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计算机接口
摘要
温度是一种最基本的环境参数,人们生活与环境温度息息相关,在工业生产过程中需要实时测量温度,在工业生产中也离不开温度的测量,因此研究温度的测量方法和控制具有重要的意义。
随着时代的进步和发展,单片机技术已经普及到我们的生活、工作、科研、各个领域,已经成为一种比较成熟的技术。
本文介绍一种基于AT89S51单片机的一种温度测量,该电路采用DS18B20作为温度监测元件,测量范围-55℃-~+125℃,测量分辨率为0.0625。
正文着重给出了软硬件系统的各部分电路,介绍了集成温度传感器DS18B20的原理,AT89S51单片机功能和应用。
该系统可以方便的实现温度采集和显示,并可根据需要设定上下限温度,它使用起来具有精确度高、测量广、灵敏度高、体积小、功耗低等优点。
该电路设计新颖、功能强大、结构简单,有广泛的应用前景。
按照系统设计功能的要求,确定系统有5个模块组成:
主控制器、温度传感器DS18B20、报警电路、按键预置温度值电路及显示电路。
控制器使用AT89S51,温度传感器使用DS18B20,用8位共阴极LED数码管以动态扫描法实现温度显示。
系统程序主要包括主程序、温度控制子程序及显示子程序等等。
关键词:
温度测量;DS18B20;AT89S51;显示电路;单片机
第一章设计任务及方案分析
1.1设计任务及要求
设计一个以单片机为核心的温度测量系统,可实现的功能为:
(1)测量温度值精度为±1℃。
(2)系统允许的误差范围为1℃以内。
(3)系统可由用户预设温度值,测温范围为-55℃~+125℃。
(4)超出预置值时系统会自动报警,即发光二极管亮。
(5)系统具有数码显示功能,能实时显示设定温度值和测得的实际温度值。
1.2设计总体方案及方案论证
在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制,传统的测温元件有热电偶和热点阻。
而热电偶和热电阻测出的一般都是电压,再转换成对应的温度,需要比较多的外部硬件支持,硬件电路复杂,软件调试复杂,制作成本高。
本数字温度计设计采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进智能温度传感器DS18B20作为检测元件,测温范围为-55℃~+125℃,最大分辨率可达0.0625℃。
DS18B20可以直接读出被测量的温度值,而采用3线制与单片机相连,减少了外部的硬件电路,具有低成本和易使用的特点。
按照系统设计功能的要求,确定系统由5个模块组成:
主控制器AT89S51,温度传感器DS18B20,报警电路,按键电路及驱动显示电路。
数字温度计总体电路框图如图1-1所示。
1.3温度测量的方案与分析
1.3.1芯片选择
本设计的测温系统采用芯片DS18B20,DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器,它的体积更小、适用电压更宽、更经济,DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器,具有一线总线独特而且经济的特点。
采用智能温度传感器DS18B20作为检测元件,测温范围为-55℃~+125℃,最大分辨率可达0.0625℃。
DS18B20可以直接读出被测量的温度值,而且采用3线制与单片机相连,减少了外部的硬件电路,具有低成本和易使用的特点。
1.3.2电路的总体工作原理
温度控制系统采用AT89S51八位机作为微处理单元进行控制。
采用4X4键盘把设定温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器,还可以通过键盘完成温度检测功能的转换。
温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比较来控制温度控制器。
系统框图如图1.1:
根据系统的设计要求,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,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。
该系统的总体设计思路如下:
温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89S51单片机上,经过51单片机处理,将把温度在显示电路上显示,本系统显示器为点阵字符LCD,1602液晶模块。
检测范围5摄氏度到60摄氏度。
本系统除了显示温度以外还可以设置一个温度值,对所测温度进行监控,当温度高于或低于设定温度时,开始报警并启动相应程序(温度高于设定温度时,风扇开;当温度低于设定温度时,加热器开)。
中央微处理器AT89S51:
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率,并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。
AT89S51单片机综合了微型处理器的基本功能。
按照实际需要,同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性,所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的AT89S51单片机作为整个系统的控制器。
1.3.4测温流程图
第二章方案论证
本章主要对毕业设计的题目进行了分析,根据要实现的功能,综合比较几种设计方法,提出了实现系统功能的最佳方案。
2.1题目分析
本设计是一个数字温度控制系统,能测量温度,并能在超限的情况下进行控制、调整,并报警。
2.1.1具体指标
正常工作温度范围:
-55℃~+125℃
温度误差:
<1℃
2.1.2具体控制要求
根据设计的要求,要利用温度传感器实时温度。
当温度高于设定的温度时(60℃),打开降温装置进行调整使温度在设定的范围内。
当温度低于设定的温度时(5℃),打开升温装置进行调整使温度在设定的范围内。
同时要求能设定温度。
毕业设计的主要任务是能对温度进行自动的检测和控制。
设计中采用单片机来控制温度,因此要有温度的采集电路,键盘显示电路,温控电路,报警电路等几个部分。
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,及键盘和显示电路的设计等。
2.2显示器的选择
2.2.1LED显示器
采用传统的七段数码LED显示器。
LED虽然价格便宜,但在现代的许多仪表、各种电子产品中逐渐被LCD所取代。
2.2.2LCD液晶屏
采用LCD液晶屏进行显示。
LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件,只要2~3伏就可以工作,工作电流仅为几微安,是任何显示器无法比拟的,同时可以显示大量信息,除数字外,还可以显示文字、曲线,比传统的数码LED显示器显示的界面有了质的提高。
在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。
优点为:
1显示质量高,由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光,因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。
2数字式接口,液晶显示器都是数字式的,和单片机的接口简单操作也很方便。
3功率消耗小,相比而言液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动IC上,因而耗电量比其他器件要小很多。
虽然LCD显示器的价格比数码管要贵,但它的显示效果好,是当今显示器的主流,所以采用LCD作为显示器。
第三章系统器件选择
3.1单片机的选择
对于单片机的选择,可以考虑使用8031与8051系列,由于8031没有内部RAM,系统又需要大量内存存储数据,因而不适用。
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可编程的Flash只读程序存储器,兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP),也可用传统方法进行编程,所以低价位AT89S51单片机可为提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域,对于简单的测温系统已经足够。
单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点,四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要,很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
主要特性如下
●与MCS-51兼容
●4K字节可编程闪烁存储器
●寿命:
1000写/擦循环
●数据保留时间:
10年
●全静态工作:
0Hz-24Hz
●三级程序存储器锁定
●128*8位内部RAM
●32可编程I/O线
●两个16位定时器/计数器
●5个中断源
●可编程串行通道
●低功耗的闲置和掉电模式
●片内振荡器和时钟电路
3.1.189S51引脚功能介绍
AT89S51单片机为40引脚双列直插式封装。
其引脚排列和逻辑符号如图4.1所示。
各引脚功能简单介绍如下:
●VCC:
供电电压
●GND:
接地
●P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每个管脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚写“1”时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时,P0口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部电位必须被拉高。
●P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入“1”后,电位被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
●P2口:
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。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉的优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
●P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入时,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL),也是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口:
P3.0RXD(串行输入口)
●P3.1TXD(串行输出口)
●P3.2INT0(外部中断0)
●P3.3INT1(外部中断1)
●P3.4T0(记时器0外部输入)
●P3.5T1(记时器1外部输入)
●P3.6WR(外部数据存储器写选通)
●P3.7RD(外部数据存储器读选通)
同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
●RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
●ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令时ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
●PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取址期间,每个机器周期PSEN两次有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不出现。
●EA/VPP:
当EA保持低电平时,访问外部ROM;注意加密方式1时,EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时,访问内部ROM。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
●XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
●XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
3.2温度传感器的选择
由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压,再转换成对应的温度,需要比较多的外部元件支持,且硬件电路复杂,制作成本相对较高。
这里采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。
3.2.1DS18B20的简介:
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”,其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。
DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
温度测量范围为-55~+125摄氏度,可编程为9位~12位转换精度,测温分辨率可达0.0625摄氏度,分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。
被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可以在远端引入,也可以采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。
DS18B20的性能特点如下:
●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
●DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温
●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
●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℃
●零待机功耗
●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
●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
●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
●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
●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
以上特点使DS18B20非常适用与多点、远距离温度检测系统。
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的管脚排列、各种封装形式如图3.2所示,DQ为数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源;GND为地信号;VDD为可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。
其电路图3.3所示.。
图3.2外部封装形式图3.3传感器电路图
3.2.2DS18B20内部结构
图为DS1820的内部框图,它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式RAM),用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码(CRC)发生器等七部分。
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图3.4所示
图3.4DS18B20内部结构框图
64b闪速ROM的结构如下:
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。
主机操作ROM的命令有五种,如表所列
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4.5所示。
图3.5高速暂存RAM结构图
前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。
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。
温度值格式如下:
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。
图中,S表示位。
对应的温度计算:
当符号位S=0时,表示测得的温度植为正值,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,表示测得的温度植为负值,先将补码变换为原码,再计算十进制值。
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。
DS18B20温度传感器主要用于对温度进行测量,数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,并以0.0625℃/LSB形式表示。
表2是部分温度值对应的二进制温度表示数据。
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
0
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
图3.6
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 因此,可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。 在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC)。 主机根据ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20中的CRC值做比较,以判断主机收到的ROM数据是否正确。 3.2.3键盘 如图3.6所示,用AT89S51的并行口P1接4×4矩阵键盘,以P1.0-P1.3作输入线,以P1.4-P1.7作输出线;液晶显示器上显示每个按键的“0-F”序号。 对应的按键的序号排列如图3.5所示: 图3.7按键的序号排 图4.8中微处理单元是AT89S51单片机,X1和X2接12M的两脚晶振,接两个30PF的起振电容,J1是上拉电阻.单片机的P1口8位引脚与行列式键盘输出脚相连,控制和检测行列式键盘的输入.行线通过上拉电阻接到+5V上,无按键按下时,行线处于高电平状态,有键按下时,行线的电平状态将由与此行线相连接的列线的电平决定.键盘输入的信息主要进程是: 1CPU判断是否有键按下. 2确定是按下的是哪个键. 3把此键所代表的信息翻译成计算机可以识别的代码或者其他的特征符号. 图3.8键盘硬件电路图 3.3、DS18B20测温原理 DS18B20的测温原理如图2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震荡频率明显改变,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后进行计数,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和温度寄存器中,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图2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,这就是DS18B20的测温原理。 另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,他有严格的时隙概念,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。 图3.9DS18B20测温原理图 在正常测温情况下,DS1820的测温分辨力为0.5℃,可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果: 首先用DS1820提供的读暂存器指令(BEH)读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果,然后切去测量结果中的最低有效位(LSB),得到所测实际温度的整数部分Tz,然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。 考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系,实际温度Ts可用下式计算: Ts=(Tz-0.25℃)+(CD-Cs)/CD 第四章系统软件设计 4.1系统的主程序设计 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,包括键盘程序,中断程序,以及各个控制端口的初始化工作。 流程图如4.1所示。 系统在初始化完成后就进入温度测量程序,实时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的上下限。 根据硬件设计完成对温度的控制。 按下4*4键盘上的A键可以设定温度上限,按下B键可以设定温度下限。 系统软件设计的总体流程图 Y N 图4.1系统总体设计流程图 4.2中断程序的设计 M
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