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1、基于 PIC 单片机的多路温度采集显示系统1 系统设计在工业生产和日常生活中，经常要对温度进行测量与控制，并且有时是对多个点进行温度测量，比如冷库温度监控、环境温度监测、农业温室监控、粮库温度采集等。在这种情况下，多点温度采集系统应运而生。多点温度检测系统通常能够对多个工作点的温度进行检测，显示当前温度，并能够对温度进行存储和报警，还能将温度上传至 PC 机，进行后续处理。传统的测温元件有热电偶和热电阻，需很多硬件支持并且电路复杂。本文将设计一款由新型的数字温度传感器 DS18B20 配合单片机，具有温度检测、显示、存储、自动统计分析及跟电脑通讯连接还利用固定电话远程报警等功能的多点温度采集系
2、统。多路温度监控系统30 PC 机通讯4 * 温度传感器固话报警图 1.1 多路温度采集系统模拟应用温度监控主系统构架框图如图 1.2 所示：PIC16F877A单片机12864液晶显示实时时钟上限报警接口按键控制PC 机通讯AT24C02温度储存四路温度采集图 1.2 多路温度采集系统构架框图主要技术参数A 温度检测范围 ： -55+125 B 测量精度 ： 0.0625C 显示方式： LCD12864 显示D 报警方式： 固话报警2. 硬件设计介绍2.1 PIC 单片机介绍(1)哈佛总线结构:MCS-51 单片机的总线结构是冯-诺依曼型,计算机 在同一个存储空间取指令和数据,两者不能同时进
3、行;而 PIC 单片机的总线结构是哈佛结构,指令和数据空间是完全分开的,一个用于指令,一个用于数据,由于可以对程序和数据同时进行访问,所以提高了数据吞吐率。正因为在 PIC 单片机中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是 8 位的，但指令总线位数分别为 12、14、16 位。(2)流水线结构 :MCS-51 单片机的取指和执行采用单指令流水线结构,即取一条指令,执行完后再取下一条指令;而 PIC 的取指和执行采用双指令流水线结构,当一条指令被执行时,允许下一条指令同时被取出,这样就实现了单周期指令。(3)寄存器组 :PIC 单片机
4、的所有寄存器,包括 I/O 口,定时器和程序计数器等都采用 RAM结构形式,而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作;而 MCS-51 单片机需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。（4）运行速度高：由于采用了哈佛总线结构，以及指令的读取和执行才用了流水作业方式，使得运行速度大大提高。（5）功耗低：PIC 单片机的功率消耗极低，是目前世界上最低的单片机品种之一。在 4MHz时钟下工作时耗电不超过 2mA，在睡眠模式下耗电可以低到 1uA 以下。（6）驱动能力强：I/O 端口驱动负载的能力较强，每个 I/O 引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到 25mA 和 20mA，能够直接驱动发光
5、二极管 LED、光电耦合器或者轻微继电器等。（7）外接电路简洁PIC 单片机片内集成了上电复位电路、I/O 引脚上拉电路、看门狗定时器等，可以最大程度减少或免用外接器件，以便实现“纯单片机” 应用。这样，不仅方便于开发，而且还可节省用户的电路空间和制作成本。 （8）程序保密性强目前，尚无办法对其直接进行解密拷贝，可以最大限度的保护用户的程序版权。PIC16F877A 的详细引脚如图 2.21 所示。图 2.1 PIC16F877A 引脚图 图 2.2 PIC16F877A 实物图PIC 单片机主要性能参数如下所示： 具有高性能 RISC CPU 仅有 35 条单字指令 次擦写周期 除程序分支指
6、令为两个周期外，其余均为单周期指令 运行速度： DC20MHZ 始终输入DC200ns 指令周期 8K * 14 个 FLASH 程序存储器368 * 8 个数据存储器（RAM）字节256 * 8 EEPRM 数据存储器字节 提供 14 个中断源 功耗低在 5V， 4MHZ 时钟运行时电流小于 2mA在 3V， 32KHZ 时钟运行时电流小于 20Ua 支持在线串行编程（ICSP ） 运行电压范围广，2.0V 到 5.5V 输入及输出电流可达到 25mA Timer0：带有预分频器的 8 位定时器/计数器 Timer1：带有预分频器的 16 位定时器/计数器，在使用外部晶振震荡时钟时，在睡眠期
7、间仍能工作 Timer2：带有 8 位周期寄存器，预分频器和后分频器的 8 位定时器/计数器。 2 个捕捉器，比较器，PWM 模块其中：捕捉器是 16 位，最大分辨率是 12.5ns比较器是 16 位，最大分辨率是 200nsPWM 最大分辨率是 10 位 10 位多通道模数转换器2.2 单片机最小系统设计2.2.1 复位功能PIC16F877A 的复位功能设计得比较完善，实现复位或引起复位的条件和原因可以归纳成 4 类：人工复位、上电复位、看门狗复位、欠压复位。这里简单介绍一下人工复位人工复位：无论是单片机在正常运行程序，还是处在睡眠状态或出现死机状态，只要在人工复位端 MCLR 加入低点平
8、信号，就令其复位。本次设计的电路图如图 2.31 所示。2.2.2 系统时钟 数字电路的工作离不开时钟信号，每一步细微动作都是在一个共同的时间基准信号协调下完成的。作为时基发生器的时钟震荡电路，为整个单片机芯片的工作提供系统时钟信号，也为单片机与其他外接芯片之间的通讯提供可靠的同步时钟信号。PIC16F877A 的时钟电路是由片内的一个反相器和一个反馈电阻，与外接的 1 个石英晶体和 2 个电容，共同构成的一个自激多谐振荡器。电路如图2.31 所示。 图 2.21 PIC 最小系统电路图 图 2.22 最小系统实物图2.3 LCD12864 液晶原理介绍及接口实现12864A-1 汉字图形点阵
9、液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置 8192 个中文汉字（16X16 点阵） 、128 个字符（8X16 点阵）及 64X256 点阵显示RAM（GDRAM） 。主要技术参数和显示特性:电源：VDD 3.3V+5V(内置升压电路，无需负压) ；显示内容：128 列64 行显示颜色：黄绿显示角度：6：00 钟直视LCD 类型：STN与 MCU 接口：8 位或 4 位并行/3 位串行配置 LED 背光多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等图 2.3 -1 12864 液晶电路连接图2.4 DS18B20 原理介绍及接口实现DS18B20 是 DALLAS 半导体公司推出的第一片
10、支持“一线总线”接口的温度传感器，他它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。DS18B20 具有以下优点：（1） 适应电压范围宽，电压范围在 3.0V5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。（2） 独特的单线接口方式，与微处理器连接时只需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通信。（3） 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。（4） 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件以及转换电路集成在形如一直三极管的集成电路内。（5） 测温范围-55+125，在-10+85时进
11、度为0.5（6） 可编程分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，可实现高精度测温。（7） 负压特性。电源极性接反时，芯片不会因为过热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20 主要由 4 部分组成：64 位 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 的管脚排列如图 4.2 所示，其中 DQ 为数字信号输入输出端；GND 为电源地；VDD 为外接供电电源输入端，在寄生电源接线方式时接地。图 2.4-1 DS18B20 原理图 图 2.4-2 DSB18B20 硬件连接实物2.5 存储芯片 AT24C02
12、 简单介绍及接口实现AT24C02 是 一 个 2K 位 串 行 CMOS E2PROM， 内 部 含 有 256 个 8 位字 节 ， CATALYST 公 司 的 先 进 CMOS 技 术 实 质 上 减 少 了 器 件 的 功 耗 。AT24C02 有 一 个 16 字 节 页 写 缓 冲 器 。 该 器 件 通 过 IC 总 线 接 口 进 行 操 作 ，有 一 个 专 门 的 写 保 护 功 能 。 AT24C02 支 持 IC， 总 线 数 据 传 送 协 议 IC， 总线 协 议 规 定 任 何 将 数 据 传 送 到 总 线 的 器 件 作 为 发 送 器 。 任 何 从 总
13、线 接 收 数 据的 器 件 为 接 收 器 。 数 据 传 送 是 由 产 生 串 行 时 钟 和 所 有 起 始 停 止 信 号 的 主 器 件控 制 的 。 主 器 件 和 从 器 件 都 可 以 作 为 发 送 器 或 接 收 器 ， 但 由 主 器 件 控 制 传 送数 据 （ 发 送 或 接 收 ） 的 模 式 ， 通 过 器 件 地 址 输 入 端 A0、 A1 和 A2 可 以 实现 将 最 多 8 个 AT24C02 器 件 连 接 到 总 线 上 。 本 次 设 计 采 用 4 个 AT24C02 用 来 储 存 4 个 温 度 传 感 器 采 集 到 的 温 度 ， 用
14、以回 显 。 只 要 有 温 度 较 大 变 化 都 会 被 储 存 ， 随 时 可 以 通 过 功 能 按 键 切 换 功 能 查看 ， 也 可 以 将 温 度 传 回 PC 机 统 计 分 析 。图 5.1 AT24C02 硬 件 连 接 图AT24C02 使 用 思 路 如 下 ：NY温度有较大变化？启动 24c02监控温度储存温度储存时间2.5-2 使 用 思 路2.6 DS1302 的接口实现DS1302 的初始化过程非常简单，在 DS1302 上电之后先关闭 DS1302 的写保护，接着依据不同的寄存器地址分别写入年份、月份、日期，以及需要设定的时间，然后启动 DS1302 的时钟
15、振荡，打开写保护，这样 DS1302 就能正常走时了，并且不会因为误操作而干扰到 DS1302。当 DS1302 上电后，为了防止系统掉电后重新上电，接着调用 DS1302 初始化程序造成时间丢失，我们在初始化DS1302 的时候先把 DS1302 当前的秒走时读出，放如临时变量，接着判断时间的正确性，如果时间正确，则把秒走时回送 DS1302，重新启动时钟振荡后关闭保护；如果时间不正确，则重新调用时间设置程序。关闭写保护读出秒数据时间正确？Y N回送秒数据打开写保护芯片上电结束调用时间设置打开写保护结束图 2.6-1 DS1302 初始化此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄
16、存器、时钟突发寄存器及与 RAM 相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。 DS1302 与 RAM 相关的寄存器分为两类：一类是单个 RAM单元，共 31 个，每个单元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发（Burst）方式下的 RAM 寄存器，此方式下可一次性读写所有的 RAM 的 31 个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。DS1302 与单片机的连接电路图如图 6.5 所示：图 2.6-2 DS1302 硬件连接图备用电池可用来断电保护，当主电源断开之后，备用电池开始工作，起到备用作用，继续保持时钟的准确性。2.7 温度上限报警功
