智能仪器课程设计报告

1、 天津电子信息职业技术学院传感器技能实训课题名称 智能温度测温系统 姓 名 王先民 学 号 20 班 级 电信S10-1 专 业 电子信息工程技术 所 在 系 电子技术系 指导教师 岑永祚 完成日期 2011年12月11日 一、 主要内容温度传感器DS18B20采集环境模拟信号，其输出送入AT89C51，单片机在程序的控制下，将处理过的数据送到移位寄存器74LS164，经74LS164输出后驱动三位数码管显示。当被测温度高于18时，单片机发出控制信号使降温电扇以自然风的形式旋转，温度越高转速越快，温度36以上时风扇全速工作，点亮此功能指示灯。二、 基本要求（1）设计测量温度范围55125的智能

2、测温系统，要求数码管实时显示测量温度，单片机根据温度高低确定风扇转速（2）画出程序框图（3）有完整的整机电路图（protel绘制）（4）完成格式正确、内容完整的实验报告三、 参考文献王祁， 智能仪器设计基础.北京：机械工业出版社，2009目录一、前言4二、系统组成41、设计思路52、系统的性能指标：53、系统的主要功能：5三、电路组成及工作原理51、温度传感器功能模块62、AT89C51单片机83、74LS164移位寄存器124、晶振电路125、复位电路136、键盘电路137、显示电路148、稳压电路149、显示电路1510、风扇控制电路15四、课程设计心得与体会16五、参考文献16六、整机电

3、路图17七心得体会18智能温度测量系统的设计一、前言 温度是一种基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量。因此研究温度的测量方法和装置具有重要意义。测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。本文所介绍的智能温度测量系统是基于DS18B20型数字式温度传感器，在89C51单片机的控制下，对环境温度进行实时控制的装置。该系统测量范围宽、测量精确度高，该系统可广

4、泛适用于人民的日常生活和工、农业生产的温度测量。二、系统组成智能温度测量系统主要由数字温度计、单片机控制电路、数字式温度显示电路、风扇降温电路、键盘电路、串口通信电路等六部分组成。系统原理框图如下：单片机（AT89C51）数字温度计（DS18B20）八位串入/并出移位寄存器（74LS164）风扇降温系统(75BF-3)键盘电路（四个按钮开关）数字式温度显示(LD-5461AS)图1智能温度测量系统原理框图1、设计思路智能温度测量系统的设计思路：用数字温度传感器DS18B20采集环境模拟信号，并在其内部进行A/D转换，将转换后的数字信号送AT89C51单片机，AT89C51单片机在程序的控制下，

5、将处理过的数据送到八位串入/并出移位寄存器74LS164，经74LS164输出后驱动三位数码管显示出环境温度。当被测温度高于18时，单片机P2.3脚发出信号PC817光电耦合器使降温电扇以自然风的形式旋转，温度越高转速越快，温度36以上时风扇全速工作，点亮此功能指示灯。2、系统的性能指标：温度测量范围：55125温度测量精度：0.5电路板工作温度：0703、系统的主要功能：（1） 根据温度变化自动调节风扇的转速，转速变化量：温度每变化2将改变风扇的转速并使指示灯向右移动一位点亮；温度低于18时风扇不工作， （2） 风扇工作在自然风状态：风速从小到大，一个周期约5秒钟，点亮此功能指示灯。（3）

6、风扇工作在定时状态：定时时间为30分钟；60分钟；120分钟；240分钟，用四位二进制发光二极管指示灯指示定时时间，并且，风扇根据第1条功能工作。（4） 用十个发光二极管模拟指示风扇当时的转速情况，即十个全亮则风扇全速运行，前五个亮刚风扇处于半速运行。三、电路组成及工作原理智能温度测量系统原理图如图2所示， 图2 智能温度测量系统原理图主要元器件：1、温度传感器功能模块美国DALLAS公司生产的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，使用户可轻松地组建温度传感器检测网络，为检测系统的构建引入全新的概念。DS1820特点如下：（1）DS1820在与微处理器连接

7、时仅需要一条传输线即可实现两者之间的双向通讯。（2）DS1820支持多点组网络功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测量。 （3）DS1820在使用中不需要任何外围元件，其传感元件及A/D转换电路都集成在一只形如三极管的芯片内。（4）工作电压+3+5.5V，温度测量范围为55125, 在-10C+85时，精度为0.5C；（5）DS1820可把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理，测量结果以912位数字量方式串行传送。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根传输

8、线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。 图3 DS1820的内部框图图3所示为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL解发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。图4是DS1820温度传感器的封装图与引脚接线方式，DS1820引脚及功能及指标如下 GND：地； VDD：电源电压 I/O：数据输入输出脚(单

9、线接口，可作寄生供电) 图4 DS1820封装图与接线方式（6）DS18B20控制方法 在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。 CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个

10、步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。程图所示的步骤它分三步完成：系统通过反复操作，搜索DS1820序列号；启动所有在线DS1820做温度A/D变换；逐个读出在线DS1820变换后的温度数据。2、AT89C51单片机AT89C51是一种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。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

11、是一种高效微控制器。 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

12、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

13、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

14、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）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 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

15、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

16、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。4芯片擦除： 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，

17、该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 图5 AT89C51单片机引脚3、74LS164移位寄存器在单片机系统中， 如果并行口的IO资源不够，而串行口又没有其他的作用， 那么我们可以用74LS164来扩展并行IO口，节约单片机资源。74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器。并带有清除端。 其中; Q0Q7 并行输出端 。 A,B串行输入端。

18、MR 清除端， 为0时，输出清零。 CP 时钟输入端。 74LS164 引脚定义 74LS164逻辑表 图6 74LS164 电路原理4、晶振电路AT89C51单片机芯片内部设有一个反向放大器所构成的振荡器，X1和X2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟信号由外部或内部产生，在X1和X2引脚上外接定时元器件，内部振荡电路就会产生自激振荡。本系统采用的定时元器件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率为12MHz，C1、C2的值为33pF电容的大小可起频率微调的作用。 图7晶振电路5、复位电路单片机具有多种复位电路，本系统采用电平式开关复位与上电复位方式，具体电路如图8所示。当上电时，C

19、3相当于短路，给RST端输入大于24个振荡周期以上的高电平脉冲，使单片机复位，在正常工作时，按下开关使单片机复位。图8 复位电路6、键盘电路 本系统三个独立键盘来搭建键盘电路。第一个键用来转换自然风；第二个键用来关断风扇；第三个键用作定时开关。键盘电路采用软件延时去抖动。图9 键盘电路7、显示电路显示电路采用4位的LD-5461AS显示数码管，共阴极接法，前三位显示当前采样到的温度，后一位为单位，显示的温度范围为099.9。8、稳压电路电源输入为+12V，经LM7805稳压，得+5V电压，供89C51和74LS164工作。图10 稳压电路9、显示电路图11 显示电路10、风扇控制电路风扇控制电路的电源电压为12V，当环境温度大于18时，单片机P2.3口给出信号，通过PC817光电耦合器将信号送到稳压管IRF540，风扇工作。图12 风扇控制电路六、整机电路图七心得体会在完成这个设计之后，我也有一定的思考，重新将自己的设计细细看了几遍，同时也把做同样设计的几个同学的设计借来观摩了一番。在进行对比和分析之后，又有很多所得。一开始进行设计的时候，我基本上都是参照书本或者网上的例子进行，甚至就是按照它的步骤再做一遍。当然在初学阶段这未必不可以，这样做可以让我熟悉软件的操作环境，了解设计方法和步骤，更加深刻理解基本概念。但是等到自己设计的时候，我觉得就应该抛开例子，完全按照自己的