毕业设计方案基于C单片机DSB温度计的设计和实现.doc
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1、前 言单片机在电子产品中应用已经越来越广泛,在很多电子产品中也用到了温度检测和温度控制。伴随温度控制器应用范围日益广泛和多样性,多种适适用于不一样场所智能温度控制器应运而生。电子温度计出现,给人类生活带来了很多方便,使人类不管是在生活还是在工业方面全部有了很多便利之处。不过电子温度计关键应用还是在生产过程、试验室及研究所。电子温度计本身可由电源提供电压,用温度传感器检测温度,所以电子温度计属温度系统。控制理论从经典理论、现代理论已经发展到更优异控制理论,控制系统也由简单控制系统、大系统发展到今天复杂系统。本文讨论电子温度计温度控制系统AT89C2051单片机提取DS18B20转化成温度改变经过
2、单片机内部A/D转化电路转化成数值并由数显电路显示出来。在我们日常生活及多种生产中,常常要用到温度检测及控制,传统测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出通常全部是电压,再转换成对应温度,需要比较多外部硬件支持。其缺点以下:1 硬件电路复杂;2 软件调试复杂;3 制作成本高。 而传统温度计也有反应速度慢、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DS18B20设计并制作了一款基于AT89C514位数码管显示数字温度计,其电路简单,软硬件结构模块化,易于实现。其中温度传感器DS18B20,它集温度测量、AD转换于一体,其测量范围宽(-55125),DS18B20是一款含有
3、单总线结构器件。 由DS18B20组建温度测量单元体积小,便于携带、安装。同时,DS18B20输出为数字量,能够直接和单片机连接,无需后级AD转换,控制简单。第一章 总体设计方案1.1 系统设计标准 通常系统设计标准包含安全性(稳定抗干扰性),操作便利性(人性化),实时性,通用性和经济性。(1)安全可靠 首先要选择高性能AT89C51单片机,确保在恶劣工业环境下能正常运行。其次是设计可靠控制方案,并含有多种安全保护方法,如报警、事故估计、事故处理和不间断电源等。(2)操作维护方便操作方便表现在操作简单、直观形象和便于掌握且不强求操作工要掌握计算机知识才能操作。(3)实时性强选择高性能AT89C
4、51单片机实时性,表现在内部和外部事件能立即地响应,并做出对应处理。(4)通用性好 系统设计时应考虑能适应不一样设备和多种不一样设备和多种不一样控制对象,并采取积木式结构,根据控制要求灵活组成系统。关键表现在两个方面:一是硬件板设计采取标准总线结构(如PC总线),配置多种通用模板,方便扩充功效时,只需增加功效模板就能实现;二是软件功效模块或控制算法采取标准模块结构,用户使用时不需要二次开发,只需多种功效模块,灵活地进行控制系统组态。(5)经济效益高 1.2 系统设计步骤(1)系统总体方案设计、(2)方案论证评审 硬件和软件分别细化设计 硬件和软件分别调试 系统组装 (3)离线仿真和调试阶段 1
5、.3 系体总体方案设计和框图设计(1)系统关键功效、技术指标、原理性方框及文字说明。(2)系统硬件结构几配置,关键软件功效、结构几框图。(3)确保性能指标要求技术方法。(4)抗干扰性和可靠性设计。 (5)工艺要求温度数码管显示。调整温度超调量小于30%。 实现温度闭环控制,控制温度误差范围0.1。温度范围:-50 125。供电电压:交流5。 方案一:方案一:考虑到用温度传感器,在单片机电路设计中,大多全部是使用传感器,所以这是很轻易想到,所以能够使用热敏电阻之类器件利用其感温效应,感温电路比较麻烦,进行A/D转换,才能够满足设计要求。方案二:因为本设计是测温电路,首先要选择高性能AT89C51
6、单片机,确保在恶劣工业环境下能正常运行。单片机AT89C51含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设计需要,很适合便携手持式产品设计使用系统可用二节电池供电。测温传感器使用二极管结电压改变数值来转化成温度改变,在将随被测温度改变电压或电流采集过来,进行A/D转换后,就能够用单片机进行数据处理,在显示电路上,就能够将被测温度显示出来。从以上两种方案,很轻易看出,采取方案二,电路比较简单,软件设计也比较简单,故采取了方案二。考虑到方案中制作数字温度计,在单片机电路设计中,大多全部是使用传感器,这是很轻易想到,所以能够采取一只温度传感器DS18B20,此传感器,能够很轻易
7、直接读取被测温度值,进行转换,就能够满足设计要求。温度计电路设计总体设计方框图图1所表示,控制器采取单片机AT89C51,温度传感器采取DS18B20,用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。主 控 制 器LED显示单片机复位 报警点按键调整温 度 传 感 器时钟振荡图1.1 总体设计方框图第二章 硬件设计2.1关键器件说明2.1.1 主控制器 单片机AT89S51含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设计需要,很适合便携手持式产品设计使用系统可用二节电池供电。图2.1所表示。图 2.1 (1)关键特征:和MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存放器 寿命:1
8、000写/擦循环数据保留时间:全静态工作:0Hz-24Hz三级程序存放器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中止源 可编程串行通道低功耗闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 (2)管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存放器,它能够被定义为数据/地址第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必需被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻8位双向I/O
9、口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是因为内部上拉缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并所以作为输入时,P2口管脚被外部拉低,将输出电流。这是因为内部上拉缘故。P2口当用于外部程序存放器或16位地址外部数据存放器进行存取时,P2口输出地址高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存放器进行读写时,P2
10、口输出其特殊功效寄存器内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,因为外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是因为上拉缘故。P3口也可作为AT89C51部分特殊功效口,以下表所表示:口管脚 备选功效P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中止0)P3.3 /INT1(外部中止1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据
11、存放器写选通)P3.7 /RD(外部数据存放器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收部分控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存放器时,地址锁存许可输出电平用于锁存地址地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率1/6。所以它可用作对外部输出脉冲或用于定时目标。然而要注意是:每当用作外部数据存放器时,将跳过一个ALE脉冲。如想严禁ALE输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在实施MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引
12、脚被略微拉高。假如微处理器在外部实施状态ALE严禁,置位无效。PSEN:外部程序存放器选通信号。在由外部程序存放器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存放器时,这两次有效/PSEN信号将不出现。EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存放器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存放器。注意加密方法1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存放器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1:反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。XTAL2:来自反向振荡器输出。2.1.2 显示器显示电路采
13、取3位共阳LED数码管,利用动态扫描方法,从P0口输出段码,P2口P2.5、P2.6、P2.7输出位码。(1)LED数码有共阳和共阴两种,把这些LED发光二极管正极接到一块(通常是拼成一个8字加一个小数点)而作为一个引脚,为共阳管。以下图2.2、2.3所表示: 图2.2 图2.32.1.3 温度传感器DS18B20温度传感器是采取美国DALLAS企业生产 DS18B20可组网数字温度传感器芯片,经焊接,外加不锈钢保护管封装而成,含有耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样,适适用于多种狭小空间设备数字测温和控制领域,而且可依据实际要求经过简单编程实现912位数字值读数方法。::技术性能描述*
14、独特单线接口方法,DS1820在和微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器和DS1820双向通讯,在使用中不需要任何外围元件。* 测温范围 55125,固有测温分辨率0.5。 -* 支持多点组网功效,多个DS1820能够并联在唯一三线上,实现多点测温。* 工作电源: 35V/DC* 测量结果以9位数字量方法串行传送。* 不锈钢保护管直径 6 * 适适用于1/2”, 3/4”, 1”, DN40DN250多种介质工业管道和狭小空间设备测温:应用范围* 该产品适适用于冷冻库,粮仓,储罐,电讯机房,电力机房,电缆线槽等测温和控制领域* 轴瓦,缸体,纺机,空调,等狭小空间工业设备测温和控制。* 汽
15、车空调、冰箱、冷柜、和中低温干燥箱等。* 供热/制冷管道热量计量,中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制.DS18B20性能特点以下:*独特单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;*多个DS18B20能够并联在惟一三线上,实现多点组网功效;*无须外部器件;*可经过数据线供电,电压范围为3.05.5V;*零待机功耗;*温度以9或12位数字;*用户可定义报警设置;*报警搜索命令识别并标志超出程序限定温度(温度报警条件)器件;*负电压特征,电源极性接反时,温度计不会因发烧而烧毁,但不能正常工作; I/OC64位ROM单线接口高速缓存存放器和控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位C
16、RC发生器VddDS18B20采取3脚PR35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图图2.4所表示。 图2.4 DS18B20内部结构DS18B20内部结构关键由四部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非挥发温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20管脚排列图2.5所表示: 图2.5 DS18B20温度传感器内部存放器还包含一个高速暂存RAM和一个非易失性可电擦除EERAM。高速暂存RAM结构为8字节存放器,结构图2.6所表示。头2个字节包含测得温度信息,第3和第4字节TH和TL拷贝,是易失,每次上电复位时被刷新。第5个字节,为配置寄存器,它内容用于确定温度值数字转换分辨率。DS1
17、8B20工作时寄存器中分辨率转换为对应精度温度数值。该字节各位定义图2.7所表示。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决定温度转换精度位数,来设置分辨率。由表2.1可见,DS18B20温度转换时间比较长,而且分辨率越高,所需要温度数据转换时间越长。所以,在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。表2.1 DS18B20温度转换时间表R1R0分辨率/位温度最大转换时间/MS00993.750110187.510113751112750高速暂存RAM第6、7、8字节保留未用,表现为全逻辑1。第
18、9字节读出前面全部8字节CRC码,可用来检验数据,从而确保通信数据正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后,开始开启转换。转换完成后温度值就以16位带符号扩展二进制补码形式存放在高速暂存存放器第1、2字节。单片机能够经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0.0625LSB式表示。当符号位S0时,表示测得温度值为正值,能够直接将二进制位转换为十进制;当符号位S1时,表示测得温度值为负值,要先将补码变成原码,再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应二进制温度数据。DS18B20完成温度转换后,就把测得温度值和RAM中TH、TL字节内容作比较。若TTH或TTL,则将该器件
19、内报警标志位置位,并对主机发出报警搜索命令做出响应。所以,可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM最高有效字节中存放有循环冗余检验码(CRC)。主机ROM前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20CRC值作比较,以判定主机收到ROM数据是否正确。另外,因为DS18B20单线通信功效是分时完成,它有严格时隙概念,所以读写时序很关键。系统对DS18B20多种操作按协议进行。操作协议为:初使化DS18B20(发复位脉冲)发ROM功效命令发存放器操作命令处理数据。分别说明以下:(1)初始化 单总线全部处理均从初始化开始。初始化过程是主机经过向作为从机DS18B20芯片发一个
20、有时间宽度要求初始化脉冲实现。初始化后,才可进行读写操作。(2) ROM操作命令 总线主机检测到DS18B20存在 便能够发出ROM操作命令之一 这些命令表2.2:表2.2 ROM操作命令指 令代 码Read ROM(读ROM)33HMatch ROM(匹配ROM)55HSkip ROM(跳过ROMCCHSearch ROM(搜索ROM)F0HAlarm search(告警搜索)ECH (3) 存放器操作 命令如表2.3: 表2.3 存放器操作命令指令代码Write Scratchpad(写暂存存放器)4EHRead Scratchpad(读暂存存放器)BEHCopy Scratchpad(复
21、制暂存存放器)48HConvert Temperature(温度变换)44HRecall EPROM(重新调出)B8HRead Power supply(读电源)B4H(4)时序 主机使用时间隙(time slots)来读写DS18B20数据位和写命令字位初始化 图2.7 初始化时序时序见图2.7,主机总线to时刻发送一复位脉冲(最短为480us低电平信号),接着在tl时刻释放总线并进入接收状态。DS18B20在检测到总线上升沿以后等候15-60us,接着DS18B20在t2时刻发出存在脉冲(低电平 连续60-240 us)。图中虚线所表示:写时间隙 图2.8.1 写0时序 图2.8.2 写1
22、时序当主机总线t o时刻从高拉至低电平时,就产生写时间隙见图2.8.1和图2.8.2。从to时刻开始15us之内应将所需写位送到总线上,DSl820在t o后15-60us间对总线采样。若低电平,写入位是0。见图2.5.1。若高电平写入位是1见图2.5.2。连续写2位间间隙应大于1us。读时间隙 见图2.9,主机总线to时刻从高拉至低电平时,总线只须保持低电平l us。以后在t1时刻将总线拉高,产生读时间隙,读时间隙在t1时刻后t 2时刻前有效,t 2距to为15us。也就是说t 2时刻前主机必需完成读位,并在t o后60us一120us内释放总线,读位子程序(读得位到C中)。图2.9 读时序
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- 毕业设计 方案 基于 单片机 DSB 温度计 设计 实现
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