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1、电气工程学院单片机课程设计报告班 级： 姓 名： 学 号： 设计题目： 温度检测系统设计 设计时间： 评定成绩： 评定教师： 摘要 以51单片机为核心，设计一个温度检测系统。该系统基于8051核心的单片机AT89S51，通过串行AD转换芯片PCF8591将基于NTC热敏电阻的测温电路输出的模拟信号转换成数字信号，并根据电路特性曲线计算出目标温度值，还具有通过lcd1602液晶显示目标温度和超过设定阈值报警功能。该系统面向普通的要求不高的测温场景，并尽可能提高测量精度、减小测量误差。 Proteus仿真、keil与proteus联调是此次设计该系统的主要手段，即过程中，通过软件对系统各个模块功能
2、的调试。该系统的核心有以下几个部分：lcd控制、ic通信协议，以及NTC热敏电阻特性曲线和补偿算法。 由于该系统功能简单，元器件数量较少，最终可以在单片机学习板上实现。由于仿真和实际学习板的条件不同，使用软件仿真是时采用AT89S51单片机，实际调试时使用STC89C52RC单片机，其功能完全兼容AT89S52单片机。关键词：温度检测、51单片机、ic通讯、NTC热敏电阻、仿真目录一、设计要求11.1 设计要求分析1二、方案设计和选定22.1文献综述22.1.1 单片机模块22.1.2 AD转换模块22.1.3 显示模块32.1.4 报警模块42.1.5 测温模块42.1.6 输入模块52.2
3、 最终方案选定52.3硬件成本计算6三、硬件设计（基于proteus）73.1 仿真原理图设计73.2 仿真器件选择及参数设定11四、程序设计124.1程序流程图124.2 LCD显示程序134.3 PCF 8591控制程序164.3测温电路算法设计 164.5 报警模块和按键模块程序设计25五、调试过程275.1 软硬件调试275.2 运行效果展示28六、设计总结31参考文献32附录：源程序34一、设计要求温度检测及报警实现具有温度检测、显示、以及报警功能的温度检测应用系统，功能指标如下：（1） 满足通用要求；（2） 温度采集及显示精度为1位小数；其中：*通用要求1、人机接口：可选择开关、按
4、键、发光管、LED数码管、点阵字符LCD、图形字符LCD等；2、模拟器件：可选择A/D、D/A、运放、模拟开关等，其中A/D、D/A要求是串行接口类；3、传感器：要求是模拟量输出。1.1 设计要求分析在现有的条件和一定的成本控制下，应该尽可能提高温度检测的精度和响应速度。在显示方面应该尽可能清晰直观，设定操作也应该简单方便。满足通用要求即系统可以提供人机交互，应通过显示模块显示被测参数，且可以通过按键或开关对系统进行设置。模拟器件要求是串行接口，可以节省io资源，但是编程相对较为复杂。传感器要求模拟量输出，则不能使用数字温度传感器，如18B20数字温度传感器。设计一个具有温度检测、显示、以及报
5、警功能的温度检测应用系统，可以分为温度检测模块检测温度，显示模块用于显示温度值和其他信息，报警模块用来提供警报，系统的核心应由单片机系统完成信息和用户操作的处理。对于各个模块的方案分析和选用，在下一章节进行详细的说明。二、方案设计和选定2.1文献综述查阅相关资料之后，在各个模块的选用方案在考虑成本、性能、设计要求和使用环境的前提下，最终做出较为合适的选择。系统方案的最终目标是在考虑成本的前提下，尽量提高系统的易用度、提高温度检测的精度。各个模块的方案比较和选用具体如下：2.1.1 单片机模块由于系统目标功能比较简单，所以核心微控制器可以采用成本低廉、应用非常广泛的8位单片机。根据实际情况，有以
6、下几种单片机可供选择：51单片机、avr单片机、stm8、pic单片机等。相比于其他几类单片机，51单片机在功能、价格、稳定性、处理速度上均不具特别优势，但是由于其使用比较简单、价格足够便宜、例程丰富和在现有软硬件资源限制下，最终选择8051核心的AT89S51增强版单片机。AT89S51单片机是Atmel公司的产品，其具有4组8位双向IO口，内部集成2个16位定时器/计数器、两个外部中断以及一个全双工异步uart通信接口，此外片内集成4KB flash ROM和128B高速RAM。该单片机可工作于0-33MHz速度下，其性能足以用来设计该温度检测系统。2.1.2 AD转换模块由于该款单片机内
7、部未集成AD转换功能，所以需采用一片外部AD转换芯片。常用的AD芯片由转换方法可分为积分型、逐次比较型、电容阵列逐次比较型等等。AD转换芯片的分辨率越高、转换速度越快，其价格越高。受限于成本要求和应用场景，主要有以下几款芯片待选：TLC5510、ADC0809、AD574、PCF8591。以上四种AD转换芯片都具有8位或12位的转换精度，但是其转换类型各有不同，输入通道数量也有所不同，成本都比较适中。由于设计要求使用串行接口的芯片并且要求检测和显示精度为小数点后一位，并且根据现有的单片机学习版的资源，最终选用具有串行接口的8位AD芯片PCF8591。该芯片使用逐次逼近方法进行AD转换，使用ic
8、通信协议。其有四个输入通道，可作为独立4通道输入，或者3或2组差分输入，另有一个模拟输出接口（该系统中未使用）。ic通信协议是一种串行通讯协议，其只需一根双向数据线、一根时钟脉冲线即可完成通讯，占用IO口少，但编程相对较为复杂。相比而言，PCF8591芯片具有差分输入功能，可以一定程度上抑制共模信号，所以可以设计电路使其具有一定的抗干扰能力。2.1.3 显示模块从实际系统要求和成本考虑，主要有两类显示模块可供选择：LED显示和LCD显示。LED模块主要有八段数码管、点阵LED，LCD模块主要有lcd1602、lcd12864、诺基亚5110液晶屏。下面分别将五个模块在成本、功能、控制、优缺点等
9、方面做出比较：点阵LED八段数码管lcd1602lcd12864Nokia5110价格低低较低较高一般显示内容较少少多多多数量需求2-44-6111优点亮度高、成本低亮度高、成本低可直接显示ascll字符，可显示16*2个字符，成本较低、控制简单128*64点阵，显示内容多，可显示各种字符和图案串行通讯、需要io口较少，84*48点阵可显示30个字符，工作速度快、价格低缺点驱动电流大，占用io口多，需动态扫描、编程复杂驱动电流大，占用io口多，需动态扫描、编程复杂占用io口较多、难以显示复杂字符，不适合显示图案占用io口较多、需要的显示数据多、成本高自身不带有字库，需要的显示数据较多综合成本8
10、元4元5元24元11元最终根据设计要求和考虑成本，选用lcd1602液晶作为系统的显示模块显示被测温度值和提供人机交互界面。Lcd1602液晶屏在成本和功能、易用度等各个方便均由不错的表现，几乎是设计该系统显示模块的不二之选。2.1.4 报警模块根据设计要求，系统可以根据用户设定的温度值进行监控，当被测温度高于设定温度时应该提供警报，提供警报。警报的方式有很多种，此次采用最常见的声光警报。声音警报可以选用有源蜂鸣器、无源蜂鸣器和专用的声音ic芯片。有源蜂鸣器在通电之后就可以发出特定频率和间隔的声音；无源蜂鸣器需要给予一定500-20000Hz的脉冲才可发出人类可听见的声音；专用的声音ic配合微
11、型扬声器就可以发出不同的声音。三种方案成本都比较低，但是无源蜂鸣器的成本最低，不足0.5元钱。可以利用单片机控制其发出特定频率的声音作为声音警报，所以选用无源蜂鸣器作为声音警报模块。另外使用一颗led发光管作为警报光源。2.1.5 测温模块根据要求使用NTC热敏电阻组成的测温电路进行温度测量。类似的还有PTC热敏电阻构成测温电路，其输出均为模拟量，满足设计要求。NTC热敏电阻又称为负温度系数热敏电阻，是一类电阻值随温度增大而减小的一种传感器电阻。广泛用于各种电子原件中，如温度传感器、可复式保险丝及自动调节的加热器等。其价格低廉，工作比较稳定，适用于测量精度要求不高的场合。普通型的NTC热敏电阻
12、可以用于测量 -20200，可选阻值。现选用10k阻值的NTC热敏电阻和10k阻值的不变电阻组成分压电路。该测温电路输出0-5v DC模拟量，温度和输出量呈非线性关系，需要进行大量的数据测量并据此使用数学工具软件拟合出关系公式，最终得出尽量准确的温度曲线。此外为保证数据的准确性，还应该根据实际温度曲线和建模拟合的曲线进行比对，并适当对数据进行修正。2.1.6 输入模块根据设计要求，系统应该具有报警功能。设定温度值应由用户输入设定，另外还需提供一个报警的开关功能选定。采用简单的按键输入方案。使用单片机学习版提供的四脚轻触开关，其成本低廉，但是由于其机械结构，在按下的过程中会产生机械抖动情况，应该
13、尽量使用编程方法消除可能产生的误差。根据系统功能要求，使用三个按键即可实现要求的功能。三个按键分别用于设定温度的“+”、“-”功能，以及警报的开关功能。2.2 最终方案选定最终方案：选用AT89S51单片机作为控制核心，使用PCF8591 AD芯片和NTC热敏电阻测温电路构成系统的测温模块，使用一片lcd1602液晶作为系统的显示模块，使用一个无源蜂鸣器和led发光管作为系统的报警模块，使用3个按键作为系统的输入模块。系统结构图如下：报警模块控制按键LCD1602液晶屏AT89S51 单片机NTC热敏电阻测温电路PCF 8591AD转化各模块功能说明：1、单片机配合对应的电源、复位和晶振模块，
14、使之成为可以工作的最小系统。该部分可以独立工作并完成基本功能。2、报警模块由一个串联限流电阻的发光二极管和蜂鸣器构成，二极管以单片机引脚直接低电平驱动，蜂鸣器采用一个NPN三极管驱动。3、LCD1602液晶屏的数据引脚由单片机的P0口连接，三个控制引脚分别由P2口低三位控制。4、三个按键功能分别为：设定温度+0.5，设定温度-0.5和警报开关、前两个按键锁定功能。5、AD转化、测温电路由PCF8591和NTC热敏电阻以及一个10k电阻构成。2.3硬件成本计算在选定最终方案后，应该计算系统的硬件成本。硬件成本如下表：单价数量总价AT89S51单片机5.015.0pcf8591p11.0111.0lcd1602液晶5.015.0无源蜂鸣器0.510.5NTC热敏电阻0.110.1其他零散元件818PCB制版费15.0115.0其他10.0110.0总计39.6关于硬件成本计算的补充说明：1、所有元器件的封装要根据实际情况进行选定，但是成本近似相等。2、实际系统中多使用各种规格的电容、电阻、晶振、按键、芯片插槽、排针、导线等零散元件，由于
