【正文】 ，許多數(shù)字溫度傳感器相繼問世，如AD公司的AD系列溫度傳感器、Dallas半導(dǎo)體公司的DS18B20系列溫度傳感器等，這些新型溫度傳感器的問世大大簡化了溫度檢測裝置的設(shè)計方案，穩(wěn)定性高，并且能夠直接將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，便于計算機(jī)綜合處理。在特殊場合，由于不同的設(shè)備對溫度的要求不相同，報警上下限自然也就不同，單點(diǎn)溫度檢測難以實(shí)現(xiàn)。用紅外遙控器設(shè)置溫度報警上下限電路簡單，工作穩(wěn)定，操作方便。 系統(tǒng)設(shè)計的必要性分析目前市場上流行的數(shù)字溫度采集系統(tǒng)主要有3類：第一種是儀表式單點(diǎn)數(shù)字溫度計，并且基本上都是LCD顯示，不適合夜間觀察，也不具有溫度報警功能，價格比較便宜。第二種是多點(diǎn)溫度計，目前主要用在對局部溫度要求較高的場合，其中很多是 進(jìn)口產(chǎn)品。雖然價格很昂貴，但是仍然沒有紅外遙控操作模塊。由此可見，設(shè)計一種紅外遙控多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)，不僅服務(wù)了社會，同時又滿足了市場需要，具備一定的經(jīng)濟(jì)價值。2 系統(tǒng)單元模塊介紹整個系統(tǒng)主要包括溫度采集模塊，運(yùn)算控制模塊，紅外遙控通信模塊，數(shù)碼管顯示模塊和報警模塊幾部分構(gòu)成。在進(jìn)行設(shè)計前首先對各個單元模塊的功能進(jìn)行介紹。 溫度采集模塊 溫度傳感器的選擇溫度傳感器是一種將溫度轉(zhuǎn)換為電量的裝置。主要分為三大類：第一類是熱電偶。它是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電勢變化的裝置，自19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來熱電偶被廣泛用于測量100到1600攝氏度的溫度，同時還可以根據(jù)需要測量更低或更高的溫度，主要用于高溫測量；第二類是熱電阻。它是將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。然后通過電橋使電阻兩端的電壓發(fā)生變化，主要用于中低溫度的測量；第三類是集成溫度傳感器。它將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。常見的如模擬輸出式溫度傳感器AD590和數(shù)字輸出式溫度傳感器DS18B20。其中DS18B20測溫范圍從50攝氏度到正125攝氏度，每個元件有唯一的序列號，支持多點(diǎn)溫度采集。由于此設(shè)計主要用來監(jiān)控室溫內(nèi)設(shè)備各點(diǎn)的溫度，并且是多點(diǎn)溫度采集，所以選用DS18B20作為溫度傳感器[2]。 DS18B20溫度傳感器 DS18B20的特點(diǎn)DS18B20是美國達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款新型可編程分辨率的單線數(shù)字溫度傳感器。它有如下特色：，只要求用一個引腳進(jìn)行通訊。，電壓的范圍是3～5伏。，相當(dāng)于華氏溫度的67～+253度。還可以進(jìn)行報警命令的抵制識別，以便確認(rèn)是那個溫度傳感器發(fā)出報警。，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)品，溫度計，和任何對熱量敏感的系統(tǒng)[3]。DS18B20芯片外形和封裝如圖21： 圖21 DS18B20的外形和封裝引腳功能：GND 電壓地 DQ:單數(shù)據(jù)總線 VDD:電源電壓 NC:空引腳 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) （1）DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖22：圖22 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（2)ROM存儲器用來存放DS18B20的編碼如表21:表21 64光刻ROM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)8位CRC冗余校驗(yàn)碼 48位序列號 8位家族編碼（28H） 最高位 最低位 （3）讀取溫度時，低八位和高八位的詳細(xì)數(shù)據(jù)格式如下表22：表22 溫度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) DS18B20的操作流程（1）初始化：1 Wire總線上所有的轉(zhuǎn)換開始于初始化序列。初始化序列是有主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖和從機(jī)發(fā)出的應(yīng)答脈沖組成。應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道DS18B20在總線上，并且開始操作。（2）ROM命令：一旦主機(jī)檢測到存在脈沖就可以發(fā)出五個ROM功能命令其中的一個所有ROM功能命令長度為8位。（3）存儲器命令：在ROM完成之后緊接著有主機(jī)發(fā)送,以便為數(shù)據(jù)交換準(zhǔn)備。（4）數(shù)據(jù)交換：通過嚴(yán)格的讀寫時序完成[4]。 DS18B20 ROM命令（1）讀ROM[33H]：這個命令允許總線控制器讀到 DS18B20 的 64 位 ROM。只有當(dāng)總線上只存在一個 DS18B20 的時候才可以使用此指令，如果掛接不只一個，當(dāng)通信時將會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。（2）Match ROM命令[55H]：此條命令發(fā)出后，讀取64位ROM數(shù)據(jù)，允許總線主機(jī)讀取總線上特定的DS18B20的。（3）跳過ROM命令[CCH]：這條指令使芯片不對 ROM 編碼做出反應(yīng)，在單總線的情況之下，為了節(jié)省時間則可以選用此指令。如果在多芯片掛接時使用此指令將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致錯誤出現(xiàn)。（4）搜索ROM[F0H]:當(dāng)系統(tǒng)啟動初始化時，總線主機(jī)可能不知道的設(shè)備的數(shù)目，用此條指令通過序列號排除法進(jìn)行搜索。 DS18B20存儲器操作命令（1）寫暫存器命令[4EH]：寫入DS18B20時是從TH寄存器開始，另外的三個字節(jié)將會被保存在第2到第4的地址單元[5]。（2）讀暫存器命令[BEH]：讀取暫存器中的內(nèi)容，讀取過程將會從第0個字節(jié)開始一直讀到第8個字節(jié)。 （3）復(fù)制暫存器的內(nèi)容[48H]：把暫存器中的內(nèi)容復(fù)制到EEPROM中，把溫度觸發(fā)器B的TH和TL中的內(nèi)容復(fù)制到非易失性儲存單元中。（4）溫度轉(zhuǎn)換命令[44H]:這條指令用來開啟一次溫度轉(zhuǎn)換[6]。 DS18B20的操作時序（1）DS18B20初始化時序如下圖23：圖23 DS18B20初始化時序（2）主機(jī)寫時序如下圖24：圖24 主機(jī)寫0寫1時序（3）主機(jī)讀時序如圖25：圖25 主機(jī)讀0讀1時序編程時必須嚴(yán)格按照時序圖，詳細(xì)程序見附錄1。 運(yùn)算控制模塊 AT89S52單片機(jī)的主要參數(shù)及性能本設(shè)計選用被普及使用的性價比很高的微處理器AT89S52作為系統(tǒng)核心，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 它還有256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止[7]。 AT89S52單片機(jī)引腳功能介紹（1）AT89S52單片機(jī)的引腳分布如下圖26：圖26 AT89S52單片機(jī)引腳分布圖（2）單片機(jī)的P1附加功能如表24，P3附加功能如表25。表23 P1特殊功能引腳號第二功能T2(外部定時計數(shù)器輸入),時鐘輸出T2EX(定時計數(shù)器T2的)捕捉重載觸發(fā)信號MOSI(在線編程系統(tǒng)用)MISO(在線編程系統(tǒng)用)SCK(在線系統(tǒng)編程用)表24 P3特殊功能引腳號第二功能 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計時器0外部輸入 T1計時器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 紅外遙控通信模塊 紅外通信簡介紅外線遙控器已被廣泛使用在各種類型的家電產(chǎn)品上，它的出現(xiàn)給使用電器提供了很多的便利。紅外遙控系統(tǒng)一般由紅外發(fā)射裝置和紅外接收設(shè)備兩大部分組成（如圖27）。紅外發(fā)射裝置又可由鍵盤電路、紅外編碼芯片、電源和紅外發(fā)射電路組成。紅外接收設(shè)備可由紅外接收電路、紅外解碼芯片、電源和應(yīng)用電路組成。通常為了使信號能更好的被傳輸發(fā)送端將基帶二進(jìn)制信號調(diào)制為脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射。常用的有通過脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制的脈寬調(diào)制（PWM）和通過脈沖串之間的時間間隔來實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制的脈時調(diào)制（PPM）兩種方法。圖27 紅外遙控原理簡圖在同一個遙控電路中通常要使用實(shí)現(xiàn)不同的遙控功能或區(qū)分不同的機(jī)器類型，這樣就要求信號按一定的編碼傳送，編碼則會由編碼芯片和相關(guān)電路完成。對應(yīng)于編碼芯片通常會有相配對的解碼芯片或包含解碼模塊的應(yīng)用芯片。本設(shè)計使用集成紅外一體化接收頭1838，內(nèi)部含有濾波電路和放大電路，大大簡化了紅外接收電路[8]。 紅外編解碼原理（1）載波波形使用 455KHz 晶體，經(jīng)內(nèi)部分頻電路，信號被調(diào)制在 ，占空比為 3 分之 1調(diào)制頻率（晶振使用455KHz時）fCAR = 1/Tc = fOSC/12 ≈ 38KHzfOSC是晶振頻率占空比 = T1/Tc = 1/3如下圖28：圖28 紅外載波波形（2）紅外發(fā)射數(shù)據(jù)格式：數(shù)據(jù)格式包括了引導(dǎo)碼、用戶碼、數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)碼反碼，編碼總占 32 位如：圖29，數(shù)據(jù)反碼是數(shù)據(jù)碼反相后的編碼，編碼時可用于對數(shù)據(jù)的糾錯。圖29 紅外發(fā)射數(shù)據(jù)格式本設(shè)計使用紅外遙控器的主控芯片TC9012使用455KHz 晶振時各代碼所占的時間如圖210：圖210 紅外發(fā)射數(shù)據(jù)時序 （3）位定義用戶碼或數(shù)據(jù)碼中的每一個位可以是位‘1’，也可以是位‘0’。區(qū)分‘0’和‘1’是利用脈沖的時間間隔來區(qū)分，這種編碼方式稱為脈沖位置調(diào)制方式，英文簡寫 PPM。脈沖波形如圖211，圖212：（4）紅外解碼 紅外解碼的方式多種多樣，本設(shè)計中用單片機(jī)解碼。將紅外接收頭的輸出端接在單片機(jī)的外部中斷的輸出端，在通過定時器算出兩個下降沿之間的時間，然后判斷所得到的是0或1。再將八個數(shù)字進(jìn)行合并，就得到一組代碼，然后把代碼編碼以完成相應(yīng)的動作。 圖211 位0時序 圖212 位1時序 顯示模塊 顯示元件介紹目前常用的顯示元件有液晶和數(shù)碼管。液晶顯示的字符的種類較多，但是顯示的亮度較低，顯示的數(shù)字較小。數(shù)碼管顯示數(shù)字十分方便，并且亮度較量，適合遠(yuǎn)距離的觀察。本設(shè)計采用的是簡單的數(shù)字顯示，所以采用數(shù)碼管顯示，由于顯示的數(shù)據(jù)位數(shù)較多，采用兩個四位的共陽數(shù)碼管聯(lián)合作為基本顯示單元。數(shù)碼管的引腳分布如圖213： 圖213 數(shù)碼管引腳分布 數(shù)碼管顯示方式數(shù)碼管有兩種顯示方式 ：靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示電路簡單，只可以顯示固定的數(shù)字。動態(tài)掃描顯示通過人眼的視覺暫留效應(yīng)，形成一組數(shù)字，但是電路中為了穩(wěn)定顯示，保證顯示的亮度，節(jié)約單片機(jī)的IO口，常采用鎖存器74HC573作為輔助元件，控制位選和段選。74HC573鎖存器的引腳分布如圖213。圖213 74HC573引腳分布其中D0D7是數(shù)據(jù)輸入端口,Q0Q7是數(shù)據(jù)輸出端口，OE是輸出使能端，LE是鎖存使能端，如表24（其中的H表示高電平，L表示低電平，X表示無效，Z表示高阻）。表25 74HC573引腳功能表 報警模塊 蜂鳴器介紹蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。 蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。按有無振蕩源可以分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。不管是壓電式還是電磁式都有有源和無源的差別。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“FM”、“LB”、“JD”等）表示[9]。本設(shè)計的報警系統(tǒng)要求不高，只要當(dāng)溫度在超過報警限時可以發(fā)出聲音提示報警即可，所以可以用直流電壓驅(qū)動的電磁式有源蜂鳴器。由于單片機(jī)IO口的驅(qū)動能力有限，蜂鳴器發(fā)出的聲音較小，可以用三極管進(jìn)行電流放大。單片機(jī)的輸出端口在正常情況下是高電平，而正常情況下蜂鳴器不發(fā)聲，所以選用PNP三極管，并且在基極要加一個限流電阻。詳細(xì)的電路圖見硬件電路圖46。3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體方案 系統(tǒng)設(shè)計總體方案系統(tǒng)設(shè)計的基本要求是在正常情況下，巡回檢測各個點(diǎn)的溫度，由于不止一個溫度傳感器所以第一步就是要知道每個溫度傳感器的序列號，建立每個DS18B20序列號與位置的關(guān)系。通過紅外遙控器可以設(shè)置每個DS18B20的溫度報警上下限，當(dāng)達(dá)到報警限時可以通過蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報警。每一種狀態(tài)都要在數(shù)碼管上有對應(yīng)的顯示。所以可以用紅外遙控器上的一個鍵設(shè)置為總的設(shè)置開關(guān)，來切換多點(diǎn)溫度巡回檢測和設(shè)置溫度報警上下限這兩種最基本的狀態(tài)。再用兩個按鍵分別定義為高溫保溫設(shè)置鍵和低溫報警設(shè)置鍵。當(dāng)高溫報警設(shè)置鍵按下一次，數(shù)碼管顯示1號報警上限值，第二次按下，以此類推，第n次按下時將顯示第n號DS18B20的報警上限值。之后按下增加鍵和減少鍵將會對應(yīng)不同號的DS18B20完成溫度增加和減少的操作。在用紅外遙控器實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話時，要用單片機(jī)進(jìn)行解碼，所以用外部中斷0和定時器0配合實(shí)現(xiàn)紅外解碼。用相應(yīng)的標(biāo)志位快速記下相關(guān)按鍵按下的信息，在主程序中根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)志位完成對應(yīng)的操作。由于設(shè)置了多個溫度報警上下限，所以報警不僅和所測溫度有關(guān)還和對應(yīng)的編號有關(guān)。巡回檢測可以啟用定時器1，利用定時器中斷，實(shí)現(xiàn)一定的時間間隔，在間隔中對每一點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時的溫度檢測?？?cè)鐖D31。圖31 系統(tǒng)總體流程圖 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體方法 DS18B20序列號的讀取由于是多點(diǎn)溫度的采集，通過前面對溫度傳感器DS18B20的介紹，首先要知道每個DS18B20都有唯一的48位的序列號，多