温度检测系统设计说明书

单片机课程设计说明书

题 目： 温度检测系统设计 系 部： 专 业： 班 级： 学生姓名: 学 号: 指导教师:

年 月 日

目 录

1 设计任务与要求 .................................................... 1

1.1 设计任务 ..................................................... 1 1.2 设计要求 ..................................................... 1 2 设计方案 .......................................................... 1 3 硬件电路设计 ...................................................... 1

3.1 最小系统电路 ................................................. 1 3.2 温度采集模块 ................................................. 3 3.3 显示模块 ..................................................... 4 3.4 硬件总体仿真图 ............................................... 7 4 主要参数计算与分析 ................................................ 7

4.1 DS18B20的主要参数 ........................................... 7 4.2 STC89C52RC的主要参数 ........................................ 8 4.3 LCD1602的主要参数 ........................................... 8 5 软件设计 .......................................................... 9

5.1 主程序流程图 ................................................. 9 5.2 温度测量系统各子模块 ......................................... 9 6 心得体会 ......................................................... 12 7 参考文献 ......................................................... 12 8 附录 ............................................................. 12

8.1 实物图 ...................................................... 12 8.2 元件清单 .................................................... 13 8.3 C语言程序 .................................................. 14

1 设计任务与要求

1.1 设计任务

设计一个温度检测系统。

1.2 设计要求

(1)用温度传感器18B20测环境温度，用LCD1602显示测量结果。 (2)用PROTEUS仿真。 (3)焊接电路板并调试运行。

2 设计方案

总体设计方案采用STC89C52RC单片机作控制器，温度传感器选用DS18B20来设计数字温度计。主控制器由单片机STC89C52RC实现，测温电路由温度传感器DS18B20实现，显示电路由LCD1602液晶显示器直读显示。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。该设计控制器使用单片机STC89C52RC，测温传感器使用DS18B20,实现温度显示,能准确达到以上要求。如图一所示。

图一 总体设计方案

3 硬件电路设计

3.1 最小系统电路

单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对于51系列单片机来说，最小系统包括：单片机、时钟电路、复位电路。如图二所示：

1

图二 最小系统电路

3.1.1 时钟电路

STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。

外部方式的时钟，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。如图三所示：

图三 时钟电路

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3.1.2 复位及复位电路

复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。

整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。

复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。 复位电路如图四所示：

图四 复位电路

3.2 温度采集模块

3.2.1 温度传感器的选择

DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修

3

正计数器1的预置值。

3.2.2 DS18B20管脚功能及接线方法

管脚功能：GND为电源地、DQ为数字信号输入/输出端、VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）

接线方法：面对着平的那一面，左负右正，一旦接反就会立刻发热，有可能烧毁！同时，接反也是导致该传感器总是显示85℃的原因。实际操作中将正负反接，传感器立即发热，液晶屏不能显示读数，正负接好后显示85℃。另外，如果使用51单片机的话，那么中间那个引脚必须接上4.7K—10K的上拉电阻，否则，由于高电平不能正常输入/输出，要么通电后立即显示85℃，要么用几个月后温度在85℃与正常值上乱跳。

DS18B20管脚如图五所示。

图五 DS18B20管脚

DS18B20与单片机的连接电路，如图六所示。

图六 DS18B20与单片机的连接电路

3.3 显示模块

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3.3.1 LCD的选择

LCD是一种工业型字符液晶，它能够显示32个字符（16列×2行），工作电压为3.3V或5V，对比度可自行调节，LCD的内部内部含有复位电路，用来提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。由于LCD1602功耗低、体积小、显示多样，常用在微型仪表和低功耗应用中。市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片，LCD1602控制原理也基于HD44780。LCD1602采用标准14脚（无背光）或16脚（有背光）接口。 3.3.2 LCD1602显示器的管脚功能

LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明

如下表一所示。

表一 LCD1602显示器引脚说明

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 符号 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1 引脚说明 电源地 电源正极 液晶显示偏压 数据/命令选择 读/写选择 使能信号 数据 数据 编号 9 10 11 12 13 14 15 16 符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK 引脚说明 数据 数据 数据 数据 数据 数据 背光源正极 背光源负极 5

图七 LCD1602管脚图

第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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：R/W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R/W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R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W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脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。

液晶与单片机的连接电路如图八所示。

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图八 液晶与单片机的连接电路

3.4 硬件总体仿真图

本设计大体可分为三个部分，即CPU处理模块、温度采集模块、显示模块。CPU处理模块采用单片机STC89C52RC，包括时钟电路、复位电路；温度采集模块采用温度传感器DS18B20进行温度采集，通过P3.6管脚发送到CPU进行处理；显示模块采用16管脚的LCD1602，数据通过单片机的P2口传输到LCD1602，最终LCD1602将温度显示出来。如图九所示。

图九 硬件总体仿真图

4 主要参数计算与分析

4.1 DS18B20的主要参数

(1) 独特的单线接口方式，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) 测温范围 -55℃~+125℃，固有测温误差(注意，不是分辨率，这里之前

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是错误的)1℃。

(3) 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

(4) 工作电源: 3.0~5.5V/DC (可以数据线寄生电源) (5) 在使用中不需要任何外围元件

(6) 测量结果以9~12位数字量方式串行传送 (7) 不锈钢保护管直径 Φ6

(8) 适用于DN15~25, DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 (9) 标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2\"任选

(10) PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。

4.2 STC89C52RC的主要参数

(1) 增强型8051 单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051.[2]?

(2) 工作电压：5.5V～3.3V（5V 单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机） (3) 工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051 的0～80MHz，实际工作 频率可达48MHz

(4) 用户应用程序空间为8K 字节 (5) 片上集成512 字节RAM

(6) 通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。

(7) ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片

(8) 具有EEPROM 功能 (9)具有看门狗功能

(10) 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2

(11) 外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒

(12) 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART (13) 工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）

4.3 LCD1602的主要参数

显示容量:16×2个字符 芯片工作电压:4.5—5.5V

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工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

5 软件设计

5.1 主程序流程图

图十 主程序流程图

5.2 温度测量系统各子模块

5.2.1 DS18B20读取温度部分

读温度值模块需要调用4个子程序，分别为：

DS18B20初始化子程序：让单片机知道DS18B20在总线上且已准备好操作 DS18B20写字节子程序：对DS18B20发出命令 延时子程序：对DS18B20操作时的时序控制 读温度值模块流程，如图十一所示：

DS18B20读字节子程序：读取DS18B20存储器的数据

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图十一 读温度值模块流程

DS18B20初始化子程序流程图，如图十二所示：

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图十二 DS18B20初始化子程序流程

本系统中液晶显示器初始化程序流程，如图十三所示：

图十三 液晶显示器初始化程序流程

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6 心得体会

经过两周时间的努力，基于单片机的简易温度系统设计基本完成。但设计中的不足之处仍然存在。这次设计是我第一次设计电路，并用Proteus实现了仿真。在这过程中，我对电路设计，单片机的使用等都有了新的认识。通过这次设计学会了Proteus和Keil C51软件的使用方法，掌握了从系统的需要、方案的设计、功能模块的划分、原理图的设计和电路图的仿真的设计流程，积累了不少经验。

基于单片机的简易温度系统设计使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。在实际应用工作应能好，测量温度准确，精度高。系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的改造，可以增加功能。本文设计主要实现了简易温度测量的功能，详细说明了从原理图的设计、电路图的仿真再到软件的调试。

通过本次设计，我对单片机这门课有了进一步的了解。无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面。本次设计采用了STC89C52RC单片机芯片,以前在学单片机课程时只是对其理论知识有了初步的理解。通过这次设计，对它的工作原理有了更深的理解。在调试过程中遇到很多问题，硬件上的理论知识学得不够扎实，对电路的仿真方面也不够熟练。

总之这次电路的设计和仿真，基本上达到了设计的功能要求。在以后的实践中，我将继续努力学习电路设计方面的理论知识，并理论联系实际，争取在电路设计方面能有所提升。

7 参考文献

[1] 单片机原理及应用.张兰红,邹华主编.机械工业出版社，2016. [2] 数字电子技术基础（第5版）.阎石编.高等教育出版社，2006. [3] 模拟电子技术基础（第五版）.童诗白编.高等教育出版社，2006. [4] 电路（第5版）.邱关源编.高等教育出版社，2006.

[5] 电子技术课程设计指导.彭介华编.高等教育出版社，2005年出版. [6] 电子技术基础实验－电子电路实验、设计、仿真.陈大钦主编. 高等教育出版社，2002年出版.

8 附录

8.1

实物图

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8.2 元件清单

温度检测单机用元器件明细表 封装 直插 直插 直插 直插 双列直插 双列直插 直插 直插 直插 邦头 直插 型号 1/4W STC89C52RC DIP-40 1/4W DS18B20 3296W-103 LCD1602 一排 11 参数 30PF 11.0592MHZ 10K 22UF/16V HD 4.7K 10K 20cm 针 单面 数量 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 针 线 1 1 名称 瓷片电容 石英晶体 电阻 电解电容 CPU CPU座 电阻 温度传感器 电位器 液晶显示器 色 排针 最小系统板 洞洞板 1P杜邦线彩母对母两头插好杜孔对孔40根单根长度30脚距2.54高1X40单排插30 9X7CM 13

8.3 C语言程序

#include \"reg51.h\" #include \"intrins.h\" #define uchar unsigned char #define uint unsigned int

uchar code table1 []={\" \欢迎显示 uchar code table2 []={\" \欢迎显示 uchar code str1 []={\" Temperature \uchar code str2 []={\" \//************管脚定义************************ sbit lcd_rs = P3^0; //液晶数据命令选择端 sbit lcd_en = P3^1; //液晶使能 sbit DQ = P3^6; //液晶使能

//************参数定义************************ uint tvalue; //温度值 uchar tflag; //温度正负标志 uchar data disdata[5];

//************子函数定义************************ void delay(uint z); void init_lcd();

//delay延时子程序 //LCD1602初始化函数

void write_com(uchar com); //LCD1602写指令函数 void write_data(uchar date); //LCD1602写数据函数

void lcd1602_display(uchar *q,uchar *p);//LCD1602显示函数

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void welcome_1(); //LCD1602显示欢迎函数1

void delay_DS18B20(uint i); //delay_DS18B20函数 void Init_DS18B20_display(); //DS18B20初始化显示 void Init_DS18B20(); //DS18B20初始化 uchar ReadOneByte();

//DS18B20读一字节

void WriteOneByte(uchar dat); //DS18B20写一字节 Read_Temperature();

//DS18B20读取温度值并转换

void DS18B20_display(); //DS18B20温度显示 //************主函数************************ void main() { }

//************delay延时子程序************************ void delay(uint z) {

uint x,y;

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welcome_1();

Init_DS18B20_display(); while(1) {

Read_Temperature(); DS18B20_display(); }

}

for(x=0;xfor(y=0;y<114;y++);

//************LCD1602初始化函数************************ void init_lcd() { }

//************LCD1602写指令函数************************ void write_com(uchar com) {

delay(5); lcd_rs = 0; lcd_en = 0; P2 = com; delay(5);

// 选择写指令 // 将使能端置0

write_com(0x38); //设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口 write_com(0x08); //写一个字符后地址指针加1 write_com(0x01); //显示清零，数据指针清零 write_com(0x06); //写一个字符后地址指针加1 write_com(0x0c); //关显示，光标不显示不闪烁

// 将要写的命令送到数据总线上 // 延时5ms，待数据稳定

lcd_en = 1;// 由于初始化已将lcd_en置为0，使能端给一个高脉冲， delay(5); lcd_en = 0;

// 延时5ms，待数据稳定

// 将使能端置0以完成脉冲

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}

//************LCD1602写数据函数************************ void write_data(uchar date) {

delay(5); lcd_rs = 1; lcd_en = 0; P2 = date; delay(5); lcd_en = 1;

// 选择写数据 // 将使能端置0

// 将要写的数据送到数据总线上 // 延时5ms，待数据稳定

// 由于初始化已将lcd_en置为0，使能端给

一个高脉冲，

}

//************LCD1602显示函数****************** void lcd1602_display(uchar *q,uchar *p) {

write_com(0x80); // 现将数据指针定位到第一行第一个字处 while(*q!='\\0') {

write_data(*q); q++; delay(1); delay(5); lcd_en = 0;

// 延时5ms，待数据稳定

// 将使能端置0以完成脉冲

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}

}

write_com(0xc0); // 现将数据指针定位到第二行第一个字处 while(*p!='\\0') { }

write_data(*p); p++; delay(1);

//************LCD1602显示欢迎函数1****************** void welcome_1() { }

//************DS18B20初始化显示************** void Init_DS18B20_display() { }

//************LCD1602显示函数******************

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init_lcd();

lcd1602_display(table1,table2); delay(300);

init_lcd();

lcd1602_display(str1,str2);

void delay_DS18B20(uint i) { }

//************DS18B20初始化****************** void Init_DS18B20() { }

//************DS18B20读一字节****************** uchar ReadOneByte() {

uchar i,dat = 0; for(i=8;i>0;i--) {

DQ = 0; dat>>=1; DQ = 1;

//给脉冲信号

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while(i--);

DQ = 1; //DQ复位 delay_DS18B20(4); //延时 DQ = 0; //DQ拉低 delay_DS18B20(100); DQ = 1; //拉高 delay_DS18B20(40);

//给脉冲信号

}

}

if(DQ) dat|=0x80; delay_DS18B20(10);

return (dat);

//************DS18B20写一字节****************** void WriteOneByte(uchar dat) { }

//************DS18B20读取温度值并转换****************** Read_Temperature() {

uchar a,b; Init_DS18B20();

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uchar i;

for(i=8;i>0;i--) { }

DQ = 0; DQ = dat&0x01; delay_DS18B20(10); DQ = 1; dat>>=1;

WriteOneByte(0xcc); //跳过读序列号 WriteOneByte(0x44); //启动温度转换 Init_DS18B20();

WriteOneByte(0xcc); //跳过读序列号 WriteOneByte(0xbe); //读取温度 a = ReadOneByte(); b = ReadOneByte(); tvalue=b; tvalue<<=8; tvalue=tvalue|a; if(tvalue<0xfff) }

//************DS18B20温度显示****************** void DS18B20_display() {

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tflag = 0;

else { }

tvalue = tvalue*(0.625); //温度值扩大10倍，精确到1位小数 return (tvalue);

tvalue = ~tvalue+1; tflag = 1;

uchar flagdat;

disdata[0]=tvalue/1000+0x30; //百位数 disdata[1]=tvalue%1000/100+0x30;//十位数 disdata[2]=tvalue%100/10+0x30; //个位数 disdata[3]=tvalue%10+0x30; //小数位 if(tflag == 0)

flagdat = 0x20; //正温度不显示符号

else

flagdat = 0x2d; //负温度显示负号

if(disdata[0] == 0x30) { }

write_com(0xc4);

write_data(flagdat); //显示符号位 write_com(0xc5);

write_data(disdata[0]);//显示百位 write_com(0xc6);

write_data(disdata[1]);//显示十位

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disdata[0] =0x20; //如果百位为0，不显示 if(disdata[1] == 0x30) { }

disdata[1] =0x20;//如果百位为0，十位为0也不显示

write_com(0xc7);

write_data(disdata[2]);//显示个位 write_com(0xc8);

write_data(0x2e); //显示小数点 write_com(0xc9);

write_data(disdata[3]);//显示小数位 write_com(0xca); //显示摄氏度 write_data(0xdf); write_com(0xcb); write_data('C'); }

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