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正文內(nèi)容

畢業(yè)設(shè)計_基于at89c51單片機(jī)為核心的多路溫度采集系統(tǒng)電路設(shè)計(編輯修改稿)

2024-10-01 11:57 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 采集部分和系統(tǒng)主控單元部分的設(shè)計。因此系統(tǒng)硬件的選擇 主 要就是溫度傳感器主控單片機(jī)的選擇。 單片機(jī)的選擇 所謂單片機(jī) (m1crocontroller)是指在一個集成芯片中,集成微處理器 (CPU)、存儲器、基本的 I/O 接口以及定時 /計數(shù)、通信部件,即在一個芯片上實現(xiàn)一臺微型計算機(jī)的基本功能。 世界上最早的單片機(jī)是 1974 年美國仙童公司研制的 F8單片機(jī),但其中最具典型性的當(dāng)數(shù) Intel 公司的 MCS51系列單片機(jī)。 因此,在本課題設(shè)計的 多路 溫度采集 設(shè)計 系統(tǒng)中,采用單片機(jī)實現(xiàn)溫度的控制。在單片機(jī)選用方面,因為 MCS 51系列單片機(jī) 擁有基于復(fù)雜指令集( CISC)的單片機(jī)內(nèi)核,雖然其速度不快, 12個振蕩周期才執(zhí)行一個單周期指令,但其端口結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)雙向并行口,可兼有外部并行總線,故使其擴(kuò)展性能非常強(qiáng)大。 51 系列 的內(nèi)部硬件預(yù)設(shè),可用特殊功能寄存器對其進(jìn)行編輯。 所以,本系統(tǒng)中的單片機(jī)選用 INTEL 公司生產(chǎn) AT89C51芯片, AT89C51 單片機(jī)是 INTEL 公司新近推出的高檔型 MCS 51 系列單片機(jī)中的增強(qiáng)型產(chǎn)品,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 存儲器,使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造。 片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程( ISP),亦適于常規(guī)編程器 。 基于 AT89C51 單片機(jī)為核心的多路溫度采集系統(tǒng)電路設(shè)計 8 AT89C51 單片機(jī)的功能特點(diǎn) AT89C51是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能 CMOS8位單片機(jī)。片內(nèi)含 4K bytes可反復(fù)擦寫的只讀程序存 儲 器( PEROM)和 128 bytes 隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存 儲 器( RAM)。兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng),片內(nèi)置 8位中央處理器( CPU)和 FLASH 存 儲 單元。 AT89C51單片機(jī)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 ,能靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT89C51 主要性能參數(shù): 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命: 1000 寫 /擦循環(huán) 全靜態(tài)工作: 0Hz24MHz 三級程序存儲器鎖定 128179。8 位內(nèi)部 RAM 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 AT89C51 單片機(jī)的引腳說明 在外部結(jié)構(gòu)上, AT89C51 單片機(jī)和 MCS- 51 系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)相同,有三種封裝形式,分別是 PDIP 形式、 PLCC 形式、 TAFP 形式 。 其中,常用的為 PDIP 形式,其 40針腳按其功能可分為 3 部分 : I/O 口線 ( P0~P3) ,控制線 (ALE、 EA、 PSEN、 RST),電源及時鐘 (GND、 VCC、 XTAL XTAL2) 。 其 PDIP 封裝, 40 針腳形式如 圖 2: 基于 AT89C51 單片機(jī)為核心的多路溫度采集系統(tǒng)電路設(shè)計 9 圖 2 AT89C51 PDIP封裝引腳圖 VCC:供電電壓 +5V。 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(dāng)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(dāng) FIASH 進(jìn)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(dāng) 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(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時, 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(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)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(dāng) 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。 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時,要保持 RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG:當(dāng)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(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時,將跳過一個 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(jī)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)。 基于 AT89C51 單片機(jī)為核心的多路溫度采集系統(tǒng)電路設(shè)計 10 /EA/VPP:當(dāng) /EA 保持低電平時,則在此期間外部程序存儲器( 0000HFFFFH),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(dāng) /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12V 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。 溫度傳感器的選擇 溫度是表征物體冷熱程度的狀態(tài)量,是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中最基本、最重要的物理量。與溫度變化有關(guān)的物質(zhì)屬性很多,因而溫度測 量的儀器也是 多種多樣的。常用的溫度測量儀 有熱電阻、熱電偶、 PN結(jié)溫度傳感器、集成溫度傳感器等 。 熱電阻它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,工作溫度范圍寬,穩(wěn)定性好,過載能力強(qiáng),體積小。但它的不足之處在于非線性和互換性差。 熱電偶 測量精度高,熱電動勢與溫度在小 范圍內(nèi)基本呈單值、線性關(guān)系,穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好,響應(yīng)時間較快 。測溫范圍寬,高溫?zé)犭娕紲y溫上限可達(dá) 2800℃ 。 PN結(jié)溫度傳感器 利用晶體二極管、三極管的 PN 結(jié)電壓隨著溫度變化而變化的原理制成。線性度好,熱慣性小,靈敏度高。集成溫度傳感器是將測溫元件、放大電路、偏置電路及線性化電路集成在同一芯片上的溫度傳感器。相對其它傳感器有較好的線性度和一致性,且體積小,使用方便。溫室是一個有較大慣性的被控對象,溫度的變化速度較慢,因而不需要傳感器的反應(yīng)速度太高;但要求傳感器有優(yōu)良的物理及化學(xué)穩(wěn)定性。用的較多的是以鉑電阻為代表 的模擬傳感器和以 DS18B20 為代表的數(shù)字傳感器??紤]到鉑電阻需要信號調(diào)理電路,將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換后才能被單片機(jī)接受,信號調(diào)理電路的相對復(fù)雜,抗干擾性比較差,而且價格較高,而 DS18B20 不僅價格便宜 而且使用方 便、測溫準(zhǔn)確、 精度較高。為了節(jié)省成本,提高效率,方便 采集 系統(tǒng)以后的進(jìn)一步擴(kuò)展和完善, 本 設(shè)計 系統(tǒng)的采集 模型采用 DS18B20 單總線數(shù)字式溫度傳感器。 DS18B20 的 簡介 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20是 DALLAS公司生產(chǎn)的基于串行接口的一線式數(shù)字溫度傳感器,它是將半導(dǎo) 體溫敏器件、 A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲器等做在一個很小的集成電路芯片上,傳感器直接輸出的就是溫度信號數(shù)字值 的全新 傳感器 。 有 3引腳 TO- 92 小體積封裝形式。 具有 一線 總線、 體積更小、適用電壓更寬、 而且 經(jīng)濟(jì) 等特點(diǎn) 。 其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入,也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。 CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信,占用微處理器的端口較少,可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 DS18B20 支 持 “一線總線 ”接口,測量溫度范圍為 55176。C~+125176。C ,在 10~+85176。C 范圍內(nèi) ,精度為 177。176。C ?,F(xiàn)場溫基于 AT89C51 單片機(jī)為核心的多路溫度采集系統(tǒng)電路設(shè)計 11 度直接以 “一線總線 ”的數(shù)字 方式傳輸,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量,如:環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。 DSl8B20 具有如下特征: ① 采用單總線技能,與單片機(jī)通信只須要一根 I/O線,在一根線上可掛接多個 DSl8B20。 ② 低壓供電,電源范圍 3~ 5V,可以本地供電,也可以直接從數(shù)據(jù)線上竊取電源 (寄生式供電 方式 )。 ③ 每只 DSl8B20具有一個獨(dú)立的、不可修改的 64位序列號,根據(jù)序列號可以訪問對應(yīng)的器件。 ④ 測溫范圍為 一 55℃ ~ +125℃ ,在 一 10℃ ~85℃ 范圍內(nèi)誤差為 177。0 . 5℃ 。 ⑤ 可編程數(shù)據(jù)為 9~ 12 位,其轉(zhuǎn)換 12 位的溫度時間為 750 ms(最大 )。 ⑥ DSl8B20可將檢測到的溫度值直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字量,并通過串行通信的方式與主控制器執(zhí)行數(shù)據(jù)通信。 DS18B20 工作原理 DS18B20 測溫原理 :由 于 低溫度系數(shù)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計數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變,所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2 的脈沖輸入。計數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在 一個 對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈 沖信號進(jìn)行減法計數(shù),當(dāng)計數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0時,溫度寄存器的值將加 1,計數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入,計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù),如此循環(huán)直到計數(shù)器 2計數(shù)到 0 時,停止溫度寄存器值的累加,此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線形,其輸出用于累加器 1的預(yù)置值。 其原理圖 如 3: 基于 AT89C51 單片機(jī)為核心的多路溫度采集系統(tǒng)電路設(shè)計 12 圖 3 DS18B20工作原理圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ( 1) DS18B20 的引腳說明 DS18B20 采用 3 腳 TO92 封裝或 8 腳 SOIC封裝。 3腳 TO92封裝形式和器件圖如 圖4 所示: GND—— 接地; DQ—— 數(shù)據(jù)輸入輸出。漏極開路單線接口 ,也在寄生電源模式時給設(shè)備提供電源; VDD—— 可選的電源電壓腳。 VDD 在寄生電源模式時必須接地。 圖 DS18B20 引腳 圖 4 DS18B20的 DIP 40封裝圖 ( 2) DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 5: 基于 AT89C51 單片機(jī)為核心的多路溫度采集系統(tǒng)電路設(shè)計 13 圖 5 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 DS18B20 有 4 個主要的數(shù)據(jù)部件: ① 64 位激光 ROM。 64位激光 ROM 從高位到低位依次為 8 位 CRC、 48 位序列號和 8位家族代碼 (28H)組成。 ② 溫度靈敏元件。 ③ 非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL??赏ㄟ^軟件寫入用戶報警上下限值。 ④ 配置寄存器。配置寄存器為高速暫存存儲器中的第五個字節(jié)。 DS18B20 在 0工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)精度的數(shù)值,其各位定義如 表 1: 表 1 TM R1 R0 1 1 1 1 1 MSB LSB 其中, TM:測試模式標(biāo)志位,出廠時被寫入 0,不能改變; R0、 R1:溫度計分辨率設(shè)置位,其對應(yīng)四種 分 辨率如 下 表所列,出廠時 R0、 R1 置為缺省值: R0=1, R1=1(即12位分辨率),用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。 配置寄存器與分辨率關(guān)系 如 表 2 : 表 2 R0 R1 溫度計分辨率 /bit 最大轉(zhuǎn)換時間 /ms 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 1 1 12 750 ( 3) 高速暫存存儲器 高速暫存存儲器由 9個字節(jié)組成,其分配如 表 3所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后,經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲器的第 0和第 1個字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù),讀取時低位在前,高位在后 ,數(shù)據(jù)格式如圖所示。對基于 AT89C51 單片機(jī)為核心的多路溫度采集系統(tǒng)電路設(shè)計 14 應(yīng)的溫度計算:當(dāng)符號位 S=0 時,直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制;當(dāng) S=1時,先將補(bǔ)碼
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