数字温度计的设计说明.doc
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1、摘要在一些温控系统电路中,广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路,转换成AD转换器能接收的模拟量,再经过采样保持电路进行AD转换,最终送入单片机及其相应的外围电路,完成监控。但是由于传统的信号调理电路实现复杂、易受干扰、不易控制且精度不高。本文介绍单片机结合DS18B20温度控制系统设计,因此,本系统用一种新型的可编程温度传感器DS18B20,不需复杂的信号调理电路和AD转换电路能直接与单片机完成数据采集和处理,实现方便、精度高,可根据不同需要用于各种场合。关键词:单片机,AT89S51,MAX232,传感器DS18B20目 录摘要I第一章绪论11.1 单片机概述
2、11.2 选题背景及设计意义21.3设计方案论证3第二章硬件设计52.1硬件电路的设计52.2各元器件介绍12第三章系统软件设计173.1设计流程图173.2汇编语言程序21第四章调试344.1终合调试34致36参考文献37附录38第一章绪论1.1单片机概述单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上,构成一台功能独特的单片微型计算机。一台典型的单片机的基本组成结构包括中央处理器CPU,存储器ROM和RAM,并行I/O口,串行I/O口,定时器/计数器,定时电路及元件。由此可见,单片机在结构上突破了常规的按逻辑功能划分芯片。由多片构成了微型计算机的设计思想,将构成计算机的许多功能
3、集成在一块晶体芯片上。单片机的特点:1 单片机中的存储器ROM和RAM是严格分工的。ROM为程序存储器,只存放程序、常数及数据表格。而RAM则为数据存储器,用作工作区及存放变量。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中,有较大的程序存储空间,把已调试好的程序固化在ROM中,而把少量的随机数据存放在RAM中,这样,小容量数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机,以加快单片机的执行速度。但单片机上RAM是作为数据存储器用,而不是当作高速数据缓冲存储器Cache用。可靠性良好:单片机是按照工业控制要求设计的,其抗工业噪声干扰优于一般的 CPU,程序指令及常数数据都烧在ROM,其许多信号通道均在同一
4、芯片,因此可靠性较高。2 采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要,单片机的逻辑控制能力要优于同等级的CPU,持别是单片机具有很强的位处理能力。单片机的运行速度也较高。3 单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数有限,了解决实际引脚数和需要的信号线数的矛盾,采用了引脚功能复用的方法,引脚处于何种功能,可由指令来设置或由机器状态来区分。4 系列齐全,功能扩展性强。单片机有部掩膜ROM、部EPROM和外接ROM等形式,并可方便地扩展外部的ROM、RAM及I/O接口,与许多通用的微机接口芯片兼容,对应用系统的设计和生产带来极大的方便。5 单片机的功能是通用的。单片机虽然主要作控制器用
5、,但是功能上还是通用的,可 以象一般微处理器那样广泛应用在各个方面。单片机的应用领域如下:1 家用电器领域:目前国各种家用电器已普遍采用单片机控制取代传统的控制电路,做成单片机控制系统。2 办公自动化领域:现代办公室所使用的大量通信,信息产品多数采用了单片机。3 在商业营销系统已广泛使用的电子秤,收款机,条形码阅读器,仓库安全监控系统,商场保安系统,空气调节系统等,目前已纷纷采用单片机构成专用系统。4 工业自动化:如工业过程控制,过程监测,工业控制器及机电一体化系统等,这些系统除一些小型工控机之外,许多都是以单片机为核心的单机或多机网络系统。5 智能仪表与集成智能传感器传统的控制电路:目前各种
6、变送器,电气测量仪表普遍采用单片机应用系统替代传统的测量系统,使测量系统具有各种智能化功能。将单片机和传感器相结合可以构成新一代的智能传感器。他将传感器初级变换后的电量做进一步的变换,处理,输出能满足远距离传送,能与微机接口的数字信号。6 汽车电子与航空航天电子系统:通常在这些电子系统中的集中显示系统,动力监测控制系统,自动驾驭系统,通信系统,以及运行监视器黑匣子等,都要都成冗余的网络系统。1.2 选题背景及设计意义一、选题背景最早的温度计是在1593年由意大利科学家伽利略发明的。他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管,另一端带有核桃大的玻璃泡。使用时先给玻璃泡加热,然后把玻璃管插入水中。随着
7、温度的变化,玻璃管中的水面就会上下移动,根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。这种温度计,受外界大气压强等环境因素的影响较大,所以测量误差大。荷兰人华伦海特在1709年利用酒精,在1714年又利用水银作为测量物质,制造了更精确的温度计。把一定浓度的盐水凝固时的温度定为0,把纯水凝固时的温度定为32,把标准大气压下水沸腾的温度定为212,用代表华氏温度,这就是华氏温度计。 二、设计意义本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比,具有读数方便,测温围广,测温准确,其输出温度采用数字显示,主要用于对测温比较准确的场所,或科研实验室使用。它具有结构简单,不需外接元件,采用一根I/ O 数据线
8、既可供电又可传输数据、并可由用户设置温度报警界限等特点,可广泛用于食品库、冷库、粮库等需要控制温度的地方。该设计控制器使用单片机AT 89S51,测温传感器使用DS18B20,实现温度显示,能准确达到以下要求:测温围-55125精度误差小于0.5。LED数码管直读显示 可以任意设置温度的上下限报警功能。1.3设计方案论证方案一:本电路是温度计的设计,在测温电路中利用热敏电阻器件的感温效应,将随被测温变化的电压或电流采集过来,进行A/D转换后,用单片机进行数据处理,经显示电路就可以显示出来。方案二:在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制,传统的测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电
9、阻测出的一般都是电压,再转换成对应的温度,需要比较多的外部硬件支持,硬件电路复杂,软件调试复杂,制作成本高。方案三:基于单片机的温度传感器设计的数字温度计已经很成熟,各种精度很高的温度计不断推出。数字温度计要求检测的精度必须高于控制的精确度,否则无从实现控制的精度要求。所以精度已经成为数字温度计的一项重要的性能参数。因此追求高精度是数字温度计的一个目标。不仅如此,检测还涉及国计民生各个部门,可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量围等,在很大程度上决定了科学技术的发展水平。同时,科学技术的发展达到的水平越高
10、,又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前市场上出现了很多传感器,很多精度高的传感器已经出现,而且精度越来越高。数字温度计未来将会更精确、更人性化,为我们做出更多贡献。为此我们选择方案三的设计,框图如下:图1-1 时钟结构图LED显示主控制器温 度传感单片机复位报警点按键时钟振荡温度计电路设计总体设计方框图如图所示,控制器采用单片机AT89S51,温度传感器采用DS18B20,用四位LED数码管以串行口传送数据实现温度显示。第二章硬件设计2.1硬件电路的设计图2-1 硬件电路设计图本设计系统共由四部分组成: AT89S51为控制装置,负责各部分的控制和数据采集。 DB9和MAX232组
11、成了通讯系统,负责和上位机通讯的TTL/RS232电平转换。 DS18B20为温度测量装置,负责对温度进行采集并转换为数字信号送AT89S51进行处理。 共阳极数码管为显示装置,负责显示工作状态和DS18B20 采集到的数据。注:LED数码管驱动电路中采用P0 口加上拉电阻的形式,为方便焊接,本设计中电阻使用了排阻的方式,三极管使用的是S9012.1、时钟电路时钟电路可以简单定义如下:1.就是产生象时钟一样准确的振荡电路。 2.任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号,时序是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如同一个复杂的同步
12、时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。在AT89S51单片机部带有时钟电路,因此,只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件,即可构成一个稳定的自激振荡器。在AT89s51芯片部有一个高增益反相放大器,而在芯片的外部,XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。在单片机的XTAL1脚和XTAL2脚之间并接一个晶体振荡器就构成了部振荡方式。AT89S51单片机部有一个高增益的反相放大器,XTAL1为部反相放大器的输入端,XTAL2为部反相放大器的输出端,在其两端接上晶振后,就构成了自激振荡电路,并产生振荡脉冲,振荡电路输出
13、的脉冲信号的频率就是晶振的固有频率。在实际应用常还需要在晶振的两端和地之间各并上一个小电容。AT89S51的时钟电路如图2.2所示:图中,电容器C1、C2常称为微调电容,其作用有三个:图2-2 AT89S51的时钟电路快速起振、稳定振荡频率、微调振荡频率。AT89S51单片机允许外接033MHz的晶振,电容器C1、C2可取5pF33pF。一般情况下,使用频率较低的晶振时,C1、C2的容量可选大一点。为了更好地保证振荡器稳定可靠地工作,在实际装配电路时,晶振X和电容C1、C2应尽可能地安装在XTAL1、XTAL2引脚附近。部振荡方式所得到时钟信号比较稳定,在实际电路中,一般是选用部振荡方式。用晶
14、振和电容构成谐振电路。电容大小与晶振频率和工作电压有关。但电容的大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性,为了提高精度,本实验板采用30pF的电容作为微调电容。在设计电路板时,晶振、电容等均应尽可能靠近芯片,以减小分布电容,保证振荡器振荡的稳定性。2、复位电路复位的功能:复位是单片机的初始化操作,其目的是使CPU和系统中各部分处于一个确定的状态,并从这一状态开始工作。系统上电路或死机后都要进行复位操作。单片机复位时,将程序计数器PC初始化为0000H,表明复位后程序从0000H地址单元开始执行,同时复位时输出控制信号ALE,PSEN均为高电平。复位后,P0P3口输出高电平,且使准双向口均处于输入状
15、态。复位不改变片RAM单元的容,但使各特殊功能寄存器SFR回复到初始状态,复位后各特殊功能寄存器值如表26所示:表26 主要特殊功能寄存器复位初始值特殊功能寄存器 初始值特殊功能寄存器初始值ACC00HTCON00HB00HTMOD00HPSW00HTL000HSP07HTH000HDPTR0000HTL100HP0P3FFHTH100HPCON0XXX 0000BT2CON00HAUXRXXX0 0XX0BT2MODXXXX XX00BAUXR1XXXX XXX0BRCAP2L00HIE0X00 0000BRCAP2H00HIPXX00 0000BTL200HSCON00HTH200HSBU
16、FXXXX XXXXXBWDTRSTXXXX XXXXB表26中部分符号的含义如下:PSW=00H:表明复位后自动选择第0组工作寄存器组为当前工作寄存器组SP=07H:表明堆栈指针指向片RAM07H单元,堆栈的压入操作为先加后压,所以第一个被压入的数据存放在08H单元中P0P3=FFH:表明各端口写入1,此时各端口既可作输入口,也可以作输出口AUXR=XXX0 0XX0:表明ALE引脚在CPU不访问外部存储器期间有脉冲信号输出AUXR1=XXXX XXX0:表明选择DPTR0作数据指针IE=00H:表明各中断均关闭TCON=00H:表明T0,T1 均被停止SCON=00H:表明串口处于方式0,
17、允许发送,不允许接收PCON=00H:表明SMOD=0,波特率不加倍。PD=0,IDL=0,单片机处于正常工作方式。单片机的RST引脚为复位引脚,振荡电路正常工作后,RST端加上持续两个机器周期的高电平后,单片机就被复位。复位电路有3种基本方式:上电复位,开关复位和看门狗复位。这里只介绍上电复位和开关复位。1 上电复位上电复位的含义:计算机在接通电源的时候会进行一系列的初始化操作,包括测试存,向存导入BIOS数据,初始化寄存器,初始化各个硬件等等,统称上电复位。所谓上电复位就是单片机只要一上电就自动实现复位操作。常用的上电复位电路如图1所示图2-3 单片机上电复位电路图 a 图a、图b所示电路
18、在本质上是一样,它们都是RC微分复位电路。由于单片机的RST端对地存在一个等效电阻R,图a中的微分电阻为R1与R的并联电阻,图b中的微分电阻取至RST端的等效电阻R。上电时,电源通过微分电阻对电容充电,由于电容两端电压不能突变,所以RST端出现一个正脉冲。过一段时间后,电容两端电荷充满,电容等效为开路,于是RST端所加电压为低电平,单片机完成复位。从图中可以看出,RST端高电平持续时间取于RC电路的充电时间常数。合理选择C1和R1就可以实现上电复位。由于上电后,振荡电路起振要经历一个振荡建立时间,不同频率的振荡器,起振荡建立时间不同,所以不同振荡频率下,上述上电复位电路的参数不同。通常要求上电
19、时RST复位高电平能持续10ms以上,R、C的取值一般为:C1=1030F,R1=1K10K当晶振频率为6MHz时,可取R1=1 K,C1=22F晶振频率为12MHz时,可取C1=10F,R1=8.2 K2开关复位开关复位是指通过接通按钮开关,使单片机进入复位状态。开关复位电路一般不单独使用。在应用系统设计中,若需使用开关复位电路,一般的做法是将开关复位与上电复位组合在一起形成组合复位电路,上电复位电路完成上电复位功能,开关复位电路完成人工复位。这种组合复位电路如图2所示图2.3-单片机组合复位电路图单片机组合复位电路:图中C1,R1构成了上电复位电路。上电复位后,电源经R1对C1充满电源,C
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