【正文】 圖 37 振蕩與復(fù)位電路 復(fù)位電路一般有上電復(fù)位、手動開關(guān)復(fù)位、自動復(fù)位等 幾種復(fù)位形式形式，一般單片機(jī)系統(tǒng)模塊中復(fù)位電路由上電復(fù)位和手動開關(guān)復(fù)位組成，上電復(fù)位是單片機(jī)上電后 RST 引腳瞬間獲得高電平，隨著電容 C 充電完成后形成短路，復(fù)位引腳電平開始下降最終由高電平變?yōu)榈碗娖?，?shí)現(xiàn)復(fù)位動作，復(fù)位變?yōu)榈碗娖綍r，單片機(jī)開始執(zhí)行程序，振蕩與復(fù)位電路如圖37 所示 [15]。 圖 35 硬件結(jié)構(gòu)圖 LCD 顯示 DS18B20 溫度傳感器 電 源 電 路 復(fù) 位 電 路 時鐘振蕩電路 89C52 16 DS18B20 與單片機(jī)接口電路 溫度傳感器 DS18B20 芯片數(shù)據(jù)端 2 引腳連接到單片機(jī)的 引腳，向單片機(jī)傳送溫度測量值， 1 引腳接地， 3 引腳和數(shù)據(jù)端 2 引腳之間接一個電阻后接電源 VCC，外接電阻主要是限流作用，防止電流過大燒毀傳感器，同時這樣實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測，具體如圖 36 所示 [13]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊采用 ULN20xxA 驅(qū)動芯片，接五相四線步進(jìn)馬達(dá)， 接口引出，也可以實(shí)現(xiàn) PWM 脈沖控制電機(jī)。停止位進(jìn)行幀結(jié)束的停止位數(shù)量，奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)校驗(yàn)。 圖 34 CH340G 通訊結(jié)構(gòu)圖 CH340 芯片內(nèi)置上拉電阻， UD+和 UD分別連接至 USB 總線上，配置電源上電復(fù)位電路， XI 和 XO 引腳外接 12MHZ 晶體振動器，為芯片提供 12MHZ 時鐘信號， TXD 引腳和 RXD 引腳負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 串口通訊 串口通信是外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。 圖 31 系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖 A/D 和 D/A 模塊設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩大部分，硬件主要是獲取現(xiàn)實(shí)環(huán)境的被測信號，為信號采集與控制提供物理傳輸通道，軟件用來控制測試環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等物理功能，通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同虛擬儀器功能，測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。 表 21 DS18B20 采樣值與溫度關(guān)系 二進(jìn)制 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 十進(jìn)制 0 0 1 1 2 3 3 4 5 5 6 6 7 8 8 9 表 22 DS18B20 采樣值與溫度關(guān)系 二進(jìn)制采樣值 十六進(jìn)制表示 十進(jìn)制溫度 / ℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H +125 0000 0001 1001 0001 0191H + 0000 0000 0000 0000 0000H 0 1111 1110 0110 1111 FE6FH 1111 1100 1001 0000 FC90H 55 例如： 07D0H 7DH=125 溫度值 125℃ ； 0191H 19H=25 1*= 溫度值 ℃ ； 0000H 溫度值為 0； FE6FH 1110 0110 1111 取補(bǔ)為 0001 1001 0001 (91H） 溫度值為 ℃ ； FC90H 1100 1001 0000 取補(bǔ)為 0011 0111 0000（ 370H） 37H=55 溫度值為 55℃ 。 圖 25 DS18B20 測溫內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 測試參數(shù)分析 DS18B20 檢測完溫度后，溫度值通過符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼（ 16位）形式寄存于高速存儲器 MSB 和 LSB 對應(yīng)字節(jié)中，讀取出的二進(jìn)制必須先轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制值，才能用于字符的顯示， DS18B20 的轉(zhuǎn)換精度通過設(shè)置配置寄存器 D6D5 位獲得，為了提高精度設(shè)置為 7FH,對應(yīng)分辨率 12位，對應(yīng)轉(zhuǎn)換時間 750ms。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器預(yù)置為 55℃ 時對應(yīng)相應(yīng)基數(shù)值，計(jì)數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振發(fā)出的固定頻率脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)處理，計(jì)數(shù)器 1 預(yù)設(shè)值減至 0 時且門電路未關(guān)閉，則溫度寄存器 的值將 +1（溫度高于 55℃ ），同時計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)設(shè)值將被重新裝入開始新一輪采集低溫度系數(shù)晶振發(fā)出的固定頻率脈沖信號，循環(huán)至計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值累加，溫度寄存器值為所測溫度，電路對振蕩器的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，斜率累加器補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性信號量，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)設(shè)值，測溫內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 25 所示。 圖 23 XPT2046 模擬輸入特性 9 方案確定 綜合兩種傳感器器件，在采集溫度功能上，兩個傳感器均可以實(shí)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)初期采用 DS18B20 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，簡單方便、測量準(zhǔn)確性高，測試原理雷同采用 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，權(quán)衡比較最終選擇了DS18B20 作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳感器。 圖 22 DHT11 結(jié)構(gòu)圖 XPT2046 介紹 XPT2046 作為 AD、 DA 轉(zhuǎn)換芯片，采用逐步逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置溫度檢測電路、參考電壓源，外置外部時鐘，分為單端模式、差分模式。 圖 21 DS18B20 結(jié)構(gòu)圖 DHT11 介紹 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器采用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，包括電阻式感濕元件和 NTC 測溫元件，與高性能 8 位單片機(jī)連接。傳感器和變換器組合測量被測環(huán)境的物理信號量，并將模擬物理信號量轉(zhuǎn)換為電信號；信號調(diào)理設(shè)備可以對采集到的電信號進(jìn)行加工，使采集到的模擬物理信號量適合數(shù)據(jù)采集卡的需求；計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡等獲得測量數(shù)據(jù)，軟件控制著整個測量系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對采集到的原始數(shù)據(jù)處理分析，并將最后結(jié)果表示成容易理解的方式，例如圖表、波形圖等。在工程過程中，為了準(zhǔn)確地捕捉信號信息，會通過信號濾波器對信號進(jìn)行信號濾波處理，并提高采用頻率倍數(shù)，縮小采樣頻率周期。采集信號的目的主要是測量電壓、電流、溫度、壓力、聲音等物理信息量，并將采集的信號信息傳輸?shù)叫盘柼幚砟K進(jìn)行信號處理，信號處理結(jié)果上傳至系統(tǒng)控制中心，控制中心根據(jù)采集信號做出相應(yīng)的決策。該設(shè)計(jì)中將溫度作為主要采集對象，溫度傳感器 DS18B20 作為溫度采集器件，通過下位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來并傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理分析。 隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，企業(yè)技術(shù)升級步伐也不斷提速，先進(jìn)虛擬設(shè)備需求表現(xiàn)尤為強(qiáng)勁，再加上我國個人計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，為虛擬儀器發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在企事業(yè)單位中，也涌現(xiàn)了一批研究和從事虛擬儀器的公司和學(xué)校。從服務(wù)對象而言，傳統(tǒng)獨(dú)立儀 器己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能勝任大數(shù)量、高質(zhì)量的信息采集要求。 在國外高校和研究所，虛擬儀器運(yùn)用也極其廣泛，在麻省理工、加州大學(xué)伯克利分校、伊利諾伊大學(xué)、弗吉尼亞理工、德州大學(xué)奧斯汀分校、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等美國高等工程院校均將虛擬儀器技術(shù)的教學(xué)列入正常的教學(xué)計(jì)劃當(dāng)中，相應(yīng)學(xué)科有電氣、自動化、通信、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、土木等，教學(xué)和研究成果頗豐。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到 1994 年 虛擬儀器生產(chǎn)合作廠商達(dá)到 90 余家，生產(chǎn) 1000 多種各式產(chǎn)品。 第三階段：虛擬儀器框架最終確定與成熟。 根據(jù)虛擬儀器發(fā)展過程，虛擬儀器發(fā)展大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段 [8]： 第一階段 :傳統(tǒng)意義上的利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)虛擬儀 器功能。為了進(jìn)一步提高測試系統(tǒng)，以杰夫 ?科多斯基為首的工程師們于 1986 年通過 NI 公司推出了基于蘋果機(jī)環(huán)境下著名的圖形化編程工具 LabVIEW[6]。微機(jī)及數(shù)字信號處理器運(yùn)算速度提升實(shí)現(xiàn)了實(shí)時控制要求，利用通用計(jì)算機(jī)來管理儀器、組建儀器系統(tǒng) ，進(jìn)而完成傳統(tǒng)儀器需要實(shí)現(xiàn)的功能。而采用虛擬儀器技術(shù)僅需采購必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件來完成自己的儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)意義上的儀器一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互和顯示等幾個基本部分組成，如果測 試環(huán)境、測試物理量等發(fā)生變更則需要進(jìn)行儀器整體變更設(shè)計(jì)，增加了產(chǎn)品成本。在上世紀(jì) 90 年代，由美國 NI 公司提出了新概念 —虛擬儀器，標(biāo)志著測量技術(shù)向一個新的方向轉(zhuǎn)變。另外，在大部分溫度控制系統(tǒng)環(huán)境中，增溫要比降溫實(shí)現(xiàn)方法簡單。因此，溫度數(shù)據(jù)采集作為系統(tǒng)采集參數(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。 虛擬儀器介紹 ............................................................................................ 2 虛擬儀器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................ 3 國外發(fā)展情況 ..................................................................................... 3 國內(nèi)發(fā)展情況 ..................................................................................... 4 本文主要研究內(nèi)容 .................................................................................... 5 第 2 章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ......................................................................................... 6 設(shè)計(jì)任務(wù) .................................................................................................... 6 方案選擇 .................................................................................................... 6 DS18B20 介紹 ..................................................................................... 7 DHT11 介紹 ......................................................................................... 7 XPT2046 介紹 ..................................................................................... 8 方案確定 .................................................................................................... 9 DS18B20 測溫原理 ............................................................................. 9 測試參數(shù)分析 ................................................................................... 10 本章小結(jié) .................................................................................................. 11 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ....................................................................... 12 A/D 和 D/A 模塊設(shè)計(jì) .............................................................................. 12 串口通訊 .................................................................................................. 13 單片機(jī)最小系統(tǒng)介紹 .............................................................................. 14 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要電路 ................................................................... 15 DS18B20 與單片機(jī)接口電路 ........................................................... 16 振蕩與復(fù)位電路 ............................