智能仪器仪表结课报告Word文档格式.docx
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2.31602的写操作时序11
3系统硬件的实现12
3.1温度测量部分(发送板)12
3.2上位机部分(接收板)13
4系统软件的实现14
4.1发送板软件的实现14
4.1.1DS18B20部分14
4.1.21602部分14
4.1.3串口通信(发送)部分15
4.1.4主程序部分15
4.2接收板软件的实现16
结论18
附录A电路板原理图19
附录B实物照片20
附录C主程序清单(重要的程序清单)21
1DS18B20温度传感器
1.1数字温度传感器DS18B20介绍
1.1.1DS18B20的主要特性
(1)适应电压范围更宽,电压范围:
3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电,温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±
0.5℃;
(2)独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯;
(3)DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以实现组网多点测温;
(4)DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内;
(5)可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温;
(6)在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快;
(7)测量结果直接输出数字温度信号,以"
一线总线"
串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力;
(8)负压特性:
电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
1.1.2DS18B20的外形和内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的外形及管脚排列如图1.1所示,DS18B20内部结构图如图1.1所示:
图1.1DS18B20的外形及管脚排列图
图1.2DS18B20内部结构图
1.1.3DS18B20工作原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同,只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同,且温度转换时的延时时间由2s减750ms。
DS18B20测温原理如图1.3所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
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,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,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1.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正计数器1的预置值。
图1.3DS18B20测温原理框图
DS18B20有4个主要的数据部件:
(1)光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是:
开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
(2)DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位,如表1.1所示。
表1.1DS18B20温度值格式表
Bit
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
S
2^6
2^5
2^4
2^3
2^2
2^1
2^0
2^-1
2^-2
2^-3
2^-4
这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;
如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H,+25.0625℃的数字输出为0191H,-25.0625℃的数字输出为FF6FH,-55℃的数字输出为FC90H,表1.2为一些典型温度值的数字输出。
表1.2DS18B20温度数据表
温度值
数字输出(Binary)
数字输出(Hex)
+125℃
0000011111010000
07D0h
+85℃
0000010101010000
0550h
+25.0625℃
0000000110010001
0191h
+10.125℃
0000000010100010
00A2h
+0.5℃
0000000000001000
0008h
0℃
0000000000000000
0000h
-0.5℃
1111111111111000
FFF8h
-10.125℃
1111111101011110
FE6Fh
-55℃
1111110010010000
FC90h
(3)DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
(4)配置寄存器,如表1.3所示,该字节各位的意义如下:
表1.3配置寄存器结构
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
TM
R1
R0
低五位一直都是"
1"
,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率,如表1.4所示:
(DS18B20出厂时被设置为12位)
表1.4温度分辨率设置表
分辨率
温度最大转换时间
9位
93.75ms
10位
187.5ms
11位
375ms
12位
750ms
1.1.4高速暂存存储器
高速暂存存储器由9个字节组成,其分配如表1.5所示。
当温度转换命令发布后,经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。
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,数据格式如表1.5所示。
对应的温度计算:
当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;
当S=1时,先将补码变为原码,再计算十进制值。
表1.2是对应的一部分温度值。
第九个字节是冗余检验字节。
表1.5DS18B20暂存寄存器分布
寄存器内容
字节地址
温度值低位(LSByte)
温度值高位(MSByte)
高温限值(TH)
低温限值(TL)
配置寄存器
保留
CRC校验值
根据DS18B20的通讯协议,主机(单片机)控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,当DS18B20收到信号后等待16~60微秒左右,后发出60~240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。
其中ROM和RAM的指令表分别如表1.6和表1.7所示:
表1.6ROM指令表
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS1820温度传感器ROM中的编码(即64位地址)
符合ROM
55H
发出此命令之后,接着发出64位ROM编码,访问单总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应,为下一步对该DS1820的读写作准备。
搜索ROM
0FOH
用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址。
为操作各器件作好准备。
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址,直接向DS1820发温度变换命令。
适用于单片工作。
告警搜索命令
0ECH
执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。
表1.7RAM指令表
温度变换
44H
启动DS1820进行温度转换,12位转换时最长为750ms(9位为93.75ms)。
结果存入内部9字节RAM中。
读暂存器
0BEH
读内部RAM中9字节的内容
写暂存器
4EH
发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令,紧跟该命令之后,是传送两字节的数据。
复制暂存器
48H
将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中。
重调EEPROM
0B8H
将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节。
读供电方式
0B4H
读DS1820的供电模式。
寄生供电时DS1820发送“0”,外接电源供电DS1820发送“1”。
1.2S18B20的工作时序图
图1.4为DS18B20时序图中各总线状态。
图1.4时序图中各总线状态
1.2.1初始化时序图
DS18B20的初始化时序图如图1.5所示:
图1.5初始化时序图
DS18B20的初始化的步骤如下:
(1)先将数据线置高电平1。
(2)延时(该时间要求不是很严格,但是尽可能短一点)。
(3)数据线拉到低电平0。
(4)延时750μs(该时间范围可以在480~960μs);
(5)数据线拉到高电平1。
(6)延时等待。
如果初始化成功则在15~60ms内产生一个由DS18B20返回的低电平0,据该状态可以确定它的存在。
但是应注意,不能无限的等待,不然会使程序进入死循环,所以要进行超时判断。
(7)若CPU读到数据线上的低电平0后,还要进行延时,其延时的时间从发出高电平算起最少要480μs。
(8)将数据线拉到高电平1后结束。
1.2.2DS18B20写数据
DS18B20写数据时序图如图1.6所示:
图1.6写数据时序图
DS18B20写数据的具体步骤如下所示:
(1)数据线先置低电平0。
(2)延时确定时间为15μs。
(3)按从低位到高位的顺序发送数据(一次只发送一位)。
(4)延时时间为45μs。
(5)将数据线拉高到1。
(6)重复上述步骤,知道发完整个字节。
(7)最后将数据线拉高到1。
1.2.3DS18B20读数据
DS18B20写数据时序图如图1.7所示:
图1.7写数据时序图
DS18B20读数据的具体步骤如下所示:
(1)将数据线拉高到1。
(2)延时2μs。
(3)将数据线拉低到0。
(4)延时6μs。
(6)延时4μs。
(7)读数据线的的状态得到一个状态位,并进行数据处理。
(8)延时30μs。
(9)重复上述
(1)~(7)的步骤,直到读取完一个字节。
1.3DS1820使用中注意事项
DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下几方面的问题:
(1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿,由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送,因此,在对DS1820进行读写编程时,必须严格的保证读写时序,否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时,对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。
(2)在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题,容易使人误认为可以挂任意多个DS1820,在实际应用中并非如此。
当单总线上所挂DS1820超过8个时,就需要解决微处理器的总线驱动问题,这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
(3)连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。
试验中,当采用普通信号电缆传输长度超过50m时,读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时,正常通讯距离可达150m,当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时,正常通讯距离进一步加长。
这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。
因此,在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
(4)在DS1820测温程序设计中,向DS1820发出温度转换命令后,程序总要等待DS1820的返回信号,一旦某个DS1820接触不好或断线,当程序读该DS1820时,将没有返回信号,程序进入死循环。
这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线,其中一对线接地线与信号线,另一组接VCC和地线,屏蔽层在源端单点接地。
21602液晶显示屏
2.11602液晶显示屏概述
1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地显示图形。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。
2.1.1LCD1602管脚介绍
LCD1602管脚图如图2.1所示:
图2.1LCD1602管脚图
1602采用标准的16脚接口,其中:
第1脚:
VSS为电源地
第2脚:
VCC接5V电源正极
第3脚:
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平
(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。
第6脚:
E(或EN)端为使能(enable)端,高电平
(1)时读取信息,负跳变时执行指令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据端。
第15~16脚:
空脚或背灯电源。
15脚背光正极,16脚背光负极。
2.1.2LCD1602特性
(1)3.3V或5V工作电压,对比度可调;
(2)内含复位电路;
(3)提供各种控制命令,如:
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能;
(4)有80字节显示数据存储器DDRAM;
(5)内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM;
(6)8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM;
2.21602的指令集
LCD1602液晶显示屏的指令如表2.1所示:
表2.1LCD1602液晶显示屏指令集
指令码
令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
清除显示
将DDRAM填满"
20H"
并且设定DDRAM的地址计数器(AC)到"
00H"
地址归位
X
设定DDRAM的地址计数器(AC)到"
并且将游标移到开头原点位置;
这个指令不改变DDRAM的内容
显示状态开/关
D
C
B
D=1:
整体显示ONC=1:
游标ONB=1:
游标位置反白允许
进入点设定
I/D
指定在数据的读取与写入时,设定游标的移动方向及指定显示的移位
游标或显示移位控制
S/C
R/L
设定游标的移动与显示的移位控制位;
功能设定
DL
RE
DL=0/1:
4/8位数据RE=1:
扩充指令操作RE=0:
基本指令操作
设定CGRAM地址
AC5
AC4
AC3
AC2
AC1
AC0
设定CGRAM地址
设定DDRAM地址
设定DDRAM地址(显示位址)第一行:
80H-87H第二行:
90H-97H
读取忙标志和地址
BF
AC6
读取忙标志(BF)可以确认内部动作是否完成,同时可以读出地址计数器(AC)的值
写数据到RAM
数据
将数据D7——D0写入到内部的RAM(DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM)
读RAM的值
从内部RAM读取数据D7——D0(DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM)
2.31602的写操作时序
1602的写操作时序图如图2.1所示:
图2.11602的写操作时序图
分析时序图可知操作1602液晶的流程如下:
(1)通过RS确定是写数据还是写指令。
写命令包括使液晶的光标显示/不显示、光标闪烁/不闪烁、需/不需要移屏、在液晶的什么位置显示,等等。
写数据指的是要显示什么内容。
(2)读/写控制端设置为写模式,即低电平。
(3)将数据或命令送达数据线上。
(4)给E一个高脉冲将数据送入液晶控制器,完成写操作。
3系统硬件的实现
3.1温度测量部分(发送板)
该部分主要运用到了DS18B20温度传感器和1602液晶显示屏。
其中DS18B20温度传感器的数据线DQ接在了P1.3口,其电路原理图如图3.1所示,在本次设计中只用到了一路DS18B20。
1602液晶显示屏的数据段端口定义为P0口,其电路原理图如图3.2所示。
图3.1两路温度传感器
图3.2LCD1602部分电路图
3.2上位机部分(接收板)
该部分的显示同样是应用了1602液晶屏,该部分硬件主要添加了三个按键,来调节温度值的上下限。
Keya接在了P1.0,keyb接在了P1.1,keyc接在了P1.2。
其部分电路图如图3.3所示。
还运用了两个LED灯作为报警提示,温度值超过上限时Led1点亮,温度值低于下限时LED2点亮,它们分别接在P1.6和P1.7上,其部分电路图如图3.4所示。
图3.3按键部分电路图
图3.4LED部分电路图
4系统软件的实现
4.1发送板软件的实现
4.1.1DS18B20部分
上电后先对DS18B20进行初始化,然后编写读取一个字节的子程序,写入一个字节的子程序,读取温度的子程序。
程序框图如图4.1所示:
图4.1DS18B20部分程序框图
4.1.21602部分
上电后对1602显示屏进行初始化,然后依次写入判忙子程序、写命令子程序、写数据子程序、清屏子程序、写字符串子程序、写字符子程序。
程序框图如图4.2所示:
图4.21602部分程序框图
4.1.3串口通信(发送)部分
上电后先对串口进行初始化,然后判断发送标志位是否为1,为1则进行置0,程序框图如图4.3所示:
图4.3串口通信(发送)部分程序框图
4.1.4主程序部分
主程序部分主要是实现读取温度值,并将其发送给上位机,同时显示在液晶屏上,其程序框图如图4.4所示:
图4.4主程序框图
4.2接收板软件的实现
接收板在该系统中,充当上位机的功能,它包括超限报警部分和温度的接收和显示部分,其中温度值的上限和下线可以通过按键调节。
温度值超过上限时Led1点亮,温度值低于下限时LED2点亮。
其中显示部分与发送板的程序结构相似,在这里主要介绍串口通信的接收部分和主程序部分。
串口通信的接收部分程序框图如图4.5所示,主程序部分程序框图如图4.6所示。
图4.5串口通信(接收)部分程序框图
图4.6接收板主程序框图
结论
本系统实现了室内的温度检测和显示,同时将得到的数据通过串行通信的方式发送给上位机并予以超限报警处理。
本系统的设计解决了温度的测量、通信和报警问题,在实际生活中有很大的应用。
该系统由两块开发板组成,一块作为发送板,实现温度的测量、显示和发送,另一块板充当上位机的功能,实现温度的接收和超限报警处理,其中温度值的上下限可以手动调节,这样的处理
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