优秀毕业论文基于MCS51系列单线制的多点温度采集系统设计06019.doc
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1、保密类别 编 号 武汉大学毕 业 论 文基于MCS-51系列单线制的多点温度采集系统武汉大学2013年05月2日摘 要本设计的温度测量系统以MCS-51系列单片机为核心部件,外加温度采集电路、键盘电路、显示电路和声光报警电路组成。采用总线型数字式的温度传感器 DS18B20,及行列式键盘和动态显示的数码管作为主要器件。通过小键盘实现对不同温度数据的采集与切换显示。同时,也可利用小键盘实现温度最大最小值的设定。对于超过此的温度数据将产生报警信号。本作品既可以对当前温度进行实时显示又可以对温度进行监控,人性化的行列式键盘设计使设置温度简单快速。采用浮点小数的显示方式使具有更高的显示精度和灵活性。通
2、过对系统软件和硬件设计的合理规划,发挥单片机自身集成众多系统级功能单元的优势,在不减少功能的前提下有效降低了硬件成本,系统操控显得更加简便。关键词:MCS-51系列单片机 DS18B20 温度采集 温度监控目 录摘要 I第一章 绪论1第一章 方案论证2.1 为什么选用DS18B20而不选用热电偶作为温度传感器?52.2 为什么要选用AT89C51单片机?52.3 为什么要设置键盘电路?6第二章 系统硬件设计3.1 系统控制模块73.2 温度采集模块133.3 显示电路模块153.4 键盘电路173.5 报警电路18第三章 系统软件设计 4.1 软件程序19结论20参考文献21附录22后记28第
3、一章 绪论自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来,80年代单片机技术进入快速发展时期,近年来,随着大规模集成电路的发展,单片机继续朝快速、高性能方向发展,从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。单片机主要用于控制,它的应用领域遍及各行各业,大到航天飞机,小至日常生活中的冰箱、彩电,单片机都可以大显其能。单片机在国内的三大领域中应用得十分广泛:第一是家用电器业,例如全自动洗衣机、智能玩具;第二是通讯业,包括电话、手机和BP机等等;第三是仪器仪表和计算机外设制造,例如软盘、硬盘、收银机、电表。除了上述传统领域外,汽车、电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域。它成本低、集成度
4、高、功耗低、控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置,由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正、线性处理等问题。单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路,本身即是一个小型化的微机系统。单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合,使得单片机的应用非常广泛。同时,单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管
5、理和控制,使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低,制造、安装、调试及维修方便。温度作为作物生长一个非常重要的参数,温度的变化影响作物的发芽、幼苗的成长、作物的开花、果实的成熟等等。对于不同的作物,其适宜的生长温度总是在一个范围。超过这个范围,作物或许会活着,但是其生长的规律将发生明显的变化。这对于我们所希望的要求作物能够优质、高产的愿望相距甚远,所以我们必须实时获取作物生长的环境温度。对于,超过作物生长适宜范围的温度能够报警。同时,我们也希望作物的适宜温度范围可以由检测人员根据实际情况加以改变。同时,由于作物分布空间的狭小,各点的温度在同一时间上可能存在差异,所以对于
6、温室必须采取多点采集,以保证能够更准确的获知作物生长的实时温度。本设计就是基于单片机AT89C51设计的实时温度采集。通过小键盘实现对不同路温度数据的切换显示。同时,也可利用小键盘实现温度最大最小值的设定。对于超过此限的温度数据将产生报警信号。第二章 方案论证2.1为什么选用DS18B20而不选用热电偶作为温度传感器?温度检测可以使用低温热偶或铂电阻,数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机。考虑到一般的A/D输入通道都只能接收大信号,所以还要设计相应的放大电路。而模拟信号在长距离传输过程中,抗电磁干扰是令人伤脑筋的问题。此方案的软件简单,但硬件复杂,且检测点数追加时,各敏感元件参数的不一致性
7、,都将会导致误差的产生,难以完全清除,而且成本会有较大增长幅度。DALLAS公司的DS18B20单总线数字传感器工作温度范围是-55125,在-3085范围内温度测量精度为0.5;具有温度报警功能,用户可设置最高和最低报警温度,且设置值掉电不丢失;采用DALLAS公司特有的单总线通信协议,只用一条数据线就可实现与MCU的通信;此外,这类温度传感器直接输出数字信号,且多路温度传感器可以挂在1条总线上,共同占用单片机的1个I/O口即可实现。在提升单片机I/O口驱动能力的前提下,理论上可以任意扩充检测的温度点数。DS18B20具有下列特点:具有高的测量精度和分辨率,测量范围大;抗干扰能力强,稳定性好
8、;信号易于处理、传送和自动控制;便于动态及多路测量,读数直观;安装方便,维护简单,工作可靠性高;6够直接从数据线获得电源,无需外部电池供电。综上所述故选用DS18B20作为温度传感器2 .2为什么要选用AT89C51单片机?单片机,专业名称Micro Controller Unit(微控制器件),它是由INTEL 公司发明的,最早的系列是MCS-48,后来有了MCS-51,现在还有MCS-96 系列,我们经常说的51 系列单片机就是MCS-51,它是一种8 位的单片机,而MCS-96 系列则是一种16 位的单片机,目前在我国比较流行的就是美国ATMEL 公司的89C51,它是一种带Flash
9、ROM 的单片机AVR 系列单片机也是ATMEL 公司生产的一种8 位单片机,它采用的是一种叫RISC(精简指令集单片机)的结构,所以它的技术和51 系列有所不同,开发设备也和51 系列是不通用的,它的一条指令的运行速度可以达到纳秒级(即每秒1000000000 次),是8 位单片机中的高端产品。由于它的出色性能,目前应用范围越来越广,大有取代51 系列的趋势,IC 系列单片机,它是美国MICROCHIP 公司,微芯公司的生产的另一种8 位单片机,它采用的也是RISC 的指令集,它的指令系统和开发工具与51 系列更是不同,但由于它的低价格和出色性能,目前国内使用的人越来越多,国内也有很多的公司
10、在推广它,不过它的影响力远没有51 系列的大,所以作为初学者,51 系列当然是首选。且AT89C51单片机有以下特点:与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命:1000写/擦循环数据保留时间:10年全静态工作:0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路综上所述故选用AT89C51单片机2.3为什么要设置键盘电路?单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘本身除了按键之外,还包括产生键码的硬件电路。只要按下编码键盘的某一个键,它就能产生这个键的代码,
11、并称为键码,与此同时还产生一个脉冲信号,以通知CPU接收键码,编码键盘的优点是使用比较方便,亦不需要编写太复杂的程序。其缺点是使用的硬件较复杂。非编码键盘的按键是排列成行、列矩阵形式的。按键的作用只是简单地实现接点的接通或断开,因此必须有一套相应的程序与之配合,才能产生相应的键码,非编码键盘几乎不需要附加什么硬件电路。因此为了简洁电路,我使用非编码键盘。但使用非编码键盘需要通过软件来解决按键的识别、防抖动以及如何产生键码的问题。在这里我们使用非编码键盘电路,通过小键盘实现对不同温度数据的采集与切换显示。同时,也可利用小键盘实现温度最大最小值的设定。综上所述故需设置键盘电路第三章 系统硬件设计3
12、.1系统控制模块图3.1系统控制模块1.AT89C51功能简介:AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT
13、89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3.2所示:主要特性:与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命:1000写/擦循环数据保留时间:10年全静态工作:0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 管脚说明:VCC:供电电压。GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存
14、储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,
15、将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:P3口管脚 备选功能:P3.
16、0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6
17、。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部
18、锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除:整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于
19、低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下,CPU停止工作。但RAM,定时器, 计数器,串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止2.复位电路复位是单片机的初始化操作,其作用是使CPU中的各个部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时,单片机就执行复
20、位操作。如果RST持续为高电平,单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式:上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后,自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后,单片机自动复位,并且在单片机运行期间,用开关操作也能使单片机复位。常用的按键复位电路如图3.2所示。按键后:电容器被短路放电、RST直接和VCC相连,就是高电平,此时进入“复位状态”。松手后:电源开始对电容器充电,此时,充电电流在电阻上,形成高电平送到RST,仍然是“复位状态”;稍后,充电结束,电流降为0,电阻上的电压也将为0,RST降为低电平,开始正常工作。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态
21、,其中包括使程序计数器PC0000H,这表明程序从0000H地址单元开始执行。图3.2 89c51单片机图3.3 89c51单片机复位电路3.时钟电路:在MCS51单片机片内有一个高增益的反相放大器,反相放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2,由该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。根据硬件电路的不同,单片机的时钟连接方式可分为内部时钟方式和外部时钟方式,为保证系统的稳定性,我们这里采用内部时钟方式如图3.3所示。图3.4 时钟电路在内部方式时钟电路中,必须在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路,通常C1和C2一般取30pF,
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