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1、電氣工程學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 設(shè)計(jì)題目： 溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)時(shí)間： 評(píng)定成績(jī)： 評(píng)定教師： 摘要 以51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于8051核心的單片機(jī)AT89S51，通過串行AD轉(zhuǎn)換芯片PCF8591將基于NTC熱敏電阻的測(cè)溫電路輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)電路特性曲線計(jì)算出目標(biāo)溫度值，還具有通過lcd1602液晶顯示目標(biāo)溫度和超過設(shè)定閾值報(bào)警功能。該系統(tǒng)面向普通的要求不高的測(cè)溫場(chǎng)景，并盡可能提高測(cè)量精度、減小測(cè)量誤差。 Proteus仿真、keil與proteus聯(lián)調(diào)是此次設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的主要手段，即過程中，通過軟件對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊功能

2、的調(diào)試。該系統(tǒng)的核心有以下幾個(gè)部分：lcd控制、ic通信協(xié)議，以及NTC熱敏電阻特性曲線和補(bǔ)償算法。 由于該系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，元器件數(shù)量較少，最終可以在單片機(jī)學(xué)習(xí)板上實(shí)現(xiàn)。由于仿真和實(shí)際學(xué)習(xí)板的條件不同，使用軟件仿真是時(shí)采用AT89S51單片機(jī)，實(shí)際調(diào)試時(shí)使用STC89C52RC單片機(jī)，其功能完全兼容AT89S52單片機(jī)。關(guān)鍵詞：溫度檢測(cè)、51單片機(jī)、ic通訊、NTC熱敏電阻、仿真目錄一、設(shè)計(jì)要求11.1 設(shè)計(jì)要求分析1二、方案設(shè)計(jì)和選定22.1文獻(xiàn)綜述22.1.1 單片機(jī)模塊22.1.2 AD轉(zhuǎn)換模塊22.1.3 顯示模塊32.1.4 報(bào)警模塊42.1.5 測(cè)溫模塊42.1.6 輸入模塊52.2

3、 最終方案選定52.3硬件成本計(jì)算6三、硬件設(shè)計(jì)（基于proteus）73.1 仿真原理圖設(shè)計(jì)73.2 仿真器件選擇及參數(shù)設(shè)定11四、程序設(shè)計(jì)124.1程序流程圖124.2 LCD顯示程序134.3 PCF 8591控制程序164.3測(cè)溫電路算法設(shè)計(jì) 164.5 報(bào)警模塊和按鍵模塊程序設(shè)計(jì)25五、調(diào)試過程275.1 軟硬件調(diào)試275.2 運(yùn)行效果展示28六、設(shè)計(jì)總結(jié)31參考文獻(xiàn)32附錄：源程序34一、設(shè)計(jì)要求溫度檢測(cè)及報(bào)警實(shí)現(xiàn)具有溫度檢測(cè)、顯示、以及報(bào)警功能的溫度檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，功能指標(biāo)如下：（1） 滿足通用要求；（2） 溫度采集及顯示精度為1位小數(shù)；其中：*通用要求1、人機(jī)接口：可選擇開關(guān)、按

4、鍵、發(fā)光管、LED數(shù)碼管、點(diǎn)陣字符LCD、圖形字符LCD等；2、模擬器件：可選擇A/D、D/A、運(yùn)放、模擬開關(guān)等，其中A/D、D/A要求是串行接口類；3、傳感器：要求是模擬量輸出。1.1 設(shè)計(jì)要求分析在現(xiàn)有的條件和一定的成本控制下，應(yīng)該盡可能提高溫度檢測(cè)的精度和響應(yīng)速度。在顯示方面應(yīng)該盡可能清晰直觀，設(shè)定操作也應(yīng)該簡(jiǎn)單方便。滿足通用要求即系統(tǒng)可以提供人機(jī)交互，應(yīng)通過顯示模塊顯示被測(cè)參數(shù)，且可以通過按鍵或開關(guān)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。模擬器件要求是串行接口，可以節(jié)省io資源，但是編程相對(duì)較為復(fù)雜。傳感器要求模擬量輸出，則不能使用數(shù)字溫度傳感器，如18B20數(shù)字溫度傳感器。設(shè)計(jì)一個(gè)具有溫度檢測(cè)、顯示、以及報(bào)

5、警功能的溫度檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，可以分為溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)溫度，顯示模塊用于顯示溫度值和其他信息，報(bào)警模塊用來提供警報(bào)，系統(tǒng)的核心應(yīng)由單片機(jī)系統(tǒng)完成信息和用戶操作的處理。對(duì)于各個(gè)模塊的方案分析和選用，在下一章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的說明。二、方案設(shè)計(jì)和選定2.1文獻(xiàn)綜述查閱相關(guān)資料之后，在各個(gè)模塊的選用方案在考慮成本、性能、設(shè)計(jì)要求和使用環(huán)境的前提下，最終做出較為合適的選擇。系統(tǒng)方案的最終目標(biāo)是在考慮成本的前提下，盡量提高系統(tǒng)的易用度、提高溫度檢測(cè)的精度。各個(gè)模塊的方案比較和選用具體如下：2.1.1 單片機(jī)模塊由于系統(tǒng)目標(biāo)功能比較簡(jiǎn)單，所以核心微控制器可以采用成本低廉、應(yīng)用非常廣泛的8位單片機(jī)。根據(jù)實(shí)際情況，有以

6、下幾種單片機(jī)可供選擇：51單片機(jī)、avr單片機(jī)、stm8、pic單片機(jī)等。相比于其他幾類單片機(jī)，51單片機(jī)在功能、價(jià)格、穩(wěn)定性、處理速度上均不具特別優(yōu)勢(shì)，但是由于其使用比較簡(jiǎn)單、價(jià)格足夠便宜、例程豐富和在現(xiàn)有軟硬件資源限制下，最終選擇8051核心的AT89S51增強(qiáng)版單片機(jī)。AT89S51單片機(jī)是Atmel公司的產(chǎn)品，其具有4組8位雙向IO口，內(nèi)部集成2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、兩個(gè)外部中斷以及一個(gè)全雙工異步uart通信接口，此外片內(nèi)集成4KB flash ROM和128B高速RAM。該單片機(jī)可工作于0-33MHz速度下，其性能足以用來設(shè)計(jì)該溫度檢測(cè)系統(tǒng)。2.1.2 AD轉(zhuǎn)換模塊由于該款單片機(jī)內(nèi)

7、部未集成AD轉(zhuǎn)換功能，所以需采用一片外部AD轉(zhuǎn)換芯片。常用的AD芯片由轉(zhuǎn)換方法可分為積分型、逐次比較型、電容陣列逐次比較型等等。AD轉(zhuǎn)換芯片的分辨率越高、轉(zhuǎn)換速度越快，其價(jià)格越高。受限于成本要求和應(yīng)用場(chǎng)景，主要有以下幾款芯片待選：TLC5510、ADC0809、AD574、PCF8591。以上四種AD轉(zhuǎn)換芯片都具有8位或12位的轉(zhuǎn)換精度，但是其轉(zhuǎn)換類型各有不同，輸入通道數(shù)量也有所不同，成本都比較適中。由于設(shè)計(jì)要求使用串行接口的芯片并且要求檢測(cè)和顯示精度為小數(shù)點(diǎn)后一位，并且根據(jù)現(xiàn)有的單片機(jī)學(xué)習(xí)版的資源，最終選用具有串行接口的8位AD芯片PCF8591。該芯片使用逐次逼近方法進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，使用ic

8、通信協(xié)議。其有四個(gè)輸入通道，可作為獨(dú)立4通道輸入，或者3或2組差分輸入，另有一個(gè)模擬輸出接口（該系統(tǒng)中未使用）。ic通信協(xié)議是一種串行通訊協(xié)議，其只需一根雙向數(shù)據(jù)線、一根時(shí)鐘脈沖線即可完成通訊，占用IO口少，但編程相對(duì)較為復(fù)雜。相比而言，PCF8591芯片具有差分輸入功能，可以一定程度上抑制共模信號(hào)，所以可以設(shè)計(jì)電路使其具有一定的抗干擾能力。2.1.3 顯示模塊從實(shí)際系統(tǒng)要求和成本考慮，主要有兩類顯示模塊可供選擇：LED顯示和LCD顯示。LED模塊主要有八段數(shù)碼管、點(diǎn)陣LED，LCD模塊主要有l(wèi)cd1602、lcd12864、諾基亞5110液晶屏。下面分別將五個(gè)模塊在成本、功能、控制、優(yōu)缺點(diǎn)等

9、方面做出比較：點(diǎn)陣LED八段數(shù)碼管lcd1602lcd12864Nokia5110價(jià)格低低較低較高一般顯示內(nèi)容較少少多多多數(shù)量需求2-44-6111優(yōu)點(diǎn)亮度高、成本低亮度高、成本低可直接顯示ascll字符，可顯示16*2個(gè)字符，成本較低、控制簡(jiǎn)單128*64點(diǎn)陣，顯示內(nèi)容多，可顯示各種字符和圖案串行通訊、需要io口較少，84*48點(diǎn)陣可顯示30個(gè)字符，工作速度快、價(jià)格低缺點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電流大，占用io口多，需動(dòng)態(tài)掃描、編程復(fù)雜驅(qū)動(dòng)電流大，占用io口多，需動(dòng)態(tài)掃描、編程復(fù)雜占用io口較多、難以顯示復(fù)雜字符，不適合顯示圖案占用io口較多、需要的顯示數(shù)據(jù)多、成本高自身不帶有字庫(kù)，需要的顯示數(shù)據(jù)較多綜合成本8

10、元4元5元24元11元最終根據(jù)設(shè)計(jì)要求和考慮成本，選用lcd1602液晶作為系統(tǒng)的顯示模塊顯示被測(cè)溫度值和提供人機(jī)交互界面。Lcd1602液晶屏在成本和功能、易用度等各個(gè)方便均由不錯(cuò)的表現(xiàn)，幾乎是設(shè)計(jì)該系統(tǒng)顯示模塊的不二之選。2.1.4 報(bào)警模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶設(shè)定的溫度值進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)被測(cè)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)應(yīng)該提供警報(bào)，提供警報(bào)。警報(bào)的方式有很多種，此次采用最常見的聲光警報(bào)。聲音警報(bào)可以選用有源蜂鳴器、無源蜂鳴器和專用的聲音ic芯片。有源蜂鳴器在通電之后就可以發(fā)出特定頻率和間隔的聲音；無源蜂鳴器需要給予一定500-20000Hz的脈沖才可發(fā)出人類可聽見的聲音；專用的聲音ic配合微

11、型揚(yáng)聲器就可以發(fā)出不同的聲音。三種方案成本都比較低，但是無源蜂鳴器的成本最低，不足0.5元錢?？梢岳脝纹瑱C(jī)控制其發(fā)出特定頻率的聲音作為聲音警報(bào)，所以選用無源蜂鳴器作為聲音警報(bào)模塊。另外使用一顆led發(fā)光管作為警報(bào)光源。2.1.5 測(cè)溫模塊根據(jù)要求使用NTC熱敏電阻組成的測(cè)溫電路進(jìn)行溫度測(cè)量。類似的還有PTC熱敏電阻構(gòu)成測(cè)溫電路，其輸出均為模擬量，滿足設(shè)計(jì)要求。NTC熱敏電阻又稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，是一類電阻值隨溫度增大而減小的一種傳感器電阻。廣泛用于各種電子原件中，如溫度傳感器、可復(fù)式保險(xiǎn)絲及自動(dòng)調(diào)節(jié)的加熱器等。其價(jià)格低廉，工作比較穩(wěn)定，適用于測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合。普通型的NTC熱敏電阻

12、可以用于測(cè)量 -20200，可選阻值。現(xiàn)選用10k阻值的NTC熱敏電阻和10k阻值的不變電阻組成分壓電路。該測(cè)溫電路輸出0-5v DC模擬量，溫度和輸出量呈非線性關(guān)系，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)測(cè)量并據(jù)此使用數(shù)學(xué)工具軟件擬合出關(guān)系公式，最終得出盡量準(zhǔn)確的溫度曲線。此外為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際溫度曲線和建模擬合的曲線進(jìn)行比對(duì)，并適當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。2.1.6 輸入模塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)應(yīng)該具有報(bào)警功能。設(shè)定溫度值應(yīng)由用戶輸入設(shè)定，另外還需提供一個(gè)報(bào)警的開關(guān)功能選定。采用簡(jiǎn)單的按鍵輸入方案。使用單片機(jī)學(xué)習(xí)版提供的四腳輕觸開關(guān)，其成本低廉，但是由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)，在按下的過程中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)情況，應(yīng)該

13、盡量使用編程方法消除可能產(chǎn)生的誤差。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，使用三個(gè)按鍵即可實(shí)現(xiàn)要求的功能。三個(gè)按鍵分別用于設(shè)定溫度的“+”、“-”功能，以及警報(bào)的開關(guān)功能。2.2 最終方案選定最終方案：選用AT89S51單片機(jī)作為控制核心，使用PCF8591 AD芯片和NTC熱敏電阻測(cè)溫電路構(gòu)成系統(tǒng)的測(cè)溫模塊，使用一片lcd1602液晶作為系統(tǒng)的顯示模塊，使用一個(gè)無源蜂鳴器和led發(fā)光管作為系統(tǒng)的報(bào)警模塊，使用3個(gè)按鍵作為系統(tǒng)的輸入模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：報(bào)警模塊控制按鍵LCD1602液晶屏AT89S51 單片機(jī)NTC熱敏電阻測(cè)溫電路PCF 8591AD轉(zhuǎn)化各模塊功能說明：1、單片機(jī)配合對(duì)應(yīng)的電源、復(fù)位和晶振模塊，

14、使之成為可以工作的最小系統(tǒng)。該部分可以獨(dú)立工作并完成基本功能。2、報(bào)警模塊由一個(gè)串聯(lián)限流電阻的發(fā)光二極管和蜂鳴器構(gòu)成，二極管以單片機(jī)引腳直接低電平驅(qū)動(dòng)，蜂鳴器采用一個(gè)NPN三極管驅(qū)動(dòng)。3、LCD1602液晶屏的數(shù)據(jù)引腳由單片機(jī)的P0口連接，三個(gè)控制引腳分別由P2口低三位控制。4、三個(gè)按鍵功能分別為：設(shè)定溫度+0.5，設(shè)定溫度-0.5和警報(bào)開關(guān)、前兩個(gè)按鍵鎖定功能。5、AD轉(zhuǎn)化、測(cè)溫電路由PCF8591和NTC熱敏電阻以及一個(gè)10k電阻構(gòu)成。2.3硬件成本計(jì)算在選定最終方案后，應(yīng)該計(jì)算系統(tǒng)的硬件成本。硬件成本如下表：?jiǎn)蝺r(jià)數(shù)量總價(jià)AT89S51單片機(jī)5.015.0pcf8591p11.0111.0

15、lcd1602液晶5.015.0無源蜂鳴器0.510.5NTC熱敏電阻0.110.1其他零散元件818PCB制版費(fèi)15.0115.0其他10.0110.0總計(jì)39.6關(guān)于硬件成本計(jì)算的補(bǔ)充說明：1、所有元器件的封裝要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選定，但是成本近似相等。2、實(shí)際系統(tǒng)中多使用各種規(guī)格的電容、電阻、晶振、按鍵、芯片插槽、排針、導(dǎo)線等零散元件，由于其種類多、價(jià)格低廉，所以不逐個(gè)列出。還有制作做過程中產(chǎn)生的成本，如焊接設(shè)備、耗材等，只進(jìn)行統(tǒng)一折算。3、PCB制版要根據(jù)實(shí)際情況做改動(dòng)，此處的10元成本是指批量定制（10片及以上）的平均成本。4、該系統(tǒng)使用5v電源即可滿足供電要求，因此默認(rèn)使用USB供電

16、而未單獨(dú)設(shè)計(jì)電源模塊。三、硬件設(shè)計(jì)（基于proteus）系統(tǒng)方案確立后，應(yīng)該根據(jù)設(shè)定的方案具體實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能。在硬件方面，可以使用proteus軟件進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)并進(jìn)行初步仿真。Proteus提供了硬件的設(shè)計(jì)及仿真，能仿真許多常用電子器件的功能，可以為設(shè)計(jì)者提供方案的可行性檢測(cè)和初步仿真。在仿真過程中可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的不足并加以改正，此外還可以很大程度的驗(yàn)證程序設(shè)計(jì)的可行性。3.1 仿真原理圖設(shè)計(jì)以下根據(jù)模塊來介紹仿真原理圖。1、單片機(jī)模塊該模塊包含AT89S51單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路。系統(tǒng)采用12MHz的晶振，折算到機(jī)器周期為1us。復(fù)位電路主要由一個(gè)電容、電阻和按鍵組成，上電時(shí)電

17、容充電在單片機(jī)RST引腳產(chǎn)生一個(gè)高電平，其周期與RC時(shí)間常數(shù)有關(guān)。在正常工作時(shí)，電容飽和，RST引腳通過電阻接地為低電平，按鍵按下Vcc直接接入單片機(jī)RST引腳并且使電容放電，按鍵松開時(shí)，電容充電從而使RST引腳維持高電平一段時(shí)間。AT89S51的復(fù)位信號(hào)為大于2個(gè)機(jī)器周期的高電平有效。應(yīng)該注意的是，proteus默認(rèn)的元件庫(kù)中并沒有AT89S51單片機(jī)，但是完全可以用AT89C51代替，兩者功能互相兼容，在此設(shè)計(jì)中仿真效果基本一致。2、按鍵模塊按鍵電路比較簡(jiǎn)單，使用三個(gè)按鍵直接和單片機(jī)io引腳相連，另一端與地相連。單片機(jī)讀引腳時(shí)先向io引腳內(nèi)部的鎖存器寫“1”使場(chǎng)效應(yīng)管截止，因此按鍵若未按下

18、則讀入為“1”，按下則讀入為“0”。另外單片機(jī)io引腳默認(rèn)復(fù)位電平為高電平，應(yīng)考慮復(fù)位后io高電平可能產(chǎn)生的不良影響。3、報(bào)警電路報(bào)警電路采用一個(gè)無源蜂鳴器和一個(gè)發(fā)光二極管。由于單片機(jī)的io驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，僅為幾個(gè)毫安，而無源蜂鳴器一般需要幾十毫安的驅(qū)動(dòng)電流，所以應(yīng)該給無源蜂鳴器配備驅(qū)動(dòng)電路。該電路中采用了一個(gè)NPN型三極管，在單片機(jī)輸出高電平至其基極時(shí)三極管導(dǎo)通，輸出低電平時(shí)關(guān)斷。實(shí)際應(yīng)用中，可選用常見的8050或9013三極管，其最大集電極電流大概在500mA左右，工作頻率在100MHz以上，完全可用于驅(qū)動(dòng)三極管。Led驅(qū)動(dòng)電流極小，只需用單片機(jī)以低電平方式驅(qū)動(dòng)即可。可用于實(shí)際仿真的單片機(jī)學(xué)

19、習(xí)板提供一片uln2003驅(qū)動(dòng)芯片，其驅(qū)動(dòng)效果和NPN三極管相同。4、顯示電路使用通用的lcd1602，軟件的仿真元件和實(shí)際元件的控制方式完全相同，工作頻率相近，顯示效果相同。Lcd1602有一個(gè)8位數(shù)據(jù)接口，用于數(shù)據(jù)和命令的傳輸，使用單片機(jī)的P0口作為數(shù)據(jù)接口。由于單片機(jī)的P0口作為io口時(shí)漏極開路，所以應(yīng)該接入上拉電阻以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)雙向io口的功能。Lcd1602另需三個(gè)控制信號(hào)，分別由單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2三個(gè)io口控制。5、ic調(diào)試工具該部分由proteus提供的ic調(diào)試工具組成，可以據(jù)此判斷ic總線的工作情況，對(duì)于程序調(diào)試非常有幫助。此外還能看見ic傳輸?shù)臅r(shí)序、應(yīng)答信號(hào)、傳

20、輸?shù)牡刂泛蛢?nèi)容信息。6、AD轉(zhuǎn)換電路及測(cè)溫電路PCF8591芯片工作在差分輸入方式，其輸出結(jié)果為AIN0和AIN1通道的電壓差，差分輸入可以一致共模信號(hào)，是系統(tǒng)抗干擾的能力大大增加。NTC電阻仿真型號(hào)為NCP15XH103，其典型阻值為10k，隨溫度的增大其阻值變小。在其參數(shù)屬性中可以設(shè)置不同的工作溫度，配合pcf8591檢測(cè)電壓，可以得到溫度與電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。3.2 仿真器件選擇及參數(shù)設(shè)定仿真器件的參數(shù)一般要在器件的屬性里進(jìn)行設(shè)置，如AT89C51單片機(jī)工作頻率是在屬性頁(yè)面里設(shè)置，而不是由外部電路的晶振頻率決定的。NTC熱敏電阻可以在屬性設(shè)置假定的環(huán)境溫度，使其阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。有的器件可

21、以改變工作電壓和電流的條件，方便調(diào)試時(shí)使用。設(shè)置器件參數(shù)如下：12MHz晶振，配合兩個(gè)22pF的啟動(dòng)電容，復(fù)位電路用一個(gè)10uF的電容以及1k歐的限流、下拉電阻，P0口采用10k歐的上拉電阻，報(bào)警電路的led采用220歐姆的限流電阻，測(cè)溫電路選用10k的定值電阻和NTC組成分壓電路，AD芯片的參考電壓采用5v的Vcc等。四、程序設(shè)計(jì)4.1程序流程圖程序主要分為以下幾個(gè)部分：PCF8591控制讀取程序，按鍵讀取程序，LCD1602控制程序，報(bào)警程序等。實(shí)際編程使用C語(yǔ)言，C51編程速度快，可讀性好，移植性好。采用模塊化編程，即將不同部分的程序分門別類寫入不同的.c文件中，在主程序中調(diào)用，好處是方

22、便修改、可讀性高。4.2 LCD顯示程序Lcd1602液晶主要有寫指令、寫數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)、讀狀態(tài)四種控制狀態(tài)，在讀、寫時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格遵守手冊(cè)的操作時(shí)序。 如圖，分別是lcd1602的讀寫時(shí)序和典型的時(shí)序時(shí)間表。對(duì)于51單片機(jī)來說，由于其工作指令周期一般在1us以上，因此一般無需考慮lcd1602時(shí)序?qū)r(shí)間的要求，但是在使用高速型微控制器時(shí)應(yīng)該考慮這個(gè)問題。Lcd1602的控制程序主要是由初始化程序、寫指令程序、讀狀態(tài)程序以及寫數(shù)據(jù)程序構(gòu)成。使用前應(yīng)該先進(jìn)行初始化，每次進(jìn)行讀寫操作時(shí)應(yīng)該檢測(cè)lcd1602的狀態(tài)信息，忙狀態(tài)不可對(duì)屏幕進(jìn)行控制。4.3 PCF 8591控制程序PCF 8591芯片的使用重

23、點(diǎn)在于ic協(xié)議的掌握，只要編寫調(diào)試出ic協(xié)議的程序，即可根據(jù)芯片手冊(cè)提供的控制字對(duì)芯片進(jìn)行各種操作。ic是一種串行通訊協(xié)議，需要兩根線用于通訊：一根時(shí)鐘線、一根雙向數(shù)據(jù)線。通訊過程主要有以下幾個(gè)部分構(gòu)成：起始信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)、數(shù)據(jù)幀、地址幀構(gòu)成。每次通訊均由主機(jī)發(fā)起，時(shí)鐘信號(hào)由主機(jī)提供。主機(jī)發(fā)出開始信號(hào)后接著發(fā)出地址幀，地址幀包括芯片的識(shí)別碼、引腳地址和讀寫操作位，然后由芯片返回應(yīng)答信號(hào)，接著主機(jī)讀取或發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)。每字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送完，接收方應(yīng)該返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)以繼續(xù)進(jìn)行通訊。關(guān)于ic的操作時(shí)序如下圖：根據(jù)pcf 8591的芯片手冊(cè)，芯片使用步驟大概如下：先發(fā)送地址幀和讀/寫選擇信號(hào)，如果是寫操

24、作則由主機(jī)發(fā)送控制字，讀操作則主機(jī)讀取寄存器中轉(zhuǎn)換的8位數(shù)值。pcf 8591的控制字如下：Pcf 8591芯片地址幀后寫入的第一個(gè)字節(jié)為控制字，第二個(gè)字節(jié)為DA轉(zhuǎn)換的數(shù)值（可缺?。Ｗx入為控制字設(shè)置的模式和通道對(duì)應(yīng)的寄存器。此程序中，設(shè)置芯片為AIN0、1和AIN2、3差分輸入，其結(jié)果分別會(huì)被存入channel 0、1中。應(yīng)注意每次讀取寄存器的值為上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。Pcf 8591程序如下：根據(jù)芯片手冊(cè)的操作要求，事實(shí)上無需由主機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。最終在主程序中只要調(diào)用ReadAdc（）這個(gè)程序即可完成對(duì)通道0或1的讀取。讀取的數(shù)據(jù)為8位無符數(shù)據(jù)，參考電壓設(shè)置為5.0v，則可以算出對(duì)應(yīng)的電壓值。4

25、.4 測(cè)溫電路建模及算法設(shè)計(jì)測(cè)量溫度的核心是NTC熱敏電阻隨著環(huán)境溫度的升高其阻值降低，通過分壓電路測(cè)量電壓變化則可以根據(jù)溫度電壓的關(guān)系曲線得到對(duì)應(yīng)的溫度值。電壓溫度的轉(zhuǎn)換可以有兩種方法，一是查表法，二是根據(jù)電壓溫度的關(guān)系曲線得到關(guān)系式，從而根據(jù)電壓值計(jì)算出溫度值。首先查表法由于數(shù)據(jù)量較大，因此執(zhí)行時(shí)需要較多時(shí)間，且有精度限制。其次測(cè)量數(shù)值為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，單個(gè)數(shù)據(jù)需占用4個(gè)字節(jié)，由于AT89S51的存儲(chǔ)容量限制，數(shù)據(jù)不能過多。最后考慮到51單片機(jī)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量，決定采用關(guān)系式計(jì)算的方法。關(guān)系式計(jì)算法具有連續(xù)性和更大的適用范圍，理論上能提供更高精度的計(jì)算結(jié)果。關(guān)系式由電壓溫度的關(guān)系曲線得來，

26、此處用軟件仿真的方法，測(cè)量0100之間共101個(gè)溫度整數(shù)值對(duì)應(yīng)電壓的數(shù)據(jù)，反復(fù)測(cè)量得出準(zhǔn)確的的數(shù)據(jù)。根據(jù)pcf 8591的轉(zhuǎn)換精度，采集的電壓值精確到小數(shù)點(diǎn)后三位。將獲得的溫度電壓一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入表格工具并加以整理，然后用數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB軟件中的CFTOOL工具箱描繪出二者的關(guān)系曲線：接下來對(duì)不連續(xù)曲線進(jìn)行分析和擬合，由于曲線非線性，所以不能采用線性數(shù)學(xué)公式。經(jīng)過試驗(yàn)并根據(jù)單片機(jī)的實(shí)際處理能力，決定嘗試以下幾種常用的擬合公式：四次多項(xiàng)式、五次多項(xiàng)式、傅里葉公式和高斯曲線公式。其擬合公式和曲線分別如下： 以下為四次多項(xiàng)式的擬合結(jié)果：以上為4次多項(xiàng)式的擬合結(jié)果，可見擬合曲線和原曲線基本重合，

27、不過相對(duì)于5次多項(xiàng)式擬合結(jié)果方差較大。由于數(shù)據(jù)是由軟件仿真得來，因此不能保證其精確性。一下為5次多項(xiàng)式的擬合結(jié)果：可見相對(duì)于4次多項(xiàng)式的擬合結(jié)果，5次多項(xiàng)式具有更小的方差，曲線更加重合，但是沒有顯現(xiàn)出很大的差距。以下為傅里葉擬合結(jié)果：由于數(shù)據(jù)的數(shù)量和準(zhǔn)確性限制，傅里葉函數(shù)擬合結(jié)果并沒有顯現(xiàn)出很好的效果，且在010區(qū)域內(nèi)不能很好的重合，計(jì)算公式也比較復(fù)雜。以下為高斯曲線擬合結(jié)果：結(jié)果和傅里葉曲線擬合結(jié)果和傅里葉一樣，并不具有優(yōu)勢(shì)，且計(jì)算較為復(fù)雜。通過以上圖標(biāo)和公式對(duì)比可知：其中傅里葉和高斯擬合公式的結(jié)果相比多項(xiàng)式而言，一是方差較大且在個(gè)別區(qū)域內(nèi)擬合曲線較實(shí)際曲線偏差較大，二是其計(jì)算公式復(fù)雜會(huì)導(dǎo)致

28、單片機(jī)計(jì)算負(fù)擔(dān)過大，從而可能影響整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，故考慮采用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。由于選用的AD芯片精度和單片機(jī)數(shù)學(xué)公式計(jì)算程序的誤差限制，在四次和五次多項(xiàng)式兩項(xiàng)中，比較根據(jù)公式計(jì)算的結(jié)果與真實(shí)值之間的實(shí)際誤差來看，兩者效果相近，所以優(yōu)先采用計(jì)算較為簡(jiǎn)單的四次多項(xiàng)式。但是計(jì)算結(jié)果和實(shí)際溫度值仍有偏差，所以在現(xiàn)有的關(guān)系公式基礎(chǔ)上，增加了分段補(bǔ)償。部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：即將電壓值分成若干個(gè)區(qū)間進(jìn)行分段修正。可以看見理想情況下的修正效果比較明顯，整體的誤差明顯降低。程序?qū)崿F(xiàn)如下：經(jīng)過程序仿真，最終可以實(shí)現(xiàn)在0100的范圍內(nèi)，測(cè)量誤差在1以內(nèi)。以上數(shù)據(jù)均來源于仿真，在實(shí)際應(yīng)用中，由于條件限制，無法得到所需數(shù)量的電

29、壓溫度關(guān)系數(shù)據(jù)，因此準(zhǔn)確性大大降低。在于普通的溫度計(jì)進(jìn)行不嚴(yán)格的比對(duì)后，發(fā)現(xiàn)實(shí)際的測(cè)量誤差通常在2以內(nèi)，誤差較大。4.5 報(bào)警模塊和按鍵模塊程序設(shè)計(jì)報(bào)警模塊程序比較簡(jiǎn)單，利用單片機(jī)的一個(gè)16位定時(shí)器使無源蜂鳴器發(fā)出1KHz的警報(bào)聲。報(bào)警模塊主要配合按鍵，根據(jù)用戶設(shè)定值完成報(bào)警。報(bào)警和按鍵模塊的程序如下：利用單片機(jī)的定時(shí)器1產(chǎn)生1kHz的方波，是蜂鳴器發(fā)出1kHz的報(bào)警聲音。51單片機(jī)的定時(shí)器工作的必要條件是TR=1，因此只要控制TR就能完成對(duì)定時(shí)器1中斷的控制。配合按鍵程序使用，程序如下：兩功能模塊的程序在主程序中的使用如下：定時(shí)器1中斷程序如下，每次進(jìn)入中斷io口輸出電平取反，即可產(chǎn)生占空比

30、為50的方波：五、調(diào)試過程5.1 軟硬件調(diào)試調(diào)試過程采用Keil與Proteus聯(lián)調(diào)的調(diào)試方式。首先應(yīng)該對(duì)軟件進(jìn)行功能配置，在debug選項(xiàng)中選擇Proteus VSM Monitor-51 Driver，并勾選“Run to main”。然后在Proteus 的菜單欄“degug”，選擇允許遠(yuǎn)程調(diào)試，然后點(diǎn)擊keil的調(diào)試按鈕，即可在兩軟件間進(jìn)行聯(lián)調(diào)。使用聯(lián)調(diào)有助于快速發(fā)現(xiàn)程序和原理圖存在的問題，在keil上選擇單步調(diào)試可以跟隨程序一步步執(zhí)行并觀察執(zhí)行結(jié)果。對(duì)于復(fù)雜程序，單步調(diào)試效率較低，此時(shí)可以在任意地方設(shè)置任意數(shù)量的斷點(diǎn)，然后可以全速運(yùn)行到斷點(diǎn)處停下，然后根據(jù)需要選擇單步調(diào)試和斷點(diǎn)調(diào)試，

31、最終通過分析可以推斷問題所在。例如在調(diào)試ic的過程中，程序發(fā)生問題，通訊失敗，經(jīng)過軟件聯(lián)調(diào)并使用proteus中的ic調(diào)試工具，最終發(fā)現(xiàn)問題出在ic通訊中的應(yīng)答信號(hào)上。在ic調(diào)試工具中，可以清楚看到通訊過程中的起始信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)和傳輸數(shù)據(jù)的情況?？梢該?jù)此推斷程序運(yùn)行狀況，并鎖定問題大致所在區(qū)域。在整個(gè)調(diào)試過程中，出現(xiàn)過很多小問題，均可通過聯(lián)調(diào)的方式發(fā)現(xiàn)問題端倪，最終一一調(diào)試解決。另外，在整個(gè)程序調(diào)試過程中，應(yīng)該分模塊逐漸編程并調(diào)試。先解決了顯示屏的程序，然后在一一解決其他模塊的程序時(shí)可以利用顯示屏顯示調(diào)試結(jié)果。最終一步步完成整個(gè)程序的編寫調(diào)試工作。5.2 運(yùn)行效果展示1、系統(tǒng)運(yùn)行初始界面：此時(shí)

32、顯示屏第一行的Temp： 36.29為當(dāng)前檢測(cè)的溫度，第二行SetT：40.0為用戶設(shè)定的溫度值，開機(jī)默認(rèn)值為四十，N表示當(dāng)前不允許溫度超過設(shè)定值警報(bào)并禁用溫度+、- 鍵。當(dāng)前的NTC熱敏電阻仿真屬性為36條件下。2、按下選擇鍵：N變Y，即允許溫度報(bào)警并可以使用+、- 按鍵。3、按下+鍵：溫度設(shè)定值+0.5.4、按下-鍵：溫度設(shè)定值-0.55、設(shè)定值低于檢測(cè)溫度值：顯示！，報(bào)警電路工作。6、再次按下選擇鍵：Y變成N，且！不顯示，報(bào)警電路停止工作。7、檢測(cè)溫度值大于設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)工作情況與5、6步驟相同。Proteus使用總結(jié)：Proteus自帶了很多元器件和各種調(diào)試工具，可以方便的調(diào)整電路和器件

33、的參數(shù)。仿真中，可以通過聯(lián)調(diào)等手段獲得仿真過程中系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。Proteus仿真相比實(shí)際硬件對(duì)電路的要求不太嚴(yán)格，部分元器件及電路可以設(shè)定其屬性是仿真更為便捷，但是實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該嚴(yán)格按照各個(gè)元器件的電氣屬性進(jìn)行應(yīng)用。一般情況下proteus可能放寬了器件的工作條件，使硬件過于理想化。例如lcd1602的顯示程序在proteus仿真中可以得到期望結(jié)果，但有可能在實(shí)際器件上不能正確運(yùn)行。再如AT89S51的實(shí)際ROM容量為4KB，但是在proteus仿真中卻沒有容量上的限制，所以可以存儲(chǔ)超過4KB的程序和數(shù)據(jù)。而且Proteus中單片機(jī)的引腳驅(qū)動(dòng)能力沒有太大限制，甚至可以直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器等較大工作

34、電流的器件，但是實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該用三極管或者uln2003芯片構(gòu)成專用的驅(qū)動(dòng)電路。另外，盡管proteus中可以方便的設(shè)置各種變量，但是對(duì)于溫度等環(huán)境變量通常仿真結(jié)果不能保證準(zhǔn)確性，應(yīng)該盡量用實(shí)際電路進(jìn)行試驗(yàn)。因此，proteus仿真有利有弊，應(yīng)該充分利用其強(qiáng)大的仿真功能進(jìn)行學(xué)習(xí)，但是也應(yīng)該注意仿真和實(shí)際硬件電路的差別。六、設(shè)計(jì)總結(jié)（1）此次課題設(shè)計(jì)使我對(duì)proteus和keil的操作熟練程度大大增加，尤其是熟練掌握了proteus和keil的聯(lián)調(diào)方法，使得調(diào)試程序的效率大大增加。（2）總結(jié)此次設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)該將其按功能分成多個(gè)小的模塊，再按照一定順序逐一解決各個(gè)模塊，最終解

35、決整個(gè)問題。（3）此次課程設(shè)計(jì)讓我初步體驗(yàn)到了做一整個(gè)工程需要經(jīng)歷的過程，雖然簡(jiǎn)單，但是卻和以往的效果不同。此次設(shè)計(jì)中，我需要在各個(gè)方面列出多種方案，并根據(jù)從成本、功能、穩(wěn)定性等各個(gè)方面分析各方案的可行性，并最終挑選出最合適的方案。較以往的設(shè)計(jì)更加嚴(yán)謹(jǐn)和全面，使個(gè)人能力得到了一定的鍛煉。（4）最后，此次設(shè)計(jì)仍然存在一些缺陷，例如實(shí)際應(yīng)用中溫度精度不高的問題。同時(shí)在編程和設(shè)計(jì)算法的方面，仍有很多的可以優(yōu)化、改進(jìn)的方面，這需要花額外的時(shí)間和努力進(jìn)行完善。參考文獻(xiàn)1 徐愛鈞，彭秀華. Keil Cx51 V7.0單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程與uVision2應(yīng)用實(shí)踐，20042 余永權(quán). ATMEL89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社，20023 張毅剛. 單片機(jī)原理及應(yīng)用. 高等教育出版社，20104 馬忠梅，王美剛等. 單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì). 北京航空航天大學(xué)出版社，20135 張毅剛. 基于Proteus的單片機(jī)課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì). 人民郵電出版社，20126 彭偉. 單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)100例. 電子工業(yè)出版社，2010附錄：源程序51