毕业设计基于51单片机温度上下限报警器设计论文Word文件下载.docx
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进而考虑到用温度传感器,在单片机电路设计中,大多都是使用传感器,所以这是非常容易想到的,所以可以采用一只温度传感器DS18B20,此传感器可以很容易直接读取被测温度值,进行转换,就可以满足设计要求,且测量精度很高。
从以上两种方案,很容易看出,采用方案二,电路比较简单,软件设计也比较简单,故采用方案二。
2.2方案二的总体设计框图
温度报警器电路设计总体设计方框图如图1所示,控制器采用单片机STC12C5A16S2,温度传感器采用DS18B20,用3位LED数码管实现温度显示,用一位数码管显示℃摄氏度符号。
三个按键进行温度上、下限报警值设置。
主控制器
LED显示
单片机复位
温度传感器
按键调整
报警电路
时钟振荡
图1 总体设计方框图
2.2.1主控制器
STC89C52RC单片机是以51内核为主的系列单片机,STC单片机是宏晶生产的单时钟/机器周期的单片机,是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8—12倍,内部集成MAX810专用复位电路。
4路PWM8路高速10位A、D转换,针对电机控制,强干扰场合。
STC89C52RC单片机引脚如下图:
STC89C52RC单片机主要性能
●高速:
1个时钟/机器周期,增强型8051内核,速度比普通8051快8~12倍
●宽电压:
5.5~3.8V,2.4~3.8V(STC12LE5410AD系列)
●低功耗设计:
空闲模式,掉电模式(可由外部中断唤醒)
●工作频率:
0~35MHz,相当于普通8051:
0~420MHz---实际可到48MHz,相当于8051:
0~576MHz
●时钟:
外部晶体或内部RC振荡器可选,在ISP下载编程用户程序时设置
●16K字节片内Flash程序存储器,擦写次数10万次以上
●512字节片内RAM数据存储器
●芯片内EEPROM功能
●ISP/IAP,在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器
●10位ADC,8通道,STC12C5A16S2系列为8位ADC。
4路PWM还可当4路D/A使用
●2个硬件16位定时器,兼容普通8051的定时器。
4路PCA还可再实现4个定时器
●硬件看门狗(WDT)
●高速SPI通信端口
●全双工异步串行口(UART),兼容普通8051的串口
●先进的指令集结构,兼容普通8051指令集
4组8个8位通用工作寄存器(共32个通用寄存器)
有硬件乘法/除法指令
●通用I/O口(27/23/15个),复位后为:
准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)
可设置成四种模式:
准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不得超过55mA。
2.2.2显示电路
显示电路采用3位共阳LED数码管做为温度值显示。
用三个8550PNP三极做为每一位LED管的驱动电路,这样使得数码管电流量更大,亮度更亮。
一位共阳极数码管显示℃摄氏度符号,使得整个显示电路更加人性化。
2.2.3温度传感器
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9~12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3.0~5.5V;
●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;
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图2所示。
图2DS18B20内部结构
64位ROM的结构开始8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8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TH和TL,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RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器,结构如图3所示。
头2个字节包含测得的温度信息,第3和第4字节TH和TL的拷贝,是易失的,每次上电复位时被刷新。
第5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。
该字节各位的定义如图3所示。
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决定温度转换的精度位数,来设置分辨率。
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
CRC
图3 DS18B20字节定义
由表1可见,DS18B20温度转换的时间比较长,而且分辨率越高,所需要的温度数据转换时间越长。
因此,在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用,表现为全逻辑1。
第9字节读出前面所有8字节的CRC码,可用来检验数据,从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。
单片机可以通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0.0625℃/LSB形式表示。
当符号位S=0时,表示测得的温度值为正值,可以直接将二进制位转换为十进制;
当符号位S=1时,表示测得的温度值为负值,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的二进制温度数据。
表1DS18B20温度转换时间表
DS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。
若T>TH或T<TL,则将该器件内的报警标志位置位,并对主机发出的报警搜索命令作出响应。
因此,可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码(CRC)。
主机ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20的CRC值作比较,以判断主机收到的ROM数据是否正确。
DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1;
高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
器件中还有一个计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中,计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器计数到0时,停止温度寄存器的累加,此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数器门仍未关闭就重复上述过程,直到温度寄存器值大致被测温度值。
表2 一部分温度对应值表
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+85
0000010101010000
0550H
+25.0625
0000000110010000
0191H
+10.125
0000000010100001
00A2H
+0.5
0000000000000010
0008H
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,它有严格的时隙概念,因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作按协议进行。
操作协议为:
初使化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
图4DS18B20与单片机的接口电路
2.3DS18B20温度传感器与单片机的接口电路
DS18B20可以采用两种方式供电,一种是采用电源供电方式,此时DS18B20的1脚接地,2脚作为信号线,3脚接电源。
另一种是寄生电源供电方式,如图4所示单片机端口接单线总线,为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流,可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10us。
采用寄生电源供电方式时VDD端接地。
由于单线制只有一根线,因此发送接口必须是三态的。
2.2.3报警电路
采用有源蜂鸣器做为报警器,用一个PNP三极管8550做为驱动。
蜂鸣器可以在被测温度超过上限温度或者低于下限温度时,发出报警鸣叫声音。
2.2.4按键电路
三个轻触开关组成按键电路,因为都是独立的按键所以采用直接接地的方法,这样电路比较简单,达到了效果。
三个独立式按键可以分别调整温度的上下限报警温度,当按下设置键一次,数码管显示HXX℃且LED数
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