应用电子毕业设计.doc

娄底职业技术学院娄底职业技术学院 1 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 毕业论文毕业论文 课题课题 数字温度计数字温度计 系系 部部 电子信息工程系电子信息工程系 专专 业业 名名 称称 应用电子应用电子 班班 级级 姓姓 名名 学学 号号 指指 导导 教教 师师 20112011 年 1212 月 1010 日 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 摘要 摘要 本文研制的数字式定时温控系统是一个基于单总线数字式温度传感器 DS18B20 以单片机芯片为核心的系统 该系统具有对温度的实时检测功能 实 时日历时钟 温度和时间数值的设定等功能 该系统可以应用于发面 菜窖温 度控制及保健等领域 本文首先对测温技术 温度控制技术的现状进行了介绍 对各种控制理论 方案进行了简单的分析与比较 其次根据用户提出的总体要求和技术指标 从 工程应用的角度出发 以发面器为主要应用对象进行了硬件部分的设计和选型 软件的设计与分析 且在实现中遵循了简单 经济 实用的原则 然后详细介 绍了本系统所用各芯片的特点 工作原理 应用及其与单片机间的通信协议 最后本文对实验 调试和实践应用过程中出现的问题 误差及采用的抗干扰措 施进行了分析和讨论 关键词 DS18B120 温度传感器 AT89S52 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 目录目录 摘要 1 1 绪论 2 2 系统功能 2 3 基本原理 2 4 硬件电路 3 5 软件设计 4 6 电路制作 5 7 电路板制作 6 8 元件焊接 7 9 调试 8 10 结论 9 11 收获体会 9 12 致谢 9 13 参考文献 10 附录 A 电路元器件清单 附录 B 电路原理图 附录 C PCB 图 附录 D 软件程序 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 1 1 绪论 绪论 本文设计的简单实用的数字式温度测控系统 亦可广泛应用于各种定时 温 度控制领域 如工业工控过程的温度控制温 它以 AT89S52 单片机为核心 实 现对温度信号的采集和显示 在温度信号的采集方面 利用单总线数字度传感 器的特点及功能实现对温度的采集 与传统的热敏电阻相比 它能够直接读出 被测温度 并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9 12 位的数字值读数方式 可在 55 125 的范围内测量温度 从中央处理器到 DS18B20 仅需连接一条 信号线 和地线 其指令信息和数据信息都经过单总线接口与 DS18B20 进行数 据交换 且每个 DS18B20 有唯一的系列号 因此同一条单总线上可以挂接多个 DS18B20 构成主从结构的多点测温传感器网络 而在显示方面采用数码管显 示 此系统具有结构简单 价格低廉 易于操作及系统扩展 性价比高等特点 它利用 89S52 单片机的强大功能和可扩充性为后盾 可实现对某一路温度和温 度的上下限进行有效的控制与输出 2 2 系统功能 系统功能 1 采用AT89S52单片机和DS18B20温度传感器通信 控制温度的采集过程和进 行数据通信 2 利用数码管显示测量的温度值 3 编写C51程序 完成单片机对温度数据的采集过程以及与DS18B20数据传输 过程的控制 3 3 基本原理 基本原理 DS18B20 与单片机之间采用串行通信的方式进行数据读写与系统的调试及性能 的分析 DS18B20 包括单片机最小系统 温度传感器 和显示电路 温度传感器 DS18B20 将被测坏境温度转化为带符号的数字信号 单片机对接收到的数字信 号进行变换 转换成实际的温度值并送至数码管显示 AT89C52 是整个电路装 置的控制核心 当计数门打开时 DS18B20 就对温度系数振荡器产生脉冲后进 行计数 进而完成温度测量 DS18B20 数字温度传感器是 Dallas 公司生产的 1 Wire 即单总线器件 具有线路简单 体积小的特点 因此用他组成一个测温 系统 具有线路简单 在 1 根通信线可以挂很多这样的数字温度传感器 十分 方便 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 4 4 硬件电路 硬件电路 根据系统的控制要求 选择AT89S52单片机 包括数字温度传感器的数据采集 数据处理 晶振复位和温度显示电路 系统电路原理图如下所示 系统由3 个模块组成 主控制器 测温电路和显示电路 结构框图1 1所示 图 1 1 1 主控制器 单片机使用AT89S52 易于调试及烧录 AT89S52是一个低功耗 高性能CMOS 8位单片机 片内含8k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器 器件采用ATMEL公 司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准MCS 51指令系统及80C51引脚结 构 芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元 功能强大的微型 计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案 AT89S52具有如下特点 40个引脚 8k Bytes Flash片内程序存储器 256 bytes的随机存取数据存储器 RAM 32个外部双向输入 输出 I O 口 5个 中断优先级2层中断嵌套中断 2个16位可编程定时计数器 2个全双工串行通信 口 看门狗 WDT 电路 片内时钟振荡器 此外 AT89S52设计和配置了振荡 频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式 空闲模式下 CPU暂停工作 而RAM定 时计数器 串行口 外中断系统可继续工作 掉电模式冻结振荡器而保存RAM的 数据 停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位 同时该芯片还具有 PDIP TQFP和PLCC等三种封装形式 以适应不同产品的需求 时钟电路 时钟 电路为单片机产生时序脉冲 单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉 冲的驱动下的进行的 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 EA VPP 31脚 为内外程序存储器选择控制引脚 当EA为低电位时 单片机 从外部程序 存储器取指令 当EA接高电平时 单片机从内部程序存储器取指令 把EA接到 5V高电平 让单片机运行内部的程序 复位电路 在复位引脚 9脚 脚持续 出现24个振荡器脉冲周期 即2个机器周期 的高电平信号将使单片机复位 如 下图所示电容C和电阻R构成了单片机上电自动复位电路 2 显示电路 显示电路采用4位共阳LED数码管 从P1口输出段码 列扫描 用P3 0 P3 3来实现 列驱动用8055三极管 5 5 软件设计 软件设计 基于DS18B20数字温度传感器的软件设计采用C51编写程序 主要完成DS18B20 的测量温度值计算及温度值的显示功能 其采用模块化设计 程序设计包括系 统初始化 复位程序 读取温度程序 温度转换程序 数码管显示程序和延时 程序 其总体流程图1 2所示 开始 初始化 DS18B20 读取 DS18B20 检测 发送跳过 ROM 指令 I 1 等待 DS18B20 复位 读取 显示温度 数据 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 图 1 2 6 6 电路制作 电路制作 电路制作包括电路板设计和电路板加工制作两个过程 1 电路板设计 本实训电路板设计采用Protel设计软件 Protel设计电路板最基本的过程可 分为三大步骤 1 电路原理图的设计 电路原理图的设计主要是利用Protel软件的原理图设计系统来绘制一张电路原 理图 在这一过程中 要充分利用Protel设计软件所提供的各种原理图绘图工 具 各种编辑功能 来实现我们的目的 即得到一张正确 精美的电路原理图 2 产生网络表 网络表是电路原理图设计 SCH 与印制电路板设计 PCB 之间的一座桥梁 它是电路板自动布线的灵魂 网络表可以从电路原理图中获得 也可从印制电 路板中提取出来 3 印制电路板设计 PCB设计是以电路原理图为根据 PCB设计决定印制板的固有特性 在一定程度 上也决定了印制板的制造 安装和维修的难易程度 同时也影响印制板的可靠 性和成本 PCB设计基本流程 建立元器件封装库 原理图输入 网表生成 PCB叠层结 构设计 材料工艺选择 PCB外形设计 器件布局 布线设计 规则检查 工艺性设计 拼板设计 CAM数据输出 PCB设计注意事项 设计环境设置 进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境 包括设置格点大小和类型 光 标类型 版层参数 布线参数等等 大多数参数都可以用系统默认值 而且这 些参数经过设置之后 符合个人的习惯 以后无须再去修改 规划电路版 主 要是确定电路版的边框 包括电路版的尺寸大小等等 在需要放置固定孔的地 方放上适当大小的焊盘 对于3mm 的螺丝可用6 5 8mm 的外径和3 2 3 5mm 内 径的焊盘对于标准板可从其它板或PCB izard 中调入 注意 在绘制电路版地边框前 一定要将当前层设置成Keep Out层 即禁止布 线层 零件布局布线的关键是布局 多数设计者采用手动布局的形式 用鼠标选中 发送 DS18B20 编码 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 一个元件 按住鼠标 左键不放 拖住这个元件到达目的地 放开左键 将该 元件固定 Protel99新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐 零件布局 应当从机械结构散热 电磁干扰 将来布线的方便性等方面综合考 虑 先布置与机械尺寸有关的器件 并锁定这些器件 然后是大的占位置的器 件和电路的核心元件 再是外围的小元件 布线规则设置布线规则是设置布线的各个规范 这个步骤不必每次都要设置 按个人的习惯 设定一次就可以 a 安全间距 Clearance Constraint 设置它规定了板上不同网络的走线焊盘 过孔等之间必须保持的距离 一般板子可设为0 254mm 较空的板子可设为 0 3mm 较密的贴片板子可设为0 2 0 22mm 极少数印板加工厂家的生产能力在 0 1 0 15mm 0 1mm 以下是绝对禁止的 b 走线层面和方向 的Routing Layers 设置 此处可设置使用的走线层和每层的主要走线方向 请注意贴片的单面板只用顶 层 直插型的单面板只用底层 但是多层板的电源层不是在这里设置的 机械 层也不是在这里设置的 机械层1 一般用于画板子的边框 机械层3 一般用于画板子上的挡条等机械结构件 机械层4 一般用于画标尺和注释等 具体可自己用PCB Wizard 中导出一个 PCAT结构的板子看一下 c 过孔形状 Routing Via Style 设置它规定了手工和自动布线时自动产生 的过孔的内 外径 均分为最小 最大和首选值 其中首选值是最重要的 d 走线线宽 Width Constraint 设置它规定了手工和自动布线时走线的宽度 整个板范围的首选项一般取0 2 0 6mm 另添加一些网络或网络组 Net Class 的线宽设置 如地线 5 伏电源线 交流电源输入线 功率输出线和 电源组等 网络组可以事先在Design Netlist Manager中定义好 地线一般可 选1mm 宽度 各种电源线一般可选0 5 1mm 宽度 印板上线宽和电流的关系大 约是每毫米线宽允许通过1安培的电流 具体可参看有关资料 当线径首选值太 大使得SMD 焊盘在自动布线无法走通时 它会在进入到SMD 焊盘处自动缩小成 最小宽度和焊盘的宽度之间的一段走线 其中Board 为对整个板的线宽约束 它的优先级最低 即布线时首先满足网络和网络组等的线宽约束条件 7 7 电路板制作 电路板制作 完成PCB设计后就可以进行电路板生产制作 电路板制作可以用机械雕刻方法也 可以用化学蚀刻方法 本实训采用化学方法生产双面电路板 其生产流程为 裁板 打孔 刷板 孔金属化 出片 涂曝光油墨 烘干 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 加正片曝光 显影 镀铅 脱膜 碱性腐蚀 褪铅 涂阻焊油墨 烘干 加焊盘片曝光 显影 镀锡 做字符丝网 涂字符油墨 21 烘干 具体各步骤所使用的设备及工艺过程需要大家在PCB制作实训过程中学习和体会 8 8 元件焊接 元件焊接 电路板做好后经检验若没有质量问题就可以进行元器件的焊装 本实训对于贴 片 SMT 元件 采用自动焊接 采用回流焊工艺的SMT焊接流程为 焊膏印刷 贴片 回流焊接 对于插件 采用手工焊接 手工焊接最常用的工具是电烙铁 一般来说 电烙 铁的功率越大 热量越大 烙铁头的温度也就越高 一般的晶体管 集成电路 电子元器件焊接选用20W的内热式电烙铁足够了 功率过大容易烧坏元件 因为 二极管 三极管结点温度超过200 就会烧坏 线路焊接时 时间不能太长也不 能太短 时间过长也容易损坏 而时间太短焊锡则不能充分融化 造成焊点不 光滑不牢固 还可能产生虚焊 一般来说最恰当的时间必须在1 5s 4s内完成 1 焊前准备 电子元件在焊接前 必须先成型再焊接 焊接前 应对元件引脚或电路板的焊接部位进行焊前处理 清除焊接部位的氧化层 可用断锯条制成小刀 刮去金属引线表面的氧化层 使引脚露出金属光泽 印刷电路板上的焊疤处涂上一层松香酒精溶液 元件镀锡 在刮净的引线上镀锡 可将引线蘸一下松香酒精溶液后 将带锡的 热烙铁头压在引线上 并转动引线 即可使引线均匀地镀上一层很薄的锡层 导线焊接前 应将绝缘外皮剥去 再经过上面两项处理 才能正式焊接 若是 多股金属丝的导线 打光后应先拧在一起 然后再镀锡 2 手工焊接基本方法 右手持电烙铁 左手用尖嘴钳或镊子夹持元件或导线 焊接前 电烙铁要充 分预热 烙铁头刃面上要吃锡 即带上一定量焊锡 将烙铁头刃面紧贴在焊点处 电烙铁与水平面大约成60 角 以便于熔化的 锡从烙铁头上流到焊点上 烙铁头在焊点处停留的时间控制在2 3秒钟 抬开烙铁头 左手仍持元件不动 待焊点处的锡冷却凝固后 才可松开左手 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 用镊子转动引线 确认不松动 然后可用偏口钳剪去多余的引线 焊接时 要保证每个焊点焊接牢固 接触良好 好的焊接质量应该是焊点光滑 圆润 大小适度 均匀 无毛刺 锡量适中 锡和被焊物融合牢固 无虚焊 焊脚在焊点外留长1 2mm 3 电烙铁使用注意事项 使用前 应认真检查电源插头 电源线有无损坏 并检查烙铁头是否松动 有良好的接地 防漏电击穿和损坏元器件 另外还要有防静电措施 保持清洁 去除烙铁头的氧化物 8 不要空烧 不用的烙铁应切断电源 避免烙铁的电热丝烧坏 电烙铁使用中 不能用力敲击 要防止跌落 烙铁头上焊锡过多时 可用布 擦掉 不可乱甩 以防烫伤他人 焊接过程中 烙铁不能到处乱放 不焊时 应放在烙铁架上 注意电源线不可搭在烙铁头上 以防烫坏绝缘层而发生事故 使用结束后 应及时切断电源 拔下电源插头 冷却后 再将电烙铁收回工 具箱 吸锡 将元器件的引脚焊锡去掉 可借助吸锡器完成 也可用加热电烙铁配 合多股细铜线点醮松香吸锡 待锡流到多股细铜丝后 可见焊点的锡基本清除 9 9 调试 调试 测试仪器 直流稳压电源 数字万用表 温度计 编程器 1 程序下载 利用编程器下载程序 2 硬件测试 硬件调试首先检查电路的焊接是否正确 然后用万用表测试或通电检测 3 软件测试 利用标准温度计检测自制数字温度计的测量显示值 改变传感器环境温度 观 察温度的变化情况 1010 结论 结论 经过一个月的方案论证 系统的硬件和软件的设计 系统的调试 查阅了 大量的关于单片机接口电路以及控制方面的理论 经过一番体验后 有失败的 痛苦 但也有成功的喜悦 第一次用所学的知识来解决问题 检查了自己的知 识水平 是我对自己有一个全新的认识 通过这次设计 不仅锻炼了自己分析 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 问题 处理问题的能力 还提高了自己的动手能力 这些培养和锻炼对于我来 说很总要 通过分析表明 本系统是一个性价比较好的系统 不论对于生产者还是使 用者来说 都有好的经济效益 而此设计成本低 能够很稳定的控制温度 本次设计基本上达到了本次设计的要求 实现了温度的控制 1111 收获体会 收获体会 三年的学习很快就要结束了 通过这次毕业设计 我学到了很多东西 由 于平时疏于操作 在写程序上遇到了很大困难 查了好多资料 请教了好多的 同学才勉强做好了 尽管这样还是发了不少时间 但比较高兴的是我完整的把 这次毕业设计做好了 通过这次的毕业设计 我认识到自己的专业水平还有很多的不足 通过 这次毕业设计我找到信心 只要有恒心 坚持不懈 不管什么困难都是可以克 服的 这对我在今后的学习工作有了很大的帮组 1212 致谢致谢 本文是在导师刘老师的精心指导和耐心帮助下完成的 刘老师渊博的学识 严谨的治学的态度 精益求精的精神 一丝不苟的工作作风 随和待人的高尚 品质给我留下了深刻的印象 成为我学习的榜样 并激励我不断进取 使我尽 最大努力不断进步 在此谨向我的导师刘理云老师致以崇高的敬意和衷心的感 谢 在这里也向所有给予我关心和帮助的同学 朋友们表示谢意 最后 在完 成这篇论文的过程 我自觉和不自觉的参考了许多文献 对于这些文献的作者 虽然在此不可能一一提及 但是对他们每一位表示最诚挚的谢意 1313 参考文献参考文献 1 楼然苗 李光飞编著 51 系列单片机设计实例 M 北京航天航空大学出 版社 2 先锋工作室 单片机程序设计实例 M 清华大学出版社 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 3 吴金戌 沈庆阳 郭庭吉编著 8051 单片机实践与应用 M 清华大学出版 社 4 梅丽凤 单片机原理及接口技术 M 清华大学出版社 2004 年 5 张迎新 单片微型记数机原理 应用接口技术 M 国防工业出版社 1993 年 6 李全利 单片机原理及应用技术 M 高等教育出版社 2001 年 何立民 单片机应用系统设计 M 京航空航天大学 附录附录 附录附录A A 电路元器件清单电路元器件清单 序号元件名称型号与规格单位数量 R1 10K 只 1 1 电阻 R15 排阻 10K只 1 2 电解电容 C11 10 F 16V 只 1 3 磁片电容 C3 C4 30P C1 C7 104 只 只 2 2 4 晶振 12MHz 只 1 6 单片机 AT89S51 块 1 7 集成电路插座40 脚块 1 8 按钮12 12 轻触只 1 9 二极管 D14 13 12 11 D24 23 22 21 D34 33 32 31 1N4007 D10 1N4148 只 12 10 数码管1 位 SM410501K只 3 11 线路板单面 PCB只 1 12 传感器 DS18B20 只 1 附录附录B B 电路原理图电路原理图 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 附录附录C C PCBPCB图图 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 附录附录D D 软件程序软件程序 TEMPER L EQU 59H TEMPER H EQU 58H FLAG1 EQU 68H 是否检测到 DS18B20 标志位 A BIT EQU 50H 数码管个位数存放内存位置 B BIT EQU 51H 数码管十位数存放内存位置 XS EQU 30H 程序入口地址 ORG 0000H LJMPmain ORG 0003H RETI ORG 000BH 定时器 T0 溢出中断入口 RETI ORG 001BH RETI ORG 0030H MAIN LCALL GET TEMPER 调用读温度子程序 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 MOV A 29H MOV B A CLR C RLC A CLR C RLC A CLR C RLC A CLR C RLC A SWAP A MOV 31H A MOV A B MOV C 40H 将 28H 中的最低位移入 C RRC A MOV C 41H RRC A MOV C 42H RRC A MOV C 43H RRC A MOV 29H A LCALL DISPLAY 调用数码管显示子程序 AJMP MAIN 这是 DS18B20 复位初始化子程序 INIT 1820 SETB P3 7 NOP CLR P3 7 主机发出延时 537 微秒的复位低脉冲 MOV R1 3 TSR1 MOV R0 107 DJNZ R0 DJNZ R1 TSR1 SETB P3 7 然后拉高数据线 NOP NOP NOP MOV R0 25H TSR2 JNB P3 7 TSR3 等待 DS18B20 回应 DJNZ R0 TSR2 LJMP TSR4 延时 TSR3 SETB FLAG1 置标志位 表示 DS1820 存在 LJMP TSR5 TSR4 CLR FLAG1 清标志位 表示 DS1820 不存在 LJMP TSR7 TSR5 MOV R0 117 娄底职业技术学院娄底职业技术学院 2 2 1 TSR6 DJNZ R0 TSR6 时序要求延时一段时间 TSR7 SETB P3 7 RET 读出转换后的温度值 GET TEMPER SETB P3 7 LCALL INIT 1820 先复位 DS18B20 JB FLAG1 TSS2 RET 判断 DS1820 是否存在 若 DS18B20 不存在则返回 TSS2 MOV A 0CCH 跳过 ROM 匹配 LCALL WRITE 1820 MOV A 44H 发出温度转换命令 LCALL WRITE 1820 这里通过调用显示子程序实现延时一段时间 等待 AD 转 换结束 12 位的话 750 微秒 LCALL DISPLAY LCALL INIT 1820 准备读温度前先复位 MOV A 0CCH 跳过 ROM 匹配 LCALL WRITE 1820 MOV A 0BEH 发出读温度命令 LCALL WRITE 1820 LCALL READ 18200 将读出的温度数据保存到 35H 36H RET 写 DS18B20 的子程序 有具体的时序要求 WRITE 1820 MOV R2 8 一共 8 位数据 CLR C WR1 CLR P3 7 MOV R3 6 DJNZ R3 RRC A MOV P3 7 C MOV R3 23 DJNZ R3 SETB P3 7 NOP DJNZ R2 WR1 RET 读 DS18B20 的程序 从 DS18B20 中读出两个字节的温