基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要 近年來隨著計算機在社會領域的滲透, 單片機的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據(jù)具體硬件結(jié)構，以及具體應用對象特點的軟件結(jié)合，以作完善。 本文從硬件和軟件兩方面來講述溫度自動控制過程,在控制過程中主要應用AT89C51、ADC0809、LED顯示器、LM324比較器，而主要是通過 DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機為核心控制部件，并通過四位數(shù)碼管顯示實時溫度的一種數(shù)字溫度計。 系統(tǒng)的過程則是：首先,通過設置按鍵,設

2、定恒溫運行時的溫度值，并且用數(shù)碼管顯示這個溫度值.然后,在運行過程中將采樣的溫度模擬量送入A/D轉(zhuǎn)換器中進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用數(shù)碼管進行顯示。 關鍵詞：單片機系統(tǒng)；傳感器；數(shù)據(jù)采集；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；溫度專心-專注-專業(yè)目 錄第1章 緒 論1.1課題的背景及其意義 二十一世紀是科技高速發(fā)展的信息時代，電子技術、微型單片機技術的應用更是空前廣泛，伴隨著科學技術和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，需要對各種參數(shù)進行溫度測量。因此溫度一詞在生產(chǎn)生活之中出現(xiàn)的頻率日益增多，與之相對應的，溫度控制和測量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用的詞語，同時它們在各行各業(yè)中也發(fā)揮著重要的作用。如在日趨發(fā)達的工業(yè)之中，利用測量與

3、控制溫度來保證生產(chǎn)的正常運行。在農(nóng)業(yè)中，用于保證蔬菜大棚的恒溫保產(chǎn)等。 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度測量則是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個很重要而普遍的參數(shù)。溫度的測量及控制對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位。而且隨著科學技術和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，溫度傳感器的種類還是在不斷增加豐富來滿足生產(chǎn)生活中的需要。 在單片機溫度測量系統(tǒng)中的關鍵是測量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度測量是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一。因此，單片機溫度測量則是對溫度進行有效的測量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，尤

4、其在電力工程、化工生產(chǎn)、機械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領域中，擔負著重要的測量任務。在日常生活中，也可廣泛實用于地熱、空調(diào)器、電加熱器等各種家庭室溫測量及工業(yè)設備溫度測量場合。但溫度是一個模擬量，如果采用適當?shù)募夹g和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量雖不困難，但電路較復雜，成本較高。1.2課題研究的內(nèi)容及要求本文所要研究的課題是基于單片機溫度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，主要是介紹了對溫度的顯示、控制及報警，實現(xiàn)了溫度的實時顯示及控制。溫度控制部分，提出了用DS18S20、MSC-51單片機及LED的硬件電路完成對溫度的實時檢測及顯示，利用DS18S20與單片機連接由軟件與硬件電路配合來實現(xiàn)對加熱電阻絲的

5、實時控制及超出設定的上下限溫度的報警系統(tǒng)。而爐內(nèi)溫度控制部分，采用一套PID閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，由DS18S20檢測爐內(nèi)溫度，用中值濾波的方法取一個值存入程序存取器內(nèi)部一個單元作為最后檢測信號，并在LED中顯示。控制器是用MSC-51單片機，用PID算法對檢測信號和設定值的差值進行調(diào)節(jié)后輸出控制信號給執(zhí)行機構，去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，從而控制爐內(nèi)溫度。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，特別適合于構成多點的溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機處理，而且每片DS18S20都有唯一的產(chǎn)品號，可以一并存入其ROM中，以便在構成大型溫度測控系統(tǒng)時在單線上掛接任

6、意多個DS18S20芯片。從DS18S20讀出或?qū)懭隓S18S20信息僅需要一根口線，其讀寫及其溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的DS18S20供電，而且不需要額外電源。同時DS18S20能提供九位溫度讀數(shù)，它無需任何外圍硬件即可方便地構成溫度檢測系統(tǒng)。而且利用本次的設計主要實現(xiàn)溫度測試，溫度顯示，溫度門限設定，超過設定的門限值時自動啟動報警功能。而且還要以單片機為主機，使溫度傳感器通過一根口線與單片機相連接，再加上溫度控制部分和人機對話部分來共同實現(xiàn)溫度的監(jiān)測與控制。1.3課題的研究方案 溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，

7、當今計算機控制技術在這方面的應用，已使溫度控制系統(tǒng)達到自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。 溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性 較小。對于這種溫控對象，一般認為其具有以下的傳遞函數(shù)形式： （1-1）方案（見圖1.2）圖1.2 方案圖 本方案采用89C51單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來顯示溫度的實際值，能用鍵盤輸入設定值。本方案選用了AT89C51芯片，不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構更為簡單。 本方案是采用以

8、單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可達到模擬控制所達不到的效果，并且實現(xiàn)顯示和鍵盤設定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。也使得系統(tǒng)所測得結(jié)果的精度大大提高。第2章 設計理論基礎2.1單片機的發(fā)展概況 1970年微型計算機研制成功之后，隨之即出現(xiàn)了單片機（即單片微型計算機） 美國Intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片機4004和1972年生產(chǎn)的雛形8位單片機8008，這也算是單片機的第一次公眾亮相。 1976年Intel公司首先推出能稱為單片機的MCS-48系列單片微型計算機。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應用，同時一些與單片機有關公司都爭相推出各自的單片機。 1978年下

9、半年Motorola公司推出M6800系列單片機，Zilog公司相繼推出Z8單片機系列。1980年Intel公司在MCS-48系列基礎上又推出高性能的MCS-51系列單片機。這類單片機均帶有串行I/O口，定時器/計數(shù)器為16位，片內(nèi)存儲容量（RAM，ROM）都相應增大，并有優(yōu)先級中斷處理功能，單片機的功能、尋址范圍都比早期的擴大了，它們是當時單片機應用的主流產(chǎn)品。 1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位單片機MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分別在原有8位單片機的基礎上推出了16位單片機HPC16040和PD783××系

10、列。 1987年Intel公司又宣布了性能比8096高兩倍的CMOS型80C196，1988年推出帶EPROM的87C196單片機。由于16位單片機推出的時間較遲、價格昂貴、開發(fā)設備有限等多種原因，至今還未得到廣泛應用。而8位單片機已能滿足大部分應用的需要，因此，在推出16位單片機的同時，高性能的新型8位單片機也不斷問世。 縱觀這短短的20年，經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴大存儲容量和加強I/O功能及結(jié)構兼容的方向發(fā)展 新一代的80C51系列單片機除了上述的結(jié)構特性外，其最主要的技特點是向外部口電路擴展，以實現(xiàn)微控制器（microcontroller

11、）完善的控制功能為己任。這一系列單片機為外部提供了相當完善的總線結(jié)構，為系統(tǒng)的擴展和配置打下了良好的基礎。由于80C51系列單片機所具有的一系列優(yōu)越的特點，獲得廣泛使用指日可待。下面我們就來重點介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的AT89C51系列單片機。2.2 AT89C51系列單片機介紹2.2.1 AT89C51系列基本組成及特性 AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。而在眾多的51系列單片機中，要算 ATMEL

12、公司的AT89C51更實用，也是一種高效微控制器，因為它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達到瞬間擦除、改寫。而這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。 AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，而且在其片種還有4k字節(jié)的在線可重復編程快擦快寫程序存儲器，能重復寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與MCS-51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能。AT89C

13、51可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積, 增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4k, 四個I/O口全部提供給用戶?？捎?V電壓編程，而且寫入時間僅10毫秒, 僅為8751/87C51 的擦除時間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比, 不易損壞器件, 沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。AT89C51 芯片提供三級程序存儲器鎖定加密， 提供了方便靈活而可靠的硬加密手段, 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外,AT89C51 還具有MCS-51系列單片機的所有優(yōu)點。128×8 位內(nèi)部RAM, 32 位雙向輸入輸出線, 兩個

14、十六位定時器/計時器, 5個中斷源, 兩級中斷優(yōu)先級, 一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。AT89C51有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設置的, 當外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時, CPU可根據(jù)工作情況適時地進入睡眠狀態(tài), 內(nèi)部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個中斷所終止或通過硬件復位。掉電模式是VCC電壓低于電源下限, 當振蕩器停止振動時, CPU 停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器值保持不變, 一直到掉電模式被終止。只有VCC電壓恢復到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復位、掉電模式可被終止。2.2.2 AT89C51系列單片機的功能單

15、元1并行I/O接口： 單片機芯片內(nèi)有一項主要功能就是并行I/O口。51系列共有4個8位的并行I/O口，分別記作P0、P1、P2、P3每個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。實際上，它們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴展存儲器時，低八位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時傳送，高八位地址由P2口傳送。2定時器/計數(shù)器 定時器/計數(shù)器（timer/counter）是單片機中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕CPU的負擔和簡化外圍電路都大有好處。 C51系列包含有兩個16位的可編程定時器/計數(shù)器分別稱為定時器/計數(shù)器T0和定時器/計數(shù)器T1；在C51部

16、分產(chǎn)品中，還包含有一個用做看門狗的8位定時器。定時器/計數(shù)器的核心是一個加1計數(shù)引腳上施加器，其基本功能是加1功能。在單片機的定時器T0或T1中，有一個定時器發(fā)生由0到1的跳變時，計數(shù)器增1，即為計數(shù)功能；在單片機內(nèi)部對機器周期或其分頻進行計數(shù)，從而得到定時，這就是定時功能。在單片機中，定時功能和計數(shù)功能的設定和控制都是通過軟件來進行的。 定時器/計數(shù)器內(nèi)部結(jié)構及其原理：由定時器0、定時器1、定時器方式寄存器TMOD和定時器控制寄存器TCON組成。當定時器/計數(shù)器設置為定時工作方式時，計數(shù)器對內(nèi)部機器周期計數(shù)，每過一個機器周期，計數(shù)器加1，直至計滿溢出。定時器的定時時間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關

17、，因為C51系列單片機的一個機器周期由12個振蕩脈沖組成，所以，計數(shù)頻率fc=fosc/12。如果單片機系統(tǒng)采用12MHz晶振，則計數(shù)周期為: (2-2) 這是最短的定時周期，適當選擇定時器的初值可獲取各種定時時間。 當定時器/計數(shù)器設置為計數(shù)工作方式時，計數(shù)器對來自輸入引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信號計數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計數(shù)。在每個機器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平，若前一個機器周期采樣值為1，后一個機器周期采樣值為0，則計數(shù)器加1。新的計數(shù)值是在檢測到輸入引腳電平發(fā)生1到0的負跳變后，于下一個機器周期的S3P1期間裝入計數(shù)器中的，可見，檢測一個由1到0的負跳變需

18、要兩個機器周期，所以最高檢測頻率為振蕩頻率的1/24。計數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有特別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時間在一個機器周期以上。3芯片擦除 整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM、定時器、計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其

19、他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。4中斷系統(tǒng) 中斷系統(tǒng)是單片機的重要組成部分。實時控制、故障自動處理、單片機與外圍設備間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。 C51系統(tǒng)有關中斷的寄存器有4個，分別為中斷源寄存器TCON和SCON、中斷允許控制寄存器IE和中斷優(yōu)先級控制寄存器IP；中斷源有5個，分別為外部中斷0請求INT0、外部中斷1請求INT1、定時器0溢出中斷請求TF0、定時器1溢出中斷請求TF1和串行中斷請求R1或T1。5個中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器IP和順序查詢邏輯電路共同決定，5個中斷源分別對應5個固定的中斷入口地址。中斷的特點是分時操作，實時處理和

20、故障處理。簡單介紹一下本次設計所需的單片機芯片AT89C51的中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。（1） 外部中斷源 AT89C51有INT0和INT1兩條外部中斷請求輸入線,用于輸入兩個外部中斷源的中斷請求信號,并允許外部中斷源以低電平或負邊沿兩種中斷觸發(fā)方式來輸入中斷請求信號。AT89C51究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式,可由用戶對定時器控制寄存器TCON中IT0和IT1位狀態(tài)的設定來選取。AT89C51在每個機器周期的S5P2時對INT0、線上中斷請求信號進行一次檢測,檢測方式和中斷觸發(fā)方式的選取有關。若AT89C51設定為電平觸發(fā)方式(IT0=0或IT1=0),則CPU檢測到INT0、INT1上低

21、電平時就可認定其上中斷請求有效;若設定為邊沿觸發(fā)方式(IT0=1或IT1=1),則CPU需要兩次檢測INT0、INT1線上電平方能確定其上中斷請求是否有效,即前一次檢測為高電平和后一次檢測為低電平時中斷請求才有效。（2） 定時器溢出中斷源 定時器溢出中斷由AT89C51內(nèi)部定時器分的中斷源產(chǎn)生,故它們屬于內(nèi)部中斷。AT89C51內(nèi)部有兩個16位定時器/計數(shù)器,受內(nèi)部定時脈沖(主脈沖經(jīng)12分頻后)或T0/T1引腳上輸入的外部定時脈沖計數(shù)。定時器T0/T1在定時脈沖作用下從全“1”變成全“0”時可以自動向CPU提出溢出中斷請求,以表明定時器T0或T1的定時時間已到。 （3） 串行口中斷源 串行口中

22、斷由AT89C51內(nèi)部串行口的中斷源產(chǎn)生,也是一種內(nèi)部中斷。串行口中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種。在串行口進行發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時,每當串行口發(fā)送/接收完一組串行數(shù)據(jù)時串行口電路自動使串行口控制寄存器SCON中的RI或TI中斷標志位置位，并自動向CPU發(fā)出串行口中斷請求,CPU響應串行口中斷后便立即轉(zhuǎn)入串行口中斷服務程序執(zhí)行。因此,只要在串行口中斷服務程序中安排一段對SCON中RI和TI中斷標志位狀態(tài)的判斷程序,便可區(qū)分串行口發(fā)生了接收中斷請求還是發(fā)送中斷請求。（4） 中斷標志 AT89C51在S5P2時檢測(或接收)外部(內(nèi)部)中斷源發(fā)來的中斷請求信號后先使相應中斷標志位置位,然后便

23、在下個機器周期檢測這些中斷標志位狀態(tài),以決定是否響應該中斷。2.3 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809是位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的。ADC0809由單+5V電源供電；片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關，可對8路05V的輸入模擬電壓分時進行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需100µS；片內(nèi)具有多路開關的地址譯碼器和鎖存器、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256電阻T型網(wǎng)絡和樹狀電子開關以及逐次逼近寄存器。 ADC0809是引腳雙列直插式封裝，引腳及其功能（圖2-2）：1D7D0：8位數(shù)字量輸出引腳。2IN0IN7：8路模擬量輸入引腳。3VCC：+5V工作電壓。4GN

24、D：接地。5REF（+）：參考電壓正端。6REF（-）：參考電壓負端。7START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。8A、B、C：地址輸入端。9ALE：地址鎖存允許信號輸入端。10EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。11OE： 輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。12CLK：時鐘信號輸入端，譯碼后可選通IN0IN7八個通道中的一個進行轉(zhuǎn)換。圖2.3 ADC0809的管腳圖2.4移位寄存器74LS164 移位寄存器74LS164的引腳如圖2.4所示：圖2.4移位寄存器74LS164引腳圖74LS164為串行輸入、并行輸出移位寄存器，其引腳功能如下：A、B 串

25、行輸入端；Q0Q7 并行輸出端； 清除端，低電平有效；CLK 時鐘脈沖輸入端，上升沿有效。 多片74LS164串聯(lián)，能實現(xiàn)多位LED靜態(tài)顯示。每擴展一片164就可增加一位顯示。MR接+5V，不清除。2.5數(shù)碼顯示管LED圖2.5數(shù)碼顯示管LED引腳圖 LED顯示器是單片機應用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機的應用上也是被廣泛運用的。如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。 LED數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它是由若干個發(fā)光二極管組成的。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮，控制不同

26、組合的二極管導通，就能顯示出各種字符，常用的LED數(shù)碼管有7段和“米”字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。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。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極接在一起，通常此共陽極接正電壓，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示。本次設計所用的LED數(shù)碼管顯示器為共陽極。 LED數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)材料不同正向壓降一般為1.52V，額定電流為10MA，最大電流為40MA。靜態(tài)顯示時取10MA為宜，動態(tài)掃描顯示可加大脈沖電流，但一

27、般不超過40MA。2.6數(shù)字溫度計DS18S20 在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離的溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術。另外考慮到一般的測量現(xiàn)場的電磁環(huán)境非常的惡劣，各種干擾信號較強，模擬信號很容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力較強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效的方案。在實際的溫度測量過程中被廣泛應用，同時也取得了良好的測量效果。DS18S20數(shù)字溫度計的主要特性：1DS18S20的適應電壓范圍更寬，其范圍為：3.0-5.5V，而且它能夠直接由數(shù)據(jù)線獲取電源(寄生電源)，無需外部工作電

28、源。2DS18S20提供了9位攝氏溫度測量，具有非易失性、上下觸發(fā)門限用戶可編程的報警功能。3DS18S20通過1-Wire®總線與中央微處理器通信，僅需要單根數(shù)據(jù)線(或地線)。同時，在使用過程中，它不需要任何的外圍的元件，全部的傳感元件和轉(zhuǎn)換電路集成在形狀如一只三極管的集成電路內(nèi)。4DS18S20具有-55°C至+125°C的工作溫度范圍，在-10°C至+85°C溫度范圍內(nèi)精度為±0.5°C。5每片DS18S20具有唯一的64位序列碼，這些碼允許多片DS18S20在同一條1-Wire總線上工作，因而，可方便地使用單個微處理

29、器控制分布在大范圍內(nèi)的多片DS18S20器件。6DS18S20的測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時還可以傳送給CRC校驗碼，它具有極強的抗干擾糾錯的能力。7DS18S20具有負載特性，當電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但是不能正常的工作。根據(jù)以上這些特性而從中受益的應用包括：HVAC環(huán)境控制、室內(nèi)，設備或者機器內(nèi)部的溫度監(jiān)測系統(tǒng)、過程監(jiān)控和控制系統(tǒng)。第3章 電路設計本設計采用按鍵作為輸入控制，通過溫度多采樣單元采集溫度信息，經(jīng)過LM324放大器放大及ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換，由主機AT89C51進行處理并將實際溫度值和設定溫度值分別顯示在共陽極數(shù)碼

30、顯示管LED上。 溫度傳感器DS18B20 將模擬溫度值經(jīng)過DS18B20 處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，然后送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理，單片機將處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管顯示出來，同時判斷測得的溫度和設置報警的溫度限進行比較，超過限度則通過發(fā)光二極管發(fā)光報警。 3.1系統(tǒng)整體電路 圖3.1系統(tǒng)電路 第4章 軟件設計4.1 系統(tǒng)的主程序設計 整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、計算、

31、顯示、通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。主程序流程見圖4.1。 圖 4.1 主程序流程圖 4.2 DS18B20初始化 DS18B20初始化流程圖見圖4.2。 圖4.2 DS18B20 初始化流程圖 初始化子程序： void Init_DS18B20(void) unsigned char x=0; DQ=1; Delay(8); /稍做延時 DQ=0; /單片機將DQ拉低 Delay(80); /精確延時，大于480us DQ=1; /拉高總線 Delay(14); x=DQ; /稍做延時后，如果x=0則初始

32、化成功，x=1則初始化失敗 Delay(20);/*讀一個字節(jié)*/unsigned char ReadOneChar(void) unsigned char i=0; unsigned char dat=0; for (i=8;i>0;i-) DQ=0; / 給脈沖信號 dat>>=1; DQ=1; / 給脈沖信號 if(DQ) dat|=0x80; Delay(4); return(dat);/*寫一個字節(jié)*/void WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i-) DQ=0;

33、 DQ=dat&0x01; Delay(5); DQ=1; dat>>=1; void Tmpchange(void) /發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令 Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0x44); /啟動溫度轉(zhuǎn)換4.3 DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路 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。傳感器與單片機接口如圖4.3所示：圖4.3 DS18B20與單片機的接口電路 溫度讀取子程序：unsigned int ReadTe

34、mperature(void) unsigned char a=0; unsigned char b=0; unsigned int t=0; float tt=0; Tmpchange(); Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器 a=ReadOneChar(); /讀低8位 b=ReadOneChar(); /讀高8位 t=b; t<<=8; t=t|a; tt=t*0.0625; t= tt*100+0.5; /放大10倍輸出并四舍五入 return(t);4.4

35、數(shù)碼管顯示與單片機對接 如圖4.4所示。用AT89C51的P0口作為數(shù)據(jù)端口，P2.2-P2.4分別作數(shù)碼管位選口。P0口接上上拉電阻。 圖4.4 數(shù)碼管與AT89C51對接 顯示子程序： Disp_Temperature() /顯示溫度 uint a,b,c,d,e; e=ReadTemperature(); /獲取溫度值 a=e/1000; /計算得到十位數(shù)字 b=e/100-a*10; /計算得到個位數(shù)字 d=e%10; /計算得到小數(shù)點后兩位 c=(e%100)/10; /計算得到小數(shù)點后一位 m=e/100; if(m>=shangxian)LING1=0; LING2=1;Y

36、SQ=0;else if( m<xiaxian)LING1=1;LING2=0;YSQ=0; else LING2=0;LING1=0;YSQ=1; p26=1;p24=0;p22=2;p20=1; P0 =LEDDatad; /顯示小數(shù)點后兩位 p26=0;p24=1;p22=1;p20=1; Delay(300);p26=1;p24=1;p22=1;p20=1; P0 =LEDDatac; /顯示小數(shù)點后一位p26=1;p24=0;p22=1;p20=1; Delay(300);p26=1;p24=1;p22=1;p20=1; P0 =LEDDatab; /顯示個位dp=1;p26=

37、1;p24=1;p22=0;p20=1; Delay(300);p26=1;p24=1;p22=1;p20=1; P0 =LEDDataa; /顯示十位p26=1;p24=1;p22=1;p20=0; Delay(300);p26=1;p24=1;p22=1;p20=1; /關閉顯示Delay(300);disptiaozheng() uchar f,g,j,k; f=shangxian/10; g=shangxian%10; j=xiaxian/10; k=xiaxian%10; if(SET=1) P0 =LEDDatag; dp=1; /顯示上限溫度個位 else P0 =LEDData

38、k; dp=1; p26=1;p24=1;p22=0;p20=1; Delay(200);p26=1;p24=1;p22=1;p20=1; if(SET=1) P0 =0xCE; /顯示h else if(f=0) P0=0x00; /不顯示下限溫度十位 else P0 =0x1A; /顯示下限溫度十位 p26=0;p24=1;p22=1;p20=1; Delay(200);p26=1;p24=1;p22=1;p20=1; /關閉顯示if(SET=1) P0 =LEDDataf; /顯示上限溫度十位 else if(f=0) P0=0x00; /不顯示下限溫度十位 else P0 =LEDDa

39、taj; /顯示下限溫度十位 p26=1;p24=1;p22=1;p20=0; Delay(200);p26=1;p24=1;p22=1;p20=1; /關閉顯示 Delay(1000); 第5章 系統(tǒng)調(diào)試 單片機應用系統(tǒng)樣機組裝好以后，便可進入系統(tǒng)的在線（聯(lián)仿真器）調(diào)試，其主要任務是排除樣機硬件故障，并完善其硬件結(jié)構，試運行所設計的程序，排除程序錯誤，優(yōu)化程序結(jié)構，使系統(tǒng)達到期望的功能，進而固化軟件，使其產(chǎn)品化。5.1硬件調(diào)試單片機應用系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試是交叉進行的，但通常是先排除樣機中明顯的硬件故障，尤其是電源故障，才能安全地和仿真器相連，進行綜合調(diào)試。5.1.1硬件電路故障及解決方法1

40、錯線、開路、短路：由于設計錯誤和加工過程中的工藝性錯誤所造成的錯線、開路、短路等故障。解決方法：在畫原理圖時仔細檢查、校正即可解決。2元器件損壞：由于對元器件使用要求的不熟悉及制作調(diào)試過程中操作不當致使器件損壞。 解決方法：在設計過程中要明確各元器件的工作條件，嚴格按照制作要求進行操作，損壞的元器件要及時更換，以免損壞其他元件或影響電路功能的實現(xiàn)。3電源故障：設計中存在電源故障，即上電后將造成元器件損壞、無法正常供電，電路不能正常工作。電源的故障包括：電壓值不符和設計要求，電源引出線和插座不對應，各檔電源之間的短路，變壓器功率不足，內(nèi)阻大，負載能力差等。 解決方法：電源必須單獨調(diào)試好以后才能加

41、到系統(tǒng)的各個部件中。本設計中就出現(xiàn)電源故障經(jīng)過一個穩(wěn)壓電路才使其正常工作。5.1.2硬件調(diào)試方法 在樣機加電之前，首先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電器原理圖和裝配圖仔細檢查樣機線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。應特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯誤，并重點檢查擴展系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互間的短路或與其它信號線的短路。第二步是加電后檢查各個插件上引腳的電位，仔細測量各點電位是否正常，尤其應注意單片機插座上的各點電位，若有高壓，聯(lián)機時將會損壞仿真器。第三步是在不加電情況下，除單片機以外，插上所有的元器件，最后用仿真適配器將樣機的單片機插座

42、和仿真器的仿真接口相連，為聯(lián)機調(diào)試做準備。 5.2軟件調(diào)試5.2.1軟件電路故障及解決方法設計軟件部分出現(xiàn)這種錯誤的現(xiàn)象：1當以斷點或連續(xù)方式運行時，目標系統(tǒng)沒有按規(guī)定的功能進行操作或什么結(jié)果也沒有，這是由于程序轉(zhuǎn)移到意外之處或在某處死循環(huán)所造成的。 解決方法：這類錯誤的原因是程序中轉(zhuǎn)移地址計算錯誤、堆棧溢出、工作寄存器沖突等。在采用實時多任務操作系統(tǒng)時，錯誤可能在操作系統(tǒng)中，沒有完成正確的任務調(diào)度操作，也可能在高優(yōu)先級任務程序中，該任務不釋放處理器，使CPU在該任務中死循環(huán)。通過對錯誤程序的修改使其實現(xiàn)預期的功能。2不響應中斷 CPU不響應中斷或不響應某一個中斷這種錯誤的現(xiàn)象是連續(xù)運行時不執(zhí)

43、行中斷任務程序的規(guī)定操作，當斷點設在中斷入口或中斷服務程序中時碰不到斷點。 錯誤的原因有：中斷控制寄存器（IE，IP）的初值設置不正確，使CPU沒有開放中斷或不許某個中斷源請求；或者對片內(nèi)的定時器、串行口等特殊功能寄存器和擴展的I/O口編程有錯誤，造成中斷沒有被激活；或者某一中斷服務程序不是以RETI指令作為返回主程序的指令，CPU雖已返回到主程序但內(nèi)部中斷狀態(tài)寄存器沒有被清除，從而不響應中斷；或由于外部中斷源的硬件故障使外部中斷請求無效。解決方法：修改中斷控制寄存器（IE，IP）的初值設置。5.2.2軟件調(diào)試方法 軟件調(diào)試所使用的方法有：計算程序的調(diào)試方法、I/O處理程序的調(diào)試法、綜合調(diào)試法

44、等。1計算程序的調(diào)試方法 計算程序的錯誤是一種靜態(tài)的固定的錯誤，因此主要用單拍或斷點運行方式來調(diào)試。根據(jù)計算程序的功能，事先準備好一組測試數(shù)據(jù)。調(diào)試時，用防真器的寫命令，將數(shù)據(jù)寫入計算程序的參數(shù)緩沖單元，然后從計算程序開始運行到結(jié)束，運行的結(jié)果和正確數(shù)據(jù)比較，如果對有的測試數(shù)據(jù)進行測試，都沒有發(fā)生錯誤，則該計算程序調(diào)試成功；如果發(fā)現(xiàn)結(jié)果不正確，改用單步運行方式，即可檢查出錯誤所在。計算程序的修改視錯誤性質(zhì)而定。若是算法錯誤，那是根本性錯誤，應重新設計該程序；若是局部的指令有錯，修改即可。如果用于測試的數(shù)據(jù)沒有全部覆蓋實際計算的原始數(shù)據(jù)的類型，調(diào)試沒有發(fā)現(xiàn)錯誤可能在系統(tǒng)運行過程中暴露出來。2I/

45、O處理程序的調(diào)試 對于A/D轉(zhuǎn)換一類的I/O處理程序是實時處理程序，因此一般用全速斷點運行方式或連續(xù)運行方式進行調(diào)試。3綜合調(diào)試 在完成了各個模塊程序（或各個任務程序）的調(diào)試工作以后，便可進行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試一般采用全速斷點運行方式，這個階段的主要工作社排除系統(tǒng)中遺留的錯誤以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度。在綜合調(diào)試的最后階段，應在目標系統(tǒng)的晶振頻率工作，使系統(tǒng)全速運行目標程序，實現(xiàn)了預定功能技術指標后，便可將軟件固化，然后在運行固化的目標程序，成功后目標系統(tǒng)便可脫機運行。一般情況下，這樣一個應用系統(tǒng)就算研制成功了。 附錄程序：#include <reg51.h> #define

46、 uint unsigned int#define uchar unsigned char /宏定義sbit p26=P24;sbit p24=P23;sbit p22=P22;sbit dp=P05;sbit p20=P21;sbit DQ=P20; /定義DS18B20總線I/Osbit SET=P17; /定義選擇報調(diào)整警溫度上限和下限（1為上限，0為下限）/*P3.2和P3.3為調(diào)整溫度報警增加鍵和減少鍵*/sbit LING1=P11; /定義響鈴sbit LING2=P10;sbit YSQ=P12;signed char m; /溫度值全局變量bit sign=0; /外部中斷狀

47、態(tài)標志signed char shangxian=34; /上限報警溫度，默認值為34signed char xiaxian=29; /下限報警溫度，默認值為29uchar code LEDData= 0X5F,0X44,0X9d,0XD5,0XC6,0XD3,0XDB,0X45,0XDF,0XD7;/*延時子程序*/void Delay(uint i) while( i- );/*初始化DS18B20*/void Init_DS18B20(void) unsigned char x=0; DQ=1; Delay(8); /稍做延時 DQ=0; /單片機將DQ拉低 Delay(80); /精確

48、延時，大于480us DQ=1; /拉高總線 Delay(14); x=DQ; /稍做延時后，如果x=0則初始化成功，x=1則初始化失敗 Delay(20);/*讀一個字節(jié)*/unsigned char ReadOneChar(void) unsigned char i=0; unsigned char dat=0; for (i=8;i>0;i-) DQ=0; / 給脈沖信號 dat>>=1; DQ=1; / 給脈沖信號 if(DQ) dat|=0x80; Delay(4); return(dat);/*寫一個字節(jié)*/void WriteOneChar(unsigned c

49、har dat) unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i-) DQ=0; DQ=dat&0x01; Delay(5); DQ=1; dat>>=1; void Tmpchange(void) /發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令 Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0x44); /啟動溫度轉(zhuǎn)換/*讀取溫度*/unsigned int ReadTemperature(void) unsigned char a=0; unsigned char b=0; unsigned

50、int t=0; float tt=0; Tmpchange(); Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器 a=ReadOneChar(); /讀低8位 b=ReadOneChar(); /讀高8位 t=b; t<<=8; t=t|a; tt=t*0.0625; t= tt*100+0.5; /放大10倍輸出并四舍五入 return(t);/*顯示開機初始化等待畫面*/Disp_init() P0 = 0xFF; /顯示p26=0;p24=0;p22=0;p20=0;Delay(1000);/*顯示溫度子程