【正文】 采用溫度芯片 DS18B20 測量溫度，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化這個趨勢。部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時 更快。而且集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測量電路的精確度。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。本方案應(yīng)用這一溫度檢測芯片，也是順應(yīng)這一趨勢。 濕度傳感器的選擇 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式 、 電阻 式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù) 、 電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測量的。 方案一：采用 HOS201 濕敏傳感器。 HOS201濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流 1V 以下，頻率為 50HZ～ 1KHZ，測量濕度范圍為 0～100%RH，工作溫度范圍為 0～ 50℃，阻抗在 75%RH（ 25℃）時為 1MΩ 。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性 特性。 方案二：采用 HS1100/HS1101 濕度傳感器 。 HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（ HS1100）和側(cè)面接觸（ HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。相對濕度在 1%100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于 177。 2%RH；響 應(yīng)時間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃ ?？梢娋仁禽^高的。 綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計系統(tǒng)中對溫度 30～ 50℃的要求。 因此，我們選擇 方案二來作為本設(shè)計的濕度傳感器。 9 主控方案 方案一：單 片機主控方案 采用集成的單片機主控，通過溫度傳感器 ， 經(jīng)過含有單片機的檢測系統(tǒng)檢測，將結(jié)果傳送到單片機控制的主控器，數(shù)據(jù)通過顯示器顯示。原理框圖如下圖 圖 單片機主控方案框圖 方 案二： PC機主控方案 片機控制的主控器，數(shù)據(jù)通過顯示器顯示。原理框圖如下 圖 所示： 采用 PC 機作為主控制器 ,溫度信號的輸入處理過程 上一方案 是相同的， 但采 用鼠標(biāo)代替鍵盤，在主控端更直觀的觀察多路測量結(jié)果 ,但是使用 PC作為主控器，必須有配套的軟件相適應(yīng)，增加了編程的難度， PC 主控方案的 框圖如下 圖 所示 ： 圖 PC機主控方案框圖 由單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有有體積小、功耗低控制功能強的特點，它用利于產(chǎn)品的小型化、多功能化和智能化 ，因此采用第一種方案。 溫度和濕度傳感器 單片機主控制器 溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換器單片機控制的檢測系統(tǒng)人機接口界面PC主控制器 10 系統(tǒng)方案 綜上所述 ,溫度傳感器采用第三方案，濕度傳感器采用第二方案，主控部分采用第一方案。 根據(jù)設(shè)計的任務(wù)與要求， 控制器采用單片機 AT89C51，溫度傳感 器采用 DS18B20，濕度傳感器采用 HS1100，用 LCD 實現(xiàn)溫度和濕度顯示。 系統(tǒng) 設(shè)計如圖所示 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 圖 晶振電路 鍵盤電路 AT89C51 復(fù)位電路 LCD HS1100 DS18B20 11 3 硬件電路的設(shè)計 硬件介紹 AT89C51 單片機的結(jié)構(gòu) (1) 特征 AT89C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有如下特征：面向控制的 8 位 CPU； 4kbytes 程序存儲器 （ ROM）， 128bytes 的數(shù)據(jù)存儲器 （ RAM）； 可以尋址 64KB 的片外程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器 ； 32 根雙向和可單獨尋址的 I/O 線 ； 一個全雙工的異步串行口 ； 兩個 16 位定時 /計數(shù)器 ； 5 個中斷源 ， 兩個中斷優(yōu)先級 ； 有片內(nèi)時鐘振蕩器 ；采用高性能的 HMOS 生產(chǎn)工藝生產(chǎn) ； 有布爾處理（位操作）能力 ； 含基本指令111 條 ， 其中單機器周期指令 64 種 。 (2) 引腳功能 8051 芯片采用 40 引腳的雙列直插封裝，如圖 ，分為地址總線，數(shù)據(jù)總線，控制總 線 3類見圖 。在 40條引腳中有兩條專用于住電源的引腳， 2 條外接晶體的引腳， 4 條控制或與其它電源復(fù)用的引腳， 32 條輸入 /輸出引腳。 12 圖 引腳圖 圖 總線結(jié)構(gòu)圖 40 條引腳的功能分別是： VCC：供電電壓。 VSS：接地。 P0 口 ： P0 口為一個 8位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗時， P0輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高。 P1 口 ： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口 ： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1” 時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉 高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口 ： P3 口管腳是 8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由 于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0外部輸入） T1（記時器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗 接收一些控制信號。 13 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 (3)三總線結(jié)構(gòu) 單片機的引腳除了電源、復(fù)位、時鐘接入和用戶 I/O 口外 ， 其余引腳都是為了實現(xiàn)系統(tǒng)擴展而設(shè)置的 。 這些引腳構(gòu)成了三總線形式 。 引腳功能分類如圖 所示 。 地址總線 AB： 地址總線寬度 16 位 ， 因此外部存儲器直接尋址范圍 64KB。16 位地址總線由 P0 口經(jīng)地址鎖存器提供 8 位地址 A0~A7， P2 口直接提供高 8位地址 A8~A15。 數(shù)據(jù)總線 DB：數(shù)據(jù)總線寬度為 8 位 ， 由 P0 口提供 。 控制總線 CB：由 P3 口的第二功能狀態(tài)和 4 根獨立控制線 RESET， EA ，PSEN ， ALE 組成 。 溫 度傳感器 （ 1） . DS18B20 的特性 適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供。 14 獨特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 DS18B20 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。 DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 溫范圍－ 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 時精度為 177。 ℃ 。 可編程的分辨率為 9～ 12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可實現(xiàn)高精度測溫。 在 9 位分辨率時最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12位分辨率時最多在 750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以 “ 一線總線 ” 串行傳送給 CPU，同時可傳送 CRC 校驗碼，具 有極強的抗干擾糾錯能力。 負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 （ 2） .DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及 DS18B20 的管腳排列 64 位光刻 ROM 是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列號。不同的器件地址序列號不同。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM,溫度傳感器 ,非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL,高速暫存器。 DS18B20 的引腳定義： DQ為數(shù)字信號輸入 /輸出端 GND 為電源地 VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地） 圖 DS18B20引腳圖 （ 3） DS18B20 使用中注意事項 ： DSB1820 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： 較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補償，由于 DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS18B20進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用 PL/M、 C等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計 15 時，對 DS18B20操作部分最好采用匯編語言 實現(xiàn)。 在 DS18B20的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS18B20 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個 DS18B20，在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS18B20 超過 8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進(jìn)行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。 連接 DS18B20 的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進(jìn)一 步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用 DS18B20 進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 在 DS18B20測溫程序設(shè)計中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待 DS18B20的返回信號，一旦某個 DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS18B20時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點在進(jìn)行 DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重