数字时钟温度报警系统课程设计.doc

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1、 摘 要日期和时钟是一级温度都是我们日常生活关心的问题。本设计是采用单片机STC89C51作为核心元件，利用1602液晶屏作为显示元件；用单片机实现时钟和日历功能，并且可用三个键盘对电子日历及时钟进行调控；其中DS18b20实现温度数据的采集；并以总线形式将数据传输给单片机；本作品在单片机最小系统基础上，分别接上了1602液晶显示电路和DS18b20温度数据采集电路。由于单片机的集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，重量轻，能耗低，价格便宜，可靠性好，抗干扰能力强和使用方便等方面的独特的优点，所以此装置不仅轻便、稳定，而且功能非常实用。可作为我们生活的小助手。关键字：STC89C51

2、；1602液晶屏；DS18b20；电子日历；温度计AbstractDate and temperature are the clock is a concern in our daily lives. This design is used as a core component chip STC89C51, using 1602 as the LCD display device; with MCU clock and calendar functions, and three keyboard available on the electronic calendar and clock c

3、ontrol; which DS18b20 for temperature data collection; and to bus form data to the microcontroller; the work in the smallest single-chip systems based on liquid crystal display are connected to the 1602 circuit and DS18b20 temperature data acquisition circuit. As highly integrated single-chip, power

4、ful, common good, especially when it is small, light weight, low power consumption, cheapand reliability, strong anti-interference ability and ease of use of the unique advantages, so this device is not only lightweight, stable, and is very practical. As we live in a small assistant.Keywords: STC89C

5、51; 1602 LCD screen; DS18b20; electronic calendar; thermometer 目 录引言 11 设计任务12 系统总体方案及硬件设计12.1单片机最小系统电路12.1.1复位电路12.1.2晶振电路12.1.3单片机系统功能52.1.4单片机机管脚功12.1.551单片内部寄存器能12.1.6单片机最小系统原理图12.2 1602液晶电路设计42.2.1管脚图42.2.2字符地址42.2.3指令集82.2.4电路设计52.3 DS18b20电路设计52.3.1 DS18B20的简介52.3.2 工作原理 62.3.3 DS18B20的外形和内部结

6、构 62.3.4 DS18B2与单片机的典型接口设计 63 系统原理图及PCB图介绍74 软件设计 75 结论 7谢辞8参考文献9附录10 第 1 页 共 25页 引言 电子日历和温度计是一种很实用的生活小制作，由于单片机的集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，重量轻，能耗低，价格便宜，可靠性好，抗干扰能力强和使用方便等方面的独特的优点，易于在系统中实现上述功能，并越来越多的普及在我们的生活中。1 设计任务 制作一个可以实现24小时计时的数字钟，以及1到30号的日期更换，并且用三个键盘实现对日期时钟的调控，用1602液晶屏显示日期时钟。外加一个由DS18b20读取的温度数据也显示在液

7、晶评上的小作品。2 设计要求2.1 可使用键盘修改年、月、日，时、分、秒，实现加减修改。2.2 时钟误差范围为：15分每天。2.3 温度误差范围为：0.5摄氏度。3 系统总体方案及硬件设计 3.1 51单片机最小系统电路介绍3.1.1 复位电路单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。3.1.2 晶振电路单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。3.1.3

8、单片机系统功能单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好4.P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。由于检测一个从1到

9、0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2 ms。 第 2 页 共 25页3.1.4 51单片机管脚功能89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，它提供下列标准特征：4K字节的程序存储器，128字节的RAM,32条I/O线，2个16位定时器/计数器, 一个5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口, 片上震荡器和时钟电路。引脚说明：VCC：电源电压GND:地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。

10、当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在EPROM编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。P1口：P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。P2口：P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P2口的输

11、出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX R1）,P2口输出特殊功能寄存器的内容。当EPROM编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。P3口：P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻

12、辑门电路。当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可 以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。ALE/:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出（）。RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。P3口的第二功能: P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表3-1所示: 第 3页 共 25页表3-1 端口引脚第二功能P3.0RXD (串行输入口)P3.1TXD（串行输出口）P3.2 (外部中断0)P3.

13、3（外部中断1）P3.4T0（定时器0）P3.5T1（定时器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器都选通）一般情况下，ALE是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。3.1.5 单片机内部寄存器标识符号 地址 寄存器名称P3 0B0H I/O口3寄存器PCON 87H 电源控制及波特率选择寄存器SCON 98H 串行口控制寄存器SBUF 99H 串行数据缓冲寄存器TCON 88H 定时控制寄存器TMOD 89H 定时器方式选择寄存器TL0 8AH 定时器0低8位TH0 8CH 定时器0高8位TL1 8B

14、H 定时器1低8位TH1 8DH 定时器1高8 图3-13.1.6 单片机最小系统原图如图3-1所示： 第 4 页 共 25页3.2 1602液晶电路设计3.2.1 管脚功能工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）1602采用标准的16脚接口，其中: 第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低

15、电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第714脚：D0D7为8位双向数据线。 第1516脚：空脚 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，如表1所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就

16、能看到字母“A”3.2.2字符地址表3-2 显 示 位 序 号1 2 3 4 5 40 DD RAM 地 址(HEX)第 一 行00 01 02 03 04 . 27第 二 行40 41 42 43 44 . 673.2.3 指令集 1602通过D0D7的8位数据端传输数据和指令。 显示模式设置： (初始化) 0011 1000 0x38 设置162显示，57点阵，8位数据接口； 显示开关及光标设置：(初始化) 0000 1DCB D显示(1有效)、C光标显示(1有效)、B光标闪烁(1有效) 0000 01NS N=1(读或写一个字符后地址指针加1 &光标加1)， N=0(读或写一个字符后地址

17、指针减1 &光标减1)， 第 5页 共25页S=1 且 N=1 (当写一个字符后，整屏显示左移) s=0 当写一个字符后，整屏显示不移动 数据指针设置： 数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码(0-27H，40-67H) 其他设置： 01H(显示清屏，数据指针=0，所有显示=0)；02H(显示回车，数据指针=0)。 通常推荐的初始化过程： 延时15ms 写指令38H 延时5ms 写指令38H 延时5ms 写指令38H 延时5ms （以上都不检测忙信号） （以下都要检测忙信号） 写指令38H 写指令08H 关闭显示 写指令01H 显示清屏 写指令06H 光标移动设置 写指令0cH 显示

18、开及光标设置3.2.4 电路设计 图3-23.3 DS18b20电路设计3.3.1 DS18B20的简介（1）独特的单线接口方式：DS18B20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。（2）在使用中不需要任何外围元件（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0 +5.5 V。（4）测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率为0.5 。（5）通过编程可实现912位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常

19、工作。3.3.2 工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率 第 6页 共25页的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶

20、振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。 3.3.3 DS18B20的外形和内部结构 3.3.4 DS18B20与单片机的典型接口设计 图3-3以 MCS-51单片机为例，图3中采用寄生电源供电方式，P1.1口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89C51的P1.0来完成对总线的上拉。当DS18B29处于写存储器和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10u

21、s。采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。由于单线只有一根线，因此发送接口必须是三态的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。假设单片机系统所用的晶体管晶振频率为12MHZ，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写三个子程序：INTI为初始化子程序，WRITE为写子程序，READ为读子程序，所有的数据读写均由最低位开始，实际在实验中不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻4.7K，另外两个引脚分别接电源和地。4 系统原理图及PCB图4.1系统原理图本作品设计是基于51单片机最小系统，加上1602液晶显示电路和DS1

22、8b20的温度采集数据电路，其中左上角为复位电路，左下角为晶振电路。单片机上方为电源指示电路。右下角的版块为温度电路，用于温度的数据采集；其中还使用了P0和P2口接1602的电路，作为对液晶屏数据的的输入和字符输入的控制电路，P3口接了三个控制键盘，可对时钟和日期进行选定调控。并在P0和P2两个输出端口加上了两个2K的上拉电阻，增加电路的驱动电路，使得1602液晶屏能够获得足够的供电电压，显示更好的效果；在电源接入部分，使用了两个插针接入5V电源给单片机和电路供电，具体作品原理图见附录1 第 7 页 共25页3.2 系统PCB图在PCB图的布局时，根据电路特点进行了原件的合理摆放，原件封装大小

23、，和焊的设置都进行了相关的确认之后用手动布线，其中为了节省空间，将晶振电路放到了单片机的底座下，这样既节省了空间也使电路看起来更加美观。具体PCb见附录24 软件设计具体软件程序见附录35 结论经试验测试，实现了系统设计的任务要求，稳定显示了日期和时钟，并且键盘的选定和加减调控日期和时钟均实现功能，其中温度也能够温度且准确的显示温度，若改变温度，变化明显。作品实物见附录3。键盘调控范围如下表所示：键盘年月日调控范围09999012030键盘功能测试结构如下表所示：键盘按下次数123456K1选定秒选定分选定时选定日选定月选定年K2+1+1+1+1+1+1K3-1-1-1-1-1-1(其中K1、

24、K2、K3为正对实物从右往左对键盘编号)其中温度显示范围为：测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率为0.5 。本次作品制作完成了任务要求，达到了之前预定的目标。但是在程序方面，由于作者能力有限，在许多程序方面有待完善，其中在日期的12月的设计中，没能很好的处理好大小月份的显示以及闰年和瑞年的问题，以及在扩展功能上，需要在程序中加入时钟。但所设定的任务都已完成，作者在之后将继续在程序方面进行改进完善，争取完善作品。 第 8页 共 25页谢 辞在本次课程设计过程中，从作品的选题，到制作过程，以及程序的修改等，都得到了老师和同学的大力帮助，特别感谢周茜老师在选题和作品设计方面给出的良好建议和悉

25、心的指导，感谢科协学长在程序设计方面给出的指导和建议，以及感谢学院科协提供的制作场地，才使得作品能够按时顺利完成所设定的任务。 在今后的学习中，我会在理论学习的同时注重实践，让理论和实践能够真正的融合为一体。当一名理论知识和动手能力全面发展的大学生。 第 9 页 共25 页参考文献专著： 1 郭天祥.51单片机C语言教程 M. 电子工业出版社，2008 2张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003 3谭浩强.C程序设计.M.北京：清华大学出版社，1991 4求是科技.单片机典型模块设计实例导航M.北京：人民邮电出版社，2004 第 10页 共 25页附 录

26、附录1：附录2： 第 11页 共 25页附录3作品程序附录：作品程序：#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit lcdrs=P25;sbit gnd=P26;sbit lcden=P27;sbit DQ=P35;/ds18b20单线与单片机的接口定义sbit s1=P32;sbit s2=P33;sbit s3=P34;void init();void write_com(uchar com); 第12 页 共25 页void write_date(uchar date);void delays(uint

27、 z);void keyscan();void write_n(uchar add,uchar date);void write_yr(uchar add,uchar date);void write_sfm(uchar add,uchar date);void init_ds18b20(void);/18b20声明初始化函数void delay(uint t); /声明延时函数void write_byte(uchar dat); /声明写字节函数void write_wen(uchar temp); /写温度函数uchar readtemperature(void); /读取温度函数uch

28、ar s1num;ge1,shi1,ge2,shi2,ge3,shi3,aa,num,wen1,wen2,temp;char miao,fen,shi,nian,nian1,nian2,yue,ri;uchar table=2011-01-26;uchar table1=00:00:00 T:;void main()init();while(1)keyscan(); void init_ds18b20(void)/初始化函数uchar n;DQ=1;/先把总线拉高delay(8);/延时等待稳定DQ=0;/把总线拉低 第13 页 共 25页delay(80);/延时拉低时间DQ=1;/把总线拉

29、高delay(8);/再延时n=DQ;/把DQ赋给n以判断ds18b20是否存在，但本实验以确定其存在delay(4);/延时 void write_byte(uchar dat)/写一个字节 uchar i;for(i=0;i=1;/dat右移一位，以便下次循环取下一位的值，低位在前，高位在后delay(4);uchar read_byte()/读一个字节 uchar i,value;for(i=0;i=1;/每次读一位，右移一位DQ=1; 第14 页 共25 页if(DQ)value|=0x80; delay(4);return value;uchar readtemperature(vo

30、id) uchar a,b; init_ds18b20();/调用初始化函数以初始化ds18b20 write_byte(0xcc);/跳过rom write_byte(0x44);/开始测温度 delay(300);/延时给ds18b20足够时间测温度 init_ds18b20();/初始化函数以准备读写数据 write_byte(0xcc); write_byte(0xbe);/命令：读暂存器的值 a=read_byte();/读暂存器的0字节 b=read_byte();/读暂存器的1字节 b4;/同上 return b;void delay(uint t) while(t-);void

31、 write_wen(uchar temp)wen1=temp/10;wen2=temp%10; 第15 页 共 25 页 write_com(0x80+0x40+13);write_date(0x30+wen1);write_date(0x30+wen2); void write_com(uchar com)/写命令（怎样显示）lcdrs=0;/写的命令状态P0=com;/给P0口赋上命令delays(5);lcden=1;/打开开关，把P0口命令送人液晶delays(5);lcden=0;/送入完毕，关上液晶void write_date(uchar date)/写数据（显示什么）lcdr

32、s=1;P0=date;delays(5);lcden=1;delays(5);lcden=0;void write_sfm(uchar add,uchar date)shi1=date/10;ge1=date%10;write_com(0x80+0x40+add);write_date(0x30+shi1);write_date(0x30+ge1);void init() 第 16 页 共25页gnd=0; lcden=0;write_com(0x38);/显示模式write_com(0x0c);/开显示、显示光标、光标闪烁write_com(0x06);/指针自动加一，整屏不移动write

33、_com(0x01);/清屏write_com(0x80);for(num=0;num10;num+)write_date(tablenum);delays(5);write_com(0x80+0x40);for(num=0;num13;num+)write_date(table1num);delays(5); aa=0;shi=0;fen=0;miao=0;ri=28;yue=1;nian2=11;nian1=20;TMOD=0x01;TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256;EA=1;ET0=1; 第 17页 共25页TR0=1;void ti

34、me() interrupt 1TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256;aa+;if(aa=20)/一秒钟 aa=0; miao+; if(miao=60)/秒钟 miao=0; fen+; if(fen=60)/分钟 fen=0; shi+; if(shi=24)/时钟 shi=0; ri+; if(ri=31)/日 ri=0; yue+; if(yue=12)/月 yue=0; nian2+; if(nian2=99) 第18页 共25页nian2=0;nian1+;write_n(0,nian1);write_n(2,nian2);write_yr(5,yue); write_yr(8,ri); write_sfm(0,shi); write_sfm(3,fen); write_sfm(6,miao); temp=readtemperature(); write_wen(temp);void write_yr(uchar add,uchar date)shi2=d