冷庫數(shù)字壓力計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　前 言</b></p><p>　　單片機在電子產品中的應用已經越來越廣泛，在很多的電子產品中也用到了壓力檢測和壓力控制。隨著壓力控制器應用范圍的日益廣泛和多樣性，各種適用于不同場合的智能壓力控制器應運而生。數(shù)字壓力計的出現(xiàn)，給人類的生活帶來了很多方便，使人類不管是在生活還是在工業(yè)方面都有了很多便利之處。但是數(shù)字壓力計主要應用還是在生產過程、實驗室及研究所。數(shù)

2、字壓力計本身可由電源提供電壓，用數(shù)字壓力傳感器檢測壓力，因此數(shù)字壓力計屬于壓力系統(tǒng)。控制理論從經典理論、現(xiàn)代理論已經發(fā)展到更先進的控制理論，控制系統(tǒng)也由簡單的控制系統(tǒng)、大系統(tǒng)發(fā)展到今天的復雜系統(tǒng)。本文討論的數(shù)字壓力計壓力控制系統(tǒng) 89C51單片機提取PCF8591轉化成壓力變化通過單片機內部A/D轉化電路轉化成數(shù)值并由數(shù)字顯示電路顯示出來。</p><p>　　在我們日常生活及各種生產中，經常要用到壓力的檢測及控

3、制，傳統(tǒng)的測壓元件有電阻應變片等。而電阻應變片測出的一般都是電壓，再轉換成對應的壓力，需要比較多的外部硬件支持。其缺點如下：</p><p>　　1． 硬件電路復雜；</p><p>　　2． 軟件調試復雜；</p><p><b>　　3． 制作成本高。</b></p><p>　　而傳統(tǒng)的壓力計也有反應速度慢、讀數(shù)麻

4、煩、測量精度不高、誤差大等缺點而下面利用集成溫度傳感器PCF8591設計并制作了一款基于 89C51的4位數(shù)碼管顯示的數(shù)字溫度計，其電路簡單，軟硬件結構模塊化，易于實現(xiàn)。其中壓力傳感器PCF8591，它集壓力測量、A／D轉換于一體 ，PCF8591是一款具有I2C總線結構的器件。 </p><p>　　由PCF8591組建的壓力測量單元體積小，便于攜帶、安裝。同時，PCF8591的輸出為數(shù)字量，可以直接與單片機連

5、接，無需后級A／D轉換，控制簡單。</p><p>　　第一章 總體設計方案</p><p>　　1.1 系統(tǒng)的設計原則 </p><p>　　一般系統(tǒng)的設計原則包含安全性（穩(wěn)定抗干擾性），操作的便利性（人性化），實時性，通用性和經濟性。</p><p><b>　?。?）安全可靠 </b></p>&

6、lt;p>　　首先要選用高性能的 89C51單片機，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運行。其次是設計可靠的控制方案，并具有各種安全保護措施，如報警、事故預測、事故處理和不間斷電源等。</p><p><b>　?。?）操作維護方便</b></p><p>　　操作方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象和便于掌握且不強求操作工要掌握計算機知識才能操作。</p>&

7、lt;p><b>　　（3）實時性強</b></p><p>　　選用高性能的 89C51單片機的實時性，表現(xiàn)在內部和外部事件能及時地響應，并做出相應的處理。</p><p><b>　?。?）通用性好 </b></p><p>　　系統(tǒng)設計時應考慮能適應不同的設備和各種不同設備和各種不同控制對象，并采用積木式結構，

8、按照控制要求靈活構成系統(tǒng)。主要表現(xiàn)在兩個方面：一是硬件板設計采用標準總線結構（如PC總線），配置各種通用的模板，以便擴充功能時，只需增加功能模板就能實現(xiàn)；二是軟件功能模塊或控制算法采用標準模塊結構，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需各種功能模塊，靈活地進行控制系統(tǒng)組態(tài)。</p><p><b>　?。?）經濟效益高 </b></p><p>　　1.2 系統(tǒng)的設計步驟

9、</p><p>　?。?）系統(tǒng)總體方案設計、</p><p>　?。?）方案論證評審 </p><p>　　硬件和軟件的分別細化設計 </p><p>　　硬件和軟件的分別調試 </p><p><b>　　系統(tǒng)的組裝 </b></p><p>　　（3）離線仿真和調試階

10、段 </p><p>　　1.3 系體的總體方案設計和框圖設計</p><p>　　（1）系統(tǒng)的主要功能、技術指標、原理性方框及文字說明。</p><p>　?。?）系統(tǒng)的硬件結構幾配置，主要軟件的功能、結構框圖。</p><p>　　（3）保證性能指標要求的技術措施。</p><p>　　（4）抗干擾性和可靠性設

11、計。</p><p><b>　?。?）工藝要求</b></p><p><b>　　壓力數(shù)碼管顯示。</b></p><p>　　調節(jié)壓力的超調量小于30%。 </p><p>　　供電電壓：交流5Ｖ。 </p><p>　　方案一：考慮到用壓力傳感器，在單片機電路

12、設計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以使用電阻應變片之類的器件利用其感壓力效應，感壓力電路比較麻煩，進行A/D轉換，才可以滿足設計要求。</p><p>　　方案二：由于本設計是測壓力電路，首先要選用高性能的AT89C51單片機，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運行。單片機AT89C51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設計需要，很適合便攜手持式產品的設計使用系

13、統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。測溫傳感器使用二極管結電壓變化的數(shù)值來轉化成溫度的變化，在將隨被測溫度變化的S電壓或電流采集過來，進行A/D轉換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來。</p><p>　　從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設計也比較簡單，故采用了方案二。</p><p>　　考慮到方案中制作數(shù)字溫度計，在單片機電路設計中，大多

14、都是使用傳感器，這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉換，就可以滿足設計要求。</p><p>　　溫度計電路設計總體設計方框圖如圖1所示，控制器采用單片機AT89C51，壓力傳感器采用PCF8591，用4位LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)壓力顯示。</p><p>　　圖1.1　 總體設計方框圖</p>&

15、lt;p><b>　　第二章 硬件設計</b></p><p><b>　　2.1主要器件說明</b></p><p>　　2.1.1 主控制器 </p><p>　　單片機AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設計需要，很適合便攜手持式產品的設計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供

16、電。如圖2.1所示。</p><p>　　（1）主要特性：·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128*8位內部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源 ·可編程串行通道·低功耗的

17、閑置和掉電模式·片內振蕩器和時鐘電路 </p><p>　?。?）管腳說明：     VCC：供電電壓。     GND：接地。     P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)

18、據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。     P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口

19、作為第八位地址接收。      P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它</p>

20、<p>　　EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　2.1

21、.2 LED顯示器概述</p><p>　　LED是Light Emiting Diode (發(fā)光二極管)的縮寫，發(fā)光二極管是能將電信號轉換成光信號的電致發(fā)光器件。由條形發(fā)光二極管組成“8”字形的LED顯示器，也稱數(shù)碼管。</p><p>　　通過數(shù)碼管中的發(fā)光二極管的亮暗組合，可以顯示多組數(shù)字、字母以及其他符號。</p><p>　　數(shù)碼管能夠被廣泛應用與其具有的

22、許多特點是分布開的，其中包括：</p><p>　　發(fā)光響應快，亮度強，高頻特性好；而且隨著材料的不同，數(shù)碼管還能發(fā)出紅、黃、綠、藍、橙等多種顏色。</p><p>　　機械性能好，體積小，重量輕，價格低廉；能與ＣＯＭＳ和ＴＴＬ電路配合使用；使用壽命長。</p><p>　　工作電壓低，驅動電流適中。每段工作電流為５－１ＭＡ，一只數(shù)碼管的７段ＬＥＤ全亮需要電流為３５

23、－７０ＭＡ。這樣大的電流需要由驅動電路來提供，因此，使用時要注意數(shù)碼管的驅動問題。</p><p>　　在使用中，為了給發(fā)光二極管加驅動電壓，它們應有一個公共引腳，公共引腳共有如下兩種接法：</p><p>　　共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構成陰極公共引腳，使用時陰極公共陰極接地，這樣陽極上加高電平的發(fā)光二極管就導通點亮，而加低電平則不亮。</p><p>

24、;　　共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構成陽極公共引腳，使用時陽極公共陽極接＋５Ｖ，這樣陰極上加低電平的發(fā)光二極管就導通點亮，而加高電平則不亮。</p><p><b>　?。蹋牛摹★@示器原理</b></p><p><b>　　段碼</b></p><p>　　所謂段碼就是為數(shù)碼管顯示提供的各段狀態(tài)組合，即字形代碼

25、。７段數(shù)碼管的段碼為７位，８段數(shù)碼管的段碼為８位，用一個半字節(jié)即可表示。在段碼字節(jié)中代碼位與發(fā)光二極管的對應關系如下：</p><p>　　段碼的值與數(shù)碼管的公共引腳的接法有關。以8段數(shù)碼管為例，顯示十六進制的段碼值如下表所示。</p><p><b>　　十六進制數(shù)段碼表</b></p><p>　　2. LED 顯示器動態(tài)顯示方式</

26、p><p>　　并排使用的多位數(shù)碼管稱為LED顯示器。LED顯示器多采用動態(tài)顯示方式，全部數(shù)碼管共用一套段碼驅動電路，各位數(shù)碼管的同段引腳短接后再接到對應段碼的驅動線上。顯示時通過位控信號采用掃描的方法逐位的循環(huán)點亮各位數(shù)碼管。動態(tài)顯示雖然在任一時刻只有一位數(shù)碼管被點亮，但是由于人眼的具有的視覺殘留效應，看起來與全部數(shù)碼管持續(xù)點亮的效果完全一樣。動態(tài)顯示如下圖所示。</p><p><b

27、>　　LED 顯示器接口</b></p><p>　　為了實現(xiàn)LED顯示器的動態(tài)顯示，需要給數(shù)碼管提供段碼和位碼，因此，要用到接口芯片的兩個數(shù)據(jù)口，一個用于輸出8位段碼（帶小數(shù)點顯示），另一個用于輸出位碼，位碼的位數(shù)等于數(shù)碼管的個數(shù)。</p><p>　　8255 實現(xiàn)LED顯示器接口</p><p>　　是使用8255作6位的LED顯示器的接口電

28、路。其中PC口為位碼輸出口，以PC5-PC0 輸出位控線。由于位控線的驅動電流較大，因此，PC口輸出加接74LS06進行反相并提高驅動能力。PA口為段碼輸出口，各段碼線的負載電流約為8MA，為提高顯示亮度，加接74LS244進行段控輸出驅動。</p><p>　　使用8255作LED顯示器接口，8255只能輸出顯示段碼而不具有控制功能，動態(tài)控制要靠程序實現(xiàn)。對此有以下兩點說明。</p><p&

29、gt;　　為了存放段碼，通常要在80C51的內部ＲＡＭ中設置一個顯示緩沖區(qū)，存儲單元個數(shù)與ＬＥＤ顯示器的位數(shù)相同，一個單元對應一個顯示位。例如本例中有６個數(shù)碼管，顯示緩沖區(qū)就應該有６個單元，假定存儲單元地址為７９Ｈ－７ＥＨ，與LED顯示位的對應關系為：</p><p>　　假設動態(tài)顯示是從右向左進行的，則緩沖區(qū)的首地址為79H。每顯示一位，就到對應的單元讀取段碼。</p><p>　　2.

30、 為了保證顯示亮度，在掃描過程中，應在每一位數(shù)碼管上都駐留一段時間（約1MS）以使數(shù)碼管穩(wěn)定的點亮一段時間，以保證其顯示亮度。為此在掃描過程中，位與位之間要加進一段時間延遲。</p><p>　　顯示電路采用3位共陽LED數(shù)碼管，利用動態(tài)掃描方式，從P0口輸出段碼，P2口的P2.5、P2.6、P2.7輸出位碼。</p><p>　　（1）LED數(shù)碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的

31、正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數(shù)點）而作為一個引腳，為共陽管。如下圖2.2、2.3所示：</p><p>　　圖2.2 圖2.3</p><p>　　A/D和D/A轉換器具 PCF8591</p><p><b>　　1.特性</b><

32、/p><p><b>　　【1】單獨供電 </b></p><p>　　【2】PCF8591的操作電壓范圍2.5V-6V </p><p><b>　　【3】低待機電流 </b></p><p>　　【4】通過I2C總線串行輸入/輸出 </p><p>　　【5】PCF8591通

33、過3個硬件地址引腳尋址 </p><p>　　【6】PCF8591的采樣率由I2C總線速率決定 </p><p>　　【7】4個模擬輸入可編程為單端型或差分輸入 </p><p>　　【8】自動增量頻道選擇 </p><p>　　【9】PCF8591的模擬電壓范圍從VSS到VDD </p><p>　　【10】PCF8

34、591內置跟蹤保持電路 </p><p>　　【11】8-bit逐次逼近A/D轉換器 </p><p>　　【12】通過1路模擬輸出實現(xiàn)DAC增益 </p><p><b>　　2、應用</b></p><p><b>　　. 閉環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　. 用

35、于遠程數(shù)據(jù)采集的低功耗轉換器</p><p><b>　　. 電池供電設備</b></p><p>　　. 在汽車、音響和TV應用方面的模擬數(shù)據(jù)采集</p><p><b>　　3、概述</b></p><p>　　PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。P

36、CF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0, A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。 </p><p><b>　　4. 命令信息</b></p><p&g

37、t;<b>　　5內部框圖</b></p><p><b>　　內部框圖</b></p><p><b>　　6. 引腳</b></p><p>　　PCF8591引腳圖</p><p><b>　　7、功能描述</b></p><p&

38、gt;<b>　　7. 1地址</b></p><p>　　I2C總線系統(tǒng)中的每一片PCF8591通過發(fā)送有效地址到該器件來激活，該地址包括固定部分和可編程部分?？删幊滩糠直仨毟鶕?jù)地址引腳A0. A1和A2來設置。在I2C總線協(xié)議中地址必須是起始條件作為第一個字節(jié)發(fā)送。地址字節(jié)的最后一位是用于設置以后數(shù)據(jù)傳輸方向的讀寫位。（見圖3）</p><p><b>

39、　　圖3 地址</b></p><p><b>　　7.2 控制字</b></p><p>　　發(fā)送到PCF8591的第二個字節(jié)將被存儲在控制寄存器，用于控制器件功能，控制寄存器的高半字節(jié)用于容許模擬輸出，和將模擬輸入編程為單端或差分輸入。低半字節(jié)選擇一個由高半字節(jié)定義的模擬輸入通道。如果自動增量（auto-increment）標志置1，每次AD轉換后通道

40、號將自動增加。</p><p>　　如果自動增量（auto-increment）模式是使用內部振蕩器的應用中所需要的，那么控制字節(jié)中模擬輸出容許標志應置1.這要求內部振蕩器持續(xù)運行，因此要防止振蕩器啟動延時的轉換錯誤結果。模擬輸出容許標志可以在其他時候復位以減少靜態(tài)功耗。、</p><p>　　選擇一個不存在的輸入通道將導致分配最高可用的通道號。所以，如果自動增量（auto-increme

41、nt）被置1，下一個被選擇的通道將總是通道0.兩個半字節(jié)的最高有效位（即第7位和第3位）是留給未來的功能，必須設置為邏輯0.控制寄存器的所有位在上電復位后被復位為邏輯0.DA轉換器和振蕩器在節(jié)能時被禁止。模擬輸出被切換到高阻態(tài)。</p><p><b>　　7.3 DA轉換</b></p><p>　　發(fā)送給PCF8591的第三個字節(jié)被存儲到DAC數(shù)據(jù)寄存器，并使用片

42、上DA轉換器轉換成對應的模擬電壓。這個DA轉換器由連接至外部的參考電壓的具有256個接頭的電阻分壓電路和選擇開關組成。接頭譯碼器切換一個接頭至DAC輸出線</p><p>　　模擬輸出電壓由自動清零單位增益放大器緩沖。這個緩沖放大器可通過設置控制寄存器的模擬輸出容許標志來開戶或關閉。在激活狀態(tài)，輸出電壓將保持到新的數(shù)據(jù)字節(jié)被發(fā)送。</p><p><b>　　DAC電阻電路<

43、;/b></p><p>　　片上DA轉換器也可用于逐次逼近AD轉換.為釋放用于AD轉換周期的DAC，單位增益放大器還配備了一個跟蹤和保持電路。在執(zhí)行AD轉換時該電路保持輸出電壓。</p><p><b>　?。罚?AD轉換</b></p><p>　　ＡＤ轉換器采用逐次逼近轉換技術，在ＡＤ轉換周期將臨時使用片上ＤＡ轉換器和高增益比較器

44、。一個ＡＤ轉換周期總是開始于發(fā)送一個有效模式地址給ＰＣＦ８５９１之后，ＡＤ轉換周期在應搭時鐘脈沖的后沿觸發(fā)，所選通道的輸入電壓采樣保存到芯片并被轉換為對應的８位二進制碼。</p><p>　　取自差分輸入的采樣將被轉換為對應的８位二進制碼。轉換結果被保存在ＡＤＣ數(shù)據(jù)寄存器等待傳輸。如果自動增量標志被置１.將選擇下一個通道。</p><p>　　在讀周期傳輸?shù)牡谝粋€字節(jié)包含前一個讀周期的轉換

45、結果代碼。以上電復位之后讀取的第一個字節(jié)是０Ｘ８０，Ｉ２Ｃ總線協(xié)議的讀周期如圖所示。</p><p>　　最高AD轉換速率取決于實際的I2C總線速度。</p><p><b>　　7.5 參考電壓</b></p><p>　　對DA和AD轉換，穩(wěn)定的參考電壓和電源電壓必須提供給電阻分壓電路（引腳ＶＲＥＦ和ＡＧＮＤ）。</p>&l

46、t;p>　　AGND引腳必須連接到系統(tǒng)模擬地，并應該有一個參考VSS的直流偏置。</p><p>　　低頻可應用于VREF和AGND引腳，這容許DA轉換器作為一象限乘法器使用；AD轉換器也可以用作一個或兩個象限的模擬除法。模擬輸入電壓除以參考電壓。其結果是被轉換為二進制碼。在這種應用中，用戶必須保持在轉換周期的參考電壓穩(wěn)定。</p><p><b>　　7.6 振蕩器<

47、;/b></p><p>　　片上振蕩器產生AD轉換周期和刷新自動清零緩沖放大器需要的時鐘信號。在使用這個振蕩器時EXT引腳必須連接到VSS，在OSC引腳振蕩頻率是可用的。</p><p>　　如果EXT引腳被送到VDD，振蕩輸出OSC將切換到高阻態(tài)以容許用戶連接外部時鐘信號至ＯＳＣ</p><p><b>　　8.Ｃ總線的特性</b>&

48、lt;/p><p>　?。桑玻每偩€是不同的ＩＣ或模塊之間的雙向兩線通信。這兩條線是穿行數(shù)據(jù)線（ＳＤＡ）和串行時鐘線（ＳＣＬ）。這兩條線必須通過上拉電路連接至上電源。數(shù)據(jù)傳輸只能在總線不忙時啟動。</p><p><b>　　8.1位傳輸</b></p><p>　　一個數(shù)據(jù)位在每一個時鐘脈沖期間傳輸。SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘脈沖的高電壓期間保持穩(wěn)

49、定，這個數(shù)據(jù)線上的改變將被當作控制信號。</p><p><b>　　位傳輸</b></p><p>　　8 .2 開始或停止條件</p><p>　　數(shù)據(jù)和時鐘線在總線不忙時保持高電平。在時鐘為高電平時，數(shù)據(jù)線上的一個由高到低的變化被定義為開始條件。時鐘為高電平時，數(shù)據(jù)線上的一個由低到高的變化被定義為停止條件。</p><

50、p><b>　　開始和停止條件定義</b></p><p><b>　　8 .3 系統(tǒng)配置</b></p><p>　　產生信息的器件稱作“發(fā)送機”，接收信息的器件稱作“接收機”?？刂菩畔⒌钠骷Q作“主機”,被控制的器件稱作“從機”。</p><p><b>　　系統(tǒng)配置</b></p&g

51、t;<p><b>　　8 .4 應答</b></p><p>　　在開始和停止條件之間從發(fā)送機傳送到接收機的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)是沒有限制的，每個8位數(shù)據(jù)字節(jié)之后緊跟著一個應答位。應答位是由發(fā)送機放在總線的一個高電平，而主機他產生一個額外的與應答有關的時鐘脈沖。地址匹配的從接收機必須在接收每個字節(jié)后產生一個應答。然而主機在接收到每個已經被從發(fā)送機終止的字節(jié)后必須產生一個應答，在應答時鐘

52、脈沖期間，應答的器件必須將SDA線拉低，因此在應答相應的時鐘脈沖的高電平期間，SDA線必須保持穩(wěn)定的低電平。在由從機終止的最后一個字節(jié)，主接收機必須通過產生一個低電平應答向發(fā)送機發(fā)出一個數(shù)據(jù)結束信號，這樣發(fā)送機必須將數(shù)據(jù)線拉高以容許主機產生停止條件。</p><p><b>　　I2C總線應答</b></p><p>　　8 .5 I2C總線協(xié)議</p>

53、<p>　　在開始條件后一個有效的硬件地址必須發(fā)送至PCF8591。讀寫位定義了以后單個或多個字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。開始條件、停止條件和應答位的格式和定時參考I2C總線特性。在寫模式，數(shù)據(jù)傳輸通過發(fā)送下一個數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐Ｖ箺l件或開始條件來結束。</p><p>　　寫模式的總線協(xié)議 DA轉換</p><p>　　讀模式的總線協(xié)議，AD轉換</p><p>　

54、　2.2各部分電路說明</p><p>　　2.2.1單片機控制部分</p><p>　　在本設計中，采用了AT89C51單片機作為本電路的核心電路的設計。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C205

55、1是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p&

56、gt;<b>　　（1）振蕩器特性：</b></p><p>　　XTAL1和XTAL2的反向放大器的輸入和輸出。</p><p>　　該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</

57、p><p>　?。?）單片機芯片的擦除：</p><p>　　整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。</p><p>　　AT89C51的穩(wěn)態(tài)邏輯可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑

58、置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。</p><p>　?。?）單片機的時鐘電路</p><p>　　圖2.12片內振蕩電路的時鐘電路</p><p>　　AT89C1單片機內部的振蕩電路是一個高增益反向放大器，引線XTAL1和XTAL

59、2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機內部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。AT89C51的時鐘產生方式有兩種：內部時鐘電方式和外部時鐘方式。由于外部時鐘方式用于多片單片機組成的系統(tǒng)中，所以此處選用內部時鐘方式。即利用其內部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件，內部振蕩電路產生自激振蕩。最常用的是在 XTAL1和XTAL2之間接晶體振蕩器與電路構成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖2.13電路所示為單片機最常用的時鐘振

60、蕩電路的接法，其中晶振可選用振蕩頻率為6MHz的石英晶體，電容器一般選擇30PF左右。</p><p>　?。?）單片機的復位電路</p><p>　　本設計中AT89C51是采用上電自動復位和按鍵復位兩種方式。最簡單的復位電路如圖2.13所示。上電瞬間，RC電路充電，RST引線端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機有效地復位。其中R1和R2分別選擇200Ω和1K

61、Ω的電阻，電容器一般選擇22μF。</p><p>　?。?）AT89C51的最小應用系統(tǒng)</p><p>　　AT89C51是片內有程序存儲器的單片機，要構成最小應用系統(tǒng)時只要將單片機接上外部的晶體或時鐘電路和復位電路即可，如圖2.14所示。這樣構成的最小系統(tǒng)簡單可靠，其特點是沒有外部擴展，有可供用戶使用的大量的I∕O線。</p><p>　　圖2.14 AT8

62、9C51單片機構成的最小系</p><p>　　2.2.2傳感器數(shù)據(jù)采集電路</p><p>　　傳感器數(shù)據(jù)采集電路主要指DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路。DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，如圖2.15所示，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖2.15所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B2

63、0時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時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。考慮到實際應用中寄生電源供電方式適應能力差且易損壞，此處采用電源供電方式，I/O口接單片機的P2.0口。</p><p>　　圖2.15 電源供電方式<

64、;/p><p>　　2.2.3 顯示電路</p><p>　　顯示電路是采用P0口輸出段碼至LED，P2口控制位選通的動態(tài)掃描顯示方式，三只數(shù)碼管用NPN型三極管驅動，這種顯示方式的最大優(yōu)點是顯示清晰，軟件設計簡單。如圖2.16所示:</p><p>　　圖2.16 顯示電路</p><p><b>　　2.3主板電路</b>

65、;</p><p>　　圖2.17 主板電路</p><p>　　系統(tǒng)整體硬件電路包括傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報警調整電路，單片機主板電路，電源電路等。如圖2.17所示</p><p>　　圖2.17中有四個獨立式按鍵可以分別調整溫度計的上下限報警設置，可以任意調整報警上下限。圖中蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內時，發(fā)出報警鳴叫聲音。LED數(shù)碼

66、管將當前被測溫度值顯示，從而測出被測的溫度值。</p><p>　　圖2.17中的按健復位電路是上電復位加手動復位，使用比較方便，在程序跑飛時，可以手動復位，這樣就不用在重起單片機電源，就可以實現(xiàn)復位。</p><p><b>　　第三章 軟件設計</b></p><p>　　系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉換命令子程序，計算溫

67、度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。 </p><p><b>　　開始</b></p><p>　　溫度比較子程序 </p><p><b>　　是否超出上下限</b></p><p><b>　　返 回

68、</b></p><p>　　圖3.1 主程序流程</p><p><b>　　3.1主程序</b></p><p>　　主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內測量一次被測溫度，其程序流程見圖3.1所示。</p><p>

69、　　3.2讀出溫度子程序</p><p>　　讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖3.2所示</p><p>　　圖3.2 讀出溫度子程序流程</p><p>　　3.3溫度轉換命令子程序 </p><p>　　溫度轉換命令子程序主要是發(fā)溫度轉換開始命令，

70、當采用12位分辨率時轉換時間約為750ms，在本程序設計中采用1s顯示程序延時法等待轉換的完成。溫度轉換命令子程序流程圖，如圖3.3所示</p><p>　　圖3.3 溫度轉換流程圖</p><p>　　3.4計算溫度子程序</p><p>　　計算溫度子程序將RAM中讀取值進行BCD碼的轉換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖3.4所示。</p&

71、gt;<p>　　圖3.4　 計算溫度流程圖 </p><p>　　3.5 溫度數(shù)據(jù)顯示子程序</p><p>　　顯示數(shù)據(jù)子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進行刷新操作，查表送段碼至LED，開位碼顯示，采用動態(tài)掃描方式。</p><p>　　第四章 實物制作與調試說明</p><p>　　4.1原材料的選擇與采購</

72、p><p>　　本次設計在原材料的選擇與采購上做到了設計最優(yōu)化,即用最小的開支,獲得性價比較高的元器件和材料。</p><p>　　設計中，印刷電路板采用單面板，給人看起來沒有太復雜的感覺。選元器件時，盡量選擇能使電路簡化的器件。例如，為了不增大電路板的體積及減小功耗，本設計采用ATMEL公司的89S51單片機，體積小，工作電壓低。</p><p>　　4.2印刷電路板

73、的設計與制作</p><p>　　電路板的設計與制作是整個電路制作過程中比較重要的一步，如果電路板做不好，再好的電路設計也不行。下面就對簡單電路板的設計及制作過程做一個簡單的介紹。</p><p>　　1、利用Protel 99SE畫原理圖。在畫原理圖的時候為了電路板比較好看，要注意布局，同時還得注意元件封裝，命名等。畫好原理圖后要對其進行電氣檢測，檢查原理圖是否有錯，同時還要創(chuàng)建網絡表為

74、下一步的工作做好準備。</p><p>　　2、PCB版圖的設計。在對PCB圖設計時首先要添加封裝庫，這樣原理圖中給予的封裝才能有效，然后調入網絡表看原理圖的封裝，命名等是否有錯，如果沒錯便可進行下一步操作。對其進行布線，首先先對布線規(guī)則作一些必要的設置，如焊盤的大小，導線的粗細等。做好這些設置后便可進行自動布線，自動布線后如果布線不是很理想還可用手動布線進行手動修改，這樣PCB圖就畫好了。</p>

75、<p>　　3、電路板的制作。把設計布局好的PCB圖打印出來之后，然后進行壓板、腐蝕、鉆孔。注意，腐蝕之前要檢查是否有斷線及焊盤的脫落等。</p><p>　　4、元件的焊接。元件焊接的時候要先查看跳線，首先焊接所有的跳線，其次再焊接分離元件，最后焊接集成塊和外接的引線。當然為了美觀在布線中最好不要出現(xiàn)跳線。</p><p>　　5、整體檢查。查看是否有斷線和虛焊等。</

76、p><p><b>　　6、燒錄程序</b></p><p><b>　　4.3 單片機測試</b></p><p>　　判斷單片機芯片及時鐘系統(tǒng)是否正常工作有一個簡單的辦法，就是用萬用表測量單片機晶振引腳（18、19腳）的對地電壓，以正常工作的單片機用數(shù)字萬用表測量為例：18腳對地約2.24V，19腳對地約2.09V。對于懷

77、疑是復位電路故障而不能正常工作的單片機也可以采用模擬復位的方法來判斷，單片機正常工作時第9腳對地電壓為零，可以用導線短時間和＋5V連接一下，模擬一下上電復位，如果單片機能正常工作了，說明這個復位電路有問題。</p><p>　　4.4 硬件及軟件調試</p><p>　　硬件調試，第一步是目測，在印好電路板之后，先檢查印制線是否有斷線、是否有毛刺、是否與其它線或焊盤粘連、焊盤是否有脫落、過

78、孔是否有未金屬化現(xiàn)象。而在目測的過程中，我們發(fā)現(xiàn)有一條印制線斷開，因此我們用焊錫使這條斷線連在一起。第二步是用萬用表測量。在目測完之后，利用萬用表來測量連線和接點，檢查它們的通斷狀態(tài)是否和設計一樣。再檢查各種電源線和地線是否有短路現(xiàn)象，在檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)不管是連線還是接點都符合設計規(guī)定，電源和地線也沒有短路現(xiàn)象。第三步是加電檢查。給印制板加電時，我們檢查到的器件的電源端符合要求的電壓值+5V，同時接地端的電壓為0。第四步是聯(lián)機檢查。利

79、用系統(tǒng)和單片機開發(fā)系統(tǒng)用仿真電纜連接起來，發(fā)現(xiàn)聯(lián)機檢查完后以上是連接都正確、暢通、可靠。</p><p>　　軟件調試，第一步是在具有匯編軟件的主機上和用戶系統(tǒng)連接起來，進行調試準備。第二步是單步運行。第三步是系統(tǒng)連調，即進行軟件和硬件聯(lián)合調試。經調試，軟件運行良好。</p><p>　　4.5整機的調試與測試</p><p>　　首先是測試顯示電路的正確性，根據(jù)硬

80、件寫好一段顯示程序，寫入單片機中。安裝好硬件，上電，顯示正常，達到預期效果。證明顯示電路正常。按下復位按鍵，LED無顯示，松開，顯示正常，證明復位電路正常。</p><p>　　然后測試得到溫度程序，將初始化程序，DS18B20正常工作的初始化程序、寫DS18B20程序、讀DS18B20程序，得到溫度子程序，溫度轉換子程序，數(shù)據(jù)轉換子程序，顯示子程序正確編排后寫入單片機中，上電，顯示不正常。重新讀取源程序，經檢查

81、后發(fā)現(xiàn)問題在于DS18B20初始化程序有錯，修改后重新編譯并寫入單片機。上電后，顯示當前溫度。證明溫度傳感器DS18B20工作正常，各部分子程序運行正常。</p><p>　　最后是按鍵子程序及報警子程序的調試，將按鍵子程序及報警子程序及上述程序正確編排后，寫入單片機中，上電后，各個部分工作正常，在測得當前溫度超出設定溫度上下限后，蜂鳴器發(fā)出報警聲，調試基本成功。但后來發(fā)現(xiàn)，按鍵要在按下1S后才反應，再次研讀程序

82、發(fā)現(xiàn)原因在于按鍵程序采用掃描方式，程序每執(zhí)行一遍才掃描按鍵一次。進而到考慮采用中斷方式解決此問題，但因為DS18B20正常工作有嚴格的時序限制，否則不能正常工作，而中斷則在很大可能上會影響到DS18B20正常工作。在嘗試并采用中斷方式卻失敗后，決定仍采用掃描方式。后來仔細排查發(fā)現(xiàn)按鍵反應遲緩是由于顯示程序占用時間過長造成的，修改顯示程序并且在主程序和按鍵子程序中增加調用顯示程序的次數(shù)，問題得以解決。至此，此次設計的調試部分完成。設計的所

83、有功能全部得以實現(xiàn)。</p><p><b>　　第五章 使用說明書</b></p><p>　　本電路額定工作直流電壓為+5V，有極性判別保護功能，采用7805集成穩(wěn)壓芯片以保證電路的供電穩(wěn)定，用戶輸入電源在7-25V均可正常工作。</p><p>　　電路中有五個按鍵，從左到右依次為S1、S2、S3、S4、RESET，介紹如下：</p

84、><p>　　S1為溫度上下限設置狀態(tài)的退出或確定按鍵</p><p>　　S2為設置溫度上下限的+鍵，每按下一次上下限值加一</p><p>　　S3為設置溫度上下限的-鍵，每按下一次上下限值減一</p><p>　　S4為設置溫度上下限設置狀態(tài)進入按鍵，第一次按下進入低限設置，按下S4后，再次按下S1進入高限設置。</p>&l

85、t;p>　　RESET為復位按鍵</p><p>　　使用方法及報警電路說明：</p><p>　　接通電源，紅色指示燈亮，表明電源正常。此時數(shù)碼管應顯示初值025，由于顯示時間稍短，一閃即過。接下來顯示當前溫度，若不顯示則說明硬件有問題，此時蜂鳴器將報警，綠色指示燈也會點亮。硬件正常，LED就會顯示當前溫度。若此時檢測到當前環(huán)境溫度不在原來設定的上下限范圍之內，蜂鳴器也將報警同是綠

86、燈點亮。直到采取措施改變環(huán)境溫度在上下限范圍內或調整溫度上下限。</p><p><b>　　第六章 參考文獻</b></p><p>　　[1]陳權昌，李興富·單片機原理與應用·華南理工大學出版社，2007年</p><p>　　[2]陳明.protel 99se原理圖與pcb設計教程.北京：機械工業(yè)出版社，2006<

87、;/p><p>　　[3]閻石.數(shù)字電子技術基礎（第四版）. 北京：高等教育出版社，1997</p><p>　　[4]王恩榮.MCS-51單片機應用技術.北京：化學工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[5]黃河.郭紀林.單片機原理及應用.大連：大連理工大學出版社，2006</p><p>　　[6]周貴連. 電子技術基礎. 機械工業(yè)出版社

88、，2005</p><p>　　[7]孫萍·電子技術專業(yè)英語·機械工業(yè)出版社，2001年6月</p><p>　　[8]李廣弟. 單片機基礎. 北京：北京航空航天大學出版社，1994</p><p>　　[9]閻石. 數(shù)字電子技術基礎. 北京：高等教育出版社，1989</p><p>　　[10]欒桂冬·傳感器及

89、其應用·西安電子科技大學出版社，2003</p><p>　　[11]周荷琴，吳秀清，微型計算機原理與接口技術。合肥，中國科學技術大學出版社，2004.</p><p>　　[12]范立南，謝子殿.單片機原理及應用教程.北京大學出版社，2006.</p><p>　　[13]沈德金.MCS-51系列單片機接口電路與應用程序實例.：北京航空航天大學.2005