【導(dǎo)讀】導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議，發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體。均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本。采用數(shù)字化單總線技術(shù)的設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于溫室大棚的溫度測量系統(tǒng)。系統(tǒng)對多點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢，同時(shí)能夠根據(jù)PC機(jī)指令對溫度進(jìn)。溫度傳感器DS18B20負(fù)責(zé)溫度的采集，單片機(jī)將從DS18B20發(fā)出。動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，并給PC機(jī)發(fā)出相應(yīng)的信號，否則繼續(xù)從DS18B20讀取溫度。系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。

　　

【正文】 定要注意DS18B20對程序和電氣參數(shù)的嚴(yán)格要求。 （ 2） 連接 DS18B20的總線電纜是有長度限制的。 所以在 試驗(yàn)中， 要考慮總線湖南人文科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 的選擇和分布及與之相關(guān)的問題。 （ 3）有多個(gè)測溫點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)傳感器出錯(cuò)自動(dòng)指示，進(jìn)行自動(dòng)DS18B20 序列號和自動(dòng)排序，以減少調(diào)試和維護(hù)工作量。 （ 4） 在 DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS1820數(shù)量問題， 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不能掛接過多的 DS18B20，若是掛得太多就要解決其驅(qū)動(dòng)能力問題。 （ 5） 在 DS18B20測溫 實(shí)際應(yīng)用 中， 一定要確保每個(gè) DS18B20都接觸良好否則系統(tǒng)會(huì)陷入死循環(huán)， 這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定 要注意 [6]。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 第 四 章 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)電路主要功能包括：多點(diǎn)溫度測試及其相關(guān)處理，實(shí)時(shí)顯示溫度信息，與上位機(jī)通訊傳輸溫度數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)模塊：電源以及看門狗電路， 鍵盤以及顯示電路，溫度測試電路，串口通訊電路。 電源以及看門狗電路 電源電路 因?yàn)閱纹瑱C(jī)工作電源為 +5V，且電路功 耗很小。采用 7805 三端穩(wěn)壓片即可滿足要求。 電路圖如下圖 ： 圖 電源電路 H7805 系列為 3端穩(wěn)壓器件， 能提供 5V 的輸出電壓。 應(yīng)用范圍廣， 內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路， 帶散熱片時(shí)能持續(xù)提供 1A 的電流 。 主要特點(diǎn) ： 輸出電流可達(dá) 1A 輸出電壓有 5V 過熱保護(hù) 短路保護(hù) 電源電路其主要作用是為單片機(jī)提供工作電源。 看門狗電路 考慮到底層電路板的工作環(huán)境相對惡劣，單片機(jī)會(huì)受到周圍環(huán)境的干擾，而湖南人文科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 出現(xiàn)程序 死循環(huán) ，死機(jī) … 等一些不可預(yù)知的不正常工作現(xiàn)象。工作人員也不可能到現(xiàn) 場對單片機(jī)重起，為單片機(jī)電路添加一個(gè)外部看門狗電路。定時(shí)查詢單片機(jī)的工作狀態(tài) ,一但發(fā)現(xiàn)異常即對單片機(jī)延時(shí)重起。保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。 NE56604 能 為多種微處理器和邏輯系統(tǒng)提供復(fù)位信號，其門限電平為 。在電源突然掉電或電源電壓下降到低于門限電平時(shí)。 NE56604 將產(chǎn)生精確的復(fù)位信號。 NE56604 內(nèi)置一個(gè)看門狗定時(shí)器，用于監(jiān)控微處理器，以確保微處理器的正常運(yùn)行?？撮T狗能產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位信號用來終止任何由于微處理器故障而引發(fā)的不正常的系統(tǒng)操作。 NE56604 的看門狗的監(jiān)控周期為 100m，它是以 SO8 小型塑料表面封裝， 8引腳，寬度為 。工作溫度 20℃ — 70℃。 特性 ： 正負(fù)雙邏輯輸出的有效復(fù)位信號 精準(zhǔn)的門限電平監(jiān)測 上電復(fù)位內(nèi)部延時(shí) 可利用外部電阻調(diào)節(jié)的內(nèi)部看門狗定時(shí)器 看門狗定時(shí)器的監(jiān)控周期為 100mS 典型值 VCC= 時(shí)產(chǎn)生有效的復(fù)位信號典型值 具體電路圖如 下 圖 : 圖 看門狗電路 看門狗 ,又叫 watchdog timer,是一個(gè)定時(shí)器電路 , 一般有一個(gè)輸入 ,叫喂狗 ,一個(gè)輸出到 MCU的 RST 端 ,MCU正常 工作的時(shí)候 ,每隔一端時(shí)間輸出一個(gè)信號到 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 喂狗端 ,給 WDT 清零 ,如果超過規(guī)定的時(shí)間不喂狗 ,(一般在程序跑飛時(shí) ),WDT 定時(shí)超過 ,就回給出一個(gè)復(fù)位信號到 MCU,是 MCU復(fù)位 . 防止 MCU死機(jī) . 看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。工作原理：在系統(tǒng)運(yùn)行以后也就啟動(dòng)了看門狗的計(jì)數(shù)器，看門狗就開始自動(dòng)計(jì)數(shù)，如果到了一定的時(shí)間還不去清 零 看門狗，那么看門狗計(jì)數(shù)器就會(huì)溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。所以在使用有看門狗的芯片時(shí)要注意清看門狗。 硬件看門狗是利用了一個(gè)定時(shí)器，來監(jiān)控主程序的運(yùn)行，也就是 說在主程序的運(yùn)行過程中，我們要在定時(shí)時(shí)間到之前對定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說 PC 指針不能回來。那么定時(shí)時(shí)間到后就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。 鍵盤以及顯示電路 鍵盤電路 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路 ,以及專一的復(fù)位功能外 ,其它的按鍵或鍵盤都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)。鍵盤有編碼和非編碼兩種。非編碼鍵盤硬件電路極為簡單。故本系統(tǒng)采用撥碼開關(guān)來控制。 具體電路如下 圖 ： 圖 鍵盤電路 74LS244 為三態(tài)輸出的八組緩沖器和總線驅(qū)動(dòng)器 ， 由 2 組、每組四路輸入、湖南人文科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 輸出構(gòu)成。每組有一個(gè)控制端 G，由控制端的高或低電平?jīng)Q定該組數(shù)據(jù)被接通還是斷開。 引腳功能： 1A1~1A4， 2A1~2A41A4 輸入端 1G/2G 三態(tài)允許端 (低電平有效 ) 1Y1~1Y4,2Y1~2Y4 輸出端 1） 開關(guān)狀態(tài)的 輸入 鍵開關(guān)狀態(tài)的可靠輸入有兩種解決方法。一種是軟件去抖動(dòng)：它是在檢測到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一 個(gè) 10ms 的延時(shí)程序后，再確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正鍵按下狀態(tài)，從而消除了抖動(dòng)影響。另一種為硬件去抖動(dòng)：即為按鍵添加一個(gè)鎖存器。兩種方法都簡單易行，本文采用的是硬件去抖。 2） 對按鍵進(jìn)行編碼給定鍵值或給出鍵號 對于按鍵無論有無編碼，以及采用什么編碼，最后都要轉(zhuǎn)換成為與累加器中數(shù)值相對應(yīng)的鍵值，以實(shí)現(xiàn)按鍵功能程序的散轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移。為使編碼間隔小，散轉(zhuǎn)入口地址安排方便，常采用依次序排列的鍵號。 如表 ： 表 撥碼開關(guān)值 含義 0000 實(shí)時(shí)顯示通道一的溫度值 0001 實(shí)時(shí)顯示通道二的溫度值 0010 實(shí)時(shí)顯示通道三的溫度值 0011 實(shí)時(shí)顯示通道四的溫度值 0100 實(shí)時(shí)顯示通道五的溫度值 0101 實(shí)時(shí)顯示通道六的溫度值 0110 實(shí)時(shí)顯示通道七的溫度值 0111 實(shí)時(shí)顯示通道八的溫度值 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 溫度顯示電路 設(shè)計(jì)采用的是共陰極七段數(shù)碼管。顯示方式有動(dòng)態(tài)掃描和靜態(tài)顯示，兩種方法在本設(shè)計(jì)中皆可。由于靜態(tài)掃描要用到多片串入并出芯片，考慮到電路板成本計(jì)算。采用是節(jié)約硬件資源的動(dòng)態(tài)掃描方式。即用兩塊芯 片就可以完成顯示功能。顯示數(shù)據(jù)由 4511 譯碼器輸出， ULN2021 為位驅(qū)動(dòng)掃描信號。具體電路圖如下圖： 圖 溫度顯示電路 4511 譯碼器 是 BCD鎖存 /7 段譯碼 /驅(qū)動(dòng)器 .它能將四位二進(jìn)制數(shù)編碼轉(zhuǎn)換為七段 LED 顯示器的編碼 同時(shí)還具有鎖存能力。 為避免在計(jì)數(shù)過程中顯示器數(shù)字翻動(dòng) ,該顯示譯碼器以傳輸門和反相器作為鎖存單元 ,控制傳輸門的導(dǎo)通或截止?fàn)詈先宋目萍紝W(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 態(tài) ,可使 BCD 數(shù)據(jù)傳輸或鎖存 ,它以反向器作輸出級 ,通常可以驅(qū)動(dòng) LED 或熒光數(shù)碼管 .圖中 LT,BI為高電平 ,LE為低電平時(shí)計(jì)數(shù)譯碼 . LE為 1時(shí)鎖存 ,LT為0自檢顯示 ,BI為 0,LT 為 1熄滅。 ULN2021A 在各種控制電路中常用它作為驅(qū)動(dòng)繼電器的芯片，其芯片內(nèi)部做了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢的二極管。 ULN2021 的輸出端允許通過 IC 電流 200mA，飽和壓降 VCE 約 1V 左右，耐壓 BVCEO 約為 36V。輸出電流大，故可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器 (SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。ULN2021 可以驅(qū)動(dòng) 7 個(gè)繼電器 ,具有高電壓輸出特性，并帶有共陰極的續(xù)流二 極管使器件可用于開關(guān)型感性負(fù)載。 溫度 檢測 電路 DS18B20 最大的特點(diǎn)是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式， DS18B20的數(shù)據(jù) I/O均由同一條線來完成。 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成 功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作 [11]。 硬件連接電路如下圖 ： 圖 本系統(tǒng)為多點(diǎn)溫度測試。 DS18B20 采用外部供電方式，理論上可以在一根數(shù)AT89C51 DS18B20 DS18B20 DS18B20 DS18B20 VCC=5V 1— WIRE 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 據(jù)總線上掛 256個(gè) DS18B20，但 實(shí)際 應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，如果掛接 25 個(gè)以上的 DS18B20仍舊有可能產(chǎn)生功耗問題。另外單總線長度也不宜超過 80M，否則也會(huì)影響到數(shù)據(jù)的傳輸。在這種情況下我們可以采用分組的方式，用單片機(jī)的多個(gè) I/O來驅(qū)動(dòng)多路 DS18B20。 串口通訊電路 通訊電路 AT89C51 有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通訊 時(shí)要滿足一定的條件，比如電腦的串口是 RS232 電平的，而單片機(jī)的串口是 TTL 電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，我們采用了專用芯片 MAX232 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個(gè)三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。 具體電路如下圖 ： C 2 5C 2 +4R 2 O9T 2 I N10T 1 O14R 1 I N13C 1 3C 1 +1GND15V S 6R 2 I N8T 2 O7T 1 I N11R 1 O12V S +2V C C16U 1 8M A X 2 3 2V C CC 3 21 u / 2 5 VC 3 31 u / 2 5 VC 3 41 u / 2 5 VC 3 51 u / 2 5 VC 3 61 u / 2 5 V162738495J 1 5D B 9R X DT X D 圖 通訊電路 MAX232 芯片是美信公司專門為電腦的 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路 ,使用+5v 單電源供電。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分： 第一部分是電荷泵電路。由 6 腳和 4 只電容構(gòu)成。 功能是產(chǎn)生 +12v 和 12v 兩個(gè)電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 湖南人文科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 1 1 1 14 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。中 13 腳（ R1IN）、 12 腳（ R1OUT）、 11 腳（ T1IN）、 14 腳（ T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道 。 8 腳（ R2IN）、 9 腳（ R2OUT）、 10 腳（ T2IN）、7 腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、 T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS232數(shù)據(jù)從 T1OUT、 T2OUT 送到電腦 DB9 插頭； DB9 插頭的 RS232數(shù)據(jù)從 R1IN、 R2IN 輸 入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從 R1OUT、 R2OUT 輸出。 第三部分是供電。 15 腳 GND、 16 腳 VCC（ +5v） 。 PC 接口電路 采用了三線制連接串口，也就是說和電腦的 9 針串口只連接其中的 3 根線：第 5 腳的 GND、第 2腳的 RXD、第 3腳的 TXD。這是最簡單的連接方法，但是對 本設(shè)計(jì) 來說已經(jīng)足夠使用了，電路如圖 所示 。通信線采用交叉接法，即兩者信號線對應(yīng)成為 R— T， T— R。 其作用是讓 PC機(jī)能和單片機(jī)相連 便于其相互通信。 具體連接電路如下圖 : 162738495J1D B 9 A T 8 9 C 5 1162738495J2D B 9 P CR X D R X DT X D T X D 圖 PC接口電路 整體電路 電路原理圖（見附件 B）