【正文】 其它I/O 口線與微機接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（ 9 位二進制數(shù)，含符號位），②測溫范圍為 55℃ +125℃，測量分辨率為 ℃ , ③內(nèi)含 64 位經(jīng)過激 2 光修正的只讀存儲器 ROM，④適配各種單片機或系統(tǒng)機，⑤用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限，⑥內(nèi)含寄生電源。 2． DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 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。 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。 3. DS18B20 控制方法 在硬件上， DS18B20 與單片機的連接有兩種方法，一種是 Vcc 接外部電源， GND接地， I/O 與單片機的 I/O 線相連；另一種是用寄生電源供電，此時 UDD、 GND 接地，I/O 接單片機 I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電， I/O 口線要接 5KΩ左右的上拉電阻。 CPU 對 DS18B20 的訪問流程是：先對 DS18B20 初始化，再進行 ROM 操作命令，最后才能 對存儲器操作，數(shù)據(jù)操作。 DS18B20 每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協(xié)議。如主機控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行預(yù)定的操作。 課題 背景 和 意義 現(xiàn)有辦公室的空調(diào)由于人為控制上下限的溫度值，有時候為了圖舒服將溫度設(shè)的很低，而且在無人的時候常常忘記關(guān)掉空調(diào)， 特別是在一些大型的公共場所， 這不僅僅會造成電能的浪費，還會對人的身體健 康 不利，基于這種背景空調(diào)節(jié)電控制器就有它的用場了，它通過自動實時監(jiān)測環(huán)境的溫度判斷是否達到上下限值從而自動通過發(fā)射學(xué)習(xí)到得紅外指令信號來控制空調(diào)的制冷、加熱和開關(guān)機 來達到節(jié)能的目的。 在 傳統(tǒng)的 溫度檢測系統(tǒng)中大都采用模擬溫度傳感器 (例如 AD590)一般經(jīng)前端放大、A／ D 變換和數(shù)據(jù)修正等過程。經(jīng)實踐應(yīng)用分析發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)電路設(shè)計上存在電源干擾、濾波不可靠，線路過于復(fù)雜 、 無屏蔽措施等不可靠因素。 DS18B20 在芯片的內(nèi)部自帶模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的 ， 使用起來非常的方便 。 它采用單線傳輸技術(shù) ， 另外 ， 溫度的分辨率可以選擇 9 到 12 位的分辨率 。因此 采用單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 可將溫度直接轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號供微機處理，而且在單總線上可以掛多片 DS18B20，微機只需一根端口線就能與多片 DS18B20 進行通 信 ， 而且由于它體積小的優(yōu)點，因此 占 用 的 PCB板面積很小 ,電路也很好設(shè)計 。因此，由單片機和 DSI8B20 構(gòu)成的分布式多點溫度檢測系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的溫度采樣模式，具有可靠性高、線路簡單、測量精度高、功能便于擴展等優(yōu)點。 3 本設(shè)計應(yīng)用性 和實用性都 比較強 ，只要應(yīng)用不同的傳感器就可以用到不同的系統(tǒng)中，比如壓力監(jiān)測、風(fēng)速、濕度等等，并且通信采 用的是紅外信號，在使用時基本上不用改變原有的設(shè)備 。 并且在設(shè)計完了以后，控制器會根據(jù)編程自動控制空調(diào)調(diào)節(jié)環(huán)境的溫度在設(shè)置的溫度范圍內(nèi)，具有智能控制的功能 。 為了提高對傳感器 和紅外信號發(fā)送和接收 的認識和了解，尤其是對 紅外通信 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(shè)計了本 器件 。本文利用單片機結(jié)合傳感器技術(shù)以及 紅外信號的使用 而開發(fā)設(shè)計了這一 控制器 。文中傳感器理論、 紅外通信技術(shù)、 單片機實際應(yīng)用有機結(jié)合，詳細地講述了利用 DS18B20 傳感器探測環(huán)境溫度的 過程以及紅外指令信號的發(fā)送與接收 。 課題 的主要 組成和設(shè)計要求 本設(shè)計系統(tǒng)包括溫度采集模塊 ，系統(tǒng)控制模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，顯示模塊， 紅外信號撲捉與發(fā)送模塊五 個部分。文中對 每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細介紹。整個系統(tǒng)的核心是進行溫度 監(jiān)測 和紅外信號指令的撲捉與發(fā)送 。 設(shè)計要求如下： 設(shè)計制作一個辦公室空調(diào)節(jié)電控制器來控制辦公室空調(diào)的電源。具體要求如下： 1) 14176。 ~28176。內(nèi)不能開啟空調(diào)； 2) 低于 14176。時允許開啟制熱，達到 18176。時自動關(guān)閉，自然降溫到 14176。時又允許開啟； 3) 高于 28176。時允許開啟制冷，達到 24176。時自動關(guān)閉，自然升溫到 28176。時又允許開啟； 4 第 2 章 方案比較與論證 設(shè)計思路 智能空調(diào)節(jié)電控制器 是由微控制器獲取溫度傳感器數(shù)據(jù)，并 通過紅外通信技術(shù) 對 環(huán)境內(nèi)的空調(diào)進行相應(yīng)的控制 。 在設(shè)計之時首先要對整體架構(gòu)要有個清晰地了解，針對控制現(xiàn)場的實時性和可靠性要求，應(yīng)著重考慮 MCU 的選型，時鐘頻率是否有特殊要求，內(nèi)存以及 ROM 的需求，內(nèi)部功能模塊的特殊功能等；其次 是 溫度傳感器的選擇，可以從兩個方面來考慮。第一，使用 AD 芯片對溫度信號采樣，第二，直接使用數(shù)字溫度傳感器；為了滿足系統(tǒng)的 多功能以及可視化要求，考慮采取何種 自控顯示控制的方法 ； 再者是考慮到與空調(diào)的通信方式的選擇，可以選擇數(shù)據(jù)線的通信方式或者紅外通信的方式。 方案設(shè)計比較 方案一 ：直接在空調(diào)的控制裝置中加入溫度傳感器的溫度檢測電路，同時加入相關(guān)的程序。 這種方案 的硬件電路和相關(guān)的程序編寫是最簡單的，但操作起來也是最麻煩的，因為它要拆開空調(diào)，從新安裝電路，下載程序，這是最不實用的一種。 方案二 ：采用獨立的模塊，用具有硬件 I2C 總線控制單元的單片機和溫度傳感器檢測電路構(gòu)成一個獨立的模塊，通過判斷檢測到的不同的溫度值來控制空調(diào)的運行，而它們的連接采用數(shù)據(jù)線的方式，單片機上只要 一個用來控制的 I/O 口就行。 此方案 雖然在安裝上沒有方案一麻煩，但也要拆開空調(diào)，采用數(shù)據(jù)線的控制方式能夠保證數(shù)據(jù)的傳輸?shù)姆€(wěn)定性和不被干擾，同時也省去了紅外指令學(xué)習(xí)的需要，但在位置上受到了限制，只能在一定的范圍內(nèi)安裝，如果需要遠距離安裝，它的成本也會不低，同時具有硬件 I2C 總線控制單元的單片機本身成本就高一些。 方案三： 同樣采用獨立的模塊，直接用不具有硬件 I2C 總線控制單元的 51 單片機和溫度傳感器檢測電路構(gòu)成一個獨立的模塊，通過判斷檢測到的不同的溫度值來控制空調(diào)的運行， 同時 這次我們采用紅外通信的方式，這也就 要求模塊能夠?qū)W習(xí)存儲不同紅外遙控器的指令，并且依據(jù)檢測到的溫度像空調(diào)發(fā)送不同的空調(diào)指令，因而在硬件電路上還要加上紅外接收和紅外發(fā)送的電路，以及外部的存儲器。 方案三采用紅外通信的方式和單片機軟件模擬 I2C 總線，相對來說電路與編程是最復(fù)雜的一種，但是可操作性和可維護性是最好的，并且同樣能夠?qū)W習(xí)適用大部分的空調(diào)， 5 通過紅外信號的傳輸控制方式對裝置的安裝也非常的方便，既不需要拆動空調(diào)，只要在紅外敏感的范圍內(nèi)對安裝的位置也沒要求，安裝的成本也不會提高 ，而 51 單片機也是目前市場上最成熟，最經(jīng)濟實惠的一款單片機， 對它的應(yīng)用也是最方便的 。 方案的確定 從上面方案的比較來看，方案三不但滿足功能要求，而且系統(tǒng)的實時性比較高，抗干擾能力也較好，性價比較高。根據(jù)以上方案的對比，以及根據(jù)實驗環(huán)境和設(shè)備的情況，綜合考慮后，最終選定第 3套方案。 第 3 章 整體電路設(shè)計 設(shè)計思路與方法 電路設(shè)計仿真軟件有很多種，像 Multisim,Proteus,Protel 等， 我選擇用 Protel dxp 作為我的電路制圖軟件，因為： 1. Protel DXP 是第一個將所有設(shè)計工具集于一身的板級設(shè)計系統(tǒng) ，電子設(shè)計者從最初的項目模塊規(guī)劃到最終形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)都可以按照自己的設(shè)計方式實現(xiàn) 。 2. 通過設(shè)計輸入仿真、 PCB繪制編輯、拓撲自動布線、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)融合， Protel DXP為電路設(shè)計 提供了全面的設(shè)計解決方案。 3. Protel DXP不是單純的 PCB（印制電路板）設(shè)計工具，而是由多個模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是 SCH（原理圖）設(shè)計、 SCH（原理圖）仿真、 PCB（印制電路板）設(shè)計、Auto Router（自動布線器）和 FPGA設(shè)計等，覆蓋了以 PCB為核心的整個物理設(shè)計。該軟件將項目管理方式 、原理圖和 PCB圖的雙向同步技術(shù)、多通道設(shè)計、拓樸自動布線以及電路仿真等技術(shù)結(jié)合在一起，為電路設(shè)計提供了強大的支持 。 6 軟件選擇后，然后就是要對系統(tǒng)功能模塊化，把系統(tǒng)分成若干不同功能的模塊，然后分別繪制所需的模塊。因此根據(jù)實際情況，可以將本系統(tǒng)分為如下幾個部分： 溫度采集模塊 ，系統(tǒng)控制模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊， 數(shù)碼管 顯示模塊， 紅外接收模塊 ，紅外發(fā)送 模塊。 整個裝置的 框架圖如圖 。 、 圖 控制器 框架圖 根據(jù)各基本模塊的設(shè)計，設(shè)計了 系統(tǒng) 整體電路圖， 系統(tǒng)原理圖請詳見附錄 A。 基本功能模塊電路 溫度采集模塊 1. DS18B20基本介紹 該模塊使用 DS18B20數(shù)字溫度傳感器，沒有采用傳統(tǒng)的熱敏電阻和 AD轉(zhuǎn)換等方式進行溫度采集，簡化了電路結(jié)構(gòu)，并且也提高了可靠性和 穩(wěn)定性。 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。外形圖如圖 。 AT89C52 溫度數(shù)據(jù)采集 溫度數(shù)據(jù)處理 紅外信號撲捉 紅外指令發(fā)送 24C02 溫度采集 DS18B20 溫度顯示 狀態(tài)顯示： 紅色亮：加熱 綠色亮：制 冷 藍色亮：關(guān)機 紅外指令信號 發(fā)送和接收模塊 被控空調(diào) 32 位紅外遙控器 7 圖 DS18B20外型圖 DS28B20內(nèi)部存貯器（如圖 ）由一個高速暫存 RAM和一個非易失 性 ，電可擦除 EERAM組成，后者存貯高低溫度和觸發(fā)器 TH和 TL。 圖 DS18B20存貯器結(jié)構(gòu)圖 每一 DS18B20包括一個唯一的 64位長的 ROM編碼，由于多個傳感器可以漏極開路的形式掛載在一根總線上，因此主機搜索不同的 ROM編碼就可以找到不同的傳感器， ROM編碼格式如圖 。主機進行 ROM操作時，必須提供五種操作命令之一： 1） Read ROM(讀 ROM),2)Match ROM(符合 ROM),3)Search ROM(搜索 ROM),4)Skip ROM(跳過ROM),Alarm Search(告警搜索 )。 MSB LSB MSB LSB MSB LSB 8 位 CRC 編碼 48 位序列號 8 位產(chǎn)品系列編碼 8 （最高有效位） （最低有效 位） 圖 ROM編碼格式 溫度采集模塊最重要的是要弄清傳感器是怎樣把溫度進行數(shù)字化的。在 DS18B20內(nèi)部完成提供 ℃ 的分辨率，溫度讀數(shù)以 16位、符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供。數(shù)據(jù)在單線接口上串行發(fā)送。溫度是以 1/2℃ LSB（最低有效位）形式表示時，產(chǎn)生以下9位格式 ，如圖 ： 圖 DS18B20內(nèi)溫度數(shù)據(jù)格式 為了達到更高的精度，則在對 DS18B20測溫原理進行詳細分析的基礎(chǔ)上，采取直接讀DS18B20內(nèi)部暫存器的方法，將 DS18B20的測溫分辨率提高到 ~℃ 。首 先用讀暫存器指令（ BEH），讀出 ℃ 為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位（ LSB），得到所測實際溫度整數(shù)部分 T1，然后用 BEH指令讀取計數(shù)器 1的計數(shù)剩余值 M1和每度計數(shù)值 M2。考慮到 DS18B20測量溫度的整數(shù)部分是以 ℃ 、 ℃為進位界限的關(guān)系，實際溫度 T可以用下式計算得到： T=()+(M2M1)/M2 2. 溫度采集模塊電路 根據(jù) DS18B20技術(shù)參數(shù)，溫度采集模塊電路設(shè)計如圖 。 DS18B20采用 +5V電源供電，而不采用數(shù)據(jù)線供電的寄生電源供電 形式，目的在于減少溫度轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取的時間，提高傳感器的工作效率。 DS18B20數(shù)據(jù)傳輸端口漏極開路，因此多個 DS18B20可以進行 “ 線與 ” ，掛載在同一條數(shù)據(jù)線上。數(shù)據(jù)線使用上拉電阻連接到 VCC，以滿足電平轉(zhuǎn)換期間提供足夠的電流。其中 數(shù)據(jù)端 接單片機引腳 。 圖 溫度采集電路 9 系統(tǒng)控制模塊 1. 內(nèi)部時鐘電路。 MCS51芯片內(nèi)有一個高增益反向放大器， XTAL1,XTAL2引腳分別為該反向放大器的輸入端和輸出端，在芯片的外部通過這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反 饋電路，就構(gòu)