2017毕业论文-基于CYGNAL单片机的泵站温度检测系统研制.doc

中南民族大学工商学院毕业论文(设计)系部： 电子信息工程系 专业： 通信工程 年级： 04 题目:基于CYGNAL单片机的泵站温度检测 系统研制 学 生： 学 号：04112029 指导教师： 职称: 讲师 2008年01月15日20中南民族大学工商学院本科毕业论文（设计）原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日26目 录摘要1关键词1Abstract2Key word21 绪论31.1 泵站温度监控系统的发展概述31.1.1我国泵站监控系统的发展31.1.2我国泵站监控系统的现状31.2 单片机技术的发展31.3 课题的来源及研究意义32 温度检测系统的实现方案42.1 系统的总体任务42.2 系统的整体结构框图42.3 现场测控模块的实现方案42.4 C8051F040单片机的选择52.5 C8051F040单片机的特点52.6 增加的功能63 现场测控模块的实现73.1 温度传感器检测电路73.1.1 温度传感器的选择73.1.2 PT100检测电路的实现73.1.3 DS18B20检测电路的实现103.2 显示电路的设计163.3 键盘电路的设计173.4 电源电路184 系统软件的设计194.1 温度采样部分194.2 数字温度传感器DS18B20的工作时序204.3 键盘部分软件214.4 LED显示部分软件235.结论25参考文献26基于CYGNAL单片机的泵站温度检测系统研制摘要：泵站监控作为城市防汛的主要设施，在确保城市安全度讯和保障人们正常的生活、工作秩序方面，起着极其重要的作用。因此，泵站自动化程度的增强将被重视，随着泵站自动化程度的增强以及传感器技术的发展，使得泵站温度监控成为可能，本文同时使用了DS18B20和PT100温度传感器技术，在8位高速单片机C8051F040上实现了泵站温度检测系统。本文首先介绍了国内外泵站监控系统的发展、单片机技术的发展状况。第二部分提出了泵站温度检测系统的总体方案及高速SOC单片机C8051F040的选择。第三部分详细的描述了系统现场检测部分的传感器的选择及硬件电路。第四部分介绍了系统的软件实现。最后，对所做的一些工作进行了总结，并对泵站温度检测技术进行了展望。关键词：C8051F040；泵站；温度传感器；温度检测系统Based On CYGNAL Monolithic Integrated Circuit Pumping Station Temperature Examination System DevelopmentAbstract: Monitoring and control system of pump station is main facilities, which are used in city flood prevention. The system plays an important role in insuring safety and normal life and job. Therefore enhancement of pumping station automatization will be realized, with enhancement of pumping station automatization, the development of transducer technology, made pumping station temperature monitoring system enable. In this paper, we realize the pumping temperature detection system on 8-bit high speed SOC microcontroller C8051F040 with DS18B20 and PT100 temperature transducer at same time. Firstly, in this paper, we introduce the development of monitoring and control system of pumping station, microcontroller technology both here and abroad. The second part of this paper brings up the whole scheme of this pumping station temperature detection system and choice of high speed SOC microcontroller C8051F040. The third part of this paper describes the hardware circuit of field detection part and choice of transducer in detail. The fourthly part of this paper introduces software implementation of this system. At the end of this paper, we summarize all the work which has done; Whats more, do some expectation the technology about pumping station temperature detection system.Key words:C8051F040;PumpStation;TemperatureTransducer;Temperature Detection System 1 绪论 1.1 泵站温度监控系统的发展概述1. 1.1 我国泵站监控系统的发展泵站建设在我国已有近40多年的历史，其功能日趋完善，在灌溉、排涝、航运补水和市政供水等方面起着非常重要的作用，我国泵站监控自动化技术是随着国民经济发展和计算机技术的进步而逐渐发展起来的，以90年代为界，划分为两个阶段，在90年代以前中国多次尝试把计算机实时监控技术运用到泵站监控系统中，但是由于技术等各方面的原因，没有取得很大的发展，在90年代以后，随着计算机技术迅速发展和普及，监控装置在泵站得到了较快的发展和运用。1.1.2 我国泵站监控系统的现状目前全国已建成大中型灌区5600多处，固定排灌泵站50多万处，国内中小型泵站水泵机组的起动、运行和停车，大多靠人工手动操作来完成，站内值班人员一般需6-9人。这种现状不仅工作强度大，而且工作效率不高。在国内近年来兴建的大型泵站中，大都设置了微机数据采集系统，但还是有许多泵站还不能实现对运行过程的计算机控制，国内监控系统主要存在以下不足：（1）监控系统开放性不是很彻底，主要表现在：和不同厂家硬件设备接口功能差；二是数据及功能模块接口功能差。（2）故障诊断技术不是非常成熟。监控系统与故障诊断技术有着不可分割的关系，在泵站监控过程中，如果发现泵站运行的常见故障系统能够自动调整用已存储的故障模式，判断故障类型给出处理措施，及时排除故障，并对故障记忆，进行自学习，这将减少停机次数，提高生产效率。早期的监控系统由于当时的生产规模较小，自控仪表尚处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场，只具备简单测控功能的基地式仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能送到别的仪表或系统，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。而泵站监控现在作为城市防汛的主要设施，在确保城市安全度讯和保障人们正常的生活、工作秩序方面，起着极其重要的作用。1.2 单片机技术的发展在科技广泛发展的今天，计算机的发展已经越来越快，它的应用已经越来越广泛。而单片机的发展和应用是其中的重要一方面。单片机在工业生产和民用家电各方面有广泛的应用。其中，单片机在工业生产中的应用尤其广泛。单片机具有集成度高，处理能力强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉的优点，因此被广泛应用。温度控制系统就是通过单片机的控制，使温度再设定的范围内。因此，在本次论文的研究中我采用了C8051F040单片机来控制泵站温度的检测。温度控制的发展及意义：现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制，早期温度控制主要应用于工厂中。而现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，城市防汛、酒店厂房、家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好地服务于社会。1.3 课题的来源及研究意义本课题是湖北省教育厅给定项目基于现场总线技术的大中型电排站机组群监控系统的研制中一部分。目前大部分泵站监控系统中温度监控部分还是使用铂电阻温度传感器PT100来实现温度检测，其某些重要点的检测精度不是很高，系统的安装线路不是很简化。因此，这里我们采用数字温度传感器DS18B20和模拟温度传感器相结合可以很好的解决点数和精度问题。采用C8051F040单片机来控制泵站温度的检测，以提高其温度检测的自动化程度。2 温度检测系统的实现方案2.1 系统的总体任务本文主要完成的任务有：1.在温度信号检测系统中同时使用两种检测，处理电路，一种是针对铂电阻温度传感器PT100，另一种是针对一线数字式温度传感器DS18B20。2.在监控现场采用LED以定义/巡检方式显示各检测点温度变化情况，并通过键盘输入显示的方式显示通道数。3.为了实现泵站温度的检测，这里采用8位的C8051F040单片机进行温度检测，将检测的各点的温度数据通过键盘输入在LED动态扫描电路中显示出来。2.2 系统的整体结构框图本系统实现的功能是通过模拟温度传感器PT100和数字温度传感器DS18B20检测泵站每台机组定子温度、转子温度、上油温、上推力瓦温、上平瓦、下油温、下推力瓦和下平瓦，再有LED将这些温度显示出来，并能通过键盘设置机组故障极限值。因为本系统要检测的量比较多，因此系统整体结构图使用了8台机组来对各量来进行检测。其整体结构框图如图2.1所示：PC机PIC-CAN卡 1#机组CAN接口C8051F040 CAN控制器DS18B20温度传感器PT100温度传感器 8#机组 CAN接口DS18B20温度传感器PT100温度传感器C8051F040 CAN控制器LED显示电路键盘电路LED显示电路键盘电路 CAN BUS温度检测主CPU -图2-1 系统整体结构框图2.3 现场测控模块的实现方案现场测控部分是温度监控系统中的最底层部分，主要完成现场温度数据的检测，以及现场温度数据实时显示和变化过程的显示。在设计和完成该部分功能时，必须把现场情况联系起来考虑。本课题是对泵站温度检测系统进行升级和改造，只保留了一小部分安装好的温度传感器PT100，其他还需要重新设计。另外，由于PT100实现温度检测存在检测点数和精度问题，使用了数字温度传感器，所以在温度信号检测时，就需要两套电路，而且是在同一个系统里存在。在泵站温度检测中，具体的对象是每一台机组中的检测点，这些检测点包括：电机的定子温度、转子温度、上油温、上推力瓦温、上平瓦、下油温、下推力瓦温和下平瓦。基本上每台机组的检测点数在8个左右，设计时考虑到整个系统有较大的容量，我们设计总数为32点，其中PT100为8点。CAN节点电路键盘电路LED显示电路C8051F040控制器 PT100检测电路DS18B20检测电路 图2-2 现场测控部分结构框图除了现场数据监控以外，现场数据显示也是检测系统中一个比较重要的组成部分，这里采用LED显示。另外，还有键盘电路和其他辅助电路。现场测控部分结构框图如图2.2所示。2.4 C8051F040单片机的选择Silicon Laboratories公司出品的C8051Fxxx单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），具有与MCS-51完全兼容的指令内核。该系列单片机采用流水线处理（pipe line）技术，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令的执行效率。而且大部分C8051F单片机具有控制系统所需要的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC电压比较器、电压基准输出、定时器、PWM、定时器捕捉和方法输出等，并且具备多种总线接口，包括UART、SPT、SMBUS总线以及CAN总线，C8051F系列单片机诸多特点和优越性，成为很多测控系统设计的首选机型128。C8051F040是C8051F04X系列单片机中的一种，它是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有64个数字I/0引脚，片片集成了一个CAN2.0B控制器，具有与8051兼容的微控器内核，与MCS-51指令集完全兼容，除了具有标准8052的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。2.5 C8051F040单片机的特点（1）高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）（2）控制器局域网（CAN2.0B）控制器，具有32个消息对象，每个消息对象有自己的标识（3）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）（4）真正12位、100kps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关（5）允许高电压差分放大器输入到12/10倍ADC（60v峰-峰值），增益可编程（6）真正8位500kps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关（7）两个12位DAC，具有可编程数据更新方式（8）64KB可在系统编程FLASH存储器（9）4352（4K+256）字节的片内RAM（10）可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口（11）硬件实现的SPI、SMBUS/12C和两个UART串行接口（12）5个通用的16位定时器（13）具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列（14）片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F040MCU是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH存储器还具有系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储并允许现场更新8051固件。每个MCU都可在工业温度范围（-45到+85）工作，工作电压为2.73.6V。端口I/O、/RST和JTAG 引脚都容许5V 的输入信号电压。C8051F040内含一个可编程内部晶振和一个外部晶振驱动电路，MCU共有5种起振方式，我们采用外部石英晶振。其旁路电容一般取值为2030pF，晶振频率取20MHZ。其外部石英晶振如图2.3所示：20PF + XTAL1 20MHZ20PF + XTAL2GND图2-3 外部石英晶振图2.6 增加的功能C8051F04X系列MCU对CIP-51内设和外设有几项关键的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向CIP-51提供20个中断（标准8051只有5个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。MCU可有多达7个复位源：一个片内VDD监控器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR0输入引脚及/RST引脚。RST引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到RST引脚。除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源可以由用户用软件禁止；使用MONEN引脚使能禁止VDD监视器。在一次上电复位之后的MCU初始化期间，可以用软件将WDT永久性使能。MCU内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部始终源产生系统时钟。时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性的切换到高速内部振荡器（可达25MHZ）。3 现场测控模块的实现3.1 温度传感器检测电路在本课题的温度监控系统中，为了满足泵站系统改造的需要，采用了如下的方案：为了减少改造的工作量，保留部分检测点原有的铂电阻温度传感器PT100；为了提高某些重要点的检测精度、简化系统的安装线路，新增了一些数字温度传感器DS18B20。3.1.1 温度传感器的选择在监控系统中，检测对象变化一般过程为传感器和检测电路提取被测对象特征信号，再由信号调整电路对特征信号相应处理，然后由A/D转换器将这些信号变成数字信号，最后输入控制器进行处理。这一过程中，除了要求处理电路和软件正确外，对传感器也有一定的要求，它对系统检测精度有很大的关系。温度监控系统中，使用的温度传感器通常有热电阻、铂电阻、半导体PN结（如AD590）之类的模拟传感器，经采样电路、放大电路和模拟转换电路处理，获得表示温度值的数字信号，再交给微处理器或DSP处理。被测对象的温度信号从敏感元件接收的非电模拟量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计需要考虑的线路环节较多，相应测温装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的高可靠性及体积微缩性，并且模拟信号在长距离传输过程中抗电磁干扰是令人伤脑筋的问题。若采用具有直接数字量输出的传感器就能避免上述问题。因此，人们越来越重视数字式传感器技术的发展。所谓数字式传感器，是指能把被测量直接转换成数字量的传感器。数字式传感器具有下列特点：具有高的测量精度和分辨率；抗干扰能力强，稳定性好；信号易干处理、传送和自动控制；便于动态及多路测量；安装方便，维护简单，工作可靠性高。模拟温度传感器在温度监控中存在着不足之处，但这并不表示不再使用它，是因为它也有一定的优势；模拟温度传感器测温范围大，价格相对便宜，适合一些精度要求不是很高、测量对象温度较高的场所。而数字温度传感器有很多优点，但它也有不足的地方，比如：测量范围小（一般在-55125）等。所以，在选择温度传感器的时候要根据具体需要进行有目的的选择。3.1.2 PT100检测电路的实现PT100适用于测量-78到+600之间的温度，它的阻值随着温度的变化成线性变化，大约是每摄氏度0.4，在0时其阻值为100，PT100温度传感器阻值计算可用电工委员会标准IEC751的方程式：（1）在-78到0的温度范围内有：Rt=1001+3.9080210-3t0.580210-6t2-4.2735010-12（t-100）t3（2）在0到+600的温度范围内有：Rt=100（1+3.9080210-3t0.580210-6t2）其中Rt是温度t的阻值（单位：），t是温度（单位：）。 +5V 2LM334 1 0.068K 3 0.68K IN4148 I=2mA 图3-1 恒流源电路图在泵站系统中，测量对象与测量现场存在一定的距离，如果提取电流信号进行测量，线路中的压降将对系统的测量精度带来很大的影响，如果采用电压信号则可以较好的避免此影响。在PT100一端加入一恒流源。其恒流源电路如图3.1所示。然后，在这端提取电压信号，而另一端采用四线接法。其点：支持多种形式的温度测量。作为温度测量的方法，除了取得电阻值/温度值以外，还配置了平均化处理，报警输出等各种各样的机能，以适应不同用途的应用需求。另外，白金测温电阻可以使用3线导线式或4线导线式。根据设计要求，恒流源电路输出的电流为2mA，那么PT100一端提取的电压范围是0.20.29212V，在进入A/D转换器的输入值对电压信号进行调整。这里使用A/D转换器是C8051F040单片机内部的A/D转换器，其最大输入电压为VREF（参考电压），由于系统中VREF使用内部参考电压2.45V，所以，需要将采样得到电压值进行适当的处理才能送给内部的A/D转换器。四级运算放大器LM324的电路特点：（1）有短路保护的输出端（2）真正差分输入端（3）单电源工作：332V（4）低输入偏流：100nA（最大）（5）内含四个放大器（6）内部没有补偿电路（7）共模范围可扩展到负电源电压这里使用的信号调整电路为多级放大方式，前一级为仪用放大电路，后一级为差动放大电路，采用此电路能消除外部干扰信号对系统产生的干扰，调整电路如图3.2所示。以下对图中两极放大电路进行详细分析：从PT100提出的电压信号Ui（约0.20.3V），另一端接地处电压信号Gi，当R4=R6，R3=R9=R7=R8时，根据运放的理想特性可得U1、U2、U3的输出电压分别为：U1= （3-1）U2= （3-2）图3-2 A/D转换调整电路U3=（1+）（Ui-Gi） （3-3）由此可得，第一放大级的闭环电压放大倍数为：A1=1+ （3-4）R4固定，只要改变R5的阻值，即可调节放大倍数。对第二放大级而言，如果R10=R12，R11=R13，则： ANO= （3-5）其中VV为外加基准电压源，这样可以提高测量的灵敏度，基准电压电路如图3.3所示，使用LM336-2.5V，在此电路中其实际输出电压为2.47V。为了提高测量精度，测量放大器必须具有很高的共模抑制比，要求电阻元件的精密度很高，输入端的进线还要用胶合线以抑制干扰信号的窜入。 图3-3 基准电压电路3.1.3 DS18B20检测电路的实现美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，“一线总线”接口芯片独特而且经济，使用户可转松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20“一线总线”数字化温度传感器的测量温度范围为-55+125，在-10到+85范围内，精度为+0.5或-0.5，现场温度直线以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性能。适合在恶劣环境的现场进行温度测量，可应用环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品中。与前一代产品不同，DALLAS半导体公司的新产品DS18B20支持35.5伏的电压范围，使系统设计更灵活、方便，比先一代产品更便宜，体积小。DS18B20可以由设定912位分辨率，精度为+0.5或-0.5，可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。DS18B20的分辨率及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后仍保存。DS18B20的基本特性：(1) 独特的单线式接口方式：BS18B20与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯(2) 在使用中不需要任何外围元件(3) 可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5伏(4) 测温范围：-55+125，在-10+85时，精度为+0.5或-0.5，固有测温分辨率为0.5(5) 通过编程可实现912位数字读数方式，可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625(6) 用户可自设定非易失性的报警上下限植(7) 多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温(8) 多压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作(9) 12位分辨率时最多在750ms内把温度转化为数字(10) 温度转换时间由DS18的2s降为750ms，而且灵敏度大为提高，在逐渐升温的水中与精度为+0.5或-0.5的温度计几乎同步，且回复性很好(11) 每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待DS18B20内部结构：存储器和控制器高速缓存存储器8位CRC生成器温度灵敏元件低温触发器高温触发器TH配置存储器64位ROM和单线接口电源检测 INTERNAL VDD图3-4 DS18B20的内部结构DS18B20内部功能如图3.4所示：主要由如下4部分组成：(1) 64位ROM(2) 温度传感器(3) 非挥发的温度报警触发器TH和TL(4) 配置寄存器ROM中的64位序列号是出厂前被刻上去的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号，每个DS18B20的64位序列均不同。64位循环冗余效验码的特征多项式为CRC=X8+X5+X4+1。ROM的作用是使每一个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器完成对温度测量。高底温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。高速闪存（scratchpad）包括2Byte的温度寄存器，保存了温度传感器的数字输出。该闪存还提供了对上限（TH）和下限（TL）超标报警寄存器、配置寄存器（各1Byte）的访问。TH、TL和配置寄存器是非易失性的（EEPROM），系统掉电时，它们会保存数据。DALLASDS18 B201 2 312 3DS18B20的引脚：（1）其管脚图如图所示： GND DQ VDDNC NC NC NC VDD NCDQ GND 1 8 2 7 3 6 （BOTTOM VIEW） 4 5 TO-92 （DS18B20） 图3.5 DS18B20的SOIC封装管脚图 图3.6 DS18B20的TO92封装管脚图 （2）各引脚的功能说明如下：DQ：数据输入输出，漏极开路1线接口，可在寄生电源模式时提供电源VDD ：可选的电源电压脚，VDD在寄生电源模式时必须接地 GND：地DS18B20利用Dallas的单总线控制协议，实现了利用单线控制信号在总线上进行通信。由于所有的设备通过漏极开路端（即DS18B20的DQ脚）连在总线上，控制线需要一个上拉电阻（大约5千欧）。在这一线系统中，微控制器（主控设备）通过唯一的64位序列码识别和访问总线上的器件。由于每一个设备有唯一的编码，连在一条总线上可被访问的器件数实际上是无限的。DS18B20的另一个特点是在没有外部电源下操作的能力。电源由总线为高电平时DQ脚上的上拉电阻提供（寄生供电模式），此时VDD脚接地。另外，DS18B20也可用传统方式供电，此时将外部电源连在VDD脚上即可。DS18B20的工作特性：DS18B20的主要技术参数如下：输入通道数：296通道测量精度：-10-+85范围内基本测量精度-0.5或+0.5设定精度：与显示值一致，无相对误差显示：2位LED通道号显示4位LED测量值显示各通道报警状态指示灯告警方式：4种告警方式2点公用告警继电器输出多点控制继电器输出（扩展功能）传感器故障继电器输出（扩展功能）告警输出接点容量：AC250V、2A（阻性负载） 电源VO：AC187V242V，耗电量/0VA以下电源V1：DC2028V，耗电量8VA以下工作环境：温度050，温度2090%RH表3-1 DS18B20的推荐工作范围参数名称条件最小值典型值最大值单位供电电压VDD局部供电3.0-5.5V数据计DQ-0.3-+5.5V逻辑1VIH-2.2-VCC+0.3V逻辑0VIL-0.3-+0.8V表3-2 DS18B20的电气特性名称条件最小值 典型值 最大值 单位TERR-10-+85-0.5-55-+125-2-VIH局部供电2.2-5.5VDS18B20的应用介绍：DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。进行转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特RAM中，二进制的前面5位是符号位，如果测得温度大于这5位为0，只要将测到的数值乘以0.625，即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘以0.0625，即可得到实际温度。DS18B20的测温原理：DS18B20的测温原理如图3.7所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振的振荡频率随温度变化明显改变，所产生的信号作为减计数器2的脉冲输入，图中还隐藏着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，从而完成温度测量。预置计数比较器预置低温度系数振荡器减法计数器2减到0减法计数器1高温度系数振荡器温度寄存器减到0斜率累加器 图3-7 DS18B20内部测温电路框图计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量时，首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器1温度寄存器和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减计数器2计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。DS18B20的时序原理图：图3-8 初始化时序图3-9 写时序与读时序DS18B20的常用命令：（1）SKIP ROMCCH控制器可以用这一命令同时访问总线上的所有设备而不需要送出ROM序列码信息。例如：发出SKIP ROM命令后接着送出convert T 44H 命令，控制器可以使总线上的所有DS18B20同时进行温度转换，注意：仅当总线上只有一个从属设备时，SKIP POM 命令后才可跟着READ scratchpadBEH命令。如果总线上有多于一个的从属设备，由于多设备企图同时送出数据，将引起数据冲突。 （2）SEARCH ROMF0H当系统开始上电时，控制器必须识别总线上所有从机的ROM序列，以确定从机的数目和它们的类型。每一个search ROM 命令之后必须返回到事务序列的初始化。（3）READ ROM33H 这一命令开始一次温度转换。变换结束后，数据保存在暂存器的2字节温度寄存器中，DS18B20回到低功耗空闲状态。如果设备工作在寄生电源模式，则这一命令发出10us之内，在整个变换期间（tconv）控制器必须在总线上能够有强的上拉。如果DS18B20由外部电源供电，那么convert T命令之后控制器可以发出读时序。如果温度变换正在进行，那么DS18B20返回“0”；如果已经完毕，则返回“1”。在寄生供电模式下，不能使用这一技术，因为在变换期间总线被抬高。（4）WRITE SCRATCHPAD4EH这一命令使得控制器可以写3字节数据到DS18B20的暂存器中，第一字节数据写到TH寄存器（字节2）第二字节数据写到TL寄存器（字节3），第三字节数据写到配置寄存器（字节4）。数据以最低有效位先发送。所以3字节必须在控制器发出复位或数据可能丢失之前写完。（5）READ SCRTCHPADBEH这一命令使控制器可以读暂存器的内容，数据传送开始于字节0的最低位，直到暂存器的第9字节（字节8CRC）被读取。任何时候，如果只需部分暂存器数据，控制器可以使用复位结束读操作。DS18B20的接口电路： +5V +5VMCU P6.0 DS18B20 3.35V 3.3V5V 4. 4.7K1wire BUS GND 图3-10 寄生电源工作方式DS18B20 +5vMCU P6.0 4.7K 1wire BUS 外接电源+5V 接其他1wire器件图3-11 外接电源工作方式DS18B20有两种工作模式，寄生电源工作方式和外部电源工作方式。两种方式的电路如下图所示。图3.10中，DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地。图3.11中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V5.5V电源供电。单片机采用P6.0线和DS18B20通信。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，但在实际应用中应该注意以下几方面的问题：（1）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进行编程时，必须严格的保证读写时序，否则无法读取测温结果。（2）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注意。（3）连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。（4）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，将无返回信号，程序进入死循环。测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线和信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。3.2 显示电路的设计LED数码管的显示方式分为:静态显示方式和动态显示方式。每个数码管相同的显示位都连接在一起,每个数码管的公共端都分别引出组成其动态显示电路.这里使用的是其LED的动态扫描电路。 图3.12是LED的动态显示电路，我们使用了C8051F040的 P1口和P3口，我们通过一片面74LS273对地址进行锁存，如果P1口仅用于显示驱动，而没有与其它外设进行数据交换，可省略这个锁存器，直接或通过其他驱动电路驱动连接LED。地址线我们通过六个非门74LS04对6位LED进行分时选通，这样在任一时刻，只有一位LED是点亮的，但只要扫描的频率足够高(一般大于25Hz)，由于人眼的视觉暂留特性，直观上感觉却是连续点亮的，这就是常说的动态扫描电路。在此电路中，74LS273用于驱动LED的8位段码，8位LED相应的ag段连在一起，它们的公共端经74LS04反相驱动的输出端。这样当选通某一位LED时，相应的地址线(74LS04输出端)输出的是高电平，所以LED选用共阳LED数码管。图3-12 LED的动态显示电路74LS273是8位D锁存器，具有20个管脚的双列直插式TTL芯片，其管脚图如图3.13所示。 图3-13 74LS273芯片它具有清零端CLR和锁存控制端/CP，只有当/CP端具有低电平有效信号时，D0D7输入端上的信号才会被锁存到74LS273内，并在Q0Q7的输入端上输出；当/CP端为高电平无效信号时，原被锁存的信号不会因输入端D0D7上信号的变化而改变。74LS723芯片适合作为输出接口用。3.3 键盘电路的设计键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，操作员通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。键盘上闭合键的识别由专用硬件实现，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。键盘的工作：图3-14 键盘的结构图键盘的结构如图3.14所示，采用键盘动态扫描电路。图中行线通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所有的行线P0.4、P0.5和列线P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、断开，行线P0.4、P0.5都呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，则该键所对应的行线和列线短路。其按键均采用扫描方式,其中行线P0.4、P0.5负责行位置扫描,而列线P0.0、P0.1、P0.2、P0.3负责提供对列码的检测。3.4 电源电路图3-15 电压转换芯片TPS7333由于C8051F040的工作电压只有2.73.6V。因此，我们在电路设计中还需要一个电压转换芯片TPS7333来将5V电压转换为2.7V3.6V之间。其芯片结构如图3.15所示，它可以将5V电压转换为3.3V，以满足C8051F040的正常工作。4 系统软件的设计4.1 温度采样部分此部分完成的任务是PT100数据采样、处理DS18B20信号、串行通信和CAN总线通信等四部分。因为温度变化相对比较缓慢，只需在1us内能完成一次循环扫描就可以满足要求，所以将PT100采样和DS18B20处理主要放在主程序中处理，而串行通信和CAN通信则有相应的中断程序完成。温度采样流程如图4.1：调用PT100采样模块开始初始化开通某一通道是PT100吗？T值保存启动串行通信调用DS18B20处理模块NO NOYES YES 图4-1 温度采样流程图主程序实现过程如下：先对系统进行初始化，对一些参数表定义；接着进入死循环，在循环程序里选择通道，判断通道上的传感器是PT100还是DS18B20，然后调用对应模块进行处理，最后保存温度参数在表中供通信程序流程。4.2 数字温度传感器DS18B20的工作时序根据DS18B20的通信协议，用主机控制DS18B20以完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。每一步操作必须严格按照时序规定进行。DS18B20的工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。DS18B20的操作总体流程如图：初始化DS18B20开始读DS18B20的序列号检测DS18B20存在否？发送跳过ROM指令温度转换I=1，等待初始化DS18B20发送DS18B20编码读取温度数据 YES NO图4-2 DS18B20的操作总体流程图4.3 键盘部分软件键盘扫描程序操作过程如下：先将某一横行置为低电平，然后扫描所有纵行看是否有低电平。如果找到则根据算法（闭合键的键号等于为低电平的列号加上为低电平的行的首键号）计算其键值，返回键值；再置下一个横行为低电平，如此不停的扫描。在主函数中判断其键值，做相应的操作。开始有键闭合吗？软件延时10ms有键闭合吗？确定按键位置闭合键释放否？按键值- return返回 NO YES NO 图4-3 键输入程序的流程键输入程序的流程如图4.3所示。采用显示子程序作为延时子程序，在此显示子程序仅作了延时程序使用。键盘扫描变量为keyscan，不断扫描键盘直到有一键按下，最后键值存于return中返回键值。键值是以键号进行编码所得的值。下面是键盘扫描的子程序，我们首先把键盘驱动线的第一根线D0置高，然后分别再检测信号线K0-K3是否有高电平的信号，如果有信号，那么就证明这根信号线与D0相交处的按键被按下了。单片机读入这个按键值。如果所有2根信号线都无信号。那么，我们把D0置低，把D1置高，再一次检测信号线有无信号。由于键盘扫描速度很快，而人按键总会保持一定的时间，因此，只要单片机处于等待输入的状态，这个键盘扫描程序基本上不会错过任何一个按键信号。Unsigned char keyscan() PinDrvkey1=TRUE; If(PinScanKey1=TRUE) Return=1; If(PinScanKey2=TRUE) Return=5;If(PinScanKey3=TRUE) Return=9;If(PinScanKey4=TRUE) Return=13;PinDrvKey1=FALSE; /以上语句扫描第一列 Delay(DELAY_VALUE);PinDrvkey2=TRUE; If(PinScanKey1=TRUE) Return=