【正文】 ，針對(duì)這一情況，研制可靠且實(shí)用的溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)就顯得非常重要。美國(guó)、日本的 冷庫(kù) 監(jiān)測(cè)設(shè)施近 20年來(lái)發(fā)展很快，他們結(jié)合本國(guó)條件做出了具有創(chuàng)新特色的成就，其中倉(cāng)庫(kù)環(huán)境調(diào)控技術(shù)均有較高水平，但其監(jiān)控設(shè)備價(jià) 格昂貴。冷庫(kù)可廣泛應(yīng)用于食品廠、乳品廠、制藥廠、化工廠、果蔬倉(cāng)庫(kù)、禽蛋倉(cāng)庫(kù)、賓館、超市、醫(yī)院、血站、部隊(duì)、試驗(yàn)室等 。 研究背景 隨著信息時(shí)代的到來(lái)，作為獲取信息的手段 傳感器技術(shù)得到了顯著的提高?，F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)由于超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)最，不僅對(duì)傳感器的精度、可靠性、響應(yīng)速度、獲取的信息量要求越來(lái)越高，還要求其成本低廉且使用方便。 傳感器的發(fā)展日新月異，特別是 80年代人類(lèi)由高度工業(yè)化進(jìn)入信息時(shí)代以來(lái)，傳感器技術(shù)向更新、更高的技術(shù)發(fā)展。因此，我們應(yīng)該加大對(duì)傳感器技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)的投入，使我國(guó)傳感器技術(shù)與外國(guó)差距縮短，促進(jìn)我國(guó)儀器儀表工業(yè)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。溫室內(nèi)的各環(huán)境因子大多由計(jì)算機(jī)集中控制，檢測(cè)傳感器也較為齊全，由傳感器的檢測(cè)基本上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制。 我國(guó)現(xiàn)代溫度測(cè)控技術(shù)起步較晚， 我國(guó)近年引進(jìn)了多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的 冷 庫(kù)環(huán)境控制系統(tǒng)，對(duì)吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)、推動(dòng) 冷 庫(kù)溫度濕度自動(dòng)檢測(cè)產(chǎn)生了積極的作用， 但這些控制系統(tǒng)也存在著許多不足之處，主要表現(xiàn)在： 1．價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目前難以接受。 3． 品種未能配套 ， 軟件實(shí)現(xiàn)模式固定，不能進(jìn)行功能擴(kuò)展。而我國(guó)綜合環(huán)境測(cè)控技術(shù)的研究剛剛起步，目前仍然停留在研究單個(gè)或少量環(huán)境因子調(diào)控技術(shù)的階段，而實(shí)際上，冷庫(kù)內(nèi)的光照度、溫度、濕度、 C02濃度等環(huán)境因素，都是在相互影響、相互制約的狀態(tài)中影響著存放物品的。所以本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是很有市場(chǎng)前景的。溫度檢測(cè)需要將溫度這個(gè)模擬量轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠使用的數(shù)字量。本設(shè)計(jì)主要由以下幾部分組成： 主控部分用 AT89C52做 CPU 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)溫度的控制，該單片機(jī)具有集成度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)擴(kuò)展方便，處理功能強(qiáng)，速度快，易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。 溫度數(shù)據(jù)采集部分。適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字控制領(lǐng)域，而且輸出為數(shù)字信號(hào)，由此溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，將以轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)輸送給單片機(jī)。 報(bào)警部分，當(dāng)溫度低于下限溫度或高于上限溫度時(shí)，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。 第二章，硬件電路設(shè)計(jì)，包括電源電路、復(fù)位電路、溫度采集和顯示報(bào)警電路。 第四章，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。 冷庫(kù)溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 5 2 硬件電路設(shè)計(jì) 該冷庫(kù)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、溫度采集模塊、 顯示模塊和報(bào)警模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 21所示。 圖 21 總體硬件結(jié)構(gòu)框圖 單片機(jī)選型 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)由集成在一塊半導(dǎo)體芯片上中央處理器（ CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）、程序存儲(chǔ)器（ ROM、 EPROM、 E2PROM 或 FLASH）、定時(shí) /計(jì)數(shù)器和各種輸入 /輸出接口 電路等組成。單片機(jī)的主要特點(diǎn)有： （ 1） 片內(nèi)存儲(chǔ)容量較?。? 受集成程度的限制， ROM 一般小于 8KB， RAM 一般小于 256B，不過(guò)可以進(jìn)行外部擴(kuò)展，通常 ROM,RAM 都可以擴(kuò)展至 64KB[5]。芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的 CPU。 6 （ 3） 控制功能強(qiáng)，為了滿足對(duì)對(duì)象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件 ： 分支轉(zhuǎn)移能力， I/O 口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專(zhuān)門(mén)的控制功能。芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線及并行、串行輸入 /輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。工作的極限溫度為 55oC~+125oC，電壓為 +5V，其引腳圖如圖 22所示。 主要引腳說(shuō)明如下： XTAL1（ 19 腳）：晶體振蕩器電路反相器輸入端。 VCC（ 40 腳） ： 接 +5V 電源。 RST：復(fù)位輸入。 P0口：是一個(gè) 8位漏極開(kāi)路輸出型雙向 I/O 端口。在訪問(wèn)外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它是時(shí)分多路轉(zhuǎn)換的地址（低 8位） /數(shù)據(jù)總線，在訪問(wèn)期間將激活內(nèi)部的上拉電阻。 P1口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4個(gè) TTL 輸入。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部有上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（ Iil）。 P2口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4個(gè) TTL 輸入。 P2口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部有上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問(wèn) 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX RI）時(shí)， P2口引腳 上的內(nèi)容（就是專(zhuān)用寄存器 (SFR)區(qū)中的 P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不會(huì)改變。 P3口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4個(gè) TTL 輸入。 P3口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部有上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 單片機(jī)外圍電路 ：由于單片機(jī)、 DS18B LED 顯示器的工作電壓都是 5V，是無(wú)法直接用市電供電 的，所以為了方便使用，設(shè)計(jì)了一個(gè)電源穩(wěn)壓電路。當(dāng) LED 指示燈點(diǎn)亮?xí)r，證明電源已經(jīng)接通。 8 圖 23 電源電路 ：把一個(gè)晶體振蕩器和兩個(gè)電容器組成自激震蕩電路接于 XTAL1和XTAL2之間，把振蕩器發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路，時(shí)鐘電路產(chǎn)生的震蕩脈沖經(jīng)過(guò)觸發(fā)器進(jìn)行二分頻后，成為單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 晶體振蕩 器可以使石英晶體或陶瓷結(jié)構(gòu)，振蕩頻率范圍是 ~12MHz。 電路如圖 24 所示。按鍵電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與 VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的，其中要保證復(fù)位高電平持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期。 9 圖 25 復(fù)位電路 ： 利用按鍵 S2進(jìn)入 /退出設(shè)置界面， S3減少鍵， S4為增加鍵?？梢杂眠@ 3個(gè)按鍵根據(jù)需要設(shè)置不同的上限，下限值。 圖 26 上限下限溫度設(shè)置電路 溫度采集模塊： DS18B20溫度傳感器 DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－ Wire， 即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。 DS1820通過(guò)一個(gè)單線接口發(fā)送或接收信息，因此在 中央微處理器和 DS1820之間僅需一條連接線（加上地線）。因?yàn)槊總€(gè) DS1820都有一個(gè)獨(dú)特的片序列號(hào)，所以多只 DS1820可以同時(shí)連在一根單線總線上，這樣就可以把溫度傳感器放在許多不同的地方。 DS18B20的外觀引腳如圖 27所示，引腳功能如表 21所示。 （ 2）在 DS18B20中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。 （ 4）測(cè)量溫度范圍在 55℃ 到 +125℃ 之間。 （ 6）內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。開(kāi)漏單總線接口引腳。 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。初始化序列包括一個(gè)由總線控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟有其后由從機(jī)發(fā)出的存在脈沖。和 DS18B20間的任何通訊都需要以初始化序列開(kāi)始，一個(gè)復(fù)位脈沖跟著一個(gè)存在脈沖表明 DS18B20已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 圖 28 初始化過(guò)程 總線控制器 發(fā)出（ TX）一個(gè)復(fù)位脈沖（一個(gè)最少保持 480μ s 的低電平信號(hào)），然后釋放總線進(jìn)入接收狀態(tài)（ RX）。探測(cè)到 I/O 引腳上的上升沿后 DS18B20等待 15~60μ s，然后發(fā)出存在脈沖（一個(gè) 60~240μ s 的低電平信號(hào)）。 Match ROM：查找與給定 64位 ROM 數(shù)據(jù)相匹配的 DS18B20。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)初次啟動(dòng)時(shí)，總線控制器可能并不知道單線總線上有多少器件或它們的 64位ROM 編碼。 Search ROM：適用于多個(gè) DS18B20的場(chǎng)合，該指令可識(shí)別出每個(gè)器件的 ID 號(hào)。 12 ： 對(duì) RAM 的操作指令有 6條 ： Write：這個(gè)命令向 DS18B20的暫存器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。 Copy：將 RAM 區(qū)的 5字節(jié)備份至 E2RAM。 Convert：溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始指令。 讀 /寫(xiě)時(shí)間隙： DS18B20的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)是通過(guò)時(shí)間隙處理位和命令字來(lái)確認(rèn)信息交換。有兩種寫(xiě)時(shí)間隙：寫(xiě) 1時(shí)間隙和寫(xiě) 0時(shí)間隙。 I/O 線電平變低后， DS18B20在一個(gè) 15μ s 到 60μ s 的窗口內(nèi)對(duì) I/O 線采樣。 圖 29 DS18B20寫(xiě)時(shí)序圖圖 210 DS18B20讀時(shí)序圖 主機(jī)要生成一個(gè)寫(xiě)時(shí)間隙，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平然后釋放，在寫(xiě)時(shí)間隙開(kāi)始后的 15μ s 內(nèi)允許數(shù)據(jù)線拉到高電平。 讀時(shí)間隙，當(dāng) DS18B20讀取數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)生成讀時(shí)間隙。數(shù)據(jù)線必須保持至少 1μ s；從 DS18B20 輸出的數(shù)據(jù)在讀時(shí) 間隙的下降沿出現(xiàn)后 15μ s 內(nèi)有效。在讀時(shí)間隙的結(jié)尾， I/O 引腳將被外部上拉電阻拉到高電平。 溫度傳感器電路 單片機(jī)接口的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，如果要用單片機(jī)來(lái)獲取溫度信息，必須要用溫度傳感器。為了使用方便，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，本文選用溫度傳感器 DS18B20來(lái)采集環(huán)境溫度信息。 VDD 管腳接 5V電壓給傳感器供電。 GND 管腳接地。 圖 211 溫度采集電路 顯示部分電路 單片機(jī)中經(jīng)常使用 7段 LED 來(lái)顯示數(shù)字，也就是用 7個(gè) LED 構(gòu)成字型“ 8”，并另外用一個(gè)圓點(diǎn) LED 來(lái)顯示小數(shù)點(diǎn)，也就是說(shuō)一共有 8個(gè) LED，構(gòu)成了“ 8.”的字型 7段 LED分共陰級(jí)和共陽(yáng)極兩種。 a、 b、 c、 d、e、 f、 g、 DP 分別接 ~。 電路如圖 212所示 14 圖 212 顯示部分電路 LED 有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。在多位 7段 LED 顯示中，為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，則將所有位的段選線并聯(lián)在一起，剛好由 8個(gè) I/O 口來(lái)控制 8段。 由于所有的段選線并聯(lián)到同一個(gè) I/O，由這個(gè) I/O 口來(lái)控制，因此，若是所有的 4位7段 LED 都選通的話， 4位 7段 LED 將會(huì)顯示相同的字符。在此段點(diǎn)亮 時(shí)間內(nèi)，段選控制 I/O 口輸出要顯示的相應(yīng)字符的段選碼，而位選控制 I/O 口則輸出位選信號(hào)，向要顯示的位送出選通電平（共陰極則送出低電平，共陽(yáng)極則送出高電平），使得該位顯示相應(yīng)字符。由于人眼的視覺(jué)暫留時(shí)間為 ，當(dāng)每位顯示的間隔未超過(guò) 33ms 時(shí)，并在顯示時(shí)保持直到下一位顯示，則由于人眼的視覺(jué)暫留效果眼睛看上去就像是 4位 7段 LED 都在點(diǎn)亮。比如，現(xiàn)在使用 4位，也就是 N＝ 4，則由式子可以算出 t≦ 33ms，就是每一位的間隔時(shí)間不能超過(guò) 33ms。當(dāng)溫度高于上限或低于下限時(shí)，令，使三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警 。 圖 213 報(bào)警部分電路 本章小結(jié) 本章主要是硬件電路的設(shè)計(jì)，分為單片機(jī)控制模塊、 溫度采集模塊、溫度顯示模塊、報(bào)警模塊等，并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了介紹。 16 17 3 電路板設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的硬件電路板用 protel 軟件來(lái)設(shè)計(jì)。 Altium Designer 6 簡(jiǎn)介 PROTEL 是 PORTEL 公司在 80 年代末推出的 EDA 軟件，在電子行業(yè)的 CAD 軟件中，它當(dāng)之無(wú)愧地排在眾多 EDA 軟件的前面 [5]。它是完全一體化電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的一個(gè)新版本，也是業(yè)界第一款也是唯 一一種完整的板級(jí)設(shè)計(jì)解決方案。 這款最新高端版本 Altium Designer 99SE， Protel dxp 2020 在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點(diǎn)以外，還增加了許多改進(jìn)和很多高端功能。 在 PCB 部分，除了 Protel2020 中的多通道復(fù)制；實(shí)時(shí)的、阻抗控制布線功能； SitusTM自動(dòng)布線器等新功能以外， Altium Designer 還著重在：差分對(duì)布線， FPGA 器件差分對(duì)管腳的動(dòng)態(tài)分配， PCB 和 FPGA 之間的全面集成，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)引腳優(yōu)化和非凡的布線效果。 交互式編輯、出錯(cuò)查詢(xún)、布線和可視化功能，從而能更快地實(shí)現(xiàn)電路板布局 ,支持高速電路設(shè)計(jì)，具有成熟的布線后信號(hào)完整性分析工具 Altium Designer 對(duì)差分信號(hào)提供系統(tǒng)范圍內(nèi)的支持，可對(duì)高速內(nèi)連的差分信號(hào)對(duì)進(jìn)行充分定義、管理和交互式布線。 LVDS 是差分信號(hào)最通用的標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于可編程器件。 使用 protel 畫(huà) PCB 的基本步驟： 決定電路原理圖如何設(shè)計(jì)，同時(shí)也影響到 PCB 板如何規(guī)劃。在設(shè)計(jì)電路原理圖之前，有時(shí)候會(huì)對(duì)某一部分電路設(shè)計(jì)并不十分確定，因此需要通過(guò)電路仿真來(lái)驗(yàn)證。 2. 繪制原理圖 先畫(huà)出自己定義的非標(biāo)準(zhǔn)器件封裝庫(kù)。然后設(shè)計(jì)制作得到正確的原理圖和網(wǎng)絡(luò)表。布通之后，進(jìn)行手工調(diào)整，需要加粗的底線電源線等手工加粗，消除不必要的過(guò)孔。布線完后電路板一些器件封裝庫(kù)中沒(méi)有，就需要自己封裝，制作封裝時(shí)必須查明芯片手冊(cè)，弄清楚芯片的引腳以及所有尺寸，做好添加到封裝庫(kù)里就可以直接 使用了。 ，設(shè)計(jì)中所有元件以單片機(jī)為中心圍繞設(shè)置，制定詳細(xì)的布線規(guī)則。自動(dòng)布線適用于電路的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)直接用自動(dòng)布線完成。 由 系統(tǒng)原理圖可知， 單片機(jī)的 ~ 腳分別與 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 DP 連接， LED 顯示器為共陽(yáng)極接法。將單片機(jī)的 讀選通信號(hào)輸出端腳驅(qū)動(dòng) 蜂鳴器來(lái)報(bào)警，按鍵 S S S4 分別與 、 相連接。溫度信息由溫度傳感器 DS18B20 輸入