【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 它的結(jié)構(gòu)與指令都按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，故又稱微控制器（Microcontroller Unit），也可稱微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microputer）。通常由微型計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備組成，包括微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（存放程序指令或數(shù)據(jù)指令的ROM、RAM 等）、輸入/輸出接口（I/O）及其它功能部件如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。單片機(jī)受集成度限制，片內(nèi)存儲(chǔ)容量較小，一般 ROM 只有 4~8K 字節(jié)，RAM 小于256 字節(jié)，通過(guò)外部擴(kuò)展，ROM、RAM 可擴(kuò)展至 64K 字節(jié)。與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、功能易擴(kuò)展、測(cè)控能力強(qiáng)、可靠性高。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)正在被各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[23,24]。采用單片機(jī)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、開發(fā)容易，功能易擴(kuò)展、測(cè)控能力強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。尤其適用于系統(tǒng)中沒(méi)有復(fù)雜的計(jì)算處理、對(duì)采集速度要求不高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。對(duì)于不要求高速的一般的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，采用 DSP 是不經(jīng)濟(jì)的方案。在單片機(jī)能夠滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求的情況下，單片機(jī)無(wú)異是首選的信息處理單元。 器件的選用 數(shù)字式溫度傳感器的選擇隨著溫度傳感器智能化、集成化技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字式溫度傳感器也得到了快速發(fā)展，世界上許多公司推出了新型的數(shù)字溫度傳感器系列。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)極大的豐富了設(shè)計(jì)工程師的選擇對(duì)象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件，應(yīng)該把握以下幾點(diǎn)：外圍電路應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單；測(cè)溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)成本；溫度傳感器采用的總線負(fù)載能力如何，能否滿足多點(diǎn)測(cè)溫的需要；占用MCU 的I/O 引腳數(shù)情況如何，因?yàn)镸CU 的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道有限，多點(diǎn)溫度測(cè)量時(shí)，如果測(cè)量的點(diǎn)數(shù)超過(guò)了輸入通道時(shí)，就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時(shí)間，應(yīng)盡量節(jié)約；與 MCU 的通信協(xié)議應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，溫度測(cè)量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小。目前在數(shù)字溫度傳感器中采用的串行總線主要有Philips公司的I2C總線，Motorola 公司的 SPI 總線，National Semiconductor 公司的 Microwireplus總線，Dallas Semiconductor 公司的 1Wire 總線和 Siemens 公司的 Profibus總線等。常用的數(shù)字溫度傳感器主要有：（1）AD7418 是是美國(guó)模擬器件公司（ADI）推出的單片溫度測(cè)量與控制用集成電路。其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。測(cè)溫范圍為55℃~+125℃，具有10 位數(shù)字輸出溫度值，℃，精度為177。2℃，轉(zhuǎn)換時(shí)間為15~30ms。具有體積小、編程簡(jiǎn)單、使用容易、測(cè)量精度高，并且不易受環(huán)境千擾等優(yōu)點(diǎn)。AD7418 可以級(jí)聯(lián)至多8 片在同一個(gè) I2C 總線上[16]。（2）LM74 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、△∑型 A/D 數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有 SPI/Microwire 兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。在傳感器通電工作后自動(dòng)按一定速率對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并在片內(nèi)寄存器中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的溫度值，主機(jī)可以在任意時(shí)刻讀出傳感器溫度值。LM74 具有休眠模式，在休眠時(shí)消耗的電流不超過(guò) 10μA，適用于對(duì)功率消耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。 LM74 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 12 位外加符號(hào)位，因此在其有效工作范圍內(nèi)可達(dá) ℃的分辨率，轉(zhuǎn)換時(shí)間為425ms。（3） MAX6575L/H 是美國(guó) MAXIM 公司的一種單總線式數(shù)字溫度傳感器，具有較好的線性、較低的功耗，而且編程簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，使用方便。測(cè)溫范圍為40~+125℃，其誤差范圍：在 25℃時(shí)優(yōu)于177。3℃， 在 85℃時(shí)優(yōu)于177?！?，在 125℃時(shí)優(yōu)于177。5℃。但是 MAX6575L/H 在其測(cè)溫范圍內(nèi)非線性誤差較大，因此，當(dāng)它用于高精度溫度測(cè)量時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行非線性補(bǔ)償。它最多允許在一根 MCU 的I/O 總線上同時(shí)掛接8 個(gè) MAX6575L/H 進(jìn)行多點(diǎn)溫度測(cè)量。為了避免多個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)溫時(shí)有重疊的現(xiàn)象，MAX6575 提供了“L”和“H”兩種型號(hào)的傳感器，它們的使用方法相同，而且每一種型號(hào)的傳感器又可以通過(guò)時(shí)間選擇引腳。但是，MAX6575L 的遠(yuǎn)距離傳輸特性并不理想，傳輸范圍只能在5m 以內(nèi)，超過(guò)此范圍將采集不到被測(cè)溫度數(shù)據(jù)，這也是這種器件的一個(gè)弊端。（4） DS18B20是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器，它具有獨(dú)特的單總線接口方式，即允許在一條信號(hào)線上掛接數(shù)十甚至上百個(gè)數(shù)字式傳感器，從而使測(cè)溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡(jiǎn)單，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的 A/D 轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，而且，可以通過(guò)總線供電，由它組成的溫度測(cè)控系統(tǒng)非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。DS18B20 的測(cè)溫范圍55~+125℃，℃，由于每一個(gè) DS18B20 出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列號(hào)并存入其ROM 中，因此 CPU 可用簡(jiǎn)單的通信協(xié)議就可以識(shí)別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。Dallas 公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價(jià)格比，有以下特點(diǎn)：1）適用于低速測(cè)控場(chǎng)合，測(cè)控對(duì)象越多越顯出其優(yōu)越性；2）性價(jià)比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好；3）具有 CRC 校驗(yàn)功能，可靠性高；4）軟件設(shè)計(jì)規(guī)范，系統(tǒng)簡(jiǎn)明直觀，易于掌握。由于 DS18B20 獨(dú)特的單總線接口方式在多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)，占用 MCU 的 I/O 引腳資源少，和 MCU 的通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單，成本較低，傳輸距離遠(yuǎn)，所以，選用 DS18B20 做為溫度測(cè)量的傳感器。 無(wú)線收發(fā)芯片的選擇無(wú)線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，在設(shè)計(jì)中選擇合適芯片可以提高產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本。在選擇時(shí)，應(yīng)主要參考以下幾點(diǎn)：(1) 收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會(huì)需要較高的技巧和經(jīng)驗(yàn)，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩话銉H能達(dá)到標(biāo)稱速率的 1/3，而采用串口傳輸?shù)男酒?，?yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實(shí)際速率，編程方便。(2) 收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量芯片外圍元器件的數(shù)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。(3) 功耗大多數(shù)無(wú)線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品．(4) 發(fā)射功率在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。(5) 收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少 PCB 面積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。 常用的無(wú)線收發(fā)芯片nRF903 單片射頻收發(fā)器芯片工作在 915MHz 國(guó)際通用的 ISM 頻段；GMSK/GFSK 調(diào)制和解調(diào)， 抗干擾能力強(qiáng)；采用 DDS+PLL 頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達(dá)100dBm ， 最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm；數(shù)據(jù)速率可達(dá) Kbit/s；170 個(gè)頻道，適合需要多信道工作的特殊場(chǎng)合；可方便地嵌入各種測(cè)量和控制系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)雙向傳輸，在儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)遙測(cè)遙控系統(tǒng)等中應(yīng)用。TH72011 是Melexis 公司的單片射頻發(fā)射芯片，頻率范圍380MHz~450MHz，采用VCO+PLL 頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；FSK 調(diào)制方式，抗干擾能力強(qiáng)；FSK 頻偏和中心頻率可獨(dú)立調(diào)節(jié)；~，靜態(tài)電流小，~ mA 調(diào)節(jié)；發(fā)射功率可在12 dBm~+10dBm 調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)速率可達(dá)40Kbit/s?？汕度敫鞣N測(cè)量和控制系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，在保安系統(tǒng)、微功耗遙測(cè)遙控系統(tǒng)等中應(yīng)用。nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的單芯片 RF 收發(fā)機(jī)，專為在 433MHz ISM (工業(yè)、科研和醫(yī)療) 頻段工作而設(shè)計(jì)。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL 合成、FSK 調(diào)制、FSK 解調(diào)、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點(diǎn)。nRF401 的外圍元件很少，僅10 個(gè)左右。只包括一個(gè) 4MHz 基準(zhǔn)晶振(可與MCU 共享)、一個(gè)PLL環(huán)路濾波器和一個(gè)VCO 電感，收發(fā)天線合一，沒(méi)有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來(lái)了極大的方便?；趎RF401成本低、可靠性高、外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)將nRF401 做為無(wú)線收發(fā)芯片的首選[23]。 鍵盤顯示模塊的選擇顯示單元是人機(jī)交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵性設(shè)備，通常的顯示器件有液晶顯示器（LCD）和數(shù)碼管顯示器（LED）。液晶顯示器在使用中有許多注意事項(xiàng)：不能對(duì)它長(zhǎng)期施加直流電，否則易造成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過(guò)大的壓力；對(duì)于使用的環(huán)境溫度要特別注意，溫度不能太高也不能太低；防止紫外線的直接照射；要特別注意防靜電，焊接顯示器時(shí)烙鐵要接地。可見(jiàn)液晶顯示器在使用中有眾多的限制條件，但它同時(shí)也有一定的優(yōu)勢(shì)，其中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是 pA 級(jí)的。數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器，它對(duì)電源沒(méi)有特殊要求，受環(huán)境溫度的影響不大，不怕陽(yáng)光的照射，也沒(méi)有嚴(yán)格的防靜電要求，而且它的顯示亮度要比液晶顯示器亮許多，適于安裝在室內(nèi)、室外、黑暗和光線強(qiáng)的各種環(huán)境中，但它的耗電量明顯高于液晶顯示器。本系統(tǒng)由于要適合在不同環(huán)境條件下使用，所以選用數(shù)碼管顯示器。本系統(tǒng)采用3位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前溫度。在本系統(tǒng)中，鍵盤由四個(gè)鍵組成，即溫度增加鍵、溫度減小鍵、確認(rèn)鍵和取消鍵。因按鍵很少，所以采用獨(dú)立式鍵盤。 溫度控制模塊的選擇溫度控制單元是系統(tǒng)的執(zhí)行器件，是系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)中最重要的一部分。目前制冷系統(tǒng)主要包括空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)、使用氨水的吸收式制冷系統(tǒng)和近幾年發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。目前制熱技術(shù)主要有太陽(yáng)能吸收熱量、煤炭燃燒制造熱量、熱泵和近幾年發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體制熱系統(tǒng)。其中半導(dǎo)體制冷制熱是利用特種半導(dǎo)體材料通過(guò)直流電時(shí)產(chǎn)生低溫高溫的一種制冷制熱方式，由于它彌補(bǔ)了其它制冷制熱方式不足，在當(dāng)今世界的人下制冷制熱技術(shù)中占有獨(dú)特的地位。所以本系統(tǒng)選擇半導(dǎo)體制冷制熱器件。 本章小結(jié)針對(duì)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)的目的，對(duì)各部分所需的硬件進(jìn)行選擇，分析其經(jīng)濟(jì)效益，選擇最合適的器件用來(lái)進(jìn)行硬件電路圖的繪制。第3章 硬件電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原則DS18B20采用單總線接口模式，可以只用一條線就可以與單片機(jī)相連實(shí)現(xiàn)雙向通訊。其測(cè)量范圍在－55℃～+125℃之間，測(cè)量精度在－10℃～+85℃℃，并且其能夠并聯(lián)8個(gè)，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。使溫度精度更加準(zhǔn)確[25]。在溫度控制上，采用半導(dǎo)體制冷器作為調(diào)節(jié)溫度的器件。珀?duì)柼?yīng)使其控制溫度的方式就是調(diào)節(jié)其倆端的電流大小和方向，從而達(dá)到控制溫度加熱還是制冷的目的。 引腳連接 晶振電路為使單片機(jī)能夠高效的工作，加上的晶振振蕩器電路，其中晶振是12MHZ，并聯(lián)電容是47uf。完成晶振振蕩電路。 無(wú)線控制接收發(fā)射器nRF401作為單芯片RF 收發(fā)機(jī)，設(shè)計(jì)的工作頻段在433MHz ISM。該芯片采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其工作速率最高為20K，它的天線設(shè)計(jì)為差分天線。因此它能使用價(jià)格相對(duì)便宜的pcb天線，在市場(chǎng)上性價(jià)比非常高nRF401 僅 10 個(gè)左右外圍元件。只包括一個(gè) 4MHz 基準(zhǔn)晶振(可與 MCU 共享)、一個(gè) PLL環(huán)路濾波器和一個(gè) VCO 電感，收發(fā)天線合一，沒(méi)有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來(lái)了極大的方便[9 10]?；趎RF401性價(jià)比，其優(yōu)異的性能，我認(rèn)為適合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研發(fā)。適合做無(wú)線收發(fā)裝置，用于對(duì)溫度的遠(yuǎn)程控制。 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在選擇CPU時(shí)，針對(duì)本系統(tǒng)只是對(duì)溫度的控制，集成性不高，可以采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的CPU。其性價(jià)比要高于其他復(fù)雜的pc機(jī)。再考慮成本時(shí)，由于本系統(tǒng)是適用于花房、糧倉(cāng)等不需要運(yùn)算速度特別快。精度特變高的系統(tǒng)。所以單片機(jī)完全能夠完成其功能。由設(shè)計(jì)的要求，只要做很小集成度的最小系統(tǒng)應(yīng)用在一些小的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)是:（1）全部I/O口線均可供用戶使用； （2）內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限（只有4KB地址空間）； （3）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。圖 32 最小系統(tǒng)圖單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖32所示，本系統(tǒng)采用的是AT80C52單片機(jī)。其特點(diǎn)是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，具有8KB可反復(fù)擦寫的ROM，及256BRAM。和其他CMOS單片機(jī)相似，具有40個(gè)引腳。其中32個(gè)雙向I/O口，含有2個(gè)中斷源，3個(gè)十六位可編寫計(jì)數(shù)器，其中P3口可作為第二功能引腳實(shí)現(xiàn)其他功能。而且其內(nèi)存單元可以擴(kuò)展。AT80C52 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器可以與晶振構(gòu)成單片機(jī)的自激振蕩電路，也是單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)工作的前提，其晶振頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)算速度越快。本系統(tǒng)采用頻率為12MHZ的晶振與電容并聯(lián)構(gòu)成震蕩電路。雖然對(duì)電容要求不大，但是電容的大小影響單片機(jī)工作的穩(wěn)定性，在選擇電容式由于晶振選用的是陶瓷晶振，所以在用電容時(shí)使用2個(gè)47uf的電容與其并聯(lián)構(gòu)成單片機(jī)最小電路。 顯示電路在選擇顯示電路時(shí)考慮選用利用74l47驅(qū)動(dòng)3個(gè)共陽(yáng)極數(shù)碼管，掃描方式為動(dòng)態(tài)掃描，這樣節(jié)省了單片機(jī)I/O口資源的占用。圖3－3 顯示電路圖 DS18B20溫度傳感器電路圖34 溫度傳感器電路引腳圖 加熱電路 半導(dǎo)體制冷器，工作原理在本系統(tǒng)中溫度控制