基于单片机的温度显示报警系统的设计.docx
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基于单片机的温度显示报警系统的设计
摘要
随着现代工农业技术的发展及生活环境的提高,人们迫切的需要检测与控制温度。
如大气及空调房中温度的高低,直接影响人们身体健康;在工业生产中,温控制也会起到关键性的作用。
本文设计了一个先进的温度测量及报警系统。
本设计主要根据单片机原理及应用,设计了一个温度显示报警系统,介绍了各种硬件器材及简单的软件设计方案。
如AT89S2052单片机、ADC0809、LED数码管显示屏、7805三端稳压集成芯片、蜂鸣器、发光二极管、按键以及阻值不等的电阻、电容等一些外部扩展设备。
重点介绍了单片机的内部结构和工作过程,详细叙述了整个系统的原理和工作过程以及软件编程思想及实现过程。
结合程序进行了相应的分析,对结果进行了说明。
本设计最终可实现室温水温等很多温度的检测,以及当实际温度超过上限或者低于下限时系统发出声光报警的主要功能。
关键词:
单片机;LED数码管显示;稳压集成芯片
Abstract
Withthedevelopmentofmodernindustryandagriculturaltechnologyandtheimprovementofpeople'slivingenvironment,thedetectionandcontrolofthetemperatureisnowseriouslyneeded.Forexample,thetemperatureintheatmosphereandair-conditionedroomsdirectlyeffectsonthehealthofpeople.Intheprocessoftheindustrialproducing,thetemperaturecontrolalsoplaysanimportantrole.Inthispaper,anadvancedtemperaturemeasurementandalarmsystemisdesigned.
Inthispaper,basingontheprincipleofsinglechipmicrocomputer(SCM),somekindsofhardwareequipmentsareintroduced,suchasAT89S2052SCM,ADC0809,LEDnixiedisplay,7805three-regulatorintegratedchip,buzzer,light-emittingdiode,button,resistance,andotherexternalexpandeddevices.ThispapermainlyfocusesontheinternalstructureandworkingprocessofSCM,theprincipleandapplicationsofthenixiedisplay.The2X2-keys-keyboardandaresetbuttonareadopted.Inthispaper,detailedlydescribestheprincipleandworkingprocessoftheentiresystem,introducestheideaofthesoftwareprogrammingandrealizingprocess,analysestheresultscombiningwiththeprogram.
Itcanreliazemeasuringthetemperatureoftheroomandthewaterfinally.Oncetheactualtemperatureexceedingtheupperandlowerlimit,thefunctionofthesoundandlightalarmcanbeobtained.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer;LEDnixiedisplay;Regulatorsintegratedchip
1绪论
在人们日常的工作与生活中,温度与我们每一个人都有非常密切的关系。
随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境的提高人们也迫切的需要检测与控制温度。
如大气及空调房中温度的高低,直接影响人们身体健康;在工业生产中,温控制也会起到关键性的作用。
1.1设计背景
单片机技术作为计算机技术的一个重要分支近几十年来,它广泛应用于工业生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、智能化仪表、科技计算、商业管理、办公室自动化、家用电器和电子玩具等诸多方面。
单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点,因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。
近几年来,单片机的发展更为迅速,它已经渗透到诸多科学领域,以及人们生活的各个方面。
温度计是现实生活中常见的用品之一,有家庭用测室温的普通煤油温度计,有医院用来测量患者体温用的水银温度计,也有工业上用来远程控制的电子温度计。
工业上温度控制尤为重要,比如有些化学反应需要特定的温度才能发生,这就需要不但要有温度显示功能,而且要有报警功能,才能更好的工作。
所以本设计主要有温度显示于报警两个功能!
如果说AT89S52是心脏,那么数码管显示器就是眼睛,如果没有它,那么这次设计将会失色不少,它的作用主要就是显示所要输出的内容,这样会比较直观,但对其控制电路的设计也是相当重要的。
1.2设计思想
在设计中采用了AT89S52单片机,就温度而言,通常可采用液晶显示或数码管显示。
但由于一般的段式液晶屏,需要专门的驱动电路,而且液晶显示作为一种被动显示,可视性相对较差;对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块(字符或点阵),一般多采用并行接口,对微处理器的接口要求较高,占用资源多[4]。
另外,AT89S52本身无专门的液晶驱动接口,因此,采用数码管显示方式。
数码管作为一种主动显示器件,具有亮度高、价格便宜等优点。
测温方面选用LM35,LM35小巧方便价格也比较便宜。
但是LM35不能单独完成温度测量任务,需要一个AD转换器来完成,由于AT89S52单片机内不含有AD转换器所以必须外接AD转换器,选择了AD0809而没有试用AD590等高精度转换器。
因为这个设计主要是想完成室温和水温的检测不要求太高的精度,而且价格上也要便宜很多。
1.3硬件工作过程
1、温度检测:
通过温度敏感元件LM35将温度信号转化为岁温度高地近似现行变化的电信号,然后经传环电路将其放大整形,输出能够为单片机所接受的0V~5V的标准信号。
2、显示与报警:
将处理完的的温度值用4位数码管显示出来,可以用来显示温度,设置温度上下限度。
3、设置与修改:
本设计采用2×2键盘,S1一键进入设置温度上限,S2、S4改温度,S2温度加1℃;S4度减1℃,再次按下S1进入温度下限调整。
按下S3直接切换到温度显示状态。
2AT89S52单片机
2.189系列单片机简述[1][2]
ATMEL89系列单片机(简称89系列单片机)是ATMEL公司的8位Flash单片机系列[7]。
这个系列单片机的最大特点就是片内含Flash存储器,因此有着十分广泛得用途,特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显的更为有用。
另外,89系列单片机是以8031为核心构成的。
所以,它和8051系列单片机是兼容的系列。
2.1.189系列单片机的特点
1、内部含Flash存储器
由于内部含Flash存储器,因此在系统的开发过程中可以十分容易地进行程序的修改。
这就大大缩短了系统的开发周期。
同时,在系统工作过程中,能有效地保存一些数据信息,即使外界电源损坏也不影响信息的保存。
2、和AT80C51插座兼容
89系列单片机的引脚和80C51是一样的,所以,当用89系列单片机取代80C51时,可以直接进行代换。
3、静态时钟方式
89系列单片机采用静态时钟方式,所以可以节省电能。
这对于降低便携式产品的功耗十分有用。
4、错误编程亦无废品产生
一般的OTP产品,一旦错误编程就成了废品。
而89系列单片机内部采用了Flash存储器,所以,错误编程之后仍可以重新编程,直到正确为止,故不存在废品。
5、可反复进行系统试验
用89系列单片机设计的系统,可以反复进行系统试验。
每次试验可以编入不同的程序,这样可以保证用户的系统设计达到最优。
而且随用户的需要和发展,还可以进行修改,使系统能不断追随用户的最新要求。
6、可以在线编写程序
采用89S52单片机可以在线编写程序,直接用ISP下载线与电脑相连即可以下载程序。
在设计PCB电路板时添加ISP下载线插座就可以。
2.1.289系列单片机的结构状况
89系列单片机的内部结构和80C51相近,含有如下一些部件。
1、8031CPU。
2、振荡电路。
3、总线控制部件。
4、中断控制部件。
5、片内Flash存储器。
6、片内RAM。
7、并行I/O接口。
8、定时器。
9、串行I/O接口。
2.2AT89S52简介
AT89S52是由美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含8K字节的可反复擦写的闪速存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89S52单片机可提供许多高性价比的应用场合。
2.2.1主要性能
1、与MCS-51产品指令系统完全兼容。
2、8K字节可重擦写闪速存储器。
3、1000次擦写周期。
4、4.0-5.5V的宽工作电压范围。
5、全静态操作:
时钟频率0-33MHz。
6、三级加密程序存储器。
7、32个可编程I/O口线。
8、三个16位可编程定时/计数器。
9、八个中断源。
10、全双工UARL通道。
11、低功耗空间和掉电模式。
12、掉电后中断可唤醒。
13、看门狗定时电路。
14、双数据指针。
15、掉电标识符。
2.2.2功能特性概述
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,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM32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,一个6向量2级中断结构,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。
2.3AT89S52的结构框图
AT89C2051是一个带有2K字节闪速可编程、可擦除、只读存储器(PEROM)的低电压、高性能的8位CMOS微型计算机。
它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造,并和工业标准MCS—51的指令集和引脚结构兼容。
通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器,ATMEL的AT89S52是一强劲的微型计算机,它对许多嵌入式控制应用提供高度灵活和成本低的解决办法。
89S52在内部I/O控制上继承了MCS51的特性:
8路2级优待中断,串行口,2路定时器/计数器,内部组成如图2.1所示。
从AT89S52内部结构图也可看出,其内部结构与8051内部结构基本一致(除模拟比较器外),引脚RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部连接电路也完全与51系列单片机相应引脚一致,但P1口、P3口有其独特之处。
在空闲模式下,CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态,这种方式由软件产生。
此时,片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。
空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
P1.0和P1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“0”,或者在使用上拉电阻的情况下设置为“1”。
应注意的是:
在用硬件复位终止空闲模式时,AT89S52通常从程序停止一直到内部复位获得控制之前的两个机器周期处恢复程序执行。
在这种情况下片内硬件禁止对内部RAM的读写,但允许对端口的访问,要消除硬件复位终止空闲模式对端口意外写入的可能,原则上进入空闲模式指令的下一条指令不应对端口引脚或外部存储器进行访问。
在掉电模式下,振荡器停止工作,进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令,片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。
退出掉电模式的唯一方法是硬件复位,复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容,在Vcc恢复到正常工作电平前,复位应无效,且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。
P1.0和P1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“0”,或者在使用外部上拉电阻时应设置为“1”。
框图见附录C
2.4AT89S52的引脚说明
AT89S52是一个有40个引脚的芯片,引脚如图2.1所示,
图2.1AT89S52引脚图
AT89S52芯片的40个引脚功能为:
VCC:
电源
GND:
地
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flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
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)。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
表2.1部分引脚第二功能
引脚号
第二功能
P1.0
T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1
T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
P1.5
MOSI(在系统编程用)
P1.6
MISO(在系统编程用)
P1.7
SCK(在系统编程用)
P2口:
P2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)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
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。
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)。
P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
表2.2部分引脚第二功能
引脚号
第二功能
P3.0
RXD(串行输入)
P3.1
TXD(串行输出)
P3.2
INT0(外部中断0)
P3.3
INT0(外部中断0)
P3.4
T0(定时器0外部输入)
P3.5
T1(定时器1外部输入)
P3.6
WR(外部数据存储器写选通)
P3.7
RD(外部数据存储器写选通)
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
ALE/PROG:
地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN:
外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端[3]
2.5特殊功能寄存器
特殊功能寄存器(SFR)的地址空间映象如表1所示。
并不是所有的地址都被定义了。
片上没有定义的地址是不能用的。
读这些地址,一般将得到一个随机数据;写入的数据将会无效。
用户不应该给这些未定义的地址写入数据“1”。
由于这些寄存器在将来可能被赋予新的功能,复位后,这些位都为“0”。
2.5.1定时器2寄存器
寄存器T2CON和T2MOD包含定时器2的控制位和状态位(如表2.3所示),寄存器对RCAP2H和RCAP2L是定时器2的捕捉/自动重载寄存器。
2.5.2中断寄存器
各中断允许位在IE寄存器中,六个中断源的两个优先级也可在IE中设置。
2.5.3双数据指针寄存器
为了更有利于访问内部和外部数据存储器,系统提供了两路16位数据指针寄存器:
位于SFR中82H~83H的DP0和位于84H~85。
特殊寄存器AUXR1中DPS=0选择DP0;DPS=1选择DP1。
用户应该在访问数据指针寄存器前先初始化DPS至合理的值。
表2.3T2CON:
定时器/计数器2控制寄存器
T2CON地址为0C8H复位值:
00000000B
位可寻址
TF2
EXF2
RLCLK
TCLK
EXEN2
TR2
C/T2
CP/RL2
7
6
5
4
3
2
1
0
符号
功能
TF2
定时器2溢出标志位。
必须软件清“0”。
RCLK=1或TCLK=1时,TF2不用置位。
EXF2
定时器2外部标志位。
EXEN2=1时,T2EX上的负跳变而出现捕捉或重载时,EXF2会被硬件置位。
定时器2打开,EXF2=1时,将引导CPU执行定时器2中断程序。
EXF2必须如见清“0”。
在向下/向上技术模式(DCEN=1)下EXF2不能引起中断。
RLCLK
串行口接收数据时钟标志位。
若RCLK=1,串行口将使用定时器2溢出脉冲作为串行口工作模式1和3的串口接收时钟;RCLK=0,将使用定时器1计数溢出作为串口接收时钟。
TCLK
串行口发送数据时钟标志位。
若TCLK=1,串行口将使用定时器2溢出脉冲作为串行口工作模式1和3的串口发送时钟;TCLK=0,将使用定时器1计数溢出作为串口发送时钟。
EXEN2
定时器2外部允许标志位。
当EXEN2=1时,如果定时器2没有用作串行时钟,T2EX(P1.1)的负跳变见引起定时器2捕捉和重载。
若EXEN2=0,定时器2将视T2EX端的信号无效
TR2
开始/停止控制定时器2。
TR2=1,定时器2开始工作
C/T2
定时器2定时/计数选择标志位。
C/T2=0,定时;C/T2=1,外部事件计数(下降沿触发)
CP/RL
捕捉/重载选择标志位。
当EXEN2=1时,CP/RL=1,T2EX出现负脉冲,会引起捕捉操作;当定时器2溢出或EXEN2=1时T2EX出现负跳变,都会出现自动重载操作。
CP/RL=0将引起T2EX的负脉冲。
当RCKL=1或T-CKL=1时,此标志位无效,定时器2溢出时,强制做自动重载操作。
表2.4aAUXR:
辅助寄存器
AUXR地址:
8EH复位值:
XXX00XX0B
不可位寻址
—
—
—
WDIDLE
DISRTO
—
—
DISALE
7
6
5
4
3
2
1
0
—
预留扩展用
DISALE
ALE使能标志位
DISALE操作方式
0
ALE以1/6晶振频率输出信号
1
ALE只有在执行MOVX或MOVC指令时激活
DISRTO
复位输出标志位
DISRTO
0
看门狗(WDT)定时结束,Reset输出高电平
1
Reset只有输入
WDIDLE
空闲模式下WDT使能标志位
WDIDLE
0
空闲模式下,WDT继续计数
1
空闲模式下,WDT停止计数
2.6掉电标志位
掉电标志位(POF)位于特殊寄存器PCON的第四位(PCON.4)。
上电期间POF置“1”。
POF可以软件控制使用与否,但不受复位影响。
[4]
2.7存储器结构
MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。
外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。
[5]
2.7.1程序存储器:
如果EA引脚接地,程序读取只从外部存储器开始。
对于89S52,如果EA接VCC,程序读写先从内部存储器(地址为0000H~1FFFH)开始,接着从外部寻址,寻址地址为:
2000H~FFFFH。
2.7.2数据存储器
AT89S52有256字节片内数据存储器。
高128字节与特殊功能寄存器重叠。
也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址,而物理上是分开的。
当一条指令访问高于7FH的地址时,寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。
直接寻址方式访问特殊功能寄存器(SFR)。
例如,下面的直接寻址指令访问0A0H(P2口)存储单元MOV0A0H,#data使用间接寻址方式访问高
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