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1、 . . . 第一章：绪论1.1课题背景随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业中应用中，可以极提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。随着温度检测理论和技术的不断更新, 温度传感
2、器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。1.2温度检测的意义与技术发展温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以与空气流动等物理和化学过程。因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。温度采集系统是在嵌入式系统设计的
3、基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段。第二章：系统总体设计与方案论证2.1系统总体设计本章主要容是论述基于51单片机的温度采集系统的总体设计以与方案论证。本系统由单片机、温度信号采集与A/D转换、人机交互、电源系统单元、通信单元五部分组成，功能模块具体实现的器件的不同，将直接影响整个系统的性能与成本，为了达到高效
4、、实用的目的，在系统设计之前的方案论证是十分重要的。2.2本系统工作流程，见图2-1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LCD进行温度显示通过串口将数据传至计算机图2-1系统工作流程单片机：该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理。单片机是整个系统的控制核心与数据处理核心。温度信号采集与传感器：本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号，使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，本设计采用的是数字温
5、度传感器，以上过程都在温度传感器部完成。人机交互与串口通信：人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。电源系统单元：本单元的主要功能是为单片机提供适当的工作电源，同时也为其他模块提供电源。如液晶显示屏、按键等，在本设计当中，电源系统输出 +5 V 的电源。2.2.1单片机在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。目前，8位单片机在国外仍占有重要地位。在8位单片机中又以M
6、CS51系列单片机与其兼容机所占的份额最大。MCS51的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片部资源的比较上。在以前的电子设计中，应用比较广泛的单片机是AT89C51单片机了，但是该单片机最致命的缺陷在于不支持ISP功能。Atmel公司目前已经停止了AT89C51生产，51单片机必须加上ISP功能才能更好延续MCS-51 的传奇，AT89S51就是在这样的背景下诞生的，目前AT89S51已经成为了实际应用市场上的新宠儿。89S51在工艺上进行了改进，它采用0.35 mm新工艺，不但降低成本了，而且增加了功能，提升了单片机
7、性能，提高了市场竞争力。AT89S51新增了许多功能，性能也有了较大的提升，但是价格仍旧与AT89C51的价格一致。新增的功能之中最具有影响力的就是ISP在线编程功能，这个功能的优势在于，改写单片机Flash存储器的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。显然，AT89S51在性能上比AT89C51要优良得多，因为它不但在AT89C51的基础上增加了许多功能，而且价格基本没有提高，所以在器件选择的时候首先排除AT89C51，对于市场上的另外一种比较流行的单片机C8051F，尽管它在性能、功能上都要比AT89S51优良很多，但是它的价格是S51的数倍，本系统使用S51已经完全能够
8、实现所需要的功能，基于成本的考虑，放弃C8051F，选择AT89S51作为本系统的主控单元。2.2.2温度采集与传感器本部分主要是论证温度传感器的选型。传感器的选择受到很多因素的影响，首先是各种温度传感器自身的优缺点，其次是各种不同的环境因素，还有就是系统所要现的精度等，所以在不同的设计当中温度传感器的选择也将不同。方案一：热电偶传感器热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。它是利用两种不同材料的金属连接在一起，构成的具有热电效应原理的一种感温元件。其优点为精确度高、测量围广、构造简单、使用方便，型号种类比较多且技术成熟等。目前广泛应用于工业与民用产品中。热电偶传感器的种类很多，在选择时必
9、须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。方案二：热电阻传感器热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电阻值的变化。热电阻传感器是中低温区最常用的一种温度传感器。它的主要特点是：测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的，不仅广泛应用于工业测温，而且被制作成标准的基准仪。从热电阻的测温原理可以知道，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。因此，热电阻的引出线的电阻的变化会给测温带来影响9。为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。方案三：半导体集成模拟温度传感器半导体IC温度传感器是利用半导体PN结的电流、电压与温度变
10、换关系来测温的一种感温元件。这种传感器输出线性好、精度高，而且可以把传感器驱动电路、信号处理电路等，与温度传感器部分集成在同一硅片上，体积小，使用方便，应用比较广泛的有AD590等。IC温度传感器在微型计算机控制系统中，通常用于室温或环境温度的检测，以便微型计算机对温度测量值进行补偿。方案四：半导体集成数字温度传感器随着科学技术的不断进步和发展，新型温度传感器的种类繁多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式、多总线式发展10。数字温度传感器，更因适合与各种微处理器的I/O接口相连接，组成自动温度控制系统，这种系统克服了模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转
11、换器的弊端，被广泛应用于工业控制、电子测温、医疗仪器等各种温度控制系统中，数字温度传感器中比较有代表性的有DS18B20等。电子设计中常用的几种温度传感器的性能、价格等的对比，如表2-1所示：表2-1传感器对比表传感器AD590PT100DS18B20产地美国德国美国量程-50+150-200+450-55+125精度 0.30.250.5供电电压+4V+30V+13V+36V+3.0V+5.5V输出信号类型模拟信号模拟信号数字信号PT100与AD590都不能与单片机的I/O口直接相连，需要设计信号调理电路，A/D转换电路。而DS18B20是数字温度传感器，并且采用单总线技术，使该传感器不但可
12、以直接与单片机I/O口相连，并且只需要一个I/O就可以连接多个温度传感器，实现多点温度测量与控制。所以使用数字温度传感器DS18B20不但可以节约单片机I/O口，还能使系统设计成本降低。2.2.3人机交互与串口通信按键是现阶段电子设计中最常用、最实用的输入设备。按键能够成为最普遍的输入设备，主要是其具备了以下几个优点：工作原理、硬件电路连接简单、操作实用性强、价格便宜，程序编写简单。缺点：机械抖动比较严重、外型不够美观。电子设计中常用的输出显示设备有两种：数码管和LCD。数码管是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负
13、极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据容比较直观，通常显示从0到F中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单，但是当要显示的位数相对多的时候，数码管操作起来十分烦琐，显示的速度受到限制。并且当硬件电路设计好之后，系统显示能力基本也被确定，系统显示能力的扩展受到了限制。而液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案。当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且
14、当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉与到硬件电路的修改，可扩展性很强。字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用的信息显示器件之一。不足之处在于其价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。本设计所需要显示的容比较复杂，不但包括现场温度值、温度限定值、还有温度传感器序列号的显示，所以本系统的数据显示设备采用LCD。串行通信的主要功能是实现单片机与PC机的数据交换，当需要进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把数据发送给上位机，使用上位机进行数据处理，并且将数据处理的结果又发送给单片机。这样可以大大提高系统数据处理速度，
15、还可以方便的对单片机进行控制。计算机与外界的数据传送大部分都是串行的，其传送距离可以从几米到几千米。 第三章：本系统优点3.1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。3.2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。第四章：硬件设计4.1概括本部分详细介绍了基于AT89S51单片机的嵌入式温度采集系统的硬件设计。硬件系统所需要完成的功能是将温度传感器DS18B20采集到的温度信号，输送到AT89S51单片机的I/O口，然后把单片机数据处理后的结果，送至JDL162A进行显示。本系统硬件设计主要包括温度传感器电路、LCD驱动电路、按键驱动电路、电源系统电路、串口通信电路、AT89S51单片机最小系统的设计。4.2系统硬件与软件组成4.2.1硬件组成本系统所用的硬件有：见表4-1。表4-1系统硬件清单器件名称数量AT89S51单片机1个74HC573锁存器2个LED发光二级管8个蜂鸣器1个独立键盘5个液晶显示屏1个三极管1个DS18B201个MAX233串口芯片1个电容若干电阻若干
