基于单片机控制的温度采集与测量

毕业设计说明书基于单片机控制的温度采集与测量系（部）电气工程系专业电气自动化班级姓名学号指导教师20112012学年第一学期2指导教师评语等级签名日期3摘要近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展，从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。同时，单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。本设计是基于单片机ATMAGE16设计的实时温度采集仪，通过本次设计，我成功的实现了利用单片机对温度的采集和测量。关键词单片机ATMAGE16DS18B20ICCAVR4目录目录1第一章绪论211课题背景312设计目的及系统功能3第二章ATMAGE16特性421ATMAGE16产品特性422引脚配置5第三章DS18B20的设计631总体通信流程及通信协议632DS18B20温度测量软件的设计833多机通信软件的设计934DS18B20工作时序问题10第四章电路的设计1141温度测量电路的设计1142串口通信电路的设计12第五章分布式温度采集系统设计13第六章ICCAVR制作环境及介绍1461ICCAVR介绍1462ICCAVR向导1663ICCAVR的IDE环境16结论19参考文献19致谢20附件1总系统的原理图如下21附件2单片机ATMAGE16控制DS18B20的程序225第一章绪论自从1976年INTEL公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展，从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。单片机在国内的三大领域中应用得十分广泛第一是家用电器业，例如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括电话、手机和BP机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如软盘、硬盘、收银机、电表。除了上述传统领域外，汽车、电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正、线性处理等问题。单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。同时，单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。611课题背景分布式温度采集系统广泛应用在使用了中央空调的大型商场、厂房、办公大楼等大型建筑内。本课题主要用温度传感器对环境温度实施实时监测，各结点控制单元可将有关信息上传给计算机，本课题研究主要解决的问题为分布式控制结构设计、多单片机串行通信、温度的采集与处理。本设计是基于单片机ATMAGE16设计的实时温度采集仪,采用DS18B20可以采集多路温度数据本设计只用了2路,同时实时显示所采集到的温度值。在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国DALLAS半导体公司推出的数字温度传感器DSL8B20，具有独特的单总线接口，仅需要占用一个通用I/O端口即可完成与微处理器的通信在1085温度范围内具有001精度用户可编程设定912位的分辨率。以上特性使得DSL8B20非常适用于构建高精度、多点温度测量系统。12设计目的及系统功能本设计的目的是以单片机为核心设计出一个分布式温度采集系统。在传统测量系统中，传感器与计算机接口的连接是通过若干条导线连接。当传感器数量较多时，尤其是信号线的长距离传输时，相互容易产生干扰。一个室内多点温度测量中，系统的接线会非常多，导线往往不易铺设，使得测量工作非常困难。采用总线结构数字式传感器，配合单片机及PC机串口进行长距离数据通信，则可以很容易解决这个问题，该系统最多可以检测256路温度信号，在室内多点温度测量控制中能达到很好的效果。通过本课题设计，综合运用单片机及接口技术、微机原理、通信协议，锻炼动手操作能力，综合运用能力，学习论文的写作方法和步骤。设计的温度控制系统有以下功能及特点A实现在一条数据总线上接多个DS18B20器件；B测温范围099；C温度显示采用2个4位数码管,显示采样温度值；并在电脑上一同显示；D精度001。7第二章ATMAGE16特性本章介绍了ATMAGE16的产品特性和ATMEGA16的结构。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA16的数据吞吐率高达1MIPSMHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。21ATMAGE16产品特性1、高性能、低功耗的8位AVR微处理器2、先进的RISC结构（A）131条指令（B）32个8位通用工作寄存器（C）全静态工作（D）工作于16MHZ时性能高达16MIPS（E）只需两个时钟周期的硬件乘法器（F）大多数指令执行时间为单个时钟周期3、非易失性程序和数据存储器（A）16K字节的系统内可编程FLASH擦写寿命10,000次（B）具有独立锁定位的可选BOOT代码区通过片上BOOT程序实现系统内编程真正的同时读写操作（C）512字节的EEPROM擦写寿命100,000次（D）1K字节的片内SRAM（E）可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密4、JTAG接口与IEEE11491标准兼容（A）符合JTAG标准的边界扫描功能（B）支持扩展的片内调试功能（C）通过JTAG接口实现对FLASH、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程5、外设特点（A）两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数（B）一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数（C）具有独立振荡器的实时计数器RTC（D）四通道PWM（E）8路10位ADC8个单端通道TQFP封装的7个差分通道2个具有可编程增益（1X,10X,或200X）的差分通道8（F）面向字节的两线接口（G）两个可编程的串行USART（H）可工作于主机/从机模式SPI串行接口（I）具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器（J）片内模拟比较器6、特殊的处理器特点（A）上电复位以及可编程的掉电检测（B）片内经过标定的RC振荡器（C）片内/片外中断（D）6种睡眠模式空ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、STANDBY、式以扩展的STANDBY模式7、I/O和封装（A）32个可编程的I/O口（B）40引脚PDIP封装,44引脚TQFP封装,与44引脚MLF封装8、工作电压（A）ATMEGA16L2755V（B）ATMEGA164555V9、速度等级（A）08MHZATMEGA16L（B）016MHZATMEGA1610、ATMEGA16L在1MHZ,3V,25C时的功耗（A）正常模式11MA（B）空035MA（C）掉电模式这个附注必须在函数之前定义，它说明函数FUNC1、FUNC2是中断操作函数，所以编译器在中断操作函数中生成中断返回指令RETI来代替普通返回指令RET，并且保存和恢复函数所使用的全部寄存器；同样编译器根据中断向量号VECTORNUMBER生成中断向量地址。PRAGMACTASK这个附注指定了函数不生成挥发寄存器来保存和恢复代码，它的典型应用是在RTOS实时操作系统中让RTOS核直接管理寄存器。PRAGMATEXT改变代码段名称，使其与命令行选项相适应。PRAGMADATA改变数据段名称，使其与命令行选项相适应。这个附注在分配全局变量至EEPROM中时必须被使用。PRAGMAABS_ADDRESS函数与全局数据不使用浮动定位（重定位），而是从开始分配绝对地址。这在访问中断向量和其它硬件项目时特别有用。PRAGMAEND_ABS_ADDRESS结束绝对定位，使目标程序使用正常浮动定位。C注释如果你选择了编译扩充PROJECTOPTIONSCOMPILER，你可以在你的源代码中使用C的/类型的注释。20二进制常数如果你选择了编译扩充PROJECTOPTIONSCOMPILER，你可以使用0B来指定二进制常数，例如0B10101等于十进制数21。在线汇编你可以使用ASM“STRING“函数来指定在线汇编代码。614代码转换IAR或其它ANSIC编译系统的代码转换IARC编译器作为应用于AVR的第一个C编译器，它有十分丰富的源代码。当你从IAR编译系统转换到IMAGECRAFT编译系统时，绝大多数符合ANSIC标准的程序代码不需要转换，IARC中IO寄存器的定义与ICCAVR也是相同的。中断操作描述，ICCAVR使用PRAGMA附注描述中断操作函数，而IAR引入了语法扩充（INTERRUPT关键字），下面是一个对照在ICCAVR中PRAGMAINTERRUPT_HANDLERFUNC4/4是这个中断的向量号，FUNC为中断处理函数名称，ICCAVR可以使多个中断向量共用一个中断处理函数。在IAR中INTERRUPTVECTOR_NAMEFUNC/VECTOR_NAME是某一个中断向量的名称，IARC的中断向量地址使用中断名称来代替，以增加程序的可读性。扩充关键字IAR引入FLASH关键字将项目分配进入程序存贮空间（FLASH存贮器），ICCAVR使用CONST关键字来达到相同的目的。过程调用转换在两个编译系统之间函数参数传递使用的寄存器是不同的，这仅影响手工写的汇编函数。在线汇编、宏等，IAR不支持在线汇编符号，而ICCAVR支持在线汇编。62ICCAVR向导自你启动IDE后，首先从PROJECT菜单系统选择OPEN命令，进入ICCEXAMPLESAVR目录并且选择并打开“LED”工程，工程管理器显示在这个工程中只有一个文件LEDC。然后从PROJECT菜单中选择OPTIONS命令打开工程编译选项，在“TARGET“标号下选择目标处理器。然后从PROJECT菜单中选择MAKEPROJECT命令，IDE将调用编译器编译这个工程文件，并且在状态窗口中显示所有的信息。63ICCAVR的IDE环境631编译一个单独的文件正常建立一个输出文件的次序是，你首先应该建立一个工程文件并且定义属于21这个工程的所有文件。然而，我们有时也需要将一个文件单独地编译为目标文件或最终的输出文件。这时可以这样操作从IDE菜单“FILE”中选择“COMPILEFILE”命令，来执行“TOOBJECT”和“TOOUTPUT”中的任意一个。当你调用这个命令时，文件应该是打开的并且在编辑窗口中可以编辑的。编译一个文件为目标文件（TOOBJECT），对检查语法错误和编译一个新的启动文件是很有用的。编译一个文件为输出文件（TOOUTPUT），对较小的并且是一个文件的程序较为有用。632创建一个新的工程为创建一个新的工程，从菜单“PROJECT”中选择“NEW”命令，IDE会弹出一个对话框，在对话框中你可以指定工程的名称，这也是你的输出文件的名称。如果你使用一些已经建立的源文件，你可在菜单“PROJECT”中选择“ADDFILES”命令。另外，你可以在菜单“FILE”中选择“NEW”命令来建立一个新的源文件来输入你的代码，你可以在菜单“FILE”中选择“SAVE”或“SAVEAS”命令来保存文件。然后你可以象上面所述调用“ADDFILES”命令将文件加入到工程中，也可在当前编辑窗口中单击鼠标右键选择“ADDTOPROJECT”将文件加入已打开的工程列表中。通常你输出源文件在工程同一个目录中，但也可不作这样要求。工程的编译选项使用菜单中“PROJECT”中的“OPTIONS”命令。633工程管理工程管理允许你将多个文件组织进同一个工程，而且定义它们的编译选项，这个特性允许你将工程分解成许多小的模块。当你处理工程构筑时，只有一个文件被修改和重新编译，如果一个头文件作了修改，当你编译包含这个头文件的源文件时，IDE会自动重新编译已经改变的头文件。一个源文件可以写成C或汇编格式的任意一种。C文件必须使用“C”扩展名汇编文件必须使用“S”扩展名。你可以将任意文件放在工程列表中，例如你可以将一个工程文档文件放在工程管理窗口中，工程管理器在构筑工程时对源文件以外的文件不予理睬。对目标器件不同的工程，可以在编译选项中设置有关参数。当你新建一个工程时，使用默认的编译选项，你可以将现有编译选项设置成默认选项，也可将默认编译选项装入现有工程中。默认编译选项保存在DEFAULTPRJ文件中。为避免你的工程目录混乱，你可以指定输出文件和中间文件到一个指定的目录，通常这个目录是你的工程目录的一个子目录。634编辑窗口编辑窗口是你与IDE交流信息的主要区域，在这个窗口中你可以修改相应的文件。当编译存在错误时，用鼠标单击有关错误信息时，编辑器会自动将光标定位在错误行的位置。22635应用构筑向导应用构筑向导是用于创建外围设备初始化代码的一个图形界面。你可以单击工具条中的“WIZARD”按钮或菜单“TOOLS”中的“APPLICATIONBUILDER”命令来调用它。应用构筑向导使用编译选项中指定的目标MCU来产生相应的选项和代码。应用构筑向导显示目标MCU的每一个外围设备子系统，它的使用是很显而易见的。在这里你可以设置MCU的所具有的中断、内存、定时器、IO端口、UART、SPI和模拟量比较器等外围设备，并产生相应的代码，如果你需要的话，还可产生MAIN函数。636终端仿真IDE有一个内置的终端仿真器，注意它不包含任意一个ISP（在系统编程）功能，但它可以作为一个简单的终端，或许可以显示你的目标装置的调试信息，也可下载一个ASC码文件。从620版本开始IDE加入了对ISP的支持。23结论ATMAGE16单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好。即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量来开发所希望的单片机应用系统。在传统的温度测量系统中，往往采用模拟的温度传感器进行设计，必须经过A/D转换后才可以被微处理器识别和处理。这样的设计方法不仅对前端模拟信号处理电路提出了更高的要求，而且不具有数字通信和网络功能。本设计文结合DSL8B20的新特性和现代温度测量系统提出的新要求，提出了基于智能数字温度传感器DSL8820的高精度、分布式多点温度测量系统设计方案。该方案具有安装方便、数字化程度高、精度高、适应性强等特点，在多种温度检测中具有广阔的应用前景。经过模块化的电路测试、软件调试和系统组装，测温精度可以达到001。设计出的多路远距离自动化、智能化温度采集系统可以广泛应用于工业控制领域。本次设计只给出2路从机采集，根据需要可以增加更多从机进行温度采集。24致谢在我的论文收笔之际，首先，我要衷心感谢我的指导老师李文老师。在毕业设计期间，李文老师给予了我很大的帮助、鼓励和支持，十分关心我的设计进度，对毕业设计提出大量宝贵的意见和建议，在他的悉心指导和大力支持下，我的毕业课程设计得以顺利完成。最后，再次向指导老师李文老师表示我最诚挚的谢意。25参考文献1何立民单片机应用系统设计系统配置与接口技术北京北京航空航天大学出版社19992李广弟单片机基础北京北京航空航天大学出版社19993刘守义