【文章內(nèi)容簡介】 圖34 時鐘電路 溫度檢測電路本次設計采用可編程分辨率的單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。DS18B20可以以912位數(shù)字量的形式反映所測得的溫度值。DS18B20通過一個單線接口發(fā)送或接收信息，因此在微處理器和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線）。用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，而無需外部電源。因為每個DS18B20都有一個獨特的64位序列號，所以多只DS18B20可以同時連在一根單線總線上，這樣就可以把溫度傳感器放在許多不同的地方，從而同時采集多處溫度?？删幊谭直媛实膯慰偩€數(shù)字式溫度傳感器DS18B20具有如下的特性：(1) 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 (2) 先進的單總線數(shù)據(jù)通信。(3) 最高12 位分辨率， 攝氏度。 (4) 12 位分辨率時的最大工作周期為750 毫秒。(5) 可選擇寄生工作方式。（6）檢測溫度范圍為–55176。C ~ +125176。C (–67176。F ~ +257176。F) （7）內(nèi)置EEPROM，限溫報警功能。（8）64 位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接。 （9）多樣封裝形式，適應不同硬件系統(tǒng)。DS18B20引腳排列如圖35所示。 圖35 DS18B20引腳排列圖DS18B20的引腳說明表如表31所示。表31 DS18B20引腳說明GND接 地 DQ 數(shù)據(jù)I/O VCC 可選VDD NC 空腳DS18B20 工作原理：DS18B20 的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18B20 的內(nèi)部存儲器資源。18B20 共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是：ROM 只讀存儲器，用于存放DS18B20ID 編碼，其前8 位是單線系列編碼（DS18B20 的編碼是19H），后面48 位是芯片唯一的序列號，最后8 位是以上56 的位的CRC 碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設置不由用戶更改。DS18B20 共64 位ROM。RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20 共9 個字節(jié)RAM，每個字節(jié)為8 位。第2 個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第4 個字節(jié)是用戶EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。第5 個字節(jié)則是用戶第3 個EEPROM 的鏡像。第8 個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第9 個字節(jié)為前8 個字節(jié)的CRC 碼。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)，DS18B20 共3 位EEPROM，并在RAM 都存在鏡像，以方便用戶操作。 控制器對18B20 操作流程：1， 復位：首先我們必須對DS18B20 芯片進行復位，復位就是由控制器（單片機）給DS18B20 單總線至少480uS 的低電平信號。當18B20接到此復位信號后則會在15~60uS 后回發(fā)一個芯片的存在脈沖。2， 存在脈沖：在復位電平結束之后，控制器應該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在15~60uS 后接收存在脈沖，存在脈沖為一個60~240uS 的低電平信號。至此，通信雙方已經(jīng)達成了基本的協(xié)議，接下來將會是控制器與18B20 間的數(shù)據(jù)通信。如果復位低電平的時間不足或是單總線的電路斷路都不會接到存在脈沖，在設計時要注意意外情況的處理。3， 控制器發(fā)送ROM 指令：雙方打完了招呼之后最要將進行交流了，ROM 指令共有5 條，每一個工作周期只能發(fā)一條，ROM 指令分別是讀ROM 數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、跳躍ROM、芯片搜索、報警芯片搜索。ROM 指令為8 位長度，功能是對片內(nèi)的64 位光刻ROM 進行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個器件并作處理。誠然，單總線上可以同時掛接多個器件，并通過每個器件上所獨有的ID 號來區(qū)別，一般只掛接單個18B20 芯片時可以跳過ROM 指令（注意：此處指的跳過ROM 指令并非不發(fā)送ROM 指令，而是用特有的一條“跳過指令”）。ROM 指令在下文有詳細的介紹。4， 控制器發(fā)送存儲器操作指令：在ROM 指令發(fā)送給18B20 之后，緊接著（不間斷）就是發(fā)送存儲器操作指令了。操作指令同樣為8 位，共6 條，存儲器操作指令分別是寫RAM 數(shù)據(jù)、讀RAM 數(shù)據(jù)、將RAM 數(shù)據(jù)復制到EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將EEPROM 中的報警值復制到RAM、工作方式切換。存儲器操作指令的功能是命令18B20 作什么樣的工作，是芯片控制的關鍵。5， 執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個存儲器操作指令結束后則將進行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機）必須等待18B20 執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時間為500uS。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴格遵循18B20 的讀寫時序來操作。若要讀出當前的溫度數(shù)據(jù)我們需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個周期為復位、跳過ROM 指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲器操作指令、等待500uS 溫度轉(zhuǎn)換時間。緊接著執(zhí)行第二個周期為復位、跳過ROM 指令、執(zhí)行讀RAM 的存儲器操作指令、讀數(shù)據(jù)（最多為9 個字節(jié)，中途可停止，只讀簡單溫度值則讀前2 個字節(jié)即可）。其它的操作流程也大同小異，DS18B20通過一種片上測溫技術來測量溫度，測溫原理如下：用一個高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個門周期，內(nèi)部計數(shù)器在這個門周期內(nèi)對一個低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進行計數(shù)來得到溫度值。計數(shù)器被預置到對應于55℃的一個值。如果計數(shù)器在門周期結束前到達0，則溫度寄存器（同樣被預置到55℃）的值增加，表明所測溫度大于55℃。同時，計數(shù)器被復位到一個值，這個值由斜坡式累加器電路確定，斜坡式累加器電路用來補償感溫振蕩器的拋物線特性。然后計數(shù)器又開始計數(shù)直到0，如果門周期仍未結束，將重復這一過程。斜坡式累加器用來補償感溫振蕩器的非線性，以期在測溫時獲得比較高的分辨力。這是通過改變計數(shù)器對溫度每增加一度所需計數(shù)的值來實現(xiàn)的。因此，要想獲得所需的分辨力，必須同時知道在給定溫度下計數(shù)器的值和每一度的計數(shù)值。 DS18B20的測溫原理圖如圖36所示。 圖36 DS18B20測溫原理圖本設計系統(tǒng)中DS18B20與單片機的連接圖如圖37所示：如圖所示，DS18B20 只需要接到控制器（單片機）的一個I/O 口上， 的上拉電阻。如要采用寄生工作方式，只要將VCC 電源引腳與單總線并聯(lián)即可。 0DQ2VCC3GND1DS18B20R24k7溫度檢測 圖37 DS18B20與單片機的連接圖 濕度檢測電路本設計濕度檢測用的是HS1101電容式器件，HS1101是Humirel公司新推出的濕敏電容，其外部結構及符號如下圖38所示。它采用專利技術，能構成不同輸出形式的相對濕度檢測電路，還可用做濕度補償。圖38 HS1101外部結構及符號HS1101的性能特點：(1)測量范圍是（0～100%）RH。（RH表示相對濕度，即表示在相同濕度下大氣中水蒸汽的實際壓強預報和水蒸氣的壓強之比。）在55%RH下的標稱電容量為180pF，允許有3pF的偏差。溫度系數(shù)為+℃。在（33%～75%）。(2)產(chǎn)品具有良好的互換性。在標準條件下（10kHz、+25℃），更換HS1101時不需要重新標定。(3)既可構成線性電壓輸出電路，亦可組成線性頻率輸出電路。由它們組成振蕩電路時，振蕩頻率范圍是5kHz～100kHz，典型值為10kHz。(4)響應速度快，（響應時間為5s），恢復時間短（10s），長期穩(wěn)定性好（年漂移量為177。），濕度滯后量為177。%。(5)供電電壓一般選+5V，最高不超過+10V。+5V供電時的漏電電流僅為1nA。工作濕度范圍是40℃～+100℃。圖39a為濕敏電容工作的溫、濕度范圍，圖39b為濕度電容響應曲線。圖39a 濕敏電容工作的溫、濕度范圍圖39b 濕度電容響應曲線HS1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。涉及如何將電容的變化量準確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號時，常用兩種方法:一是將HS1101置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。另一種是將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。本設計選用它與NE555組成一方波發(fā)生電路，濕度改變對應頻率的變化，用單片機采集頻率值進行轉(zhuǎn)化得出濕度值，具體的濕度檢測電路如圖310所示：把HS1101和NE555同時接入電路中的電路設計原理圖如圖310所示。NE555電路功能的簡單概括為:當6端和2端同時輸入為“1”時,3端輸出為“0”；當6端和2端同時輸入為“0”時,3端輸出為“1”。在此電路中,555定時器正是根據(jù)這一功能用作多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出頻率信號的。圖310 濕度檢測電路當電源接通時,由于6和2端的輸入為“0”,則定時器3腳輸出為“1”；又由于C4 兩端電壓為0,故VCC通過R5 和R4對C4充電,當C4兩端電壓達到2VCC/3 時,定時電路翻轉(zhuǎn),輸出變?yōu)椤?”。此時555定時器內(nèi)部的放電BJT的基極電壓為“1”,放電BJT導通,從而使電容C4通過R4 和內(nèi)部放電BJT 進行放電,當C4 兩端電壓降低到VCC/3 時,定時器又翻轉(zhuǎn),使輸出變?yōu)椤?”,內(nèi)部放電BJT 截止,VCC 又開始通過R5 和R4對C4 充電,如此周而復始,形成振蕩。其工作循環(huán)中的充電時間為=(R5+R4)C4；放電時間為 = *C4； 輸出脈沖占空比為q ＝(R5+R4)/(R5+2R4),為了使輸出脈沖占空比接近50％,R5應遠遠小于R4。當外界濕度變化時,HS1101 兩端電容值發(fā)生改變,從而改變定時電路的輸出頻率。因此只要測出555的輸出頻率,并根據(jù)濕度與輸出頻率的關系,即可求得環(huán)境的濕度。輸出的方波頻率為f=1/(+)，可見，空氣濕度通過555測量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表32給出了其中的一組空氣濕度與電壓頻率的典型值。表32 空氣濕度與電壓頻率的典型值。濕度 ％RH頻率 HZ濕度 ％RH頻率 HZ01020304050 7351 7224 7100 6976 6853 6728 60 70 80 90 100 6600 6468 6330 6168 6033 顯示電路本設計的顯示電路采用的是1602字符型LCD，它是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式液晶顯示模塊，顯示容量為162個字符；，；(WH)mm。1602LCD分為帶背景光和不帶背景光兩種，在應用中二者并無差別。 本系統(tǒng)利用LCD液晶顯示屏顯示溫度、濕度參數(shù)。液晶顯示屏的第一行顯示當前測得的溫度、濕度值，第二行顯示用戶可能需要調(diào)節(jié)的溫濕度上下限值，硬件電路中LCD1602的8個數(shù)據(jù)端接到單片機P0口。本設計中，LCD1602用到的單片機I/O端口最多，共11個。其中，LCD1602的數(shù)據(jù)線端口與單片機P0口相連，主要用于單片機向LCD1602寫指令和數(shù)據(jù)；，用于寄存器選擇，高電平是選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器；，控制讀寫，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作；（E引腳），LCD1602執(zhí)行命令,而LCD1602的VEE引腳接一變阻器，用來調(diào)節(jié)液晶顯示器的對比度。本設計的顯示電路如圖311所示：321D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3LCD1LCD1602234567891RP1RESPACK810KPOT 圖311 LCD1602顯示電路LCD1602引腳功能如表33所示表33 LCD1602引腳功能表編號符號引腳說明12345678VSSVDDVEERSWRED0D1電源地電源正極液晶顯示偏壓數(shù)據(jù)/命令選擇讀/寫選擇使能信號數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)9D2數(shù)據(jù)1011121314D3D4D5D6D7數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 按鍵及報警電路 本設計采用7個獨立按鍵完成對溫、濕度上下限的設定。7個按鍵的功能分別是：