粮库温度监测系统Word格式文档下载.docx
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该系统既保证了对粮库的实时监控,同时根据预先设定的报警值来显示,粮库的温度是否在控制范围内,以确保粮食的安全,保证国民生活的基本要求。
2系统总体设计
2.1系统特点
本系统以单片机作为主控机,实时地对温度信号进行采集,同时可通过键盘设定报警初值,并显示在LED上,报警电路实时对电路进行监控,检测值送上位机显示、打印、存盘,并可以对保存值进行修改和删除。
特点:
(1)采用数字式温度传感器,与单片机接口简单。
(2)实现温度检测,由于采用单总线温度传感器,扩展容易,只要将器件挂接在单总线上即可。
(3)看门狗电路,提高系统可靠性。
(4)EEPROM保存键盘输入参数,掉电不丢失信息
。
2.2系统设计
本系统由数据采集电路,键盘显示电路,报警电路以及看门狗电路组成。
主控机采用AT89C51单片机,完成对温度信号的设定、处理和报警。
2.2.1数据采集系统
本系统采用数字式温度传感器DS18B20完成对温度的数据采集。
DS18B20可以把温度信号直接转换为数字量,而无须A/D转换器与数据调理电路,既简化电路,又提高电路的可靠性。
采用单总线原理,易于电路扩展,只需在相应单总线上继续挂接器件即可,方便了用户使用。
2.2.2键盘显示系统
本系统采用HD7279A完成数据输入与数据显示。
HD7279A是一片具有串行接口的,可同时驱动8位共阴极数码管的智能显示驱动芯片,该芯片同时能对多达8×
8的键盘矩阵的按键情况进行监控,具有自动消除键抖动和识别按键代码的功能,从而可以提高CPU工作的效率。
HD7279A和微处理器之间采用串行接口,其接口电路和外围电路简单,占用的串口少,具有较高的性价比。
2.2.3报警电路
本电路完成系统报警功能,即在温度超出报警值时,发光二极管灯亮,同时蜂鸣器蜂鸣,显示报警状态。
2.2.4看门狗电路及EEPROM
本电路采用Xicor公司的X5045芯片。
X5045是可编程看门狗监控EEPROM,它把看门狗电路、电压监控和EEPROM组合在一起,降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。
此芯片实时检测单片机使其正常工作。
一旦单片机因干扰而程序走失,可通过复位电路使单片机复位,保证系统可靠运行。
该芯片还含有内部512字节的EEPROM,可存储键盘输入的温度报警值,保证掉电时不丢失数据,因而不必每次开机时重新写入这些数据。
X5045的特点还包括具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口和软件协议。
因此本系统从设计到芯片的选择都保证该系统的实用价值,而且达到很高的性价比,并且这种监测系统本身就具有很高的可靠性,比原来的各种监测系统进步了很多,首先我们选择的元器件价格都不是很贵,但是却可以保证设定的工作能够正常完成,而且系统设计本身就把外界一些因素可能对系统造成的影响考虑进来,因此,我们所设计的监测系统是一种具有良好的可靠性,防止雷击以及性价比很高的系统,可以保证粮库粮食的安全存放。
3键盘显示原理
键盘是由一组规则排列的按键组成,一个按键实际上是一个开关元件,也就是说,键盘是一组规则的开关。
3.1键盘工作原理
3.1.1分类
按键按照结构原理可分为两类,一类是触电式开关按键,如机械式开关、导电橡胶式开关等;
另一类是无触电式开关按键,如电气式按键、磁感应按键等。
前者造价低,后者寿命长。
按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类,这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。
编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别,非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。
全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码,此外,一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路。
这种键盘使用方便,但需要较多的硬件,价格较贵一般的单片机应用系统较少采用。
非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵,其他工作均由软件完成。
由于其经济实用,较多地应用于单片机系统中。
3.1.2键输入原理
在单片机应用系统中,除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外,其他按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。
当所有设置的功能键或数字键按下时,计算机应用系统应完成该按键所设定的功能,键信息输入是与软件结构密切相关的过程。
对于一组键或一个键盘,总有一个接口电路与CPU相连。
CPU可以采用查询或中断方式了解有无按键输入,并检查是哪一个键按下,将该键号送入累加器ACC,然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序,执行完后再返回主程序。
3.1.3按键结构与特点
微机键盘通常使用机械触点式按键开关,其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。
也就是说,它能够提供标准的TTL逻辑电平,以便与通用数字系统的逻辑电平相容。
机械式按键在按下或释放时,由于机械弹性作用的影响,通常伴随有一定时间的触点机械抖动,然后其触点才稳定下来。
其抖动过程如图3.1所示,抖动时间的长短与开关的机械特性有关,一般为5~10ms。
在触点抖动期间检测按键的通与断状态,可能导致判断出错,即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作,这种情况是不允许出现的。
为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判,必须采取去抖动措施。
这一点可从硬件、软件两方面予以考虑。
在键数较少时,可采用硬件去抖动,在键数多时,采用软件去抖动。
在硬件上可采用在键盘输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路,当触发器一旦翻转,触点抖动不会对其产生任何影响。
键按下
前沿抖动后沿抖动
闭合稳定
图3.1按键触点的机械抖动
软件上采取的措施是:
在检测到有按键按下时,执行一个10ms左右(具体时间应视所使用的按键进行调整)的延时程序后,再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平,若仍保持闭合状态电平,则确认该键处于闭合状态。
同理,在检测到该键释放后,也应采用相同的步骤进行确认,从而可消除抖动的影响。
3.1.4按键编码
一组按键或键盘都要通过I/O口线查询按键的开关状态。
根据键盘结构的不同,采用不同的编码。
无论有无编码,以及采用什么编码,最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值,以实现按键功能程序的跳转。
3.1.5编码键盘程序
一个完善的键盘控制程序应具备以下功能:
(1)检测有无按键按下,并采取硬件或软件措施,消除键盘按键机械触点抖动的影响。
(2)有可靠的逻辑处理方法。
每次只处理一个按键,其间对任何按键的操作对系统不产生影响,且无论一次按键时间有多长,系统仅执行一次按键功能程序。
(3)准确输出按键值(或键号),以满足跳转指令要求。
3.2独立式按键
单片机控制系统中,往往只需要几个功能键,此时,可采用独立式按键结构。
3.2.1独立式按键结构
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路,其特点是每个按键单独占用一根I/O口线,每个按键的工作不会影响其他口线的状态。
独立式按键的典型应用如图3.2所示。
图3.2独立式按键的典型应用
独立式按键电路配置灵活,软件结构简单,但每个按键必须占用一根I/O口线,因此,在按键较多时,I/O口线浪费较大,不宜采用。
图3.2中按键输入均采用低电平有效,此外,上拉电阻保证了按键断开时,I/O口线有确定的高电平。
当I/O口线内部有上拉电阻时,外电路可不接上拉电阻。
3.2.2独立式按键的软件结构
独立式按键的软件常采用查询式结构。
先逐位查询每根I/O口线的输入状态,如某一根I/O口线输入为低电平,则可确认该I/O所对应的按键已按下,然后,再转向该键的功能处理程序。
3.3矩阵式按键
单片机系统中,若采用按键较多时,通常采用矩阵式(也称行列式)键盘。
3.3.1矩阵式键盘的结构及原理
矩阵式键盘由行线和列线组成,按键位于行、列线的交叉点上,其结构如图3.3所示。
由图可知,一个4x4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘,显然,在按键数量较多时,矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。
图3.3矩阵式键盘结构
矩阵式键盘中,行、列线分别连接到按键开关的两端,行线通过上拉电阻接到+5V上。
当无键按下时,行、列线将导通,此时,行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。
这是识别按键是否按下的关键。
然而,矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连,各按键按下与否均影响该检索在行线和列线的电平,各按键之间相互影响,因此,必须将行线、列线信号配合起来作适当处理,才能确定闭合键的位置。
3.3.2矩阵式键盘按键的识别
识别按键的方法很多,其中,最常见的方法是扫描法,一般包括两个步骤:
第一步(识别有无键被按下):
让所有列线均置低电平,检查各行线电平,如果有某行电平为低电平,则有键按下。
第二步(检查具体哪个健按下):
逐列置低电平,其余各列置高电平,检查各行线电平,如果某行为低电平,则位于该行和该列交叉点的按键被按下。
3.3.3键盘的编码
对于独立式按键键盘,因键盘按键数量少,可根据实际需要灵活编码。
对于矩阵式键盘,按键的位置由行号和列号唯一确定,因此可分别对行号和列号进行二进制编码,然后将两值组合成一个字节,高4位是行号,低4位是列号。
如图3.3中的8号键,它位于第2行,第0列,因此,其键盘编码应为20H。
采用上述编码对于不同行的键离散性较大,不利于散转指令对按键进行处理。
因此,可采用依次排列键好的方式对按键进行编码。
以图3.3种的4x4键盘为例,可将键号编码为:
01H、02H、03H、…、0EH、0FH、10H等16个键号。
编码相互转换可通过计算或查表的方法实现。
3.3.4键盘的工作方式
在单片机应用系统中,键盘扫描只是CPU的工作方式内容之一。
CPU对键盘的响应取决于键盘的工作方式,键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而定,其选取原则是既要保证CPU能及时响应按键操作,又不要过多占用CPU的工作时间。
通常,键盘的工作方式有三种,即编程扫描、定时扫描和中断扫描。
(1)编程扫描方式
编程扫描方式是利用CPU完成其他工作的空余时间,调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。
在执行键功能程序时,CPU不再响应键输入要求,直到CPU重新扫描键盘为止。
键盘扫描程序一般应包括以下内容:
1判别有键按下。
2键盘扫描取得闭合键的行、列值。
3用计算法或查表法得到键值。
4判断闭合键是否释放,如没释放则继续等待。
5将闭合键键号保存,同时转去执行该闭合键的功能。
(2)定时扫描方式
定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次,它利用单片机内部的定时器产生一定时间(例如10ms)的定时,当定时时间到就产生定时器溢出中断。
CPU响应中断后对键盘进行扫描,并在有键按下时识别出该键,再执行该键的功能程序。
定时扫描方式的硬件电路与编程扫描方式相同,程序流程图如图3.4所示。
开始
有键闭合
标志1←0
标志2←0
标志
标志1=1
标志1←1
标志2=2
标志2←1
识别按键
执行按键功能
返回
图3.4定时扫描方式程序流程图
图3.4中,标志1和标志2是在单片机内部RAM的位寻址区设置的两个标志位,标志1为去抖动标志位,标志2为识别完按键的标志位。
初始化时将这两个标志位设置为0,执行中断服务程序时,首先判别有无键闭合,若无键闭合,将标志1和标志2置0后返回;
若有键闭合,先检查标志1,当标志1为0时,说明还未进行去抖动处理,此时置位标志1,并中断返回。
由于中断返回后要经过10ms后才会再次中断,相当于延时了10ms,因此,程序无需再延时。
下次中断时,因标志1为1,CPU再检查标志2,如标志2为0说明还未进行按键的识别处理,这时,CPU先置位标志2,然后进行按键识别处理,再执行相应的按键功能子程序,最后,中断返回。
如标志2已经为1,则说明此次按已做过识别处理,只是还未释放按键。
当按键释放后,在下一次中断服务程序中,标志1和标志2又重新置0,等待下一次按键。
(3)中断扫描方式
采用上述两种键盘扫描方式时,无论是否按键,CPU都要定时扫描键盘,而单片机应用系统工作时,并非经常需要键盘输入,这样就使CPU经常处于空扫描状态。
为提高CPU工作效率,可采用中断扫描工作方式。
其工作过程如下:
当无键按下时,CPU处理自己的工作,当有键按下时,产生中断请求,CPU转去执行键盘扫描子程序,并识别键号。
在这次我们设计的粮库温度监测系统中,我们主要使用的是矩阵式结构的键盘,它可以通过中断扫描方式来进行检测有无键按下,不会一直使CPU处于空扫描,提高CPU的工作效率,不会干扰CPU对其他程序进行处理。
3.2LED显示器
a
fb
g
ec
d
gfGNDab
EfGNDcdp
图3.5LED显示器引脚图
单片机应用系统最常用的显示器LED(发光二极管显示器)和LCD(液晶显示器)。
这两种都可以显示数字、字符及系统的状态。
它们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉,因此得到了广泛应用。
常用的LED显示器有LED状态显示器、LED七段显示器(俗称数码管)和LED十六段显示器。
发光二极管可显示两种状态,用于系统状态显示;
数码管用于数字显示;
LED十六段显示器用于字符显示。
3.2.1结构
数码管有8个发光二极管构成,通过不同的组合可用来显示数字0~9、字符A~F、H、L、P、R、U、Y、符号“-”及小数点“.0”。
数码管的外形结构如图3.5所示。
数码管分为共阴极和共阳极两种结构。
3.2.2工作原理
共阳极数码管8个发光二极管的阳极连接在一起。
通常,公共阳极接高电平,其他管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低电平时,则该端所连接的字段导通并点亮。
根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时,要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流,还需要根据外接电源及额定字段导通电流来确定相应的限流电阻。
共阴极数码管的8个发光二极管连接在一起。
通常,公共阴极接低电平,其他管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为高电平时,则该端所连接的字段导通并点亮,根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时,要求段驱动电路能提供额定的段导通电流,还需要根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
3.2.3字型编码
要数码管显示相应的数字或字符,必须使段数据口输出相应的字形编码。
与图3.5相对应,字型码各位定义为:
数据线D0与a字段对应,D1与b字段对应……,依次类推。
如使用共阳极数码管,数据为0表示对应字段亮,数据为1表示对应字段暗;
如使共阴极数码管,数据为0表示对应字段暗,数据为1表示对应字段亮。
3.2.4显示方式
LED七段数码管有静态显示和动态显示两种方式。
静态显示是指数码管显示某一字符时,相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。
这种显示方式的各位数码管相互独立,公共端恒定接地或接电源。
每个数码管的8个字段分别与一个8为I/O口地址相连,I/O只要有段码输出,相应字符即显示出来并保持不变,直到I/O口输出新的字段。
采用静态显示方式,较小的电流即可获得较高的亮度,且占用CPU时间少,编程简单,显示便于检测和控制,但其占用的口线多,硬件电路复杂,成本高,只适合于显示位数较少的场合。
动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管,这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。
通常,各位数码管的段选线相应并联在一起,由一个8位的I/O口控制;
各位的位选线由另外的I/O口线控制。
动态方式显示时,各数码管分时轮流选通,要使其稳定显示,必须采用扫描方式,即在某一时刻只选通一位数码管,并送出相应的段码,在另一时刻选通另一位数码管,并送出相应的段码。
依此规律循环,即可使各位数码管显示将要显示的字符。
虽然这些字符是在不同的时刻分别显示,但由于人眼存在视觉暂留效应,只要每位显示间隔时间足够短就可以给人以同时显示的感觉。
采用动态显示方式比较节省I/O口,硬件电路比静态方式简单,但其亮度不如静态显示方式,而且在显示位数较多时,CPU要依次扫描,占用CPU较多的时间。
这次我们设计的粮库温度监测系统,主要使用的是LED七段数码管,它可以直观地显示出我们所要显示的温度,而且我们采用中断扫描的方式,不会占用CPU太多的时间,不是用于查找,而是在扫描到按键按下以后,发出中断请求,CPU接收到中断命令,才去执行该键的子程序,即该键所设定的功能。
4系统硬件设计
4.1硬件组成
本课题设计的键盘显示部分,可以实现的功能是:
(1)用户可根据需要修改温度报警门限值,该值在数码管上实时显示;
(2)判断当前检测温度值是否超过报警值,若超限则声、光报警;
(3)看门狗对系统实时监控,若系统异常实现系统复位功能;
(4)为方便用户读取,报警值掉电不丢失;
硬件选择是课题设计中非常重要的一环,选择时要考虑很多因素,首先所选择的器件必须满足我们所设计的功能,同时还要简化电路,因此我们需要尽可能地选用一些功能性强的芯片,因为功能性强的芯片可以代替若干普通芯片,使其集成度高,还可以增强整个电路的抗干扰性;
而且在单片机的硬件设计中,很多场合下要考虑以软件代替硬件,因为硬件多会增加成本,并且会是系统发生故障的机会增加,单片机本身具有软件系统,硬件可以完成的工作,用软件同样可以实现,因此用硬件代替软件是可行的,只是用时间代替了空间,软件执行需要时间,代替本身只会导致实时性下降,在对系统的实时性要求不是很高的情况下,以软件代替硬件是可以降低成本,提高性价比的;
一个系统的正常运行和系统设计所采取的保护措施是分不开的,由于我们设计的是粮库温度监测器系统,为了保证系统能够运行并且达到事先设想的结果,就要把外界对系统的影响因素考虑进来,干扰信号会影响程序的运行,所以为防止数据在掉电丢失后,使用者需要对报警值重新设定,系统选用了看门狗电路,在断电后依然能够保存数据;
还有任何一件产品都要考虑到当时的工艺设计是否能够满足,包括电路板、配线、芯片的焊接方式的选择等,以及系统的应用、安装、调试、维修等因素。
本系统对硬件的选择包括了主控机AT89C51单片机、键盘显示芯片HD7279以及看门狗电路X5045芯片,键盘采用矩阵式键盘,采用中断扫描方式工作。
下面就对各个器件功能、结构、使用等做详细的介绍:
4.1.1主控制器
本装置选用的中央处理机,是片内带有4K字节闪速可编程、可擦除只读存储器EEPROM的89C51单片机。
该产品与工业标准8051单片机完全兼容,并且还可支持两种软件可选的省电模式,工作时钟最高可达到24MHz。
比8051系列单片机更加灵活方便,使实时控制、实时处理的功能更加完善,同时也大大的简化了硬件配置。
AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机,它内含4K字节的FLASH程序存储器,可在现场进行在线编程,指令与MCS-51完全兼容。
它含有4K字节的FLASHROM,128字节的RAM,32条I/O口线,两个16位的定时/计数器,5个中断源,两个优先级,一个全双工串行口,工作频率0-24MHZ。
(1)89系列单片机的特点
89系列单片机对于一般用户来说,存在下列很明显的优点:
①内部含有Flash存储器
由于内部含有F1ash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。
这时,不管采用40引脚还是44引脚的产品,只要用相同引脚的89系列单片机取代80C51的单片机即可。
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性价比相对较高
现在市场上较为流行的几种品牌的单片机芯片中ATMEL公司的89系列单片机芯片的功能能够满足一般用户的要求,而价格较同类产品相比较低。
(2)89系列单片机结构简况
89系列单片机的内部结构和80C51相近,主要含有如下一些部件:
①803lCPU
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
由于AT89C51片内带有EPROM,只要将单片机接上时钟电路和复位电路即构成单片机最小系统。
由于集成度的限制,该最小应用系统具有如下特点:
①有可供用户使用的大量1/0口线。
因没有外
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