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基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)
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摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們需要對(duì)各中加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。介紹一種基于AT89C51單片機(jī)的一種溫度測(cè)量及報(bào)警電路，該電路采用DS18820作為溫度監(jiān)測(cè)元件，測(cè)量范圍0℃～+100℃，使用LED模塊顯示，能設(shè)置溫度報(bào)警上下限。詳細(xì)給出了軟硬件系統(tǒng)的各部分電路，該電路設(shè)計(jì)新穎、功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)簡單，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。
關(guān)鍵詞：溫度測(cè)量 DS18820 AT89C51單片機(jī) LM016L液晶模塊
近年來單片機(jī)發(fā)展十分迅速，一個(gè)以微機(jī)應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各個(gè)行業(yè)。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，傳統(tǒng)的溫度控制方式，主要缺點(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大，不能滿足高精度，高速度的控制要求。本文將介紹一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字溫度計(jì)，具有體積小、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。
1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
本次設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)、測(cè)溫模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、按鍵模塊、復(fù)位電路和晶振電路構(gòu)成。利用單片機(jī)控制溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)并顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報(bào)警溫度。該系統(tǒng)擴(kuò)展性非常強(qiáng)，它可以在設(shè)計(jì)中加入時(shí)鐘芯片以獲取時(shí)間數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理同時(shí)顯示時(shí)間，并且可以對(duì)某些時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用鍵盤來進(jìn)行調(diào)時(shí)和溫度查詢，獲得的數(shù)據(jù)可以通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信，方便的采集和整理時(shí)間溫度數(shù)據(jù)。
2 關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)的選擇
單片機(jī)AT89C51具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個(gè)端口只需要兩個(gè)口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。
80C51有40個(gè)引腳，4個(gè)8位并行I/O口，1個(gè)全雙工異步串行口，同時(shí)內(nèi)含5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位定nO/計(jì)數(shù)器。80C51的存儲(chǔ)器系統(tǒng)由4K的程序存儲(chǔ)器(掩膜ROM)，和128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(mm)組成。
2.2 溫度傳感器
DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18820是一種新型的“一線器件”，其體積更小、更適用于多種場(chǎng)合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。溫度測(cè)量范圍為-55～+125攝氏度，可編程為9位～12位轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625攝氏度，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出;其工作電源既可以在遠(yuǎn)端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生;多個(gè)DS18820可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18820通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。因此用它來組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。
DS18820可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)DS18820的1腳接地，2腳作為信號(hào)線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖2所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18820時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)MOSFET管來完成對(duì)總線的上拉。當(dāng)DS18820處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間最大為10us。采用寄生電源供電方式時(shí)VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。
2.3 LCD液晶顯示
顯示器是人與機(jī)器溝通的重要界面，本文采用LM016L做為顯示屏。LM016L液晶模塊采用HD44780控制器，HD44780具有簡單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)，閃爍等功能，LM016L與單片機(jī)MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式，HD44780控制器由兩個(gè)8位寄存器，指令寄存器(IR)和數(shù)據(jù)寄存器(DR)忙標(biāo)志(BF)，顯示數(shù)mm(DDmm)，字符發(fā)生器ROMA(cGOROM)字符發(fā)生器mm(CGmm)，地址計(jì)數(shù)器mm(Ac)。IR用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出，DR用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動(dòng)寫入DDmm和CGmm，或者暫存從DDmm和CGmm讀出的數(shù)據(jù)，BF為1時(shí)，液晶模塊處于內(nèi)部模式，不響應(yīng)外部操作指令和接受數(shù)據(jù)，DDTAM用來存儲(chǔ)顯示的字符，能存儲(chǔ)80個(gè)字符碼，CGROM由8位字符碼生成5*7點(diǎn)陣字符160中和5*10點(diǎn)陣字符32種。
如圖3所示，用89C51的P2口作為數(shù)據(jù)線，用P3.2、P3.1、P3.0分別作為LCD的E、R/W、RS。其中E是下降沿觸發(fā)的片選信號(hào)，R/W是讀寫信號(hào)，RS是寄存器選擇信號(hào)本模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：顯示模塊初始化：首先清屏，再設(shè)置接口數(shù)據(jù)位為8位，顯示行數(shù)為1行，字型為5～7點(diǎn)陣，然后設(shè)置為整體顯示，取消光標(biāo)和字體閃爍，最后設(shè)置為正向增量方式且不移位。向LCD的顯示緩沖區(qū)中送字符，程序中采用2個(gè)字符數(shù)組，一個(gè)顯示字符，另一個(gè)顯示電壓數(shù)據(jù)，要顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應(yīng)的數(shù)組中，完成后再統(tǒng)一顯示，首先取一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到LCD的顯示緩沖區(qū)，程序延時(shí)2.5ms,判斷是否夠顯示的個(gè)數(shù)，不夠則地址加一取下一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)。
2.4 串口通訊模塊
80C51內(nèi)部已集成通信接口URT，只需擴(kuò)展一片MAX232芯片將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-232協(xié)議規(guī)定的電平標(biāo)準(zhǔn),MAX232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器，接收器，每個(gè)接收器將EIA/TIA-232-E電平輸入轉(zhuǎn)換為5V TTL/CMOS電平。・每個(gè)驅(qū)動(dòng)器將TTL/CMOS輸入電平轉(zhuǎn)換為EIA/TIA-232-E電平。即EIA接口，就是把5V轉(zhuǎn)換為-8V到*15V電位0V轉(zhuǎn)換為8V到15V再經(jīng)RXD輸出，接收時(shí)由RXD輸入，把-8V到-15V電位轉(zhuǎn)換為5V，8V到15V轉(zhuǎn)換為OV。MAX232的工作電壓只需5V，內(nèi)部有振蕩電路產(chǎn)生正負(fù)9V電位。
3 軟件程序設(shè)計(jì)
從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件(主程序)，它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件(子程序)，它是用來完成各種實(shí)質(zhì)性的功能如測(cè)量、計(jì)算、顯示、通訊等。每一個(gè)執(zhí)行軟件也就是一個(gè)小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能選擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)實(shí)時(shí)性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關(guān)系。主程序流程見圖4。
4 結(jié)論
數(shù)字溫度計(jì)可以在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在一些人不能直接進(jìn)入的場(chǎng)所，利用單片機(jī)控制的數(shù)字溫度計(jì)，可以設(shè)置并方便的控制其中的溫度，當(dāng)溫度超過所要求的溫度時(shí)，可發(fā)生報(bào)警。
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