【文章內(nèi)容簡介】 T0 定時 /計(jì)數(shù)器 0外部輸入 T1 定時 /計(jì)數(shù)器 1外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 溫度采集電路的設(shè)計(jì) DS18B20 的測溫原理 數(shù)字 化 溫度傳感器 DS18B20，是 美國 DALLAS 半導(dǎo)體 公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片 ，在其內(nèi)部使用了在板（ ONBOARD）專利技術(shù)。全部傳感元件 及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一支三極管的集成電路內(nèi)，支持“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，具有較強(qiáng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。 DS18B20 測溫原理如圖 所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩 頻 率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器 2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃ 所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計(jì)數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝 入，計(jì)數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2計(jì)數(shù)到 0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖 中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值。 14 圖 DS18B20的測溫原理圖 DS18B20 與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì) 圖 DS18B20與單片機(jī)接口電路圖 如 圖 采用 外接 電源供電方式 ，在外接電源供電方 式下 ， DS18B20 從單線信號線上吸取能量 ,在信號線 DQ 處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能來繼續(xù)工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。獨(dú)特的寄生電源方式有三個好處，分別是在進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫時，無需本地電源；可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取 ROM；電路更加簡潔，僅用一 15 根 I/O 口實(shí)現(xiàn)測溫。要想使 DS18B20 進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換， I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間獲得足夠的能量。該電路只適應(yīng)于單一溫度傳感器測溫情況下，不適宜于電池供電系統(tǒng)中工作，并且工作電源 VCC 必須保證 在 5V，當(dāng)電源電壓下降時，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會使溫度誤差變大。單片機(jī)的 口接DQ,當(dāng) DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度 A/D 轉(zhuǎn) 換操作時，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時間最大為 10us。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。主機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過 3 個步驟：初始化、 ROM操作指令、存儲器操作指令。 本次 單片機(jī)系統(tǒng)所用的晶振頻率為 MHz，根據(jù) DS18B20 的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫 3個子程序：初始化子程序 、 寫（命令或數(shù)據(jù)）子程序 、 讀數(shù) 據(jù)子程序，所有的數(shù)據(jù)讀寫均由最低位開始 。 濕度采集電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中 采用 CHR01 阻抗型高分子濕度傳感器 ，利用其阻抗的特性來分壓， 直接通過分壓法采集 ，將濕度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)放大和 A/D 轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號進(jìn)入單片機(jī)處理，同時檢測當(dāng)前溫度 T，通過查閱濕度傳感器 Z/RH/T數(shù)據(jù)表，反推得到當(dāng)前的相對濕度 RH%。 CRH01 濕度傳感器的特性參數(shù) 1） 工作電壓 ： 1V AC（ 50Hz ～ 2 K Hz） 2） 檢測范圍 ： 20%～ 90% RH 3） 檢測精度 ： 177。 5% 4） 工作溫度范圍 ： 0℃ ～＋ 85℃ 5） 最高使用溫度 ： 120℃ 6） 特征阻抗范圍 ： 30(21 ～ )KΩ ， ( 60%RH, 25℃) 7） 響應(yīng)時間 ： ≤ 12 s (0%～ 100%) 8） 濕度飄移（ /年） ： ≤177。2% RH 9） 濕滯 ： ≤ %RH 表 0～ 60℃濕度阻抗特性數(shù)據(jù)表 16 15℃ 25℃ 35℃ 40℃ 55℃ 30% 137 35% 143 137 40% 50 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 7 單位 : KΩ 17 圖 0～ 60℃濕度阻抗特性特性圖 模擬信號產(chǎn)生電路 高分子濕度傳感器 CHR01 為新一代復(fù)合型電阻型濕度敏感部件，其復(fù)阻抗與空氣相對濕度成指數(shù)關(guān)系，直流阻抗（普通數(shù)字萬用表測量）幾乎為無窮大，與傳統(tǒng)意義上的電阻 有空氣中水分子參與膜感濕中的離子導(dǎo)電，由于水分子為極性分子，在直流電存在的情況下，會電離，分解，從而影響導(dǎo)電與元件的壽命，所以要求采用交流電路對傳感器進(jìn)行供電。 555 定時器是一種多用途單片集成電路，利用它可以極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。 555定時器使用靈活、方便。因而得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中濕敏電阻的工作電壓只能是交流電壓，采用 555多諧振蕩器正好可以滿足這個要求。濕敏電阻的阻抗變化能反映環(huán)境濕度的變化，使其輸出的電 18 壓也有對應(yīng)的變化繼而將數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)內(nèi)處理。 圖 方波 信號產(chǎn)生電路 如圖 所示，為模擬電壓信號產(chǎn)生電路， 6 腳短接作為輸入， 3 腳輸出，利用 555 定時器組成了一個多諧振蕩器。 考慮到濕敏電阻的工作頻率為50Hz～ 2 K Hz，所以參數(shù)的選擇要使輸出頻率在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。筆者設(shè)計(jì)讓其輸出一個固定頻率為 1KHZ，幅度為 4V的矩形方波信號。輸出矩形方波的頻率如下所示。 F=(RA+2RB)C1 式 (11) 在此 555 多諧振蕩電路中，和 5 腳相連的電容 C2固定為 ，不必參與參數(shù)選擇。 同時 C1 不能太小，否則電路不起振，確定 F=1KHZ，確定參數(shù) RB=510Ω， C1=1μ F，可代入式 11中進(jìn)行計(jì)算，得到滑動變阻器 RA等于 410Ω左右，硬件調(diào)試時只要讓 RA調(diào)到 410Ω即可。 產(chǎn)生的矩形方波信號經(jīng)過 C3時，被濾除了直流分量進(jìn)入濕度傳感器 CHR01, 濕度傳感器輸出電壓為 V0，電阻為 Rchr，由式 (12) V0=V*R4/(R4+Rchr) 式 (12) 19 通過電壓采樣后得到 V0,再由 式（ 13）計(jì)算得到 Rchr。 Rchr= R4*(VV0)/V0 式（ 13） 同時檢測當(dāng)前溫度 T，通過查閱濕度傳感器 Z/RH/T 數(shù)據(jù)表，在不同溫度下Rchr 的值推算出當(dāng)前的相對濕度 RH%。 R4 采樣電阻的阻值通常建議在 30－ 200KΩ，側(cè)重高濕測量，采樣電阻阻值可降低到 20KΩ，低濕阻值可提高到 200KΩ。 放大和整流濾波電路 產(chǎn)生的電壓信號由于比較小，由 3 腳進(jìn)入運(yùn)放進(jìn)行放大，再通過濾波整行電路才能進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換。如圖 所示為放大和整形濾波電路。 圖 放大和整形濾波電路 運(yùn)放采用的是 LM324 四運(yùn)算放大器 ，放大倍數(shù)為 Av=(1+RP2/R7)。 硬件調(diào)試時只要調(diào)節(jié) RP2，就可以達(dá)到想要的放大部數(shù)。 經(jīng)放大的電壓信號，從 1 腳進(jìn)入整流濾波電路，利用兩個二極管的單向?qū)ㄐ裕_(dá)到整流的目的， C6， C7 起到濾波的作用。 A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) A/D 芯片的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換是決定測量精度和穩(wěn)定性的重要一環(huán)。所以， A/D的選擇也是一個要重點(diǎn)考慮的問題。 本次設(shè)計(jì)中 使用的是 TLC0831。 20 TLC0831 是 8 位逐次逼近電壓型 A/D 轉(zhuǎn)換器，支持單信道輸入串口輸出，極性設(shè)置固定，不需尋址。其內(nèi)部有一采樣數(shù)據(jù)比較器將輸入的摸擬信號微分比較后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。摸擬電壓的差分輸入方式有利于抑制共摸信號和減少或消除轉(zhuǎn)換的偏移誤差。而 且，電壓基準(zhǔn)輸入可調(diào)，使得小范圍摸擬電壓信號轉(zhuǎn)化時的分辨率更高 。其主要特點(diǎn)如下： (1) 8 位分辨率； (2) 單信道差分輸入； (3) 5V的電源提供 05V可調(diào)基準(zhǔn)電壓； (4) 輸入輸出可與 TTL 和 MOS 兼容； (5) 總失調(diào)誤差為 1SB。 此次設(shè)計(jì)的目 的是初步實(shí)現(xiàn)對溫度的采集和轉(zhuǎn)化。綜合比較兩塊芯片發(fā)出，雖然 ADC0809 芯片轉(zhuǎn)換速度快，但其硬件電路相對較復(fù)雜一些，且占用 I/O 多，TLC0831 為串口輸出，芯片的精度、速度都不錯，能滿足這次設(shè)計(jì)的要求，而且占用很少 I/O 口。設(shè)計(jì)者從成本最小化和實(shí)用化的原則出發(fā)，選擇了 TLC0831。 A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 此次 A/D 電路設(shè)計(jì) 的主要任務(wù)是反映電壓信號的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，其電路原理圖如圖 所示： 圖 A/D電路 原理圖 其中： 整流濾波后的模擬電壓信號經(jīng) 2腳輸入到 TLC0831A/D， CS和 CLK分別接 21 單片機(jī)的 ， 6腳數(shù)據(jù)輸出接 。這樣， TLC0831采用了串行發(fā)送數(shù)據(jù)的方式傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，這樣只要求占用單片機(jī)的三根 I/O線，比并行發(fā)送數(shù)據(jù)的方式少很多。 采集數(shù)據(jù)時，首先微處理器執(zhí)行一條傳送指令，在該指令執(zhí)行過程中，微處理器在控制總線的同時產(chǎn)生 CS,WR 低電平信號，啟動 A/D 轉(zhuǎn)換器工作， TLC0831經(jīng) 延時 后將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存于輸出鎖存器，并在等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通知微處 理器來取數(shù)據(jù)。微處理器立即執(zhí)行輸入指令，以產(chǎn)生 CS， RD 低電平信號到 TLC0831 相應(yīng)引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲器中。 鍵盤顯示電路的設(shè)計(jì) 在一個系統(tǒng)中，鍵盤和顯示模塊也是不可缺少的一個重要部分。顯示模塊將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)直觀的顯示給人看，而人又可以通過鍵盤按鍵操作單片機(jī)的運(yùn)行等，從而達(dá)到很好的人機(jī)對話功能。 本系統(tǒng)采用的是八段數(shù)碼管顯示， 顯示電路和鍵盤電路的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合整體設(shè)計(jì)的需要以及管理顯示器的芯片，決定使用 HD7279A 來進(jìn)行管理，不僅大大地節(jié)約了 STC89C52 的端口，而且還避免 了對鍵盤進(jìn)行消抖的處理，此消抖處理工作可以由 HD7279A 自動完成，從軟件與硬件的角度來看都是一種極大的節(jié)省。 HD7279A 是一片具 有 串行 接口的、可同時驅(qū)動 8位 共陰式數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可以連接多達(dá) 64 鍵 的鍵盤矩陣，單片即可完成 LED 顯示， 鍵盤接口的全部功能。 HD7279A 的主要功能：同時驅(qū)動 8 位共陰式七段 LED 數(shù)碼管（或 64 只獨(dú)立的 LED），提供了兩種譯碼方式和消隱、閃爍、移位等多種控制功能，能管理多達(dá) 64 鍵的鍵盤矩陣，采用串行接口，節(jié)約單片機(jī)的 I／ O口線，特別適用于內(nèi)嵌ROM 的單片 機(jī)不作總線擴(kuò)展 、 僅使用片上的 I／ O 接口的情況。這樣，既節(jié)省了布線空間，又簡化了電路設(shè)計(jì)，使儀表的進(jìn)一步微型化成為可能。 HD7279A 鍵盤 、顯示接口電路 圖 如下圖所示： 22 圖 HD7279A鍵盤、顯示接口電路圖 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用峰鳴音報(bào)警電路。峰鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過 MCS51 的 1 根口線經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需 10mA 的驅(qū)動電流，可以使用 TTL 系列集成電路 7406 或 7407 低電平驅(qū)動，也可以用一個晶體三 極管驅(qū)動。在圖中， 接晶體管基極輸入端。當(dāng) 輸出高電平“ 1”時，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約 +5V 電壓而鳴叫；當(dāng) 輸出低電平“ 0”時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。 圖 三極管驅(qū)動的峰鳴音報(bào)警電路 NPN +5V AT89S52 PB2130UP002A 23 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤顯示模塊、報(bào)警模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度和濕度的采集、數(shù)據(jù)處理、中斷處理幾個模塊。 圖 系統(tǒng)模塊圖 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 主程序是設(shè)計(jì)的主體， 是由功能不同 的子程序和中斷服務(wù)子程序組成。 本系統(tǒng) 主程序的運(yùn)行如下操作： 串口初始化， 完成