【正文】 致 謝 ...............................................................28 附錄 A 多路溫度檢測系統(tǒng)示意圖 .......................................29 附錄 B DS18B20 溫度測量程序 .........................................30 榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)一種多路溫度采集檢測系統(tǒng)，采用目前低價(jià)位但技術(shù)十分成熟的 AT89S52 單片機(jī)作為內(nèi)核，選用 DS18B20 作為溫度傳感器，送到顯示器循環(huán)顯示所測的四路溫度數(shù)值，并根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)需要，設(shè)置了一定范圍的報(bào)警值，報(bào)警優(yōu)先顯示，利用按鍵消除報(bào)警?？捎冒存I查看某一路的溫度值，查看時(shí)數(shù)據(jù)采集不中斷。軟件算法上采用了直接擬合的方法（通過電壓 溫度關(guān)系來計(jì)算溫度值），符合課題要求。本課題構(gòu)成的多路溫度系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、測量精度高、量程寬的特點(diǎn)，在很 多場合具有一定的適用性。 溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一，在各個(gè)種類的企業(yè)中應(yīng)用廣泛的各種加熱設(shè)備、反應(yīng)爐設(shè)備等都需要嚴(yán)格的控制溫度。隨著時(shí)代的進(jìn)步，科技的發(fā)展，各行各業(yè)對于溫度采集系統(tǒng)的要求也在不斷提高以達(dá)到設(shè)備環(huán)境、生產(chǎn)流程的安全要求，也越來越成為溫度采集系統(tǒng)的幾個(gè)重要指標(biāo)。 隨著集成電路技術(shù)的越來越快、越來越大規(guī)模化的發(fā)展，由于單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，基于單片機(jī)開發(fā)出來的一系列采集、控制系統(tǒng)也逐漸受到廣泛關(guān)注。采取單片機(jī)作為核心，可完成對溫度的采集要求。所以基于 單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于很多工業(yè)過程控制中，使產(chǎn)品既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡化了設(shè)計(jì)。采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的多路溫度采集系統(tǒng)，可進(jìn)行溫度檢測、采集及顯示，對于提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源、資源都有非常重要的作用。 本設(shè)計(jì)國內(nèi)外狀況 二十世紀(jì)七十年代單片機(jī)的出現(xiàn)是近代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，單片機(jī)的誕生標(biāo)志著計(jì)算機(jī)正式形成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支。在不斷的完善通用操作系統(tǒng)的過程中，單片機(jī)在數(shù)據(jù)處理，模擬仿真，人工智能等得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)目前以 8位 機(jī)為主流，不斷增強(qiáng)控制能力，降低成本，減小體積，改善開發(fā)環(huán)境，以空前的速度迅速而廣泛地取代經(jīng)典電子系統(tǒng)。 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是國際單位制中 7 個(gè)基本物理量之一，基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 它與人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究有著密切關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，溫度測量采集技術(shù)也在不斷的發(fā)展著。溫度采集是過程控制中的重要課題，各行業(yè)對高性能的溫度采集系統(tǒng)的需求也在日益增加。 在溫度采集方面各國均取得了許多可喜的成果，其中前蘇聯(lián)的壓石英頻率溫度計(jì)分辨能力可達(dá) 攝氏度，而且在 40— 230 攝氏度范圍內(nèi)溫度與頻率的線性特 性；我國生產(chǎn)的石英溫度傳感器分辨率達(dá)到 攝氏度，誤差在 攝氏度以內(nèi)。 國內(nèi)的溫度控制儀發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段為動(dòng)圈式控溫儀，顯示精度差，升溫速度和加熱時(shí)間設(shè)定都不能自動(dòng)控制；第二階段為數(shù)字式控溫儀，精度有所提高，但控制精度低，反應(yīng)不靈敏；第三階段為智能型控溫儀，帶有特有的程序，控制精度高，減少了誤差。雖然溫度的采集方法有很多種，但在很多情況下，對于一些特殊條件的溫度測量來講，想要的到精確的結(jié)果并不容易，需要熟練掌握各種測量方法的原理及特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)要求才能完成。與此同時(shí)，還需探究新 的采集方法，改進(jìn)以前的技術(shù)，以滿足不同條件下的溫度采集需要。 如何基于 AT89S52 對 4 路溫度進(jìn)行采集的具體要求，有以下幾點(diǎn)： （ 1） 選用哪種傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)； （ 2） 單片機(jī)外圍硬件的電路設(shè)計(jì)； （ 3） 內(nèi)部程序的編寫。 在溫度采集系統(tǒng)中我們經(jīng)常用到集成型溫度傳感器，集成型傳感器可以達(dá)到較高的精度，在集成型溫度傳感器的使用過程中，由于采用的單總線傳輸方式進(jìn)行對遠(yuǎn)距離的多點(diǎn)溫度進(jìn)行檢測，故在程序的控制上較復(fù)雜。新型溫度傳感器DS18B20 具有體積小、精度高、使用電壓寬 采用一線總線等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測溫效果。 用四只 DS18B20 同時(shí)采集 4 路溫度。 AT89S52 單片機(jī) 接口接單線總線。單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，單片機(jī)與電腦之間能更好地進(jìn)行串口通訊 。 榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)，本系統(tǒng)不僅要滿足一定精度的溫度采集的基本功能，而且由于測量的路數(shù)為 4 路，還存在多路信號(hào)的循環(huán)顯示問題，還要考慮溫度超限報(bào)警輸出的功能，同時(shí)系統(tǒng)還具有顯示當(dāng)前各路的測量溫度值的功能和鍵盤選擇顯示路數(shù)的功能。 系統(tǒng)工作原理分析 在測溫系統(tǒng)中我們常常用到集成型溫度傳感器，集成型溫度傳感器可以達(dá)到較高的精度，在集成型溫度傳感器的使用過程中，由于采用的單總線傳輸方式進(jìn)行對遠(yuǎn)距離的多點(diǎn)溫度進(jìn)行檢測，所以在程序的控制上比較復(fù)雜。在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案，新型數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測溫效果。 根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)以及硬件的特點(diǎn)，本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 21所示 圖 21總體 設(shè)計(jì)框圖 AT89S52 報(bào)警 時(shí)鐘電路 鍵盤電路 4 位 LED 顯示 DS18B20 1 DS18B20 2 DS18B20 3 DS18B20 4 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 一個(gè)溫度采集系統(tǒng) ,包括被采集信息的采集、轉(zhuǎn)換、顯示等環(huán)節(jié)，在本多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，包括 CPU 的選型以及包括顯示電路、存儲(chǔ)器、報(bào)警電路、電源電路等設(shè)計(jì)。 溫度采集系統(tǒng)的開發(fā)過程 本設(shè)計(jì)中以 DS18B20 為傳感器、 AT89S52 單片機(jī)為控制核心組成的多點(diǎn)溫度測試系統(tǒng)。用 4只 DS18B20 同時(shí)測控 4路溫度（視實(shí)際需要還可擴(kuò)展通道數(shù)）。 由于每片 DS18B20 含有唯一的硅串行數(shù)，所以在一條總線上可掛接多個(gè)DS18B20 芯片。從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息，僅需要一根口線（單線接口）。讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的 DS18B20 供電，而無需額外電源。 DS18B20 提供 9 位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外圍硬件。處理時(shí)，將 DS18B20 信號(hào)線與單片機(jī)一位口線相連，單片機(jī)可掛接多片 DS18B20，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。由于 DS18B20只有三個(gè)引腳，其中兩根是電源線 VDD和 GND，另外 一 根用作總線 DQ(Data In/Out)，由于其輸出和輸入均是數(shù)字信號(hào)且與 TTL 電平兼容，因此其可以與微處理器直接進(jìn)行接口，從而 省去了一般傳感器所必需的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選型 目前，生產(chǎn)單片機(jī)的廠商有很多，尤其是近年來微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，比較著名的有 Intel、 Philips、 Microchip、 Motorola、 Zilog、 Atmel等半導(dǎo)體企業(yè)。 在上述著名的半導(dǎo)體企業(yè)產(chǎn)品中，尤其在工業(yè)測控場合，運(yùn)用較多的為 Intel公司的 MCS51 系列， Microchip 公司的 PIC 系列，如果作單路溫度測量，恐怕要選擇該系列的 CPU，但由于本系統(tǒng)涉及的是多路，各路報(bào)警的輸出信號(hào) 需要單獨(dú)輸出，而且考慮信號(hào)調(diào)理電路的切換等還需要不少的控制線，因此該系列的少引腳特點(diǎn)就不適合本設(shè)計(jì)的需要，因此，本設(shè)計(jì)還是選用了 ATMEL 最新的 8 位單片機(jī)榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 AT89S52 作為本系統(tǒng)的 CPU。下面簡單地介紹一下 AT89S52。 AT89S52 的性能及應(yīng)用 功能特性描述： AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80S52 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存 儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、 有效的解決案 ，其引腳如圖 31所示 。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模 式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或 圖 31 是 AT89S52 的引腳配置， 40 個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根， 4組 8位共 32個(gè) I/O 口，中斷口與 P3口復(fù)用。 其對應(yīng)的引腳功能 ： Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi) EPROM 抄寫程序時(shí)，接 +5V 電源。 Pin19:時(shí)鐘 XTAL1 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。 Pin18:時(shí)鐘 XTAL2 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。 AT89S52 的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在 18 和 19 腳外接石英晶體 (212MHz)和振蕩電容 ,振蕩電容的值一般取 10PF30PF；另外一種是外部時(shí)鐘方式，即將 XTAL1 接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從 XTAL2 腳輸入。本設(shè)計(jì)采用片內(nèi)時(shí)鐘 電路，外接晶振和電容組成振蕩器。 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 圖 31 AT89S52引腳 輸入輸出 (I/O)引腳： Pin39Pin32 為 。 輸入輸出腳， Pin1Pin8 為 輸入輸出腳 ,Pin21Pin28 為 輸 硬 件復(fù)位為止入輸 出腳，Pin10Pin17 為 輸入輸出腳。 在對單片機(jī)設(shè)計(jì)中， P0 作為數(shù)碼管的段選選通端口何數(shù)字鍵盤接口。Pin9:RESET/ 復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng) AT89S52 通電，時(shí)鐘電路開始工作，在 RESET引腳上出現(xiàn) 2 個(gè)時(shí)鐘周期以上的高平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器PC 指向 0000H， P0P3 輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入 07H，其它專用寄存器被清“ 0”。 RESET 由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即 從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。 值得注意的是， P0、 P P P3口作為普通 I/O 口使用時(shí)都是準(zhǔn)雙向口結(jié)構(gòu)，其輸入操作和輸出操作本質(zhì)不同，輸入操作是讀引腳狀態(tài)，輸出是對鎖存器的寫入操作。當(dāng)內(nèi)部總線給口鎖存器置 0或 1時(shí)，鎖存器中的 0、 1狀態(tài)立即反映到引腳上。但在輸入操作時(shí)，如果鎖存器狀態(tài)為 0 引腳被鉗位 0 狀態(tài)，導(dǎo)致無法讀出引腳的高電平輸入。因此，準(zhǔn)雙向口作為輸入口時(shí)，應(yīng)先使鎖存器置 1（稱之為置輸入方式）。然后，再讀引腳，例如：要將 P1 口的狀態(tài)讀入到累加器 A中，應(yīng)執(zhí)行以下兩條指令： MOV P1， 0FFH ； P1 口置入方式 。 MOV A， P1 ；讀 P1 口引腳狀態(tài)到 A。 此 外， I/O 口 的端口自動(dòng)識(shí)別功能，保證了無論是 P1 口（低 8位地址） P2 口榆林學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 （高 8位地址）的總線復(fù)用，還是 P3 口的功能復(fù)用，內(nèi)部資源自動(dòng)選擇不需要用指令進(jìn)行狀態(tài)選擇。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，壽命長、速度快、低功耗、低噪聲、可靠性高的特點(diǎn)及 16 位、 32 位單片機(jī)的出現(xiàn)，在工業(yè)領(lǐng)域仍具有很大的發(fā)展?jié)摿Α? 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式來為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)。 時(shí)鐘電路 通常 由晶震控制芯片 、 電容 和 晶體震蕩器組成 。 時(shí)鐘電路是用來產(chǎn)生 AT89C51 單片機(jī)工作時(shí)所需要的時(shí)鐘信號(hào)。一般時(shí)鐘設(shè)計(jì)有兩種形式： 內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘。 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反響放大器，它用來構(gòu)成振蕩器。此放大器有兩個(gè)引腳，一個(gè)是的輸入引腳 XTAL1，另一個(gè)是輸出引腳 XTAL2，這兩個(gè)引腳跨接晶體振蕩器和用于微調(diào)的電容，目的是用來構(gòu)成一個(gè)自激勵(lì)振蕩器。如圖 32 時(shí)鐘 電路，晶體振蕩器的頻率范圍一般在 和 12MHz 之間，單片機(jī)的運(yùn)行速度會(huì)受到晶振頻率的影響，因此晶振頻率的選擇很重要。晶振的起振頻率有兩個(gè)，一個(gè)是 ，另一個(gè)是 12MHZ，本設(shè)計(jì)的 AT89S52單片機(jī)采用的是 12MHz。通常電路中的電容 C1和 C2 的值都取為 30PF。電路對外接電容的值盡管沒有明確的要求，然而電容的晶體振蕩器頻率會(huì)受到電容大小的影響，以及振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性都會(huì)受到影響。為了減少寄生電容，晶振和電容應(yīng)該與單片