【正文】 數(shù)顯溫度控制儀的設計 1 第 1 章 概述 電子 技術的飛速發(fā)展，給人類生活帶來了根本的變革，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型計算機，更是將人類社會帶入了一個新的時代。相對微機來說，單片機價格低，非常適合于應用在簡單的控制場合以降低成本。隨著人們生活質量的提高，現(xiàn)代社會中的溫度控制儀 不僅應用在工廠生產(chǎn)方面也應用于酒店，以及家庭生活中。整個系統(tǒng)具有測量溫度、上 限報警、下限報警、溫度控制及數(shù)碼顯示功能。如果超過溫度上限，啟動風扇用以降低溫度使溫度值返回到閥值以下；如果溫度值達到下限閥值，則啟動加熱爐用以增加溫度使溫度值返回閥值以上。 而 本設計 不須設計具體的 加熱及降溫 電路，只需檢測向外圍設備輸出的溫度控制信號是否存在即可 ，所以分別用發(fā)光二極管和蜂鳴器模擬代替。這些可用一個方框圖來表示，如圖 11所示。而加熱電路或者降溫電路的接通時間可以通過在 P10 和 P12 引腳上產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖控制，該出發(fā)脈沖由AT89C51 用軟件產(chǎn)生。測量電路的功能是 將測量到的溫度信號送入單片機中進行處理，它的核心元件是智能 溫度傳感器 DS18B20?？刂瞥绦蚴怯脕韺Ρ豢氐膶ο筮M行采樣，數(shù)據(jù)處理，根據(jù)溫度控制要求進行計算和輸出。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， AT89C51 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 ??2 。它包含了作為微型計算機所需的基本功能部件 ，而 各部分功能部件通過片內單一總線連成一個整體，集成在一塊芯片上。這 40條引腳可分為 I/O端口線、電源線、控制線、外接晶體線四部分。 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。 P1口： P1口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。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口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 端 口 管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） 0INT （外部中斷 0） 1INT （外部中斷 1） T0（記時器 0外部輸入） T1（記時器 1外部輸入） 四川理工學院 本科畢業(yè)（設計）論文 8 WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） 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。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 “ 0” 。 PSEN ：外部程序存儲器的選通信號。注意加密方式 1時， EA 將內部鎖定為 RESET；當 EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。 二 、 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。 其 余輸入至內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 ??3 。在閑置模式下， CPU 停止工作。 AT89C51 存儲器 AT89C51 單片機存儲器結構采用哈佛型結構，即將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，它們有各自獨立的存儲空間、尋址機構和尋址方式，其典型結構如圖 所示。無論片內還是片外擴展的程序存儲器，兩者的地址空間是統(tǒng)一的。若 EA引腳接低電平，則程序從外部擴展程序存儲器的 0000H地址開始取指執(zhí)行，不管是否有內部 Flash 存儲器 ??2 。當系統(tǒng)不使用中斷時，則無需跳轉，程序從 0000H 單元開始順序存放即可 ??2 。 二、 數(shù)據(jù)存儲器 AT89C51 數(shù)據(jù)存儲器也有片內和片外之分。 片內數(shù)據(jù)存儲器分為兩部分： 00H～ 7FH 單元 空間的 128 字節(jié)為 RAM 區(qū)； 80H～FFH 單元空間的 128 字節(jié)為專用寄存器 (SFR)區(qū)。所以，盡管地 址重合，也不會造成混亂。復位的作用是使中央處理器 CPU 以及其他功能部件都恢復到一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 四川理工學院 本科畢業(yè)（設計）論文 12 第 5 章 DS18B20 智能溫度控制器的介紹 DALLAS 最新單線數(shù)字 式 溫度傳感器 DS18B20 是一種新型的 “ 一線器件 ” ，其體積更小、更適用于各 種場合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟?？梢苑謩e在 ms 和 750 ms 內完成 9 位和 12 位的數(shù)字量，并且從DS18B20 讀出的信息或寫入 DS18B20 的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫 ，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 ??6 。 ? 在使用中不需要任何外圍元件。 ? 通過編程可實現(xiàn) 9~12 位的數(shù)字讀數(shù)方式。 數(shù)顯溫度控制儀的設計 13 167。 64位光刻 ROM 的排列是：開始 8位（ 28H）是產(chǎn)品類型標號，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，最后 8位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。 四川理工學院 本科畢業(yè)（設計）論文 16 例如 +125℃ 的數(shù)字輸出為 07D0H， +℃ 的數(shù)字輸出為 0191H，℃ 的數(shù)字輸出為 FF6FH， 55℃ 的數(shù)字輸出為 FC90H。第三個和第四個 字節(jié)是 TH、 TL 的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內容在每一次上電復位時被刷新。在 DS18B20 出廠時該位被設置為 0，用戶不要去改動。 DS18B20 分別工作在 9 位、10 位、 11 位和 12 位模式下，對應的溫度分辨率依次是 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 、℃ 。 167。 搜索 ROM F0H 用于確定接在同一總線上 DS18B20 的個數(shù)和識別 64位ROM 地址，為操作各器件作好準備。 DS18B20 每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協(xié)議。圖中低溫度系數(shù)振蕩器晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器 1，高溫度系數(shù)振蕩器晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器 2 的脈沖輸入。圖 中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。在使用 PL/M、 C 等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對 DS1820 操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn) ??12 。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 。 （ 4） 在 DS1820 測溫程序設計中，向 DS1820 發(fā)出溫度轉換命令后，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)。另外，LED 顯示器用共陰極的，單片機的晶振頻率選用 12MHZ,復位電路采用手動式的，電源采用 5V 穩(wěn)壓直流電源。 溫控系統(tǒng)的溫度顯示和溫度的設定直接采用綜合實驗板上的顯示和鍵盤。按一次進入最高限溫度設定狀態(tài)，選擇最高限溫度值后，再按一次確認設定完成。 3鍵： － 1 功能鍵，每按一次將溫度值減 1，范圍為 99～ 1℃ 。 Protel99 設計原理圖 一、使用 Protel 進行電 路板設計的第一步便是設計原理圖，原理圖決定了整個電路的基本功能，也是接下來生成網(wǎng)絡表和設計印刷電路板的基礎 ??13 。 FileNewSchematic DocumentOk改文件名 FileNewPCB DocumentOk改文件名 ④ 打開原理圖文件。 Placepart ⑧ 編輯和調整。 圖 系統(tǒng)電路原理圖 數(shù)顯溫度控制儀的設計 25 167。有源晶振接上正負電源就可以有振蕩波形輸出，一般它比較大 ；無源晶振要外接一定的線路才能產(chǎn)生振蕩，比如加上兩個非門等 。 本次設計中這兩個電容都是 20 皮法 ，選用 晶振 的振蕩 頻率是 12MHZ。當某發(fā)光二極管要點亮時，只需在該發(fā)光二極管 的陽極加高電 平即可。顯然，不同的字符需要不同的字形碼。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 dp g f e d c b a 圖 字形碼數(shù)據(jù)格式 表 61 共陰極 LED 數(shù)碼管字形碼表 字形碼 3F 06 5B 4F 66 6D 7D 07 7F 6F 顯示字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 四．溫度調節(jié)電路及報警電路 本次設計的要求只需有溫度調節(jié)信號的輸出即可，不需要設計出具體的降溫電路和升溫電路 。 （ 2）主程序 MAIN：完成鍵盤掃描、溫度值采集及轉換、溫度值的顯示、當溫度值高于設定最高限時，驅動風扇工作；當溫度低于設定最低限時，驅動蜂鳴器報警。復位要求 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500μs ，然后釋放。 （ 7） DS18B20 初始化子程序 INIT_1820： DS18B20 在工作之前必須按照指定的要求完成初始化工作，否則無法正常工作。 軟件流程圖 一、主程序流程圖： 圖 主程序流程圖 Y Y Y Y 開始 初始化命令（ CPU和傳感器） 寫 DS18B20 暫存器 溫度檢測？ 溫度顯示？ 溫度設定？ 溫度檢測子程序 溫度顯示子程序 溫度設定子程序 過溫？ 降溫 /升溫電路 N N N Y 四川理工學院 本科畢業(yè)（設計）論文 30 二、 DS18B20 初始化程序流程圖： Y N DS18B20 初始化 CLR DQ向 DS18B20 發(fā)出 reset 脈沖 等待 480μs 以上 ? N SETB DQ 等待 15~60μs DQ 是否變低？ 置 FLAG 標志 并延時 200μs 初始化結束 清除 FLAG 標志 圖 DS18B20 初始化程序流程圖 數(shù)顯溫度控制儀的設計 31 三、 DS18B20 寫入子程序和讀取子程序流程圖： Y Y DS18B20 初始化 寫入 CCH,SKIP ROM 寫入 44H,發(fā)送轉換命令 CLR DQ,準備發(fā)送 延時 15μs 寫入 1 位數(shù)據(jù) 延時 15~45μs SETB DQ 完成 1 位寫入 8 位寫完了嗎？嗎？ N 完 成 圖 DS18B20 寫入子程序 開 始 寫入 CCH,SKIP ROM 寫入 BEH,發(fā)送轉換命令 CLR DQ 準備發(fā)送 SETB DQ 釋放總線 開 始 DS18B20 初始化 SETB DQ 延時 1μs 以上 延時 1μs 以上 讀取 1 位數(shù)據(jù) 延時 15~45μs 8 位讀完了嗎？嗎？ 完 成 N 圖 DS18B20 讀取子程序 四川理工學院 本科畢業(yè)（設計）論文 32 四、鍵盤掃描子程序流程圖： 圖 鍵盤掃描子程序流程圖 開 始 0FEH— PORTA 是否 有按鍵輸入？ 是 S1 嗎？ Y 是 S2 嗎？ N 是 S3 嗎？ N 是 S4 嗎？ N 是第一次 輸入嗎？ Y 設 定最高溫度值 顯示“ H— ” N 是在設置狀態(tài)嗎？ Y 滿 60 嗎？ Y N=N+1 N 顯示“ XX” 是第一次輸入嗎？ Y 設定最低溫度值 Y 顯示“ L— ” 是在設置狀態(tài)嗎？ Y 減到 0 了嗎 ？ Y N=N+1 N 顯示“ XX” RET 保持溫度值 N N Y N N Y 保存設定值 N 數(shù)顯溫度控制儀的設計 33 第 8 章 硬件電路板的制作步驟 制作硬件電路板 需要 1 個繼電器來復位， 2 個 LED 來提示溫度指示 ，還有一個 AT89C51 單片機，一個 DS18B20 溫度傳感器，鍵盤，一個晶體振蕩器及其外圍電阻電容等。在禁止布線層上，沿設計的 PCB 邊畫邊框線，即指定自動布局的范圍。布局的好壞直接影響 P。同時，在上層板面（即元器件面）沿禁止布線層的邊框圖線放置銅線，這是 PCB 板最后成型所必須的。這一步主要設定自動布參數(shù)、自動布線參數(shù)、板面參數(shù)等。 數(shù)顯溫度控制儀的設計 29 （ 9）延時程序 DELAY、 DELAY1 滿足 DS18B20 要求的延時間隔及程序中的延時功能。 （ 5）溫度轉換程序 T