使用DS18B20进行数字温度计的设计论文资料免费下载

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标签:温度计(131)DS18B20(518)传感器(12335)

  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。

  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。

  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。

  1.1 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。

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