畢業(yè)設(shè)計基于C51單片機DS18B20溫度計的設(shè)計與實現(xiàn)

1、前 言單片機在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣性，各種適用于不同場合的智能溫度控制器應(yīng)運而生。電子溫度計的出現(xiàn)，給人類的生活帶來了很多方便，使人類不管是在生活還是在工業(yè)方面都有了很多便利之處。但是電子溫度計主要應(yīng)用還是在生產(chǎn)過程、實驗室及研究所。電子溫度計本身可由電源提供電壓，用溫度傳感器檢測溫度，因此電子溫度計屬溫度系統(tǒng)?？刂评碚搹慕?jīng)典理論、現(xiàn)代理論已經(jīng)發(fā)展到更先進的控制理論，控制系統(tǒng)也由簡單的控制系統(tǒng)、大系統(tǒng)發(fā)展到今天的復(fù)雜系統(tǒng)。本文討論的電子溫度計溫度控制系統(tǒng)AT89C2051單片機提取DS18B20轉(zhuǎn)化

2、成溫度變化通過單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)化成數(shù)值并由數(shù)顯電路顯示出來。在我們?nèi)粘Ｉ罴案鞣N生產(chǎn)中，經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制，傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，需要比較多的外部硬件支持。其缺點如下：1 硬件電路復(fù)雜；2 軟件調(diào)試復(fù)雜；3 制作成本高。 而傳統(tǒng)的溫度計也有反應(yīng)速度慢、讀數(shù)麻煩、測量精度不高、誤差大等缺點而下面利用集成溫度傳感器DS18B20設(shè)計并制作了一款基于AT89C51的4位數(shù)碼管顯示的數(shù)字溫度計，其電路簡單，軟硬件結(jié)構(gòu)模塊化，易于實現(xiàn)。其中溫度傳感器DS18B20，它集溫度測量、AD轉(zhuǎn)換于一體，其測量范圍寬(-55125

3、)，DS18B20是一款具有單總線結(jié)構(gòu)的器件。 由DS18B20組建的溫度測量單元體積小，便于攜帶、安裝。同時，DS18B20的輸出為數(shù)字量，可以直接與單片機連接，無需后級AD轉(zhuǎn)換，控制簡單。第一章 總體設(shè)計方案1.1 系統(tǒng)的設(shè)計原則 一般系統(tǒng)的設(shè)計原則包含安全性（穩(wěn)定抗干擾性），操作的便利性（人性化），實時性，通用性和經(jīng)濟性。（1）安全可靠 首先要選用高性能的AT89C51單片機，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運行。其次是設(shè)計可靠的控制方案，并具有各種安全保護措施，如報警、事故預(yù)測、事故處理和不間斷電源等。（2）操作維護方便操作方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象和便于掌握且不強求操作工要掌握計算機知

4、識才能操作。（3）實時性強選用高性能的AT89C51單片機的實時性，表現(xiàn)在內(nèi)部和外部事件能及時地響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理。（4）通用性好 系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮能適應(yīng)不同的設(shè)備和各種不同設(shè)備和各種不同控制對象，并采用積木式結(jié)構(gòu)，按照控制要求靈活構(gòu)成系統(tǒng)。主要表現(xiàn)在兩個方面：一是硬件板設(shè)計采用標準總線結(jié)構(gòu)（如PC總線），配置各種通用的模板，以便擴充功能時，只需增加功能模板就能實現(xiàn)；二是軟件功能模塊或控制算法采用標準模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需各種功能模塊，靈活地進行控制系統(tǒng)組態(tài)。（5）經(jīng)濟效益高 1.2 系統(tǒng)的設(shè)計步驟（1）系統(tǒng)總體方案設(shè)計、（2）方案論證評審 硬件和軟件的分別細化設(shè)計 硬件

5、和軟件的分別調(diào)試 系統(tǒng)的組裝 （3）離線仿真和調(diào)試階段 1.3 系體的總體方案設(shè)計和框圖設(shè)計（1）系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標、原理性方框及文字說明。（2）系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)幾配置，主要軟件的功能、結(jié)構(gòu)幾框圖。（3）保證性能指標要求的技術(shù)措施。（4）抗干擾性和可靠性設(shè)計。（5）工藝要求溫度數(shù)碼管顯示。調(diào)節(jié)溫度的超調(diào)量小于30%。 實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，控制溫度誤差范圍0.1。溫度范圍：-50 125。供電電壓：交流5。 方案一：方案一：考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，感溫電路比較麻煩，進行A/D轉(zhuǎn)換，才可以滿

6、足設(shè)計要求。方案二：由于本設(shè)計是測溫電路，首先要選用高性能的AT89C51單片機，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運行。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。測溫傳感器使用二極管結(jié)電壓變化的數(shù)值來轉(zhuǎn)化成溫度的變化，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設(shè)計也比較簡單，故采用了方案二?？紤]到方案中制作數(shù)字溫度計，在單片機電路設(shè)計中，大多都是使用

7、傳感器，這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計要求。溫度計電路設(shè)計總體設(shè)計方框圖如圖1所示，控制器采用單片機AT89C51，溫度傳感器采用DS18B20，用4位LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)溫度顯示。主 控 制 器LED顯示單片機復(fù)位報警點按鍵調(diào)整溫 度 傳 感 器時鐘振蕩圖1.1 總體設(shè)計方框圖第二章 硬件設(shè)計2.1主要器件說明2.1.1主控制器單片機AT89S51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。如圖2.1所

8、示。圖 2.1 （1）主要特性：與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 （2）管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進

9、行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存

10、取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3

11、/INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個

12、ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加1

13、2V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.1.2 顯示器顯示電路采用3位共陽LED數(shù)碼管，利用動態(tài)掃描方式，從P0口輸出段碼，P2口的P2.5、P2.6、P2.7輸出位碼。（1）LED數(shù)碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數(shù)點）而作為一個引腳，為共陽管。如下圖2.2、2.3所示： 圖2.2 圖2.32.1.3 溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，經(jīng)焊接，外加不銹鋼保護管封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小

14、，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域,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。:：技術(shù)性能描述* 獨特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊,在使用中不需要任何外圍元件。* 測溫范圍 55125，固有測溫分辨率0.5。 -* 支持多點組網(wǎng)功能，多個DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。* 工作電源: 35V/DC* 測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。* 不銹鋼保護管直徑 6 * 適用于1/2”, 3/4”, 1”, DN40DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫：

15、應(yīng)用范圍* 該產(chǎn)品適用于冷凍庫，糧倉，儲罐，電訊機房，電力機房，電纜線槽等測溫和控制領(lǐng)域* 軸瓦，缸體，紡機，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設(shè)備測溫和控制。* 汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等。* 供熱/制冷管道熱量計量，中央空調(diào)分戶熱能計量和工業(yè)領(lǐng)域測溫和控制.DS18B20的性能特點如下：*獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；*多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；*無須外部器件；*可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5V；*零待機功耗；*溫度以9或12位數(shù)字；*用戶可定義報警設(shè)置；*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；*負電壓特性，電

16、源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作； I/OC64位ROM單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器8位CRC發(fā)生器VddDS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示。圖2.4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：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、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖2.5所示: 圖2.5DS18B20溫度傳感器的內(nèi)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EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)

17、如圖2.6所示。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(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2.7所示。低5位一直為1，TM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R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。由表2.1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。表2

18、.1 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表R1R0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)換時間/MS00993.750110187.510113751112750高速暫存RAM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式表示。當符號位S0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S1時

19、，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、TL字節(jié)內(nèi)容作比較。若TTH或TTL，則將該器件內(nèi)的報警標志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令做出響應(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。另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對D

20、S18B20的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。分別說明如下：(1)初始化 單總線的所有處理均從初始化開始。初始化過程是主機通過向作為從機的DS18B20芯片發(fā)一個有時間寬度要求的初始化脈沖實現(xiàn)的。初始化后，才可進行讀寫操作。(2) ROM操作命令 總線主機檢測到DS18B20的存在 便可以發(fā)出ROM操作命令之一 這些命令表2.2：表2.2 ROM操作命令指 令代 碼Read ROM(讀ROM)33HMatch ROM(匹配ROM)55HSkip ROM(跳過ROMCCHSearch ROM(搜索ROM)F0HAlarm

21、 search(告警搜索)ECH(3) 存儲器操作 命令如表2.3： 表2.3 存儲器操作命令指令代碼Write Scratchpad(寫暫存存儲器)4EHRead Scratchpad(讀暫存存儲器)BEHCopy Scratchpad(復(fù)制暫存存儲器)48HConvert Temperature(溫度變換)44HRecall EPROM(重新調(diào)出)B8HRead Power supply(讀電源)B4H(4)時序 主機使用時間隙(time slots)來讀寫DS18B20的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位初始化 圖2.7 初始化時序時序見圖2.7，主機總線to時刻發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為480us的低電

22、平信號)，接著在tl時刻釋放總線并進入接收狀態(tài)。DS18B20在檢測到總線的上升沿之后等待15-60us，接著DS18B20在t2時刻發(fā)出存在脈沖(低電平 持續(xù)60-240 us)。如圖中虛線所示：寫時間隙 圖2.8.1 寫0時序 圖2.8.2 寫1時序當主機總線t o時刻從高拉至低電平時，就產(chǎn)生寫時間隙見圖2.8.1和圖2.8.2。從to時刻開始15us之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上，DSl820在t o后15-60us間對總線采樣。若低電平，寫入的位是0。見圖2.5.1。若高電平寫入的位是1見圖2.5.2。連續(xù)寫2位間的間隙應(yīng)大于1us。讀時間隙 見圖2.9，主機總線to時刻從高拉至低電平時

23、，總線只須保持低電平l us。之后在t1時刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時間隙，讀時間隙在t1時刻后t 2時刻前有效，t 2距to為15us。也就是說t 2時刻前主機必須完成讀位，并在t o后的60us一120us內(nèi)釋放總線，讀位子程序(讀得的位到C中)。圖2.9 讀時序DSl820多路測量簡介 初始化跳過ROM變換溫度等待1S初始化設(shè)置1820個數(shù)匹配ROM讀存儲器存放在緩沖區(qū)指針增1初始化b-1=0?否是圖2.10 DSl820原理框圖每一片DSl820在其ROM中都存有其唯一的48位序列號，出廠前已寫入片內(nèi)ROM 中，主機在進入操作程序前必須逐一接入DS18B20用讀ROM(33H)命令將該DS1

24、8B20的序列號讀出并登錄。當主機需要對眾多在線DS18B20的某一個進行操作時，首先要發(fā)出匹配ROM命令(55H)，緊接著主機提供64位序列(包括該DS18B20的48位序列號)。之后的操作就是針對該DS18B20的。而所謂跳過ROM命令即：MOV A,#0CCH。圖2.10中先有跳過ROM，即是啟動所有DS18B20進行溫度變換，之后通過匹配ROM 再逐一地讀回每個DS18B20的溫度數(shù)據(jù)。在DS18B20組成的測溫系統(tǒng)中，主機在發(fā)出跳過ROM命令之后，再發(fā)出統(tǒng)一的溫度轉(zhuǎn)換啟動碼44H，就可以實現(xiàn)所有DS18B20的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過1s后，就可以用很少的時間去逐一讀取。這種方式使其T值往往

25、小于傳統(tǒng)方式。（由于采取公用的放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器只能逐一轉(zhuǎn)換）。顯然通道數(shù)越多，這種省時效應(yīng)就越明顯。DS1820使用中注意事項 DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點,但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： (1)較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償,由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送,因此,在對DS1820進行讀寫編程時,必須嚴格的保證讀寫時序,否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設(shè)計時,對DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。 (2)在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題,容

26、易使人誤認為可以掛任意多個DS1820,在實際應(yīng)用中并非如此。當單總線上所掛DS1820超過8個時,就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題,這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。 (3)連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗中,當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時,讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時,正常通訊距離可達150m,當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時,正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此,在用DS1820進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 (4)在DS1820測溫程序設(shè)

27、計中,向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后,程序總要等待DS1820的返回信號,一旦某個DS1820接觸不好或斷線,當程序讀該DS1820時,將沒有返回信號,程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線,其中一對線接地線與信號線,另一組接VCC和地線,屏蔽層在源端單點接地。2.1.4 穩(wěn)壓電源78057805管腳圖如圖2.11所示：圖2.112.2各部分電路說明2.2.1單片機控制部分在本設(shè)計中，采用了AT89C51單片機作為本電路的核心電路的設(shè)計。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh

28、Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。（1）振蕩器特性：XTAL1和XTAL2的反

29、向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。（2）單片機芯片的擦除：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(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。AT89C51的穩(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

30、，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，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。（3）單片機的時鐘電路圖2.12片內(nèi)振蕩電路的時鐘電路AT89C1單片機內(nèi)部的振蕩電路是一個高增益反向放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。AT89C51的時鐘產(chǎn)生方式有兩種：內(nèi)部時鐘電方式和外部時鐘方式。由于外部時鐘方式用于多片單片機組成的系統(tǒng)中，所以此處選用內(nèi)部時鐘方式。即利用其內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩。最常用的是在 XTAL

31、1和XTAL2之間接晶體振蕩器與電路構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖2.13電路所示為單片機最常用的時鐘振蕩電路的接法，其中晶振可選用振蕩頻率為6MHz的石英晶體，電容器一般選擇30PF左右。（4）單片機的復(fù)位電路圖2.13 AT89C51的復(fù)位電路本設(shè)計中AT89C51是采用上電自動復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。最簡單的復(fù)位電路如圖2.13所示。上電瞬間，RC電路充電，RST引線端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機有效地復(fù)位。其中R1和R2分別選擇200和1K的電阻，電容器一般選擇22F。（5）AT89C51的最小應(yīng)用系統(tǒng)AT89C51是片內(nèi)有程序存儲器的單片機，要構(gòu)成最小應(yīng)

32、用系統(tǒng)時只要將單片機接上外部的晶體或時鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖2.14所示。這樣構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單可靠，其特點是沒有外部擴展，有可供用戶使用的大量的IO線。圖2.14 AT89C51單片機構(gòu)成的最小系2.2.2傳感器數(shù)據(jù)采集電路傳感器數(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。DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，如圖2.15所示，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2.15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DS

33、18B20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?？紤]到實際應(yīng)用中寄生電源供電方式適應(yīng)能力差且易損壞，此處采用電源供電方式，I/O口接單片機的P2.0口。圖2.15 電源供電方式2.2.3 顯示電路顯示電路是采用P0口輸出段碼至LED，P2口控制位選通的動態(tài)掃描顯示方式，三只數(shù)碼管用NPN型三極管驅(qū)動，這種顯示方式的最大優(yōu)點是顯示清晰，軟件設(shè)計簡單。如圖2.16所示:圖2.16 顯示電路2.3主板電路圖2.17 主板電路系統(tǒng)整體硬件電路包括傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫

34、度顯示電路，上下限報警調(diào)整電路，單片機主板電路，電源電路等。如圖2.17所示圖2.17中有四個獨立式按鍵可以分別調(diào)整溫度計的上下限報警設(shè)置，可以任意調(diào)整報警上下限。圖中蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內(nèi)時，發(fā)出報警鳴叫聲音。LED數(shù)碼管將當前被測溫度值顯示，從而測出被測的溫度值。圖2.17中的按健復(fù)位電路是上電復(fù)位加手動復(fù)位，使用比較方便，在程序跑飛時，可以手動復(fù)位，這樣就不用在重起單片機電源，就可以實現(xiàn)復(fù)位。第三章 軟件設(shè)計系統(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。 NYNY按鍵子程序初始化得出溫度總子程序報警子程序調(diào)顯示子程序S1鍵

35、按下否？開始溫度比較子程序 是否超出上下限返 回圖3.1 主程序流程3.1主程序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，其程序流程見圖3.1所示。3.2讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖3.2所示發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，CRC校驗9字節(jié)完？CRC校驗正？確？移入溫度暫存器結(jié)束NNYY圖3.2 讀出溫度子程序流程3.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主

36、要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當采用12位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，在本程序設(shè)計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖，如圖3.3所示發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令結(jié)束圖3.3 溫度轉(zhuǎn)換流程圖3.4計算溫度子程序計算溫度子程序?qū)AM中讀取值進行BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖3.4所示。開始N溫度零下?Y溫度值取補碼置“-”標志置“+”標志計算小數(shù)位溫度BCD值 計算整數(shù)位溫度BCD值 結(jié)束圖3.4 計算溫度流程圖 3.5 溫度數(shù)據(jù)顯示子程序顯示數(shù)據(jù)子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進行刷新操作，查表送段碼至

37、LED，開位碼顯示，采用動態(tài)掃描方式。第四章 實物制作與調(diào)試說明4.1原材料的選擇與采購本次設(shè)計在原材料的選擇與采購上做到了設(shè)計最優(yōu)化,即用最小的開支,獲得性價比較高的元器件和材料。設(shè)計中，印刷電路板采用單面板，給人看起來沒有太復(fù)雜的感覺。選元器件時，盡量選擇能使電路簡化的器件。例如，為了不增大電路板的體積及減小功耗，本設(shè)計采用ATMEL公司的89S51單片機，體積小，工作電壓低。4.2印刷電路板的設(shè)計與制作電路板的設(shè)計與制作是整個電路制作過程中比較重要的一步，如果電路板做不好，再好的電路設(shè)計也不行。下面就對簡單電路板的設(shè)計及制作過程做一個簡單的介紹。1、利用Protel 99SE畫原理圖。在

38、畫原理圖的時候為了電路板比較好看，要注意布局，同時還得注意元件封裝，命名等。畫好原理圖后要對其進行電氣檢測，檢查原理圖是否有錯，同時還要創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表為下一步的工作做好準備。2、PCB版圖的設(shè)計。在對PCB圖設(shè)計時首先要添加封裝庫，這樣原理圖中給予的封裝才能有效，然后調(diào)入網(wǎng)絡(luò)表看原理圖的封裝，命名等是否有錯，如果沒錯便可進行下一步操作。對其進行布線，首先先對布線規(guī)則作一些必要的設(shè)置，如焊盤的大小，導(dǎo)線的粗細等。做好這些設(shè)置后便可進行自動布線，自動布線后如果布線不是很理想還可用手動布線進行手動修改，這樣PCB圖就畫好了。3、電路板的制作。把設(shè)計布局好的PCB圖打印出來之后，然后進行壓板、腐蝕、鉆孔。

39、注意，腐蝕之前要檢查是否有斷線及焊盤的脫落等。4、元件的焊接。元件焊接的時候要先查看跳線，首先焊接所有的跳線，其次再焊接分離元件，最后焊接集成塊和外接的引線。當然為了美觀在布線中最好不要出現(xiàn)跳線。5、整體檢查。查看是否有斷線和虛焊等。6、燒錄程序4.3 單片機測試判斷單片機芯片及時鐘系統(tǒng)是否正常工作有一個簡單的辦法，就是用萬用表測量單片機晶振引腳（18、19腳）的對地電壓，以正常工作的單片機用數(shù)字萬用表測量為例：18腳對地約2.24V，19腳對地約2.09V。對于懷疑是復(fù)位電路故障而不能正常工作的單片機也可以采用模擬復(fù)位的方法來判斷，單片機正常工作時第9腳對地電壓為零，可以用導(dǎo)線短時間和5V連

40、接一下，模擬一下上電復(fù)位，如果單片機能正常工作了，說明這個復(fù)位電路有問題。4.4 硬件及軟件調(diào)試硬件調(diào)試，第一步是目測，在印好電路板之后，先檢查印制線是否有斷線、是否有毛刺、是否與其它線或焊盤粘連、焊盤是否有脫落、過孔是否有未金屬化現(xiàn)象。而在目測的過程中，我們發(fā)現(xiàn)有一條印制線斷開，因此我們用焊錫使這條斷線連在一起。第二步是用萬用表測量。在目測完之后，利用萬用表來測量連線和接點，檢查它們的通斷狀態(tài)是否和設(shè)計一樣。再檢查各種電源線和地線是否有短路現(xiàn)象，在檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)不管是連線還是接點都符合設(shè)計規(guī)定，電源和地線也沒有短路現(xiàn)象。第三步是加電檢查。給印制板加電時，我們檢查到的器件的電源端符合要求的

41、電壓值+5V，同時接地端的電壓為0。第四步是聯(lián)機檢查。利用系統(tǒng)和單片機開發(fā)系統(tǒng)用仿真電纜連接起來，發(fā)現(xiàn)聯(lián)機檢查完后以上是連接都正確、暢通、可靠。軟件調(diào)試，第一步是在具有匯編軟件的主機上和用戶系統(tǒng)連接起來，進行調(diào)試準備。第二步是單步運行。第三步是系統(tǒng)連調(diào)，即進行軟件和硬件聯(lián)合調(diào)試。經(jīng)調(diào)試，軟件運行良好。4.5整機的調(diào)試與測試首先是測試顯示電路的正確性，根據(jù)硬件寫好一段顯示程序，寫入單片機中。安裝好硬件，上電，顯示正常，達到預(yù)期效果。證明顯示電路正常。按下復(fù)位按鍵，LED無顯示，松開，顯示正常，證明復(fù)位電路正常。然后測試得到溫度程序，將初始化程序，DS18B20正常工作的初始化程序、寫DS18B20程序、讀DS18B20程序，得到溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換子程序，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序，顯示子程序正確編排后寫入單片機中，上電，顯示不正常