數(shù)字式溫度控制儀設(shè)計(jì)

1、四 川 理 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文說 明 書 題 系 目:別:數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì) 電子與信息工程 系 電氣工程及其自動化 XXXXX XXXXX 電氣教研室 專業(yè)班級:學(xué)生姓名:指導(dǎo)教師:教 研 室:提交時 間:2007 年 6 月 22 日 數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì) 摘 要 單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一 次新的技術(shù)革命, 自動 化、智能化均離不開單片機(jī)的應(yīng)用。單片機(jī)由于其微小的體積和極低的成本,廣 泛的 應(yīng)用于家用電器、工業(yè)控制等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中,電流、電壓、溫度、 壓力和流量也都是常用的被控參數(shù)。 本論文介紹了基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)的過

2、程。 本 系統(tǒng)由 DALLAS 出品的新型單路 串行數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 完成溫度測量; 采用 AT89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片,完成溫度值接 收、轉(zhuǎn)換、分析、判斷 閾值、 輸出功能、 報(bào)警處理。 整個系統(tǒng)具有集成度高、 可靠性強(qiáng)、 抗干擾性強(qiáng) (串 行通信特點(diǎn) 、魯棒性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、體積小、功耗低等特點(diǎn)。具有測溫、上 限報(bào)警、下限報(bào)警、溫度控制 及顯示功能 。 關(guān)鍵詞:DS18B20 關(guān)鍵詞 單片機(jī) 顯示 報(bào)警 -I- 四川理工學(xué)院本 科畢業(yè)(設(shè)計(jì) 論文 ABSTRA CT The development and application of MCU (Micro Co

3、ntrol Unit have made a great change in many fields of modern industrial detection and control. Because of the small scale, low price and high efficiency of MCU, it is widely used in home appliances and industrial control. In the process of producing、 current 、 voltage 、 temperature and pressure are

4、usually the parameters to be monitored. This paper mainly includes the introduction of AT89C51 and the general chips w hich are used in the system, the design of hardw are and softw are. In the system, One wire digital thermometer, DS18B20, is used to measure temperature and output the temperatur e

5、signal into AT89C51, then AT89C51 fulfill the functions, such as receiving the temperature signal, conversion, judge the threshold and alar m. The w hole system has many features, high integr ation, strong reliability, anti-jamming(the char acter of serial communication, robust, expansibility and lo

6、w pow er consumption. This system can measure temperature, display it and alarm when temperature over upper limit or low er limit, in the mean while, AT89C51 output signal to trigger the equipment which can regulate temperature. Keyw ords: DS18B20 singlechip display alarm - - 數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì)目 錄摘要.ABSTRA

7、CT. 第 1 章 概述 .1第 2 章 任務(wù)與要求 .2第 3 章 方案設(shè)計(jì) .3第 4 章 單片機(jī) AT89C51 的結(jié)構(gòu)和原理 .54.1 AT89C51 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) .54.2 引腳功能說明 .64.3 AT89C51 存儲器 . .94.4 復(fù)位及其復(fù)位電路 .11第 5 章 DS18B20 智能溫度控制器的介紹 .125.1 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) .135.2 DS18B20 溫度傳感器的存儲器 .165.3 DS18B20 的操作命令 .175.4 DS18B20 的測溫原理 .195.5 DS18B20 使用中注意事項(xiàng) .20第 6 章 溫度控制儀的硬件設(shè)計(jì) .216.

8、1 硬件結(jié)構(gòu)框圖 .216.2 Pr otel99 設(shè)計(jì)原理圖 .226.3 各部件電路介紹 .25第 7 章 溫度控制儀的軟件設(shè)計(jì) .287.1 程序模塊設(shè)計(jì) .287.2 軟件流程圖 .29第 8 章 硬件電路板的制作步驟 .33第 9 章 結(jié)束語 .35謝辭 .37參考文獻(xiàn) .38附錄 .39數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì)第 1 章 概述 電子技術(shù)的飛速發(fā)展,給人類生活帶來了根本的變革,特別是隨著大規(guī)模集 成電路的產(chǎn)生而出現(xiàn) 的微型計(jì)算機(jī),更是將人類社會帶入了一個新的時代。利用 微機(jī)的強(qiáng)大功能,人們可以完成各種各樣的控制。 然而,微機(jī)的造價高,對于大 多數(shù)的工業(yè)控制來說, 并不需要微機(jī)那樣強(qiáng)大的功

9、能, 于是單片機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生 了。 單片機(jī)其實(shí)是一個簡化的微機(jī),將微機(jī)的 CPU 、存儲器、 I/O 接口、定時器 /計(jì)數(shù) 器等集成在一片芯片上 就是單片機(jī),它主要用來完成各種控制功能。相對微機(jī)來 說,單片機(jī)價格低,非常適合于應(yīng)用在簡單的控制場 合以降低成本。另外,單片 機(jī)是按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的, 其可靠性很高, 可在工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)行。 單片機(jī)依靠其高的可靠性和極高的性價比, 在工業(yè)控制、 數(shù)據(jù)采集、 智能化儀表、 家用電器等方面得到極為 廣泛的應(yīng)用。 在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì), 工程建設(shè)及日常生活中基于單片機(jī)的溫度控制儀都起著重 要的作用,早期的 溫度控制儀主要用于工廠生產(chǎn)中,起到實(shí)時采集溫度

10、數(shù)據(jù),提 高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量之用。隨著人們生活質(zhì)量 的提高,現(xiàn)代社會中的溫度控制 儀不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面也應(yīng)用于酒店,以及家庭生活中。如高精度的生產(chǎn) 廠 房,對溫度的要求極其嚴(yán)格,溫度的變化極有可能對生產(chǎn)的產(chǎn)品造成極大的影響 1 。因此,這就需要一種 能夠及時檢測溫度變化以及顯示溫度變化的設(shè)備,提供 溫度數(shù)據(jù)值,使人們對溫度的變化做及時的調(diào)整,溫度 控制儀就可根據(jù)人們不同 的應(yīng)用環(huán)境自行設(shè)置該環(huán)境的溫度值,及時的反映生產(chǎn)、生活中溫度的變化,使 人們 能及時看到溫度變化的第一手資料,提示人們溫度變化的情況,協(xié)助人們能 及時的調(diào)整,起到溫度報(bào)警作用, 使溫度控制儀更好的服務(wù)于社會生產(chǎn)、生活。

11、-1-四川理工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)論文第 2 章 任務(wù)與要求 一、設(shè)計(jì)任務(wù) 以溫度傳感器作為系統(tǒng)的檢測元件,采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片,完 成 溫度值接受、轉(zhuǎn)換、分析、判斷閥值、信號輸出、報(bào)警處理。整個系統(tǒng)具有測量 溫度、上限報(bào)警、下限報(bào)警、 溫度控制及數(shù)碼顯示功能。不須設(shè)計(jì)具體的加熱及 降溫電路,只需檢測向外圍設(shè)備輸出的溫度控制信號是否存 在即可。 二、 主要內(nèi)容及基本要求 1 利用溫度傳感器檢測溫度,將非電信號轉(zhuǎn)換成電信號; 2 利用單片 機(jī)收集處理數(shù)據(jù),并向外圍設(shè)備輸出控制信號; 3 采用 LED 實(shí)時顯示被控溫度及設(shè)定溫度; 4 論文條理 清楚、通順,論述要求充實(shí),符合技術(shù)用語要求,符

12、號統(tǒng)一; 編號齊全,書寫工整,圖文清晰; 5 翻譯相關(guān) 外文文獻(xiàn)。 -2-數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì) 第 3 章 方案設(shè)計(jì) 數(shù)顯溫度控制儀,是利用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器,根據(jù)溫度傳 感器測得 的溫度值,由軟件查詢判斷上下閥值是否達(dá)到(閥值由編程設(shè)定 。如果超過溫 度上限,啟動風(fēng)扇 用以降低溫度使溫度值返回到閥值以下;如果溫度值達(dá)到下限 閥值,則啟動加熱爐用以增加溫度使溫度值返回 閥值以上。風(fēng)扇和加熱爐的啟動 與關(guān)閉,利用單片機(jī)管腳電平的高低分別控制。 考慮到本次數(shù)顯溫度控制儀的 控制對象是室溫, 溫度檢測和調(diào)整范圍只需為 0 99,溫度控制的精度只需為 1即可滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù) 這些指標(biāo)可選用 數(shù)

13、字式溫度傳感器 DS18B20 作為系統(tǒng)的檢測元件,單片機(jī)則選擇通用性較好的 AT89C51 作 為系統(tǒng)的主控芯片,再增加 LED 數(shù)碼管顯示電路、加熱及降溫電路、 過溫報(bào)警等輔助電路,通過軟件程序設(shè) 計(jì)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話功能,即可實(shí)現(xiàn)對室內(nèi) 的溫度控制。而本設(shè)計(jì)不須設(shè)計(jì)具體的加熱及降溫電路,只需檢測向 外圍設(shè)備輸 出的溫度控制信號是否存在即可,所以分別用發(fā)光二極管和蜂鳴器模擬代替。 根據(jù)系統(tǒng)要求,可以 對每一個具體部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。整個控制系統(tǒng)分為硬 件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩部分。 分析硬件電路主要 包括:電源電路部分, 鍵盤輸入部分, 溫度采集電路部分, 過溫報(bào)警電路部分, LED 顯示電路

14、部分,加熱 及降溫電路部分, AT89C51 單片機(jī) 部分。 這些可用一個方框圖來表示, 如圖 1-1 所示。 溫度采集電路 LED 顯 示 89 51 單 片 機(jī) 鍵 盤 加熱及降溫 電路 過溫報(bào)警電路 電源電路 圖 1.1 溫度控制系統(tǒng)方框圖 -3-四川理工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)論文 從方框圖上我們可以看出,整個系統(tǒng)主要劃分為控制電路部分、加熱及降 溫 電路部分和測量電路三個部分。控制電路是由單片機(jī)來處理給定信號和反饋信 號,發(fā)出相應(yīng)的指令來控制相 關(guān)執(zhí)行電路,是系統(tǒng)的核心。 AT89C51 對溫度的控 制是通過加熱及降溫電路部分實(shí)現(xiàn)的, 只要改變加熱或者 降溫電路接通的時間便 可改變升溫或者

15、降溫的幅度,從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。而加熱電路或者降溫電 路的接 通時間可以通過在 P 10 和 P 12 引腳上產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖控制, 該出發(fā)脈沖由 AT89C51 用軟件產(chǎn)生。 加熱及降 溫電路用來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的升溫或者降溫。當(dāng)溫度 沒有達(dá)到要求, 電路利用在 P10 和 P12 引腳上產(chǎn)生觸發(fā)脈 沖的高低分別決定加熱 或者降溫電路的接通與斷開。 不過此次設(shè)計(jì)中沒有對加熱和降溫的具體電路作出 要求, 我們就用蜂鳴器和發(fā)光二極管分別代替,檢測其控制輸出信號是否存在即 可。測量電路的功能是將測量到的溫 度信號送入單片機(jī)中進(jìn)行處理, 它的核心元 件是智能溫度傳感器 DS18B20。 與傳統(tǒng)的熱敏電阻

16、相比, DS18B20 不需要 A/D 轉(zhuǎn) 換器件和進(jìn)行誤差校正,而且分辨率更高,轉(zhuǎn)換時間更快,穩(wěn)定性更好。 軟件程序主要由管理 程序和控制程序組成,是設(shè)計(jì)的核心部分。其中管理 程序是對顯示 LED 進(jìn)行動態(tài)刷新,控制指示燈,處理鍵 盤的掃和響應(yīng),執(zhí)行中斷 服務(wù)程序等?？刂瞥绦蚴怯脕韺Ρ豢氐膶ο筮M(jìn)行采樣,數(shù)據(jù)處理,根據(jù)溫度控制 要求 進(jìn)行計(jì)算和輸出。 整篇論文的主要內(nèi)容包括:單片機(jī) AT89C51 的結(jié)構(gòu)和原理、 DS18B20 智能溫 度控制器的 介紹、 溫度控制儀的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)、 硬件電路板的制作步驟等。 -4- 數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì) 第 4 章 單 片機(jī) AT89C51 的結(jié)構(gòu)和原

17、理 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM Falsh P r ogrammable and Erasable Read Only Memory的低電壓、高性能 CMOS8 位微 處理器,俗稱單片機(jī)。該 器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由 于將多功能 8 位 CPU 和閃 爍存 儲 器組合在單個 芯片中, ATMEL 的 AT89C51 是 一種高效微控 制器, AT89C51 單片 機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 2 。 本章通過介紹 AT89C51 單 片

18、機(jī)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)、引腳功能、儲存器和其復(fù)位電 路等基礎(chǔ)知識,使大家對 89 系列單片機(jī)的各種應(yīng)用特性有 較全面的了解, 進(jìn)一 步理解本設(shè)計(jì)的原理。 4.1 AT89C51 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) AT89 系列單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上基本相同, 只是在個別模塊和功能上有些區(qū)別, 圖 4.1 是 AT89C51 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖。 它包含了作為微型計(jì)算 機(jī)所需的基 本功能部件, 而各部分功能部件通過片內(nèi)單一總線連成一個整體, 集成在一塊芯 片上。 時鐘電路 程 序存儲 器 RA M 數(shù)據(jù) 存儲 器 RA M 中央 處理 器 CPU 中斷系 統(tǒng) 各種 I/O 定時 /計(jì)數(shù) 器 CTC 圖 4.1 AT89C51

19、單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 由圖 4.1 可知, AT89C51 單片機(jī)主要由中央處理器 (CPU 、 存儲器、 I/O 端 口、 定時器 /計(jì)數(shù)器、 中斷系統(tǒng)和內(nèi)部總線等組成。 主要特性有:-5- 四川理工學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計(jì) 論文 ? 與 MCS-51 兼容 ? 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 ? 壽命:1000 寫 /擦循環(huán) ? 數(shù)據(jù)保留時間:10 年 ? 全靜態(tài)工作:0Hz-24Hz ? 三級程序存儲器鎖定 ? 128*8 位內(nèi)部 RA M ? 32 條可編程 I/O 線 ? 兩個 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器 ? 5 個中斷 源 ? 可編程串行通道 ? 低功耗的閑置和掉電模式 ? 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路

20、 4.2 引腳功能說明 本系統(tǒng)選用 的 89C51芯片有 40條引腳,與其他 51系列單片機(jī)引腳是兼容的。 這 40條引腳可分為 I/O端口線、電源線、 控制線、外接晶體線四部分。其雙列直 插封裝形式如圖 4.2所示。 圖 4.2 AT89C51 雙列直插式封裝和引腳分 配圖 -6- 數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì) 一 . 管腳說明:VCC :供電電壓。 GND :接地。 P0 口:P0 口為一個 8 位 漏級開路雙向 I/O 口,每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時,被定義為高阻輸入。 P0 能 夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲 器, 它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIAS

21、H 編程時, P0 口作為原碼輸入 口, 當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時, P0 輸出原碼, 此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口:P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口, P1 口緩沖器能接收 輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后, 被內(nèi)部上拉為高, 可用作輸入, P1 口被 外部下拉為低電平時,將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和 校驗(yàn)時, P1 口作 為第八位地址接收。 P 2 口:P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口, P 2 口緩沖器可接收, 輸 出 4 個 TTL 門電流,當(dāng) P2 口被寫 “1” 時,其管腳被內(nèi)部

22、上拉電阻拉高,且作為 輸入。并因此作為輸入時, P2 口的管 腳被外部拉低, 將輸出電流。 這是由于內(nèi) 部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存 儲器進(jìn)行存 取時, P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時,它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢,當(dāng) 對外部八位地址數(shù)據(jù) 存儲器進(jìn)行讀寫時, P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號 和控制信號。 P3 口:P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口, 可接收輸出 4 個 TTL 門電流。 當(dāng) P3 口寫入 “1” 后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸 入

23、,由于外部下拉為低電平, P3 口將輸出電流(ILL 這是由于上拉的緣故。 P 3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口,如下表所示:端口 管腳 備選功 能 P 3.0 RXD(串行輸入口 P 3.1 TXD(串行輸出口 P 3.2 INT 0 (外部中斷 0 P 3.3 INT 1 (外部中斷 1 P3.4 T0(記時器 0 外部輸入 P3.5 T1(記時器 1 外部輸入 -7- 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)論文 P3.6 WR (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 P3.7 RD (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 P3 口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一 些控制信號。 RST :復(fù)位輸入。 當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時

24、, 要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電 平時間。 ALE /PROG:當(dāng)訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的 低位字節(jié)。在 FLASH 編程期間,此引腳用于 輸入編程脈沖。在平時, ALE 端以不 變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用 作對外 部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是:每當(dāng)用作 外部數(shù)據(jù)存儲器時, 將跳過一個 ALE 脈沖。 如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 “0” 。 此時, ALE 只有在執(zhí)行 MOVX 、 MOV C 指令時 ALE 才 起作用。另外,該引腳被略微拉高。 如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)

25、ALE 禁止,置位無效。 P SEN :外部程序 存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間,每個 機(jī)器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器 時,這兩次有效的 PSEN 信 號將不出現(xiàn)。 E A /VPP :EA 保持低電平時, 當(dāng) 則在此期間外部程序存儲器 (0000H-FFFFH , 不管是否有內(nèi)部程序存儲器。 注意加密方式 1 時, 將內(nèi)部鎖定為 RESET ; EA EA 當(dāng) 端保持高電平時,此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間,此引腳也用于施加 12V 編程電源(V PP 。 XT AL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XT AL2:來自反向振

26、蕩器的輸出。 二、振蕩器特 性:XT AL1 和 XT AL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為 片內(nèi)振蕩器。 石晶振蕩和 陶瓷振蕩均可采用。 如采用外部時鐘源驅(qū)動器件, XT AL2 應(yīng)不接。其余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分 頻觸發(fā)器,因此對外部時鐘信 號的脈寬無任何要求,但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 3 。 三、芯片擦 除:整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合, 并保持 -8- 數(shù)顯溫度控制儀的設(shè) 計(jì) ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中,代碼陣列全被寫 “1” 且在 任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編 程以前,該操作必

27、須被執(zhí)行 3 。 此外, AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯,可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯,支持 兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下, CPU 停止工作。但 RA M 、定時器、計(jì) 數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在 工作。在掉電模式下,保存 RA M 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩 器,禁止所用其他芯片功能,直到下一個硬件復(fù)位為止。 4.3 AT89C51 存儲器 AT89C51 單片機(jī)存儲器結(jié)構(gòu)采用哈佛型結(jié)構(gòu),即將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲 器分開,它 們有各自獨(dú)立的存儲空間、 尋址機(jī)構(gòu)和尋址方式, 其典型結(jié)構(gòu)如圖 4.3 所示。 FFFFH 外 部 1000H 00H 0FFFH 內(nèi)部 E A =1 0000H 外

28、部 E A =0 80H 7FH 00H 專 用寄 存器 內(nèi)部 RA M FFFFH 外 部 0000H 圖 4.3 AT89C51 存儲器結(jié)構(gòu)圖 (a 程序存儲器地址分配; (b 數(shù)據(jù)存儲器地址分配 一、程序存儲器 AT89C51 程 序存儲器有片內(nèi)和片外之分。片內(nèi)有 4KB 字節(jié)的 Flash 程序存儲 器,地址范圍為 0000H 0FFFH 。當(dāng)不夠 使用時,可以擴(kuò)展片外程序存儲器,因 為程序計(jì)數(shù)器 PC 和程序地址指針 DPTR 都是 16 位的,所以片外程 序存儲器擴(kuò)展 的最大空間是 64KB ,地址范圍為 0000H FFFFH 。無論片內(nèi)還是片外擴(kuò)展的程序 存儲器,兩 者的地址空

29、間是統(tǒng)一的。 0000H 0FFFH 這 4KB 的地址空間為片內(nèi)和 片外程序存儲器所共有,或片內(nèi)占用或 者片外占用,但兩者不能同時占用。為了 加以區(qū)分, AT89C51 提供了一個專用的控制引腳 E A 。 E A 引腳接 高電平時,單片 -9- 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計(jì)論文 機(jī)程序從內(nèi)部 ROM 開始執(zhí)行,當(dāng) PC 值超出內(nèi)部 ROM 的容量時,會自動轉(zhuǎn)向外部 程序存儲器空間。若 EA 引腳接低電平,則程序從外部擴(kuò)展程序存儲器的 0000H 地址開始取指執(zhí)行,不管是否有內(nèi)部 Flash 存儲器 2 。 在 64KB 程序存儲器空間中,有六個單元具 有固定用途。第一個是 0000H 單 元

30、,由于 AT89C51 復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器 PC 的內(nèi)容為 0000H , CPU 必須從 0000H 單元 開始執(zhí)行程序, 即 0000H 單元是整個系統(tǒng)程序的起始地址。 而 0000H 單元與另一 固定地址單元 0003H 之間只有 3 個字節(jié)空間,因此,一般在 0000H 單元中存放一 條絕對轉(zhuǎn)移指令,用戶編寫的程序從轉(zhuǎn) 移地址開始存放,這樣做的目的是為了跳 過其他五個中斷入口地址。當(dāng)系統(tǒng)不使用中斷時,則無需跳轉(zhuǎn),程序 從 0000H 單 元開始順序存放即可 2 。 在系統(tǒng)需要擴(kuò)展外部程序存儲器時, P0 口和 P2 口作為地址 /數(shù)據(jù) 總線使用。 P 0口作為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用,它

31、先輸出 16 位地址的低 8 位(PC 程序計(jì)數(shù) 器低 8 位 。 當(dāng)系統(tǒng)不需擴(kuò)展,只用內(nèi)部 4KB 的 Flash 存儲器時, P0 口和 P 2 口 可作為普通 I/O 口使用。 二、數(shù)據(jù)存 儲器 AT89C51 數(shù)據(jù)存儲器也有片內(nèi)和片外之分。片內(nèi)有 256 個字節(jié) RA M ,地址范 圍為 00H FFH 。 片外數(shù) 據(jù)存儲器可擴(kuò)展 64KB 存儲空間,地址范圍為 0000H FFFFH ,但兩者的地址空間是分開的,各自獨(dú)立的,結(jié)構(gòu)分配如圖 2.3(b 所示。 訪問的指令也各不相同,訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器時,用 MOV 指令;訪問外部數(shù)據(jù)存 儲器時, 用 MOVX 指令。 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器分為

32、兩部分:00H 7FH 單元空間的 128 字節(jié)為 RA M 區(qū); 80H FFH 單元空間的 128 字節(jié)為專用寄存器 (SFR 區(qū)。兩部分的地址空間是連續(xù)的。 AT89C51 單片機(jī)可擴(kuò)展片外 64KB 空間的數(shù)據(jù)寄存器,地址范圍為 0000H FFFH ,它與程序存儲器的地址空間是重合的,但兩者的尋址 指令和控制線不同。 程序存儲器的訪問指令為 MOVC , 控制線為 PSEN ,而片外數(shù)據(jù)存儲器訪問指令為 MOVX , 讀寫控制線為 WR 、 RD 。所以,盡管地址重合,也不會造成混亂。 值得注意的是,數(shù)據(jù)存儲器與 I/O 端口 及外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的, 即任何擴(kuò) 展的 I/O 端口以

33、及外圍設(shè)備地址均占用數(shù)據(jù)存儲器地址, 因此使用時要合 理安排 - 10 - 數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)存儲器地址空間。 4.4 復(fù)位及其復(fù)位電路 單片機(jī)在開機(jī)時或在工作 中因干擾而使程序失控或工作中程序處于某種死 循環(huán)狀態(tài)等情況下都需要復(fù)位。 復(fù)位的作用是使中央處理器 CPU 以及其他功能部 件都恢復(fù)到一個確定的初始狀態(tài),并從這個狀態(tài)開始工作。 AT89C51 單片機(jī)的復(fù) 位是靠 外部電路實(shí)現(xiàn)的,信號由 RESET(RST 引腳輸入,高電平有效,在振蕩器 工作時,只要保持 RST 引腳高電平 兩個機(jī)器周期,單片機(jī)即可復(fù)位,復(fù)位后, PC 程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為 0000H ,片內(nèi) RA M 中的內(nèi)

34、容不變 4 。 復(fù)位電路一般有上電復(fù)位、手動開關(guān)復(fù)位和自動復(fù)位電路三種,本設(shè)計(jì)采用 的復(fù)位電路是手動開關(guān)復(fù)位,如圖 4.4。 圖 4.4 手動復(fù)位電路 手動復(fù)位電路在有按鍵按下時,由于電容充電產(chǎn)生一點(diǎn)時間的高電平, 就可 以使單 片機(jī)復(fù)位 5 。 - 11 - 四川理工學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計(jì) 論文 第 5 章 DS18B20 智能溫度控制器的介紹 DALLAS 最新單線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 是一種新型的 “ 一線器件 ” , 其體積更小、更適用于各種場合、且適用 電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。也是世界上第一片 支持 “ 一線總線 ” 接口的溫度傳感器。它將溫度傳感器、 A/D 傳感器、寄存 器、

35、 接口電路集成在一個芯片中, 可實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字化輸出和測試, 并且有控制功能強(qiáng)、 傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾 能力強(qiáng)、微型化、微功耗、易于配微控制器(MCU 或者 微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及溫度控制的特點(diǎn)。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(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 912 位的數(shù)字值讀 數(shù) 方式。 可以分別在 93.75 ms 和 750 ms 內(nèi)完成 9 位和 12 位的數(shù)字量,并且從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根口線 (單線接口 讀寫, 溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線,總線本身也可以向所掛 接的 DS18B20 供電, 而 無需額外電源 6

36、。 因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單, 可靠性更高。 它 在 測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較 DS1820 有了很大的改進(jìn), 給用戶帶來了更方便的使用和更 令人滿意的效果。 DS18B20 的主要特點(diǎn)有:? 獨(dú)特的單線接口方式:DS18B20 與微處理器連接時僅需要一 條口線即可 實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 ? 在使用中不需要任何外圍元件。 ? 可用數(shù)據(jù)線供電, 電壓范圍:+3.0+5.5 V。 ? 測溫范圍:-55 +125。固有測溫分辨率為 0.5。 ? 通過編程可實(shí)現(xiàn) 912 位 的數(shù)字讀數(shù)方式。 ? 用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。 ?

37、 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能,多個 DS18B20 可以并 聯(lián)在惟一的三線上,實(shí)現(xiàn)多 點(diǎn)測溫。 ? 負(fù)壓特性,電源極性接反時,溫度計(jì)不會因發(fā)熱而燒毀,但不能正常工 作 7 。 ? - 12 - 數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì) DS18B20 5.1 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 采用 3 腳 PR35 封 裝或 8 腳 SOIC 封裝,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 5.1 所示, 主要由 4 部分組成:位 ROM 、 64 溫度傳感器、非揮 發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL 、 配置寄存器。 圖 5.1 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 的管腳排列、各種 封裝形式如圖 5.2 所示, DQ 為數(shù)字信

38、號輸入 / 輸出端; 為電源地; 為外接電源輸入端 GND VCC (兩種電 源接法, 見圖 5.3 所示 。 圖 5.2 DS18B20 的管腳排列及各種封裝形式 - 13 - 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè) 計(jì)論文 圖 5.3(a DS18B20 的接法 圖 5.3(b DS18B20 的接法 本設(shè)計(jì)采用的 DS18B20 封裝及其外形 如圖 5.4 所示:圖 5.4(a DS18B20 的外形圖 圖 3.5(b DS18B20 的外形圖 刻在 ROM 中的 64 位 序列號是出廠前被光刻好的, 它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是:開始 8 位 (28

39、H 是產(chǎn)品類型標(biāo)號,接 著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號, 最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余 校驗(yàn)碼 (CRC=X8+X5+X4+1 。 光刻 ROM 的作用是使每一個 DS18B20 都各不相同, 這樣就可以實(shí)現(xiàn)一 根總線上掛 接多個 DS18B20 的目的。 - 14 - 數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì) DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫 度的測量,以 12 位轉(zhuǎn)化為例 :用 16 位 符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供,以 -25.0625 /LSB 形式表達(dá), 其中 S 為 符號位。 (詳見圖 3.5. 表(1 :溫度 /數(shù)據(jù)關(guān)系表 表 (1 LSB Byte MSB

40、Byte Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 23 Bit15 S 22 Bit14 S 21 Bit13 S 20 Bit12 S 2 ?1 Bit11 S 2 ?2 Bit10 2 ?3 Bit9 2 ?4 Bit8 26 25 24 Temperature(溫度 T emperatur e(溫度 溫度 +125 +85 +25.0625 +10.125 +0.5 0 -0.5-10.125 -25.0625 -55 二進(jìn)制 (十六進(jìn)制 十六進(jìn)制 Digital output (二進(jìn)制 Digital output (十六進(jìn) 制 0000 011

41、1 1101 0000 0000 0101 0101 0000 0000 0001 1001 0001 0000 0000 1010 0010 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 1111 1100 1001 0000 圖 3.5 07D0H 0550H 0191H 00A2H 0008H 0000H FFF8H FF5EH FF6FH FC90H 這是 12 位轉(zhuǎn)化后得 到的 12 位數(shù)據(jù), 存儲在 DS18B20 的兩個 8 比

42、特的 RA M 中, 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 0.0625 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 0.0625 即可得到實(shí)際溫度。 - 15 - 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計(jì) 論文 例如 +125的數(shù)字輸 出為 07D0H , +25.0.0625的數(shù)字輸出 為 0191H , -25.0625的數(shù)字輸 出為 FF6FH , -55的數(shù)字輸出為 FC90H 。 5.2 DS18B20 溫度傳感器的存儲器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲 器包括一個高速暫存 RA

43、M 和一個非易失性 的可電擦除的 E2RA M, 后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH 、 TL 和結(jié)構(gòu)寄存器 8 。 暫存存儲器包含了 8 個連續(xù)字節(jié),前兩個字節(jié)是測得的溫度信息,第一個字 節(jié)的內(nèi)容是 溫度的低八位,第二個字節(jié)是溫度的高八位。第三個和第四個 字節(jié) 是 TH 、 TL 的易失性拷貝,第五個字節(jié)是 結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝,這三個字節(jié) 的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。 第九個 字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。 表 (2 DS18B20 暫 存 儲 器 分 布 字節(jié)地址 0 1 2 3 4 5 6 7 8 寄存器內(nèi) 容 溫度最低數(shù)字位 溫度最高數(shù)字位 高溫限值 低溫

44、限值 保留 保留 計(jì)數(shù)剩余值 每度計(jì)數(shù)值 CRC 校驗(yàn) 該字 節(jié)個位的意義如下:TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是 1 , TM 是測試模式位,用于設(shè)置 DS18B20 在工 作模式還是 在測試模式。在 DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為 0,用戶不要去改動。 R1 和 R0 用 來設(shè)置分辨 率,如下表所示:- 16 - 數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì) 分辨率和最大轉(zhuǎn)換時間設(shè)置表:R1 R0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換 時間 0 0 9位 93.75ms 0 1 10 位 187.5ms 1 0 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms 由此表看見,設(shè)定的分辨率越 高,所需要的溫度

45、 -數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長。因 此,在實(shí)際應(yīng)用中需要在分辨率和轉(zhuǎn)換時間二者之間權(quán)衡考慮。在 芯片出廠時 R1 和 R0 均被配置為 “1” , 即工作在 12 位模式下。 DS18B20 分別工作在 9 位、 10 位、 位和 12 位模式下, 11 對應(yīng)的溫度分辨率依次是 0.5、 0.25、 0.125、 0.0625。當(dāng) DS18B20 接收帶溫度轉(zhuǎn) 換命令 (44H后,開始啟用轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成 后的溫度值就以 16 位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式,存儲在便箋 RA M 的第 0, 1 字節(jié)。在執(zhí)行讀便箋 RA M 命令后,可將這兩個字節(jié)的溫度值通過單線總線傳送給 主 CPU , 高為字節(jié)中的符

46、號代表溫度值是正還是為負(fù) 9 。 5.3 DS18B20 的操作命令 在硬件上, DS18B20 與單片機(jī) 的連接有兩種方法,一種是 Vcc 接外部電源, GND 接地, 與單片機(jī)的 I/O 端口線相連; DQ 另一種是用寄 生電源供電, 此時 VCC 、 GND 接地, DQ 接單片機(jī) I/O 端口線 10 。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電, I/O 端口線要接 5K 左右的上拉電阻 , 用以增加單片機(jī)管腳的驅(qū)動能力。 - 17 - 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計(jì) 論文 DS18B20 對 ROM 有五條操作命令,如下表所示:指 令 讀 ROM 約定代碼 33H 操 作 說 明 讀 DS18B2

47、0 中的編碼(即讀 64 位地址 發(fā)出次命令之后,接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼,訪問單線 符合 ROM 55H 總線上與該編碼相對應(yīng)的 DS18B20 使之作出響應(yīng), 為下一 步對該 DS18B20 的讀寫作準(zhǔn)備。 搜索 ROM F0H 用于確定接在同一總線上 DS18B20 的個數(shù)和識別 64 位 ROM 地址,為操作各器件作好準(zhǔn)備。 跳過 ROM CCH 忽略 64 位 ROM 地址, 直接向 DS18B20 發(fā)溫度變換命令, 適用用于單片工作。 報(bào)警搜索 ECH 執(zhí)行后, 只有溫度超過設(shè)定值上限或者下限的片子才做 出響應(yīng)。 DS18B20 對存儲器有六條操作命令, 如下表 所示:指

48、令 約定代碼 44H BEH 4EH 48H B8H B4H 操 作 說 明 溫度轉(zhuǎn)換 讀暫存器 寫暫存器 復(fù)制暫存器 重新調(diào) E RA M 讀電源供電方式 2 啟動 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換 讀暫存器 9 個字節(jié)內(nèi)容 將數(shù)據(jù)寫入暫存器 的 TH 、 TL 字節(jié) 把暫存器的 TH 、 TL 字節(jié)寫到 E RA M 中 把 E RA M 中的 TH 、 TL 字節(jié)寫到暫存器 TH 、 TL 字節(jié) 啟動 DS18B20 發(fā)送電源供電方式的信號給主 CPU 2 2 CPU 對 DS18B20 的訪問流程是:先對 DS18B20 初始化, 再進(jìn)行 ROM 操作命令, 最后才能對存儲器操作,數(shù)據(jù)操作

49、。 DS18B20 每一步操作都要 遵循嚴(yán)格的工作時 序和通信協(xié)議。如主機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程,根據(jù) DS18B20 的通 訊協(xié) 議,須經(jīng)三個步驟:每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進(jìn)行復(fù)位,復(fù)位成功后 發(fā)送一條 ROM 指令, 最后發(fā) 送 RA M 指令, 這樣才能對 DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作 6 。 - 18 - 數(shù)顯溫度控制儀的設(shè)計(jì) 5.4 DS18B20 的測溫原理 DS18B20 的測溫原理如圖 5.6 所示。圖中低溫度系數(shù)振蕩器晶振的振蕩頻率 受溫度影響很小, 用 于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計(jì)數(shù)器 1,高溫度系數(shù) 振蕩器晶振隨溫度變化其振蕩頻率

50、明顯改變, 所產(chǎn)生的信號作為減法計(jì)數(shù)器 2 的 脈沖輸入。圖中還隱含著計(jì)數(shù)門,當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時, DS18B20 就對低溫度系數(shù) 振 蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),進(jìn)而完成溫度的測量。計(jì)數(shù)門的開啟時間由高溫 度系數(shù)振蕩器來決定,在每 次測量前,首先將 -55所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法 計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器中,減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被 預(yù)置減法計(jì)數(shù),當(dāng)減法 計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時溫度寄存器的值將減 1,減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新 被 裝入, 減法計(jì)數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)振蕩器晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì) 數(shù)。如此循環(huán),直到減法計(jì)數(shù) 器 2 計(jì)數(shù)到 0 時,停止溫度寄存器值的累

51、加,此時 溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度 11 。圖 3.6 中的斜 率累加器用于補(bǔ)償和修正 測溫過程中的非線性,其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值,只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān) 閉就 重復(fù)上述過程, 直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值。 這就是 DS18B20 的測溫 原理。 斜率累加器 預(yù)置 低溫度 系數(shù)振蕩器 減法計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)比較器 預(yù)置 增加 減到 0 溫度寄存器 停止 高溫度系數(shù)振蕩器 減法計(jì)數(shù)器 2 減到 0 圖 5.6 DS18B20 的內(nèi)部測溫電路框圖 - 19 - 四川理工學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計(jì) 論文 5.5 DS18B20 使用 中注意事項(xiàng) DS1820 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、

52、連接方便、占用口線少等優(yōu) 點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用中也 應(yīng)注意以下幾方面的問題:(1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 DS1820 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。在使用 P L/M、 C 等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序 設(shè)計(jì)時,對 DS1820 操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn) 12 。 (2在 DS1820 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數(shù)量問題,容 易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個 DS1820, 在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。 當(dāng)單總線上所 掛 DS1820 超過 8 個時, 就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問 題,這一點(diǎn)在進(jìn)行多 點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時要加以注意 6 。 (3連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的。 試驗(yàn)中, 當(dāng)采用普通信號電 纜傳輸長度超過 50m 時, 讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。 當(dāng)將總線電纜改為雙絞線 帶 屏蔽電纜時,正常通訊距離可