基于DS18B20数字温度计的设计

本科学生毕业论文 设计 题目 中 文 基于DS18B20数字温度计的设计 The design of digital thermometer Based 英 文 on DS18B20 姓 名杨宁波 学 号 院 系 物理与电子工程系 专业 年级电子信息工程 2004级 指导教师杨 熙 2008年 5 月 10 日 II 湖南科技学院本科毕业论文 设计 诚信声明 本人郑重声明 所呈交的本科毕业论文 设计 是本人在指导 老师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 成果不存在知识 产权争议 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担 本科毕业论文 设计 作者签名 二 八 年 月 日 A 湖南科技学院本科毕业论文 设计 任务书 1 主题词 关键词 DS18B120 单片机 温度传感器 单线技术 2 毕业论文 设计 内容要求 采用美国 DALLAS 半导体公司的 DS18B20 为检测元件 以 AT89S52 系列单片机为控制 部件来设计数字温度计 并用 LED 数码管来显示温度结果 本设计包括搭建硬件电路和软件 设计 B 3 文献查阅指引 1 楼然苗 李光飞 51 系列单片机设计实例 北京 航天航空大学出版社 2 梅丽凤 单片机原理及接口技术 北京 清华大学出版社 3 何立民 单片机应用系统设计 北京 航空航天大学出版社 4 陈杰 传感器与检测技术 北京 高等教育出版社 5 Transistors fundamentals for the integrated circuit engineer M New York Wiley 1983 4 毕业论文 设计 进度安排 1 2007 12 月 1 月 收集相关资料 完成开题报告 2 2008 2 月 3 月 确定设计方案 编写程序并进行调试 3 2008 3 月 4 月 撰写论文 4 2008 年 5 月 定稿 准备答辩 教研室意见 负责人签名 注 本任务书一式三份 由指导教师填写 经教研室审批后一份下达给学生 一份交指导教师 一份留系里存档 C 湖南科技学院本科毕业论文 设计 开题报告书 论文 设计 题目基于DS18B20 数字温度计的设计 作 者 姓 名杨宁波 所所属属系系 专专业业 年年 级级 物理与电子工程系系 电子信息工程专专业业 2004 年年级级 指导教师姓名 职 称 杨熙 助教预计字数预计字数10000开题日期开题日期2008 1 15 选题的根据 1 说明本选题的理论 实际意义 2 综述国内外有关本选题的研究动态和自己的见解 1 选题的理论和实际意义 在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制 传统的测温元件有热电偶和热电阻 而热电偶和热电阻测出的一般都是电压 再转换成对应的温度 需要比较多的外部硬件支持 硬件 电路复杂 软件调试也复杂 制作成本较高 本数字温度计设计采用美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后推出的一种改进型智能温度传感器 DS18B20 作为检测元件 可以直接读出被测温度值 而且采用三线制与单片机相连 减少了外部的硬件电路 具有低成本和易使用的特点 2 国内外研究现状分析和自己的见解 最早的温度计是在 1593 年由意大利科学家伽利略发明的 他的第一只温度计是一根一端敞口的 玻璃管 另一端带有核桃大的玻璃泡 这种温度计 受外界大气压强等环境因素的影响较大 所以 测量误差大 荷兰人华伦海特在 1709 年利用酒精 在 1714 年又利用水银作为测量物质 制造了更 精确的温度计 把一定浓度的盐水凝固时的温度定为 0 把纯水凝固时的温度定为 32 把标准 大气压下水沸腾的温度定为 212 用 代表华氏温度 这就是华氏温度计 随着科学技术日益迅速的发展 数字监控系统已经深入到生活的各个方面 它具有技术效果好 经济效益高 维修方便等许多优点 数字温度计与传统的温度计相比 也具有读数方便 测温范围 广 测温准确的优势 对其进行研究和设计 可使我们更加熟练掌握单片机编程及 PROTEL 的使用 有利于将所学的专业知识更好地应用于实践中 主要内容 1 功能要求和方案设计 2 系统硬件电路的设计 3 系统程序的设计 4 调试及性能分析 D 研究方法 1 理论准备阶段 理解题目 研究题目所涉及到的内容 能够较好的掌握有关题目的知识 2 确定系统各个模块 理清各个模块之间的关系 并开始进行硬件电路的资料收集和设计 3 根据系统控制过程完成软件设计部分 绘制出流程图 4 调试并整理论文 完成期限和采取的主要措施 完成期限 2007 年 12 月到 2008 年 5 月 主要措施 严格遵照 湖南科技学院毕业论文 设计 工作管理办法 的指示精神 结合个人的实际情况 完成这项设计所采取的主要措施有两条 一是密切联系 联系本组设计成员及毕业设计指导导师 寻求有关毕业设计信息 确定设计课题方向与设计内容 二是虚心学习 利用课余时间到图书馆 和网络上查阅资料 并虚心向老师请教和同学进行学习交流 保障毕业设计的顺利完成 主要参考资料 主要参考资料 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 北京 清华大学出版社 3 吴金戌 沈庆阳 郭庭吉编著 8051 单片机实践与应用 M 北京 清华大学出版社 4 梅丽凤 单片机原理及接口技术 M 北京 清华大学出版社 2004 5 张迎新 单片机初级教程 M 北京 航空航天大学出版社 2000 6 陈杰 传感器与检测技术 M 北京 高等教育出版社 2002 7 黄继昌 传感器工作原理及应用实例 M 北京 人民邮电出版社 1998 8 肖来胜 单片机技术实用教程 M 武汉 华中科技大学出版社 2004 指导教师意见 指导教师签名 教研室意见 签 名 年 月 日 E 开 题 报 告 会 纪 要 时间 地点 姓 名职务 职称 姓 名职务 职称 姓 名职务 职称 与 会 人 员 会议记录摘要 会议主持人 记 录 人 年 月 日 指导小组意见 负责人签名 年 月 日 系部 意 见 负责人签名 年月日 注 此表由学生本人填写 一式三份 一份留系里存档 指导老师和本人各保存一份 F 湖南科技学院毕业论文 设计 中期检查表 毕业论文 设计 题 目 基于 DS18B20 数字温度计的设计 学生姓名杨宁波学 号 系 别物理与电子工程专 业电子信息工程 指导教师杨熙检查日期 2007 3 28 指导教师检查情况记载及修改意见 已经完成的工作 1 完成了硬件部分的设计 单片机接口电路 显示电路 电源电路和传感 器模块电路 2 初步完成软件设计 显示子程序和数据采集子程序 3 进行资料的整理 4 论文大部分内容已经完成 下一步的工作 1 程序的调试和优化 2 同时继续论文的写作工作 3 参考文献要按照学校的规范写 在正文出现的位置标出 签名 注 此表用于指导教师在学生毕业论文 设计 初稿完成后对学生执行任务书情况进行中期检查时用 由指导教 师填写 G 湖南科技学院毕业设计 论文 指导过程记录表湖南科技学院毕业设计 论文 指导过程记录表 毕业论文 设计 题目基于 DS18B20 数字温度计的设计 学生姓名杨宁波学号专业班级电信 0402 指导教师杨熙职称助教 系 教研室 电子科学与技术 指导内容 记录 一 建议毕业设计的方向 并提供一些参考课题及如何查阅资料来完成论文 学 生 签 名 200 年 月 日 指导教师签名 200 年 月 日 指导内容 记录 二 确定毕业设计题目 给出毕业论文设计要求 指导开题报告 并推荐一些 参考文献和书籍 学 生 签 名 200 年 月 日 指导教师签名 200 年 月 日 指导过程记录 指导内容 记录 三 确定系统的设计方案的 分模块设计 建议查找资料去完成控制核心芯片 的选择 显示电路及电源电路的设计 学 生 签 名 200 年 月 日 指导教师签名 200 年 月 日 H 指导内容 记录 四 温度传感器 DS18B20 的应用 单片机接口电路 LED 串行显示及显示驱动 学 生 签 名 200 年 月 日 指导教师签名 200 年 月 日 指导内容 记录 五 电源部分的设计 如何将供电电源为 220V 的交流电转换为单片机所需供 电电源为 5V 直流稳压电源 学 生 签 名 200 年 月 日 指导教师签名 200 年 月 日 指导内容 记录 六 显示子程序和 DS18B20 数据采集子程序 对后者的编写要注意遵守 DS18B20 的时序 学 生 签 名 200 年 月 日 指导教师签名 200 年 月 日 指导过程记录 指导内容 记录 七 论文初稿的修改 论文中图表标注的规范性 及引用的参考文献在文中应 全部标出 学 生 签 名 200 年 月 日 指导教师签名 200 年 月 日 I 指导内容 记录 八 学 生 签 名 200 年 月 日 指导教师签名 200 年 月 日 答辩小组组长 意见 对情况是否属实做出意见 组长 签名 200 年 月 日 注 本表与毕业论文一起装订存档 湖南科技学院本科毕业论文 设计 评审表湖南科技学院本科毕业论文 设计 评审表 论文题目基于DS18B20 数字温度计的设计 作者姓名杨宁波所属系 专业 年级物物理理与与电电子子工工程程 系 电电子子信信息息工工程程 专业 2004年级 指导教师 姓名 职称 杨熙助教字 数 10000 定稿日期 2008 5 10 中 文 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 J 关键词 3 5 个 数字温度计 单片机 温度传感器 单线技术 英 文 摘 要 This paper developed by Digital Timing is a temperature control system based on single bus digital temperature sensor DS18B20 microcontroller chip as the core to the system The system has the temperature of the real time detection real time calendar clock temperature and time of setting numerical and other features The system can be applied to Famian Caijiao temperature control and health and other fields In this paper the temperature measurement technology the status of temperature control technology was introduced the various control theory the programme carried out a simple analysis and comparison followed by users in accordance with the general requirements and technical indicators from the engineering point of view to Famian for application as the main targets of a hardware part of the design and selection software design and analysis and follow in the realization of a simple economic practical principles and then described in detail the system used by the chip characteristics work Principle and its application MCU and the communication protocol Finally on this experiment testing and practical application of the problems in error and the use of anti jamming measures were discussed 关键词 3 5 个 Digital Thermometer MCU Temperature Sensor One way technology 指导教师评定成绩指导教师评定成绩 评审 基元 评审要素评审内涵满分 指导教师 实评分 目的明确 符合要求 选题符合专业培养目标 体现学科 专业特点和教学 计划的基本要求 达到毕业论文 设计 综合训练的 目的 10 选题 质量 25 理论意义或 实际价值 符合本学科的理论发展 有一定的学术意义 对经济 建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问 题进行研究 具有一定的实际价值 10 K 选题恰当题目规模适当 难易度适中 有一定的科学性 5 查阅文献 资料能力 能独立查阅相关文献资料 归纳总结本论文所涉及的 有关研究状况及成果 10 综合运用 知识能力 能运用所学专业知识阐述问题 能对查阅的资料进行 整理和运用 能对其科学论点进行论证 10 研究方案的 设计能力 整体思路清晰 研究方案合理可行 5 研究方法和手 段的运用能力 能运用本学科常规研究方法及相关研究手段 如计算 机 实验仪器设备等 进行实验 实践并加工处理 总结信息 10 能力 水平 40 外文应用 能力 能阅读 翻译一定量的本专业外文资料 外文摘要和 外文参考书目 特殊专业除外 体现一定的外语水平 5 文题相符较好地完成论文选题的目的要求 5 写作水平论点鲜明 论据充分 条理清晰 语言流畅 15 写作规范 符合学术论文的基本要求 用语 格式 图表 数据 量和单位 各种资料引用规范化 符合标准 10 论文 质量 35 论文篇幅10000 字左右 5 实评总分 成绩等级 指导教师评审意见 指导教师签名 说明 评定成绩分为优秀 良好 中等 及格 不及格五个等级 实评总分 90 100 分记为优 秀 80 89 分记为良好 70 79 分记为中等 60 69 分记为及格 60 分以下记为不及格 评阅教师评定成绩评阅教师评定成绩 评审 基元 评审要素评审内涵满分 评阅教师 实评分 目的明确 符合要求 选题符合专业培养目标 体现学科 专业特点和教学 计划的基本要求 达到毕业论文 设计 综合训练的 目的 10 选题 质量 25 理论意义或 实际价值 符合本学科的理论发展 有一定的学术意义 对经济 建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问 题进行研究 具有一定的实际价值 10 L 选题恰当题目规模适当 难易度适中 有一定的科学性 5 查阅文献 资料能力 能独立查阅相关文献资料 归纳总结本论文所涉及的 有关研究状况及成果 10 综合运用 知识能力 能运用所学专业知识阐述问题 能对查阅的资料进行 整理和运用 能对其科学论点进行论证 10 研究方案的 设计能力 整体思路清晰 研究方案合理可行 5 研究方法和 手段的运用 能力 能运用本学科常规研究方法及相关研究手段 如计算 机 实验仪器设备等 进行实验 实践并加工处理 总结信息 10 能力 水平 40 外文应用 能力 能阅读 翻译一定量的本专业外文资料 外文摘要和 外文参考书目 特殊专业除外 体现一定的外语水平 5 文题相符较好地完成论文选题的目的要求 5 写作水平论点鲜明 论据充分 条理清晰 语言流畅 15 写作规范 符合学术论文的基本要求 用语 格式 图表 数据 量和单位 各种资料引用规范化 符合标准 10 论文 质量 35 论文篇幅10000 字左右 5 实评总分 成绩等级 评阅教师评审意见 评阅教师签名 说明 评定成绩分为优秀 良好 中等 及格 不及格五个等级 实评总分 90 100 分记为优 秀 80 89 分记为良好 70 79 分记为中等 60 69 分记为及格 60 分以下记为不及格 M 湖南科技学院本科毕业论文 设计 答辩记录表湖南科技学院本科毕业论文 设计 答辩记录表 论文题目基于DS18B20 数字温度计的设计 作者姓名杨宁波所属系 专业 年级物理与电子工程物理与电子工程系 电子信息工程电子信息工程专业 2004 年级 指导教师 姓名 职称 杨熙助教 答 辩 会 纪 要 时间2008 05 23地点三教 309 姓 名职务 职称 姓 名职务 职称 姓 名职务 职称 李春树副教授杨熙助教 李艳芳副教授周玲助教 廖朝阳讲师谭永宏讲师 答 辩 小 组 成 员 卢卯旺教授 答辩中提出的主要问题及回答的简要情况记录 会议主持人 记 录 人 年 月 日 N 答 辩 小 组 意 见 评语 评定等级 负责人 签名 年 月 日 系 学 位 委 员 会 意 见 评语 论文 设计 最终评定等级 负责人 签名 系部 公章 年月 日 O 校 学 位 委 员 会 意 见 评语 评定等级 负责人 签名 年月 日 I 目 录 绪论 1 1 单片机的概述 2 1 1 单片机的发展情况和应用 2 1 2 单片机的结构和性能 2 2 系统硬件电路的设计 5 2 1 系统方案的设计 5 2 2 温度传感器的选择 5 2 2 1 DS18B20 简介 5 2 2 2 DS18B20 的性能特点 6 2 2 3 DS18B20 测温原理 6 2 3 单片机控制模块的设计 7 2 3 1 单片机型号的选择 7 2 3 2 单片机接口电路的设计 8 2 4 显示电路的设计 8 2 4 1 MAX7219 简介 10 2 4 2 MAX7219 内部寄存器和工作模式 11 2 5 电源的设计 11 3 系统软件的设计 13 3 1 显示子程序的设计 13 3 1 DS18B20 数据采集子程序的设计 14 结论 16 附录 A AT89S52 与 MAX7219 接口程序 18 附录 B DS18B20 数据采集程序 20 致 谢 22 II 插图索引 图 1 总体框图 5 图 2 DS18B20 外部形状及管脚图 6 图 3 DS18B20 测温原理 7 图 4 单片机接口电路图 8 图 5 显示电路原理图 9 图 6 电源电路 12 图 7 显示字程序流程 13 图 8 温度采集程序流程 14 III 基于 DS18B20 数字温度计的设计 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 数字温度计 单片机 温度传感器 单线技术 IV The design of digital thermometer Based on DS18B20 Abstract This paper developed by Digital Timing is a temperature control system based on single bus digital temperature sensor DS18B20 microcontroller chip as the core to the system The system has the temperature of the real time detection real time calendar clock temperature and time of setting numerical and other features The system can be applied to Famian Caijiao temperature control and health and other fields In this paper the temperature measurement technology the status of temperature control technology was introduced the various control theory the programme carried out a simple analysis and comparison followed by users in accordance with the general requirements and technical indicators from the engineering point of view to Famian for application as the main targets of a hardware part of the design and selection software design and analysis and follow in the realization of a simple economic practical principles and then described in detail the system used by the chip characteristics work Principle and its application MCU and the communication protocol Finally on this experiment testing and practical application of the problems in error and the use of anti jamming measures were discussed Key words Digital Thermometer MCU Temperature Sensor One way technology 1 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 发电厂 热电厂 大型中央空调设备用户端 自动化生 产线 农业养殖 温棚 温室 干燥房 粮食仓库 井下温度控制等场合 系统能够随时 测量环境温度并且显示当前的温度值 因此 研究和开发经济 实用的定时温度测控系统 具有现实意义 也有着广泛的应器上当前室温的显示等等 不同的温度传感器测量的精度 以及功能强弱各不相同用前景 温度采集与显示系统在工业 民用 军事等领域占有重要 的地位 比如空调遥控 因此在不同的应用场合可设计不同的系统对温度进行检测和控制 如在普通的室内温度检测中 可用一般的温度传感器 通过 AD 转换之后 由数码管直接 显示该室内的温度 但是普通型传感器芯片不仅体积大 而且输出的信号都是模拟信号 必须经过 A D 转换后才能被处理器识别 而且不能实现多点温度的测量 最大的缺点就是 它的精度不是很高 而在要求精度很高的温度控制中 显然普通的温度采集和显示系统已 不能满足设计的需要 因此 针对此现状 本文设计了一种由单片机控制的智能温度采集 与显示系统 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 利用单总线数字温度传感器的特点及功能实现对温度的采集 由 DALLAS 半导 体公司生产的 DS18B20 型单线智能温度传感器 属于新一代适配微处理器的智能温度传感 器 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 本文第一章主要是对单片机概述 第二章是系统硬件电路的设计 第三章是系统软件 的设计 2 1 单片机的概述 1 1 单片机的发展情况和应用 当国内从 80 年代起开始了单片机的热潮 二十多年过去了 单片机从研究所走出来 成为日常生活中的一个不可缺少的部件 硬件方面日趋多样化 4 位 8 位 16 位 32 位 等型号共同并存 在不同的领域存在 如家电 玩具 工业设备 仪器 通讯等 软件方 面发展主要为汇编语言 C 语言 嵌入式操作系统 速度 稳定性特别要求的场合较多采 用汇编语言和 C 语言 单片机作为微型计算机的一个重要分支 应用面很广 发展很快 自单片机诞生至今 已发展为上百种系列的近千个机种 目前 单片机正朝着高性能和多 品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化 低功耗 小体积 大容量 高性能 低价格 和外围电路内装化等几个方面发展 单片机的品种繁多 按应用范围分为通用型和专用型 专用型是针对某种特定产品而 设计的 例如用于洗衣机的单片机 通用型单片机有总线型和非总线型或者 8 位和 16 位之 分 总线型设有并行地址总线 数据总线和控制总线的引脚 便于扩展外围器件 非总 线型没有有总线引脚 芯片体积小 要扩展可通过 I O 口 因此非线型更适合中小系统 以下就单片机部分功能器件的应用举例简要说明 首先以实时时钟为例 一些单片机控制 系统要求在确定的时刻进行某种检测与操作 有的控制系统要求在进行某种操作时记下进 行操作的具体时间 例如现在各公司广泛用的员工考勤打卡机 有些网页的登陆同时记下 用户的登陆时间等 要达到这个目的 就要给系统配置实时时钟 一边根据时钟提供的时 间 按时操作或记录 当然生产实时时钟可以用软件实现 但最方便的还是用时钟芯片 常用的时钟芯片又并行和串行两种形式 看门狗是监视程序正常运行的一种定时器 它的 定时时间固定不编 一旦定时时间到 就会产生中断或产生溢出脉冲 使系统复位 为了 不然系统复位 我们可以在运行的程序中 插入对看门狗定时器的清零指令 不时对它清 零刷新 这样溢出就不会发生 在许多单片机内部就有看门狗电路 如 AT8951 以及 Microchip 公司的 PIC 系列产品等 如果单片机内部没有看门狗电路 可以用片内多余的定 时器通过软件自行构成 也可选用集成电路 近年来 新型单片机内的接口 无论从类型 和数量上都有很大的发展单片机从功能到形态都有了飞速的发展 在发展出新一代单片机 的同时 也在不断扩充着各种功能 如 A D PWA 高速 I O 口 PCA 计数器捕获比较 比较逻辑等 这不仅大大提高了单片机的功能 而且使系统的总体结构也大大简化了 1 2 单片机的结构和性能 单片机的基本组成 是由中央处理器 C P U 只读存储器 ROM 读写存储器 RAM 输入 输出口 I O 等等组成 此外 里面还有一个时钟电路 使单片机在进行运算和控制时 都能有节奏地进行 另外 还有 中断系统 当单片机控制对象的参数到达某项需要加 以干预的状态时 就可传达给 CPU 使 CPU 采取适当的应付措施 按结构形式分 单片 机有两种基本的结构形式 普林斯顿结构和哈佛结构 普林斯顿结构 也称冯 诺伊曼结 构 是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构 程序指令存储地址 和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置 因此程序指令和数据的宽度相同 如 英特尔公司 Intel 的 8086 和 MCS 51 就采用了此结构 而哈佛结构是一种将程序指令存储 和数据存储分开的存储器结构 中央处理器 CPU 首先到程序指令存储器中读取程序指令 3 内容 解码后得到数据地址 然后到相应的数据存储器中读取数据 进行下一步操作 通常 是执行 程序指令存储和数据存储分开 可以使指令和数据有不同的数据宽度 目前较多 的单片机采用改进的哈佛结构 如 Microchip 公司的 PIC16 芯片的程序指令是 14 位宽度 而数据是 8 位宽度 另外 现在单片机采用一种三核 TriCore 结构 这是种建立在一块片 上的系统概念上的结构 三核是 数据和程序存储器核 控制器和 DSP 核和外围用户专用 电路 ASIC 这种单片机最大特点是把 DSP 和微控制器同时做在一个片上 单片机按其内部数据通道的宽度 可分为 4 位 8 位 1 6 位 3 2 位及 6 4 位 由于单 片机的集成度高 功能强 可靠性高 体积小 功耗低 使用方便等一系列优点 目前已 经渗入到人们工作和生活中 就单片机本身来说 除了 4 位机和 8 位机仍保持巨大的领域 之外 各种新型高性能的机型也在迅速发展 针对市场上在大份额的八位单片机 这里 以 51 AVR 和 PIC 八位单片机为例介绍单片机的性能 Intel 的 51 系列在市场上占有相当大的比例 这与它优秀的性能分不开 51 系列的优 点诸多 它有完整的按位操作系统 除能进行传送 置位 清零 测试等操作 还能进行 位逻辑操作 随着技术的发展 其运行速度越来越快 晶振频率可从以前的 12MHz 可提 升到 40MHz I O 脚的设置简单 使用方便 当该脚做输入使用时 将其置为高电平即可 当该脚做输出使用时 则高低电平均可 在 51 单片机系列中 随着制造工艺的飞速发展 越来越多新型单片机出现 使单片机的运行速度得到提升 并引入了双数据指针及 ISP 功 能 ISP 功能实现在系统可编程功能 可以省去通用的编程器 单片机在用户板上即可下 载和烧录用户程序 无需将单片机从生产好的产品上取下 未定型的程序还可以边生产边 完善 加快了产品的开发速度 减少了新产品因软件缺陷带来的风险 AVR 单片机是 Atmel 公司推出的较为新颖的单片机 其显著的特点为高性能 高速度 低功耗 它取消机器周期以 时钟周期为指令周期 实行作业 A V R 单片机指令以字为 单位 且大部分指令都为单周期指令 而单周期既可执行本指令功能 同时完成下一条指 令的读取 通常时钟频率用 4 8MHz 故最短指令执行时间为 250 125ns AVR 系列没 有类似累加器 A 的结构 它主要是通过 R16 R31 寄存器来实现 A 的功能 在 AVR 中 没有像 51 系列的数据指针 DPTR 而是由 X 由 R26 R27 组成 Y 由 R28 R29 组成 Z 由 R30 R31 组成 三个 16 位的寄存器来完成数据指针的功能 在 51 系列中 所有的逻 辑运算都必须在 A 中进行 而 AVR 却可以在任两个寄存器之间进行 省去了不少麻烦 这些比 51 系列强 PIC 单片机系列是美国微芯公司 Micro ship 的产品 是当前市场份额增长最快的单片 机之一 CPU 采用 RISC 结构 分别有 33 35 58 条指令 视单片机的级别而定 属精简 指令集 采用 Harvard 双总线结构 运行速度快 指令周期约 160 200ns 高效率运行的 原因之一是它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理 这种指令流水线结构 在一个周期内完成两部分工作 一是执行指令 二是从程序存储器取出下一条指令 这样 总的看来每条指令只需一个周期 个别除外 此外 它还具有低工作电压 低功耗 驱动 能力强等特点 PIC 系列单片机共分三个级别 即基本级 中级 高级 其中又以中级的 PIC16F873 A PIC16F877 A 用的最多 PIC 系列单片机的 I O 口是双向的 其输出电路 为 CMOS 互补推挽输出电路 I O 脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器 从而 解决了 51 系列 I O 脚为高电平时同为输入和输出的状态 当置位 1 时为输入状态 且不管 该脚呈高电平或低电平 对外均呈高阻状态 置位 0 时为输出状态 不管该脚为何种电 4 平 均呈低阻状态 有相当的驱动能力 低电平吸入电流达 25mA 高电平输出电流可达 20mA 具有在线调试及编程 ISP 功能 随着 CMOS 工艺的改进和提高 闪速存储器在不 断发展和完善 应用越来越广 容量越来越大 价格越来越低 闪存技术在各个领域得到 应用 最初的单片机 片内只有并行输入 输出接口 定时器 计数器 它们的功能较弱 实际应用中往往需要通过特殊的接口扩展功能 从而也增加了应用系统结构的复杂性 5 2 系统硬件电路的设计 2 1 系统方案的设计 本系统控制核心芯片选用 AT89S52 单片机 测温电路选用了美国 DALLAS 公司生产 的单线总线数字式温度传感器 DS18B20 数字显示电路采用智能驱动芯片 MAX7219 驱动 LED 共阴极数码管 LG2841AH 实现 电源部分采用 220V 交流电经变压 滤波 稳压后得 到 5V 电压供系统使用 单片机由外接 11 0592MHz 标准晶振提供时钟电路 总体框图见图 1 所示 图 1 总体框图 2 2 温度传感器的选择 2 2 1 DS18B20 简介 DS18B20 的引脚分布 图 2 由 DALLAS 半导体公司生产的 DS18B20 型单线智能温度 传感器 属于新一代适配微处理器的智能温度传感器 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 其 温度传感器 DS18B20 时钟电路 AT89S52 单片机 显示输出 电 源 6 可以分别在 93 75ms 和 750ms 内完成 9 位和 12 位的数字量 最大分辨率为 0 0625 而 且 从 DS18B20 读出或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线 单线接口 读写 图 2 DS18B20 外部形状及管脚图 2 2 2 DS18B20 的性能特点 1 独特的单线接口 既可通过串行口线 也可通过其它 I O 口线与微机接口 无需 变换其它电路 直接输出被测温度值 2 多点 multidrop 能力使分布式温度检测应用得以简化 3 不需要外部元件 4 既可用数据线供电 也可采用外部电源供电 5 不需备份电源 6 测量范围为 55 125 固有测温分辨率为 0 5 7 通过编程可实现 9 12 位的数字读数方式 8 用户可定义非易失性的温度告警设置 9 警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件 温度警告情况 10 应用范围包括恒温控制 工业系统 消费类产品 温度计或任何热敏系统 7 2 2 3 DS18B20 测温原理 DS18B20 的测温原理如图 3 所示 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小 用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1 高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改 变 所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入 计数器 1 和温度寄存器被预置在 55 所对 应的一个基数值 计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数 当计数器 1 的预置值减到 0 时 温度寄存器的值将加 1 计数器 1 的预置将重新被装入 计数器 1 重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数 如此循环直到计数器 2 计数到 0 时 停止温度寄存器值的累加 此时温度寄存器中的数值即为所测温度 斜率累加器用于补偿 和修正测温过程中的非线性 其输出用于修正计数器 1 的预置值 斜率累加器 预值 低温度系数振荡器计数器 1预值 比 较 0温度寄储器 高温度系数振荡器计数器 2 0 停止 加 1 置位 清除 图 3 DS18B20 测温原理 2 3 单片机控制模块的设计 2 3 1 单片机型号的选择 随着计算机技术的发展 单片机因具有集成度高 体积小 速度快 价格低等特点而 在许多领域 如过程控制 数据采集 机电一体化 智能化仪表 家用电器以及网络技术 等方面得到广泛应用 从而使这些领域的技术水平 自动化程度大大提高 正因为如此 国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产当中 单片微机经历了 4 位 低档 8 位 高档 8 位 16 位 现正在向 32 位和双 CPU 一方向目前国内市场上有不少类型的 8 位 及 16 位单片机 由于各种原因很多的单片机都未能在国内形成主流系列 而国内目前仍然 8 是以 Intel 的 MCS 48 MCS 51 MCS 96 为主流系列 MCS 48 8 位机 系列的型号有 8048 8748 8035 8049 8749 等 MCS 51 8 位机 系列单片机的型号有 8031 8051 8751 8032 8052 80C31 80C32 80C52 等 MCS 96 系列单片机是 16 位机 有 8094 8095 8096 8097 等的型号 其性能有 T 一定的提高 其中最为著名的 当数 INTEL 公司生产的 MCS 51 系列单片机 1 单片机型号的选择是根据控制系统的目标 功能 可靠性 性价比 精度和速度等来 决定的 根据上述及本课题的实际情况 发酵温度系统是一个时滞性较大的系统 对控制 时间精度要求不需要很高 所以单片机不需采用高速的输出 输入口 51 系列单片机在时 间精度方面可以满足要求 为了使用方便 系统要求可以进行在线改写 要求片内具有可 擦除程 序存储器 另外为了以后系统升级的需要 在设计中采用 52 系列单片机 基于以上原因 本文在众多的单片机类型中选取 ATmel 公司的 AT89 系列单片机 AT89S52 和 AT89C2051 分别实现发面器 菜窖和保健垫温度控制 89S52 是 ATmel 公司 的产品 与 MCS 51 兼容 芯片内部带有 8K 快速擦写程序存储器 可擦写次数可达 1000 次 运算速度快频率可达 33 兆赫兹 32 位 110 口总线 三个 16 位的定时 1 计数器 AT89S52 单片机有如下标准特性 兼容 MCS 51 微控制器 8K 字节 FLASH 存贮器支 持在系统编程 ISP1000 次擦写周期 256 字节的数据存储器 RAM 工作电压 4 0V 到 5 5V 全静态时钟 0Hz 到 33MHz 三级程序加密 32 个可编程 I O 口 3 个 16 位定时 计 数器 8 个中断源 全双工 UART 完全的双工 UART 串行口 低功耗支持 Idle 和 Power down 模式 Power down 模式支持中断唤醒 看门狗定时器 双数据指针 上电复为标志 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 芯片采用 51 系列指令集并与 51 系列单片机引脚兼容且增加了不少功能 用户可以直 接替换应用系统中的 AT89C51 52 而软件硬件均不需作任何修改 这给用户更换元器件来 许多方便 而且 从经济性的角度来看 AT89S52 不但硬件结构简单 而且价格低 功能 强 性价比高 符合我国工业设计制造的要求 2 2 3 2 单片机接口电路的设计 9 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 25 May 2008Sheet of File D protel99se 件件件件件 Examples MyDesign ddbDrawn By 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J CON9 Q PNP BELL R RES2 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RET 9 P3 2 12 P3 3 13 P3 4 14 P3 5 15 29 31 P3 0 10 P3 1 11 GND 20 VCC 40 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 ALE 30 P2 7 28 P2 6 27 P2 5 26 P2 4 25 P2 3 24 P2 2 23 P2 1 22 P2 0 21 P3 7 17 P3 6 16 XTAL2 18 XTALI 19 AT89S52 VCC VCC C1C2 VCC VCC 1 2 3 DS18B20 5 图 4 单片机接口电路图 温度信号由 DS18B20 检测由 P2 7 口输入到单片机中进行处理 显示部分通过单片机 的 P1 0 口 P1 1 口 P1 2 口通过 MAX7219 驱动 LED 数码管完成 3 单片机的时钟电路利用芯片内部振荡电路 在 XTALI XTAL2 的引脚上外接定时元 件内部振荡器便能产生自激振荡 定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路 其连接方法如图 4 所示 晶振可以在 1 2MHz 12MHz 之间任选 本电路选 11 0692MHz 电容通常在 20pF 6OpF 之间选择 通常为 30pF 左右 本电路选 30pF 电容器 C1 和 C2 的 大小对振荡频率有微小影响 可起频率微调作用 在设计印刷电路板时 晶体和电容应尽 可能与单片机芯片靠近 以减少寄生电容 保证振荡器的可靠工作 一般采用瓷片电容 4 2 4 显示电路的设计 在单片机系统设计中 LED 显示方式由于亮度高 显示醒目 使用寿命长 方便 价 格低廉等优点在工业用仪器仪表中得到广泛应用 而其驱动方式有多种形式 在采用并行 显示方式时 显示电路的段码与位控码要占用单片机的较多口线 尽管可采用 8155 等接口 芯片进行扩展 但口线利用率仍较低 不能满足大型控制系统的要求 采用串行显示方式 则只需占用 2 至 3 根口线 节约单片机大量的 1 O 线 且使用效果很好 一般要