单片机课程设计-数字温度计控制系统设计.doc
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1、第一章 引言随着“信息时代”的到来,作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步,其应用领域越来越广泛,对其要求越来越高,需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此,了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号,使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制,但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。传感器主要用于测量和控制系统,它的性能好坏直接影响系统的性能。因此,不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标,还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理
2、、显示和控制的要求,而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解,才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来,适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面,传感器的被测信号来自于各个应用领域,每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效,各自都在开发研制适合应用的传感器,于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器。其发展速度之快,以及其应用之广,并且还有很大潜力。为了提高对传感器的认识和了解,尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途,基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度控制系统。文中传感器理
3、论单片机实际应用有机结合,详细地讲述了利用DS18B20温度传感器探测环境温度的过程,以及实现热电转换的原理过程。本设计应用性比较强,设计系统可以作为热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。课题主要任务是完成环境温度检测,利用单片机实现温度调节实施温度监控。设计后的系统具有操作方便,控制灵活等优点。第二章 方案设计与论证一、 项目目的1、 学习和理解DS18B20的测量原理2、 了解DS18B20的内部结构和特性3、 掌握DS18B20与单片机接口方法和编程方法二、 项目要求1、 掌握的D/A转换程序的设计方法2、 将采集到温度通过数码管显示的方法3、 通过改变温度高于和低于是会发生报警4
4、、 DS18B20构成测温系统,测量的温度精度达到0.1度,测量的温度的范围在20度到100度之间,用8位数码管显示出来。并具有上下限报警功能三、 项目方案采用LED数码管显示,即将所有位的段选线相应的并联在一起,有一个8位I/O口控制,形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制,实现各位的分时选通。其中段选线占用一个8位I/O口,而位选线占用一个4位I/O口。采用扫描显示方式,即在某一时刻,只让某一位的位选线状态,而其他各位的位选线处于关闭状态,同时,段选线上输出相应位要显示字节的段码。在确定LED不同位显示的时间间隔,不能太短,因为发光二极管从导通到发光有一定的延
5、时,导通时间太短,发光太弱人眼无法看清。但也不能太长,因为毕竟要受限于临界闪烁频率,而且此时间越长,占用CPU时间也越多,另外,显示位增多,也将占用大量的CPU时间,因此动态显示实质是一牺牲CPU时间来换取元件的减少。优点是LED数码管价格便宜,显示清晰并且编程较简单。1、电路方案:单片机复位电路报警点按键调时钟振荡电路LCD显示电路继电器控制电路温度传感器电路2、 温度传感器现场温度数据温度传感器单片机温度显示 报警灯报警温度传感器原理图首先通过DS18B20温度传感器采集现场的温度数据,经过DS18B20自身的A/D转换器为16数字代码,再通过单片机利用数码管显示当前的温度,同时设置当前超
6、过一定温度报警。 温度数据移入显示寄存器十位数0?百位数0?十位数显示符号百位数不显示百位数显示数据(不显示符号) 结束NNYY 开始温度零下?温度值取补码置“”标志计算小数位温度BCD值 计算整数位温度BCD值 结束置“+”标志NY图13显示数据刷新流程图Y发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发读取温度命令读取操作,CRC校验9字节完?CRC校验正?确?移入温度暂存器结束NNY图12计算温度流程图 初始化调用显示子程序1S到?初次上电读出温度值温度计算处理显示数据刷新发温度转换开始命令NYNY发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命令 结束图9 主程序流程图 图10读温度
7、流程图第三章 硬件设计温度报警器电路图u AT89C51图31 是单片机AT89c51的内部结构总框图。它可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时/计数器和中断逻辑几个部分。图31 AT89c51 内部结构框图AT89c51主要特性 与MCS-51单片机产品兼容 4K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态工作:0Hz33MHz 32个可编程I/O口线 2个16位定时器/计数器 6个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 灵活的ISP编程 4.0-5.5V电压工作范围 CPU由运算器和控制逻辑构成。其中包括若干
8、特殊功能寄存器(SFR) AT89C51时钟有两种方式产生,即内部方式和外部方式。(如图32所示)AT89C51中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英或陶瓷震荡器一起构成自激震荡器震荡电路如图。外接石英晶体(或陶瓷震荡器)及电容C1、C2接在放大器的震荡回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有非常严格的要求,但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡工作的稳定性、起震的难易程序及温度稳定性,如果使用石英晶体,推荐使用30pF10pF,而如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF10pF。用户还可
9、以采用外部时钟,采用外部时钟如图所示。在这种情况下,外部时钟脉冲接到XTAL1端,既内部时钟发生器的输入端,XTAL2悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频的触发器后作为内部时钟信号的所以外部时钟的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续的时间和最大低电平持续的时间应符合产品技术条件的要求。 内部震荡电路 外部震荡电路图32 AT89C51的时钟电路 AT89C51在物理上有四个存储空间:片内/片外程序存储大路、片内/片外数据存储器。片内有256B数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。除此之外,还可以在片外扩展RAM和ROM,并且和有64KB的寻址范围。 AT89C51内部有一个可编程的、全
10、双工的串行接口。它串行收发存储在特殊功能寄存器SFR的串行数据缓冲器SBUF中的数据。 AT89C51共有4个(P0、P1、P2、P3口)8位并行I/O端口,共32个引脚。P0口双向I/O口,用于分时传送低8位地址和8位数据信号;P1、P2、P3口均为准双向I/O口;其中P2口还用于传送高8位地址信号;P3口每一引脚还具有特殊功能(图3-3),用于特殊信号的输入输出和控制信号。 AT89C51内部有两个16位可编程定时器/计数器T0、T1。最大计数值为216-1。工作方式和定时器或计数器的选择由指令来确定。 中断系统允许接受5个独立的中断源,即两个外部中断,两个定时器/计数器中断以及一个串行口
11、中断。外部特性(引脚功能)AT89C51芯片有40条引脚,双列直插式封装引脚图如34所示: Vcc(40):电源+5V Vss(20): 接地 XTAL1(19)和XTAL2(18):使用内部振荡电路时,用来接石英晶体和电容;使用外部时钟时,用来输入时钟脉冲。 P0口(3932):是一组8位漏极开路行双向I/O口,也既地址/数据总线复用口。可作为输出口使用时,每位可吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入输入端用。在访问外部数据存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时,PO口接收指令字节,而在程序校验时,
12、输出指令字节,校验时,要求接上拉电阻。 P1口(18):是一个内部有上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输入缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输出口。作输入口时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流(I)。Flash编程和程序校验期间,P1口接收8位地址。 P2口(2128):是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输入缓冲极可以驱动(输入或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时和作为输出口,作输出口时,因为存在内部上拉电阻,某个引脚被外部信
13、号拉低时会输出一个电流。在访问外部存储器或1位地址的外部数据存储器(例如执行MOVXDPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVXRI指令)时,P2口线的内容(也既特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容),在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时,P2亦接收高地址和其他控制信号。 P3口(1017):是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输入缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输出端口时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除可作为一般的I/
14、O口线外,更重要的用途是它的第二功能,如图33所示:P3口还接收一些用于Flas 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。图33 P3口引脚的特殊功能 图34 AT89C51引脚图 ALE/(30):地址锁存信号输出端。在访问片外丰储器时,若ALE为有效高电平,则P0口输出地址低8位,可以用ALE信号作外部地址锁存信号。公式(21)fALE=1/6fOSC ,也可作系统中其它芯片的时钟源。第二功能是对EPROM编程时的编程脉冲输入端。 RST/VPD(9):复位信号输入端。AT89S51接能电源后,在时钟电路作用下,该脚上出现两个机器周期以上的高电平,使内部复位。第二功能是VPD,即备用电源输入端
15、。当主电源Vcc发生故障,降低到低电平规定值时,VPD将为RAM提供备用电源,发保证存储在RAM中的信号不丢失。AT89S81通常采用上电自动复位和开关手动复位,我们采用的就是这种方法。/Vpp(31):内部和外部程序存储器选择线。=0时访问外部ROM 0000HFFFFH;=1时,地址0000H0FFFH空间访问内部ROM,地址1000HFFFFH空间访问外部ROM。(29):片外程序存储器选通信号,低电平有效。u DS18B20外观图:使用集成芯片,能够有效的减小外界的干扰,提高测量的精度,简化电路的结构。使用集成芯片,已经慢慢的成为设计电路的一种趋势。本系统使用温度芯片也正是顺应了这一趋
16、势。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下:独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能;无须外部器件;可通过数据线供电,电压范围为3.05.5;零待机功耗;温度以或位数字;用户可定义报警设置;报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件;负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作; 内部结构框图如图37所示。图
17、37 DS18B20内部结构64位ROM的结构开始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。温度报警触发器和,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和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为字节的存储器,结构如图3所示。头个字节包含测得的温度信息,第和第字节和的拷贝,是易失的,每次上电复位时被刷新。第个字节,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
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