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1.2课题的主要任务和内容………………………………………..4
2温度测量系统的总体设计方案…………………………………...5
2.1温度测量系统的硬件设计方案………………………………..5
2.2温度测量系统的软件设计方案………………………………..5
3温度测量系统的硬件电路设计
3.1概述……………………………………………………………...7
3.2传感器简介
3.2.1DS18B20引脚功能介绍……………………………….8
3.2.2DS18B20的测量原理………………………………….8
3.3单片机的原理及应用
3.3.1AT89S51单片机原理简介……………………………9
3.4单片机外围电路的设计
3.4.1晶振电路和复位电路的设计…………………….12
3.4.2LCD电路的设计……………………………………..14
4温度测量系统的软件程序设计
4.1概述……………………………………………………………15
4.2温度测量系统的总体程序设计…………...………………….16
4.3DS18B20子程序的设计………………………………………17
4.4LCD显示子程序的设计………………………………………18
5系统调试与分析
5.1调试故障及原因分析………………………………………….18
6结论与展望
6.1结论……………………………………………………………..18
6.2展望…………..…………………………………………………19
参考文献………………………………………………………………….19
附录………………………………………………………………………20
软件代码…………………………………………………………………..23
第一章绪言
1.1课题背景
温度控制广泛应用于人们的生活和生产中,人们使用温度计来采集温度,通过人工操作加热、通风和降温设备,这样不仅控制精度低、实时性差,而且操作人员的劳动强度大。
即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器,但由于其互换性差,效果也不理想。
在某些行业中对温度要求较高,由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。
对工业生产可靠进行产生影响,甚至操作人员的安全。
为了避免这些缺点,需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。
本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制,以其测量精度高,操作方便,可运行性强,价格低廉等优点,特别适用于生活、医疗、工业生产等方面的温度测量及控制。
1.2课题的主要任务及内容
本设计是一个数字温度控制系统,能测量温度,并能实时显示出温度,还能通过串口将温度值显示到pc机上。
主要任务是能对温度进行自动的监测和控制。
设计中采用单片机来控制温度,因此要有温度的采集电路,温控电路,显示电路等几个部分。
要实现系统的设计要用到的知识点有单片机的原理及其应用,温度传感器的原理和应用,及显示电路的设计等。
第二章温度测量系统的整体设计方案
2.1温度测量系统的硬件设计方案
采用温度传感器DS18B20。
DS18B20可以满足从-55摄氏度到+125摄氏度测量范围,可编程为0.0625℃。
且DS18B20测量精度高,增值量为0.5摄氏度,在一秒内把温度转化成数字,测得的温度值的存储在两个八位的RAM中,单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度,使用方便。
采用寄生电源工作方式用CPU口线少,可节省大量引线和逻辑电路。
采用LCD显示。
LCD液晶显示具有丰富多样性、灵活性、电路简单、易于控制而且功耗小等优点。
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。
单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式以0.0625/LSB℃形式表示。
2.1温度测量系统的软件设计方案
主程序是系统的监控程序,在程序运行的过程中必须先经过初始化,包括中断程序以及各个控制端口的初始化工作。
流程图如图所示。
系统在初始化完成后就进入温度测量程序,实施的测量当前的温度并通过显示电路在LCD上显示。
程序中以中断的方式来重新设定温度上下限。
根据硬件设计完成对温度的控制。
系统软件流程图
第三章温度测量系统的硬件电路设计
3.1概述
该温度测量系统主要由DS18B20、AT89S51、LCD1602等部分构成,根据系统的设计要求,当温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89S51单片机上,经AT89S51处理,将把温度在显示电路上显示,除了显示温度以外还可以设置一个晶振电路,对所测温度进行监控。
利用外接的键盘设置电路,对温度进行上下限设置。
当温度高于或低于设定温度时,就启动相应程序。
选择DS18B20作为本系统的温度传感器,选择单片机AT89S51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。
选用数字温度传感器DS18B20,输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路,省却了采样/保持电路、运放、数/模转换电路以及进行长距离传输时的串/并转换电路,简化了电路,缩短了系统的工作时间,降低了系统的硬件成本。
当LCD液晶显示器接收到来自AT89S51单片机传送来的温度信息后,分别显示了当前的温度,温度上限,温度下限和温度计运行时间。
设计性能要求:
(1)利用温度传感器(DS18B20)测量某一点环境温度。
(2)测量范围为-55℃~+110℃,精度为±
0.5℃。
(3)用LCD1602液晶进行实际温度值显示。
3.2传感器简介
3.2.1DS18B20引脚功能的介绍
DS18B20管脚图
在硬件上,DS18B20与单片机的连接有两种方法,一种是VCC接外部电源,GND接地,I/O与单片机的I/O线相连;
另一种是用寄生电源供电,此时UDD、GND接地,I/O接单片机I/O。
内部寄生电源I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。
P2口为一个内部上拉电阻的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,其管脚电位被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
作为输入时,P2口的管脚电位被外部拉低,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
传感器数据采集电路主要指DS18B20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考虑到实际应用中寄生电源供电方式适应能力差且易损坏,此处采用电源供电方式,I/O口接单片机的P2.0口。
3.2.2DS18B20的测量原理
当DSI8B20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0,1字节。
单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。
DS18B20的测温原理如图3所示,图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,图中还隐含着计数门,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℃所对应的基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中,减法计数器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2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值。
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的各种操作必须按协议进行。
操作协议为:
初始化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
各种操作的时序图与DS1820相同。
3.3单片机的原理及应用
3.3.1AT89S51单片机原理简介
AT89S51作为温度测试系统设计的核心器件。
该器件采用了可靠的CMOS工艺制造技术。
具有高性能的8位单片机,属于标准的MCS一51的CMOS产品。
片内含8Kbytes的可贩毒擦写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件兼容标准的MCS-51指令系统。
片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。
结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征。
AT89S51单片机提供以下标准功能:
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,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,AT89S51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。
由于此设计需要编写程序,需要将程序烤入单片机中,因此单片机必须具有足够多的存储空间,其具有8K字节的Flash完全满足要求。
32位的I/O口线能够使得单片机与温度显示器、温度传感器、键盘、报警电路、按键电路和指示灯连接等等变得可能。
16位的定时计数器使得读取数据变得更加简单,同时其结构有利于晶振电路和复位电路的连接。
最重要的是,能够在掉电状态下保存RAM内的数据。
AT89S51单片机有两种可用软件编程的省电模式,它们是空闲模式和掉电工作模式。
这两种方式是控制专用寄存器PCON(即电源控制寄存器)中的PD(PCON1)和IDL(PCON0)位来实现的。
PD是掉电模式,当PD=1时,激活掉电工作模式,单片机进入掉电工作状态。
IDL是空闲等待方式,当IDL=1,激活空闲工作模式,点偏激进入睡眠状态。
如需同时进入两种工作模式,即PD和IDL同时为1,则先激活掉电模式。
在空闲工作状态下,CPU保持睡眠状态而所有的片内的外设都保持激活状态,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。
终止空闲工作模式的方法有两种,进入中断服务程序,执行完中断服务程序并紧随RST1(中断返回)指令后,下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式的那条指令后面的一条指令。
其二是通过硬件复位可以将空闲工作模式终止。
需要注意的是,当由硬件复位来终止空闲工作模式时,CPU通常是从激活空闲模式那条指令的吓一跳指令开始继续执行程序的,要完成内部复位操作,硬件复位脉冲要保持两个机器周期(24个时钟周期)有效,在这种情况下,内部禁止CPU访问片内RAM,而允许访问其他端口。
为了避免可能对端口产生意外写入,激活空闲状态的那条指令后一条
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