基于单片机的电子密码锁的设计(2).docx

中北大学信息商务学院
课 程 设 计 说 明 书

学 生 姓 名： 齐扬 学 号： 10050644X36
学 生 姓 名： 赵亮 学 号： 10050644X38
学 生 姓 名： 高飞 学号： 10050644X40
学 院： 信息商务学院
专 业： 电子信息工程
题 目:专业综合实践之单片机部分：
基于单片机的电子密码锁的设计
王浩全

指导教师： 职称: 教授

2014 年 1 月 10 日

中北大学信息商务学院
课程设计任务书

2013/2014 学年第 1 学期

学 院： 信息与通信工程学院
专 业： 电子信息工程
学 生 姓 名： 齐扬 学 号： 10050644X36
学 生 姓 名： 赵亮 学 号： 10050644X38
学 生 姓 名： 高飞 学号： 10050644X40
课程设计题目： 专业综合实践之单片机信息处理部分：
基于单片机的温度显示电路的设计
起 迄 日 期： 2013年12 月3 0 日～2014年1月 10 日
课程设计地点： 5院楼 201，510 实验室
指 导 教 师： 王浩全
系 主 任： 王浩全

下达任务书日期: 2013 年 12 月30日

课 程 设 计 任 务 书
1．设计目的：
本课程设计主要针对电子信息工程专业课程体系设置的要求，安排的一种综合性的课程设计。一方面为了培养学生在查阅资料、复习、学习知识的基础上，进行包括机、电系统的设计、计算、仿真、编程、调试等多个环节的综合能力培养；另一方面，也是对学生进行毕业设计前的一次大型练兵，进一步培养学生独立地分析、解决实际问题的实际能力。另外还培养学生用专业的、简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
单片机选用89C51
检测范围-55---+125度
-10---+85度范围内精度为0.5度
三位显示

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：

（1）提供核心器件的工作原理与应用介绍；
（2）提供用Protel设计的电路原理图，印刷板电路图；
（3）提供用Multisim、MaxPlus、Proteus、Medwin、KeilC等软件对电路的仿真、编程与分析；
（4）提供符合规定要求的课程设计说明书；
（5）提供参考文献不少于15篇，且必须是相关的参考文献；

课 程 设 计 任 务 书
4．主要参考文献：
l 要求按国标GB 7714—87《文后参考文献著录规则》书写，例：
1 傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础.北京：科学出版社，1985

（5篇以上）
5．设计成果形式及要求：
（1）电路原理图、程序、仿真结果、PCB图；
（2）课程设计说明书；
6．工作计划及进度：
2013年12月 30 日 ~ 2014年1 月 1 日：查阅资料；
2014年:
1 月 2 日 ~ 1 月 7 日：方案设计、实验验证；
1 月 8 日 ~ 1 月 9 日：完成课程设计说明书；
1 月 10 日：答辩。
系主任审查意见：
签字：
年 月 日

设计说明书应包括以下主要内容：
   （1）封面：课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间
   （2）设计任务书
   （3）目录
   （4）设计方案简介
   （5）设计条件及主要参数表
   （6）设计主要参数计算
   （7）设计结果
   （8）设计评述,设计者对本设计的评述及通过设计的收获体会
   （9）参考文献

目录
1前言............................................................1
2设计任务及要求..................................................1
2.1设计任务.....................................................1
3设计方案及器材选用分析.........................................2
3.1设计总体方案.................................................2
3.1.1方案的总体设计框图.....................................3
3.2器材选用分析.................................................3
3.2.1DS18B20温度传感器........................................3
3.2.2温度传感器原理图及PCB图.................................9
3.2.3温度传感器仿真程序......................................11
3.3软件流程图..................................................15
3.3.1主程序..................................................15
3.3.2读温子程序..............................................16
3.3.3温度转换子程序..........................................16
3.3.4计算温度子程序..........................................17
4硬件电路的设计.................................................17
4.1Protues软件介绍.............................................17
4.1.1Protues软件.............................................17
4.1.2主控制电路AT89C51原理图................................18
4.2Protues进行仿真............................................19
4.2.1Protues仿真图..........................................19
4.2.2 DS18B20显示程序.......................................21
4.2.3PCB图及3D图...........................................29
5总结...........................................................31
6参考文献.......................................................31

前言
本次课程设计，就是用单片机实现温度控制，传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器，但热敏电阻的可靠性差，测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。本次采用DS18B20数字温度传感器来实现基于51单片机的数字温度计的设计。
传统的温度计有反应速度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点而下面利用集成温度传感器AD590设计并制作了一款基于AT89C51的4位数码管显示的数字温度计，其电路简单，软硬件结构模块化，易于实现。
该数字温度计利用AD590集成温度传感器及其接口电路完成温度的测量并转换成模拟电压信号，经由模数转换器ADC0804转换成单片机能够处理的数字信号，然后送到单片机AT89C51中进行处理变换，最后将温度值显示在D4、D3、D2、D1共4位七段码LED显示器上。系统以AT89C51单片机为控制核心，加上AD590测温电路、ADC模数转换电路、4位温度数据显示电路以及外围电源、时钟电路等组成。

2设计任务及要求
2.1设计任务
本次采用DS18B20数字温度传感器来实现基于51单片机的数字温度计的设计。该数字温度计利用AD590集成温度传感器及其接口电路完成温度的测量并转换成模拟电压信号，经由模数转换器ADC0804转换成单片机能够处理的数字信号，然后送到单片机AT89C51中进行处理变换，最后将温度值显示在D4、D3、D2、D1共4位七段码LED显示器上。系统以AT89C51单片机为控制核心，加上AD590测温电路、ADC模数转换电路、4位温度数据显示电路以及外围电源、时钟电路等组成。

3课程设计方案及器材选用分析
3.1设计总体方案
本数字温度计设计采用智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55°C至+125°C，最大分辨率可达0.0625°C。DS18B20可以直接读出被测量的温度值，而采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
按照系统设计功能的要求，确定系统由三个模块组成：主控制器STC89C51，温度传感器DS18B20，驱动显示电路。总体电路框图如下：

3.1.1总体方案的设计框图
温度计电路设计总体设计方框图如图3.2所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。DS18B20 采用3 脚PR-35 封装或8 脚SOIC 封装。

主控制器：单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
显示电路：显示电路采用3位共阳LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。
3.2器材选用分析
3.2.1DS18B20温度传感器
1. DS18B20的特点
本设计的测温系统采用芯片DS18B20，DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它的体积更小，适用电压更宽，更经济。
实现方法简介
DS18B20采用外接电源方式工作，一线测温一线与STC89C51连接，测出的数据放在寄存器中，将数据经过BCD码转换后送到LED显示。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。 

64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为８字节的存储器，结构如图2-3-2所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如下图所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。

图3.5 DS18B20的字节定义
DS18B20高速暂存器共9个存存单元，如表所示：
表3-1 DS18B20的引脚分布图
序号
寄存器名称
作    用
序号
寄存器名称
0
温度低字节
以16位补码形式存放
4、5
保留字节1、2
1
温度高字节
6
计数器余值
2
TH/用户字节1
存放温度上限
7
计数器/℃
3
HL/用户字节2
存放温度下限
8
CRC
以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个高低两个8位的RAM中，二进制中的前面5位是符号位。如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625才能得到实际温度。
高8位
S
S
S
S
S
26
25
24
低8位
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4

表3-2 DS18B20的字节存放表
由下图可以看到，Dsl8820的内部存储器是由8个单元组成，其中第0、1个存放测量温度值，第2、3分别存放报警温度的上下限值，第4单元为配置单元，5、6、7单元在DSl8820这里没有被用到。对于第4个寄存器，用户可以设置温度转换精度，系统默认12bit转换精度，相当于十进制的0．0625℃，其转换时间大约为750磷。具体见表2-4-1。

图3.6 内部存储器结构图

表3-3 温度精度配置
R1
R0
转换精度（16进制）
转换精度（十进制）
转换时间
0
0
9bit
0.5
93.75ms
0
1
10bit
0.25
187.5ms
1
0
11bit
0.125
375ms
1
1
12bit
0.0625
750ms

由

可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。
当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2-4-2是一部分温度值对应的二进制温度数据。

表3-4 温度精度配置

温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000 0111 1101 0000
07D0H
+85
0000 0101 0101 0000
0550H
+25.0625
0000 0001 1001 0000
0191H
+10.125
0000 0000 1010 0001
00A2H
+0.5
0000 0000 0000 0010
0008H
0
0000 0000 0000 1000
0000H
-0.5
1111 1111 1111 0000
FFF8H
-10.125
1111 1111 0101 1110
FF5EH
-25.0625
1111 1110 0110 1111
FE6FH
-55
1111 1100 1001 0000
FC90H

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若T＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
由于DS18B20采用的“一线总线”结构，所以数据的传输与命令的通讯只要通过微处理器的一根双向I／o口就可以实现。DSl8B20约定在每次通信前必须对其复位。

图3.7 复位时序图
本文中有AT89S52提供，tRSTL的最小时延为，然后释放总线，检查DSl8B20的返回信号，看其是否已准备接受其他操作，其中tPDHIGH时间最小为，最长不能超过，否则认为DS18B20没有准备好，主机应继续复位，直到检测到返回信号变为低电平为止。
表3-5 DS18B20的ROM操作指令
操作指令
33H
55H
CCH
F0H
ECH
含义
读ROM
匹配ROM
跳过ROM
搜索ROM
报警搜索ROM

表3-6 DS18B20的存储器操作指令
操作指令
4EH
BEH
48H
44H
D8H
B4H
含义
写
读
内部复制
温度转换
重新调出
读电源
主机一旦检测到DS18B20的存在，根据DS18B2的工作协议，就应对ROM进行操作，接着对存储器操作，最后进行数据处理。在DS18B20中规定了5条对ROM的操作命令。
主机在发送完ROM操作指令之后，就可以对DS18B20内部的存储器进行操作，同样DS18B20规定了6条操作指令。 DS18B20的读、写时序图见图3.8。

图3.8 DS18B20的读写时序图
2. DS18B20的使用方法
　　由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
　　由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。
　　对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
DS18B20的写时序，对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程，
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单线
3.2.2温度传感器设计原理图及PCB图

温度传感器仿真图

温度传感器仿真PCB图
3.2.3温度传感器仿真程序
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit DQ=P2^7;
uchar T;
uchar code table[]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f};

void delay1(uint z)
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}
void delay(uint N)//廷迟时间为（24+N*16）us
{
int i;
for(i=0;i<N;i++);
}
/**************************************************
void init()
{
bit flag=1;
while (flag)
{
while (flag)
{
DQ = 1;
_nop_();
DQ = 0;
delay(50);
DQ = 1;
delay(3);
flag = DQ;
}
delay(10);
flag = ~DQ;
}
DQ=1;
}
/***********************************************
两个初始换 都可以
/********************************************/
void init()
{
DQ=1;
delay(0);
DQ=0;
delay(50); //廷迟24+50*16=824us
DQ=1;
delay(3); //48us
delay(10); //184us
DQ=1;
}
void write(uchar date)
{
uint i;
for (i=0; i<8; i++)
{
DQ = 0;
DQ = date & 0x01; //最低位移出 最低位先写入 //i=0:DQ=（0101 0101 &0000 0001）=0000 0001
delay(2); //56us 即将最 低位1 写入，i=1 : 将0写入....... DQ=1;
date >>= 1; //右移一位
}
}
uchar read()
{
uint i, value=0;
DQ=1;
_nop_(); //一个机器周期：(1/11.0952(即晶振频率))*12=1.085us
for (i=0; i<8; i++)
{ value = value>>1; //15us 之内必须读完一位
DQ = 0; //设i=0 :value=0101 0101 >>1 得到:0010 1010
_nop_(); // 读到的DQ=1，0010 1010｜1000 0000=1010 1010
_nop_(); // i=1: value=01010101
DQ = 1; //读到的DQ=0, value=01010101
_nop_(); //i=2: value=0010 1010
_nop_();
if (DQ) //先读最低位
value|=0x80;
delay(2); // 56us
DQ=1;
}
return(value);
}
void display(uchar num)
{
uchar a,b;
a=num/10;
b=num%10;

P0=table[a];
P2=0xfe;
delay1(5);
P2=0xff;
delay1(5);
P0=table[b];
P2=0xfd;
delay1(5);
P2=0xff;
delay1(5);
}
uchar read_wen_du()
{
uchar HB,LB,temp;
init(); // 复位
write(0xcc); // 跳过ROM 即不必读64位序列号的ROM
write(0x44); // 启动温度转换
init();
write(0xcc); // 跳过ROM 即不必读64位序列号的ROM
write(0xbe); // 读命令
LB=read(); // 低八位 1011 1010
HB=read(); // 高八位 1111 1010
HB=HB<<4; // 1011 000
HB+=(LB&0XF0)>>4; // (LB&0xF0)=1011 0000 >>4 :0000 1011 +HB :1010 1011 temp=HB;
return temp; // 返回温度值
}
void main()
{
while(1)
{
T=read_wen_du();
display(T);
}
3.3软件流程图
系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。
3.3.1主程序
主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图7所示。

3.3.2读温子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图8示

3.3.3温度转换子程序
温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图3.14所示
3.3.4计算温度子程序
计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图3.15所示

4硬件电路的设计
4.1Protues软件介绍
4.1.1Protues软件
Protel99 SE [5]共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。 以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：
l 可生成30多种格式的电气连接网络表；
l 强大的全局编辑功能；
l 在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；
l 同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络
l 既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；
l 满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）； * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；
l 支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件； * PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；
l 片机文件、测试点报告等；
l 经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；
l 反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；
4.1.2主控制电路AT89C51原理图

图5.16主电路原理图

图5.17 数码管连线图

5.18 系统报警电路图

5.19电路的PCB图
4.2Protues进行仿真
程序编写完以后，我们先对其进行仿真，初步验证电路图和程序的可行性和正确性。
4.2.1Protues仿真图

4.2.2 DS18B20显示程序
#include <reg51.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char //宏定义
sbit p34=P2^4;
sbit p35=P2^5;
sbit p36=P2^6;
sbit dp=P0^7;
sbit p37=P2^7;
sbit DQ=P2^2; //定义DS18B20总线I/O
sbit SET=P3^1; //定义选择报调整警温度上限和下限（1为上限，0为下限）
/****P3.2和P3.3为调整温度报警增加键和减少键******/
sbit LING=P2^0; //定义响铃
signed char m; //温度值全局变量
bit sign=0; //外部中断状态标志
signed char shangxian=38; //上限报警温度，默认值为38
signed char xiaxian=6; //下限报警温度，默认值为5
uchar code LEDData[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf};
/*****延时子程序*****/
void Delay(uint i)
{
while( i-- );
}
/*****初始化DS18B20*****/
void Init_DS18B20(void)
{
unsigned char x=0;

DQ=1;
Delay(8); //稍做延时
DQ=0; //单片机将DQ拉低
Delay(80); //精确延时，大于480us
DQ=1; //拉高总线
Delay(14);
x=DQ; //稍做延时后，如果x=0则初始化成功，x=1则初始化失败
Delay(20);
}

/*****读一个字节*****/
unsigned char ReadOneChar(void)
{
unsigned char i=0;
unsigned char dat=0;
for (i=8;i>0;i--)
{
DQ=0; // 给脉冲信号
dat>>=1;
DQ=1; // 给脉冲信号
if(DQ)
dat|=0x80;
Delay(4);
}
return(dat);
}

/*****写一个字节*****/
void WriteOneChar(unsigned char dat)
{
unsigned char i=0;
for (i=8; i>0; i--)
{
DQ=0;
DQ=dat&0x01;
Delay(5);
DQ=1;
dat>>=1;
}
}
void Tmpchange(void) //发送温度转换命令
{
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0x44); //启动温度转换
}
/*****读取温度*****/
unsigned int ReadTemperature(void)
{
unsigned char a=0;
unsigned char b=0;
unsigned