多路数据采集系统设计

桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 1 页 共 41 页 摘 要 在日常科研和生活中 出于安全 方便等方面的需要 在很多工程及研究 领域都需要用到数据采集器的产品 多路数据采集器是集计算机技术 电子技 术一体化高科技产品 具有安全性高 使用方便等优点 经过不断的发展 单 片机以其体积小 功能强和价格低廉的优点 广泛地应用于家电 工业过程控 制 仪器仪表 智能武器 航空和空间飞行器等领域 本文以单片机的功能 特性和使用方法为基础 介绍了多路数据采集系统的工作原理和特点 硬件电 路设计 软件的设计和调试 以及PCB 板的具体制作 本文从经济实用的角度 出发 以ATMEL 公司所生产的89 系列单片机AT89S52为核心设计多路数据采 集系统 该系统包含系统硬件和软件两大部分 硬件部分包含单片机主控电路 模数转换电路 显示电路 系统软件设计包含多路数据采集主程序 温度采集 子程序 在程序设计时使用单片机C语言 并用Keil C51 软件进行编译和软硬 件仿真 在硬件电路制作过程中 使用Protel 99SE 设计制作PCB 板 然后分 别对各部分电路焊接 再进行性能和功能测试 该数据采集系统具有数据采集 数据处理 数据显示等功能 其结构简单 成本低 具有一定的市场前景 关键词 主控电路 温度采集 电压采集 显示电路 制作调制 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 2 页 共 41 页 Abstract In daily scientific research and life Stemming from safe is convenient and so on the aspect need All need to use in very many projects and the research area to the data acquisition product The multichannel data acquisition is collection computer technology the electronic technology integration high tech product Has the security to be high Merit and so on easy to operate After unceasing development The monolithic integrated circuit by its volume small the function is strong and the price inexpensive merit Widely applies in the electrical appliances domain and so on commercial run control instrument measuring appliance intelligent weapon aviation and spatial flight vehicle Widely applies in the electrical appliances domain and so on commercial run control instrument measuring appliance intelligent weapon aviation and spatial flight vehicle Introduced the multichannel data acquisition system principle of work and the characteristic Hardware circuit design Software design and debugging As well as PCB board concrete manufacture This article embarks from the economical practical angle 89 series monolithic integrated circuits AT89S52 produces which by ATMEL Corporation is the core design multichannel data acquisition system This system contains the system hardware and the software two major part The hardware partially contains the monolithic integrated circuit host to control the electric circuit the a d conversion electric circuit the display circuit The system software design contains the multichannel data acquisition master routine the temperature gathering subroutine When programming uses the monolithic integrated circuit C language And software carries on the translation and the software and hardware simulation with Keil the C51 In hardware electric circuit manufacture process Uses Protel the 99SE design to manufacture the PCB board Then separately to each part of electric circuits welding Again carries on the performance and the function test This data acquisition system has function and so on data acquisition data processing data display Its structure simple the cost is low Has the certain market prospect Key words The host controls the electric circuit emperature gathering voltage gathering Display circuit Manufacture modulation 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 3 页 共 41 页 目 录 引言 1 1 1 系统总体设计 1 1 1 单片机系统简介 1 1 2 系统总体设计 2 1 2 1 系统总体指标 2 1 2 2系统方案 2 2 硬件系统设计 3 2 1 硬件系统的电路构成 4 2 1 1 主控电路 4 2 1 2 温度采集电路 8 2 1 3 电压采集电路 13 2 1 4 显示电路 15 3 系统软件设计 16 3 1 编程语言的选择 16 3 2 工作流程图 18 4 电路设计 制作 调制 18 4 1 Protel99se 简 介 18 4 2 设计原理图和 PCB 图 19 4 3 焊接和调制 22 5 结果分析 23 6 结论 23 谢辞 25 参考文献 26 附录 27 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 4 页 共 41 页 引言 单片机 Single Chip Microcomputer 以其体积小 功能强和价格低廉的优 点 广泛地应用于家电 工业过程控制 仪器仪表 智能武器 航空和空间飞 行器等领域 近30年来 世界上各大电气厂商 测控技术企业和机电行业都竞 相把单片机作为其产品更新 智能化的重要工具 目前世界上单片机年产量已 达十多亿片 通常是当年微处理器产量的4 5倍以上 其数量之大和应用面之 广 是其它任何类型的计其机所无法比拟的 单片机是应工业测控需要而诞生 的 它把计算机最基本的功能电路 如CPU 程序存储器 数据存储器 I 0接 口 定时器 计数器 中断系统等集成到一块芯片上 形成单片形态的计算机 单片机通常以最小系统运行 在家用电器中和常用的智能仪器仪表中常常可以 单片 工作 而在工业测控的系统中 目前还需要在单片机的基础上外扩存 储器 I O接口以及一些外围电路 形成功能更强 更完善的系统 单片机在目 前的发展形势下 表现出几大趋势 1 可靠性及应用水平越来越高 和互联网连接已是一种明显的走向 2 所集成的部件越来越多 NS 美国国家半导体 公司的单片机已把语音 图 像部也集成到单片机中 也就是说 单片机的意义只是在于单片集成电路 而 不在于其功能了 如果从功能上讲它可以讲是万用机 原因是其内部已集成了 各种应用电路 3 功耗越来越低 4 与模拟电路的结合越来越多 1 系统的总体设计 1 1 单片机系统简介 要用增加硬件的办法减轻软件的负担 因此 设计应用系统的时候 要对 硬件和软件都要有足够单片机要组成一个完整的工业调控系统 通常有两个内 容 即单片机的系统扩展与系统配置 系统扩展是指单片机内部的基本单元不 能满足应用系统的要求时 必须在片外扩展相应的电路或器件 大多数的单片 机都有可供外部扩展的三总线结构 DB AB CB 51 系列单片机由P0 口构成8 位数据总线 P2 P0 口构成16 位地址总线 可供外部扩展成64KB 程序存储器 和64KB 数据存储器 系统配置是指为了满足系统功能要求而配置的各种接口电 路 例如 要构成数据采集系统时 必须配置传感器接口 它需要根据对象的 不同选用不同的信号放大 A D 转换 脉冲整形放大 信号滤波等等电路 而 要构成伺服系统时则必须配置伺服控制接口 当然 通常还必须有人机接口 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 5 页 共 41 页 有时还要有网络接口等 系统配置与控制对象和操作者密切相关 要用单片机 构成一个满足对象测控要求的用户系统 在硬件系统设计上有两个层次的任务 即由单片机最小系统通过系统扩展构成能满足测控对象要求的计算机系统 称 为单片机系统 根据用户及对象的技术要求 通过系统配置各种接口电路 以 构成与对象相关的系统 则称为单片机应用系统 事实上 单片机应用系统组 成包含硬件设计和软件设计两部分 而硬件和软件之间的相互关系既密切又制 约 设计应用系统很关键的阶段就是确定它们之间的相互关系 有时 我们可 以对软件提出一些要求而简化硬件的投入 但有时有的知识 并且对所控制的 对象有深刻的认识 要从总体上权衡硬件和软件的可以和可能 合理划分其负 担 以得到一个最佳的方案 综上所述本次设计可按以下发方案进行 1 2 系统总体设计 1 2 1 系统总体指标 设计课题要求利用所学的单片机和数字模拟电路知识制作一个由单片机实 现的多路数据采集系统 一路实现0 5V直流电压采集 处理 存储 显示 一 路实现温度 采集 处理 存储 显示 采用开关控制输出通道号 1 2 2 系统方案 基于以上的具体设计要求考虑 本项目就利用单片机和相应的一些数字模 拟电路来实现这些构想 完成一个基于单片机 构成具有上述具体功能的多路 数据采集系统 电压采集 把 单片机系统板 区域中的P0端口的P0 0 P0 7用8芯排线连接到 动态 数码显示 区域中的A B C D E F G DP端口上 作为数码管的驱动 把 单片 机系统板 区域中的P2端口的P2 0 P2 3用8芯排线连接到 动态数码显示 区 域中的T1 T2 T3 T4端口上作为数码管的位段选择 把 单片机系统板 区域中 的P1端口的P1 0 P1 7用8芯排线连接到 模数转换模块 区域中的D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7端口上 A D转换完毕的数据输入到单片机的P1端口 把 模数 转换模块 区域中的VREF端子用导线连接到 电源块 区域中的VCC端子上 把 模数转换模块 区域中的A2 A1 A0端子用导线连接地端 把 模数转换模块 区域中的ST端用导线连接到 单片机系统 区域中的P3 0端 把 模数转换模 块 区域中的OE端用导线连接到 单片机系统 区域中的P3 1端 把 模数转 换模块 区域中的EOC端用导线连接到 单片机系统 区域中的P3 2端 把 模 数转换模块 区域中的CLK端子用导线连接到 单片机系统 区域中的P3 3端 把 模数转换模块 区域中的IN0端用导线连接到 1路可调压模块 区域中的 RP1端 ALE为地址锁存允许输入线 高电平有效 当ALE线为高电平时 地址锁 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 6 页 共 41 页 存与译码器将A B C三条地址线的地址信号进行锁存 经译码后被选中的通道 的模拟量进转换器进行转换 A B和C为地址输入线 用于选通IN0 IN7上的一 路模拟量输入 ST为转换启动信号 当ST上跳沿时 所有内部寄存器清零 下 跳沿时 开始进行A D转换 在转换期间 ST应保持低电平 EOC为转换结束信 号 当EOC为高电平时 表明转换结束 否则 表明正在进行A D转换 OE为输 出允许信号 用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 OE 1 输出转换得到的数据 OE 0 输出数据线呈高阻状态 D7 D0为数字量输出线 CLK为时钟输入信号线 因ADC0809的内部没有时钟电路 所需时钟信号必须由 AT89S52提供 通常使用频率为500KHZ 温度采集 本方案是由DS18B20芯片实现温度的采集和模拟量与数据量的转变 这样一 个DS18B20就实现了热电阻和ADC0809的功能 采集后的数据经过模数转换后通 过一个单总线传送到单片机AT89S52的 P3 6口上 经过单片机的处理 先把一 位位的数据经过软件的汇成一个个字节 在通过对DS18S20写到AT89S52里面 最后通过单片机的P0端口P0端口的P0 0 P0 7输出数据量和P2端的P2 0 P2 3控 制四合一高亮动态数码管显示 这就可以充分的利用了AT89S52 的FLASH 的特 性 随时根据用户的选择安装相应的控制软件 基于以上的设计思路 初步确定硬件系统的系统框图如图1 1 所示 AT89S52 单片机 时钟电路 复位电路 电压采集电路 温度采集电路 LED 显示器 驱动电路 4 位 LED 显示器 2 硬件系统设计 根据以上系统设计构思的具体要求 开始着手对硬件系统进行设计 硬件 图 1 1 系统框图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 7 页 共 41 页 和软件是单片机控制系统的两个重要方面 硬件是基础 软件是关键 但两者 又是可以相互转化的 为了提高系统的可靠性 应在满足系统精度和速度要求 基础上进可能把硬件功能改 用软件来实现 对于硬件系统的设计 涉及单片 机最小应用系统方面的知识 单片机最小应用系统是指仅使用单片机内部资源 辅以必须的外围电路所构建的简单的应用系统 它包括两方面的内容 单片机 的选择和单片机最小应用系统的设计 通过单片机的选择 最大限度满足应用 系统对硬件资源的要求 最小应用系统设计则是指单片机最基本的 最通常的 外围电路设计 如时钟电路 复位电路等 任何一个复杂的应用系统都是以最 小应用系统为基础 通过 搭接 外部功能模块的方法实现的 下面先介绍基于单片机的多路数据采集系统的硬件系统 2 1 硬件系统的电路构成 硬件系统的电路由单片机主控电路 温度采集电路 电压采集电路 LED驱 动驱动电路 显示电路等这几个主要部分构成 见附录一 2 1 1 主控电路 由单片机AT89S51 振荡电路 复位电路等构成 见附录一 1 单片机的选择 考虑到硬件电路的简单化和成本 以及选材和调试的方便性等因素 本次 设计选用ATMEL 公司的AT89S052 单片机作为微处理器 ATMEL 公司创建 于1984 年 总部位于美国加利福尼亚州圣何塞市 在北美及欧洲都拥有制造工 厂 ATMEL 公司在全世界范围内设计 制造并推出基于先进逻辑的混合信号 永久性存储器及射频 RF 半导体 同时也是使用CMOS BiCMOS SiGe 及 高压BCDMOS 工艺的系统级整合半导体解决 方案的主要供应商 同时 ATMEL 拥有广泛的基于80S51 结构的微控制器 包括可在线编程的FLASH 版本 OTP 版本以及ROM 版本 同时还提供先进的片上外设功能 如CAN 总线控制器 USB 控制器 MP3 解码器 以及智能卡接口 本次设计所用到的AT89S52单片机内含4KB 快闪程序存储器 其编程和擦 除完全用电实现 而且4KB 的容量完全能够满足本次设计所用的编程 免去了 对存贮器及IO 口扩展的麻烦 AT89S52 单片机的时钟频率为0 24kHz 并且 其价格低廉 大批量采购的价格在10 元以内 因此 用AT89S52 加上相应的 时钟和复位电路就组成了 本次设计所需的单片机最小系统 以下结合本次设 计的具体内容 简单介绍AT89S52 单片机的主要功能特性及其管脚说明 主要功能特性 与MCS 51单片机产品兼容 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 8 页 共 41 页 8K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态操作 0Hz 33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I O口线 三个16位定时器 计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 管脚说明 AT89S52是一种低功耗 高性能CMOS8位微控制器 具有8K 在系统可编程 Flash 存储器 使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上Flash允许程序存储器在系统可编程 亦适于常 规编程器 在单芯片上 拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash 使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 AT89S52 具有以下标准功能 8k字节Flash 256字节RAM 32 位I O 口线 看门狗定时 器 2个数据指针 三个16 位定时器 计数器 个6向量2级中断结构 全双工串 行口 片内晶振及时钟电路 另外 AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作 支持2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU停止工作 允许RAM定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM内容被保存 振荡器被冻结 单片 机一切工作停止 直到复位为止 P0口 P0口是一个8位漏极开路的双向I O口 作为输出口 每位能驱动8个 TTL逻辑电平 对P0端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和 数据存储器时 P0口也被作为低8位地址 数据复用 在这种模式下 P0具有内 部上拉电阻 在flash编程时 P0口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出 指令字节 程序校验时 需要外部上拉电阻 P1口 P1口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 p1 输出缓冲器能 驱动4 个TTL 逻辑电平 对P1端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时 可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因 将输出电流 IIL 此外 P1 0和P1 2分别作定时器 计数器2的外部计数 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 9 页 共 41 页 输入 P1 0 T2 和时器 计数器2的触发输入 P1 1 T2EX 具体如表1 1所 示 在flash编程和校验时 P1口接收低8位地址字节 表1 1 P1口功能说明表 引脚号第二功能 P1 0 T2 定时器 计数器T2的外部计数输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时器 计数器T2的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5 MOSI 在系统编程用 P1 6 MISO 在系统编程用 P1 7 SCK 在系统编程用 P2口 P2口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 P2 输出缓冲器能 驱动4 个TTL 逻辑电平 对P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此 时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因 将输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器 例如执行MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内部上拉发送1 在使用 8位地址 如MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2口输出P2锁存器的内容 在flash编程和校验时 P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号 P3口 P3口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 p2 输出缓冲器能 驱动4 TTL 逻辑电平 对P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作 为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将 输出电流 IIL P3口亦作为AT89S52特殊功能 第二功能 使用 如表1 2 所示 在flash编程和校验时 P3口也接收一些控制信号 表1 2 P3口功能说明表 引脚号第二功能 P3 0 RXD 串行输入 P3 1 TXD 串行输出 P3 2 INT0 外部中断0 P3 3 INT0 外部中断0 P3 4 T0 定时器0外部输入 P3 5 T1 定时器1外部输入 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 10 页 共 41 页 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器写选通 RST 复位输入 晶振工作时 RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机 复位 看门狗计时完成后 RST 脚输出96 个晶振周期的高电平 特殊寄存器 AUXR 地址8EH 上的DISRTO位可以使此功能无效 DISRTO默认状态下 复位高电 平有效 ALE PROG 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低8 位地址 的输出脉冲 在flash编程时 此引脚 PROG 也用作编程输入脉冲 在一般情 况下 ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲 可用来作为外部定时器或时 钟使用 然而 特别强调 在每次访问外部数据存储器时 ALE脉冲将会跳过 如果需要 通过将地址为8EH的SFR的第0位置 1 ALE操作将无效 这一位 置 1 ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效 否则 ALE 将被微弱拉高 这个ALE 使能标志位 地址为8EH的SFR的第0位 的设置对微控制器处于外部执 行模式下无效 PSEN 外部程序存储器选通信号 PSEN 是外部程序存储器选通信号 当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时 PSEN在每个机器周期被激活两次 而 在访问外部数据存储器时 PSEN将不被激活 EA VPP 访问外部程序存储器控制信号 为使能从0000H 到FFFFH的外部程 序存储器读取指令 EA必须接GND 为了执行内部程序指令 EA应该接VCC 在 flash编程期间 EA也接收12伏VPP电压 XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 2 时钟电路 时钟电路如图2 1所示 时钟电路是计算机的心脏 它控制着计算机的工作节奏 单片机AT89S52 的时钟信号可以由两种方式产生 一种是内部方式 利用芯片内部的振荡电路 产生时钟信号 另一种为外部方式 时钟信号由外部引入 考虑到本次设计对 时间的要求不是很高 所以选用内部方式产生时钟脉冲 AT89S52 内部有一个 用于构成振荡器的高增益反相放大器 引脚X1 和X2 分别为放大器的输入端和 输出端 该放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器 简称晶振 一起构 成自激振荡器 89S52 单片机虽然有内部振荡电路 但要形成时钟 必须外接 元件 如电路图所示 外接晶振以及电容C2 和C3 构成并联谐振电路 这种方 式就是内部时钟方式 如果振荡器已起振 则在X2 引脚上输出3v 左右的正弦 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 11 页 共 41 页 波 振荡频率f 取决于晶振的频率 不同型号的产品 可选择的频率范围有所 不同 一般在0 5 12MHz 之间 常用的晶振有6MHz 12MHz 和11 0592MHz 电 容C8 和C9 主要作用是帮助起振 谐振 称其为谐振电容 其值的大小对振荡 频率也有影响 因此常用调节C2 或C3 的容量大小对频率进行微调 电容容量 通常在20 100pF 之间选择 当时钟频率为12MHz 时典型值为30pF 本次设计 的电路就是选择12MHz 的时钟频率 3 复位电路 复位电路如图2 2所示 而对于AT89C2051 单片机的复位电路有两种 上电自动复位和人工复位 人工复 位方式只是将一个按键并联在上电自动复位电路上 根据系统的需要这里选择 人工复位 方式 在电路中 时间常数RC 越大 上电时RST 端保持高电平的时间越长 当 振荡频 率f 12MHz 时 典型值C 4 7uF R 10k 想要复位时 只要按一下开关就会 在RST 端出现一段时间的高电平 使单片机复位 AT89S52 的复位输入引脚RST 提供了初始化的手段 使程序从指定位置开 始执行 即程序从程序存储器的0000H 单元处开始执行 在89S52 单片机时钟 电路工作之后 只要在RST 引脚上出现2 个机器周期以上的高电平 就能确保 单片机可靠复位 若RST 保持高电平 AT89S52 维持复位状态 只有当RST 由 高电平变为低电平以后 AT89S52 才会退出复位状态 程序从0000H 地址单元 开始执行 对于单片机的复位电路 如图2 1 2 所示 只要在RST 复位端接一 个电容至VCC 和一个电阻至地即可 很多电子产品中 电容器都是必不可少的 电子元器件 它在电子设备中充当整流器的平滑滤波 电源和退耦 交流信号 的旁路 交直流电路的交流耦合等 进一步了解电容可使电容在电路中发挥更 好的作用 在加电瞬间 RST 端出现一定时间的高电平 只要高电平保持时间 足够长 就可以使单片机有效地复位 电容器应用在高压场合时 必须注意电 晕的影响 电晕是由于在介质 电极层之间存在空隙而产生的 它除了可以产生 损坏设备的寄生信号外 还会导致电容器介质击穿 在交流或脉动条件下 电 晕特别容易发生 对于所有的电容器 在使用中应保证直流电压与交流峰值电 压之和不的超过直流电压额定值 RST 端在加电时应保持的高电平时间包括VCC 的上升时间和振荡器起振的时间 VCC 的上升时间约为10us 振荡器起振时间 和频率有关 频率为12MHz 时约为1us 频率为1MHz 时约为10us 所以一般为 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 12 页 共 41 页 了可靠地复位 RST 在上电时保持20us 以上高电平即可 图2 1 复位电路 图2 2 时钟外电路 2 1 2 温度采集电路 温度采集电路如图2 3所示 本方案是由DS18B20芯片实现温度的采集和模拟量与数据量的转变 这样一 个芯片 DS18B20就实现了热电阻和ADC0809的功能 采集后的数据经过模数转换后通过 一个单总线传送到单片机AT89S52的 P3 6口上 经过单片机的处理 先把一位 位的数据经过软件的汇成一个个字节 在通过对DS18S20写到AT89S52里面 最 后通过单片机的P0端口P0端口的P0 0 P0 7输出数据量和P2端的P2 0 P2 3控制 四合一高亮动态数码管显示 这就可以充分的利用了AT89S52 的FLASH 的特性 随时根据用户的选择安装相应的控制软件 图2 3 温度采集电路 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 13 页 共 41 页 1 DS18B20芯片介绍 DS18B20是DALLAS公司生产单总线数字温度计 DS1820 数字温度计提供9 位温度读数 指示器件的温度信息经过单线接口送入DS1820 或从DS1820 送出因 此从中央处理器到DS1820 仅需连接一条线和地读写和完成温度变换所需的电源 可以由数据线本身提供而不需要外部电源因为每一DS1820 有唯一的系列号 silicon serial number 因此多个DS1820 可以存在于同一条单线总线上这允许 在许多不同的地方放置温度灵敏器件此特性的应用范围包括HVAC环境控制建筑 物设备或机械内的温度检测以及过程监视和控制中的温度检测 DS1820 的主要部件DS1820 有三个主要的数据部件1 64 位激光laseredROM 2 温度灵敏元件和3 非易失性温度告警触发器TH 和TL 器件从单线的通信线取得 其电源在信号线为高电平的时间周期内把能量贮存在内部的电容器中在单信号 线为低电平的时间期内断开此电源直到信号线变为高电平重新接上寄生电容电 源为止作为另一种可供选择的方法DS1820 也可用外部5V 电源供电 与DS1820 的通信经过一个单线接口在单线接口情况下在ROM 操作未定建立 之前不能使用存贮器和控制操作主机必须首先提供五种ROM 操作命令之一1 Read ROM 读ROM 2 Match ROM 符合ROM 3 Search ROM 搜索ROM 4 Skip ROM 跳过ROM 或5 Alarm Search 告警搜索 这些命令对每一器件的64 位激光 ROM 部分进行操作如果在单线上有许多器件那么可以挑选出一个特定的器件并 给总线上的主机指示存在多少器件及其类型在成功地执行了ROM 操作序列之后 可使用存贮器和控制操作然后主机可以提供六种存贮器和控制操作命令之一 一个控制操作命令指示DS1820 完成温度测量该测量的结果将放入DS1820 的高速暂存便笺式存贮器Scratchpad memory 通过发出读暂存存储器内容的存 储器操作命令可以读出此结果每一温度告警触发器TH 和TL 构成一个字节的 EEPROM 如果不对DS1820 施加告警搜索命令这些寄存器可用作通用用户存储器 使用存储器操作命令可以写TH 和TL 对这些寄存器的读访问通过便笺存储器所 有数据均以最低有效位在前的方式被读 DS18B20特点 独特的单线接口只需1 个接口引脚即可通信 多点multidrop 能力使分布式温度检测应用得以简化 不需要外部元件 可用数据线供电 不需备份电源 测量范围从 55 至 125 增量值为0 5 等效的华氏温度范围是 67 F 至257 F 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 14 页 共 41 页 增量值为0 9 F 以12 位数字值方式读出温度 在1 秒典型值内把温度变换为数字 用户可定义的非易失性的温度告警设置 告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件温度告警情况 应用范围包括恒温控制工业系统消费类产品温度计或任何热敏系统 DS18B20引脚介绍 如图2 4所示 图2 4 DS18B2管脚图 表2 1 DS18B2管脚说明 引脚8脚SOIC引脚PR35符号说明 51GND地 42DQ 单线运用的数据输入 输出引脚漏极开路见寄生电源一节 33VDD 可选VDD 引脚有关连接的细节见寄生电源一节 表2 2 DS1820 命令集 指 令说 明约定代 码 发出约定代码后单总线的操 作 温度变换启动温度变换 44h 读温度忙状态 1 读暂存存储器从暂存存储器读字节 BEh 读9 字节数据 写暂存存储器写字节至暂存存 储器地此2 和3处TH 和TL 温度触发器 4Eh 写数据至地此2 和地此3 的 2 个字节 复制暂存存储器把暂存存储器复 制入非易性存储 器仅地此2 和 地此3 43h 读复制状态 2 重新调出E2把贮存在非易失 性存储器内的数 值重新调入暂存 存储器温度触器 E3h 读温度忙状态 读电源发DS1820 电源方 式的信号至主机 B4h 读电源状态 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 15 页 共 41 页 表2 3 DS1820 命令字 数据位转换时间 9位 93 75ms 10位 187 5ms 11位 375ms 12位 750ms 2 DS18B20读时序 当从DS1820 读数据时主机产生读时间片当主机把数据线从逻辑高电平拉至 低电平时产生读时间片数据线必须保持在低逻辑电平至少1 微秒来自DS1820 的 输出数据在读时间片下降沿之后15 微秒有效因此为了读出从读时间片开始算起 15 微秒的状态主机必须停止把I O 引脚驱动至低电平见图12 在读时间片结束 时I O 引脚经过外部的上拉电阻拉回至高电平所有读时间片的最短持续期限为 60 微秒各个读时间片之间必须有最短为1 微秒的恢复时间图12 指出TINRT TRC 和TSAMPLE 之和必须小于15 s 如图2 5说明通过使TINRT 和TRC 尽可能小且把 主机采样时间定在15 s 期间的末尾系统时序关系就有最大的余地 2 DS18B20写时序 当主机把数据线从高逻辑电平拉至低逻辑电平时产生写时间片有两种类型 的写时间片写1 时间片和写0 时间片所有时间片必须有最短为60 微秒的持续期 在各写周期之间必须有最短为1 微秒的恢复时间在I O 线由高电平变为低电平 之后DS1820 在15 s 至60 s 的窗口之间对I O 线采样如果线为高电平写1 就发 生如果线为低电平便发生写0 见图2 6 对于主机产生写1 时间片的情况数据线 必须先被拉至逻辑低电平然后就被释放使数据线 在 图 2 5 读时序图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 16 页 共 41 页 写时间片开始之后的15 微秒之内拉至高电平对于主机产生写0 时间片的情况数 据线必须被拉至逻辑低电平且至少保持低电平60 2 1 3 电压采集电路 电压采集电路如图2 7所示 图2 7 电压采集电路 电压采集电路只要是由ADC0809和单片机组成 1 ADC0809芯片介绍 ADC0809结构 如图2 8所示 ADC0809 是 CMOS 的 8 位 A D 转换器 采用逐次逼近式进行 A D 转换 芯片 内有一个 8 路模拟开关 一个比较器 一个带有树状模拟开关的 256R 分压器和 图 2 6 写时序图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 17 页 共 41 页 一个逐次逼近的寄存器等等 因而 ADC0809 有 8 路模拟量输入通道 ALE 为地 址锁存信号 高电平有效时 ADDC ADDB ADDA 被锁存 从而可通过对 ADDC ADDB ADDA 三端输入的地址译码 选通 8 路模拟量输入 IN1 IN8 的 任意一路进入片内进行 A D 转换 ADC0809 引脚及功能 ADC0809 外部引脚如图 2 9 所示 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 在多路开关控制下 任一时刻只能有一路模拟 量实现 A D 转换 A B C 多路开关地址选择输入端 当取植 000 111 时与 A D 转换对应的通 道为 IN0 IN7 ALE 地址锁存输入线 该信号上升沿可将地址选择信号 A B C 锁入地址寄存 器 START 启动转换输入线 其上升沿用以清楚 A D 内部寄存器 其下降沿用以启 动内部控制逻辑开始 A D 转换工作 EOC 转换完毕输出线 其上出现高电平是表示 A D 转换完毕 2 1 2 8 D7 D0 为 8 位数据输出端 可直接接入微型机的数据端 OE 允许输出控制端 高电平有效 底电平时 数据输出端为高阻态 高电平 时 将 A D 转换后的 8 位数据送出 CLOCK 转换定时脉冲输入端 它的频率决定了 A D 转换器的转换速度 使用频 率小于等于 640KHZ 对应转换速度大于等于 100US Ref Ref VREF 和 VREF 是内部 A D 转换器的参考电压输入端 Vcc为 5V GND 为地 图 2 8 ADC0809 结构 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 18 页 共 41 页 2 1 4 显示电路 显示电路包刮LED驱动电路和四位数码管 如图2 10所示 显示电路只要又四个8050三极管和四位数码管组成 本电路所用于显示的 数码管为四合一共阳数码管入如图2 11所示 为选通的数码管 而单片机虽然 能产生5V的高电平 但是产生的电流很小 所以需要用到三极管的开关特性来 增大驱动电流 3 系统软件设计 合理的软件结构是设计出一个性能优良的单片机应用系统软件的基础 必 须予以充 分重视 由系统的定义 可以把整个工作分解为几个相对独立的操作 根据这 些操作的 图2 10 显示电路 图2 9 ADC0809外 部引脚 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 19 页 共 41 页 图2 11 四位数码管管脚图 相互联系和时间关系 设计出一个合理的软件结构 在程序设计方法上 模块程序设计是单片机应用中最常用的程序设计技术 这种方 法的优点是 单个程序模块的设计和调试比较方便且容易完成 一个模块可以 为多个程序共享 缺点是 各个模块的连接有时有一定难度 在实际设计中 不论是利用单片机进行数值运算 还是进行实时控制或数据处理 首先总是要 把所要解决的问题编成程序 然后计算机才能根据所编的程序进行操作 所以 学会编制程序是应用单片机的重要件 在软件结构设计确定之后就可以进行程序设计 一般程序设计过程如下 根据问题的定义 描述出各个输入变量和各个输出变量之间的数学关系 即建立数学模型 然后根据系统功能及操作过程 先列出程序简单功能流程框 图 粗框图 再对粗框图进行扩充和具体化 即对存储器 寄存器 标志位 等工作单元作具体的分配和说明 把功能流程图中每一个粗框图转变为对具体 的存储单元 寄存器和I O 口的操作 从而绘制出详细的程序流程图 细框图 在完成流程图设计以后 便可编写程序 单片机应用程序可以采用汇编语 言 也可 以采用C 语言等高级语言 编写完后均需汇编成机器码 经调试正常运行后 再固化到 非易失性存储器中去 完成系统的设计 在实际应用中 解决某一问题 实现某一功能的程序并不是唯一的 评价 它们的质量好坏通常有以下几个标准 1 程序的执行时间 2 程序所占用的内存字节数 3 程序的逻辑性 可读性 4 程序的兼容性 可扩展性 5 程序的可靠性 一般来说 一个程序的执行时间越短 占用的内存单元越少 其质量也就 越高 这 就是程序设计中的 时间 和 空间 的概念 程序设计的逻辑性强 层次分 明 数据 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 20 页 共 41 页 结构合理 便于阅读也是衡量程序优劣的重要标准 同时还要保证程序在任何 实际的工 作条件下 都能正常运行 另外 在较复杂的程序设计中 必须充分考虑程序 的可读性 和可靠性 同时 程序的可扩展性 兼容性以及容错性等都是衡量与评价程序 优劣的重 要标准 下面结合汇编语言和C语言的各自特性及优势 对编程语言做出选择 3 1 编程语言的选择 程序的编写涉及到程序语言的选择 下面就两种程序编写语言 汇编语言 和C 语言 进行选择 1 C 语言的优势 单片机C 语言具有以下优越性 在不需要完全了解单片机系统具体硬件的情况下 也能够编出符合硬件实 际的专业 水平的程序 不同函数的数据实行覆盖 有效利用片上有限的RAM 空间 程序具有坚固性 数据被破坏是导致程序运行异常的重要因素 C 语言对 数据进行 了许多专业性的处理 避免了运行中间非异步的破坏 C 语言提供复杂的数据类型 数组 结构 联合 枚举 指针等 极大 地增强了 程序处理能力和灵活性 提供auto static const 等存储类型和专门针对8051 单片机的 data idata pdata xdata code 等存储类型 自动为变量合理地分配地址 提供small compact large 等编译模式 以适应片上存储器的大小 中 断服务程序的现场保护和恢复 中断向量表的填写 是直接与单片机相关的 都由C 编译器代办 提供常用的标准函数库 以供用户直接使用 头文件中定义宏 说明复杂 数据类型和函数原型 有利于程序的移植和支持单片机的系列化产品的开发 有严格的句法检查 错误很少 可容易地在高级语言的水平上迅速地被排 除掉 可方便地接受多种实用程序的服务 如片上资源的初始化有专门的实用程 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 21 页 共 41 页 序自动生 成 再如 有实时多任务操作系统可调度多道任务 简化用户编程 提高运行 的安全性 等等 2 汇编语言的优点 用助记符表示指令系统的语言称为符号语言或汇编语言 用汇编语言编写 的程序称 为汇编语言程序 在单片机领域 汇编语言是目前最广泛使用的语言 它比机 器语言前 进了一大步 汇编语言通俗易懂 不易出错 即使出错也容易发现和修改 这 给编写 阅读和修改程序带来了很大的方便 因此它是单片机编程所使用的主要语言之 一 采用汇编语言编程与采用高级语言编程相比具有以下优越性 占用的内存单元和CPU 资源少 能直接对硬件进行控制 程序简短执行速度快 可直接调用单片机的全部资源 并可有效地利用单片机的专有特性 能准确地掌握指令的执行时间 适用于实时控制系统 通过对上述两种编程语言的特性及优点的了解 同时考虑到设计者本人对C 语言程序的理解和应用较为熟悉 本次设计中系统软件的设计编程采用C语言进 行编写 3 2 工作流程图 工作流程如图3 1和3 2所示 4 电路的设计 制作和调试 4 1 Protel 99 SE 简介 Protel 99 是由一向注重为印刷板设计者们开发软件产品的PROTEL TECHNOLOGY公司研制 它提供拉一系列的电路设计工具 优秀的文件管理系统 以及真正的客户 服务器电路设计系统 Protel 使设计人员从繁琐的电路设计 中解脱出来 只需一个鼠标便可完成原理图到最终的印刷电路板设计的全部过 程 从而真正达到Windows 视窗软件风格 Protel 99SE 采用数据库的管理方式 Protel 99SE 软件沿袭了Protel 以 前版本方便 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 22 页 共 41 页 图 3 1 主程序流程图 易学的特点 内部界面与Protel 99 大体相同 新增加了一些功能模块 功能更加强大 新增的层堆栈管理功能 可以设计32 个信号层 16 个地电层 16 个机械层新增的3D功能让您在加工印制版之前可以看到板的三维效果 增强 的打印功能 使您可以轻松修改打印设置控制打印结果 Protel 99SE 容易使 用的特性还体现在 这是什么 帮助 按下右上角的小问号 然后输入所要的 信息 可以很快地看到特性的功能 然后用到设计中 按下状态栏末端的按钮 使用自然语言帮助顾问 下面就简单介绍一下用Protel 99SE 来制作本次设计的简单过程 4 2 设计原理图和PCB 图 根据下列步骤可正确的作出本次设计的原理图和PCB 图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 23 页 共 41 页 图 3 1 子主程序流程图 1 选择好SCH PCB