资源描述
摘 要 单片机对温度的测控是一个产业生产中经常遇到的控制问题，采取单片机对温度进行测控不但具有控制方便、简单和灵活等优点，并且可以大幅度提高控制质量。单片机组成的温度测控系统是通过单片机8051及其温度检测和控制电路，对情况的温度进行控制。本文主要介绍了温度传感器的选取和温度实时测控装置硬件部分的电路设计。设计中选用奇特的单总线温度传感器DS1820，并且把整个硬件系统的电路设计分别为DS1820与8051的硬件接口电路设计、数据显示与键盘设计、数据存储器的扩展电路设计、通信接口电路设计。该装置可实现情况温度的实时丈量与控制，并能记录、存储相关数据，并附有通信接口，能方便地应用于种种温度控制场合。要害词：单片机；传感器；检测 ；控制 ；电路 AbstractMicrocomputer to temperature monitoring is a frequently encountered by the industrial production control, adopting microcomputer to carry on the control to them not only have the control convenience, simple and agility, but also with significant improve the quality of control. Making use of 8051 and its temperature detection and control circuits, microcomputer temperature control system can carry on the detection and control to the temperature of the environment. This article mainly introduces the selection of the temperature sensors and the circuit design of the temperature real-time detection and control hardware device partial. I choose DS1820 the unique 1-wire bus temperature sensor, and divide the whole circuits of hardware system for the DS1820 with the 8051 of hardware interface circuit design, data display and the design of keyboard, the expand circuit design of data memory and the circuit design of communication interface. This device can achieve real-time measurement and control of environmental temperature, and can record, saving related data, and append the communications interface, so can be apply in various situation of temperature control expediently.Key Words：microcomputer；sensor ；detect ；control ；circuit目 录1概述11.1单片机组成的情况温度控制装置的意义1.2温度测控装置所实现的成果2微机控制系统简介 1.1 微机控制系统的组成 1.2 微机控制系统的分类 3温度传感器的选择 3.1 温度传感器的分类 3.2 温度传感器信号传输模式 3.3温度传感器简直定 3.4单总线温度传感器DS1820介绍4温度测控装置的电路设计 4.1 Intel8051单片机简介 4.1.1 Intel8051的结构及特性 4.1.2 Intel8051时钟电路与复位电路 4.2 DS1820与8051的接口电路设计 4.3温度显示与键盘设计 4.3.1 LED数码管简介及其显示电路 4.3.2 键盘电路设计4.4 存储器的扩展电路设计4.5通信接口电路设计 4.5.1 RS-323C标准介绍 4.5.2 MAX232与8051的接口电路5.总结单片机组成的情况温度实时测控装置设计1.概述本课题的题目是“单片机组成的情况温度实时测控装置设计”，主要论述了情况温度实时测控装置的硬件部分的设计，包罗核心元器件的选取和介绍、单片机控制系统的电路设计。1.1单片机组成的情况温度控制装置的意义电子技能和微型盘算机的迅速生长，促进了微型盘算机丈量和控制技能的迅速生长和遍及应用。可以说，微机测控技能的应用己渗透到百姓经济的各个部分。国防技能，航空，航天，铁路，冶金，化工等财产自不必说，就连日常生活中也用上了微机控制的电梯，微波炉，电冰箱，电视机，电扇，智能照相机，玩具，模糊控制洗衣机，模糊控制空调机，携带式心脏监护机等，所有这些智能机电一体化产物的出现，无不是微机测控技能的乐成应用。情况温度是一种最根本的情况参数，人民的生活与情况的温度息息相关，在产业生产历程中需要实时测控温度，在农业生产中也离不开温度的测控，而温度也是最不易保障的指标，因此研究可靠并且实用的温度测控装置具有重要的意义。而采取MCS51单片机来对温度进行控制，不但具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，并且可以大幅度提高被控温度的技能指标，从而能够大大提高产物的质量和数量。情况温度实时测控装置在产业生产中也会经常会遇到，因此，具有很强的实用代价。测控温度的要害是控制器和温度传感器。情况温度实时测控装置的设计采取的控制器为51单片机，温度传感器是智能集成温度传感器DS1820。单片机作为控制器件，具有体积小、成果强可靠性高、代价低廉等一系列优点，再加上近年来随着盘算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不绝地走向深入，同时发动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用。单片机不但已成为产业测控领域普遍采取的智能化控制东西，并且已渗入到人们事情和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技能改革和产物的更新换代。因此，设计该装置时选用的控制器是8051单片机，以包管到达设计的控制要求。DS1820是智能集成数字温度传感器，能快速准确的进行温度收罗，从而使温度的检测和控制到达设计要求。1.2温度测控装置所实现的成果情况温度实时测控装置可在050的范畴内任意设定温度控制点，数码管可以显示出情况温度，并附有RS-232通信接口可使多个这样的装置方便地与盘算机互联，以实现温度的测控。由于该装置采取了一线数字温度传感器DS1820来实现温度采样，所以也可以实现多点温度采样的会合控制。别的，该装置还可自动控制多个设备的多点时间控制电路，便于成果的扩展，可包管温度指标满足设计要求。因此能方便地应用于种种温度控制场合，因而具有更遍及的应用。情况温度实时测控装置的设计，是以8051单片机为控制核心，以DS1820为温度检测核心组成一个情况温度的实时丈量与控制系统。该装置可实现的成果如下：（1）在050间可任意设定温度控制点；（2）可以实时显示监测情况温湿度的变革情况，并记录、存储相关数据；（3）具有多点定时设备控制电路，便于成果扩展；（4）配有通信接口，可方便地与盘算机进行通信；（5）温度控制的精度为：（050）0.5。本装置的整个硬件系统的电路分别为DS1820与8051的硬件接口电路、数据显示与键盘、数据存储器的扩展电路、通信接口电路，并通过这些电路来实现上述成果，在本论文中将对这些电路作详细介绍。2微机控制系统简介微机测控系统是由微型机与其它器件和装置适当连接起来的硬件系统，并在软件的操纵下协调运行执行预定的丈量与控制任务。电子技能和微型盘算机的迅速生长，促进了微型盘算机丈量和控制技能的迅速生长和遍及应用。可以说，微机测控技能的应用己渗透到百姓经济的各个部分。国防技能，航空，航天，铁路，冶金，化工等财产自不必说，就连日常生活中也用上了微机控制的电梯，微波炉，电冰箱，电视机，电扇，智能照相机，玩具，模糊控制洗衣机，模糊控制空调机，携带式心脏监护机等，所有这些智能机电一体化产物的出现，无不是微机测控技能的乐成应用。2.1微机控制系统的组成 微机控制系统包罗硬件和软件两部分。 硬件是微机控制系统的物质底子。它在软件的协调下运行，实现对生产历程或被控东西参数的查验，完成对生产历程或被控东西的控制任务。 硬件包罗:主机，外部设备，传感器和变送器，功率放大和执行机构，模拟量输入通道，模拟量输出通道，开关量输入和输出通道，接口电路和电源。控制系统的软件，指的是它的全部步伐，包罗系统软件和应用软件两大类。其中系统软件主要包罗以下内容:(1)监控步伐和操纵系统监控步伐是一种低级盘算机的治理步伐。它的成果是扫描键盘，实现人机对话，担当用户步伐，显示、调试、修改和运行用户步伐，显示和修改存储器中的内容。通电后立即进入监控步伐，种种步伐均在监控步伐下运行。 操纵系统是一种微型盘算机的大型治理步伐，是在监控步伐的底子上进一步扩展许多控制步伐形成的。其主要成果是实现人机对话，治理微型机、存储器、操纵台、外部设备、文件和作业进程。它控制种种软件，如汇编步伐、解释步伐、编译步伐、I/0驱动步伐、连接步伐等。（2）汇编步伐、解释步伐和编译步伐汇编步伐用于把汇编语言步伐变为盘算性能够认识和执行的呆板语言步伐，也称为目标步伐。例如MCS-51单片机仿真器里有MCS-51汇编步伐，用户可以把自己用汇编语言编写的步伐送入仿真器然后把它变为呆板语言步伐，再把这些呆板语言步伐固化到EPROM中，EPROM中的步伐就可以在用户系统中执行。 解释步伐能把用某种步伐设计语言写的源步伐(如BASIC)，翻译成呆板语言的目标步伐，此目标步伐是可执行步伐。 编译步伐能把用高级语言编写的源步伐，编译成某种中间语言(如汇编语言)或呆板目标步伐。应用软件是由微机控制系统的设计者编写的，对差别的系统，应用软件的差别也很大，就算是同一个系统，也会有多种应用软件。应用软件一般采取模块化结构，一个步伐模块就是一个子步伐。总的来说，这些子步伐可分为两类:通用软件和专用软件。(1)通用软件通用软件在一般的微机控制系统软件设计中经常用到，常见的有以下几种：a.数制变更步伐，例如二进制与BCD码之间相互转换步伐；b.运算步伐，包罗加、减、乘、除、乘方、开方、函数运算等；c.数字滤波步伐，用于对数据进行处理惩罚；d.工程量步伐，在工程显示时往往会用到这类步伐；e.查表步伐，例如查找热电势对应的温度值；f.报警步伐。(2)专用软件这是针对某一具体控制系统和差别控制规律体例的步伐，常见的有以下几种:a.数据收罗步伐;b.输出步伐;c.种种控制算法步伐，例如PID算法步伐。2.2微机控制系统的分类 微型机控制系统有多种分类要领，这里是按单片机在系统中参加控制的方法来分。（1）生产历程的巡回检测和数据处理惩罚系统这种系统是微型机不绝轮流检测生产历程的各个参数，即所谓巡回检测，然后微型机对所测得的参数进行处理惩罚和加工，如数字滤波，并将处理惩罚和加工的数据存于半导体存储器或磁盘上，在需要时可打印和显示这些数据。如果产生异常情况，还可以发作声光报警。这样的系统称为生产历程的巡回检测和数据处理惩罚系统，简称为巡回检测系统或数据收罗系统。人们可以利用巡回检测系统所得到的数据和信息得到生产历程的数学模型和其它有用信息，作为设计或修改微型机控制系统的依据。这种系统更多地是作为较大型和庞大的生产历程控制系统的一部分，作为这个控制系统的数据收罗装置，它能快速向微机提供生产历程的有关数据和信息，由微机行庞大的运算和决策，以便实现自适应控制和最优控制。 （2）直接数字控制系统(DDC) DDC (Direct Digital Control)控制系统，就是微型机不但对数据进行收罗，还通过输出通道直接对生产历程进行控制。这里的“数字”二字是区别于模拟或连续控制系统而言的。大多数直接数字控制系统不需配备磁盘驱动器、打印机和显示终端，而用简单的数码显示器取代显示终端。系统的控制历程是：DDC微型机通过模拟量输入通道和开关量输入通道巡回检测生产历程的参数，并与事先存于存储器中的给定值进行比力，得出误差(给定值与生产历程的被调量之差)，然后凭据误差及其变革趋势，运用体现控制规律的控制算法(步伐)求出控制器的输出量，并通过模拟量输出通道和开关量输出通道送给执行机构，控制生产历程，使被控量靠近给定值。 （3）盘算机监督控制系统(SCC) 盘算机监督控制系统即SCC (Supervisory Computer Control)系统是比DDC系统更高一级的系统，它是一个两级控制系统。上位级是SSC盘算机，它凭据原始的生产工艺信息和其它信息，如运行条件的变动等，凭据生产历程的数学模型，盘算出生产历程的最优给定值(设定值或期望值)送给SCC盘算机的下级盘算机。创建生产历程的数学模型和求解控制战略是SCC盘算机的两个重要任务。由于SCC盘算机的输出不直接控制执行机构，而是给出下级盘算机的设定值，所以这种系统也称为设定值控制系统SPC (Set Point Computer)。监督控制系统的下位级为DDC盘算机或模拟控制系统，它对生产历程进行直接控制，从而实现整个生产历程的综合最优控制，例如生产效率高、产物质量好、能源消耗少、原质料省、本钱低、人员和设备宁静等。（4）盘算机多机控制系统 盘算机多机控制系统是为了适应现代化产业生产范围大，生产历程庞大，要求可靠性高的要求出现的，它不但对生产历程进行控制，还进行种种治理事情。整个系统由三级组成:最低级为直接控制级，中间级为盘算机监督控制级(SCC)，最高级为治理级MIS（Management Information System）。直接控制级收罗生产历程的参数，吸收来自SCC盘算机的给定值并按预定的控制规律对被控东西进行控制。监督控制级的SCC盘算机的作用如前面所述，其成果主要是创建历程的数学模型，求解控制战略，确定各DDC级的给定值并传送给各DDC级以实现最优或自适应控制。SCC盘算机不但可以与DDC级通讯，各SCC级之间也有通讯联系，以便交换信息。（5）漫衍型综合控制系统漫衍型综合控制系统TDCS （Total Distributed Control Systems）也称为漫衍型微处理惩罚机控制系统(Distributed Microprocessors Control Systems)或漫衍控制系统(Distributed Control Systems)，简称集散系统或漫衍系统。它实质上就是一种多级控制系统，只不外系统各部分(硬件和软件)以组件或模块的形式出现。 集散控制系统由根本控制器进行局部疏散控制，用协调级协调各根本控制器的事情，实现最优控制，并实现会合监督、操纵和治理，以到达掌握全局的目的。集散系统的优点是：（1）容易掌握，组建系统事情量少。（2）扩充灵活，可实现种种控制。（3）疏散控制，妨碍疏散，再加上有完善的系统自检成果，故可靠性高。（4）会合协调和治理，可实现最优控制。（5）维修方便。哪一部分有妨碍，换下来即可，系统可不绝止运行。对付大型集散系统，用户可以购买现成模块，只需把模块连接起来并对软件进行组态就可组成系统。按这种要领组成系统，节省时间，系统性能优良，可靠性高。凭据单片机组成的温度测控装置的设计要求实现的成果如下：（1）在050间可任意设定温度控制点；（2）可以实时显示监测情况温湿度的变革情况，并记录、存储相关数据；（3）具有多点定时设备控制电路，便于成果扩展；（4）配有通信接口，可方便地与盘算机进行通信；（5）温度控制的精度为：（050）0.5。为了到达上述要求，并且使装置结构尽量简单，本温度测控装置采取的是直接数字控制方法，属于直接数字控制系统。3.温度传感器的选择设计情况温度实时测控装置，首先遇到的问题就是选用什么样的温度传感器，这对付整个系统的性能、简繁水平以及设计本钱等都有一定的影响，因此我对种种温度传感器先进行了比力。温度传感器的生长经历了三个生长阶段：传统的分立式温度传感器，模拟集成温度传感器，智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的偏向飞速生长。3.1温度传感器的分类 依据制作温度传感器采取质料的差别，常用的温度传感器有热电偶、热电阻、NTC热敏电阻、半导体温度传感器等。 热电偶由两种特定的金属质料(如铂锗)结合后制成，测温范畴一般在-184至2300。热电阻是由一种特定的金属质料(如铂等)制成的，测温范畴一般在-200至850。以上两种温度传感器测温范畴宽、可以在高温场合事情、体积较大、本钱较高。 NTC热敏电阻即负温度系数热敏电阻。它由Mn-Co-Ni-Fe-Cu等过渡金属氧化物的2至4种组合，采取陶瓷工艺烧结而成。测温范畴一般在-55至300。NTC热敏电阻阻值随温度的变革切合指数规律，其最大的缺点也在于它的非线性，一般需要经过线性化处理惩罚，使输出电压与温度之间根本上成线性干系。随着对检测温度精度要求越来越高，以及丈量情况要求越来越苛刻，目前，人们正在研制高精度高可靠性的NTC热敏电阻。NTC热敏电阻的综合性能以日本的产物为最好。 NTC热敏电阻主要用于静电复印机、自动化设备、热打印头、锅炉、热水器等做温度控制检测。半导体温度传感器的温度检测依据是PN结正向电压和温度的干系。其测温范畴一般在-55至150。半导体温度传感器很容易制成集成温度传感器。与热电偶、热电阻、热敏电阻等其它温度传感器相比，半导体温度传感器具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等特点。另外，它将驱动电路、信号处理惩罚电路以及须要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有尺寸小、使用方便等特点。随着集成工艺的提高，集成温度传感器的成果和性能己有了较大的提高，已遍及应用于台式盘算机、条记本电脑、打印机、数字相机、汽车电子、家电控制器等系统。 集成温度传感器一般用来丈量自身封装的温度，但是片上加热后封装温度上升，可以丈量气流温度，二极管连接方法的三极管可以丈量远端温度。集成温度传感器的信号输出有三种形式：模拟输出、逻辑输出和数字输出。 凭据温度传感器的输出信号方法，可以分为模拟温度传感器、逻辑温度传感器和数字温度传感器。 （1）模拟温度传感器 模拟温度传感器输出模拟信号，信号为电压或电流。模拟信号必须经过专门的A/D转换接口电路，转换成数字信号后才华由微处理惩罚器进行处理惩罚。 传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器都是将温度经过一定的接口电路转换后输出电压或电流信号，再用这些电压、电流信号进行丈量控制。如果想将这种模拟信号转换成微处理惩罚器可以处理惩罚的信号，需要利用模数转换器将模拟信号转换为数码，然后由微处理惩罚器读取、处理惩罚。另一种转换方法是进行V/F变更。V/F变更器实际上是一个振荡频率随控制电压变革而变革的振荡电路。 电压输出温度传感器主要特点是电源电压和电流比力低，在传输线路电压降和电压噪声不是主要考虑因素时，其电压输出直接成为控制系统和数据收罗系统的输入。常用的电压输出半导体温度传感器有NS公司的LM35/45/50等。 电流输出温度传感器的主要特点是输出阻抗高，输出电流不受传输线路电压降和电压噪声的影响，且对电源电压脉冲和漂移具有很强的抑制能力。电流输出温度传感器与微处理惩罚器接口时，一般仍需将电流酿成电压，再转换成微处理惩罚器可以处理惩罚的信号。这样的传感器有AD公司的AD590、TMP17等。 （2）逻辑温度传感器 逻辑温度传感器在有些文献中将其分别为模拟温度传感器，称为输出跳变信号的模拟温度传感器。 在有的系统中，并不需要知道精确的温度值，而只需了解温度是否高于或低于某特定值即可。该信息可用来触发电扇、空调、加热器等情况控制单位。这种特殊的模拟传感器一般只是输出跳变信号进行控制，通常称之为温度控制器。 逻辑温度传感器可由传统的温度传感器和比力器组合或集成而成。当温度凌驾预设门限时，输出产生变革，一般是电平产生跳变。如Maxim公司的MAX6501/6502, AD公司的AD22105等均属于此类产物。 （3）数字温度传感器 习惯上将具有数字输出能力的温度传感器称为数字温度传感器。将模拟温度传感器与数字转换接口电路集成在一起制成的温度传感器是其中的-种。另一种是传感器内部不涉及到模拟量的真正意义上的数字温度传感器，比如用振荡器和计数器等组成的温度传感器。由于半导体技能的迅猛生长，成果越来越强大、精确，廉价的数字温度传感器己在不绝推出。数字温度传感器目前有单线输出和多线输出等形式。 单线输出数字温度传感器的特点是接口电路简单。由于只有一根输出线，丈量出的温度值必须转换成某种方法以方便进行输出。常见的输出方法有时间输出、频率输出以及数值输出等。由微处理惩罚器将温度传感器输出的信号转换成真实温度值，再进行进一步的处理惩罚与控制。 多线输出数字温度传感器采取的是目前比力成熟的几种产业总线形式，输特别式时序严格遵守某种协议，方便使用，适合于种种场合，尤其是远端丈量。这种温度传感器一般有多根线进行输出。3.2温度传感器信号传输模式温度传感器信号传输的模式，凭据温度传感器的种类及其与数据收罗器之间连接方法的差别，可以分为多线制和总线制。对付使用模拟温度传感器的温度检测系统，为了解决温度传感器供电和信号传输问题，温度传感器与数据收罗器之间采取多线方法连接，即每个温度传感器至少有两根线与数据收罗器相连，这样按线的分派方法差别，常见的有2N线制，N+2线，即有2根大众线，N+ 1线制，有1根大众线等几种。如图3.1所示是N+1线系统的连接形式。 图3.1 N+1线系统多线制系统用线量大，安装、调试和维护困难，点数多时将造成本钱的大幅度提高。但由于原理简单、可靠性高，目前在小范围工程及产业领域仍然使用这种多线制系统。随着通信技能的进步，出现了总线制传输方法。总线制通常采取地点编码方法将所有的传感器并联在24根总线上，每个温度传感器拥有自己独立的地点以区别其它温度传感器。目前应用较多的是2总线制和单总线制。2总线制中温度传感器与数据收罗器之间需要两根数据线传送信息；单总线制中则只需要一根数据线通报信息。图3.2和图3.3分别是2总线和单总线的连接形式。图3.2 2总线连接形式 图3.3 单总线连接形式 对付多线制系统，信号传输的内容不包罗地点信息，差别的温度传感器凭据信号线的接口位置的差别进行区分；对付总线制系统，信号传输的内容必须包罗地点信息，以此区分同一个接口上的多个温度传感器。单总线也称为一线总线。单总线技能是美国DALLAS半导体公司近年推出的新技能。它将地点线、数据线、控制线合为一根信号线，允许在这根信号线上挂接多个测控东西，这些测控东西所用器件芯片是由DALLAS公司提供的。每个芯片均有一个64位的ROM，厂家对每一个芯片烧写了牢固的编码，其中存有16位十进制编码的序列号，也称之为身份证号，确保挂在单总线上后，可以被唯一地区分并识别出来。这是定位和寻址器件实现单总线测控成果的前提条件。ROM中含有CRC校验码，能确保数据互换可靠。芯片内还设有收、发控制和电源存储电路。这些芯片在检测点就把模拟信号数字化了，这样在单总线上传送的是数字信号，提高了系统的抗滋扰性能和可靠性。这类芯片的耗电量都很小，既可以用电源从供电端直接供电，也可以从总线上“偷”一点电，空闲时几微瓦，事情时几毫瓦，并把“偷”来的电存在大电容中，供芯片电路正常事情使用。这种供电方法被称为数据线寄生供电。单总线芯片入口的示意图如图3.4所示。图3.4 单总线芯片入口示意图 单总线技能是创建在码分多址、串行数据互换底子上的，因此只能用于对速度要求不高的场合，一般用于100kbps以下速率的测控系统中。3.3温度传感器简直定 研究了目前种种温度传感器的特性以及信号传输方法后，我认为单片机情况温度实时测控装置中选择单总线数字温度传感器DS1820比力符合。 传统的温度检测系统以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻本钱低，但需要后续信号处理惩罚电路，并且热敏电阻的可靠性较差，丈量温度的准确度低，检测系统的精度差。 如果采取模拟温度传感器，模拟信号在传输历程中遇到的滋扰问题往往不能得到彻底解决，当传感器与数据收罗器距离较远，信号线周围存在电磁滋扰源时，该问题显得尤为突出。另外，模拟传感器特征参数的不一致性和放大器的零点漂移问题使系统调试变得十分困难。 从温度传感器信号传输方法考虑，多点检测时多线制用线量大，施工困难，本钱高，系统的整体可靠性差；2总线制由于不能采取寄生供电，传感器数量较多时，也会使整个系统结构变得庞大起来。 单总线数字温度传感器克服了上述不敷。用单总线温度传感器设计单片机情况温度实时测控装置具有如下特点：较高的性能代价比；监测东西越多越能显示其优越性；硬件施工事情量少；系统维修方便；抗滋扰性能好；有CRC校验，可靠性高；系统简明直观。 由于单片机情况温度实时测控装置温度巡检的速度并不要求太快，所以单总线速率较慢的问题不会对系统造成明显的不良影响。3.4单总线温度传感器DS1820介绍 DS1820的引脚见图3.5图3.5 DS1820的引脚图GND：接地引脚。DQ：数据输入/输出引脚(单总线接口，可作寄生供电)。VDD：+5V电压电源电压引脚。 DS1820是DALLAS半导体公司生产的单总线数字温度传感器。单线数字温度传感器是通过输出9位(二进制)数字来直接体现所丈量的温度值，温度值是通过DS 1820的数据总线直接输入到CPU，无需A/D转换，并且读写指令以及温度转换指令又都是通过数据总线传入DS 1820，可以无需接外部电源。因为每一个DS 1820在进场是已经给定了唯一的编码，该编码存放在DS 1820内部ROM中。开始的8位是产物类型编码。接着的48位是每个器件的唯一序号。最后8位是前面56位的CRC(循环冗沉查验)码。正因为每个DS1820都包罗有一个唯一的64位ROM编码，所以可以在一根总线上挂接多个器件。DS1820数字温度传感器与AD590, LM35等温度传感器相比除具有相当的测温范畴和精度外，还具有温度丈量精确，不受外界滋扰等。并且所有的传感元件及转换电路集成在一块极小的芯片上，外形如同普通小功率塑封三极管，体积很小，在温度测控系统中使用十分方便。与其它温度传感器相比DS1820具有以下特点： 1、奇特的单线接口方法。DS1820在与微处理惩罚器连接时仅需要一条接口线即可实现微处理惩罚器与DS1820的双向通讯。 2、DS1820在使用中无需任何外围元件。 3、可以由总线提供电源。 4、支持多点组网成果。多个DS1820可以并接在同一条总线上，实现多点测温。 5、测温范畴-55至+125，固有测温辨别率0.5。 6、丈量结果以9位数字量方法串行传送。7、可以设置温度警报系统，当温度超界时可以通过警报搜寻命令，和外部设备相连。8、转换温度时间小于1秒。DS1820的内部结构框图如图3.6所示。 图3.6 DS1820的内部结构框图 1、DS1820的寄生供电原理 DS1820既可以由外部电源供电也可以利用总线信号寄生供电。在寄生供电情况下，当总线信号为高电平时，DS1820从总线上得到能量并储存在内部电容上；当总线为低电平时，由电容向DS1820供电。利用DS1820的这一特点，可以组成简便明了的温度测控系统，能节省大量的线材以及施工用度。2、DS1820的测温原理DS1820的测温原理框图如图1-7所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生牢固频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变革其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1、计数器2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，温度计数器的值将加1，计数器1的预置值将被重新装入，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，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3.7中的斜率累加器用于赔偿和修正测温历程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。 图3.7 DS1820的测温原理框图在正常测温情况下，DS1820的测温辨别率为0.5，以9位数据格式体现，其中最低有效位(LSB)由比力器进行0.25比力，当计数器1中的余值转化成温度后低于0.25时，清除温度寄存器的最低位(LSB)；当计数器1中的余值转化成温度后高于0.25时，置位温度寄存器的最低位(LSB ) 。DS1820操纵的总体流程分三步完成：系统通过重复操纵，搜索DS1820序列号；启动所有在线DS1820做温度A/D变更；逐个读出在线DS1820变更后的温度数据。4温度测控装置的电路设计为了使单片机组成的情况温度实时测控装置的硬件设计具有条理行，并在设计时方便对整个控制系统硬件系统进行优化，我将整个硬件系统的电路设计分别为DS1820与8051的硬件接口电路设计、数据显示与键盘设计、数据存储器的扩展电路设计、通信接口电路设计。其装置结构框图如图4.1所示。 图4.1 单片机组成的情况温度实时测控装置的结构图下面首先介绍本系统的核心控制器件8051单片机和温度传感器的选，然后将分别介绍以上几种电路的设计。详细电路图见附录1。4.1 Intel8051单片机简介4.1.1 Intel8051的结构及特点Intel8051单片机为8位高等单片机，它在一块大范围集成电路上集成了CPU、ROM、RAM、定时器计数器和48位并行IO，一个串行IO线等一台微型机的根本部件，其结构框图如图4.2所示。 图4.2 Intel8051结构框图其内部的部件和特性如下： （1）一个8位微处理惩罚器；（2）振荡器和时钟电路；（3）4KB的片内步伐存储器； （4）可寻址外部步伐存储器和数据存储器，各64KB；（5）两个16位定时器计数器；（6）32位可编程并行IO口；（7）一个可编程全双工串行IO口；(8)二十多个特殊成果寄存器；(9)5其中断源，两个优先级嵌套中断结构。因为8051单片机芯片的集成度很高，它将微型盘算机的主要部件都集成在一个芯片上，所以它具有下列特点：（1）体积小、重量轻、代价自制、耗电少。（2）凭据工控情况要求设计的，许多成果部件会合在芯片内部，其信号通道受外界影响小，故可靠性高，抗滋扰性能优于采取的CPU。（3）控制成果强，运行速度快。其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。有极富厚的条件分支转移指令，有很强的位处理惩罚成果和I/O口逻辑操纵成果。（4）片内存储器的容量不可能很大，引脚也较少，I/O引脚常不敷用，且兼第二成果，但存储器和I/O口都容易扩展。 虽然，另有许多系列的单片机的性能比8051单片机越发优秀，但8051单片机组成的情况温度实时测控装置以能够到达设计要求，考虑到本钱因素及单片机的使用效率，我在本设计中选择了8051单片机作为系统的控制核心器件。4.1.2 Intel8051时钟电路与复位电路8051单片机芯片内部有一个反向放大器组成的振荡电路，XTAL1为振荡电路的输入端、XTAL2为振荡电路的输出端。8051的时钟可以由内部方法或外部方法产生。内部方法时钟电路如图4.3 所示，利用8051内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡。定时元件一般采取石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体可以在1.212MHz之间任选，电容可以在530pF之间选择，电容C1、C2的巨细，可起频率微调作用。上述电路可用示波器视察到XTAL2输出的正弦波。 图4.3 8051内部方法时钟电路 外部方法的时钟电路，如图4.4所示。XTAL1接地,XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，但需包管脉冲宽度，通常为频率低于12MHz的方波信号。图 4.4 外部方法时钟电路在单片机组成的情况温度实时测控装置的设计中，采取的是内部方法时钟电路。其电路结构简单，需要附加的元器件相对来说也较少。 要了解8051的复位电路，首先要知道复位的事情状态。复位不影响片内RAM存放的内容，但它在复位后单片机的初始状态如下：（1）（PC）=0000H 复位后步伐的入口地点为0000H；（2）（PSW）=00H由于RS1（PSW 4）=0，RS0（PSW 3）=0，复位后单片机选择事情寄存器0组；（3）（SP）=07H 复位后堆栈在片内RAM的08H单位处创建；（4）TH1、TL1、TH0、TL0的内容为00H，复位后定时器/计数器的初值为0；（5）（TMOD）=00H 复位后定时器/计数器0、1选择定时器事情方法0，非门控方法。（6）（TCON）=00H 复位后定时器/计数器0、1停止事情，外部中断0、1为电平触发方法；（7）（T2CON）=OOH 复位后定时器/计数器2停止事情；（8）（SCON）=00H 复位后串行口事情在移位积贮器方法、且禁止串行移位吸收；（9）（IE）=00H 复位后中断系统禁止事情；（10）（IP）=00H 复位后全部中断设置在低优先级中断状态；（11）P0P3口锁存器都是全1状态，说明复位后这些并行借口可以作输入口。 8051单片机和其他盘算机一样，经常有上电复位和操纵复位两种要领。所谓上电复位，是指盘算机上电瞬间，要在RST引脚上出现宽度大于10ms的正脉冲，使单片机进入复位状态。操纵复位是指用户按下“复位”按键使单片机进入复位状态。且复位电路是要靠外部电路实现的，复位电路的根本成果是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，取消复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才取消复位信号，以防电源开关或电源插头分合历程中引起的抖动而影响复位。如图4.5所示的RC复位电路可以实现上述根本成果，图4.7为其输入输出特性。但解决不了电源毛刺 (A点)和电源迟钝下降(电池电压不敷)等问题。并且调解RC常数改变延时会令驱动能力变差。左边的电路为高电平复位有效，右边为低电平，Sm为手动复位开关，C4可制止高频谐波对电路的滋扰。 图4.5 RC复位电路图4.6所示的复位电路是我所采取的复位电路，在一般的RC复位电路增加了二极管，在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。图4.7所示复位电路输入输出特性图的下半部分是其特性，可与上半部分比力增加放电回路的效果。图4.6 增加放电回路的RC复位电路 图4.7 RC复位电路输入-输出特性4.2 DS1820与8051的接口电路设计前面已对DS1820作了详细的介绍，采取DS1820数字温度传感器也是本系统设计的一个特点，但 DS1820究竟只是一个传感器，所以其自身无法独立事情，只有在微机的控制下事情，本系统选择的微机是8051单片机。另外因为DS1820可以使用寄生电源方法或外部电源方法提供事情能量，所以与8051接口有两种方法。图4.8为寄生电源方法。DS1820是通过当数据线在处于高电平时储存能量在内部电容中，当数据线处于低电平时则内部电容放电事情。这种事情方法主要由两个优点：（1）从电路接发上越发简单、清晰和明了；（2）淘汰传感器的功耗，使ROM在没有外部电源的情况下事情，掩护传感器。但是采取这种接法时，必须注意以下几点:（1）为了让DS1820精确的转换温度，必须给该器件提供足够的能量，即当该器件在进行转换温度时必须把数据总线拉高，给DS1820充电；（2） DS1820的最大事情电流为1mA则当几个DS1820同时事情，且都在转换温度时要特别注意这一点。所以在实际事情中一般都在数据总线上加一个提拉电阻，并用一个MOSFET来资助提供能量。 图4.8寄生电源事情方法 也可以采取外部电源事情方法，图4.9就是采取的这种方法，能够包管DS1820温度转换的精度，并且这样就不需要MOSFET，并且不必考虑DS1820的充电和功耗问题了，可以在同一数据总线上挂接任意个DS1820 。 图4.9外部电源事情方法综上考虑，为了满足温度检测的精度，并且使设计的系统有更大的扩展空间，我选用了外部电源事情方法。4.3温度显示与键盘设计4.3.1 LED数码管简介及其显示电路LED数码管是目前最常用的一种数显器件，它等效于多只具有发光性能的PN结。当PN结导通时，依靠少数载流子的注入及随后的复合而辐射发光，其伏安特性与普通二极管相似。在正向导通之前，正向电流近似于零，笔段不发光。当电压凌驾开启电压时，电流就急剧上升，笔段发光。LED数码管的主要特点如下:（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。（2）发光响应时间极短（0.1s）高频特性好，单色性好，亮度高。（3）体积小，重量轻，抗打击性能好。（4）寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时，本钱低。所以它被遍及用作数字仪器仪表、数控装置、盘算机的数显器件。单片机组成的情况温度实时测控装置设计就是选用的是4位LED数码管做温度显示。单片机组成的情况温度实时测控装置的设计选用了MAX7219数码管显示驱动器，这也是本设计的特点之一。传统的数码管显示驱动电路占用的系统资源较多若是动态显示，8位显示驱动电路一般由1片8255，4片5407组成，不但硬件资源占用多，并且需要由软件定时刷新，软件资源占用也不少；若是静态显示，8位数码管显示驱动电路一般由8片54LS164组成，硬件资源占用太多。现在，一片MAX7219便可完成8位数码管的显示驱动任务。虽然在本装置中只用了4位LED显示器，但用一般的显示驱动电路仍然比力庞大，选用MAX7219组成的驱动电路就相对简单明了多了，下面对MAX7219作简单的介绍。MAX7219是一种串行接口的8位数码管显示驱动器，其引脚图如图4.10所示。 图 4.10 MAX7219引脚图MAX7219是共阴极LED显示驱动器，其引脚成果为：（1）DIN：串行数据输入端。在CLK的上升沿,数据被装入到内部的16位移位寄存器中。(2)DIG7DIG0：8位数值驱动线。输出位选信号,从每位LED显示器大众阴极吸入电流。(3)GND：接地端。(4)LOAD：装载数据控制端。在LOAD的上升沿,最后送入的16位串行数据被锁存到数据或控制寄存器中。(5)DOUT：串行数据输出端。进入DIN的数据在16.5个时钟后送到DOUT端,以便在级联时传送到下一片MAX7219。(6)SEG ASEG G：LED七段显示器段驱动端。(7)SEG H：小数点驱动端。(8)VCC：+5V电源端。(9)Iset：LED段峰值电流提供端。它通过一只电阻与电源相连,以便给LED段提供峰值电流。 (10)CLK：串行时钟输入端。最高输入频率为10MHz，在CLK的上升沿,数据被移入内部移位寄存器；在CLK的下降沿,数据被移至DOUT端。MAX7219内部逻辑结构主要由8个数位寄存器和6个控制寄存器组成，分别是： （1）数位寄存器70：它决定该位LED显示内容。（2）译码方法寄存器：它决定命位寄存器的译码方法,它的每一位对应一个数位。其中,1代表码方法；0体现不译方法。若用于驱动LED数码管,应将数位寄存器设置为B码方法；当用于驱动条形图显示器时,应设置为不译码方法。（3）扫描位数寄存器：设置显示数据位的个数。该寄存器的D2D0（低三位）指定要扫描的位数,支持07位,各数位均以1.3KHz的扫描频率被分路驱动。（4）亮度控制寄存器：该寄存器通常用于数字控制方法,利用其D3D0位控制内部脉冲宽度调制DAC的占空比来控制LED段电流的平均值,实现LED的亮度控制。D3D0取值可从00001111,对应电流占空比则从1/32变革到31/32,共16级，D3D0的值越大，LED显示越亮。而亮度控制寄存器中的其他列位未使用,可置任意值。 （5）显示测试寄存器：它用来检测外挂LED数码管各段的优劣。当D0置为1时,LED处于显示测试状态,所有8位LED的段被扫描点亮,电流占空比为31/32；若D0为0，则处于正常事情状态。D7D1位未使用,可任意取值。（6）关断寄存器：用于关断所有显示器。当D0为0时,关断所有显示器,但不会消除各寄存器中保持的数据;当D0设置为1时,正常事情。剩下列位未使用,可取任意值。（7）无操纵寄存器：它主要用于多MAX7219级联,允许数据通过而不对当前MAX7219产生影响。MAX7219与8051单片机只有3根串行线相连，可以节约单片机的I/O口资源，最多可驱动8个共阴数码管或64个发光二极管。它内部有可存储显示信息的88静态RAM，动态扫描电路，以及段、位驱动器。它的特点有：（1）串行接口的传输速率可达10MHz；（2）独立的发光二极管段控制；译码与非译码两种显示方法可选；（3）数字、模拟两种亮度控制方法；（4）可以级联使用。MAX7219的数据输入主要由三根输入线完成。它们分别是串行数据线、时钟线与加载线。当1个16位的数据从高位到低位依次输入MAX7219后，在加载的上升沿将D7D0送入对应的内部寄存器。MAX7219的串行输入数据格式，高位字节的高4位保存，低4位为片内寄存器地点；低位字节为8位数据。单片机组成的情况温度实时测控装置中，8051单片机与MAX7219和4位LED数码管组成了一个数码管的显示系统。其中单片机的P1.2作为串行数据线，P1.1作为数据加载控制线，P1.0作为时钟线，电阻R4可改变LED的亮度,每段的驱动峰值电流约为R4中电流的100倍。R4的取值不能小于10K。实际使用时,可先用一只可调电阻调治亮度,达要求后用一只相同阻值的牢固电阻取代即可，在这里应注意, MAX7219的段电流正常事情范畴为1040mA,当段电流凌驾40 mA时,必须外加扩流电路。8051单片、与MAX7219和四位LED数码管组成的温度显示电路图如4.11。 图4.11 温度显示电路图由单片机向MAX7219输送信息的事情流程描述如下：（1）将P1.1置“低”；（2）将P1.2置成与“D15”相同的状态；（3）将P1.0先置“低”，再置“高”，产生1个移位脉冲将“D15”移入MAX7219；（4）重复历程（2）（3）将“D14D0”移入MAX7219；（5）将P1.1置“高”，将“D7D0”送入MAX7219片内相应的寄存器。历程（1）（5）用软件实现非常方便，可以由专门的子步伐来完成。别的，对MAX7219的各控制寄存器和位寄存器赋值也可方便地由循环步伐来完成。因为MAX7219有自动的动态刷新成果，所以赋值完毕后，单片机不必对它有其它的操纵，如定时刷新，这就大大减轻了单片机的事情包袱。4.3.2键盘电路设计通常键盘的列线接到微机的输出端，CPU依次向各列线发送低电乎（称为扫描），键盘的行线接到微机的输入口，CPU检测行线的电平，CPU对键盘的扫描可以来用步伐控制的随机方法，即CPU在空闲时间才去扫描控盘。也可以采取定时控制方法，即CPU每隔一定的时间对键盘扫描一次。还可以采取中断方法，当键盘上有键按下时，向CPU发出中断，在CPU响应中断时，对键盘进行扫描，以判断哪个键被按下。单片机组成的情况温度实时测控装置采取的是四位键盘，采取的扫描方法是中断方法。因为这种中断扫描方法既能确保单片性能实时地响应键盘的输入，又提高单片机的事情效率。 四个键的成果如表4.1：代号接口键名成果S1P1.4MODE不按显示当前温度，按下时显示设定温度S2P1.5SET按下此键时才华设定温度值S3
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