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1、毕业设计数字多路数据采集系统目录引 言 1第1章 绪论 21.1温度采集的发展现状 21.2温度采集系统的意义 2第2章 系统总体设计 32.1 系统设计框图 32.2系统方案选择 32.2.1 单片机的选择 32.2.2传感器的选择 42.3系统部件功能简介 52.3.1AT89S51功能简介 52.3.2DB18B20功能简介 8第3章 系统电路设计 133.1电路图 133.2硬件设计 133.2.1晶振电路 143.2.2复位电路 143.2.3电源稳压电路 153.2.4程序下载电路 153.2.5温度采集电路 153.2.6温度显示电路 163.3软件设计 173.3.1系统主程序

2、设计 173.3.2程序调试 20结 论 21致 谢 22参考文献 23附 录 24引 言信息化时代，数据的重要性不言而喻。如何高效、稳定的对数据（包括温度、湿度、压力、光线等项目）进行实时采集对于现代的企业、工厂、研究所等对数据精度要求较高的单位具有非常重要的意义。本系统设计采用温度数据作为研究对象，具有代表性。首先是温度数据的应用是最广泛的，其次是温度数据采集单元无论是价格、测量区间还是品种都具有较大的选择余地。整个系统以AT89S51为核心，前向通道包括电源、四路DS18B20传感器输入和按键复位电路。后向通道包括：在线编程端口和LED显示电路。电源给整个系统提供45.5V的直流电力。温

3、度传感器：将分散于各数据点的温度数据转化为数字信号送入单片机内寄存器待处理。一个复位按键：用来对整个系统进行跳出复位，防止程序进入死循环。LED数码管：做为当前通道代码及该通道温度值（精确到0.1摄氏度）的显示设备。串口可以实现在线系统编程。整个系统还有一个时钟电路，用来对整个系统提供基准信号，还可以产生震荡电流，发出时钟信号。第1章 绪论1.1温度采集的发展现状科技时代，数据的重要性不言而喻！因为温度传感器被广泛应用于工农业、科学研究和生活等领域。数量高居各种传感器之首。近百年来，温度传感器的发展大致经历了：传统的含有敏感元件的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器/控制器和智能温度传感器三个

4、阶段。目前，国际上新型的温度传感器正从模拟式向数字化，有集成化向智能化、网络化方向发展。1.2温度采集系统的意义随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量是

5、非常重要的。第2章 系统总体设计2.1 系统设计框图图2.1 温度采集系统设计框图本系统的采集对象是温度，因此系统设计应该包括：温度采集模块、数据存储模块、温度转化模块、温度显示模块，复位模块、供电系统等几个基本部分。2.2系统方案选择2.2.1 单片机的选择方案一：AT89C51是ATMEL公司的C51单片机，它是在8051的基础上增强了一些特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取带了原来的ROM（一次性写入），相对于8051，AT89C51的性能已经算是非常优越的了。AT89C51片内有4K字节的FLASH程序存储器，128字节的片内RAM，2

6、个定时器/计数器，6个中断源，5个可用中断，2个中断级别，支持掉电模式和空闲模式，都是MSC8051指令集。但不能在线编程，这就限制了它的发展。方案二：选择性能更加优良的AT89S51除了具有上述AT89C51的功能外，还有ISP功能、特殊功能寄存器和不同的极限工作频率。AT89S51不但多了ISP功能，还有一个很好用的内部看门狗（硬件看门狗WatchDog：是一个自我保护装置。他时刻监视系统的运行。一旦系统运行不正常，看门狗会复位系统。实际上看门狗是一个计时器，你要让这个计时器置零前给它一个信号，让它重新计时，这样起到一个监视系统运行的作用。一般很多MCU带有这个电路，但是你可以不使用它，这

7、样在上电的时候禁止他；如果你要使用Watchdog，那么你的系统就必须每隔一段时间给这个电路一个信号。）。如果不断地“喂”它（不断地复位它，表示程序自己没有死机），过一段时间，它就会计数溢出，MCU就复位，以避免程序卡死后没人管。AT89C51最高可以使用的晶振频率时24MHz，AT89S51可以使用的晶振频率更高，达33MHz。新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！通过以上比较，选用性能更高的AT89S51单片机。2.2.2传感器的选择方案一：由于本设计是测温系统，可以使用热电偶之类的器件利用其感温特性，把它随着被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换

8、后，就可以用单片机进行数据的处理，在系统中有一个这样的传感器就需要一个A/D转换电路，这将导致系统电路整体设计起来比较复杂，除了A/D、D/A转化模块，相应的还要增加信号放大等电路，这对于单片机有限的空间而言，系统利用效率是比较低下的。此外，现代数据采集的特点是数字化，它带来的不仅是电路设计的简化，还有利于后期数据的加工和利用。因此，热电偶之类的感温器件具有很大的局限性，不推荐使用。方案二：进而考虑到用数字传感器，在单片机电路设计中，大多都是处理数字信号，因此可以采用数字温度传感器DS18B20。与传统传感器相比，单总线技术可以让单片机节省大量的I/O资源，而且外部与传感器的相连的电缆、端子、

9、槽盒、桥架，连线设计与接头校对的工作量也大大减少，即节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。同时，由于传感器直接输出的是数字信号，使系统省掉了放大、A/D转换等相关电路，系统的稳定性、可靠性有了大幅提高。利用此传感器可以轻松的设计出一种高效的、简练的、且易维护的测温系统。通过以上比较，选用DS18B20传感器。2.3系统部件功能简介2.3.1AT89S51功能简介AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Fla

10、sh程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可灵活应用于各种控制领域！a 主要特性： 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) 全静态工作：0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路b 管脚说明：图2.2 AT89S51引脚说明VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/

11、O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流

12、，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这

13、是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，

14、此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间

15、外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。c 震荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求

16、的宽度。d 芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.3.2DB18B20功能简介DS18B20 数字式温度传感器是美国Dallas 公司最新推出的产品，与传统的

17、热敏电阻温度传感器不同,它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912 位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms 和750ms 内将温度值转化9 位和12 位的数字量。因而使用DS18B20 可使系统结构更简单，可靠性更高。芯片的耗电量很小，从总线上“偷”一点电存储在片内的电容中就可正常工作，一般不用另加电源。最可贵的是这些芯片在检测点已把被测信号数字化了，因此在单总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。a. DS18B20传感器有如下特点：单线接口，只有一根信号线与CPU 连接；不需要备份电源，可通过信号线供电，电源电压范围从3.35V；

18、传送串行数据，不需要外部元件；b. DS18B20的测温原理DS18B20 测温原理如图2.3 所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响小用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2 的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。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，当计数器1 的预置值减到0 时，温度寄存器的值将加1，计数器1 的预置将重新被装入，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

19、测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1 的预置值。DS18B20 在正常使用时的测温分辨率为0.5。图2.3 DS18B20工作原理图c. DS18B20的操作 （1）初始化总线上的所有操作前要初始化主机，先发复位信号，之后，从机发出在线信号，后者通知主机DS18B20 在线，并等待接收命令。（2）ROM读操作 主机收到DS18B20 在线信号后，就可以发送四个ROM 操作命令中的一个，这些命令字均为8 位的16 进制数（最低位在前），现将这些命令说明如下。1）读命令（33H）通过该命令主机可以读出ROM 中8 位系列产品代码、48 位产品序列号和8 位CR

20、C 码。读命令仅用在单个DS18B20 在线情况，当多于一个时由于DS18B20 为开漏输出将产生线与，从而引起数据冲突。2）选择定位命令（55H）多片DS18B20 在线时，主机发出该命令和一个64 位数列，DS18B20 内部ROM与主机数列一致者，才响应主机发送的寄存器操作命令，其他DS18B20等待复位。该命令也可以用在单片DS18B20 情况。3）跳过ROM 序列号检测命令（CCH）对于单片DS18B20 在线系统，该命令允许主机跳过ROM 序列号检测而直接对寄存器操作，从而节省时间。对于多片DS18B20 在线系统，该命令将引起数据冲突。4）查询命令（F0H）当系统初建时，主机可能

21、不知道总线上有多少设备，以及他们各自的64 位序列号，用该命令可以做到这点。5）报警查询命令（ECH）该命令操作过程同ROM 查询命令，但是，仅当上次温度测量值已置位报警标志（由于高于TH或低于TL 时）， DS18B20 才响应该命令，如果DS18B20 处于上电状态，该标志将保持有效，直到遇到下列两种情况：（1）本次测量温度发生变化，测量值处于TH、TL 之间；（2）TH、TL 改变，温度值处于新的范围之间。设置报警时要考虑到EEROM 中的值。（3）存贮器操作命令1）写入（4EH）用此命令把数据写入寄存第24 字节，从第2字节（TH）开始。复位信号发出之前必须把这三个字节写完。2）读出（

22、BEH）用此命令读出寄存器中的内容，从第1 字节开始，直到读完第9 字节，如果仅需要寄存器中部分内容，主机可以在合适时刻发送复位命令结束该过程。3）复制（48H）用该命令把暂存器第2 4 字节转存到DS18B20 的EEROM 中，如果DS18B20 是由信号线供电，主机发出此命令后，总线必须保证至少10ms 的上拉，当发出命令后，主机发出读时隙来读总线，如果转存正在进行，读结果为0，转存结束为1。4）开始转换（44H）DS18B20 收到该命令后立刻开始温度转换，不需要其他数据。此时DS18B20 处于空闲状态，当温度转换正在进行时，主机读总线将收到0，转换结束为1。如果DS18B20 是由

23、信号线供电，主机发出此命令后主机必须立即提供至少相应于分辨率的温度转换时间的上拉电平。5）回调（B8H）执行该命令把EEROM 中的内容回调到寄存器TH、TL 和设置寄存器单元中，DS18B20 上电时能自动回调，因此设备上电后TH、TL 就存在有效数据。该命令发出后，如果主机跟着读总线，读到0 意味着忙，1 为回调结束。6）读电源标志（B4H）主机发出命令后读总线，DS18B20 将发送电源标志，0 为信号线供电，1 为外接电源。单片DS18B20使用时，总线接5千欧 , 上拉电阻即可；如挂接多片DS18B20，应适当降低上拉电阻值，调试时，可把上拉电阻换作一电位器，逐步调节电位器直到获得正

24、确的温度数据。读写DS18B20 时，应严格按照既定的时序操作，否则，读写无效。（4）DS18B20 的读写操作1）复位 对DS18B20 操作时，首先要将它复位。复位时，DQ 线被拉为低电平，时间为480960s；接着将数据线拉为高电平， 时间为15 60s； 最后DS18B20 发出60240s 的低电平作为应答信号，这时主机才能进行其他操作。2）写操作 将数据线从高电平拉至低电平，产生写起始信号。从DQ 线的下降沿起计时，在15s 到60s 这段时间内对数据线进行检测，如数据线为高电平则写1；若为低电平，则写0，完成了一个写周期。在开始另一个写周期前，必须有1s 以上的高电平恢复期。每个

25、写周期必须要有60s 以上的持续期。3）读操作 主机将数据线从高电平拉至低电平1s 以上，再使数据线升为高电平，从而产生读起始信号。从主机将数据线从高电平拉至低电平起15s 至60s，主机读取数据。每个读周期最短的持续期为60s。周期之间必须有1s 以上的高电平恢复期。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：（1）DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使温度输出总是显示85。 （2）在实际使用中发现，应使电源电压保持在5V左右，若电源电压过低，会使所

26、测得的温度与实际温度出现偏高现象，经过试验发现，一般在5V左右。 （3）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格保证读写时序，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DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。 （4）在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此，当单总线上所挂DS18B20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

27、意。（5）连接DS18B20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。这种情况主要由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS18B20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。 （6）在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环，这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的

28、重视。第3章 系统电路设计3.1电路图图3.1 系统电路图3.2硬件设计单片机温度采集和输出显示模块由个部分构成，晶振电路、复位电路、电源稳压电路、程序下载电路、温度采集电路和温度显示电路。3.2.1晶振电路：由12M晶振1个、30pF起振电容2个组成，连接在AT89S51芯片XTAL1和XTAL2两端。晶振电路如图3.2所示：图3.2 晶振电路3.2.2复位电路：主要由复位按钮1个、104电容个、10F电解电容1个、10K电阻1个组成。电路图如图3.3所示：图3.3 复位电路3.2.3电源稳压电路：主要由1805芯片1个、104电容2个、470F电容2个、1K电阻1个组成。电路图如图3.4所

29、示：图3.4 电源稳压电路3.2.4程序下载电路：由AT89SISP端口与AT89S51芯片连接组成。电路图如图3.5所示：图3.5 程序下载电路3.2.5温度采集电路：由温度传感器DS18B20与AT89S51芯片的P10连接，组成温度采集电路。电路图如图3.6所示：图3.6 温度采集电路图3.6与以上各硬件电路共同组成单片机温度采集模块，并以此构成温度采集硬件系统。3.2.6温度显示电路：4个七段共阴数码管分别与AT89S51芯片的P20、P21、P22、P23连接，组成单片机串口输出显示电路。图3.7 温度显示电路图3.8与上面各硬件电路共同组成单片机串口输出显示模块，并以此构成输出显示

30、硬件系统，附录为其软件程序。3.3软件设计3.3.1系统主程序设计系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，复位应答子程序，写入子程序等。a.主程序：主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图19所示。通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分分开存放在不同的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。图19 主程序流程图b.读出温度子程序：读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。DS18B20复位、应答子

31、程序读温度命令子程序写入子程序跳过ROM匹配命令DS18B20复位、应答子程序显示子程序(延时)写入子程序温度转换命令写入子程序跳过ROM匹配命令图20 读出温度子程序DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位。程序代码如下：*GET_TEMPER: SETB P1.0 LCALL INIT_1820;先复位DS18B20 JB FLAG1,TSS2 RET ; 判断DS1820是否存在?若DS18B20不存在则返回TSS2: MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配 LCALL WRITE_1820 MOV A,#44H ; 发出温度转换命令 LCALL WRITE_1820;这里通过调用显示子程序实现延时一段时间,等待AD转换结束,12位的话750微秒 LCALL DISPL