终极完整版广工单片机课程设计报告

单片机原理与接口技术课程设计

论文

论文题目：

课程名称单片机原理与接口技术课程设计

学院物理与光电工程学院

专业班级 $#@$$$@$@#@#!@#@#@#@

学号 ##@#@#

姓名 @#@#@#@

指导教师陈#电

2013年11月13日

目录

一、课程设计题目及设计任务和要求 (1)

1、设计题目 (1)

2、设计任务和要求 (1)

二、原理电路和程序设计 (2)

1、方案比较 (2)

2、整体电路 (4)

3、单元电路设计及电路工作原理 (6)

4、元件清单 (9)

三、电路和程序调试过程与结果 (10)

四、心得体会 (11)

五、附录 (13)

教学目标

1.课程设计的性质

本课程是在前导验证性认知实验以及相关的理论课基础上，进行更高层次命题的设计性的教学环节，是学生在教师指导下独立查阅资料、设计、安装和编程特定功能的电子电路的课程。对于提高学生的电子工程素质和科学实验能力非常重要。

2.课程设计目的

本课程旨在培养学生综合数字电路和单片机知识，解决电子信息方面常见实际问题的能力，并了解一般电子电路与单片机构成简单系统及较为复杂的编程的方法。促使学生积累单片机系统的开发经验，准备走向更复杂更实用的应用领域，是参加各类大学生电子竞赛前的技能培训课程。目的在于巩固基础、注重设计、培养技能、追求创新、走向实用。

一、课程设计题目及设计任务和要求

1、设计题目：.温度采集显示系统

2、设计任务和要求

（1）温度测量范围 0 - 99℃。

（2）温度分辨率±1℃。

（3）选择合适的温度传感器。

（4）使用键盘输入温度的最高点和最低点，温度超出范围时候报警。（报警温度不需要保存）

要求完成的内容：

（1）系统硬件设计，并用电子CAD软件绘制出原理图，

（2）给出流程图，编写并调试程序。

（3）撰写设计报告。

二、原理电路和程序设计

（1） 方案比较

方案一

本方案主要是在温度检测部分利用了一款新型的温度检测芯片DS18B20，这个芯片大大简化了温度检测模块的设计，它无需A/D 转换，可直接将测得的温度值以二进制形式输出。该方案的原理框图和硬件原理图如图2.1和图2.2所示：

方案（一）系统结构框图

DS18B20是美国达拉斯半导体公司生产的新型温度检测器件，它是单片结构，无需外加A/D 即可输出数字量，通讯采用单线制，同时该通讯线还可兼作电源线，即具有寄生电源模式。它具有体积小、精度易保证、无需标定等特点，特别适合与单片机合用构成智能温度检测及控制系统。

方案二

系统的硬件电路包括微控制器部分（主机），温度检测，人机对话（键盘/显示）

三个主要部分。系统结构框图和硬件原理图分别如下图

方案（二）系统结构框图

温度检测部分采用传统的热敏电阻，热敏电阻的阻值随环境温度变

LED 显示器

80C51 单片机 温度传感器

DS18B20

化而变化，变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压信号，经A/D 转换器将其转换为单片机可识别得二进制数字量，单片机主要控制LED 显示器显示正确的温度值，LED显示器实现显示功能。

方案（二）系统硬件原理图

方案三

本方案是把STM8S单片机作为温度检测的A/D转换器和输出处理器。系统的硬件电路包括微控制器部分（主机），温度检测，人机对话（显示）。

热敏电阻STM8温度显示温度检测部分依然采用传统的热敏电阻，变化的电压值直接送至STM8S单片机A/D转换器进行处理，将变化的电压值用算法转换成相应的电阻值，再用液晶1602显示对应的温度值。

方案比较与选择

方案（一）、方案（二）、方案（三）的主要区别在温度检测部分，方案（一）主要利用DS18B20这块芯片进行温度检测，并将采集到的模拟量转换为单片机识别的二进制数。方案（二）是采用热敏电阻检测温度，然后利用A/D转换器将温度模拟量转换为二进制数供单片机处理。

方案（三）与方案（二）相似，但方案（三）电路结构更为简洁。

方案（二）与方案（一）相比，它最大的特点就是它能检测的温度范围很大，热敏电阻的性能决定了整个设计的所能检测的温度范围。方案（一）的温度检测范围已经由系统中的DS18B20的特性所决定，它能检测的温度范围为-55℃到120℃，其温度检测范围很宽，已能足够满足一般测量需要。

方案（三）与方案（二）相比，在满足条件的基础上节省了AD转换芯片、变送器（放大器）、74hc138（38译码器），在节省成本的基础上也提高了整体的可靠性，且后期的升级拓展空间更大。鉴于此，选用方案三。

（2）整体电路

电路设计PCB图：

热敏电阻温度计相应的原理图：

（3）单元电路设计及电路工作原理

热敏电阻采集信息外部电路：

设单片机输入引脚的电压为u，由于电源电压为5V，所以有：

单片机的分辨率和其输入电压、对应温度下数表data的关系如下：

消去u可得Rt与对应data的关系：

在得到0到100度对应电阻的情况下，我们再将每一度的数据都线性地分为了10段，一共1000个数据，将其存放在单片机中，这样我们便可方便地通过查表的方式得出热敏电阻在不同阻值时对应的温度

电源部分

出于便于携带的目的，我们采用的是9V干电池对整个电路进行供电，使用一块LM7805稳压管对9V直流电进行稳压，使用两个电容对电路进行滤波。这样可以得到稳定的5V供电电压。

基于stm8单片机的主机控制单元

Stm8s105s4转接板

电路设计考虑到成本，决定采用底座加stm8s105s4转接板。

LCD1602数字显示及其驱动电路

工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的

点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

由于在这个系统中stm8的IO口足够，因此不采用74hc138或者74hc595，节省元器件，提高可靠性。

A/D转换

STM8S105S4MCU带有一路10位基于逐次逼近式的ADC转换器，其分辨率为10位，可以选择单次扫描、连续扫描、带缓冲的连续扫描三种转换方式，转换结果存放在两个8位的寄存器中。

本方案的量化分辨率分析：

单片机采用5V直流电，而对于stm8105s单片机，其A/D转换的参考电平在内部与VDDA、VSSA相连，分别是VDDA=5v，VSSA=0v。所以其量化分辨率

LSB=4.88mV。而经计算温度变化0.1摄氏度时，电压变化平均大于4.88mV，

所以STM8S105S4MCU自带的10位分辨率适用本方案，而不用再添加其他的放大器。

按键：

整体电路采用矩阵电路，总共用8个按键

4个按键调节温度下限值，4个按键调节温度上限值。

调节温度按键有两个是粗调，两个是细调。

蜂鸣器电路设计

（4）元件清单

器件类型数量

电阻 1.1K 4.7K 10K

150 1.1K3个，其他的各一个

电容104 2 发光二极管LED（普通的都行） 1 二极管IN4007 2 可调电容103 1 电解电容220UF/25V 1 有源蜂鸣器 1 三极管PNP 1 单片机芯片Stm8s105s4 1 按键8

三、电路和程序调试过程与结果：

系统程序主要包括汇编主函数、蜂鸣器控制函数、按键控制函数、、温度计算转换函数和LCD1602显示函数。主函数的主要功能是初始化并负责温度的读出、处理计算及显示。温度测量每1s进行一次，其主函数和程序流程如下所示: MAIN_LOOP:

CALL DIYIHANG ;按键扫描程序，主要扫描跟温度下限有关的程序

CALL DIERHANG ;按键扫描程序，主要扫描跟温度上限有关的程序

BSET PD_ODR,#4 ;每次触发蜂鸣器后关蜂鸣器

; CALL Init_LED ;初始化IO,驱动数码管

CALL ADC_CONVERT ;AD转换

CALL DATA_PROCESSING ;将采集到的电压值进行处理

BTJF R15,#0,LOO

BRES R15,#0

LDW X,R10

LDW R20,X

LOO.L

CALL DATA_to_DISPLAY ;将处理后的温度值送往显示区

CALL LCD_1602 ;显示温度的相关信息

JP MAIN_LOOP ;重复

四、心得体会：

优点：整套温度计系统性价比高。主要用到热敏电阻和stm8s105s4自带的AD 转换，不用外带的AD 芯片。热敏电阻的价格也比其他高度集成的温度传感器便宜。

缺点：由于是用热敏电阻温度传感器，在接近100摄氏度的那个区间段，误差比较大。这主要是热敏电阻本身特性决定的。而且在设计电压采集电路的时候，没有考虑加滤波电路。干扰会比较大。

改进：针对以上的缺点，一是需要在AD 转换输入加上一阶RC 滤波器，二是需要在软件上实现多次采集取平均值等方法加以改进。

体会：经过了将近一个月的单片机课程设计，我感觉到我的综合能力都 到了提升。在此，写下我感触最深的几点。从头到尾，做完了一个小工程，可说的

初始化

按键扫描

启动

AD

数据处理

蜂鸣器是否启动？

显示

返回 Y

N

东西实在太多了。首先，是资料的查找与学习。开始决定做热敏电阻温度计的时候，我就上网查找资料，查看技术文档，翻看上学期的单片机课程、数电、模电。用了将近一个星期的时间终于确定了方案。然后开始写程序。我把程序分成几个部分，一个部分一个部分地写，然后在开发板上调试。

起先，真的很打击人。没有一次程序写完就调试成功的。写完一个程序，总要花甚至比写程序更长的时间去调试。每次都有各种各样的小错误。我没有气馁，反而更兴奋，特别是当看到自己一个个的解决了这些困难然后调试成功的那一刻！当写完整个系统的程序时，我发现我整个人都变得不一样了。我发现我是如此的自信，感觉只要自己花时间下去，没有什么事情是做不到的！这是我做这次课程设计最大的收获！这也同时使我确定了接下来要走的路。每天晚上都在调试程序，每天都搞到很晚，可是又不会感觉到很累，可能是乐在其中吧。

当写完所有的程序并在开发板上调试成功后，我开始做板。因为以前没有画过PCB图，所有特地去找了几个视频来学习。学了几天之后，自己尝试画板。经历了几天后也把图画好了。做完之后，就去腐蚀铜板。中间的曲折就不细说了。终于，把所有的事情都基本搞定了。感觉整个人都不一样了。不仅多学会了画板做板，而且最重要的是学会了如何完成一项工程！

在我以为所有的事情都尘埃落定的时候，新的困难就出现了。可不是嘛，发现问题，解决问题，没什么好怕的！虽然我对焊接还是很有自信的，可是这次居然有很多虚焊。请教了别人之后，才知道原来是自己在画图的时候把焊盘设置的太小了，结果打孔的时候都把焊盘的铜箔给打掉了。这也让我明白，在软件处理上一定要细心，别把难题留给硬件处理。最大的也是最后的一个挫折，让我调试了两个晚上。把程序烧到做好的板子就是显示的结果跟我预期的结果不一样。经过一番痛苦的折腾之后，我才发现了原来STM8s的PE1、PE2没有内接上拉电阻。而这不仅影响了我的硬件不能实现相应的功能，软件上也出问题了。当排除了这个问题之后，所有的事情总算结束了。那天晚上居然调试到凌晨两点！这也难怪程序员的身体老是会出问题，我想跟这些是有一定的关系的。

发现问题，解决问题，学习知识的过程不都是这样子的吗？经历了这次课程设计，我对我自己的能力也有很大的肯定。我相信只要我想做的，花时间下去，不管有多少多大的困难，最终都会解决的。

五、附录：电路的PCB图：

电路板的正面：

电路板的背面：

参考文献

[1] 郑诗卫. 印制电路板排版设计. 北京：科学技术文献出版社，1983

[2] 潘永雄, 沙何等. 电子线路CAD实用教程.第三版. 西安：西安电子科技大学出版社，2007

[3] 潘永雄. 新编单片机原理与应用实验. 西安：西安电子科技大学出版社，2