【正文】 波，會(huì)發(fā)生對(duì)某頻率電磁的吸收現(xiàn)象。這種檢測(cè)器精度極高，可以測(cè)量出千分之一開(kāi)爾文，而且輸出的頻率信號(hào)適于數(shù)字化運(yùn)算處理，故是一種性能十分良好的溫度檢測(cè)器。 （ 4） 熱噪聲溫度檢測(cè)器 它的原理是利用熱電阻元件產(chǎn)生的噪聲電壓與溫度的相關(guān)性。 （ 5） 石英晶體溫度檢測(cè)器 它采用 LC 或 Y 型切割的石英晶片的共振頻率隨溫度變化的特性來(lái)制作的。P技術(shù)，自動(dòng)補(bǔ)償石英晶片的非線性，測(cè)量精度較高，一般可檢測(cè)到 ℃ ，所以可作標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)之用。用氦氖激光源的激光作反射計(jì)可測(cè)得很高的溫度，精度 達(dá) 1%；用激光 干 涉和散射原理制作的溫度檢測(cè)器可測(cè)量更高的溫度，上限可達(dá) 3000℃ ，專(zhuān)門(mén)用于核聚變研究，但在工業(yè)上應(yīng)用還需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)。它是利用在不同溫度下，溫度與控制電壓成線性關(guān)系的原理制成的。 （ 8） 純貴金屬熱電偶的研究 由兩種純金屬組 成的熱電偶，因其材料均勻性遠(yuǎn)優(yōu)于合金材料，因而穩(wěn)定性好 得 多。 （ 9） 信息技術(shù)時(shí)代自動(dòng)化系統(tǒng)中的溫度檢測(cè)儀表 現(xiàn)代的工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，它是信息技術(shù)進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化后出現(xiàn)的新一代的自動(dòng)控制系統(tǒng)。所有的現(xiàn)場(chǎng)儀表 （ 溫度檢測(cè)儀表是其中一種 ） 均接到現(xiàn)場(chǎng)總線上。 在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的溫度變送器主要是熱電偶變送器和熱電阻變送器，也有輻射溫度變送器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和硬件原理圖分別如圖 21 和圖 22 所示。 圖 22 方案 （一） 系統(tǒng)硬件原理圖 6 方案 二 本方案與方案 一 的區(qū)別主要是在溫度檢測(cè)部分利用了一款新型的溫度檢測(cè)芯片 DS18B20，這個(gè)芯片大大簡(jiǎn)化了溫度檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)，它無(wú)需 A/D 轉(zhuǎn)換，可直接將測(cè)得的溫度值以二進(jìn)制形式輸出。它具有體積小、精度易保證、無(wú)需標(biāo)定等特點(diǎn) ， 特別適合與單片機(jī)合用構(gòu)成智能溫度檢測(cè)及控制系統(tǒng) 。方 案 （二） 主要利用 DS18B20 這塊芯片進(jìn)行溫度檢測(cè)，并將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)。方案 （二） 的溫度檢測(cè)范圍已經(jīng)由系統(tǒng)中的 DS18B20 的特性所決定，它能檢測(cè)的溫度范圍為 55℃ 到120℃ ，雖然其溫度檢測(cè)范圍很窄，但已足夠滿(mǎn)足一般測(cè)量需要，從整體上來(lái)看方案 （二） 比方案 （一） 更簡(jiǎn)單，因?yàn)槲覀兎桨?（二） 是利用現(xiàn)有的智能溫度傳感芯片 DS18B20， 他無(wú)需 A/D 轉(zhuǎn)換，直接輸出數(shù)字量。 第三章 設(shè)計(jì)原理與結(jié)構(gòu) DS18B20 結(jié)構(gòu)及工作原理 溫度傳感器之所以考慮選擇單線數(shù)字器件 DS18B20，是在經(jīng)過(guò)多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因： 系統(tǒng)成本：由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，新型大規(guī)模集成電路功能越來(lái)越強(qiáng)大，體積越來(lái)越小，而價(jià)格也越來(lái)越低。 系統(tǒng)復(fù)雜度：由于 DS18B20 是單總線器件，一條總線上可以?huà)旖佣鄠€(gè)DS18B20，因此，與模擬傳感器相 比，可以大大減少接線的數(shù)量，而且不需要 A/D轉(zhuǎn)換器，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。 圖 31介紹了 DS18B20 的引腳和外觀，表 31則對(duì) DS18B20 各引腳進(jìn)行了單獨(dú)介紹。采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導(dǎo)線，但是完成溫度測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)；采取外部供電方式會(huì)多用一根于供電導(dǎo)線，好處是可以更快的得到溫度測(cè)量的結(jié)果[6]。通過(guò)比較系列號(hào)可以在一根線上掛接多個(gè) DS18B20； 低壓供電，電源范圍從 3V～ ，也可以直接從數(shù)據(jù)線上竊取電源；測(cè)溫范圍 55℃ ～ 125℃ 攝氏度；數(shù)據(jù)位可編程 912位，轉(zhuǎn)換 12位溫度時(shí)間為 750ms（ 最大 ） ；用戶(hù)可自設(shè)定預(yù)警上下限溫度；報(bào)警搜索命令可識(shí)別和尋址那個(gè)器件的溫度至超出預(yù)定值。當(dāng)總線為高時(shí)，穩(wěn)定電源的提供是通過(guò)單線上的上拉電阻實(shí)現(xiàn)的，總線信號(hào) “ 高 ” 也控制內(nèi)部電容（ Cpp），當(dāng)總線為低時(shí)由電容為器件供電。 DS18B20 也可以通過(guò)外部供電從 VDD 獲得電源 。 ROM 碼的低 8位含有 DS18B20 的單線產(chǎn)品系列編碼： 28H。 高 8 位包含有一個(gè)循環(huán)冗余校驗(yàn)字節(jié)，它是根據(jù) ROM 碼的前 56位計(jì)算得到的。暫存存儲(chǔ)器有助于在進(jìn)行一線通信時(shí)，確保數(shù)據(jù)的完整性。當(dāng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)之后。 表 33 DS18B20 存儲(chǔ)器映像表 存儲(chǔ)器 位 溫度 LSB 1 溫度 MSB 2 TH 用戶(hù)字節(jié) 1 3 TL 用戶(hù)字節(jié) 2 4 配置寄存器 5 保留 6 保留 7 保留 8 CRC 9 暫存存貯器是按 8 位字節(jié)存儲(chǔ)器來(lái)組織的， 前 兩個(gè)字節(jié)包含溫度信息；第 3和第 4個(gè)字節(jié)分別是 TH 和 TL的易失性拷貝，且在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新； 第5 個(gè)字節(jié)為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率； 6， 7， 8的 三 個(gè)字節(jié)沒(méi)有使用，但是在讀回時(shí)它們呈現(xiàn)為邏輯全 1； 第 9個(gè)字節(jié)讀出前面8個(gè)字節(jié)的 CRC 碼，用來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)，從 而保證通信數(shù)據(jù)的正確性 [7]。同時(shí)門(mén)開(kāi)通期由高溫度系數(shù)振蕩器決定，計(jì)數(shù)器預(yù)置對(duì)應(yīng)于 55℃ 的基數(shù)。 同時(shí)計(jì)數(shù)器用斜率累加器電路所決定的值進(jìn)行預(yù)置。時(shí)鐘 再次使計(jì)數(shù)器計(jì)值，至它達(dá)到零。 斜率累加器用于補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性，以產(chǎn)生高分辨率的溫度測(cè)量。因此為了獲得所需的分辨率，計(jì)數(shù)器的數(shù)值以及在給定溫度處每一攝氏度的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)（ 斜率累加器的值 ） 都必須事先知道。 轉(zhuǎn)化完成后的溫度值以 16 位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第 2字節(jié)。溫度值格式如表 34 所示： 當(dāng)符號(hào)位 S=0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)； 當(dāng)符號(hào)為 S=1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算其對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù) 。 4） CRC 的產(chǎn)生 總線上的主機(jī)可以根據(jù) ROM的前 56位計(jì)算出 CRC的值，并把它與存貯在DS18B20內(nèi)的 CRC值進(jìn)行比較，以判斷 ROM的數(shù)據(jù)是否已被主機(jī)正確地接收。在使用 CRC來(lái)確認(rèn)數(shù)據(jù)傳送的每一種情 13 況中，總線主機(jī)必須使用上面給出的多項(xiàng)式函數(shù)計(jì)算 CRC的值，并把計(jì)算所得的值或者與 DS18B20中的 8位 CRC值比較，或者 與 DS18B20中計(jì)算得到的 8位 CRC值比較。當(dāng)存儲(chǔ)在 DS18B20內(nèi)或由DS18B20計(jì)算得到的 CRC值與總線主機(jī)產(chǎn)生的值不相符合時(shí)，在 DS18B20內(nèi)沒(méi)有電路來(lái)阻止命令序列的繼續(xù)執(zhí)行。 圖 34 單線 CRC 編碼 目前，單片機(jī)的種類(lèi)很多， MCS51 8 位單片機(jī)系列、 MCS96 16 位單片機(jī)系列，還出現(xiàn)了 32 位單片機(jī)。由于 Intel 公司的這種 MCS 系列的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)、極好的兼容性和其最徹底的技術(shù)開(kāi)放政策，許多電器商、半導(dǎo)體商 （ 如： ATMEL, PHLIPS, ANANOG DEVICES, DALLAS 等 ） 以 MCS 系列單片機(jī)的基本內(nèi)核為內(nèi)核開(kāi)發(fā)了眾多芯片。 本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理上速度要求不是很高， 8位單片機(jī)即可。考慮到功耗問(wèn)題 （ 如 ： 8051 功耗為 630mw，而 80C51 為 120mw） ，本系統(tǒng)選用 CHMOS 工藝的芯片。結(jié)合現(xiàn)有的單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng) （ 偉福仿真器 E6000） ，本系統(tǒng)選用 80C51 系列 單片機(jī) 。共有 8 條引腳，有兩種不同功能。這時(shí)，輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專(zhuān)用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得 到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性：第二種是 8031 帶片外存儲(chǔ)器， P0口在 CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)先用于傳送片外存儲(chǔ)器的低 8 位地址，然后傳送 CPU對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)數(shù)據(jù) [9]。當(dāng) P1 口作為通用 I/O 口使用時(shí)， ～ 的功能和 P0 口的第一功能相同，也用于傳輸用戶(hù)的輸入或輸出數(shù)據(jù)。 P2 口 的每一位能驅(qū)動(dòng) （ 吸收或輸出電流 ） 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。第一功能是可以作為通用 I/O 口使用；第二功能是和 P0 口第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高 8 位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但不能 像 P0 口那樣傳送存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)?？蓸?gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點(diǎn)。通常把數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管共稱(chēng)筆畫(huà)顯示器，而把筆 畫(huà)顯示器和矩陣管統(tǒng)稱(chēng)為字符顯示器?？蓪?shí)現(xiàn) 0～ 9 的顯示。在裝反射罩前，用壓焊方法在芯片和印刷電路上相應(yīng)金屬條之間連好φ 30μ m的硅鋁絲或金屬引線，在反射罩內(nèi)滴入環(huán)氧樹(shù)脂，再把帶有芯片的印刷電路 板與反射罩對(duì)位粘合，然后固化。實(shí)封方式采用散射劑和染料的環(huán)氧樹(shù)脂，較多地用于一位或雙位器件。這種方式一般用于四位以上的數(shù)字顯示（或符號(hào)顯示）。它是把做好管芯的磷化鎵或磷化鎵圓片，劃成內(nèi)含一只或數(shù)只 LED 發(fā)光條，然后把同樣的七條粘在日字形“可伐”框上，用壓焊工藝連好內(nèi)引線，再用環(huán)氧樹(shù)脂包封起來(lái)。它們適用于小型數(shù)字儀表中。 （ 5）矩陣管（發(fā)光二極管點(diǎn)陣）也可采用類(lèi)似于單片集成式多位數(shù)字顯示器工藝方法制作。其他類(lèi)型筆畫(huà)顯示器最高可達(dá) （ 英寸）甚至達(dá)數(shù)百mm。（ 3）按結(jié)構(gòu)分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式。 （三） LED 顯示器的參數(shù) 由于 LED 顯示器是以 LED 為基礎(chǔ)的，所以它的光、電特性及極限參數(shù)意義大部分與發(fā)光二極管的相同。所有段的發(fā)光強(qiáng)度值中最大值與最小值之比為發(fā)光強(qiáng)度比。脈沖占空比越小，脈沖正向電流可以越大） LED顯示器工作原理 發(fā)光二極管一般為砷化鎵半導(dǎo)體二極管，在發(fā)光二極管兩端加上正電壓，發(fā)光二極管發(fā)光。 圖 35 七段 LED 結(jié)構(gòu)及外形圖 七段 LED 有共陰極和共陽(yáng) 極兩種結(jié)構(gòu)形式。 （ 1） 共陽(yáng)極接法 17 把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在一起構(gòu)成公共陽(yáng)極。 （ 2） 共陰極接法 把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。 七段 LED包含七段發(fā)光二極管和小數(shù)位發(fā)光二極管，共需 8位 I/O口線控制，其代碼為一個(gè)字節(jié)。 表 37 七段 LED 字形碼 顯示字符 共陰極 字形碼 共陽(yáng)極 字形碼 顯示字符 共陰極 字形碼 共陽(yáng)極 字形碼 0 3FH C0H C 39H C6H 1 06H F9H D 5EH A1H 2 5BH A4H E 79H 86H 3 4FH B0H F 71H 8EH 4 66H 99H P 73H 8CH 5 6DH 92H U 3EH C1H 6 7DH 82H R 31H CEH 7 07H F8H y 6EH 91H 8 7FH 80H H 76H 89H 9 6FH 90H L 38H C7H A 77H 88H “ 滅 ” 00H FFH b 7CH 83H － － － 18 第四章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 系統(tǒng)硬件原理圖及相關(guān)說(shuō)明 本設(shè)計(jì)硬件原理圖如圖 47 所示： 圖 47 單片機(jī)溫度計(jì)硬件設(shè)計(jì)原理圖 下面對(duì)該電路圖進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明： （ 1） 基于 80C51 單片機(jī)及其外圍電路的主機(jī)控制單元： 80C51 單片機(jī)功能強(qiáng)、 I/O 口多，它們分別是 P0口、 P1 口、 P2口和 P3 口。列掃描用 ～ 口來(lái)實(shí)現(xiàn)，列驅(qū)動(dòng)使用 9012 三極管。 （ 2） DS18B20 串行組成的一線總線型網(wǎng)絡(luò) 由 DS18B20 組成的一線總線網(wǎng)絡(luò)，由三條線連接。電源線根據(jù) DS18B20 的要求，使用 5V 的直流供電。數(shù)據(jù)傳輸線直接連接在 P3 口的 引腳上，對(duì)應(yīng)著 P3 寄存器的 數(shù)據(jù)位，因此主機(jī)對(duì)總線上的 DS18B20 的操作實(shí)際 19 上就是對(duì) 數(shù)據(jù)位的操作 [12]。這里的 LED 驅(qū)動(dòng)器選擇了 74LS244， 74LS244 是一個(gè)兩 4位三態(tài)緩沖器，其引腳如圖 38 所示，當(dāng)它的控制端和為低電平時(shí)，輸出 Y 的狀態(tài)與輸入端 A 相同：當(dāng)和為高電平時(shí)，輸出成高阻狀態(tài)。 圖 48 74LS244 外部引腳圖 （ 1） 程序開(kāi)始后， 80C51 向 DS18B20 發(fā)送 Read ROM 命令； （ 2） DS18B20 向 80C51 發(fā)送 64 位 ROM 碼， 80C51將收到的 ROM碼存入數(shù)據(jù)暫存存儲(chǔ)器； （ 3） 80C51 向總線發(fā)送復(fù)位脈沖后釋放總線； （ 4） 80C51 向總線發(fā)送 Convert T 命令并延時(shí) 12 秒鐘， DS18B20 開(kāi)始進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存入存儲(chǔ)器； （ 5） 80C51 向總線發(fā)送復(fù)位脈沖，收到響應(yīng)存在脈沖后，向總線發(fā)送 Match ROM 命令； （ 6） 80C51 向總線發(fā)送 ROM 編碼，該 ROM 碼的 DS18B20 開(kāi)始響應(yīng)； （ 7） 80C51 向總線發(fā)送 Read Scratchpad 命令并釋放總線； （ 8） DS18B20 向總線發(fā)送存儲(chǔ)器里存放的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果； （ 9） 80C51 將接收到的結(jié)果轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，并通過(guò) LED 數(shù) 碼 管顯示出來(lái)； 20 8 0 C 5 1 向 P 3 . 7 發(fā) 送 復(fù) 位 脈 沖 釋 放 總 線 8 0 C 5 1 向 總 線 發(fā) 出 C o n v e r t T 命 令D S 1 8 B 2 0 向 8 0