基于at89c52單片機的多點溫度測試系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 1 時顯示 5 10 點陣。 命令 7： CGRAM 地址設置，地址范圍 00H～ 3FH（共 64 個單元，對應 8 個自定義字符）。 命令 8： DDRAM 地址設置，地址范圍 00H～ 7FH。 命令 9：讀忙 標志和計數器地址。計數器地址范圍 00H～ 7FH。 命令 10： 寫 DDRAM 或 CGROM。要配合地址設置命令。 命令 11：讀 DDRAM 或 CGROM。要配合地址設置命令。 一個多路溫度采集系統，包括多路溫度信息的采集、轉換、顯示等環節。本系統主要包括微處理器、四路溫度的采集器、顯示電路、復位電路、時鐘電路、鍵盤電路、聲光報警電路等。 11 單片機最小系統的設計 單片機最小系統，是組成一個獨立工作的單片機系統是，芯片和連接各芯片之間的總線少的不能再少。一般情況下包括：單片機、時鐘電路、復位電路。 時鐘電路的設計 在 AT89C52 的引腳 XTAL1 和 XTAL2 端外接晶體振蕩器（簡稱晶振），就構成了內部震蕩方式，時鐘電路如圖 31 所示，其中電容 C1 和 C2 的作用是穩定頻率和快速起振，典型值為 30pF，晶振 CYS 的震蕩頻率要小于12MHZ，典型值為 6MHZ、 12MHZ 或 ，由于本系統要與 PC 機通信，所以應選擇 的晶振，這樣便于將波特率設定為標稱值。 圖 31 時鐘電路 復位電路的設計 復位是使單片機獲系統中的其他部件處于某種確定的初始狀態。單片機上電后首先從復位操作開始。單片機的復位是通過復位電路實現的，在實際 12 應用中，復位操作有兩種方式形式：一是上電復位，二是按鍵復位。本系統采用按鍵復位。 復位信號變低電平時，單片機開始執行程序。復位電路如圖 32 所示，按鍵復位支路由按鍵 RESET，電阻 R1， R2 組成，電路的參數為： R1=470Ω，R2=200Ω。通過電路分析可知，在單片機運行期間，當 RESET 按鍵按下時，按鍵接通相當于短路，電容 C3 的電壓不能躍變， RST 引腳獲得高電平信號，隨著電容 C3 的放電， RST 引腳的電平將逐漸下降 ,兩個機器周期后單片機就執行 復位操作。 圖 32 復位電路 溫度采集模塊的設計 本系統將四個 DS18B20 的 DQ 端子分別接在單片機的 ～ 口上，通過單片機發送指令分別對每個溫度傳感器進行讀寫操作，這樣可以跳過讀每個 DS18B20 的序列號而直接進行溫度的讀寫， 從而實現多點溫度檢測系統 。 DS18B20 有三個引腳，其中兩根是電源線 VDD 和 GND，另外一根用作 13 總線 DQ(Data In/Out)，其輸入和輸出均是數字信號，與 TTL 電平兼容，因此其可以與微處理器直接進行接口，從而省去了一般傳感器所必需的中間轉換環節。 四片 DS18B20 采用外接獨立電源供電，這使 DS18B20 的工作穩定，并使測控系統可以隨時偵測 DS18B20 的工作狀態，做出適時的指令操作。DS18B20 的接口電路如圖 33 所示。 圖 33 DS18B20 的接口電路 LCD 顯示電路 本系統通過 P0 口來連接 LCD1602 的 D0～ D7，采用 8 路 10KΩ 的排阻限流， ～ 口分別連接 1602 的 RS、 R/D、 E，通過這三個引腳來控制1602 的讀寫。四路溫度同時顯示在 1602 上，便于讀數，接口電路如圖 34所示。 14 圖 34 LCD1602 接口電路 鍵盤電路 控制電路是一個單片機系統必不可少組成部分，本系統在運行的過程中會根據外部環境的變化對溫度報警的上下限進行設置，故把單片機的 ～ 口作為控制按鈕的輸入端，它們在運行中對應的功能分別為設置溫度報警上限、設置溫度報警下限、溫度值加 溫度值減 1 和退出。當有按鍵按下時，單片機對應的端口會被置 0，單片機會做出相應的響應，并通過LCD1602 進行顯示。鍵盤電路如圖 35 所示。 圖 35 鍵盤電路 15 聲光報警電路 由于本系統設有報警系統，單片機需對 溫度傳感器所測得的溫度進行檢測，并與設定的溫度上限縣進行比較，當發現所測溫度超出所設定溫度值的范圍時單片機發出報警信號。聲光報警電路如圖 36 所示，通過 口來控制蜂鳴器報警，通過 ～ 來控制四只不同顏色的發光二極管，四只發光二極管對應四只 DS18B20 溫度傳感器，單片機復位后 P1 口輸出高電平，四只二極管被點亮，當某只溫度傳感器超出溫度范圍時，相應的控制端口置0，熄滅發光二級管進行報警提示，同時蜂鳴器會響起。 圖 36 聲光報警電路 16 工作方案簡介 軟件程序是一個 單片機系統正常工作的核心，單片機根據程序來執行相關指令，使系統實現所有的預定功能。本系統通電以后進行復位初始化操作，四路 DS18B20 測取個路溫度送入 LCD 液晶屏顯示，再啟動報警系統對路溫度進行檢測，觀察是否有溫度超出設定的溫度范圍，如果有，則啟動報警，同時提示電路進行提示，單片機隨時對按鍵系統（溫度上下限的設定）進行檢測，當發現有控制按鈕按下時，對相應的按鍵進行響應，設置溫度檢測的上下限，再與設定溫度進行對比，檢測溫度。整個系統進行循環工作。 主程序流程圖 程序處理是整個系統的關鍵，即簡潔的硬件結構 是靠復雜的軟件來支持的。 主程序的主要功能是負責讀出并處理 DS18B20 的測量溫度值、溫度值的實時顯示及報警功能。 本系統采用自頂向下循環執行程序設計，模塊化程序設計，單片機帶有復位功能，當系統運行出現錯誤時，可以通過復位操作對整個系統進行復位。根據對以上流程圖的分析系統軟件設計可分為溫度的讀取轉換模塊、 LCD 溫度顯示模塊、按鍵處理模塊和報警模塊幾個部分。 17 開 始L C D 初 始 化 顯 示讀 取 并 顯 示 四 路 溫 度按 鍵 處 理 子 程 序溫 度 報 警 子 程 序退 出 溫 度 上 下 限 設定 ， 顯 示 四 路 溫 度設 定 溫 度 上 下 限 子 程 序 圖 41 主程序流程圖 溫度讀取轉換模塊 四路溫度采集傳感器分別接在單片機的 ～ 口，可以從四個口讀取溫度，在讀取溫度時可以跳過讀 ROM 命令， DS18B20 操作命令可以分為四步：復位命令、跳過讀 ROM 命令、讀 RAM 命令和數據交換命令。再執行完以上四步以后，單片機判斷溫度符號，送入 LCD 液晶屏顯示。流程圖如圖 42 所示。 18 溫 度 讀 取 額 程 序 入 口D S 1 8 B 2 0 復 位D Q 拉 低延 時 大 于 4 8 0 μ s ？跳 過 讀 D S 1 8 B 2 0 序 列 號啟 動 溫 度 轉 換跳 過 讀 D S 1 8 B 2 0 序 列 號D S 1 8 B 2 0 讀 取 溫 度D S 1 8 B 2 0 復 位8 位 數 據 讀 完 ？判 斷 溫 度 值 符 號返 回 NYNY 圖 42 溫度讀取轉換流程圖 1） 復位和應答脈沖時隙 首先，主機發送“復位脈沖”（低電平），將 DS18B20 的 DQ 總線下拉為低電平，并保持 480μs 以上，之后主機釋放數據線并轉入接收狀態；由上 19 拉電阻將 DQ 總線拉 至高電平，與此同時， DS18B20 開始檢測脈沖電平的上升沿，這個過程大約延遲 15～ 60μs，完成此操作后 DS18B20 發送存在脈沖，將 DQ 總線下拉為低電平 [5]。 2） 寫時隙 寫“ 0”時，主機把 DQ 單總線直接下拉為點電平，并保持 60μs 以上（且小于 120μs），完成寫 0 時隙。寫“ 1”時，主機先把 DQ 單總線下拉為低電平（持續時間為 1μs 以上），并在 15μs 之內釋放 DQ 總線，又上拉電阻把 DQ總線上拉為高電平，這個全程的時隙長度要大于 60μs，這樣就完成了寫 1時隙 [5]。 3） 讀時隙 DS18B20 器件僅 在主機發出讀時隙時，才向主機傳輸數據。所有讀時隙至少需要 60μs。且在兩次獨立的讀時隙之間，至少需要 1μs 的恢復時間。每個讀時隙由主機發起，至少拉低總線 1μs。 液晶顯示模塊 點陣字符式液晶顯示器 LCD1602 模塊為 2 16 字， LCD 液晶屏的顯示通過四部：初始化 LCD、讀操作、寫操作、數據顯示。通過編程使第一路溫度顯示在液晶顯示器的 00H～ 005H 位置，第二路溫度顯示在液晶顯示器的0AH～ 0FH 位置，第三路溫度顯示在液晶顯示器的 40H～ 45H 位置，第四路溫度顯示在液晶顯示器的 4AH～ 4FH 位置。 LCD 顯示模塊流程圖如圖 43所示。 20 L C D 顯 示 入 口L C D 初 始 化讀 L C D寫 L C D按 地 址 顯 示 思 路 溫 度返 回 圖 43 LCD 顯示模塊流程圖 按鍵處理模塊 實現溫度報警需要對報警溫度的上下限進行設置，不同環境下的報警溫度也有所不同，本系統通過單片機的 ～ 口連接五個按鍵來對溫度進行設置，當單片機接收到按鍵信號時對各引腳的不同功能進行響應，單片機各引腳功能如表 41 所示，按鍵處理模塊流程圖如圖 44 所示。 表 41 引腳功能 引腳 引腳功能 設置溫度上限 設置溫度下限 加 1 減 1 退出 21 按 鍵 處 理 子 程 序 入 口是 否 有 鍵 按 下 ？設 置 溫 度 上 下 限 ？L C D 顯 示 字 符 串 “ s e t h i g h ” L C D 顯 示 字 符 串 “ s e t l o w ”是 否 有 鍵 按 下 ？加 1 ？調 用 加 1 子 程 序 調 用 減 1 子 程 序返 回NYNYNYNY 圖 44 按鍵處理模塊流程圖 聲光報警模塊 當單片機讀取四路 DS18B20 的溫度后會對思路溫度進行檢測，與設定的溫度上下限進行比較，當發現某路溫度超出設定范圍時，單片機會發出報警信號，使 口輸出矩形波，蜂鳴器實現報警，同時提示電路的發光二極管會對應熄滅進行報警提示，可以觀察出是哪一路溫度超出溫度設定范圍，報警模塊流程圖如圖 45 所示。 22 報 警 子 程 序 入 口讀 取 四 路 D S 1 8 B 2 0 溫 度 值某 路 溫 度 值 超 出 設 定 范 圍 ？P 1 . 7 口 輸 出 矩 形 波 驅動 蜂 鳴 器 報 警相 應 溫 度 提 示 口 輸 出 低 電 平 ， 發光 二 極 管 熄 滅 ， 進 行 報 警 提 示返 回NY 圖 45 報警模塊流程圖 PROTEUS 軟件是英國 Labcenter Electronics 公司出品的電子設計自動化軟件，包括 ISIS 和 ARES 兩部分， ISIS 提供了 30 多個元件庫數千種元器件和多種現實存在的虛擬儀器儀表，可以直觀地仿真微控制器系統、數字電路和模擬電路的功能和結果。 PROTEUS 軟件最大的特色之處就是可以仿真包括外圍接口模數混合電路在內的微控制器系統，是一款不可多得的優秀單片機系統仿真平臺。 本系統先在 PROTEUS 軟件中會只好硬件原理圖，在電器連接性檢 查無誤的情況下，與第三方軟件 Keilc 連接調試，用 Keil’s uVision 開發源代碼，并進行編輯，生成可執行文件（ .HEX）后，選中單片機 AT899C52，左鍵點擊 AT89C52，在出現的對話框里點擊 Program File 按鈕，找到剛才編譯得到 23 的 HEX 文件，然后點擊“ OK”按鈕進行模擬。點擊模擬調試按鈕，進人調試狀態，經對各個環節進行調試，仿真結果無誤，可以進行實物焊接。 在系統的設計過程中，使用了數字化的溫度傳感器 DS18B20，簡化了系統的結構，與傳統的以模擬量為基礎的溫度傳感器想比， 數字化的溫度傳感器不需要進行 A/D 轉換，溫差的補償，使用起來更加方便可靠。由于整個系統使用的信號全部為數字量，可以直接將底線接在電源的負極，而不用去考慮模擬接地。使用液晶顯示器 LCD1602 可以將四路溫度同時顯示，觀察起來十分方便。在本次設計過程中，硬件的選取和軟件的編程都是極大考驗，要盡量降低系統的復雜程度，又要使系統在性價比最高的基礎上實現其所有的功能。單片機強大的綜合性功能使軟件程序的設計變得簡單，各變量的使用非常靈活，在設計時要考慮按鍵的去抖動，同時也要注意高低電平的輸出，采用軟硬件相結合的方式，可 以避免走許多彎路，有利于系統的維護和調試。 24 參考文獻 [1] 李全利 《單片機原理及接口技術》，北京：高等教育出版社， 2020 年，第二版，第19～ 29 頁。 [2] 韓志軍 《單片機系統設計與應用實例》，北京：機械工業出版社， 2020 年，第二版，第 231～ 244 頁。 [3] 肖看，李群芳 《單片機原理、接口及應用》，北京：清華大學出版社， 2020 年，第二版，第 300～ 309頁。 [4] 喻宗泉，李建