【導(dǎo)讀】度采集控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究有十分重要的意義。本次設(shè)計的目的在于學(xué)習(xí)與了解。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本流程。器傳遞到單片機(jī)上。單片機(jī)數(shù)據(jù)處理之后，發(fā)出控制信息改變報警和控制執(zhí)行模塊。的狀態(tài)，同時將當(dāng)前溫度信息發(fā)送到LCD進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路溫度信。號采集與顯示，可以使用按鍵來設(shè)置溫度限定值，通過進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，發(fā)出控制信號達(dá)到控制蜂鳴器和繼電器的目的。溫度檢測的意義與技術(shù)發(fā)展·······················································1. 課題內(nèi)容和本人的主要工作····························&#18

　　

【正文】 805的 1 端和 3 端，形成反饋，當(dāng)電路中出現(xiàn)短路情況時，能對電路起到保護(hù)作用。另外，還 可以接 一個 400 歐姆的電阻和一個發(fā)光二極管，目的是為了檢測電路是否通電。 本設(shè)計出于簡化電路 的目的 ，所以省略了以上兩步 ，電路系統(tǒng)原理圖如圖 38 所示： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 V o u t32V in1GND7805100pFC 1 1100pFC 1 21000uFC71000uFC812+ 5 V129VV C C 圖 38 穩(wěn)壓電源圖 控制執(zhí)行單元設(shè)計 控制 執(zhí)行系統(tǒng)所要完成的功能是 根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，單片機(jī) 的 對應(yīng)的 I/O 輸出高電平或者低電平 ， 控制 繼電器的閉合 ， 達(dá)到控制電爐或風(fēng)扇的啟動和停止，但是單片機(jī) I/O 口的輸出 電流僅為 20mA，不足以驅(qū)動繼電器，同時也為提高其驅(qū)動能力和抗干擾能力，系統(tǒng) 設(shè)計 了 繼電器 驅(qū)動電路， 在風(fēng)扇控制電路中 由三極管 Q2 與電阻 R13組成放大電路 ， 而 二極管 D2構(gòu)成泄放回路 ， 用以在系統(tǒng)斷電時迅速將繼電器自感電動勢迅速拉低，起到保護(hù)作用。 通過繼電器的閉合來控制大功率設(shè)備的開與關(guān) ，達(dá)到自動控制的目的。 繼電器驅(qū)動電路 原理 圖如圖 39 所示： 1KR 11Q224V5KR 15D S 3D2K11234T P L 52 1 + 24 V10KR 13+ 5VO U T _21KR 14 圖 39 繼電器驅(qū)動電路 報警電路實(shí)現(xiàn)的是當(dāng)環(huán)境溫度值超過系統(tǒng)設(shè)置 的上限值或者小于系統(tǒng)設(shè)置的下限值 時 ，都將通過 I/O 口驅(qū)動蜂鳴器， 進(jìn)行 蜂鳴器報警。而單片機(jī) I/O 口輸出的電流無法直接驅(qū)動蜂鳴器 ，所以設(shè)計了蜂鳴器驅(qū)動電路，具體電路連接如圖 310西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 所示： Q1D1V C CS pe a k e r1K R31KR2O U T _1 圖 310 報警電路 總體電路原理圖及印刷電路板圖 根據(jù)系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，使用 Protel DXP 進(jìn)行原理圖與 PCB 設(shè)計。（見附錄） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 21 第 4章 軟件設(shè)計 本部分詳細(xì)介紹了基于 AT89S51 單片機(jī)的多路溫度采集控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)功能， 可以將系統(tǒng)設(shè)計分為若干個子程序進(jìn) 行設(shè)計，如溫度采集子程序，數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序、執(zhí)行子程序。采用 Keil uVision3 集成編譯環(huán)境和匯編語言來進(jìn)行系統(tǒng) 軟件 的設(shè)計 。本章從 設(shè)計思路、 軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)， 先 介紹整體的思路后，再逐一分析各模塊程序算法 的實(shí)現(xiàn)， 最終編寫出滿足任務(wù)需求的程序。 設(shè)計思路、流程圖 本系統(tǒng)要完成溫度信號的采集與控制，需要 實(shí)現(xiàn)溫度信號的采集 與 A/D 轉(zhuǎn)換 、數(shù)據(jù) 處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ?。從功能上?將其 分為溫度 信號采集及A/D 轉(zhuǎn)換、 數(shù)據(jù)處理、 人機(jī)交互、執(zhí)行四大部分 進(jìn)行設(shè)計 ，軟件系統(tǒng)框圖如圖 41所示： 圖 41 軟件系統(tǒng)框圖 溫度 信號采集子程序，主要完成溫度 信號采集與 A/D 功能 ，由于數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 是采用單總線結(jié)構(gòu)，所以 軟件設(shè)計需要 根據(jù)單總線協(xié)議 來 完成 溫度 數(shù)據(jù) 采集 、 A/D 轉(zhuǎn)換和 傳輸。 溫度信號 采集子程序主要包括傳感器初始化、單片機(jī)給傳感器寫命令、 單片機(jī)給傳感器寫數(shù)據(jù)、 單片機(jī) 從傳感器讀數(shù)據(jù)等 部分。 數(shù)據(jù)處理子程序，當(dāng)單片機(jī)收到溫度傳感器發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù) 處理子程序?qū)υ摂?shù)據(jù)進(jìn)行處理， 主要是 把采集到的二 進(jìn)制的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 十進(jìn)制溫度數(shù)據(jù) 。 人機(jī)交 互子程序 包括按鍵子程序、 LCD 顯示子程序。按鍵子程序 是完成按鍵識數(shù)據(jù)處理子程序 人機(jī)交互子 程序 溫度采集子程序 控制執(zhí)行 子程序 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 別功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。 按鍵子程序又包括設(shè)置子程序、加一子程序、減一子程序等。 LCD 顯示子程序的功能是 ， 實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)處理后 的十進(jìn)制溫度 數(shù)據(jù) ，使用LCD 顯示出來。 而 LCD 顯示子程序 又 包括 LCD 初始化子程序、寫命令子程序、寫數(shù)據(jù)子程序 等 。 執(zhí)行子程序 ， 該子程序所實(shí)現(xiàn)的功能，是把 按鍵子程序設(shè)置的系統(tǒng)溫度限定值與數(shù)據(jù)處理子程序處理后的當(dāng)前溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果， 執(zhí)行 單片機(jī)的I/O 口輸出的 狀態(tài)。 I/O 口的高低電平控制繼電器閉合達(dá)到控制大功率設(shè)備 的目的。主程序流程圖如圖 42 所示： 圖 42 主程序流程圖 溫度采集子程序 1wire 單總線是 Maxim 全資子公司 Dallas 的一項專有技術(shù)，與目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)溫度限值設(shè)置子程序 第 X 路溫度采集子程序 執(zhí)行 子程序 顯示子程序 數(shù)據(jù)處理子程序 設(shè)置鍵按下？ N Y 初始化 X=1 采集下路？ N Y 開始 返 回 X=X+1 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 串行數(shù)據(jù)通信方式不同，它采用單根信號線 ， 既傳輸時鐘又傳輸數(shù)據(jù) 。 而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。它具有 結(jié)構(gòu)簡單、 節(jié)省 I/O 口資源、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)， 1wire 單總線適用于單個主機(jī)系統(tǒng) ， 能夠控制一個或多個從機(jī)設(shè)備，當(dāng)只有一個從機(jī)位于總線上時，系統(tǒng)可按照單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作，而當(dāng)多 個從機(jī)位于總線上時，系統(tǒng) 則 按照多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng) 進(jìn)行 操作 。 而 較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS1820 進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。 軟件系統(tǒng)可分為 命令序列、信號方式、信號類型和時序。 命令序列 根據(jù) DS18B20 的通信協(xié)議，主機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前 ， 都要對 DS18B20 進(jìn)行復(fù)位 即初始化 ，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM 指令 即 ROM 操作 ，最后發(fā)送 RAM 指令 即功能命令 ，這 樣才能對 DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。 初始化 ： 基于單總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始 的 ，初始化過程由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和從機(jī)響應(yīng)的應(yīng)答脈沖組成，應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道總線上有從機(jī)設(shè)備且準(zhǔn)備就緒。 復(fù)位要求主 機(jī) 將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒，然后釋放， DS18B20 收到信號后等待 16～ 60 微秒左右 后 ， 發(fā)出 60～ 240 微秒的低脈沖，主 機(jī) 收到此信號表示復(fù)位成功。 ROM 命令 ： 主機(jī)檢測到應(yīng)答脈沖后 ， 發(fā)出 ROM 命令，這些命令與一個從機(jī)設(shè)備的唯一 64 位 ROM 代碼相關(guān)，允許主機(jī)在單總線上連接多個從機(jī)設(shè)備，指定操作一個從機(jī)設(shè) 備。這些命令還使主機(jī)能夠檢測到總線上有多少個從機(jī)設(shè)備以及類型和有沒有設(shè)備處于報警狀態(tài)。從機(jī)設(shè)備可 以 支持 5 種 ROM 命令。每種命令長度為 8 位，主機(jī)在發(fā)出功能命令之前，必須送出合適的 ROM 命令 [20]。 DS18B20 有 5個 ROM 操作命令 ，如表 41 所示 ： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 表 41 ROM 指令表 指令 代碼 功能 讀 ROM 33H 讀 DS18 溫度傳感器 ROM 中的編碼 匹配 ROM 55H 接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單總線上與該編碼相對應(yīng) DS18B20，使之 做 出響應(yīng) 搜索 ROM 0FCH 用于確定掛 在同一總線上 DS18B20 的個數(shù)和識別 64位 ROM 地址 跳 過 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令，適用于單點(diǎn)測溫 報警搜索命令 0ECH 執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限值和下限值的溫度傳感器才做出響應(yīng) 功能命令 ： 在主機(jī)發(fā)出 ROM 命令以訪問某個指定的 DS18B20 后， 接著就可以發(fā) DS18B20 支持的某個功能命令，這些命令允許主機(jī)寫入或讀出 DS18B20 暫存器、啟動溫度轉(zhuǎn)換以及判斷從機(jī)的供電方式。 DS18B20 有 6 個存儲器功能命令 ，如表 42 所示 ： 表 42 RAM 指令表 指令 代碼 功能 溫度變換 44H 啟動 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換 讀暫存器 0BEH 讀內(nèi)部 RAM 中的 9 字節(jié)內(nèi)容 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內(nèi)部 RAM 的 4 字節(jié)寫上限、下限溫度數(shù)據(jù)命令 復(fù)制暫存器 48H 將 RAM 中的第 4 字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到 EEPROM 重調(diào) EEPROM 0B8H 將 EEPROM 的內(nèi)容復(fù)制 RAM 中的第 4 字節(jié) 讀供電方式 0B4H 讀 DS18B20 的供電方式 所有的單總線器件要求采用嚴(yán)格的 單總線 通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種信 號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫 0、寫 讀 0 和讀 1 。所有這些信號，除了應(yīng)答脈沖以外，都由主機(jī)發(fā)出同步信號。并且發(fā)送 的 所有 命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前，這一點(diǎn)與多數(shù)串行通信格式不同。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 初始化序列： 包括 復(fù)位和應(yīng)答脈沖 。 單總線上的所有通信都是以初始化序列開始，包括主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖及從機(jī)的應(yīng)答脈沖。如圖 43 所示。當(dāng)從機(jī)發(fā)出響應(yīng)主機(jī)的應(yīng)答脈沖時，即向主機(jī)表明它處于總線上，且工作準(zhǔn)備就緒。在主機(jī)初始化過程，主機(jī)通過拉低單總線至少 480 微秒，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著主機(jī)釋放總線，并進(jìn)入接收模式，當(dāng)總線被釋放后， 連接 +5V 電源的 上拉電阻將單總線拉高，在單總線器件檢測到上升沿后，延時 15~60 微秒，接著通過拉低總線 60~240 微秒，以產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。 圖 43 初始化時序圖 讀 /寫時隙 ， 在寫時隙期間，主機(jī)向單總線器件寫入數(shù)據(jù)；而在讀時隙期間主機(jī)讀入來自從機(jī)的數(shù)據(jù)，在每一個時隙總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。 寫時隙 ： 寫時隙包括兩種： “寫 1”和“寫 0”。主機(jī)采用寫 1 時隙向從機(jī)寫入 1， 而采用寫 0 時隙向從機(jī)寫入 0。 所有寫時隙至少需要 60 微秒，且在兩次獨(dú)立的寫時隙之間至少需要 1 微秒 的恢復(fù)時間， 寫時隙，均起始于主機(jī)拉低，產(chǎn)生寫1 時隙的方式，主機(jī)在拉低總線后，接著必須在 15 微秒之內(nèi)釋放總線，由 上拉電阻將總線拉至高電平； 而產(chǎn)生寫 0 時隙的方式。在主機(jī)拉低總線后，只需在整個時隙期間保持低電平即可。 在寫時隙起始后 15~60 微秒期間，單總線器件采樣總線電平狀態(tài)；如果在此期間采樣到 高電平，則邏輯 1 被寫入該器件，如果為 0，則寫入邏輯 0。 讀時隙 ： 單總線器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時隙時才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。所以在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù) 的 命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時隙，以便從機(jī)能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時隙至少需要 60 微秒 ，且在兩次獨(dú)立的讀時隙之間至少需要 1 微秒 的恢復(fù)時間。 讀時隙都由主機(jī)發(fā)起；至少拉低總線 1 微秒， 在主機(jī)發(fā)起讀時隙之后 ， 單總線器件才開始在總線上發(fā)送 0 或 1 。若從機(jī)發(fā)送 1，則保持總線為高電平。若發(fā)送 0，則拉低總線。當(dāng)發(fā)送 0 時， 從機(jī)在該時隙結(jié)束后釋放總線。由上拉電阻將總線拉回至空閑高主機(jī)復(fù)位 480us 從機(jī)等待 15us60us 主機(jī)接收 480us 從機(jī)應(yīng)答 60240us 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 電平狀態(tài)，從機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)在起始時隙之后，保持有效時間 15 微秒，因而主機(jī)在讀時隙期間必須釋放總線。并且在時隙起始后的 15 微秒之內(nèi)采樣總線狀態(tài) [21]。 溫度采集子程序流程圖如圖 44 所示： 圖 44 溫度值采集子程序流程圖 數(shù)據(jù)處理子程序 設(shè)置 分辨率為 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 16 位 溫度 數(shù)據(jù)， 其中包括 了溫度的符號位。單片機(jī)通過單 總 線接口讀取該數(shù)據(jù)， 在應(yīng)用 時要把有效的溫度數(shù)據(jù)提取出來，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)情況 進(jìn)行控制處理。 二進(jìn)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(shí)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 就 可得到實(shí)際溫度。 DS18B20 完成溫度 信號 的采集 與 A/D 轉(zhuǎn)換，并把 數(shù)據(jù)傳遞給單 片機(jī)，并 保存起來。數(shù)據(jù)處理時，把數(shù)據(jù) 取出來 ， 放在一個整型變量中。首先取出整數(shù)部分進(jìn)行初 始 化 跳過 ROM 命令 溫度轉(zhuǎn)換命令 延時子程序 顯示子程序 結(jié)束？ Y N 匹配 ROM 命令 給出一個器件 ROM 碼 調(diào)用傳送 ROM碼子程序 讀溫度數(shù)據(jù)命令 開 始 返 回 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 處理，求出數(shù)據(jù)十進(jìn)制表示時的百位、十位及個位，再求小數(shù)部分 數(shù)據(jù)計算流程圖如圖 45 所示 。 DS18B20 采集的數(shù)據(jù)有四位小數(shù)，精度可達(dá)到 。在設(shè)計中 取四 位小數(shù)，溫度 測量 的精度為 ，這樣的數(shù)據(jù) 比較精 確。通過數(shù)據(jù)處理后， 把16 位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化 成 帶 四 個小數(shù)位的十進(jìn)制數(shù)據(jù)。 圖 45 溫度值計算程序流程圖 圖 46 整數(shù)計算子程序流程圖 圖 47 小數(shù)計算子程序流程圖 人機(jī)交互子程序 本部分主要介紹用于人機(jī)交互 的 LCD 顯示子程序和 按鍵子程序設(shè)計。 整數(shù)寄存器 除以 100 商存入百位 寄存器 余數(shù)存入整數(shù)寄存器 除以 10 商存入十位 寄存器 余數(shù)存入個位寄存器 小數(shù)寄存器 把小數(shù)部分 逐次與 00H~ 0FH 比較 若相等時進(jìn)行相應(yīng)置位 保 存 整數(shù)寄存器 返 回 返 回 開始 開始 整數(shù)部分 計算程序 保存數(shù)據(jù) 小數(shù)數(shù)據(jù) 計算程序 保存數(shù)據(jù)1 開 始 返 回 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 28 顯示子程序 JDL162A 液晶顯示屏可以和單片機(jī) AT89S51 接口直接連接，液晶顯示屏是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志是否為低電平，低電平表示不忙，高電平 則此指令失效。 溫度值顯示子程序流程圖如圖 48 所示。 對液晶顯示屏的操作首先是初始化。初始化設(shè)置包括顯示模式設(shè) 置、顯示開 /關(guān)及光標(biāo)設(shè)置，顯示模式設(shè)置如表 43 所示， 顯示開 /關(guān)及光標(biāo)設(shè)置如表 44 所示 表 43 顯示模式設(shè)置表 指令碼 功能 0 0 1 1 1 0 0 0 設(shè)置 16*2 顯示、 5*7 點(diǎn)陣、 8 位數(shù)據(jù)接口 表 44 顯示開 /關(guān)及光標(biāo)設(shè)置 指令碼 功能 0 0 0 0 1 D C B D=1 開顯示， D=0 關(guān)顯示 C=1 顯示光標(biāo)， C=0 不顯示光標(biāo) B=光標(biāo)閃爍， B=光標(biāo)不閃爍 0 0 0 0 0 1 N S N=1，當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址指針加一，且光標(biāo)加一。 N=0，當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符后地址 指針 減 一，且光標(biāo) 減 一。 液晶顯示屏要顯示字符時 ， 首先要輸入顯示字符的地址， JDL162A 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了 160 個不同的點(diǎn)陣字符圖形， 這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、 日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼 。 JDL162A 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有 11 條控制指令，它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。 指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標(biāo)復(fù)位到地址 00H 位置 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動方 向，高電平右移，低電平左移 。S： 屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 29 指令 4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 。 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的 文字，低電平時移動光標(biāo) 指令 6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時為 4 位總線，低電平時為 8 位總線 。 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 。 F： 低電平時顯示 5x7 的點(diǎn)陣字符，高電平時顯示 5x10 的點(diǎn)陣字符 指令 7：字符發(fā)生器 RAM 地址設(shè)置 指令 8： DDRAM 地址設(shè)置 指令 9：讀忙信號和光標(biāo)地址 。 BF： 為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令 10：寫數(shù)據(jù) 指令 11：讀數(shù)據(jù) 圖 48 溫度值顯示子程序流程圖