毕业设计（论文）-基于51单片机的电热毯设计.doc

摘要电热毯控制器从八十年代初控制器只设开、关两档、不能调温，到80年代中期控制器设高、底、关三档，具有简单调温功能，90年代研制生产出无级调温、自动控温的电热毯；目前正向国际先进的定时调温、电脑程序控温和自动恒温方向发展。因此要使恒温电热毯控制器真正走人千家万户，非常有必要设计一个好的温度控制和控制器对其控制，满足大众对其在安全、舒适、操作方便等方面的要求。 本设计为一个基于51单片机控制，可以显示室温、设定温度及实际温度的恒温电热毯控制器。本设计中选用了at80c51由于采用小引脚封装所以价格仅与低档单片机相当。本设计采用ds18b20做温度传感器。温度范围控制在0100范围内。将模拟输入的电压值转化成对应的温度值实现对电热毯恒温控制和室温显示。在整个设计中，本人按照系统的功能划分子系统结构，对系统进行规划设计。本论文的结构安排也是按照这样的流程进行的。 关键词: 单片机；ds18b20；恒温电热毯控制器because of volume heavy, operation complicatedness and poor anti-interference ability, early temperature controllers bring a great of inconvenience to thdevelopment of the technology of the mcu, the temperature controller is being developing rapidly in the single slice of integrated, intelligent directions.the electric blanket controllers can only turned on and turned off at the beginning of the 1980s, thermostd by avr mcu, showing the room temperature, the set temperature and acthin it the ccording to the systematic function, and to plan and design the system.the structure of this thesis is arranged in such procedure.key words:mcu, ds18b20, blanket controller of temperature controller目录摘要1目录2一 系统方案论证3方案一：使用热敏电阻与at80513方案二：使用ds18b20与at80c513二 主要器件简介41.主控制器at80c514（1）主要特性5（2）管脚说明：5（3）振荡器特性7（5）程序存储器82.温度传感器ds18b209(1)ds18b20简介9(2)ds18b20的内部结构9(3)ds18b20的测温原理12(4)ds18b20与单片机的典型接口设计133.存储器24c0213三 系统设计171.总体设计框图172.硬件电路设计17（1）主板电路17（2）显示电路18（3）ds18b20温度传感器与单片机的接口电路183.系统软件设计19（2）读出温度子程序19（3）温度转换命令子程序20（5）程序清单21四 总结与体会29五 参考文献30一 系统方案论证方案一：使用热敏电阻与at8051 由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行a/d转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到a/d转换电路，感温电路比较麻烦。方案二：使用ds18b20与at80c51 进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器ds18b20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。二 主要器件简介1.主控制器at80c51单片机也被称为微控制器（microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有cpu的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和cpu集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。intel的z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是intel的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了mcs51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着intel i960系列特别是后来的arm系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300mhz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的windows和linux操作系统。at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。（1）主要特性与mcs-51 兼容 4k字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0hz-24hz三级程序存储器锁定128*8位内部ram32可编程i/o线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 （2）管脚说明：vcc：供电电压。gnd：接地。p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表所示：p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 /int0（外部中断0）p3.3 /int1（外部中断1）p3.4 t0（记时器0外部输入）p3.5 t1（记时器1外部输入）p3.6 /wr（外部数据存储器写选通）p3.7 /rd（外部数据存储器读选通）rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。/ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。（3）振荡器特性xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。（5）程序存储器一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器(rom)。程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。mcs-51具有64kb程序存储器寻址空间，它是用于存放用户程序。数据和表格等信息。对于内部无rom的8031单片机，它的程序存储器必须外接，空间地址为64kb,此时单片机的端必须接地。强制cpu从外部程序存储器读取程序。对于内部有rom的8051等单片机，正常运行时，则需接高电平，使cpu先从内部的程序存储中读取程序，当pc值超过内部rom的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。当=1时，程序从片内rom开始执行，当pc值超过片内rom容量时会自动转向外部rom空间。当=0时，程序从外部存储器开始执行，例如前面提到的片内无rom的8031单片机，在实际应用中就要把8031的引脚接为低电平。8051片内有4kb的程序存储单元，其地址为0000h0fffh,单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000h,所以系统将从0000h单元开始执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意：其中一组特殊是0000h0002h单元，系统复位后，pc为0000h,单片机从0000h单元开始执行程序，如果程序不是从0000h单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让cpu直接去执行用户指定的程序。另一组特殊单元是0003h002ah,这40个单元各有用途，它们被均匀地分为五段，它们的定义如下：0003h000ah外部中断0中断地址区。000bh0012h定时/计数器0中断地址区。0013h001ah外部中断1中断地址区。001bh0022h定时/计数器1中断地址区。0023h002ah串行中断地址区。可见以上的40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元，中断响应后，按中断的类型，自动转到各自的中断区去执行程序。从上面可以看出，每个中断服务程序只有8个字节单元，用8个字节来存放一个中断服务程序显然是不可能的。因此以上地址单元不能用于存放程序的其他内容，只能存放中断服务程序。但是通常情况下，我们是在中断响应的地址区安放一条无条件转移指令，指向程序存储器的其它真正存放中断服务程序的空间去执行，这样中断响应后，cpu读到这条转移指令，便转向其他地方去继续执行中断服务程序。2.温度传感器ds18b20(1)ds18b20简介a.独特的单线接口方式：ds18b20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯。b.在使用中不需要任何外围元件。c.可用数据线供电，电压范围： 3.0 5.5 v。d.测温范围：-55 125 。固有测温分辨率为0.5 。e.通过编程可实现912位的数字读数方式。f.用户可自设定非易失性的报警上下限值。(2)ds18b20的内部结构 ds18b20采用3脚pr35封装或8脚soic封装，其内部结构框图如图1所示。a.64 b闪速rom的结构如下： 开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的crc校验码，这也是多个ds18b20可以采用一线进行通信的原因。b.非易市失性温度报警触发器th和tl，可通过软件写入用户报警上下限。c.高速暂存存储器 ds18b20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存ram和一个非易失性的可电擦除的e2ram。后者用于存储th，tl值。数据先写入ram，经校验后再传给e2ram。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，ds18b20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下： 低5位一直都是1，tm是测试模式位，用于设置ds18b20在工作模式还是在测试模式。在ds18b20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，r1和r0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表1所示（ds18b20出厂时被设置为12位）。 由表1可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下所示。其中温度信息（第1，2字节）、th和tl值第3，4字节、第68字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的crc码，可用来保证通信正确。 当ds18b20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0062 5 /lsb形式表示。温度值格式如下： 对应的温度计算：当符号位s=0时，直接将二进制位转换为十进制；当s=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。 ds18b20完成温度转换后，就把测得的温度值与th，tl作比较，若tth或ttl,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只ds18b20同时测量温度并进行告警搜索。tl,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只ds18b20同时测量温度并进行告警搜索。d. crc的产生在64 b rom的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（crc）。主机根据rom的前56位来计算crc值，并和存入ds18b20中的crc值做比较，判断主机收到的rom数据是否正确。(3)ds18b20的测温原理ds18b20的测温原理如图2所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小1，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，ds18b20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是ds18b20的测温原理。 另外，由于ds18b20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对ds18b20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化ds18b20（发复位脉冲）发rom功能命令发存储器操作命令处理数据。各种操作的时序图与ds1820相同，可参看文献2。 (4)ds18b20与单片机的典型接口设计以mcs51单片机为例，图3中采用寄生电源供电方式， p11口接单线总线为保证在有效的ds18b20时钟周期内提供足够的电流，可用一个mosfet管和89c51的p10来完成对总线的上拉2。当ds18b20处于写存储器操作和温度a/d变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10 s。采用寄生电源供电方式是vdd和gnd端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。主机控制ds18b20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、rom操作指令、存储器操作指令。假设单片机系统所用的晶振频率为12 mhz，根据ds18b20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：init为初始化子程序，write为写（命令或数据）子程序，read为读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始，实际在实验中不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻4.7 k,另外2个脚分别接电源和地。3.存储器24c02i2c总线是一种用于ic器件之间连接的二线制总线。它通过sda（串行数据线）及scl（串行时钟线)两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：不管是单片机、存储器、lcd驱动器还是键盘接口。ai2c总线的基本结构采用i2c总线标准的单片机或ic器件，其内部不仅有i2c接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。cpu不仅能通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展与控制。i2c总线接口电路结构如图4所示。图4 i2c总线接口电路结构b双向传输的接口特性传统的单片机串行接口的发送和接收一般都各用一条线，如mcs51系列的txd和rxd，而i2c总线则根据器件的功能通过软件程序使其可工作于发送或接收方式。当某个器件向总线上发送信息时，它就是发送器(也叫主器件)，而当其从总线上接收信息时，又成为接收器(也叫从器件)。主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。i2c总线的控制完全由挂接在总线上的主器件送出的地址和数据决定。在总线上，既没有中心机，也没有优先机。总线上主和从(即发送和接收)的关系不是一成不变的，而是取决于此时数据传送的方向。sda和scl均为双向i/o线，通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线都是高电平。连接总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能。i2c总线的数据传送速率在标准工作方式下为100kbit/s，在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。ci2c总线上的时钟信号在i2c总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在scl时钟线上的所有器件的逻辑“与”完成的。scl线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使scl线一直保持低电平，使scl线上的所有器件开始低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响scl线的状态，于是这些器件将进入高电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，scl线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将scl线拉成低电平。这样就在scl线上产生一个同步时钟。可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。d数据的传送在数据传送过程中，必须确认数据传送的开始和结束。在i2c总线技术规范中，开始和结束信号（也称启动和停止信号）的定义如图5所示。当时钟线scl为高电平时，数据线sda由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当scl线为高电平时，sda线发生低电平到高电平的跳变为“结束”信号。开始和结束信号都是由主器件产生。在开始信号以后，总线即被认为处于忙状态；在结束信号以后的一段时间内，总线被认为是空闲的。图5 开始和结束信号i2c总线的数据传送格式是：在i2c总线开始信号后，送出的第一个字节数据是用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位(r/w)。方向位为“0”表示发送，即主器件把信息写到所选择的从器件；方向位为“1”表示主器件将从从器件读信息。开始信号后，系统中的各个器件将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件，其接收信息还是发送信息则由第8位(r/w)确定。在i2c总线上每次传送的数据字节数不限，但每一个字节必须为8位，而且每个传送的字节后面必须跟一个认可位（第9位），也叫应答位（ack）。数据的传送过程如图6所示。每次都是先传最高位，通常从器件在接收到每个字节后都会作出响应，即释放scl线返回高电平，准备接收下一个数据字节，主器件可继续传送。如果从器件正在处理一个实时事件而不能接收数据时，（例如正在处理一个内部中断，在这个中断处理完之前就不能接收i2c总线上的数据字节）可以使时钟scl线保持低电平，从器件必须使sda保持高电平，此时主器件产生1个结束信号，使传送异常结束，迫使主器件处于等待状态。当从器件处理完毕时将释放scl线，主器件继续传送。图6 数据的传送当主器件发送完一个字节的数据后，接着发出对应于scl线上的一个时钟（ack）认可位，在此时钟内主器件释放sda线，一个字节传送结束，而从器件的响应信号将sda线拉成低电平，使sda在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。从器件的响应信号结束后，sda线返回高电平，进入下一个传送周期。i2c总线还具有广播呼叫地址用于寻址总线上所有器件的功能。若一个器件不需要广播呼叫寻址中所提供的任何数据，则可以忽略该地址不作响应。如果该器件需要广播呼叫寻址中提供的数据，则应对地址作出响应，其表现为一个接收器。e总线竞争的仲裁总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况。例如，多单片机系统中，可能在某一时刻有两个单片机要同时向总线发送数据，这种情况叫做总线竞争。i2c总线具有多主控能力，可以对发生在sda线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时sda总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较，如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用i2c总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。f. i2c总线接口器件目前在视频处理、移动通信等领域采用i2c总线接口器件已经比较普遍。另外，通用的i2c总线接口器件，如带i2c总线的单片机、ram、rom、a/d、d/a、lcd驱动器等器件，也越来越多地应用于计算机及自动控制系统中。 at24c02是美国atmel公司的低功耗cmos串行eeprom，它是内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5v）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。三 系统设计1.总体设计框图温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机at89s51，温度传感器采用ds18b20，用2位led数码管以并口传送数据实现温度显示。图1 总体设计方框图2.硬件电路设计（1）主板电路系统整体硬件电路包括：传感器数据采集电路，温度显示电路，报警调整电路，单片机主板电路等，如图7所示。 图7中有2个独立式按键可以分别调整温度计的报警温度设置，图中led可以在被测温度不在上下限范围内时，发出闪烁，同时led数码管将没有被测温度值显示，这时可以调整报警上限，从而测出被测的温度值。 图7中的按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。（2）显示电路显示电路是使用的并口显示，这种显示最大的优点就是使用简单，只用p1口。 报警灯传感器eeprom显 示图7 原理图（3）ds18b20温度传感器