虚拟示波器丁振宇.docx
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虚拟示波器丁振宇
课设报告
课程名称：
课程设计
课设项目：
基于DS18B20的温湿度巡检仪电路设计
专业班级：
测控技术与仪器0804
姓名：
赵琦学号：
080401107
课设室号：
信息-525课设组号：
07
课设时间：
批阅时间：
指导教师：
成绩：
目录
题目要求………………………………………………02
第一节引言……………………………………………03
1.1系统原理及基本框图……………………………02
1.2设计任务…………………………………………03
1.3设计目的…………………………………………03
第二节硬件设计介绍……………………………………03
2.1单片机简介及STC89C52RC主要性能……………04
2.2DS18B20……………………………………………07
2.3三极管9012………………………………………10
2.4共阴极数码管………………………………………11
2.5晶振…………………………………………………11
第三节软件设计介绍……………………………………12
3.1程序流程图………………………………………12
3.2调试………………………………………………12
3.3实物图……………………………………………13
3.4小结…………………………………………………14
第四节个人心得体会………………………………………14
参考文献……………………………………………………15附1：
元件清单……………………………………………16
附2：
电路设计图…………………………………………16
附3：
源程序………………………………………………17
题目主要研究内容及预期达到的目标：
下载DS18B20的芯片资料
由DS18B20构成的多点温度测量系统
基于AT89C51和DS18B20的最简温度测量系统的设计
基于89C51+DS18B20的智能温控器的研制
设计并画出系统电路图。
撰写设计报告，包括总体框图及总体工作原理说明，各部分电路图及工作原理和元件及参数选择说明，总体程序流程图。
第一节引言
现代生产生活中，温湿度的巡回检测与计算机的结合越来越普遍，特别是在冶金，化工，机械，医疗各类行业中广泛使用。
及时采集其信息，及时发现潜在故障，并采取相应的处理措施，对确保其良好运行状态具有重要意义。
单片机有着体积小，功耗低，功能强，性能价格比高等显著优点，将其用于温度巡回监测系统可大大提高控制质量和自动化水平，具有良好的经济效益和推广价值。
利用单片机对温度进行测控的技术日益得到广泛应用。
如何将温度通过传感器变成电信号，再经过处理转换成计算机能够识别的数字量，输入到计算机中，由计算机将采集到的数字量进行不同的处理，然后在显示器显示出来，并进行实时监控。
这已经为当前计算机测量与控制领域的一个重要研究方向。
鉴于此，本文提出一种基于DS18B20和STC12C5608AD的低成本、远距离传输的温度检测系统设计方案。
在目前的各种温湿度采集系统中,多点温湿度采集是其中一个重要的方面。
美国Dallas公司推出的数字温度传感器DSl8B20接口简单,方便与微控制器连接,对微控制器的口线占用少。
我国宏晶科技公司的单片机STC12C5608AD是MCS-51系列单片机的派生产品,在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容。
两者结合起来非常适合构建高精度多点温度采集系统。
系统通过RS-232总线与上位机进行通信,完成数据传输
1.1系统原理及基本框图
如图1.1所示，实际干球温度和湿球温度经过DS18B20传感器转换后，然后送到单片机中进行数据处理。
处理后的数据送到电子屏中显示。
图1.1系统硬件总体结构
根据单片机应用系统的设计原则，首先设计了系统硬件的总体结构如图1.1所示，然后按模块分别对各单元电路进行电路设计，而后进行硬件电路集成。
单片机为系统的控制核心部分。
温度传感器信号由信号处理及放大电路进行处理之后送入A/D转换器，再由单片机控制A/D转换器进行温度数据的采集，而后对温度原始数据进行处理，根据处理结果驱动声光报警电路和执行显示。
电源采用直流电供电，给整个系统提供电源电压。
看门狗采用硬件看门狗电路，防止程序在运行过程中“跑飞”，保证系统运行的稳定、可靠。
基于简单，稳定可靠，价格低廉的原理本文采用了STC12C5608AD单片机及DS18B20传感器。
1.2设计任务
利用单片机与AD转换器设计一个八路温湿度巡回检测系统。
1.3设计目的
通过文献调研、电路设计、计算机仿真及焊接、调试综合训练，提高学生在单片机及传感器应用方面的实践技能，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。
初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法。
第二节硬件设计介绍
1.2技术方案
针对设计要求，结合系统的基本框架，可将整个系统描述为如图1.1所示的方块
示波器最主要的性能指标就是带宽，即能测量信号的频率范围，为了达到较高的带宽就要求各部分的传输速率最要能达到不制约数据信号的传输。
香农（Shannon）采样定理：
为了避免信息损失，带宽为f模拟信号必须用fs>2f
的采样速率进行采样。
奈氏（Nyquist）采样定理：
设有一个频率带限信号x（t），其频带限制在（0,f）内，如果以不小于fs=2f的采样速率对x（t）进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号x（n）=x（nTs）（其中Ts=1/fs称为采样间隔），则原信号x（t）将唯一的被所得到的采样样本x（n）完全确定。
带通采样定理:
设一个频率带限信号X（t），其频带限制在（f1,f2）内，如果采样速率fs满足:
fs=2（f1+f2）/（2n+1）
式中，n能取满足fs>2（f2-f1）的最大正整数（0,1,2..），则用fs对x（t）进行等间隔采样所得到时间离散的采样信号x（n）=x（nTs）（其中Ts=1/fs称为采样间隔）能准确确定原信号x（t）。
如果假设要用本系统测量0—100KHz的信号，为了使信号不失真的显示在后端，要求采样速率为原始信号的4倍，即要求AD转换速率为400KHz，也就是2.5ms转换一个数据，这个对所选用的STC12C5201系列A/D转换器是可以达到的。
从官方说明书中得知，STC12C5201AD系列在高速情况下70个时钟周期转换一次，当选用33M晶振时，AD速度可达到471KHz。
把数据从A/D转换器接收到，下一条指令就可以发送出去，所以基本不影响传输速率。
用计算机USB标准与单片机进行通信，USB2.0标准的问世，它以具有480Mbit/s的最大传输速率。
1.3系统设计中遇到的主要问题
一、数据处理
示波器需要对外界的各种电压电流信号进行测量。
外界的电信号先由信号条理部分处理成A/D转换器转换范围内的电信号，然后A/D转换器把模拟信号变成单片机能接受的数字信号，单片机再将这些信号发送给计算机。
计算机得到的数字信号，往往要转换成人们所熟悉的工程值，才有它的意义，这就得进行标度变换。
本系统中，就要在计算机中将从单片机接收到的数字量还原成前端测得的电压信号值。
标度变换的方法有许多种，选择适合本系统的一种方法很是重要。
二、单片机与PC机的通讯
单片机与PC机的通讯的设计应包含下面几方面的问题：
1、通信接口：
利用USB转232芯片CH341或PL-2303
2、通信协议：
要想保证通信，功通信双方必须有一系列的协议。
作为发送方，必须清楚在何时发送信息，发送什么内容，作为接收方，必须清楚在何时接收信息，接收到的是什么内容。
3、波特率设定：
在串行通信中波特率是一个非常重要的指标，它反映了串行通信的速率，也反映了对传输通道的要求。
由于异步通信双方各用自己的时钟，要保证捕捉到正确的信息，最好采用较高频率的时钟，一般选择时钟频率比波特率高16或64倍。
若选择时钟频率低于波特率，则频率稍有偏差便会产生接收错误。
而且通信双方需要设定相同的波特率。
本系统中波特率的设定更为重要，因为它直接关系到可测量信号的带宽，影响到整个系统的性能参数。
三、图形显示
同普通模拟示波器一样，需要使输入信号以波形的形式显示出来，在本系统中，这就要把计算机接收到的数字量转化成波形，并且当用户需要改变图形的大小，以清楚示值，则系统内部就要根据用户要求随时改变显示区每格代表的量值。
四、实时传输
因为本次设计的是示波器，这就要求前端信号改变时，波形立即跟随变化，这就要求程序代码极为优化，使相位误差降到最小。
2硬件设计
2.1信号调理
示波器的输入信号范围是很大的，普通示波器输入的安全电压是450Vpp，可以有效测量的电压范围是50Vpp，而在虚拟示波器中的AD转换集成电路的供电电压是+5V，最大也只有+12V,AD电路的被测信号输入端的安全电压必须小于电源电压，否则将损坏AD转换芯片。
所以必须将输入的被测信号的电压限制到AD芯片的可测范围内，这样才能保证系统安全，正确地进行AD转换。
另外，作为一种测量仪器，在对电路的某个信号进行量时，不能对被测电路的其他部分造成影响，这样就要求测量仪器的输入阻抗很大。
基于以上原因，就有必要对输入的信号进行调理，保证在精确测量的同时保护仪器本身和测量电路的安全，并且不对被测电路造成影响。
前端调理电路主要由保护电路，阻抗变换等部分组成。
2.2数据采集
数据采集是本系统中非常重要的一部分，它负责将模拟量转换成数字量，现在常用的A/D转换器就可以对模拟信号进行采样、保持、量化，从而变成数字量，所以本次设计直接选用一种单片机A/D一体的转换器，用单片机对其进行实时控制就可以完成数据采集模块的需要，减少了单片机与A/D通信所需要的执行时间。
2.2.1常用的A/D转换器
常用的A/D转换器按其转换原理可分为4种：
计数式A/D转换器，双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。
目前，在微机控制领域最常用的是双积分式和逐次逼近式转换器。
一、双积分式A/D转换器
双积分式A/D转换器的主要特点是：
转换精度高、抗干扰能力好、价格便宜，但其转换速度较慢。
这种转换器主要用于对转换速度要求不高的场合。
国内使用较多的双积分A/D转换器芯片有几种：
1、ICL7106/ICL7107/ICL7126系列
这些芯片都是美国Intersil公司产品，3位半精度。
具有自校零、自动极性、单参考电压、静态7段码输出、可直接驱动LED和LCD（液晶）显示器等特点。
同类产品还有：
TSC7106/TSC7107/TSC7126（美国Teledyne半导体公司产品）；CH7106（上海无线电十四厂产品）；DG7126（北京878厂产品）。
2、MCl4433美国Motorola公司产品，3位半精度。
具有自校零、自动极性、单参考电压、动态字位扫描BCD码输出（即千、百、十、个各位BCD码轮流在输出端输出）、自动量程控制信号输出等特点。
同类产品还有5G14433（上海无线电五厂产品）。
3、ICL7136
美国Intersil公司产品，4位半精度。
具有自校零、自动极性、单参考电压、动态字位扫描BCD码输出等特点。
二、逐次逼近式A/D转换器
逐次逼近式A/D转换器是一种转换速度较快、精度较高的转换器，其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。
其典型芯片有以下几种：
1、ADC0801～ADC0805
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