電子臺秤系統(tǒng)設計

1、第 1 章 前言隨著國內外工業(yè)的日益開展， 溫度測量技術也在不斷的進步， 目前用來進展溫度測 量的方法種類繁多，應用 X 圍廣泛，大致包括以下幾種方法：利用物體熱脹冷縮原理制 成的溫度計；利用熱電效應技術制成的溫度測量元件； 利用熱阻效應技術制成的溫度計； 利用熱輻射原理制成的高溫計； 利用聲學原理進展溫度測量； 利用紅外測溫技術。 測量 溫度的關鍵是溫度傳感器， 傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品， 尤其是溫度傳感器技 術。在我國各領域已經(jīng)引用的非常廣泛， 可以說是滲透到社會的每一個領域。 生產管理 一體化、 網(wǎng)絡化是當今工業(yè)自動化控制領域的大趨勢， 要實現(xiàn)這些功能， 必須借助于工 業(yè)計算機、

2、 現(xiàn)場網(wǎng)絡及開放的工業(yè)數(shù)據(jù)庫。 利用先進技術手段監(jiān)測各種復雜生產環(huán)境的 被控參數(shù)如溫度、 流量及壓力等， 使生產和管理一體化， 可以有效地提高生產和管理的 自動化水平。 溫度測量是一種利用微機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)通訊傳輸和數(shù)據(jù)分析處理 的一門新技術， 是在生產過程中記錄和說明熱加工產品與空氣溫度關系的技術， 追蹤測 量得到的數(shù)據(jù)被顯示為圖表或數(shù)字。 這個過程最簡單的形式就是它可以告訴生產者所生 產的產品的溫度、 保持這個溫度有多長時間以及在什么時間到達了什么溫度。 通過分析 數(shù)據(jù)，生產人員可以保證產品到達最好的質量、 解決產品存在問題、 優(yōu)化生產工藝路線 及節(jié)約能耗。無論是在電子產品的生產、

3、食品加工、還是在醫(yī)療器械生產方面，溫度都 是重要的控制指標，因此溫度測量技術具有非常廣闊的應用前景。溫度傳感器的開展經(jīng)歷了三個開展階段： 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器、 模擬集成溫度 傳感器、智能集成溫度傳感器。目前的智能溫度傳感器 （亦稱數(shù)字溫度傳感器 ）是在 20世紀9（年代中期問世的，它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術（ATE）的結晶，特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU）。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻和AD590為溫度敏感元件。熱敏電阻的本錢低，但需后續(xù)信號處理電路，而 且可靠性相對較差。測溫準確度低，檢測系統(tǒng)也有一定的誤差。因此，利用新型溫度傳 感器取代舊式的

4、溫度傳感器是必然的趨勢，新型的溫度傳感器的優(yōu)勢越來越得到表達， 越來越普及。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成 為自動化和各個測控領域中必不可少且廣泛應用的器件，尤其在日常生活中也發(fā)揮越來越大的作用。本設計的溫度計具有讀數(shù)方便，測溫準確，組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，采用了單 片機AT89S51和溫度傳感器組成了溫度測量系統(tǒng)，從硬件和軟件兩方面介紹了單片機 溫度測量系統(tǒng)的設計思路。系統(tǒng)由溫度傳感器采集溫度信息， 送入單片機，然后通過單 片機對送來的溫度進展計算和轉換，并將此結果送入液晶顯示模塊。當溫度值超出上、 下限時自動報警，實現(xiàn)了系統(tǒng)構造簡單、性能可靠等要求。通過

5、完成此次課程設計可以 使我們進一步熟悉和掌握單片機的內部構造和工作原理，了解單片機應用系統(tǒng)設計的根本方法和步驟。該系統(tǒng)的設計包含硬件電路的設計和軟件的設計。硬件電路主要包括單 片機最小系統(tǒng)的設計、溫度檢測電路的設計、報警電路的設計和顯示電路的設計。 軟件 的設計主要包括主程序的設計，以及對應硬件電路的相應子程序的設計， 目的是實現(xiàn)硬 件電路的功能。第 2 章 硬件介紹該系統(tǒng)的總體設計思路如下：溫度傳感器DS18B20把所測得的溫度發(fā)送到 AT89S51單片機上，經(jīng)過 51 單片機處理，將把溫度在顯示電路上顯示。主要器件有溫度傳感器， 單片機，顯示器等。2.1單片機簡介AT89S51是一個低功耗

6、，高性能 CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的 高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80S51引腳構造，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器RAM:, 32 個外部雙向輸入/輸出口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷

7、嵌套中斷，2個16位可編程定時計 數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗WDT電路，片內時鐘振蕩器。AT89S52具有如 下特點：40個引腳，8k Bytes Flash片內程序存儲器，256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器20S?101總夏2aj5d7£工】JO2PFJE SETCTJLL1 XT AL ?pi .0 <ira>Pl 1 <T2 EX)Pi 1Pl .-4Pl .3 A幻F*1.6 03ITCODI.7 (SCKJEAtfVPPAJ-E £>FLOGRAM，32個外部雙向輸入/輸出I/O丨口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，3 個16位

8、可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口， WDT電路，片內時鐘振蕩器。333*53-433J至2 1232252i2CIO11)2:Z141 =1C17POPCH 出(AU血 CADO<AD2> (占A列(JlDS)CAB> PJJ&3 巧 pt iCAI 03 l>2 2CAI iy P-2-3 <A1Z) I>2.+<A1 J ) P2 /CAK> P2-«fCAI SJ I?J .71.K£1> F RJ CQ2££? p 3 i :ZZ-CT'QJ P-3 J2CTMT1J R

9、CTO) PH A £Tp M 旨CWQ 帀 0 ：Ttr>, R3 ."圖2-1 51單片機引腳功能說明:VCC/GND ：電源/ 接地引腳。Port 0: P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口，端口置1對端口寫1)時作高阻抗 輸入端； P0 還可以用作總線方式下的地址數(shù)據(jù)復用管腳，用來操作外部存儲器。在這 種工作模式下，P0 口具有內部上拉作用。對內部Flash程序存儲器編程時，接收指令字 節(jié)、校驗程序、輸出指令字節(jié)時，要求外接上拉電阻。Port 1: P1是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口，輸出時可驅動4個TTL。 端口置1時，內部上拉電阻將端口拉到高

10、電平，作輸入用；另外， P1.0 P1.1可以分別 被用作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入(P1.0/T2)和觸發(fā)輸入(P1.1/T2EX)；對內部Flash 程序存儲器編程時，接收低 8位地址信息。Port 2: P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時可驅動4個TTL。 端口置1時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用；P2 口在存取外部存儲器時，可作為高位地址輸出；內部Flash程序存儲器編程時，接收高8位地址和控制信息。Port 3: P3是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時可驅動4個TTL。 端口置 1 時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。2.2溫

11、度傳感器本次設計溫度傳感器采用的是 DS18B2Q DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改良型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠 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)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75ms和750ms內完成9位和12位的數(shù)字量，并且從 DS18B20讀出 的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根接口線讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線， 總線本身也可以向所掛接的 DS18B2 0供電，而無需額外電源。因而使用 DS18B20可使系統(tǒng)構造更趨簡單，可靠性更高。它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面

12、 較DS1820有了很大的改良，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果DALLAS18B2O1 23圖2-2溫度傳感器DS18B20溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2PRAM。高速暫存RAM的構造為8字節(jié)的存儲器，頭2個字節(jié)包含測得的 溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第 5個字節(jié)，為配置存放器，它的內容用于確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率。DS18B20工作時存放器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數(shù)值。它的內部存儲器構造和字節(jié)定義。低5位一直為1, TM是工作模式位，用于設置 DS18B20在工作模式還是在測試模式

13、。表2-1 DS18B20內部存儲器構造BneO溫度測量倩LSB (50H)溫度測重值5OH)E-PROMByte2TH咼溫寄存器m高溫寄存器Bvte3TL觸寄存器今TL低溫寄存器*配位寄存器7令今酉慮寄祥器預留(FFH)ByteGffsg <OCH)Byte7預留<IOH)Byte8循環(huán)冗余碼橫殮(CRO2.3顯示器采用 LCD 液晶屏進展顯示。 LCD 液晶顯示器是一種低壓、微功耗的顯示器件，只要23伏就可以工作，工作電流僅為幾微安，是任何顯示器無法比較的，同時可以顯 示大量信息，除數(shù)字外，還可以顯示文字、曲線，比傳統(tǒng)的數(shù)碼 LED 顯示器顯示的界 面有了質的提高。 在儀表和低

14、功耗應用系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 優(yōu)點為：顯示質量高， 由于液晶顯示器的每一個點收到信號后就一直保持那種色彩和亮度恒定發(fā)光， 因此液晶 顯示器的畫質高而且不會閃爍。 數(shù)字式接口， 液晶顯示器都是數(shù)字式的， 和單片機的接 口簡單操作也很方便。 功率消耗小， 相比而言液晶顯示器的主要功耗在內部電極和驅動 IC上，因而耗電量比其他器件要小很多。雖然 LCD顯示器的價格比數(shù)碼管要貴，但它 的顯示效果好，是當今顯示器的主流，所以采用 LCD 作為顯示器。高速暫存 RAM 的第 6、7、8 字節(jié)保存未用，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

15、。當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開場啟動轉換。轉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0.0625C/ LSB形式表示。當符號位S= 0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位S= 1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。第3章硬件電路設計3.1系統(tǒng)構造圖本系統(tǒng)設計主要包括單片機最小系統(tǒng)、溫度測量模塊、溫度顯示模塊和報警模塊通過這幾個模塊的協(xié)調工作就可以完成相應的溫度測量和顯示功能。系統(tǒng)設計總體方框圖如下

16、圖溫度測量模塊<J顯示模塊>AT89S51*報警模塊圖3-1系統(tǒng)構造圖3.2單片機最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)應用在一些小的控制單元。其應用特點是：全部I/O 口線均可供用戶使用， 內部存儲器容量有限只有4KB地址空間，應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。單片機最小系統(tǒng)如圖3-1所示，其中有4個雙向的8位并行I/O端口，分別記作 PO、P1、P2、P3,都可以用于數(shù)據(jù)的輸出和輸入，P3 口具有第二功能為系統(tǒng)提供一些 控制信號。時鐘電路用于產生 MCS-51單片機工作所必須的時鐘控制信號，內部電路在 時鐘信號的控制下，嚴格地按時序指令工作。MCS-51內部有一個用于構成振蕩器的高 增益反向放大器，該高增益反

17、向放大器的輸入端為芯片的引腳XTAL1，輸出端為XTAL2 o這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容， 就構成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 電路中的微調電容通常選擇為 30pF左右，該電容的大小會影響到振蕩器頻率的上下、 振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率為12MHz o把EA腳接高電平，單片機片內程序存儲器，但在 PC值超過OFFFH4Kbyte地址 X圍時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。MCS-51的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)。采用最簡單的外部按鍵復位電路。按鍵自動復位是通過外部復位電路的來實現(xiàn)的，我們選用時鐘頻率為12MHz,C1取47卩f3938373635343332

18、282726252423222110113029圖3-2單片機最小系統(tǒng)3.3溫度檢測電路在硬件上，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，1/0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。內部寄生電源I/O 口線要接5KQ左右的上拉電阻。這里采用的是 第一種連接方法，如圖3-3所示：圖3-3溫度采集電路溫度控制電路主要運用到了DS18B20和AT89S51。傳感器數(shù)據(jù)采集電路主要指DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路。 本設計連接方式是采用電源供電方式， 此時 DS18B20的3腳接地，2腳作為信號線

19、，1腳接電源。作為信號線的2引腳接單片機的 INT1引腳。3.4報警系統(tǒng)電路報警系統(tǒng)是現(xiàn)在電子產品特有的，報警系統(tǒng)能夠發(fā)出警報提醒，能夠使電子產品的 使用壽命得到延長，使用過程中也更加的平安可靠。本次設計的報警系統(tǒng)利用有源蜂鳴器進展報警輸出， 采用直流供電。當所測溫度超 過獲低于所預設的溫度時，數(shù)據(jù)口相應拉高電平，報警輸出。而另一端那么直接和單片 機的7端口相連。報警電路連接方式如下列圖。圖3-4報警電路3.5液晶顯示電路液晶顯示器是一種將液晶顯示器件，連接器件，集成電路，背光源，構造器件裝配在一 起的組件。在顯示電路中，VSS接地，VDD接5V正電源，VEE為液晶顯示器比照度 調整端，接正電

20、源時比照度最弱，接地電源時比照度最高，為了獲得最正確比照度， VEE接地。RS為存放器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平時選擇指令存放器。R/W為讀寫信號線，高電平時進展讀操作，低電平時進展寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當 RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號， 當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。E端為使能端，當E端由高電平跳變 成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。由于液晶顯示器功能是顯示各種字符，所以 RS置高電平，R/W接地，8位雙向數(shù) 據(jù)線D0-D7與雙向I/O 口相連。nJ圖3-5顯示電路第4章軟件系統(tǒng)設計4.1主程序流程圖4.2溫度測溫量子程序

21、首先DS18B20初始化，復位DS18B20,然后單片機等待 DS18B20的應答脈沖。一 旦單片機測量到應答脈沖，便發(fā)起跳過 ROM匹配操作命令。成功執(zhí)行了 ROM操作命 令后，就可以使用內存操作命令，啟動溫度轉換，延時一段時間后，等待溫度轉換完成。 再發(fā)起跳過ROM匹配操作命令，然后讀暫存器，將轉換結果讀出，并轉為顯示碼，送 到液晶顯示。DS18B20模塊程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2測溫流程圖4.3顯示驅動子程序首先對LCD液晶顯示器進展初始化，延時15ms,進展初始化設置，依次為顯示關閉、顯示清屏，顯示溫度值。LCD液晶驅動程序流程圖如圖4-3所示圖4-3顯示子程序第五章調試本設計

22、軟件全部通過C語言編程，編程順序采用總分總式思想。在完成 C程序的編寫以后首先在Keil C51集成開發(fā)環(huán)境下將編好的程序進展編譯，調試。按照仿真圖連接實物，設定的溫度上下限位 15度到27度，低于或者高于這兩個溫度 界限會發(fā)出警報提醒，當設置的最高溫度低于室溫時，報警電路開場啟動，耳邊不斷響 起報警聲。直至設置高于常溫的最高溫度。如果不能正常工作，按照電路圖檢查有沒有 連接錯誤等，直到能正常運行為止。如下列圖5-1，是本次設計的實物圖。圖5-1實物圖總結本次設計的溫度測量系統(tǒng)主要由 AT89S51和DS18B20來實現(xiàn)功能的。系統(tǒng)由溫度 傳感器采集溫度信息， 送入單片機， 然后通過單片機對送來的溫度進展計算和轉換， 并 將此結果送入液晶顯示模塊。 當溫度值超出上、 下限時自動報警，實現(xiàn)了系統(tǒng)構造簡單、 性能可靠等要求。 在整個設計過程中， 是我對大學四年學的知識有了一個系統(tǒng)的認識和 理解，尤其是對本課題所用到的單片機及其相關知識有了進一