單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)--溫度采集顯示系統(tǒng)

1、<p>　　單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文</p><p><b>　　論文題目： </b></p><p>　　課程名稱 單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院 物理與光電工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2013年11月13日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　課

3、程設(shè)計(jì)題目及設(shè)計(jì)任務(wù)和要求········1</p><p>　　1、 設(shè)計(jì)題目·····················&

4、#183;············1</p><p>　　2、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求··················

5、;··········1</p><p>　　原理電路和程序設(shè)計(jì)····················2</

6、p><p>　　1、 方案比較································&

7、#183;2</p><p>　　2、 整體電路······························&#

8、183;··4</p><p>　　3、 單元電路設(shè)計(jì)及電路工作原理···············6</p><p>　　4、 元件清單······

9、83;··························9</p><p>　　電路和程序調(diào)試過(guò)程與結(jié)果····&

10、#183;········10</p><p>　　心得體會(huì)·······················

11、·········11</p><p>　　附錄·······················&

12、#183;·············13</p><p><b>　　教學(xué)目標(biāo)</b></p><p><b>　　1.課程設(shè)計(jì)的性質(zhì)</b></p><p>　　本課程是在前導(dǎo)驗(yàn)證性認(rèn)知實(shí)驗(yàn)以

13、及相關(guān)的理論課基礎(chǔ)上，進(jìn)行更高層次命題的設(shè)計(jì)性的教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生在教師指導(dǎo)下獨(dú)立查閱資料、設(shè)計(jì)、安裝和編程特定功能的電子電路的課程。 對(duì)于提高學(xué)生的電子工程素質(zhì)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ浅Ｖ匾?lt;/p><p><b>　　2.課程設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合數(shù)字電路和單片機(jī)知識(shí)，解決電子信息方面常見(jiàn)實(shí)際問(wèn)題的能力，并了解一般電子電路與單片機(jī)構(gòu)成

14、簡(jiǎn)單系統(tǒng)及較為復(fù)雜的編程的方法。促使學(xué)生積累單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)備走向更復(fù)雜更實(shí)用的應(yīng)用領(lǐng)域，是參加各類大學(xué)生電子競(jìng)賽前的技能培訓(xùn)課程。目的在于鞏固基礎(chǔ)、注重設(shè)計(jì)、培養(yǎng)技能、追求創(chuàng)新、走向?qū)嵱谩?lt;/p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)題目及設(shè)計(jì)任務(wù)和要求</p><p>　　1、設(shè)計(jì)題目：.溫度采集顯示系統(tǒng)</p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求&l

15、t;/b></p><p>　　溫度測(cè)量范圍 0 - 99℃。</p><p><b>　　溫度分辨率±1℃。</b></p><p>　　選擇合適的溫度傳感器。</p><p>　　使用鍵盤(pán)輸入溫度的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，溫度超出范圍時(shí)候報(bào)警。（報(bào)警溫度不需要保存）</p><p>

16、<b>　　要求完成的內(nèi)容：</b></p><p>　　（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，并用電子CAD軟件繪制出原理圖，</p><p>　?。?）給出流程圖，編寫(xiě)并調(diào)試程序。</p><p>　?。?）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p>　　二、原理電路和程序設(shè)計(jì)</p><p><b>　　方案比

17、較</b></p><p><b>　　方案一</b></p><p>　　本方案主要是在溫度檢測(cè)部分利用了一款新型的溫度檢測(cè)芯片DS18B20，這個(gè)芯片大大簡(jiǎn)化了溫度檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)，它無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換，可直接將測(cè)得的溫度值以二進(jìn)制形式輸出。該方案的原理框圖和硬件原理圖如圖2.1和圖2.2所示：</p><p>　　方案（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

18、框圖</p><p>　　DS18B20是美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新型溫度檢測(cè)器件，它是單片結(jié)構(gòu)，無(wú)需外加A/D即可輸出數(shù)字量，通訊采用單線制，同時(shí)該通訊線還可兼作電源線，即具有寄生電源模式。它具有體積小、精度易保證、無(wú)需標(biāo)定等特點(diǎn)，特別適合與單片機(jī)合用構(gòu)成智能溫度檢測(cè)及控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　方案二</b></p><p>

19、　　系統(tǒng)的硬件電路包括微控制器部分（主機(jī)），溫度檢測(cè)，人機(jī)對(duì)話（鍵盤(pán)/顯示）</p><p>　　三個(gè)主要部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和硬件原理圖分別如下圖</p><p>　　方案（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　溫度檢測(cè)部分采用傳統(tǒng)的熱敏電阻，熱敏電阻的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化，變送器將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成與溫度成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別得二進(jìn)

20、制數(shù)字量，單片機(jī)主要控制LED顯示器顯示正確的溫度值，LED顯示器實(shí)現(xiàn)顯示功能。</p><p>　　方案（二）系統(tǒng)硬件原理圖</p><p><b>　　方案三</b></p><p>　　本方案是把STM8S單片機(jī)作為溫度檢測(cè)的A/D轉(zhuǎn)換器和輸出處理器。系統(tǒng)的硬件電路包括微控制器部分（主機(jī)），溫度檢測(cè)，人機(jī)對(duì)話（顯示）。</p>

21、<p>　　溫度檢測(cè)部分依然采用傳統(tǒng)的熱敏電阻，變化的電壓值直接送至STM8S單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，將變化的電壓值用算法轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻值，再用液晶1602顯示對(duì)應(yīng)的溫度值。</p><p><b>　　方案比較與選擇</b></p><p>　　方案（一）、方案（二）、方案（三）的主要區(qū)別在溫度檢測(cè)部分，方案（一）主要利用DS18B20這塊芯片進(jìn)

22、行溫度檢測(cè)，并將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)。方案（二）是采用熱敏電阻檢測(cè)溫度，然后利用A/D轉(zhuǎn)換器將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)供單片機(jī)處理。方案（三）與方案（二）相似，但方案（三）電路結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔。</p><p>　　方案（二）與方案（一）相比，它最大的特點(diǎn)就是它能檢測(cè)的溫度范圍很大，熱敏電阻的性能決定了整個(gè)設(shè)計(jì)的所能檢測(cè)的溫度范圍。方案（一）的溫度檢測(cè)范圍已經(jīng)由系統(tǒng)中的DS18B20的特性所決定，

23、它能檢測(cè)的溫度范圍為-55℃到120℃，其溫度檢測(cè)范圍很寬，已能足夠滿足一般測(cè)量需要。</p><p>　　方案（三）與方案（二）相比，在滿足條件的基礎(chǔ)上節(jié)省了AD轉(zhuǎn)換芯片、變送器（放大器）、74hc138（38譯碼器），在節(jié)省成本的基礎(chǔ)上也提高了整體的可靠性，且后期的升級(jí)拓展空間更大。鑒于此，選用方案三。</p><p><b>　　整體電路</b></p&g

24、t;<p><b>　　電路設(shè)計(jì)PCB圖：</b></p><p>　　熱敏電阻溫度計(jì)相應(yīng)的原理圖：</p><p>　　單元電路設(shè)計(jì)及電路工作原理</p><p>　　熱敏電阻采集信息外部電路：</p><p>　　設(shè)單片機(jī)輸入引腳的電壓為u，由于電源電壓為5V，所以有：</p><p

25、>　　單片機(jī)的分辨率和其輸入電壓、對(duì)應(yīng)溫度下數(shù)表data的關(guān)系如下：</p><p>　　消去u可得Rt與對(duì)應(yīng)data的關(guān)系：</p><p>　　在得到0到100度對(duì)應(yīng)電阻的情況下，我們?cè)賹⒚恳欢鹊臄?shù)據(jù)都線性地分為了10段，一共1000個(gè)數(shù)據(jù)，將其存放在單片機(jī)中，這樣我們便可方便地通過(guò)查表的方式得出熱敏電阻在不同阻值時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度</p><p><b&

26、gt;　　電源部分</b></p><p>　　出于便于攜帶的目的，我們采用的是9V干電池對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行供電，使用一塊LM7805穩(wěn)壓管對(duì)9V直流電進(jìn)行穩(wěn)壓，使用兩個(gè)電容對(duì)電路進(jìn)行濾波。這樣可以得到穩(wěn)定的5V供電電壓。</p><p>　　基于stm8單片機(jī)的主機(jī)控制單元</p><p>　　Stm8s105s4轉(zhuǎn)接板</p><p&

27、gt;　　電路設(shè)計(jì)考慮到成本，決定采用底座加stm8s105s4轉(zhuǎn)接板。</p><p>　　LCD1602數(shù)字顯示及其驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。（16列2行）</p><p>　　1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符

28、位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。</p><p>　　1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。</p><p>　　由于在這個(gè)系統(tǒng)中stm8的IO口足夠，因此不采用74hc13

29、8或者74hc595，節(jié)省元器件，提高可靠性。</p><p><b>　　A/D轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　STM8S105S4MCU帶有一路10位基于逐次逼近式的ADC轉(zhuǎn)換器，其分辨率為10位，可以選擇單次掃描、連續(xù)掃描、帶緩沖的連續(xù)掃描三種轉(zhuǎn)換方式，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在兩個(gè)8位的寄存器中。</p><p>　　本方案的量化分辨率分析：&l

30、t;/p><p>　　單片機(jī)采用5V直流電，而對(duì)于stm8105s單片機(jī)，其A/D轉(zhuǎn)換的參考電平在內(nèi)部與VDDA、VSSA相連，分別是VDDA=5v，VSSA=0v。所以其量化分辨率LSB =4.88mV。而經(jīng)計(jì)算溫度變化0.1攝氏度時(shí)，電壓變化平均大于4.88mV，所以STM8S105S4MCU自帶的10位分辨率適用本方案，而不用再添加其他的放大器。</p><p><b>　　按

31、鍵：</b></p><p>　　整體電路采用矩陣電路，總共用8個(gè)按鍵</p><p>　　4個(gè)按鍵調(diào)節(jié)溫度下限值，4個(gè)按鍵調(diào)節(jié)溫度上限值。</p><p>　　調(diào)節(jié)溫度按鍵有兩個(gè)是粗調(diào)，兩個(gè)是細(xì)調(diào)。</p><p><b>　　蜂鳴器電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>

32、;　　（4）元件清單</b></p><p>　　三、電路和程序調(diào)試過(guò)程與結(jié)果：</p><p>　　系統(tǒng)程序主要包括匯編主函數(shù)、蜂鳴器控制函數(shù)、按鍵控制函數(shù)、、溫度計(jì)算轉(zhuǎn)換函數(shù)和LCD1602顯示函數(shù)。主函數(shù)的主要功能是初始化并負(fù)責(zé)溫度的讀出、處理計(jì)算及顯示。溫度測(cè)量每1s進(jìn)行一次，其主函數(shù)和程序流程如下所示:</p><p>　　MAIN_LOOP:

33、</p><p>　　CALL DIYIHANG ;按鍵掃描程序，主要掃描跟溫度下限有關(guān)的程序</p><p>　　CALL DIERHANG ;按鍵掃描程序，主要掃描跟溫度上限有關(guān)的程序</p><p>　　BSET PD_ODR,#4 ;每次觸發(fā)蜂鳴器后關(guān)蜂鳴器</p><p>　　; CALL I

34、nit_LED ;初始化IO,驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管</p><p>　　CALL ADC_CONVERT ;AD轉(zhuǎn)換</p><p>　　CALL DATA_PROCESSING ;將采集到的電壓值進(jìn)行處理</p><p>　　BTJF R15,#0,LOO</p><p>　　BRES R15,#0</p>

35、;<p><b>　　LDW X,R10</b></p><p><b>　　LDW R20,X</b></p><p><b>　　LOO.L</b></p><p>　　CALL DATA_to_DISPLAY ;將處理后的溫度值送往顯示區(qū)</p><p>

36、;　　CALL LCD_1602 ;顯示溫度的相關(guān)信息</p><p>　　JP MAIN_LOOP ;重復(fù)</p><p><b>　　四、心得體會(huì)：</b></p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：整套溫度計(jì)系統(tǒng)性價(jià)比高。主要用到熱敏電阻和stm8s105s4自帶的AD轉(zhuǎn)換，不用外帶的AD芯片。熱敏電阻的價(jià)格也比其他高度集成的溫

37、度傳感器便宜。</p><p>　　缺點(diǎn)：由于是用熱敏電阻溫度傳感器，在接近100攝氏度的那個(gè)區(qū)間段，誤差比較大。這主要是熱敏電阻本身特性決定的。而且在設(shè)計(jì)電壓采集電路的時(shí)候，沒(méi)有考慮加濾波電路。干擾會(huì)比較大。</p><p>　　改進(jìn)：針對(duì)以上的缺點(diǎn)，一是需要在AD轉(zhuǎn)換輸入加上一階RC濾波器，二是需要在軟件上實(shí)現(xiàn)多次采集取平均值等方法加以改進(jìn)。</p><p>　

38、　體會(huì)：經(jīng)過(guò)了將近一個(gè)月的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，我感覺(jué)到我的綜合能力都</p><p>　　到了提升。在此，寫(xiě)下我感觸最深的幾點(diǎn)。從頭到尾，做完了一個(gè)小工程，可說(shuō)的東西實(shí)在太多了。首先，是資料的查找與學(xué)習(xí)。開(kāi)始決定做熱敏電阻溫度計(jì)的時(shí)候，我就上網(wǎng)查找資料，查看技術(shù)文檔，翻看上學(xué)期的單片機(jī)課程、數(shù)電、模電。用了將近一個(gè)星期的時(shí)間終于確定了方案。然后開(kāi)始寫(xiě)程序。我把程序分成幾個(gè)部分，一個(gè)部分一個(gè)部分地寫(xiě)，然后在開(kāi)發(fā)板上調(diào)試

39、。</p><p>　　起先，真的很打擊人。沒(méi)有一次程序?qū)懲昃驼{(diào)試成功的。寫(xiě)完一個(gè)程序，總要花甚至比寫(xiě)程序更長(zhǎng)的時(shí)間去調(diào)試。每次都有各種各樣的小錯(cuò)誤。我沒(méi)有氣餒，反而更興奮，特別是當(dāng)看到自己一個(gè)個(gè)的解決了這些困難然后調(diào)試成功的那一刻！當(dāng)寫(xiě)完整個(gè)系統(tǒng)的程序時(shí)，我發(fā)現(xiàn)我整個(gè)人都變得不一樣了。我發(fā)現(xiàn)我是如此的自信，感覺(jué)只要自己花時(shí)間下去，沒(méi)有什么事情是做不到的！這是我做這次課程設(shè)計(jì)最大的收獲！這也同時(shí)使我確定了接下來(lái)要

40、走的路。每天晚上都在調(diào)試程序，每天都搞到很晚，可是又不會(huì)感覺(jué)到很累，可能是樂(lè)在其中吧。</p><p>　　當(dāng)寫(xiě)完所有的程序并在開(kāi)發(fā)板上調(diào)試成功后，我開(kāi)始做板。因?yàn)橐郧皼](méi)有畫(huà)過(guò)PCB圖，所有特地去找了幾個(gè)視頻來(lái)學(xué)習(xí)。學(xué)了幾天之后，自己嘗試畫(huà)板。經(jīng)歷了幾天后也把圖畫(huà)好了。做完之后，就去腐蝕銅板。中間的曲折就不細(xì)說(shuō)了。終于，把所有的事情都基本搞定了。感覺(jué)整個(gè)人都不一樣了。不僅多學(xué)會(huì)了畫(huà)板做板，而且最重要的是學(xué)會(huì)了如何

41、完成一項(xiàng)工程！</p><p>　　在我以為所有的事情都?jí)m埃落定的時(shí)候，新的困難就出現(xiàn)了。可不是嘛，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，沒(méi)什么好怕的！雖然我對(duì)焊接還是很有自信的，可是這次居然有很多虛焊。請(qǐng)教了別人之后，才知道原來(lái)是自己在畫(huà)圖的時(shí)候把焊盤(pán)設(shè)置的太小了，結(jié)果打孔的時(shí)候都把焊盤(pán)的銅箔給打掉了。這也讓我明白，在軟件處理上一定要細(xì)心，別把難題留給硬件處理 。最大的也是最后的一個(gè)挫折，讓我調(diào)試了兩個(gè)晚上。把程序燒到做好的板子

42、就是顯示的結(jié)果跟我預(yù)期的結(jié)果不一樣。經(jīng)過(guò)一番痛苦的折騰之后，我才發(fā)現(xiàn)了原來(lái)STM8s的PE1、PE2沒(méi)有內(nèi)接上拉電阻。而這不僅影響了我的硬件不能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，軟件上也出問(wèn)題了。當(dāng)排除了這個(gè)問(wèn)題之后，所有的事情總算結(jié)束了。那天晚上居然調(diào)試到凌晨?jī)牲c(diǎn)！這也難怪程序員的身體老是會(huì)出問(wèn)題，我想跟這些是有一定的關(guān)系的。</p><p>　　發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程不都是這樣子的嗎？經(jīng)歷了這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)我自己

43、的能力也有很大的肯定。我相信只要我想做的，花時(shí)間下去，不管有多少多大的困難，最終都會(huì)解決的。</p><p><b>　　五、附錄：</b></p><p><b>　　電路的PCB圖：</b></p><p><b>　　電路板的正面：</b></p><p><b&g

44、t;　　電路板的背面：</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 鄭詩(shī)衛(wèi). 印制電路板排版設(shè)計(jì). 北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1983</p><p>　　[2] 潘永雄, 沙何等. 電子線路CAD實(shí)用教程. 第三版. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007</p><p&g