords：

AT89C51；Manyroutes；TemperatureDetection；Display

目录

摘要I

AbstractII

目录I

1绪论1

1.1课题的来源1

1.2课题的目的1

1.3课题的意义1

2八路温度采集显示系统总体方案设计3

2.1确定设计流程图3

2.2八路温度采集显示系统方案论证3

2.3确定总体设计方案7

3八路温度采集显示系统硬件设计8

3.1AT89C51单片机的特点及引脚说明8

3.2温度采集模块硬件设计11

3.3显示模块硬件设计15

3.4报警模块硬件设计17

3.5串行口上位机通信模块设计18

3.6片外程序存储器的扩展21

4八路温度采集显示系统软件设计26

4.1温度采集模块软件设计27

4.2单片机处理模块软件设计32

4.3显示模块软件设计34

4.4报警模块软件设计36

4.5串行口上位机通信模块软件设计38

5八路温度采集显示系统仿真调试及结果39

5.1Proteus与KeilμVision联合仿真39

5.2Proteus与Keil联合仿真结果41

结论44

参考文献45

附录1系统仿真所用元器件清单48

附录2系统仿真C语言程序清单49

附录3系统仿真电路原理图58

致谢59

1绪论

1.1课题的来源

在实际生产、生活等各个领域中，温度是环境因素的不可或缺的一部分，对温度进行及时精确的控制和检测显得尤为重要。

比如消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备的过热故障预知检测，空调系统的温度检测，在医院的监护中也用到温度的测量，化工、机械等设备温度过热检测，土壤各个层面上的温度将会影响植物的生长，以及热处理中工件各个部位的温度对工件形成后的性能至关重要等等。

总之，现代电子工业的飞速发展对温度检测的智能化精确度要求越来越高。

1.2课题的目的

通过本次设计，我们对大学四年所学课程将做出一个总结，对各门课程均将有更深入的了解，更加熟练的掌握设计方案的提出，设计流程的规划以及各器件的硬件连和软件编程，并且能够更加熟练的操作Proteus仿真软件，真正培养出科学的思维方式和灵活解决问题的能力，为以后实际工作奠定良好的基础。

在本次设计结束后，我们将得到一款能够同时检测显示八路温度的多点智能测温系统，当某一路或某几路温度值超过设定的上限值或者下限值时，报警电路中的蜂鸣器鸣响且提示闪亮，使操作者能够及时发现问题并控制温度回到额定温度范围内。

该系统运行稳定，操作简便，应用灵活，能够在当代农业、工业、医疗以及日常生活中得到良好的应用。

1.3课题的意义

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。

目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。

它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。

而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。

但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。

控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。

国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。

日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。

它们主要具有如下的特点：

一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；二是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。

借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。

有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。

目前，国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。

本课题设计的系统符合当代科学发展的趋势，能够满足现代生产生活的需要，其测温效率高，具有较强的稳定性和灵活性。

方便快捷的实现了多路温度采集并显示，该系统用液晶显示器节省了空间且显示效果好，报警电路同时包含了蜂鸣器和提示灯，能更好的引起操作者的警觉，在实际生产中能够降低由于温度超过额定范围引发的事故，有良好的实用性，在国内外都具备良好的应用前景。

2八路温度采集显示系统总体方案设计

2.1确定设计流程图

在熟悉课题，明确任务的基础上，查阅相关资料，理清设计思路，综合考虑总的设计时间和各部分设计所需时间，最终决定将本次设计分五大步进行。

（1）熟悉课题，明确任务，查阅相关资料，确定总体设计方案；

（2）根据各部分的功能划分功能模块，确定每一模块的硬件组成，合理选取具有相应功能的器件；

（3）进行硬件设计，把各器件组成相应功能的模块，并把各功能模块进行电气连接，形成总的功能系统；

（4）进行软件设计，编写程序，实现各模块功能，使整个系统能够良好的运行；

（5）进行仿真调试，检查各模块功能能否完全实现，综合考虑系统的灵活性、稳定性、误差大小及测温效率调整各器件的各项参数。

使系统的处在最佳性能状态。

经分析总结，确定总的设计流程如图2.1所示。

图2.1设计流程图

2.2八路温度采集显示系统方案论证

2.2.1单片机的选取

若采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度，且占用空间增大。

但是如果采用AT89C51单片机为控制核心优点凸显，51系列微处理器基于简化的嵌入式控制系统结构，被广泛应用于从军事到自动控制再到PC机上的键盘上的各种应用系统上，仅次于Motorola68HC11在8位微控制器市场上的销量，很多制造商都可提供51系列单片机，像IntelPhilipsSiemens等，这些制造商给51系列单片机加入了大量的性能和外部功能，像I2C总线接口，模拟量到数字量的转换，看门狗，PWM输出等，不少芯片的工作频率达到40M，工作电压下降到1.5V。

基于一个内核的这些功能使得51系列单片机很适合作为厂家产品的基本构架，它能够运行各种程序而且开发者只需要学习这一个平台[1]。

比较这两种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用第二种方案，选用AT89C51单片机为核心处理器。

2.2.2温度传感器的选取

传感器是信号输入通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。

由于传感技术的发展非常迅速，各种各样的传感器应运而生，所以对传感器的正确选用显得尤为重要。

而众多传感器对微机化测控系统有较大的影响。

当今应用较多的传感器大致可以分为以下几种[2]：

（1）大信号输出传感器。

为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家设计制造一些专门与A/D相配套的大号输出传感器。

通常是把放大电路与传感器做成一体，使传感器能直接输出0～5V、0～10V或0～2.5V要求的信号电压，把传感器与相应的变送器电路做成一体，构成能输出4～20mA直流标准信号的变送器。

对于大电流输出，只要经过简单I/V转换即可变为打信号电压输出。

对于大信号电压可以经A/D转换，也可以经V/F转换送入微机，但后者响应速度较慢。

（2）集成传感器。

集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。

例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。

采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。

（3）光纤传感器。

这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。

在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。

（4）数字式传感器。

数字式传感器一般都采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数RLC构成的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换等，因此，数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强，便于远距离传送等优点。

此外，采用数字量传感器时，传感器输出如果满足TTL电平标准，则可直接接入计算机的I/O口或中断入口。

如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。

当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。

测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理，因此在设计过程中选取温度传感器要注意一下几点：

（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行—项具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。

因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：

量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

（2）灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。

因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。

但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。

因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的串扰信号

（3）频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

（4）线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。

以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。

传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。

当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

（5）稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。

影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。

因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

（6）精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。

传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。

这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。

自制传感器的性能应满足使用要求。

显而易见，数字式温度传感器在本设计中的应用优点突出，综合考虑以上选取注意事项，本设计采用DS18B20单总线数字式温度传感器对温度信号进行采集。

2.2.3显示器的选取

显示系统是单片机控制系统的重要组成部分，主要用于显示各种参数的值，以便使现场工作人员能够及时掌握生产过程。

工业控制系统中常用的显示器件有CRT、LED、LCD等，CRT不仅可以进行字符显示，而且可以进行画面显示，和计算机配合使用，可十分方便地实现生产过程的管理和监视，但由于CRT体积大，价格昂贵，所以只适用于大型微机控制系统。

在中小型的控制过程中，为了使工作人员能够在现场直接看到生产情况和报警信号，经常选用LED和LCD作为显示器件。

LED和LCD都具有体积小，功耗低，响应速度快，易于匹配，可靠性高和寿命高等优点。

LCD是一种功耗极低的显示元件，在仪表和低功耗应用系统中的使用较多，而LED虽然成本低廉，也用于单片机控制系统中。

但是现实数值位数及精度受到LED数量多少的限制，本设计要同时显示八路温度，若用LED显示需求片数太多，不仅总成本没有降低，而且体积增大，观察不便。

所以，本系统采用LCD液晶显示[3]。

2.3确定总体设计方案

通过对设计任务及相关芯片的深入了解，最终决定本设计采用AT89C51单片机作为控制器，选用单总线数字温度传感器DS18B20对温度进行采集，采用16×4字符的LCD显示器一起构成八路温度采集与显示系统，使得系统可以检测-55℃～+125℃范围内的温度，选择分辨率为12位，使用液晶显示器对八路温度进行循环显示，考虑到测温精度，设置显示数值精确到0.1℃，并且设置温度上下限，当某一路或几路温度值超过上下限温度时，报警电路中的蜂鸣器鸣响，提示灯亮。

根据各模块要实现的功能及其各模块的结构特点，设计其总体结构如图2.2所示。

图2.2八路温度采集与显示系统结构图

3八路温度采集显示系统硬件设计

3.1AT89C51单片机的特点及引脚说明

3.1.1AT89C51单片机的特点

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片，内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，该芯片外形结构及引脚如图3.1所示[4]。

图3.1AT89C51外形结构及引脚

AT89C51单片机主要性能参数为：

（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容；

（2）4K字节可重擦写Flash闪速存储器；（3）1000次擦写周期；（4）全静态操作：

0Hz—24Hz；（5）三级加密程序存储器；（6）128×8字节内部RAM；（7）32个可编程I/O口线；（8）2个16位定时/计数器；（9）6个中断源；（10）可编程串行UART通道；（11）低功耗空闲和掉电模式[8]。

AT89C51提供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他所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.1.2AT89C51单片机引脚功能说明

（1）Vcc：

电源电压；

（2）GND：

地；

（3）P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

（4）P1口：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可做输入口。

做输入口输入时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

（5）P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可做输入口，做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输入一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8为地址的外部数据存储器（如执行MOVX@R1指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器SFR区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接受高位地址和其它控制信号。

（6）P3口：

P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示。

表3.1P3口第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号

（7）RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

（8）ALE/

：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲可用于锁存地址的低八位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（

）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效[8]。

（9）

：

程序储存允许（

）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次

有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的

信号不出现。

（10）EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部数据存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编成，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件使用12V编程电压Vpp。

（10）XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

（11）XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

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