电子台秤系统设计.docx

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电子台秤系统设计

第1章前言

随着国内外工业的日益发展，温度测量技术也在不断的进步，目前用来进行温度测量的方法种类繁多，应用范围广泛，大致包括以下几种方法：

利用物体热胀冷缩原理制成的温度计；利用热电效应技术制成的温度测量元件；利用热阻效应技术制成的温度计；利用热辐射原理制成的高温计；利用声学原理进行温度测量；利用红外测温技术。

测量温度的关键是温度传感器，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术。

在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域。

生产管理一体化、网络化是当今工业自动化控制领域的大趋势，要实现这些功能，必须借助于工业计算机、现场网络及开放的工业数据库。

利用先进技术手段监测各种复杂生产环境的被控参数如温度、流量及压力等，使生产和管理一体化，可以有效地提高生产和管理的自动化水平。

温度测量是一种利用微机来实现数据采集、数据通讯传输和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中记录和说明热加工产品与空气温度关系的技术，追踪测量得到的数据被显示为图表或数字。

这个过程最简单的形式就是它可以告诉生产者所生产的产品的温度、保持这个温度有多长时间以及在什么时间达到了什么温度。

通过分析数据，生产人员可以保证产品达到最好的质量、解决产品存在问题、优化生产工艺路线及节约能耗。

无论是在电子产品的生产、食品加工、还是在医疗器械生产方面，温度都是重要的控制指标，因此温度测量技术具有非常广阔的应用前景。

温度传感器的发展经历了三个发展阶段：

传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。

目前的智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）。

传统的温度检测以热敏电阻和AD590为温度敏感元件。

热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差。

测温准确度低，检测系统也有一定的误差。

因此，利用新型温度传感器取代旧式的温度传感器是必然的趋势，新型的温度传感器的优势越来越得到体现，越来越普及。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。

本设计的温度计具有读数方便，测温准确，组态简单和灵活性大等优点，采用了单片机AT89S51和温度传感器组成了温度测量系统，从硬件和软件两方面介绍了单片机温度测量系统的设计思路。

系统由温度传感器采集温度信息，送入单片机，然后通过单片机对送来的温度进行计算和转换，并将此结果送入液晶显示模块。

当温度值超出上、下限时自动报警，实现了系统结构简单、性能可靠等要求。

通过完成此次课程设计可以使我们进一步熟悉和掌握单片机的内部结构和工作原理，了解单片机应用系统设计的基本方法和步骤。

该系统的设计包含硬件电路的设计和软件的设计。

硬件电路主要包括单片机最小系统的设计、温度检测电路的设计、报警电路的设计和显示电路的设计。

软件的设计主要包括主程序的设计，以及对应硬件电路的相应子程序的设计，目的是实现硬件电路的功能。

第2章硬件介绍

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。

主要器件有温度传感器，单片机，显示器等。

2.1单片机简介

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。

AT89S52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes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，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，WDT电路，片内时钟振荡器。

图2-151单片机

引脚功能说明：

VCC/GND：

电源/接地引脚。

Port0：

P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端；P0还可以用作总线方式下的地址数据复用管脚，用来操作外部存储器。

在这种工作模式下，P0口具有内部上拉作用。

对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节、校验程序、输出指令字节时，要求外接上拉电阻。

Port1：

P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用；另外，P1.0、P1.1可以分别被用作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发输入（P1.1/T2EX）；对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。

Port2：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用；P2口在存取外部存储器时，可作为高位地址输出；内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。

Port3：

P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

2.2温度传感器

本次设计温度传感器采用的是DS18B20，DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻相比，他能够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。

可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根接口线读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

图2-2温度传感器

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E2PRAM。

高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，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。

它的内部存储器结构和字节定义。

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。

表2-1DS18B20内部存储器结构

2.3显示器

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：

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。

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。

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。

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。

第3章硬件电路设计

3.1系统结构图

本系统设计主要包括单片机最小系统、温度测量模块、温度显示模块和报警模块。

通过这几个模块的协调工作就可以完成相应的温度测量和显示功能。

系统设计总体方框图如图所示。

图3-1系统结构图

3.2单片机最小系统

最小系统应用在一些小的控制单元。

其应用特点是:

全部I/O口线均可供用户使用，内部存储器容量有限（只有4KB地址空间），应用系统开发具有特殊性。

单片机最小系统如图3-1所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。

时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必须的时钟控制信号，内部电路在时钟信号的控制下，严格地按时序指令工作。

MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。

电路中的微调电容通常选择为30pF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。

晶体的振荡频率为12MHz。

把EA脚接高电平，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH（4Kbyte地址范围）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现。

采用最简单的外部按键复位电路。

按键自动复位是通过外部复位电路的来实现的，我们选用时钟频率为12MHz,C1取47μf。

图3-2单片机最小系统

3.3温度检测电路

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。

这里采用的是第一种连接方法,如图3-3所示:

图3-3温度采集电路

温度控制电路主要运用到了DS18B20和AT89S51。

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。

本设计连接方式是采用电源供电方式，此时DS18B20的3脚接地，2脚作为信号线，1脚接电源。

作为信号线的2引脚接单片机的INT1引脚。

3.4报警系统电路

报警系统是现在电子产品特有的，报警系统能够发出警报提醒，能够使电子产品的使用寿命得到延长，使用过程中也更加的安全可靠。

本次设计的报警系统利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。

当所测温度超过获低于所预设的温度时，数据口相应拉高电平，报警输出。

而另一端则直接和单片机的7端口相连。

报警电路连接方式如下图。

图3-4报警电路

3.5液晶显示电路

液晶显示器是一种将液晶显示器件,连接器件,集成电路,背光源,结构器件装配在一起的组件。

在显示电路中，VSS接地，VDD接5V正电源，VEE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，为了获得最佳对比度，VEE接地。

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

由于液晶显示器功能是显示各种字符，所以RS置高电平，R/W接地，8位双向数据线D0-D7与双向I/O口相连。

图3-5显示电路

第4章软件系统设计

4.1主程序流程图

图4-1主程序流程图

4.2温度测温量子程序

首先DS18B20初始化，复位DS18B20，然后单片机等待DS18B20的应答脉冲。

一旦单片机测量到应答脉冲，便发起跳过ROM匹配操作命令。

成功执行了ROM操作命令后，就可以使用内存操作命令，启动温度转换，延时一段时间后，等待温度转换完成。

再发起跳过ROM匹配操作命令，然后读暂存器，将转换结果读出，并转为显示码，送到液晶显示。

DS18B20模块程序流程图如图4-2所示。

图4-2测温流程图

4.3显示驱动子程序

首先对LCD液晶显示器进行初始化，延时15ms，进行初始化设置，依次为显示关闭、显示清屏，显示温度值。

LCD液晶驱动程序流程图如图4-3所示

图4-3显示子程序

第五章调试

本设计软件全部通过C语言编程，编程顺序采用总分总式思想。

在完成C程序的编写以后首先在KeilC51集成开发环境下将编好的程序进行编译，调试。

按照仿真图连接实物，设定的温度上下限位15度到27度，低于或者高于这两个温度界限会发出警报提醒，当设置的最高温度低于室温时，报警电路开始启动，耳边不断响起报警声。

直至设置高于常温的最高温度。

如果不能正常工作，按照电路图检查有没有连接错误等，直到能正常运行为止。

如下图5-1，是本次设计的实物图。

图5-1实物图

总结

本次设计的温度测量系统主要由AT89S51和DS18B20来实现功能的。

系统由温度传感器采集温度信息，送入单片机，然后通过单片机对送来的温度进行计算和转换，并将此结果送入液晶显示模块。

当温度值超出上、下限时自动报警，实现了系统结构简单、性能可靠等要求。

在整个设计过程中，是我对大学四年学的知识有了一个系统的认识和理解，尤其是对本课题所用到的单片机及其相关知识有了进一步的掌握，对利用单片机进行控制系统的设计与开发有了切身的认识和体会。

通过课程设计我们更加体会到了“学以致用”这句话的道理，有感思就有收获，有感思就有提高。

纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行。

实践出真知，纵观古今，所有发明创造无一不是在实践中得到检验的。

没有足够的动手能力，就奢谈在未来的科研尤其是实验研究中有所成就。

在课程设计中，锻炼了自己动手技巧，提高了自己解决问题的能力。

在以后的学习生活中，会更加的努力学习，扩充自己的知识，不断地实践，锻炼自己的动手能力。

致谢

首先，感谢老师的详细指导和讲解，为我指点迷津，帮助我开拓思路，雷老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。

对雷老师的感激之情是无法用言语表达的。

其次，通过这次课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。

使我在传感器的基本原理、传感器的实际应用，以及在常用传感器设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一人步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。

在以后的学习生活中，会更加的努力学习科学知识来扩充自己。

参考文献

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