温度传感器
摘 要
全球经济的蓬勃发展带来了嵌入式的巨大变革和创新，新的嵌入式产品观点不断产生，迅速刷新着家庭与工业传统的嵌入式观念。改革开放以来，我国社会经济的发展和工业水平得到了很大的提高，优越的温度传感器已成为工业的重要内容。工厂、农业、智能家居迫切需要一个能充分利用单片机优势，并可以检测环境温度的传感器，利用这个传感器使得温度检测更简单。
温度传感器采用keil作为开发工具，采用Proteus进行电路仿真。主要包含了单片机模块、温度传感器模块、LCD模块、ADC模块、温度转化按钮模块。用户能够通过这些模块所提供的功能，完成温度读取及显示，满足工业或个人需求。
关键词：温度传感器；ADC；LCD；单片机；电路
ABSTRACT
The booming global economy has brought about tremendous changes and innovations in embedded, and new ideas for embedded products are constantly being generated, rapidly refreshing the traditional embedded concept of home and industry. Since the reform and opening up, China's social and economic development and industrial level have been greatly improved, and superior temperature sensors have become an important part of the industry. Factories, agriculture, and smart homes urgently need a sensor that can make full use of the advantages of microcontrollers and can detect the ambient temperature, and use this sensor to make temperature detection easier.
The temperature sensor uses keil as the development tool and Proteus for circuit simulation. It mainly includes a single-chip microcomputer module, a temperature sensor module, an LCD module, an ADC module, and a temperature conversion button module. These modules provide the ability to read and display temperatures for industrial or personal needs.
Key words: temperature sensors; ADC； LCD； single-chip microcomputer; circuit
目 录
毕业设计（论文）.................................................................................................................................. 1
摘 要.............................................................................................................................................................. I
ABSTRACT.................................................................................................................................................. II
目 录........................................................................................................................................................... III
第一章 引 言............................................................................................................................................. 1
1.1 问题的提出........................................................................................................................................ 1
1.2 课题简介............................................................................................................................................ 1
第二章 研究现状及设计目标...................................................................................................................... 2
2.1 课题国内外研究现状......................................................................................................................... 2
2.1.1课题国内研究现状........................................................................................................................... 2
2.1.2课题国外研究现状........................................................................................................................... 2
2.2 设计的目标.......................................................................................................................................... 2
第三章 系统总体设计................................................................................................................................ 4
3.1 系统需求分析..................................................................................................................................... 4
3.2 数据流程图.......................................................................................................................................... 4
3.3 系统总体设计...................................................................................................................................... 5
第四章 系统详细设计.................................................................................................................................. 6
4.1 概要设计.............................................................................................................................................. 6
4.2 元器件选型.......................................................................................................................................... 6
4.2.1单片机的选型................................................................................................................................... 6
4.2.2 温度传感器选型............................................................................................................................. 8
4.2.3 ADC模块选型............................................................................................................................. 10
4.2.4显示模块的选型............................................................................................................................. 12
第五章 系统实现........................................................................................................................................ 14
5.1硬件电路............................................................................................................................................ 14
第六章 性能测试与分析............................................................................................................................ 17
致 谢........................................................................................................................................................... 18
参考文献....................................................................................................................................................... 19
第一章 引 言
随着科学的技术的迅速提高,嵌入式开发越来越成熟,温度传感器的超速发展，嵌入式中强大的功能已为人们深刻认识，并且进入人类社会的各个领域并发挥着越来越重要的作用。
作为嵌入式领域的一部分,使用传感器对温度进行读取,有着手工检测所无法比拟的优点，如: 迅速检测、高可靠性、高灵敏度、保密性好、寿命长、成本低等。这些优点能够极大地提高温度检测的效率,也是检测温度的科学化、正规化管理,与先进科学技术接轨的重要条件。
温度传感器是一款实用、时尚、高效的温度检测，主要特性有：温度读取；AD转换；LCD显示。
1.1 问题的提出
当前社会上许多工厂都存在着这样的问题：有没有一款价格合适，能够检测温度的温度传感器。
1.2 课题简介
温度检测系统是工业或者个人的不可缺少的一个温度检测系统,它的内容对于工厂的管理者来说是至关重要的,所以温度检测系统应该能够为每一个工厂的管理者提供充足的信息和快捷的查询手段，大大的方便工厂的温度读取。
随着科学技术的不断提高, 嵌入式开发日渐成熟, 嵌入式领域的迅速发展，嵌入式强大的功能已为人们深刻认识, 嵌入式已进入人类社会的各个领域并发挥着越来越重要的作用。作为嵌入式开发的一部分,使用温度传感器对温度进行检测,具有着手工管理所无法比拟的优点。这些优点能够极大地提高温度提取的效率,也是温度读取的科学化、正规化管理,与先进科学技术接轨的重要条件。
第二章 研究现状及设计目标
2.1 课题国内外研究现状
2.1.1课题国内研究现状
由于随着需求的增加，市面上的温度传感器种类繁多。其中一部分性能优秀，通常供条件较好的工厂使用，但价格较高，对一般工厂而言是一项不小的投资。由于时间紧迫和技术水平的限制，我的毕业设计虽然在功能上无法与这些高端产品相比，但基本的温度提取功能已经实现，且成本较低，这对于一般工厂来说是个好消息，期待本系统能满足他们的需求。
2.1.2课题国外研究现状
目前，温度传感器市场主要由霍尼韦尔（美国）、TE Connectivity（瑞士）、德州仪器（美国）、Endress + Hauser（瑞士）和西门子（德国）主导。这些公司在行业竞争中采取了包括产品研发、市场扩展、合作伙伴关系和并购等主要策略。其他参与者如德威尔仪器（美国）、美信集成（美国）、威卡仪器（德国）、安费诺（美国）和艾默生（美国）也运用产品开发、并购、扩展和合作等策略，以在温度传感器市场中实现增长。
2.2 设计的目标
本系统的设计目标是通过调查、分析、编程、调试等过程来实现基于STC89C51的温度读取的设计。
本系统包括温度传感器、ADC、LCD、STC89C51、温度转换五个模块。程序采用keil实现，电路仿真采用Proteus。
要求熟悉编程环境IDE与编程特点，对keil MDK有较深的认识。要求能做到友好的界面，功能明确，易于操作。各种数据的相关信息能方便查阅并直观反映。
具体功能模块要求：
（1）使用51单片机作为控制核心。
（2）集成温度传感器，用于获取环境温度数据。
（3）考虑适当的电源电路，确保传感器和单片机的稳定供电。
（4）设计合适的显示模块，如数码管、LCD等，用于显示温度数据。
（5）编写驱动程序，读取温度传感器的数据。
（6）实现温度数据的转换算法，将传感器输出的模拟信号转换为实际温度值。
（7）设计温度显示界面，将温度数据显示在数码管或 LCD上。
（8）考虑实现温度单位的切换，如摄氏度和华氏度。
（9）对设计的硬件和软件进行全面的测试，确保温度感应器的准确性和稳定性。
第三章 系统总体设计
3.1 系统需求分析
可行性研究旨在以最小成本和最快速度判断问题是否具备解决方案。其核心在于执行一个高度精简的系统分析与设计流程，即在较高抽象层面和概括角度上进行的系统探索与规划。最终，可行性研究的核心使命是为后续的行动策略提供科学合理的建议。市场上已有多种温度传感器技术（如热电阻、热电偶、红外传感器等），各自有不同的优缺点。LM35能够满足具体应用的精度、响应时间和测量范围需求，并且生产和采购成本，包括材料、制造工艺和设备投资低。LM35可以在特定环境下可靠工作（如高温、低温、潮湿等），其耐受条件需符合预期使用场景。符合相关行业标准和法规要求，确保产品可以在目标市场合法使用。通过以上分析，可以判断温度传感器的项目是否具备实施的可行性。
3.2 数据流程图
数据流程图是一种描述系统数据运转流程的主要工具，它用一组符号来描述整个系统中数据信息的全貌，综合地反映出信息在系统中的数据、处理流动、和数据存储情况。数据流程图的作用包括：
（1）方便系统分析员在调查业务时候，与用户交换思维的实用工具。
（2）将数据流清晰的表现出来，让数据信息更加形象具体。
（3）能够很方便地为读者阐述整个过程，包含功能、数据与之的联系。
（4）刻画数据流从输入到输出的信息移动和信息变换过程，清晰地反映系统需要完成的逻辑功能。
（5）作为交流数据信息的工具，以及数据信息分析和设计的工具。
图3.1 数据流程图
3.3 系统总体设计
第四章 系统详细设计
4.1 概要设计
由上述需求分析可知本系统中实现的“温度传感器”主要包括单片机模块、ADC模块、LCD模块、温度传感器模块。其中单片机模块使用的STC89C51、ADC模块使用的ADC0832、LCD模块使用的LM016L、温度传感器模块使用的LM35。
功能: 使用51单片机作为控制核心，集成LM35温度传感器，用于获取环境温度数据，设计适当的电源电路，确保传感器和单片机的稳定供电，使用LM06L用于显示温度数据，可以实现温度单位的切换，如摄氏度和华氏度。根据上述的系统功能，可得出系统功能模块图：
图4.1 系统功能模块图
4.2 元器件选型
4.2.1单片机的选型
方案一：PIC单片机
PIC单片机，作为美国微芯公司（Microchip）的明星产品，自其诞生以来，便以其独特的优势在单片机市场中占据了举足轻重的地位。以下是对PIC单片机的详细介绍。
起源与背景：PIC单片机最初的设计是支持PDP（编程数据处理器）计算机，后逐渐发展成为一种广泛应用于各种领域的8位单片机。它基于RISC（精简指令集计算机）系统结构，具有高效的指令执行能力和快速的响应速度。微芯公司自1989年（注：有说法为1987年，但具体年份可能因产品迭代和资料更新而有所差异）推出PIC单片机以来，一直致力于其性能的提升和功能的完善，以满足不同领域的应用需求。
核心特性：低功耗：PIC单片机采用低功耗设计，能够在低电压下工作，节省能源，延长电池寿命。这使得它在需要长时间运行或电池供电的设备中表现出色。
高性能：由于采用了RISC架构，PIC单片机具有快速的反应和高效的计算能力。其指令集精简且执行速度快，能够满足高性能应用的需求。
易于编程：PIC单片机支持多种编程语言，如C、C++、Pascal等，并具有简单、直观的编程界面。同时，微芯公司提供了丰富的开发工具和软件支持，如MPLAB X IDE、C30编译器等，使得开发者能够更轻松地进行程序开发。
丰富的外设接口：PIC单片机内置了多种外设接口，如定时器、计数器、A/D转换器、PWM模块等。这些外设接口的集成大大简化了系统设计，提高了开发效率。
高可靠性：PIC单片机采用了先进的生产工艺和严格的质量控制标准，确保了其高可靠性和稳定性。这使得它在各种恶劣环境下仍能正常工作，满足各种应用需求。
应用领域：PIC单片机广泛应用于各种电子设备中，包括汽车、工业控制、医疗器械和消费电子产品等。在汽车领域，PIC单片机可以用于发动机控制系统、轮胎压力监测系统、车载音响系统等。在工业控制领域，它可用于温度控制、电机控制、空气调节器等方面。在医疗器械中，PIC单片机可用于数据采集、处理和显示，如心电图仪、血压计等。在消费电子领域，它则可用于智能家居控制系统、智能手环等设备的控制和自动化功能实现。
开发环境与工具：对于PIC单片机的开发，微芯公司提供了完善的开发环境和工具支持。MPLAB X IDE是一个集成开发环境，它包括了代码编辑器、编译器、调试器和仿真器等功能，使得开发者能够在一个统一的平台上完成从代码编写到调试的全过程。此外，微芯公司还提供了丰富的硬件调试工具，如JTAG调试器、ICSP（在系统可编程）接口等，进一步提升了开发效率和调试精度。
总结与展望：综上所述，PIC单片机以其低功耗、高性能、易于编程、丰富的外设接口和高可靠性等特点，在单片机市场中占据了重要地位。随着物联网、智能家居等新兴领域的快速发展，PIC单片机将会迎来更加广阔的应用前景。未来，微芯公司将继续致力于PIC单片机的性能提升和功能完善，以满足不断变化的市场需求和技术挑战。同时，开发者也应不断学习和掌握新的开发技术和工具，以更好地利用PIC单片机的优势，实现更多创新的应用。
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图4.2 PIC单片机
方案二：STC89C51
5151单片机，作为嵌入式系统领域的一颗璀璨明珠，自上世纪80年代初由Intel公司推出以来，便以其卓越的性能、高度的集成度、灵活的配置选项以及广泛的应用场景，赢得了全球电子工程师和开发者的青睐。51单片机，正式名称为8051微控制器，是嵌入式系统设计中的经典之作，至今仍在工业自动化、消费电子、智能仪表、通信设备等多个领域发挥着不可替代的作用。
起源与核心特性：51单片机的起源可以追溯到Intel的8051微控制器，这款微控制器采用了CISC（复杂指令集计算机）架构，内置了一个8位的CPU，运行频率可达12MHz（在后续的产品中，这一速度得到了显著提升）。其核心特性包括：
丰富的外设资源：51单片机内置了多个定时器/计数器、串行通信接口（如UART）、中断系统等关键外设，这些外设的集成大大简化了系统设计，提高了开发效率。
灵活的内存配置：根据不同型号和应用需求，51单片机内部集成的ROM（只读存储器）和RAM（随机存取存储器）容量有所不同，部分高端型号还提供了EEPROM（电可擦可编程只读存储器）等非易失性存储选项，为数据存储和程序执行提供了充足的空间。
强大的指令集：51单片机支持多种寻址方式和丰富的指令集，使得开发者能够高效地进行数据处理和控制操作。
编程与开发环境：51单片机的编程灵活性是其另一大亮点。它支持汇编语言和C语言等多种编程语言，满足了不同层次开发者的需求。对于初学者而言，汇编语言能够让他们深入理解微控制器的底层工作原理；而对于经验丰富的工程师来说，C语言则提供了更高的开发效率和代码可读性。
在开发环境方面，Keil C51是最受欢迎的选择之一。Keil C51提供了强大的集成开发环境（IDE），包括代码编辑器、编译器、调试器和仿真器等功能，使得开发者能够在一个统一的平台上完成从代码编写到调试的全过程。此外，Keil C51还支持多种硬件调试工具，如JTAG调试器和SWD调试器，进一步提升了开发效率和调试精度。
扩展性与兼容性：51单片机的扩展性也是其受到广泛欢迎的原因之一。通过外部扩展电路，开发者可以轻松实现更多功能，如AD/DA转换、液晶显示驱动、电机控制等。此外，51单片机还具有良好的兼容性，这意味着开发者可以在不同的51单片机型号之间自由切换，而无需对代码进行重大修改。这种兼容性不仅降低了开发成本，还提高了系统的可移植性和灵活性。
应用场景与未来展望：51单片机在工业自动化、消费电子、智能仪表、通信设备等多个领域都有着广泛的应用。例如，在工业自动化领域，51单片机可以用于控制电机、传感器和执行器等设备；在消费电子领域，它则可以用于实现音频处理、视频显示和人机交互等功能。
展望未来，随着物联网、智能家居等新兴领域的快速发展，51单片机依然保持着旺盛的生命力。虽然近年来出现了许多性能更强大、功能更丰富的微控制器，但51单片机凭借其经典的设计、稳定的性能和广泛的用户基础，在嵌入式系统开发领域仍然占据着重要的地位。同时，随着技术的不断进步和创新，51单片机也在不断升级和完善，以适应新时代的需求和挑战。
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图4.3 STC单片机
方案三：STM32F103
STM32单片机是由意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的一款基于ARM Cortex-M内核的32位闪存微控制器。它集高性能、低功耗、丰富的外设接口和易于开发的特点于一身，成为众多应用领域的首选微控制器之一。
STM32单片机采用了ARM Cortex-M内核，这意味着它具有出色的处理性能和运行速度。无论是进行复杂的运算，还是处理高速的数据流，STM32都能游刃有余。此外，STM32系列单片机还配备了较大的Flash存储器和SRAM存储器，这为运行复杂的应用程序提供了充足的存储空间。
在功耗方面，STM32单片机采用了先进的低功耗技术，使得它能够在不降低性能的情况下降低功耗。这对于需要长时间运行或电池供电的设备来说尤为重要。通过配置不同的低功耗模式，如睡眠模式、停止模式和待机模式，STM32能够在满足性能需求的同时，最大限度地延长设备的电池寿命。
STM32单片机的外设接口非常丰富，包括多个定时器、计数器、PWM输出、ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）、通信接口等。这些外设接口使得STM32能够轻松应对各种不同的应用需求。例如，通过PWM输出，STM32可以精确控制电机的速度和方向；通过ADC，STM32可以采集模拟信号，并将其转换为数字信号进行处理；通过SPI、I2C、CAN、USART等通信接口，STM32可以与其他设备进行数据交换，实现设备间的互联和通信。
在开发方面，STM32单片机提供了丰富的软件和硬件工具，以帮助开发者快速开发嵌入式应用程序。STM32CubeIDE是一个集成开发环境（IDE），它包括了调试器和代码生成器，用于开发基于STM32的嵌入式系统。STM32CubeMX是一个图形化配置工具，可以帮助开发者快速生成初始化代码和配置文件。此外，STM32还提供了HAL（硬件抽象层）库，这是一组针对STM32系列微控制器的低级驱动程序，提供了一组可重用的API，以加速开发流程并提高代码重用性。
STM32单片机的应用领域非常广泛。在工业控制领域，STM32可以用于控制各类机器人、PLC（可编程逻辑控制器）、变频器、电机控制器等。在智能家居领域，STM32可以实现智能家居设备之间的联网和远程控制，如智能插座、智能灯泡、智能门锁等。在汽车电子领域，STM32具有CAN接口、以太网和USB OTG等高级功能，可以用于处理车载网络和多媒体数据，如汽车导航、音响、安全系统等。在医疗设备领域，STM32具有高精度ADC和DAC，可以用于医疗设备的控制和监测，如血压计、血糖仪、心电图仪等。此外，STM32还在航空航天、通信、消费电子等领域发挥着重要作用。
STM32单片机凭借其高性能、低功耗、丰富的外设接口和易于开发的特点，在嵌入式应用程序开发中占据了重要地位。无论是对于初学者还是经验丰富的开发者来说，STM32都提供了一个灵活、可靠且易于使用的解决方案。随着技术的不断发展，STM32单片机将会在更多的领域发挥更大的作用，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。
综上所述，STM32单片机是一款功能强大、易于使用且灵活可靠的微控制器。它的出现满足了市场对高性能、低功耗和丰富外设接口的需求，成为众多应用领域的首选解决方案。未来，随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，STM32单片机将会迎来更加广阔的发展前景。
图4.4 STM32F103C8T6
经过比对，STC89C51市场应用广泛，技术成熟，价格相对与其他8位单片机较低，所以采用STC89C51作为主控芯片。
4.2.2 温度传感器选型
方案一：DS18B20
DS18B20是单总线数字温感器，测温-55℃至125℃，小巧、低成本、抗干扰、高精度。单总线设计仅需一线通信，严格时序要求，驱动编程具挑战。读写时序与DS1820相似，温度位数随分辨率变，转换延时缩至750毫秒。
测温原理：低温晶振频率稳定，向计数器1发脉冲。高温晶振频率随温变，作计数器2脉冲输入。计数器1、温度寄存器-55℃预设基数值。计数器1减低温晶振脉冲，预置值减至0，温度寄存器值增1，重装预置值继续计数。至计数器2计数为0，温度寄存器值累加停。此时寄存器值即温度。斜率累加器补偿非线性误差，调整计数器1预置值，提高测温准确性。
字节01存温度值，字节23设报警值，软件实现。字节4配置寄存器，设转换精度912位。字节57保留。字节8 CRC校验位，64位ROM前56位编码校验码，CRC发生器产生。
温度寄存器16位，低8位、高8位组成。0~3位存小数部分，4~10位存整数部分，11~15位为符号位。全0正温，全1负温。位1存在，位0不存在。
图4.4 DS18B20
方案二：LM35
LM35 是一种常用的低功耗、低成本、高精度温度传感器，以输出电压的形式显示数值，而不是摄氏度。LM35 最重要的特点之一是仅从基电源中汲取 60uA 电流并获得低加热能力。LM35 显示出比热电偶更高的电压值，并且可能不需要放大输出电压。
LM35 的输出电压与摄氏温度成正比。最小和最大输入电压分别为 35V 和 -2V，通常为 5V。可测量 -55°C 至 150°C 的温度范围输出电压与温度成正比（线性）（即）温度每升高 1°C，就会升高 10mV (0.01V)。±0.5°C 精度，漏极电流小于 60 uA，低成本温度传感器，体积小，因此适合远程应用，提供 TO-92、TO-220、TO-CAN 和 SOIC 封装。LM35 规格中规定为每℃ +10 mV，这意味着 LM35 温度传感器 vout 引脚的输出每增加 10 mV，温度值就会增加 1。
例如，如果 LM35 温度传感器在 vout 引脚上输出 100 mV 电压，则以℃为单位的温度将为 10 ℃，负温度读数是相同的。如果 LM35 温度传感器输出 -100 mV，温度将为 -10 ℃。
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图4.5 LM35
方案三：DHT11
DHT11是集校准数字输出温湿度传感器，含8位单片机，控电阻感湿与NTC测温元件。虽用单总线协议，但与DS18B20协议有差异。比DS18B20多湿度检测，精度范围稍逊。温度0至50℃，误差±2℃；湿度20%至90%RH，误差±5%RH内。
DHT11电路设计简，DATA引脚连单片机I/O，5K电阻上拉。工作电压3至5.5V，上电等1秒稳定。电源引脚间可加100nF电容滤波。
DHT11单总线与单片机通信。单片机发复位信号，DHT11转高速模式。复位后发响应信号，准备数据传输。40位数据，高位先传，含湿度整数、小数（全0）、温度整数、小数（全0）及校验和。校验和确保数据准，DHT11收开始信号才采集，无复位不采集，完成后无新信号自动低速。
图4.6 DHT11
经过比对，LM35市场应用广泛，技术成熟，输出温度误差小，所以采用LM35作为温度传感器。
4.2.3 ADC模块选型
方案一：AD7190
ADC7190（通常也被称为AD7190）是一款由Analog Devices（安霸公司）生产的高性能、低功耗24位Σ-Δ（Sigma-Delta）型模数转换器（ADC）。这款ADC专为需要高精度测量的应用而设计，如工业称重模块、环境监测、医疗设备和自动化控制系统等。以下是对AD7190的详细介绍。
核心特性与优势：高分辨率：AD7190具备24位分辨率，能够提供极高的数据精度。在高精度数据采集应用中，如化学分析、精密称重或温度测量，分辨率的提高可以使得数据采集系统能够检测到更微小的变化，从而保证测量结果的精确性。
Σ-Δ调制技术：AD7190采用了Σ-Δ调制技术，这是一种高精度信号转换技术。Σ-Δ调制器通过过采样过程，将模拟信号转换成数字信号。其核心在于能够通过简单的模拟电路与数字滤波相结合，达到高分辨率和高信噪比的性能。这种技术使得AD7190在面对不同的信号源时，都能保持稳定的性能。
内置模拟滤波器：在AD7190中，内置的模拟滤波器用于在信号转换之前去除高频噪声，这对保证数据采集质量至关重要。模拟滤波器通过其频率响应来允许特定频率范围内的信号通过，同时抑制超出这个范围的频率成分。
低功耗设计：AD7190集成了多种节能技术，确保了在保证性能的同时，也兼顾了低功耗的特性。其典型工作电流仅为数百微安，这对于需要长期部署在偏远地区的监测设备尤为重要。此外，AD7190还具有多种省电工作模式，如待机模式，此时功耗大幅降低。
灵活接口：AD7190支持SPI和I²C接口，能够与多种微处理器和微控制器通信。这两种接口各有优劣，开发者可以根据实际应用场景和对速度的需求来选择合适的接口。
多通道能力：AD7190可配置为两路差分输入或四路伪差分输入，片内通道序列器可以使能多个通道，按顺序在各使能通道上执行转换，这可以简化与器件的通信。
应用领域：工业测量与控制系统：AD7190的高精度和低噪声特性使其成为工业测量和控制系统的理想选择。它可以用于监测温度、压力、湿度等环境参数，以及控制各种工业设备。
天平与称重系统：在称重系统中，AD7190能够实现高精度的重量测量。其高分辨率和稳定性保证了测量结果的准确性。
医疗设备：在医疗设备中，AD7190可以用于准确的信号检测。例如，在心电图仪、血压计等设备中，AD7190能够提供稳定且精确的数据输出。
智能传感器：AD7190的高性能和低功耗特性使其成为智能传感器的理想选择。它可以用于各种传感器的信号采集和处理，如温度传感器、压力传感器等。
开发环境与工具：对于AD7190的开发，Analog Devices提供了丰富的开发工具和软件支持。这些工具包括数据手册、应用笔记、评估板和驱动程序等。开发者可以利用这些工具快速熟悉AD7190的性能和特性，并进行系统设计和调试。
总结与展望：综上所述，AD7190是一款功能强大、精确可靠的ADC芯片。它的高性能、低功耗和灵活接口等特点使其在各种应用领域中都表现出色。随着物联网、智能家居等新兴领域的快速发展，AD7190将会迎来更加广阔的应用前景。未来，我们期待AD7190能够在更多领域发挥更大的作用，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。同时，我们也期待Analog Devices能够继续推出更多高性能的ADC产品，以满足不断变化的市场需求和技术挑战。
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图4.6 AD7190
方案二：LMP9008
LMP9008集成16位低功耗ADC，功能先进，包括背景校准、系统校准。低噪声PGA（1x至128x），开路/短路诊断。支持8种ODR，单周期设置。
2个励磁电流源（100µA至1000µA），灵活输入配置，4-DIFF/7-SE或2-DIFF/4-SE，7个GPIO。低偏置斩波稳定，SPI 4/3线通信，CRC错误检测。
ODR≤13.42 SPS时，50/60Hz抑制出色，通道独立选增益和ODR，自动通道定序器简化操作。VREF设置决定VIN范围，可选VREF1或VREF2（默认VREF1）。
注意：VREF2时，VIN6/7不可用。LMP9008灵活输入MUX，可配置4个差分或7个单端通道，通过编程CHx_INPUTCN寄存器配置。
增益方面，有固定增益放大器（FGA）和可编程增益放大器（PGA）。FGA固定增益16倍或旁路，PGA可编程1x、2x、4x、8x。总增益为两者乘积，1x至128x，连续背景校准。
增益设置特定于通道，通过编程CHx配置中的增益位完成。内置单位增益缓冲器，增益≥16时自动包含，<16时可通过编程决定是否包含。
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图4.6 LMP9008
方案三：ADC0832
ADC0832 ADC0832是美国半导体公司的8位、双通道A/D转换芯片，小巧、兼容性好、性价比高。
其8位分辨率，最高256级，满足模拟量转换需求。电源与参考电压复用，输入范围0~5V。
转换速度快，32微秒完成，双数据输出校验，降低误差。独立使能输入，多器件挂接便捷。
与单片机接口需4条数据线：CS、CLK、DO、DI。DO和DI可并联使用，节省资源。
未工作时，CS高电平禁用，CLK和DO/DI电平任意。转换时，CS低电平，处理器提供CLK脉冲。
DI输入通道选择信号，起始信号高电平，随后2位数据选通道。单通道或差分输入可选。
第3个脉冲后，DI失效，DO开始读取数据。第4个脉冲起，DO依次输出数据位至第19个脉冲。
转换结束，CS置高禁用芯片，处理数据。单通道输入0~5V，精度19.53mV。IN+-输入时，注意电压顺序。
IN-电压大于IN+，转换结果始终00H，需注意避免。
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图4.7 ADC0832
经过比对，ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。所以选用ADC0832作为转换模块。
4.2.4显示模块的选型
方案一：OLED
OLED，又称有机电激光显示，是电流驱动的有机发光元件。其发光基于载流子注入复合，强度与电流成正比。
电场作用下，OLED阳极生空穴，阴极生电子，载流子向传输层移，终在发光层遇。遇后形成激子，激发分子发光。
OLED构造复杂，含基板、阴阳极、空穴电子注入层、传输层、阻挡层，及发光层。基板支撑器件，功能层蒸镀其上。
玻璃常用作基板，柔性OLED则用塑料等。阳极连驱动电压正极，驱空穴移向发光层，需透光材料，常用ITO。
空穴注入层修饰阳极，促空穴注入传输层；传输层输送空穴至发光层。电子阻挡层在发光层界面，挡阴极电子。
发光层是电子空穴结合发光的关键。空穴阻挡层挡阳极空穴，提电子空穴结合概率，增发光效率。
电子传输层传电子至发光层，电子注入层修饰阴极，促电子注入传输层。阴极电子在电压下向发光层移，与空穴结合发光。
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图4.7 OLED
方案二：LM016L
LM016L液晶含HD44780控制器，指令集简洁全面，实现动态效果。与MCU通信有8位/4位并行模式。
HD44780含指令寄存器IR、数据寄存器DR、忙标志BF、DDRAM、CGROM、CGRAM、地址计数器AC。
IR存指令码，仅写操作；DR存数据，自动写入DDRAM/CGRAM或临时存储读取数据。BF=1时，不响应外部操作。
DDRAM存显示字符信息，容量80字符码。CGROM生160种5×7点阵、32种5×10点阵字符。CGRAM存自定义字符，64字节，8个5×7或4个5×10点阵。
AC存DDRAM/CGRAM地址，指令写入IR时，自动装地址码，选DDRAM/CGRAM单元。
HD44780发控制指令驱动LM016L。指令包括清除显示、地址归位、输入模式设定、显示开关、功能设定等。
LM016L即1602LCD，每行显16字符，两行显示。起始地址：第一行0x00，第二行0x40。写入内容需定位光标，指令0x80+地址。写入后AC自增1。初始化可设光标自动右移。
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图4.7 LM016L
经过比对，LM016L 使用简单，成本低，所以选用LM016L。
第五章 系统实现
5.1硬件电路
图5.1 220AC转5VDC
220VAC通过变压器进行降压到AC15V左右，经过整流桥，变换为直流电，经过7805稳压芯片，降压位5VDC,位其他模块供电。
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图5.1 LM35的温度读取短路
LM35将读取的温度模拟量，通过ADC0832进行ADC转换，通过SPI协议传给单片机。
图5.2 LCD电路
LCD用来显示温度值。
5.2 程序编写
ADC0832的转换算法程序：
/*****************************************
函数简介：获取ADC0832数据
函数名称：ADC_read_data(bit channel)
参数说明：ch为入口参数，ch=0选择通道0，ch=1选择通道1
函数返回：返回读取到的二进制ADC数据，格式为unsigned char
当返回一直0时，转换数据有误
******************************************/
uchar ADC_read_data(bit channel)
{
uchar i,dat0=0,dat1=0;
//第1次下降沿之前di置高，启动信号
cs=0; //片选信号置低，启动AD转换芯片
clk=0; //时钟置低平
dio=1; //开始信号为高电平
Delay_2us();
clk=1; //产生一个正脉冲,在时钟上升沿，输入开始信号（DI=1）
Delay_2us();
clk=0; //第1个时钟下降沿
dio=1;
Delay_2us();
clk=1; // 第2个下降沿输入DI=1，表示双通道单极性输入
Delay_2us();
//在第2个下降沿，模拟信号输入模式选择（1：单模信号，0：双模差分信号）
clk=0;
dio=channel; // 第3个下降沿,设置DI，选择通道;
Delay_2us();
clk=1;
Delay_2us();
// 在第3个下降沿，模拟信号输入通道选择（1：通道CH1，0：通道CH0）
clk=0;
dio=1; //第四个下降沿之前，DI置高，准备接收数
Delay_2us();
for(i=0;i<8;i++) //第4~11共8个下降沿读数据（MSB->LSB）
{
clk=1;
Delay_2us();
clk=0;
Delay_2us();
dat0=dat0<<1|dio;
}
for(i=0;i<8;i++) //第11~18共8个下降沿读数据（LSB->MSB）
{
dat1=dat1|((uchar)(dio)<<i);
clk=1;
Delay_2us();
clk=0;
Delay_2us();
}
cs=1;
return (dat0==dat1)?dat0:0; //判断dat0与dat1是否相等
}
第六章 性能测试与分析
图6.1 供电模块测试正常
7805属于常用的线性三端稳压器，输入电压范围不大于35V，输入输出压差2V，最大输出电流1.5A，上图为原理图，其原理简单，使用方便，深受很多用户的喜爱。但是其不足之处就是效率低，特别是压差越大时其效率越低。比如图6.1这里12V转5V的效率为 5V/12V≈41.7%。
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图6.2 温度读取测试正常
LM35属于常用的温度传感器器，LM35 规格中规定为每℃ +10 mV，这意味着 LM35 温度传感器 vout 引脚的输出每增加 10 mV，温度值就会增加 1。上图为原理图，将LM35设置到74摄氏度，经过ADC0832把电压模拟信号转换为数字信号，最后经过LM016L显示，此时LM016L也为74摄氏度。
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图6.3 温度单位转换测试正常
上图将74摄氏温度转换为165华氏温度，温度换算正常。
致 谢
此外，我必须特别感谢我的父母，他们始终是我坚强的后盾，用无尽的爱与支持为我撑起一片天空，让我内心的天平永远倾向于不懈奋斗。他们的付出让我深刻认识到，在这个竞争激烈的社会中，唯有凭借真才实学和吃苦耐劳的精神，方能站稳脚跟，赢得生存与发展。
我将铭记“活到老，学到老”的人生信条，紧跟时代的步伐，以满怀激情与斗志的姿态，踏上新的征程，迎接新的挑战。让我们以科学知识为武器，以高科技技术为画笔，共同描绘对未来的美好憧憬与无限期盼。再次向所有帮助过我的老师、同学表达我最诚挚的谢意。
参考文献
[1] 曹宇,魏丰,胡士毅.用51单片机控制RTL8019AS实现以太网通讯[J].电子技术应用, 2003, 29(1):3.DOI:10.3969/j.issn.0258-7998.2003.01.006.
[2] 张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社,1990.
[3] 张旭,亓学广,李世光,等.基于STM32电力数据采集系统的设计[J].电子测量技术, 2010(11):4.DOI:10.3969/j.issn.1002-7300.2010.11.024.
[4] 张涛,左谨平,马华玲.FatFs在32位微控制器STM32上的移植[J].电子技术（上海）, 2010(3):3.DOI:10.3969/j.issn.1000-0755.2010.03.011.
[5] 沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用[M].机械工业出版社,2002.
毕业设计（论文）
| 题 目 | |
| 学生姓名 | |
| 学 号 | |
| 院（部） | |
| 专 业 | |
| 指导教师 | |
| 时 间 | 年 月 日 |
摘 要
全球经济的蓬勃发展带来了嵌入式的巨大变革和创新，新的嵌入式产品观点不断产生，迅速刷新着家庭与工业传统的嵌入式观念。改革开放以来，我国社会经济的发展和工业水平得到了很大的提高，优越的温度传感器已成为工业的重要内容。工厂、农业、智能家居迫切需要一个能充分利用单片机优势，并可以检测环境温度的传感器，利用这个传感器使得温度检测更简单。
温度传感器采用keil作为开发工具，采用Proteus进行电路仿真。主要包含了单片机模块、温度传感器模块、LCD模块、ADC模块、温度转化按钮模块。用户能够通过这些模块所提供的功能，完成温度读取及显示，满足工业或个人需求。
关键词：温度传感器；ADC；LCD；单片机；电路
ABSTRACT
The booming global economy has brought about tremendous changes and innovations in embedded, and new ideas for embedded products are constantly being generated, rapidly refreshing the traditional embedded concept of home and industry. Since the reform and opening up, China's social and economic development and industrial level have been greatly improved, and superior temperature sensors have become an important part of the industry. Factories, agriculture, and smart homes urgently need a sensor that can make full use of the advantages of microcontrollers and can detect the ambient temperature, and use this sensor to make temperature detection easier.
The temperature sensor uses keil as the development tool and Proteus for circuit simulation. It mainly includes a single-chip microcomputer module, a temperature sensor module, an LCD module, an ADC module, and a temperature conversion button module. These modules provide the ability to read and display temperatures for industrial or personal needs.
Key words: temperature sensors; ADC； LCD； single-chip microcomputer; circuit
目 录
毕业设计（论文）.................................................................................................................................. 1
摘 要.............................................................................................................................................................. I
ABSTRACT.................................................................................................................................................. II
目 录........................................................................................................................................................... III
第一章 引 言............................................................................................................................................. 1
1.1 问题的提出........................................................................................................................................ 1
1.2 课题简介............................................................................................................................................ 1
第二章 研究现状及设计目标...................................................................................................................... 2
2.1 课题国内外研究现状......................................................................................................................... 2
2.1.1课题国内研究现状........................................................................................................................... 2
2.1.2课题国外研究现状........................................................................................................................... 2
2.2 设计的目标.......................................................................................................................................... 2
第三章 系统总体设计................................................................................................................................ 4
3.1 系统需求分析..................................................................................................................................... 4
3.2 数据流程图.......................................................................................................................................... 4
3.3 系统总体设计...................................................................................................................................... 5
第四章 系统详细设计.................................................................................................................................. 6
4.1 概要设计.............................................................................................................................................. 6
4.2 元器件选型.......................................................................................................................................... 6
4.2.1单片机的选型................................................................................................................................... 6
4.2.2 温度传感器选型............................................................................................................................. 8
4.2.3 ADC模块选型............................................................................................................................. 10
4.2.4显示模块的选型............................................................................................................................. 12
第五章 系统实现........................................................................................................................................ 14
5.1硬件电路............................................................................................................................................ 14
第六章 性能测试与分析............................................................................................................................ 17
致 谢........................................................................................................................................................... 18
参考文献....................................................................................................................................................... 19
第一章 引 言
随着科学的技术的迅速提高,嵌入式开发越来越成熟,温度传感器的超速发展，嵌入式中强大的功能已为人们深刻认识，并且进入人类社会的各个领域并发挥着越来越重要的作用。
作为嵌入式领域的一部分,使用传感器对温度进行读取,有着手工检测所无法比拟的优点，如: 迅速检测、高可靠性、高灵敏度、保密性好、寿命长、成本低等。这些优点能够极大地提高温度检测的效率,也是检测温度的科学化、正规化管理,与先进科学技术接轨的重要条件。
温度传感器是一款实用、时尚、高效的温度检测，主要特性有：温度读取；AD转换；LCD显示。
1.1 问题的提出
当前社会上许多工厂都存在着这样的问题：有没有一款价格合适，能够检测温度的温度传感器。
1.2 课题简介
温度检测系统是工业或者个人的不可缺少的一个温度检测系统,它的内容对于工厂的管理者来说是至关重要的,所以温度检测系统应该能够为每一个工厂的管理者提供充足的信息和快捷的查询手段，大大的方便工厂的温度读取。
随着科学技术的不断提高, 嵌入式开发日渐成熟, 嵌入式领域的迅速发展，嵌入式强大的功能已为人们深刻认识, 嵌入式已进入人类社会的各个领域并发挥着越来越重要的作用。作为嵌入式开发的一部分,使用温度传感器对温度进行检测,具有着手工管理所无法比拟的优点。这些优点能够极大地提高温度提取的效率,也是温度读取的科学化、正规化管理,与先进科学技术接轨的重要条件。
第二章 研究现状及设计目标
2.1 课题国内外研究现状
2.1.1课题国内研究现状
由于随着需求的增加，市面上的温度传感器种类繁多。其中一部分性能优秀，通常供条件较好的工厂使用，但价格较高，对一般工厂而言是一项不小的投资。由于时间紧迫和技术水平的限制，我的毕业设计虽然在功能上无法与这些高端产品相比，但基本的温度提取功能已经实现，且成本较低，这对于一般工厂来说是个好消息，期待本系统能满足他们的需求。
2.1.2课题国外研究现状
目前，温度传感器市场主要由霍尼韦尔（美国）、TE Connectivity（瑞士）、德州仪器（美国）、Endress + Hauser（瑞士）和西门子（德国）主导。这些公司在行业竞争中采取了包括产品研发、市场扩展、合作伙伴关系和并购等主要策略。其他参与者如德威尔仪器（美国）、美信集成（美国）、威卡仪器（德国）、安费诺（美国）和艾默生（美国）也运用产品开发、并购、扩展和合作等策略，以在温度传感器市场中实现增长。
2.2 设计的目标
本系统的设计目标是通过调查、分析、编程、调试等过程来实现基于STC89C51的温度读取的设计。
本系统包括温度传感器、ADC、LCD、STC89C51、温度转换五个模块。程序采用keil实现，电路仿真采用Proteus。
要求熟悉编程环境IDE与编程特点，对keil MDK有较深的认识。要求能做到友好的界面，功能明确，易于操作。各种数据的相关信息能方便查阅并直观反映。
具体功能模块要求：
（1）使用51单片机作为控制核心。
（2）集成温度传感器，用于获取环境温度数据。
（3）考虑适当的电源电路，确保传感器和单片机的稳定供电。
（4）设计合适的显示模块，如数码管、LCD等，用于显示温度数据。
（5）编写驱动程序，读取温度传感器的数据。
（6）实现温度数据的转换算法，将传感器输出的模拟信号转换为实际温度值。
（7）设计温度显示界面，将温度数据显示在数码管或 LCD上。
（8）考虑实现温度单位的切换，如摄氏度和华氏度。
（9）对设计的硬件和软件进行全面的测试，确保温度感应器的准确性和稳定性。
第三章 系统总体设计
3.1 系统需求分析
可行性研究旨在以最小成本和最快速度判断问题是否具备解决方案。其核心在于执行一个高度精简的系统分析与设计流程，即在较高抽象层面和概括角度上进行的系统探索与规划。最终，可行性研究的核心使命是为后续的行动策略提供科学合理的建议。市场上已有多种温度传感器技术（如热电阻、热电偶、红外传感器等），各自有不同的优缺点。LM35能够满足具体应用的精度、响应时间和测量范围需求，并且生产和采购成本，包括材料、制造工艺和设备投资低。LM35可以在特定环境下可靠工作（如高温、低温、潮湿等），其耐受条件需符合预期使用场景。符合相关行业标准和法规要求，确保产品可以在目标市场合法使用。通过以上分析，可以判断温度传感器的项目是否具备实施的可行性。
3.2 数据流程图
数据流程图是一种描述系统数据运转流程的主要工具，它用一组符号来描述整个系统中数据信息的全貌，综合地反映出信息在系统中的数据、处理流动、和数据存储情况。数据流程图的作用包括：
（1）方便系统分析员在调查业务时候，与用户交换思维的实用工具。
（2）将数据流清晰的表现出来，让数据信息更加形象具体。
（3）能够很方便地为读者阐述整个过程，包含功能、数据与之的联系。
（4）刻画数据流从输入到输出的信息移动和信息变换过程，清晰地反映系统需要完成的逻辑功能。
（5）作为交流数据信息的工具，以及数据信息分析和设计的工具。
图3.1 数据流程图
3.3 系统总体设计
第四章 系统详细设计
4.1 概要设计
由上述需求分析可知本系统中实现的“温度传感器”主要包括单片机模块、ADC模块、LCD模块、温度传感器模块。其中单片机模块使用的STC89C51、ADC模块使用的ADC0832、LCD模块使用的LM016L、温度传感器模块使用的LM35。
功能: 使用51单片机作为控制核心，集成LM35温度传感器，用于获取环境温度数据，设计适当的电源电路，确保传感器和单片机的稳定供电，使用LM06L用于显示温度数据，可以实现温度单位的切换，如摄氏度和华氏度。根据上述的系统功能，可得出系统功能模块图：
图4.1 系统功能模块图
4.2 元器件选型
4.2.1单片机的选型
方案一：PIC单片机
PIC单片机，作为美国微芯公司（Microchip）的明星产品，自其诞生以来，便以其独特的优势在单片机市场中占据了举足轻重的地位。以下是对PIC单片机的详细介绍。
起源与背景：PIC单片机最初的设计是支持PDP（编程数据处理器）计算机，后逐渐发展成为一种广泛应用于各种领域的8位单片机。它基于RISC（精简指令集计算机）系统结构，具有高效的指令执行能力和快速的响应速度。微芯公司自1989年（注：有说法为1987年，但具体年份可能因产品迭代和资料更新而有所差异）推出PIC单片机以来，一直致力于其性能的提升和功能的完善，以满足不同领域的应用需求。
核心特性：低功耗：PIC单片机采用低功耗设计，能够在低电压下工作，节省能源，延长电池寿命。这使得它在需要长时间运行或电池供电的设备中表现出色。
高性能：由于采用了RISC架构，PIC单片机具有快速的反应和高效的计算能力。其指令集精简且执行速度快，能够满足高性能应用的需求。
易于编程：PIC单片机支持多种编程语言，如C、C++、Pascal等，并具有简单、直观的编程界面。同时，微芯公司提供了丰富的开发工具和软件支持，如MPLAB X IDE、C30编译器等，使得开发者能够更轻松地进行程序开发。
丰富的外设接口：PIC单片机内置了多种外设接口，如定时器、计数器、A/D转换器、PWM模块等。这些外设接口的集成大大简化了系统设计，提高了开发效率。
高可靠性：PIC单片机采用了先进的生产工艺和严格的质量控制标准，确保了其高可靠性和稳定性。这使得它在各种恶劣环境下仍能正常工作，满足各种应用需求。
应用领域：PIC单片机广泛应用于各种电子设备中，包括汽车、工业控制、医疗器械和消费电子产品等。在汽车领域，PIC单片机可以用于发动机控制系统、轮胎压力监测系统、车载音响系统等。在工业控制领域，它可用于温度控制、电机控制、空气调节器等方面。在医疗器械中，PIC单片机可用于数据采集、处理和显示，如心电图仪、血压计等。在消费电子领域，它则可用于智能家居控制系统、智能手环等设备的控制和自动化功能实现。
开发环境与工具：对于PIC单片机的开发，微芯公司提供了完善的开发环境和工具支持。MPLAB X IDE是一个集成开发环境，它包括了代码编辑器、编译器、调试器和仿真器等功能，使得开发者能够在一个统一的平台上完成从代码编写到调试的全过程。此外，微芯公司还提供了丰富的硬件调试工具，如JTAG调试器、ICSP（在系统可编程）接口等，进一步提升了开发效率和调试精度。
总结与展望：综上所述，PIC单片机以其低功耗、高性能、易于编程、丰富的外设接口和高可靠性等特点，在单片机市场中占据了重要地位。随着物联网、智能家居等新兴领域的快速发展，PIC单片机将会迎来更加广阔的应用前景。未来，微芯公司将继续致力于PIC单片机的性能提升和功能完善，以满足不断变化的市场需求和技术挑战。同时，开发者也应不断学习和掌握新的开发技术和工具，以更好地利用PIC单片机的优势，实现更多创新的应用。
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图4.2 PIC单片机
方案二：STC89C51
5151单片机，作为嵌入式系统领域的一颗璀璨明珠，自上世纪80年代初由Intel公司推出以来，便以其卓越的性能、高度的集成度、灵活的配置选项以及广泛的应用场景，赢得了全球电子工程师和开发者的青睐。51单片机，正式名称为8051微控制器，是嵌入式系统设计中的经典之作，至今仍在工业自动化、消费电子、智能仪表、通信设备等多个领域发挥着不可替代的作用。
起源与核心特性：51单片机的起源可以追溯到Intel的8051微控制器，这款微控制器采用了CISC（复杂指令集计算机）架构，内置了一个8位的CPU，运行频率可达12MHz（在后续的产品中，这一速度得到了显著提升）。其核心特性包括：
丰富的外设资源：51单片机内置了多个定时器/计数器、串行通信接口（如UART）、中断系统等关键外设，这些外设的集成大大简化了系统设计，提高了开发效率。
灵活的内存配置：根据不同型号和应用需求，51单片机内部集成的ROM（只读存储器）和RAM（随机存取存储器）容量有所不同，部分高端型号还提供了EEPROM（电可擦可编程只读存储器）等非易失性存储选项，为数据存储和程序执行提供了充足的空间。
强大的指令集：51单片机支持多种寻址方式和丰富的指令集，使得开发者能够高效地进行数据处理和控制操作。
编程与开发环境：51单片机的编程灵活性是其另一大亮点。它支持汇编语言和C语言等多种编程语言，满足了不同层次开发者的需求。对于初学者而言，汇编语言能够让他们深入理解微控制器的底层工作原理；而对于经验丰富的工程师来说，C语言则提供了更高的开发效率和代码可读性。
在开发环境方面，Keil C51是最受欢迎的选择之一。Keil C51提供了强大的集成开发环境（IDE），包括代码编辑器、编译器、调试器和仿真器等功能，使得开发者能够在一个统一的平台上完成从代码编写到调试的全过程。此外，Keil C51还支持多种硬件调试工具，如JTAG调试器和SWD调试器，进一步提升了开发效率和调试精度。
扩展性与兼容性：51单片机的扩展性也是其受到广泛欢迎的原因之一。通过外部扩展电路，开发者可以轻松实现更多功能，如AD/DA转换、液晶显示驱动、电机控制等。此外，51单片机还具有良好的兼容性，这意味着开发者可以在不同的51单片机型号之间自由切换，而无需对代码进行重大修改。这种兼容性不仅降低了开发成本，还提高了系统的可移植性和灵活性。
应用场景与未来展望：51单片机在工业自动化、消费电子、智能仪表、通信设备等多个领域都有着广泛的应用。例如，在工业自动化领域，51单片机可以用于控制电机、传感器和执行器等设备；在消费电子领域，它则可以用于实现音频处理、视频显示和人机交互等功能。
展望未来，随着物联网、智能家居等新兴领域的快速发展，51单片机依然保持着旺盛的生命力。虽然近年来出现了许多性能更强大、功能更丰富的微控制器，但51单片机凭借其经典的设计、稳定的性能和广泛的用户基础，在嵌入式系统开发领域仍然占据着重要的地位。同时，随着技术的不断进步和创新，51单片机也在不断升级和完善，以适应新时代的需求和挑战。
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图4.3 STC单片机
方案三：STM32F103
STM32单片机是由意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的一款基于ARM Cortex-M内核的32位闪存微控制器。它集高性能、低功耗、丰富的外设接口和易于开发的特点于一身，成为众多应用领域的首选微控制器之一。
STM32单片机采用了ARM Cortex-M内核，这意味着它具有出色的处理性能和运行速度。无论是进行复杂的运算，还是处理高速的数据流，STM32都能游刃有余。此外，STM32系列单片机还配备了较大的Flash存储器和SRAM存储器，这为运行复杂的应用程序提供了充足的存储空间。
在功耗方面，STM32单片机采用了先进的低功耗技术，使得它能够在不降低性能的情况下降低功耗。这对于需要长时间运行或电池供电的设备来说尤为重要。通过配置不同的低功耗模式，如睡眠模式、停止模式和待机模式，STM32能够在满足性能需求的同时，最大限度地延长设备的电池寿命。
STM32单片机的外设接口非常丰富，包括多个定时器、计数器、PWM输出、ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）、通信接口等。这些外设接口使得STM32能够轻松应对各种不同的应用需求。例如，通过PWM输出，STM32可以精确控制电机的速度和方向；通过ADC，STM32可以采集模拟信号，并将其转换为数字信号进行处理；通过SPI、I2C、CAN、USART等通信接口，STM32可以与其他设备进行数据交换，实现设备间的互联和通信。
在开发方面，STM32单片机提供了丰富的软件和硬件工具，以帮助开发者快速开发嵌入式应用程序。STM32CubeIDE是一个集成开发环境（IDE），它包括了调试器和代码生成器，用于开发基于STM32的嵌入式系统。STM32CubeMX是一个图形化配置工具，可以帮助开发者快速生成初始化代码和配置文件。此外，STM32还提供了HAL（硬件抽象层）库，这是一组针对STM32系列微控制器的低级驱动程序，提供了一组可重用的API，以加速开发流程并提高代码重用性。
STM32单片机的应用领域非常广泛。在工业控制领域，STM32可以用于控制各类机器人、PLC（可编程逻辑控制器）、变频器、电机控制器等。在智能家居领域，STM32可以实现智能家居设备之间的联网和远程控制，如智能插座、智能灯泡、智能门锁等。在汽车电子领域，STM32具有CAN接口、以太网和USB OTG等高级功能，可以用于处理车载网络和多媒体数据，如汽车导航、音响、安全系统等。在医疗设备领域，STM32具有高精度ADC和DAC，可以用于医疗设备的控制和监测，如血压计、血糖仪、心电图仪等。此外，STM32还在航空航天、通信、消费电子等领域发挥着重要作用。
STM32单片机凭借其高性能、低功耗、丰富的外设接口和易于开发的特点，在嵌入式应用程序开发中占据了重要地位。无论是对于初学者还是经验丰富的开发者来说，STM32都提供了一个灵活、可靠且易于使用的解决方案。随着技术的不断发展，STM32单片机将会在更多的领域发挥更大的作用，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。
综上所述，STM32单片机是一款功能强大、易于使用且灵活可靠的微控制器。它的出现满足了市场对高性能、低功耗和丰富外设接口的需求，成为众多应用领域的首选解决方案。未来，随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，STM32单片机将会迎来更加广阔的发展前景。
图4.4 STM32F103C8T6
经过比对，STC89C51市场应用广泛，技术成熟，价格相对与其他8位单片机较低，所以采用STC89C51作为主控芯片。
4.2.2 温度传感器选型
方案一：DS18B20
DS18B20是单总线数字温感器，测温-55℃至125℃，小巧、低成本、抗干扰、高精度。单总线设计仅需一线通信，严格时序要求，驱动编程具挑战。读写时序与DS1820相似，温度位数随分辨率变，转换延时缩至750毫秒。
测温原理：低温晶振频率稳定，向计数器1发脉冲。高温晶振频率随温变，作计数器2脉冲输入。计数器1、温度寄存器-55℃预设基数值。计数器1减低温晶振脉冲，预置值减至0，温度寄存器值增1，重装预置值继续计数。至计数器2计数为0，温度寄存器值累加停。此时寄存器值即温度。斜率累加器补偿非线性误差，调整计数器1预置值，提高测温准确性。
字节01存温度值，字节23设报警值，软件实现。字节4配置寄存器，设转换精度912位。字节57保留。字节8 CRC校验位，64位ROM前56位编码校验码，CRC发生器产生。
温度寄存器16位，低8位、高8位组成。0~3位存小数部分，4~10位存整数部分，11~15位为符号位。全0正温，全1负温。位1存在，位0不存在。
图4.4 DS18B20
方案二：LM35
LM35 是一种常用的低功耗、低成本、高精度温度传感器，以输出电压的形式显示数值，而不是摄氏度。LM35 最重要的特点之一是仅从基电源中汲取 60uA 电流并获得低加热能力。LM35 显示出比热电偶更高的电压值，并且可能不需要放大输出电压。
LM35 的输出电压与摄氏温度成正比。最小和最大输入电压分别为 35V 和 -2V，通常为 5V。可测量 -55°C 至 150°C 的温度范围输出电压与温度成正比（线性）（即）温度每升高 1°C，就会升高 10mV (0.01V)。±0.5°C 精度，漏极电流小于 60 uA，低成本温度传感器，体积小，因此适合远程应用，提供 TO-92、TO-220、TO-CAN 和 SOIC 封装。LM35 规格中规定为每℃ +10 mV，这意味着 LM35 温度传感器 vout 引脚的输出每增加 10 mV，温度值就会增加 1。
例如，如果 LM35 温度传感器在 vout 引脚上输出 100 mV 电压，则以℃为单位的温度将为 10 ℃，负温度读数是相同的。如果 LM35 温度传感器输出 -100 mV，温度将为 -10 ℃。
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图4.5 LM35
方案三：DHT11
DHT11是集校准数字输出温湿度传感器，含8位单片机，控电阻感湿与NTC测温元件。虽用单总线协议，但与DS18B20协议有差异。比DS18B20多湿度检测，精度范围稍逊。温度0至50℃，误差±2℃；湿度20%至90%RH，误差±5%RH内。
DHT11电路设计简，DATA引脚连单片机I/O，5K电阻上拉。工作电压3至5.5V，上电等1秒稳定。电源引脚间可加100nF电容滤波。
DHT11单总线与单片机通信。单片机发复位信号，DHT11转高速模式。复位后发响应信号，准备数据传输。40位数据，高位先传，含湿度整数、小数（全0）、温度整数、小数（全0）及校验和。校验和确保数据准，DHT11收开始信号才采集，无复位不采集，完成后无新信号自动低速。
图4.6 DHT11
经过比对，LM35市场应用广泛，技术成熟，输出温度误差小，所以采用LM35作为温度传感器。
4.2.3 ADC模块选型
方案一：AD7190
ADC7190（通常也被称为AD7190）是一款由Analog Devices（安霸公司）生产的高性能、低功耗24位Σ-Δ（Sigma-Delta）型模数转换器（ADC）。这款ADC专为需要高精度测量的应用而设计，如工业称重模块、环境监测、医疗设备和自动化控制系统等。以下是对AD7190的详细介绍。
核心特性与优势：高分辨率：AD7190具备24位分辨率，能够提供极高的数据精度。在高精度数据采集应用中，如化学分析、精密称重或温度测量，分辨率的提高可以使得数据采集系统能够检测到更微小的变化，从而保证测量结果的精确性。
Σ-Δ调制技术：AD7190采用了Σ-Δ调制技术，这是一种高精度信号转换技术。Σ-Δ调制器通过过采样过程，将模拟信号转换成数字信号。其核心在于能够通过简单的模拟电路与数字滤波相结合，达到高分辨率和高信噪比的性能。这种技术使得AD7190在面对不同的信号源时，都能保持稳定的性能。
内置模拟滤波器：在AD7190中，内置的模拟滤波器用于在信号转换之前去除高频噪声，这对保证数据采集质量至关重要。模拟滤波器通过其频率响应来允许特定频率范围内的信号通过，同时抑制超出这个范围的频率成分。
低功耗设计：AD7190集成了多种节能技术，确保了在保证性能的同时，也兼顾了低功耗的特性。其典型工作电流仅为数百微安，这对于需要长期部署在偏远地区的监测设备尤为重要。此外，AD7190还具有多种省电工作模式，如待机模式，此时功耗大幅降低。
灵活接口：AD7190支持SPI和I²C接口，能够与多种微处理器和微控制器通信。这两种接口各有优劣，开发者可以根据实际应用场景和对速度的需求来选择合适的接口。
多通道能力：AD7190可配置为两路差分输入或四路伪差分输入，片内通道序列器可以使能多个通道，按顺序在各使能通道上执行转换，这可以简化与器件的通信。
应用领域：工业测量与控制系统：AD7190的高精度和低噪声特性使其成为工业测量和控制系统的理想选择。它可以用于监测温度、压力、湿度等环境参数，以及控制各种工业设备。
天平与称重系统：在称重系统中，AD7190能够实现高精度的重量测量。其高分辨率和稳定性保证了测量结果的准确性。
医疗设备：在医疗设备中，AD7190可以用于准确的信号检测。例如，在心电图仪、血压计等设备中，AD7190能够提供稳定且精确的数据输出。
智能传感器：AD7190的高性能和低功耗特性使其成为智能传感器的理想选择。它可以用于各种传感器的信号采集和处理，如温度传感器、压力传感器等。
开发环境与工具：对于AD7190的开发，Analog Devices提供了丰富的开发工具和软件支持。这些工具包括数据手册、应用笔记、评估板和驱动程序等。开发者可以利用这些工具快速熟悉AD7190的性能和特性，并进行系统设计和调试。
总结与展望：综上所述，AD7190是一款功能强大、精确可靠的ADC芯片。它的高性能、低功耗和灵活接口等特点使其在各种应用领域中都表现出色。随着物联网、智能家居等新兴领域的快速发展，AD7190将会迎来更加广阔的应用前景。未来，我们期待AD7190能够在更多领域发挥更大的作用，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。同时，我们也期待Analog Devices能够继续推出更多高性能的ADC产品，以满足不断变化的市场需求和技术挑战。
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图4.6 AD7190
方案二：LMP9008
LMP9008集成16位低功耗ADC，功能先进，包括背景校准、系统校准。低噪声PGA（1x至128x），开路/短路诊断。支持8种ODR，单周期设置。
2个励磁电流源（100µA至1000µA），灵活输入配置，4-DIFF/7-SE或2-DIFF/4-SE，7个GPIO。低偏置斩波稳定，SPI 4/3线通信，CRC错误检测。
ODR≤13.42 SPS时，50/60Hz抑制出色，通道独立选增益和ODR，自动通道定序器简化操作。VREF设置决定VIN范围，可选VREF1或VREF2（默认VREF1）。
注意：VREF2时，VIN6/7不可用。LMP9008灵活输入MUX，可配置4个差分或7个单端通道，通过编程CHx_INPUTCN寄存器配置。
增益方面，有固定增益放大器（FGA）和可编程增益放大器（PGA）。FGA固定增益16倍或旁路，PGA可编程1x、2x、4x、8x。总增益为两者乘积，1x至128x，连续背景校准。
增益设置特定于通道，通过编程CHx配置中的增益位完成。内置单位增益缓冲器，增益≥16时自动包含，<16时可通过编程决定是否包含。
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图4.6 LMP9008
方案三：ADC0832
ADC0832 ADC0832是美国半导体公司的8位、双通道A/D转换芯片，小巧、兼容性好、性价比高。
其8位分辨率，最高256级，满足模拟量转换需求。电源与参考电压复用，输入范围0~5V。
转换速度快，32微秒完成，双数据输出校验，降低误差。独立使能输入，多器件挂接便捷。
与单片机接口需4条数据线：CS、CLK、DO、DI。DO和DI可并联使用，节省资源。
未工作时，CS高电平禁用，CLK和DO/DI电平任意。转换时，CS低电平，处理器提供CLK脉冲。
DI输入通道选择信号，起始信号高电平，随后2位数据选通道。单通道或差分输入可选。
第3个脉冲后，DI失效，DO开始读取数据。第4个脉冲起，DO依次输出数据位至第19个脉冲。
转换结束，CS置高禁用芯片，处理数据。单通道输入0~5V，精度19.53mV。IN+-输入时，注意电压顺序。
IN-电压大于IN+，转换结果始终00H，需注意避免。
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图4.7 ADC0832
经过比对，ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。所以选用ADC0832作为转换模块。
4.2.4显示模块的选型
方案一：OLED
OLED，又称有机电激光显示，是电流驱动的有机发光元件。其发光基于载流子注入复合，强度与电流成正比。
电场作用下，OLED阳极生空穴，阴极生电子，载流子向传输层移，终在发光层遇。遇后形成激子，激发分子发光。
OLED构造复杂，含基板、阴阳极、空穴电子注入层、传输层、阻挡层，及发光层。基板支撑器件，功能层蒸镀其上。
玻璃常用作基板，柔性OLED则用塑料等。阳极连驱动电压正极，驱空穴移向发光层，需透光材料，常用ITO。
空穴注入层修饰阳极，促空穴注入传输层；传输层输送空穴至发光层。电子阻挡层在发光层界面，挡阴极电子。
发光层是电子空穴结合发光的关键。空穴阻挡层挡阳极空穴，提电子空穴结合概率，增发光效率。
电子传输层传电子至发光层，电子注入层修饰阴极，促电子注入传输层。阴极电子在电压下向发光层移，与空穴结合发光。
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图4.7 OLED
方案二：LM016L
LM016L液晶含HD44780控制器，指令集简洁全面，实现动态效果。与MCU通信有8位/4位并行模式。
HD44780含指令寄存器IR、数据寄存器DR、忙标志BF、DDRAM、CGROM、CGRAM、地址计数器AC。
IR存指令码，仅写操作；DR存数据，自动写入DDRAM/CGRAM或临时存储读取数据。BF=1时，不响应外部操作。
DDRAM存显示字符信息，容量80字符码。CGROM生160种5×7点阵、32种5×10点阵字符。CGRAM存自定义字符，64字节，8个5×7或4个5×10点阵。
AC存DDRAM/CGRAM地址，指令写入IR时，自动装地址码，选DDRAM/CGRAM单元。
HD44780发控制指令驱动LM016L。指令包括清除显示、地址归位、输入模式设定、显示开关、功能设定等。
LM016L即1602LCD，每行显16字符，两行显示。起始地址：第一行0x00，第二行0x40。写入内容需定位光标，指令0x80+地址。写入后AC自增1。初始化可设光标自动右移。
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图4.7 LM016L
经过比对，LM016L 使用简单，成本低，所以选用LM016L。
第五章 系统实现
5.1硬件电路
图5.1 220AC转5VDC
220VAC通过变压器进行降压到AC15V左右，经过整流桥，变换为直流电，经过7805稳压芯片，降压位5VDC,位其他模块供电。
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图5.1 LM35的温度读取短路
LM35将读取的温度模拟量，通过ADC0832进行ADC转换，通过SPI协议传给单片机。
图5.2 LCD电路
LCD用来显示温度值。
5.2 程序编写
ADC0832的转换算法程序：
/*****************************************
函数简介：获取ADC0832数据
函数名称：ADC_read_data(bit channel)
参数说明：ch为入口参数，ch=0选择通道0，ch=1选择通道1
函数返回：返回读取到的二进制ADC数据，格式为unsigned char
当返回一直0时，转换数据有误
******************************************/
uchar ADC_read_data(bit channel)
{
uchar i,dat0=0,dat1=0;
//第1次下降沿之前di置高，启动信号
cs=0; //片选信号置低，启动AD转换芯片
clk=0; //时钟置低平
dio=1; //开始信号为高电平
Delay_2us();
clk=1; //产生一个正脉冲,在时钟上升沿，输入开始信号（DI=1）
Delay_2us();
clk=0; //第1个时钟下降沿
dio=1;
Delay_2us();
clk=1; // 第2个下降沿输入DI=1，表示双通道单极性输入
Delay_2us();
//在第2个下降沿，模拟信号输入模式选择（1：单模信号，0：双模差分信号）
clk=0;
dio=channel; // 第3个下降沿,设置DI，选择通道;
Delay_2us();
clk=1;
Delay_2us();
// 在第3个下降沿，模拟信号输入通道选择（1：通道CH1，0：通道CH0）
clk=0;
dio=1; //第四个下降沿之前，DI置高，准备接收数
Delay_2us();
for(i=0;i<8;i++) //第4~11共8个下降沿读数据（MSB->LSB）
{
clk=1;
Delay_2us();
clk=0;
Delay_2us();
dat0=dat0<<1|dio;
}
for(i=0;i<8;i++) //第11~18共8个下降沿读数据（LSB->MSB）
{
dat1=dat1|((uchar)(dio)<<i);
clk=1;
Delay_2us();
clk=0;
Delay_2us();
}
cs=1;
return (dat0==dat1)?dat0:0; //判断dat0与dat1是否相等
}
第六章 性能测试与分析
图6.1 供电模块测试正常
7805属于常用的线性三端稳压器，输入电压范围不大于35V，输入输出压差2V，最大输出电流1.5A，上图为原理图，其原理简单，使用方便，深受很多用户的喜爱。但是其不足之处就是效率低，特别是压差越大时其效率越低。比如图6.1这里12V转5V的效率为 5V/12V≈41.7%。
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图6.2 温度读取测试正常
LM35属于常用的温度传感器器，LM35 规格中规定为每℃ +10 mV，这意味着 LM35 温度传感器 vout 引脚的输出每增加 10 mV，温度值就会增加 1。上图为原理图，将LM35设置到74摄氏度，经过ADC0832把电压模拟信号转换为数字信号，最后经过LM016L显示，此时LM016L也为74摄氏度。
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图6.3 温度单位转换测试正常
上图将74摄氏温度转换为165华氏温度，温度换算正常。
致 谢
随着大学专科学习生涯的即将落幕，我满怀感激之情回顾这段历程，衷心感谢每一位曾经悉心教导我的老师以及给予我关怀与支持的同学。在我成长的道路上，他们是我不可或缺的助力。本文的顺利完成，尤其要归功于我的指导老师，其无私的关怀与精心的指导是我前进的灯塔，同时，也深深感谢各位师兄师姐的关怀与帮助，他们的鼓励与陪伴让我倍感温暖。
此外，我必须特别感谢我的父母，他们始终是我坚强的后盾，用无尽的爱与支持为我撑起一片天空，让我内心的天平永远倾向于不懈奋斗。他们的付出让我深刻认识到，在这个竞争激烈的社会中，唯有凭借真才实学和吃苦耐劳的精神，方能站稳脚跟，赢得生存与发展。
我将铭记“活到老，学到老”的人生信条，紧跟时代的步伐，以满怀激情与斗志的姿态，踏上新的征程，迎接新的挑战。让我们以科学知识为武器，以高科技技术为画笔，共同描绘对未来的美好憧憬与无限期盼。再次向所有帮助过我的老师、同学表达我最诚挚的谢意。
参考文献
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[2] 张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社,1990.
[3] 张旭,亓学广,李世光,等.基于STM32电力数据采集系统的设计[J].电子测量技术, 2010(11):4.DOI:10.3969/j.issn.1002-7300.2010.11.024.
[4] 张涛,左谨平,马华玲.FatFs在32位微控制器STM32上的移植[J].电子技术（上海）, 2010(3):3.DOI:10.3969/j.issn.1000-0755.2010.03.011.
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