【文章內容簡介】 傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉換，就可以滿足設計要求。 其基本框圖如圖 22 所示。 圖 22 方案二電路結構框圖 由于本課題研究以期研制出一套簡潔實用、精確穩(wěn)定、使用直觀的溫度 顯示儀 。以上兩種方案，從多方面分析考慮采用方案二，電路比較簡單，軟件設計也比較簡單 。 A/D 轉換電路 顯示 電路 放大 電路 感溫 電路 檢測目標 溫度傳感器 單片機 顯示 報警 9 設計方案的對比選擇 溫度傳感器的選擇及合理使用是測溫系統(tǒng)設計的關鍵。溫度檢測的傳統(tǒng)方法是使用模擬傳感器，那么一個溫度量要經過感溫元件、測量電路、放大電路、模數轉換電路之后才能得到相應的數字量 ， 這樣須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應測溫裝置中元器件數量降不下來，隨之影響產品的可靠性和體積微縮化。把被測溫度這一非電模擬量轉換成數字信號，將其處理過程的多個環(huán)節(jié)集成在單片 IC(Integrated Circuit)器件內部，是解決傳統(tǒng)溫度檢測方法弊病的理想途徑。 目前 ,典型的溫度測控系統(tǒng)是由模擬式溫度傳感器、 A/D 轉換電 路和單片機組成。自動化程度和可靠性較高 ,使用方便 ,得到了廣泛應用。但是由于模擬式溫度傳感器輸出為模擬信號 ,必須經過 A/D 轉換環(huán)節(jié)獲得數字信號后才能與單片機等微處理器接口 ,使得硬件電路結構復雜 ,成本較高 [4]。而以 DS18B20 為代表的新型單總線智能數字式溫度傳感器集溫度測量和 A/D 轉換于一體 ,直接輸出數字量 ,與單片機接口幾乎不需要外圍元件 ,使得硬件電路結構簡單，具有微型化的優(yōu)點 ,特別適合做便攜式數字溫度計的溫度傳感器 [7]。由于采取高集成度設計，數字式傳感器在可靠性、抗干擾能力以及器 件微小化方面與模擬傳感器相比，都有明顯的優(yōu)點，具有較強的推廣應用價值。所以本設計選用美國 DALLAS 公司最新推出的 DS18B20 數字式溫度傳感器。 故本設計使用方案二進行設計。 10 第 三 章 系統(tǒng)硬件設計 我們選用以 51 單片機為主控制器，以數字式溫度傳感器 DS18B20 為傳感元件，以四位 LED數碼管作為顯示器件實時動態(tài)顯示測量溫度 (十進制 )。通過獨立式按鍵模塊來實現溫度上下限值的設定及溫度的報警功能。測溫范圍在 55~125℃ ，誤差在 177?！?以 。 硬件電路設計框圖 該系統(tǒng) 主要部分由溫度傳感器、單片機系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、按鍵調節(jié)及數碼顯示系統(tǒng)組成。其基本功能是： 以數字式溫度傳感器 DS18B20 為傳感元件， 由溫度傳感器測量當前溫度， 將 非電量的溫度值轉換為電量 輸出 并將結果送入單片機。然后，通過 AT89S51 單片機芯片對送入的測量溫度讀數進行計算和轉換，并將此結果送入顯示模塊。最后，以四位 LED 數碼管作為顯示器件實時動態(tài)顯示溫度 (十進制 )。 本系統(tǒng)的總體框圖如圖 31 所示。 圖 31 系統(tǒng)總體設計框圖 系統(tǒng)總體結構與原理 本電路主要由 DS18B20 溫度傳感器芯片 通用顯示模塊和 AT89C51 單片機芯片組成。其中，DS18B20 溫度傳感器芯片采用 “一線制 ”與單片機相連，它獨立地完成溫度測量結果送到單片機的工作。本系統(tǒng)測溫范圍在 55~125℃ ，誤差在 177?！?以內。當溫度超出所設上下溫度報警值時 ,系統(tǒng)不但會顯示當時溫度值 ,同時也會發(fā)出報警鳴叫聲告知用戶溫度異常，并且可以手動設置上下溫度報警值。 系統(tǒng)總體結構與原理如圖 32 所示 。 檢 測目標 溫度傳感器 單片機 顯 示 報 警 11 圖 32 系統(tǒng)總體結構與原 理 12345678RESET9RDX/10TXD/11INT0/12INT1/13T0/14T1/15WR/16RD/17X218X119GND202122232425262728PSEN29ALE/P30EA/VP313233343536373839VCC40U3AT89S511KR5S2 Q585501 2Y112MHZVCC3DQ2GND1U1DS18B20B1510 R1422pF C222pF C3 R17+5V510R1510R2510R3510R4510R6510R7510R9510R101KR111KR121KR131KR15Q18550Q28550Q38550Q48550+5Vb7c4d2e1f10g5dp3a11112293846U2510 R8LED210uF C1LED110k R1612JP2HEADER2+5VS3S4S1+5V10k R1910k R2010k R21+5V+5V+5V 12 第 四 章 硬件部分電路分 析 單片機 控制電路 選用單片機 AT89S51 的原因 本系統(tǒng)的中央控制單元選用的是 Atmel 公司單片機 AT89S51[1]。選用單片機 AT89S51 的原因： Atmel 的 AT89S51 芯片完全兼容 C51 系統(tǒng)單片機各項屬性。 AT89S51 芯片直接支持 ISP 下載編程調試。 ISP（ In System Programming）在系統(tǒng)可編程，指電路板上的空白器件可以編程寫入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經編程的器件也可以用 ISP 方式擦除或再編程。 ISP 技 術是未來發(fā)展方向。 ISP 技術的優(yōu)勢是不需要編程器就可以進行單片機的實驗和開發(fā)，單片機芯片可以直接焊接到電路板上，調試結束即成成品，免去了調試時由于頻繁地插入取出芯片對芯片和電路板帶來的不便 [12]。 單片機最小系統(tǒng) 的應用 單片機最小系統(tǒng)，是指在盡可能少的外部電路的條件下，形成一個可以獨立工作的單片機系統(tǒng) [1]。 。 ，外接一個頻率為 6MHZ 的晶體。 3.復位電路由 10UF 的電容器與正電源相連，構成上電自動復位電路。 引腳接到正電源端，使用片內程序存 儲器。 本設計中單片機最小系統(tǒng)電路圖 如圖 41 所示。 12345678RESET9RDX/10TXD/11INT0/12INT1/13T0/14T1/15WR/16RD/17X218X119GND202122232425262728PSEN29ALE/P30EA/VP313233343536373839VCC40U3AT89S5112Y112MHZ510R1422pFC222pFC310uFC1LED110kR16S1+5V+5V+5V 圖 41 本 設計中 單片機最小系統(tǒng)電路圖 13 溫度傳感器 電路 隨著數字電子技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)所使用的一些模擬信號設備正在不斷升級 [7]。例如，傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)多數采用熱敏電阻作為傳感器，這種方式需要設計專門的模擬接口電路，并且要將采集的溫度模擬信號轉換為數字信號，單片機才能處理。相對而言成本高、設計復雜、精度低。目前，很多溫度檢測系統(tǒng)已采用單總線數字式溫度傳感器進行處理，由于采用了數字式設備，接口電路較簡潔，而且可以直接得到溫度的數字量給 單片機處理。 DS18B20 的 外形及性能 DS18B20 溫度傳感器是美國 DALLAS 半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，是一線式數字式溫度計芯片，體積更小、適用電壓更寬、更經濟。它具有結構簡單，不需外接元件，線路簡單，體積小的特點。與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現 9～ 12 位的數字值讀數方式，使系統(tǒng)設計更靈活、方便 [7]。 DS18B20 的管腳排列如下： 引腳定義： (1) GND 為電源地； (2) DQ 為數字信號輸入 /輸出端； (3) VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接 地） 。 圖 42 DS18B20 外形圖 其性能如下 [13]： ● 獨特的單線接口方式，僅一條口線即可實現微處理器與 DS18B20 的雙向通訊； ● 多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現多點組網功能； ● 無須外部器件， 全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內； ● 可通過數據線供電，電壓范圍為 ~ ； ● 零待機功耗； ● 分辨率為 9～ 12 位，可實現高精度測溫； ● 用戶可定義報警設置； 14 ● 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； ● 負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20 與單片機的接口電路 DS18B20 可以采用兩種方式供電： 一種是寄生電源供電方式，單片機端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20 時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個 MOSFET 管來完成對總線的上拉。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。采用寄生電源供電方式時 VDD 端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的 [8]。 另一種是采 用外部 電源供電方式， 在外部電源供電方式下， DS18B20 工作電源由 VDD引腳接入，此時 I/O 線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個 DS18B20 傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。在外部供電的方式下， DS18B20 的 GND 引腳不能懸空 ，否則不能轉換溫度。 外部電源 供電方式是 DS18B20 最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。故本設計采用外部電源供電方式，電路如圖 43 所示。 1234567