【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖34 時(shí)鐘電路 溫度檢測(cè)電路本次設(shè)計(jì)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(cè)得的溫度值。DS18B20通過(guò)一個(gè)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(wú)需外部電源。因?yàn)槊總€(gè)DS18B20都有一個(gè)獨(dú)特的64位序列號(hào)，所以多只DS18B20可以同時(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)的最大工作周期為750 毫秒。(5) 可選擇寄生工作方式。（6）檢測(cè)溫度范圍為–55176。C ~ +125176。C (–67176。F ~ +257176。F) （7）內(nèi)置EEPROM，限溫報(bào)警功能。（8）64 位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號(hào)，方便多機(jī)掛接。 （9）多樣封裝形式，適應(yīng)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(shuō)明表如表31所示。表31 DS18B20引腳說(shuō)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(cè)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分，即溫度檢測(cè)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(chǔ)器資源。18B20 共有三種形態(tài)的存儲(chǔ)器資源，它們分別是：ROM 只讀存儲(chǔ)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(hào)，最后8 位是以上56 的位的CRC 碼（冗余校驗(yàn)）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時(shí)設(shè)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(jì)算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20 共9 個(gè)字節(jié)RAM，每個(gè)字節(jié)為8 位。第2 個(gè)字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第4 個(gè)字節(jié)是用戶EEPROM（常用于溫度報(bào)警值儲(chǔ)存）的鏡像。在上電復(fù)位時(shí)其值將被刷新。第5 個(gè)字節(jié)則是用戶第3 個(gè)EEPROM 的鏡像。第8 個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計(jì)的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計(jì)算的暫存單元。第9 個(gè)字節(jié)為前8 個(gè)字節(jié)的CRC 碼。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長(zhǎng)期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報(bào)警值和校驗(yàn)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(duì)18B20 操作流程：1， 復(fù)位：首先我們必須對(duì)DS18B20 芯片進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位就是由控制器（單片機(jī)）給DS18B20 單總線至少480uS 的低電平信號(hào)。當(dāng)18B20接到此復(fù)位信號(hào)后則會(huì)在15~60uS 后回發(fā)一個(gè)芯片的存在脈沖。2， 存在脈沖：在復(fù)位電平結(jié)束之后，控制器應(yīng)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(gè)60~240uS 的低電平信號(hào)。至此，通信雙方已經(jīng)達(dá)成了基本的協(xié)議，接下來(lái)將會(huì)是控制器與18B20 間的數(shù)據(jù)通信。如果復(fù)位低電平的時(shí)間不足或是單總線的電路斷路都不會(huì)接到存在脈沖，在設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)行交流了，ROM 指令共有5 條，每一個(gè)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(bào)警芯片搜索。ROM 指令為8 位長(zhǎng)度，功能是對(duì)片內(nèi)的64 位光刻ROM 進(jìn)行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個(gè)器件并作處理。誠(chéng)然，單總線上可以同時(shí)掛接多個(gè)器件，并通過(guò)每個(gè)器件上所獨(dú)有的ID 號(hào)來(lái)區(qū)別，一般只掛接單個(gè)18B20 芯片時(shí)可以跳過(guò)ROM 指令（注意：此處指的跳過(guò)ROM 指令并非不發(fā)送ROM 指令，而是用特有的一條“跳過(guò)指令”）。ROM 指令在下文有詳細(xì)的介紹。4， 控制器發(fā)送存儲(chǔ)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(chǔ)器操作指令了。操作指令同樣為8 位，共6 條，存儲(chǔ)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(fù)制到EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將EEPROM 中的報(bào)警值復(fù)制到RAM、工作方式切換。存儲(chǔ)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(guān)鍵。5， 執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個(gè)存儲(chǔ)器操作指令結(jié)束后則將進(jìn)行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個(gè)操作要視存儲(chǔ)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(jī)）必須等待18B20 執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時(shí)間為500uS。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴(yán)格遵循18B20 的讀寫時(shí)序來(lái)操作。若要讀出當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)我們需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個(gè)周期為復(fù)位、跳過(guò)ROM 指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器操作指令、等待500uS 溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間。緊接著執(zhí)行第二個(gè)周期為復(fù)位、跳過(guò)ROM 指令、執(zhí)行讀RAM 的存儲(chǔ)器操作指令、讀數(shù)據(jù)（最多為9 個(gè)字節(jié)，中途可停止，只讀簡(jiǎn)單溫度值則讀前2 個(gè)字節(jié)即可）。其它的操作流程也大同小異，DS18B20通過(guò)一種片上測(cè)溫技術(shù)來(lái)測(cè)量溫度，測(cè)溫原理如下：用一個(gè)高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個(gè)門周期，內(nèi)部計(jì)數(shù)器在這個(gè)門周期內(nèi)對(duì)一個(gè)低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)得到溫度值。計(jì)數(shù)器被預(yù)置到對(duì)應(yīng)于55℃的一個(gè)值。如果計(jì)數(shù)器在門周期結(jié)束前到達(dá)0，則溫度寄存器（同樣被預(yù)置到55℃）的值增加，表明所測(cè)溫度大于55℃。同時(shí)，計(jì)數(shù)器被復(fù)位到一個(gè)值，這個(gè)值由斜坡式累加器電路確定，斜坡式累加器電路用來(lái)補(bǔ)償感溫振蕩器的拋物線特性。然后計(jì)數(shù)器又開(kāi)始計(jì)數(shù)直到0，如果門周期仍未結(jié)束，將重復(fù)這一過(guò)程。斜坡式累加器用來(lái)補(bǔ)償感溫振蕩器的非線性，以期在測(cè)溫時(shí)獲得比較高的分辨力。這是通過(guò)改變計(jì)數(shù)器對(duì)溫度每增加一度所需計(jì)數(shù)的值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，要想獲得所需的分辨力，必須同時(shí)知道在給定溫度下計(jì)數(shù)器的值和每一度的計(jì)數(shù)值。 DS18B20的測(cè)溫原理圖如圖36所示。 圖36 DS18B20測(cè)溫原理圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中DS18B20與單片機(jī)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(jī)）的一個(gè)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(cè) 圖37 DS18B20與單片機(jī)的連接圖 濕度檢測(cè)電路本設(shè)計(jì)濕度檢測(cè)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(jié)構(gòu)及符號(hào)如下圖38所示。它采用專利技術(shù)，能構(gòu)成不同輸出形式的相對(duì)濕度檢測(cè)電路，還可用做濕度補(bǔ)償。圖38 HS1101外部結(jié)構(gòu)及符號(hào)HS1101的性能特點(diǎn)：(1)測(cè)量范圍是（0～100%）RH。（RH表示相對(duì)濕度，即表示在相同濕度下大氣中水蒸汽的實(shí)際壓強(qiáng)預(yù)報(bào)和水蒸氣的壓強(qiáng)之比。）在55%RH下的標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)條件下（10kHz、+25℃），更換HS1101時(shí)不需要重新標(biāo)定。(3)既可構(gòu)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(shí)，振蕩頻率范圍是5kHz～100kHz，典型值為10kHz。(4)響應(yīng)速度快，（響應(yīng)時(shí)間為5s），恢復(fù)時(shí)間短（10s），長(zhǎng)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(guò)+10V。+5V供電時(shí)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(yīng)曲線。圖39a 濕敏電容工作的溫、濕度范圍圖39b 濕度電容響應(yīng)曲線HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。涉及如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)時(shí)，常用兩種方法:一是將HS1101置于運(yùn)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(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。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(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。本設(shè)計(jì)選用它與NE555組成一方波發(fā)生電路，濕度改變對(duì)應(yīng)頻率的變化，用單片機(jī)采集頻率值進(jìn)行轉(zhuǎn)化得出濕度值，具體的濕度檢測(cè)電路如圖310所示：把HS1101和NE555同時(shí)接入電路中的電路設(shè)計(jì)原理圖如圖310所示。NE555電路功能的簡(jiǎn)單概括為:當(dāng)6端和2端同時(shí)輸入為“1”時(shí),3端輸出為“0”；當(dāng)6端和2端同時(shí)輸入為“0”時(shí),3端輸出為“1”。在此電路中,555定時(shí)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(hào)的。圖310 濕度檢測(cè)電路當(dāng)電源接通時(shí),由于6和2端的輸入為“0”,則定時(shí)器3腳輸出為“1”；又由于C4 兩端電壓為0,故VCC通過(guò)R5 和R4對(duì)C4充電,當(dāng)C4兩端電壓達(dá)到2VCC/3 時(shí),定時(shí)電路翻轉(zhuǎn),輸出變?yōu)椤?”。此時(shí)555定時(shí)器內(nèi)部的放電BJT的基極電壓為“1”,放電BJT導(dǎo)通,從而使電容C4通過(guò)R4 和內(nèi)部放電BJT 進(jìn)行放電,當(dāng)C4 兩端電壓降低到VCC/3 時(shí),定時(shí)器又翻轉(zhuǎn),使輸出變?yōu)椤?”,內(nèi)部放電BJT 截止,VCC 又開(kāi)始通過(guò)R5 和R4對(duì)C4 充電,如此周而復(fù)始,形成振蕩。其工作循環(huán)中的充電時(shí)間為=(R5+R4)C4；放電時(shí)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(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R4。當(dāng)外界濕度變化時(shí),HS1101 兩端電容值發(fā)生改變,從而改變定時(shí)電路的輸出頻率。因此只要測(cè)出555的輸出頻率,并根據(jù)濕度與輸出頻率的關(guān)系,即可求得環(huán)境的濕度。輸出的方波頻率為f=1/(+)，可見(jiàn)，空氣濕度通過(guò)555測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)，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(shè)計(jì)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(hào)等點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，顯示容量為162個(gè)字符；，；(WH)mm。1602LCD分為帶背景光和不帶背景光兩種，在應(yīng)用中二者并無(wú)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(dāng)前測(cè)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(gè)數(shù)據(jù)端接到單片機(jī)P0口。本設(shè)計(jì)中，LCD1602用到的單片機(jī)I/O端口最多，共11個(gè)。其中，LCD1602的數(shù)據(jù)線端口與單片機(jī)P0口相連，主要用于單片機(jī)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(shí)選擇指令寄存器；，控制讀寫，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)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(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示器的對(duì)比度。本設(shè)計(jì)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(hào)符號(hào)引腳說(shuō)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(hào)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(bào)警電路 本設(shè)計(jì)采用7個(gè)獨(dú)立按鍵完成對(duì)溫、濕度上下限的設(shè)定。7個(gè)按鍵的功能分別是：