基于單片機控制的四回路多點溫度采集控制系統(tǒng)的設計論文.doc

摘 要 本課題介紹的是以單片機 at89s52 為控制核心的四回路多點溫度采集控制系統(tǒng)的 設計。該系統(tǒng)通過多個溫度傳感器同時采集溫度信號，并將溫度信號轉換成數字信號 經單片機處理并經輸出驅動電路顯示于共陰極數碼管。同時將控制規(guī)律預先設置，從 而提出處理建議，自動判斷出是否通過控制繼電器動作來控制執(zhí)行機構達到優(yōu)化工業(yè) 生產的目的。同時，可以通過四路按鍵開關來選擇顯示某待測點溫度，使得管理人員 更好的掌握生產過程。此外，只要對傳感器類型進行改變和對程序做出調整，該系統(tǒng) 可以滿足其他生產控制的需要。 在本文中，首先介紹了當前計算機控制技術的發(fā)展及過單片機在過程控制中的應 用.其次針對系統(tǒng)所使用的單片機的性能和發(fā)展情況做了簡單介紹,同時對測量溫度在- 55125 之間的智能溫度傳感器 ds18b20 做了介紹。 其次，本文重點對測控硬件、軟件的組成進行了分項、模塊化逐步分析設計。對 各部分的電路進行了介紹，最終實現了該系統(tǒng)的硬件電路,繪制了電路原理圖。在焊接 完元器件后，完成了硬件調試。根據硬件的設計和測控系統(tǒng)所要實現的功能，本設計 對軟件也進行了一一設計，并經過反復的模擬運行、調試，修改簡化了軟件系統(tǒng)，最 后形成了一套完整的程序系統(tǒng)。 整個論文共分為六部分，分別對四回路控制器做了較全面的敘述。 關鍵詞：四回路、單片機 89s52、ds18b20、系統(tǒng)設計、硬件系 abstract this topic introduced the design of the fore core multi-point temperature acquisition loop control system which control core was mcu.the system through a number of smart temperature sensors ds18b20 collected the temperature,and the temperature signals was converted to digital signal by it.the processed signals was shown on a total digital cathode tube through the output drive circuitry.at the same time the mcu processed the signals by the pre- control law which setted up,and made recommendations to auto matically determine whether the actions by controlling the relay to control the implementing agencies to optimize the industrial production purposes.iaddition,the four-way button can switch to choose to display a measured temperature,making better management control of the produc tion process.in another hand,through changing the kind of the sensors and the soft ware,this system could satisfy others system. in this article,the first of all was introduced the developmengt of the computer control technology and the role of mcu played in in modern times.the next was a brief introduntion of the mcu which we used in this system,including the performance and the development.by the same time we introduced the smart temperature sensorsds18b20 which temperature measured between -55 to 125. next,the key of this article was observed and controlled hardware.the software composition carried on the sub-item.the modeulation has analyzed the design gradually.when the introduction of the each part of the electric circuits was finished,finally had realized this system hardware electric circuit.after the hardware debugging.according to the fuction of the system would realize.we finished the design of the software and after the repeatedly simulation run,debugging,the revision simplified the software system.finally has formed set of complete. the whole paper is divided into six parts,namely the four-loop controller,done a more comprehensive narrative. key words:mcu at89s52,ds18b20,system design,hardware i 目 錄 第第 1 1 章章 引言引言 1 1 1.1 本文研究的目的和意義.1 1.2 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展 2 第第 2 2 章章 系統(tǒng)總體設計及主控芯片介紹系統(tǒng)總體設計及主控芯片介紹 5 5 2 2.1 系統(tǒng)設計方案 5 2.2 最小系統(tǒng)設計方案 6 2.2.1 主控芯片的選擇方案 .6 2.2.2 at89s52 的功能性能描述 .7 2.2.3 at89s52 的引腳結構 .8 2.2.4 存儲器結構10 2.2.5 中斷系統(tǒng)12 2.3 輸入電路的設計 .12 2.3.1 溫度采集方案12 2.3.2 數字溫度傳感器 ds18b20 簡介13 2.4 三位 led 數碼管驅動電路的設計 .20 2.4.1 led 數碼顯示器的結構與顯示段碼 20 2.4.2 led 數碼顯示器的顯示段碼 21 2.4.3 led 數碼顯示器的顯示方法 22 2.5 鍵盤電路設計23 2.5.1 鍵盤電路選擇 23 2.5.2 開關狀態(tài)的可靠輸入23 2.5.3 對按鍵進行編碼給定鍵值或給出鍵號 23 2.5.4 選擇鍵盤監(jiān)測方法 23 2.6 繼電器控制電路 .24 第第 3 3 章章 四回路溫度采集控制系統(tǒng)的軟件設計四回路溫度采集控制系統(tǒng)的軟件設計 2525 3.1 主程序設計流程圖 .25 3.2 ds18b20 讀取溫度子程序流程圖 26 3.3 ds18b20 計算溫度子程序流程圖 26 3.4 按鍵控制及掃描子程序流程圖 .27 3.5 繼電器控制子程序流程圖31 3.6 顯示子程序流程圖 .33 第第 4 4 章章 結束語結束語 3434 4.1 總結和系統(tǒng)存在的問題 .34 ii 4.2 設計心得體會 .34 致致 謝謝 3636 附錄一：系統(tǒng)硬件電路圖附錄一：系統(tǒng)硬件電路圖 3838 附錄二：實物照片附錄二：實物照片 3939 1 第 1 章 引言 1.1 本文研究的目的和意義 在生產過程中，經常要對生產現場的工藝參數進行采集，監(jiān)視和記錄，達到提高 產品質量，降低成本的目的。在科學研究中，應用數據采集系統(tǒng)獲得大量的動態(tài)信息， 是研究瞬間物理過程的有力工具，也是獲取科學奧秘的重要手段之一?？傊徽撛?哪個應用領域中，數據采集與處理越及時，工作效率就越高，取得的經濟效益就越大。 在工、農業(yè)生產和日常生活中，對溫度的測量及控制占據著極其重要的地位。首 先讓我們了解一下多點溫度檢測系統(tǒng)在各個方面的應用領域：消防電氣的非破壞性溫 度檢測，電力、電訊設備之過熱故障預知檢測，空調系統(tǒng)的溫度檢測，各類運輸工具 之組件的過熱檢測，保全與監(jiān)視系統(tǒng)之應用，醫(yī)療與健診的溫度測試，化工、機械 等設備溫度過熱檢測。溫度檢測系統(tǒng)應用十分廣闊 由此可以看出，測量控制的作用就是從生產現場中獲取各種參數，運用科學計算 的方法，綜合各種先進技術，使每個生產環(huán)節(jié)都能夠得到有效的控制，從而不但保證 了生產的規(guī)范化、提高產品質量、降低成本，還確保了生產安全。 但是由于歷史原因和技術發(fā)展的瓶頸所限，計算機控制技術在當前生產過程中應 用的還不是很廣泛。例如，我國目前的鍋爐生產技術還比較落后，尤其是燃燒供熱的 鍋爐的燃燒效率還相當低。這使得鍋爐的燃燒不充分，而造成大氣污染加重，從而造 成了我國社會主義現代化的建設中能源的增長大大落后于生產的增長。這與當前所倡 導建設節(jié)約型社會是相背離的。這就要求通過節(jié)能措施，以提高能源的有效利用。有 效地的彌補能源供應方面的缺口，這是一個迫切的任務。而我們此次設計的單片機四 回路溫度采集控制系統(tǒng)正是基于改善供熱鍋爐的熱效率，挖掘其潛力，從而提高操作 管理水平，減輕勞動強度。 眾所周知，鍋爐的生產過程要求對水溫要進行實時采集，提供信息供管理人員控 制生產過程。但是傳統(tǒng)的生產過程是通過值班人員輪流對測溫點進行人工讀取溫度值， 這樣難免有時會由于讀數失誤或不及時，難以對生產過程做到實時監(jiān)測。這樣不僅會 造成管理人員勞動強度大，企業(yè)管理成本高，生產效率低。更重要的會影響鍋爐的正 常運行，埋藏安全隱患。 2 此次設計的四回路控制器正是為了解決這個問題而設計。通過系統(tǒng)的多個溫度傳 感器采集多點的溫度信息，一旦某點的溫度超過設定值，通過繼電器控制引風機或給 水設備等執(zhí)行機構，從而使水溫降至正常值。值班人員在值班室可通過開關選擇需要 的觀測點，其溫度也將實時顯示于顯示屏上。這樣生產過程的安全和效率都能夠得到 保障。 當然鍋爐是一個及其復雜的系統(tǒng)，其輸入量和輸出量有多種，每個數據的變化都 會給其它量造成影響，不能用簡單的一對一控制規(guī)律來控制其生產過程。此外鍋爐的 生產環(huán)境比較惡劣，對系統(tǒng)的抗干擾性能要求比較高。所以本文只是基于計算機控制 思想上進行模擬，對于實際的鍋爐生產是有點鞭長莫及。 但是隨著單片機技術的迅速興起與蓬勃發(fā)展，其穩(wěn)定、安全、高效、經濟等優(yōu)點 十分突出，所以其應用也必將十分廣泛。相信不久的將來計算機控制技術將更好的與 過程控制技術相結合。而鍋爐的生產過程也一定能夠由于計算機的引入而煥發(fā)青春。 1.2 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展 自動化技術在工業(yè)、農業(yè)、科技以及人們的日常生活中發(fā)揮著重要的作用。自 20 世紀 90 年代以來，作為信息科學技術的重要分支，自動化技術本身及其應用領域得到 了迅速的提高和發(fā)展，其水平高低已成為國家科技實力和各個行業(yè)現代化水平的重要 標志。 過程控制通常是指連續(xù)生產過程的自動控制，是自動化技術最重要的組成部分， 其主要任務是對生產過程中的有關參數（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度、ph 值和物性等）進行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化，在保證產品質量和生產安 全的前提下，使連續(xù)生產過程自動地進行下去。實際的生產過程千變萬化，存在不確 定性，影響生產過程的因素和條件諸多。因此要解決生產過程的各種控制問題必須采 用有針對性的特殊方法與途徑。這就是過程控制要研究和解決的課題。 20 世紀 40 年代以前，工業(yè)生產技術水平相對落后，生產過程大多處于手工操作狀 態(tài)，操作工通過目測判斷生產過程的狀態(tài)，手動調整生產過程，生產效率很低。40 年 代以來，特別是第二次世界大戰(zhàn)以后，工業(yè)生產過程自動化技術發(fā)展很快，尤其是近 些年來，在 it 技術（自動化技術也是 it 技術的組成部分）的帶動下，過程控制技術 發(fā)展十分迅猛。過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程，大致經過以下幾個階段： 3 1.局部自動化階段（20 世紀 5060 年代） 20 世紀 50 年代，過程控制技術開始得到發(fā)展。這一階段，過程控制系統(tǒng)絕大多數 是單輸入單輸出系統(tǒng)：被控參數主要有溫度、壓力、流量和物位四種參數；控制 的目的是保持這些工藝參數的穩(wěn)定，確保生產安全。受當時的生產規(guī)模所限，多用氣 動儀表進行測量與控制，壓縮空氣為動力的氣動儀表實現就地的簡單控制，主要解決 在生產過程較為正常的情況下，為滿足工藝要求的參數而進行的定制控制問題。大多 數測量儀表分散在各生產單元工藝設備上，操作人員在生產現場產看儀表及采取相應 的操作。 20 年代 50 年代后期-60 年代，采用了集中監(jiān)控與幾種操作的控制系統(tǒng)，實現了工 廠儀表化和局部自動化。這對當時迫切希望提高設備效率和擴大生產過程規(guī)模的要求 起到了有力的促進作用，適應了工業(yè)生產設備日益大型化與連續(xù)化的客觀要求。 2.集中控制階段（20 世紀 6070 年代） 20 世紀 60 年代，工業(yè)生產規(guī)模不斷擴大，生產過程越來越復雜，產品質量要求越 來越高，對過程控制技術提出了新的要求，迫切需要生產過程集中控制與管理。 隨著電子技術的迅速發(fā)展，半導體產品取代了電子真空管。隨后，集成電路取代 了分立元件，電子儀表的可靠性迅速提高，逐步替代了氣動儀表。過程控制系統(tǒng)通過 采用單元組合儀表和組裝式儀表，實現了車間范圍和大型系統(tǒng)的集中監(jiān)控。同時為了 滿足特殊工藝的控制要求，開發(fā)使用了多種控制系統(tǒng)方案，例如：串級控制，前饋控 制，比值控制。更重要的是，計算機開始在過程控制領域應用成為里程碑標致。 3.集散控制系統(tǒng)（20 世紀 70 年代中期至今） 20 世紀 70 年代，隨著大規(guī)模集成電路出現及微處理器的問世，計算機的性價比和 可靠性大為提高，采用冗余技術和自診斷措施的工業(yè)計算機完全滿足工業(yè)控制對可靠 性的要求，為新的過程控制儀表，裝置與系統(tǒng)的設計開發(fā)提供了強有力的支持。 大型生產過程一般都是分散系統(tǒng)，使生產過程控制分散進行（將發(fā)生故障和危險 的風險分散），整個生產過程的監(jiān)視、操作與管理相對集中的設計思想被被大型過程 控制系統(tǒng)生產商和用戶普遍接受。隨著數字化儀表和計算機與網絡技術的發(fā)展，過程 控制系統(tǒng)的結構也有單變量控制系統(tǒng)發(fā)展到多變量系統(tǒng)，由生產過程的定值控制發(fā)展 到最優(yōu)控制、自適應控制。 進入 20 世紀 90 年代以后，隨著測量儀表數字化、通信系統(tǒng)網絡化的集散型控制 4 技術日益成熟，現場總線技術以及基于現場總線技術的網絡化分布式控制系統(tǒng)逐步推 廣、使用，使過程控制系統(tǒng)的開放性，兼容性和現場儀表與裝置的智能化水平發(fā)上了 質的飛躍。工廠自動化、計算機集成過程控制，計算機集成制造系統(tǒng)和企業(yè)資源綜合 規(guī)劃等方案的通過和實施，為提高工業(yè)生產過程經濟效益的關鍵手段。 第 2 章 系統(tǒng)總體設計及主控芯片介紹 5 2.1 系統(tǒng)設計方案 此次設計的主要應用在糧食倉儲系統(tǒng)、樓宇自動化、系統(tǒng)空調系統(tǒng)的溫度檢測、 石化、機械等需要多點溫度檢測的場所。其目的是及時提供準確的溫度分析報告，供 管理人員及時對生產過程進行控制，確保工業(yè)生產的效率和安全。該課題主要是通過 智能溫度傳感器滿足溫度測量，并將溫度信號轉換成數字信號經單片機處理并經輸出 驅動電路顯示于共陰極數碼管。因此該系統(tǒng)可實現多點不同區(qū)域測量，單通道，循環(huán) 測量。此外還具有自動控制和超溫報警和自動控制功能，當溫度超過某一設定值時， 系統(tǒng)控制繼電器來關閉加溫設備，同時做出聲光報警。 該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要包括：at89s52 主控芯片，智能溫 度傳感器 ds18b20，led 數碼顯示，繼電器控制及聲光報警電路，同 pc 機通信并口單 元。軟件部分主要包括對傳感器的程序編寫，led 數碼顯示程序的編寫，控制繼電器動 作子程序，按鍵動作子程序等。 系統(tǒng)的總體結構框圖如下圖 2-1： shows desktop.lnk 圖 2-1 系統(tǒng)總體框圖 2.2 最小系統(tǒng)設計方案 2.2.1 主控芯片的選擇方案 微型計算機滲透到測試領域并得到充分發(fā)揮，是現代測試技術發(fā)展的必然趨勢， 人機交換電路 輸入電路 單片機最小系統(tǒng) 顯示電路 繼電器控制電路 6 也是目前作為智能儀表的設計的一般方法，目前市場上的單片機從數據總線寬度上來 分主要有 8 位機、16 位機、32 位機，其中的 32 位單片機近年來在信號分析與處理、 語音處理、數字圖象處理等數字信號處理運用領域得到廣泛的運用，但在工業(yè)測控現 場，占主導地位的還是 8 位機和 16 位機，對本課題涉及的多路溫度的測量，運用單片 機的主要目的是構成一個具有一定判斷、運算能力以及具有存儲、顯示、通信等功能 的智能測量儀表，它所處理的信息量和復雜程度由于是溫度，因而用 8 位機已經足夠 了。目前，生產單片機的廠商有很多，尤其是近年來微電子技術、計算機技術的飛速 發(fā)展，比較著名的有 intel、philips、microchip、motorola、atmel 等半導體企業(yè)。在上 述著名的半導體企業(yè)產品中，尤其在工業(yè)測控場合，運用較多的為 intel 公司的 mcs- 51 系列，microchip 公司的 pic 系列，近年來，隨著 intel 公司對 8031 內核的公開以 及各半導體企業(yè)在關鍵技術上的相互滲透，不僅 intel 公司，而且 philips 公司、 atmel 公司等企業(yè)目前都生產 mcs-51 系列的 cpu。近十年來在工業(yè)測控領域，國內運 用最多的恐怕是 atmel 公司的 at89 系列，它的標準型產品不僅在指令上，而且在管腳 上都兼容 intel 公司的 mcs-51 系列的第一代 cpu8031，并在片內存儲器、振蕩電路、 功耗、軟件加密以及內置看門狗等技術水平上均有很大程度的提高，使國內的智能儀 表行業(yè)的設計與開發(fā)者越來越感到使用和設計上的方便。因此主控芯片的選擇方案有 二種： 方案一： 此方案采用 at89c52 8 位單片機實現。單片機編程的自由度大，可通過編程實 現各種算術算法和邏輯控制。但是，at89c52 單片機需要用仿真器來實現軟硬件的合成 在線調試，較為繁瑣，很不方便。而且 at89c52 的地位已經漸漸的被 at89s52 所取代， 逐漸成為歷史。事實也證明了 at89s52 在工業(yè)控制上有著更為廣泛的應用。 方案二： 此方案采用 at89s52 八位單片機實現。它除了 89c52 所具有的優(yōu)點外，還具有可 在線編程，可在線仿真的功能，這讓調試變得方便。與凌陽十六位單片機相比， at89s52 八位單片機的價格便宜，在線編程方便，而且 at89s52 在工業(yè)控制中有廣泛的 應用，編程技術及外圍功能電路的配合技術發(fā)展都很成熟。這對于我們查找相關資料 非常方便。 綜合比較本設計最終選用 atmel 最新的 8 位單片機 at89s52 作為本系統(tǒng)的主控 7 制器。 2.2.2 at89s52 的功能性能描述 與mcs-51單片機產品兼容 8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲器 1000次擦寫周期 全靜態(tài)操作：0hz33hz 三級加密程序存儲器 32個可編程i/o口線 三個16位定時器/計數器 八個中斷源 全雙工uart串行通道 低功耗空閑和掉電模式 掉電后中斷可喚醒 看門狗定時器 雙數據指針 掉電標識符 at89s52是一種低功耗、高性能cmos 8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80c51的指令和引腳 完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上， 擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng) 提供高靈活、超有效的解決方案。at89s52具有以下標準功能：8k字節(jié)flash，256字節(jié) ram，32 位i/o 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位定時器/計數器，一 個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，at89s52 可降至 0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu停止工作，允許 ram、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內容被保存， 振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 8 2.2.3 at89s52 的引腳結構 圖 2.2 at89s52 引腳圖 at89s52 引腳圖，如圖 2.2 所示 vcc: 電源 gnd: 地 p0口：p0口是一個8位漏極開路的雙向i/o口。作為輸出口，每位能驅動8個ttl邏 輯電平。對p0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時， p0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下，p0具有內部上拉電阻。 在flash編程時，p0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序 校驗時，需要外部上拉電阻。 p1口：p1口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p1 輸出緩沖器能驅動4 個ttl 邏輯電平。對p1 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸 入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流 （iil）。此外，p1.0和p1.2分別作定時器/計數器2的外部計數輸入（p1.0/t2）和定 時器/計數器2的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex），具體如表2.1所示，在flash編程和校驗時， p1口接收低8位地址字節(jié)。 9 表2.1 p1口第二功能 引腳號第二功能 p1.0t2（定時器/計數器t2的外部計數輸入），時鐘輸出 p1.1t2ex（定時器/計數器t2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） p1.5mosi(在系統(tǒng)編程用) p1.6miso(在系統(tǒng)編程用) p1.7sck(在系統(tǒng)編程用) p2口：p2口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2輸出緩沖器能驅動4個 ttl邏輯電平。對p2 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口 使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（iil）。 在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數據存儲器（例如執(zhí)行movx dptr）時， p2口送出高八位地址。在這種應用中，p2口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用8位地 址（如movx ri）訪問外部數據存儲器時，p2口輸出p2鎖存器的內容。在flash編程和 校驗時，p2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 p3口：p3口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅動4 個ttl 邏輯電平。對p3 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸 入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流 （iil）。p3口亦作為at89s52特殊功能（第二功能）使用，如表2.2所示。在flash編 程和校驗時，p3口也接收一些控制信號。 表 2.2 p3 口第二功能表 引腳第二功能 p3.0rxd (串行口輸入端) p3.1txd (串行口輸出端) p3.2 (外中斷 0，低電平有效)0int p3.3 (外中斷 1，低電平有效)1int p3.4t0 (定時/計數器 0 計數脈沖輸入端) p3.5t1 (定時/計數器 1 計數脈沖輸入端) 10 p3.6 (外部數據存儲器寫選通，低電平有效)wr p3.7 (外部數據存儲器讀選通，低電平有效)rd rst: 復位輸入。晶振工作時，rst腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復位。 看門狗計時完成后，rst 腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器auxr(地址8eh) 上的disrto位可以使此功能無效。disrto默認狀態(tài)下，復位高電平有效。 ale/prog：地址鎖存控制信號（ale）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位 地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（prog）也用作編程輸入脈沖。 在一般情況下，ale 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時 器或時鐘使用。然而，特別強調，在每次訪問外部數據存儲器時，ale脈沖將會跳過。 如果需要，通過將地址為8eh的sfr的第0位置 “1”，ale操作將無效。這一位置 “1”，ale 僅在執(zhí)行movx 或movc指令時有效。否則，ale 將被微弱拉高。這 個ale 使能標志位（地址為8eh的sfr的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式 下無效。 :外部程序存儲器選通信號（）是外部程序存儲器選通信號。當psenpsen at89s52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機器周期被激活兩次，而在psen 訪問外部數據存儲器時，將不被激活。psen /vpp:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000h 到ffffh的外部程序存ea 儲器讀取指令，必須接gnd。為了執(zhí)行內部程序指令，應該接vcc。在flash編eaea 程期間，也接收12伏vpp電壓。ea xtal1:振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 xtal2:振蕩器反相放大器的輸出端。 2.2.4 存儲器結構 單片機at89s52有單獨的程序存儲器和數據存儲器。外部程序存儲器和數據存儲器 都可以進行64k尋址。 （1）程序存儲器：如果引腳接地，程序讀取只從外部存儲器開始。對于ea 89s52，如果 接vcc，程序讀寫先從內部存儲器（地址為0000h1fffh）開始，接ea 著從外部尋址，尋址地址為：2000hffffh。 （2）數據存儲器：at89s52有256字節(jié)片內數據存儲器。高128字節(jié)與特殊功能寄 11 存器重疊。也就是說高128字節(jié)與特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分開的。 當一條指令訪問高于7fh 的地址時，尋址方式決定cpu 訪問高128 字節(jié)ram 還是特殊 功能寄存器空間。直接尋址方式訪問特殊功能寄存器。 （3）看門狗定時器：wdt是一種需要軟件控制的復位方式。wdt 由13位計數器和 特殊功能寄存器中的看門狗定時器復位存儲器（wdtrst）構成。wdt 在默認情況下無 法工作；為了激活wdt，戶用必須往wdtrst 寄存器（地址：0a6h）中依次寫入01eh 和 0e1h。當wdt激活后，晶振工作，wdt在每個機器周期都會增加。wdt計時周期依賴于外 部時鐘頻率。除了復位（硬件復位或wdt溢出復位），沒有辦法停止wdt工作。當wdt溢 出，它將驅動rsr引腳一個高個電平輸出。 為了激活wdt，用戶必須向wdtrst寄存器（地址為0a6h的sfr）依次寫入0e1h和 0e1h。當wdt激活后，用戶必須向wdtrst寫入01eh和0e1h喂狗來避免wdt溢出。當計數 達到8191(1fffh)時，13 位計數器將會溢出，這將會復位器件。晶振正常工作、wdt激 活后，每一個機器周期wdt 都會增加。為了復位wdt，用戶必須向wdtrst 寫入01eh 和 0e1h（wdtrst 是只讀寄存器）。wdt 計數器不能讀或寫。當wdt 計數器溢出時，將給 rst 引腳產生一個復位脈沖輸出，這個復位脈沖持續(xù)96個晶振周期（tosc），其中 tosc=1/fosc。為了很好地使用wdt，應該在一定時間內周期性寫入那部分代碼，以避 免wdt復位。 在掉電模式下，晶振停止工作，這意味這wdt也停止了工作。在這種方式下，用戶 不必喂狗。有兩種方式可以離開掉電模式：硬件復位或通過一個激活的外部中斷。通 過硬件復位退出掉電模式后，用戶就應該給wdt喂狗，就如同通常at89s52復位一樣。 通過中斷退出掉電模式的情形有很大的不同。中斷應持續(xù)拉低很長一段時間，使得晶 振穩(wěn)定。當中斷拉高后，執(zhí)行中斷服務程序。為了防止wdt在中斷保持低電平的時候復 位器件，wdt直到中斷拉低后才開始工作。這就意味著wdt應該在中斷服務程序中復位。 為了確保在離開掉電模式最初的幾個狀態(tài)wdt不被溢出，最好在進入掉電模式前就復位 wdt。在進入待機模式前，特殊寄存器auxr的wdidle位用來決定wdt是否繼續(xù)計數。默 認狀態(tài)下，在待機模式下，wdidle0，wdt繼續(xù)計數。為了防止wdt在待機模式下復位 at89s52，用戶應該建立一個定時器，定時離開待機模式，喂狗，再重新進入待機模式。 12 2.2.5 中斷系統(tǒng) at89s52 有6個中斷源：兩個外部中斷（int0 和int1），三個定時中斷（定時器 0、1、2）和一個串行中斷。每個中斷源都可以通過置位或清除特殊寄存器ie 中的相 關中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無效。ie還包括一個中斷允許總控制位ea， 它能一次禁止所有中斷。ie.6位是不可用的。對于at89s52，ie.5位也是不能用的。用 戶軟件不應給這些位寫1。它們?yōu)閍t89系列新產品預留。 定時器2可以被寄存器t2con中的tf2和exf2的邏輯“或”觸發(fā)。程序進入中斷服務 后，這些標志位都可以由硬件清0。實際上，中斷服務程序必須判定是否是tf2 或exf2 激活中斷，標志位也必須由軟件清0。 定時器0和定時器1標志位tf0 和tf1在計數溢出的那個周期的s5p2被置位。它們的 值一直到下一個周期被電路捕捉下來。然而，定時器2的標志位tf2 在計數溢出的那個 周期的s2p2被置位，在同一個周期被電路捕捉下來。 2.3 輸入電路的設計 2.3.1 溫度采集方案 方案一： 采用熱敏電阻，可滿足 40至 90測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性 較差，對于檢測 1的信號是不適用的。而且在溫度測量系統(tǒng)中,采用單片溫度傳感器, 比如 ad590,lm35 等.但這些芯片輸出的都是模擬信號,必須經過 a/d 轉換后才能送給計 算機,這樣就必須采用高速高位的 a/d 轉換器，使得測溫裝置的結構較復雜.另外,這種 測溫裝置的一根線上只能掛一個傳感器,不能進行多點測量.即使能實現，也會造成成 本的加大。此外，用到的算法也比較復雜，一定程度上也增加了軟件實現的難度。 方案二： 在多點測溫系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測溫方法是將模擬信號遠距離采樣進行 ad 轉換，而為 了獲得較高的測溫精度，就必須采用措施解決由長線傳輸，多點測量切換及放大電路 零點漂移等造成的誤差補償問題。采用數字溫度芯片 ds18b20 測量溫度，輸出信號全 數字化。便于單片機處理及控制，省去傳統(tǒng)測溫方法的復雜外圍電路。且該芯片的物 理化學性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線形較好。在 0100時，最大線 形偏差小于 1。ds18b20 的最大特點之一采用了單總線的數據傳輸，由數字溫度計 13 ds18b20 和微控制器 at89s52 構成的溫度測量裝置,它直接輸出溫度的數字信號,可直接 與計算機連接。這樣,測溫系統(tǒng)的結構就比較簡單,體積也不大,且由于 at89s5 可以帶 多個 dsb18b20,因此可以非常容易實現多點測溫，輕松的組建傳感器網絡。 采用溫度芯片 ds18b20 測量溫度，可以體現系統(tǒng)芯片化這個趨勢。部分功能電路 的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時更快。而且，集成塊的使用，有 效地避免了外界的干擾，提高測量電路的精確度。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā) 展的一種趨勢。 2.3.2 數字溫度傳感器 ds18b20 簡介 2.3.2.1 ds18b20 概述 ds18b20數字溫度計提供9位溫度讀數,指示器件的溫度信息經過單線接口送入 ds18b20或從ds18b20送出，因此從中央處理器到ds18b20僅需連接一條線和地。讀寫和 完成溫度變換所需的電源可以由數據線本身提供而不需要外部電源。因為每一個 ds18b20有唯一的系列號，因此多個ds18b20可以存在于同一條單線總線上，可以實現 單線多點測溫。ds18b20此特性的應用范圍包括hvac環(huán)境控制建筑物設備內的溫度檢測 以及過程監(jiān)視和控制中的溫度檢測。 2.3.2.2 ds18b20 的功能特性 獨特的單線接口只需1個接口引腳即可通信 多點multidrop能力使分布式溫度檢測應用得以簡化 無需外部元件 不需備份電源 以9 位數字量讀出溫度 在1s典型值內把溫度變換為數字 用戶可定義的非易失性的溫度告警設置 告警搜索命令識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件溫度告警情況 測量范圍從-55+125，增量值為0.5，等效的華氏溫度范圍是-67257 f，增量 值為0.9 f 2.3.2.3 ds18b20 引腳排列 ds18b20 的引腳排列和功能說明如圖 2.3 所示 14 圖 2.3 ds18b20 引腳圖 2.3.2.4 ds18b20 內部結構 （1）ds18b20 的內部結構如圖 3.2 所示 c 圖 3.2 ds18b20 內部結構圖 ds18b20 有 4 個主要的數據部件： 1） 64 位激光 rom。64 位激光 rom 從高位到低位依次為 8 位 crc、48 位序列 號和 8 位家族代碼(28h)組成。 2）溫度靈敏元件。 i/o 溫度傳感器 高 速 緩 存 器 低溫觸發(fā)器 tl 高溫觸發(fā)器 th 配置寄存器 8 位 crc 發(fā)生器 vdd 存儲器與控制邏輯 64 位 rom 和 單線接口 15 3）非易失性溫度報警觸發(fā)器 th 和 tl。可通過軟件寫入用戶報警上下限值。 4）配置寄存器。配置寄存器為高速暫存存儲器中的第五個字節(jié)。ds18b20 在 0 工作時 按此寄存器中的分辨率將溫度轉換成相應精度的數值，其各位定義如表 2.4 所示。 表 2.4 ds18b20 配置寄存器結構圖 tmr1r011111 msb ds18b20 配置寄存器結構圖 lsb 其中，tm：測試模式標志位，出廠時被寫入 0，不能改變；r0、r1：溫度計分辨率 設置位，其對應四種分辨率如下表所列，出廠時 r0、r1 置為缺省值：r0=1，r1=1（即 12 位分辨率），用戶可根據需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率(如表 2.5)。 表 2.5 配置寄存器與分辨率關系表 r0r1 溫度計分辨率/bit最大轉換時間/us 00993.75 0110187.5 1011375 1112750 （2） 高速暫存存儲器 高速暫存存儲器由 9 個字節(jié)組成，其分配如下表 2.6 所示。當溫度轉換命令發(fā)布 后，經轉換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第 0 和第 1 個字 節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數據，讀取時低位在前，高位在后，數據格式如表 2.7 所示。對應的溫度計算：當符號位 s=0 時，直接將二進制位轉換為十進制；當 s=1 時， 先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進制值（如表 2.8 所示）。 表 2.6 ds18b20 存儲器映像圖 溫度低位溫度高位 thtl 配置保留保留保留8 位 crc lsb ds18b20 存儲器映像圖 msb 表 2.7 溫度格式圖 16 2 23 32 22 22 21 12 20 02 2-1-12 2-2-22 2-3-32 2-4-4 msbmsblsblsb s ss ss ss ss s2 26 62 25 52 24 4 表 2.8 對應的溫度值表 溫度/二進制表示十六進制表示 +125 +25.0625 +10.125 +0.5 0 -0.5 -10.125 -25.0625 -55 00000111 11010000 00000001 10010001 00000000 10100010 00000000 00001000 00000000 00000000 11111111 11111000 11111111 01011110 11111110 01101111 11111100 10010000 07d0h 0191h 00a2h 0008h 0000h fff8h ff5eh fe6fh fc90h 2.3.2.5 ds18b20 的工作時序 ds18b20 的一線工作協(xié)議流程是：初始化rom 操作指令存儲器操作指令數據 傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序，如圖 2.4、圖 2.5 和圖 2.6 所 示。 在測溫時首先設置 ds18b20 的數據輸入端口 dq 為高電平，然后初始化 ds18b20， 在成功后 ds18b20 接收單片機的命令，為了簡單起見這里跳過 rom 命令設置匹配過程， 然后再次初始化 ds18b20 在成功后啟動溫度轉換命令，然后將溫度值保存起來，返回。 其中讀寫 ds18b20 的驅動程序在 ds18b20.c 文件中，可以參考 ds18b20 的讀寫時序圖 來理解程序。 圖 2.4 初始化時序 17 圖 2.5 寫時序 圖 2.6 讀時序 2.3.2.6 ds18b20 與單片機的典型接口設計 可以采用外接電源與寄生電源供電（就是供電電源從數據線上得到）如圖 2.6 和 圖 2.7 所示： 圖 2.6 外接電源供電 18 圖 2.7 寄生電源供電 2.3.2.7 ds18b20 與 at89s52 接口電路的設計 vcc 5k 圖 2.8 單線多點測溫電路 此部分為多點溫度測試。ds18b20采用外部供電方式，理論上可以在一根數據總線 上掛256個ds18b20，但實踐應用中發(fā)現，如果掛接25個以上的ds18b20仍舊有可能產生 功耗問題。另外單總線長度也不宜超過80m，否則也會影響到數據的傳輸。在這種情況 下我們可以采用分組的方式，用單片機的多個i/o來驅動多路ds18b20。在實際應用中 還可以使用一個mosfet將i/o口線直接和電源相連，起到上拉的作用。在此次設計過程 中，最初我們采用了單總線模式，如圖2.8所示，但是凡事都具有兩面性。對硬件結構 簡單的單線數字溫度傳感器ds18b20 進行操作，是需要用較為復雜的程序完成的。編 制程序時必須嚴格按芯片數據手冊提供的有關操作順序進行，讀、寫時間子程序要嚴 格按時序要求編寫。尤其在使用ds18b20的高測溫分辨力時，對時序及電氣特性參數要 求更高。在面對單總線接線時，如何選取需要顯示的18b20成了軟件的一個難點。在經 過1個多星期摸索之后，我們小組決定通過軟件將四個18b20的序列號顯示出來），然 at89s52 4.7k 1wire ds18b 20 4# ds18b 20 3# ds18b 20 1# ds18b 20 2# 19 后通過軟件對序列號進行操作來實現選取18b20的工作狀態(tài)。但是遺憾的是，對于 ds18b20的時序問題，尤其是對于其rom的操作始終解決不好，在請教老師和同學之后， 最終還是沒有能夠實現。無奈之下，只有選取了使用單片機的多個i/o來驅動多路 ds18b20，雖然最終結果得以實現，這也不免是整個設計過程的一個遺憾。此外有多個 測溫點時，應考慮系統(tǒng)能實現傳感器出錯自動指示，進行自動ds18b20 序列號和自動 排序，以減少調試和維護工作量。 2.3.2.8 ds18b20 設計使用得注意事項 （1）ds18b20 從測溫結束到將溫度值轉換成數字量需要一定的轉換時間，這是必須 保證的，不然會出現轉換錯誤的現象，使溫度輸出總是顯示 85。 （2）在實際使用中發(fā)現，應使電源電壓保持在 5v 左右，若電源電壓過低，會使所 測得的溫度與實際溫度出現偏高現象，經過試驗發(fā)現，一般在 5v 左右。 （3）較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于 ds18b20 與微處理器間 采用串行數據傳送，因此，在對 ds18b20 進行讀寫編程時，必須嚴格保證讀寫時序， 否則將無法讀取測溫結果，在使用 pl/m、c 等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對 ds18b20 操作部分最好采用匯編語言實現。 （4）在 ds18b20 的有關資料中均未提及單總線上所掛 ds18b20 數量問題，容易使 人誤認為可以掛任意多個 ds18b20，在實際應用中并非如此，當單總線上所掛 ds18b20 超過 8 個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計 時要加以注意。 （5）連接 ds18b20 的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳 輸長度超過 50m 時，讀取的測溫數據將發(fā)生錯誤，當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電 纜時，正常通訊距離可達 150m，當采用每米膠合次數更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正 常通訊距離進一步加長。這種情況主要由總線分布電容使信號波形產生畸變造成的。 因此，在用 ds18b20 進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配 問題。 （6）在 ds18b20 測溫程序設計中，向 ds18b20 發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等 待 ds18b20 的返回信號，一旦某個 ds18b20 接觸不好或斷線，當程序讀該 ds18b20 時， 將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)，這一點在進行 ds18b20 硬件連接和軟件設計時也 要給予一定的重視。 20 2.4 三位 led 數碼管驅動電路的設計 2.4.1 led 數碼顯示器的結構與顯示段碼 在單片機系統(tǒng)中,常用的顯示器有：發(fā)光二極管顯示器，簡稱 led(lightemittingdiode)，液晶顯示器，簡稱 lcd(liquidcrystaldisplay)；熒光管顯示 器。近年來也開始使用簡易的 crt 接口，顯示一些漢字及圖形。前三種顯示器都有兩 種顯示結構；段顯示和點陣顯示。而發(fā)光二極管顯示又分為固定段顯示和可以拼裝的 大型字段顯示，此外還有共陽極和共陰極之分等。 三種顯示器中，以熒光管顯示器亮 度最高，發(fā)光二極管次之，而液晶顯示器最弱，為被動顯示器，必須有外光源。 led 顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示器，有 8 字段和“米”字段之分。 顯示塊都有 dp 顯示段，用于顯示小數點。7 段 led 的字型碼，由于只有 7 個段發(fā)光 二極管，所以字型碼為一個字節(jié)（如圖 2.9-c 所示）。這種顯示塊有共陽極和共陰極兩 種,共陰極 led 顯示塊的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，當某個 發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應的段被顯示(見圖 2.9-a 所示)。 同樣，共陽板 led 顯示塊的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓 （見圖 2.9-b 所示）。 共陰接法（a） 共陽接法（b） led 數碼管內部結構（c） 圖 2.9 由 n 片 led 顯示塊可拼接成 n 位 led 顯示器。 n 位 led 顯示器有 n 根位選線 和 8xn(或 16xn)根段選線。根據顯示方式的不同，位選線和段選線的連接方法也各不 相同。段選線控制顯示