【文章內(nèi)容簡介】 DS1820的改版可使溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微處理器處理，而且外圍電路很簡單，實現(xiàn)方便。由于每 片 DS18B20 含有唯一的序列號，所以在一條總線上可掛多片 DS18B20 。微處理器可通過一根口線經(jīng)序列號匹配識別后對每一個DS18B20進行讀寫操作，大大節(jié)省了硬件資源，一總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。新一代的數(shù)字溫度傳感器DS18B20體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。 DS18B20的測量溫度范圍為 55176。 C~+125176。 C，在10~+85176。 C范圍內(nèi)精度為177。 176。 C，分辨率 ?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，每一顆自帶地址，大大減少 了系統(tǒng)的電纜數(shù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，因此得到廣泛使用。所以溫度采集選用了 DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器。 第二章 熱量表硬件電路設(shè)計 6 圖 溫度傳感器部分 流量檢測電路的設(shè)計 流量計部分采用市場上常用的便攜式超 聲波流量計，由于已經(jīng)封裝好的在市場上銷售的流量計，與單片機的接口只能使用 RS232。 RS232 是異步通訊中最廣泛的標準總線，適用于數(shù)據(jù)中端設(shè)備（ DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（ DCE）之間的接口。在微機通訊中，通常使用 的 RS232 接口信號是九根引腳。 圖 流量計部分 超聲波流量計工作原理如下： 逆流換能器 流量方向 ? 順流換能器 X 圖 時差法超聲波流量測量原理 用一對超聲波換能器相互交替 收發(fā)超聲波，通過測量超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流 L D ? 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 傳播時間之差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種方法。 順流和逆流時間： Tu = ?VCOSC L? （ 21） Td = ?VCOSC L? （ 22） 式中 C為超聲波在介質(zhì)中的聲速， V為流體介質(zhì)的流動速度。經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得： V= XTC22? （ 23） 流量 Q= dtVD ?42? （ 24） 顯示電路的設(shè)計 在顯示部分的設(shè)計中，采用數(shù)碼管進行動態(tài)顯示，在動態(tài)顯示時，如果將數(shù)碼管直接與單片機連 接，除了硬件電路簡單之外，似乎沒有太多的優(yōu)點。但是當(dāng)選用專用的數(shù)碼管顯示驅(qū)動芯片時，優(yōu)點就顯現(xiàn)出來了。數(shù)碼管的顯示全部采用動態(tài)掃描方式，都可以連接 8 個數(shù)碼管，控制方式都比較簡單。在設(shè)計中，采用 CH451 作為數(shù)碼管驅(qū)動芯片CH451。 CH451是一個整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制以 。P監(jiān)控的多功能外圍芯片。CH451 內(nèi)置 RC 振蕩電路，可以動態(tài)驅(qū)動 8 位數(shù)碼管或者 64 位 LED，具有 BCD 譯碼、閃爍、移位等功能；同時還可以進行 64鍵的鍵盤掃描； CH451 通過可以級聯(lián)的串行接口與單片機等交換數(shù)據(jù)；并且提供上電 復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能。 第二章 熱量表硬件電路設(shè)計 8 圖 顯示部分 鍵盤電路的設(shè)計 在鍵盤部分，由于顯示以及功能的需要，按鍵不少于 12 個，所以使用非編碼式的 3*4矩陣式鍵盤。 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關(guān)矩陣 ,它是最簡單的單片機輸入設(shè)備 ,通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令 ,實現(xiàn)簡單的人機對話。鍵盤上閉和鍵的識別是由專用硬件實現(xiàn)的 ,稱為編碼鍵盤 ,靠軟件實現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。在此次設(shè)計中，由用擴展的 8155 的 PA0 口的低四位和 P0 口的高三位組成 4X3 矩陣結(jié)構(gòu)形式的 12 個鍵組成，考慮到在此次設(shè)計中鍵盤的作用僅僅是輸入焓系數(shù)值 ,并不是時時在用 ,因此設(shè)定了采用中斷方式實現(xiàn) , 因此定義十二個鍵 ,其中兩個功能鍵十個為數(shù)字鍵即可。 由于串行顯示管理芯片 CH451 廣泛地應(yīng)用于智能儀表當(dāng)中，在具體應(yīng)用過程中，它接收所要顯示的數(shù)據(jù)并將其顯示在 LED 顯示器上 ,動態(tài)地掃描管理著 顯示，該芯片本身只需 3 根線就可與單片機實現(xiàn)接口，硬件連接簡便，軟件編程容易。尤其用在單片機擔(dān)負繁忙數(shù)據(jù)處理任務(wù)的系統(tǒng)中，節(jié)省單片機用于顯示掃描的時間，更顯出其優(yōu)越性。 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 8155芯片及鍵盤 第三章 熱量表總體軟件設(shè)計 10 第三章 熱量 表總體軟件設(shè)計 熱量表工作原理 熱量表系統(tǒng)由流量傳感器、供回水溫度傳感器及計算、顯示裝置組成。在熱交換系統(tǒng)中安裝熱量表，配對溫度傳感器分別安裝在熱交換入口和出口管道上。當(dāng)水流經(jīng)系統(tǒng)時，流量傳感器發(fā)出流量信號，配對溫度傳感器分別檢測出入口和出口溫度信號，積算器采集流量、溫度信號，根據(jù)與溫度相關(guān)的熱量系數(shù)和體積、溫差計算出采暖系統(tǒng)所消耗的熱能值，顯示載熱液體從入口至出口所釋放的熱量值。熱量表系統(tǒng)的工作原理圖如圖 供水管道 計算測量與通信模塊 回水管道 總線 圖 熱量表系統(tǒng)工作原理 熱量表安裝在供熱系統(tǒng)的供水管道上，并將溫度傳感器分別裝在進、回水管道上。當(dāng)熱水以一定溫度從進水管注入一個熱交換器，用戶在通過熱交換獲取能量的同時，熱水便以較低的溫度從回水管流出。一段時間內(nèi)用戶所消耗的熱量為所供熱水的流量 和供回水的溫度差的乘積對時間的積分。其計算公式簡化為： Q=K*V*? T （ 31） 式中： Q 為吸收的熱量， K為熱焓修正系數(shù) (可以通過水的密度與焓值表查詢 )， ? T流量傳感器 供水溫度傳感器 K 系數(shù)計算 溫差計算 總線驅(qū)動 硬件乘法器 散熱器 數(shù)據(jù)顯示 數(shù)據(jù)保存 回水溫度傳感器 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 為進回水溫差， V為熱水體積瞬時流量。實際測量時，當(dāng)測量的時間間隔 ? t很小時，水溫的變化很小，可近似認為溫差 ? T恒定，從而積分式轉(zhuǎn)為累加和 Qn =?niq1=Q 1?n +qn （ 32） RAM 地址分配：首地址 0000H，末地址 1FFFH，芯片 6264。 ROM 地址分配：首地址 0000H，末地址 1FFFH，芯片 2764。 AT89C51 端口分配： P0 口：雙向數(shù)據(jù)端口及低 8 位地址線口 P2 口：高 8 位地址線口 ：溫度傳感器 1 輸入口 ：溫度傳感器 2 輸入口 ： CH451 控制端 1 ： CH451 控制端 2 ： CH451 控制端 3 ： INT0，接收流量信號 ： WR 端，寫控制端 ： RD 端，讀控制端 直接尋址位分配 34H 定時結(jié)束標志位 高電平標示己結(jié)束 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器分配 50H 存放溫度差值結(jié)果 53H 存放熱量累積值 57H 存放流量體積值 主程序的設(shè)計 在此次設(shè)計中，采用模塊化的編程思想。要實現(xiàn)智能儀表的預(yù)期功能，需要編制調(diào)試大量的軟件程序，工作量非常大。這么煩瑣的程序需要采用模塊化方法進行編程，即將一個大的程序分成若干個小的模塊，各個程序模塊可以分別進行設(shè)計，從而使程序的調(diào)試、修改和維護變得比較容易。程序量可以由不同的人同時分別編寫不同的模塊，從第三章 熱量表總體軟件設(shè)計 12 而能夠加快程序編制的進度。將系統(tǒng)軟件分割為主程序和若干個子程序，各個子程序之間采用結(jié)構(gòu)良好的轉(zhuǎn)移和調(diào)用，這樣各個模塊可有效地組合成一個整體，使流程明確地從一個程序模 塊轉(zhuǎn)移到下一個程序模塊。在這個過程中，必須嚴格注意控制使用任意轉(zhuǎn)移語句，以提高程序運行效率和可靠性。在熱量控制表的軟件設(shè)計中，我們綜合采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程方法對系統(tǒng)進行軟件編制和調(diào)試。在本系統(tǒng)中，主要采用 C語言進行程序編制。利用 Keil C程序編譯器進行 C語言的編輯、調(diào)試、編譯和仿真。 主程序流程圖如下： 圖 主程序流程圖 開始 讀流量傳感器脈沖 讀溫度計算差值 計算處理 脈沖 發(fā)送處理 顯示更新 斷電標志存儲 ROM 熱量累計量存入 ROM CPU休眠 電壓低？ 初始化 NO YES 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 在本系統(tǒng)中，軟件主要由主程序和若干中斷服務(wù)子程序組成。中斷服務(wù)子程序主要由以下幾部分組成 : （ 1） 流量通訊子程序： RS232接口通訊程序。 （ 2） 溫度測量子程序：采集進回水溫度。 （ 3） 焓值設(shè)定子程序 : 設(shè)定熱焓系數(shù)。 （ 4） 熱量計量程序：熱量計量程序又可分為進水 /出水口溫度采集、室溫信號采集和熱量計算三部分。 第三章 熱量表總體軟件設(shè)計 14 第四章 熱量表軟件詳細設(shè)計 通訊設(shè)計 熱量表與主機通訊通過 RS232 來實現(xiàn) ,AT89C51 芯片中的串行接口 UART 給這方面的應(yīng)用提供了很大的方便 ,可以在 CPU很少干預(yù)的情況下實現(xiàn)全雙工通信。 一般的串行通信要關(guān)心的是以下幾個參數(shù)： (1) 波特率 如 9600b/s,指每秒傳送 9600 位。 (2) 每幀有幾比特數(shù)據(jù)。 (3) 是否校驗，有奇校驗，偶校驗或不校驗。 (4) 有幾個停止位。 單片機內(nèi)部，用定時器 1 作為波特率發(fā)生器，收發(fā)都在中斷中完成。系統(tǒng)晶振用。通訊程序流程圖如圖 所示： 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 流量通訊子程序流程圖 溫度檢測設(shè)計 溫度信號采集部分有兩只配對的溫度傳感器 DS18B20 組成 ,在單片機的控制下 ,兩只溫度傳感器將代表溫度值的脈沖信號送入 、 ,至此溫度信號采集過程結(jié)束。流程圖如圖 所示 : 中斷服務(wù)子程序 清接收中斷標志 接收主機發(fā)來的命令 關(guān)中斷 保護現(xiàn)場 返回 將數(shù)據(jù)返回主機 開中斷，恢復(fù)現(xiàn)場 第三章 熱量表總體軟件設(shè)計 16 圖 1 溫度 /數(shù)據(jù)關(guān)系如表 ： 表 DS18B20溫度 /數(shù)據(jù)關(guān)系 開始 向 DS18B20 送地址 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令 讀溫度命令 送溫度值 返回 南昌工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 溫度 oC 數(shù)據(jù)輸出 (二進制 ) 數(shù)據(jù)輸出 (十六進制 ) +125 00000000 11111010