單片機(jī)課程設(shè)計

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計PAGE1前言單片微型計算機(jī)簡稱單片機(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，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)，和計算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。單片機(jī)是靠程序運(yùn)行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是其它器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復(fù)雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板，但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機(jī)，結(jié)果就會有天壤之別，因為單片機(jī)的通過編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。單片機(jī)又稱微控制器，以體積小、功能全、性價比高等諸多優(yōu)點而獨(dú)具特色，因此單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)普及到我們的生活、工作、科研等各個領(lǐng)域，本文主要介紹了一個基于AT89C51單片機(jī)的測溫報警系統(tǒng)，描述了單片機(jī)的基本信息以及利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器開發(fā)測溫系統(tǒng)，對其外圍硬件進(jìn)行連接、軟件編程等模塊都進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫度的采集和顯示，并且可以根據(jù)需要設(shè)定溫度的上下限報警溫度，它使用起來相當(dāng)方便，具有精度高、量程寬、靈敏度高、功耗低等優(yōu)點，非常適合日常生活的溫度測量。DS18B20與AT89C51結(jié)合實現(xiàn)最簡單的溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量，有著廣泛的應(yīng)用前景。1概述1.1數(shù)字溫度計簡介隨著人們生活水平的不斷提高,單片機(jī)控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)字溫度計就是一個典型的例子，但人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施就需要從數(shù)單片機(jī)技術(shù)入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。數(shù)字溫度計可以準(zhǔn)確的判斷和測量溫度，以數(shù)字顯示，而非指針或水銀顯示。故稱數(shù)字溫度計或數(shù)字溫度表。數(shù)字溫度計采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器，將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化，這個電信號可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路即AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號再送給處理單元，處理單元經(jīng)過內(nèi)部的軟件計算將這個數(shù)字信號和溫度聯(lián)系起來，成為可以顯示出來的溫度數(shù)值，如25.0攝氏度，然后通過顯示單元（如LED）顯示出來給人觀察。這樣就完成了數(shù)字溫度計的基本測溫功能。此次課程設(shè)計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比，其讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準(zhǔn)確，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，該系統(tǒng)的總體設(shè)計思路如下：溫度傳感器DS18B20把所測得的溫度發(fā)送到AT89C51單片機(jī)上，經(jīng)過51單片機(jī)處理，將把溫度在顯示電路上顯示，本系統(tǒng)顯示器用4位共陰LED1.2設(shè)計內(nèi)容及要求本次單片機(jī)課程設(shè)計將以51系列單片機(jī)為核心，以開發(fā)板為平臺；利用Proteus及KEIL仿真軟件設(shè)計一個簡易數(shù)字溫度計，要求使用溫度傳感器（DS18B20）測量溫度，再經(jīng)單片機(jī)（簡稱MCU）處理后，在LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前的溫度值，分別為百位、十位、個位和小數(shù)點后一位。并且可以實現(xiàn)超限報警功能。1.3系統(tǒng)組成及工作原理本系統(tǒng)功能是由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成的，硬件部分主要完成各種新號的采集和各種信息的顯示的；軟件主要完成信號的處理及控功能等。基于工作原理是AT89C51單片機(jī)對按鈕的輸入信號的查詢和檢測，然后對輸入信號進(jìn)行相應(yīng)處理后通過LED數(shù)碼管輸出。溫度計電路設(shè)計控制器采用單片機(jī)AT89C51，溫度傳感器采用DS18B20，DS18B20溫度傳感器能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)９～１２位的數(shù)字值讀數(shù)方式，僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信。顯示電路采用4位共陰極LED數(shù)碼管，采用LED動態(tài)顯示方式，從P1口輸出段碼，P2.0～P2.3作為位選控制端。2系統(tǒng)總體設(shè)計及軟件設(shè)計2.1設(shè)計思路本實驗設(shè)計4個開關(guān)按鍵K1,K2,K3,K4：其中K2按鍵按下去時,進(jìn)入報警上下限設(shè)置，按動K2,K3分別對報警上限和下限進(jìn)行設(shè)置，增減由K1進(jìn)行控制，當(dāng)設(shè)置完畢后，按K4保存并退出。該實驗要求對環(huán)境溫度進(jìn)行測量并在LED上顯示數(shù)據(jù)，則可利用AT89C51芯片的P0.7-P0.0管腳對應(yīng)了接數(shù)碼管的A,B,C,D,E,F,G和小數(shù)點位，P2.0～P2.3接顯示數(shù)據(jù)的小數(shù)位、個位、十位、百位（符號位），P3.4端口與DS18B20進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和通信端口，P3.7端口輸出報警信號。2.2硬件構(gòu)成2.2.1主控模塊AT89C51單片機(jī)AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89C51具有8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路另外，AT89C51可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時,P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口和P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（2.2.2溫度傳感器DS18B20DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點如下：獨(dú)特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信；多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；無須外部器件；可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0～5.5V；零待機(jī)功耗；溫度以9或12位數(shù)字；用戶可定義報警設(shè)置；報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、TL字節(jié)內(nèi)容作比較。若Ｔ＞TH或T＜TL，則將該器件內(nèi)的報警標(biāo)志位置位，并對主機(jī)發(fā)出的報警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度并進(jìn)行報警搜索。DS18B20的測溫原理：器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)進(jìn)而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1、溫度寄存器中，計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。表表1一部分溫度對應(yīng)值表溫度/℃二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100000191H+10.125000000001010000100A2H+0.500000000000000100008H000000000000010000000H-0.51111111111110000FFF8H-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90HDS18B20器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時隙時，才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。所以在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時隙，以便DS18B20能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有的讀時隙至少需要60us，且在兩次獨(dú)立的讀時隙之間，至少需要1us的恢復(fù)時間。每個讀時隙都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線1us。在主機(jī)發(fā)起讀時隙之后，DS18B20器件才開始在總線上發(fā)送0或1，若DS18B20發(fā)送1，則保持總線為高電平。若發(fā)送為0，則拉低總線當(dāng)發(fā)送0時，DS18B20在該時隙結(jié)束后，釋放總線，由上拉電阻將總線拉回至高電平狀態(tài)。DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)，在起始時隙之后保持有效時間為15us。因而主機(jī)在讀時隙期間，必須釋放總線。并且在時隙起始后的15us之內(nèi)采樣總線的狀態(tài)。2.3顯示模塊顯示電路采用4位共陰極LED數(shù)碼管，采用LED動態(tài)顯示方式，從P1口輸出段碼，P2.0～P2.3作為位選控制端。其中P1做輸出口時需要加上拉電阻。圖2-1顯示模塊2.4開關(guān)控制電路模塊本模塊有四個按鍵來實現(xiàn)報警溫度的設(shè)置功能，當(dāng)K2鍵按下時，系統(tǒng)進(jìn)入報警溫度上下限調(diào)整程序，按動K2可以實現(xiàn)對報警溫度上限TH增一或減一，按動K3可以實現(xiàn)對報警溫度下限TL增一或減一，其加減由按動K1來控制，同時LED顯示當(dāng)前在調(diào)的報警溫度值，當(dāng)調(diào)整完畢后，按K4鍵退出調(diào)整程序。圖2-2開關(guān)控制電路3軟件設(shè)計系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀溫度子程序，，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計算溫度子程序，溫度比較子程序，報警溫度調(diào)整子程序和顯示子程序。3.1主程序主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當(dāng)前溫度值，并與溫度報警上下限設(shè)定值進(jìn)行比較，同時查詢K2是否按下進(jìn)行報警溫度的設(shè)置，然后循環(huán)執(zhí)行。其程序流程見圖3-1所示。YY發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，CRC校驗9字節(jié)完？CRC校驗正？確？移入溫度暫存器結(jié)束NNY調(diào)用顯示子程序調(diào)用顯示子程序讀取溫度轉(zhuǎn)換溫度溫度顯示溫度比較按鍵檢測初始化圖3-1主程序流程圖圖3-2讀取溫度流程圖3.2讀取溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進(jìn)行CRC校驗，校驗有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖3-2所示。3.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用12位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，在本程序設(shè)計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如圖3-3所示。發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令結(jié)束圖3-3溫度轉(zhuǎn)換流程圖3.4計算溫度子程序計算溫度子程序?qū)AM中讀取值進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如下圖3-4所示。開始溫度零下?溫度值取補(bǔ)碼置“—”標(biāo)志計算小數(shù)位溫度BCD值計算整數(shù)位溫度BCD值結(jié)束置“+”標(biāo)志NY圖3-4計算溫度流程圖3.5溫度比較子程序此程序是將實際溫度與設(shè)置的報警上下限比較，決定是否發(fā)出報警信號。由于T為實際溫度的絕對值，TH、TL也是溫度的絕對值，因此判斷大小關(guān)系時要通過其正負(fù)符號來確定。4Proteus軟件仿真4.1系統(tǒng)整體硬件電路系統(tǒng)整體硬件電路包括：傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報警溫度調(diào)整電路和報警電路，如附錄所示。圖中有4個獨(dú)立式按鍵可以分別調(diào)整溫度計的上下限報警溫度，蜂鳴器可以在被測溫度超出上下限范圍內(nèi)時，發(fā)出報警鳴叫聲音，同時報警指示燈超高亮發(fā)光二極管將被點亮。圖中畫出來的是上電復(fù)位電路，實際電路將采用按健加上電復(fù)位電路，使用比較方便，在程序跑飛時，可以手動復(fù)位，這樣就不用重啟單片機(jī)電源，就可以實現(xiàn)復(fù)位。顯示電路采用動態(tài)掃描方式，這樣不僅使用單片機(jī)端口較少，而且外圍電路也比較簡單。4.2溫度顯示由于18B20的測溫范圍是-55~125°C，所以當(dāng)溫度為負(fù)值時，第一位數(shù)碼管用來顯示溫度的負(fù)號，當(dāng)溫度值的十位數(shù)字為0時，不顯示，溫度值為正且小于100°C時，第一位數(shù)碼管也是用來顯示符號，為正時不顯示，當(dāng)溫度值大于等于100°C4.3報警溫度調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)高溫報警溫度時，先按下高溫調(diào)節(jié)按鍵，進(jìn)入高溫調(diào)節(jié)模式，此時4位數(shù)碼管的第一位當(dāng)報警溫度小于100°C時不顯示，大于等于100°C時顯示百位數(shù)字，第二位顯示報警溫度的十位數(shù)字，第三位顯示報警溫度的個位，第一位顯示“H”，表示處于高溫報警溫度調(diào)節(jié)狀態(tài)。按下加一鍵后報警溫度值會加一并且數(shù)碼管閃亮一次顯示更新的高溫報警溫度值，按下減一鍵時執(zhí)行同樣操作。直到按下確定鍵，才退出設(shè)定狀態(tài)。調(diào)節(jié)低溫報警溫度時，先按下低溫調(diào)節(jié)按鍵，進(jìn)入低溫調(diào)節(jié)模式，數(shù)碼管顯示和高溫調(diào)節(jié)時相似，只是第一位顯示“L”，表示處于低溫報警溫度調(diào)節(jié)狀態(tài)。按鍵操作也和高溫調(diào)節(jié)時相同。在此值得一提的是低溫調(diào)節(jié)按鍵和確認(rèn)鍵是復(fù)用的，也就是說如果按下低溫調(diào)節(jié)按鍵后再按一次，就會直接退出低溫設(shè)定狀態(tài)。另外低溫調(diào)節(jié)按鍵還具有關(guān)報警電路的功能，當(dāng)所測溫度值超出上下限報警溫度時，蜂鳴器響同時報警指示燈亮，此時連續(xù)按下2次確認(rèn)鍵即可關(guān)掉報警，再連續(xù)按下2次確認(rèn)鍵就又進(jìn)入了報警狀態(tài)?？偨Y(jié)經(jīng)過一周的單片機(jī)課程設(shè)計，終于完成了簡易數(shù)字溫度計的設(shè)計，雖然沒有完全達(dá)到設(shè)計要求，但從心底里說，還是高興的，畢竟這次設(shè)計把理論運(yùn)用到了實踐當(dāng)中。

在本次設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，雖然以前也做過這樣的課程設(shè)計但這次設(shè)計真的讓我成長進(jìn)步了許多，單片機(jī)課程設(shè)計重點就在于軟件算法的設(shè)計，需要用很巧妙的程序算法，雖然以前上課時編寫過幾次程序，但編好一個完整的程序真的不是一件容易的事情，比如此次課設(shè)編寫的程序我參考了一下類似的實例，用的都是16進(jìn)制的數(shù)直接加減，顯示處理時在用對不同的位，求商或求余，感覺效果比較好。還有時序的問題，通過這次的設(shè)