【正文】 ................................................................................ 15 參考文獻 ...................................................................................................... 16 附 錄 1....................................................................................................... 17 附 錄 2....................................................................................................... 31 桂林電子科技大學實訓說明書用紙 1 引言 隨著 “ 信息時代 ” 的到來，作為獲取信息的手段 —— 傳感器技術得到了 顯著 的進步，其應用領域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術已成為衡量一個國家科學技術發(fā)展水平的重要標志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結構、工作原理及特性是非常重要的。 由于傳感器能將各種物理量、化學量和生物量等信號轉變?yōu)殡娦盘?，使得人們可以利用計算機實現(xiàn)自動測量、信息處理和自動控制，但是它們都不同程度地存在溫漂和非線性等影響因素。 傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)， 它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能 。因此，不僅必須掌握各類傳感器的結構、原理及其性能指標，還必須懂得傳感器經(jīng)過適當?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過對傳感器應用實例的原理和智能傳感器實例的分析了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結合起來，適應傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應用。另一方面，傳感器的被測信號來自于各個應用領域，每個領域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時效，各自都在開發(fā)研制適合應用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。 溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。 其發(fā) 展 速 度之快，以及其應用之廣，并且還有很大潛力。 為了提高對傳感器的認識和了解，尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設計了本系統(tǒng)。 本次實訓 利用單片機結合 傳感器 技術而開發(fā)設計了這一 溫度監(jiān)控系統(tǒng) 。 并且 詳細地講述了利用熱敏電阻作為熱敏傳感器探測環(huán)境溫度的過程，以及實現(xiàn)熱電轉換的原理過程。 本設計應用性比較強，設計系統(tǒng)可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實驗室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。課題主要任務是完成環(huán)境溫度檢測，利用單片機實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并通過計算機實施溫度 監(jiān)控。設計后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點。 桂林電子科技大學實訓說明書用紙 2 1 溫度控制器 簡介 主要 功能 本次實訓 能實現(xiàn)的基本 功能 如下 ： 本電路為溫度控制器 。 通過 LCD1602 顯示兩路溫度值和溫度上下限及關照強度 。 測量溫度范圍在 55176。 到 125176。，精度為 度 。 能通過按鍵設置溫度上下限 。 根據(jù)溫度上下限設置，控制繼電器輸出 ，當溫度低于設置的下限時能進行加熱實現(xiàn)恒溫控制。 能在同一個 IO 中連接 2個或 2個以上的 DS18b20， 通過 18B20 中獨特的序列號進行識別和檢測溫度。 能 檢測現(xiàn)場關照強度 。 主要器件及介紹 主控模塊 AT89S52 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89S52可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S52 具有如下特點 ： 40個引腳， 8k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），32個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個中斷優(yōu)先級 2層中斷嵌套中斷， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器， 2個全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89S52 設計和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下， CPU暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位 。 如圖 11 所示 。 (1)AT89S52 單片機的引腳 如圖 11所示。 (2)AT89S52 單片機的引腳功能說明 40 個引腳封裝的雙列直接 DIP 結構。下圖是它們的引腳配置 :40 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根， 4 組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線與 P3口線復用。 8051 的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在 18 和 19 腳外接石英晶體 (212MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取 10p30p。另外一種是外部時鐘方式，即桂林電子科技大學實訓說明書用紙 3 將 XTAL1 接地，外部時 鐘信號從 XTAL2 腳輸入。 圖 11 AT89S52 引腳 顯示模塊 采用 LCD1602 液晶顯示 。 LCD1602 是 工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 16x02（ 16列2行） 即 32 個字符。 由 接收電路 ,緩存電路 ,控制邏輯 ,掃描等組成 。 運用 LCD1602 進行顯示能將題目要求的顯示部分同時顯示，能一目了然，但其程序要求 比數(shù)碼管顯示 復雜， 驅動 程序比較繁瑣 ，要求有嚴格的時序控制，寫數(shù)據(jù)、寫命令都要有相應的命令，作者必須對其有比較深入的了解，才能按照其所編寫的程序進行顯示。 如圖 12所示 。 圖 12 LCD1602 模塊 溫度檢測模塊 Dallas 半導體公司的數(shù)字化傳感器 DS1820 是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器 ，即單總線器件 。一線總線獨特而且 具有線路簡單，體積小的特點 ，使用戶可輕松地組建傳感網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣的現(xiàn)場溫度測量。如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫消費電子產(chǎn)品等。 桂林電子科技大學實訓說明書用紙 4 （ 1） DS18B20 的引腳介紹（如圖 13） GND:地信號。 DQ：數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下， 也可以向器件提供電源。 VDD： 可選擇的 VDD 引腳。 圖 13 DS18B20 的引腳介紹 （ 2） DS18B20 的優(yōu)點 ： ① 供電范圍擴大為 ， 具有電源反接保護電路 。 ② 溫度分辨力可編程 ， 轉換速率有很大提高 ， 體積減小一半。 ③ 內(nèi)部存儲器映射關系發(fā)生變化。 ④ 獨特的單線接口僅需 一個端口引腳進行通訊， 在 DS18B20 中的每個器件上都有獨一無二的序列號 。 ⑤ 溫度分辨力可編程 ， 內(nèi)部有溫度上、下限告警設置 ， 內(nèi)部存儲器映射關系發(fā)生變化。 ⑥ 具有電源反接保護電路 ， 體積減小一半。 ⑦ 對我們使用來說最大的不同就是 DS18B20可以程序設定 9~12位的分辨率數(shù)字值，而 DS1820 為固定的 9 位數(shù)字值，且溫度轉換時的延時時間由 2s 減為 750ms。 （ 3） DS18B20 的使用方法 DS18B20 內(nèi)部結構主要由四部分組成： 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、配置寄存器 。 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對 AT89S51 單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對 DS18B20 芯片的訪問。 由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。 DS18B20 有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都 是從主機主動啟動寫時序開始，桂林電子科技大學實訓說明書用紙 5 如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 （ 4）電路的接法（如圖 14） 圖 14 DS18B20 電路的接法 （ 4） 實際操作的具體實現(xiàn)： DS18B20 是單總線器件，通訊協(xié)議包括幾種單線信號類型：復位脈沖、存在脈沖、寫 0、寫 讀 0、讀 1。所有這些信號，除存在脈沖外，其余都是由總線控制器（單片機）發(fā)出的。根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機（單片機）控制 DS18B20 完成一次操作經(jīng)過三個步驟： ① 要對 DS18B20 進行復位操作， ② 復位成功后發(fā)送一條 ROM 指令， ③ 最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行預定的操作。 （ 5） 總線上有多個器件 當總線上僅有一個 DS18B20 器件時，可以用 skip ROM 操作（即跳過 ROM 匹配）命令來代替 64 位序列號的匹配過程，這點也是使用單個 DS18B20 器件的系統(tǒng)常用的方法。當總線上接有多個 DS18B20 時，需要使用匹配 ROM 命令，后跟 64位 ROM 序列，讓總線控制器在多點總線上定位一只特定的 DS18B20只有和 64位 ROM序列完全匹配的 DS18B20才能響應隨后的存儲器操作命令。 所有和 64 位 ROM 序列埠匹配的從機都將等待復位脈沖。這條命令在總線上有單個或多個器件時都可以使用。 （ 6）溫度轉換 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12 位轉化為例 :用 16 位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃/LSB 形式表達，其中 S為符號位。 關照檢測模塊 由于光照強度的不同，光敏電阻兩端的電壓值會改變，光照越電壓越小， 通過ADC0832 來檢測光敏電阻兩端的電壓值和顯示關照的強度 。 ADC0832 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的桂林電子科技大學實訓說明書用紙 6 普及率。學習并使用 ADC0832 可是使我們了解 A/D 轉換器的原理，有助于我們單片機技術水平的提高。 如圖 15。 圖 15 光敏電阻及 ADC0832 引腳圖 2 電路圖及原理 電路原理圖 圖 21 電路原理圖 桂林電子科技大學實訓說明書用紙 7 圖 22 繼電器控制及恒溫控制 主要原理 上 圖為本電路的基本原理圖，主要是通過單片機控制并計算溫度傳感器 DS18B20 的數(shù)字信息量，通過 LCD1602 來顯示現(xiàn)場溫度。四個按鍵式用來設 置溫度上下限，超過上限或下限都能通過蜂鳴器報警。通過控制繼電器來實現(xiàn)恒溫控制，當溫度 高于 設置的溫度 上 限時 ， 停止加熱，否則進行加熱。 電路中的 ADC0832 負責采集光敏電阻兩端的電壓值通過 LCD1602 來顯示光照強度。 接 DS18B20 的單總線， P2 口 接 LCD1602 的數(shù)據(jù)端， 接蜂鳴器， 接ADC0832 的 CLK 端， 接 ADC0832 的 DI/O 端， 接 ADC0832 的 CS端， 接繼電器， 到 接四個按鍵，兩個用來選擇模式，另外兩個用來加減溫度上下限。 基本的測量過程及原理 DS18B20 采用的是外接電源供電法，管腳 VDD 接到外部的 VCC 上，數(shù)據(jù)信號引腳 DQ則連到 AT89S52 單片機的 上和進行單片機通信。 DS18B20 把外界的溫度（非電量）轉換成電量的形式傳輸給單片機。 根據(jù)擴展的要求，電路實現(xiàn)了能在同一個 IO 中連接 2個或 2個以上的 DS18B20,通過 18B20 中獨特的序列號進行識別和檢測溫度，這是本次實訓中最難實現(xiàn)的。 DS18B20是支持“一線總線”接口的溫度傳感器 ，即單總線器件 。一線總線獨特而且 具有線路簡單，體積小的特點 。但是也由于其時序復 雜，大大加大了編寫程序的難度。 當總線上僅有一個 DS18B20 器件時，可以用 skip ROM 操作（即跳過 ROM 匹配）命令來代替 64 位序列號的匹配過程，這點也是使用單個 DS18B20 器件的系統(tǒng)常用的方法。 當總線上接有多個 DS18B20 時，需要使用匹配 ROM 命令，后跟 64 位 ROM 序列，讓總線控制器在多點總線上