【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 DS18B20，它的測(cè)溫范圍在 55℃ ～ +150℃ 之間，而且精度高。 M 檔在測(cè)溫范圍內(nèi)非線形誤差為 177?！?。 DS18B20 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡(jiǎn)單。作為電流輸出型傳感器的一個(gè)特點(diǎn)是，和電壓輸出型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。 DS18B20 的測(cè)量信號(hào)可遠(yuǎn)傳百余米。綜合比較方案 7 一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于溫度傳感器的選擇。 濕度傳感器的選擇 測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的 空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。 方案一：采用 HOS201 濕敏傳感器。 HOS201 濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流 1V 以下，頻率為 50HZ～ 1KHZ，測(cè)量濕度范圍為 0～ 100%RH，工作溫度范圍為 0～ 50℃ ，阻抗在 75%RH（ 25℃ ）時(shí)為 1MΩ。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測(cè)濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定 值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。 方案二：采用 HS1100/HS1101 濕度傳感器。 HS1100/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。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（ HS1100）和側(cè)面接觸（ HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過程等。 相對(duì)濕度在 1%100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于 177。2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃ ?？梢娋仁禽^高的。 綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測(cè)量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對(duì)溫度 30～ 50℃ 的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。 8 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 主控模塊 單片機(jī) 系統(tǒng)的控制模塊核心是單片機(jī)，本系統(tǒng)選用的是 AT89S52 單片機(jī)。 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù) 器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0HZ 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash。 圖 31AT89S52 引腳圖 9 時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)是單片機(jī)內(nèi)部各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，控 制器按照指令的功能產(chǎn)生一系列在時(shí)間上有一定次序的信號(hào)，控制相關(guān)的邏輯電路工作，實(shí)現(xiàn)指令的功能。復(fù)位對(duì)單片機(jī)來說，是程序還沒有開始執(zhí)行，是在做準(zhǔn)備工作。時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路見圖 32。 vc c40p0 .039p0 .138p0 .237p0 .336p0 .435P 0. 534P 0. 633P 0. 732E A / V P P31A L T / P R O G30P S E N29P 2. 728P 2. 627P 2. 526P 2. 425P 2. 324P 2. 223P 2. 122P 2. 021P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T / V P D9R S D / P 3. 010T X D / P 3. 111I N T 0/ P 3. 212I N T 1/ P 3. 313T 0/ P 3. 414T 1/ P 3. 515W R /P 3 .616R D / P 3 .717X T A L 218X T A L 119V S S20R?A T 8 9S 52A112 MC210 0U FR?R E S 2S?S W P BA3C A PA2C A PV C CS D AS C LDQV C C 圖 32 時(shí)鐘晶振和復(fù)位電路 看門狗功能的使用方法 看門狗復(fù)位電路監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)，在死機(jī)或 “程序走飛 ”時(shí)可使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)?？撮T狗具體使用方法如下 :在程序初始化中向看門狗寄存器 (WDTRST 地址是OA6H)中先寫入 0lEH，再寫入 OEIH。即可激活看門狗。 89S52 單片機(jī) 的看門狗必須由程序激活后才 開始工作。所以必須保證 CPU 有可靠的上電復(fù)位。否則看門狗也無法工作?？撮T狗使用的是 CPU 的晶振。在晶振停振的時(shí)候看門狗也無效。 89S52 只有 14 位計(jì)數(shù)器。在 16383 個(gè)機(jī)器周期內(nèi)必須至少喂狗一次。而且這個(gè)時(shí)間是固定的，無法更改。當(dāng)晶振為12M 時(shí)每 16 個(gè)毫秒需喂狗一次。 10 信號(hào)采集模塊 DS18B20 測(cè)溫原理 溫度傳感器 DS18B20 主要由以下幾部分組成： 64 位 ROM、溫度靈敏元件、高溫觸發(fā)器 TH、低溫觸發(fā)器 TL 和配置寄存器。 其框圖結(jié)構(gòu)如圖 33 所示。 圖 33 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 每個(gè) DS18B20 內(nèi)部都有一個(gè) 64 位的序列號(hào)固化在 ROM 中， ROM 中的這 64 位序列號(hào)是出廠前被光記好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼，每個(gè) DS18B20 的 64位序列號(hào) 均不相同，使用序列號(hào)，可對(duì)指定的 DS18B20 進(jìn)行操作。 64 位 ROM 的排列是：前 8 位是產(chǎn)品家族碼，接著 48 位是 DS18B20 的序列號(hào)，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1） [18]。 ROM 作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)傳感器。多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上， CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使 DS18B20 非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。 DS18B20 采用單總線工 作方式，由于所有信號(hào)（控制和數(shù)據(jù)）都通過單總線傳輸，因此總線的時(shí)序邏輯必須非常嚴(yán)格。 所謂單總線，即 1－ wire 技術(shù)是 DS18B20 的一個(gè)特點(diǎn)。該技術(shù)采用單根信號(hào)線，既可傳輸時(shí)鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術(shù)具有線路簡(jiǎn)單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。單總線適用于單主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù) 11 交換只通過一條信號(hào)線。當(dāng)只有一個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)可按單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作；當(dāng)有多個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)則按多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操 作。單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線完成。主機(jī)或者從機(jī)通過一個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠釋放總線，而讓其他設(shè)備使用總線。單總線通常要求外接一個(gè)約為 的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平。 圖 34 DS18B20的測(cè)溫原理圖 測(cè)溫原理如圖 34 所示，低溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計(jì)數(shù)器 1 提供一頻率穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率對(duì)溫度很敏感的振蕩器，為計(jì)數(shù)器 2 提供一個(gè)頻率隨溫度變化的計(jì) 數(shù)脈沖。初始時(shí)，溫度寄存器被預(yù)置成 55℃，每當(dāng)計(jì)數(shù)器 1從預(yù)置數(shù)開始減計(jì)數(shù)到 0時(shí)，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加 1℃，這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)便停止。初始時(shí)，計(jì)數(shù)器 1 預(yù)置的是與 55℃相對(duì)應(yīng)的一個(gè)預(yù)置值。以后計(jì)數(shù)器 l 每一個(gè)循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度外使溫度寄存器存值增加 1℃計(jì)數(shù)器所需的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。圖中比較器的作用是以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計(jì)數(shù)器 2 停止計(jì)數(shù)后，比較器將計(jì)數(shù)器 1 中的計(jì)數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與 025℃進(jìn)行比較，若低于 ℃，溫度寄存器的最低位就置 0；若高于 ℃，就置 1，若高于 ℃，溫度寄存器的最低位就進(jìn)位后置 0。這樣，經(jīng)過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最末 12 位代表 ℃，四舍五入最大量化誤差為士 l/2LSB，即 ℃。溫度寄存器中的溫度值以 9位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號(hào)位其余 8 位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示溫度值。測(cè)溫結(jié)束時(shí)，這 9 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存寄存器的前兩個(gè)字節(jié)中，符號(hào)位占用第 1 字節(jié)， 8 位溫度數(shù)據(jù)占用第 2 字節(jié)。 DS1820 測(cè)量溫度時(shí)使用特有的溫度測(cè)量技術(shù)。 DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)，同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 進(jìn)行計(jì)數(shù)門開通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性度加以補(bǔ)償。測(cè)量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為 9 位 (包含一位符號(hào) )，但因符號(hào)位擴(kuò)展成高 8 位，故以 16 位補(bǔ)碼形式讀出，溫度和數(shù)字量的關(guān)系如表 31 所示。 表 31 溫度和數(shù)字量的關(guān)系 變量 輸出的 2 進(jìn)制碼 對(duì)應(yīng)的 16 進(jìn)制碼 +125 000000011111010 00FAH +25 000000000110010 0032H +1/2 000000000000001 0001H 0 000000000000000 0000H 1/2 111111111111111 FFFFH 25 111111111001110 FFCEH 55 111111110010010 FF92H 溫度檢測(cè)電路 溫度檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖 3－ 4 所示，采用寄生電源供電方式。為保證在有效的 DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，用一個(gè) MOSFET 管和單片機(jī)的一個(gè) I/O 口 ()來完成對(duì)DS18B20 總線的上拉。當(dāng) DS18B20 處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度 A/D 變換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間最大為 10μs。采用寄生電源供電方式時(shí) VDD 必須接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的，為了操作方便用單片機(jī)的 口作發(fā)送口 Tx， 口作接收口 Rx。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此種方法可掛接數(shù)十個(gè) DS18B20 片，距離可達(dá)到 50 米，而用一個(gè)口時(shí)僅能掛接 10 片 DS18B20，距離僅為 20 米。同時(shí)由于讀寫在操作上是分開的故不存在信號(hào)競(jìng) 爭(zhēng)問題。圖 3－ 5 是采用寄生電源供電方式的 DS18B20 與單片機(jī)的實(shí)際系統(tǒng)電路連接圖。 13 vc c40P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 633P 0. 534E A / V P P31A L T / P R C G30P S E N29P 2. 728P 2. 627P 2. 526P 2. 425P 2. 324P 2. 223P 2. 122P 2. 021P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T / V P D9R S D / P 3. 010T X D / P 3. 111I N T 0/ P 3. 212I N T 1/ P 3. 313T 0/ P 3. 414T 1/ P 3. 515W R /P 3 .616R D / P 3 .717X T A L