基于单片机的多路温度检测系统

毕业论文题目基于单片机的多路温度检测系统所在学院计算机与电气自动化学院所学专业电气工程及其自动化毕业论文（设计）任务书论文题目基于单片机的多路温度检测系统院部计算机与电气自动化专业电气工程及其自动化班级08级3班毕业论文（设计）的要求能够完成温度数字量/模拟量的双路检测，并能实现数字量/模拟量的双路输出，具体数字量和模拟量的切换可通过系统硬件上设计上的A/B切换键和单片机软件功能共同来完成，并且能将检测到的温度值通过软件编程使其在LED数码管上显示出来，本系统的检测温度范围为050,控制精度要求为01。毕业论文（设计）的内容与技术参数1利用单片机，确定系统的总体设计方案；2对单片机的应用作进一步的了解，对于温度控制要有更进一步的认识；3进行智能传感器的硬件电路设计、温度传感器的选择、单片机的选择、输入输出通道设计；4进行调试和仿真，完成数据的采集和处理。毕业论文（设计）工作计划120111120到20111220进行相关资料收集，书写开题报告。220111220到20120120复习所学相关内容，了解温度检测及单片机的相关知识。320120120到20120315进行系统整体设计，包括硬件电路和软件实现。420120315到20120415撰写论文，准备答辩。接受任务日期年月日要求完成日期年月日学生签名年月日指导教师签名年月日院长主任签名年月日摘要随着社会的进步与科技水平的不断提高，目前各行各业都在突飞猛进的发展，从而直接决定着各行业对自己所需产品性能的不断完善。在各个行业尤其是在对自动化程度要求比较高的一些领域当中，有时为了更加快速、经济、高效的生产出更适合用户需要的产品，进而获得更高的利润，往往需要用到温度检测。温度值被快速检测后送到相应的高速处理器中进行处理，然后处理器给出处理命令并送到执行器中执行，从而达到对温度快速准确的控制的目的，这也就是本次设计的主要目的和最终目标。本系统采用层次化、模块化设计，整个系统由数据采集系统、单片机控制系统、计算机监控系统组成。系统以单片机为核心，以多个温度、温度传感器作为测量元件，通过单片机与智能传感器相连，采集传感器的测量数据。在单片机系统中，还要实现程序的扩展存储、数据的实时显示、和数据辅助存储功能。单片机作为监控计算机与智能传感器连接的中心。本设计主要做了两个方面的工作一、确定系统的总体设计方案，包括其功能设计、组成与工作原理；二、硬件设计，包括DS18B20温度传感器的选择，单片机的选择，数字量与模拟量输入通道的选择。关键字单片机、DS18B20、温度检测ABSTRACTWITHTHEPROGRESSOFTHESOCIETYANDTHECONTINUOUSIMPROVEMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,PRESENTINALLWALKSOFLIFEMAKEASPURTOFPROGRESSOFDEVELOPMENT,WHICHDIRECTLYDETERMINESTHEVARIOUSSECTORSOFTHEREQUIREDPRODUCTSCONTINUOUSLYIMPROVETHEPERFORMANCEINEACHINDUSTRYESPECIALLYINTHEDEGREEOFAUTOMATIONANDHIGHDEMANDINSOMEAREAS,SOMETIMESINORDERTOMORERAPID,ECONOMIC,EFFICIENTPRODUCTIONTOMORESUITABLEFORTHENEEDSOFUSERSOFPRODUCTS,ANDGETMOREPROFIT,OFTENNEEDTOUSETEMPERATUREDETECTIONTHETEMPERATUREVALUEISQUICKLYDETECTEDANDSENTTOTHECORRESPONDINGHIGHSPEEDPROCESSORFORPROCESSING,ANDTHENTHEPROCESSORISPROCESSINGCOMMANDANDSENTTOTHEACTUATORINIMPLEMENTATION,SOASTOACHIEVETHEPURPOSEOFFASTANDACCURATETEMPERATURECONTROL,WHICHISTHEMAINPURPOSEOFTHISDESIGNANDTHEULTIMATEGOALTHESYSTEMUSESAHIERARCHICAL,MODULARDESIGN,THESYSTEMCONSISTSOFDATAACQUISITIONSYSTEM,SINGLECHIPCONTROLSYSTEM,COMPUTERMONITORINGSYSTEMSYSTEMUSINGSINGLECHIPASTHECORE,WITHAPLURALITYOFTEMPERATURE,TEMPERATURESENSORASMEASURINGELEMENT,THROUGHTHESCMANDINTELLIGENTSENSOR,SENSORMEASUREMENTDATAINTHESCMSYSTEM,BUTALSOTHEREALIZATIONOFTHEEXTENDEDSTOREDPROCEDURES,REALTIMEDATADISPLAY,ANDDATASTORAGEFUNCTIONSINGLECHIPCOMPUTERASAMONITORCONNECTEDWITHTHECENTEROFINTELLIGENTSENSORSTHISDESIGNMAINLYDOTHEJOBOFTWORESPECTSFIRST,THEOVERALLDESIGNOFTHESYSTEM,INCLUDINGITSFUNCTIONALDESIGN,THECOMPOSITIONANDWORKINGPRINCIPLETWO,THEHARDWAREDESIGN,INCLUDINGTHEDS18B20TEMPERATURESENSORSELECTION,THESELECTIONOFSINGLECHIPCOMPUTER,THEDIGITALQUANTITYANDANALOGINPUTCHANNELSELECTIONKEYWORDSMCU,DS18B20,TEMPERATUREDETECTION目录1绪论111单片机温度检测的选题背景112现实意义12系统方案的选择与实现221系统方案选择222工作原理223系统的结构与控制要求23双路温度检测系统的硬件设计431硬件的总体设计432单片机系统的设计4321型号的选择4322复位电路7323时钟电路7324电源电路833数字量单元的设计8331DS18B20温度传感器的性能特点8332DS18B20的内部结构9333DS18B20温度传感器的数据处理与传输9334DS18B20测温原理10335DS18B20接口电路1134模拟量的设计11341温度传感器PT10011342模拟量输入单元113574LS164的型号选择1236LED显示单元的设计12361共阳极数码管的结构及原理12362四位一体数码管的结构及原理13363电路介绍1437通信单元的设计1438数模转换单元的设计1539总体的技术性能154系统软件的程序设计1641系统软件的整体分析1642系统初始化单元1743定时中断单元1844LED数码显示单元1945计算温度单元1946数模切换单元2047小结215系统程序编写与调试2251软件的编写2252硬件调试22521硬件电路故障及解决方法22522硬件调试方法22结论23致谢24参考文献25附录261绪论11单片机温度检测的选题背景由于工业自动化水平的迅速提高，单片机在工业领域中的作用也变得十分显著。由于其简单灵活，控制方便且生产成本比较低，所以在工业控制的各个环节都得到了普遍的运用，发挥着极其重要的作用。但随着人们对工业自动化的程度的要求越来越高，各种各样的、先进的控制设备和过程检测系统在工业控制领域也被广泛的应用，所以使得传统的工业检测系统已无法满足用户的各种需求。因此要求我们必须要寻求一种崭新的方法来解决这个问题，从而来满足工业需求。双路温度检测系统的出现，无疑不是给我们提供了一个良好的解决办法，它能够很好地解决传统工业检测系统存在的种种弊端与漏洞，使用户能根据自己的需求来进行高精度而且快速的检测和控制，从长远来看一定会有一个广泛的应用前景。温度检测系统在人们的生产生活中的应用十分广泛。比如，医学上用温度计来检测病人的体温、工业上的锅炉需要保持一定的温度来给人们供暖，汽车维护、空调工程、设备故障诊断、节能、有色冶金行业、电力供电系统、塑料橡胶行业、造纸印刷行业、石油化工行业、食品超市行业等等都离不开温度检测系统。另外这种利用现代的电子微电子技术、传感器技术、通讯技术、单片机技术、计算机以及网络技术等知识的综合来实现的崭新设计一定会通过其独特的作用并同企业资源计划ERP融合在一起，来达到良好的管理，实现企业合理的资源配置和获取更多的利润，这已成为一种必然趋势和发展方向。12现实意义随着单片机与传感技术的发展，自动检测域发生了巨大的变化，温度环境自动检测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐渐取代传统的温度控制措施。但是，目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关等组成的传输系统。这种温度系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁琐，成本较高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，误差也较大。为了克服这些缺点，本文采用基于单片机的多路温度检测系统的设计方案。这种设计方案实现了温度实时测量、显示、控制。该系统抗干扰能力强，具备较高的测温精度，安装简单方便，可维护性好。这种温度检测系统可应用于温室大棚，实现对温度的控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便带来很好的经济效益和社会效益。2系统方案的选择与实现21系统方案选择由于各个行业对温度控制精度要求的不断提高，因此对温度检测的要求也越来越高，而传统的温度检测的方法和手段已经不能满足现代化生产的要求了，所以我们必须在传统的工艺上加以改进和提高，这样才能适应新形势下社会发展要求，满足各个行业的发展需要。所以为了满足各个行业的需求，保证它们能达到足够高的控制精度，我们本次设计方案是选择以AT89C51（引脚图见32）单片机为核心，由数字/模拟双路检测输入，数字/模拟双路输出，LED数码显示，通信等基本结构和由数/模切换键等辅助结构共同组成的双路温度检测系统，其中数字量温度检测由DS18B20数字温度传感器完成，模拟量温度检测由PT100模拟温度传感器完成，温度值显示采用由74LS164移位寄存器驱动的4位一体共阳极数码显示。22工作原理在进行温度检测之前首先通过数字量温度检测按键A或模拟量温度检测按键B来选择进行那一种量的测量，选择合适的量后通过DS18B20或者PT100来采集相对应量的温度值，从而通过传输总线送到51单片机系统中运算处理，然后输出模拟量或者数字量，进而编制软件使74LS164驱动四位数码管进行温度值的显示和实现通信功能。需要注意的是，在进行模拟量温度采集时，PT100自身不能与单片机直接相连，要加上一个变送器。这就是双路温度检测系统的基本原理。23系统的结构与控制要求根据系统设计方案，并通过合理的选择元器件，可得出系统总体设计框图，如图21所示。本设计控制要求能够完成温度数字量/模拟量的双路检测，并能实现数字量/模拟量的双路输出，具体数字量和模拟量的切换可通过系统硬件上设计上的A/B切换键和单片机软件功能共同来完成，并且能将检测到的温度值通过软件编程使其在LED数码管上显示出来，本系统的检测温度范围为050,控制精度要求为01，因此在选择整个系统元器件时都要满足这个控制要求。单片机模拟量温度采集数字量温度采集模拟信号输出数字信号输出温度值显示通信数模检测切换图21系统总体框图3双路温度检测系统的硬件设计31硬件的总体设计本系统的硬件主要是以AT89C51单片机为核心，由数字/模拟双路检测输入、数字/模拟双路输出、LED数码显示、通信以及A/B键盘完成数字量与模拟量之间的切换等基本外围结构电路共同组成的双路温度检测系统，其中数字量温度采集由DS18B20数字温度传感器经数字化完成，模拟量温度检测由PT100模拟温度传感器经变送器完成，温度值显示采用由74LS164移位寄存器驱动的4位一体共阳极数码显示，最后通过MAX232芯片的电平转换来完成单片机与PC机之间的通信。这样就构成了一个简单的双路温度检测系统，具体的硬件总体设计框图如图31所示。单片机DS18B20数字化PT100变送器模拟输出电压信号I/O数字信号74LS164LED显示MAX232电平转换PC通信A/B键完成数字量与模拟量切换图31硬件设计整体框图32单片机系统的设计321型号的选择为了满足设计要求，并简化系统的设计，本设计采用AT89C51的51内核单片机。1、系统概述AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。表3180C51系列典型产品资源配置图32AT89C51的引脚图2、管脚说明VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出存储器类型及字节数片内其他功能单元数量分类芯片型号ROMRAM并口串口定时/计数器中断源80C51无1284个1个2个5个80C514K掩模1284个1个2个5个87C514K1284个1个2个5个基本型89C514KFLASH1284个1个2个5个80C32无2564个1个3个6个80C528K掩模2564个1个3个6个87C528K2564个1个3个6个总线型增强型89S528KFLASH2564个1个3个6个89S20512KFLASH1282个1个2个5个非总线型89S40514KFLASH2562个1个2个5个4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。3、各管脚备选功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32INT0（外部中断0）P33INT1（外部中断1）P34T0（记时器0外部输入）P35T1（记时器1外部输入）P36WR（外部数据存储器写选通）P37RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。4、振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。322复位电路单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51系列单片机的RST引脚是复位信号的输入端。复位电平是高电平有效，持续时间要有2个机器周期以上。本系统中单片机时钟频率为6MHZ则复位脉冲至少应为4US。本系统采用的是上电外部复位电路,即按键手动复位它是既具有上电复位又具手动复位的复位电路，上电瞬间，C与RX构成充电电路，RST引脚出现正脉冲，只要RST保持足够的高电平，就能使单片机复位。一般取C22UF，R200,RX1K,此时221011022MS63当按下按钮，RST出现542V时，使单片机复位。其具体设计原理如下图33120所示。图33复位电路当复位按键RESET按下时，复位电路会给单片机提供一个复位电平，从而使单片机系统完成复位，该复位电路主要用于完成程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态等情况下的系统复位。323时钟电路在51系列单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1、XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。本设计在设计时钟电路时，在引脚XTAL1、XTAL2两端跨接适应晶体振荡器或陶瓷谐振器和两个电容一起组成一个稳定的自激振荡电路。通常电容C1和C2取30PF，对振荡频率有微调作用。晶振频率范围是12MHZ12MHZ。其具体设计原理如下图34所示。图34时钟电路324电源电路单片机电源电路是给单片机提供稳定的工作电压，保证单片机正常工作的电路。由于单片机在工作时很可能受到电压波动、电磁干扰以及其它器件工作时产生干扰等的影响，所以很容易造成单片机电源电压的不稳定，从而影响单片机的正常工作。所以，为了在单片机工作时为其提供一个稳定的工作电压，保证其正常工作，我们在这里采用LM317和电容组来共同组成的一种稳压抗干扰电路来为单片机提供工作电压。这种稳压电路能够有效的克服种种干扰，保证电压值的稳定，有效的避免了单片机因工作电压不稳定而造成的系统工作异常的情况。其具体设计的电路原理图如图35所示。图35单片机电源电路33数字量单元的设计331DS18B20温度传感器的性能特点DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏原件等测温原件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下适应电压范围更宽，电压范围为3055V，在寄生电源方式下可由数据线供电。独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一根口线即可实现与微处理器的双向通信。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。DS18B20在使用中需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路个在形如一只三极管的集成电路内。温度范围为55125，在1085时精度为05可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为05、025、0125和00625，可实现高精度测温。在9为分辨率时，最多在9375MS内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750MS内把温度值转换为数字，速度更快。测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校检码，具体极强的抗干扰纠错能力。具有负压特性。电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。332DS18B20的内部结构DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3664位ROM和单线接口存储器与控制逻辑高速缓存温度传感器高温触发器HL低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器高速缓存温度传感器高温触发器HL低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器图36DS1820内部结构图333DS18B20温度传感器的数据处理与传输目前大多数传感器系统都采用“数据采集放大数据传输的处理模式。这种模式一般要占用数条数据/控制线，限制了单片机功能的扩展。而一线总线技术则很好地解决了这个问题。一线总线技术就是一条总线上仅有一个主系统和若干个从系统的计算机系统。一线工作协议流程是初始化ROM操作指令存储器操作指令数据传输。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行，只有主机呼叫时，从机才能答应，如果命令顺序混乱，DS18B20将不能正常工作，但不会影响主机。所有的单总线器件都必须遵循严格的协议，以保证数据的完整性。单线协议由复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1这几种信号类型组成。除应答脉冲外，其他脉冲均由主机发出，所有的命令和数据都是字节的低位在前。每一次数据采集之前，都要多DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500US，然后释放，当DS18B20收到信号后等待1660US，后发出60240US的应答脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。在主CPU检测到应答脉冲后，就可以发出ROM指令，命令长度为8位。该命令字要通过1WIRE通信协议规定的严格的写时序，逐位写到一线上，DS18B20会自动接受到这些命令，并准备响应相应的操作。在单片机发出ROM命令后，就可以发出发送功能命令，然后DS18B20就开始执行命令，在执行读数据时，单片机可以通过发送RESET脉冲在任何时候中断数据传输。334DS18B20测温原理如图37，图中低温度系数振荡器的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数振荡器随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2脉冲输入。斜率累加器减法计数器1减到0减法计数器预置低温度系数振荡器高温度系数振荡器技术比较器预置温度寄存器减到0图37DS18B20测温原理图图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前将55对应的基数分别植入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预定值减到0时，温度寄存器的值就将加1，简述计数器1的预制值将重新被装入，并重新对低温度系数振荡器产生的脉冲系信号进行技术。如此循环，直至减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器的数值就是所测温度值。图37中斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线形性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，有严格的时隙概念，因此读/写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为初始化DS18B20发复位脉冲发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。335DS18B20接口电路DS18B20可以采用两种方式供电一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的第1脚接地，第2脚作为信号线，第3脚接电源；另一种是寄生电源供电方式。单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电源，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最长为500MS。采用寄生电源供电方式时，VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。34模拟量的设计341温度传感器PT100模拟量检测温度传感器PT100又叫铂电阻，是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在200至650的范围铂电阻温度系数为00039，0时电阻值为100，电阻变化率为03851/。采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量，非常经济实用。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（200400）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。所以在此次设计中我们选用PT10来作为模拟通道的温度传感器，并通过变送器送到单片机内部进行A/D转换，然后在单片机内部进行运算和处理。342模拟量输入单元模拟量输入电路是用于模拟量温度检测的电路，其具体设计原理图如图38所示。模拟量检测电路是通过向单片机提供510V或者是420MA的模拟电压或电流信号并通过单片机内部集成的A/D转换装置转换成的数字量，然后在单片机内部进行计算和处理的一种电路。由于PT100检测的信号值微弱，直接向下级传送时信号容易受到干扰影响，所以我们设计时有必要先对其检测的信号进行一定的放大，然后再向下级传送。如其电路原理图所示我们就先设计了PT100检测的前置放大电路即变送电路，信号放大后再向单片机传送，这样就保证了测量的精度；电路中的三极管用于通过单片机软件实现模拟温度传感器PT100的选通，即该三极管导通后能向模拟温度传感器PT100提供5V的工作电压，使其能正常工作，进行温度检测，并将检测值输入到后级单片机中进行相应的处理；发光二极管黄色用于显示模拟检测通道被选通，即用于指示模拟温度传感器PT100正在进行正常工作。图38模拟量检测电路图3574LS164的型号选择74LS164是8位连续IN/PARALLEL移位寄存器，其特点是串行输入，并行输出。其具体引脚定义和逻辑表如图39所示74LS164引脚定义74LS164逻辑表图39引脚定义和逻辑表IC分析Q0Q7并行输出端。A,B串行输入端。MR清除端，为0时，输出清零。CP时钟输入端。由于74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器，并带有清除端的这种独特作用，所以在单片机系统，有时并行口的I/O资源不够，而串行口又没有其他的作用，那么我们就可以用74LS164来扩展并行I/O口，从而大大节约了单片机资源。特别是像AT89C2051这样只有15个I/O口的IC单片机作用更为明显。36LED显示单元的设计根据设计要求，我们本次设计采用74LS164驱动四位一体共阳极数码管来完成显示功能。361共阳极数码管的结构及原理LED数码管有8个发光二极管组成，分别对应A、B、C、D、E、F、G。共阳极数码管将这8个发光二极管的阳极接在一起组成一个电极。共阳极数码管在工作时，公共端接高电平，相应的笔画段通过电流电阻接低电平时发光，其结构图如图310所示。图310共阳极数码管结构图362四位一体数码管的结构及原理四位一体数码管是由四个共阳极数码管再加上74LS164或者是74HC164移位寄存器等并经过电气的级联后组成的一组数码管显示组，其典型应用电路图如图311所示。图311四位一体共阳极数码管电路图LED数码显示电路是用来通过单片机软件命令来实现检测温度值显示的电路，其具体设计原理图如图312所示图312数码管显示电路363电路介绍电路中数码管采用四位一体共阳极数码管，用于显示检测温度值；74LS164是八位移位寄存器，用于驱动数码管显示，其中A、B是串行数据输入端，用于从单片机接收要显示的数据，CLOCK用于接收同步时钟，MR接电平，用于保证74LS164的正常工作；LM317是三端集成稳压器，用于向四位一体共阳极数码管提供稳定的工作电压，从而保证其正常工作。37通信单元的设计51单片机有一个全双工的串行口，所以单片机和PC之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通信时要满足一定的条件，如PC的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，这里用专用芯片MAX232进行转换，用专用芯片更简单可靠。它包含两路接收器和驱动器，内部有一个电源电压变换器，可以把输入的5V电压变换位RS232输出电平所需的10V电压。所以，用该芯片接口的串行通信只需单一的5V电源就可以了。其应用性更强。该芯片的管脚图、功能图及内部原理结构图略。故我们可有以下接口电路原理图，如图313所示图313通信接口电路串口通信的硬件连接采用三线制连接串口，就是说和PC的9针串口只连接其中的3根线第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对本题来说已经足够了，MAX232的第11脚和下位机的TXD引脚连接，第12脚和下位机的RXD脚连接，第15脚和GND连接。MAX232的第14脚和单片机的P44引脚连接，第13脚和单片机的P04引脚连接，第15脚和GND连接。38数模转换单元的设计数字量检测/模拟量检测切换电路是用来切换数字量温度检测和模拟量温度检测的一种按键电路，即通过按键来选通是进行数字量检测还是进行模拟量检测，并通过单片机软件屏蔽掉另一个通道，其具体设计原理如下图314所示。当按键A按下时，数字检测通道被选通，模拟检测通道则被通过单片机软件屏蔽掉；当按键B按下时，则模拟检测通道被选通，数字检测通道被单片机通过软件命令屏蔽掉，不再工作。图314数模转换电路39总体的技术性能此系统设计以AT89C51芯片为核心，主要包括数/模检测电路、LED数码显示电路、通讯电路、时钟电路、复位电路等，综合分析可达到以下技术性能1、实现温度的双路检测功能即数字量检测和模拟量检测；2、选用DS18B20和PT100两种温度传感器，能实现温度范围为050、精度为01的技术要求；3、通过四位一体共阳极数码管显示来实现检测的温度值；4、通过MAX232芯片实现单片机与PC机之间的通信功能。4系统软件的程序设计41系统软件的整体分析从系统整体的硬件设计的分析来看，此系统主要完成外界温度的双路检测，即模拟量的检测和数字量的检测，然后通过一定的转换处理后被送到单片机内部进行分析和处理，再通过单片机软件命令完成检测温度的显示，即数码管显示和模拟量信号、数字量信号的双路输出，即输出命令信号或者是处理后信号的输出等的工作，继而完成整个系统的整体设计功能。所以，我们在软件设计时，应该根据系统硬件设计所要达到的功能相应的配合完成。其软件设计的整体框图如图41所示。主程序定时中断扫描按键数字通道标度变换输出LED显示模拟通道A/D转换程序标度变换LED显示初始化图41软件设计整体框图由图可知，我们在系统软件设计时需要完成以下几个部分的整体设计1、首先完成双路温度检测系统初始化工作，即要先设计系统初始化程序；2、完成温度检测系统的温度采样、处理、传送至单片机等的温度检测工作，即让系统能够产生定时中断来进行实时的温度检测，处理等的工作，所以还要完成系统定时中断程序的设计；3、完成系统温度检测值显示的设计工作，即要设计完成系统LED数码管显示程序的设计；4、由于在此温度检测系统中被测温度量经过转换后，均统一为0255二进制码，因此要把A/D转换的数码X变换成被测量的实际数值。所以我们设计软件时还要完成系统的标度转换程序的设计；5、完成单片机数字量温度检测或者模拟量温度检测按键切换选通功能实现程序的设计，即按键程序的设计；42系统初始化单元该单片机温度检测系统在上电后会自动的进行系统整体的初始化工作，目的是要使该系统各个环节都恢复原来设置值，从而使保证该系统能够开始正常的工作，其主要完成以下工作，即完成对单片机AT89C51芯片的初始化；完成用来驱动四位一体共阳极数码管显示的8位移位寄存器的74LS164的初始化；完成数字温度传感器AD7415以及系统定时中断、键盘扫描等的初始化等。其具体设计的程序流程图如下图42所示。系统初始化程序设计一般要求1、习惯于将不用的代码空间全清成“0”，因为这等效于NOP，可在程序跑飞时归位；2、在跳转指令前加几个NOP，目的同13、涉及处理外部器件参数调整或设置时，为防止外部器件因受干扰而出错可定时将参数重新发送一遍，这样可使外部器件尽快恢复正确。AT89C51初始化74LS164DS18B20定时中断键盘扫描开始图42初始化程序流程图43定时中断单元定时中断程序是用来完成外界温度的实时检测的，其主要完成以下工作，即系统开始工作进行温度检测时，首先要通过标志的判断来确认是哪一个通道被选通，然后再开始进行此通道的温度检测工作并将检测到的温度值送到单片机中进行相应的运算和处理，然后再通过单片机的输出刷新、标度转换、查表等阶段的工作后，处理后的数据就被送到串口进行检测温度值的输出显示或者是检测量的输出，其具体设计的程序流程图如图43所示。根据K值的情况，如果满足中断响应条件，CPU将响应中断。在此情况下，CPU首先使被响应的中断的相应“优先激活”触发器置位，以阻止同级或低级中断。因单片机大多数情况下都是空闲的，设定定时器定时50MS,每1MIN中断一次。则中断次数K1MIN/005S1200次。在本设计中采用定时器0方式1，定时器/计数器方式寄存器TMOD低4位中的M1M0应取01；设定为软件启动定时器，故GATE取0；因用定时功能，C/T取0；定时器方式寄存器TMOD高4位为无关位，一般都取0，所以TMOD应为01H。软件计数器标志判断模拟通道采集数字通道采集输出刷新标度转换查表送串口KK1K120K0KK1图43定时中断程序流程图44LED数码显示单元LED数码管是用来显示检测的外界温度值的，软件部分的主要功能就是通过计算机软件命令来调用温度显示程序，从而完成温度值的数码管显示，其程序流程图如下图44所示。由数字通道检测的温度值被送到单片机中仅通过相对简单的软件命令就可以实现输出显示，但由模拟通道检测的温度值要完成显示还需要A/D转换、标度转换等部分的软件配合才能顺利完成，软件编程相对困难。开始温度值显示程序启动数模转换延时等待转换结束取转换数据进行工程量转换分离各位数字显示温度结束图44LED数码显示流程图温度信号被采集后，经过单片机处理，一路送去LED显示，一路与上、下限温度值进行比较。送去LED显示的温度值，是通过数据指针DPTR作为基础寄存器的查表程序。其优点是程序简单，查表范围大且容易理解。45计算温度单元计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转化运算，并进行温度值正负的判定。计算温度子程序流程图如图45所示。发DS18B20复位命令发跳过ROM命令发温度转换开始命令结束图45计算温度子程序流程图46数模切换单元键盘部分软件主要功能是时刻对键盘进行扫描，然后判断从而选择合适的键盘，近而控制通道的选择。程序流程图如下图46所示。开始PSW、ACC压栈保护P001PSW、ACC出栈结束按键A中断按键B中断P011图46键盘选择程序流程图1、当我们按下键A，则P001数字通道开启，则进入数字量显示的中断服务程序，通过LED数码管显示；2、当我们按下键B，则P011模拟通道开启，则进入模拟量的中断服务程序，通过LED数码管显示；3、程序现场的保护“压栈”、“出栈”中断现场的保护是中断技术中一个很重要的环节。47小结在这一章里，我们主要对双路温度检测系统的软件进行了初步的设计，主要设计了系统初始化程序、LED数码显示程序、标度转换程序、定时中断程序和键盘的切换程序。在刘老师的指导下，我们在设计的时候针对某一块电路只给出了程序流程图，对每一部分的设计还有一定的缺陷，还希望在刘老师的指导和帮助下能对此系统的各个部分电路的流程图有一个全面崭新的理解，从而真正的达到这次设计的目的。5系统程序编写与调试单片机应用系统样机组装好以后，便可进入系统的在线（联仿真机）调试，其主要任务是排除样机硬件故障，并完善其硬件结构，试运行所设计的程序，排除程序错误，优化程序结构，使系统达到期望的功能，进而固化软件，使其产品化。51软件的编写系统程序的编写详见附录。52硬件调试单片机应用系统的硬件和软件调试时交叉进行的，但通常是先排除样机中明显的硬件故障，尤其是电源故障，才能安全地和仿真器相连，进行综合调试。521硬件电路故障及解决方法1、错线、开路、短路由于设计错误和加工的工艺性错误所造成的错线、开路、短路等故障。解决方法在画原理图时仔细检查、校正即可解决。2、元器件损坏由于对元器件使用要求的不熟悉及制作调试过程中操作不当致使器件损坏。解决方法在设计过程中要明确各元器件的工作条件，严格按照制作要求进行操作，损坏的元器件要及时更换，以免损坏其他元件或影响电路功能的实现。3、电源故障设计中存在电源故障，既上电后将造成元器件损坏、无法正常供电、电路不能正常工作。电源的故障电压值不符合设计要求，电源引出线和插座不对应，各档电源之间的短路，变压器功率不足，内阻大，负载能力差等。解决方法电源必须单独调试好以后才能加到系统的各个部件中。522硬件调试方法本设计调试过程中所使用的调试方法有静态调试、联仿真器在线调试等。1、静态调试在样机加电之前，首先用万用表等工具，根据硬件电器原理图和装配图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。应特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查扩展系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互间的短路或其它信号线的短路。第二步是加电后检查各个插件上引脚的电位，仔细测量各点电位是否正常，尤其应注意单片机插座上的各点电位，若有高压，联机时将会损坏仿真器。第三步是在不加电情况下，除单片机以外，插上所有的元器件，最后用仿真适配器将样机的单片机插座和仿真器的仿真接口相连，为联机调试做准备。2、联仿真器在线调试测试RAM存储器用仿真器写命令将一些数据写入样机中扩展的RAM，然后用读命令读出其内容，若对任意单元读出和写入内容一致，则扩展RAM和单片机的连接没有逻辑错误。若读出写入内存不一致，则可能是地址数据线短路，试写入不同的数据观察读出结果，或缩小对RAM的读写范围，检查对RAM中其它区域的影响，这样可初步对地址数据线短路错误定位，再用万用表、示波器等进一步确诊。结论经过几周日日夜夜的奋战，我们的毕业设计终于完成了。这次毕业设计的课题是设计一个双路的温度检测系统，并且是在老师的一定指导下，由我们自己设计和完成的，既锻炼了我们自己独立思考解决问题的能力，又锻炼了我们团队协作的能力，增强了我们的团队意识。这些对我们将来踏上工作岗位以后也是非常受益的，因为这是对我们踏上工作岗位前的一次综合演练，也是我们一次真正的理论转化为实践的契机。尽管在我们设计的这个课题上有一定的成功案例可以去参考去借鉴，并且这些案例很成功也很出色，但是我们仍然希望通过我们自己的努力来完成这个设计并希望有所突破。这也是对我们自己的能力和人品的一种考验。所以在本次设计过程中我们完全是按照系统的整体设计的要求来进行，从课题分析开始，再进行总体设计、详细设计,最后到系统实现，每一步我们都非常细心非常用心，每一步都让我们将理论学习的知识应用到实践中去。使我们自己掌握了一整套规范的设计操作流程，相信会使我们以后受益匪浅的。在课题分析阶段，由于我们本次设计是一个以单片机控制为核心的系统，所以在设计前做好其中所用的单片机的选型以及单片机的工作分析显得尤为重要。因此我们对指导老师提供的资料要反复认真的阅读，并且还要求我们自己去动手查阅其它的大量资料，这是我们设计的关键。从查阅资料、提出问题，到慢慢一一解决问题，老师给了我们很大的帮助，在这里我们十分感谢。在总体设计阶段，由于我组人员先前所做的大量工作，对课题分析做的比较全面，因此很快就对系统的功能，控制机制有了充分的认识和理解，建立系统的整体设计方案，并形成了单片机自动控制双路温度检测系统的一系列流程。详细设计阶段，我们首先考虑的是各主要电路模块的设计，这里我们重点完成了数字量检测模块和模拟量检测模块的设计，即检测系统的双路输入功能块、74LS164驱动LED数码管显示功能块、数字量检测/模拟量检测选通按键功能块以及复位电路、单片机时钟电路功能块等的设计。对电路的双路输出设计，由于我们这个系统要求不高，所以就没有重点设计，只是进行了简单的处理。其次，我们为了保证设计的合理性，所以此次设计的系统进行了系统的论证，具体做法是，对各个功能块中的电气元件选用以及其值的确定都进行了综合的论证分析并进行比较后才最终确定。以上就是我这次设计的一点总结，总之，这次毕业设计让我学习到很多。虽然结束了，但这只能是一个开始。凡事我们只有对自己有了更高的要求，才能作为动力不断取得新的成绩不管学会的还是学不会的，的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。但只要你坚持不懈，一直用心努力，什么问题都是可以解决的。在此要感谢我的指导老师刘老师对我悉心的指导，感谢刘老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，而且大大提高自己的动手实践能力，相信这会对自己今后的学习工作生活有非常重要的影响。致谢经过将近一个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，在指导老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持下，我完成了这篇毕业论文设计。在这里首先要感谢我的指导老师刘老师。刘老师平日里工作繁多，一边工作还要一边给我们指导毕业设计，但在我们做毕业设计的每个阶段，从查阅资料