大学课程设计-PLC课程设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除摘要随着计算机科学的发展，计算机已深入地渗透到我们的生活中，要想学好温度测控，由于温度测控是基于单片机知识的，因此我们只有扎扎实实的把单片机知识学好。现今，我们的生活环境和工作环境中，由单片机构成的微型系统在为我们服务。单片机在工业控制，尖端武器，通信设备，信息处理，家用电器等各测，控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化，遥控化，模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的，同时在使用单片机的前提下我们也还要用到A/D数模转换。我们作为21世纪的大学生必须具备单片机知识。现在随着社会对人才素质要求的不断提高，我们也要不断的充实自己，以适应社会的发展。温度传感器及有关电路将温度转化为电脉冲的脉宽，单片机将测得的脉冲宽度的值转化为与之对应的温度值。DS-18B20数字温度传感器就是我设计的其中的一个电源器件。本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，测温传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。目录一 概述-23二 整体方案-232.1设计任务-4三.硬件电路设计-43.1单片机控制电路-43.2温度采集模块-63.3显示模块-103.4报警模块-11 3.5串口通讯电路上位机模块-11123.6硬件制作图解-1213四软件系统设计-13144.1程序流程图-13144.2基本显示原理-14154.3 DS18B20汇编程序-1415五.系统调试-1617六.总结-1617七.致谢-1718八.附件-1819九.参考文献-27291、概述TS-18B20数字温度传感器，该产品采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 温度传感器可编程的分辨率为912位 温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒 用户可定义的非易失性温度报警设置 应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。在做这个设计之前，我查了许多的资料，其中TS-18B20数字温度传感器的卓越性能深深的吸引了我，所以我决定这次的设计就用它来实现测温的功能。2、整体方案 TS-18B20数字温度传感器，该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。作为一种数字化温度传感器，DS18B20测温时无需任何外部元件，可直接输出912位(含符号位)的被测温度值，测温范围为一55 +125；在一1O+85 范围内测量精度为05 ，输出测量分辨率可调，最高可达0062 5，图2.1是整体框图。 图2.1 整体框图21设计任务以单片机为核心，设计单片机最小系统，构成数字式温度计，能够实现实时温度的显示。1、 实现1路实时温度的显示，显示位数为3位，显示精度0.1；2、 利用DS18B20作为集成温度传感器，选择相应变送电路；3、 设计单片机主程序、温度变换程序、显示程序等；4、 尽可能降低设计的成本；3、硬件电路设计3.1单片机控制电路表1 DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 AT89s51的特点及特性：40个引脚，4k bytes flash片内程序存储器，128 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，at89s51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。主要功能特性： 兼容mcs-51指令系统 4k可反复擦写(1000次）isp flash rom 32个双向i/o口 4.5-5.5v工作电压 2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33mhz 全双工uart串行中断口线 128x8bit内部ram 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（wdt）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的isp字节和分页编程 双数据寄存器指针由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。DS18B20的初始化 （1） 先将数据线置高电平“1”。 （2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点） （3） 数据线拉到低电平“0”。 （4） 延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。 （5） 数据线拉到高电平“1”。 （6） 延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。 （7） 若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。 （8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。 DS18B20的写操作 （1） 数据线先置低电平“0”。 （2） 延时确定的时间为15微秒。 （3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。 （4） 延时时间为45微秒。 （5） 将数据线拉到高电平。 （6） 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。 （7） 最后将数据线拉高。 DS18B20的读操作 （1）将数据线拉高“1”。 （2）延时2微秒。 （3）将数据线拉低“0”。 （4）延时15微秒。 （5）将数据线拉高“1”。 （6）延时15微秒。 （7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。 （8）延时30微秒。3.2温度采集模块温度采集模块采用Dallas公司的DS18B20温度传感器，该温度传感器是1-Wire通信，输出形式是开漏输出，所以要接10K的上拉电阻，才能保证通信正常,数据线接单片机P3口。温度采集精度采用默认的12位精度，最小分辨率可以达到0.0625。图3.2.1是Dallas公司的DS18B20温度传感器的内部结构图，。图3.2.1 DS18B20内部结构图DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理如图3.2.2所示。图3.2.2 DS18B20测温原理 DS18B20的初始化 （1） 先将数据线置高电平“1”。 （2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点） （3） 数据线拉到低电平“0”。 （4） 延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。 （5） 数据线拉到高电平“1”。 （6） 延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。 （7） 若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。 （8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。 DS18B20的写操作 （1） 数据线先置低电平“0”。 （2） 延时确定的时间为15微秒。 （3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。 （4） 延时时间为45微秒。 （5） 将数据线拉到高电平。 （6） 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。 （7） 最后将数据线拉高。 DS18B20的读操作 （1）将数据线拉高“1”。 （2）延时2微秒。 （3）将数据线拉低“0”。 （4）延时15微秒。 （5）将数据线拉高“1”。 （6）延时15微秒。 （7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。 （8）延时30微秒。把DS18B2连接上单片机后，其发挥的作用就是：采集外部的温度数据，并温度转化为电脉冲的脉宽，单片机将测得的脉冲宽度的值转化为与之对应的温度值。图3.2.3是其测量温度的流程图；图3.2.4是DS18B20在电路中的连接图。图3.2.3 测量温度的流程图图3.2.4 DS18B20电路图附：*温度转换程序*TEMPER_COV: MOV A,#0F0H ANL A,TEMPER_L ; 舍去温度低位中小数点后的四位温度数值SWAP AMOV TEMPER_NUM,AMOV A,TEMPER_LJNB ACC.3,TEMPER_COV1 ; 四舍五入去温度值,INC TEMPER_NUM ;D3为1则加1,为0则舍去TEMPER_COV1: MOV A,TEMPER_H ; 高位ANL A,#07H ;温度寄存器的高字节只有后3位有效SWAP AORL A,TEMPER_NUM ; 拼装MOV TEMPER_NUM,A ; 保存变换后的温度数据CALL BIN_BCDRET表1 DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收，数据和命令的传输都是低位在先。3.3显示模块温度显示模块采用4位共阳数码管，段选接P0口，位选接P1.0P1.3,第一位显示R，前面三位显示温度值，精确到0.1。如图3.3.1所示图3.3.1 4位共阴数码管附：*显示子程序*DISP: MOV A,R0 ;转换结果低位ANL A,#0FHACALL DSEND ;显示MOV A,R0SWAP AANL A,#0FH ;转换结果高位ACALL DSEND ;显示RETDSEND: MOV DPTR,#SGTB1MOVC A,A+DPTR ;取字符MOV SBUF,AJNB TI,$CLR TI RET3.4报警模块报警模块采用最简单的蜂鸣器电路部分，如图3.4所示本设计采软件处理报警，利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。当所测温度超过获低于所预设的温度时，数据口相应拉高电平，报警输出。（也可采用发光二级管报警电路，如过需要报警，则只需将相应位置1，当参数判断完毕后，再看报警模型单元ALARM 的内容是否与预设一样，如不一样，则发光报警）报警电路硬件连接如图3.4所示： 开始初始化示化获取温度值与温度上限比较报警转换并显示YES？ 图 3.4.1 硬件电路图图3.4.2 报警流程图3.5串口通讯电路AT89C51有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是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，我们采用了专用芯片MAX232进行转换。采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的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，但是对本设计来说已经足够使用了，电路如下图所示：程序界面：运行界面：3.56硬件制作图解制作过程要求有足够的细心和耐心，千万不要急于求成，每天花点时间做，这样可以保证自己不会因疲倦而导致频繁出错。尽量做到零错误，否则检查起来会很麻烦。一直追求美观和制作工艺，虽然焊接较麻烦，但仍然没有采用“飞线一团糟”的焊接方式，较好地利用了细金属导线和质量较好的漆包线。图3.56.1是温度传感的面板部分；图3.56.2是背面焊接部分。 图3.56.1 温度传感器设计面板 图3.56.2 背面焊接4、 软件系统设计4.1 程序流程图初始化DS18B20匹配ROM命令发一个DS18B20序列号等待1us读当前DS18B20温度开始所有DS18B20都访问完毕?存在一个DS18B20?发搜索ROM命令读并存储当前DS18B20序列号跳过ROM命令初始化DS18B20温度转换命令初始化DS18B20YNYN初始化DS18B20匹配ROM命令发一个DS18B20序列号等待1ms转换结束读当前DS18B20温度开始所有DS18B20都访问完毕?存在一个DS18B20?发搜索ROM命令读并存储当前DS18B20序列号跳过ROM命令初始化DS18B20初始化DS18B20YNYN4.2基本显示原理单片机中经常使用7 段LED 来显示数字，也就是用7 个LED 构成字型“8”，并另外用一个圆点LED 来显示小数点，也就是说一共有8 个LED，构成了“8.”的字型。7 段LED 分共阴级和共阳极两种，共阴级7 段LED 的原理图和管脚配置，共阳级7 段LED 的原理图和管脚配置。实际中，各个型号的7 段LED 的管脚配置可能不会是一样的，在实际应用中要先测试一下各个管脚的配置，再进行电路原理图的设计。共阳极7 段LED 是指发光二极管的阳极连接在一起为公共端的7 段LED，而共阴极7 段LED 是指发光二极管的阴极连接在一起为公共端的7 段LED。一个7段LED 由8 个发光二极管组成，其中7 个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（ag），另一个发光二极管为小数点（dp）。当在某一段发光二极管上施加一定的正向电压时，该段LED 即被点亮；不加电压则为暗。以共阳极7 段LED 为例，若是要显示“5.”，则需要在VCC 上加上电压，向dp、g、f、e、a 送出00010010 的信号，就能显示出来。4.3 DS18B20汇编程序单总线读写操作;温度传感器DS1820 的汇编程序;一次数据传输为四步：初始化、传送ROM命令、传送RAM命令、数据交换;当命令者检测到器件存在时首先发送1个ROM命令;总线信号：初始化、写1、写0、读信号TEMPER_L DATA 36H ;温度寄存器的低位TEMPER_H DATA 35H ;温度寄存器的高位TEMPER_NUM DATA 60H ;保存温度值FLAG BIT 00H ;器件是否存在的标志位，器件存在由软件置1，否则清0DQ BIT P1.0 ORG 0000HAJMP START; /*主程序*/ *ORG 0030HSTART: MOV SP,#70HCALL GET_TEMPER ;读取温度值CALL TEMPER_COV ;读取转换后的温度值MOV R0,ACALL DISPCALL DELAYAJMP START5、系统调试DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： 1、较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此 ，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。2、在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个 DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。3、连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考 虑总线分布电容和阻抗匹配问题。4、在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。6、总结 每次实践设计，只要有一点点的突破，只要能够学到一点的新鲜知识，都让我感觉学习单片机是多么的有乐趣。就是这样，我才能在学习单片机的道路上走的欢快、持久。 通过这次培训及此次设计，进一步提高在实践中研究问题、发现问题、解决问题的能力，但也存在不足之处，对知识涉及不广、积累不够、研究不深，还需要持之以恒的努力。 在这次设计中通过查阅大量的相关资料，详细了解了DS18B20的工作原理、led的显示原理，在不断地实践与理论中运用这些知识，明确的研究目标。同时使我明白了实践是学习收获的唯一途径。致谢此次培训设计中，又认识很多有志的同学，和他们交流让我领略了不一样的思维，不一样的为人处世的方式，和他们交流让我欢喜雀跃。虽然短暂得培训只有一个月，而且一个月后我们可能不在联系，但感谢他们的帮助。最辛苦的当属老师们了，谢谢贺老师那么认真的讲课，都忘记了下课的时间，让我每次听课的时候都感觉到有新的血液注入我体内，感谢王老师对我们的认真负责，每天按时点名签到，没来的还打电话问候，是这样的老师让我每天都坚持早起。我会记得在这一个月里培训的点点滴滴。8.附件;*; /*取得温度子程序*/ *;*;GET_TEMPER: SETB DQ CALL CHECK ; MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配（当总线上只有一个器件时可跳过读ROM命令）CALL DSWRITE ; 写入命令MOV A,#44H ; 发出温度转换命令CALL DSWRITENOPCALL DELAYCALL DELAYCALL CHECK MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配CALL DSWRITE MOV A,#0BEH ; 发出读温度命令CALL DSWRITECALL DSREAD ;读取温度的低位MOV R0,#TEMPER_LMOV R0,A ;存入TEMPER_LCALL DSREAD ;读取温度的低位DEC R0 ;存入TEMPER_HMOV R0,ARET;*; /*读DS18B20的程序,从DS18B20中读出一个字节的数据*/ *;*;DSREAD: MOV R2,#8READ1: CLR CSETB DQNOPNOPCLR DQNOPNOPNOPSETB DQMOV R3,#01DJNZ R3, $MOV C, DQMOV R3, #23DJNZ R3, $RRC ADJNZ R2, READ1RET;*; /*写DS18B20序子程序*/ *;* ; DSWRITE: MOV R2,#8CLR CWRITE1: CLR DQMOV R3,#6 ;延时12USDJNZ R3,$RRC AMOV DQ,CMOV R3,#23 ;46USDJNZ R3,$SETB DQNOPDJNZ R2,WRITE1SETB DQRET;*; /*检查器件是否存在子程序*/ *;*; CHECK: CALL DSINIT; 初始化JB FLAG,CHECK1 ; 检查标志位判断器件是否存在AJMP CHECK ; 若DS18B20不存在则继续检测CHECK1: CALL DELAY1RET ;*; /*BCD码转换子程序*/ *;* ; BIN_BCD: MOV DPTR,#TEMP_TABMOV A,TEMPER_NUMMOVC A,A+DPTRMOV TEMPER_NUM,ARET ;*; /*初始化子程序程序*/;初始化时序是由总线发出一个复位信号，然后由器件发 *;出一个应答信号，表示该器件存在，并准备好开始工作;* DSINIT: SETB DQNOPCLR DQ ;总线发一个复位信号MOV R0,#80HDJNZ R0,$ ; 延时SETB DQ ;拉高总线准备检测MOV R0,#25H ;延时DJNZ R0,$JNB DQ,INIT2 ;检测是否有应答信号，有应答信号跳转AJMP INIT3 ; 延时INIT2: SETB FLAG ; 置标志位,表示DS1820存在AJMP INIT4INIT3: CLR FLAG ; 清标志位,表示DS1820不存在AJMP INIT5INIT4: MOV R0, #6BH DJNZ R0, $ ; 延时INIT5: SETB DQ ;拉高总线RET; ;*; /*配置程序*/ *;* ; RE_CONFIG: JB FLAG,RE_CONFIG1 ; 若DS18B20存在,转RE_CONFIG1