新型計算機(jī)溫度采集系統(tǒng)

1、課 程 設(shè) 計摘 要本文設(shè)計了一種實(shí)用新型計算機(jī)溫度采集系統(tǒng)，采用DS18B20作溫度傳感器。該系統(tǒng)原理簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，適用于需要單點(diǎn)測溫的場合，廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ钪?，并顯示出了經(jīng)濟(jì)、可靠的優(yōu)越性。本文對系統(tǒng)中的各個組成部分的原理、功能、線路圖、芯片的功能作了一個詳細(xì)的介紹，測量誤差符合系統(tǒng)所規(guī)定的要求。關(guān)鍵詞: 溫度測量 傳感器 Abstract This paper proposes a new practical temperature collecting computer system. The system uses DS18B20 as temperature se

2、nsor, the system has simple principle, compact construction, cheap. It can be applied to multi-nodes temperature measurement, which is extensively applied to produce in daily life, and it is showed economy superiority and reliability. This text introduces the systems principle, function, circuits di

3、agram and the chips functions in detail. The measure error is within the prescribed toleration.Key words: Temperature measure Sensor 目 錄第1章 方案論證 51.1 傳感器選擇 6 第2章 硬件電路的設(shè)計 72.1 復(fù)位電路設(shè)計 72.2 時鐘電路設(shè)計 8 2.3 溫度采集電路設(shè)計 9 2.3.1 DS18B20傳感器的測溫原理9 2.3.2 溫度采集電路設(shè)計 92.4 電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 102.5 顯示電路的設(shè)計 112.6 加熱電路的設(shè)計122.7人機(jī)界面

4、設(shè)計 13第3章 軟件電路設(shè)計 14 3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計 14 3.2 人機(jī)界面程序設(shè)計 15 3.2.1 文本顯示程序設(shè)計 15 3.2.2 圖片顯示程序設(shè)計 15第4章 結(jié)論 164.1 收獲與體會 16參考文獻(xiàn) 17附錄 1 元器件清單 182 模塊子程序 193 電路原理圖26第 1 章 方案論證溫度采集在現(xiàn)實(shí)生活中有著非常重要的地位。以往傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且精度差，單片機(jī)的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好解決。本系統(tǒng)主要由四部分組成，獨(dú)立按鍵部分（用于設(shè)定溫度值）、信號采集數(shù)據(jù)處理部分、顯示部分和石英加熱管控制部分。該系統(tǒng)還充分利用了CMOS單片機(jī)8

5、051的軟件資源。其軟件主要包括主程序模塊、顯示模塊、讀取鍵盤模塊、加熱管控制模塊等子程序模塊所組成。各個模塊都必不可少。通過軟件間的配合，既節(jié)省了許多硬件資源，減小了開支，又減少了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)干擾，提高了測量精度，使設(shè)計更加實(shí)用。 DS18B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為±0.5°C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價格比也非常出色！。 繼“一線總線”的早期產(chǎn)品后，DS1820開辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念。DS18B20使電壓、特性及封裝

6、有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測溫系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：LED顯示單片機(jī)溫度傳感器石英加熱管控制電路獨(dú)立按 鍵圖 1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 1.1 傳感器的選擇 DS18B20 “一線總線”數(shù)字化溫度傳感器是DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器， 同DS1820一樣，DS18B20也 支持“一線總線”接口，測量溫度范圍-55°C+125°C，在-10+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C。DS1822的精度較差為± 2°C ?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)

7、場溫度測量，與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。DS18B20的主要特點(diǎn)：全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。 最高12位分辨率，精度可達(dá)土0.5攝氏度。 12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。 可選擇寄生工作方式。 檢測溫度范圍為55°C +125°C (67°F +257°F) 內(nèi)置EEPROM，限溫報警功能。 64位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機(jī)掛接。 多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng) DS18B20的外形及管腳排列:DS18B20外形及大小與一般晶體三極管

8、相當(dāng)，有三個引出端其管腳排列見圖2.7： 1 GND 電源地 2DQ 數(shù)據(jù)線 3 VDD 電源電壓 圖 2.7 DS18B20管腳排列基于以上優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用DS18B20作為溫度傳感器。 第2章 硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)由溫度信號檢測部分、獨(dú)立按鍵部分、譯碼顯示和石英加熱管控制部分組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附錄原理圖。2.1 復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只需給8051的復(fù)位引腳RST加上大于2個機(jī)器周期（即24個時鐘振蕩周期）的高電平就可得8051復(fù)位，復(fù)位時，PC初始化為0000H，使8051從OUT單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤而使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，

9、為擺脫死鎖狀態(tài)，也需按復(fù)位鍵使得RST腳為高電平，使8051重新啟動。在系統(tǒng)中，有時會出現(xiàn)顯示不正常，也為了調(diào)試方便，我們需要設(shè)計一個復(fù)位電路，在系統(tǒng)中，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時用戶的按鍵復(fù)位功能。復(fù)位電路可由簡單的RC電路構(gòu)成，也可使用其它的相對復(fù)雜，但功能更完善的電路。本系統(tǒng)采用的電路如圖2.5所示。工作原理是：上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET保持10ms以上高電平，就能使單片機(jī)有效的復(fù)位。，C取10F，R取10K。按鍵復(fù)位電路，在按下復(fù)位鍵瞬間C與R構(gòu)成充電電路，RESET端的電位與Vcc相同，隨著充電電流的減少，RESET的電位逐漸

10、下降。 圖 2.5 復(fù)位電路圖中 RC時間常數(shù)越大，上電時RESET端保持高電平的時間越長，圖中這組參數(shù)足以保證復(fù)位操作。2.2 時鐘電路設(shè)計 時鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性。本次時鐘電路如下圖所示。圖2.6 時鐘電路部分原理圖 單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2這兩個引腳跨接在石英晶體振蕩器和微調(diào)電路，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇30pF

11、左右，該電容大小會影響振蕩器頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振的振蕩器頻率的范圍通常在1.212MHz之間，晶體的頻率越高，則系統(tǒng)得時鐘頻率也就變高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。但反過來運(yùn)行速度快，對存儲器的速度要求就高。對印刷電路板的工藝要求也高，即要求淺間的寄生電容要??；晶體和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生生活，更好的保證振蕩器穩(wěn)定，可靠地工作。2.3 溫度采集電路設(shè)計 溫度采集電路的設(shè)計是用溫度傳感器DS18B20 。2.3.1 DS18B20傳感器的測溫原理表2.2 溫度和數(shù)據(jù)的關(guān)系溫 度數(shù)字量輸出(二進(jìn)制)數(shù)字量輸出（十六進(jìn)制）+125°C0000

12、 0111 1101 000007D0h+85°C0000 0101 0101 00000550h*+25.0625°C0000 0001 1001 00010191h+10.125°C0000 0000 1010 001000A2h+0.5°C0000 0000 0000 10000008h0°C0000 0000 0000 00000000h-0.5°C1111 1111 1111 1000FFF8h-10.125°C1111 1111 0101 1110FF5Eh-25.0625°C1111 1110 011

13、0 1111FF6Fh-55°C1111 1100 1001 0000FC90h2.3.2 溫度采集電路設(shè)計 溫度采集電路如圖2.9示：DS18B20只需要接到控制器（單片機(jī)）的一個I/O口上，由于單總線為開漏所以需要外接一個4.7K的上拉電阻。如要采用寄生工作方式，只要將VDD電源引腳與單總線并聯(lián)即可。圖2.9 溫度采集電路2.4電平轉(zhuǎn)換電路TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換電路由max232芯片和四個104的瓷片電容組成。電平轉(zhuǎn)換電路的作用是完成程序的下載及串口通信的功能，其電路圖如下圖所示：圖3.0 電平轉(zhuǎn)換電路2.5顯示電路設(shè)計 在單片機(jī)系統(tǒng)中，常常用數(shù)碼管做顯示器，一般的顯示

14、器為4位或8位。本系統(tǒng)使用數(shù)碼管顯示溫度值，因此需要四位數(shù)碼管。本設(shè)計中采用的是4位數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，共陰極數(shù)碼管用9012三極管驅(qū)動。數(shù)碼管管腳圖及其七段LED碼如下所示： 圖2.14 數(shù)碼管管腳圖 表2.6 七段LED段碼顯示字符共陰極段碼顯示字符共陰極段碼0A0H52CH1BBH624H262H7BAH32AH820H439H938H具體連接參看下圖：圖2.15 顯示電路2.6加熱電路設(shè)計加熱電路主要由光耦MOC3061和雙向可控硅（晶閘管）BT137組成，還有相應(yīng)的過流保護(hù)（熔斷器）電路。光耦起著隔離的作用及控制晶閘管的門極，雙向可控硅主要用于變頻電路、電動工具開關(guān)、調(diào)溫電路、洗衣機(jī)

15、、空調(diào)等，其可承受600V的峰值電壓、8A的通態(tài)平均電流和80A的通態(tài)不重復(fù)浪涌電流，所以在這個系統(tǒng)中選用BT137是合適的。整個加熱電路采用低電平驅(qū)動。其硬件電路如下圖所示：圖2.16 加熱電路2.7人機(jī)界面設(shè)計人機(jī)界面選用北京迪文公司的M600型人機(jī)界面，該型號的人際界面采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串口通信，硬件電路相對簡單。其硬件連線方式如下圖所示:圖2.17 人機(jī)界面第3章 軟件設(shè)計系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制單元，在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計完成后，還要軟件才可以正常工作，系統(tǒng)性能的好壞，很大程度上取決于軟件設(shè)計。 3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計開始 初始化DS18B20 跳過讀序號列號的操作啟動溫度轉(zhuǎn)延 時初

16、始化DS18B20跳過讀序號列號的操作讀取溫度寄存器（連續(xù)讀兩次）數(shù) 據(jù) 處 理結(jié) 束 圖3.1 數(shù)據(jù)采集程序流程圖3.2人機(jī)界面程序設(shè)計本次設(shè)計使用的是北京迪文公司的M600型人機(jī)界面。此型號的人機(jī)界面的功能很多，如文本顯示、圖片/圖標(biāo)顯示、動畫支持等。在本次設(shè)計中用到了其中的文本顯示和圖片顯示功能，下面就這兩個功能的程序?qū)崿F(xiàn)做一下說明。3.2.1顯示指令說明TX：AA <CMD> <X> <Y> <String> CC 33 C3 3C說明：<CMD>0x53:顯示8*8點(diǎn)陣的ACII字符串；0x54：顯示16*16點(diǎn)陣的擴(kuò)展碼漢

17、字字符串；0x55：顯示32*32點(diǎn)陣的內(nèi)碼好漢字字符串； <X> <Y> 顯示字符串的起始位置； <String> 要顯示的字符串，漢字采用GB2312或GBK編碼。舉例：AA 55 00 80 00 30 48 6F 77 20 61 72 65 20 79 6F 75 20 3F CC 33 C3 3C從（128,48）位置開始顯示字符串“How are you?”。3.2.2圖片顯示指令說明TX:AA 0x70 PIC_ID CC 33 C3 3C說明：0x70:顯示保存在終端中的一幅全屏圖像； PIC_ID:保存在HMI FLASH存儲器的圖片索引ID;舉例：AA 70 00 CC 33 C3 3C 顯示保存在HMI中的第0幅圖片。第4章 結(jié) 論5.1 收獲與