基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 電氣工程專業(yè)

基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：傳統(tǒng)的溫度計(jì)性能單一、壽命短并且精度不高，用起來不可靠。而數(shù)字溫度計(jì)的出現(xiàn)解決了這些問題。它不僅拓寬了溫度計(jì)的應(yīng)用范圍，而且具有具有實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、高效性的優(yōu)點(diǎn)。這篇論文仔細(xì)的探討了一種基于51單片機(jī)，熱敏電阻Pt100和12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7816的溫度測(cè)量方法。包括總體設(shè)計(jì)方案、詳細(xì)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。最終做出的溫度計(jì)的的測(cè)量和控制的范圍是0到100攝氏度，而且它的精度可以達(dá)到0.1度。在溫度控制模塊中，分別利用PID算法和模糊控制的算法對(duì)溫度進(jìn)行控制。關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度計(jì)；單片機(jī)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；PID控制DesignofDigitalThermometerSystemBasedonSingleChipMicrocomputerAbstract:Thetraditionalthermometerissingleinperformance,shortinservicelifeandnothighinaccuracy,soitisnotreliabletouse.Theemergenceofdigitalthermometershassolvedtheseproblems.Itnotonlybroadenstheapplicationrangeofthermometer,butalsohastheadvantagesofreal-time,accuracyandhighefficiency.Inthispaper,atemperaturemeasurementmethodbasedon51MCU,thermistorPt100and12-bitserialanalog-to-digitalconverterADS7816iscarefullydiscussed.Includingtheoveralldesignscheme,detailedhardwarecircuitdesignandsoftwaredesignandimplementation.Themeasurementandcontrolrangeofthethermometerfinallymadeis0to100degreesCelsius,anditsaccuracycanreach0.1degrees.Inthetemperaturecontrolmodule,PIDalgorithmandfuzzycontrolalgorithmareusedtocontrolthetemperaturerespectively.Keywords:Digitalthermometer;Singlechipmicrocomputer;Analog-to-digitalconverter;PIDcontrol

目錄第一章緒論 21.1研究背景 21.2研究目的與意義 21.3研究現(xiàn)狀 31.4技術(shù)特點(diǎn) 31.5課題研究的內(nèi)容 3第二章系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介 32.1單片機(jī)的概述 32.2主控芯片AT89C51簡(jiǎn)介 42.3數(shù)字的顯示 52.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 62.5總體設(shè)計(jì)方案 6第三章系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 73.151單片機(jī)最小系統(tǒng) 7 83.2數(shù)碼管模塊電路 83.2.1液晶顯示屏 83.2.2點(diǎn)陣 93.2.3LED數(shù)碼管 93.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) 93.3.1溫度信號(hào)輸入模塊設(shè)計(jì) 93.3.2鍵盤輸入模塊的設(shè)計(jì) 113.3.3鍵盤硬件設(shè)計(jì) 113.4數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計(jì) 123.4.1LED顯示器的顯示方式 133.4.2顯示模塊電路設(shè)計(jì) 133.5PCB的設(shè)計(jì) 143.5.1Protel簡(jiǎn)介 143.5.2電路設(shè)計(jì)流程 15第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 164.1系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 164.1.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程 164.1.2系統(tǒng)軟件主程序流程圖 174.2軟件功能模塊的設(shè)計(jì) 174.2.1數(shù)據(jù)顯示程序設(shè)計(jì) 174.3系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)及解決方法 184.4使用WAVE6000開發(fā)軟件 18第五章系統(tǒng)調(diào)試 18第六章設(shè)計(jì)總結(jié) 18參考文獻(xiàn) 19第一章緒論1.1研究背景 溫度是代表這物體冷熱程度的物理量，在日常生活中，溫度是非常重要的數(shù)據(jù)，它一直在對(duì)我們的生活產(chǎn)生影響。在當(dāng)代社會(huì)，科技高速發(fā)展，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)行業(yè)也得到了充分的利用。新型的數(shù)字式溫度傳感器既可以測(cè)量電信號(hào)，又可以測(cè)量溫度、濕度等非電信號(hào)，在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等許多領(lǐng)域，經(jīng)常要用到溫度的檢測(cè)及控制。因此，為了使人們的生活更加方便，溫度傳感器也就從模擬式走向了數(shù)字式。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們想要準(zhǔn)確的測(cè)量和控制這種物理量。單片機(jī)的測(cè)量和控制是近年來出現(xiàn)的一種新型測(cè)控方法。提高對(duì)溫度的測(cè)量和控制不僅可以提高人們的生活水平，還有就是由于當(dāng)今技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)溫度測(cè)量和控制也提出了新的要求，這對(duì)單片機(jī)控制的數(shù)字溫度計(jì)的要求越來越嚴(yán)格。因此本文從微控制器的控制技術(shù)入手，在數(shù)字控制和智能控制的方向上進(jìn)行了探討和實(shí)踐。溫度也是工業(yè)對(duì)象中需要注意的重要參數(shù)，特別是在需要嚴(yán)格控溫的行業(yè)中。在這些領(lǐng)域中，數(shù)字溫度計(jì)由于其高可靠性和高精度而被廣泛應(yīng)用。1.2研究目的與意義該項(xiàng)目的目的是測(cè)試水溫，室溫或人體溫度,系統(tǒng)核心采用51系列單片機(jī)，溫度的測(cè)量范圍為0~100°C，采用熱電阻傳感器（Pt100），ADS7816芯片用于模數(shù)轉(zhuǎn)換。溫度計(jì)的測(cè)量和控制范圍為0到100攝氏度，精度可達(dá)0.1度。在通常的生活與學(xué)習(xí)中，我們常常用到溫度計(jì)，如生病時(shí)測(cè)量體溫的醫(yī)用水銀溫度計(jì)、在溫室大棚種植時(shí)需要的溫度計(jì)、戶外活動(dòng)時(shí)用的戶外溫度計(jì)等等。大部分早先時(shí)候的溫度計(jì)都使用玻璃和水銀制作的，其測(cè)量溫度精確度不高而且使用單一化，比如在非典時(shí)期，我們使用大量的水銀溫度計(jì)來測(cè)量人體溫度，它在使用中存在安全隱患、測(cè)量不方便、測(cè)量時(shí)間相對(duì)較長、讀數(shù)不方便等因素，醫(yī)用溫度計(jì)還不能解決老年人讀溫度計(jì)數(shù)值的難題；溫室大棚中使用的溫度計(jì)不能使農(nóng)戶隨時(shí)、直接了解室內(nèi)的溫度，不能急時(shí)采取有效措施控制室內(nèi)的溫度。此時(shí)，我們選擇精度準(zhǔn)確、讀取方便的數(shù)字溫度計(jì)就可以大大方便生活。無形中解決了不少隱患。傳統(tǒng)溫度計(jì)由于自身的問題有許多不足，這限制了它在許多方面的使用。一直以來，溫度計(jì)大多使用傳統(tǒng)的溫度計(jì)，它是由固體和液體的熱膨脹原理制成的，它們都有一定的局限性和缺點(diǎn)。例如，傳統(tǒng)的膨脹溫度計(jì)性能單一、壽命短、可靠性差、體積大、精度低等。數(shù)字溫度計(jì)的出現(xiàn)解決了這些問題。它不僅拓寬了溫度計(jì)的應(yīng)用范圍，而且具有實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性和高效性。隨著技術(shù)和新材料的發(fā)現(xiàn)，溫度計(jì)的精度和類型發(fā)展非常迅速，例如熱敏電阻溫度計(jì)和熱電偶溫度計(jì)，以及新型數(shù)字溫度計(jì)和電子溫度計(jì),它的原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍更廣。本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量溫度時(shí)，和傳統(tǒng)的溫度計(jì)不同的是，它的測(cè)量準(zhǔn)確，溫度輸出可以顯示在數(shù)碼管或液晶上，因此十分方便閱讀。1.3研究現(xiàn)狀溫度是一個(gè)非常有用的物理量，各方面都可以用到。并且溫度有許多檢測(cè)方法，常用的有電阻型、熱電偶型、PN結(jié)型和石英諧振型，它們的原理都是因?yàn)闇囟茸兓瘯?huì)引起其物理參數(shù)的變化。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新的檢測(cè)原理和技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用在實(shí)用性方面取得了重大進(jìn)展。新一代的溫度傳感元件不斷出現(xiàn)和改進(jìn)。目前，由于計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，以及傳感器精度水平的提高，國內(nèi)外數(shù)字溫度計(jì)應(yīng)用的范圍越來越廣泛。在數(shù)字溫度計(jì)的制作研究等方面十分詳盡，所用的方法也各不相同。美國一公司生產(chǎn)的一個(gè)可以進(jìn)行單線性的溫度傳感器芯片是當(dāng)前最常用并且相比較其他芯片算是比較先進(jìn)的DS18B20，它改進(jìn)了以往的常用的溫度傳感器的缺點(diǎn)。DS18B20的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠直接的將獲得的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)需要的數(shù)字信號(hào)，而不像以往那些溫度傳感器那樣只能保存住獲得的溫度信號(hào)，而需要專門安裝信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片才能實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。因?yàn)槊恳粋€(gè)DS18B20都有自己特有的標(biāo)識(shí)碼，可以在一條總線上加接多塊DS18B20，所以DS18B20很適合構(gòu)成一套多位置的溫度測(cè)量的系統(tǒng)。同時(shí)由于其出色的功能，小尺寸，高可靠性和低價(jià)格，MCU受到了研究人員的高度重視。其應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)測(cè)量和控制，智能儀器，尖端技術(shù)和日常用具。以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)某種電子電路相對(duì)簡(jiǎn)單易行。目前，大多數(shù)數(shù)字溫度計(jì)都是以單片機(jī)為基礎(chǔ)，以MCU為核心研發(fā)。1.4技術(shù)特點(diǎn)基于AT89C51單片機(jī)作為控制核心的數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件少，有計(jì)體積小,測(cè)溫精度比較高,測(cè)溫范圍也較廣等優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景。1.5課題研究的內(nèi)容一個(gè)基于51單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)，可以精確的顯示1到100的溫度。第二章系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介2.1單片機(jī)的概述單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。單片機(jī)由運(yùn)算器，控制器，存儲(chǔ)器，輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)（最小系統(tǒng)），和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)由僅有CPU的專用處理器芯片發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。根據(jù)總線或數(shù)據(jù)寄存器的寬度，單片機(jī)又分為4位、8位、16位和32位單片機(jī)。4位單片機(jī)多用于冰箱、洗衣機(jī)、微波爐等家電控制中；8位、16位單片機(jī)主要用于一般的控制領(lǐng)域，一般不使用操作系統(tǒng)；32位用于網(wǎng)絡(luò)操作、多媒體處理等復(fù)雜處理的場(chǎng)合，一般要使用嵌入式操作系統(tǒng)。常見的單片機(jī)有：Atmel的51系列及AVR系列、以低功耗聞名的德州儀器的MSP430系列、日本使用廣泛的瑞薩單片機(jī)、意法半導(dǎo)體的 STM32series(ARMCortex-M3系列，32位)和STM8series(自主RISC指令集，8位)。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件有電子器件的產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電子產(chǎn)品中都含有單片機(jī)。汽車上一般配備40多片單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百片單片機(jī)在同時(shí)工作!單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過PC機(jī)和其他計(jì)算機(jī)的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。2.2主控芯片AT89C51簡(jiǎn)介AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。該單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖所示。AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。主要特性：·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定·128×8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路2.3數(shù)字的顯示使用完善的74HCl64實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。LED顯示屏分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。此處使用靜態(tài)顯示，系統(tǒng)通過單片機(jī)串口來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的顯示。串口處于模式零狀態(tài)，即工作在移位寄存器模式，波特率是振蕩頻率的十二分之一。當(dāng)器件執(zhí)行任何使用SBUF作為目標(biāo)寄存器的命令時(shí)，數(shù)據(jù)就開始從RXD發(fā)送。當(dāng)寫信號(hào)有效時(shí)，發(fā)送控制端子SEND在一個(gè)機(jī)器周期后有效，這允許RXD在允許從TXD端子輸出移位脈沖的同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。2.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟確定系統(tǒng)的整體解決方案是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中第一個(gè)步驟，同時(shí)也是最重要和最關(guān)鍵的步驟，通常情況下，總體設(shè)計(jì)方案應(yīng)從這些方面進(jìn)行思考：（1）根據(jù)系統(tǒng)的功能及指標(biāo)要求，畫出原理方框圖；（2）確定系統(tǒng)采用的控制策略和控制算法；（3）確定系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及配置和軟件功能及結(jié)構(gòu)，畫出粗框圖；（4）考慮多種方案，初步完成方案的比較和選擇。（5）明確保證性能指標(biāo)達(dá)到要求的技術(shù)措施；（6）系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)。2.5總體設(shè)計(jì)方案按本課題將對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)一個(gè)以為AT89C51微處理器的數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì),本設(shè)計(jì)的構(gòu)成模塊主要包括:顯示模塊、溫度信號(hào)輸入模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等。按照設(shè)定好的設(shè)計(jì)思路做出以下設(shè)計(jì)流程圖。主控制器LED顯示器主控制器LED顯示器溫度傳感器溫度傳感器掃描驅(qū)動(dòng)掃描驅(qū)動(dòng)所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體架構(gòu)如上圖所示，該系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，通過MAX232與PC實(shí)現(xiàn)串口的通信，通過溫度信號(hào)電路采集溫度變化，來造成電壓的信號(hào)變化，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把這些變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)89C51單片機(jī)處理后顯示在數(shù)碼管。第三章系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)3.151單片機(jī)最小系統(tǒng)對(duì)51系列單片機(jī)來說，單片機(jī)要正常工作，必須具有時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須要有時(shí)鐘信號(hào)才能正常工作。單片機(jī)芯片的18腳（XTAL2）、19腳（XTAL1）分別為片內(nèi)反向放大器的輸出端和輸入端，只要在18腳（XTAL2）和19腳（XTAL1）之間接上一個(gè)晶振，再加上2個(gè)30PF的瓷片電容即可構(gòu)成單片機(jī)所需的時(shí)鐘電路。鐘頻率限制（最大值和最小值）可能因設(shè)備而異。標(biāo)準(zhǔn)做法是使用12MHz頻率。復(fù)位電路的設(shè)計(jì)：8051可通過兩種方式復(fù)位，上電復(fù)位（當(dāng)電源打開時(shí)復(fù)位8051）和手動(dòng)復(fù)位（僅在手動(dòng)按下按鈕時(shí)才發(fā)生復(fù)位）。復(fù)位不會(huì)影響內(nèi)部RAM的內(nèi)容。要發(fā)生復(fù)位，復(fù)位輸入引腳（引腳9）必須在至少2個(gè)機(jī)器周期內(nèi)高電平有效。在復(fù)位操作期間：程序計(jì)數(shù)器清零，從00H開始，默認(rèn)選擇寄存器組＃0，堆棧指針初始化為07H，所有端口都寫入FFH，這里選用的是手動(dòng)復(fù)位。3.2數(shù)碼管模塊電路傳統(tǒng)用作系統(tǒng)的顯示方案有液晶顯示屏、點(diǎn)陣、LED數(shù)碼管這三種，這三種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。3.2.1液晶顯示屏因?yàn)橐壕Х肿颖旧硎遣荒馨l(fā)光的，因此液晶顯示器需要外部光源來協(xié)助它本身發(fā)光。它們的亮度和對(duì)比度都不是很好。而且液晶顯示器的視角令人頭疼，當(dāng)背光源通過偏振器、液晶和配向?qū)訒r(shí)，輸出光就是有方向的了。也就是說，大部分光線是從屏幕垂直發(fā)出的，所以當(dāng)你從大角度觀看液晶顯示器時(shí)，你看不到原來的顏色的，有時(shí)候甚至只能看到全白或全黑，液晶顯示器極其節(jié)電，但它的使用溫度范圍限制很大，而且因?yàn)樗欠垂獾?，在外面光線很亮的時(shí)候很容易看不清楚。缺點(diǎn)：能夠偏轉(zhuǎn)的視覺角度很小，圖像拖尾現(xiàn)象很容易發(fā)生，液晶顯示器的亮度和對(duì)比度都不是很好，液晶經(jīng)常出現(xiàn)“壞點(diǎn)”。優(yōu)點(diǎn)：液晶顯示器可視面積很大，而且它非常節(jié)能。3.2.2點(diǎn)陣優(yōu)點(diǎn)：成本低、加工工藝成熟、品質(zhì)穩(wěn)定;缺點(diǎn)：亮度、顏色一致性不好控制，容易出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象;3.2.3LED數(shù)碼管數(shù)碼管消耗電力比液晶多一點(diǎn)，小于點(diǎn)陣的功耗。但是數(shù)碼管顯示更加清晰，更加適合在白天等強(qiáng)光條件下顯示。優(yōu)點(diǎn)：成本低、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、適合白天等強(qiáng)光條件下顯示、顯示性能穩(wěn)定、顯示清晰。缺點(diǎn)：功耗高、顯示的內(nèi)容不夠豐富。3.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)整個(gè)硬件電路，要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)分割成為幾個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)具體功能的模塊，分別對(duì)這幾個(gè)模塊進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，最后又由單片機(jī)將其組合成為一個(gè)整體。3.3.1溫度信號(hào)輸入模塊設(shè)計(jì)溫度信號(hào)輸入模塊是本課題研究的重要部分，該硬件模塊包含溫度信號(hào)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩部分。硬件電路設(shè)計(jì)如下圖：1.溫度信號(hào)采集電路分析R2、R3、R4和PT100組成了惠斯登橋式電路，從電橋獲取的差分信號(hào)通過運(yùn)算放大器將信號(hào)放大后輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7816中。電橋的一個(gè)橋臂要采用了可調(diào)電阻R11，通過調(diào)節(jié)R11可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號(hào)的大小，用于調(diào)節(jié)零點(diǎn)。放大器兩端使用了可調(diào)電阻R13，調(diào)節(jié)R13可以改變放大倍數(shù)。溫度在0~100度變化，當(dāng)溫度變化時(shí)，PT100的阻值也會(huì)相應(yīng)的變化，從而使輸入放大電路的差分信號(hào)變大，放大電路輸出的電壓對(duì)應(yīng)升高或者降低。2．模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片ADS7816分析ADS7816是一個(gè)典型的逐次逼近型12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其精度可以達(dá)到0.0625，它的工作時(shí)序如上圖所示。從上圖可以看出，時(shí)鐘信號(hào)DCLOCK控制著信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程，所以其可以控制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換速度，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)只有在時(shí)鐘信號(hào)是下降沿的時(shí)候才會(huì)進(jìn)行傳送。接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，一般會(huì)選擇時(shí)鐘信號(hào)的下降沿或者上升沿進(jìn)行。CS有效后的最初2個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，ADS7816采樣輸入信號(hào)。在時(shí)鐘信號(hào)的第二個(gè)下降沿的時(shí)候，Dout的輸出是無效信號(hào)，從第三個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的下降沿開始輸出轉(zhuǎn)換后的信息。輸出的數(shù)字信號(hào)，高位在前，低位在后。當(dāng)最低位輸出后，將CS變?yōu)楦唠娖?，則一次轉(zhuǎn)換結(jié)束。3.3數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計(jì)該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的顯示。以直觀的形式向用戶顯示測(cè)量出的溫度數(shù)據(jù)。1.LED顯示器的結(jié)構(gòu)及原理LED顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也可稱為數(shù)碼管。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是七段LED。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管陰極共地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管陽極并接，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。通常的7段LED顯示塊中有8個(gè)發(fā)光二極管，故也稱做8段顯示器。其中7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成7筆字型“8”；一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)“.”。7段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段，因此提供給LED顯示器的字據(jù)正好一個(gè)字節(jié)。3.4.1LED顯示器的顯示方式LED顯示主要有兩種方式，分別是占用I/O口資源較多的靜態(tài)顯示和當(dāng)前使用最頻繁的動(dòng)態(tài)顯示。為了節(jié)省I/O口資源，在本文中使用的是動(dòng)態(tài)顯示模式，下面將詳細(xì)介紹這兩種方式：（1）靜態(tài)顯示的方式，數(shù)碼管可以分為共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管，所以將數(shù)碼管的位選接地或者接+5V電源，就可以將當(dāng)前的數(shù)碼管選中，如果數(shù)碼管的段選再選中的話，那么數(shù)碼管將按段選設(shè)置的方式被點(diǎn)亮，在靜態(tài)顯示的情況下，每一位都可以獨(dú)立的顯示，只要在相應(yīng)的數(shù)碼管設(shè)置相應(yīng)的段選碼，這樣數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的字符，這種方式因?yàn)槭窍鄳?yīng)的發(fā)光二極管處于恒定導(dǎo)通和截至的狀態(tài)，所以這種方式被稱為靜態(tài)顯示的方式。（2）動(dòng)態(tài)顯示方式，動(dòng)態(tài)顯示方式是相對(duì)應(yīng)于靜態(tài)顯示方式來說的，靜態(tài)顯示方式是數(shù)碼管中的二極管處于恒定的導(dǎo)通和截至的狀態(tài)，這樣就會(huì)導(dǎo)致大量的I/O口資源的浪費(fèi)，而動(dòng)態(tài)顯示方式就能很好的解決這一問題，動(dòng)態(tài)顯示是出于恒定狀態(tài)的二極管處于不恒定的狀態(tài)，也就是說多個(gè)數(shù)碼管不是一直點(diǎn)亮著，而是不停的被點(diǎn)亮后立馬去點(diǎn)亮下一個(gè)數(shù)碼管，但是由于人眼有余暉效應(yīng)，會(huì)感覺數(shù)碼管是一直在亮著，而只是亮度相對(duì)于靜態(tài)顯示的方式來說比較弱而已。為了進(jìn)一步節(jié)約I/O口資源，可以利用在電路中加裝鎖存器，這樣就可以是用單獨(dú)的一組I/O口資源，就可以同時(shí)控制數(shù)碼管的段選和位選，形成段選線的多路復(fù)用。而各位的共陰極點(diǎn)或共陽極點(diǎn)分別由相應(yīng)的I/O口線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。3.4.2顯示模塊電路設(shè)計(jì)由于要顯示的溫度數(shù)據(jù)精度要求為0.1，測(cè)溫范圍為0-100度，所以采用4位八段數(shù)碼管顯示。采用動(dòng)態(tài)顯示方法，將四個(gè)數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起使用，實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。采用共陰極八段LED數(shù)碼管顯示，各個(gè)二極管陽極分別通過鎖存器74LS373接到單片機(jī)P2口的八個(gè)引腳上。考慮到要實(shí)現(xiàn)分時(shí)選通，同時(shí)要驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，采用MC1413反向驅(qū)動(dòng)器。顯示電路硬件實(shí)現(xiàn)如下圖所示：如圖所示，采用了共陰極八段數(shù)碼管公共陰極和MC1413反向驅(qū)動(dòng)器的輸出端相連，當(dāng)把MC1413的某一輸入端置為高電平時(shí)，其相應(yīng)輸出端輸出低電平，使某一位數(shù)碼管的公共陰極為低電位，從而使該位顯示。3.5PCB的設(shè)計(jì)3.5.1Protel簡(jiǎn)介Protel是目前國內(nèi)最流行的通用EDA軟件，它是將電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB板圖設(shè)計(jì)、電路仿真和PLD設(shè)計(jì)等多個(gè)實(shí)用工具軟件組合后構(gòu)成的EDA工作平臺(tái)，是第一個(gè)將EDA軟件設(shè)計(jì)成基于Windows的普及型產(chǎn)品。本項(xiàng)目主要用到Protel的兩大實(shí)用工具：電路原理圖設(shè)計(jì)(SCH)：Schematic提供電路圖編輯、零件庫編輯、試算表編輯、統(tǒng)計(jì)圖編輯以及文書編輯等服務(wù)。支持單張式及多張式結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)零件修改，繪圖更加自動(dòng)化，更加的簡(jiǎn)便和快捷。制板(PCB)：在Schematic的基礎(chǔ)之上，PCB能夠設(shè)計(jì)出美觀實(shí)用而且符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的印刷板圖，快捷的網(wǎng)絡(luò)表自動(dòng)裝載，器件自動(dòng)擺放和完全的自動(dòng)布線使PCB制板的速度是非常快的，因?yàn)楹苋菀鬃龅健?.5.2電路設(shè)計(jì)流程了解模塊的整體框架，選好元件。如本設(shè)計(jì)微處理器芯片選取STC89C51RC等。查資料了解所用元件相關(guān)的引腳號(hào)和對(duì)應(yīng)的信號(hào)、功能。查看Protel元件庫里是否有相關(guān)的元件圖，若有，則可直接從庫里放置到原理圖上；否則，需要編輯庫里的元件或往庫里添元件。在本次設(shè)計(jì)中，有些芯片是在Protel元件庫中找不到的，如ADS7816，這時(shí)候需要自己新建原理圖庫文件，然后添加新元件，畫出ADS7816元件圖。建Schematic原理圖。根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的具體功能進(jìn)行硬件原理圖的設(shè)計(jì)。進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。主要依靠Protel軟件自帶的電氣規(guī)則檢查(ERC)來檢查原理圖電氣連接的合理性，如元件標(biāo)注是否重復(fù)、元件的輸入輸出是否合理、輸入輸出間是否直接短路、電源和地之間短路等連線錯(cuò)誤等。從原理圖生成PCB圖的步驟：(1)檢查元件的封裝形式。元件封裝是指實(shí)際元件焊接到電路板時(shí)所指示的外觀和焊點(diǎn)位置，它是實(shí)際元件引腳和印制電路板上的焊點(diǎn)一致的保證。封裝形式的定義是生成PCB制板圖最重要的地方，遇到PCB封裝庫中沒有的封裝形式，要自己進(jìn)行手工的添加，添加時(shí)應(yīng)注意被封裝對(duì)象在實(shí)際電路板中的大小。(2)生成SPICEnetlist，檢查元件的連接。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的原理圖時(shí)有時(shí)候可以不用生成網(wǎng)表文件，但是當(dāng)原理圖較為復(fù)雜時(shí)，生成網(wǎng)表文件后，在裝載網(wǎng)表文件后會(huì)將原理圖中元件、封裝形式一一列出，極大的便于找到錯(cuò)誤，進(jìn)行修改。在本次設(shè)計(jì)中，生成的網(wǎng)表文件幫我修改了很多錯(cuò)誤。(3)規(guī)劃電路板。在繪制PCB圖前，應(yīng)有一個(gè)初步的規(guī)劃，如采用板材尺寸、安裝位置、采用幾層電路板等，目的是確定電路板設(shè)計(jì)的框架。(4)設(shè)置參數(shù)。包括設(shè)置元件的布置參數(shù)、板層參數(shù)和布線參數(shù)等。如一般地線和電源線要比普通電線的尺寸大。(5)裝入SPICEnetlist及元件封裝。SPICEnetlist是原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)和印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)的接口。只有裝入SPICEnetlist之后才能完成電路板的自動(dòng)布線。在裝入SPICEnetlist之前，要保證所有元件的封裝形式都已從庫中調(diào)入到內(nèi)存，否則在裝入SPICEnetlist時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)。(6)布局元件?？梢圆捎米詣?dòng)布局元件，但效率低，效果不理想。這時(shí)候只能采取手工布局，盡量使電路板設(shè)計(jì)的布局合理、美觀。(7)自動(dòng)布線。利用Protel進(jìn)行自動(dòng)布線，只要參數(shù)設(shè)置與元件布局合理，成功率幾乎是100%，而且效率非常高。(8)手工調(diào)整。到目前為止，還沒有一種自動(dòng)布線軟件能夠完美到不需手工調(diào)整的地步。如果對(duì)自動(dòng)布線感到不滿意，也可通過手工來調(diào)整。(9)PCB驗(yàn)證。PCB板圖設(shè)計(jì)完成之后，要進(jìn)行驗(yàn)證和“后分析”，包括：DRC檢查、熱分析、噪聲分析及干擾分析、電磁兼容性分析、可靠性分析。第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程在應(yīng)用系統(tǒng)研制的過程中，軟件設(shè)計(jì)是工作量比較大也是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，所以在進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的時(shí)候需要著重考慮硬件和軟件等方面的因素。基于單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)步驟如下：（1）單個(gè)模塊獨(dú)自設(shè)計(jì)，將整個(gè)數(shù)字溫度計(jì)系統(tǒng)劃分成為若干個(gè)能夠獨(dú)立運(yùn)行的部分：主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序等。主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的處理溫度值。溫度測(cè)量每秒進(jìn)行一次，等。這些模塊可以單獨(dú)的進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試。最后通過主程序?qū)⒏鱾€(gè)模塊有機(jī)的聯(lián)系在一起，成為有條不紊的一個(gè)整體。（2）在編寫各個(gè)模塊程序前，先畫好程序流程圖，一個(gè)合理的流程圖能為編程時(shí)提供清晰的思路，節(jié)省大量的時(shí)間。流程圖畫好之后，根據(jù)流程圖編寫各模塊程序，并將其調(diào)試通過。（3）合理分配系統(tǒng)資源，最重要的是合理的分配和利用單片機(jī)的寄存器和其他RAM存儲(chǔ)。（4）編寫系統(tǒng)初始化程序和系統(tǒng)主程序。編寫系統(tǒng)主程序前要畫好系統(tǒng)的流程圖，使整個(gè)系統(tǒng)清晰、簡(jiǎn)捷、高效。系統(tǒng)的主程序應(yīng)最大限度的利用系統(tǒng)資源。調(diào)用模塊化的子程序，注意子程序的入口，出口，有機(jī)而統(tǒng)一的將各個(gè)模塊化程序聯(lián)系在一起成為一個(gè)系統(tǒng)程序。（5）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，修改。4.1.2系統(tǒng)軟件主程序流程圖4.2軟件功能模塊的設(shè)計(jì)對(duì)于軟件模塊主要包括對(duì)應(yīng)于各硬件功能模塊的程序，在硬件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，如：鍵盤掃描程序、數(shù)據(jù)顯示程序、報(bào)警程序以及模數(shù)轉(zhuǎn)化程序等。在設(shè)計(jì)各個(gè)模塊程序時(shí)要注意設(shè)計(jì)模塊程序的入口、出口，以便于在將來主程序調(diào)用時(shí)方便、簡(jiǎn)單，容易結(jié)合成為一個(gè)整體。4.2.1模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)當(dāng)打開ADS7816后，有1.5-2個(gè)周期時(shí)間，芯片采樣溫度信號(hào)，此時(shí)Dout呈三態(tài)，然后Dout輸出一個(gè)時(shí)鐘周期且無效的低電平信號(hào)，檢測(cè)這個(gè)信號(hào)可以作為ADS7816開始輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)的標(biāo)志位，當(dāng)檢測(cè)到其為零時(shí)，單片機(jī)開始從ADS7816接收高四位和低八位的數(shù)據(jù)，并分別進(jìn)行存儲(chǔ)。接收完12位的數(shù)字信號(hào)后要關(guān)閉ADS7816，否則它將重復(fù)輸出先前的12位數(shù)據(jù)。4.2.2數(shù)據(jù)顯示程序設(shè)計(jì)此處的顯示程序我們采用LED的動(dòng)態(tài)顯示，其中一個(gè)輸出口輸出數(shù)位的控制碼，控制共陽極LED顯示器的公用極，某一位為低電平時(shí)，與此位對(duì)應(yīng)的LED顯示器便顯示數(shù)字，我們將此輸出口稱為位控制通道。另一個(gè)通道輸出LED顯示器的段碼值，通過一個(gè)8位驅(qū)動(dòng)器后將段碼值同時(shí)送到顯示器各段，我們將此輸出口稱為段控制通道。段控制通道輸出的段碼值由8個(gè)二極管單獨(dú)控制的，所以在單片機(jī)送出一個(gè)8位的段碼的時(shí)候，這時(shí)只有一個(gè)數(shù)碼管是能夠正常顯示的，因?yàn)檫@時(shí)候的位選只有一位能夠顯示，也就是說只有在位選和段選同時(shí)選中的時(shí)候，數(shù)碼管才能正確的顯示，而如果只有段選或者只有位選的時(shí)候，數(shù)碼管都不能正確的顯示，所以如果想同時(shí)顯示這幾個(gè)數(shù)碼管，需要的基本步驟如下，利用位選單獨(dú)選中某位數(shù)碼管的時(shí)候，同時(shí)送上當(dāng)前數(shù)碼管需要顯示所用的段碼，當(dāng)需要顯示下一位數(shù)碼管的時(shí)候，就將當(dāng)前數(shù)碼管的位選取消，這時(shí)此數(shù)碼管將熄滅，但是由于人眼的余暉效應(yīng)，數(shù)碼管雖然已經(jīng)熄滅，但是給人們的感覺是仍然在顯示著所需要顯示的數(shù)字。所以利用眼睛的余暉效應(yīng)，采用一定的頻率不斷的給數(shù)碼管發(fā)送位選和段選信號(hào)，數(shù)碼管上的各位都會(huì)有穩(wěn)定的數(shù)字顯示。使用這種方式顯示數(shù)字，優(yōu)點(diǎn)是可以大幅度節(jié)省I/O口，節(jié)省了硬件的資源，但是這種方式也有一些缺點(diǎn)，那就是這種方式的數(shù)碼管因?yàn)椴荒芤恢憋@示著，所以導(dǎo)致數(shù)碼管的亮度將一些單獨(dú)控制的數(shù)碼管的較低。另外還有一個(gè)缺點(diǎn)就是在設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候需要投入將大的精力對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行持續(xù)的掃描。4.3系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)及解決方法（1）精度控制。本次基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)精度為0.1。通過硬件實(shí)現(xiàn)一章關(guān)于ADS7816芯片的敘述可知，它是一個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，也就是其輸出的數(shù)字范圍為0-4096，而我們的數(shù)字溫度計(jì)的量程是0-100攝氏度，也就是說將模數(shù)轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字除以41（應(yīng)為40.96，便于計(jì)算使用41）也就可以得到當(dāng)前的溫度數(shù)值。但是這樣一來，得到的整數(shù)數(shù)字只有2位，這樣就達(dá)不到精度為0.1的要求。所以我在實(shí)際的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中只將溫度數(shù)字信號(hào)除以4（應(yīng)為4.1，便于計(jì)算使用4），這樣得到的是三位整數(shù)數(shù)字，顯示時(shí)，將小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)在十位數(shù)數(shù)碼管上，這樣就實(shí)現(xiàn)了精度為0.1的精度控制。（2）數(shù)制轉(zhuǎn)化。ADS7816轉(zhuǎn)化出來的數(shù)字為2進(jìn)制12位數(shù)字，要將其轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制數(shù)字處理后，才能將其利用。（3）干擾因素。設(shè)計(jì)好的單片機(jī)電路板中會(huì)產(chǎn)生各種各樣的干擾因素，比如說各種噪聲，這些噪聲有很多來源，比如說信號(hào)源自己就會(huì)有很多噪聲的產(chǎn)生，傳感器也是產(chǎn)生噪聲的一個(gè)途徑。所以為了達(dá)到很好的測(cè)量和控制效果，就需要做好除噪的各方面的工作。（4）數(shù)值溢出問題。在上述取平均值解決溫度數(shù)據(jù)顯示不穩(wěn)定問題時(shí)，將100個(gè)溫度數(shù)據(jù)的值取和，這樣得到的數(shù)據(jù)最大可以達(dá)到409600（12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出值最大為4096），而采用2個(gè)內(nèi)存單元最大可以實(shí)現(xiàn)16位2進(jìn)制數(shù)字，僅可以達(dá)到65536，所以會(huì)出現(xiàn)溢出問題。所以采用三個(gè)內(nèi)存單元存儲(chǔ)加和以后的數(shù)字。4.4軟件環(huán)境使用AVE6000開發(fā)：WAVE6000是以前版本軟件的升級(jí)版本。與以前的版本相比，WAVE6000增加了許多新功能，并大大改進(jìn)了一些功能，像是窗口管理和文件編輯相應(yīng)的工具。WAVE6000版本的軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)境不僅顯著提高了頁面的美觀性，而且大大的方便了軟件包的編輯，因此本文選擇WAVE6000作為軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)境。在這些新功能中特別值得一提的是新增的書簽功能。新添加的書簽功能可以很好地管理項(xiàng)目和文件的編輯，使程序員在編輯過去的程序的時(shí)候，顯得十分有條理，大大提高了程序員編程的效率。軟件主要使用的步驟：（1）新建項(xiàng)目。（2）新建asm文件。（3）加入模塊文件到項(xiàng)目。（4）設(shè)置仿真器。（5）編譯、運(yùn)行。第五章系統(tǒng)仿真調(diào)試根據(jù)原理圖焊接印刷電路板，將仿真器的仿真頭安裝到設(shè)計(jì)中應(yīng)安裝AT89S51的位置，將仿真器連接到計(jì)算機(jī)的USB端口，修改并編譯匯編器直到程序正確,然后把無誤的程序下載到仿真器中,運(yùn)行程序,觀察數(shù)碼管此時(shí)的狀態(tài)。調(diào)試過程：調(diào)試每個(gè)子程序模塊，觀察數(shù)碼管所代表的的子程序模塊是能不能正常的動(dòng)態(tài)顯示;為了調(diào)試控制子程序，先要優(yōu)化主體的控制框架，看是否正常調(diào)用子程序進(jìn)行正常操作，是不是可以正常工作實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能;主程序的調(diào)試，看每個(gè)子程序模塊和控制程序的融合是否順利，主要取決于程序的執(zhí)行步驟是否與設(shè)定一致，在某一時(shí)間運(yùn)行的程序狀態(tài)是不是正確的。如果不是就要繼續(xù)修改，重修測(cè)試了。顯示模塊測(cè)試：當(dāng)測(cè)試顯示模塊時(shí)