【正文】 其它I/O 口線與微機(jī)接口，無(wú)須經(jīng)過(guò)其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值（ 9 位二進(jìn)制數(shù)，含符號(hào)位），②測(cè)溫范圍為 55℃ +125℃，測(cè)量分辨率為 ℃ , ③內(nèi)含 64 位經(jīng)過(guò)激 2 光修正的只讀存儲(chǔ)器 ROM，④適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)，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(bào)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(hào)。不同的器件地址序列號(hào)不同。 3. DS18B20 控制方法 在硬件上， DS18B20 與單片機(jī)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(jī)的 I/O 線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí) UDD、 GND 接地，I/O 接單片機(jī) I/O。無(wú)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(duì) DS18B20 的訪問(wèn)流程是：先對(duì) DS18B20 初始化，再進(jìn)行 ROM 操作命令，最后才能 對(duì)存儲(chǔ)器操作，數(shù)據(jù)操作。 DS18B20 每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。如主機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換這一過(guò)程，根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì) DS18B20 進(jìn)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(duì) DS18B20 進(jìn)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(shí)候?yàn)榱藞D舒服將溫度設(shè)的很低，而且在無(wú)人的時(shí)候常常忘記關(guān)掉空調(diào)， 特別是在一些大型的公共場(chǎng)所， 這不僅僅會(huì)造成電能的浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)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(chǎng)了，它通過(guò)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度判斷是否達(dá)到上下限值從而自動(dòng)通過(guò)發(fā)射學(xué)習(xí)到得紅外指令信號(hào)來(lái)控制空調(diào)的制冷、加熱和開(kāi)關(guān)機(jī) 來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。 在 傳統(tǒng)的 溫度檢測(cè)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(guò)程。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用分析發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)上存在電源干擾、濾波不可靠，線路過(guò)于復(fù)雜 、 無(wú)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(lái)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(hào)供微機(jī)處理，而且在單總線上可以掛多片 DS18B20，微機(jī)只需一根端口線就能與多片 DS18B20 進(jìn)行通 信 ， 而且由于它體積小的優(yōu)點(diǎn)，因此 占 用 的 PCB板面積很小 ,電路也很好設(shè)計(jì) 。因此，由單片機(jī)和 DSI8B20 構(gòu)成的分布式多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的溫度采樣模式，具有可靠性高、線路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、功能便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。 3 本設(shè)計(jì)應(yīng)用性 和實(shí)用性都 比較強(qiáng) ，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(cè)、風(fēng)速、濕度等等，并且通信采 用的是紅外信號(hào)，在使用時(shí)基本上不用改變?cè)械脑O(shè)備 。 并且在設(shè)計(jì)完了以后，控制器會(huì)根據(jù)編程自動(dòng)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(duì)傳感器 和紅外信號(hào)發(fā)送和接收 的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì) 紅外通信 的深 入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本 器件 。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)以及 紅外信號(hào)的使用 而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了這一 控制器 。文中傳感器理論、 紅外通信技術(shù)、 單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)地講述了利用 DS18B20 傳感器探測(cè)環(huán)境溫度的 過(guò)程以及紅外指令信號(hào)的發(fā)送與接收 。 課題 的主要 組成和設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括溫度采集模塊 ，系統(tǒng)控制模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，顯示模塊， 紅外信號(hào)撲捉與發(fā)送模塊五 個(gè)部分。文中對(duì) 每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過(guò)程作了詳細(xì)介紹。整個(gè)系統(tǒng)的核心是進(jìn)行溫度 監(jiān)測(cè) 和紅外信號(hào)指令的撲捉與發(fā)送 。 設(shè)計(jì)要求如下： 設(shè)計(jì)制作一個(gè)辦公室空調(diào)節(jié)電控制器來(lái)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(kāi)啟空調(diào)； 2) 低于 14176。時(shí)允許開(kāi)啟制熱，達(dá)到 18176。時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，自然降溫到 14176。時(shí)又允許開(kāi)啟； 3) 高于 28176。時(shí)允許開(kāi)啟制冷，達(dá)到 24176。時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，自然升溫到 28176。時(shí)又允許開(kāi)啟； 4 第 2 章 方案比較與論證 設(shè)計(jì)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(guò)紅外通信技術(shù) 對(duì) 環(huán)境內(nèi)的空調(diào)進(jìn)行相應(yīng)的控制 。 在設(shè)計(jì)之時(shí)首先要對(duì)整體架構(gòu)要有個(gè)清晰地了解，針對(duì)控制現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，應(yīng)著重考慮 MCU 的選型，時(shí)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(gè)方面來(lái)考慮。第一，使用 AD 芯片對(duì)溫度信號(hào)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(jì)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(cè)電路，同時(shí)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(jiǎn)單的，但操作起來(lái)也是最麻煩的，因?yàn)樗痖_(kāi)空調(diào)，從新安裝電路，下載程序，這是最不實(shí)用的一種。 方案二 ：采用獨(dú)立的模塊，用具有硬件 I2C 總線控制單元的單片機(jī)和溫度傳感器檢測(cè)電路構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的模塊，通過(guò)判斷檢測(cè)到的不同的溫度值來(lái)控制空調(diào)的運(yùn)行，而它們的連接采用數(shù)據(jù)線的方式，單片機(jī)上只要 一個(gè)用來(lái)控制的 I/O 口就行。 此方案 雖然在安裝上沒(méi)有方案一麻煩，但也要拆開(kāi)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(shí)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(yuǎn)距離安裝，它的成本也會(huì)不低，同時(shí)具有硬件 I2C 總線控制單元的單片機(jī)本身成本就高一些。 方案三： 同樣采用獨(dú)立的模塊，直接用不具有硬件 I2C 總線控制單元的 51 單片機(jī)和溫度傳感器檢測(cè)電路構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的模塊，通過(guò)判斷檢測(cè)到的不同的溫度值來(lái)控制空調(diào)的運(yùn)行， 同時(shí) 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(chǔ)不同紅外遙控器的指令，并且依據(jù)檢測(cè)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(chǔ)器。 方案三采用紅外通信的方式和單片機(jī)軟件模擬 I2C 總線，相對(duì)來(lái)說(shuō)電路與編程是最復(fù)雜的一種，但是可操作性和可維護(hù)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(guò)紅外信號(hào)的傳輸控制方式對(duì)裝置的安裝也非常的方便，既不需要拆動(dòng)空調(diào)，只要在紅外敏感的范圍內(nèi)對(duì)安裝的位置也沒(méi)要求，安裝的成本也不會(huì)提高 ，而 51 單片機(jī)也是目前市場(chǎng)上最成熟，最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的一款單片機(jī)， 對(duì)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(lái)看，方案三不但滿足功能要求，而且系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性比較高，抗干擾能力也較好，性價(jià)比較高。根據(jù)以上方案的對(duì)比，以及根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jì) 設(shè)計(jì)思路與方法 電路設(shè)計(jì)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?yàn)椋? 1. Protel DXP 是第一個(gè)將所有設(shè)計(jì)工具集于一身的板級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng) ，電子設(shè)計(jì)者從最初的項(xiàng)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(jì)方式實(shí)現(xiàn) 。 2. 通過(guò)設(shè)計(jì)輸入仿真、 PCB繪制編輯、拓?fù)渥詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)融合， Protel DXP為電路設(shè)計(jì) 提供了全面的設(shè)計(jì)解決方案。 3. Protel DXP不是單純的 PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)工具，而是由多個(gè)模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是 SCH（原理圖）設(shè)計(jì)、 SCH（原理圖）仿真、 PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)、Auto Router（自動(dòng)布線器）和 FPGA設(shè)計(jì)等，覆蓋了以 PCB為核心的整個(gè)物理設(shè)計(jì)。該軟件將項(xiàng)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(jì)、拓樸自動(dòng)布線以及電路仿真等技術(shù)結(jié)合在一起，為電路設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持 。 6 軟件選擇后，然后就是要對(duì)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(shí)際情況，可以將本系統(tǒng)分為如下幾個(gè)部分： 溫度采集模塊 ，系統(tǒng)控制模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)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(jì)，設(shè)計(jì)了 系統(tǒng) 整體電路圖， 系統(tǒng)原理圖請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)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(méi)有采用傳統(tǒng)的熱敏電阻和 AD轉(zhuǎn)換等方式進(jìn)行溫度采集，簡(jiǎn)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(cè)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(hào)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(lán)色亮：關(guān)機(jī) 紅外指令信號(hào) 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(gè)高速暫存 RAM和一個(gè)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(gè)唯一的 64位長(zhǎng)的 ROM編碼，由于多個(gè)傳感器可以漏極開(kāi)路的形式掛載在一根總線上，因此主機(jī)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(jī)進(jìn)行 ROM操作時(shí)，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(guò)ROM),Alarm Search(告警搜索 )。 MSB LSB MSB LSB MSB LSB 8 位 CRC 編碼 48 位序列號(hào) 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(jìn)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(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)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(shí)，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(dá)到更高的精度，則在對(duì) DS18B20測(cè)溫原理進(jìn)行詳細(xì)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(cè)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(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位（ LSB），得到所測(cè)實(shí)際溫度整數(shù)部分 T1，然后用 BEH指令讀取計(jì)數(shù)器 1的計(jì)數(shù)剩余值 M1和每度計(jì)數(shù)值 M2?？紤]到 DS18B20測(cè)量溫度的整數(shù)部分是以 ℃ 、 ℃為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度 T可以用下式計(jì)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(jì)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(shí)間，提高傳感器的工作效率。 DS18B20數(shù)據(jù)傳輸端口漏極開(kāi)路，因此多個(gè) DS18B20可以進(jìn)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(jī)引腳 。 圖 溫度采集電路 9 系統(tǒng)控制模塊 1. 內(nèi)部時(shí)鐘電路。 MCS51芯片內(nèi)有一個(gè)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(guò)這兩個(gè)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)