【正文】 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì) .......................................................................................................... 18 軟件設(shè)計(jì)總體思路及主程序流程圖 ................................................................ 18 測溫模塊流程圖 ................................................................................................. 20 溫度的采集 ........................................................................................................ 21 多點(diǎn)溫度的測量 ................................................................................................ 21 顯示模塊流程圖 ................................................................................................. 22 鍵盤掃描流程圖 ................................................................................................. 23 第五章 系統(tǒng)仿真與產(chǎn)品測試 ............................................ 25 系統(tǒng)仿真 .................................................................................................................. 25 PROTEUS 仿真環(huán)境介紹 ................................................................................ 25 7 原理圖繪制 ...................................................................................................... 25 仿真結(jié)果分析 ......................................................................................................... 26 產(chǎn)品調(diào)試 ................................................................................................................... 26 測試環(huán)境及工具 ................................................................................................. 26 溫度檢測部分測試 ............................................................................................. 27 電路主板測試 ..................................................................................................... 27 統(tǒng)一調(diào)試 ............................................................................................................. 27 總 結(jié) ................................................................ 28 參考文獻(xiàn) .............................................................. 29 致謝 .................................................................. 30 附錄 .................................................................. 31 1 第一章 緒 論 課題背景 21 世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，科技的進(jìn)步帶動了測量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。 溫度是一個(gè)和人們生活環(huán)境有著密切關(guān)系的物理量，也是一種在生產(chǎn)、科 研、生活中需要測量和控制的重要物理量，是國際單位制七個(gè)基本量之一。 其測量控制一般 使 用各式各樣形態(tài)的溫度傳感器。 分布式溫度傳感器在電力工業(yè)、煤礦、森林、火災(zāi)、高層建筑、航空、航天飛行器等有著重要的應(yīng)用前景，引起研 究人員的廣泛關(guān)注。本設(shè)計(jì)使用了 美國 Dallas 半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20,它具有獨(dú)特的單總線接口方式 ,即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個(gè)數(shù)字式傳感器 ,從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單 ,克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的 A/D 轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn) 。此外與傳統(tǒng)的熱敏電阻傳感器相比 ,DS18B20 具有更高的測量精度。 隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進(jìn)展。 課題研究意義 隨著 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，科技的進(jìn)步帶動了 測量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制 2 設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，我們已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的信息時(shí)代，測量技術(shù)也成為當(dāng)今科技的主流之一，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。 （ 2）掌握數(shù)字 溫度傳感器 DS18B20 的原理、性能、使用特點(diǎn)和方法 ，利用 C51對系統(tǒng)進(jìn)行編程 。 課題研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容如下： （ 1）在廣泛查閱溫度檢測控制理論和方法、測溫技術(shù)和溫度控制技術(shù)等資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的控制要求及應(yīng)用領(lǐng)域完成對系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì) 。 （ 2）研究比較各相關(guān)元器件的功能與特點(diǎn)，選擇合適的元器件。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括：溫度檢測、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理、顯示、鍵盤設(shè)定、 報(bào)警電路等部分。本課題采用 C 語言，利用 Keil編譯器進(jìn)行編程及調(diào)試。 本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)分為硬件和軟件兩個(gè)方面。軟件開發(fā)的難點(diǎn)在于 DS18B20 的時(shí)序，如果時(shí)序不正確，將無法讀出正確的溫度值，對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。 本方案采用模擬溫度傳感器 AD590 作為測溫元件，傳感器將測量的溫度變換轉(zhuǎn)換成電流的變化，再通過電路轉(zhuǎn)換成電壓的變化，使用運(yùn)算放大器交將信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳給給單片機(jī)，單片機(jī)將溫度值進(jìn)行處理之后用 LCD 顯示 ，當(dāng)溫度值超過設(shè)置值時(shí)，系統(tǒng)開始報(bào)警。 （ 2） AD590 的電源電壓范圍為 4V～ 30V， 電源電壓可在 4V~6V 范圍變化，電流 變化 1mA，相當(dāng)于溫度變化 1K。 （ 3） 輸出電阻為 710MW。℃。集成溫度傳感器 的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電流輸出型的靈敏度一般為 1mA/K。 圖 22 基于數(shù)字溫度傳感器測量系 統(tǒng)方案 本課題采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 作為測為測溫元件 ,它具有如下特點(diǎn) : （ 1）只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。 （ 3）實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測溫。 （ 5）數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇。 方案論證 本設(shè)計(jì)要求測量的點(diǎn)數(shù)為 4，測溫范圍為 20℃～ +80℃，精度為 ℃。 綜合模擬溫度傳感器和數(shù)字溫度傳感器的性能指標(biāo)，以上兩個(gè)方案都能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。它控制雖然簡單，成本低，但是后續(xù)電路復(fù)雜，且需要進(jìn)行溫度標(biāo)定，集成溫度傳感器 AD590 輸出為電流信號 ,且輸出信號較弱，所以需要后續(xù)放大及A/D 轉(zhuǎn)換電路，如采用普通運(yùn)放則精度難以保證，而測量放大器價(jià)格較高，這樣會使單片機(jī)溫度傳感器溫度傳感器LCD顯示電路集成功放報(bào)警器4 4 鍵盤溫度傳感器DS 18 B 20溫度傳感器溫度傳感器 5 系統(tǒng)成本升高。它能在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)，直接將溫度物理量變換為 數(shù)字信號并以總線方式傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 912 位的數(shù)字式讀數(shù)方式，因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高，大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測試，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。因此 ，該方案完全具有可行性，同時(shí)體現(xiàn)了技術(shù)的先進(jìn)性，經(jīng)濟(jì)上也有很大的優(yōu)勢。 6 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)基本原理 基于 DS18B20 多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)以 AT89C51 為核心器件，以 KEIL 為系統(tǒng)開發(fā)平臺，用 C 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以 PROTEUS 作為仿真軟件設(shè)計(jì)而成的。 圖 31 系統(tǒng)原理圖 DS18B20 是數(shù)字溫度傳感器，它的輸入 /輸出采 用數(shù)字量，以單總線技術(shù)，接收主機(jī)發(fā)送的命令，根據(jù) DS18B20 內(nèi)部的協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度以串口發(fā)送給主機(jī)。在系統(tǒng)啟動之時(shí)，可以通過 44 鍵盤設(shè)置各點(diǎn)溫度的上限值，當(dāng)某點(diǎn)溫度超過設(shè)置值時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警，液晶顯示該傳感器的路數(shù)、設(shè)置溫度值、實(shí)際溫度值，從而實(shí)現(xiàn)了對各點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用這種 DS18B20 尋址技術(shù)，使系統(tǒng)硬件電路更加簡單。 （ 2） AT89C51 的功能描述 AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器，片內(nèi)有 4k 字節(jié)的在線可重復(fù)編程、快速擦除快速寫入程序的存儲器，能重復(fù)寫入 /擦除 1000 次， 數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。 AT89C51 可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本?？捎?5V電壓編程 ,而且擦寫時(shí)間僅需 10 毫秒，僅為 8751/87C51 的擦除時(shí)間的百分之一 ,與8751/87C51 的 12V 電壓擦寫相比，不易損壞器件，沒有兩種電源的要求，改寫時(shí)不拔下芯片。 8 圖 32 AT89C51 單片機(jī) 40 引腳分布圖 AT89C51 芯片提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。 （ 3） AT89C51 引腳功能 AT89C51 單片機(jī) 40 引腳分布如右圖所示。它與 MCA51 系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒有的功能。只要程序長度小于 4K，四個(gè) I/O 口全部提供給用戶。工作電壓范圍寬（ ~6V），全靜態(tài)工作，工作頻率寬在 0Hz～ 24MHz 之間，比 8751/87C51 等 51 系列的 6MHz～ 12MHz 更具有靈活性 ,系統(tǒng)能快能慢。 P0 口是三態(tài)雙向口 ,通稱數(shù)據(jù)總線口 ,因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯ν獠看鎯ζ鞯淖x /寫操作。 表 32 DS18B20 引腳功能描述 序 號 名 稱 引腳功能描述 1 GND 地信 號 2 DQ 數(shù) 字輸入輸出引腳 ,開漏單總線接口引腳 ,當(dāng)使用寄生電源時(shí) ,可向電源提供電源 3 VDD 可 選擇 的 VDD引腳 ,當(dāng)工作于寄生電源時(shí) ,該引腳必須接地 DS18B20 與單片機(jī)接口電路 如圖 33 所示，為單片機(jī)與 DS18B20 的接口電路。 圖 33 DS18B20 與單片機(jī)接口電路 DS 18 B 20 單 片 機(jī)P 1 . 7VDDGNDDQ4 . 7 K表 31 P3 口的第二功能 10 溫度寄存器格式和溫度 /數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系 DS18B20 溫度寄存器 如 下 LS Byte 所示。當(dāng)寄存器高 5 位為 1 時(shí)，表示溫度為負(fù)，否則為正。如 MS Byte所示，是 DS18B20 的溫度與數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系。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?？偩€上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以字節(jié)為單 表 33 單總線通信協(xié)議 位。 溫度 輸出 (2 進(jìn)