第一章 引 言
第一章 引 言
1.1 课题的背景和意义
随着电子技术的迅速发展，特别是随大规模集成电路出现，给人类生活带来了根本性的改变。温度和时间都是与人们日常生活密切相关的，特别是温度检测应用甚广，如家居、厂房安全监测，环境温度监测和报警，农业温室监测，温度随时间变化测试仪等等。目前推广应用的许多温度控制系统多采用电阻式温度传感器，测量精度低，需要A/D转换，电路复杂，离散性大，温度反应缓慢。为此，采用热电偶及DS18B20作为温度采集单元和单片机来对它们进行控制，不仅具有控制方便、简单、灵活等优点。将本系统置于房间、办公室、校园、车间、汽车上或其它公共场所，使用液晶显示模块显示时间和温度，无论什么时间都能同时满足人们对环境温度和时间的确知。
该题目接近生活，实用性强，并且与单片机很好的结合，可以通过该题目进一步学习单片机原理以及其应用，从而在电路理论和实践能力的结合上得到进一步锻炼，达到其综合能力的培养和提高。
1.2 系统基本方案选择和论证
1.2.1 单片机芯片的选择
本设计采用AT89S51芯片作为硬件核心，该芯片采用Flash ROM，内部具有4KB ROM存储空间,相对于本设计而言程序空间完全够用。能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,而且运用于电路设计中时具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，避免芯片的多次拔插对芯片造成的损坏。
1.2.2 显示模块选择方案和论证
方案一：
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采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。
方案二：
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格虽适中,对于显示数字也最合适,而且采用动态扫描法与单片机连接时,占用的单片机口线少。但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往会有很多障碍，所以不采用LED数码管作为显示。
方案三：
采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,对于该系统而言，一个1602的液晶屏即可，价格也还能接受,需要的接口线较多,但会给调试带来诸多方便，所以此设计中采用LCD1602液晶显示屏作为显示模块。
1.2.3 时钟芯片的选择方案和论证
方案一：
直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现年、月、日、时、分、秒计数。采用此种方案虽然可以减少时钟芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差较大，所以不采用此方案。
方案二：
采用DS1302时钟芯片实现时钟，DS1302是美国DALLAS公司推出的
一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。主要
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特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。因此，本设计中采用DS1302提供时钟。
1.2.4 温度传感器的选择方案与论证
方案一：
使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。此设计方案需用A/D转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。
方案二：
采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以避免A/D模数转换模块，降低硬件成本，简化系统电路。虽然数字式温度传感器具有测量精度高的优点，但是，其测量范围太小，不足以满足该系统的要求。
方案三：
采用Ｋ型热电偶测温，此类传感器结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽等特点，但是，其精确度不高，而且电热偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节，才能输入基于单片机的嵌入式系统，所以最终决定选择由DS18B20及MAXIM6675热电偶数字转换器分两路采集温度。
1.3 电路设计最终方案决定
综上各模块的选择方案与论证，确定最后的主要硬件资源如下：采用AT89S51作为主控制系统；MAXIM6675热电偶数字转换器及DS18B20作为数字式温度传感器；DS1302提供时钟； LCD1602液晶屏作为显示；L7805提供电源电路。
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第二章 系统的硬件设计与实现
第二章 系统的硬件设计与实现
2.1 电路设计框图
本系统的电路系统框图如图2-1所示。由L7805供电，AT89S51单片机对电热偶、DS18B20和DS18B20写入控制字并读取相应的数据，继而控制LCD1602作出对应的显示。 键盘控制模块 DS1302时钟模块 L7805电源 AT89S51 主控模块 LCD1602液晶显示模块 温度采集模块 MAX6675 DS18B20 图2-1 系统硬件框图
2.2 系统硬件概述
本电路是由AT89S51单片机作为控制核心，电源电压为3～5V，AT89S51
是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4kBytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案；温度的采集由MAX6675和DS18B20完成，MAX6675集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，测温范围为0℃～+1024℃，精确度12位0.25℃；DS18B20具有独特的单线接口方式，DS18B20在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，测温范围 －55℃～＋125℃，测温分辨率0.0625℃，工作电源:3～5V DC；时钟电路由DS1302提供，它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。DS1302内部有一个31
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×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。可产生年、月、日、周、时、分、秒，具有使用寿命长，精度高和低功耗等特点，同时具有掉电自动保存功能；显示部份由LCD1602液晶显示器完成，该显示器为工业字符型液晶，能够同时显示16×02即32个字符（16列2行）。
2.3 主要单元电路的设计
2.3.1 AT89S51单片机最小系统
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。
单片机要正常运行，必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条件：1.电源正常；2.时钟正常；3.复位正常。
其最小系统如图2-2所示：18引脚和19引脚接时钟电路,XTAL1接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出。第9引脚为复位输入端,接上电容,电阻后构成上电自动复位电路,20引脚为接地端,40引脚为电源端。
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