基于8255的溫度計(單片機畢業(yè)設(shè)計)

目錄1課題任務(wù)、功能要求說明和整體方案101.1課題設(shè)計任務(wù)101.2功能要求說明101.3方案的選擇101.4設(shè)計原理112硬件系統(tǒng)的設(shè)計132.1硬件系統(tǒng)各模塊功能的簡要介紹132.2整體電路圖、PCB圖、部件配置圖182.3部件列表183軟件系統(tǒng)的設(shè)計193.1使用硬件資源的情況193.2各模塊的功能介紹193.3程序的流程圖193.4程序列表224設(shè)計結(jié)論、模擬結(jié)果、誤差分析304.1設(shè)計的結(jié)論和使用說明304.2模擬結(jié)果304.3誤差分析324.4設(shè)計體會32參考文獻34謝謝35附錄一溫度計整體電路圖36附錄二PCB圖37附錄三部件布局圖38附錄4部件列表391課題任務(wù)功能要求說明和方案選擇1.1課題設(shè)計任務(wù)設(shè)計具有特定功能的數(shù)字溫度計。 打開此數(shù)字溫度計的電源，或者重置鍵后自動顯示系統(tǒng)提示符“p .”，進入準(zhǔn)備狀態(tài)。 測量溫度范圍為099，測量精度為小數(shù)點后1位，可通過開始鍵和結(jié)束鍵控制數(shù)字溫度計的動作狀態(tài)。1.2功能要求的說明這次畢業(yè)設(shè)計制作的溫度計實現(xiàn)了以下功能(1)打開系統(tǒng)電源或者重置鍵后顯示“p .”，進入準(zhǔn)備作業(yè)狀態(tài)。(2)按下開始鍵后開始動作，按下停止鍵后停止動作。1.3方案選擇該系統(tǒng)主要由溫度測量和數(shù)據(jù)采集兩個電路組成，實現(xiàn)的方法有很多，下面列舉日常生活和工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的兩種實現(xiàn)方案。(一)方案一可以使用熱電偶溫度差電路測定溫度，在溫度檢測部使用低溫?zé)犭娕?，熱電偶由兩個焊接的異種金屬導(dǎo)線構(gòu)成，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩個金屬的接觸電位和單一導(dǎo)體的溫度差電位構(gòu)成。 通過將參考節(jié)點保持為已知溫度并且測量電壓，可以估計檢測節(jié)點的溫度。 數(shù)據(jù)收集部能夠使用帶A/D通道的單片微型計算機，收集隨被測定溫度而變化的電壓、電流，進行A/D轉(zhuǎn)換后，使用單片微型計算機進行數(shù)據(jù)處理，并在顯示電路中顯示被測定溫度。 熱電偶的優(yōu)點是工作溫度范圍非常寬，體積小，但輸出電壓小，容易受到來自讀取環(huán)路的噪聲的影響，漂移高，該設(shè)計需要A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路麻煩。 該系統(tǒng)主要包括A/D0809數(shù)據(jù)采集、自動手動操作方式檢測、溫度顯示等，這些功能信號通過輸入輸出電路由單片機處理。 此外，還有復(fù)位電路、石英振動電路、啟動電路等。 現(xiàn)場輸入硬件包括手動復(fù)位鍵、A/D轉(zhuǎn)換芯片、處理芯片51芯片、驅(qū)動器4位數(shù)字編碼管、報警器等。(二)方案二使用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度，并且將輸出信號數(shù)字化。 單片機易于處理和控制，省去了許多傳統(tǒng)測溫方法的外圍電路。 此外，該芯片物理化學(xué)穩(wěn)定，可用作工業(yè)測溫元件，該元件線性好。 在0100，最大線性偏差小于1。 DS18B20的最大特征之一是采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸，包括數(shù)字溫度計DS18B20和微控制器AT89C51的溫度測量裝置可以直接輸出低溫數(shù)字信號并直接連接到計算機。 這樣，測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，體積也不大。 采用51單片機控制，軟件編程自由度大，編程可實現(xiàn)各種算術(shù)算法和邏輯控制，且體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝簡單。 DS18B20可以單獨用于控制，也可以與PC進行通信來上傳數(shù)據(jù)，AT89C51也廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制，并且編程技術(shù)和外圍功能電路的結(jié)合也很成熟。 該系統(tǒng)可以使用AT89C51芯片控制溫度傳感器DS18B20來執(zhí)行實時溫度檢測和顯示，實現(xiàn)高速周圍溫度測量，并且可以根據(jù)需要設(shè)置上下限警告溫度。 該溫度控制系統(tǒng)將DS18B20的數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，并且將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機，使得軟件寫入相關(guān)命令以在8255顯示輸出、需要修改溫度參數(shù)或者需要查看設(shè)置或其他功能。整體框圖如圖1.1所示。圖1.1 DS18B20溫度測溫系統(tǒng)框圖根據(jù)以上兩種方式，方式1的測溫裝置溫度范圍廣，體積小，但直線誤差大。 方案2的測溫裝置電路簡單，精度高，易于實現(xiàn)，軟件設(shè)計也簡單，因此本次設(shè)計采用方案2。1.4設(shè)計原理該系統(tǒng)是多子系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)，在設(shè)計過程中也分塊實現(xiàn)設(shè)計調(diào)試，最后進行綜合實現(xiàn)，下面對各子系統(tǒng)的工作原理分別進行說明。 如圖1.2中所示，首先，裝置電復(fù)位，并且溫度檢測芯片DS18B20檢測當(dāng)前溫度。 單片微計算機從DS18B20讀出溫度值，并與DS18B20的非易失性存儲器的TH、TL值進行比較(其中，TH是設(shè)定溫度的最高值，TL是設(shè)定溫度的最低值)，經(jīng)由DS18B20顯示輸出當(dāng)前的溫度值。圖1.2整個系統(tǒng)的流程圖雙硬件系統(tǒng)的設(shè)計2.1硬件系統(tǒng)各模塊功能的簡要介紹2.1.1單片機主控制器AT89C51AT89C51是一種以4K字節(jié)閃爍可編程的可擦除只讀存儲器，是高性能的CMOS 8位微處理器。 AT89C51是具有可編程的只讀存儲器的單片機，該只讀存儲器以2K字節(jié)閃爍。 單片機的可擦除只讀存儲器可重復(fù)100次。 該設(shè)備使用ATMEL高密度非易失性存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出引腳兼容。 為了將多功能的8位CPU和閃存組合成一個芯片，ATMEL的AT89C51是高效微控制器。 外形及針腳排列如圖2.1所示主要特性：MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃存壽命： 1000個寫入/擦除周期數(shù)據(jù)保留期： 10年全靜態(tài)動作： 0Hz-24MHz三級程序存儲器鎖1288位內(nèi)部RAM32可編程I/O線2個16位計時器/計數(shù)器五個中斷來源可編程串行信道低功耗空閑模式和停電模式片上振蕩器和時鐘電路圖2.1 AT89C51管腳圖2.1.2可編程并行接口芯片82558255是英特爾生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，具有3個8位并行I/O端口。 如圖2.2所示，有三種行為方式的可編程并行接口芯片(40針)，它們有三個通道。 其各端口的功能可通過軟件選擇，靈活、通用性高。 8255單片機作為與多臺外圍設(shè)備連接時的中間接口電路。 作為8255主機和外圍設(shè)備的連接芯片，必須提供與該主機連接的三個總線接口：數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。 還需要連接外圍設(shè)備接口a、b、c端口。 8255可以被分成三個部分，即，與CPU的連接部分和與外圍設(shè)備的連接部分，因為8255必須具有邏輯控制部分部分，控制部分。主要特性：(1)并行輸入輸出的LSI芯片、多功能的I/O該設(shè)備可以是CPU總線和外圍接口(2)有24個可編程I/O端口，3組8位的I/O端口為PA端口、PB端口和PC端口。 此外，它被分為兩組位的I/O端口、a組包括a端口和c端口(高位4位、PC4PC7 )b組包括b氣口和c氣口(后4位、pc0pc3)。 a組可以設(shè)定為基本I/O端口、閃光燈(STROBE )的I/O閃光燈方式、雙向I/O3模式的b組只能設(shè)定為基本I/O或閃存控制器I/O的兩種模式由控制寄存器完全控制中所述情節(jié)，對概念設(shè)計中的量體周長進行分析。 圖2.2 8255針圖2.1.3時鐘電路模塊時鐘電路由1個晶體振蕩器12MHz和2個33pF的陶瓷電容器構(gòu)成。 如圖2.3中所示，使用時鐘電路來生成單片微計算機操作所必需的時鐘信號，但時序或檢查在指令執(zhí)行期間每個信號之間的互相關(guān)。 單片機本身必須在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格操作以確保同步操作方案的實現(xiàn)，如復(fù)雜的同步時序電路。圖2.3時鐘電路在單片機的內(nèi)部包括高增益反相放大器，其輸入端子是芯片端子XTAL1，并且其輸出端子是端子XTAL2。 在芯片的外部，在XTAL1和XTAL2之間傳遞晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。 電容器C1和C2的作用是通過穩(wěn)定頻率和加快振動，電容值的范圍是50pF30pF，典型的是30pF。 石英振動頻率通常選擇兩種6MHz和12MHz。 只需在單片機的XTAL1和XTAL2管腳上外接晶體振蕩器，構(gòu)成自激振蕩器，在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。2.1.4復(fù)位電路模塊復(fù)位電路使單片機的CPU和系統(tǒng)中的其他部件成為某個固定的初始狀態(tài)，從該狀態(tài)開始動作，進入系統(tǒng)的正常初始化，此外，由于程序的運行錯誤和操作錯誤，系統(tǒng)成為死鎖狀態(tài)的情況下，為了擺脫困境，也按下復(fù)位電路重新啟動本設(shè)計采用密鑰復(fù)位(圖2.4 )。 鍵復(fù)位通過接通復(fù)位端子的連接電阻和VCC電源來實現(xiàn)。圖2.4復(fù)位電路2.1.5顯示電路模塊本次設(shè)計采用LED四位一體數(shù)碼管，有四位控制、八段控制，其中第一位為小數(shù)點以下，第二位、第三位、第四位分別為個、百位。 該設(shè)計采用共陽極接合方法，其中PB端口是段控制輸出端口，PA端口是比特控制輸出端口，以74LS244驅(qū)動。 此電路模塊主要用于顯示溫度，如圖2.5所示。圖2.5顯示電路2.1.6溫度傳感器模塊(1) DS18B20介紹DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司新發(fā)表的改良型智能溫度傳感器，與現(xiàn)有的熱敏電阻等測溫元件相比，能夠直接讀取被檢測溫度，并且能夠根據(jù)實際的要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位數(shù)字值的讀取方式。獨特的單線連接器只需1個端口針即可通信將多個DS18B20并聯(lián)連接在唯一的三條線上，可實現(xiàn)多點網(wǎng)絡(luò)功能無需外部設(shè)備可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5V待機功率為零溫度為9位或12位的數(shù)字用戶可定義警報設(shè)定識別警報檢索指令超過程序限定溫度(溫度警報條件)的設(shè)備，設(shè)置標(biāo)志負(fù)電壓特性、電源極性相反時，溫度計不會發(fā)熱燒壞，但不能正常工作DS18B20可以采用三引腳PR-35封裝或者八引腳SOIC封裝，并且其內(nèi)部配置框圖示于圖2.6中。DQ系列c.c64位ro.om和單票線去接你嘴很貴速度慢點兒保存內(nèi)存和控制溫度傳感器高溫觸發(fā)TH低溫觸發(fā)TL寄存器的設(shè)定8位CRC發(fā)生器Vdd圖2.6 DS18B20配置框圖(2) DS18B20的操作原理在DS18B20的測溫原理：設(shè)備中，低溫系數(shù)晶體振子的振蕩頻率減小溫度的影響，為了產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號而發(fā)送到減法計數(shù)器1的高溫系數(shù)晶體振子的振動頻率隨溫度變化而顯著變化，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖被輸入。 每個設(shè)備具有另一個計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20對由低溫系數(shù)振蕩器生成的時鐘進行計數(shù)，并完成溫度測量。 計數(shù)門的開路時間由高溫系數(shù)振蕩器決定，每次測定時首先減去與-55對應(yīng)的基數(shù)，放入計數(shù)器1、溫度寄存器中，計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置為與-55對應(yīng)的基數(shù)。減法計數(shù)器1對由低溫系數(shù)石英振動產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器1的預(yù)設(shè)值為0時，對溫度寄存器的值加1，重新加載減法計數(shù)器1的預(yù)設(shè)，減法計數(shù)器1重新開始對由低溫系數(shù)石英振動產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，并減法計數(shù)該輸出是用于補償減法計數(shù)器的預(yù)設(shè)值，除非計數(shù)器閘門關(guān)閉，重復(fù)上述步驟，直到幾乎測量到溫度寄存器值。另外，DS18B20單線通信功能已經(jīng)以時分方式完成，由于具有嚴(yán)格的時隙概念，讀寫