多路温度检测系统的设计与研究

1绪论温度是一个很重要的物理参数，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在工业生产过程中，温度检测和控制都直接和平安生产、产品质最、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此在国民经济的各个领域中都受到普遍重视。温度检测类仪表作为温度计量工具，也因此得到广泛应用。随着科学技术的开展，这类仪表的开展也日新月异。特别是随着计算机技术的迅猛开展，以单片机为主的嵌入式系统已广泛应用于工业控制领域，形成了智能化的测量控制仪器，从而引起了仪器仪表结构的根本性变革。1.1温度检测类仪表的现状传统的机械式温度检测仪表在工矿企业中己经有上百年的历史了。一般均具有指示温度的功能，由于测温原理的不同，不同的仪表在报警、记录、控制变送、远传等方面的性能差异很大。例如热电阻温度计，它的测温范围是-200℃～650℃，测量准确，可用于低温或温差测量，能够指示报警、远传、控制变送，但维护工作量大并且不能记录；光学温度计测温范围是300℃～3200近年来由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量控制仪表己经取得了巨大的进展。我国的单片机开发应用始于80年代。在这20年中单片机应用向纵深开展，技术日趋成熟。智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面。都取得了巨大的进展。目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片机使之成为智能仪表的。从技术背景来说，硬件集成电路的不断开展和创新也是一个重要因素。各种集成电路芯片都在朝超大规模、全CMOS化的方向开展，从而使用户具有了更大选择范围。这类仪器能够解决许多传统仪器不能或不易解决的问题，同时还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，降低仪表的本钱以及加快新产品的开发速度。智能化控制仪表的整个工作过程都是在软件程序的控制下自动完成的。装在仪表内部EPROM中的监控程序由许多程序模块组成，每一个模块完成一种特定的功能，例如实现某种算法、执行某一中断效劳程序、接受并分析键盘输入命令等。编制完善的监控程序的某些功能模块。能够取代某些硬件电路的功能。这就为设计者扩展或改变仪表具体功能提供了方便。例如打印的内容、格式，报警值的上、下限，报警的方式〔如发光、发声〕等就完全可以通过改变具体的某一段程序来实现，同时又不会影响软件中其它程序的功能。仪表在使用上更具有灵活性。智能化控制仪表在引入单片机之后，己经降低了对某些硬件电路的要求，但是测试电路仍然占有很重要的位置。尤其是直接获取被测信号的传感器局部仍应给予充分的重视，有时提高整台仪器性能的关键仍然在于测试电路尤其是传感器的改良。现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断开展变化。传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向开展。有许多国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。与国内己经出现的各种各样的智能化测量控制仪表相比，国际上更是品种繁多。国内的开发规模也相对较小，开发费用相对较高，与国际相比还存在很大的差距。1.2课题的提出多路温度的测量、记录、传输在工业及民用领域应用中一直是量大面广的设备之一，所以目前多路温度巡检仪并不少见。甚至其中有很多己经作为典型例题出现在许多关于单片机应用的教科书中，虽然在电路结构、元器件的选择和相应的软件编程上略有区别，但是它们均能以单片机为核心，完成巡检、显示、报警和记录等功能。但是这些温度巡检仪都有一个共同的主要缺点，那就是只能检测的路数不能任意增加。这是由于温度的检测离不开温度传感器，而传统的温度传感器例如PT—100、K、J等都是模拟量输出，需要进行信号的放大和A/D转换方能被单片机接受，如果要增加测试路数，那未必定要增加放大器和A/D转换器的个数，接线将十分复杂。并且它们的准确性易受环境、接线、放大等因素的影响，因而误差大，远传受距离的限制等，多路共测时，检测效果也大打折扣。随着生产力的开展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的要求越来越高，在很多场合，诸如啤酒、饮料、食品、白酒发酵生产线，中频热处理行业的水路温度保护，提升机、通讯机、发电厂等轴温记录，变电所各电节点的温度检测，农业大棚、鸡舍等，温度巡检仪有着越来越广阔的应用与开展前景。但是上述场合通常需要监测的点远大于8个，那么上述温度巡检仪远远不能满足其要求。本课题那么主要针对这一点而提出。监测点的增加，就硬件电路和软件编程而言，并非意味着简单的增加几条电路连线和循环指令，而是与相关的软硬件技术有极为密切的联系。随着单片机技术及其外围芯片、现场总线技术的开展越来越完善，使得设计能够满足对更多测试点的温度的测试、报警、记录等的温度巡检仪成为可能。目前，温度传感器的开展日新月异，种类繁多，各有千秋，特别是数字式温度传感器开始越来越多的应用于温度检测仪表中。所谓数字式温度传感器即集温度感应、变换、数码调制于一体，对外输出数字信号。具有抗干扰性好、可靠性高、硬件电路简单、使用方便等优点。尤其是对于数十个乃至上百个点的检测，采用数字式温度传感器便可以摒弃A/D转换和放大器，无疑对简化电路起到不可估量的作用。在设计电路时，使用不同的温度传感器，对电路性能有极大的影响。测控对象与计算机之间的信息交换是通过总线进行的，常见的有C总线、SPI总线等被广泛应用着，它们技术成熟，有众多的芯片和功能完善的软件相支持。近年美国DALLAS半导体公司推出了一项新技术---单总线技术，即用一根信号线(1-wire)在其上可以挂接许多测控对象，甚至电源也经这根信号线馈给，从而可以方便地组建一个测控系统。该技术有较高的性能价格比，适用于温度测控场合，当测控对象很多时更可以显示其优越性，抗干扰性能好，具有CRC校验功能，系统简明直观易于掌握。特别是国内未见深入研究，软件编程相应复杂，因而使用单总线技术研制温度巡检仪那么保证了其技术上的先进性，但是同时也具有一定的开发难度.本课题将综合运用先进的元器件和技术设计温度巡检仪，使其可以真正方便地实现对温度监控的自动化，为生产管理部门提供高精度的实时温度，使操作者可以在生产过程中及时了解关于温度的参考信息，保证生产能够在正常的环境温度下进行，对于保障平安生产、节约能源、提高效率、保障产品质量有重要的社会意义。并且在上面提到的行业中，都需要多路同时检测，应用面广，需求量大，任何一个厂的一次使用量都在10台仪器以上，因此32路温度巡检仪一旦设计成功并投入生产必将带来良好的经济效益，前景非常广阔。1.3课题的内容针对目前温度检测仪表的开展趋势和存在的问题，本课题主要解决以下内容：a)对32处不同的测试点巡回检测其温度，进行集中管理，集中控制。b)在其测量范围内可以设定任意测试点温度的报警值。c)在温度异常时能够发出报警信号和采取保护措施，能对故障及时地跟踪和记录。d)可以方便地设置打印方式，包括定时自动打印和任意时刻打印。e)功耗低，整个系统体积小。f)现场安装配线简单，调试简捷方便。g)采用少量按键来设置现场参数，系统具有较强的对话性和可操作性；测试点的个数可在某一范围内任意删加。h)使系统具有较强的抗干扰性能。i)有较高的分辨率，极好的可维护性。2系统的总体设计在本章的设计中将进行系统的总体方案设计，以便在后续章节中选择适宜的单片机及外围芯片，完成具体的硬件电路设计。总体设计应考虑以下几点：a)从整体到局部设计b)经济性要求c)可靠性要求d)操作和维护的要求。2.1系统的总体设计思想不同的控制对象和不同的要求，应该有不同的设计思想。本系统实际上是一个专用的单片机系统，仪表内部除单片机以外的其它硬件局部均可看作是单片机的外设局部。在本系统中，CPU在温度采集和处理时，主耍是对温度值进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警并对这些数据进行积累和实时分析。CPU不直接参与过程控制。对生产过程不会直接产生影响。从这一点出发，可作出总体设计思路图2.l:测试对象测试对象采样转换报警打印显示单片机····图2.1总体设计思路图温度经过采样、转换后以数字形式进入CPU，利用CPU具有运算、逻辑判断能力速度快等特点，在它内部可以对这些输入数据进行必要的集中、加工和处理，在温度参数的测量和记录中那么代替大量的常规显示和记录仪表，对整个环境温度进行集中监视。另外，添加存储器，预先存入各个测试点的温度极限值和其他的相关数据，以便在处理过程中可以进行越限报警、调整参数和维修调试等。2.2方案论证与选择设计方案的不同将直接决定仪表硬件的繁简程度，从而确定软件的不同编写思32路温度巡检仪应对当前的环境温度进行巡回检测，所以它是一个实时监测系在设计时应考虑以下几个方面：a)应保证前向的温度传感电路的精确度、灵敏度、电路结构的合理性；b)仪表本身要具备一定的抗干扰能力，应在硬件及软件上引入各种抗干扰措施，以增强它的稳定性和准确性；c)仪表应预留接口以便于功能扩展和联网。根据以上要求，硬件电路有以下几种方案可供选择。温度采样和测试局部第一种方案：各测试点的温度值经过测温元件热电偶、热电阻等，被转换为电信号，这样得到的多路采样信号经放大器、多路模拟开关及A/D转换电路，由单片机控制多通道A/D转换，分时对电压信号进行循环采样和A/D转换。这种方案是单片机处理非电量信号的传统方法，它的优点是测温范围广：选用适宜的测温元件可以检测-300℃～3000℃第二种方案：使用在温度测控领域中有广泛应用的二端式半导体集成温度传感器AD590、LM35等，将采集到的电流信号经多路A/D转换器送入单片机，由单片机控制数据的采集和转换。以AD590为例，它的测温范围为-55～+150℃第三种方案：选用先进的数字式温度传感器，将采集到的数字式的温度信号直接送入单片机进行处理。随着传感器技术的开展，已经出现了先进的数字式温度传感器。这种方案中的温度传感器兼有测温和A/D转换的功能，输出值是数字信号，所以不必使用A/D转换器和相关的接口芯片，能够直接进入单片机进行数字处理。硬件电路非常简洁，有较好的线性关系和较强的抗干扰能力，同以上两种方案相比有明显的优势和极其广泛的开发前景。但是测量范围较小，一般在-50℃～+150℃由于本课题的温度巡检仪是面脚一般的环境温度即常温区，对测温范围要求并不严格，比拟以上几个方案，我选用了第三种方案。各种数据的存储在电路设计冲，温度值、温度传感器的相关数据、时间数据等都需要保存。并且掉电时要求数据不丧失。有两种电路可以实现数据的非易失性保存。第一种方案：选用静态RAM及专用的上电、掉电数据保护电路，但这种结构占用较多的软硬件资源，不宜采用。第二种方案：使用串行PROM作为数据存储器，且串行PROM具有很强的抗干扰能力，与单片机硬件接口非常简单可擦写次数多〔目前为次〕。因此本设计采用第二种方案。时钟局部在32路温度巡检仪中需要记录故障发生的时间，所以要考虑实时时钟。实时时钟分为硬时钟和软时钟两种。硬时钟有独立的实时时钟芯片组成，硬时钟的优点是时钟的准确度与单片机无关，不易产生误差；缺点是本钱较高、体积大，并且与单片机通信时可能会受到外界的干扰。软时钟是利用单片机内部的定时器，由软件程序产生实时时阂。节省了外都硬件资源。缺点是当单片机发生故障时，时钟也容易遭到破坏，特别是单片机采用了看门狗电路时，会影响软时钟的准确度。因此，本设计采用独立的硬件时钟芯片。这样，即使看门狗电路令单片机复位，程序也只须将时钟芯片里的数据读出即可，不会影响时钟的准确度。打印输出打印机输出是计算机系统最根本的输出形式，在本系统中要求有方便的打印记录，打印机一般有击打式和非击打式打印两类。击打式打印机是利用机械作用，击打活字载体上的字符，使之与色带和纸相击打而印出字符，或者利用打印铜针撞击色带和纸打印出点阵组成的字符图形。其特点是一次性购置价格较高，耗材廉价，经久耐用。非击打式印字机的印字，不是机械的击打动作，而是利用各种物理的或化学的方法印刷字符，如静电感应，电灼，热敏效应，激光扫描及喷墨等。较常用的是喷墨打印机，虽然价格廉价但是经常要更换墨盒，耗材费用高。考虑到为方便用户长期使用，不至于经常拆卸仪表外壳而去更换墨盒，因此选用击打式打印机。击打式输出打印设备按工作方式又可分为串行输出打印机和并行输出打印机。所谓串行打印即逐字，逐行，逐页地打印。串行输出打印机根据活字载体的形状，分球形、字轮、针式、菊花、杯形等多种，其中菊花式和针式打印机开展比拟快，而后者使用更广泛，针式打印机是由点阵组成不同字符击打成字。它们的特点是打印速度高，机械结构比拟简单，适合作为微小型计算机的打印输出设备。所谓并行打印即逐行逐页地打印。并行式打印速度高于串行式打印。并行输出打印机按结构分为鼓式、链式、带式等种。一般适用于大型计算机系统。由于本系统仅需要打印温度值、时间和测试点的序号，所以选用串行的针式微型打印机。系统显示

单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED(LightEmittingDiode)。液晶显示器，简称LCD(LiquidCrystalDisplay);CRT显示器。LED的发光效率和颜色取决于制造的材料，一般常用红色，偶尔也用黄色或绿色。发光二极管LED是智能化测量控制仪表中简单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其他信息，它的优点是耗电省，配置灵活，接口方便，价格低，寿命长，对电流电压的要求不高及容易实现多路等，因而在智能化测量控制仪表中获得了广泛的应用。LCD是一种被动显示器，它本身并不发光，只是调节光的亮度。目前常用的LCD是根据液晶的扭曲--向列效应原理制成的，可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。对于采用电池供电的便携式智能化测量控制仪表，考虑到低功耗的要求，常常需要采用液晶显示器，它体积小，重量轻，功耗极低，因此在仪器仪表中的应用十分广泛。但是必须借助外来光显示。CRT显示器可以进行图形显示，但接口较复杂，本钱也较高。在32路温度巡检仪中只需要显示4位数字形式的温度和路数，可以不必使用价格较高的CRT;4位LED的工作电流为240mA左右，由于使用交流电源供电，足以提供LED显示器所需要的功率，对于LED而言，仅有4位，体积也很小，这样比拟LED和LCD的诸多特点，本系统选择LED印显示器。键盘格式键盘是一组按键的组合，它的作用主要是控制系统的工作状态以及向系统中输入数据和命令，有编码式键盘和非编码式键盘两类。编码式键盘除了按键之外，还包括了产生键码的硬件电路、去抖动电路和多键、窜键保护电路。每按下一个键，能自动产生这个键的键码，与此同时，产生一个脉冲信号。通知CPU接收。这种键盘使用方便，接口程序简单，但是需要较多的硬件电路，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码式键盘仅由排成行、列矩阵形式的按键组成，按键的作用只是简单的实现接点的接通或断开，键的去抖动、键的编码的形成和键的识别等均由软件来完成。由于它经济实用，在单片机应用系统中广泛采用。经过以上比照，可以采用非编码式键盘。2.3系统设计的技术关键根据以上所述的总体设计思想，设计中需解决的技术关键性问题是：第一，这种巡检仪由于需要检测的点多达几十个，为了便于用户安装使用，在硬件设计时，应尽可能地使用各种先进的现场总线技术，力求电路最简单，安装调试最方便。第二，为保证本系统高可靠性运行，仪器本身要具备很强的抗干扰能力，为此应在硬件及软件设计上引入各种抗干扰清施。特别是系统中各局部电路的电源均设计为直流稳压电源供电，当仪器用于复杂的工业环境时，直流电源能够不受干扰的对各局部电路提供直流电压就显得十分重要了。第三，由于硬件电路十分简洁，那么软件势必功能很强大，在软件设计时也应寻找尽可能简单完善的设计思路，保证程序易于修改、调试。第四，系统是一个实时运行的系统，当主机电源因某种原因停电时，为了保证系统工作时的数据的实时性，其后备电源应能可靠工作。3系统的硬件设计3.1系统的整体结构根据上一章所选的总体方案确定的思路，下面将进行具体的系统硬件电路的设计。系统的整体结构框图如图3.l所示。CPUCPU打印机显示器测试点测试点温度传感器温度传感器键盘报警电路存储器看门狗实时时钟··············3.1整体结构框图数字式温度传感器主要是采集每个测试点的温度值，在其内部将采集到的温度值转换成数字信号，送入单片机集中进行处理。因为单片机的I/O口有限，所以每个温度传感器不可能直接接入单片机，必须应采用总线技术，将数字式的温度值通过总线循环的送入单片机。存储器将存储各种与温度传感器有关的数据，例如，每个传感器的相关信息、每个测试点的温度值和相关的时间数据，以实现单片机对数据的集中管理，并防止丧失。看门狗电路用来监视单片机的正常运行：LED显示器显示温度值和对应的测试点即路数，当需要修改某些数据或进行现场调试时，显示器应能配合键盘显示相关的信息。实时时钟电路为巡检仪提供准确的时钟：报警电路在温度异常时送出保护信号并能进行故障点的跟踪定位。键盘在本系统中是操作员控测巡检仪的唯一途径，是安装调试的必备手段。在仪表需要改变某些数据，以及操作员在出现故障时能够实时打印故障路数、对应的时间、温度数据等均应通过键盘完成相应的操作。打印机主要打印某一时刻的各路温度值。直流稳压电源为单片机、存储器、报警电路和显示器提供直流电压，后备电源那么是为了实时时钟电路在主机掉电时也能正常工作，防止时钟停走导致计时不准确。3.2温度巡检仪的硬件构成选择单片机目前国内市场上可供选择的单片机的类型有很多种，以MCS-51、MCS-96为主流系列。其中MCS-51系列性能价格高，开发用的仿真机研究较早并日趋完善，生产厂家较多，支持芯片种类繁多，适合不同应用场合的新机种不断涌现，使得MCS-51系列单片机在国内成为开发中小型嵌入式系统的首选。能够与80C51兼容的单片机有诸如ATMEL、PHILIPS、INTEL等公司的产品。AT89C51是ATMEL公司生产的、在我国应用较早、技术较成熟的MCS-51系列单,片机，目前价格仅为七点五元钱。它功耗低、性能高、片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器〔FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕,是一种8位微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造。并且与80c51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比极高。除此之外还有很多单片机可供选择，例如83C552是PHILIPS公司80C51系列的增强型产品，是一种高性能微控制器，也广泛用于仪器仪表、工业控制、汽车、控制、电机调速等实时测控领域。它的价格高于AT89C51，并且有5个8位I/O口，外加1个与模拟输入共享的8位输入口，1个8路输入的10位A/D转换器。但是对口对于32路温度巡检仪来说，仅用一个8路A/D转换显然不能满足需要，而假设在温度检测局部采用先进的传感器而不再使用A/D转换后，CPU内部的A/D转换器和6个I/O口也就显得太浪费了。温度传感器及接口电路a)选择温度传感器①MAX公司的MAX6575，测温范围是-55℃～+125℃,6管脚引线。MAX6575要求在一个单片机的一条控制总线上只允许挂接8个温度传感器，管脚数太多，单个传感器也不方便在总线上挂接。MAX6575的分辨率在25℃时为0.8℃〔最大为3℃〕，电源电压为2.7～5.5V，电流值为160μA，测温范围为-40②DALLAS半导体公司提供了先进的数字式温度计DS1820系列。该系列采用了与众不同的原理，利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，通过对振荡周期的计数来实现温度测量的。输出值是数字信号，所以不必使用A/D转换器和相关的接口芯片，直接送入单片机进行数字处理。为了扩大测温范围和提高分辨率，使用了低温系数振荡器和一个高温系数振荡器分别进行计数，并采用了非线性累加器来改善线性，其中DS18B20是常用的温度传感器，它采用一根I/O数据线传输数据和命令，售价低廉，广泛用于食品库、冷库、粮库，是Ds1820的改良型产品。由于本系统是32路巡检，如果采用Max6575，那么至少需要4条控制总线，占用I/O口资源较多：DS18B20那么至多需要2条总线便可以挂接至少32个传感器，从而CPU还能留有较多的I/O口继续扩展检测路数或其它功能，使用相当灵活，所以在本系统中我选择了DS18B20。b)单总线技术Ds18B20与单片机是单总线连接方式，单总线技术比传统的方案具有较高的性能价格比，具有以下特点：①适用于低速测控场合,测控对象越多越显出其优越性②性价比高，硬件施工,维修方便，抗干扰性能好③具有CRC校验功能，可靠性高④软件设计标准，系统简明直观，易于掌握c)DS18B20及接口电路具体地说它有以下特性：·温度测量范围：-55℃～+125·分辨率：+0.5℃〔-10℃～+·温度值输出：9～12位二进制数字量〔其中包括1位符号位〕，可由编程决定具体位数。·转换时间与设定的分辨率有关，当设定为9位时最大转换时间为93.75ms，当设定为10位时最大转换时间为187.5ms,11位时为375.5ms,12位时为750ms。·用户可设置报警温度的上下限·供电方式有两种：①外加电源电压为3.0v～5.5v：②寄生电源管脚如图3.2所示。GNDGNDDQVdd1〔地线〕2〔数据线〕3〔电源线〕图3.2DS18B20的管脚图Ds18B20内含程序设置存放器：可以设置分辨率位数。该存放器是DS18B20所专有的。其格式为：TMTMR1R011111TM：测试模式位.当TM=1时，存放器处于测试模式；当TM=0时，存放器处于工作模式。传感器出厂时均设置为何，且不可改变。R1和R0的设置组合与温度分详见下表3.1:片内带64位激光ROM，这是单总线芯片的特点。DS18B20的家庭代码是28H,从高位算起，ROM中有一个字节的CRC校验码，6个字节的产品序号和一个字节的家庭代码。Dsl8B20内含由两个字节组成的温度数据存放器。表3.1分辨率关系表R1R0位数最大转换时间〔ms〕00993.750110187.510113751112750用户通过单总线对DS18B20进行操作，其顺序如下：复位—ROM功能命令—存储器功能命令—执行／数据它的ROM命令有5个，存储器的命令有6个，与DS182O完全一样。命令的组成都是由复位、多个读时隙或/和写时隙等根本时序单元组成。·复位：DS18B20使用前需将其复位，然后才能执行其它命令。复位时，主机将数据线激发为低电平并保持480μs，然后释放数据线，再由上拉电阻将数据线拉升15～60μS，然后由DS18B20发出响应信号将数据线激发为低电平60～240μS,完成操作。时序图3.3如下所示：VccVccGND480—960us15—60us60—240us480us等待图3.3复位时序图在电路中设计了三条I/O口线，这样做是考虑到以下两点：①实验过程中发现由于总线驱动能力的限制，如果一条线上挂接太多的元件，单片机有可能读不到远端的数据，应尽里缩短总线和分支的长度，所以分成两条独立的总线，每条挂接16个温度传感器，保证每条总线都足以传输温度信号。②在使用过程中如果某个传感器损坏了，就需要更换新的，那么新传感器的序列号必须存入仪表，否那么单片机不能读取它发出的温度值，所以又增加了一条I/O口线作为测试口，专门读取新元件的序列号。由于温度传感器的三个引脚在工作不能相互接触，但是实际上又相隔很近，因此在电路中必须用绝缘套管将之别离。三个引脚不能直接浸入水或导电的介质中，应用导热性较好的细钢管引入温度传感器，然后用导热硅脂封住细铜管一头，另一头将三个引脚线引出，再接入整个温度系统。尽管DS18B20可以采用寄生电源方式，但是为了可靠工作，只要条件允许，还是外接电源电压。每个DS18B20在电路中还有自己的序号，即路数。这是因为：①序列号是64位二进制数，用它来区分每个传感器不便于观察和记录；②序号还可以在编程时换算。成每个传感器在内存中存储序列号和温度值的地址，有利于软件设计。因此，在变更传感器时，特别注意不要混淆。其接口电路如图3.4所示。89C89C51151431191891716123456781312P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EANPX1X2RESETDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQ图3.4DS18B20与CPU的接口电路实时时钟／日历芯片a)选择芯片实时时钟芯片选择的是PCF8563PCF8563具体来说有以下特点：①低工作电流：典型值为0.25μv〔v=3.0v,T=25℃时〕；低休眠电流：典型值为0.25μv〔v=3.0v,T=25②世纪标志③大工作电压范围：l.OV～5.5v④400KHz的C总线接口〔V=1.8～5.5V时〕⑤可编程时钟输出频率为：32768Hz,1024Hz,32Hz,1Hz⑥报警和定时器⑦内部集成的振荡器电容、片内电源复位功能、掉电检测器⑧C总线从地址：读，OA3H；写，OA2H⑨开漏中断引脚管脚图3.5:55串行数据I/O6串行时钟输入7时钟输出8正电源地线4中断输出3振荡器输入1振荡器输出2OSCIVddOSCOCLKOINTSCLVssSDA图3.5PCF8563管脚图PCF8563有16个8位存放器：一个可自动增量的地址存放器，一个内置32.768KHz的振荡器〔带有一个内部集成的电容〕，一个分频器〔用于给实时时钟RTC提供源时钟〕，一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个40OKHzC总线接口。所有16个存放器设计成可寻址的8位并行存放器，但不是所有位都有用。前两个存放器〔内存地址ooH,olH〕用于控制存放器和状态存放器，内存地址02H～08H用于时钟计数器〔秒～年计数器〕，地址09H～OCH用于报警存放器〔定义报警条件〕，地址ODH控制CLKOUT管脚的输出频率，地址OEH和OFH分别用于定时器控制存放器和定时器存放器。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警存放器，编码格式为BCD码，星期和星期报警存放器不以BCD码格式编码。当一个RTC存放器被读时，所有计数器的内容被锁存，因此，在传送条件下，可以禁止对时钟旧历芯片的错读。看门狗+存储器＋电压监控电路在总体方案中确定了需要硬件看门狗和存储器，目前市场上己经出现了看门狗＋存储器＋电压监控的三种功能于一体的集成芯片。a)CATll61是CATALYST公司的CMOS低功耗产品。它的特点有400KHz的时钟频率，与C总线兼容，工作电压为2.7—6.0v,16字节页写，16K的EEPRoM,内建偶然性的写保护，上电掉电保护电路，写锁存，使用期限100,000周期/字节，数据保存期100年，5种阈值电压,价格较高。b)x5045是Xicor公司的产品，它把三种常用的功能。看门狗定时器，电压监控和ProM组合在单个封装之内,这种组合降低了系统本钱并减少了对电路板空间的要求。X5045看门狗定时器对控制器提供了独立的保护系统,当系统故障时，在可选的超时周期之后，X5045看门狗将以RESET信号作出响应,用户可从三个预置的值中选择此周期,一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。利用x5045低电压检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响,当Vcc降到最小Vcc转换点以下时，系统复位,复位一直确保到VCC返回且稳定为止。X5045的存储器局部是CMOS的4096位串行EEPROM，它在内部按512*8来组织。因为本系统只需要存储传感器的序列号和温度值等几百个数据，cAT1161ProM对于本系统而言显然太大，并且价格较高；x5045的ProM足够本系龚使用，价格相对廉价。因此我选择X5045。以下是X5045及接口的特点:①可编程的看门狗定时器；低电压检测，直至Vcc=1V复位信号有效②IMHZ时钟速率；512*8位串行EEPROM③低功耗CMOS:10μA备用电流，3mA工作电流④2.7V至5.5V电源电压⑤块锁定：保护1/4、1/2或所有的EEPROM阵列⑥内建偶然性的写保护：上电/掉电保护电路，写锁存，写保护引脚⑦高可靠性：使用期限100,000周期/字节，数据保存期100年，ESD保护所有引脚2000V⑧温度范围：民用，工业，军品级管脚图3.6如下所示:RESETSOSCKSI〔芯片选择输入〕1〔串行输入〕2〔写保护输入〕36〔复位输出〕4〔串行输出〕5〔串行时钟输出〕图3.6X5045的管脚图X5045具有简单的三总线工作的串行外设接口〔SPI〕和软件协议。当X5045被CPU选中时，还、需要根据在操作时序上具体提供的读命READ或写命令WRITE来决定是从SI上输入数据还是从SO上输出数据。读时序当从ProM存储器阵列读数据时，首先把/CS拉至低电平以选择芯片,8位的读(READ)指令被发送到X5045，其后是8位的字节地址,读指令的位3包含地址A8,此位用于选择器件的上半部或下半部,在发送了读操作码和字节地址之后，在所选定地址的存储器中存储的数据被移出到SO线上,继续提供时钟脉冲可接着读出下一地址的存储器中存储的数据,在每一数据字节移出之后，字节地址自动增量至下一个较高的地址,当到达最高地址〔IFFH〕时，地址计数器翻转至000H，使得读周期无限地继续下去,把/CS置为高电平可以终止读操作。如图3.7所示。/CS/CSSCKSCK12834567SISI543210地址SOSO76543210数据输出图3.7读时序图b)写时序在把数据写入X5045之前。必须首先发出WREN指令把“写使能〞锁存器置位。/CS首先被拉至低电平，然后WREN指令由时钟同步送入X5045，在指令的所有8位被发送之后。必须接着使/CS变为高电平。如果用户在发出WREN指令之后不把/CS变为高电平而继续写操作，那么写操作将被忽略。为了把数据写至PRoM存储器阵列，用户要发出WRITE指令，后继以地址，接着是要写的数据，写指令的位3包含地址A8。此位用于选择器件的上半部或下半部。这是最少为24个时钟的操作。在此操作期内，CS必须变为低电平且保持在低电平。主机可以继续写多达4年字节的数据至x5045。唯一的限制是4个字节的地址必须停留在同一个页上。页地址从地址xxxxx0000开始，至xxxxx1111结束。如果字节地址记数器到达xxxxxllll而时钟仍继续，那么计数器将翻转至首页并重写可能写入的任何数据。为了结束写操作，只能在第24，第32，第40或第48个时钟之后把/CS变为高电平。如果在任何其它时间使之变为高电平，那么将不能结束写操作。如图3.8所示。/CS/CSSCKSCK12834567SISI543210地址432SOSO高阻图3.8写时序图c)复位操作当Vcc降至低于最小转换电压和／或看门狗定时器已到达其可编程的超时极限值，RESET输出便变为高电平，那么系统复位。到达看门狗和电压监控的目的。/CS/CS片选时间RESET看门狗时间复位时间图3.9复位操作时序图具体的x5045与AT89C51的接口电路如图3.9所示。X5045的数据输入线sI和数据输出线so可以合并为一根数据线。这样，x5045有三根线分别与AT89C51的三根I/O口线相连。芯片选择线/CS有效时，x5045和AT89C51之间才能在串行时钟信号SCK的节I/O下通过数据线进行数据传输。PRoM从地址00H至FFH，每8个一组分别存储32个温度传感器的序列号：从100H至11FH存储序号；从120H至13FH按序号的顺序存储温度值；从140H至15FH顺序存储32个温度传感器的报警值；从l60H至，l64H存储年、月、日、时、分等时间信息。看门狗超时周期设为1.4秒。在软件编程中，设t约ls访问一次x5045，当程序跑飞或大于1.4秒没有访问看门狗时，X5045将输出复位脉冲，直到程序正常运行。由此增强CPU工作的可靠性和稳定性，增强抗干扰能力。RESETRESETSOSCKSIP02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27RESETRXDTXDALE/PSEN36353433322122232425262728910113029123765+5R1R210K10KX5045图3.10X5045与AT89C51的接口电路键盘及接口a)键盘非编码式键盘中有独立式非编码式键盘和行列式非编码式键盘两种。行列式键盘主要用于键数较多时为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O口线的数目的情况。当键盘上没有键闭合时，行列线之间是断开的，所有行线输入全为高电平。当某个键被按下闭合时，那么对应的行线和列线短接，行线输入即为列线输出，根据的口读入的状态信息，便可判断出是否有键按下。键盘中究竟哪一个键被按下，还要通过键盘扫描来确定。键盘扫描有三种方式：程序控制扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式。独立式按键是各按间相互独立地接通一条输入数据线。每个按键安排一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不影响其他I/O口线上的工作状态。当任何一个键按下时。与之相连的输入数据线即被置0，而平时该线为1，要判别是否有键按下，用单片机的位处理指令十分方便。这种键盘结构的优点是电路简单，缺点是当键数较多时要占用较多的I/O口线。在32路温度巡检仪中我们只定义了四个键，而且采用DS18B20之后AT89C51的I/O口绰绰有余，所以选择独立式按键结构。b)接口电路①去抖动措施目前。键盘上的按键大局部都是机械式的。机械触点在闭合和断开瞬间，一连串的抖动过程。从而使电压信号也出现抖动，抖动的时间一般为5～1Oms。按键的稳定闭合时间，一般为十分之几秒至几秒。键抖动会引起一次按键被误读屡次。通常去抖动影响的措施有硬、软件两种。在硬件上采取的措施是：在键的输出端加RS触发器或单稳态电路构成去抖动电路。利用双稳态电路的延时性。使其输出为正规的矩形波。软件上采取的措施是：在检测到有键闭合时，执行一个IOms左右的延时程序，产生10ms的延时，让前沿.抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，那么确认为真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。由于电路中定义了四个键，如果采用硬件去抖动措施，那么需要较多的集成电路增加了电路的复杂程度，所以采用软件去抖动措施。②接口电路键盘的接口电路如图3.11所示。P10P10P11P12P13P14P15P16P17INTINT功能键回车键增量键123456781312减量键图3.11键盘与AT89C51的接口电路P1口内部有上拉电阻，按键断开时。I/O口线有确定的商电平，外电路可以不配置上拉电阻。如果选择P0口的I/O口线，由于P0口内部没有上拉电阻，那么外电路将接4个电阻，相对而言较复杂。当然也可以选择P2口或P3口，因为它们内部都有上拉电阻。按下功能键那么可以进入不同的功能处理，以便操作员设置工作状态。增量键将当前的操作值加1。减量键将当前的操作值减1，回车键是表示当前操作被认可的按键，一旦按下，CPU回立即进入相应的处理程序。具体的功能编号表3.2功能号功能说明1第一端口设定所挂温度传感器的个数2第二端口设定所挂温度传感器的个数3设定各路温度报警值4重新设定温度传感器在本系统中的网络地址5系统时钟设置6是否启用自动隔时打印，并设置自动隔时打印时间间隔7手动选择是否打印当前所有各路温度值LED显示器及接口电路a)LED显示器发光二极管显示器中最常用的一种形式是由七段条形的LED组成即七段数码管，分为共阳极接法和共阴极接法，点亮适当的字段，就可显示出不同的数字。还有一种形式是点阵式LED显示器。点阵一般由7行5列共35个LED组成，可以显示大小写字母、数字和其它字符。它的本钱显然高于七段数码管。由于在32路温度巡检仪中只需要显示数字形式的温度和路数，所以本设计选择了七段数码管作为显示器。b)接口电路LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。静态显示就是当显示器显示某个字符时，相应的段〔发先二极管〕恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止。动态显示方式采用扫描方法轮流点亮各位LED，利用人眼的视觉暂留效果，看上去每个数码管总在亮。具体地说通常有以下几种接口电路。①用可编程并行接口芯片8155的PB口作为LED的字形物出口，PA口作为LED的字位控制口。预先在内存中存储一张段码表，根据要显示的数字或字符去查表取得相应的段码，将找到的段码加到LED的驱动器上即可显示出数字或字符。这是一种软件译码的动态显示方案，经常用于显示多位数字或字符，并且和键盘做成同一个接口电路，以到达节约I/O口线的目的。缺点是动态扫描占用CPU时间较多。②串行口控制的LED显示器接口电路。TXD工作在方式0下可作同步移位存放器用，其数据由RXD(P3.0)端串行输入或输出，而同步移位时钟由TXD(P3.1)端串行输出，在同步时钟作用下，实现由串行到并行的数据通信。在不需要使用串行通信的场合，利用串行口加双向移位存放器74HC164就可构成一个或多个并行输I/O输出口，用于显示器LED驱动。由于74HC164在输出低电平时，允许通过的电流达8mA，故不必添加驱动电路，亮度也较理想。这种电路属于静态显示，与动态扫描相比拟，无须CPU不停地扫描，频繁地为显示效劳，节省了CPU的时间，软件设计也较简单。如图3.12所示。74HC16474HC164151431191891716123456781312P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/NPX1X2RESET89C51QHQGQFQEBQDAQCQBCLKQACLRavccbcdefdpQHQGQFQEBQDAQCQBCLKQACLRavccbcdefdpQHQGQFQEBQDAQCQBCLKQACLRavccbcdefdpQHQGQFQEBQDAQCQBCLKQACLRavccbcdefdp+574HC16474HC16474HC164图3.12LED显示器及接口电路打印机及接口a)选择打印机随着微型打印机的价格的下降，它们在单片机系统中的应用越来越广泛。目前，常用的微型打印机有GP16、TPμP-16A、TPμP-40A等。TPμP-40A与TPμP-16A的接口时序要求完全相同，操作方式相近。硬件电路及插脚完全兼容，只是指令代码不完全相同。GP16和TPμP-16A是超小型的智能点阵式打印机，每行可打印16个字符。TPμP-40A也是智能打印机，每行可打印40个字符，字符点阵为5*7，内部有一个240种字符的字库，并有绘图功能，而且价格适中。考虑到打印格式为：xx年xx月xx日xx时xx分01:XX℃02:XX℃03:XX℃04:XX℃05:XX℃06：XX℃07:XX℃08:XX℃09:XX℃10:XX℃11:XX℃12:XX℃13:XX℃14:XX℃15:XX℃16:XX℃17:XX℃18:XX℃19:XX℃20:XX℃21:XX℃22:XX℃23:XX℃24:XX℃25:XX℃26:XX℃27:XX℃28:XX℃29:XX℃30:XX℃31:XX℃32:XX℃即每行34个字符，所以选择TPμP-40A型打印机。在众多的打印机生产厂家中，沈阳荣达电子的MP系列汉字微型打印机设计完善、制作精湛、质量可靠，它的MP-A面板式针式打印机等同于TPμP-40A型打印机。b)接口具体地说有以下特性：①采用单片机控制，具有空打程序及标准的串并行接口，便于和计算机应用系统或智能仪器仪表联机使用。+5v电源供电，可选加电池，〞可选自动切刀。②有较丰富的打印命令，可在划windows下使用，指令与普通微打兼容。③可产生所有的ASCII代码字符以及128个非标准字符和图符。内置12X12、16X16两种点阵国标一、二级汉字库，缓存4-30KB。有16个代码字符可由用户通过程序自行定义，并可通过命令用这16个去更换任何驻留代码字型，以便用于多种文字的打印。

④可打印出8X240点阵的图样〔汉字或图案点阵〕，代码字符和点阵图样可在一行中混合打印。

⑤字符、图符、点阵图可以在宽和高的方向上放大2倍、3倍或4倍。⑥每行字符的点行数〔包括字符的行间距〕可用命令来更换，即字符行间距空点行在0到256间任选。⑦带有水平和垂直制表命令，便于打印表格。⑧具有重复打印同一字符命令。以减少输送代码的数量.⑨带有命令格式的检错功能，当输入错误命令时，打印机立即打印出错误信息代码。4系统硬件的整体实现在本课题进行过程中，采用了模块化分步设计方案。对主处理板进行了各种功能模块的硬件设计，可以完成32路温度巡检仪的课题要求，并对系统进行了较为全面的抗干扰设计，使得其可靠性大大提高。最后作出了印刷电路板，形成样机，通过对其进行实测，发现根本上到达了预期的效果。具体地说有：a)电源的抗电磁干扰及屏蔽措施发挥了其应有的作用，输出电压正常，输出功率合理，到达很好的效果．b)温度传感器可以完成计量温度的任务并能及时送出报警信号，CPU可以在≤200米的距离内准确无误的接收到数据。c)其余电路包括X5045、PCF8563、显示器、打印机等功能正常，在局部调试和整机工作时没有发现异常情况。在几种不同的环境中检测温度，取得了比拟满意的效果。样机主要由CPU板、显示操作板、电源变压器和外挂的温度传感器以及微型打印机组成。系统硬件的接线示意图如图4.1所示，连接关系分别有：①CPU板与电源变压器的输出9v连接线2根。②用于CPU认定温度传感器位置序号的测试口3根。③给用户提供的保护信号3根，用户选择使用其中的常开、常闭触点。④给用户提供的外接温度传感器的第二总线端口和第一总线端口各3根。⑤CPU板与显示操作板的连接线10根，用10芯排线来连接，使用时图中CPU板和显示操作板给出的l号位置应相通〔1号通，那么2号也通，……〕。⑥CPU板与微型打印机的连接线26根，用26芯排线来连接。CPUCPU接电源电压变压器输出测试口继电器接保护电路总线２端口总线１端口击打式打印机接口接显示操作板图4.1系统硬件接线示意图结论本设计采用单总线技术，使用Ds18B20芯片，具有许多其它温度巡回检测仪表所不具备的优点。Ds18B20与传统的温度传感器相比，输出数字信号，从而在设计电路时不必去考虑A/D转换的问题。本文所设计的多路温度检测系统具有以下特点：1〕多路温度检测仪以高性能的单片机为核心，扩展的外围芯片全部采用串行接口芯片，使整个系统体积小，功耗低；2〕温度