數字溫度計的軟硬件的設計.doc

1畢業(yè)論文（設計）題目：數字溫度計的軟硬件的設計系別：專業(yè)：班級：姓名：指導教師：年月日2第一章、緒論1.1DS18B20的基本介紹DS18B20是美國DALLAS公司生產的一線式（1Wire）智能數字溫度傳感器，它具有3引腳TO92小體積封裝形式；溫度測量范圍為55125,可編程為9位12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此，用它來組成一個測溫系統(tǒng)，一根通信線就可以掛很多這樣的數字溫度計，十分方便。1.1.1DS18B20的主要數據元件DSl8B20的主要數據元件有：64位激光LaseredROM，溫度靈敏元件和非易失性溫度告警觸發(fā)器TH和TL。DSl8B20可以從單總線獲取電源，當信號線為高電平時，將能量貯存在內部電容器中；當單信號線為低電平時，將該電源斷開，直到信號線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳?電容)電源為止。此外，還可外接5V電源，給DSl8B20供電。DSl8B20的供電方式靈活，利用外接電源還可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。1.1.2DS18B20的主要特點DS18B20的特點如下：（1）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一個端口引腳即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊；（2）DS18B20支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現多點組網功能；（3）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內；（4）適應電壓范圍更寬，在寄生電源方式下可通過數據線供電，電壓范圍為3.05.5；（5）零待機功耗；3（6）在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度更快；（7）可編程的分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現高精度測溫；（8）測量結果直接輸出數字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；（9）負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。1.1.3DS18B20的主要性能DS18B20的性能如下：（1）采用單總線專用技術，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機接口，無須經過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9位二進制數，含符號位）；（2）測溫范圍為-55-+125，測量分辨率為0.0625；（3）內含64位經過激光修正的只讀存儲器ROM；（4）適配各種單片機或系統(tǒng)機；（5）用戶可分別設定各路溫度的上、下限；（6）內含寄生電源。1.1.4DS18B20的引腳圖圖1DS18B20引腳圖如圖1所示：1、GND為電源地；2、DQ為數字信號輸入/輸出端；43、VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。1.2AT89S51的基本介紹AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。1.2.1AT89S51的主要特性AT89S51具有如下特點：40個引腳，4kBytesFlash片內程序存儲器，128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。1.2.2AT89S51的管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由5于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數據存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。I/O口作為輸入口時有兩種工作方式即所謂的讀端口與讀引腳讀端口時實際上并不從外部讀入數據而是把端口鎖存器的內容讀入到內部總線經過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器只有讀端口時才真正地把外部的數據讀入到內部總線上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作這是由硬件自動完成的不需要我們操心1然后再實行讀引腳操作否則就可能讀入出錯為什么看上面的圖如果不對端6口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q為1加到場效應管柵極的信號為1該場效應管就導通對地呈現低阻抗,此時即使引腳上輸入的信號為1也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1若先執(zhí)行置1操作則可以使場效應管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現正確的讀入由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作所以這類I/O口被稱為準雙向口89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時都是準雙向口接下來讓我們再看另一個問題從圖中可以看出這四個端口還有一個差別除了P1口外P0P2P3口都還有其他的功能RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。7第二章、系統(tǒng)硬件設計方案2.1數字溫度計設計方案論證方案一：由于本設計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行A/D轉換后，就可以用單片機進行數據的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設計需要用到A/D轉換電路，感溫電路比較麻煩。方案二：進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設計中，大多數使用的都是傳感器，這是非常容易想到的，所以，可以考慮采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉換，就可以滿足設計要求。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設計也比較簡單，故采用了方案二。2.2方案二的總體設計框圖2.2.1主控制器溫度計電路設計的總體設計方框圖如圖2所示，控制器采用單片機AT89S51，溫度傳感器采用DS18B20，用3位LED數碼管以串口傳送數據實現溫度顯示。圖2總體設計方框圖主控制器LED顯示溫度傳感器單片機復位時鐘振蕩報警點按鍵調整82.2.2溫度傳感器DS18B20溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現位的數字值讀數方式。DS18B20采用腳PR35封裝或腳SOIC封裝，其內部結構框圖如圖3所示。I/O圖3DS18B20內部結構64位ROM的結構開始8位是產品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入戶報警上下限。DS18B20溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結構寄存器。高速暫存RAM的結構為8字節(jié)的存儲器，結構如圖3所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5個字節(jié)為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數值。該字節(jié)各位的定義如圖4所示。低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20C64位ROM和單線接口高速緩存存儲器存儲器與控制邏輯溫度傳感器低溫觸發(fā)器TL高溫觸發(fā)器TH配置寄存器8位CRC發(fā)生器Vdd9出廠時該位被設置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉換的精度位數，來設置分辨率。TMR11R01111.圖4DS18B20字節(jié)定義由表1可見，DS18B20溫度轉換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現為全邏輯。第字節(jié)讀出前面所有字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數據，從而保證通信數據的