智能儀器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p><b>　　智能儀器原理與設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告</b></p><p><b>　　主要內(nèi)容</b></p><p>　　溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境模擬信號(hào)，其輸出送入AT89C51，單片機(jī)在程序的控制下，將處理過(guò)的數(shù)據(jù)送到移位寄存器74LS

2、164，經(jīng)74LS164輸出后驅(qū)動(dòng)三位數(shù)碼管顯示。當(dāng)被測(cè)溫度高于18℃時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)使降溫電扇以自然風(fēng)的形式旋轉(zhuǎn)，溫度越高轉(zhuǎn)速越快，溫度36℃以上時(shí)風(fēng)扇全速工作，點(diǎn)亮此功能指示燈。</p><p><b>　　基本要求</b></p><p>　?。?）設(shè)計(jì)測(cè)量溫度范圍－55℃~＋125℃的智能測(cè)溫系統(tǒng)，要求數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示測(cè)量溫度，單片機(jī)根據(jù)溫度高低確定風(fēng)扇轉(zhuǎn)

3、速</p><p><b>　?。?）畫(huà)出程序框圖</b></p><p>　?。?）有完整的整機(jī)電路圖（protel繪制）</p><p>　?。?）完成格式正確、內(nèi)容完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　王祁， 智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

4、.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、前言4</b></p><p><b>　　二、系統(tǒng)組成4</b></p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)思路5</b></p>

5、<p>　　2、系統(tǒng)的性能指標(biāo)：5</p><p>　　3、系統(tǒng)的主要功能：5</p><p>　　三、電路組成及工作原理5</p><p>　　1、溫度傳感器功能模塊6</p><p>　　2、AT89C51單片機(jī)8</p><p>　　3、74LS164移位寄存器12</p>&

6、lt;p><b>　　4、晶振電路12</b></p><p><b>　　5、復(fù)位電路13</b></p><p><b>　　6、鍵盤(pán)電路13</b></p><p><b>　　7、顯示電路14</b></p><p><b>

7、;　　8、穩(wěn)壓電路14</b></p><p><b>　　9、顯示電路15</b></p><p>　　10、風(fēng)扇控制電路15</p><p>　　四、課程設(shè)計(jì)心得與體會(huì)16</p><p><b>　　五、參考文獻(xiàn)16</b></p><p>　　六

8、、整機(jī)電路圖17</p><p>　　智能溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　一、前言</b></p><p>　　溫度是一種基本的環(huán)境參數(shù)，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開(kāi)溫度的測(cè)量。因此研究溫度的測(cè)量方法和裝置具有重要意義。測(cè)量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了

9、三個(gè)發(fā)展階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器、智能集成溫度傳感器。目前，國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。本文所介紹的智能溫度測(cè)量系統(tǒng)是基于DS18B20型數(shù)字式溫度傳感器，在89C51單片機(jī)的控制下，對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的裝置。該系統(tǒng)測(cè)量范圍寬、測(cè)量精確度高，該系統(tǒng)可廣泛適用于人民的日常生活和工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溫度測(cè)量。</p><p><b>　

10、　二、系統(tǒng)組成</b></p><p>　　智能溫度測(cè)量系統(tǒng)主要由數(shù)字溫度計(jì)、單片機(jī)控制電路、數(shù)字式溫度顯示電路、風(fēng)扇降溫電路、鍵盤(pán)電路、串口通信電路等六部分組成。系統(tǒng)原理框圖如下：</p><p>　　圖1智能溫度測(cè)量系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　智能溫

11、度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路：用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境模擬信號(hào)，并在其內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送AT89C51單片機(jī)，AT89C51單片機(jī)在程序的控制下，將處理過(guò)的數(shù)據(jù)送到八位串入/并出移位寄存器74LS164，經(jīng)74LS164輸出后驅(qū)動(dòng)三位數(shù)碼管顯示出環(huán)境溫度。當(dāng)被測(cè)溫度高于18℃時(shí)，單片機(jī)P2.3腳發(fā)出信號(hào)PC817光電耦合器使降溫電扇以自然風(fēng)的形式旋轉(zhuǎn)，溫度越高轉(zhuǎn)速越快，溫度36℃以上時(shí)風(fēng)扇全速工作，點(diǎn)亮此功能

12、指示燈。</p><p>　　2、系統(tǒng)的性能指標(biāo)：</p><p>　　溫度測(cè)量范圍：－55℃－＋125℃</p><p>　　溫度測(cè)量精度：±0.5℃</p><p>　　電路板工作溫度：0℃－＋70℃</p><p>　　3、系統(tǒng)的主要功能：</p><p>　?。?） 根據(jù)溫度變

13、化自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速變化量：溫度每變化2℃將改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速并使指示燈向右移動(dòng)一位點(diǎn)亮；溫度低于18℃時(shí)風(fēng)扇不工作， </p><p>　?。?） 風(fēng)扇工作在自然風(fēng)狀態(tài)：風(fēng)速?gòu)男〉酱?，一個(gè)周期約5秒鐘，點(diǎn)亮此功能指示燈。</p><p>　　（3） 風(fēng)扇工作在定時(shí)狀態(tài)：定時(shí)時(shí)間為30分鐘；60分鐘；120分鐘；240分鐘，用四位二進(jìn)制發(fā)光二極管指示燈指示定時(shí)時(shí)間，并且，風(fēng)扇根據(jù)第1條功

14、能工作。</p><p>　?。?） 用十個(gè)發(fā)光二極管模擬指示風(fēng)扇當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)速情況，即十個(gè)全亮則風(fēng)扇全速運(yùn)行，前五個(gè)亮剛風(fēng)扇處于半速運(yùn)行。</p><p>　　三、電路組成及工作原理</p><p>　　智能溫度測(cè)量系統(tǒng)原理圖如圖2所示， </p><p>　　圖2 智能溫度測(cè)量系統(tǒng)原理圖</p><p><b&g

15、t;　　主要元器件：</b></p><p>　　1、溫度傳感器功能模塊</p><p>　　美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線(xiàn)總線(xiàn)”接口的溫度傳感器，使用戶(hù)可輕松地組建溫度傳感器檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新的概念。</p><p>　　DS1820特點(diǎn)如下：</p><p>　　

16、（1）DS1820在與微處理器連接時(shí)僅需要一條傳輸線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)兩者之間的雙向通訊。</p><p>　　（2）DS1820支持多點(diǎn)組網(wǎng)絡(luò)功能，多個(gè)DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)量。 </p><p>　　（3）DS1820在使用中不需要任何外圍元件，其傳感元件及A/D轉(zhuǎn)換電路都集成在一只形如三極管的芯片內(nèi)。</p><p>　?。?）工作電壓+3~

17、+5.5V，溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃, 在-10°C~+85℃時(shí)，精度為±0.5°C；</p><p>　　（5）DS1820可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理，測(cè)量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送。由于每片DS1820含有唯一的串行序列號(hào)，所以在一條總線(xiàn)上可掛接任意多個(gè)DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)懭隓S1820的信息，僅需要一根傳輸線(xiàn)（單總

18、線(xiàn)接口）。讀寫(xiě)及溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線(xiàn)，總線(xiàn)本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無(wú)需額外電源。DS1820提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無(wú)需任何外圍硬件。 </p><p>　　圖3 DS1820的內(nèi)部框圖</p><p>　　圖3所示為DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線(xiàn)接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式RAM），用于

19、存儲(chǔ)用戶(hù)設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL解發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）發(fā)生器等七部分。圖4是DS1820溫度傳感器的封裝圖與引腳接線(xiàn)方式，DS1820引腳及功能及指標(biāo)如下</p><p>　　GND：地；   VDD：電源電壓</p><p>　　I/O：數(shù)據(jù)輸入／輸出腳(單線(xiàn)接口，可作寄生供電)</p><p>　　圖4

20、DS1820封裝圖與接線(xiàn)方式</p><p>　?。?）DS18B20控制方法 </p><p>　　在硬件上，DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是Vcc接外部電源，GND接地，I/O與單片機(jī)的I/O線(xiàn)相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí)UDD、GND接地，I/O接單片機(jī)I/O。無(wú)論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線(xiàn)要接5KΩ左右的上拉電阻。 </p><p

21、>　　CPU對(duì)DS18B20的訪(fǎng)問(wèn)流程是：先對(duì)DS18B20初始化，再進(jìn)行ROM操作命令，最后才能對(duì)存儲(chǔ)器操作，數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。如主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過(guò)程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。程圖所示的步驟它分三步完成：①

22、系統(tǒng)通過(guò)反復(fù)操作，搜索DS1820序列號(hào)；②啟動(dòng)所有在線(xiàn)DS1820做溫度A/D變換；③逐個(gè)讀出在線(xiàn)DS1820變換后的溫度數(shù)據(jù)。</p><p>　　2、AT89C51單片機(jī)</p><p>　　AT89C51是一種4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8

23、位微處理器。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。 </p><p><b>　　1．主要特性： </b></p><p>　　·與MCS-51 兼容 </p><p>　　·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 </p><p>　　壽命：1000寫(xiě)/

24、擦循環(huán)</p><p>　　數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年</p><p>　　·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz</p><p>　　·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定</p><p>　　·128*8位內(nèi)部RAM</p><p>　　·32可編程I/O線(xiàn)</p><p>　　&#

25、183;兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　·5個(gè)中斷源 </b></p><p><b>　　·可編程串行通道</b></p><p>　　·低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　　·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 </p><

26、;p><b>　　2．管腳說(shuō)明：</b></p><p><b>　　VCC：供電電壓。</b></p><p><b>　　GND：接地。</b></p><p>　　P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠

27、用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。</p><p>　　P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)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(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)

28、，P1口作為第八位地址接收。 </p><p>　　P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)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(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)

29、外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。</p><p>　　P

30、3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：</p><p>　　P3.0 RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口）</p><p>　　P3.2 /INT0（外部中斷0）</p><p>　　P3.3 /INT1（外部中斷1）</p><p>　　P3.4 T0（記時(shí)器0外

31、部輸入）</p><p>　　P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）</p><p>　　P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）</p><p>　　P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）</p><p>　　P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要

32、保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。</p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上

33、置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。</p><p>　　/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。</p><p>　　/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期

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

35、;p><b>　　3．振蕩器特性：</b></p><p>　　XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p><

36、;b>　　4．芯片擦除：</b></p><p>　　整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。</p><p>　　此外，AT89C51設(shè)有穩(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

37、置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)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(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 </p><p>　　圖5 AT89C51單片機(jī)引腳</p><p>　　3、74LS164移位寄存器</p><p>　　在單片機(jī)系統(tǒng)中， 如果并行口的IO資源不夠，而串行口又沒(méi)有其他的作用

38、， 那么我們可以用74LS164來(lái)擴(kuò)展并行IO口，節(jié)約單片機(jī)資源。74LS164是一個(gè)串行輸入并行輸出的移位寄存器。并帶有清除端。 </p><p>　　其中; Q0—Q7 并行輸出端 。 A,B串行輸入端。 MR 清除端， 為0時(shí)，輸出清零。 CP 時(shí)鐘輸入端。 </p><p>　　圖6 74LS164 電路原理</p><p><b>　　4、晶振

39、電路</b></p><p>　　AT89C51單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)反向放大器所構(gòu)成的振蕩器，X1和X2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，時(shí)鐘信號(hào)由外部或內(nèi)部產(chǎn)生，在X1和X2引腳上外接定時(shí)元器件，內(nèi)部振蕩電路就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。本系統(tǒng)采用的定時(shí)元器件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率為12MHz，C1、C2的值為33pF電容的大小可起頻率微調(diào)的作用。</p><p&g

40、t;<b>　　圖7晶振電路</b></p><p><b>　　5、復(fù)位電路</b></p><p>　　單片機(jī)具有多種復(fù)位電路，本系統(tǒng)采用電平式開(kāi)關(guān)復(fù)位與上電復(fù)位方式，具體電路如圖8所示。當(dāng)上電時(shí)，C3相當(dāng)于短路，給RST端輸入大于24個(gè)振蕩周期以上的高電平脈沖，使單片機(jī)復(fù)位，在正常工作時(shí)，按下開(kāi)關(guān)使單片機(jī)復(fù)位。</p><

41、;p><b>　　圖8 復(fù)位電路</b></p><p><b>　　6、鍵盤(pán)電路</b></p><p>　　本系統(tǒng)三個(gè)獨(dú)立鍵盤(pán)來(lái)搭建鍵盤(pán)電路。第一個(gè)鍵用來(lái)轉(zhuǎn)換自然風(fēng)；第二個(gè)鍵用來(lái)關(guān)斷風(fēng)扇；第三個(gè)鍵用作定時(shí)開(kāi)關(guān)。鍵盤(pán)電路采用軟件延時(shí)去抖動(dòng)。</p><p><b>　　圖9 鍵盤(pán)電路</b>

42、</p><p><b>　　7、顯示電路</b></p><p>　　顯示電路采用4位的LD-5461AS顯示數(shù)碼管，共陰極接法，前三位顯示當(dāng)前采樣到的溫度，后一位為單位，顯示的溫度范圍為0~99.9℃。</p><p><b>　　8、穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　電源輸入為+12V，經(jīng)

43、LM7805穩(wěn)壓，得+5V電壓，供89C51和74LS164工作。</p><p><b>　　圖10 穩(wěn)壓電路</b></p><p><b>　　9、顯示電路</b></p><p><b>　　圖11 顯示電路</b></p><p><b>　　10、風(fēng)扇