課程設(shè)計---基于51單片機的多路溫度采集控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

26 四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告 前言隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，溫度測量控制系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及人們的日常生活中扮演著一個越來越重要的角色，它對人們的生活具有很大的影響，所以溫度采集控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究有十分重要的意義。本次設(shè)計的目的在于學(xué)習基于51單片機的多路溫度采集控制系統(tǒng)設(shè)計的基本流程。本設(shè)計采用單片機作為數(shù)據(jù)處理與控制單元，為了進行數(shù)據(jù)處理，單片機控制數(shù)字溫度傳感器，把溫度信號通過單總線從數(shù)字溫度傳感器傳遞到單片機上。單片機數(shù)據(jù)處理之后，發(fā)出控制信息改變報警和控制執(zhí)行模塊的狀態(tài)，同時將當前溫度信息發(fā)送到LED進行顯示。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)多路溫度信號采集與顯示，可以使用按鍵來設(shè)置溫度限定值，通過進行溫度數(shù)據(jù)的運算處理，發(fā)出控制信號達到控制蜂鳴器和繼電器的目的。我所采用的控制芯片為AT89c51，此芯片功能較為強大，能夠滿足設(shè)計要求。通過對電路的設(shè)計，對芯片的外圍擴展，來達到對某一車間溫度的控制和調(diào)節(jié)功能。1.總體設(shè)計方案 1.1 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案主控制器單片機復(fù)位報警點按鍵調(diào)六位數(shù)碼管顯示溫度傳感器 圖1.溫度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)款圖 溫度控制系統(tǒng)主要是由四部分組成：其中包括CPU單片機處理器；外圍輸入設(shè)備按鍵，其功能是設(shè)置溫度報警的上下限；數(shù)碼管顯示部分，顯示當前等我溫度和溫度的上下限；溫度傳感器，也是最重要的部分其功能是采集周圍的溫度；蜂蜜器用于報警使用，但溫度超過上線溫度和下線溫度時則發(fā)出報警聲，直到溫度恢復(fù)正常。 1.2溫度控制系統(tǒng)的方案和原理 該系統(tǒng)的設(shè)計方案是通過溫度傳感器DS18B20將周圍的環(huán)境溫度進行采集，等待單片機將其采集，當采集的信號一到就釋放信號。而單片機通過單線總線的方式對DS18B20采集的信號進行采集并且將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號通過數(shù)碼管進行顯示。而獨立按鍵是用來設(shè)置溫度的上下限的。其原理是：單片機對采集的溫度進行處理并且進行采集，將采集到的溫度使用數(shù)碼管進行顯示，并且將采集的溫度和存儲的上下限溫度進行比較，當溫度超過上下限制的時候驅(qū)動蜂鳴器鳴叫，直到溫度達到正常溫度是蜂鳴器停止工作；而使用兩個獨立按鍵則是用來設(shè)計溫度上下限。2.單元模塊設(shè)計 2.1主控制器 單片機AT89C51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。AT89C51單片機是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能8位單片機，主要功能特性如下： 兼容MCS-51指令系統(tǒng)； 32個雙向I/O口，兩個16位可編程定時/計數(shù)器； 1個串行中斷，兩個外部中斷源； 可直接驅(qū)動LED； 低功耗空閑和掉電模式； 4 kB可反復(fù)擦寫(1 000次)FLASI ROM； 全靜態(tài)操作O24 MHz； 1288 b內(nèi)部RAM。該款芯片的超低功耗和良好的性能價格比使其非常適合嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用。 2.2溫度傳感器DS18B20 DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 2.2.1 DS18B20特性介紹 DS18B20是DALLAS公司的最新單線數(shù)字溫度傳感器，它的體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟，DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念，它的測量溫度范圍為55125，在1085范圍內(nèi)，精度為0.5，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等，與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持35.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便，而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小，DS18B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為0.5?？梢赃x擇更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，分辨率設(shè)定及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在E2PROM中，掉電后依然保存，DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的，性能價格比也非常出色，繼“一線總線”的早期產(chǎn)品后，DS18B20開辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念，DS18B20和DS18B22使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟的測溫系統(tǒng)。 2.2.2 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20采用3腳PR35封裝或腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由4部分組成：64位光刻ROM，溫度傳感器，非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL，配制寄存器。DS18B20的管腳排列如圖所示。圖3. DS18B20引腳圖2.2.3 DS18B20溫度傳感器的存儲器 64位ROM的結(jié)構(gòu)開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器和，可通過軟件寫入戶報警上下限。 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第8和第4字節(jié)和的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖3所示。低5位一直為1，是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶要去改動，R1和0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。 由表1可見，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。高速暫存的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625LSB形式表示。當符號位時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當符號位時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。表2是一部分溫度值對應(yīng)的二進制溫度數(shù)據(jù)。DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、T字節(jié)內(nèi)容作比較。若TH或TTL，則將該器件內(nèi)的報警標志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度并進行報警搜索。在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（CRC）。主機ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。2.2.4 DS18B20控制方法 在硬件上，DS18B20與單片機的連接有兩種方法，一種是Vcc接外部電源，GND接地，I/O與單片機的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時UDD、GND接地，I/O接單片機I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5K左右的上拉電阻。 DS18B20有六條控制命令，如表所示： 表2 指令表指 令 約定代碼 操 作 說 明 溫度轉(zhuǎn)換 44H 啟動DS18B20進行溫度轉(zhuǎn)換 讀暫存器 BEH 讀暫存器9個字節(jié)內(nèi)容 寫暫存器 4EH 將數(shù)據(jù)寫入暫存器的TH、TL字節(jié) 復(fù)制暫存器 48H 把暫存器的TH、TL字節(jié)寫到E2RAM中 重新調(diào)E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字節(jié)寫到暫存器TH、TL字節(jié) 讀電源供電方式 B4H 啟動DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號給主CPU CPU對DS18B20的訪問流程是：先對DS18B20初始化，再進行ROM操作命令，最后才能對存儲器操作，數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協(xié)議。如主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。 2.2.5 DS18B20的測溫原理DS18B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將55所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器、溫度寄存器中，計數(shù)器和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器的預(yù)置值減到時，溫度寄存器的值將加，減法計數(shù)器的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器計數(shù)到時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。 2.2.6 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖4 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。 3.溫度控制系統(tǒng)程序設(shè)計本軟件系統(tǒng)有1個主程序，6個子程序組成。6個子程序為定時/計數(shù)器0中斷服務(wù)程序、溫度采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序ADCON、溫度計算子程序CALCU、驅(qū)動控制子程序DRVCON、十進制轉(zhuǎn)換子程序METRICCON及數(shù)碼管顯示子程序DISP。 3.1主程序主程序進行系統(tǒng)初始化操作，主要是進行定時/計數(shù)器的初始化。 3.2 定時/計數(shù)器0中斷服務(wù)程序應(yīng)用定時計數(shù)器0中斷的目的是進行定時采樣，消除數(shù)碼管溫度顯示的閃爍現(xiàn)象，用戶可以根據(jù)實際環(huán)境溫度變化率進行采樣時間調(diào)整。每當定時時間到，調(diào)用溫度采集機模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序ADCON，得到一個溫度樣本，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳送給89C51單片機，然后在調(diào)用溫度計算子程序CALCU，驅(qū)動控制子程序DRVCON，十進制轉(zhuǎn)換子程序MERTRICCON，溫度數(shù)碼顯示子程序DISP。 3.3 溫度采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序ADCON該子程序進行溫度采樣并將其轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量傳送給89C51的P0口。采樣得到的溫度數(shù)據(jù)存放在片內(nèi)RAM的20H單元中。 3.4 溫度計算子程序CALCU根據(jù)熱敏電阻的分度值和電路參數(shù)計算出出一張溫度表，存放在DATATAB數(shù)據(jù)表中，由于篇幅關(guān)系，本程序只給出0-49的溫度數(shù)據(jù)。一個溫度有兩個字節(jié)組成，前一字節(jié)為溫度值，后一字節(jié)為該溫度所對應(yīng)的熱敏電阻上的電壓的數(shù)字量。根據(jù)采樣值，通過查表及比較的方法計算出當前的溫度值，并將其存入片內(nèi)RAM的21H單元。采用查表法計算溫度值時為了克服熱敏電阻的阻值溫度特性曲線的非線性，提高測量精度。 3.5 驅(qū)動控制子程序DRVCON該子程序調(diào)節(jié)溫度，當溫度高于上限溫度時（本程序設(shè)為30）， P1.0輸出驅(qū)動控制信號，驅(qū)動外設(shè)工作降溫；當溫度下降到下限溫度時（本程序設(shè)為25），P1.0停止輸出，溫度上升，周而復(fù)始；工作狀態(tài)有LED1-LED4指示。 3.6十進制轉(zhuǎn)換子程序METRICCON將存放于內(nèi)部RAM21H單元的當前溫度值得二進制數(shù)形式轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)（BCD碼）形式，以便輸出顯示，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在片內(nèi)RAM的32H單元（百位）、31H（十位）、30H單元（個位）。 3.7數(shù)碼顯示子程序DISP 該子程序利用89C51串口的方式0串行移位寄存器工作方式，將片內(nèi)RAM的30H、31H、32H單元的BCD碼查表轉(zhuǎn)換為七段碼后由RXD端串行發(fā)出去，然后經(jīng)74LS164串并轉(zhuǎn)換，將七段值傳送給數(shù)碼管，以十進制形式顯示出當前溫度值。4系統(tǒng)軟件算法分析 系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。 4.1主程序流程主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程見下圖所示.開始RESET(DS18B20復(fù)位)RECONFIG(寫DS18B20暫存器設(shè)定)GETTEMPER(讀溫度命令）TEMPERCOV(轉(zhuǎn)化為一字節(jié)溫度值) REDKEY(讀鍵盤) BD（實際溫度與上下限比較，亮燈，打鈴） FB(BCD碼轉(zhuǎn)換)DIR(顯示) 圖4 主函數(shù)流程圖4.2 DS18B20復(fù)位子程序 此部分程序在執(zhí)行前先將DAT復(fù)位，然后通過對DAT的判斷來檢測DS18B20的回應(yīng)，并進行相應(yīng)的置位，通過R2計數(shù)的控制來將C中的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)線，一共寫入一字節(jié)，本程序當R2=8時共計數(shù)8次，送入的數(shù)據(jù)正好一字節(jié)，其程序流程見下圖所示。SETB DATCLR DAT(復(fù)位)SETB DAT(拉高數(shù)據(jù)線) 等待DS18B20回應(yīng) DAT=0?FLAG1=0 N FLAG1=1(置標志位，DS18B20存在) Y SETB DAT 子程序返回 圖5 DS18B20流程圖 4.3 讀溫度值命令 此子程序主要是通過FLAG1的判斷來進行如何執(zhí)行，若存在，則跳過ROM，并由DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令，并讀取命令，最終在DS18B20中讀取兩字節(jié)溫度。若不存在，則返回，對應(yīng)程序流程圖如下。FLAG1=1?(DS18B20是否存在？）返回 N跳過ROM匹配 YDS18B20中寫入44H(發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令)DS18B20中寫入0BEH(讀取溫度指令)RDTEMP(從DS18B20中讀取兩字節(jié)溫度子程序)子程序返回圖6 溫度讀取流程圖 4.4 按鍵設(shè)置 此程序是通過對四個按鍵有無按下的判斷來對其相應(yīng)的TH、TL值進行相應(yīng)的設(shè)置，其流程圖如下。子程序返回上限值TH增一JB=0?(鍵按下) K1下限值TL減一上限值TH減一 K4 K2 K3下限值TL減一圖7 按鍵設(shè)計流程圖 4.5響鈴與亮燈的設(shè)置 此程序是通過TEMPNUM與TH的比較來進行是否響鈴與亮燈，其流程圖如下圖。TEMPNUMTH?SETB P1.6(響鈴) YTEMPUMTH NSETB P1.7(亮燈) Y N子程序返回 圖8 蜂鳴器程序流程圖5 設(shè)計總結(jié)經(jīng)過將近兩周的單片機課程設(shè)計，終于完成了數(shù)字溫度傳感器測溫現(xiàn)實系統(tǒng)的設(shè)計，雖然有些地方可能還存在一些小缺點，但從心底里說，還是高興的，畢竟這次設(shè)計把實物都做了出來，高興之余不得不深思呀！在本次設(shè)計的過程中，我們發(fā)現(xiàn)很多的問題，雖然以前還做過這樣的設(shè)計但這次設(shè)計真的讓我們長進了很多。在調(diào)程序的時候按鍵一度成為我們的難點，但經(jīng)過反復(fù)調(diào)整修改程序，還是實現(xiàn)了按鍵功能。單片機課程設(shè)計重點就在于軟件算法的設(shè)計，需要有很巧妙的程序算法，雖然以前寫過幾次程序，但我們覺的寫好一個程序并不是一件簡單的事，有好多的東西，只有我們?nèi)ピ囍隽?，才能真正的掌握，只學(xué)習理論有些東西是很難理解的，更談不上掌握。 從這次的課程設(shè)計中，我們真真正正的意識到，在以后的學(xué)習中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學(xué)的理論知識用到實際當中，學(xué)習單機片機更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次課程設(shè)計中的最大收獲。6 參考文獻1李朝青.單片機原理及接口技術(shù)：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.1-292李廣弟.單片機基礎(chǔ).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.42-913閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）. 北京：高等教育出版社，1989.28-294廖常初.現(xiàn)場總線概述J.電工技術(shù)，1999.111-1234 胡學(xué)海.單片機原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計：電子工業(yè)出版社，2005.8.101-1346 李勛.單片機實用教程：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.5.104-107附錄1：系統(tǒng)原理圖附錄2：元件清單序號名稱 廠家 價格（元）189C51STC 1028155 NEC 8374LS14 美國德州 247407 IR 3575452 36工陰極數(shù)碼管 LG 0.67 DS18B20 達來絲 6.58 排電阻（0.1K*8） 風華 0.29 電解電容 三和 0.0510瓷片電容 （國產(chǎn)） 0.0211 獨石電容 飛利浦0.0512 三極管 0.213發(fā)光二極管 0.114按鈕開關(guān) 0.0615晶振（11.0592） 116蜂鳴器 華宇 0.6附錄3 程序部分#include#include#includeconfing.hvoid main()HC138(5);P0 = 0x00; /關(guān)閉蜂蜜器、繼電器HC138(0); /鎖存P0 = 0XFF;/消隱HC138(4);P0 = 0xff; /關(guān)閉LEDHC138(0); /鎖存while(1)read_ds18b20_temp();display();key();get();alarm();void HC138(unsigned char x)P2 = ( x5 )|( P2&0x1f);void delay(unsigned char i) unsigned char k;while(i-)for(k = 0 ; k 20 ; k +);void read_ds18b20_temp() Init_DS18B20(); /初始化 Write_DS18B20(0xcc); /跳過ROM區(qū) Write_DS18B20(0x44); /溫度轉(zhuǎn)換 Init_DS18B20(); Write_DS18B20(0xcc); Write_DS18B20(0xbe); /讀取地址 temp_L = Read_DS18B20(); /讀取低字節(jié) temp_H = Read_DS18B20(); /讀取高字節(jié) temp_H = temp_H4; wen_H = temp_H|temp_L; /整數(shù)部分void get()/讀取密碼table0 = read_dat(0x01);delay(10);table1 = read_dat(0x02);delay(10);void set()write_dat(0x01,a0);delay(10);write_d