【正文】 15 （ CRC=X8+X5+X4+1）。 DS18B20 的管腳排列如 34 所示： DA LL AS18 B 201 2 3GND DQ VCC 圖 34 DS18B20的管腳排列 DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端； GND 為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 DS18B20 可使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在 EEPROM 中，掉電后依然保存。 ℃。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。 ℃。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器 網(wǎng)絡(luò) ，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 14 1 2 3BO TT OMVI EW（ 1） DS18B20 簡(jiǎn)介 DS18B20 是 DALLAS 半導(dǎo)體公司最新的單線數(shù)字溫度傳感器，新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。 圖 32 AT89S51單片機(jī)引腳圖 溫度傳感電路設(shè)計(jì) 本 設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 我 采用了 DS18B20 單總線可編程 溫度傳感器 ,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集和轉(zhuǎn)換， 直接輸出數(shù)字量，可以直接和單片機(jī)進(jìn)行通訊， 大大簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度 。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：在 AT89S51 的具有 128 字節(jié)的內(nèi)部 RAM，這 128 字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問(wèn)，堆棧操作可利用間接尋址方式進(jìn)行， 128 字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間。 13 程序存儲(chǔ)器：如果 EA 引腳接地（ GND），全部程序均執(zhí)行外 部存儲(chǔ)器。 電源空閑標(biāo)志：電源空閑標(biāo)志（ POF）在特殊功能寄存儲(chǔ)器 SFR 中 PCON 的第4 位（ ） ,電源打開(kāi)時(shí) POF 置“ 1” ,它可由軟件設(shè)置睡眠狀態(tài)并不為復(fù)位所影響。 AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)造及功能： 特殊功能寄存器：這些地址并沒(méi)有全部占用，沒(méi)有占用的地址不可使用，讀這些地址將得到一個(gè)隨意的數(shù)值。 XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。欲使 CPU訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址 0000H－ FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高有兩次有效的 PSEN 信號(hào)。此外，該引腳伎被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 無(wú)效。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址 的低 8位字節(jié)。 WDT益出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置 SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH）可打開(kāi)或關(guān)閉該功能。 12 表 32 P3口的第二功能 端口功能 第二功能 端口引腳 第二功能 RXD（ ） 串行輸入口 T0（ ） 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0外部輸入 TXD（ ） 串行輸出口 T1（ ） 定時(shí) /計(jì)數(shù) 器 1外部輸入 INT0（ ） 外中斷 0 WR（ ） 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 INT1（ ） 外中斷 1 RD（ ） 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 RST：復(fù)位輸入。作輸入端口時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流 I。 P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4個(gè) TTL 邏輯門電路。 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 也接收高位地址和其它控制信號(hào)）。對(duì)端口寫(xiě)“ 1” ,通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 I。表 31 為 P1 口第二功能。對(duì)端口寫(xiě)“ 1” ,通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。在 Flash 編程時(shí)， P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 11 AT89S51 引角功能說(shuō)明 Vcc：電源電壓 GND：地 P0 口： P0 口是一組 8位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口寫(xiě)“ 1”可作為高阻抗輸入端口。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 其 主要功能特性： 兼容 MCS51指令系統(tǒng) 4k可反復(fù)擦寫(xiě) (1000次） ISP Flash ROM 32個(gè)雙向 I/O 口 工作電壓 2個(gè) 16位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘頻率 033MHz 全雙工 UART 串行中斷口線 128x8 bit 內(nèi)部 RAM 2個(gè)外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3 級(jí)加密位 看門狗（ WDT）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的 ISP 字節(jié)和分頁(yè)編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部RAM， 32 個(gè) I/O 口線，看門狗（ WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘。空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù) 據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。 AT89S51 具有如下特點(diǎn)： 40 個(gè)引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。主控模塊采用單 控制器AT89S51 LED 數(shù)碼顯示 鍵盤輸入 DS18B20 繼電器 報(bào)警器 10 片機(jī)最小系統(tǒng)是由于 AT89S51 芯片 內(nèi)含有 4kB 的 E2PROM,無(wú)需外擴(kuò)存儲(chǔ)器 ,電路簡(jiǎn)單可靠 ,其時(shí)鐘頻率為 0～ 24 MHz ,并且價(jià)格低廉。 系統(tǒng) 硬件 模塊關(guān)系 如圖 31所示。輸入部分有：鍵盤部分， DS18B20。 另外還可以由鍵盤設(shè)定溫度值送到單片機(jī)，單 片機(jī)通過(guò)鍵入的數(shù)據(jù)與當(dāng)前的溫度值比較處理發(fā)出溫度控制信息到繼電器。 9 第三章 單片機(jī) 溫度 控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件模塊關(guān)系 本系統(tǒng)的執(zhí)行方法是循環(huán)查詢執(zhí)行的 ， 首先 單片機(jī) AT89S51 寫(xiě)入命令給DS18B20， 檢測(cè) DS18B20 是否存在，如果不存在發(fā)出警告并顯示錯(cuò)誤顯示，檢測(cè)存在后 DS18B20 開(kāi)始 監(jiān)測(cè)溫度并 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后通過(guò) AT89S51 來(lái)處理數(shù)據(jù)。 、壓縮制冷器有效功率控制采用繼電器控制，實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單實(shí)用，加上溫度變化緩慢可以滿足設(shè)計(jì)要求。 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。 基于以上分析選擇方 案二，采用繼電器控制省去光耦和交流過(guò)零檢測(cè)電路，在軟件上選用適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǎ瑯涌梢赃_(dá)到較好的效果。使用繼電器可以很容易實(shí)現(xiàn)地通過(guò)較高的電壓和電流，在正常條 件下，工作十分可靠。該方案電路稍復(fù)雜，需使用光耦合驅(qū)動(dòng)芯片以及變壓器等器件。由交流過(guò)零檢測(cè)電路輸出方波經(jīng)適當(dāng)延時(shí)控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，延時(shí)時(shí)間即移相偏移量由溫度誤差計(jì)算得到。對(duì)加熱制冷裝置控制模塊有以下兩種方案： 方案一：采用可控硅來(lái)控制加熱器有效功率。當(dāng)儲(chǔ)藏室溫過(guò)低時(shí)開(kāi)啟電爐關(guān)閉壓縮制冷器。 加熱制冷裝置有效功率控制模塊 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 ，可以使用電熱爐進(jìn)行加熱，使用壓縮制冷器進(jìn)行降溫，控制電功率即可以控制加熱，降溫的速度。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小 、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。但要附加顯示、溫度設(shè)定等功能，要附加許多電路，稍顯麻煩。 方案二：采用模擬運(yùn)算放大器組成 PID 控制系統(tǒng)。由溫度傳感器送來(lái)的溫度信號(hào)，經(jīng) FPGA 程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理，控制加熱裝置動(dòng)作。 FPGA 功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。 控制器模塊 根據(jù)題目要求，控制器主要用于對(duì)溫度測(cè)量信號(hào)的接受和處理、控制加熱和降溫設(shè)備使控制對(duì)象滿足設(shè)計(jì)要求、控制顯示電路對(duì)溫度值實(shí)時(shí)顯示以及控制鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值的設(shè)定等。理由： 每個(gè)按鍵 只 需要占用一根輸入口線，該設(shè)計(jì)所用按鍵較少。獨(dú)立式按鍵電路按鍵直接與單片機(jī) I/O口連接，通過(guò)讀I/O 口，判斷各 I/O 口線的電平狀態(tài)，即可識(shí)別出按下的鍵盤。但每個(gè)按鍵需占用一個(gè)輸入口線在按鍵數(shù)量較多時(shí)需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷是哪個(gè)按鍵被按下了。 6 圖 21：矩陣式鍵盤 方案 2：采用獨(dú)立式按鍵接口。 對(duì)于矩陣鍵盤，按鍵是位置由行號(hào)和列號(hào)唯一決定，所以分別對(duì)行號(hào)和列號(hào)進(jìn)行二位制編碼，然后將兩值合成一個(gè)字節(jié)，高 4 位是行號(hào)，低 4位是列號(hào)。列線電平如果為低 ， 則行線電平為低 ； 列線電平為高則行線電平也 為高。行線通過(guò)上拉電阻接到 +5V 上。 這種接口方式適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上。本系統(tǒng)中，采用了數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，節(jié)省單片機(jī)的內(nèi)部資源。同時(shí)數(shù)碼管采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，程序編譯 容易，資源占用較少。 方案二：采用三位 LED 七段數(shù)碼管分別顯示溫度的十位、個(gè)位和小數(shù)位。 液晶顯示屏（ LCD）具有功耗小、輕薄短小無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫(huà)面效果好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。理由：當(dāng)前的溫度傳感器已經(jīng)完全進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，它直接輸出溫度值的數(shù)字量，省去了繁瑣的轉(zhuǎn)換并節(jié)省了大量的硬件電路，而且精度可以做得很高。被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可以在遠(yuǎn)端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)到三根或兩根線上，CPU 只需一根斷口線就能與多個(gè) DS18B20 通信，占用單片機(jī)的端 口少，可以大大節(jié)省引線和邏輯電路。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配處理器等明顯的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可以直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)（提供 9 位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個(gè)傳感器芯 片。 方案 3：采用