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基于單片機與pc機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計畢業(yè)設計(編輯修改稿)

2024-07-24 19:00 本頁面
 

【文章內容簡介】 的內容(就是專用寄存器(SFR)區(qū)中 P2 寄存器的內容) ,在整個訪問期間不會改變。在對 Flash 編程和程序校驗期間,P2 口也接收高位地址或一些控制信號。④ P3 端口,該口是帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口,P3 口的輸出緩沖器可驅動(吸收或輸出電流方式)4 個 TTL 輸入。對端口寫“1”時,通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位,此時可用作輸入口。P3 口作輸入口使用時,因為有內部的上拉電阻,那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在 AT89S52 中,同樣 P3 口還用于一些復用功能,如表 22 所列。在對 Flash 編程和程序校驗期間,P3 口還接收一些控制信號。表 22 P3 端口引腳與復用功能表端口引腳 復用功能 RXD(串行輸入口) TXD(串行輸出口) INT0(外部中斷 0) INT1(外部中斷 1) T0(定時器 0 的外部輸入) T1(定時器 1 的外部輸入)基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計10 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) 復位輸入端。在振蕩器運行時,在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使其單片機復位??撮T狗定時器(Watchdog)溢出后,該引腳會保持 98 個振蕩周期的高電平。在 SFR AUXR(地址 8EH)寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽這種功能。DISRTO 位的默認狀態(tài),是復位高電平輸出功能使能。在存取外部存儲器時,這個輸出信號用于鎖存低字節(jié)地址。在對 Flash 存儲器編程時,這條引腳用于輸入編程脈沖 PROG。一般情況下,ALE 是振蕩器頻率的 6 分頻信號,可用于外部定時或時鐘。但是,在對外部數(shù)據(jù)存儲器每次存取中,會跳過一個 ALE 脈沖。在需要時,可以把地址 8EH 中的 SFR 寄存器的 0 位置為“1” ,從而屏蔽 ALE 的工作;而只有在 MOVX 或 MOVC 指令執(zhí)行時 ALE 才被激活。在單片機處于外部執(zhí)行方式時,對 ALE 屏蔽位置“1”并不起作用。 程序存儲器允許信號。它用于讀外部程序存儲器。當 AT89S52 在執(zhí)行來自外部存儲器的指令時,每一個機器周期 PSEN 被激活 2 次。在對外部數(shù)據(jù)存儲器的每次存取中,PSEN 的 2 次激活會被跳過。為了確保單片機從地址為 0000H~FFFFH 的外部程序存儲器中讀取代碼,故要把 EA 接到 GND 端,即地端。但是,如果鎖定位 1 被編程,則 EA在復位時被鎖存。當執(zhí)行內部程序時,EA 應接到 Vcc。在對 Flash 存儲器編程時,這條引腳接收 12V 編程電壓 Vpp。 振蕩器的反相放大器輸入,內部時鐘工作電路的輸入。 振蕩器的反相放大器輸出。(2)AT89S52 單片機最小系統(tǒng) [4]電路圖如圖 23 所示?;趩纹瑱C與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計11圖 23 單片機 AT89S52 最小系統(tǒng)(1) 復位電路:單片機上電時,當振蕩器正在運行時,只要持續(xù)給出 RST 引腳連個機器周期的高電平,便可完成系統(tǒng)復位。外部復位電路是為內部復位電路提供兩個機器周期以上的電平而設計的。系統(tǒng)采用上電自動復位,上電瞬間電容器上的電壓不能突變,RST 上的電壓是Vcc 上的電壓與電容器上的電壓之差,因而 RST 上的電壓與 Vcc 上的電壓相同。隨著充電的進行,電容器上的電壓不斷上升,RST 上的 電壓就隨著下降,RST 腳上只要保持 10ms以上高電平,系統(tǒng)就會有效復位。電容 C 可取 10~33uF,電阻 R 可取 ~10kΩ。在本系統(tǒng)設計中,C 取 22uf,R 取 ,充電時間常數(shù)為 22*106 **103=104ms。(2)振蕩電路:XTAL1 腳和 XTAL2 腳分別構成片內振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端,外接石英晶振或陶瓷晶振以及補償電容 CC2 選 47uF 構成并聯(lián)諧振電路。當外接石英晶振時,電容 CC2 選 30Pf177。10pF;當外接陶瓷振蕩器時,電容 CC2 選 47uF177。10uF。AT89S52系統(tǒng)中晶振可在 0~24MHz 選擇。外接電 CC2 的大小會影響振蕩器頻率的穩(wěn)定度、起振時間及溫度穩(wěn)定性。在設計電路板時,晶振和電容應靠近單片機芯片,以便減少寄生電容,保證振蕩器穩(wěn)定可靠工作。在本硬件系統(tǒng)設計中,為保證串行通行波特率的誤差,選擇了 的標準石英晶振,電容 CC2 為 47uF。(3) 接高電平,選用片內程序存儲器。EA(4) 單片機編程 溫度傳感器的選取 目前市場上溫度傳感器較多,有以下幾種: 方案一:選用鉑電阻溫度傳感器,此類溫度傳感器線性度、穩(wěn)定性等方面性能都很好, 其成本較高。 方案二:采用熱敏電阻,選用此類元器件有價格便宜的優(yōu)點,但由于熱敏電阻的非線性特性會影響系統(tǒng)的精度。 方案三:DS18B20 是 DALLAS 公司生產的一線式數(shù)字溫度傳感器,具有 3 引腳 TO-92小體積封裝形式;溫度測量范圍為-55℃~+125℃,可編程為 9 位~12 位 A/D 轉換精度,測溫分辨率可達 ℃。此器件具有體積小、質量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設計要求。 比較以上三種方案,方案三具有明顯的優(yōu)點,因此選用方案三。 溫度傳感器 DS18B20 的介紹DS18B20[5]是 Dallas 半導體公司推出的一線總線數(shù)字化溫度傳感器件,它能在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù),并將溫度數(shù)據(jù)直接轉換成數(shù)字量輸出。此外,一線總線獨特而且經濟的特點,使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡,為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計12DS18B20 測量溫度范圍為55176。C~+125176。C,在10~+85176。C 范圍內,精度為177。176。C。DS1822 的精度較差為177。2176。C?,F(xiàn)場溫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、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。DS18B20 可以程序設定 9~12 位的分辨率,精度為177。176。C??蛇x更小的封裝方式,更寬的電壓適用范圍。分辨率設定,及用戶設定的報警溫度存儲在 EEPROM 中,掉電后依然保存。DS18B20 的性能是新一代產品中最好的!性能價格比也非常出色!DS1822 與DS18B20 軟件兼容,是 DS18B20 的簡化版本。省略了存儲用戶定義報警溫度、分辨率參數(shù)的 EEPROM,精度降低為177。2176。C,適用于對性能要求不高,成本控制嚴格的應用。DS18B20 可用傳統(tǒng)方式供電 [6],將外部電源連在 VDD 腳上,其工作電壓范圍為~, 也可以用數(shù)據(jù)線供電,稱為寄生供電模式,電源由總線為高電平時 DQ 腳上的上拉電阻提供,此時 VDD 腳必須接地。在 12 位分辨率時,最多在 750ms 內可以把溫度值轉換成數(shù)字。并具有負壓特性,即當電源極性接反時,溫度計雖然不會正常工作,但卻不會因發(fā)熱而燒毀。一、DS18B20 的主要特性(1)適應電壓范圍更寬,電壓范圍:~,在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電(2)獨特的單線接口方式,DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。(3)DS18B20 支持多點組網(wǎng)功能,多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上,實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。(4)DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件,全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(5)測溫范圍-55℃~+125℃,在10~+85℃時精度為177?!妫?)可編程的分辨率為 9~12 位,對應的可分辨溫度分別為 ℃、℃、℃和 ℃,可實現(xiàn)高精度測溫。(7)在 9 位分辨率時最多在 內把溫度轉換為數(shù)字,12 位分辨率時最多在750ms 內把溫度值轉換為數(shù)字,速度更快。(8)測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號,以一線總線串行傳送給 CPU,同時可傳送CRC 校驗碼,具有極強的抗干擾糾錯能力。(9)負壓特性:電源極性接反時,芯片不會因發(fā)熱而燒毀,但不能正常工作。 二、DS18B20 的外形和內部結構DS18B20 內部結構主要由四部分組成:64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。圖 24 為 DS18B20 內部結構圖,圖 25 為 DS18B20 的引腳(PR35 封裝)。引腳含義如下:基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計13(1)DQ:數(shù)字信號輸入/輸出端;(2)GND:電源地;(3)VDD:外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)?!      ∪?、DS18B20 工作原理DS18B20 測溫原理如圖 26 所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小,用于產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 和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行減法計數(shù),當計數(shù)器 1 的預置值減到 0 時,溫度寄存器的值將加 1,計數(shù)器 1 的預置將重新被裝入,計數(shù)器1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行計數(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 26 中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性,其輸出用于修正計數(shù)器 1 的預置值。圖 26 DS18B20 測溫原理DS18B20 有 4 個主要的數(shù)據(jù)部件:圖 24 DS18B20 內部結構圖 圖 25 DS18B20 引腳圖基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計14(1)光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的,它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。64 位光刻 ROM 的排列是:開始 8 位(28H)是產品類型標號,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)。光刻 ROM 的作用是使每一個 DS18B20 都各不相同,這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的。(2)DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量,以 12 位轉化為例:用 16 位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供,以 ℃/LSB 形式表達,其中 S 為符號位。表 23: DS18B20 溫度值格式表  這是 12 位轉化后得到的 12 位數(shù)據(jù),存儲在 DS18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中,二進制中的前面 5 位是符號位,如果測得的溫度大于 0,這 5 位為 0,只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實際溫度;如果溫度小于 0,這 5 位為 1,測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實際溫度。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。  ?。?)DS18B20 溫度傳感器的存儲器DS18B20 溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、TL 和結構寄存器。(4)配置寄存器該字節(jié)各位的意義如下:表 25:配置寄存器結構基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計15低五位一直都是1,TM 是測試模式位,用于設置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式。在 DS18B20 出廠時該位被設置為 0,用戶不要去改動。R1 和 R0 用來設置分辨率,如下表所示:(DS18B20 出廠時被設置為 12 位)表 26:溫度分辨率設置表四、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 5 所示。當溫度轉換命令發(fā)布后,經轉換所得的溫度值以二字節(jié)補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)格式如表 1 所示。對應的溫度計算:當符號位 S=0 時,直接將二進制位轉換為十進制;當 S=1 時,先將補碼變?yōu)樵a,再計算十進制值。表 27 是對應的一部分溫度值。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。表 27:DS18B20 暫存寄存器分布基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計16根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議,主機(單片機)控制 DS18B20 完成溫度轉換必須經過三個步驟:每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進行復位操作,復位成功后發(fā)送一條 ROM 指令,最后發(fā)送 RAM 指令,這樣才能對 DS18B20 進行預定的操作。復位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒,然后釋放,當 DS18B20 收到信號后等待 16~60 微秒左右,后發(fā)出 60~240微秒的存在低脈沖,主 CPU 收到此信號表示復位成功。表 28:ROM 指令表表 29:RAM 指令表六、DS18B20 使用中注意事項DS18B20 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點,但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題:1) 較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償,由于 DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送,因此,在對 DS18B20 進行讀寫編程時,必須嚴格的保證讀寫時序,否則將無法讀取測溫結果。在使用 PL/M、C 等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時,對 DS18B20 操作部分最好采用 C 語言實現(xiàn)?;趩纹瑱C與 PC 機的
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