智能儀器原理及設(shè)計(jì)剖析

1、智能儀器原理及設(shè)計(jì)報(bào)告專業(yè):學(xué)號(hào):姓名:目錄1.1 設(shè)計(jì)要求 3.1.2 設(shè)計(jì)過程 3.1.2.1 設(shè)計(jì)總體方案 3.1.2.2 器件的選擇 4.1.2.3 電路設(shè)計(jì) 7.1.2.4 軟件設(shè)計(jì) 9.1.3 總結(jié) 1.2.12基于單片機(jī)的溫度傳感器設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)室溫測(cè)量，并使用液晶屏顯示實(shí)時(shí)溫度1.2設(shè)計(jì)過程1.2.1設(shè)計(jì)總體方案根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選擇 DS18B20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片 機(jī)AT89C52為測(cè)控系統(tǒng)的核心來完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報(bào)警等功能。采用單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20測(cè)量溫度，直接輸出數(shù)字信號(hào)。便于 單片機(jī)處理及控制，節(jié)省硬件電路。且該芯片的

2、物理化學(xué)性很穩(wěn)定，此元件線形 性能好，在0100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于1攝氏度。DS18B20的最大特 點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì)DS18B20和微控制器AT89C52構(gòu)成的溫度裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)到微控制器。每只DS18B20具有一個(gè)獨(dú)有的不可修改的64位序列號(hào)，根據(jù)序列號(hào)可訪問不同的器件。這樣一條 總線上可掛接多個(gè)DS18B20傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量，輕松的組建傳感網(wǎng)絡(luò)。采用液晶顯示器件，液晶顯示平穩(wěn)、省電、美觀，更容易實(shí)現(xiàn)題目要求，對(duì) 后續(xù)的工藝兼容性高，只需將軟件作修改即可，可操作性強(qiáng)，也易于讀數(shù)。該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路如下：溫度傳感器DS18B20把所測(cè)

3、得的溫度發(fā)送到AT89C52單片機(jī)上，經(jīng)過單片機(jī)處理，將把溫度在顯示電路上顯示，本系統(tǒng)顯 示器液晶屏顯示實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)范圍-55攝氏度到125攝氏度。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，確定系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成：主控制器、測(cè)溫電路 和顯示電路。數(shù)字溫度計(jì)總體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示圖1數(shù)字溫度計(jì)總體電路結(jié)構(gòu)框圖1.2.2 器件的選擇1. 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20DS18B20 溫度傳感器是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智 能溫度傳感器， 與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比， 它能直接讀出被測(cè)溫度， 并 且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DSI8B20數(shù)字溫度計(jì)提供

4、9位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù)指示器件的溫度信息經(jīng)過單 線接口送 入 DSl8B20 或從 DSl8B20 送出因此從主機(jī) CPU 到 DSl8B20 僅需一條 線(和地線)DSI8B20的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源因?yàn)槊恳粋€(gè) DSI8B20 在出廠時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號(hào)因此任意多個(gè) DSI8B20 可以存放在同 一條單線總線上這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件 DSI8B20 的測(cè)量范 圍從-55到+125增量值為0.5可在I s(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。每一個(gè)DSI8B20包括一個(gè)唯一的64位長(zhǎng)的序號(hào)該序號(hào)值存放在 DSI8B20內(nèi) 部的ROM(只讀存貯器)中開始8位是產(chǎn)品類

5、型編碼(DSI8B20編碼均為10H)接著 的48位是每個(gè)器件唯一的序號(hào)最后 8位是前面56位的CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))碼 DSI8B20中還有用于貯 存測(cè)得的溫度值的兩個(gè)8位存貯器RAM，編號(hào)為0號(hào)和 1號(hào)。1號(hào)存貯器存放溫度值的符號(hào)如果溫度為負(fù)C),則1號(hào)存貯器8位全為1, 否則全為0。0號(hào)存貯器用于存放溫度值的補(bǔ)碼 LSB(最低位)的1表示0.5。 將存貯器中的二進(jìn)制數(shù)求補(bǔ),再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)并除以 2,就得到被測(cè)溫度值 (-55C 125C )，每只DS18B20都可以設(shè)置成兩種供電方式即數(shù)據(jù)總線供電方式 和外部供電方式。 采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導(dǎo)線, 但完成溫度測(cè)量的 時(shí)間較長(zhǎng)

6、；采取外部供電方式則多用一根導(dǎo)線,但測(cè)量速度較快。DS18B20 的性能特點(diǎn)如下：(1) 獨(dú)特的單線接口方式僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；(2) 多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；(3) 無需外部器件；(4) 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍： 3.05.5V；(5) 測(cè)溫范圍55C+ 125C，在-10+85C時(shí)精度為).5C；(6) 零待機(jī)功耗；(7) 溫度以 9 或 12 位數(shù)字量讀出；(8) 用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置；(9) 報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度(溫度報(bào)警條件)的器件；(10) 負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常

7、工作。DS18B20采用3腳PR 35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示，其測(cè)溫原理如圖 3 所示。圖2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖3 DS18B20測(cè)溫原理圖DS18B20的外部電源供電方式：如下面圖 4所示，在外部電源供電方式下， DS18B20工作電源由VDD引腳接入，其 VDD端用3V5.5V電源供電，此時(shí) I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在 總線上理論可以掛接任意多個(gè) DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。注意：在 外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取 的溫度總是85C。圖4外部電源供

8、電方式2. 單片機(jī)的選擇AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反 復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器 件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令 系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行 業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。AT89C52為8位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及 管腳排布上與通用的8XC52相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包 括對(duì)會(huì)聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚

9、 調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。 主要管腳有：XTAL1 （ 19腳）和XTAL2 （ 18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外 接12MHz晶振。RST/Vpd（9腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位 電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。 P0P3為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中， P0端口 （3239腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接， 13腳定義為IR輸入端，10腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接 N1 的SDAS （18腳）和SCLS （19腳）

10、端口，12腳、27腳及28腳定義為握手信 號(hào)功能端口，連接主板CPU的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀 態(tài)進(jìn)入的控制功能。PDIP封裝的AT89C52單片機(jī)管腳圖如圖5。T2/P1. 01T2EX;Pl.ll2PL 23Pl. 34Pl. 15Pl.56Pl.67PETsRST9RXD T3.010TXD/P3. 1 L11INT0 P3.2 L12IST1/PX 3 I13T0/P3. 414T1/P3.5 115TR/ P3. 616RD/P3M _L7XTAL2 |18XTAL1 1_19VSS L_20103938373635343332313029252726252423o

11、nw J21vccP0, 0 ADOP0. I/ADlP0. 2 AD2P6 3 AD3P0, I AD IP0. 5/AD5P0.6 AD6P0+7/AD7 EA ALE-PROCPSENP2. 7/A15P2. 6/A14P2” 5/ A13P2. L AI2P2. 3/A11P2,2/A10Pl 1/A9P2. 0/A8圖5 PDIP封裝的AT89C52單片機(jī)管腳圖3. 顯示器的選擇由于設(shè)計(jì)中要求同時(shí)顯示測(cè)試溫度、 溫度上限、溫度下限和開機(jī)時(shí)間，因此 顯示屏首先要能夠一次性容納這些字符。 工作電壓不能太高，與單片機(jī)的連接方 式需要簡(jiǎn)單，顯示準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)中采用的是 1602型LCD液晶屏能

12、夠很好的滿足 這些要求。此液晶屬于工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。LCD液晶顯示器是一種低壓、微功耗的顯示器件，只要23V就可以工作，工作電流僅為幾微安，是任何顯示器無法比擬的，同時(shí)可以顯示大量信息，除數(shù)字外，還可 以顯示文字、曲線，比傳統(tǒng)的數(shù)碼 LED顯示器顯示的界面有了質(zhì)的提高。在儀 表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。1602有很多優(yōu)點(diǎn)：(1) 顯示質(zhì)量高，由于液晶顯示器的每一個(gè)點(diǎn)收到信號(hào)后就一直保持那種 色彩和亮度恒定發(fā)光，因此液晶顯示器的畫質(zhì)高而且不會(huì)閃爍；(2) 數(shù)字式接口，液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單操作也 很方便；(3) 功率消耗小，相比而言

13、液晶顯示器的主要功耗在內(nèi)部電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其他器件要小很多；1.2.3電路設(shè)計(jì)1. 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖6所示SI10U1-uFR110K*301C2LXvccSW-PB30pfpm.pTEPLSpi7piPIS77Fpi9raTFP7M7?920P1.0VCCP1.1POOP1 2P0.1P1.3P0.2P1 4P0,3P1.5P0.4P1 6P0.5P1.7P0.6RST/VPDP0.7P3.0/RXDEAAAppP3.1ADCDALE/PROGP3 2/INT0PSENP3.3/INT1P2.7P3.4/T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.d/WRP2.4P3

14、.7/RDP2,3YTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0J3STC89C52vcc40 T39 POO bFpoi P02 P03 35P0434 P05 3TPoe P073D29 P27 P26 26P25 IFP24 P2323 P2222P21 厲20圖6單片機(jī)最小系統(tǒng)這部分為單片機(jī)復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。單片機(jī)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器 PC=OOOOH,即指向程序存儲(chǔ)器OOOOH單元，使CPU從首地址重新開始執(zhí)行程 序。產(chǎn)生單片機(jī)復(fù)位的條件是：在 RST引腳端出現(xiàn)滿足復(fù)位時(shí)間要求的高電平 狀態(tài)，該時(shí)間等于系統(tǒng)時(shí)鐘震蕩周期建立時(shí)間再加2個(gè)機(jī)器周期時(shí)間（一般不小于 10ms）。時(shí)鐘電路

15、通過單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接定時(shí)元件12M的晶振， 電容C1和C2 一般去3OpF左右，主要作用是幫助振蕩器起震。晶體振蕩頻率高， 則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也越高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就越快。2. 顯示電路設(shè)計(jì)LCD16O2顯示電路原理圖如圖7所示圖7LCD1602顯示電路此部分為L(zhǎng)CD1602顯示電路，通過10K可調(diào)電阻可以調(diào)節(jié)1602背光顯示圖8DS18B20接口電路單總線型DS18B20溫度傳感器采用一個(gè) DS18B20接一個(gè)I/O 口的形式，大 大簡(jiǎn)化了程序編寫難度，通過排針可外接電源供電。1.2.4軟件設(shè)計(jì)1.初始化子程序DS18B20初始化程序嚴(yán)格按照DS18B20的時(shí)序來編寫，

16、微處理器開始發(fā)送 一個(gè)復(fù)位脈沖（在480us960us之間），接著數(shù)據(jù)線釋放拉到高電平 1,如圖9 所示。圖9初始化子程序流程圖2. 溫度轉(zhuǎn)換由三片DS18B20是串接在不同的I/O,讀取溫度的子是程序獨(dú)立分開，但工 作原理一樣。以單個(gè)為例，首先調(diào)用DS18B20初始化子程序?qū)λM(jìn)行初始化，然后發(fā)跳 過匹配ROM命令，接著發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令完成溫度轉(zhuǎn)換，該命令主要是完成溫度 的A/D轉(zhuǎn)換，讀取溫度程序是在轉(zhuǎn)換結(jié)束后才能讀取當(dāng)前溫度值。其它兩片工 作原理一樣。工作流程圖如圖10。圖10溫度轉(zhuǎn)換流程圖3. DS18B20寫子程序當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)線從高邏輯電平拉低至邏輯電平時(shí)產(chǎn)生寫時(shí)間片， 有兩種類型 的寫

17、時(shí)間片，寫1時(shí)間片和寫0時(shí)間片，所有時(shí)間片必須有最短為 60微秒的持 續(xù)期。在各寫周期之間必須有最短為 1us的恢復(fù)時(shí)間。在I/O 口線高電平變?yōu)榈?電平后DS18B20在15us到60us之間對(duì)I/O采樣，如果是高電平則寫1,低電平 寫0。流程圖如圖11所示。開始*數(shù)據(jù)線DQ拉低從低位到高位發(fā)送數(shù)結(jié)束圖11寫子程序流程圖4. DS18B20讀子程序從DS18B20讀數(shù)據(jù)時(shí)單片機(jī)產(chǎn)生讀時(shí)間片，當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉到低電平時(shí)產(chǎn)生讀時(shí)間片，數(shù)據(jù)線必須保持在邏輯電平至少1微秒，來自DS18B20的輸出數(shù)據(jù)在讀時(shí)間段下降沿之后 15微秒有效，因此為了讀出從讀時(shí) 間段開始算起15微秒的狀態(tài)單片機(jī)必須停止把I/O引腳驅(qū)動(dòng)拉低至低電平，在 讀時(shí)間段結(jié)束時(shí)I/O引腳經(jīng)過外部的上拉電阻拉回至高電平，所有讀時(shí)間段的最 短持續(xù)周期限為60微秒，各個(gè)讀時(shí)間片之間必須有最短為 1微秒的恢復(fù)時(shí)間， 把主機(jī)采樣時(shí)間定在15微秒期間的末尾系統(tǒng)時(shí)序關(guān)系就有最大的余地。單片機(jī)從DS18B20中讀取數(shù)據(jù)是一位一位的讀的，沒讀完一位的數(shù)據(jù)到單 片機(jī)的特定