【文章內(nèi)容簡介】 論文 2 安全進行 ，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。 溫度采集控制 系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)設計的基礎上發(fā)展起來的。 嵌入式系統(tǒng)雖然起源于微型計算機時代，但是微型計算機的體積、價位、可靠性 ， 都無法滿足廣大對象 對 嵌入式系統(tǒng) 的 要求，因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨立發(fā)展道路。這條道路就是芯片化道路。將計算機做在一個芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的單片機時代。單片機誕生于 二十 世紀 七十 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU 和 SOC 三大階段 [3]。 課題內(nèi)容和本人的主要工作 本課題 是基于 單片機 的多路 溫度 采集 控制系統(tǒng) 設計 ， 其 利用單片機作為系統(tǒng)的主 要 控制器， 通過 溫度 傳感器檢測環(huán)境溫度 信號 ， 再 經(jīng) A/D 轉(zhuǎn) 換后， 將數(shù)字信號，送入 到 單片機中進行 數(shù)據(jù) 處理，經(jīng)過一定的 控制 算法后， 通過 單片機的輸出 I/O 口 ，來控制 繼電器 的 閉合，達到 弱電控制強電的目的 ， 最終完成對 加熱爐 和風扇的 自動控制，從而實現(xiàn)對 了對環(huán)境 溫度的 調(diào)節(jié) 。 本人的主要工作是 運用 AT89S51 單片機 作 為主控制 單元及數(shù)據(jù)處理單元 ， 控制溫度傳感器檢測 環(huán)境溫度信號及 A/D 轉(zhuǎn)換， 數(shù)據(jù)處理， 發(fā)出控制信號 對加熱爐 和風扇 進行 自動 化控制 ，達到自動調(diào)節(jié)控制環(huán)境溫度的目的，同時實現(xiàn)超高溫報警和超低溫報警功能 。實現(xiàn) 基本的 人機對話功能， 包括使用按鍵設置上、下限報警溫度值， 顯示報警溫度 值 和當前 環(huán)境溫度值。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 3 第 2章 系統(tǒng)總體設計及方案論證 系統(tǒng)總體設計 本章主要 內(nèi)容是 論述基于 51 單片機的多路溫度采集控制系統(tǒng)的 總體 設 計以及方案論證。本系統(tǒng)由單片機、溫度信號采集與 A/D 轉(zhuǎn)換 、 人機交互 、 控制 執(zhí)行單元、電源 系統(tǒng) 單元、通信單元六部分組成， 功能 模塊 具體實現(xiàn)的器件的 不同，將直接影響整個系統(tǒng)的性能及成本 ， 為了達到高效、實用的目的，在系統(tǒng)設計之前的 方案論證 是 十分 重要的 ， 系統(tǒng)設計原理圖如圖 21 所示： 圖 21 系統(tǒng)設計原理圖 單片機：該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種 控制命令、 讀取 溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，同時還要對執(zhí)行單元進行控制。單片機是整個系統(tǒng)的 控制 核心 及數(shù)據(jù)處理核心 [4]。 溫度信號采集與 傳感器：本部分 的主要作用是用傳感器檢測模擬環(huán)境中的溫度信號，溫度傳感器上電流將隨環(huán)境溫度值線性變化。再把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，使用 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號 轉(zhuǎn)換成單片機能夠進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號 ，本設計采用的是數(shù)字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內(nèi)部完成 。 人機交互 及串口通信 ： 人機交換的目的 是為了提高系統(tǒng)的可 用性和實用性。 主要包括按鍵輸入 、 輸出顯示。 通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設置， 而 輸出顯示 則 完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示 信息 的輸出， 串口通信 的主要功能是完成單片機與上位機的通信，便于進行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計 ， 為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎工作 。 MCU 溫度信號采 集 及A/D 轉(zhuǎn)換 人機交互及串口通信 控制執(zhí)行及報警單元 電源系統(tǒng)設計 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 4 電源系統(tǒng)單元：本單元的主要功能是為單片機提供 適當?shù)?工作電源，同時也為其他模塊提供 電源。如液晶顯示屏、按鍵 等 ，在 本 設計當中 ， 電源 系統(tǒng) 輸出 +5 V 的電源 。 執(zhí)行單元： 是 單片機的輸出控制 執(zhí)行 部分，根據(jù)單片機數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，驅(qū)動繼電器 控制外部 設備 ， 可以 達到超溫報警及升溫或者降溫 目的 ， 使環(huán)境溫 度始終保持在一個范圍之內(nèi)。 單片機 在多數(shù)電子設計當 中，基于性價比的考慮， 8 位單片機仍是首選。目前， 8 位單片機在國內(nèi) 外 仍占有重要地位。在 8 位單片機中又以 MCS－ 51 系列單片機及其兼容機所占的份額最大 [5]。 MCS－ 51 的硬件結(jié)構(gòu) 決定了其指令系統(tǒng)不會發(fā)生變化，設計人員可以 很容易的 對不同公司的單片機產(chǎn)品進行選型，他們只需將重點放在芯片內(nèi)部資源的比較上。 在以前 的 電子設計中，應用 比較 廣泛的單片機 是 AT89C51 單片機了 ，但是該單片機 最致命的缺陷在于不支持 ISP 功能 。 Atmel 公司目前已經(jīng)停 止 了 AT89C51 生產(chǎn) ， 51 單片機 必須加上 ISP 功能才能更好延續(xù) MCS51 的傳奇 ， AT89S51 就是在這樣的背景下 誕生 的， 目前 AT89S51 已經(jīng)成為了實際應用市場上 的 新寵兒。 89S51在工藝上進行了改進， 它 采用 mm 新工藝， 不但 降低成本 了 ， 而且 增加了 功能 ，提升了單片機性能 ， 提高 了 市場 競爭力 [6]。 AT89S51 新增 了 許多 功能，性能 也 有了較大 的 提升， 但是 價格 仍舊 與 AT89C51的價格 一致 。 新增 的功能之中最具有影響力的就是 ISP 在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢在于 ， 改寫單片機 Flash 存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝 離 [7]。是一個強大易用的功能 。 顯然 ， AT89S51 在性能上 比 AT89C51 要優(yōu)良得多， 因為它 不但 在 AT89C51 的基礎上增加了許 多功能， 而且 價格 基本 沒有提高， 所以 在器件選擇的時候 首先 排除AT89C51， 對于 市場上的另外一種 比較流行的 單片機 C8051F，盡管它在 性能、功能 上 都 要 比 AT89S51 優(yōu)良很多，但是它的價格 是 S51 的 數(shù)倍，本系統(tǒng)使用 S51 已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的功能， 基于成本的考慮， 放棄 C8051F， 選擇 AT89S51 作為本系統(tǒng)的主控 單元 [8]。 溫度采集與傳感器 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 5 本部分主要是 論證 溫度傳感器的選型 。傳感器的選擇受到很多因素的影響，首先是各種溫度傳感器自身 的優(yōu)缺點，其次是各種不同的環(huán)境因素，還有就是系統(tǒng)所要求實現(xiàn)的 精度等 ，所以在不同的設計當中溫度傳感器的選擇也將不同。 方案一 ： 熱電偶傳感器 熱電偶傳感的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化。它 是利用兩種不同材料的金屬 連接 在一起 ， 構(gòu)成的具有熱電效應原理的一種感溫元件。其優(yōu)點為精確度高 、 測量范圍廣、構(gòu)造簡單 、 使用方便，型號種類比較多且技術成熟等。目前廣泛應用于工業(yè)與民用產(chǎn)品中。熱電偶 傳感器 的種類很多 ， 在選擇時必須考慮其靈敏度、精確度、可靠性、穩(wěn)定性等條件。 方案 二 ： 熱電阻傳感器 熱電阻傳感器的原理是將溫度變 化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。熱電阻傳感器是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器。它 的主要 特點是：測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的，不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制作成標準的基準儀。 從熱電阻的 測溫原理可以知道，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來表現(xiàn)的。因此，熱電阻 的引出線的 電阻的變化會給測溫帶來影響 [9]。為消除引線電阻的影響 ， 一般采用三線制或四線制。熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導線、顯示儀表組成。 方案三 ： 半導體 集成 模擬 溫度傳感器 半導體 IC 溫度傳感器是利用半導體 PN 結(jié)的電流、電壓與溫度 變換關系來測溫的一種感溫元件。這種傳感器輸出線性好、精度高，而且可 以 把傳感 器 驅(qū)動電路、信號處理電路等 ， 與溫度傳感器部分集成在同一硅片上，體積小，使用方便， 應用比較廣泛的有 AD590 等。 IC 溫度傳感器在微型計算機控制系統(tǒng)中，通常用于室溫或環(huán)境溫度的檢測，以便微型計算機對溫度測量值進行補償。 方案四 ： 半導體 集成 數(shù)字溫度傳感器 隨著科學技術的不斷進步和發(fā)展，新型溫度傳感器的種類繁多，應用逐 漸廣泛，并且開始由模擬式向著數(shù)字式、單總線式、雙總線式、多總線式發(fā)展 [10]。數(shù) 字溫度傳感器，更因適合與各種微處理器 的 I/O 接口相連接， 組成自動溫度控制系統(tǒng)， 這種系統(tǒng)克服了模擬傳感器與微處理器接口時需要信號調(diào)理電路和 A/D 轉(zhuǎn)換器的弊端，被 廣泛應用于工業(yè)控制、電子測溫、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中比較有代表性的 有 DS18B20 等。 電子設計中常用的幾種溫度傳感器的西南科技大學本科生畢業(yè)論文 6 性能、價格等的對比 ， 如表 21 所示： 表 21 傳感器對比表 傳感器 AD590 PT100 DS18B20 產(chǎn)地 美國 德國 美國 量程 50℃ ~+150℃ 200℃ ~+450℃ 55℃ ~+125 精度 177。 ℃ 177。℃ 177。℃ 供電電壓 +4V~+30V +13V~+36V +~+ 輸出信號 類型 模擬 信號 模擬信號 數(shù)字信號 PT100 與 AD590 都不能與單片機的 I/O 口直接相連，需要設計 信號調(diào)理 電路，A/D 轉(zhuǎn)換 電路 。而 DS18B20 是數(shù)字 溫度傳感器，并且 采用單總線技術，使該 傳感器不但可以 直接與單片機 I/O 口相連，并且只需要一個 I/O 就可以 連接多個溫度傳感器，實現(xiàn)多點溫度測量與控制 。所以使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 不但 可以 節(jié)約單片機 I/O 口，還能 使 系統(tǒng) 設計成本 降 低 。 人機交互 與串口通信 按鍵是現(xiàn)階段電子設計中最常用、最實用的輸入設備。按鍵能夠成為 最普遍的輸入設備 ， 主要是 其 具備了以下 幾個 優(yōu)點 ： 工作原理、 硬件 電路連接簡單、操作實用性強、價格便宜，程序編寫簡單。缺點：機械抖動比較嚴重、外型不夠美觀 [11]。 電子設計中常用的輸出顯示設備有兩種：數(shù)碼管和 LCD。 數(shù)碼管 是現(xiàn)在電子設計中使用相當普遍的一種顯示設備 ， 每個數(shù)碼管由 7 個發(fā)光二極管按照一定的排列結(jié)構(gòu)組成 ， 根據(jù)七個發(fā)光二極管的正負極連接不同， 又 分為共陰 極 數(shù)碼管和共陽 極 數(shù)碼管兩種，選擇的數(shù)碼管不同，程序設計上也有一定 的差別。數(shù)碼管 顯示 的 數(shù)據(jù) 內(nèi)容 比較直觀，通常 顯示從 0 到 F 中的任意一個數(shù)字 ， 一個數(shù)碼管可以顯示一位，多個數(shù)碼管就可以顯示多位，在顯示位數(shù)比較少的電路中 ，程序編寫，外圍電路設計都十分簡單，但是當要顯示的位數(shù)相對多的時候，數(shù)碼管操作起來十分煩瑣 ，顯示的速度受到 限 制 。并且當硬件電路設計好之后，系統(tǒng) 顯示能力 基本也被確定，系統(tǒng) 顯示 能力 的擴展受到了限制。 而 液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點，用戶可以根據(jù)自己的需 求 ，顯示自己所需要的、 甚至是 自己動手設計的圖案。當需要顯示 的 數(shù)據(jù) 比較復雜的 時候，它的優(yōu)點就突現(xiàn)出來 了，并且當硬件設計完成時，可以通 過軟件的修改來不斷 擴展系統(tǒng) 顯示 能力。 外圍驅(qū)動電路設計比較簡單， 顯示能力的擴展將不會涉及到硬件電路的修改，可擴展性很強。 字符型液晶顯示屏 已經(jīng) 成為了單片機應用西南科技大學本科生畢業(yè)論文 7 設計中最常用的信息顯示器件之一 。不足之處在于 其 價格比較昂貴，驅(qū)動程序編寫比較復雜。 本設計所需要顯示的內(nèi)容比較復雜，不但包括現(xiàn)場溫度值、溫度限定值、還有溫度傳感器序列號的顯示，所以 本系統(tǒng)的 數(shù)據(jù)顯示設備采用 LCD[12]。 串行通信 的 主要 功能 是 實現(xiàn)單片機與 PC 機的數(shù)據(jù)交換 ， 當需要進行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析的時候，可以把數(shù) 據(jù)發(fā)送給上位機，使用上位機進行數(shù)據(jù)處理，并且將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果又發(fā)送給單片機。這樣可以大大提高 系統(tǒng) 數(shù)據(jù)處理速度，還可以 方便 的 對單片機進行控制。 計算機與外界的數(shù)據(jù)傳送大部分都是串行的，其傳送距離可以從幾米到幾千米。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 8 第 3章 硬件設計 本部分詳細介紹了基于 AT89S51 單片機的嵌入式多路溫度采集控制系統(tǒng)的硬件設計。硬件系統(tǒng) 所需要 完成的功能是將溫度傳感器 DS18B20 采集到的溫度信號，輸送到 AT89S51 單片機的 I/O 口，然后把單片機數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果 ， 送至 JDL162A進行顯示， 把鍵盤設置的系統(tǒng)參數(shù)送到單片機 I/O 口，把單片機控制信號送到執(zhí)行單元 [13]。本系統(tǒng)硬件設計主要包括溫度傳感器電路、 LCD 驅(qū)動電路的、按鍵驅(qū)動電路、電源 系統(tǒng) 電路、 串口 通信電路、執(zhí)行電路、 AT89S51 單片機最小系統(tǒng)的設計。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)中以 DS18B20 傳感器作為 溫度 信號采集與轉(zhuǎn)換單元； AT89S51 單片機作為數(shù)據(jù)處理和控制單元； JDL162A 作為數(shù)據(jù)輸出顯示單元；按鍵作為系統(tǒng)參數(shù)設置單元，繼電器作為 控制 執(zhí)行單元，蜂鳴器作為 超溫報警單元，硬件 結(jié)構(gòu) 框圖 ， 如圖 31 所示： 圖 31 硬件系統(tǒng)框圖 單片機主控單元 本部分主要介紹單片機最小系統(tǒng)的設計。單片機系統(tǒng)的擴展，一般是以基本最小系統(tǒng)為基礎的。所謂最小系統(tǒng)，是指一個真正可用的單片機最小配置系統(tǒng)，對于片內(nèi)帶有程序存儲器的單片機，只要在芯片外接時鐘電路和復位電路就是一個小系 S51 單片機 溫度傳 感器 JDL162A 與按鍵電路 繼電器 電路 串口電路 電源電路 蜂鳴器 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 9 統(tǒng)了。小系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基石。本電路的小系統(tǒng)主要由三部分組成，一塊AT89S51 芯片、復位電路及時鐘電路。 AT89S51 單片機： AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗 ， 高性能 CMOS 8 位單片機 ， 器件采用 ATMEL 公司的高密度 ， 非易失性存儲技術生產(chǎn) ， 兼容標準8051 指令系統(tǒng)及引腳 。 4K 字節(jié)可系統(tǒng)編程的 Flash程 序 存儲器 ， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個 I/O 口線 ， 看門狗 (WDT)， 兩個數(shù)據(jù)指針 ， 兩個 16 位定時 /計數(shù)器 ， 一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu) ， 一個全雙工串行通信口 ， 片內(nèi)振蕩器及時鐘電路 。 同時 ， AT89S51可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作 ， 并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式 ， 空閑方式停止CPU 的工作 ， 但允許 RAM、 定時 /計數(shù)器 、 串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作 。 掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容 ， 但振蕩器停止工作 ， 并禁止其它所有部件工作 ， 直到下一個硬件復位 。 P0 是一個 8 位 雙向 I/O 端口，端口置 1 時作高阻抗輸入端 ， 作為輸出口時能驅(qū)動 8 個 TTL 電平。對內(nèi)部 Flash 程序存儲器編程時，接收指令字節(jié) ； 校驗程序時輸出指令字節(jié)，需要接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口是分時轉(zhuǎn)換的地址 (低 8 位 )/數(shù)據(jù)總線，訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。 P1 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位 準 雙向 I/0 端口。輸出時可驅(qū)動 4 個 TTL電平 。端口置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部 Flash 程序存儲器編 程時，接收低 8 位地址信息。 P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位 準 雙向 I/0 端口 。 輸出時可驅(qū)動 4 個 TTL電平 。端口置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部 Flash 程序存儲器編程時，接收高 8 位地址和控制信息。在訪問外部程序和 16 位外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口送出高 8 位地址。而在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。 P3 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位 準 雙向 I/0 端口。輸出時可驅(qū)動 4 個 TTL電平。端口置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部 Flash 程序存儲器編程時，接控制信息。除此之外 P3 端口 還有 第二功能。 P3 口引腳 的第二功能 ， 如表 31 所示： 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 10 表 31 P3 口引腳第二功能 P3口引腳 第二功能 串行通信輸入（ RXD） 串行通信輸出（ TXD） 外部中斷 0（ INT0） 外部中斷 1（ INT1） 定時器 0 輸入 (T0) 定時器 1 輸入 (T1) 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 復位電路： 計算機在啟動 運行的時候都需要 復位，使中央處理器 CPU 和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并且從這個初始狀態(tài)開始工作。單片機的復位是靠外部電路實現(xiàn)的， MCS51 單片機有一個復位引腳 RST，高電平有效。 MCS51 單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種。復位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時， RC 電路充電， RST 引腳出現(xiàn)正脈沖，提供復位信號直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后 ， 撤銷復位信號，為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時 ， 才撤銷復位信號 ， 以防電源開關或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。 圖 32 中的 RC 復位電路可