桂林航天工业学院计算机综合实训正文.docx
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桂林航天工业学院计算机综合实训正文
引言
温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。
对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。
本设计系统包括单片机，温度采集模块，显示模块，按键控制模块，报警和指示模块五个部分。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求。
1课题设计特点和应用领域
课题采用的是单总线数字温度传感器DS18B20，可直接将温度转换值以16位数字码的方式串行输出：
将温度转化为数字编码只需1秒左右。
而且它具有独特单线接口方式，即与微处理器接口时仅需占用1个I/O口；支持多节点；测温时无需任何外部元件，可以通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式。
测温范围为—20℃～+120℃，测温度精度可达到0.5℃。
由于传送的是串行放大器和A/D转换器可以统统被省却，因而这种测温方式大大提高了各种温度测控系统的可靠性，降低了成本，缩小了体积。
其测温系统结构简单，硬件少，成本低，测温精度高，转换速度快，实用性高，应用范围广泛，市场前景好，经济效益可观。
系统可以应用于温度要求在—20℃～+120℃之间的任何领域。
比如：
铁路，粮库，水果，蔬菜存储仓库的温度控制，以及多路温度测控仪，各种养殖场的温度控制监测。
由于本系统的测温精度可达0.5℃，因而对于温度要求特别严格的环境来说，本系统是一个较为理想的监控系统。
2智能温度控制系统基本构成及工作原理
2.1系统的硬件构成
课题设计的硬件部分由89S52单片机、DS18B20、74LS14、74LS273锁存器以及若干电容、7个发光二极管、4只数码管、5个按键、11.0592MHZ晶振组成。
（结构如图2.1）
图2.1系统设计结构图
以下对各组成部件功能进行简单介绍：
89S52单片机用于温度的采集，数据处理，存储温度上下限和超温控制。
DS18B20是单总线数字温度传感器，输出方式为串行单线输出，主要作用是把温度值以数字形式输出和存储转换精度控制字。
第三章将作出详细介绍，此处不做过多赘述。
74LS02或非门，用于选择锁存器（与写信号或非）。
74LS14施密特触发器，用于键盘消抖。
74LS273锁存器。
用锁存显示位、段码以及指示信号。
按键用于输入和查看温度上下限，使单片机复位，每隔2小时发送0.5秒的启动电机的正脉冲。
晶振是为单片机提供工作脉冲。
数码管用于显示温度值。
发光二极管用于上下限溢出报警，温度超限报警及控制，设置上/下限指示，正常工作指示。
各功能对应的指示灯设置如表2.1：
表2.1指示灯设置
功能
第几灯点亮
显示温度
第1灯
0x02
显示下限温度
1、2
0x03
设下限温度标志位
2、7
0x41
设下限温度十位
2、6
0x21
设下限温度个位
2、5
0x11
设下限温度十分位
2、4
0x09
显示上限温度
1、3
0x06
设上限温度标志位
3、7
0x44
设上限温度十位
3、6
0x24
设上限温度个位
3、5
0x14
设上限温度十分位
3、4
0x0C
低于下限温度
1、2、4、5、6、7
0x7B
高于上限温度
1、3、4、5、6、7
0x7E
2.2系统的软件构成
课题原计划用汇编语言完成。
后来决定使用C语音编写程序，系统的软件由温度数据采集、数据处理、温度显示及按键处理等部分组成。
89S52完成的功能主要是数据处理、数据分析、控制计算、进制转换、数据显示、按键处理以及电机控制等。
温度采样和转换部分由DS18B20来完成。
2.2.1系统的工作原理
首先，由温度传感器DS18B20对温度进行采样和转换，将测量结果送给单片机，单片机将输入的温度值进行数据处理，并将温度值与设定的温度值上下限进行比较。
根据比较结果进行相应的处理。
若温度超限则报警指示灯亮，以便进行及时处理。
系统原理框图如图2.2所示：
图2.2系统原理图
3智能温度控制系统硬件设计
本章是论文核心部分，主要介绍基于单片机的温度控制系统硬件总体设计，按照设计方案，整个温控系统硬件主要包括以下单元：
按键输入，温度采集、处理，温度超限报警，定时发出脉冲等。
温度控制的核心为温度的采集和处理，系统选用特别适用于编程及数据处理的MS-51单片机89S52，并通过89S52实现对其他各组成部分的编程控制。
下面是核心原件的介绍：
3.1数字温度传感器DS18B20详述
3.1.1DS18B20简介
DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下特性：
a）独特的单线接口方式：
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
b）在使用中不需要任何外围元件。
c）可用数据线供电，电压范围：
+3.0V～+5.5V。
d）测温范围：
-55℃～+125℃。
固有测温分辨率为0.1℃。
e）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。
f）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
g）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
3.1.2DS18B20的引脚名称及作用
外形如图3.1所示。
其体积只有DS1820的一半，引脚定义相同。
a）DQ：
数据输入输出引脚
b）VDD：
可接电源，也可接地。
因为每只DS18B20都可以设置成两种供电方式。
采用数据总线方式时VDD接地，可以节省一根传输线，但完成温度测量的时间较长；采用外部供电方式则接5V，多用一根导线，但测量速度较快。
图3.1DS18B20外观
图3.1DS18B20外观
3.1.4DS18B20的测温原理
DS18B20测量温度采用了特有的温度测量技术，其温度测量电路如图3.2所示。
图3.2DS18B20测温结构图
图3.3中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器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3.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。
操作协议为：
初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
3.1.5DS18B20的转换精度控制字及分辨率设置
设置转换精度控制字格式如表3.1所示
表3.1转换精度控制字格式
MSBLSB
0
R1
R0
1
1
1
1
1
分辨率设置如表3.2所示：
表3.2分辨率设置
R1
R0
分辨率（位）
最大转换时间（ms）
0
0
9
93．75
0
1
10
187．5
1
0
11
375
1
1
12
750
由表可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。
因此，在实际应用中需要在分辨率与转换时间二者之间权衡考虑。
在芯片出厂时R1和R0被配置为“1”，即工作在12位模式下。
当DS18B20接收到温度转换命令（44H）开启后，开始启动转换，转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在暂存RAM的第0，1字节。
在执行读暂存RAM命令后，可将这两个字节的温度值通过单线总线传给CPU，高位字节中符号代表温度值为正还是负值。
3.1.6DS18B20的温度数字关系
用12位精度测出的温度值用16位二进制补码形式表示，如表3.3所示：
表3.3DS18B20存储器映像图
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
MSBLSB
S
S
S
S
S
26
25
24
MSBLSB
图中S为符号位，S=1，温度为负值；S=0，温度为正值。
DS18B20用12位精度测出的数字量（用16位二进制补码形式表示）如表3.4所示：
表3.4部分温度与对应的数字温度输出之间的对应关系
温度（℃）
数字输出（二进制）
数字输出（十六进制）
+125
0000011111010000
07D0
+85
0000010101010000
0550
+25.0625
0000000110010001
0191
+10.125
0000000010100010
00A2
+0.5
0000000000001000
0008
0
0000000000000000
0000
-0.5
1111111111111000
FFF8
-10.125
1111111101011110
FF5E
-25.0625
1111111001101111
FE6F
-55
1111110010010000
FC90
3.1.7DS18B20的内存结构图
DS18B20的存储器包括SRAM存储器和非易失的EEPROM存储器，EEPROM用于存放触发报警上限值存储器（TH）和触发报警下限存储器（TL）。
当DS18B20在使用过程中并未使用报警功能时，TH和TL可作为普通用途的存储器单元使用。
DS18B20的存储组织结构如表3.5所示。
表3.5DS18B20内部存储器组织结构图
便笺存储器（期间上电默认值）
EEPROM存储器
0
温度数字量低位字节（50H）
无
1
温度数字量高位字节（05H）
2
TH/用户寄存器字节1
TH/用户寄存器字节1
3
TL/用户寄存器字节2
TL/用户寄存器字节2
4
配置寄存器
配置寄存器
5
保留（FFH）
无
6
保留（0CH）
7
保留（10H）
8
CRC
3.1.9DS18B20的工作时序
主机使用时间隙来读写DS18B20的数据位和写命令字的位。
a）初始化
主机总线T0时刻发送复位脉冲（最短为480us的低电平信号），接着在T1时刻释放总线并进入接受状态，DS18B20再检验到总线的上升沿之后，等待15us～60us，接着在T2时刻发出存在脉冲（60us～240us），如图3.3所示。
图3.3DS18B20初始化时序图
b）写时间隙
当主机总线在T0时刻从高拉至低电平时，就产生写时间隙，如图3-5（a,b），从T0时刻开始15us之内应将所需写的位送到总线上，DS18B20在T0后15us～60us间对总线采样。
若为低电平，则写入的是0，如图3.4；若为高电平，则写入的位是1，见图3.5。
连续写2位时间间隙应大于1us。
图3.4写时间隙
c）读时间隙
如图3.5，总线T0时刻从高拉至低电平时，总线只需保持低电平1us。
之后在T1时刻将总线拉高，产生读时间隙，读时间隙在T1时刻和T2时刻前有效。
T2距T0为15us，也就是说，T2时刻前主机必需完成读位，并在T0后的60us～120us内释放总线。
图3.5读时序
3.1.10DS18B20与单片机的硬件接口
因为DS18B20是单线接口器件，因此它与单片机硬件接口十分简单，只需占用单片机的一个双向的I/O口，其接口电路见图3.6。
在此采用外部电源供电，占用89S52的P1.0口。
图3.6单片机接口电路
3.1.11DS18B20使用中注意事项
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
a）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。
b）在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。
当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
c）连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。
试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m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，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。
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DS1820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。
d）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
3.2MCS-51系列单片机简介
3.2.1MCS-51系列单片机
MCS-51系列单片机研制于1980年，由Intel公司所开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，其ROM、RAM都可扩充至64KB，也增添了如乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（CJNE）、栈入（PUSH）、栈出（POP）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。
8052有6个中断源。
MCS-51系列单片机特点如下：
（1）专为控制应用所设计的八位CPU；
（2）具有布尔代数的运算能力；（3）32条双项且可被独立寻址的I\O口；（4）芯片内有128字节可供存储数据的RAM（8052：
256字节）；（5）内部有两组16位定时器（8052有3个）；（6）具有全多工传输信号UART；（7）5个中断源，且具有两级（高／低）优先权顺序的中断结构；（8）芯片内有4KB（8KB/8052）的程序存储器（ROM）；（9）芯片内有时钟（CLOCK）振荡器电路；（10）程序存储器可扩展至64KB（ROM）；（11）数据存储器可扩展至64KB（RAM）。
3.2.2MCS-51系列单片机引脚介绍
a）时钟电路引脚MCS－51单片机的时钟可以由内部方式和外部方式产生，XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）即为单片机的两个时钟引脚。
1）内时钟引脚8052单片机片内有振荡电路，只需在XTAL1和XTAL2间外接石英晶体和电容组成的并联振荡电路（晶振器），晶体可以在固有频率1.2～12MHz的晶振器之间任选晶体，电容可以在20～60pF的电容之间任选，通常选择30pF的瓷片电容。
在单片机控制的数字显示温度计电路设计的这个部分，就是采用内时钟引脚，其中晶振器为6MHz，两个电容均为30pF。
2）外时钟方式，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。
由于XTAL2端的电平不是TTL电平，故接一个上拉电阻。
外部振荡器的频率应低于12MHz。
b）制信号引脚,包括RST/Vpd、ALE/PROG非、PSEN非、EA非／Vpp。
下面分别对其进行介绍：
1）RST/Vpd（9脚）：
复位信号／备用电源引脚当输入的复位信号延续２个机器周期以上，高电平即为有效，用以完成单片机的复位操作。
复位后影响片内特殊功能寄存器的状态，但不影响片内RAM状态。
同一引脚的Ｖpd是备用电源输入端（Vpd接＋5V备用电源）。
在Vcc断电时，为保证RAM中的信息不丢失，可使此引脚完成掉电保护功能。
2）ALE/PROG非（30脚）；地址锁存允许信号／编程脉冲输入端在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。
此外由于ALE是以1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外边时钟或外部定时脉冲使用。
对片内带有４kbyteEPROM的8751编写固化程序时，PROG非作为编程脉冲输入端。
3）PSEN非（29引脚）：
外边程序存储器读选通信号为低电平有效，8051在访问片外程序存储器时，此引脚端输出负脉冲作为读片外程序存储器的选通信号，以实现外部ROM单元的读操作。
要检查8051上电平后CPU能否正常到程序存储器中读取指令码，可以用示波器观察引脚PSEN非有无脉冲输出，若有说明正常。
4）EA非／Vpp（31脚）：
内部和外部程序存储器选择信号当引脚接高电平时，CPU只访问片内4kbyte的EPROM/ROM，执行内部程序存储器中的指令，但在程序计数器计数超过OFFFH时（即地址大于4kbyte时），将自动转向执行片外大于4kbyte程序存储器内的程序。
若EA非引脚接低电平时，CPU只访问外部程序存储器，而不管片内是否有程序存储器。
对于8031单片机（片内无ROM）需外扩EPROM，故必须将EA非引脚接地。
在对EPROM编写固化程序时，需对此引脚施加21V的编程电压。
c）I/O（输入/输出）接口引脚
1）并行I/O接口的特点MCS-51有4个8位并行I/O接口P0～P3，他们都是双向端口，可以进行输入或者输出操作，每个口都有口锁存器和口驱动器两部分组成。
此外，它还有一个全双工串行通信口。
这4个端口为MCS-51与外围器件或外围设备进行信息（数据、地址、控制信号）交换提供了多功能的输入/输出通道，也为MCS-51扩展外部功能、构成应用系统提供了必要的条件。
它们的特点如下：
a、4个并行I/O接口都是双向的。
P0口为漏极开路，P1、P2、P3口均具有内部上拉电阻，它们有时被称为准双向口。
b、4个并行口的32条I/O接口线都可以独立地用于输入或输出操作。
c、当4个并行口的I/O接口线有作输入操作时，必须对该口的锁存器进行写1操作，以保证从I/O接口线输入数据的正确性，这也是4个并行接口有时被称为“准”双向的含义。
2）I/O接口电路功能汇总MCS-51单片机内部属单总线结构，因此使系统在结构上增加了灵活性。
通过总线，用户可根据应用需要进行多功能的系统扩展，构成用户的实际应用系统。
MCS-51系列中的8031单片机，因其内部在结构上无程序存储器，所以它的应用系统必定为一个扩展的系统。
因此，MCS-51的4个并行I/O接口中的P0、P1、P2、P3口基本上都具备有这两项功能：
a、P0口：
P0口是一个多功能口除可以作为通用的输入/输出口外，还具备用于系统扩展的第二功能。
在MCS-51的进行系统扩展时，它作为地址/数据总线口。
通过外接地址锁存器，MCS-51的内部单总线可从P0口被扩展成8位的数据总线和16位地址总线的低8位。
在实际应用中，P0口先送出外部存储器16位地址中的低8位至地址锁存器锁存，然后再由P0口进行8位数据的输入或输出；b、P1口：
P1口作为通用I/O接口，它的每一位都可以别编程为通用I/O接口线；c、P2口：
P2口也是一个多功能口，与P0口相似，它除可被用作I/O接口外，在进行系统扩展时，还可以输16位地址总线中的高8位，和P0口共同构成16位的地址总线。
当然，在P0口和P2口用作地址/数据总线时，它们都不能再作为通用I/O接口；d、P3口：
P3口也是一个多功能口，除可以作为通用I/O接口外，还具有多种控制功能，为通用I/O接口时和MCS-51其他具有控制功能的输入/输出引线在一起，共同形成MCS-51的控制总线。
P3口在作为第二功能（控制功能）使用时，它的每一位功能定义如表3.6所示。
表3.6P3口各引脚定义
口线
第二功能
信号名称
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2
INT0
外部数据0申请
P3.3
INT1
外部数据1申请
P3.4
T0
定时器/计数器0输入
P3.5
T1
定时器/计数器1输入
P3.6
WR
外部RAM写选通
P3.7
RD
外部RAM读选通
一个信号引脚，既是第一功能又是第二功能，在使用时也不会引起混乱和造成错误，理由如下：
a、对于各种型号的芯片，其功能的第一功能信号是相同的，所不同的只在引脚的的第二功能信号上；b、对于9、30和31各个引脚，由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号，因此不会发生使用上的矛盾；c、P3口线的情况却有所不同，它的第二功能信号都是单片机的重要控制信号。
因此在实际使用时，总是先按需要优先选用它的二功能，剩下不用的才作为口线使用。
d）MCS-51单片机的复位方式和复位电路
1）复位操作:
复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。
a、复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响，例如把ALE和PSEN非信号变为无效状态，即ALE=0，PSEN=1；b、复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间持续24个振荡脉冲周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
整个复位电路包括芯片内外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5时刻对施密特触发器的输出进行采样。
然后才得到内部复位操作所需要的信号。
3.3显示温度值的LED显示器接口简介
LED显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。
它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应一个笔画划发光，控制某段发光二极管导通，就能显示出某个数码或字符。
在静态显示系统中，每位显示器都应有各自的锁存器、译码器（若采用软件译码，译码器可省去）与驱动器，用以锁存各自待显示数字的BCD码或字段码。
因此，静态显示系统在每一次显示输出后能够保持显示不变，仅在待显示数字需要改变时，才更新其数字显示锁存器中的内容。
这种显示占用CPU的时间少，显
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