基于51单片机的多路温度采集控制系统.doc

目 录摘 要1关键词1abstract1key words1 第一章 绪论11.1选题背景11.2温度检测的意义与技术发展21.3系统设计的内容与要求2第二章 主控模块的硬件设计32.1 控制器的选用at89c5132.2 at89c51主要功能特性32.3 at89c51复位电路和晶振电路4第三章 信号输入通道与信号采样模块的硬件设计53.1 温度传感器的选用53.1.1 数字式温度传感器ds18b2053.1.2 ds18b20的内部结构63.1.3 ds18b20的测温原理63.1.4 at89c51与ds18b20的接口电路7第四章 显示系统、报警系统及键盘控制的硬件设计84.1 显示系统硬件设计84.1.1 led显示器件的工作原理84.1.2 led显示电路设计94.2 按键的选用104.2.1 按键设计104.2.2 键盘和单片机的接口电路114.3 报警电路硬件设计124.4 系统的电源电路设计12第五章 系统软件设计135.1 数字式温度传感器ds18b20程序设计135.1.1 温度数据的处理方法135.1.2 ds18b20的程序设计145.2 led动态显示程序设计165.3 报警系统的程序设计17结论19致谢19参考文献20程序21基于51单片机的多路温度采集控制系统摘 要：数字式多路温度采集系统由主控制器、温度采集电路、温度显示电路、报警控制电路及键盘输入控制电路组成。它利用单片机at89c51做控制及数据处理器、智能温度传感器ds18b20做温度检测器、led数码显示管做温度显示输出设备。硬件电路比较简单，成本较低，测温范围大，测量精度较高，读数显示直观，使用方便。关键词：数字；温度；传感器；单片机；控制abstract：the digital multi-channel temperature gathering system by the master control regulator, the temperature gathering electric circuit, the temperature display circuit, reports to the police the control circuit and the keyboard entry control circuit is composed .it makes the control and the data processor, intelligent temperature sensor ds18b20 using monolithic integrated circuit at89c51 makes the temperature detector, the led numerical code display tube makes the temperature demonstration output unit. the hardware electric circuit quite is simple, the cost is low, the temperature measurement scope is big, and the measuring accuracy is high, reading demonstration is direct-viewing, easy to operate.key words: numeral; temperature; sensor; monolithic integrated circuit; control第一章 绪论1.1选题背景测量控制的作用是从生产现场中获取各种参数，运用科学计算方法，综合各种先进的技术，使生产的每个环节都能够得到有效的控制，不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本，还确保了生产安全。所以，测量控制技术已经被广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、轻工和纺织等行业。随着温度检测理论和技术的不断更新，温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器。目前常用的传感器有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。1.2温度检测的意义与技术发展温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成型、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越重要。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛的应用。在工业生产过程中，很多的时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化，能够安全顺利的进行，从而提高企业的生产效率。1.3系统设计任务与要求本设计要求以单片机为核心完成实时温度采集功能，完成如下任务：完成至少四路温度信号采集。能实时显示各路温度信号值。具有温度上、下限报警功能。可设定系统报警温度上、下限。用美国dallas公司生产的ds18b20数字温度传感器和89c51单片机构成的多路测温系统，采用单总线的方式（一根数据线和一根地址线），其上可以非常方便的挂接多个从总线获得电能而不需要单独供电的数字温度传感器ds18b20，在单片机的控制下巡回检测多点温度，可设置高、低温度超限报警等功能。系统安装简便、可靠性高，特别适合在工业现场的温度参数监控。采用逐渐逼近式a/d转换器来进行对信号的采集转换，并通过led来实现温度采集的显示，设计是通过数字式温度传感器来进行温度采集的，温度范围在200700摄氏度。能够实现巡回显示和指定显示，通过完成本次设计来加深对单片机系统的掌握和了解。系统总体设计框图如图1-1所示。图1-1 系统总体设计框图第二章 主控模块的硬件设计2.1 控制器的选用at89c51at89c51是一种带4k字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能cmos 8位微处理器，俗称单片机。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mcs-51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。2.2 at89c51主要功能特性兼容mcs-51指令系统；32个双向i/o口，两个16位可编程定时/计数器；1个串行中断，两个外部中断源；可直接驱动led；低功耗空闲和掉电模式；4 kb可反复擦写(1 000次)flasi rom；全静态操作o24 mhz；1288 b内部ram。2.3 at89c51复位电路和晶振振荡电路（1）复位电路单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出rst引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。外部复位电路是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，rst上的电压是vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而rst上的电压与vcc上的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，rst上的电压就随着下降，rst脚上只要保持10ms以上的高电平，系统就会复位。电容c可取1033 f,电阻r可取1.210k.在系统设计中，c取10f，r取10k，充电时间常数为100ms。（2）晶振振荡电路xtal1和xtal2脚分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容c1、c2构成并联谐振电路。当外接石英晶体时，电容c1、c2选30pf+10pf，当外接陶瓷振荡器时电容c1、c2选47pf+10pf。at89c51系统中晶振可在024mhz选择。外接电容c1、c2的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在本设计中，晶振和电容应靠近单片机芯片，以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。at89c51单片机的电源、复位、晶振振荡电路图如下图2-1所示。图2-1at89c51复位、晶振电路第三章 信号输入通道与信号采样模块的硬件设计3.1温度传感器的选用3.1.1 数字温度传感器ds18b20ds18b20是美国dallas公司推出的单总线数字测温芯片。它具有独特的单总线接口方式，仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。采用数字信号输出提高了信号抗干扰能力和温度测量精度。它的工作电压使用范围宽(3055 v)，可以采用外部供电方式，也可以采用寄生电源方式，即当总线dq为高电平时，窃取信号能量给ds18b20供电。它还有负压特性，电源极性接反时，ds18b20不会因接错线而烧毁，但不能正常工作。可以通过编程实现912位的温度转换精度设置，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。ds18b20采用3脚to-92封装，形如三极管，同时也有8脚soic封装，还有6脚的tsoc封装。测温范围为55+125，在-1085范围内，精度为05。每一个ds18b20芯片的rom中存放了一个64位id号：前8位是产品类型编号，随后48位是该器件的自身序号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。又因其可以采用寄生电源方式供电。因此，一条总线上可以同时挂接多个ds18b20，实现多点测温系统。另外用户还可根据实际情况设定非易失性温度报警上下限值th和tl。ds18b20检测到温度值经转换为数字量后，自动存入存储器中，并与设定值th或tl进行比较，当测量温度超出给定范围时，就输出报警信号，并自动识别是高温超限还是低温超限。其管脚排列封装图如下图3-1所示图3-1ds18b20封装图3.1.2 ds18b20的内部结构ds18b20 采用3脚pr-35封装或8脚soic封装，其内部结构框图如图3-2所示。图3-2ds18b20内部结构框图3.1.3 ds18b20的测温原理如图3-3所示，图中低温度系数振荡器的震荡频率受温度的影响较小，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的脉冲输入。图3-3ds18b20测温原理图3.1.4 at89c51单片机与ds18b20的接口电路在at89c51单片机和ds18b20的连接过程中，单片机的任一i/o接口都可与ds18b20连接，设计中是将ds18b20的数据引线dq与单片机的p 1.7相连。ds18b20使用外接电源，r1为上拉电阻。只占用单片机的一个i/o接口，每个ds18b20都可以设置成数据总线和外部供电两种供电方式，采用总线供电可以减少一根导线，但测量时间较长，而外部供电速度较快。其接口电路图如下图3-4所示。图3-4at89c51与ds18b20连接图ds18b20的初始化是由单片机控制的，主机发出一个复位脉冲接着释放总线并进入接收状态，ds18b20会在检测到的上升沿等待1560s，然后发送一个低电平的脉冲响应主机，接下来初始化完成。接下来再对ds18b20进行写时序和读时序操作即完成对ds18b20的设置。第四章 显示系统、报警系统及键盘控制的硬件设计4.1显示系统硬件的设计 4.1.1 led显示器件的工作原理七段led显示器是由7个led按一定的图形排列组成，各个二极管分别称为a、b、c、d、e、f、g段，有些七段显示器增加一个dp段表示小数点，也称为八段led显示器。七段led显示器有两种结构：共阴极七段led显示器和共阳极七段led显示器。所有二极管的阴极接在一起的称为共阴极七段led显示器；所有二极管的阳极接在一起的称为共阳极led显示器。共阳极七段led显示器工作时，二极管的公共阳极接向电平“1”，各段的阴极接与共阳七段码相对应的电平。共阴极七段led显示器工作时，其公共极接到低电平，其他的阳极接与共阴极七段码相对应电平。电阻的作用是限制流过led中的电流以保证在发光时，二极管不因电流过大而被烧坏。将数码管的引脚和单片机的数据输出口相连，控制输出的数据可以使数码管显示不同的数字和字符，通常称控制发光二极管的8位字节数据为段选码。七段led段选码如表4-1所示。可以看出，共阳极和共阴极的段选码互为补数。表4-1显示字符共阴极段选码共阴极段选码显示字符共阴极段选码共阴极段选码03fhc0hc3ehc6h106hf9hd5ehah25bha4he79h86h34fhb0hf71h8eh56dh92hu3ehc1h67dh82hr31hceh707hf8hy6eh91h87fh80h8.ffh00h96fh90h“灭”00hffha77h88h/b7ch83h4.1.2 led显示电路设计led的显示分静态方式和动态方式。在静态方式下，n块显示器件都处于选通状态：每一块显示器件的段选线和一个8位的并行口相连，只要控制显示位的段选码，就可以显示出相应的字符。由于显示器件由不同的i/o口控制，所以静态显示方式中的每一位都可以独立显示，在同一时刻每一位显示的字符可以各个不相同。led动态显示就是将所有显示位的段选线并联在一起，有一个8位i/o口控制，而位选线则有其他的i/o口控制，通过程序控制，不断循环输出相应的段选码和位选码。由于人的视觉效应，就可以获得视觉稳定的显示状态。其串行动态led扫描电路如下图4-1所示。图4-1本设计采用at89c51单片机，同时用廉价易得的74ls164和74ls138作为扩展芯片。74ls164是一个8位串入的移位寄存器，其此处的功能是将串行通信口输出的串行数据译码并在其并口线上输出，从而驱动led数码管。74ls138是一个3-8译码器，它将单片机输出的地址信号译码后动态驱动相应的led。但74ls138电流驱动能力小，为此，使用了末级驱动二极管2sa1015作为地址驱动。4.2 按键的选用4.2.1按键设计键盘按结构的不同可分为独立式键盘和行列式键盘两类，每类按译码方式的不同，又分为编码式和非编码式两种。单片机中一般使用的都是用软件来识别和产生键代码的非编码键盘。行列式键盘的编码方式由静态和动态两种。静态接口主要由一个行编码器和一个列编码器构成。动态接口可采用计数器、译码器和数据选择器构成。这两种键盘由硬件完成键的编码任务。本设计采用独立式按键方式，主要通过4个键：s1、s2、s3、s4来实现指定显示某一电路，当s1断开时，为巡回检测电路，当s0闭合时，指定显示电路的通道数与s2、s3、s4的关系见下表4-2所示。表4-2 表中键对应的通道数“1”表示键闭合“0”表示键断开s4s3s2s1对应通道数000f0001f1010f2011f3100f4101f5110f6111f7各键功能如下表4-3所示。表4-3 各键功能通道键名功能f0巡回检测f1第一路温度按键按下，led数码管显示第一路温度f2第二路温度按键按下，led数码管显示第二路温度f3第三路温度按键按下，led数码管显示第三路温度f4第四路温度按键按下，led数码管显示第四路温度f5第五路温度按键按下，led数码管显示第五路温度f6第六路温度按键按下，led数码管显示第六路温度f7第七路温度按键按下，led数码管显示第七路温度4.2.2键盘和单片机的接口电路at89c51单片机工作在串行口方式0下（移位寄存器方式），p3.0（rxd）为数据输出端，p3.1（txd）为移位脉冲输出端，p1.4为74ls164允许输出控制端。串行口发送缓冲区的数据在移位脉冲的作用下，一位一位地从p3.0口移入到74ls164中，并在控制信号的控制作用下，通过led数码显示管显示。其连接电路如下图4-3所示。图4-34.3 报警电路设计报警控制电路采用压电式蜂鸣器作发声体，用三极管对蜂鸣器发声进行控制。压电蜂鸣器的工作原理：压电蜂鸣器以压电陶瓷制作而成。压电陶瓷是一类有将压力与电流相互转换能力的特殊陶瓷。当压电陶瓷在一定方向上受到一个压力使其晶体结构发生形变时，它就会在内部产生一个电流，电流的变化与压力的变化密切相关。反之，当在压电陶瓷上加上一定频率的电压，就会在内部产生一定频率的电流，从而就会引起压电陶瓷微小形变，这一形变带动空气发生振动。如果频率适当，就产生蜂鸣声，可以被人耳听见。报警控制电路工作过程：报警控制信号由单片机at89c51的p3.7端输出，通过一个限流电阻加到三极管c945的基极。当p3.7端的输出信号发生变化时，则三极管c945将交替的工作于截止、饱和状态，形成高低电平的波，从而使压电蜂鸣器发出声音。报警控制电路结构：报警控制电路由单片机at89c51的p3.7端作输出，通过一个限流电阻与三极管c945的基极相连接。三极管c945集电极连接压电蜂鸣器（buzzer）的一端。压电蜂鸣器的另一端连接电源。报警控制电路如图4-4所示。 图4-4 报警控制电路图4.4系统的电源电路设计由于该系统需要稳定的5v电源，因此设计时必须采用能满足电压、电流和稳定性要求的电源。该电源采用三端集成稳压器lm7805。它仅有输入端、输出端及公共端3个引脚，其内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路，由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作为稳压电源。电源电路图如下图4-5所示。图4-5第五章 系统的软件设计5.1数字式温度传感器ds18b20程序设计5.1.1温度数据的处理方法从ds18b20读取的二进制值必须先转换成十进制值，才能用于字符的显示。ds18b20的转换精度为912位可选，为了提高精度采用12位。在采用12位转换精度时，温度寄存器里的值是以0.0625为步进的，即温度值为温度寄存器里的二进制值乘以0.0625，就是实际的十进制温度值。温度与表示值对应关系如下表5-1所示。5-1 ds18b20温度与表示值对应表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007d0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000a2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000fff8h-10.1251111 1111 0101 1110ff5eh-25.06251111 1110 0110 1111fe6fh-551111 1100 1001 0000fc90h通过观察表可以发现，一个十进制值与二进制值间有很明显的关系，就是把二进制的高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一字节，这个字节的二进制值化为十进制后，就是温度值的百、十、个位值，而剩下的低字节的低半字节化成十进制后，就是温度值的小数部分。因为小数部分是半字节，所以二进制值的范围是0f，转换成十进制小数值就是0.0625的倍数。这样需要4位的数码管来显示小数部分。实际应用不必有这么高的精度，采用1位数码管来显示小数，可以精确到0.1。下表5-2就是二进制与十进制的近似对应关系表。 5-2 二进制与十进制的近似对应关系表小数部分二进制值0123456789abcdef十进制值0011233455667889 5.1.2 db18b20的程序设计该程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序和显示数据刷新子程序等。主程序的功能是负责温度的实时显示、读出并处理ds18b20的测量温度值。温度测量每1s进行一次。主程序流程图如图5-3所示。读出温度子程序的主要功能是读出ram中的9字节。在读出时须进行crc校验，校验有错时不进行温度数据的改写。读出温度子程序流程图如图5-3所示。图5-3温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令。当采用12位分辨率时，转换时间约为750ms。在本设计中，采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如图5-4所示。计算温度子程序将ram中读取值进行bcd码的转换运算，并进行温度值正负的判定。计算温度子程序流程图如图5-4所示。显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高数据显示位为0时，将符号显示位移入下一位。显示数据刷新子程序流程图如图5-4所示。图5-45.2 led动态显示程序设计动态显示程序如下图5-5所示。 图5-55.3报警系统的程序设计 报警程序主要有以下几个步骤组成：（1）采样被测参数（2）比较采样值和给定的上下限（3）根据比较结果执行相应的处理程序。报警处理程序，只有采样值连续3次异常时，系统才报警处理。报警程序的设计思想是预设允许的连续异常的次数n，将采样值和预先设定的报警值进行比较，如果发现采样值超过报警值，则判断上一次采样值是否正常。如果正常，则重置允许的连续不正常的次数n，并设置本次采样不正常标志，然后继续采样。如果上一次采样值不正常，则判断是否连续n次采样异常，不是则设置本次采样不正常标志，以及计算机允许的连续异常次数，然后继续采样，否则发出执行报警处理程序。设上限报警值存放在amax单元，下限报警值存放在amin单元，采样值存放在samp单元，允许的连续异常次数存放在num单元，flag为上次采样异常标志位，flag=0，上次采样正常；flag=1，上次采样异常。报警程序流程图如下图5-6所示： 图5-6结 论数字式多路温度采集系统具有温度采集、显示、简单的人机对话及报警功能。它的测温范围宽（-55+125），测量精度可通过编程调节，最高精度可达到0.0625/lsb。用ds18820测量温度，在其内部就能进行a/d转换，输出数字量与单片机直接通讯，无需外加a/d转换器，转换速度快，降低了成本，而且简化了电路，提高了系统的集成度，使其满足了最简的要求。这个温度传感器稍加改良，配合半导体制冷器还能实现高精度的温度控制功能。例如当环境温度达到一定值时，通过软件编程进行判断，从主控制器的一个i/o端口输出一个控制指令，去驱动外部的控制电路工作，从而调节环境温度，使环境温度达到人们所需的要求。由此构成的单片机控制的单总线温度多路采集控制系统比传统的测温系统可靠性高，易于构成网络控制，适用于各种温度检测与控制系统，具有实用价值和推广价值。致 谢经过几个月的努力，在指导教师万丽莉及同学的帮助下，顺利完成了毕业设计。毕业设计是对大学四年所学知识的综合运用，也是理论走向实践的第一步。在此设计过程中，扩展了知识面，增强了独立思考和自学的能力，为以后走向工作岗位奠定了基础。在此首先感谢母校华锐学院的辛勤培育之恩；其次，感谢理工系给我提供了很好的设计环境，使我的设计得以顺利的进行。最后，感谢设计指导老师万丽莉，在题目选定、总体方案确立、资料收集与提供等方面给予了悉心指导和大力帮助，并对本系统的论文多次进行认真审阅、批注，提供了许多宝贵的修改意见。另外我还得到了同班同学的支持和鼓励，对这些同学表示诚挚的谢意，也对参考书的作者表示感谢。参考文献1谭浩强.c语言程序设计（第二版）.m.北京：清华大学出版社2 楼然苗等.单片机课程设计指导.m.北京：北京航空航天大学出版社3杜树春.单片机c语言和汇编语言混合编程实践.m.北京：北京航空航天大学出版社4祁伟等.单片机c51程序设计教程与实验.m.北京：北京航空航天大学出版社5 李全利等.单片机原理及应用.m.北京：清华大学出版社6朱群峰等.基于ds18b20的多路温度采集系统.j.湖南邵阳7张海.基于at89c51和ds18b20的最简温度测量系统.j.现代电子技术8冀勇刚等.基于单总线温度传感器的多点测温系统设计.j.现代电子技术9杨丽君.at89c51单片机控制的多路温度检测系统.d.本溪市高等职业专科学校程 序：* 本程序主要是读出多个ds18b20芯片转换后的温度值，这里用两个ds18b20芯片。单片机的p1.7脚接ds18b20的dq脚。第一个ds18b20芯片的温度值放在50h和51h单元（高字节在50h中），第二个ds18b20芯片的温度值放在52h和53h单元（高字节在52h中）。本程序适合多个ds18b20和51单片机的连接，晶振频率为12mhz。*dq equ p1.7org oooohajmp mainorg oo20hmain: mov sp,#60h lcall get_temp sjmp get_temp: clr psw.4 setb psw.3 ;设置工作寄存器当前所在工作的区域 clr ea ;使用ds18b20一定要禁止任何中断产生 lcall int ;调用初始化子程序 mov a,#0cch lcall write ;送入跳过rom命令 mov a,#44h lcall write ;送入温度转换命令 lcall int ;温度转换完全，再次初始化ds18b20 mov a,#55h lcall write ;送入匹配rom命令 mov a,#28h lcall write ;发第一个ds18b20序列号（28h,10h,46h,e2h,00h,00h,00h,7eh） mov a,#1oh lcall write mov a,#46h lcall write mov a,#0e2h lcall write mov a,#00h lcall write mov a,#ooh lcall write mov a,#00h lcall write mov a,#7eh lcall write mov a,#0beh lcall write ;送入读温度暂存器命令 lcall read mov 51h,a ;读出温度值低字节存入51h lcall read mov 50h,a ;读出温度值高字节存入50h lcall int ;再次