毕业设计-基于51单片机的多路温度采集控制系统设计

毕业设计（论文）题目名称基于51单片机的多路温度采集控制系统设计学生单位信息工程学院技术职称助教助教学生专业电子信息工程教师单位信息工程学院基于51单片机的多路温度采集控制系统设计摘要随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度采集控制系统的设计与研究有十分重要的意义。本次设计的目的在于学习与了解嵌入式系统开发的基本流程。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制数字温度传感器，把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递到单片机上。单片机数据处理之后，发出控制信息改变报警和控制执行模块的状态，同时将当前温度信息发送到LCD进行显示。本系统可以实现多路温度信号采集与显示，可以使用按键来设置温度限定值，通过进行温度数据的运算处理，发出控制信号达到控制蜂鸣器和继电器的目的。关键词嵌入式系统；多路温度采集；驱动电路THEDESIGNOFMULTICHANNELTEMPERATUREACQUISITIONANDCONTROLSYSTEMBASEDON51MCUABSTRACTALONGWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFMODERNINFORMATIONTECHNOLOGY,TEMPERATUREMEASURINGANDCONTROLSYSTEMBECOMEMOREANDMOREIMPORTANTININDUSTRIAL,AGRICULTUREANDDAILYLIFEBECAUSEOFITSGREATINFLUENCEONPEOPLESLIFE,DESIGNANDRESEARCHOFTEMPERATUREACQUISITIONANDCONTROLSYSTEMHASAGREATSIGNIFICANCETHEPURPOSEOFTHISDESIGNISLEARNINGANDUNDERSTANDINGTHEDEVELOPMENTOFEMBEDDEDSYSTEMSITUSESMCUASDATAPROCESSANDCONTROLUNIT,ANDUSESMCUTOCONTROLDIGITALTEMPERATURESENSORWHICHTRANSMITSDATATOMCUTHROUGHSINGLEBUSITCANSENDASIGNALTOCHANGETHESTATESOFALARMANDIMPLEMENTATIONMODULE,CURRENTTEMPERATUREISDISPLAYEDBYLCDTHESYSTEMACHIEVESMULTICHANNELTEMPERATURESIGNALACQUISITIONANDCONTROLTEMPERATURELIMITISSETBYKEYBOARDTHEBUZZERANDRELAYARECONTROLLEDBYMCUKEYWORDSEMBEDDEDSYSTEM,MULTICHANNELTEMPERATUREACQUISITION,DRIVERCIRCUIT目录第1章绪论111课题背景112温度检测的意义与技术发展113课题内容和本人的主要工作2第2章系统总体设计及方案论证321系统总体设计322单片机423温度采集与传感器424人机交互与串口通信6第3章硬件设计831系统结构框图832单片机主控单元833温度信号采集单元1134人机交互与串口通信单元设计14341键盘输入15342液晶显示屏输出16343串口通信1735电源系统设计1836控制执行单元设计1937总体电路原理图及印刷电路板图20第4章软件设计2141设计思路、流程图2142温度采集子程序22421命令序列23422信号方式2443数据处理子程序2644人机交互子程序27441显示子程序28442按键子程序2945执行子程序31第5章系统调试分析3251硬件调试3252软件调试3353整机调试34结论36致谢37参考文献38附录140附录241附录342附录443附录544第1章绪论11课题背景测量控制的作用是从生产现场中获取各种参数，运用科学计算的方法，综合各种先进技术，使每个生产环节都能够得到有效的控制，不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本，还确保了生产安全。所以，测量控制技术已经被广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和纺织等行业1。随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力2。所以单片机在工业中应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。随着温度检测理论和技术的不断更新,温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。12温度检测的意义与技术发展温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段3。13课题内容和本人的主要工作本课题是基于单片机的多路温度采集控制系统设计，其利用单片机作为系统的主要控制器，通过温度传感器检测环境温度信号，再经A/D转换后，将数字信号，送入到单片机中进行数据处理，经过一定的控制算法后，通过单片机的输出I/O口，来控制继电器的闭合，达到弱电控制强电的目的，最终完成对加热炉和风扇的自动控制，从而实现对了对环境温度的调节。本人的主要工作是运用AT89S51单片机作为主控制单元及数据处理单元，控制温度传感器检测环境温度信号及A/D转换，数据处理，发出控制信号对加热炉和风扇进行自动化控制，达到自动调节控制环境温度的目的，同时实现超高温报警和超低温报警功能。实现基本的人机对话功能，包括使用按键设置上、下限报警温度值，显示报警温度值和当前环境温度值。第2章系统总体设计及方案论证21系统总体设计本章主要内容是论述基于51单片机的多路温度采集控制系统的总体设计以及方案论证。本系统由单片机、温度信号采集与A/D转换、人机交互、控制执行单元、电源系统单元、通信单元六部分组成，功能模块具体实现的器件的不同，将直接影响整个系统的性能及成本，为了达到高效、实用的目的，在系统设计之前的方案论证是十分重要的，系统设计原理图如图21所示MCU温度信号采集及A/D转换人机交互及串口通信控制执行及报警单元电源系统设计图21系统设计原理图单片机该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心4。温度信号采集与传感器本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号，使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，本设计采用的是数字温度传感器，以上过程都在温度传感器内部完成。人机交互及串口通信人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。电源系统单元本单元的主要功能是为单片机提供适当的工作电源，同时也为其他模块提供电源。如液晶显示屏、按键等，在本设计当中，电源系统输出5V的电源。执行单元是单片机的输出控制执行部分，根据单片机数据处理的结果，驱动继电器控制外部设备，可以达到超温报警及升温或者降温目的，使环境温度始终保持在一个范围之内。22单片机在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。目前，8位单片机在国内外仍占有重要地位。在8位单片机中又以MCS51系列单片机及其兼容机所占的份额最大5。MCS51的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。在以前的电子设计中，应用比较广泛的单片机是AT89C51单片机了，但是该单片机最致命的缺陷在于不支持ISP功能。ATMEL公司目前已经停止了AT89C51生产，51单片机必须加上ISP功能才能更好延续MCS51的传奇，AT89S51就是在这样的背景下诞生的，目前AT89S51已经成为了实际应用市场上的新宠儿。89S51在工艺上进行了改进，它采用035MM新工艺，不但降低成本了，而且增加了功能，提升了单片机性能，提高了市场竞争力6。AT89S51新增了许多功能，性能也有了较大的提升，但是价格仍旧与AT89C51的价格一致。新增的功能之中最具有影响力的就是ISP在线编程功能，这个功能的优势在于，改写单片机FLASH存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离7。是一个强大易用的功能。显然，AT89S51在性能上比AT89C51要优良得多，因为它不但在AT89C51的基础上增加了许多功能，而且价格基本没有提高，所以在器件选择的时候首先排除AT89C51，对于市场上的另外一种比较流行的单片机C8051F，尽管它在性能、功能上都要比AT89S51优良很多，但是它的价格是S51的数倍，本系统使用S51已经完全能够实现所需要的功能，基于成本的考虑，放弃C8051F，选择AT89S51作为本系统的主控单元8。23温度采集与传感器本部分主要是论证温度传感器的选型。传感器的选择受到很多因素的影响，首先是各种温度传感器自身的优缺点，其次是各种不同的环境因素，还有就是系统所要求实现的精度等，所以在不同的设计当中温度传感器的选择也将不同。方案一热电偶传感器热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。它是利用两种不同材料的金属连接在一起，构成的具有热电效应原理的一种感温元件。其优点为精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便，型号种类比较多且技术成熟等。目前广泛应用于工业与民用产品中。热电偶传感器的种类很多，在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。方案二热电阻传感器热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电阻值的变化。热电阻传感器是中低温区最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的，不仅广泛应用于工业测温，而且被制作成标准的基准仪。从热电阻的测温原理可以知道，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。因此，热电阻的引出线的电阻的变化会给测温带来影响9。为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。方案三半导体集成模拟温度传感器半导体IC温度传感器是利用半导体PN结的电流、电压与温度变换关系来测温的一种感温元件。这种传感器输出线性好、精度高，而且可以把传感器驱动电路、信号处理电路等，与温度传感器部分集成在同一硅片上，体积小，使用方便，应用比较广泛的有AD590等。IC温度传感器在微型计算机控制系统中，通常用于室温或环境温度的检测，以便微型计算机对温度测量值进行补偿。方案四半导体集成数字温度传感器随着科学技术的不断进步和发展，新型温度传感器的种类繁多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式、多总线式发展10。数字温度传感器，更因适合与各种微处理器的I/O接口相连接，组成自动温度控制系统，这种系统克服了模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端，被广泛应用于工业控制、电子测温、医疗仪器等各种温度控制系统中，数字温度传感器中比较有代表性的有DS18B20等。电子设计中常用的几种温度传感器的性能、价格等的对比，如表21所示表21传感器对比表传感器AD590PT100DS18B20产地美国德国美国量程5015020045055125精度0302505供电电压4V30V13V36V30V55V输出信号类型模拟信号模拟信号数字信号PT100与AD590都不能与单片机的I/O口直接相连，需要设计信号调理电路，A/D转换电路。而DS18B20是数字温度传感器，并且采用单总线技术，使该传感器不但可以直接与单片机I/O口相连，并且只需要一个I/O就可以连接多个温度传感器，实现多点温度测量与控制。所以使用数字温度传感器DS18B20不但可以节约单片机I/O口，还能使系统设计成本降低。24人机交互与串口通信按键是现阶段电子设计中最常用、最实用的输入设备。按键能够成为最普遍的输入设备，主要是其具备了以下几个优点工作原理、硬件电路连接简单、操作实用性强、价格便宜，程序编写简单。缺点机械抖动比较严重、外型不够美观11。电子设计中常用的输出显示设备有两种数码管和LCD。数码管是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从0到F中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单，但是当要显示的位数相对多的时候，数码管操作起来十分烦琐，显示的速度受到限制。并且当硬件电路设计好之后，系统显示能力基本也被确定，系统显示能力的扩展受到了限制。而液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案。当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，可扩展性很强。字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用的信息显示器件之一。不足之处在于其价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。本设计所需要显示的内容比较复杂，不但包括现场温度值、温度限定值、还有温度传感器序列号的显示，所以本系统的数据显示设备采用LCD12。串行通信的主要功能是实现单片机与PC机的数据交换，当需要进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把数据发送给上位机，使用上位机进行数据处理，并且将数据处理的结果又发送给单片机。这样可以大大提高系统数据处理速度，还可以方便的对单片机进行控制。计算机与外界的数据传送大部分都是串行的，其传送距离可以从几米到几千米。第3章硬件设计本部分详细介绍了基于AT89S51单片机的嵌入式多路温度采集控制系统的硬件设计。硬件系统所需要完成的功能是将温度传感器DS18B20采集到的温度信号，输送到AT89S51单片机的I/O口，然后把单片机数据处理后的结果，送至JDL162A进行显示，把键盘设置的系统参数送到单片机I/O口，把单片机控制信号送到执行单元13。本系统硬件设计主要包括温度传感器电路、LCD驱动电路的、按键驱动电路、电源系统电路、串口通信电路、执行电路、AT89S51单片机最小系统的设计。31系统结构框图本系统中以DS18B20传感器作为温度信号采集与转换单元；AT89S51单片机作为数据处理和控制单元；JDL162A作为数据输出显示单元；按键作为系统参数设置单元，继电器作为控制执行单元，蜂鸣器作为超温报警单元，硬件结构框图，如图31所示图31硬件系统框图32单片机主控单元本部分主要介绍单片机最小系统的设计。单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统为基础的。所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于S51单片机温度传感器JDL162A与按键电路继电器电路串口电路电源电路蜂鸣器片内带有程序存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。小系统是嵌入式系统开发的基石。本电路的小系统主要由三部分组成，一块AT89S51芯片、复位电路及时钟电路。AT89S51单片机AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。4K字节可系统编程的FLASH程序存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗WDT，两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作，并禁止其它所有部件工作，直到下一个硬件复位。P0是一个8位双向I/O端口，端口置1时作高阻抗输入端，作为输出口时能驱动8个TTL电平。对内部FLASH程序存储器编程时，接收指令字节；校验程序时输出指令字节，需要接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址低8位/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。P1是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL电平。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部FLASH程序存储器编程时，接收低8位地址信息。P2是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL电平。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部FLASH程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。P3是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL电平。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部FLASH程序存储器编程时，接控制信息。除此之外P3端口还有第二功能。P3口引脚的第二功能，如表31所示表31P3口引脚第二功能P3口引脚第二功能P30串行通信输入（RXD）P31串行通信输出（TXD）P32外部中断0（INT0）P33外部中断1（INT1）P34定时器0输入T0P35定时器1输入T1P36外部数据存储器写选通P37外部数据存储器读选通复位电路计算机在启动运行的时候都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并且从这个初始状态开始工作。单片机的复位是靠外部电路实现的，MCS51单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。MCS51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。复位电路的基本功能是系统上电时，RC电路充电，RST引脚出现正脉冲，提供复位信号直至系统电源稳定后，撤销复位信号，为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时，才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。图32中的RC复位电路可以实现上述基本功能。调整RC常数会令对驱动能力产生影响。时钟电路时钟电路提供单片机的时钟控制信号，单片机时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式。最常用的是内部时钟方式是采用外接晶振和电容组成的并联谐振回路。瓷片电容的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路的起振速度都有一定的影响。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHZ，时钟频率就为6MHZ。晶振的频率可以在1MHZ33MHZ内选择。电容取30PF左右。XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。单片机最小系统如图32所示P101P112P123P134P156P145P167P178RSTVPD9P30RXD10P31TXD11P32INT012P33INT113P34T014P35T115P36WR16P37RD17XTAL218XTAL119GND20VCC40P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732EA/VDD31ALE/PROG30PSEN29P2728P2627P2526P2425P2324P2223P2122P2021U2AT89S5182KR430PFC930PFC1022UFC3VCCVCCLCD_D0LCD_D1LCD_D2LCD_D3LCD_D4LCD_D5LCD_D6LCD_D7LCD_ELCD_RSLCD_RW1KR5S1DS2DS1510R6510R712Y1KEY_1KEY_2KEY_3KEY_4OUT_1OUT_2OUT_3DQRXDTXD图32最小系统图33温度信号采集单元本部分主要介绍了数字温度传感器DS18B20的内部结构、工作原理以及其外部驱动电路的设计。DS18B20是DALLAS公司的最新单总线数字温度传感器，支持单总线接口，测量温度范围为55C125C，在1085C范围内，精度为05C。现场温度直接以单总线数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20适合用于恶劣环境的现场温度测量，与前一代产品不同，DS18B20传感器支持3V55V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且DS18B20传感器比前一代产品更便宜，体积更小。图33DS18B20内部结构图DS18B20可以程序设定912位的分辨率，及把用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的。性价比也非常出色。DS18B20开辟了温度传感器技术的新概念，DS18B20的电压、特性及封装有更多的选择18。DS18B20内部结构主要由四部分组成64位光刻ROM、温度传感器、温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电的电源输入端，内部结构图如图33所示。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，在12位转化分辨率时，用16位符号扩展的二进制补码形式提供，以00625/LSB形式表达，温度值格式如表32所示，其中S为符号位。表32DS18B20温度值格式表321021234SSSSS6512位分辨率转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于00625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于00625即可得到实际温度。表33部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示125000001111101000007D0H8500000101010100000550H25062500000001100100000191H10125000000001010000100A2H0500000000000000100008H000000000000010000000H051111111111110000FFF8H101251111111101011110FF5EH2506251111111001101111FE6FH551111110010010000FC90HDS18B20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EERAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。配置寄存器的内容用于确定温度值转换的数字分辨率，配置寄存器结构的意义如表34所示表34配置寄存器结构意义TMR1R011111低五位一直都是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。R1和R0用来设置分辨率，如表35所示表35温度分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位9375MS0110位1875MS1011位375MS1112位750MS高速暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。DS18B20暂存寄存器各字节意义如表36所示表36DS18B20暂存寄存器分布采用数字温度传感器进行多点温度采集控制系统的设计，只需要将多个温度传感器并联到单总线上，即可以完成硬件电路的设计，单总线要求接一个约47K欧姆的上拉电阻，这样单总线的闲置状态就为高电平了19。电路连接如图34所示123DS18B20_2123DS18B20_1123DS18B20_3VCC47KR16DQ图34多个DS18B20硬件连接图但是当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，在进行多点测温系统设计时这是一个非常重要的因素。连接DS1820的总线电缆的长度不是无限制的，当采用普通信号电缆传输长度超过50米时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离可达150米，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通信的距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时，要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。34人机交互与串口通信单元设计温度LSB温度MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC人机交互的主要功能是辅助控制、方便调试。在当今的各种实时自动控制和智能化仪器仪表中，人机交互是不可缺少的一部分。一般而言，人机交互是由系统配置的外部设备来完成，其实现方式有两种一种是由MCU的I/O口驱动专用芯片实现，如键盘显示控制芯片，串行数据传输数码显示驱动芯片等，来实现人机交互功能。另一种就是MCU本身具有驱动功能，它通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式或I/O设备的访问形式来控制键盘和LCD实现人机交互。341键盘输入按键部分实现的主要原理是单片机读取与按键相连接的I/O口状态，来判定按键是否按下，达到系统参数设置的目的。键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据输入、命令输入，是人工干预的主要手段。键盘分两大类编码键盘和非编码键盘。编码键盘由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一个选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘容易使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重的情况，采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。非编码键盘只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如按键的识别，决定按键的读数等都靠软件完成，故硬件设计较为简单，但占用CPU较多时间，非编码键盘有独立式按键结构、矩阵式按键结构两种。矩阵式按键结构适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。矩阵键盘工作的原理行线通过上拉电阻接到5V上。无按键，行线处于高电平状态，有键按下，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高。矩阵式按键结构的优点就是节约单片机I/O口，适用于按键比较多的场合。独立式按键结构，独立式按键就是按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键的工作状态，不会影响其他I/O口线上的工作状态。各按键开关均需要采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。当输入口线内部已有上拉电阻，外电路的上拉电阻可省去。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断是哪个按键被按下了。优点电路配置灵活，软件结构简单。缺点每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。因此，此键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。在本设计当中，由于只需要四个按键，所以采用独立式键盘结构，电路连接图如图35所示51KR951KR1051KR1251KR8VCCS2S3S4S5KEY_4KEY_3KEY_2KEY_1图35独立式键盘342液晶显示屏输出液晶显示屏具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点。在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，LCD得到越来越广泛的应用。字符型液晶显示屏，是一种用57点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等，本设计以常用的2行16个字的JDL162A液晶模块作为数据显示模块。JDL162A采用标准的16脚接口，其中第1脚VSS接地第2脚VDD接5V正电源。第3脚为液晶显示器对比度调整端，接电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K欧姆的电位器来调整对比度。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时，可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时，可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。第1516脚空脚JDL162A与单片机的I/O口电路连接如图36所示VCC21310KR171122334455667788991010111112121313141415151616JDL162AVCCLCD_RSLCD_RWLCD_ELCD_D0LCD_D1LCD_D2LCD_D3LCD_D4LCD_D5LCD_D6LCD_D710KR1VCC图36LCD硬件连接图343串口通信串行通信数据传输的特点是数据按位进行传送，最少只需要一根传输线即可完成通信，所以通信成本低，但是速度慢，串行通信又有串行异步通信和串行同步通信两种方式，在单片机中使用的串行通信都是异步方式。异步串行通信以字符为单位，即一个字符接一个字符的传送。本设计采用RS232串行接口来完成单片机与PC机的数据传输。在RS232C标准中，收发信号中的“0”为3V15V，“1”为3V15V，但单片机采用的是正逻辑的TTL电平，所以需要通过专用芯片MAX232C实现EIA电平与TTL电平转换。MAX232C是MAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收器的RS232C转换芯片。芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的5V电压转换为RS232C接口所需的10V电压，尤其适用于没有12V的单电源系统。MAX232是一个逻辑电压转换芯片，因此周边必定有一定量的电容滤波，根据MAX232的不同，电容的取值也不同，MAX232C采用1UF的电容即可，虽然也可以用几个三极管进行电平模拟转换，但是使用专用芯片更简单、可靠。串口通信电路如图37所示1234567891110J1C11VDD2C13C24C25VEE6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U1MAX232CPE1UFC61UFC11UFC21UFC4VCC1UFC5RXDTXD图37串口通信硬件连接图35电源系统设计因为单片机的工作电源为5V，且底层电路功耗很小。所以在单片机电源设计中常使用输出电压固定的集成稳压器，作为稳压器件。这种集成稳压器只有输入、输出和公共引出端三个端口，故称为三端稳压器。采用三端稳压片7805即可制作输出为5V的电源，为单片机提供正常工作电源。三端稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。本设计中所采用的直流稳压电路如图38所示，其中7805起到电压变化作用。图中极性电容C7、C8用于储备功率，当电源开关时也能起到缓冲作用。C11和C12用于滤波，在这基础上，还可以增加二极管D5、D6，分别连接在7805的3、1端和2、3端，形成反馈，当电路中出现短路情况时，能对电路起到保护作用。另外，还可以接一个400欧姆的电阻和一个发光二极管，目的是为了检测电路是否通电。本设计出于简化电路的目的，所以省略了以上两步，电路系统原理图如图38所示VOUT32VIN1GND7805100PFC11100PFC121000UFC71000UFC8125V129VVCC图38稳压电源图36控制执行单元设计控制执行系统所要完成的功能是根据数据处理结果，单片机的对应的I/O输出高电平或者低电平，控制继电器的闭合，达到控制电炉或风扇的启动和停止，但是单片机I/O口的输出电流仅为20