电电子子技技术术课课程程设设计计题题 目目: : 简易数字温度采集系统设计简易数字温度采集系统设计学生姓名学生姓名 专专 业业 班班 级级 指导教师指导教师 成成 绩绩 工程技术学院工程技术学院2 20 01 15 5 年年 1 12 2 月月简易数字温度采集系统0*1、前言 最近的几十年来，随着半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，电子技术得到了的迅猛发展，数字电路应用广泛，电子技术深入各个领域。通过这一电子技术课程设计来让我们熟悉理论知识与实践相结合的综合训练，从而达到对我们运用能力进行检查和综合素质的培养。*1.1课程设计要求与目的课程设计要求与目的1.1.1 基本设计要求与原则本次课程设计的所选题目是简易温度数字采集系统设计简易温度数字采集系统设计。该系统的电路简单，所用的元件较少，成本低，且测量精度和可靠性较高。此温度采集系统可以测量得温度范围55+125并通过一个四位一体的 7 段数码管显示出来。整个课程设计以先设计，再仿真，最后进行实物焊接与调试的步骤进行。基本要求：1、能够根据设计任务和指标要求，综合运用电子技术课程中所学到的理论知识与实践技能独立完成一个设计课题。2、根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料。要求通过独立思考、深入钻研课程设计中所遇到的问题，培养自己分析、解决问题的能力。3、进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，掌握合理选用的原则。4、学会电子电路的安装与调试技能，掌握常用仪器设备的正确使用方法。利用“观察、判断、实验、再判断”的基本方法，解决实验中出现的问题。基本原则：1，小组团队设计不能从网上下载，自己动手编排电路，流程图，编写程序。2，电路图必须采用 PROTEL 软件绘制，用 multisim 或者 proteus 软件仿真，并提交程序及结果、课程论文电子版。简易数字温度采集系统11.1.2 设计的基本目的1.课程设计是教学中必不可少的重要环节，通过课程设计巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能，提高综合运用知识的能力，逐步增强实际工程训练的能力。2.注重培养学生正确的设计思想，掌握课程设计的主要内容、步骤和方法。3.培养学生获取信息和综合处理信息的能力、文字和语言表达能力以及协作工作能力。4.提高学生运用所学的理论知识和技能解决实际问题的能力及其基本工程素质。5.在知识传授与能力和素质培养的关系上，树立注重素质教育，融传授知识、培养动手能力。简易数字温度采集系统2目 录*1、前言1 *1.1 课程设计要求与目的.1第一章：系统总体设计及方案论证4 1.1 系统总体设计4 1.2 本系统工作流程.4第二章 单元电路的设计与分析8 2.1 温度采集模块.8 2.2 单片机系统.11 2.3 数码管显示系统设计.13 2.4 总体电路设计.13 2.5 程序设计总方案.13 2.6 设计仿真与初步调试.15第三章 电路的安装与调试16 3.1 焊接、安装方法16 3.2 调试16 3.3 过程中所出现的问题及其解决.16 3.4 实验测试结果.17第四章 体会、总结19附 元件明细表20 附 原理图20 附 PCB 设计图 .21 附：C 语言程序.22 参考文献27简易数字温度采集系统3第一章：系统总体设计及方案论证1.1 系统总体设计系统总体设计本章主要内容是论述基于单片机的温度采集系统的总体设计以及方案论证。本系统主要包括三大模块：温度传感器模块、数据处理模块及显示模块。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及成本，为了达到高效、实用的目的，在系统设计之前的方案论证是十分重要的。 硬件电路设计由 5 个部分组成; 温度采集电路，STC89C52RC 单片机系统， LED 数码管显示系统、时钟电路、复位电路以及被测量温度输入。硬件电路设 计框图如图 1-1 所示。 图图 1-1 数字温度计系统硬件设计框图数字温度计系统硬件设计框图 1.21.2 本系统工作流程本系统工作流程 见图见图 1-21-2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简易数字温度采集系统4图图 1-2 系统工作流程系统工作流程1.2.1 单片机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及数据处理核心。 本设计采用的 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制 造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系 统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 与 AT89C52 相比，AT89S52 在工艺上进行了改进，89S52 采用 0.35 新工 艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。而且 AT89S52 具有 ISP 在线编 程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作 环境中剥离,速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要 45V 即可。 AT89S52 最高工作频率为 33MHz，AT89C52 的极限工作频率是 24MHz。AT89S52 内部集成看门狗计时器，不再需要像 89C51 那样外接看门狗 计时器单元电路。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降 至 0Hz 静态逻 辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停 止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬 件复位为止。LCD 进行温度显示简易数字温度采集系统51.2.2 温度采集与传感器温度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度传感器，以上过程都在温度传感器内部完成。 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，还有就是系统所要求实现的精度等，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、测量范围广、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简易数字温度采集系统6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。1.2.3 显示模块显示模块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。数码管显示的数据内容比较直观，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、显示内容丰富等特点，用户可以根据简易数字温度采集系统7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及到硬件电路的修改，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。第二章 单元电路的设计与分析2.1 温度采集模块2.1.12.1.1 DS18B20DS18B20 主要特性主要特性DS18B20 单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：（ 1 ）用单总采线的接口方式 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。 单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适 合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器 网络，为测量系统的构建引入全新概念。（ 2 ）测量温度范围宽，测量精度高 DS