【正文】 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 3 調(diào)研報(bào)告 溫濕度 測(cè)量是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分 ,在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等方面起著關(guān)鍵的作用。單片機(jī)適用于測(cè)量和控制領(lǐng)域，它以芯片形式嵌人到電子產(chǎn)品或系統(tǒng)中起到“ 電腦 ” 作用，受到電子專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的青睞。準(zhǔn)確測(cè)量溫濕度對(duì)于生物制藥、食品加工、造紙等行業(yè)更是至關(guān)重要的。 溫度是日常生活、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、化工、石油等領(lǐng)域最常用到的一個(gè)物理量。由于溫度測(cè)量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位，約占 50%. 溫度傳感器是通過(guò)物體隨溫度變化而改變某種特性來(lái)間接測(cè)量的。此類(lèi)傳感器通常要配溫度變送器，以獲得標(biāo)準(zhǔn)的模擬量 (電壓或電流 )輸出信號(hào)。典型產(chǎn)品有 AD590、 AD59 TMP1 LMl35 等。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器 (CPU)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM)和只讀存儲(chǔ)器 (ROM)。芯片中主要包括七部分；內(nèi)部溫度傳感器 (用于測(cè)量本地溫度 )， 遠(yuǎn)程測(cè)溫通道 (外接 2N3904 型NPN 晶體管，利用其發(fā)射結(jié)來(lái)測(cè)量遠(yuǎn)程溫度 )，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) (即模擬輸入轉(zhuǎn)換器 )， 12 位 ADC，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，時(shí)鐘電路和 3 線(xiàn)串行接口電路。日前，國(guó)外己相繼推出多種高精度、高分辨率的智能溫度傳感器，所用的是 9 到 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨率一般可達(dá) 到 ℃。DSl629 則在片內(nèi)集成了 32 字節(jié)的靜態(tài)存儲(chǔ)器 (RAM)。目前所采用的總線(xiàn)主要有單線(xiàn) (1— Wire)總線(xiàn)、 I2 C 總線(xiàn)、 SMBμ s 和 SPI 總線(xiàn)。 為了避免當(dāng)溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)作現(xiàn)象，在 AD7416／7417/781 LM75／ 7 MAX6625／ 6626 等智能溫度傳感器芯片內(nèi)部，都設(shè)置一個(gè)可編程的“故障排隊(duì) (faultqueue)”計(jì)數(shù)器，專(zhuān)門(mén)用來(lái)設(shè)定允許被 測(cè)溫度值超過(guò)溫度上、下限的次數(shù)。此外，當(dāng)溫度超過(guò) CPU 的極限溫度時(shí)，嚴(yán)重超溫報(bào)警輸出端 (T_CRIT_T 入 )也能直接關(guān)斷主電 源，并且該端還可以通過(guò)獨(dú)立的硬件關(guān)斷電源來(lái)切斷主電源，以防主電源控制失靈。虛擬儀器（ VI）是測(cè) 量?jī)x器、計(jì)算機(jī)和軟件這三者的有機(jī)結(jié)合。 （ 2） 網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器 網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器是包含數(shù)據(jù)傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器。 2 簡(jiǎn)介單片機(jī) 單片機(jī) AT89C51 的簡(jiǎn)介 隨著社會(huì)的發(fā)展，單片機(jī)以其體積小、可靠性高、使用方便等特點(diǎn)在社會(huì)生活中達(dá)到廣泛應(yīng)用。是計(jì)算機(jī)的控制指揮中心。 算術(shù)邏輯單元 ALU 與累加器 ACC、寄存器 B 算術(shù)邏輯單元 ALU 不但能完成 8 位二進(jìn)制的加、減、乘、除等算數(shù)運(yùn)算。但可以由用戶(hù)根據(jù)需要指令加以改變。 AT89C51 單片機(jī) 40 個(gè)引腳及總線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如下所示。 XTAL2:接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。 ② P1 口： 統(tǒng)稱(chēng)為 P1 口。 ④ P3 口： 統(tǒng)稱(chēng)為 P3 口。 ④ EA/VPP 片外程序存儲(chǔ)器選用端。 P1 口為準(zhǔn)雙向口，它在結(jié)構(gòu)上與 P0 口的區(qū)別在與輸出驅(qū)動(dòng)部分。 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 19 AT89C51 單片機(jī)指令字節(jié)數(shù)和機(jī)器周期數(shù)可分為六類(lèi)。 DS18B20的性能特點(diǎn)如下： ●獨(dú)特的單線(xiàn)接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信； ●多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能； ●無(wú)須外部器件； ●可通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)供電，電壓范圍為 ~； ●零待機(jī)功耗； ●溫度以９或１２位數(shù)字； ●用戶(hù)可定義報(bào)警設(shè)置； ●報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件； DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及設(shè)置 DS18B20 采用３腳 PR－ 35封裝或８腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框 圖如圖 31所示。該字節(jié)各位的定義如圖 3 所示。單片機(jī)可以通過(guò) 單線(xiàn)接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 ℃／ LSB 形式表示。 DS18B20 的測(cè)溫原理是這這樣的 ,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器１；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器２的脈沖輸入。 D S 1 8 B 2 0 D S 1 8 B 2 0 D S 1 8 B 2 04 .7 KGN D GN D GN DVC CVC C單 片機(jī)....圖 33 DS18B20 與單片機(jī)的接口電路 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 25 DS18B20 溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路 DS18B20 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí) DS18B20的 1 腳接地， 2 腳作為信號(hào)線(xiàn)， 3 腳接電源。 2. 數(shù)碼管工作原理 共陽(yáng)極數(shù)碼管的 8 個(gè)發(fā)光二級(jí)管的陽(yáng)極（二極管正端）連接在一起。 4. 動(dòng)態(tài)顯示接口 動(dòng)態(tài)顯示是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管。 溫度報(bào)警電路 本設(shè)計(jì)采軟件處理報(bào)警，利用有 源蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警輸出，采用直流供電。 AT89C51 的引腳 AT89C51 采用引腳雙列直插式封裝，現(xiàn)將各引腳的功過(guò)能說(shuō)明如下。復(fù)位后， AT89C51 內(nèi)部專(zhuān)用寄存器及 I/O 口的處置與 8051 的情況一樣，而內(nèi)部的狀態(tài)保 持不變。 和 分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入 (AIN0)和反相輸入（ AIN1）。 P3 口緩沖器 可吸收 20mA 電流。 與 PIC 相比 51 更適合于較復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，適合一些軟件需要多次修改的應(yīng)用。斜率累加器用于溫度補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線(xiàn)形性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直到溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值。 圖 54 主板電路 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 33 圖 55 硬件原理圖 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 34 6 硬件電路 系統(tǒng)硬件主要構(gòu)成 整個(gè)系統(tǒng)硬件可以分為主控制器模塊，測(cè)溫電路模塊和顯示電路模塊。 性能測(cè)試可用制作的溫度計(jì)和已有的成品溫 度計(jì)來(lái)同時(shí)測(cè)量比較，由于DS18B20 的精度很高，所以誤差指標(biāo)可以限制在 ℃ 以?xún)?nèi)，另外 — 55 至+125 ℃ 的測(cè)溫范圍使得該溫度計(jì)完全適合一般的應(yīng)用場(chǎng)合，其低壓供電特性可作成用電池供電的手持電子溫度計(jì)。將 28H 中的最低位移入 C RRC A MOV C,41H RRC A MOV C,42H RRC A MOV C,43H RRC A MOV TEMPER_L,A WAIT: SETB ALARM_L SETB ALARM_H CLR SOUND JB ,SET1 CLR SET1_A MOV WENDU,29H 。延時(shí) 1 毫秒 DJNZ R2,DV CPL ALARM_H 。應(yīng)用 判斷 SP1 是否按下 LCALL DELAY10MS 。關(guān)閉報(bào)警聲 JNB CLOSE,CL2 MOV R2,235 。溫度設(shè)置開(kāi)關(guān) CLOSE BIT 。本程序采用單片機(jī)匯編編寫(xiě)，用 編譯器編程調(diào)試。 圖 54 中的按健復(fù)位電路是上電復(fù)位加手動(dòng)復(fù)位，使用比較方便，在程序跑飛時(shí)，可以手動(dòng)復(fù)位，這樣就不用在重起單片機(jī)電源，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定，每次測(cè)量前，首先將 — 55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 — 55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。 與 PIC 單片機(jī)比較 目前，國(guó)內(nèi)小型的單片機(jī)全勝較多的有 PIC 系列， 89C51 與 PIC 相對(duì)應(yīng)芯片比較有如下特點(diǎn)： 89C51 的價(jià)格高于 PIC 的 OTP 型號(hào)，但 大大低于 PIC 的 EPROM 型， 89C51片內(nèi)不含 Watch Dog，這是 89C51 的不足之處，中斷系統(tǒng)堆棧結(jié)構(gòu)、串等通訊筆定時(shí)器系統(tǒng)都大大強(qiáng)于 PIC 系統(tǒng)。 P3 口： P3 口的 和 是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個(gè)雙向 I/O 引腳。 P1 口： P1 口是一個(gè) 8 位雙向 I/O 口。 RST（ 1）：復(fù)位輸入端。 主 控 制 器 LED顯 示 溫 度 傳 感 器 單片機(jī)復(fù)位 時(shí)鐘振蕩 報(bào)警點(diǎn)按 鍵調(diào)整 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 28 圖 51 總體設(shè)計(jì)方框圖 主控制器 在第二章中已經(jīng)提到單片機(jī) AT89C51，在此詳細(xì)介紹一下各引腳的功能及其有優(yōu)點(diǎn)。依此規(guī)律循環(huán)，即可使各位數(shù)碼管顯示將要顯示的字符。較小的電流即可獲得較大的亮度。 4 顯示及報(bào)警模塊器件選擇 顯示模塊 常用的 LED 顯示器有 LED 狀態(tài)顯示器（俗稱(chēng)發(fā)光二極管） LED 七段顯示器（俗稱(chēng)數(shù)碼管和 LED 十六段顯示器，發(fā)光二極管可顯示兩種狀態(tài)，用于系統(tǒng)顯示；數(shù)碼管用于數(shù)字顯示； LED 十六段顯示器， 用于字符顯示） 1．?dāng)?shù)碼管結(jié)構(gòu) 數(shù)碼管由 8 個(gè)發(fā)光二極管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)字段）構(gòu)成，通過(guò)不同組合可用來(lái)顯示數(shù)字 AF 及小數(shù)點(diǎn)“ .”。系統(tǒng)對(duì) DS18B20 的各種操作按協(xié)議 進(jìn)行。 在 64 位 ROM 的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼（ CRC）。 當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。第５個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。 AT89C51 單片機(jī)指令與指令系統(tǒng)共有 111 條指令，從無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 20 功能上可分成數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算和移位指令、程序控制轉(zhuǎn)移類(lèi)指令和位操作指令五大類(lèi)。 （ a） P0 口結(jié)構(gòu) （ b） P1 口結(jié)構(gòu) （ c） P2 口結(jié)構(gòu) （ d） P3 口結(jié)構(gòu) 圖 23 I/O 口位結(jié)構(gòu)圖 AT89C51 單片機(jī)時(shí)鐘電路及時(shí)序 AT89C51 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種方式產(chǎn)生：一種是內(nèi)部方式，一種是外部方式。 P0 口是一個(gè)三態(tài)雙向口， 可作為地址 /數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口，也可作為通用 I/O 接口。 ② PSEN 片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端低電平有效。也可作為片外存儲(chǔ)器的高 8 位地址線(xiàn)。在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展 I/O 口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向輸入 /輸出口。 主電源引腳兩根： VCC 接 +5V 電源正端； VSS 接 +5V 電源地端。用來(lái)協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分正常工作。用 于存放指令執(zhí)行后的狀態(tài)，以供程序查詢(xún)和判別。它主要完成數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?AT89C51 系列單片機(jī)主要有 CPU、存儲(chǔ)器（包括 RAM 和 ROM）、 I\O 接口電路及時(shí)鐘電路等部分組成。以滿(mǎn)足對(duì)溫度控制的需要。 此外，專(zhuān)供開(kāi)發(fā)虛擬傳感器產(chǎn)品的軟件工具也已經(jīng)面市了。遠(yuǎn)程傳感器引線(xiàn)可采用普通雙絞線(xiàn)或者帶屏蔽層的雙絞線(xiàn)。微處理器最高可承受的工作溫度規(guī)定為 TH ，臺(tái)式計(jì)算機(jī)一般為 75℃，高檔筆記本電腦的專(zhuān)用 CPU 可達(dá) 100℃?！?— ?式 A/D 轉(zhuǎn)換器不僅能濾除量化噪聲，而且對(duì)外因元件的精度要求低；由于采用了數(shù)字反饋方式，因此比較器的失調(diào)電壓及零點(diǎn)漂移都不會(huì)影響溫度的轉(zhuǎn)換精度。智能溫度控制器適配各無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 11 種微控制器，構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng)：它們還可以脫離微控制器單獨(dú)工作，自行構(gòu)成一個(gè)溫控儀，既可以工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，亦可選擇單次轉(zhuǎn)換模式。例如， DSl629 型單線(xiàn)智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘 (RTC)，使其功能更加完善。 圖 11 MAX1298／ 1299 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部電路圖 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 10 智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢(shì) 進(jìn)入 21 世紀(jì)之后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開(kāi)發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。l℃。 智能溫度傳感器具有以下三個(gè)顯著特點(diǎn)：第一，能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各微控制器 (MCU)；第二，能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成高性?xún)r(jià)比、多功能的智能化溫度測(cè)控系統(tǒng)；第三，它是在硬件的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開(kāi)發(fā)水平。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一 (僅測(cè)量溫度 )、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距