【正文】 成績等級 評閱教師評審意見： 評閱 教師簽名： 說明：評定成績分為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五個等級，實評總分 90— 100 分記為優(yōu)秀， 80— 89 分記為良好， 70— 79 分記為中等， 60— 69 分記為及格， 60 分以下記為不及格。該系統(tǒng)具有對溫度的實時檢測功能，實時日歷時鐘、溫度和時間數(shù)值的設定等功能。 本文首先對測溫技術、溫度控制技術的現(xiàn)狀進行了介紹，對各種控制理論、方案進行了簡單的分析與比較 ； 其次根據(jù)用戶提出的總體要求和技術指標，從工程應用的角度出發(fā)，以發(fā)面器為主要應用對象進行了硬件部分的設計和選型、軟件的設計與分析，且在實現(xiàn)中遵循了簡單、經(jīng)濟、實用的原則：然后詳細介紹了本系統(tǒng)所用各芯片的特點、工作原理、應用及其與 單片機間的通信協(xié)議。 【關鍵詞】 ：數(shù)字溫度計、單片機、溫度傳感器、單線技術。系統(tǒng)能夠隨時測量環(huán)境溫度并且顯示當前的溫度值，因此，研究和開發(fā)經(jīng)濟、實用的定時溫度測控系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義，也有著廣泛的應器上當前室溫的顯示等等。溫度采集與顯示系統(tǒng)在工業(yè)、民用、軍事等領域占有重要的地位，比如空調(diào)遙控，因此在不同的應用場合可設計不同的系統(tǒng)對溫度進行檢測和控制，如在普通的室內(nèi)溫度檢測中，可用一般的溫度傳感器，通過 AD 轉(zhuǎn)換之后，由數(shù)碼管直接顯示該室內(nèi)的溫度。而在要求精度很高的溫度控制中，顯然普通的溫度采集和顯示系統(tǒng)已不能滿足設計的需要。它以 AT89S52單片機為核心，實現(xiàn)對溫度信號的采集和顯示。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相 比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9~12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可在 55— +125℃的范圍內(nèi)測量溫度。因此同一條單總線上可以掛接多個 DS18B20，構成主從結(jié)構的多點測溫傳感器網(wǎng)絡。此系統(tǒng)具有結(jié)構簡單、價格低廉、易于操作及系統(tǒng)擴展、性價比高等特點。 本文第一章主要是對單片機概述，第二章是系統(tǒng)硬件電路的設計，第三章是系統(tǒng)軟件的設計。硬件方面日趨多樣化， 4 位、 8 位、 16 位、 32 位等型號共同并存，在不同的領域存在，如家電、玩具、工業(yè)設備、儀器、通訊等。速度、穩(wěn)定性特別要求的場合較多采用匯編語言和 C 語言。自單片機誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個機種。 單片機的品種繁多，按應用范圍分為通用型和專用型。通用型單片機有總線型和非總線型或者 8 位和 16 位之分， 總線型設有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線的引腳，便于擴展外圍器件。以下就單片機部分功能器件的應用舉例簡要說明。一些單片機控制系統(tǒng)要求在確定的時刻進行某種檢測與操作，有的控制系統(tǒng)要求在進行某種操作時記下進行操作的具體時間，例如現(xiàn)在各公司廣泛用的員工考勤打卡機，有些網(wǎng)頁的登陸同時記下用戶的登陸時間等。當然生產(chǎn)實時時鐘可以用軟件實現(xiàn)，但最方便的還是用時鐘芯片，常用的時鐘芯片又并行和串行兩種形式。它的定時時間固定不編，一旦定時時間到，就會產(chǎn)生中斷或產(chǎn)生溢出脈沖，使系統(tǒng)復位，為了不然系統(tǒng)復位，我們可以在運行的程序中，插入對看門狗定時器的清零指令，不時對它清零刷新。在許多單片機內(nèi)部就有看門狗電路。如果單片機內(nèi)部沒有看門狗電路，可以用片內(nèi)多余的定時器通過軟件自行構成。近年來，新型單片機內(nèi)的接口，無論從類型和數(shù)量上都有很大的發(fā)展單片機從功能到形態(tài)都有了飛速的發(fā)展。這不僅大大提高了單片機的功能，而且使系統(tǒng)的總體結(jié)構也大大簡化了。此外，里面還有一個時鐘電路，使單片機在進行運算和控制時， 都能有節(jié)奏地進行。按結(jié)構形式分，單片機 有兩種基本的結(jié)構形式：普林斯頓結(jié)構和哈佛結(jié)構。諾伊曼結(jié)構，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構。而哈佛結(jié)構是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構。程序指令存儲和 數(shù)據(jù)存儲分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，目前較多的單片機采用改進的哈佛結(jié)構，如 Microchip 公司的 PIC16 芯片的程序指令是 14 位寬度，而數(shù)據(jù)是 8 位寬度。三核是：數(shù)據(jù)和程序存儲器核，控制器和 DSP 核和外圍用戶專用電路 ASIC。 單片機按其內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，可分為 4 位、 8 位、 1 6 位、 3 2 位及 6 4 位。就單片機本身來說，除了 4 位機和 8 位機仍保持巨大的領域之外， 各種新型高性能的機型也在迅速發(fā)展。 Intel 的 51 系列在市場上占有相當大的比例。 51 系列的優(yōu)點諸多，它有完整的按位操作系統(tǒng)，除能進行傳送，置位，清零，測試等操作，還能進行位邏輯操作。 I/O 腳的設置簡單，使用方便。在 51 單片機系列中，隨著制造工藝的飛速發(fā)展，越來越多新型單片機出現(xiàn)。 ISP功能實現(xiàn)在系統(tǒng)可編程功能。未定型的程序還可以邊生產(chǎn)邊完善，加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度，減少了新產(chǎn)品因軟件缺陷帶來的風險。它取消機器周期以，時鐘周期為指令周期，實行作業(yè)。而單周期既可執(zhí)行本指令功能，同時完成下一條指令的讀取。 AVR 系列沒有類似累加器 A 的結(jié)構，它主要是通過 R16～ R31 寄存器來實現(xiàn) A 的功能。在 51 系列中，所有的邏輯運算都必須在 A 中進行；而 AVR 卻可以在任兩個寄存器之間進行，省去了不少麻煩，這些比 51 系列強。 CPU 采用 RISC 結(jié)構，分別有 3 3 58 條指令 (視單片機的級別而定 )，屬精簡指令集。此外，它還具有低工作電壓、低功耗、驅(qū)動能力強等特點。其中又以中級的 PIC16F873(A)、PIC16F877(A)用的最多。 I/O 腳增加了用于設置輸入或輸出狀態(tài)的方向寄存器，從而解決了 51 系列 I/O 腳 4 為高電平時同為輸入和輸出的狀態(tài)。具有在線調(diào)試及編程 (ISP)功能。最初的單片機，片內(nèi)只有并行輸入 /輸出接口、定時器 /計數(shù)器，它們的功能較弱，實際應用中往往需要通過特殊的接口擴展功能，從而也增加了應用系統(tǒng)結(jié)構的復雜性 。電源部分采用 220V 交流電經(jīng)變壓、濾波、穩(wěn)壓后得到 5V電壓供系統(tǒng)使用?？傮w框圖見圖 1 所示。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接 溫度傳感器 DS18B20 時鐘電路 AT89S52 單片機 顯示輸出 電 源 6 讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9~12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 圖 2 DS18B20 外部形狀及管腳圖 DS18B20 的性能特點 （ 1）獨特的單線接口，既可通過串行口線，也可通過其它 I/O 口線與微機接口，無需變換其它電路，直接輸出被 測溫度值。 （ 3）不需要外部元件。 （ 5）不需備份電源。 ~+125℃，固有測溫分辨率為 ℃。 （ 8）用戶可定義非易失性的溫度告警設置。 （ 10）應用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費類產(chǎn)品、溫度計或任何熱敏系統(tǒng)。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 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)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(chǎn)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 3 DS18B20 測溫原理 單片機控制模塊的設計 單片機型號的選擇 隨著計算機技術的發(fā)展，單片機因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點而在許多領域，如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡技術等方面得到廣泛應用，從而使這些領域的技術水平、自動化程度大大提高。而國內(nèi)目前仍然是以 Intel的 MCS48， MCS51， MCS96 為主流系列。 MCS51(8 位機 )系列單片機的型號有 8031， 8051， 8751， 8032， 8052， 80C31， 80C32， 80C52 等。其中最為著名的當數(shù) INTEL 公司生產(chǎn)的 MCS51 系列單片機 [1]。根據(jù)上述及本課題的實際情況，發(fā)酵溫度系統(tǒng)是一個時滯性較大的系統(tǒng)，對控制時間精度要求不需要很高，所以單片機不需采用高速的輸出、輸入口， 51 系列單片機在時間精度方面可以滿足要求。 基于以上原因，本文在眾多的單片機類型中選取 ATmel 公司的 AT89 系列單片機AT89S52 和 AT89C2051 分別實現(xiàn)發(fā)面器、菜窖和保健墊溫度控制。芯片內(nèi)部帶有 8K 快速擦寫程序存儲器 (可擦寫次數(shù)可達 1000 次 )；運算速度快頻率可達 33 兆赫茲； 32 位 110 口總線：三個 16 位的定時 1 計數(shù)器。同時該芯片還具有 PDIP， TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。而且，從經(jīng)濟性的角度來看， AT89S52 不但硬件結(jié)構簡單，而且價格低、功能強、性價比高，符合我國工業(yè)設計制造的要求 [2]。 單片機的時鐘電路利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在 XTALI， XTAL2 的引腳上外接定時元件內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩，定時元件可以采用石英晶體 和電容組成的并聯(lián)諧振電路，其連接方法如圖 4 所示。電容通常在 20pF6OpF 之間選擇，通常為 30pF 左右，本電路選 30pF，電容器 C1 和 C2 的大小對振蕩頻率有微小影響，可起頻率微調(diào)作用。 顯示電路的設計 在單片機系統(tǒng)設計中， LED 顯示方式由于亮度高、顯示醒目、使用壽命長、方便、價格低廉等優(yōu)點在工業(yè)用儀器儀表中得到廣泛 應用。采用串行顯示方式則只需占用 2 至 3 根口線，節(jié)約單片機大量的 1/O 線，且使用效果很好。單片機通過 LED 驅(qū)動電路送顯示值到數(shù)碼管，通過譯碼選擇某個數(shù)碼管顯示溫度值的某一位，可以動態(tài)循環(huán)掃描、軟件實現(xiàn)方式顯示設定值，動態(tài)顯示的掃描頻率一般在 50Hz 以上，每個數(shù) 10 碼管能有 lms 的導通時間，則肉眼感覺不到閃爍。具體電路如圖 5 所示。單片機可通過智能驅(qū)動芯片MAX7219 來控制 LED 以便對溫度、時鐘日歷的實時顯示。 MAX7219 應連接共陰極數(shù)碼管。段驅(qū)動電流可通過 V+管腳和 ISET 管腳之間所接的外部電阻 RSET 來控制， RSET 電阻越大段電流越小。為了減少外界的干擾，應在 MAX7219V 十管腳和 GND 管腳 之間加上一個 11 的滌綸電容和一個 470UF 的電解電容。本文采用動態(tài)顯示，其優(yōu)點為： (1)能降低顯示器的功耗。 LED 動態(tài)顯示原理：本文將位選碼和段選碼通過 MAX7219 傳送，位選碼和段選碼通過串行口送到 MAX7219，再利用MAX7219 的串入并出特性送到數(shù)碼管進行顯示。因此同一時刻如果各個數(shù)碼管的位選線都處于選通狀態(tài)的話，8 位 LED 將顯示相同字符。即在某一時刻只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)而其它各位的位選線處于關閉狀態(tài) .同時段選線上輸出相應位要顯示字符的代碼這樣同一時刻 8 位 LED 中只有選通的那一位顯示出字符，而其它位則是熄滅的。顯然，這些字符是在不同時刻出現(xiàn)的，而且同一時刻只有一位顯示其它各位熄滅，但由于各位數(shù)碼管的通斷時間是非常短的，且人眼有視覺暫留現(xiàn)象，只要每位顯示間隔足夠短則可造成多位同時亮的假象達到顯示的目的 。系統(tǒng)運行首先向MAX7219 芯片的控制寄存器傳輸控制字，并對 16 位數(shù)字寄存器進行初始化。 MAX7219 簡介 常用的專用數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路有 8279 和 MAX7219，前者因近年來停產(chǎn)而很少人使 用；后者因使用方便靈活，連線簡單，不占用數(shù)據(jù)存儲器 空間，使用的人則越來越多。值得一提的是，當工作于關閉 (SHUTDOWN)方式時，不僅單片機仍可對其傳送數(shù)據(jù)和修改控制方式，而且芯片耗電僅 為 150UA。 MAX7219 芯片上包括 BCD 譯碼器、多位掃描電路、段驅(qū)動器、位驅(qū)動器和用于存放每個數(shù)據(jù)位的 8x8 靜態(tài) RAM 以及數(shù)個工作寄存器。 MAX7219 的 DIN 為串行數(shù)據(jù)輸入端。其最大工作頻率可達 l0MHZ； CS 為片選端，當區(qū)為低電平時，芯片接收來自 DIN 的數(shù)據(jù)，接收完畢，區(qū)回到高電平時，接收的數(shù)據(jù)將被鎖定； 12 DIG0DIG7 為吸收顯示器共陰極電流的位驅(qū)動線。 MAX7219 內(nèi)部寄存器和工作模式 對 MAX7219 的控制操作很方便 ，其片內(nèi)具有 8 個數(shù)據(jù)寄存器和 6 個控制寄存器，數(shù)據(jù)寄存器存放預顯示的數(shù)碼值，控制寄存器決定 LED 的工作方式。操作者只需編程發(fā)送16 位數(shù)據(jù)包，就能簡單地操作 LED 的位選以及段選，設置和改變 MAX7219 的工作模式。任選，本課題選 0。 MAX7219 的驅(qū)動程序首先必須對 5 個控制寄存器初始設置即初始化，各控制寄存器設置含義如下： (1)譯碼模式選擇寄存器 (地址 =F9H)：共有 4 種譯碼模式供選擇，當數(shù)據(jù)位全 1 時選“譯 碼方式”。 (2)亮度調(diào)節(jié)寄存器：地址 =XAH；共有 16 級選擇，用于 LED 顯示亮度的 強弱設置。31/32 對應 16 進制碼為 XF， 1/32 對應 16 進制碼為 X0。 (4)顯示測試寄存器：地址 =XFH；有兩種選擇用于設置是測試狀態(tài)還是正常操作狀態(tài)：當在