数字温度表设计-刘彩琴(2).doc
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1、数字温度表设计 刘彩琴(2) 作者: 日期:24 个人收集整理 勿做商业用途数字温度表设计摘 要 本设计的主要内容是应用单片机和温度传感器设计一个数字温度表,DS18B20是一种可组网的高精度数字温度传感器,由于其具有单总线的独特优点,可以使用户轻松地组建起传感器网络,并可使多点温度测量电路变得简单、可靠.本设计基于数字温度传感器DS18B20,以AT89S52单片机为核心设计此测试系统,具有结构简单、测温精度高、稳定可靠的优点。可实现温度的实时检测和显示,并可设置温度上下极限,配置报警范围。本文给出了系统的硬件电路详细设计和软件设计方法,完成了实验板的制作,经过调试和实验验证,实现了预期的全
2、部功能.关键词 单片机 温度传感器 温度1 硬件电路设计1.1 设备整机结构及硬件电路框图根据设计要求与设计思路,设计硬件电路框图如图31所示,硬件电路由以下8部分组成,即电源电路,单片机最小系统,时钟电路,复位电路,LED显示器驱动电路,4位LED显示器,蜂鸣电路和温度检测电路。系统中AT89S52完成对DS18B20初始化、温度采集、温度转换、温度送显、超温报警及数码显示。本装置详细组成部分如下:(1)主控模块:AT89S52单片机;(2)传感器电路:DS18B20温度传感器;(3)供电系统:7805稳压电路;(4)报警电路:蜂鸣器电路;(5)显示电路:LED数码管显示。图3-1 硬件设计
3、电路图1.2 主控电路中单片机的选型早期的单片机都是8位或4位的。随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大的提高。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起80年代提高了数百倍。 根据初步设计方案的分析,设计一个应用系统,可以选择带有可编程Flash的低功耗、高性能单片机,应用程序直接存储在片内,不用在外部扩展程序存储器,可以简化电路,且提高产品的可靠性。INTEL公司的8051和8751芯片均可选用,还有其他一些厂家生产与51系列相兼容的芯片,例如ATMEL公司生产的AT89
4、SXX系列单片机。鉴于以上要求和比较,本毕业设计采用AT89S52单片机。 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。此外还有1000次擦写周期、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、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、掉电标识符 。 AT89S52具有以下标准功
5、能:8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作.掉电保护方式下RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止.本次毕业设计主要用到P0口、P1口和P2口,所以把相关端口及其连接电路做一下说明:P0口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口.作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用
6、作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。 在本设计中用P0口连接上拉电阻和限流电阻后,再连接到LED显示电路的各个段的接口,即用做温度数据的输出口。 P1口:P1口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口,P1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平.对P1 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。在本设计中用P1口连接有电流放大驱动作用的三极管,然后再连接到LED显示电路的各个位的接口,用来作位选的输出口。 P2口:P2
7、口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口,P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。 在本设计中用到P2口的两个端口,一个用来接温度传感器DS18B20,另一个用来接蜂鸣器.P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。RST-复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。无论用户使用哪
8、种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。本单片机系统采用的复位电路,这个电路的原理是:当通电瞬间,稳压电源给电容充电,此时,在电容和电阻之间将有一个高电平也就是给单片机一个高电平使其复位。随着电容充电结束,将使电容与电阻之间将呈现低电平, 单片机复位结束。EA/VPP外部访问允许,欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000HFFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位L
9、B1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器的指令.根据设计要求,本设计选用单片机AT89S52,如图32,其引脚接线方案如下:(1)温度检测器件采用数字式温度传感器DS18B20;(2)声音报警蜂鸣器通过P2.4引脚接入;(3)P0口、P1口用来接LED显示电路。图3-2 单片机小型系统1。3 测温电路的设计图33 基于DS18B20温度传感器的测温电路 测量温度的关键是温度传感器,随着科学技术的不断进步与发展,数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换
10、器的弊端等优点,被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中,比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20。DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。具有3引脚TO92小体积封装形式,测温分辨率可达0。0625,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生。CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路.与传统的热敏电阻相比,他能够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912位的数字值读数方式。可以
11、分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量,并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源。DS18B20支持“一线总线”接口,测量温度范围为 55C+125C,在-10+85C范围内,精度为0。5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性.适合于恶劣环境的现场温度测量,如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方
12、面较DS1820有了很大的改进,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果.根据本毕业设计的要求,根据多次比较和选择,决定采用DS18B20温度传感器。其电路的连接是:单片机的P2。3口接DS18B20的I/O口(输入输出口),DS18B20的GND端接地,VCC端接电源。如图33所示。DS18B20的内部结构框图如图3-4所示。主要由四部分组成:寄生电源、64位激光ROM和单总线接口、存放中间数据的高速暂存器RAM、用于存储用户设定温度上下限值的TH和TL触发器、温度传感器、存储与控制逻辑、8位循环校验码(CRC)发生器等7部分。在硬件上,DS18B20与单片机的连接有两种方法,一种是Vcc
13、接外部电源,GND接地,I/O与单片机的I/O线相连;另一种是寄生电源供电,此时UDD、GND接地,I/O接单片机I/O。无论寄生电源还是外部供电,I/O口线要接5K左右的上拉电阻。图3-4 DS18B20内部结构图1.4 显示电路设计发光二极管是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能,常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性.当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。发光二极管的正向伏安特性曲线很陡,使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
14、发光二极管的特点是:工作电压很低(有的仅一点几伏);工作电流很小(有的仅零点几毫安即可发光);抗冲击和抗震性能好,可靠性高,寿命长;由于有这些特点,发光二极管在一些光电控制设备中用作光源,在许多电子设备中用作信号显示器.把它的管心做成条状,用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管,每个数码管可显示09十个数目字。其管脚如图35。图35 LED引脚图LED显示器的显示控制方式为静态显示和动态显示两种,因此在选择驱动器时,一定要先确定显示方式.若选择静态显示,则LED驱动器的选择较为简单,只要驱动的驱动能力与显示器电流相匹配即可。而且只须考虑段的驱动,因为共阳极接+5V,而共阴极接地,所以位的驱动
15、不需要考虑。而动态显示则不同,由于一位数据的显示是由段选和位选信号共同配合完成的.因此,要同时考虑段和位的驱动能力,而且段的驱动能力决定位的驱动能力。综合考虑,本设计决定用动态显示电路。 LED显示器的选择,在应用的系统中,设计要求不同,使用LED显示器的位数也不同,在本设计中,选择4位LED显示器满足两位整数、两位小数的设计要求。LED显示器一般都需要进行驱动,有系统硬件设计框图36可知,显示电路有LED显示器,段驱动电路和位驱动电路组成。由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器,必须采用专用的驱动电路芯片或采用三极管放大,使之产生足够大的电流,否则显示器的亮度就低,因此,本设计中采用三极
16、管放大驱动。 LED驱动电路与单片机的连接及元器件选择,本设计采用单片机的P0口和P1口作为与LED的输出接口,即P0口的作为LED的段码输出信号口,P1口的低四位作为LED位码的输出控制信号.LED硬件电路连接如设计图所示,排电阻是上拉电阻,其作用是保证驱动电路可靠导通与截止,选阻值7100的排电阻。 P0 单 P2.0片 机 P2.1P2.2P2.3图3-6 显示电路该电路的工作原理是:当P0口输出段码信号的BCD码后,由于4-LED的段译码输入引脚是并联在一起的,所以每一位的LED的段译码输入引脚都能获得这个段码信号。若要控制在每一时刻只要一位LED被电亮,必须靠位码信号控制.P1口的低
17、四位输出位码信号,经三极管放大后接到LED的位码控制端。因此P1口的位码信号在每一时刻只有一位是“0”,其它位全为“1,然后按时间顺序改变输出“0”的位置,控制在每一时刻只有一位LED被点亮,达到动态显示的目的.1.5 电源电路的设计稳压电源在电子制作中应用十分广泛,本设计采用的7805稳压电源,线路简单,价格低廉、性能稳、使用方便。图37 稳压电路7805集成稳压器可将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路.由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显著优点,在各种电源电路中得到了普遍的应用。在电子制用中应用较多的是三端固定输出稳压器.运用其器件内部电路
18、来实现过压保护、过流保护、过热保护,这使它的性能很稳定.能够实现1A以上的输出电流器件具有良好的温度系数。7805是三端稳压器件,顾名思义05就是输出电压为5v,还可以微调,7805输出波纹很小。它的样子象是普通的三极管,7805三端固定集成稳压器有三个端子:输入端UI、输出U0和公共端COM。输入端接整流滤波电路,输出端接负载;公共端接输入、输出的公共连接点.其内部由采样、基准、放大、调整和保护等电路组成。保护电路具有过流、过热及短路保护功能。7805三端集成稳压器可直接用于各种电子设备作电压稳定器,无须外接任何元件,即可达到标准的稳压值,也可在公共端(GND)接分压元件改变输出电压值;由于
19、内部带有过流、过热保护等电路,所以使用非常方便、可靠。因为三端固定集成稳压电路的使用方便,电子制作中经常采用。1.6 时钟电路的设计图3-8时钟电路的连接图本电路选石英晶振作为时钟组件,接至AT89S52的XTAL1,XTAL2引脚组成时钟电路,如设计图38所示。石英晶片所以能做振荡电路(谐振)是基于它的压电效应,从物理学中知道,若在晶片的两个极板间加一电场,会使晶体产生机械变形;反之,若在极板间施加机械力,又会在相应的方向上产生电场,这种现象称为压电效应.如在极板间所加的是交变电压,就会产生机械变形振动,同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说,这种机械振动的振幅是比较小的,其振动频率则是
20、很稳定的。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振,振荡器直接应用于电路中, 单片机的时钟有两种方式,如图3-9所示,一种是片内时钟振荡方式,但需在18和19脚外接石英晶体(212MHz)和振荡电容,振荡电容的值一般取10p30p。另外一种是外部时钟方式,即将XTAL1接地,外部时钟信号从XTAL2脚输入。本设计采用内部时钟方式,选石英晶振作为时钟组件,接至AT89S52的XTAL1,XTAL2引脚组成时钟电路,如设计图3-8所示,其中石英晶振选11.0592MHz,C1、C2为负载电容,选C1=C2=30pF的瓷介电容。本设计采用内部时钟方式,在外面接一晶振。图39 可与单片机组合的两种
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