基于8255的溫度計(jì)(單片機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì))

目錄1課題任務(wù)、功能要求說(shuō)明和整體方案101.1課題設(shè)計(jì)任務(wù)101.2功能要求說(shuō)明101.3方案的選擇101.4設(shè)計(jì)原理112硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)132.1硬件系統(tǒng)各模塊功能的簡(jiǎn)要介紹132.2整體電路圖、PCB圖、部件配置圖182.3部件列表183軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)193.1使用硬件資源的情況193.2各模塊的功能介紹193.3程序的流程圖193.4程序列表224設(shè)計(jì)結(jié)論、模擬結(jié)果、誤差分析304.1設(shè)計(jì)的結(jié)論和使用說(shuō)明304.2模擬結(jié)果304.3誤差分析324.4設(shè)計(jì)體會(huì)32參考文獻(xiàn)34謝謝35附錄一溫度計(jì)整體電路圖36附錄二PCB圖37附錄三部件布局圖38附錄4部件列表391課題任務(wù)功能要求說(shuō)明和方案選擇1.1課題設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)具有特定功能的數(shù)字溫度計(jì)。 打開此數(shù)字溫度計(jì)的電源，或者重置鍵后自動(dòng)顯示系統(tǒng)提示符“p .”，進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。 測(cè)量溫度范圍為099，測(cè)量精度為小數(shù)點(diǎn)后1位，可通過(guò)開始鍵和結(jié)束鍵控制數(shù)字溫度計(jì)的動(dòng)作狀態(tài)。1.2功能要求的說(shuō)明這次畢業(yè)設(shè)計(jì)制作的溫度計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下功能(1)打開系統(tǒng)電源或者重置鍵后顯示“p .”，進(jìn)入準(zhǔn)備作業(yè)狀態(tài)。(2)按下開始鍵后開始動(dòng)作，按下停止鍵后停止動(dòng)作。1.3方案選擇該系統(tǒng)主要由溫度測(cè)量和數(shù)據(jù)采集兩個(gè)電路組成，實(shí)現(xiàn)的方法有很多，下面列舉日常生活和工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的兩種實(shí)現(xiàn)方案。(一)方案一可以使用熱電偶溫度差電路測(cè)定溫度，在溫度檢測(cè)部使用低溫?zé)犭娕?，熱電偶由兩個(gè)焊接的異種金屬導(dǎo)線構(gòu)成，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩個(gè)金屬的接觸電位和單一導(dǎo)體的溫度差電位構(gòu)成。 通過(guò)將參考節(jié)點(diǎn)保持為已知溫度并且測(cè)量電壓，可以估計(jì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度。 數(shù)據(jù)收集部能夠使用帶A/D通道的單片微型計(jì)算機(jī)，收集隨被測(cè)定溫度而變化的電壓、電流，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，使用單片微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在顯示電路中顯示被測(cè)定溫度。 熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，體積小，但輸出電壓小，容易受到來(lái)自讀取環(huán)路的噪聲的影響，漂移高，該設(shè)計(jì)需要A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路麻煩。 該系統(tǒng)主要包括A/D0809數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)手動(dòng)操作方式檢測(cè)、溫度顯示等，這些功能信號(hào)通過(guò)輸入輸出電路由單片機(jī)處理。 此外，還有復(fù)位電路、石英振動(dòng)電路、啟動(dòng)電路等。 現(xiàn)場(chǎng)輸入硬件包括手動(dòng)復(fù)位鍵、A/D轉(zhuǎn)換芯片、處理芯片51芯片、驅(qū)動(dòng)器4位數(shù)字編碼管、報(bào)警器等。(二)方案二使用數(shù)字溫度芯片DS18B20測(cè)量溫度，并且將輸出信號(hào)數(shù)字化。 單片機(jī)易于處理和控制，省去了許多傳統(tǒng)測(cè)溫方法的外圍電路。 此外，該芯片物理化學(xué)穩(wěn)定，可用作工業(yè)測(cè)溫元件，該元件線性好。 在0100，最大線性偏差小于1。 DS18B20的最大特征之一是采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸，包括數(shù)字溫度計(jì)DS18B20和微控制器AT89C51的溫度測(cè)量裝置可以直接輸出低溫?cái)?shù)字信號(hào)并直接連接到計(jì)算機(jī)。 這樣，測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，體積也不大。 采用51單片機(jī)控制，軟件編程自由度大，編程可實(shí)現(xiàn)各種算術(shù)算法和邏輯控制，且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)單。 DS18B20可以單獨(dú)用于控制，也可以與PC進(jìn)行通信來(lái)上傳數(shù)據(jù)，AT89C51也廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制，并且編程技術(shù)和外圍功能電路的結(jié)合也很成熟。 該系統(tǒng)可以使用AT89C51芯片控制溫度傳感器DS18B20來(lái)執(zhí)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)和顯示，實(shí)現(xiàn)高速周圍溫度測(cè)量，并且可以根據(jù)需要設(shè)置上下限警告溫度。 該溫度控制系統(tǒng)將DS18B20的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并且將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)，使得軟件寫入相關(guān)命令以在8255顯示輸出、需要修改溫度參數(shù)或者需要查看設(shè)置或其他功能。整體框圖如圖1.1所示。圖1.1 DS18B20溫度測(cè)溫系統(tǒng)框圖根據(jù)以上兩種方式，方式1的測(cè)溫裝置溫度范圍廣，體積小，但直線誤差大。 方案2的測(cè)溫裝置電路簡(jiǎn)單，精度高，易于實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)單，因此本次設(shè)計(jì)采用方案2。1.4設(shè)計(jì)原理該系統(tǒng)是多子系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中也分塊實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)調(diào)試，最后進(jìn)行綜合實(shí)現(xiàn)，下面對(duì)各子系統(tǒng)的工作原理分別進(jìn)行說(shuō)明。 如圖1.2中所示，首先，裝置電復(fù)位，并且溫度檢測(cè)芯片DS18B20檢測(cè)當(dāng)前溫度。 單片微計(jì)算機(jī)從DS18B20讀出溫度值，并與DS18B20的非易失性存儲(chǔ)器的TH、TL值進(jìn)行比較(其中，TH是設(shè)定溫度的最高值，TL是設(shè)定溫度的最低值)，經(jīng)由DS18B20顯示輸出當(dāng)前的溫度值。圖1.2整個(gè)系統(tǒng)的流程圖雙硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1硬件系統(tǒng)各模塊功能的簡(jiǎn)要介紹2.1.1單片機(jī)主控制器AT89C51AT89C51是一種以4K字節(jié)閃爍可編程的可擦除只讀存儲(chǔ)器，是高性能的CMOS 8位微處理器。 AT89C51是具有可編程的只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)，該只讀存儲(chǔ)器以2K字節(jié)閃爍。 單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可重復(fù)100次。 該設(shè)備使用ATMEL高密度非易失性存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出引腳兼容。 為了將多功能的8位CPU和閃存組合成一個(gè)芯片，ATMEL的AT89C51是高效微控制器。 外形及針腳排列如圖2.1所示主要特性：MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃存壽命： 1000個(gè)寫入/擦除周期數(shù)據(jù)保留期： 10年全靜態(tài)動(dòng)作： 0Hz-24MHz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖1288位內(nèi)部RAM32可編程I/O線2個(gè)16位計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器五個(gè)中斷來(lái)源可編程串行信道低功耗空閑模式和停電模式片上振蕩器和時(shí)鐘電路圖2.1 AT89C51管腳圖2.1.2可編程并行接口芯片82558255是英特爾生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，具有3個(gè)8位并行I/O端口。 如圖2.2所示，有三種行為方式的可編程并行接口芯片(40針)，它們有三個(gè)通道。 其各端口的功能可通過(guò)軟件選擇，靈活、通用性高。 8255單片機(jī)作為與多臺(tái)外圍設(shè)備連接時(shí)的中間接口電路。 作為8255主機(jī)和外圍設(shè)備的連接芯片，必須提供與該主機(jī)連接的三個(gè)總線接口：數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。 還需要連接外圍設(shè)備接口a、b、c端口。 8255可以被分成三個(gè)部分，即，與CPU的連接部分和與外圍設(shè)備的連接部分，因?yàn)?255必須具有邏輯控制部分部分，控制部分。主要特性：(1)并行輸入輸出的LSI芯片、多功能的I/O該設(shè)備可以是CPU總線和外圍接口(2)有24個(gè)可編程I/O端口，3組8位的I/O端口為PA端口、PB端口和PC端口。 此外，它被分為兩組位的I/O端口、a組包括a端口和c端口(高位4位、PC4PC7 )b組包括b氣口和c氣口(后4位、pc0pc3)。 a組可以設(shè)定為基本I/O端口、閃光燈(STROBE )的I/O閃光燈方式、雙向I/O3模式的b組只能設(shè)定為基本I/O或閃存控制器I/O的兩種模式由控制寄存器完全控制中所述情節(jié)，對(duì)概念設(shè)計(jì)中的量體周長(zhǎng)進(jìn)行分析。 圖2.2 8255針圖2.1.3時(shí)鐘電路模塊時(shí)鐘電路由1個(gè)晶體振蕩器12MHz和2個(gè)33pF的陶瓷電容器構(gòu)成。 如圖2.3中所示，使用時(shí)鐘電路來(lái)生成單片微計(jì)算機(jī)操作所必需的時(shí)鐘信號(hào)，但時(shí)序或檢查在指令執(zhí)行期間每個(gè)信號(hào)之間的互相關(guān)。 單片機(jī)本身必須在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格操作以確保同步操作方案的實(shí)現(xiàn)，如復(fù)雜的同步時(shí)序電路。圖2.3時(shí)鐘電路在單片機(jī)的內(nèi)部包括高增益反相放大器，其輸入端子是芯片端子XTAL1，并且其輸出端子是端子XTAL2。 在芯片的外部，在XTAL1和XTAL2之間傳遞晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。 電容器C1和C2的作用是通過(guò)穩(wěn)定頻率和加快振動(dòng)，電容值的范圍是50pF30pF，典型的是30pF。 石英振動(dòng)頻率通常選擇兩種6MHz和12MHz。 只需在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2管腳上外接晶體振蕩器，構(gòu)成自激振蕩器，在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。2.1.4復(fù)位電路模塊復(fù)位電路使單片機(jī)的CPU和系統(tǒng)中的其他部件成為某個(gè)固定的初始狀態(tài)，從該狀態(tài)開始動(dòng)作，進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化，此外，由于程序的運(yùn)行錯(cuò)誤和操作錯(cuò)誤，系統(tǒng)成為死鎖狀態(tài)的情況下，為了擺脫困境，也按下復(fù)位電路重新啟動(dòng)本設(shè)計(jì)采用密鑰復(fù)位(圖2.4 )。 鍵復(fù)位通過(guò)接通復(fù)位端子的連接電阻和VCC電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2.4復(fù)位電路2.1.5顯示電路模塊本次設(shè)計(jì)采用LED四位一體數(shù)碼管，有四位控制、八段控制，其中第一位為小數(shù)點(diǎn)以下，第二位、第三位、第四位分別為個(gè)、百位。 該設(shè)計(jì)采用共陽(yáng)極接合方法，其中PB端口是段控制輸出端口，PA端口是比特控制輸出端口，以74LS244驅(qū)動(dòng)。 此電路模塊主要用于顯示溫度，如圖2.5所示。圖2.5顯示電路2.1.6溫度傳感器模塊(1) DS18B20介紹DS18B20溫度傳感器是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司新發(fā)表的改良型智能溫度傳感器，與現(xiàn)有的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，能夠直接讀取被檢測(cè)溫度，并且能夠根據(jù)實(shí)際的要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位數(shù)字值的讀取方式。獨(dú)特的單線連接器只需1個(gè)端口針即可通信將多個(gè)DS18B20并聯(lián)連接在唯一的三條線上，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)功能無(wú)需外部設(shè)備可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5V待機(jī)功率為零溫度為9位或12位的數(shù)字用戶可定義警報(bào)設(shè)定識(shí)別警報(bào)檢索指令超過(guò)程序限定溫度(溫度警報(bào)條件)的設(shè)備，設(shè)置標(biāo)志負(fù)電壓特性、電源極性相反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)發(fā)熱燒壞，但不能正常工作DS18B20可以采用三引腳PR-35封裝或者八引腳SOIC封裝，并且其內(nèi)部配置框圖示于圖2.6中。DQ系列c.c64位ro.om和單票線去接你嘴很貴速度慢點(diǎn)兒保存內(nèi)存和控制溫度傳感器高溫觸發(fā)TH低溫觸發(fā)TL寄存器的設(shè)定8位CRC發(fā)生器Vdd圖2.6 DS18B20配置框圖(2) DS18B20的操作原理在DS18B20的測(cè)溫原理：設(shè)備中，低溫系數(shù)晶體振子的振蕩頻率減小溫度的影響，為了產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)而發(fā)送到減法計(jì)數(shù)器1的高溫系數(shù)晶體振子的振動(dòng)頻率隨溫度變化而顯著變化，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖被輸入。 每個(gè)設(shè)備具有另一個(gè)計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20對(duì)由低溫系數(shù)振蕩器生成的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，并完成溫度測(cè)量。 計(jì)數(shù)門的開路時(shí)間由高溫系數(shù)振蕩器決定，每次測(cè)定時(shí)首先減去與-55對(duì)應(yīng)的基數(shù)，放入計(jì)數(shù)器1、溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置為與-55對(duì)應(yīng)的基數(shù)。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)由低溫系數(shù)石英振動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)設(shè)值為0時(shí)，對(duì)溫度寄存器的值加1，重新加載減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)設(shè)，減法計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)由低溫系數(shù)石英振動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并減法計(jì)數(shù)該輸出是用于補(bǔ)償減法計(jì)數(shù)器的預(yù)設(shè)值，除非計(jì)數(shù)器閘門關(guān)閉，重復(fù)上述步驟，直到幾乎測(cè)量到溫度寄存器值。另外，DS18B20單線通信功能已經(jīng)以時(shí)分方式完成，由于具有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，讀寫