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1、 科技学院2013届本科毕业论文 基于51单片机粮库无线温度监测系统 的设计与实现 专 业： 通信工程 中国贵州贵阳2013年5月I 贵州大学科技学院本科毕业论文（设计） 第 页 目录摘要Abstract第一章 绪论11.1 引言11.2 现状11.3 目的和意义21.4 本文结构2第二章 方案的比较和论证32.1 温度传感器的选型32.2 无线发送模块的选型42.3 语音芯片的选型52.4 显示模块的选型6第三章 MCS-51单片机的结构与原理简介73.1 MCS-51单片机的内部结构73.1.1 MCS-51单片机的组成73.1.2 CPU73.2 MCS-51单片机外部结构83.2.1
2、MCS-51单片机引脚功能83.2.2 复位和复位电路103.3 MCS-51单片机的定时器/计数器103.3.1定时器/计数器的结构103.3.2工作方式113.4 MCS-51单片机的中断系统123.4.1中断请求源和中断请求标志123.4.2中断控制13第四章 系统硬件设计154.1 系统硬件框图154.2 单片机模块16II 贵州大学科技学院本科毕业论文（设计） 第 页 4.3无线发送模块164.3.1 RF1100-232技术指标174.3.2 RF1100-232端口定义174.3.3 RF1100-232参数设定184.4 温度传感器模块224.4.1 DS18B20的管脚定义及
3、内部结构224.4.2 DS18B20温度数据格式234.4.3 DS18B20温度传感器工作原理234.5显示模块244.5.1 数码管显示244.5.2液晶显示264.6语音报温模284.6.1引脚及功能284.6.2 ISD1700典型的应用电路314.7其他模块324.7.1电源模块324.7.2超温报警模块32第五章 系统软件设计335.1系统开发环境简介335.1.1软件功能335.1.2 Keil软件使用方法335.2系统软件流程图415.3温度传感器驱动程序设计435.4无线收发模块程序设计465.5液晶显示驱动程序设计48第六章 设计总结53参考文献54附录55致谢68III
4、 贵州大学科技学院本科毕业论文（设计） 第 页 基于51单片机粮库无线温度监测系统的设计与实现摘要粮食是国家的战略物质，是人民的生活必需品。粮食安全是国家安全的基础。然而，我国粮食霉变事故时有发生，造成巨大的粮食浪费，危害国家粮食安全。为此，本文设计和构建了粮食仓库温度监测系统，主要用于实时监测粮食仓库中各个粮仓的温度。方便粮库管理人员掌控粮情，做好防范措施，防止粮食安全事故的发生。本文首先从理论上论述了温度监测的重要意义，讨论了粮食仓库中温度的允许变化范围，探讨了测量粮食仓库温度的原理和方法。在此基础上，进行了粮食仓库温度无线监测系统的设计和研制。此系统用51单片机、温度传感器和无线发送模块
5、构成温度检测与发送装置 ；用51单片机、LCD显示装置和无线发送模块构成温度接收与显示装置；用语音芯片构成定时报温与超温报警装置。实现温度信号的无线传输、对仓库内多个点的温度进行实时监测和语音报温报警。其设计指标：温度检测范围为 -40至60，温度检测误差=0.5。温度控制目标范围为-10至30，控制点的间隔为1，超过目标范围时自动报警，以方便管理人员对温度的把握与控制。此系统采用了无线射频技术，有效距离达到200米，完全可以满足中小型粮食仓库的温度监测。关键词：粮库；温度多点监测；无线传输；51单片机 IV 贵州大学科技学院本科毕业论文（设计） 第 页 Design and Implemen
6、tation of Grain Depot Wireless Temperature Monitoring System Based on 51 MCUAbstractFood is the national strategic materials and the daily necessities of the people.So food security is the foundation of national security.However,our country grain-mildewing accidents occur frequently, causing huge wa
7、ste, endangering national food security.To this end, this paper design and build the grain depot temperature monitoring system, mainly used for real-time monitoring the granary of the temperature in the grain warehouse.In order to control the grain situation, complete the prevention measures, and pr
8、event food safety accidents.This paper first theoretically discusses the importance of temperature monitoring and discuss the allowed range of food warehouse temperature.Meanwhile,The paper discusses the principle and method of measuring grain warehouse temperature.On this basis, the paper begin to
9、design and implement the wireless temperature monitoring system of the grain warehouse.This system uses microcomputer, temperature sensor and wireless sending module to constitute temperature detection and sending device;uses microcomputer, LCD display and wireless sending module to constitute tempe
10、rature receiving and display device;uses voice chip to constitute temperature-voiced and over temperature alarm device.Finally, the system realizes the temperature signal wireless transmission, real-time monitoring of multiple points temperature,temperature-voiced and over temperature alarm.The desi
11、gn indexes: temperature detection range for - 40 to 60 and the temperature detection error 2 米，9600bps可靠传输距离大于 100m(BER=10-3/9600bps)；1200bps传输距离最大可达 200m(BER=10-3/1200bps)。此外，RF1100-232支持透明数据传输,提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的假数据，使用简单无需编程，大大方便应用。综合比较方案一与方案二，方案二具有抗干扰能力强、误码率低、使用简单无需编程等优点，所以选择方案二
12、。 图2.4 RF1100-232外形2.3 语音芯片的选型 方案一： 采用ISD1420，如图2.5所示，其单片录放时间为20秒，音质较好。选址处理达160段信息，EEPROM可重复擦写。单电源供电，典型电压+5V，电路断电后语音内容不会丢失。其控制方式：并口或按键。ISD1420模块芯片采用CMOS技术，内含振荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及 EEPROM 阵列。其外围元件简单，需少量阻容元件、麦克风即可组成一个完整录放系统；操作简单，无需专用编程器及语音开发器。它的采样频率从5.3、6.4到8.0KHz，对音质有轻微影响。此外，ISD1420的稳定
13、性较差，价格稍贵。 图2.5 ISD1420外形方案二：采用ISD1760，如图2.6所示，其单片录放时间40120秒，音质好。可利用震荡电阻来自定芯片的采样频率，来决定芯片的录放间和录放音质。其控制方式：按键模式和MCU串行控制模式(SPI协议) 。该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示,双运作模式，以及可定制的信息操作指示音。芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。ISD1760的独立按键工作模式录放电路非常简单，而且功能强大，不仅有录、放功能，还有快进、擦除、音量控制、直通放音和复位等功能。这些功能仅仅通过
14、按键就可完成。同时，它具有电压范围宽，稳定性好，工作状态提示丰富多样，可处理多达 255 段以上信息，宽价廉物美，应用灵活等优点。综合比较方案一与方案二，方案二更适合本系统设计的要求。 图2.6 ISD1760外形2.4 显示模块的选型方案一：采用LED数码管，如图2.7所示，它是设备常用简易显示电子元器件之一。LED数码管的主要优点如下：(1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。(2)发光响应时间极短，高频特性好，单色性好，亮度高。(3)体积小，重量轻，抗冲击性能好。(4)寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。（5）成本低，使用简单方便。然而，L
15、ED也有缺点的：（1）其散热性能稍差（2）用单片机控制时需要配置恒流驱动芯片（3）容易出现光衰甚至“死灯”现象。（4）只能显示数字，而不能显示简单的字符。基于上述特点，LED数码管常用于设备简易的数字显示中。 图2.7 LED数码管外形 方案二：采用LCD 1602A，如图2.8所示，其为标准型16X2液晶显示字符模块。LCD 1602A的特点如下：（1）机身薄，节省空间：与比较笨重的CRT显示器相比，液晶显示器只要前者三分之一的空间。（2）省电，不产生高温：属于低耗电产品，可以做到完全不发烫，相对与CRT显示器，因显像技术不可避免产生高温。（3）无辐射，益健康：液晶显示器完全无辐射，这对于整
16、天在电脑前工作的人来说是一个福音。（4）画面柔和不伤眼：不同于CRT技术，液晶显示器画面不会闪烁，可以减少显示器对眼睛的伤害，眼睛不容易疲劳。LCD 1602A能现显示简单的字符。其也存在缺点，如价格较贵，可视角度小，反应时间较慢等。综合比较方案一与方案二，数码管作为温度检测的显示，LCD1602A 作为温度接收的显示。 图2.8 LCD1602A外形 第三章 MCS-51单片机的结构与原理简介作为单片机市场的主流产品，51系列单片机具有省电耐用、可多次编程、性能稳定、物美价廉等优点，所以选择MCS-51单片机作为此温度监测系统的控制核心 。本章将对其结构及原理进行简要的介绍。 3.1 MCS
17、-51单片机的内部结构3.1.1 MCS-51单片机的组成MCS-51单片机是在一块芯片上集成CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和I/O口等基本功能部件。单片机内部包含以下几个部件： （1）一个8位CPU （2）一个片内振荡器及时钟电路 （3）4 KB ROM程序存储器 （4）128 B RAM数据存储器 （5）两个16位定时器/计算器 （6）可寻址64 KB外部数据存储器和64 KB外部程序存储器空间的控制电路 （7）32条可编程的I/0线 （8）一个可编程全双工串行接口 （9）具有5个中断源、两个优先级嵌套中断结构3.1.2 CPU CPU是单片机的核心部件，它由运算器和控制器等部件组
18、成。1） 运算器运算器的功能是进行算述运算和逻辑运算。可以对半字节、单字节等数据进行操作。例如能完成加、减、乘、除、BCD码十进制调整等操作。此外，8051运算器还包含有一个布尔处理器，用来处理位操作。2）程序计数器PC程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64KB的程序存储器直接寻址。执行指令时，PC内容的低8位P0口输出，高8位经P2口输出。3）指令寄存器指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能2。4）定时与控制部件 （1）时钟电路8051片内设有一个由反向放大器所构
19、成的振荡电路，XTAL1和XTAL2分别振荡电路的输入和输出端，时钟可以由内部方式产生。内部方式时钟电路如图3.1所示。外部方式的时钟很少用，若要用时，只要将XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器即可。 图3.1内部方式时钟电路 （2）时序MCS-51典型的指令周期为一个机器周期，一个机器周期由6个状态个振荡周期组成。每个状态又被分成两个时相进行。如图3.2所示，为8051单片机的取指令和执行指令的定时关系。 图3.2 8051时序3.2 MCS-51单片机外部结构3.2.1 MCS-51单片机引脚功能 MCS单片机都采用40引脚的双列直插封装方式，其引脚功能如下：1）主电源引脚VSS和VCC
20、VSS接地；VCC正常操作时为+5V电源。2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。3）控制或与其他电源利用引脚RST/VPD，ALE/PROG，PSEN和EA/VPP（1）RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平，将使单片机复位。在VCC掉电期间，在引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。（2）ALE/PROG正常操作时为ALE功能提供把地址
21、的低字节锁存到外部锁存器，ALE引脚以不变的频率周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。（3）PSEN外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储器取指令或数据期间，PSEN在每个机器周期内两次有效。（4）EA/VPPEA/VPP为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA/VPP为高电平时，访问内部程序存储器；当EA/VPP为低电平时，访问外部程序存储器。4）输入输出引脚P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7，P3.0P3.7P0口（P0.0P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它分时传送低字节地址和数据总线，P0口
22、以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。P1口（P1.0P1.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动4个LSTTL负载。P2口（P2.0P2.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。P3口（P3.0P3.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动4个LSTTL负载。3.2.2 复位和复位电路在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞或死机时，就需要进行复位。MCS-5l 系列单片机的复位引脚RST 出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。MCS-51单片机的复位电路如
23、图3.3所示： 图3.3开关复位电路在RESET（图中表示为RST）输入端出现高电平时实现复位和初始化。复位后，各内部寄存器状态如表3.1所示： 表3.1内部寄存器初始状态寄存器内容寄存器内容PC0000HTMOP00HACC00HTCON00HB00HTH00HPSW00HTL00HSP07HTH00HDPTR0000HTL00HP0P30FFHSCON00HIP00000SBUF不定IE000000PCON03.3 MCS-51单片机的定时器/计数器3.3.1定时器/计数器的结构 1） 特殊功能寄存器TMOD特殊功能寄存器TMOD为定时器的方式控制寄存器，寄存器中每位的定义如图3.4所示。
24、其中M1、M0用来确定所选的工作方式，如表3.2所示：D7D6D5D6D3D2D1D0T1方式控制字GATEC/TM1M0T0方式控制字GATEC/TM1M0 图3.4 TMOD寄存器各位定义 表3.2 工作方式选择M1M0方式说明00013位定时器/计数器01116位定时器/计数器102自动装入时间常数的8位定时器/计数器113对T0分为两个8位独立计数器；对T1置方式3时停止工作 （1）C/T 定时器方式或计数器方式选择位。C/T=1时，为计数器方式；C/T=0时，为定时器方式。 （2）GATE 定时器/计数器运行控制位，用来确定对应的外部中断请求引脚，是否参与T0或T1的操作控制。2)定
25、时器控制寄存器TCON特殊功能寄存器TCON用于控制定时器的操作及对定时器中断的控制。其各位定义如图3.5所示：D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0用于外部中断 图3.5 TCON寄存器各位定义 (1)TR0 T0的运行控制位。该位置1或清0用来实现启动计数或停止计数。(2)TF0 T0的溢出中断标志位。当T0计数溢出时由硬件自动置1；在CPU中断处理时由硬件清为0。(3)TR1 T1的运行控制位，功能同TR0。(4)TF1 T1的溢出中断标志位，功能同TF0。3.3.2工作方式MCS-51片内的定时器/计数器可以通过对特殊功能寄存器TMOD中的控制
26、位C/T的设置来选择定时器方式或计数器方式；通过对M1M0两位的设置来选择4种工作方式，以T0为例加以说明3。1)方式0当M1M0设置为00时，定时器选定为方式0工作。在这种方式下，16位寄存器只用了13位，TL0的高3位未用。由TH0的8位和TL0的低5位组成一个13位计数器。当GATE=0时，只要TCON中的TR0为1，TL0及TH0组成的13位计数器就开始计数；当GATE=1时，此时仅TR0=1仍不能使计数器计数，还需要INT0引脚为1才能使计数器工作。 2)方式1 方式1和方式0的工作相同，唯一的差别是TH0和TL0组成一个16位计数器。 3)方式2 方式2把TL0配置成一个可以自动恢
27、复初值的8位计数器，TH0作为常数缓冲器，TH0由软件预置值。当TL0产生溢出时，一方面使溢出标志TF0置1，同时把TH0中的8位数据重新装入TL0中。 4)方式3 方式3对定时器T0和定时器T1是不相同的。若T1设置为方式3，则停止工作。所以方式3只适用于T0。方式3使MCS-51具有3个定时器/计数器。当T0设置为方式3时，将使TL0和TF0成为两个相互独立的8位计数器，TL0利用了T0本身的一些控制（C/T，GATE，TR0，INTO和TF0）方式，它的操作与方式0和方式1类似。3.4 MCS-51单片机的中断系统3.4.1中断请求源和中断请求标志 1）定时器控制寄存器TCON TCON
28、是定时器/计数器0和1的控制寄存器，它同时也用来锁存T0，T1的溢出中断请求源和外部中断请求源。TCON寄存器中与中断有关的位如图3.6所示：D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TF0IE1IT1IE0IT0 图3.6 TCON寄存器各位定义 其中： （1）TF1定时器/计数器1（T1）的溢出中断标志。当T1从初值开始加1计数到计数满，产生溢出时，由硬件使TF1置“1”，直到CPU响应中断时由硬件复位。 （2）TF0定时器/计数器（T0）的溢出中断标志。其作用同TF1。 (3)IE1外中断1中断请求标志。如果IT1=1，当外中断1引脚INT1上的电平由1变0时，IE1由硬件置位，外中断1请求
29、中断。在CPU响应该中断时由硬件清0。(4)IT1外部中断1(INT1)触发方式控制位。如果IT1为1，则外中断1为负边沿触发方式；如果IT1为0，则外中断1为电平触发方式。(5)IE0外中断0中断请求标志。如果IT0置1，则当INT0上的电平由1变0时，IE0由硬件置位。在CPU把控制转到中断服务程序时由硬件使IE0复位。（6）IT0外部中断源0触发方式控制位。其含义同IT1。 2)串行口控制寄存器SCON串行口控制寄存器SCON中的低2位用做串行口中断标志，如图3.7所示：D7D6D5D4D3D2D1D0TIRI 图3.7 SCON寄存器各位定义 其中： RI串行口接收中断标志。在串行口方
30、式0中，每当接收到第8位数据时，由硬件置位IR；在其他方式中，当接收到停止位的中间位置时置位RI。R1必须由软件来复位。 T串行口发送中断标志。在方式0中，当每发送完8位数据时由硬件置位T1；在其他方式中于停止位开始时置位。T1必须由软件来复位。3.4.2中断控制 1)中断允许和禁止 在MCS-51中断系统中，中断允许或禁止是由片内的中断允许寄存器IE控制的，IE中的各位定义如图3.8所示：D7D6D5D4D3D2D1D0EAESET1EX1ET0EX0 图3.8 IE寄存器各位定义 其中： EA：CPU中断允许标志。EA=0，CPU禁止所有中断，；EA=1，CPU开放中断。但每个中断源的中断
31、请求是允许还是被禁止，还需由各自的允许位确定。 ES：串行口中断允许位。ES=1，允许串行口中断。 ET1：定时器/计数器1的溢出中断允许位。ET1=1，允许T1中断；ET1=0，禁止T1中断。 EX1：外部中断1中断允许位。EX1=1，允许外部中断1中断；EX1=0禁止外部中断1中断。 ET0：定时器/计算器0的溢出中断允许位。ET0=1，允许T0中断；ET0=0，禁止T0中断。 EX0：外部中断0中断允许位。EX0=1，允许外部中断0中断；EX0=0，禁止外部中断0中断。 2)中断优先级控制 MCS-51中断系统提供两个中断优先级，对于每一个中断请求源都可以编程为高优先级中断源或低优先级中断源，以便实现二级中断嵌套。中断优先级是由片内的中断优先级寄存器IP控制的。IP寄存器中各位定义如图3.9所示：D7D6D5D4D3D2D1D0图3.9 IP寄存器各位定义PSPT1PX1PT0