基于单片机的数字温度计设计与仿真（360毕业设计网独家原创）
摘要：随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数字单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
关键字：单片机；数字温度计；方便
引言
早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。
本设计使用单片机作为核心进行控制。其具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。
第一章 方案论证
1.1设计思路
利用温度传感器可以直接读取被测温度值，进行转换的特性，模拟温度值经过温度传感器处理后转换为数字值，然后送到单片机中进行数据处理，并与设置的温度报警限比较，超过限度后通过扬声器报警。同时处理后的数据送到显示屏中显示。
1.1.1 设计目的
(1). 巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。
(2). 培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。
(3). 通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。
1.1.2 功能要求
本课题以单片机为核心设计的一种数字温度控制系统，系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等组成。采用数字式温度传感器为检测器件，进行单点温度检测。用液晶模块直接显示温度值，微机系统作为数字温度计的控制系统。
（1） 检测的温度范围：-55℃～128℃，测量精度为0.1℃。
（2） 用点阵字符型液晶模块来显示温度值。
（3） 超过警戒线（自己定义）发出报警信号。
下面针对各部分的不同设计方案进行分析比较，确定各个部分的设计方案。
1.2 MCU模块
方案一：采用ATMEL公司的51系列单片机AT89C51
ATMEL公司的51系列单片机AT89C51,该单片机只具有基本的51系列单片机内核，要完成题目要求需要构建较为复杂的外围电路。
方案二：采用Microchip公司PIC单片机
PIC16F877A是一款基于EPROM的8位高性能微控制器。与其它价格相当的微控制器相比，它在执行速度和代码压缩方面都有很大的改进，但该芯片采用精简系统，需要采用其特定指令，且性价比不够高。
方案三：采用Intel公司的51 为内核的单片机80C51
80C51是一款高性能低功耗的8位微处理器，其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz。编程方便，性价比高。
基于上述分析，本设计中采用方案三。
1.3 电源电路设计与论证
方案一
采用寄生电源方式时，缺点是VDD引脚必须接地，另外为了得到足够的工作电流，应给单片机的I/O口线提供一个强上拉，一般可以使用一个场效应管将I/O口线直接拉到电源上，比较繁琐。另外适用温度范围必须低于100℃。
方案二
采用外部供电方式时可以不用强上拉，但外部电源要处于工作状态，GND引脚不得悬空。适用温度高于100℃。
从以上两种方案看来外部供电方式一方面可以解决供电电流不足和需要强上拉的问题，另一方面可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，保证整个系统的稳定工作。
1.4 温度测量系统设计与论证
方案一
采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有A/D 通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。但是它们输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高，并且这种设计需要用到A/D 转换电路，感温电路比较麻烦。
方案二
采用数字温度芯片DS18B20 测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件。在0℃～100℃时，最大线形偏差小于1 摄氏度。DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器80C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。采用51 单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC 机通信上传数据，另外80C51 在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。
从以上两种方案，容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是线性误差较大。方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单，故本次设计采用了方案二。
1.5显示部分设计方案论证
方案一
采用1602液晶显示模块，本方案的优点是电路相对简单，显示字符内容较为丰富，考虑到本报警系统只需要显示测量的温度，不需要过多的复杂功能，实用1602液晶显示会增加系统的成本，此方案的缺点也在于此。
方案二
采用数码管显示，此方案的最大优点就是成本较低，缺点是电路相对复杂，需要驱动电路，在软件上也需要作出处理。但是此方案完全可以满足本报警系统的功能和要求，软件处理上也不是特别的复杂，驱动电路也相对简单。
从以上两种方案，综合考虑，采用方案二，虽然电路相对复杂一点，但在成本上却占了很大的优势，并可以完全实现本系统的要求，选择方案二。
课题需要完成的任务：
（1）能进行温度测量，并能由按键设定温度报警上下限值，采用点阵字符型液晶模块作为显示器，分两行显示，第一行显示工作状态，第二行显示实测温度值和状态符号。
（2）温度测量范围-55-128℃,测量精度为0.1℃。
目录
摘要……………………. … ... 9
引言……………………. … ... 9
第一章 方案论证 10
1.1设计思路 10
1.2 MCU模块 10
1.3电源电路设计与论证 11
1.4温度测量系统设计与论证 11
1.5显示部分设计与论证 12
1.6键盘输入设计与论证 12
第二章 系统硬件设计 13
2.1系统组成 13
2.2 MCU模块 13
2.3 电源 16
2.4 液晶模块简介 16
2.5 DS18B20介绍 19
2.6 报警模块 21
第三章 系统软件设计 22
3.1 主程序流程图 22
3.2 温度子程序 22
3.3 计算温度子程序流程图 24
3.4 显示数据刷新子程序流程图 19
第四章 Proteus仿真调试 26
4.1 本次设计仿真过程 26
4.2 PCB简介 28
4.3 PCB制作 30
第五章 焊接 36
5.1 焊接工具 36
5.2 焊前处理 36
5.3 焊接电路 36
5.4 测试结果 36
第六章 致谢 37
附录一 电路原理图 38
附录二 实物图 39
附录三 元器件清单 40
附录四 系统程序 41
毕业设计总结 57
参 考 文 献 59
图 表 清 单
图2-1 系统基本方框图 13
图2-2 80C51单片机管脚图 13
图2-3 80C51单片机基本组成框图 14
图2-4外部晶振与单片机的接口电路图 15
图2-5 外部电源电路 17
图2-6 5V稳压电源 17
图2-7 1602实物图 18
图2-8 1602引脚图 18
图2-9 液晶与80C51的接口 19
图2-10 DS18B20引脚图 20
图2-11 DS18B20内部结构 20
图2-12 80C51报警电路模块 21
图3-1 主程序流程图 22
图3-2 读出温度子程序流程图 23
图3-3 计算温度子程序流程图 23
图3-4 显示数据刷新子程序流程图 24
图4-1 选取元件库中任意元件示意图 26
图4-2 仿真原理图 26
图4-3 加载源程序示意效果图 27
图4-4 仿真结果 29
图4-5 加载网络表 30
图4-6 选择封装 30
图4-7 规划电路板 31
图4-8 设置电路板参数 31
图4-9 PCB的元件布局 32
图4-10 布线完成后的PCB板 33
图4-11 选中输出的版图 33
图4-12 打印输出电路层 34
图5-1 50W内热式电烙铁 35
表3-1 DS18B20温度与测量值对应表 23
表3-2 1602液晶模块内部的控制指令 25
参考文献
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