【正文】 。 本設(shè)計 接口 簡單、 使用 方便、可靠性好，在溫度檢測中有 較 廣泛的應(yīng)用前景，具有較強的使用價值。就 其采樣頻率和分辨率來說屬于中速類型，適合對數(shù)據(jù)采樣頻率要求不是特別高的應(yīng)用場合。 2 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng) 主要 由 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器模塊 、 單片機控制模塊、數(shù)碼管顯示模塊 、 RS485 傳輸總線模塊、 RS485/RS232 轉(zhuǎn)換接口模塊 、 上位 PC 機顯示和控制模塊 五個部分組成，其 框圖如圖 1 所示 ，本系統(tǒng)的整體硬件電路圖見附錄 1。 單 片 機A T 8 9 C 5 2 R S 4 8 5總 線上 位 P C機 顯 示和 控 制R S 4 8 5/ R S 2 3 2 轉(zhuǎn)換 接 口數(shù) 碼 管 顯 示 D S 1 8 B 2 0 溫度 傳 感 器 圖 1 遠程溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器模塊 的硬件電路設(shè)計 [1][2] 為了降低溫度采集的硬件復(fù)雜性 與 提高整個設(shè)計電路的抗干攏能力，降低成本，數(shù)據(jù)采集模塊中，采用美國 達拉斯 （ DALLAS） 公司推出的一種改進型智能溫度傳感器 DS18B20 作為檢測元件。 它 具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，特別適合于多點溫度測控系統(tǒng)。 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同， 可直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號進行處理，每片 DS18B20 都具有惟一的產(chǎn)品號并可存入其 ROM 中，便 于 構(gòu)成大型溫度測控系統(tǒng)時在單線上掛接多個DS18B20 芯片， CPU 可用簡單的協(xié)議就可識別 。 從 DS18B20 讀出或?qū)懭?DS18B20 信息僅需要一根端口線，其讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總路線，該總路線本身也可以向所掛接的 DS18B20 供電，而無需額外電源，從而節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 根據(jù)實際需要通過簡單的編程實現(xiàn) 9~12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式，分辨率最大可達 ℃，測量范圍為 55~125℃。 它采用 8 腳 SO 封裝或 3 腳 PR35封裝 ，分別 如 圖 圖 3 所示 。 NC 8NC 7NC 6G N D 5NC1NC2V D D3DQ4D S 1 8B 20VDD3DQ2GND1D S 1 8 B2 0 NC 8NC 7NC 6G N D 5NC1NC2V D D3DQ4D S 1 8B 20VDD3DQ2GND1D S 1 8 B2 0 圖 2 DS18B20 的 8 腳 SO 封裝 圖 3 DS18B20 的 3 腳 PR35 封裝 8 腳封裝的 NC 為空引腳； VDD 為電源引腳，接 ~； GND接地； DQ 為數(shù)據(jù)的輸入和輸出引腳（單線總線），常態(tài)下呈高電平。DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖 4 所示： 6 4 位R O M和單 線接 口存儲器與控制邏輯高速緩存溫 度 傳 感 器高 溫 觸 發(fā) 器 T H低 溫 觸 發(fā) 器 T L配 置 寄 存 器8 位 C R C 發(fā) 生 器G N DD QV C C 圖 4 DS18B20 的內(nèi) 部結(jié)構(gòu) DS18B20 的測溫原理 DS18B20 的內(nèi)部框圖如圖 5 所示，主要包括寄生電源、溫度傳感器、 64 位激光 ROM 單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲與控制邏輯、 8 位循環(huán)冗余校驗發(fā)生器等 7 部分。 預(yù) 置溫 度 寄 存 器比 較 器累 加 器高 溫 振 蕩 器計 數(shù) 器 1低 溫 振 蕩 器計 數(shù) 器 2 = 0計 數(shù) 器 1 = 0計 數(shù) 器 2增 加停 止 圖 5 DS18B20 的內(nèi)部框圖 低溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計數(shù)器 1 提供一個頻率穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。 高溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率對溫度很敏感的振蕩器，為計數(shù)器 2 提供一個 頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。 初始時，溫度寄存器被預(yù)置成 55℃，每當計數(shù)器 1 從預(yù)置數(shù)開始減計數(shù)到 0 時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加 1℃，這個過程重復(fù)進行直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 為止。 初始時，計數(shù)器 1 的預(yù)置值是和 55℃相對應(yīng)的一個初始值。以后計數(shù)器 1 每一個循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補償振蕩器溫度特性的非線性，斜率累加器提供的預(yù)置值也隨溫度作相應(yīng)的變化。計數(shù)器 1的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度處使溫度寄存器值加 1℃所需的計數(shù)值。 DS18B20 測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)。 DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(shù) 振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號；高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。當計數(shù)門打開時， DS18B20 進行計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測量結(jié)果以 16 位帶符號擴展的二進制補碼 形式存入溫度寄存器中。 單片機可以通過單線接口讀出數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 ℃ /LSB 形式表示。溫度值格式 的低、高字節(jié) 如表 表 2 所示。 表 1 LS 字節(jié) 23 22 21 20 21 22 23 24 表 2 MS 字節(jié) S S S S S 26 25 24 當符號位 S=0 時，表示溫度值為正，可以直接將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)；當符號位 S=1 時，表示溫度值為負，要先將補碼變成原碼，再計算其對應(yīng)的十進制數(shù)。表 3 是部分溫度對應(yīng)的二進制溫度數(shù)據(jù)。 表 3 DS18B20 溫度與測得值對應(yīng)表 溫度 /℃ 二進制表示 十六進制表示 +125 0000 0111 1101 0000 07D0H +85 0000 0101 0101 0000 0550H + 0000 0001 1001 0001 0191H + 0000 0000 1010 0010 00A2H + 0000 0000 0000 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H 1111 1111 1111 1000 FFF8H 1111 1111 0101 1110 FF5EH 1111 1110 0110 1111 FE6FH 55 1111 1100 1001 0000 FC90H DS18B20 中的單 總 線技術(shù) DALLAS 公司 推出的 1wire Bus 技術(shù)采用單根信號線，既可傳輸時鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線完成。主機或從機通過一個漏極開路或態(tài)端口連到該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放總線，而讓其它設(shè)備使用總線。單總線通常要求外接一個 kΩ 的上拉電阻，當總線閑置時， 其狀態(tài)為高電平。主機和從機之間的通信通過三個步驟完成：初始化1wire 器件、識別 1wire 器件和交換數(shù)據(jù)。由于是主從結(jié)構(gòu)，只有主機呼叫時，從機才能應(yīng)答，主機訪問 1wire 器件必須嚴格遵循總線命令時序，即初始化、讀 ROM、命令功能命令。如出現(xiàn)混亂， 1wire 器件不會響應(yīng)主機。 1wire 協(xié)議定義了復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫 0、讀 0、和讀 1 時序等幾種信號類型。在這些信號中除應(yīng)答信號外，其它的都是由主機發(fā)出同步信號，且發(fā)送的所有命令和數(shù)據(jù)都是低字節(jié)在前面。 基本的通信過程為：主機通過拉低單總線至少 480us 產(chǎn)生 Tx 脈沖；然后由主機釋放總線，進入 Rx 模式。主機釋放總線時，會產(chǎn)生一由低電平跳變?yōu)楦唠娖降纳仙兀粏慰偩€器件檢測到該上升沿后，延時15~60us；單總線器件通過拉低總線 60~240us 來產(chǎn)生應(yīng)答脈沖；主機接收到從機的應(yīng)答信號脈沖后，說明有單總線器件在線，然后主機就可以開始對從機進行 ROM 命令和功能命令操作。 所有的讀寫時序至少需要 60us，且每兩個獨立的時序至少需要 1us的恢復(fù)時間。在寫時序中，主機將在拉低總線 15us 之內(nèi)釋放總線，并向單總線器件寫 1；若主機拉低總線后能保持至少 60us 的低電平，則向單總線寫 0。單總線器件僅在主機發(fā)出讀時序時才向主機傳輸數(shù)據(jù)，當主機向單總線器件發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以單總線器件能傳輸數(shù)據(jù)。 溫度 數(shù)據(jù)采集的 硬件電路 圖 DS18B20 有 兩種供電方式 ：直接由 VDD 供電 、 利用 DQ 線采用寄生電源供電。 當采用 DQ 線寄生電源供電方式時，在對 DS18B20 的一些命令操作上會有一些較特殊的要求。本系統(tǒng)是以 DS18B20 采用直接VDD 供電的方式，即采用圖 6 所示的供電方式，電源電壓和單片機電源相同，采用 5V供電即可。 A T 8 9 C 5 2 P 2 . 7 G N DD S 1 8 B 2 04 . 7 KV C CD Q123A T 8 9 C 5 2 4 . 7 KV C CD S 1 8 B 2 0231D QV C CV C C 圖 6 直接由 VDD 供電 其中 DS18B20 采集到的數(shù)據(jù) 從它的 DQ 引腳輸出經(jīng) 過 一 根 數(shù)據(jù)線傳輸?shù)絾纹瑱C的 腳 ， 同時， 單片機對 DS18B20 進行讀 /寫操作 也是通過 該引腳實現(xiàn)的。 數(shù)碼管顯示模塊的設(shè)計 [3] LED 數(shù)碼管顯示電路 采用 動態(tài) 掃描 顯示方法 ， 將各個數(shù)碼管的 8個筆畫段（ a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h）同名端并聯(lián)在一起，由一個 8 位I/O 口控制，形成段選線合用；而每一位數(shù)碼管的公共端（位選線）是各自獨立地受 I/O 口控制，實現(xiàn)各位的分時選通。 單片機向字段輸出字形碼時，所有顯示器都接收到相同的字表碼，但究竟是哪個數(shù)碼管亮，則取決于公共端，可通過控制公共端來決定哪一位數(shù)碼管發(fā)亮顯示。 動態(tài)掃描是采用分時的方法，輪流控制各位數(shù)碼管的公共端，使各個數(shù)碼輪流點亮。在輪 流點亮的過程中，每位顯示器的點亮?xí)r間極為短暫（約 1ms） ， 由于人類眼睛的視覺暫留及發(fā)光二極管的 余 輝效應(yīng)，只要輪流點 亮 各位二極管 是 ，掃描的 頻率合適時不 會有閃爍感。 本 設(shè)計 采用的 4 位 LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示的電路原理圖 如 圖 7。其中段選線占用一個 8 位 I/O 口， 可用 單片機的 P1 口 作為段選線控制的I/O；位選線占用 4 位 I/O 口 ，可用 單片機的 ~，由于采用的是共陽 極 LED 為使亮度足夠，每位都采用了一個 PNP 管進行驅(qū)動 。R15R22 是限流電阻，以防止 LED 被燒壞。 Q 29 0 1 2R 94 . 7 KR 1 04 . 7 KR 1 24 . 7 KR 1 14 . 7 KQ 39 0 1 2Q 49 0 1 2Q 59 0 1 2abcdefghV C CR 1 5 ~ R 2 25 1 0V 2V 1 a fV 3bedh c g V 48位段選線4 位 位 選 線 圖 7 數(shù)碼管顯示電路原理圖 RS485 總線及其與單片機的接口電路 的設(shè)計 [4][5] RS485 是一個電氣接口規(guī)范 ， 屬于 7 層開放系統(tǒng)互連 (Open System Interconnection， OSI) 模型物理層的協(xié)議標準。 它 只規(guī)定了平衡 驅(qū) 動器和接受器的電特性 ， 沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通信協(xié)議。支持半雙工或全雙工模式 ， 網(wǎng)絡(luò)拓撲通常采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu) ， 不支持環(huán)型或星型網(wǎng)絡(luò)。 由于 RS485 是從 RS422 基礎(chǔ)上發(fā) 站而來的， RS485 采用平衡傳輸方式，需要在傳輸線 上接 匹 配電阻 。 RS485 可以采用二線與四線方式 ,二線制 ， 可實現(xiàn)真正的多點雙向 半雙工 通信。采用四線連接時 ， 只能實現(xiàn)點對多點的 全雙工 通信 ， 即只能有一個主 (Master) 設(shè)備 ， 其余為從設(shè)備。無論 是 四線還是二線連接方式總線上 最 多 只能接 32 個設(shè)備。RS485 的共模輸出電壓在 7~+12V之間 ， RS485 接收器最小輸入阻抗為 12kΩ 。 RS485 的最大傳輸距離約為 1219m， 最大傳輸速率為10Mb/s 。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比 ， 在 100Kb/s 速率以下 ，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能 獲得最高 速率傳輸。一般 100m長雙絞線最大傳輸速率僅為 1Mb/s。 RS485 需要 2 個 匹配電阻 ， 其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在 短 距離傳輸時可不需 要 匹配電阻 ， 一般 情況下 在 300m以下不需 匹配電阻 ,匹配電阻 接在傳輸總線的兩端 （一般接 120Ω的匹配電阻即可） 。RS485 常采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現(xiàn)通信。兩條傳輸線采用通常使用雙絞線 ， 故 具有較強的抗共模干擾能力。接受靈敏度也相當高 ， 能檢測低達 200mV的電壓 ， 某些芯片已經(jīng)能檢測到低達 50mV 的電壓 (如 MAX3080 等 ),同時 ， 最大傳輸速率和最大傳輸 距離也大大提高 。 RS485 總線以雙絞線為物理介質(zhì) ， 通常工作在半雙工通信狀態(tài) ，即在同一時刻總線上只能有 1 個節(jié)點為主節(jié)點且處于發(fā)送狀態(tài)，其它所有節(jié)點必須處于接收狀態(tài)。如果同一時刻有 2 個以上的節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)將導(dǎo)致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，即所謂總線沖突。為了避免總線沖突， RS485 總線一般工作在主從模式下。整個通信總線系統(tǒng)由 1 個主節(jié)點、若干個從節(jié)點組成，按照輪循的方式，主節(jié)點依次和從節(jié)點通信，這樣就解決了 RS485 總線的沖突。本系統(tǒng)中的主機，即上位 PC 機和從機，即下位單片機之間的通信也工作在主從模式下的 。在本系統(tǒng)中，除了一個 PC 機作為主機外，只有一個單片機作為從機。 MAX485 簡介 [6] 為了構(gòu)建滿足本系統(tǒng)遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)?RS485 總線， 本設(shè)計采