摘要
本设计以STCS51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、led控制程序。
关键词：STCS51；单片机；DS18B20；温度芯片；LED
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目录
引言 ..................................................... 1 1.设计概述 ............................................... 2
1.1 设计目标和要求 ................................... 2 1.2 设计思路 ......................................... 2 2.系统方案及硬件设计 ..................................... 3
2.1 设计方案 ......................................... 3 2.2 方案的硬件总体方框图 ............................. 3 2.3 温度传感器DS18B20测温原理 ....................... 4 2.4 硬件设计 ......................................... 9
2.4.1主控制器电路 ................................ 9 2.4.2复位电路 ................................... 10 2.4.3时钟振荡电路 ............................... 10 2.4.4正相驱动电路 ............................... 11 2.4.5反相驱动电路 ............................... 11 2.4.6显示电路 ................................... 12
2.5 软件设计 ........................................ 12 3.系统原理图 ............................................ 14 4.proteus软件仿真结果 ................................... 15
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4.1系统仿真设计 ..................................... 15 4.2仿真结果分析 ..................................... 15 5.结论 .................................................. 16 6.参考文献 .............................................. 17
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引言
单片机以其体积小、功能完善、抗干扰能力强、价格低廉等优点而被广泛应用于工业控制、可编程序控制器、通信、家电等领域。C51系列单片机经过多年的发展，在性能、指令功能、运算速度、控制能力等方面都有很大的提高，已被越来越多的科学工作者所关注。
目前，大学院校相关电子、机电、自动化、计算机等专业都在开设这门课程。单片机课程设计是学生加深理论知识理解、提高实际设计能力的重要环节，从设计电路板，到程序编制与调试，最后完成一个单片机系统的设计，可以使学生体验到成功的快乐。Proteus虚拟单片机仿真软件可以成功地进行绝大部分的单片机硬件仿真，轻松实现程序功能的展示。
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1.设计概述
1.1 设计目标和要求
1.用所学的单片机知识设计制作数字温度计； 2.测温范围是-50℃---100℃； 3.误差小于0.5℃；
4.所测的温度值可以由LCD数码管直接显示；
5.进一步熟悉proteus,protel,word软件的功能和使用方法；
1.2 设计思路
首先确定我们所设计的是一个数字温度计，由单片机、温度传感器以及其他电路共同实现。
根据所要实现的功能，先在proteus软件上仿真。根据所选用的硬件可以将整个软件设计分为若干子程序，有初始化、查询时间、发送指令、读取数据、显示温度等构成，可将以上子程序分别设计，实现各自的功能，再在子程序中调用，就可以实现预期的目标。 在proteus软件里画出相应的电路图，将编写好的程序的编译后的文件下载到proteus电路图的单片机里，进行仿真，对温度传感器设置不同的参数，看是否达到了我们设计所要求的目标，如果不符合要求，需要检查程序算法和硬件连接是否有误。若仿真成功，就按照电路图焊接硬件。
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2.系统方案及硬件设计
2.1 设计方案
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和ATC51单片机构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,也可直接与计算机连接。采用ATC51单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。该系统利用ATC51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限温度。该系统扩展性非常强。该测温系统电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单。
2.2 方案的硬件总体方框图
基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器
ATC51，温度传感器采用的DS18B20，用四位数码管显示温度。
图2.2.1 硬件总体方框图
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2.3 温度传感器DS18B20测温原理
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。
DS18B20的性能特点如下：
（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网测温；
（3）无须外部器件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；
（4）可通过数据线供电，电压范围为3.0-5.5Ｖ； （5）零待机功耗；
（6）温度以9或12位数字，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温； （7）用户可定义报警设置；
（8）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
（9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；
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（10）测量结果直接输出数字温度信号，以\"一线总线\"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其引脚排列及内部结构框图如图2及图3以及图4的测温原理图如下所示：
图2.3.1 引脚排列图
图2.3.2 内部结构框图
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图2.3.3 DS18B20测温原理图
位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图2.3.3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图2.3.4所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温
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度转换的精度位数，来设置分辨率。
温度 LSB 温度 MSB TH用户字节1 TL用户字节2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC TM R1 R0 1 1 1 1 1
图2.3.4 DS18B20的字节定义图
DS18B20的分辨率定义如表2-1所示。
表2-1 分辨率设置表 R0 0 0 1 1 R1 0 1 0 1 分辨率 9位 10位 11位 12位 最大温度转移时间 96.75ms 187.5ms 375ms 750ms 由表2-1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
主机控制DS18B20完成温度转换过程是：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，即将数据总线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待16-60us左右，之后发出60-240us的存在低脉冲，主CPU收到此此信号表示复位成功；复位成功后发送一条ROM指令，然后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预订的读写操作。
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表2-2 ROM指令集
指令 读ROM 符合ROM 约定代码 33H 55H 功能 读DS18B20中的编码 发出此命令后，接着发出位ROM编码，访问单线总线上与该编辑相对应的DS18B20使之做出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备 搜索ROM 0F0H 用于确定挂接在同一总线上的DS18B20个数和识别位ROM地址，为操作各器件作准备 跳过ROM 告警搜索命令
0CCH 0ECH 忽略位ROM地址，直接向DS18B20发送温度变换指令 执行后，只有温度跳过设定值上限或下限的片子才能做出反应 表2-3 RAM指令集 指令 温度转换 读暂存器 写暂存器 复制暂存器 重调E2RAM 读供电方式 约定代码 44H 0BEH 4EH 48H 0B8H 0B4H 功能 启动DS18B20进行温度转换 读暂存器9个字节内容 将数据写入暂存器的TH、TL字节 把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中 把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将最低温所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在最低温所对应的一个
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基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。
2.4 硬件设计
2.4.1主控制器电路
ATC51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。
ATC51是一种带2K字节闪存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1000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和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的ATC51是一种高效微控制器，ATC51是它的一种精简版本。ATC51单片机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。引脚图如图2.4.1所示。
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图2.4.1 ATC51引脚图
2.4.2复位电路
在这里采用的是按钮加上电复位，系统每次上电和每次按下复位按钮，系统就会复位。复位电路图如图2.4.2所示。
图2.4.2 复位电路图
2.4.3时钟振荡电路
在这里采用的是1MHZ的晶振频率，它与单片机的硬件连接电路如图2.4.3所示。
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图2.4.3 晶振电路图
2.4.4正相驱动电路
74LS245为数码管的断码驱动芯片，P0.0~P0.7输出段码控制信号。正相驱动电路图如图2.4.4所示。
图2.4.4 正相驱动电路图
2.4.5反相驱动电路
7407为反相驱动芯片，P2.0~P2.3输出位扫描控制信号，经由7407反相后驱动4位共阴极数码管的位选信号。反相驱动电路图如图2.4.5所示。
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图2.4.5 反相驱动电路图
2.4.6显示电路
显示电路采用集成的四位一体的数码管，为共阴极结构，通过设置不同的段码可以显示温度。
图2.4.6 显示电路图
2.5软件设计
系统程序主要包括DS1820初始程序，向DS1820读字节程序，向DS1820写字节程序，温度读取及转换程序，计算温度子程序，温度显示程序。主程序流程图如图2.5.1所示。
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图2.5.1 主程序流程图
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3.系统原理图
通过Proteus进行元器件的查找与电路图的连接得到如图3.1.1
的系统原理图。
图3.1.1 系统原理图
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4. proteus软件仿真结果
4.1系统仿真设计
本设计是在Proteus环境下进行仿真的，仿真所用到的器件有：
单片机ATC51，DS1820温度传感器，74LS245芯片，7407芯片，液晶显示器，一些电阻，电容等。
4.2仿真结果分析
本设计在仿真的条件下可以正确的显示温度，且本设计温度显示可以精确到0.1满足设计要求，仿真时温度显示如图4.2.1所示。
图4.2.1 仿真结果分析图
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5.结论
单片机的设计至今为止已经进入了令人鼓舞的阶段，在进行了长达两周的时间的摸索与实验，使我不仅仅是对于单片机入门软件与硬件的常用设计与功能，还使我对于一项设计研究的制作过程所需要的详细步骤和具体的实现方法的力度的掌握。基于此作品作为单片机课程设计设计的创作成果，在当其中机器的功能等方面并非处于一个成熟的阶段，而且仅仅是因为余老师的要求以及我们的初步尝试，当中的缺点是无可非议地存在着。
当然在这次宝贵的课程设计活动中，经验才是对于我们最大的收获，而且还增强了自身对未知问题以及对知识的深化认识的能力，用受益匪浅这个词语来概括这次难忘的活动我觉得再合适不过了。但是，光是完成了作品还是不可以自我满足的，在从一开始的时候就怀着将作品制作得更加人性化，更加令人满意，更加地使功能完美又方便地被应用领域这个最终目的下，随着对单片机这门学科的认识加深，到达了拓展的程度，我想这个目的将在不远的时期内被实现。 总之，这次设计从软件编写、调试到软硬件联机调试，我们倾注了大量的时间和心血。真是曾经为程序的编写而冥思查找过，曾经为无法找出错误而郁闷苦恼过，也曾经为某一功能不能实现而犹豫彷徨过，但最终我们成功了。因此我们不仅品味到了结果的喜悦，更明白了过程的弥足珍贵，最后要感谢老师给予我们这次实践的机会和余老师对我们实践的指导。
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6.参考文献
【1】李群芳，肖看.单片机原理接口与应用（第2版）.北京：清华大学出版社，2010.
【2】谢瑞和等.串行技术大全.北京：清华大学出版社，2003. 【3】陈光东，赵性初.单片微型计算机原理与接口技术.武汉：华中科技大学出版社，1999.
【4】谢瑞和等.微机技术实践（修订版）.武汉：华中科技大学出版社，1995.
【5】马忠梅等.单片机C语言应用程序设计.北京：北京航空航天大学出版社，2002.
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