智能儀器原理及設計剖析

1、智能儀器原理及設計報告專業(yè):學號:姓名:目錄1.1 設計要求 3.1.2 設計過程 3.1.2.1 設計總體方案 3.1.2.2 器件的選擇 4.1.2.3 電路設計 7.1.2.4 軟件設計 9.1.3 總結 1.2.12基于單片機的溫度傳感器設計1.1設計要求實現室溫測量，并使用液晶屏顯示實時溫度1.2設計過程1.2.1設計總體方案根據系統(tǒng)的設計要求，選擇 DS18B20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片 機AT89C52為測控系統(tǒng)的核心來完成數據采集、處理、顯示、報警等功能。采用單總線數字溫度傳感器 DS18B20測量溫度，直接輸出數字信號。便于 單片機處理及控制，節(jié)省硬件電路。且該芯片的

2、物理化學性很穩(wěn)定，此元件線形 性能好，在0100攝氏度時，最大線形偏差小于1攝氏度。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DS18B20和微控制器AT89C52構成的溫度裝置，它直接輸出溫度的數字信號到微控制器。每只DS18B20具有一個獨有的不可修改的64位序列號，根據序列號可訪問不同的器件。這樣一條 總線上可掛接多個DS18B20傳感器，實現多點溫度測量，輕松的組建傳感網絡。采用液晶顯示器件，液晶顯示平穩(wěn)、省電、美觀，更容易實現題目要求，對 后續(xù)的工藝兼容性高，只需將軟件作修改即可，可操作性強，也易于讀數。該系統(tǒng)的總體設計思路如下：溫度傳感器DS18B20把所測

3、得的溫度發(fā)送到AT89C52單片機上，經過單片機處理，將把溫度在顯示電路上顯示，本系統(tǒng)顯 示器液晶屏顯示實現。檢測范圍-55攝氏度到125攝氏度。按照系統(tǒng)設計功能的要求，確定系統(tǒng)由3個模塊組成：主控制器、測溫電路 和顯示電路。數字溫度計總體電路結構框圖如圖1所示圖1數字溫度計總體電路結構框圖1.2.2 器件的選擇1. 數字溫度傳感器 DS18B20DS18B20 溫度傳感器是美國 DALLAS 半導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 且可根據實際要求通過簡單的編程實現 912位的數字值讀數方式。DSI8B20數字溫度計提供

4、9位(二進制)溫度讀數指示器件的溫度信息經過單 線接口送 入 DSl8B20 或從 DSl8B20 送出因此從主機 CPU 到 DSl8B20 僅需一條 線(和地線)DSI8B20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 DSI8B20 在出廠時已經給定了唯一的序號因此任意多個 DSI8B20 可以存放在同 一條單線總線上這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件 DSI8B20 的測量范 圍從-55到+125增量值為0.5可在I s(典型值)內把溫度變換成數字。每一個DSI8B20包括一個唯一的64位長的序號該序號值存放在 DSI8B20內 部的ROM(只讀存貯器)中開始8位是產品類

5、型編碼(DSI8B20編碼均為10H)接著 的48位是每個器件唯一的序號最后 8位是前面56位的CRC(循環(huán)冗余校驗)碼 DSI8B20中還有用于貯 存測得的溫度值的兩個8位存貯器RAM，編號為0號和 1號。1號存貯器存放溫度值的符號如果溫度為負C),則1號存貯器8位全為1, 否則全為0。0號存貯器用于存放溫度值的補碼 LSB(最低位)的1表示0.5。 將存貯器中的二進制數求補,再轉換成十進制數并除以 2,就得到被測溫度值 (-55C 125C )，每只DS18B20都可以設置成兩種供電方式即數據總線供電方式 和外部供電方式。 采取數據總線供電方式可以節(jié)省一根導線, 但完成溫度測量的 時間較長

6、；采取外部供電方式則多用一根導線,但測量速度較快。DS18B20 的性能特點如下：(1) 獨特的單線接口方式僅需要一個端口引腳進行通信；(2) 多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現多點組網功能；(3) 無需外部器件；(4) 可通過數據線供電，電壓范圍： 3.05.5V；(5) 測溫范圍55C+ 125C，在-10+85C時精度為).5C；(6) 零待機功耗；(7) 溫度以 9 或 12 位數字量讀出；(8) 用戶可定義的非易失性溫度報警設置；(9) 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度(溫度報警條件)的器件；(10) 負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常

7、工作。DS18B20采用3腳PR 35封裝或8腳SOIC封裝，其內部結構框圖如圖 2 所示，其測溫原理如圖 3 所示。圖2 DS18B20內部結構框圖圖3 DS18B20測溫原理圖DS18B20的外部電源供電方式：如下面圖 4所示，在外部電源供電方式下， DS18B20工作電源由VDD引腳接入，其 VDD端用3V5.5V電源供電，此時 I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度，同時在 總線上理論可以掛接任意多個 DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。注意：在 外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉換溫度，讀取 的溫度總是85C。圖4外部電源供

8、電方式2. 單片機的選擇AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反 復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器 件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS-51指令 系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行 業(yè)中有著廣泛的應用。AT89C52為8位通用微處理器，采用工業(yè)標準的 C51內核，在內部功能及 管腳排布上與通用的8XC52相同，其主要用于會聚調整時的功能控制。功能包 括對會聚主IC內部寄存器、數據RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚

9、 調整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。 主要管腳有：XTAL1 （ 19腳）和XTAL2 （ 18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外 接12MHz晶振。RST/Vpd（9腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位 電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。 P0P3為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中， P0端口 （3239腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應功能管腳相連接， 13腳定義為IR輸入端，10腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接 N1 的SDAS （18腳）和SCLS （19腳）

10、端口，12腳、27腳及28腳定義為握手信 號功能端口，連接主板CPU的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調整狀 態(tài)進入的控制功能。PDIP封裝的AT89C52單片機管腳圖如圖5。T2/P1. 01T2EX;Pl.ll2PL 23Pl. 34Pl. 15Pl.56Pl.67PETsRST9RXD T3.010TXD/P3. 1 L11INT0 P3.2 L12IST1/PX 3 I13T0/P3. 414T1/P3.5 115TR/ P3. 616RD/P3M _L7XTAL2 |18XTAL1 1_19VSS L_20103938373635343332313029252726252423o

11、nw J21vccP0, 0 ADOP0. I/ADlP0. 2 AD2P6 3 AD3P0, I AD IP0. 5/AD5P0.6 AD6P0+7/AD7 EA ALE-PROCPSENP2. 7/A15P2. 6/A14P2” 5/ A13P2. L AI2P2. 3/A11P2,2/A10Pl 1/A9P2. 0/A8圖5 PDIP封裝的AT89C52單片機管腳圖3. 顯示器的選擇由于設計中要求同時顯示測試溫度、 溫度上限、溫度下限和開機時間，因此 顯示屏首先要能夠一次性容納這些字符。 工作電壓不能太高，與單片機的連接方 式需要簡單，顯示準確。本設計中采用的是 1602型LCD液晶屏能

12、夠很好的滿足 這些要求。此液晶屬于工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。LCD液晶顯示器是一種低壓、微功耗的顯示器件，只要23V就可以工作，工作電流僅為幾微安，是任何顯示器無法比擬的，同時可以顯示大量信息，除數字外，還可 以顯示文字、曲線，比傳統(tǒng)的數碼 LED顯示器顯示的界面有了質的提高。在儀 表和低功耗應用系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。1602有很多優(yōu)點：(1) 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；(2) 數字式接口，液晶顯示器都是數字式的，和單片機的接口簡單操作也 很方便；(3) 功率消耗小，相比而言

13、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；1.2.3電路設計1. 系統(tǒng)電路設計單片機最小系統(tǒng)如圖6所示SI10U1-uFR110K*301C2LXvccSW-PB30pfpm.pTEPLSpi7piPIS77Fpi9raTFP7M7?920P1.0VCCP1.1POOP1 2P0.1P1.3P0.2P1 4P0,3P1.5P0.4P1 6P0.5P1.7P0.6RST/VPDP0.7P3.0/RXDEAAAppP3.1ADCDALE/PROGP3 2/INT0PSENP3.3/INT1P2.7P3.4/T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.d/WRP2.4P3

14、.7/RDP2,3YTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0J3STC89C52vcc40 T39 POO bFpoi P02 P03 35P0434 P05 3TPoe P073D29 P27 P26 26P25 IFP24 P2323 P2222P21 厲20圖6單片機最小系統(tǒng)這部分為單片機復位電路和時鐘電路。單片機復位后，程序計數器 PC=OOOOH,即指向程序存儲器OOOOH單元，使CPU從首地址重新開始執(zhí)行程 序。產生單片機復位的條件是：在 RST引腳端出現滿足復位時間要求的高電平 狀態(tài)，該時間等于系統(tǒng)時鐘震蕩周期建立時間再加2個機器周期時間（一般不小于 10ms）。時鐘電路

15、通過單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接定時元件12M的晶振， 電容C1和C2 一般去3OpF左右，主要作用是幫助振蕩器起震。晶體振蕩頻率高， 則系統(tǒng)的時鐘頻率也越高，單片機運行速度也就越快。2. 顯示電路設計LCD16O2顯示電路原理圖如圖7所示圖7LCD1602顯示電路此部分為LCD1602顯示電路，通過10K可調電阻可以調節(jié)1602背光顯示圖8DS18B20接口電路單總線型DS18B20溫度傳感器采用一個 DS18B20接一個I/O 口的形式，大 大簡化了程序編寫難度，通過排針可外接電源供電。1.2.4軟件設計1.初始化子程序DS18B20初始化程序嚴格按照DS18B20的時序來編寫，

16、微處理器開始發(fā)送 一個復位脈沖（在480us960us之間），接著數據線釋放拉到高電平 1,如圖9 所示。圖9初始化子程序流程圖2. 溫度轉換由三片DS18B20是串接在不同的I/O,讀取溫度的子是程序獨立分開，但工 作原理一樣。以單個為例，首先調用DS18B20初始化子程序對它進行初始化，然后發(fā)跳 過匹配ROM命令，接著發(fā)溫度轉換命令完成溫度轉換，該命令主要是完成溫度 的A/D轉換，讀取溫度程序是在轉換結束后才能讀取當前溫度值。其它兩片工 作原理一樣。工作流程圖如圖10。圖10溫度轉換流程圖3. DS18B20寫子程序當主機把數據線從高邏輯電平拉低至邏輯電平時產生寫時間片， 有兩種類型 的寫

17、時間片，寫1時間片和寫0時間片，所有時間片必須有最短為 60微秒的持 續(xù)期。在各寫周期之間必須有最短為 1us的恢復時間。在I/O 口線高電平變?yōu)榈?電平后DS18B20在15us到60us之間對I/O采樣，如果是高電平則寫1,低電平 寫0。流程圖如圖11所示。開始*數據線DQ拉低從低位到高位發(fā)送數結束圖11寫子程序流程圖4. DS18B20讀子程序從DS18B20讀數據時單片機產生讀時間片，當主機把數據線從邏輯高電平拉到低電平時產生讀時間片，數據線必須保持在邏輯電平至少1微秒，來自DS18B20的輸出數據在讀時間段下降沿之后 15微秒有效，因此為了讀出從讀時 間段開始算起15微秒的狀態(tài)單片機必須停止把I/O引腳驅動拉低至低電平，在 讀時間段結束時I/O引腳經過外部的上拉電阻拉回至高電平，所有讀時間段的最 短持續(xù)周期限為60微秒，各個讀時間片之間必須有最短為 1微秒的恢復時間， 把主機采樣時間定在15微秒期間的末尾系統(tǒng)時序關系就有最大的余地。單片機從DS18B20中讀取數據是一位一位的讀的，沒讀完一位的數據到單 片機的特定