【文章內(nèi)容簡介】 T0 定時 /計數(shù)器 0外部輸入 T1 定時 /計數(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 溫度采集電路的設計 DS18B20 的測溫原理 數(shù)字 化 溫度傳感器 DS18B20，是 美國 DALLAS 半導體 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。全部傳感元件 及轉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)生的信號作為計數(shù)器 2的脈沖輸入。計數(shù)器 1和溫度寄存器被預置在－ 55℃ 所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器 1的預置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器 1 的預置將重新被裝 入，計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器 2計數(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償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器 1的預置值。 14 圖 DS18B20的測溫原理圖 DS18B20 與單片機的接口電路設計 圖 DS18B20與單片機接口電路圖 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。獨特的寄生電源方式有三個好處，分別是在進行遠距離測溫時，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 口實現(xiàn)測溫。要想使 DS18B20 進行精確的溫度轉換， I/O線必須保證在溫度轉換期間獲得足夠的能量。該電路只適應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。單片機的 口接DQ,當 DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度 A/D 轉 換操作時，總線上必須有強的上拉，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。主機控制 DS18B20 完成溫度轉換必須經(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 。 濕度采集電路的設計 本設計中 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 ，將濕度信號轉換成電壓信號，經(jīng)放大和 A/D 轉化成數(shù)字信號進入單片機處理，同時檢測當前溫度 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 為新一代復合型電阻型濕度敏感部件，其復阻抗與空氣相對濕度成指數(shù)關系，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，從而影響導電與元件的壽命，所以要求采用交流電路對傳感器進行供電。 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。因而得到廣泛應用。本設計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 壓也有對應的變化繼而將數(shù)據(jù)傳到單片機內(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?shù)姆秶鷥?nèi)。筆者設計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中進行計算，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）計算得到 Rchr。 Rchr= R4*(VV0)/V0 式（ 13） 同時檢測當前溫度 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 的值推算出當前的相對濕度 RH%。 R4 采樣電阻的阻值通常建議在 30－ 200KΩ，側重高濕測量，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 腳進入運放進行放大，再通過濾波整行電路才能進入 A/D 轉換。如圖 所示為放大和整形濾波電路。 圖 放大和整形濾波電路 運放采用的是 LM324 四運算放大器 ，放大倍數(shù)為 Av=(1+RP2/R7)。 硬件調(diào)試時只要調(diào)節(jié) RP2，就可以達到想要的放大部數(shù)。 經(jīng)放大的電壓信號，從 1 腳進入整流濾波電路，利用兩個二極管的單向?qū)ㄐ裕_到整流的目的， C6， C7 起到濾波的作用。 A/D 轉換電路的設計 A/D 芯片的選擇 A/D 轉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考慮的問題。 本次設計中 使用的是 TLC0831。 20 TLC0831 是 8 位逐次逼近電壓型 A/D 轉換器，支持單信道輸入串口輸出，極性設置固定，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換的偏移誤差。而 且，電壓基準輸入可調(diào)，使得小范圍摸擬電壓信號轉化時的分辨率更高 。其主要特點如下： (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。 此次設計的目 的是初步實現(xiàn)對溫度的采集和轉化。綜合比較兩塊芯片發(fā)出，雖然 ADC0809 芯片轉換速度快，但其硬件電路相對較復雜一些，且占用 I/O 多，TLC0831 為串口輸出，芯片的精度、速度都不錯，能滿足這次設計的要求，而且占用很少 I/O 口。設計者從成本最小化和實用化的原則出發(fā)，選擇了 TLC0831。 A/D 轉換電路的設計 此次 A/D 電路設計 的主要任務是反映電壓信號的模擬量轉換成數(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進行處理，這樣只要求占用單片機的三根 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 轉換器工作， TLC0831經(jīng) 延時 后將輸入模擬信號轉換為數(shù)字信號存于輸出鎖存器，并在等待轉換結束后，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 相應引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲器中。 鍵盤顯示電路的設計 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的運行等，從而達到很好的人機對話功能。 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計思路，結合整體設計的需要以及管理顯示器的芯片，決定使用 HD7279A 來進行管理，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 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 64 鍵的鍵盤矩陣，采用串行接口，節(jié)約單片機的 I／ O口線，特別適用于內(nèi)嵌ROM 的單片 機不作總線擴展 、 僅使用片上的 I／ O 接口的情況。這樣，既節(jié)省了布線空間，又簡化了電路設計，使儀表的進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 報警電路的設計 本設計采用峰鳴音報警電路。峰鳴音報警接口電路的設計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 輸出高電平“ 1”時，晶體管導通，壓電蜂鳴器兩端獲得約 +5V 電壓而鳴叫；當 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)動的峰鳴音報警電路 NPN +5V AT89S52 PB2130UP002A 23 4 系統(tǒng)的軟件設計 軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤顯示模塊、報警模塊組成。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)主程序設計 主程序是設計的主體， 是由功能不同 的子程序和中斷服務子程序組成。 本系統(tǒng) 主程序的運行如下操作： 串口初始化， 完成