八路温度采集显示系统设计说明

1、八路温度采集显示系统设计说明摘要温度是我们实际生产、生活等诸多领域中必不可少的环境因素。及时准确地控制和检测温度尤为重要。在失控的基础上设计了高精度的温度检测系统，可以同时检测8路温度，并通过液晶显示每路温度。该系统采用AT89C51is作为控制核心。其温度传感器为单总线数字DS18B20，将温度送到LM041L液晶显示器上显示。正常工作时，温度范围为-55 -+ 125 ,在电子工业飞速发展的今天，该系统具有良好的应用前景。关键词:AT89C51路线多；温度检测；显示目录TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536111 摘要I HYPE

2、RLINK l _RefHeading_Toc263536112 AbstractII HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536113 目录I HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536114 1绪论1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536115 1.1课题的来源1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536116 1.2课题的目的1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536117 1.3课题的意义1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc26353

3、6118 2八路温度采集显示系统总体方案设计3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536119 2.1确定设计流程图3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536120 2.2八路温度采集显示系统方案论证3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536121 2.3确定总体设计方案7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536122 3八路温度采集显示系统硬件设计8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536123 3.1AT89C51单片机的特点与引脚说明8 HYPERLI

4、NK l _RefHeading_Toc263536124 3.2温度采集模块硬件设计11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536125 3.3显示模块硬件设计15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536126 3.4报警模块硬件设计17 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536127 3.5串行口上位机通信模块设计18 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536128 3.6片外程序存储器的扩展21 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536129 4八路温度采集

5、显示系统软件设计26 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536130 4.1温度采集模块软件设计27 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536131 4.2单片机处理模块软件设计32 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536132 4.3显示模块软件设计34 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536133 4.4报警模块软件设计36 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536134 4.5串行口上位机通信模块软件设计38 HYPERLINK l _RefHeading

6、_Toc263536135 5八路温度采集显示系统仿真调试与结果39 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536136 5.1Proteus与Keil Vision联合仿真39 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536137 5.2Proteus与Keil联合仿真结果41 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536138 结论44 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536139 参考文献45 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536140 附录1系统仿真所用元器件清单4

7、8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536141 附录2系统仿真C语言程序清单49 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536142 附录3系统仿真电路原理图58 HYPERLINK l _RefHeading_Toc263536143 致591导言1.1课题的来源在实际生产、生活等领域中，温度是环境因素中不可缺少的一部分，因此对温度的精确控制和检测尤为重要。例如，消防电气设备的无损温度检测、电力和电信设备过热故障的预测检测、空调系统的温度检测、用于医院监控的温度测量、化学和机械设备的过热检测等。各级土壤的温度会影响植物的生长，热处理时工件各

8、部分的温度对工件成型后的性能至关重要，等等。总之，现代电子工业的快速发展要求温度检测的智能精度越来越高。1.2课题的目的通过本次设计，我们将对大学四年所学的课程进行总结，对每门课程有更深入的理解，更熟练地掌握设计方案的提出，通过连接各设备的硬件和软件的编程来规划设计过程，能够更熟练地操作Proteus仿真软件，真正培养科学的思维方式和灵活解决问题的能力，为以后的实际工作打下良好的基础。在本设计的最后，我们将得到一个可以同时检测和显示八个通道温度的多点智能测温系统。当一个通道或几个通道的温度值超过设定的上限或下限时，报警电路中的蜂鸣器会鸣响，提示会闪烁，以便操作人员发现问题，控制温度回到额定温度

9、范围。该系统稳定、操作简单、应用灵活，可以很好地应用于当代农业、工业、医疗和日常生活中。1.3选题的意义虽然温度控制系统在我国各行各业得到了广泛的应用，但生产的温度控制器整体发展水平还不高，与日本、美国、德国等先进国家相比还有较大差距。目前我国在这方面的整体技术水平处于80年代中后期，成熟的产品主要是“点对点”控制和常规PID控制器。它只能适应一般的温度系统控制，但很难控制滞后、复杂和时变的温度系统控制。而适用于更高控制场合的智能自适应控制仪表在国内还不是很成熟，已经商品化。在仪表控制参数自整定方面，国外有很多成熟的产品。但由于国外技术和国内开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自调优软件。控

10、制参数大多由人工经验和现场调试确定。国外温度控制系统发展很快，在智能化、自适应、参数自整定方面取得了成就。日本、美国、德国、瑞典等先进技术生产了一批性能优良的商品化温度控制器和仪表，广泛应用于各行业。它们主要有以下特点:一是适用于大惯性、大时滞的复杂温度控制系统的控制；二是能适应被控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能适应过程复杂、被控系统参数时变的温控系统的控制；第四，温度控制系统一般采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论和计算机技术。，并将高级算法应用于广泛的应用领域；第五，温控器一般具有参数自整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有自动设定被控对象的控制参

11、数和特性的功能。有的还具有自学习功能，可以根据历史经验和被控对象的变化自动调整相关控制参数，保证控制效果的最优化；第六，具有控制精度高、抗干扰性强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统和仪器正朝着高精度、智能化和小型化方向快速发展。本课题设计的系统符合当代科学发展的趋势，能够满足现代生产生活的需要，测温效率高，稳定性和灵活性强。方便地实现了多路温度采集和显示。系统采用液晶显示，节省空间，显示效果好。报警电路同时含有蜂鸣器和提示灯，可以更好的引起操作者的警惕。在实际生产中，可以减少因温度超过额定范围而造成的事故。在国外具有很好的实用性和应用前景。八通道温度采集显示系统总体方案设计2.1确定设计

12、流程图在熟悉课题和明确任务的基础上，查阅相关资料，理清设计思路，综合考虑总的设计时间和各部分设计所需时间，最终决定将本次设计分为五个步骤。(1)熟悉课题，明确任务，查阅相关资料，确定总体设计方案；(2)根据各部分的功能划分功能模块，确定各模块的硬件组成，合理选择具有相应功能的器件；(3)设计硬件，将每个设备做成相应的功能模块，并将每个功能模块电连接起来，形成一个总的功能系统；(4)设计软件，编写程序，实现各个模块的功能，使整个系统运行良好；(5)进行模拟调试，检查各模块功能是否能完全实现，综合考虑系统的灵活性、稳定性、误差大小和测温效率来调整各器件的参数。使系统处于最佳性能状态。经过分析总结，

13、确定了总体设计流程，如图2.1所示。图2.1设计流程图2.2八路温度采集显示系统方案演示2.2.1单片机的选择如果采用8031芯片，其部分没有程序存储器，需要外部扩展，增加了电路的复杂度和占用空间。但如果以AT89C51单片机为控制核心，优势就凸显出来了。基于简化的嵌入式控制系统结构，51系列微处理器广泛应用于从军用到自动控制到PC上的键盘的各种应用系统，在8位微控制器市场上的销量仅次于摩托罗拉68HC11。很多厂家都能提供51系列单片机。这些厂商如Intel Philips Siemens在51系列单片机上增加了大量的性能和外部功能，如I2C总线接口、模数转换、看门狗、PWM输出等。许多芯片

14、的工作频率为40M，工作电压为1.5V。这些基于一个核心的功能使得51系列单片机非常适合作为制造商产品的基本框架。它可以运行各种程序，开发者只需要学习这个平台1。对比两种方案，并考虑到单片机的所有资源，本设计选择了第二种方案，采用AT89C51单片机作为核心处理器。温度传感器的选择传感器是信号输入通道的第一个环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。随着传感技术的飞速发展，各种传感器应运而生，因此选择合适的传感器显得尤为重要。许多传感器对计算机测控系统有很大的影响。如今广泛使用的传感器大致可以分为以下几类2:(1)大信号输出传感器。为了满足A/D输入的要求，传感器厂家设计制造了一些专门与A

15、/D匹配的大输出传感器，通常将放大电路与传感器集成在一起，使传感器可以直接输出所需的0 5 V、0 10 V或0 2.5 V的信号电压，将传感器与相应的变送器电路集成在一起，形成一个可以输出4 20 mA DC标准信号的变送器。对于大电流输出，可以通过简单的I/V转换转换成信号电压输出。对于大信号电压，可以用A/D或V/F转换，但后者响应速度较慢。(2)集成传感器。传感器集成是传感器和信号调理电路的集成。例如应变仪、应变电桥、线性化、电桥放大等。被集成以形成集成的压力传感器。集成传感器可以减少输入通道的信号调理任务，简化通道结构。(3)光纤传感器。这种传感器的信号拾取、转换和传输均由光纤实现，

16、避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中使用光纤传感器可以从根本上解决现场传感器引入的干扰。(4)数字传感器。数字传感器一般由频率敏感效应器件组成，或由RLC敏感参数组成的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换等。所以数字传感器一般都是输出频率参数，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传输等优点。另外，使用数字传感器时，如果传感器输出符合TTL电平标准，可以直接连接到计算机的I/O口或中断入口。如何根据具体的测量目的、测量对象和测量环境合理选择传感器，是测量某一量时首先要解决的问题。当传感器确定后，就可以确定匹配的测量方法和设备。测量结果的成败很大程度上取决于传感器选择是否合理。因此，在设计

17、过程中选择温度传感器时应注意几点:(1)根据测量对象和测量环境确定传感器的类型。要进行具体的测量，首先要考虑采用什么样的传感器，这需要在分析各种因素后确定。因为，即使在测量同一个物理量时，也有多种不同原理的传感器可供选择，究竟哪一种更合适，我们需要根据被测特性和传感器的使用条件来考虑以下具体问题:测量范围的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方法是接触式还是非接触式；信号导出法，有线或非接触测量；传感器来源，国产或进口，价格实惠，或自行开发。(2)灵敏度的选择一般在传感器的线性范围内，传感器的灵敏度越高越好。因为只有在灵敏度高的情况下，对应于被测变化的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但

18、需要注意的是，传感器的灵敏度高，与测量无关的外界噪声容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应该具有高信噪比，以最小化从外部引入的串扰信号。(3)频率响应特性传感器的频率响应特性决定了要测量的频率范围，因此需要将不失真的测量条件保持在允许的频率范围内。其实传感器的响应总是有一定的延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测信号频率宽。但由于结构特性的影响，机械系统的惯性较大，低频的传感器可测信号频率较低。(4)线性周长传感器的线性周长是指输出与输入成正比的周长。理论上，这里的灵敏度保持不变。传感器的线性范围越宽，测量范围就越大，并能保证一定的测量精度。在选择传感

19、器时，当传感器的类型确定后，首先要看的是它的量程是否符合要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，它的线性是相对的。当要求的测量精度较低时，在一定范围内，非线性误差较小的传感器可以近似视为线性，这将给测量带来很大的方便。(5)稳定性传感器在使用一段时间后保持其性能不变的能力称为稳定性。除了传感器本身的结构之外，影响传感器长期稳定性的主要因素是传感器的使用环境。因此，为了使传感器具有良好的稳定性，传感器必须具有很强的环境适应性。在选择传感器之前，应调查使用环境，根据具体的使用环境选择合适的传感器，或者采取适当的措施减少对环境的影响。(6)准确性它是精密传感器的重要性能指标，是关系到整个测量

20、系统测量精度的重要环节。传感器的精度越高，价格就越贵。因此，传感器的精度只需满足整个测量系统的精度要求即可，不必选得太高。这样，可以从满足相同测量目的的许多传感器中选择更便宜和更简单的传感器。如果测量的目的是定性分析，可以选择重复精度高的传感器，但不应选择绝对值精度高的传感器。如果需要获得准确的测量值进行定量分析，就要选择精度水平能够满足要求的传感器。对于一些特殊的场合，如果无法选择合适的传感器，就需要自己设计制造传感器。自制传感器的性能应满足应用要求。显然，数字温度传感器在本设计中具有突出的应用优势。基于以上考虑，本设计采用DS18B20单总线数字温度传感器采集温度信号。2.2.3选择监视器

21、显示系统是单片机控制系统的重要组成部分，主要用于显示各种参数的数值，以便现场工作人员随时掌握生产过程。阴极射线管、发光二极管、液晶显示器等。通常用于工业控制系统。CRT不仅可以显示字符，还可以显示图片。它可以与计算机配合使用，方便地管理和监控生产过程。但CRT体积大，价格高，只适用于大型微机控制系统。在中小型控制过程中，为了使工作人员能够直接看到现场的生产情况和报警信号，往往选用LED和LCD作为显示器件。而LED液晶显示器具有体积小、功耗低、响应快、匹配容易、可靠性高、寿命长等优点。LCD是一种功耗极低的显示元件，广泛应用于仪器仪表和低功耗应用系统中，而LED虽然成本低，但也用于单片机控制系

22、统中。但是实际的位数和精度受到led数量的限制，所以这个设计要同时显示8个通道的温度。如果用太多的led来显示所需的件数，不仅总成本不会降低，体积还会增大，不方便观察。因此，本系统采用LCD液晶显示器3。2.3确定总体设计方案。通过对设计任务和相关芯片的深入了解，最终决定采用AT89C51单片机作为控制器，单总线数字温度传感器DS18B20采集温度，164字液晶显示器组成8路温度采集显示系统，使系统能够检测-55 +125左右的温度，分辨率为12位。用液晶显示器循环显示八个通道的温度。考虑到温度测量精度，将显示值设置为0.1，并设置温度上限和下限。当一个通道或几个通道的温度值超过温度上下限时，

23、报警电路中的蜂鸣器会鸣响，提示灯会亮起。根据各模块要实现的功能和各模块的结构特点，总体结构设计如图2.2所示。图2.2八路温度采集显示系统结构图八通道温度采集显示系统的硬件设计3.1 at89c 51单片机的特点及引脚说明3 . 1 . 1 at89c 51单片机的特点AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机。它包含4k字节的可重写只读程序存储器(EPROM)和128字节的随机存取数据存储器(ram)。该器件采用ATMEL的高密度非易失性存储器技术生产，与标准的MCS-51指令系统兼容。该芯片配有一个通用的8位中央处理器(CPU)和一个闪存单元。功能强大的AT8

24、9C51单片机可以提供很多高性价比的应用，可以灵活应用于各种控制领域。芯片的外部结构和引脚如图3.1 4所示。图3.1 AT89C51外形结构和引脚AT89C51单片机的主要性能参数有:(1)完全兼容MCS-51产品指令系统；(2)4K字节可重写闪存；(3)1000次擦除循环；(4)全静态运行:0hz-24hz；(5)三级加密程序存储器；(6)1288字节内存；(7)32个可编程I/O端口；(8)两个16位定时器/计数器；(9)6个中断源；(10)可编程串行UART通道；(11)低功耗空闲和省电模式8。AT89C51提供4K字节闪存、128字节RAM、32个I/O端口、两个16位定时器/计数器

25、、一个5向量两级中断结构、一个全双工串行通信端口、片内振荡器和时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑运行，支持两种软件可选的省电工作模式。空闲模式停止CPU的工作，但允许RAM、定时器/计数器、串行通信端口和中断系统继续工作。掉电模式保存RAM的内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其它元件工作，直到下一次硬件复位。3 . 1 . 2 at89c 51单片机引脚功能描述(1)Vcc:电源电压；(2)GND:地面；(3)P0端口:P0端口是一组8位开漏双向I/O端口，也是地址/数据总线复用端口。当用作输出端口时，每个位可以吸收电流来驱动8个TTL逻辑门，向端口写入“1”可以用作高阻输入。

26、当访问外部数据存储器或程序存储器时，这组端口线以分时方式交换地址(低8位)和数据总线被多路复用，在访问期间，有源部分上拉电阻。在Flash编程中，端口P0接收指令字节，而在程序验证中，它输出指令字节。验证时，需要连接外部上拉电阻。(4)P1端口:P1端口是一个8位双向I/O端口，带有部分上拉电阻，P1的输出缓冲级可以驱动(吸收或输出电流)四个TTL逻辑门。将“1”写入端口，并通过器件的上拉电阻将端口拉低至高电平。此时，它可以用作输入端口。使用输入端口时，因为器件中有一个上拉电阻，所以当引脚被外部信号拉低时，会输出一个电流(IIL)。在闪存编程和程序验证期间，P1接收低8位地址。(5)P2端口:

27、P2是一个带有上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲级可以驱动(吸收或输出电流)四个TTL逻辑门。将“1”写入端口，端口将通过器件的上拉电阻被下拉至高电平。此时，它可以用作输入端口。当它作为输入端口时，由于器件中的上拉电阻，当一个管脚被外部信号下拉时(当访问外部程序存储器或具有16位地址的外部数据存储器时(例如，执行MOVXDPTR指令)，P2端口发送高8位地址数据)，就会有电流输入。当访问地址为8的外部数据存储器时(如执行MOVXR1指令)，P2端口线的容量(即特殊功能寄存器SFR区R2寄存器的容量)在整个访问周期内不变。在闪存编程或验证期间，P2也接受高位地址和其他控制信号。(6)P

28、3端口:P3端口是一个带上拉电阻的8位双向I/O端口。P3端口的输出缓冲级可以驱动(吸收或输出电流)四个TTL逻辑门。当“1”被写入端口时，它们被上拉电阻上拉，可以用作输入端。作为输入端，被外界拉低的P3端口会使用上拉电阻输出电流(IIL)。P3不仅用作通用I/O端口线，还是它的第二个功能，如表3.1所示。表3.1港的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入端口)P3.1TXD(串行输出端口)P3.2 QUOTE(外部中断0)P3.3 QUOTE(外部中断1)P3.4T0(计时/计数器0)P3.5T1(定时器/计数器1)P3.6 QUOTE(外部数据存储器写选通脉冲)P3.7 QUOT

29、E(外部数据存储器读选通脉冲)P3端口还接收一些用于闪存编程和程序验证的控制信号。(7)RST:重置输入。当振荡器工作时，超过两个机器周期的高电平RST引脚将复位微控制器。(8)ALE/ QUOTE:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(数据锁存允许)输出脉冲可用于锁存地址的低位八位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍然以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可以向外部输出时钟或用于计时目的。请注意，每当访问外部数据存储器时，都会跳过一个ALE脉冲。在对闪存编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲( QUOTE)。如有必要，可通过设置SFR区8EH单元的D0位来禁止ALE操作。当该位

30、置位时，只有一个MOVX和MOVC指令ALE将被激活。此外，此引脚会被弱拉高，因此MCU执行外部程序时ALE应设为无效8。(9) QUOTE:程序存储允许( QUOTE)输出是外部程序存储器的读选通信号。当AT89C51从外部程序存储器中取指令(或数据)时，每个机器周期取两次。 QUOTE有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两个有效 QUOTE信号没有出现。(10)东亚/VPP:允许外部访问。要使CPU仅访问外部数据存储器(地址0000HFFFFH)，EA端子必须保持低电平(接地)。注意，如果加密位LB1被编程，EA状态将在复位时间被锁存。如果EA端处于高电平(连接到Vc

31、c端)，CPU将执行本部门程序存储器中的指令。闪存编程时，此引脚加+12V编程许可电源Vpp，当然必须是器件使用12V编程电压Vpp。(10)XTAL1:振荡器反相放大器和时钟发生器的输入。(11)XTAL2:振荡器反相放大器的输出。3.2温度采集模块的硬件设计3 . 2 . 1 ds18b 20传感器的结构DS18B20温度传感器是美国达拉斯半导体公司生产的总线型智能数字温度传感器。DS18B20可根据实际要求，通过简单编程实现9 12位分辨率的数字值读取。其工作电源可以在远端引入，也可以通过寄生电源方式产生。多个DS18B20可以并联成三条或两条线路，CPU只用一条端口线就可以和多个DS1

32、8B20通信，占用微处理器的端口少，可以节省大量的引线和逻辑电路。现场温度采用单线数字方式直接传输，大大提高了系统的抗干扰性能，适用于恶劣环境下的现场温度测量。DS18B20的引脚排列和定义如图3.2 3所示。图3.2至-92 ds18b 20的封装DS18B20的三个引脚布局合理，结构简单，功能明确。DQ:数据输入和输出；VCC:可选电源电压引脚；GND:禁足。DS18B20主要由四个数据部分组成:64位ROM、高温传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、缓存。64位ROM用于存储序列号。前8位数字是产品型号。接下来，每个设备的唯一序列号(6字节48位)在出厂前已被写入ROM。后8位是前5

33、6位的CRC校验码。非易失性温度报警触发器TH和TL可由用户通过软件写入报警上限和下限。缓存由9个字节组成。DS18B20的功能框图如图3.3 1所示。图3.3 ds18b 20的结构框图主机进入操作程序前，必须逐个读取DS18B20，用read ROM命令读取DS18B20的序列号并登录主机。当需要操作多个在线DS18B20中的一个时，首先要发出匹配的ROM命令，然后主机提供64位序列(包括DS18B20的48位序列号)。DS18B20的存储器结构如表3.2所示。存储器由一个临时RAM和一个非易失性电可擦EERAM组成，用于存储高和低报警触发值TH和TL。在单条总线上通信时，临时存储器有助于

34、确保数据的完整性。数据先写入寄存器，这里的数据可以回读。在数据被验证之后，使用复制寄存器命令将数据传输到非易失性EERAM。此过程确保了内存数据在更改时的完整性。表3.2存储器结构温度的低字节LSB(50h)保留(FFH)值的高位字节的MSB(05H)保留第1个用户字节保留(10H)第2个用户字节循环冗余检验配置寄存器该寄存器的结构是一个8字节存储器。前两个字节包含测得的温度信号。第3和第4个字节中有两个字节未使用，但当数据读回时，它们都是逻辑1。还有第9个字节，可以通过读寄存器命令读取。该字节是上述8个字节的CRC码。该寄存器的第五个字节是一个配置寄存器，用于确定将温度值转换为数字值的分辨率

35、。配置寄存器字节中每个位的定义如表3.3所示。表3.3配置寄存器位的定义铥R1R0一个一个一个一个一个TM是测试模式位。R0和R1决定了温度转换的分辨率，它们的定义见表3.4。表3.4 ds18b 20的分辨率R1R0解决最大温度转换时间009位93.75毫秒0一个10位187.5毫秒一个01位375毫秒一个一个12位750毫秒DS18B20的特性(1)1-电线系统单线系统也称为单总线系统。单总线系统包括一个总线控制器和一个或多个从机，DS18B20是一个从机。这种总线分硬件配置、执行顺序和单线信号(信号类型和时序)三部分讨论。(2)硬件配置单条总线只有一条规定的信号线。重要的是总线上挂的每一

36、个设备都能在合适的时间驱动它。因此，每条总线上的器件必须具有开漏或三态输出。DS18B20的单总线端口(I/O引脚)为开漏。多点总线由单条总线或与之相连的多个从设备组成。单条总线需要约5k的上拉电阻10。单总线的空闲状态为高。当一个执行过程由于某种原因需要暂停时，如果总线想要恢复执行，它必须保持空闲。在恢复过程中，如果单条总线不活动(高电平)，位之间的恢复时间可以无限长。如果单条总线保持低电平超过480s，总线上的所有器件都会复位10。(3)执行顺序通过单线总线端口访问DS18B20的协议如下:初始化；ROM操作说明；记忆操作指令；执行/数据。(4)初始化通过单总线的所有执行(处理)从初始化序

37、列开始。初始化序列包括由总线控制器发送的复位脉冲和由从机发送的存在脉冲。有一个脉冲让总线控制器知道DS18B20在总线上并且就绪12。(5)输入输出信号DS18B20需要严格的协议来确保数据的完整性。该协议包括几种单线信号类型:复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。除了脉冲以外，所有这些信号都是由总线控制器发送的。DS18B20与DS18B20之间的任何通信都需要从初始化序列开始，该序列由复位脉冲和存在脉冲表示。跟随有存在脉冲的复位脉冲表示DS18B20准备好发送和接收数据(适当的ROM命令和存储器操作命令)。总线控制器发出(TX)一个复位脉冲(保持至少480s的低电平信号)，然后释放总

38、线并进入接收状态(RX)。单总线被5k上拉电阻拉低至高电平。DS18B20检测到I/O引脚上的上升沿后，等待15 60 s，然后发出存在脉冲(60 240 s的低电平信号)。(6)读/写差距DS18B20的数据读写通过处理时隙中的位和命令字来确认信息交换。写入间隙当主机将数据线从逻辑高电平拉至逻辑低电平时，写入间隙开始。有两种写间隙；写1个时间间隙，写0个时间间隙。所有写入间隔必须持续至少60s，包括两个写入周期中至少1s的恢复时间。I/O线电平变低后，DS18B20在15s至60s的窗口内对I/O线进行采样，如果该线为高电平，则表示写1；如果线是低的，它意味着写0。为了产生写间隙，主机必须将

39、数据线拉到低电平，然后释放它。写间隔开始后15s，数据线可以拉低至高电平。要产生写0时隙，主机必须将数据线拉至低电平并保持60s，R/ QUOTE阅读时间差距从DS18B20读取数据时，主机会产生一个读取时间间隙。当主机将数据线从高电平拉到低电平时，写间隙开始。数据线必须保持至少1s；在读取间隙下降沿出现15s后，DS18B20的数据输出有效。因此，在读取间隔开始后，主机必须停止将I/O引脚驱动至低电平15s，以读取I/O引脚状态。在读取间隙结束时，I/O引脚将被外部上拉电阻拉低至高电平。所有读取间隔必须至少为60s，包括两个读取周期中至少1s的恢复时间。3.2.3 DS18B20与单片机连接

40、。由于DS18B20是基于总线的数字温度传感器，配有模数转换模块，只需要根据前面介绍的其三个端口各自的功能挂在单条总线上，即VCC端口接电源，DQ端口接单片机P3.2端口作为数据传输端口，接一个5k的上拉电阻，GND端口接地。其硬件连接如图3.4所示。图DS18B20与单片机的硬件连接图当系统正常运行时，对DS18B20进行初始化，然后采集温度。温度采集完成后，采集到的模拟量通过安装的模数转换模块进行模数转换，转换成数字量后通过DQ口送到单片机进行处理。经过处理后，它被发送到显示器。3.3显示模块的硬件设计3 . 3 . 1 lm 041 l液晶显示器的结构和特点标准LCD字符显示模块的接口引

41、脚名称和引脚功能如下11:(1)GND:电源接地。(2)Vcc:电源的正输入(+5V)。(3)Vo: LCD对比度调整。接正电源时对比度最弱，接接地电源时对比度最高。使用时，可通过10k电位计调节对比度。(4)RS:寄存器选择输入。RS=0时，选择指令寄存器。你可以写指令，读忙标志或地址计数器；RS=1时，选择数据寄存器。可以读写数据。R/ QUOTE:读和写信号线。高位读，低位写。当RS和R/ QUOTE当它处于高电平时，可以读取忙信号；当RS处于高电平时，R/ QUOTE当为低电平时，可以写入数据。(6)E:命令使能端子。当E端从高电平跳到低电平时，液晶模块执行命令。(7) DB0 DB7

42、(或D0 D7): 8位双向数据线。(8) BL1 BL4:背光灯工作电压的输入。LM041L字符显示模块是一个4行 16字符的LCD显示器。该装置由64字符点阵块组成，能显示ASCII码表中所有可显示的字符。图3.5显示了LCD显示器的形状、引脚排列和名称。图3.5 LCD字符显示的形状、引脚排列和名称3.3.1 LM041L液晶显示器与单片机连接。从上一节对LM041L LCD的了解可以知道，LM041L的DB0 DB7口是作为双向数据线使用的，MCU的P0口也可以作为数据输入输出口，所以LM041L的DB0 DB7口连接到P1.0P1.7，RS，R/ QUOTEe口分别与单片机的P3.5

43、、P3.6、P3.7连接，用于控制数据读写和液晶显示器的工作状态。而Vcc和Vo连接到电源，GND根据需要接地。LM041L与MCU之间的硬件连接如图3.6所示。图3.6液晶显示器与单片机的硬件连接图3.4报警模块的硬件设计报警是微机控制系统的一项重要功能，主要用于保证生产过程和操作人员的正常操作。生命的安全。在生产过程中，控制系统随时检测被控对象的一些重要参数。当超出允许范围时，控制系统会发出声光报警信号，引起操作人员的注意，以便采取相应措施。智能报警系统不仅能发出声光报警信号，还能实现简单故障的自动处理17。该系统在报警电路中安装了红色LED和蜂鸣器，温度上限为+90，温度下限为-10。系

44、统正常工作时，八个通道的温度都在限定温度附近，连接LED和蜂鸣器的两个端口同时输出低电平。由于LED和蜂鸣器的另一端接地，LED处于关闭状态，蜂鸣器不响；当八个通道中的一个或多个温度超过上限或下限时，连接LED和蜂鸣器的两个端口同时从低电平跳到高电平，再从高电平跳到低电平，如此循环动作发出高电平循环跳变的脉冲波，使红色LED闪烁，蜂鸣器鸣响。当八个控制通道的温度回到限定范围时，LED将熄灭，蜂鸣器将停止鸣响。硬件连接如图3.7所示。图3.7报警电路与单片机硬件连接图3.5串口主机通信模块的设计串行通信意味着发送方和接收方之间的数据信息传输是在一条数据线上进行的，每次移动一位。它的优点是只需要一

45、对传输线来传输信息，所以成本低，适合远距离通信。它的缺点是传输速度低19。串行通信有两种基本的通信方式:异步通信和同步通信。同步通信适用于高传输速度，而异步通信由于硬件复杂，是一种常用的传输方式。在异步通信中，数据是逐帧传输的，每个串行帧的数据格式由四部分组成:一个起始位、5-8个数据位、一个奇偶位(可以省略)和一个停止位。在串行通信之前，发送方和接收方应该就特定的数据格式达成一致。PC机采用可编程串行异步通信控制器8250实现异步串行通信。串行数据传输的格式和速度可以通过初始化8250来控制。RS-232C串行接口COM1和COM2是PC中的两种标准。51系列单片机芯片含有全双工串行接口，通

46、过编程可以实现串行通信21。RS-232C标准RS-232C是美国电子工业协会(EIA)正式发布的标准总线，是异步串行通信中应用最广泛的总线。该标准适用于DCE和DTE之间的串行二进制通信，最高数据传输速率为19。2kbps和最长15米的传输电缆。RS-232C标准定义了25条引线。对于一般的双向通信，只需要串行输入RXD、串行输出TXD和接地GND。在电气性能方面，RS-232C标准的电平采用负逻辑，规定+5V到+15V之间的任何电平为逻辑“0”电平，在-5V到-15V之间的任何电平为逻辑“1”电平。它要求RS-232C接收器必须能够识别低至+3V为逻辑“0”和-3V为逻辑“0”的信号，RS

47、-232C是位串行方式，数据传输的格式如图3.8所示，这是微机系统中最常见的格式。7位ASC= 2 * ROMAN二数据的连续传输从最低有效位开始，以奇偶校验位结束(RS-232C标准接口不限于ASC= 2 * ROMAN二数据，也可以用5到8个数据加一个奇偶校验位)。RS-232C标准接口上的信号线基本可以分为四类:数据信号(4)，控制信号(12)，定时信号(3)，地(2) 21。(1)数据信号。“用于发送数据的TXD”和“用于接收数据的RXD”信号线是一对用于传输串行位数据信息的数据传输线。对于异步通信，传输的串行位数据信息的单位是字符。传输数据信号由数据终端DTE产生，并发送到数据通信设

48、备DCE。在发送数据信息的间隔期间或当没有数据信息被发送时，数据终端DTE保持信号“1”。接收到的数据信号由数据通信设备DCE发送，并发送到数据终端设备DTE。同样，在接收数据信息的间隔期间或没有信息传输时，信号应为“1”。图3.8串行数据传输格式(2)控制信号:DTE向数据通信设备发出发送RTS信号的请求，要求数据通信设备发送数据。在双工系统中，该信号的设置条件使数据通信设备保持在传输模式。在半双工系统中，信号的设置条件保持数据通信设备处于发送状态并禁止接收；在信号复位后，允许数据通信设备切换到接收模式。在数据通信设备复位和清除传输信号之前，不能重复请求信号。(3)定时信号，其中数据终端设备

49、通过使用传输信号定时信号来指示传输数据线上每个二进制数据的中心位置；且数据通信设备使用接收信号定时信号来指示每个二进制系统在接收的数据线上的中心位置。(4)接地信号，被保护地为屏蔽地；地是所有RS-232C信号的公共参考点。接口电路和计算机接口芯片都是TTL或CMOS电平，所以通信时必须转换电平，以匹配RS-232标准的电平。MAX232芯片可以完成电平转换。3.5.2通过MAX232芯片与计算机的串口连接。计算机的串口是RS232电平，单片机的串口是TTL电平。两者之间一定有电平转换电路。我们使用专用芯片MAX232进行转换。虽然几个三极管也可以用于模拟转换，但使用一个特殊的芯片更简单、更可

50、靠35。MAX232芯片是MAXIM公司生产的低功耗、单电源、双RS232发送器/接收器。适用于各种EIA-232E和V.28/ V.24通信接口。MAX232芯片有一个电源电压转换器，可以将输入的+5V电源转换成RS-232C输出电平所需的10V电压，所以使用该芯片接口的串行通信系统只需要一个+5V电源。MAX232在外围需要四个电解电容C1、C2、C3、C4，都是功率转换所需要的，它们的值都是1 f/25 V，应该选择钽电容，尽量靠近芯片，C5是0.1F电容。T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT接TTL/ CMOS电平管脚，T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN接RS-232C电

51、平管脚，所以TTL/CMOS电平的T1IN、T2IN管脚要接串行传输管脚TXD；AT89C51的；R1OUT和R2OUT应连接到串行接收引脚RXD；MCS-51的；对应RS -232C电平的T1OUT和T2OUT应连接到PC的接收端RD；R1IN和R2IN应连接到PC的发送终端TD35。为了提高系统的可操作性、灵活性和控制的实时性，需要与上位机进行通信，即通过串口将数据发送给PC机进行显示，同时PC机还可以将数据和指令发送给单片机，以便单片机对温度进行处理。单片机与上位机通讯时，根据上面的介绍，决定使用MAX232进行数据转换，其硬件连接如图3.9所示。图3.9单片机通过MAX232与PC串口

52、连接图3.6片外程序存储器的扩展通常使用AT89C51的最小应用系统可以充分发挥单片机体积小、成本低的优势。但在很多情况下，在构建一个工业测控系统时，考虑到传感器接口、伺服控制接口、人机对话接口的要求，最小的应用系统往往不能满足要求，所以系统扩展是单片机应用系统硬件设计中最常见的问题24。系统扩展是指当单片机的功能部件不能满足应用系统的要求时，在芯片外部连接相应的外围芯片来满足应用系统的要求。AT89C51单片机具有很强的外部扩展能力，外围扩展电路芯片多为一些常规芯片，扩展电路和方法比较典型。用户很容易通过标准的扩展电路构建大规模的应用系统37。AT89C51单片机的系统扩展包括程序存储器(R

53、OM)、数据存储器(ram)、I/O口、中断系统等特殊功能。该系统采用单总线数字温度传感器采集温度。为了增加系统的测温范围，可以方便地扩展到更多地方采集温度。该系统需要增加一个8K8位的片外程序存储器。增加片外程序存储器后，系统可以拥有更强大的功能，如时间显示，大大增强了系统的扩展能力。3.6.1片外存储器(RAM)扩展简介单片机系统的扩展有两种方法:并行扩展和串行扩展。并行扩展法是指利用单片机的三组总线(AB、DB、CB)进行系统扩展。串行扩展方法是指使用SPI三线总线和I2C双总线的串行系统扩展1。由于集成度和结构的发展，在只能使用并行扩展方法的情况下，可以使用串行扩展方法。串行扩展方法具

54、有明显的优势。一般来说，串行接口器件体积小，所以占用的空间只有并行接口器件的10%，明显降低了电路板的空间和成本。串口设备与单片机接口只需要很少的I/O口(只有3 4个)，不仅减少了控制器的资源开销，而且大大简化了连接，从而提高了可靠性。但是一般的串行接口设备速度比较慢。当需要高速应用时，并行扩展方法占主导地位。本系统综合考虑了两种扩展方式的优缺点，分析了系统各模块所需管脚，最终决定采用并行扩展方式1。(1)单片机的片外总线结构单片机通过芯片的引脚扩展系统。为了满足系统扩展的要求，AT89C51单片机的管脚可以形成如图3.10所示的三总线结构，即地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(C

55、B)。的所有外部芯片都通过这三组总线进行扩展37。图3.10 at89c 51单片机的三总线引脚结构地址总线(AB)总线地址由P0端口的低8位A0 A7和P2端口的高8位A8 A15提供。由于端口P0也用作数据总线端口，因此在分时时只能用作地址线，因此端口P0输出的低8位地址数据必须由锁存器锁存。锁存器的锁存控制信号是引脚ALE输出的控制信号。从端口P0输出的地址数据在ALE的下降沿被锁存。P2端口具有输出锁存功能，因此不需要额外的锁存器。P0和P2端口在系统扩展中用作地址线后，不能用作通用I/O端口。总线的地址宽度为16位，因此可寻址范围为216=64KB。数据总线(DB)总线由端口P0提供

56、，其宽度为8位。P0是一个三态双向端口，是应用系统中最常用的通道。MCU与外界交换的所有数据、指令和信息，除了少数可以通过P1端口直接传输外，都是通过P0端口传输的。总线要连接多个相连的外围芯片，同时只能有一个是有效的数据传输通道。通过控制每个芯片的芯片线选择的地址线来选择哪个芯片的数据通道是有效的。控制总线(CB)控制总线包括片外系统扩展控制线和片外信号到单片机的控制线。系统的扩展控制线包括ALE， QUOTE、 QUOTE、 QUOTE和 QUOTE。(2)单片机的系统并行扩展能力。由于地址总线的宽度为16位，片外可扩展存储器的最大容量为64KB，地址为0000 h FFFFH。片外数据存

57、储器和程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号，允许两者的地址重复，所以片外可扩展数据存储器和程序存储器分别为64KB。片外数据存储器和片内数据存储器的操作指令不同(片外RAM只能使用MOVX指令)，两者的地址允许重复，即外部扩展数据存储器地址可以从0000H h开始。为了配置外围设备而需要扩展的I/O端口可以用片外数据存储统一编译，不提供额外的地址线。因此，当应用系统需要配置大量的外围设备来扩展更多的I/O端口时，就占用了大量的RAM地址。3.6.2扩展片外程序存储器的总线功能和操作顺序。 QUOTE它是片外和片内程序存储器选择信号、输入引脚，低电平有效。当.的时候 QUOTE= 0，微控制

58、器将手指从片外取出；当.的时候 QUOTE= 1，手指取自芯片。正常工作期间，此引脚不能悬空。根据 QUOTE根据连接级别的不同，单片机中有两种取指过程:(1)何时 QUOTE= 1，AT89C51单片机的所有程序存储器都有效。当程序计数器PC运行在芯片程序存储器的寻址范围内(AT89C51为0000H0FFFFH)时，端口P0与端口P2相连。 QUOTE无线路信号输出；当程序计数器PC的值超过上述范围时，输出信号39。(2)什么时候 QUOTE= 0，AT89C51单片机所有程序存储器无效，只能访问片外程序存储器。微控制器复位后，端口P0、端口P2和 QUOTE所有线路都有信号输出。当AT8

59、9C51单片机访问片外程序存储器时，它使用以下信号:P0端口:输出程序存储器的低位8位地址和8位数据。ALE:输出线。在ALE的下降沿，P0上出现程序存储器稳定的低8位地址输出，因此低8位地址可以被ALE信号锁存。P2:在整个取指周期中，输出稳定程序存储器的高8位地址。由于P2港已经具有闩锁功能，因此没有必要添加闩锁。 QUOTELine:输出线，低电平有效。在ALE的下降沿之后， QUOTE从高到低，片外程序存储器的内容(指令字)发送到端口P0(数据总线)，然后在 QUOTE的上升沿将指令字发送到指令寄存器。因此， QUOTE作为片外程序存储器的读选通信号。片外程序存储器的读取指的是操作顺序

60、，如图3.11所示。图3.11区域指的是操作顺序(没有片外存储器时)3.6.3扩展片外程序存储器的硬件电路根据图3.11所示的取指操作顺序，本系统使用的芯片为8K8位的2764芯片，其容量足以满足未来功能的扩展。作为低位8位数据锁存的地址锁存，从时序的角度来看，它应该在ALE的下降沿或低电平锁存来自端口P0的地址。该系统使用8D锁存器74HC373。AT89C51单片机扩展片外程序存储器的硬件电路如图3.12所示1。图3.12扩展片外程序存储器的硬件八通道温度采集显示系统的软件设计本系统用Keil中的C语言编程控制单片机处理数据，控制液晶显示器分四行显示八路温度，每行显示两路，显示的温度值精确