【文章內容簡介】 多，為了便于用戶安裝使用，在硬件設計時，應盡可能地使用各種先進的現(xiàn)場總線技術，力求電路最簡單，安裝調試最方便。 第二，為保證本系統(tǒng)高可靠性運行，儀器本身要具備很強的抗干擾能力，為此應在硬件及軟件設計上引入各種抗干擾清施。特別是系統(tǒng)中各部分電路的電源均設計為直流穩(wěn)壓電源供電，當儀器用于復雜的工業(yè)環(huán)境時，直流電源能夠不受干擾的對各部分電路提供直流電壓就顯得十分重要了。 第三，由于硬件電路十分簡潔，那么軟件勢必功能很強大，在軟件設計時也應尋找盡可能簡單完善的設計思路，保證程序易于修改、調試。 采樣 轉換 報警 顯示 單片機 測試對象 哈爾濱理工大學學士學位論文 6 第 2章 多路溫度測量系統(tǒng) 的設計方案 方案的比較與論證 溫度傳感器的選擇 根據(jù)題目要求，設計一溫度測量電路，能夠通過溫度傳感器測量并顯示被測量點的溫度，常用的溫度傳感器可分為 3 大類： 方案一：熱電偶式 或電阻式 熱電偶具有構造簡單 ,適用溫度范圍廣 ,使用方便 ,承受熱機械沖擊能力強以及響應速度快等特點 ,常用于高溫區(qū)域 , 振動沖擊大等惡劣環(huán)境以及適合于微小結構測溫場合 。但其信號輸出靈敏度比較低 ,容易受到環(huán)境干擾和前置放大器溫度漂移的影響 ,因此不適合測量微小的溫度變化。 電阻式可用來測量 220~850℃ 范圍內的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至 272℃ ，高溫可測量至 1000℃ ，互換性差，非線性嚴重，在腐蝕介質中使用時，易氧化，因此，只能用于低溫及無腐蝕性的介質中。雖然測量溫度范圍廣，但熱穩(wěn)定性差。 實際上，各測試點的溫度值經過測溫元件熱電偶、熱電阻等，被轉換為電信號，這樣得到的多路采樣信號經放大器、多路模擬開關及 A/D 轉換電路，由單片機控制多通道 A/D 轉換，分時對電壓信號進行循環(huán)采樣和A/D 轉換。這種方案是單片機處理非電量信號的傳統(tǒng)方法，它的優(yōu)點是測溫范圍廣 ： 但是一方面，單片機外電路復雜，因為 多 路溫度需要多個模擬開關，不管是通用的并行、串行 總線，還是專用總線，其傳送數(shù)據(jù)的信號線總是多根的，這樣系統(tǒng)連線非常復雜，并且需要額外的接口芯片，其成本也高；另一方面， A/D 轉換器要占用多個 I/O 口向單片機輸入多位的數(shù)字量，這無疑使得有限的 I/O 口在設計時顯得較為局促；軟件工作量大，且功耗也較大，線路上傳送的是模擬信號。易受干擾和損耗，這種方案的性能價格比較低。 方案二：二端式半導體集成溫度傳感器 使用在溫度測控領域中有廣泛應用的二端式半導體集成溫度傳感器AD590 、 LM35 等，將采集到的電流信號經多路 A/D 轉換器送入單片機，由單片機控制數(shù)據(jù)的采集 和轉換。以 AD590 為例，它的測溫范圍為 55～+ 150℃ 。工作電壓為＋ 4～ + 30 V 。由于 AD590 是一種電流型的溫度傳感器，因此具有較強的抗干擾能力，適用于計算機進行遠距離溫度測量和控制，遠距信號傳遞時，可采用一般的雙紋線來完成；其電阻比較大。因此不盆要精密電源對其供電，長導線上的壓降一般不影響測量精度；不需要溫度補償和專門的線性電路。在這一方面顯然優(yōu)于第一方案。但是它哈爾濱理工大學學士學位論文 7 仍然具有單片機處理多個模擬信號時的缺點：電路連線復雜、軟件工作量大、功耗大、需要占用較多的 I/O 口線。 方 案三：數(shù)字式 選用 先進的數(shù)字式溫度傳感器，將采集到的數(shù)字式的溫度信號直接送入單片機進行處理。隨著傳感器技術的發(fā)展，已經出現(xiàn)了先進的數(shù)字式溫度傳感器。這種方案中的溫度傳感器兼有測溫和 A/D 轉換的功能，輸出值是數(shù)字信號，所以不必使用 A/D 轉換器和相關的接口芯片，能夠直接進入單片機進行數(shù)字處理。硬件電路非常簡潔，有較好的線性關系和較強的抗干擾能力，同以上兩種方案相比有明顯的優(yōu)勢和極其廣泛的開發(fā)前景。但是測量范圍較小，一般在 50℃～ + 150℃ 之間。 如 MAX 公司的 MAX6575 ，測溫范圍是 55℃～ + 125℃ ,6 管腳引線。 MAX6575 要求在一個單片機的一條控制總線上只允許掛接 8 個溫度傳感器，管腳數(shù)太多，單個傳感器也不方便在總線上掛接。 MAX6575 的分辨率在 25℃時為 ℃（最大為 3℃ ），電源電壓為 ～ ，電流值為 160μA，測溫范圍為 40℃～ +125℃。 又 如， DALLAS 半導體公司提供了先進的數(shù)字式溫度計 DS1820 系列。該系列采用了與眾不同的原理，利用 溫 敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關系，通過對振蕩周期的計數(shù)來實現(xiàn) 溫 度測量的。輸出值是數(shù)字信號，所以不必使用 A/D 轉換器和相關的接口芯片，直 接送入單片機進行數(shù)字處理。為了擴大測 溫 范圍和提高分辨率，使用了低 溫 系數(shù)振蕩器和一個高 溫系數(shù)振蕩器分別進行計數(shù)，并采用了非線性累加器來改善線性，其中DS18B20 是常用的溫度傳感器，它采用一根 I/O 數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)和命令，售價低廉，廣泛用于食品庫、冷庫、糧庫，是 DS1820 的改進型產品。DS18B20 溫度傳感器為 “ 一線式器件 ” ，體積更小、適用電壓更寬、更方便。其測量溫度范圍為 55℃ 到 +125℃ ，在 10℃ 到 +85℃ 范圍內 ,精度為177?！?。用戶可以設置溫度的上下限，并具可以直接與單片機進行通訊?，F(xiàn)場溫度直 接以 “ 一線總線 ” 的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 考慮題目測溫范圍要求以及測量數(shù)據(jù)的準確性要求 ，比較以上三個方案， 選擇方案三。 考慮到 本系統(tǒng)是 多路 檢 測系統(tǒng) ，如果采用 MAX6575，占用 I/O 口資源較多，而 DS18B20 則至多需要 2 條總線便可以掛接至少 32 個傳感器，從而 CPU 還能留有較多的 I/O 口繼續(xù)擴展檢測路數(shù)或其它功能，使用相當靈活，所以在本系統(tǒng)中我選擇了 DS18B20。 主控芯片的選擇 目前國內市場上可供選擇的單片機的類型有很多種，以 MCS51 、MCS96 為主流系列。其中 MCS51 系列性能價格高，開發(fā)用的仿真機研哈爾濱理工大學學士學位論文 8 究較早并日趨完善，生產廠家較多，支持芯片種類繁多，適合不同應用場合的新機種不斷涌現(xiàn)，使得 MCS51 系列單片機在國內成為開發(fā)中小型嵌入式系統(tǒng)的首選。 能夠與 80C51 兼容的單片機有諸如 ATMEL 、 PHILIPS 、 INTEL 等公司的產品。 AT89C51 是 ATMEL 公司生產的、在我國應用較早、技術較成熟的 MCS51 系列單 片機 。它功耗低、性能高 ， 并且與 80C51 引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的允許在線編程或采用通用的非易失存儲編程器對程序存儲器重復編程，為很多嵌入式控制 應用提供了非常靈活而又價格適宜的方案，其性能價格比極高。 根據(jù)設計需求，初步擬定 MCS803 AT89C5 AT89C2051 三個型號的單片機。比較 MCS8031 和 AT89C51 都具有 4 個 8 位 I/O 接口，但MCS8031 沒有內部程序存儲器，需要外接，增加了電路的復雜性 。比較AT89C2051 和 AT89C51 雖然 都具 有 Flash ROM，可以省去外接程序存儲器 ， 但 AT89C2051 接口少，不利于功能擴展 。 除此之外還有很多單片機可供選擇，例如 83C552 是 PHILIPS 公司80C51 系列的增強型產品， 是一種高性能微控制器，也廣泛用于儀器儀表、工業(yè)控制、汽車、 控制、電機調速等實時測控領域。它的價格高于AT89C51 ，并且有 5個 8 位 I/O 口，外加 1 個與模擬輸入共享的 8 位輸入口， 1 個 8 路輸入的 10 位 A/D 轉換器。由于在溫度檢測部分采用先進的傳感器而不再使用 A/D 轉換， CPU 內部的 A/D轉換器和 6 個 I/O 口也就顯得太浪費了。 在綜合考慮對芯片的熟悉程度及功能的實現(xiàn)程度上 ， 決定在 主控芯片上采用 AT89C51 芯片， 現(xiàn)簡述一下 AT89C51 單片機 的 內部結構及主要性能特點： 40 個引腳，雙列直插式封裝；有 4 個 8 位 I/O 接口；有全雙工增強型 UART（ Universal Asynchronous Receiver/Transmitter， 通用異步接收 /發(fā)送裝置） 可編程串行通信； 2 個 16位定時 /計數(shù)器； 5個中斷源， 2個中斷優(yōu)先級；有片內時鐘振蕩器（全靜態(tài)工作方式， 0～ 24 MHz）；有 128 字節(jié)內部 RAM， 4KB Flash ROM（可以擦除 1000 次以上，數(shù)據(jù)保存 10 年）完全能夠滿足對數(shù)據(jù)的處理要求；電源控制模式靈活（時鐘可停止和恢復，空閑模式，掉電模式） 。 雖然市面上有著功能更為強大的單片機芯片，但都價格不菲 。 而 本設計本著簡單實用，精簡節(jié)約的原則，選擇了 AT89C51 芯片。 顯示部分的選擇 單片機應用系統(tǒng)中 使用 的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡稱 LED ( Light Emitting Diode ) 液晶顯示 器，簡稱 LCD ( Liquid Crystal Display)CRT 顯示器。 LED 的發(fā)光效率和顏色取決于制造的材料，一般常用紅色，偶爾也用哈爾濱理工大學學士學位論文 9 黃色或綠色。發(fā)光二極管 LED 是智能化測量控制儀表中簡單而常用的輸出設備，通常用來指示機器的狀態(tài)或其他信息，它的優(yōu)點是耗電省，配置靈活，接口方便，價格低，壽命長， 對電流電壓的要求不高及容易實現(xiàn)多路等，因而在智能化測量控制儀表中獲得了廣泛的應用。 LCD 是一種被動顯示器，它本身并不發(fā)光，只是調節(jié)光的亮度。目前常用的 LCD 是根據(jù)液晶的扭曲 向列效應原理制成的，可得到黑底白字或白底黑字的顯示形式。對于采用電池供電的便攜式智能化測量控制儀表，考慮到低功耗的要求，常常需要采用液晶顯示器，它體積小，重量輕，功耗極低，因此在儀器儀表中的應用十分廣泛。但是必須借助外來光顯示。 CRT 顯示器可以進行圖形顯示，但接口較復雜，成本也較高。在本系統(tǒng)中，可以不必使用價格較高的 CRT； 4 位 LED 的工作電流為 240mA 左右，由于使用交流電源供電，足以提供 LED 顯示器所需要的功率，對于 LED 而言，僅有 4 位，體積也很小，這樣比較 LED 和 LCD 的諸多特點， 本系統(tǒng)選擇 LED 顯示器。 方案選定 基于以上的論述，對于本系統(tǒng)各關鍵部分的核心器件采用以下組合方案： 1. 溫度傳感器 DS18B20； 2. 主控芯片 主板 AT89C51； 3. 顯示部分 LED 液晶顯示器 。 哈爾濱理工大學學士學位論文 10 第 3章 系統(tǒng)的硬件設計 在本章將進行系統(tǒng)的 硬件 設計，在后續(xù)部分中選擇合適的單片機及外圍芯片并對其結構、性能、特點等進行簡要介紹 說明，完成具體的硬件電路設計?？傮w設計應考慮以下幾點： （ 1）從整體到局部設計 （ 2）經濟性要求 （ 3）可靠性要求 （ 4）操作和維護的要求 按照系統(tǒng)設計功能的要求，系統(tǒng)由 5 個模塊組成：主控制器、溫度采集電路、溫度顯示電路、報警控制電路及鍵盤輸入控制電路。數(shù)字式多路溫度采集系統(tǒng)總體電路結構框圖如圖 31 所示。 圖 31 數(shù)字式多路溫度采集系統(tǒng)結構框圖 采用智能溫度傳感器 （ DS18B20） 采集環(huán)境溫度并進行模數(shù)轉換；單片機 （ AT89C51） 執(zhí)行程序 對 溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行進一步的分析處理，轉換成環(huán)境對應的溫度值，通過 I/O 口輸出到數(shù)碼顯示管 （ LED） 顯示；由鍵盤輸入控制選擇某采集電路檢測溫度及顯示；報警電路對設定的最高最低報警溫度進行監(jiān)控報警。 溫度采集電路的設計 溫度采樣處理電路由溫度傳感器、放大電路、 A/D 轉換電路等組成。采用分塊結構的溫度采樣處理電路，其硬件電路結構復雜，也不便于數(shù)據(jù)的處理。采用智能溫度傳感器采樣處理電路，能夠方便的進行溫度的采集及簡單的數(shù)據(jù)處理。并且可以達到設計的技術指標要求。本系統(tǒng)選擇智能溫度傳感器 DS18B20 作為溫度采集 電路的核心器件。由 DS18B20 及輔助電路構成溫度采集電路。 多路溫度采集（ DS18B20） 溫度顯示器（ LED） 輸入控制電路（按鍵） 報警控制電路(蜂鳴器 ) 主 控 制 器 （ AT89C51） 哈爾濱理工大學學士學位論文 11 DS18B20 簡介 （ 1） DS18B20 的性能特點 DS18B20 是美國 DALLAS 半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器， 對比 熱敏電阻等溫度傳感器， 它使用方便， 能夠直接讀出被測溫度，可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式 ，使相應 9 位至 12 位的 數(shù)值 在 至 750ms 內完成數(shù)字量轉換 ，其 測溫精度可達到 ℃ /LSB，測量的溫度 范圍是 55～ +125℃ 。 它 最具優(yōu)越性的特點是 采用 1Wire 總線技術，節(jié)省 I/O 資源，結構簡單、成本低廉，便于總線擴展和維護。 所謂 DS18B20 的 1Wire 總線技術， 就是 將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為 1 根信