毕业设计_基于at89c51单片机为核心的多路温度采集系统电路设计(编辑修改稿)

毕业设计_基于at89c51单片机为核心的多路温度采集系统电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

采集部分和系统主控单元部分的设计。 因此系统硬件的选择 主 要就是温度传感器主控单片机的选择。 单片机的选择 所谓单片机 (m1crocontroller)是指在一个集成芯片中，集成微处理器 (CPU)、存储器、基本的 I/O 接口以及定时 /计数、通信部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。 世界上最早的单片机是 1974 年美国仙童公司研制的 F8单片机，但其中最具典型性的当数 Intel 公司的 MCS51系列单片机。 因此，在本课题设计的 多路 温度采集 设计 系统中，采用单片机实现温度的控制。 在单片机选用方面，因为 MCS 51系列单片机 拥有基于复杂指令集（ CISC）的单片机内核，虽然其速度不快， 12个振荡周期才执行一个单周期指令，但其端口结构为准双向并行口，可兼有外部并行总线，故使其扩展性能非常强大。 51 系列 的内部硬件预设，可用特殊功能寄存器对其进行编辑。 所以，本系统中的单片机选用 INTEL 公司生产 AT89C51芯片， AT89C51 单片机是 INTEL 公司新近推出的高档型 MCS 51 系列单片机中的增强型产品，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。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程（ ISP），亦适于常规编程器。 基于 AT89C51 单片机为核心的多路温度采集系统电路设计 8 AT89C51 单片机的功能特点 AT89C51是美国 ATMEL公司生产的低电压，高性能 CMOS8位单片机。 片内含 4K bytes可反复擦写的只读程序存 储 器（ PEROM）和 128 bytes 随机存取数据存 储 器（ RAM）。 兼容标准 MCS51 指令系统，片内置 8位中央处理器（ CPU）和 FLASH 存 储 单元。 AT89C51单片机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 ，能灵活应用于各种控制领域。 AT89C51 主要性能参数： 4K字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000 写 /擦循环 全静态工作： 0Hz24MHz 三级程序存储器锁定 128179。 8 位内部 RAM 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 AT89C51 单片机的引脚说明 在外部结构上， AT89C51 单片机和 MCS－ 51 系列单片机的结构相同，有三种封装形式，分别是 PDIP 形式、 PLCC 形式、 TAFP 形式。 其中，常用的为 PDIP 形式，其 40针脚按其功能可分为 3 部分 ： I/O 口线 （ P0~P3） ，控制线 (ALE、 EA、 PSEN、 RST)，电源及时钟 (GND、 VCC、 XTAL XTAL2)。 其 PDIP 封装， 40 针脚形式如 图 2： 基于 AT89C51 单片机为核心的多路温度采集系统电路设计 9 图 2 AT89C51 PDIP封装引脚图 VCC：供电电压 +5V。 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。 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。 基于 AT89C51 单片机为核心的多路温度采集系统电路设计 10 /EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000HFFFFH），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。 温度传感器的选择 温度是表征物体冷热程度的状态量，是现代科学技术中最基本、最重要的物理量。 与温度变化有关的物质属性很多，因而温度测 量的仪器也是 多种多样的。 常用的温度测量仪 有热电阻、热电偶、 PN结温度传感器、集成温度传感器等。 热电阻它的优点是灵敏度高，工作温度范围宽，稳定性好，过载能力强，体积小。 但它的不足之处在于非线性和互换性差。 热电偶 测量精度高，热电动势与温度在小 范围内基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好，响应时间较快。 测温范围宽，高温热电偶测温上限可达 2800℃。 PN结温度传感器 利用晶体二极管、三极管的 PN 结电压随着温度变化而变化的原理制成。 线性度好，热惯性小，灵敏度高。 集成温度传感器是将测温元件、放大电路、偏置电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。 相对其它传感器有较好的线性度和一致性，且体积小，使用方便。 温室是一个有较大惯性的被控对象，温度的变化速度较慢，因而不需要传感器的反应速度太高；但要求传感器有优良的物理及化学稳定性。 用的较多的是以铂电阻为代表 的模拟传感器和以 DS18B20 为代表的数字传感器。 考虑到铂电阻需要信号调理电路，将电阻信号转换为电压信号，经过 A/D转换后才能被单片机接受，信号调理电路的相对复杂，抗干扰性比较差，而且价格较高，而 DS18B20 不仅价格便宜 而且使用方 便、测温准确、 精度较高。 为了节省成本，提高效率，方便 采集 系统以后的进一步扩展和完善， 本 设计 系统的采集 模型采用 DS18B20 单总线数字式温度传感器。 DS18B20 的 简介 数字温度传感器 DS18B20是 DALLAS公司生产的基于串行接口的一线式数字温度传感器，它是将半导 体温敏器件、 A/D 转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值 的全新 传感器。 有 3引脚 TO－ 92 小体积封装形式。 具有 一线 总线、 体积更小、适用电压更宽、 而且 经济 等特点。 其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。 CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。 DS18B20 支 持 “一线总线 ”接口，测量温度范围为 55176。 C~+125176。 C ，在 10~+85176。 C 范围内 ,精度为 177。 176。 C。 现场温基于 AT89C51 单片机为核心的多路温度采集系统电路设计 11 度直接以 “一线总线 ”的数字 方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。 适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。 DSl8B20 具有如下特征： ① 采用单总线技能，与单片机通信只须要一根 I/O线，在一根线上可挂接多个 DSl8B20。 ② 低压供电，电源范围 3～ 5V，可以本地供电，也可以直接从数据线上窃取电源 (寄生式供电 方式 )。 ③ 每只 DSl8B20具有一个独立的、不可修改的 64位序列号，根据序列号可以访问对应的器件。 ④ 测温范围为 一 55℃ ～ +125℃ ，在 一 10℃ ~85℃ 范围内误差为 177。 0 ． 5℃。 ⑤ 可编程数据为 9～ 12 位，其转换 12 位的温度时间为 750 ms(最大 )。 ⑥ DSl8B20可将检测到的温度值直接转化成数字量，并通过串行通信的方式与主控制器执行数据通信。 DS18B20 工作原理 DS18B20 测温原理 ：由 于 低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。 高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。 计数器 1和温度寄存器被预置在 一个 对应的一个基数值。 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，当计数器 1 的预置值减到 0时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1的预置将重新被装入，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。 图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线形，其输出用于累加器 1的预置值。 其原理图 如 3： 基于 AT89C51 单片机为核心的多路温度采集系统电路设计 12 图 3 DS18B20工作原理图 DS18B20 内部结构 （ 1） DS18B20 的引脚说明 DS18B20 采用 3 脚 TO92 封装或 8 脚 SOIC封装。 3脚 TO92封装形式和器件图如 图4 所示： GND—— 接地； DQ—— 数据输入输出。 漏极开路单线接口 ,也在寄生电源模式时给设备提供电源； VDD—— 可选的电源电压脚。 VDD 在寄生电源模式时必须接地。 图 DS18B20 引脚 图 4 DS18B20的 DIP 40封装图 （ 2） DS18B20 的内部结构 图 5: 基于 AT89C51 单片机为核心的多路温度采集系统电路设计 13 图 5 DS18B20的内部结构 图 DS18B20 有 4 个主要的数据部件： ① 64 位激光 ROM。 64位激光 ROM 从高位到低位依次为 8 位 CRC、 48 位序列号和 8位家族代码 (28H)组成。 ② 温度灵敏元件。 ③ 非易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值。 ④ 配置寄存器。 配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。 DS18B20 在 0工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值，其各位定义如 表 1： 表 1 TM R1 R0 1 1 1 1 1 MSB LSB 其中， TM：测试模式标志位，出厂时被写入 0，不能改变； R0、 R1：温度计分辨率设置位，其对应四种 分 辨率如 下 表所列，出厂时 R0、 R1 置为缺省值： R0=1， R1=1（即12位分辨率），用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。 配置寄存器与分辨率关系 如 表 2 ： 表 2 R0 R1 温度计分辨率 /bit 最大转换时间 /ms 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 1 1 12 750 （ 3） 高速暂存存储器 高速暂存存储器由 9个字节组成，其分配如 表 3所示。 当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第 0和第 1个字节。 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 ，数据格式如图所示。 对基于 AT89C51 单片机为核心的多路温度采集系统电路设计 14 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。