畢業(yè)設(shè)計----基于c51單片機(jī),ds18b20溫度計的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、<p><b>　　前 言</b></p><p>　　單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣性，各種適用于不同場合的智能溫度控制器應(yīng)運(yùn)而生。電子溫度計的出現(xiàn)，給人類的生活帶來了很多方便，使人類不管是在生活還是在工業(yè)方面都有了很多便利之處。但是電子溫度計主要應(yīng)用還是在生產(chǎn)過程、實(shí)驗(yàn)室及研究所。電

2、子溫度計本身可由電源提供電壓，用溫度傳感器檢測溫度，因此電子溫度計屬溫度系統(tǒng)?？刂评碚搹慕?jīng)典理論、現(xiàn)代理論已經(jīng)發(fā)展到更先進(jìn)的控制理論，控制系統(tǒng)也由簡單的控制系統(tǒng)、大系統(tǒng)發(fā)展到今天的復(fù)雜系統(tǒng)。本文討論的電子溫度計溫度控制系統(tǒng)AT89C2051單片機(jī)提取DS18B20轉(zhuǎn)化成溫度變化通過單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)化成數(shù)值并由數(shù)顯電路顯示出來。</p><p>　　在我們?nèi)粘Ｉ罴案鞣N生產(chǎn)中，經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制，

3、傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，需要比較多的外部硬件支持。其缺點(diǎn)如下：</p><p>　　1． 硬件電路復(fù)雜；</p><p>　　2． 軟件調(diào)試復(fù)雜；</p><p><b>　　3． 制作成本高。</b></p><p>　　而傳統(tǒng)的溫度計也有反應(yīng)速度慢、讀數(shù)

4、麻煩、測量精度不高、誤差大等缺點(diǎn)而下面利用集成溫度傳感器DS18B20設(shè)計并制作了一款基于AT89C51的4位數(shù)碼管顯示的數(shù)字溫度計，其電路簡單，軟硬件結(jié)構(gòu)模塊化，易于實(shí)現(xiàn)。其中溫度傳感器DS18B20，它集溫度測量、A／D轉(zhuǎn)換于一體，其測量范圍寬(-55℃～125℃)，DS18B20是一款具有單總線結(jié)構(gòu)的器件。 </p><p>　　由DS18B20組建的溫度測量單元體積小，便于攜帶、安裝。同時，DS18B20

5、的輸出為數(shù)字量，可以直接與單片機(jī)連接，無需后級A／D轉(zhuǎn)換，控制簡單。</p><p>　　第一章 總體設(shè)計方案</p><p>　　1.1 系統(tǒng)的設(shè)計原則 </p><p>　　一般系統(tǒng)的設(shè)計原則包含安全性（穩(wěn)定抗干擾性），操作的便利性（人性化），實(shí)時性，通用性和經(jīng)濟(jì)性。</p><p><b>　?。?）安全可靠 </b

6、></p><p>　　首先要選用高性能的AT89C51單片機(jī)，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運(yùn)行。其次是設(shè)計可靠的控制方案，并具有各種安全保護(hù)措施，如報警、事故預(yù)測、事故處理和不間斷電源等。</p><p><b>　?。?）操作維護(hù)方便</b></p><p>　　操作方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象和便于掌握且不強(qiáng)求操作工要掌握計算機(jī)知識

7、才能操作。</p><p><b>　?。?）實(shí)時性強(qiáng)</b></p><p>　　選用高性能的AT89C51單片機(jī)的實(shí)時性，表現(xiàn)在內(nèi)部和外部事件能及時地響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理。</p><p><b>　?。?）通用性好 </b></p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮能適應(yīng)不同的設(shè)備和各種不同設(shè)備

8、和各種不同控制對象，并采用積木式結(jié)構(gòu)，按照控制要求靈活構(gòu)成系統(tǒng)。主要表現(xiàn)在兩個方面：一是硬件板設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)（如PC總線），配置各種通用的模板，以便擴(kuò)充功能時，只需增加功能模板就能實(shí)現(xiàn)；二是軟件功能模塊或控制算法采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需各種功能模塊，靈活地進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)。</p><p><b>　?。?）經(jīng)濟(jì)效益高 </b></p><p

9、>　　1.2 系統(tǒng)的設(shè)計步驟</p><p>　　（1）系統(tǒng)總體方案設(shè)計、</p><p>　?。?）方案論證評審 </p><p>　　硬件和軟件的分別細(xì)化設(shè)計 </p><p>　　硬件和軟件的分別調(diào)試 </p><p><b>　　系統(tǒng)的組裝 </b></p><

10、;p>　?。?）離線仿真和調(diào)試階段 </p><p>　　1.3 系體的總體方案設(shè)計和框圖設(shè)計</p><p>　　（1）系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性方框及文字說明。</p><p>　　（2）系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)幾配置，主要軟件的功能、結(jié)構(gòu)幾框圖。</p><p>　?。?）保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。</p><

11、;p>　?。?）抗干擾性和可靠性設(shè)計。</p><p><b>　?。?）工藝要求</b></p><p><b>　　溫度數(shù)碼管顯示。</b></p><p>　　調(diào)節(jié)溫度的超調(diào)量小于30%。 </p><p>　　實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，控制溫度誤差范圍≤±0.1℃。</

12、p><p>　　溫度范圍：-50℃ ～ 125℃。</p><p>　　供電電壓：交流5Ｖ。 </p><p>　　方案一：方案一：考慮到用溫度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，感溫電路比較麻煩，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，才可以滿足設(shè)計要求。</p><p>　　方案二：由

13、于本設(shè)計是測溫電路，首先要選用高性能的AT89C51單片機(jī)，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運(yùn)行。單片機(jī)AT89C51具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。測溫傳感器使用二極管結(jié)電壓變化的數(shù)值來轉(zhuǎn)化成溫度的變化，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來。</p

14、><p>　　從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設(shè)計也比較簡單，故采用了方案二。</p><p>　　考慮到方案中制作數(shù)字溫度計，在單片機(jī)電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計要求。</p><p>　　溫度計電路設(shè)計總體設(shè)計方

15、框圖如圖1所示，控制器采用單片機(jī)AT89C51，溫度傳感器采用DS18B20，用4位LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)溫度顯示。</p><p>　　圖1.1　 總體設(shè)計方框圖</p><p><b>　　第二章 硬件設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1主要器件說明</b></p><p>

16、;　　2.1.1 主控制器 </p><p>　　單片機(jī)AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。如圖2.1所示。</p><p>　?。?）主要特性：·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年·

17、;全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128*8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源 ·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 </p><p>　?。?）管腳說明：     VCC：供電電壓。 

18、    GND：接地。     P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。   

19、0; P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。      P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳

20、被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它</p><p>　　EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保

21、持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p><b>　　2.1.2 顯示器</b></p><p>　　顯示電路采用3位共陽LED數(shù)碼管，利用動態(tài)掃描方式，從P0口輸出段碼，P2口的P2.5、P2.6、P

22、2.7輸出位碼。</p><p>　?。?）LED數(shù)碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數(shù)點(diǎn)）而作為一個引腳，為共陽管。如下圖2.2、2.3所示：</p><p>　　圖2.2 圖2.3</p><p>　　2.1.3 溫度傳

23、感器</p><p>　　DS18B20溫度傳感器是采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，經(jīng)焊接，外加不銹鋼保護(hù)管封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域,并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。</p><p>　?、?：技術(shù)性能描述* 獨(dú)特的單線接口方式，DS1820在與

24、微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊,在使用中不需要任何外圍元件。* 測溫范圍 －55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃。   -* 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。* 工作電源:  3~5V/DC* 測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。* 不銹鋼保護(hù)管直徑   Φ6   

25、* 適用于1/2”, 3/4”, 1”, DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫②：應(yīng)用范圍 *  該產(chǎn)品適用于冷凍庫，糧倉，儲罐，電訊機(jī)房，電力機(jī)房，電纜線槽等測溫和控制領(lǐng)域 *  軸瓦，缸體，紡機(jī)，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設(shè)備測溫和控制。 *  汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等。 *  供熱/制冷管道熱量計量，中央空調(diào)分戶

26、熱能計量和工業(yè)領(lǐng)域測溫和控制 </p><p>　?、?DS18B20的性能特點(diǎn)如下：</p><p>　　*獨(dú)特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信；</p><p>　　*多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；</p><p><b>　　*無須外部器件；</b></p>

27、<p>　　*可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0~5.5V；</p><p><b>　　*零待機(jī)功耗；</b></p><p>　　*溫度以9或12位數(shù)字；</p><p>　　*用戶可定義報警設(shè)置；</p><p>　　*報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；</p>

28、<p>　　*負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作； </p><p>　　DS18B20采用3腳PR－35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：</p><p>　

29、　64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的</p><p>　　溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。</p><p>　　DS18B20的管腳排列如圖2.5所示: </p><p><b>　　圖2.5</b></p><p>　　DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速

30、暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖2.7所示。低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式

31、，DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。</p><p>　　由表2.1可見，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。</p><p>　　表2.1 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表</p><p>　　高速暫存RAM的

32、第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。</p><p>　　當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃／LSB式表示。</p>&l

33、t;p>　　當(dāng)符號位S＝0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號位S＝1時，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計算十進(jìn)制數(shù)值。表2是一部分溫度值對應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。</p><p>　　DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、TL字節(jié)內(nèi)容作比較。若T＞TH或T＜TL，則將該器件內(nèi)的報警標(biāo)志位置位，并對主機(jī)發(fā)出的報警搜索命令做出響應(yīng)。因此，可用

34、多只DS18B20同時測量溫度并進(jìn)行報警搜索。</p><p>　　在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼（CRC）。主機(jī)ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。</p><p>　　另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進(jìn)

35、行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。分別說明如下：</p><p>　　(1)初始化 單總線的所有處理均從初始化開始。初始化過程是主機(jī)通過向作為從機(jī)的DS18B20芯片發(fā)一個有時間寬度要求的初始化脈沖實(shí)現(xiàn)的。初始化后，才可進(jìn)行讀寫操作。</p><p>　　(2) ROM操作命令 總線主機(jī)檢測到DS18B20的存在 便可以發(fā)

36、出ROM操作命令之一 這些命令表2.2：</p><p>　　表2.2 ROM操作命令</p><p>　　存儲器操作 命令如表2.3：</p><p>　　表2.3 存儲器操作命令</p><p>　　(4)時序 主機(jī)使用時間隙(time slots)來讀寫DS18B20的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位</p><p&g

37、t;<b>　?、俪跏蓟?</b></p><p>　　圖2.7 初始化時序</p><p>　　時序見圖2.7，主機(jī)總線to時刻發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為480us的低電平信號)，接著在tl時刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)。DS18B20在檢測到總線的上升沿之后等待15-60us，接著DS18B20在t2時刻發(fā)出存在脈沖(低電平 持續(xù)60-240 us)。如圖中虛線所示：&

38、lt;/p><p><b>　　②寫時間隙 </b></p><p>　　圖2.8.1 寫0時序 圖2.8.2 寫1時序</p><p>　　當(dāng)主機(jī)總線t o時刻從高拉至低電平時，就產(chǎn)生寫時間隙見圖2.8.1和圖2.8.2。從to時刻開始15us之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上，DSl820在

39、t o后15-60us間對總線采樣。若低電平，寫入的位是0。見圖2.5.1。若高電平寫入的位是1見圖2.5.2。連續(xù)寫2位間的間隙應(yīng)大于1us。</p><p><b>　?、圩x時間隙 </b></p><p>　　見圖2.9，主機(jī)總線to時刻從高拉至低電平時，總線只須保持低電平l us。之后在t1時刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時間隙，讀時間隙在t1時刻后t 2時刻前有效，t

40、 2距to為15us。也就是說t 2時刻前主機(jī)必須完成讀位，并在t o后的60us一120us內(nèi)釋放總線，讀位子程序(讀得的位到C中)。</p><p><b>　　圖2.9 讀時序</b></p><p>　　DSl820多路測量簡介 </p><p>　　圖2.10 DSl820原理框圖</p><p>　　每一片

41、DSl820在其ROM中都存有其唯一的48位序列號，出廠前已寫入片內(nèi)ROM 中，主機(jī)在進(jìn)入操作程序前必須逐一接入DS18B20用讀ROM(33H)命令將該DS18B20的序列號讀出并登錄。當(dāng)主機(jī)需要對眾多在線DS18B20的某一個進(jìn)行操作時，首先要發(fā)出匹配ROM命令(55H)，緊接著主機(jī)提供64位序列(包括該DS18B20的48位序列號)。之后的操作就是針對該DS18B20的。而所謂跳過ROM命令即：MOV A,#0CCH。</p

42、><p>　　圖2.10中先有跳過ROM，即是啟動所有DS18B20進(jìn)行溫度變換，之后通過匹配ROM 再逐一地讀回每個DS18B20的溫度數(shù)據(jù)。在DS18B20組成的測溫系統(tǒng)中，主機(jī)在發(fā)出跳過ROM命令之后，再發(fā)出統(tǒng)一的溫度轉(zhuǎn)換啟動碼44H，就可以實(shí)現(xiàn)所有DS18B20的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過1s后，就可以用很少的時間去逐一讀取。這種方式使其T值往往小于傳統(tǒng)方式。（由于采取公用的放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器只能逐一轉(zhuǎn)換）。顯然通

43、道數(shù)越多，這種省時效應(yīng)就越明顯。</p><p>　　DS1820使用中注意事項(xiàng) </p><p>　　DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： </p><p>　　(1)較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償,由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送,因此,在對DS1820進(jìn)行讀寫編

44、程時,必須嚴(yán)格的保證讀寫時序,否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計時,對DS1820操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　(2)在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題,容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個DS1820,在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS1820超過8個時,就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題,這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以

45、注意。 </p><p>　　(3)連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中,當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時,讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時,正常通訊距離可達(dá)150m,當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時,正常通訊距離進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此,在用DS1820進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問

46、題。 </p><p>　　(4)在DS1820測溫程序設(shè)計中,向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后,程序總要等待DS1820的返回信號,一旦某個DS1820接觸不好或斷線,當(dāng)程序讀該DS1820時,將沒有返回信號,程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。</p><p>　　測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線,其中一對線接地線與信號線,另一組接VCC和地

47、線,屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。</p><p>　　2.1.4 穩(wěn)壓電源7805</p><p>　　7805管腳圖如圖2.11所示：</p><p>　　2.2各部分電路說明</p><p>　　2.2.1單片機(jī)控制部分</p><p>　　在本設(shè)計中，采用了AT89C51單片機(jī)作為本電路的核心電路的設(shè)計。AT89C51

48、是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位C

49、PU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p><b>　?。?）振蕩器特性：</b></p><p>　　XTAL1和XTAL2的反向放大器的輸入和輸出。</p><p>　　該反向放大器

50、可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p>　　（2）單片機(jī)芯片的擦除：</p><p>　　整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯

51、片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。</p><p>　　AT89C51的穩(wěn)態(tài)邏輯可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。</p><p>　?。?

52、）單片機(jī)的時鐘電路</p><p>　　圖2.12片內(nèi)振蕩電路的時鐘電路</p><p>　　AT89C1單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個高增益反向放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機(jī)內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。AT89C51的時鐘產(chǎn)生方式有兩種：內(nèi)部時鐘電方式和外部時鐘方式。由于外部時鐘方式用于多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，所以此處選用內(nèi)部時

53、鐘方式。即利用其內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩。最常用的是在 XTAL1和XTAL2之間接晶體振蕩器與電路構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖2.13電路所示為單片機(jī)最常用的時鐘振蕩電路的接法，其中晶振可選用振蕩頻率為6MHz的石英晶體，電容器一般選擇30PF左右。</p><p>　?。?）單片機(jī)的復(fù)位電路</p><p>　　本設(shè)計中AT89C

54、51是采用上電自動復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。最簡單的復(fù)位電路如圖2.13所示。上電瞬間，RC電路充電，RST引線端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。其中R1和R2分別選擇200Ω和1KΩ的電阻，電容器一般選擇22μF。</p><p>　?。?）AT89C51的最小應(yīng)用系統(tǒng)</p><p>　　AT89C51是片內(nèi)有程序存儲器的單片機(jī)，要構(gòu)成最小應(yīng)用系

55、統(tǒng)時只要將單片機(jī)接上外部的晶體或時鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖2.14所示。這樣構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單可靠，其特點(diǎn)是沒有外部擴(kuò)展，有可供用戶使用的大量的I∕O線。</p><p>　　圖2.14 AT89C51單片機(jī)構(gòu)成的最小系</p><p>　　2.2.2傳感器數(shù)據(jù)采集電路</p><p>　　傳感器數(shù)據(jù)采集電路主要指DS18B20溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路。DS

56、18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，如圖2.15所示，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖2.15所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。當(dāng)DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單

57、線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。考慮到實(shí)際應(yīng)用中寄生電源供電方式適應(yīng)能力差且易損壞，此處采用電源供電方式，I/O口接單片機(jī)的P2.0口。</p><p>　　圖2.15 電源供電方式</p><p>　　2.2.3 顯示電路</p><p>　　顯示電路是采用P0口輸出段碼至LED，P2口控制位選通的動態(tài)掃描顯示方式，三只數(shù)碼管用NPN型三極管驅(qū)動，這種顯

58、示方式的最大優(yōu)點(diǎn)是顯示清晰，軟件設(shè)計簡單。如圖2.16所示:</p><p>　　圖2.16 顯示電路</p><p><b>　　2.3主板電路</b></p><p>　　圖2.17 主板電路</p><p>　　系統(tǒng)整體硬件電路包括傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調(diào)整電路，單片機(jī)主板電路，電源電路等。

59、如圖2.17所示</p><p>　　圖2.17中有四個獨(dú)立式按鍵可以分別調(diào)整溫度計的上下限報警設(shè)置，可以任意調(diào)整報警上下限。圖中蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內(nèi)時，發(fā)出報警鳴叫聲音。LED數(shù)碼管將當(dāng)前被測溫度值顯示，從而測出被測的溫度值。</p><p>　　圖2.17中的按健復(fù)位電路是上電復(fù)位加手動復(fù)位，使用比較方便，在程序跑飛時，可以手動復(fù)位，這樣就不用在重起單片機(jī)電源，就可以實(shí)

60、現(xiàn)復(fù)位。</p><p><b>　　第三章 軟件設(shè)計</b></p><p>　　系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。 </p><p><b>　　開始</b></p&g

61、t;<p>　　溫度比較子程序 </p><p><b>　　是否超出上下限</b></p><p><b>　　返 回</b></p><p>　　圖3.1 主程序流程</p><p><b>　　3.1主程序</b></p><p

62、>　　主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當(dāng)前溫度值，溫度測量每1s進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程見圖3.1所示。</p><p>　　3.2讀出溫度子程序</p><p>　　讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖3.2所示</p&g

63、t;<p>　　圖3.2 讀出溫度子程序流程</p><p>　　3.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序 </p><p>　　溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用12位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，在本程序設(shè)計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖，如圖3.3所示</p><p>　　圖3.3 溫度轉(zhuǎn)換流程圖</

64、p><p>　　3.4計算溫度子程序</p><p>　　計算溫度子程序?qū)AM中讀取值進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4　 計算溫度流程圖 </p><p>　　3.5 溫度數(shù)據(jù)顯示子程序</p><p>　　顯示數(shù)據(jù)子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示

65、數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，查表送段碼至LED，開位碼顯示，采用動態(tài)掃描方式。</p><p>　　第四章 實(shí)物制作與調(diào)試說明</p><p>　　4.1原材料的選擇與采購</p><p>　　本次設(shè)計在原材料的選擇與采購上做到了設(shè)計最優(yōu)化,即用最小的開支,獲得性價比較高的元器件和材料。</p><p>　　設(shè)計中，印刷電路板采用單面板，給人看起來沒

66、有太復(fù)雜的感覺。選元器件時，盡量選擇能使電路簡化的器件。例如，為了不增大電路板的體積及減小功耗，本設(shè)計采用ATMEL公司的89S51單片機(jī)，體積小，工作電壓低。</p><p>　　4.2印刷電路板的設(shè)計與制作</p><p>　　電路板的設(shè)計與制作是整個電路制作過程中比較重要的一步，如果電路板做不好，再好的電路設(shè)計也不行。下面就對簡單電路板的設(shè)計及制作過程做一個簡單的介紹。</p&

67、gt;<p>　　1、利用Protel 99SE畫原理圖。在畫原理圖的時候?yàn)榱穗娐钒灞容^好看，要注意布局，同時還得注意元件封裝，命名等。畫好原理圖后要對其進(jìn)行電氣檢測，檢查原理圖是否有錯，同時還要創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表為下一步的工作做好準(zhǔn)備。</p><p>　　2、PCB版圖的設(shè)計。在對PCB圖設(shè)計時首先要添加封裝庫，這樣原理圖中給予的封裝才能有效，然后調(diào)入網(wǎng)絡(luò)表看原理圖的封裝，命名等是否有錯，如果沒錯便可進(jìn)

68、行下一步操作。對其進(jìn)行布線，首先先對布線規(guī)則作一些必要的設(shè)置，如焊盤的大小，導(dǎo)線的粗細(xì)等。做好這些設(shè)置后便可進(jìn)行自動布線，自動布線后如果布線不是很理想還可用手動布線進(jìn)行手動修改，這樣PCB圖就畫好了。</p><p>　　3、電路板的制作。把設(shè)計布局好的PCB圖打印出來之后，然后進(jìn)行壓板、腐蝕、鉆孔。注意，腐蝕之前要檢查是否有斷線及焊盤的脫落等。</p><p>　　4、元件的焊接。元件焊

69、接的時候要先查看跳線，首先焊接所有的跳線，其次再焊接分離元件，最后焊接集成塊和外接的引線。當(dāng)然為了美觀在布線中最好不要出現(xiàn)跳線。</p><p>　　5、整體檢查。查看是否有斷線和虛焊等。</p><p><b>　　6、燒錄程序</b></p><p><b>　　4.3 單片機(jī)測試</b></p><

70、;p>　　判斷單片機(jī)芯片及時鐘系統(tǒng)是否正常工作有一個簡單的辦法，就是用萬用表測量單片機(jī)晶振引腳（18、19腳）的對地電壓，以正常工作的單片機(jī)用數(shù)字萬用表測量為例：18腳對地約2.24V，19腳對地約2.09V。對于懷疑是復(fù)位電路故障而不能正常工作的單片機(jī)也可以采用模擬復(fù)位的方法來判斷，單片機(jī)正常工作時第9腳對地電壓為零，可以用導(dǎo)線短時間和＋5V連接一下，模擬一下上電復(fù)位，如果單片機(jī)能正常工作了，說明這個復(fù)位電路有問題。</p

71、><p>　　4.4 硬件及軟件調(diào)試</p><p>　　硬件調(diào)試，第一步是目測，在印好電路板之后，先檢查印制線是否有斷線、是否有毛刺、是否與其它線或焊盤粘連、焊盤是否有脫落、過孔是否有未金屬化現(xiàn)象。而在目測的過程中，我們發(fā)現(xiàn)有一條印制線斷開，因此我們用焊錫使這條斷線連在一起。第二步是用萬用表測量。在目測完之后，利用萬用表來測量連線和接點(diǎn)，檢查它們的通斷狀態(tài)是否和設(shè)計一樣。再檢查各種電源線和地

72、線是否有短路現(xiàn)象，在檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)不管是連線還是接點(diǎn)都符合設(shè)計規(guī)定，電源和地線也沒有短路現(xiàn)象。第三步是加電檢查。給印制板加電時，我們檢查到的器件的電源端符合要求的電壓值+5V，同時接地端的電壓為0。第四步是聯(lián)機(jī)檢查。利用系統(tǒng)和單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)用仿真電纜連接起來，發(fā)現(xiàn)聯(lián)機(jī)檢查完后以上是連接都正確、暢通、可靠。</p><p>　　軟件調(diào)試，第一步是在具有匯編軟件的主機(jī)上和用戶系統(tǒng)連接起來，進(jìn)行調(diào)試準(zhǔn)備。第二步是單

73、步運(yùn)行。第三步是系統(tǒng)連調(diào)，即進(jìn)行軟件和硬件聯(lián)合調(diào)試。經(jīng)調(diào)試，軟件運(yùn)行良好。</p><p>　　4.5整機(jī)的調(diào)試與測試</p><p>　　首先是測試顯示電路的正確性，根據(jù)硬件寫好一段顯示程序，寫入單片機(jī)中。安裝好硬件，上電，顯示正常，達(dá)到預(yù)期效果。證明顯示電路正常。按下復(fù)位按鍵，LED無顯示，松開，顯示正常，證明復(fù)位電路正常。</p><p>　　然后測試得到溫度

74、程序，將初始化程序，DS18B20正常工作的初始化程序、寫DS18B20程序、讀DS18B20程序，得到溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換子程序，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序，顯示子程序正確編排后寫入單片機(jī)中，上電，顯示不正常。重新讀取源程序，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)問題在于DS18B20初始化程序有錯，修改后重新編譯并寫入單片機(jī)。上電后，顯示當(dāng)前溫度。證明溫度傳感器DS18B20工作正常，各部分子程序運(yùn)行正常。</p><p>　　最后是按鍵子程序及

75、報警子程序的調(diào)試，將按鍵子程序及報警子程序及上述程序正確編排后，寫入單片機(jī)中，上電后，各個部分工作正常，在測得當(dāng)前溫度超出設(shè)定溫度上下限后，蜂鳴器發(fā)出報警聲，調(diào)試基本成功。但后來發(fā)現(xiàn)，按鍵要在按下1S后才反應(yīng)，再次研讀程序發(fā)現(xiàn)原因在于按鍵程序采用掃描方式，程序每執(zhí)行一遍才掃描按鍵一次。進(jìn)而到考慮采用中斷方式解決此問題，但因?yàn)镈S18B20正常工作有嚴(yán)格的時序限制，否則不能正常工作，而中斷則在很大可能上會影響到DS18B20正常工作。在嘗

76、試并采用中斷方式卻失敗后，決定仍采用掃描方式。后來仔細(xì)排查發(fā)現(xiàn)按鍵反應(yīng)遲緩是由于顯示程序占用時間過長造成的，修改顯示程序并且在主程序和按鍵子程序中增加調(diào)用顯示程序的次數(shù)，問題得以解決。至此，此次設(shè)計的調(diào)試部分完成。設(shè)計的所有功能全部得以實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　第五章 使用說明書</b></p><p>　　本電路額定工作直流電壓為+5V，有極性判別保護(hù)功能

77、，采用7805集成穩(wěn)壓芯片以保證電路的供電穩(wěn)定，用戶輸入電源在7-25V均可正常工作。</p><p>　　電路中有五個按鍵，從左到右依次為S1、S2、S3、S4、RESET，介紹如下：</p><p>　　S1為溫度上下限設(shè)置狀態(tài)的退出或確定按鍵</p><p>　　S2為設(shè)置溫度上下限的+鍵，每按下一次上下限值加一</p><p>　　S

78、3為設(shè)置溫度上下限的-鍵，每按下一次上下限值減一</p><p>　　S4為設(shè)置溫度上下限設(shè)置狀態(tài)進(jìn)入按鍵，第一次按下進(jìn)入低限設(shè)置，按下S4后，再次按下S1進(jìn)入高限設(shè)置。</p><p>　　RESET為復(fù)位按鍵</p><p>　　使用方法及報警電路說明：</p><p>　　接通電源，紅色指示燈亮，表明電源正常。此時數(shù)碼管應(yīng)顯示初值025

79、，由于顯示時間稍短，一閃即過。接下來顯示當(dāng)前溫度，若不顯示則說明硬件有問題，此時蜂鳴器將報警，綠色指示燈也會點(diǎn)亮。硬件正常，LED就會顯示當(dāng)前溫度。若此時檢測到當(dāng)前環(huán)境溫度不在原來設(shè)定的上下限范圍之內(nèi)，蜂鳴器也將報警同是綠燈點(diǎn)亮。直到采取措施改變環(huán)境溫度在上下限范圍內(nèi)或調(diào)整溫度上下限。</p><p><b>　　第六章 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]陳

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