毕业设计（论文）-基于51单片机的远程温度采集与显示系统设计.doc

兰州交通大学毕业设计（论文）摘 要随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，单片机技术在各个领域得到了充分的应用。本设计以AT89C51单片机为设计开发平台，结合DS18B20温度传感器、LCD液晶显示、LED数码管、RS-485远程通信、按键和报警几部分电路，构成了远程温度采集与显示系统。远程通信采用RS-485串行通讯的标准，通过DS18B20进行现场总线的温度采集，然后将温度数据送入单片机进行数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。本设计中的温度采集系统充分发挥了AT89C51单片机的特点，结合现有技术，大大降低了电路的设计复杂度，该系统具有温控准确、操控界面良好、稳定性高、抗干扰能力强等优点。使用RS-485总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统，设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到了广泛的应用。本系统能够同时检测4路温度，检测温度的范围为-55+125。本设计采用AT89C51八位单片机实现，单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现较简单，安装方便。基于单片机的温度采集系统广泛应用于采用计算机、自动测试、微电子和自动控制等多项技术，不仅具有信号采集方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标。关键词：RS-485总线；单片机；温度测量系统AbstractWith the development of digital technology and the increasingly widespread application of computer, microcontroller technology in various fields have been fully applied. The design use AT89C51 microcontroller as development platform,combined with DS18B20 temperature sensor, LCD liquid crystal display, LED digital tube, RS-485 remote communications, alarm buttons, and several parts of the circuit, constitutes a remote temperature measurement and display system. Remote Communication with RS-485 serial communication standard, through the field bus DS18B20 temperature acquisition,then the temperature data into the microcontroller for data processing, with the inspection speed, scalability and low cost characteristics. The design of the temperature acquisition system fully plays the characteristics of the AT89C51 microcontroller, combined with existing technology, greatly reduces the circuit complexity, the system has accurate temperature control, good control interface, high stability, strong anti-interference advantages . Using the RS-485 bus, a pair of twisted pair can achieve multi-station network, the distributed system, simple equipment, low cost, can communicate over long distances to get the advantages of a wide range of applications. The 4-way system can detect temperature, test temperature range is -55 +125 . This design uses eight AT89C51 MCU, MCU software programming large degree of freedom can be achieved by programming a variety of arithmetic and logic control algorithm. Small volume and hardware implementation is relatively simple, easy to install.Temperature acquisition system based on microcontroller is widely used by computer, auto test, a number of micro-electronics and automatic control technology, signal acquisition is not only convenient, simple and great advantages of flexibility, but also can greatly improve the technical indicators measured temperature .Key words: RS-485 bus；Single-chip microcomputer；Temperature measurement system目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 课题背景与意义11.2 课题研究现状21.3 本课题的研究内容与目标22 基本方案比较42.1 设计方案一42.2 设计方案二42.3 设计方案三53 RS-485接口标准73.1 接口标准的选择73.2 RS-485的应用原则84 单元模块设计104.1 温度传感器的选择方案104.2 DS18B20的介绍114.2.1 DS18B20简介114.2.2 DS18B20的特性114.2.3 DS18B20的结构124.2.4 DS18B20在温度测量方面的应用144.3 电源模块设计144.3.1 电源的组成144.3.2 电源设计154.4 单片机模块184.4.1 AT89C51单片机的介绍184.4.2 AT89C51的主要性能184.5 温度采集模块184.6 显示模块214.7 键盘模块244.8 报警模块244.9 远程通信模块254.10 KeilC与Proteus连接调试274.10.1 Proteus简介274.10.2 Proteus与KeilC的连接285 抗干扰的分析305.1 抗干扰技术主要体现305.2 用于单片机系统的干扰抑制元件305.3 提高总线系统抗干扰能力的主要手段315.4 RS-485系统的常见故障及处理方法32结 论34致 谢35参 考 文 献36附录 A 温度采集程序3745兰州交通大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题背景与意义在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你在生活在那里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说是几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。传感器主要经历了三个发展阶段：模拟集成温度传感器、模拟集成温度控制器、智能温度传感器。温度传感器的发展趋势：进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片机测温系统等高科技的方向迅速发展。自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代的单片机技术进入了快速发展的时期。近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝着快速，高性能的方向发展，从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各个行业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能，单片机在国内的主要的应用领域有三个：第一是家用电器业，例如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括手机、电话和BP机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如键盘、软盘、收银机、电表等。除了上述应用领域外，汽车、电子行业在外国也是单片机应用很广泛的一个领域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多、能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪表中的误差的修正、线性处理等问题。在温度采集与显示系统中，用到了自动检测与传感器技术、单片机原理及应用、单片机接口技术、模拟电子技术、数字电子技术等方面的大量知识。检测技术和传感技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列的技术措施。随着人类社会进入信息时代，以信息的获取转换、显示和处理为主要内容的检测技术已经发展成为一门完整的技术学科，在促进生产发展和科学进步的广阔领域内发挥着重要的作用。其主要应用如下：检测技术是产品检验和质量控制的重要手段；检测技术在大型的设备的安全经济运行检测中得到了广泛的应用；检测技术和装置时自动化系统中不可缺少的组成部分；检测技术的完善与发展推动着现代科学的进步；另一方面看，现代化生产和科学技术的发展也不断地对检测技术提出新的要求。它是由传感器、测量电路、显示记录装置组成。传感器在温度测控系统中的应用：目前市场主要存在单点和多点两种温度测温仪表。对于单点测温仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大而得到了普遍的应用。此种产品测温范围大都在-200800之间，分辨率12位，最小分辨温度在0.0010.01之间。自带LED显示模块，显示4位到16位不等。有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。多点温度测量仪表，相对于单点的测量有一定得差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。基于单片机的温度采集系统广泛应用于采用计算机、自动测试、微电子和自动控制等多项技术，不仅具有信号采集方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标。1.2 课题研究现状温度采集属于模拟量的采集，也就是数据采集，国内外数据采集领域正在发生着重要的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统正在发展。其次，总线兼容型数据采集插件的数量正在增大，与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。数据采集已长时间地被认为与数据记录及其它数据采集系统相等同。在工作时，一些要打印出拷贝，而另一些则把采集的数据馈送给主计算机处理。但是，随着分布式控制在各个领域里越来越普遍的应用，数据采集设备开始同控制设备想结合。近年来，在温度采集方面，利用智能化数字式温度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温度监测技术的一种发展趋势。数字化技术推动了信息化的革命，在传感器的期间结构上采用数字化技术，使信息的采集更加方便。例如，对于温度信号采集系统，传统的模拟温度采集器多为铂电阻、铜电阻等。每一个传输线至少有两根导线，带补偿接法需要三根导线。如果对50路温度信号进行检测，就需要100根导线接到检测端口，然后还要经过电桥电路、信号放大、通道选择、A/D转换等，才能将温度信号提供给计算机处理。而现在新型的DS1820单总线数字温度传感器，采用3脚(或8脚)封装，从DS1820读出或写入数据仅需要一根I/O口线。用这种智能化数字式传感器的优胜显而易见，而且不用进行模数转换，节省了资源。1.3 本课题的研究内容与目标本设计以51单片机为设计开发平台，主要由AT89C51单片机、DS18B20温度传感器、LCD液晶显示、数码管、远程通信、按键和报警电路几部分组成。远程通信采用RS-485串行通讯的标准，通过DS18B20进行现场总线的温度采集，然后将温度数据送入单片机进行数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。本设计采用AT89C51八位单片机实现，单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现较简单，安装方便。该系统有：单片机、显示器、键盘、串口通讯、液晶显示等以及整个系统中所需要的电源组成的一个系统，对于超过此限的温度数据将产生报警信号。设计温度采集系统充分发挥了AT89C51单片机的特点，结合现有技术，大大降低了电路的设计复杂度，该系统具有温控准确、操控界面良好、稳定性高、抗干扰能力强等优点。温度采集系统的设计必将给生产生活带来一定的飞跃，大大促进了生产的需要，在以后的发展中更进一步提高效率。本设计的实现目标有以下几点：(1) 实时巡检功能本系统能够同时检测4路温度，检测温度的范围为-55+125。网络节点数与所选的RS-485芯片的驱动能力和接收器的输入阻抗有关，如75LBC184标称最大值为64点，SP485R标称最大值为400点。实际应用时，因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同，实际节点数均达不到理论值。例如75LBC184运用在500m分布的RS-485网络上的节点数超过50或速率大于9.6kb/s时，工作可靠性明显降低。通常推荐节点数按RS-485芯片最大值的70%选取，传输速率在12009600b/s之间选取。通信距离1km以内，从通信效率、节点数、通信距离等综合考虑选用4800b/s最佳。通信距离1km以上时，应考虑通过增加中继模块或降低速率的方法提高数据传输的可靠性。所以根据实际需要，检测点数是可以扩展的。(2) 传输距离远使用RS-485串行总线进行传输，MAX485驱动芯片进行电平转换，传送距离大于1200m，抗干扰能力强。(3) 功能完善 由主控机分别设置各从机的温度报警上下限，超过预定的温度值时则发出一定频率的声音来提醒工作人员。 主从机采用中文点阵式液晶显示器，人机界面友好。 自带+5V和+12V直流稳压电源。2 基本方案比较常见的温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器，对于控制系统可以采用计算机、单片机等1。2.1 设计方案一采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，实现多点温度的测量及显示，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。2.2 设计方案二采用PC机作为主控机，单片机构成信号采集单元。通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理，通过通信线路将信息上行到PC机，在PC机上我们可对温度信号进行任何分析、处理。图2.1 方案二的框图采用该方案技术已经成熟，而且通过将温度信息上传到PC机，利用PC机强大的数据处理能力和相应的辅助软件，可以多角度、多需求的分析处理温度数据，但这在工业上大多不是必须的。而且目前PC的机价格的原因，制造出这样的系统，不会得到普遍的应用，所以我不准备采用此种方案。2.3 设计方案三在第三套方案里，远程通信引用RS-485标准总线技术，它对现场数据进行采集、管理，相对于其它现场总线而言，具有结构简易、成本低廉、硬软件支持丰富、安装方便，且与传统的DOS兼容，与现场仪表接口简单，系统实施容易等特点。第三套方案是基于RS-485总线的控制网络的情况下以AT89C51单片机系统为核心，对多点的温度进行实时控制巡检。各检测单元（从机）能独立完成各自功能，根据主控机的指令对温度进行实时或定时采集，测量结果不仅能在本地储存、显示，而且可以利用单片机串行口，通过RS-485总线及通信协议将将采集的数据传送到主控机，进行进一步的分析、存档、处理。主控机负责控制指令发送，控制各个从机进行温度采集，收集测量数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理、显示和打印。主控机与各从机之间能够相互联系、相互协调，从而达到了系统整体统一和谐的控制效果。图2.2 方案三的系统框图该方案主控机和从机完全由单片机实现，采用该方案完全可满足工业上大部分需求，而且相对与第二种方案价格更加容易让人接受。上图中，从机部分实现的功能几乎和主机是对等的，但会接受主机发送过来的命令的指示。该方案采用DS18B20做为温度传感器，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。与方案1相比较，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。相对于方案3，具有更高的性价比，更大的市场。所以我采用方案3完成本设计。图2.3 从机部分的框图3 RS-485接口标准3.1 接口标准的选择由于RS-232C接口标准出现时间较早，难免有不足之处，主要有以下的四点：(1) 接口的信号电平值比较高，容易损坏接口电路的芯片，而且与TTL电平不兼容，因此需要使用电平转换电路方能与TTL电路连接。(2) 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20kbit/s。(3) 接口使用一根信号线与一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输模式容易产生共模干扰，因而抗干扰性能弱。(4) 传输距离有限，最大传输距离的标准值是15.24m(50ft),实际上一般只能用于5米左右的范围内。针对RS-232C的不足之处，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中比较常用的一种接口标准，它的主要特点有以下四点：(1) RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间电压差为+(26)V表示；逻辑“0”以两线间电压差-(26)V表示。接口信号电平比RS-232C降低了许多，不易损坏接口电路的芯片，并且该电平与TTL电平兼容，可以很方便的和TTL电路连接。(2) RS-485的数据传输速率为10Mbit/s。(3) RS-485接口标准是采用平衡驱动器和差分驱动器的结合，抗共模干扰能力相比RS-232C增强了，即抗噪声干扰性好。(4) RS-485接口的最大传输距离的标准值是1219.2m(4000ft)，实际中可以达到3000m，另外RS-232C接口在总线上只能允许连接1个收发器，即只有单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便的建立起设备网络，节省了资源。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性能，较长的传输距离，多站能力这些优点，使其成为首选地串行接口2。RS-485支持半双工或全双工模式，一般只需要两根连线，所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络，做好采用一条总线将各个节点串接起来。从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。因而在设计中采用RS-485接口标准。3.2 RS-485的应用原则标准没有规定总线上允许连接的收发器数量，但规定了最大总线负载为32个单位负载(UL)，可通过增大收发器输入电阻来扩展总线节点数。例如当输入电阻增加至48k以上(1/4UL)，节点数就可增加至128个，当输入电阻为150k，节点数最多可增加至400个3。是否对RS-485总线进行终端匹配取决于数据传输速率、电缆长度及信号转换速率。UART是在每个数据位的中点采样数据的，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低，就可以不考虑匹配。当考虑终端匹配时，有多种匹配方案可以选择，最简单的就是在总线两端各接一只阻值等于电缆特性阻抗的电阻，比较省电的匹配方案是RC匹配，采用二极管的匹配方案节能效果显著。事实表明，当信号的转换时间上升或下降时间超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口器件SP483输出信号的上升或下降时间最小为250ns，典型双绞线上的信号传输速率约为0.2m/ns(24AWG PVC电缆)，那么只要数据速率在250kbps以内，电缆长度不超过16米，采用SP483作为RS-485接口时就可以不加终端匹配。RS-485总线上的每个收发器通过一段引出线接入总线。引出线过长时由于信号在引出线中的反射也会影响总线上的信号质量，系统所能允许的引出线长度也和信号的转换时间、数据速率有关。以SP483为例，对应于250ns的上升/下降时间，总线允许的最大引出线长度约为5米。减缓信号的前后沿斜率有利于降低对于总线匹配引出线长度的要求和改善信号质量，同时还可使信号中的高频成分降低，减少电磁辐射。因此看来在选择接口器件时并不是速率越高越好，应该根据系统要求选择最低速率的器件。仅仅用一对双绞线将各个接口的A、B端连接起来，而不对RS-485通信链路的信号接地，在某些情况下也可以工作，但是却给系统埋下了隐患。RS-485接口采用差分方式传输信号并不需要对于某个参照点来检测信号系统，只需检测两线之间的电位差就可以了。但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围(-7V至+12V)的条件下才能正常工作。当共模电压超出此范围，就会影响通信的可靠直至损坏接口。如图3.1所示，当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统存在着地电位差VGPD，那么接收器输入端的共模电压就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-485标准规定VOS3V，但VGPD可能会有很大幅度(十几伏甚至数十伏)，并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入VCM超出正常围，在信号线上产生干扰电流轻则影响正常通信，重则损坏设备。RS-485总线的接线方法如图3.1所示。图3.1 RS-485总线的接线示意图4 单元模块设计4.1 温度传感器的选择方案传感器的选择受很多因素的影响，首先是各种温度传感器自身的优缺点，其次是各种不同的环境因素，以及系统所要求实现的精度等，所以在不同的设计当中温度传感器的选择也将不同4。各种常用传感器的应用方案比较如下：方案一：热电偶传感器热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。它是利用两种不同材料的金属连接在一起，构成的具有热电效应原理的一种感温元件。其优点为精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便，型号种类比较多且技术成熟等。目前广泛应用于工业与民用产品中。热电偶传感器的种类很多，在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。方案二：热电阻传感器热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电阻值的变化。热电阻传感器是中低温区最常用的一种温度传感器。它的主要特点是：测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的，不仅广泛应用于工业测温，而且被制作成标准的基准仪。从热电阻的测温原理可以知道，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。因此，热电阻的引出线的电阻的变化会给测温带来影响。为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。方案三：半导体集成模拟温度传感器半导体IC温度传感器是利用半导体PN结的电流、电压与温度变换关系来测温的一种感温元件。这种传感器输出线性好、精度高，而且可以把传感器驱动电路、信号处理电路等，与温度传感器部分集成在同一硅片上，体积小，使用方便，应用比较广泛的有AD590等。IC温度传感器在微型计算机控制系统中，通常用于室温或环境温度的检测，以便微型计算机对温度测量值进行补偿5。方案四：半导体集成数字温度传感器随着科学技术的不断进步和发展，新型温度传感器的种类繁多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式、多总线式发展。数字温度传感器，更因适合与各种微处理器的I/O接口相连接，组成自动温度控制系统，这种系统克服了模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端，被广泛应用于工业控制、电子测温、医疗仪器等各种温度控制系统中，数字温度传感器中比较有代表性的有DS18B20等。表4.1 典型传感器对比表传感器AD590PT100DS18B20产地美国德国美国量程-50+150-200+450-55+125精度 0.30.250.5供电电压+4V+30V+13V+36V+3.0V+5.5V输出信号类型模拟信号模拟信号数字信号PT100与AD590都不能与单片机的I/O口直接相连，需要设计信号调理电路，A/D转换电路。而DS18B20是数字温度传感器，并且采用单总线技术，使该传感器不但可以直接与单片机I/O口相连，并且只需要一个I/O就可以连接多个温度传感器，实现多点温度测量与控制。所以使用数字温度传感器DS18B20不但可以节约单片机I/O口，还能使系统设计成本降低4。4.2 DS18B20的介绍4.2.1 DS18B20简介DS1820是Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器，是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而经济的特点，使用户可以轻松的组件传感器网络，为测量引入全新的概念。新一代的“DS18B20”体积更小、更经济、更灵活，使用户可以充分发挥一线总线的长处5。同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55+125，在-10+85范围内，精度为0.5。现场温度范围以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如设备控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。4.2.2 DS18B20的特性(1) 独特的单接口仅需一个端口引脚进行通讯；(2) 简单的多点分布应用；(3) 无需外部器件；(4) 可通过数据线供电，无需外部电源；(5) 零待机功耗；(6) 测温范围为-55+125，以0.5递增；(7) 温度以9位数字量读出；(8) 温度数字量转换时间200ms(典型值)；(9) 用户可定义的非易失性温度报警设置；(10) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件；(11) 应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。4.2.3 DS18B20的结构DS18B20的结构如图4.1所示：图4.1 DS18B20的结构图DS18B20的各引脚说明如表4.2表述。表4.2 DS18B20的引脚说明引脚8脚SOIC引脚PR35符号说明51GND地42DQ单线应用的数据输入输出引脚33VDD可选VDD引脚DS18B20有三个主要的数据部件：(1) 64位激光(lasered) ROM；(2) 温度灵敏元件；(3) 非易失性温度告警触发器TH和TL。 器件从单线的通信线取得其电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中；在单信号线为低电平的时间期内，断开此电源，直到信号线变为高电平重新接上寄生(电容)电源为止。作为另一种可供选择的方法，DS18B20也可用外部+5V电源供电。DS18B20的主要部件的结构如图4.2所示：图4.2 DS18B20方框图与DS18B20的通信经过一个单线接口，在单线接口情况下，在ROM操作未定建立之前不能使用存贮器和控制操作，主机必须首先提供五种ROM操作命令之一：(1) Read ROM(读ROM)；(2) Match ROM(符合ROM)；(3) Search ROM(搜索ROM)；(4) Skip ROM(跳过ROM)；(5) Alarm Search(告警搜索)；这些命令对每一器件的64位激光ROM部分进行操作，如果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定的器件，并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型，在成功地执行了 ROM 操作序列之后，可使用存贮器和控制操作，然后主机可以提供六种存贮器和控制操作命令之一。 一个控制操作命令指示DS18B20完成温度测量，该测量的结果将放入DS18B20的高速暂存(便笺式)存贮器(Scratchpad memory)，通过发出读暂存存储器内容的存储器操作命令可以读出此结果，每一温度告警触发器TH和TL构成一个字节的 EEPROM 如果不对DS18B20施加告警搜索命令，这些寄存器可用作通用用户存储器，使用存储器操作命令可以写TH和TL对这些寄存器的读访问。通过便笺存储器，所有数据均以最低有效位在前的方式被读写4。4.2.4 DS18B20在温度测量方面的应用DS18B20通过使用在板(on-board)温度测量专利技术来测量温度，温度测量电路的方框图见图4.3所示：图4.3 温度测量电路4.3 电源模块设计4.3.1 电源的组成对于由MCU结合RS-485微系统组建的测控网络6，应优先采用各微系统独立供电方案，不要采用一台大电源给微系统并联供电，同时电源线不能与RS-485信号线共用同一股多芯电缆。RS-485信号线宜选用截面积0.75mm2以上双绞线。对于每个小容量直流电源选用线性电源LM7805比选用开关电源更合适。在设计中应注意对LM7805的保护：(1) LM7805输入端与地应跨接2201000F电解电容；(2) LM7805输入端与输出端反接1N4007二极管；(3)LM7805输出端与地应跨接4701000F电解电容和104pF独石电容并反接1N4007二极管；(4)输入电压以810V为佳，最大允许范围为6.524V。可选用TI的PT5100替代LM7805，以实现938V的超宽电压输入5。本设计中所选择的电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值。交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是电流强度还是处在不断地变化之中。这种脉动直流不能直接用来给集成电路供电的，而要通过整流电路将交流电变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近稳恒的直流电。但这样的电压还随电网电压波动(一般有%左右的波动)，负载和温度的变化而变化，因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定6。电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去(或降低)之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务7。稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。4.3.2 电源设计工作原理：图中为T1电源变压器，它的作用是将交流电网电压变为整流电路要求的交流电压，四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称8。先计算文件参数：二极管D1、D3和D2、D4两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为： (4.1)在正半周时D1、D3导通，D2、D4截止。此时D2、D2所承受的最大反向电压均为的最大值。即=。同时，在的负半周，D1、D3也承受到同样大小的反向电压。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因为电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。滤波电路：我们采用电容滤波电路。因为本设计为小功率电源,初始时电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当为正半周时，通过D1、D3向电容器C充电；当为负半周时，通过D2、D4向电容器C充电。充电时间常数为。包括变压器副绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于一般很少，电容器很快就达到了交流电压的的最大值。由于电容器无放电回路，故输出电压保持在，输出为一个恒定的直流9。电容滤波电路的特点：(1) 二极管的导电角，流过二极管的瞬时电流很大，电流的有效值和平均值的关系与波形有关。在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大，在纯电阻负载时，变压器副边电流的有效值I2=1.11I1， 而有电容滤波时I2=(1.52)I1 。(2) 负载平均电压V1升高，纹波(交流成分)渐少，且RC越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取 (4.2)其中，T为电源交流电压的周期。(3) 负载直流电压随负载直流电流增加二减少。V1随IL的变化关系称为输出特性或者外特性。C值一定，当RL=，即空载时 (4.3)当C=0，即无电容时 (4.4)(4) 在整流电路的内阻不太大(几欧)和放电时间常数满足式(4.4)的关系时，电容滤波电路的负载电压V1和V2的关系约为： (4.5)总之，电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。因为该设计对供电的要求不高，只要有12V/40mA 和 5V/30mA 就足够了，所以只采用一块 12V/50mA 和 5V/28mA 。所以本系统是采用7812与7805两个稳压管构成的10。电源电路如图4.4所示。(a) +12V电源示意图(b) +5V电源示意图图4.4 电源电路4.4 单片机模块4.4.1 AT89C51单片机的介绍 本设计采用AT89C51单片机，它是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程、可擦除只读存储器(PEROM)，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存储器允许在系统内可改变程序和常规的非易失性存储器编程器来编程。因此AT89C51是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可以很方便的应用于各种相关的控制领域。4.4.2 AT89C51的主要性能AT89C51具有以下主要的性能：(1) 兼容MCS-51指令系统；(2) 32个双向I/O口，两个16位可编程定时/计数器；(3) 1个串行中断，两个外部中断源；(4) 低功耗空闲和掉电模式；(5) 4KB可反复擦写(可经受1000次的写入/擦除周期)；(6) 全静态操作024MHz；(7) 1288字节内部ROM；(8) 32条可编程I/O线，可编程串行通道；(9) 片内有时钟振荡器。AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电模式空闲模式(Idie Mode)和掉电模式(Power Down Mode)。在空闲模式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电模式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止10。4.5 温度采集模块目前大多数传感器系统都采用放大-传输-数模转换这种处理模式。这种模式一般要占用数条数据/控制线，限制了单片机功能的扩展。而一线总线技术则很好地解决了这个问题。一线总线技术就是在一条总线上仅有一个主系统和若干个从系统组成的计算机应用系统。由于总线上的所有器件都通过一条信号线传输信息，总线上的每个器件在不同的时间段驱动总线，这相当于把数据总线、地址总线和控制总线合在了一起。所以整个系统要按单总线协议规定的时序进行工作。为了使其它设备也能使用这条总线，一线总线协议采用了一个三态门，使得每一个设备在不传送数据时空出该数据线给其它设备。一线总线在外部需要一个上拉电阻器，所以在总线空闲时是高电平。挂在单总线上的器件称为单总线器件，为了区分总线上的不同器件，生产单总线器件时，厂家都刻录了一个64位的二进制ROM代码作为芯片的唯一序列号。这样通过寻址就可以把每个器件识别出来。64位ROM的结构如下：开始8位是产品类型的编号(DS1820为10H)，接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因。DS1820是美国Dallas半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理11。温度采集电路如图4.5所示。图4.5 温度采集模块DS1820的工作原理是：DS1820采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其中 GND为地；I/O为数据输入/输出端(即单线总线)，该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平；VDD是外部+5V电源端，不用时应接地；NC为空脚。图1 所示为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式RAM)，用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL解发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码(CRC)发生器等七部分。温度采集电路的流程图如图4.6所示。图4.6 总体电路流程图温度采集电路流程图如图4.7所示。图4.7温度采集电路流程图4.6 显示模块电子设计中常用的输出显示设备有两种：数码管和LCD。数码显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。数码显示器有LED(发光二极管)显示器和LCD液晶显示器两种12。点阵型字符液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义字符的显示器。由于LCD具有超薄、功耗低、体积小、重量轻等优点，自问世以来就得到了广泛的应用。字符型液晶显示器模块在国际上已经规范化，内核为较为常见的HD44780液晶显示器。LED显示器工作在静态显示方式时，其阳极(或其阴极)点连接在一起接地(或+5V)，每一个的段选线(a，b，c，d，e，f，g，dp)分别与一个8位口相连。LCD只能工作在静态显示方式，并要求加上专门的驱动芯片4056。LED显示器工作在动态方式时，段选码端口I/O1用来输出显示字符的段选码，I/O2输出位选码。I/O1不断送出等待显示字符的段选码，I/O2不断送出不同的位扫描码，并使每位显示字符停留显示一段时间，一般为15ms，利用眼睛的视觉惯性，从显示器上便可以见到相当稳定的数字显示。数码管是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从0到F中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单。同一时刻如果各位位选线都处于选通状态，4位LED将显示相同的字符。若要各位LED能够显示出与本位相应的字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于截止状态，同时，段选线上输出对应显示位的字符字形码。4位LED轮流选通，由于人眼的视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，就可得到多位同时亮的效果。系统无需扩展程序存储器,可根据系统程序大小选择片内带不同容量闪存的单片机。键盘显示电路如图4.8所示。图4.8 键盘显示电路键盘显示仿真结果如图4.9所示。图4.9 键盘显示电路仿真结果键盘显示模块的流程图如图4.10所示。图4.10 键盘显示模块的流程图4.7 键盘模块本设计设置了四个小键盘，两个 4-2 输入与非门器组成，在按键按下的触发那一瞬间，按键信号会产生瞬间颤拌的信号。这样，有可能会造成单片程序进行错而乱码。为了消除瞬间颤拌信号。因此采用按键经过双非门处理后，得到一个稳定按键信号在供给单片机查询处理。按键盘的电路具体如图4.11所示。图4.11 44键盘电路4.8 报警模块报警模块的流程图如图4.12所示。图4.12 报警流程图报警电路的设计如图4.13所示。图4.13 报警电路当温度出现异常时，单片机P1.0口会输出一个高电平，在经过VT1三极管与电阻 R1、R2构成的简易放大电路进行信号放大后