单片机数字式多路温度采集系统设计(原理图+电路板图+源程序)论文.doc
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1、单片机数字式多路温度采集系统设计(原理图+电路板图+源程序)-论文单片机数字式多路温度采集系统设计(原理图+电路板图+源程序)目录1综述12数字式多路温度采集系统硬件电路设计22.1温度采集电路设计22.1.1 DS18B20简介22.1.2温度采集电路结构52.2单片机控制电路设计62.2.1单片机芯片选择62.2.2 AT89C51单片机工作基本电路设计62.3输入控制电路设计72.4显示电路设计82.4.1 LED数码显示管静态显示工作原理82.4.2显示电路结构92.4.3显示电路工作过程92.5报警控制电路设计92.5.1报警控制电路结构102.5.2报警控制电路工作过程102.6电
2、源电路设计102.7数字式多路温度采集系统元件清单112.8数字式多路温度采集系统电路图113数字式多路温度采集系统程序设计123.1主程序设计123.2子程序设计123.2.1 DS18B20的通信协议123.2.2子程序133.3数字式多路温度采集系统控制源程序164系统调试及性能分析174.1系统调试174.2系统性能分析175结束语18参考文献19致谢20附录21附录(1)数字式多路温度采集系统元件清单21附录(2)数字式多路温度采集系统原理图22附录(3)数字式多路温度采集系统印刷电路板图23附录(4)数字式多路温度采集系统控制源程序24摘 要数字式多路温度采集系统由主控制器、温度采
3、集电路、温度显示电路、报警控制电路及键盘输入控制电路组成。它利用单片机AT89C51做控制本文源自六维论文网及数据处理器、智能温度传感器DS18B20做温度检测器、LED数码显示管做温度显示输出设备。硬件电路比较简单,成本较低,测温范围大,测量精度高,读数显示直观,使用方便。关键词:数字;温度;传感器;单片机;控制 Abstractthe digital multi-channel temperature gathering system by the master control regulator, the temperature gathering electric circuit, t
4、he temperature display circuit, reports to the police the control circuit and the keyboard entry control circuit is composed .It makes the control and the data processor, intelligent temperature sensor DS18B20 using monolithic integrated circuit AT89C51 makes the temperature detector, the LED numeri
5、cal code display tube makes the temperature demonstration output unit. The hardware electric circuit quite is simple, the cost is low, the temperature measurement scope is big, and the measuring accuracy is high, reading demonstration is direct-viewing, easy to operate.Key words: numeral; temperatur
6、e; sensor; monolithic integrated circuit; control 1综述温度是一种最基本的环境参数,人们的生活与环境温度息息相关,因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。温度测量装置的关键是温度传感器,温度传感器的发展经历了三个发展阶段:(1)传统的分立式温度传感器,(2)模拟集成温度传感器,(3)智能集成温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式,从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。本人选择数字式多路温度采集系统设计。系统主要技术指标:(1)2路温度采集电路及以上;2)采集测温范围为-50+110 ;(3)温度精度,误差在0.1 以内;
7、(4)显示模块,采用LED数码管显示。1329单片机数字式多路温度采集系统设计(原理图+电路板图+源程序)2数字式多路温度采集系统硬件电路设计按照系统设计功能的要求,系统由5个模块组成:主控制器、温度采集电路1、温度显示电路、报警控制电路及键盘输入控制电路。数字式多路温度采集系统总体电路结构框图如图1所示。 图1 数字式多路温度采集系统结构框图采用智能温度传感器(DS18B20)采集环境温度并进行简单的模数转换;单片机(AT89C51)执行程序对温度传感器传输的数据进行进一步的分析处理,转换成环境对应的温度值,通过I/O口输出到数码显示管(LED)显示;由键盘输入控制选择某采集电路检测温度及显
8、示;报警电路对设定的最高最低报警温度进行监控报警。2.1温度采集电路设计温度采样处理电路由温度传感器、放大电路、A/D转换电路等组成。采用分块结构的温度采样处理电路,其硬件电路结构复杂,也不便于数据的处理。采用智能温度传感器采样处理电路,能够方便的进行温度的采集及简单的数据处理。并且可以达到设计的技术指标要求。本系统选择智能温度传感器DS18B20作为温度采集电路的核心器件。由DS18B20及辅助电路构成温度采集电路。2.1.1 DS18B20简介(1)DS18B20的性能特点DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等温度传感器相比,它能够直接
9、读出被测温度,并可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式,可以在93.75ms至750ms内完成相应9位至12位的数字量转换。它的测温精度可达到0.0625/LSB。它的测温范围是-55+125。从DS18B20读出或写入信息仅需要一根口线,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,无需额外电源。因而选用DS18B20是恰当的。(2)DS18B20的外形和内部结构DS18B20采用3脚PR-35封装,其外形和内部结构框图分别如图2、图3所示。图2 DS18B20外形结构 图3 DS18B20内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻
10、ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。64位光刻ROM的位结构图如图4所示。64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码。 图4 64位ROM结构DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个非易失性的可电擦除E2PRAM和一个高速暂存RAM。E2PRAM包括存放高温度和低温度的触发器TH、TL和结构寄存器。非易失性温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限。高速暂存RAM的结构为9字节的存储器,结构图如图5所示。
11、头2个字节包含测得的温度信息。第3、4字节是TH和TL的拷贝,每次上电复位时被刷新。第5字节为配置寄存器,用于确定温度值的数字转换分辨率。第6、7、8字节保留未用,表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码,可用来检验数据,从而保证通信数据的正确性。第5字节配置寄存器各位的定义如图6所示;低5位一直为1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式;R1和R0决定温度转换的精度位数(即设置分辨率),定义方法见表1。图5 高速缓存RAM结构图6 配置寄存器表1 DS18B20分辨率的定义规定 R1R0分辨率/位温度最大转换时间/ns9位分辨率时,精度为0.5/LSB
12、;10位分辨率时,精度为0.25/LSB;11位分辨率时,精度为0.125/LSB;12位分辨率时,精度为0.0625/LSB。转换精度越高所需转换时间越长。为了达到本系统的技术指标,选择12位分辨率。(3)DS18B20供电方式外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式,工作稳定可靠,抗干扰能力强,而且电路也比较简单,可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。在外接电源方式下,可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点,即使电源电压VCC降到3V时,依然能够保证测量精度。所以本系统采用外部电源供电方式。在外部电源供电方式下,DS18B20工作电源由VDD引脚接入,此时I/O线不需要强上拉
13、,不存在电源电流不足的问题,可以保证转换精度,同时在总线上可以挂接任意多个DS18B20传感器,组成多点测温系统。外部电源供电方式如图7所示。在外部供电方式下,DS18B20的GND引脚必须接地,不能悬空,否则不能转换温度,读取的温度总是85。 图7 DS18B20外部电源供电2.1.2温度采集电路结构温度采集电路结构如图8所示。图中给出了2路温度采集电路,2只智能温度传感器DS18B20的信号输出端都连接到单片机的P1.7端,电阻R6作为上拉电阻。如果需要增加,可以在P1.7端再连接更多的智能温度传感器DS18B20。工作时,由程序控制读取某智能温度传感器DS18B20采集的温度数据,送单片
14、机处理。单片机数字式多路温度采集系统设计(原理图+电路板图+源程序)图8 多点温度采集电路2.2单片机控制电路设计单片机控制电路核心是单片机芯片,其加上工作基本电路,就可以展开控制工作。2.2.1单片机芯片选择MCS8031和AT89C512都具有4个8位I/O接口,但MCS8031没有内部程序存储器,需要外接,增加了电路的复杂性;AT89C2051和AT89C51都具有Flash ROM,可以省去外接程序存储器;但AT89C2051接口少,不利于功能扩展;故选用AT89C51。 AT89C51单片机内部结构及主要性能特点:40个引脚,双列直插式封装;有4个8位I/O接口;有全双工增强型UAR
15、T,可编程串行通信;2个16位定时/计数器;5个中断源,2个中断优先级;有片内时钟振荡器(全静态工作方式,024 MHz);有128字节内部RAM,4KB Flash ROM(可以擦除1000次以上,数据保存10年);电源控制模式灵活(时钟可停止和恢复,空闲模式,掉电模式)。2.2.2 AT89C51单片机工作基本电路设计AT89C51单片机正常工作,必须连接基本电路。基本电路包括晶振电路3和复位电路4。(1)晶振电路单片机的时钟信号通常有两种产生方式:一是内部时钟方式,二是外部时钟方式。内部时钟方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号。外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。本设
16、计采用内部时钟方式,电路如图9中所示。在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体(简称晶振),作为单片机内部振荡电路的负载,构成自激振荡器,可在单片机内部产生时钟脉冲信号。C1和C2可以稳定振荡频率,并使快速起振。本电路选用晶振12MHz,C1=C2=30pF。(2)复位电路复位是使单片机处于某种确定的初始状态。单片机工作从复位开始。在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期,单片机就执行复位操作。复位操作有两种基本方式:一种是上电复位,另一种是上电与按键均有效的复位。本设计采用后一种复位电路。电路如图9中所示。当RST获得高电平,随着电容C3的充电,RST引脚的高电平将逐渐下降。若
17、该高电平能保持足够2个机器周期,就可以实现复位操作。选择C3=10F,R1=10K。综上所述,单片机控制电路如图9所示。图9 单片机控制电路2.3输入控制电路设计输入控制电路由按键及其接口构成,键盘是单片机最简单的输入设备。常用键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘。本系统的输入控制简单,采用独立式键盘及接口电路5。输入电路由2个按钮开关、2个10欧的限流电阻组成;键扫描识别采用软件查询的方法。电路如图10所示,各键功能如表2所示。图10 按键输入控制电路表2 各键功能按键键名功能S1第一路温度按键按下,LED数码显示管显示第一路温度。S2第二路温度按键按下,LED数码显示管显示第二路温度。2.4显示
18、电路设计显示电路采用LED数码管显示。LED数码显示管有静态显示方式和动态显示方式,本系统采用串行输出6的静态显示方式。利用4片串转并芯片74LS164将控制器输出的串行数据转换成并行数据输出,用来驱动4位LED数码显示管显示数据。2.4.1 LED数码显示管静态显示工作原理LED显示器工作于静态显示方式时,各位的阴极(或阳极)选择线连接在一起并接地(或+5V);每位的段码线分别与1个8位的锁存器输出连接。各LED显示某一字符时,相应段的发光二极管恒定地导通或截止,直到送入另一个字符的段码为止。静态显示可以得到较高的显示亮度。静态显示有并行输出和串行输出两种方式。并行输出显示的十进制位数多时,
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