多路温度巡检系统的硬件设计Word格式文档下载.docx
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复位电路
RST
P2键盘
测温电路7采样
个DS18B20P1
P3.6
P3.7
AT24C02
图1-1系统设计方框图
二、多路温度巡检系统的设计实现
2.1测温电路的设计
本设计是用七个DS18B20组成的测温电路，DS18B20的主要特性：
适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；
独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；
DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；
温度范围-55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±
0.5℃；
可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；
在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；
测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；
负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
七个DS18B20占用的是P1.1至P1.7。
这种硬件设计方法软件编程简单，相当于对7个DS18B20进行单独操作。
这样省去了对DS18B20内部64位序列号的操作，不用在进行仿真之前就把每个DS18B20的序列号存到单片机内部，省去部分内存，需要读哪个DS18B20，就直接对其所连接的I/O操作即可，比较容易实现。
P1口每一位均可独立作为I/O口，P1口可作为通用双向I/O口用，当P1口输出高电平时，能直接驱动拉电流负载，因此不必再外接上拉电阻。
当端口用作输入时，和P0口一样，为了避免误读，必须先向对应的输出锁
存器写入“1”，使FET截止，然后在读端口引脚。
由于片内输入电阻较大，约为20～40kΩ，
所以不会对输入的数据产生影响。
单总线智能温度传感器DS18B20用来采集温度信号，因为DS18B20输出值直接就是数字信号，所以不必使用A/D转换器和相关的接口芯片，就可以直接送入单片机进行数字处理，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的改进型产品。
VCC
DS18B20
1
2
3
GNDDQVDD
μP4.7k
I/O
2.2存储器电路的设计
VCC
图2-1外部供电方式单点测温电路图
由于单片机内部的存储容量有限，又由于本设计所要储存的数据大于单片机内部的存储容量，所以说外扩一个存储器对本设计而言是非常必要的。
本设计采用ATMEL公司生产的的低功耗CMOS串行EEPROMAT24C02来进行采集数据的保存，它内含256×
8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点，24C02采用的I2C总线，它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在
连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。
存储器硬件连接电路如图2-2所示。
+5V
18
27
36
45
5.1k5.1k
图2-2AT24C02与单片机的连接图
图2-2中AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。
在电路图
连接中它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。
第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送，在电路图连接中和单片机的P3.7连接。
第6脚SCL为串行时钟输入线，在电路图连接中和单片机的P3.6连接。
SDA和SCL都需要和正电源间各接一个5.1K的电阻上拉。
第7脚需要接地。
2.3按键电路的设计键盘是单片机应用系统中一个至关重要的部件。
它能实现输入数据、传送命令等功能，
是人工干预计算机的主要手段。
键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。
前者用软件来识别和产生代码，后者用硬件来识别。
由于本设计所用的I/O口线多，按键数多，所以本设计选
用了矩阵式键盘作为本设计的键盘，键盘为4×
4键盘。
键盘占用了P2.0至P2.7。
0123
4567
89AB
CDEF
4.7k4.7k4.7k4.7k
+5V
图2-3键盘电路图
按键的功能如表2-1所示。
如图2-3所示按键号从左至右，从上至下依次排列（F号键
未定义）。
表2-1按键功能表
按键号
功能叙述
0号键
转换标志位键，寄存器清零
1号键
读第一路温度
2号键
读第二路温度
3号键
读第三路温度
4号键
读第四路温度
5号键
读第五路温度
6号键
读第六路温度
7号键
读第七路温度
8号键
循环显示7路温度
9号键
设置LCD显示模式
A号键
向上键
B号键
向下键
C号键
对24C02进行写操作
D号键
对24C02进行读操作
E号键
对24C02清零
2.4显示电路的设计
LCD显示器有分段式和点阵式两种结构。
点阵式是在上下两个电极基板上喷上大小和间隔相等、上下对应的电极点阵。
其中上电极基板上的每个电极对外均有引线，用于接驱动电压，而下电极基板上的所有电极均接到一个公共电极COM上，电极由二氧化锡透明导电材料组成。
点阵式可用于文字、图形以及数字显示。
分段式LCD显示器与LED显示器相似，也采用七段式显示。
不同的是LCD显示器的结构除在上电极基板上喷上a～g这七个笔画外，还在下电极基板喷上与笔画相对应的“日”字形电极且接公共电极COM。
本设计中，数据要求在显示器中能够滚动显示，还要能显示出文字，所以本设计选择了点阵式的LCD显示器作为本设计的液晶显示器。
在众多的LCD液晶显示器中，我选择了T6963C驱动的液晶显示器。
如图2-4所示。
T6963C可以与80系列8位微处理器直接接口，内部具有128个字符的ROM字符发生器，可对8KByte的显示RAM内存操作，并且字符与图形可同时显示,可以选择“OR”，“AND”，“EXOR”方式。
在本设计中，液晶显示采用间接控制方式。
间接控制方式是单片机通过并行接口间接实现对液晶显示模块控制。
根据液晶显示模块的需要，并行接口需要一个8位并行接口和一个3位并行口。
AT89C51的P0口作为数据总线，P3口中3位作为读，写及寄存器选择信号。
由于并行接口只用于液晶显示模块，所以CE信号接地就行了，如图2-5所示。
路号X
传感器序号温度（℃）
1XX.XXXX向
2XX.XXXX下
滚
3XX.XXXX动
4XX.XXXX显
5XX.XXXX示
6XX.XXXX
7XX.XXXX
图2-4液晶显示框图
P0-7D0-D7
P3.3
P3.4
P3.5
5V
10K
RD
WR
C/D
CE
HALT
图2-5间接访问方式接口电路图
间接控制方式的基本程序如下：
（1）读标志字子程序占用寄存器：
A；
输出寄存器：
A存储标志字。
PR0:
ORL
OLR
P3,#38H
P1,#0FFH
;
控制口初始化，C/D=1
P1口为输入方式
CLR
MOV
A,P1
RD=0
读标志字
SETB
RD=1
RET
此程序可以用直接访问方式中的PR01，PR02，PR03和PR06等子程序直接调用。
（2）写指令和数据子程序
占用寄存器：
R2，R3，R4，A；
输入寄存器：
R2参数第一字节，R3参数第二字节，R4指令代码
PR1:
ACALLPR01;
双字节参数指令入口
MOVA,R2
ACALLPR14
PR11:
单字节参数指令入口
MOVA,R3
PR12:
无参数指令入口
MOVA,R4
SJMPPR15
PR14:
CLRP3.5;
写数据入口，C/D=0
PR15:
CLRP3.4;
WR=0
MOVP0,A;
写入
SETBP3.4;
WR=1
SETBP3.5;
C/D=1
（3）读数据子程序占用寄存器：
A存储数据
PR2:
ACALLPR01
ORL
P0,#0FFH
C/D=0
P1口输入方式
A,P0
读数据
SET
2.5时钟电路的设计
8051芯片内部有一个高增益的反相放大器，用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为
XTAL1，输出端为XTAL2，分别是8051的19脚和18脚。
在XTAL1和XTAL2两端跨接
石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自给振荡器，见下图2-6。
两个电容通常取30PF左
右，对振荡频率有微调作用。
8051也可以使用外部振荡脉冲信号，由XTAL2输入，直接送至内部时钟电路。
因为XTAL2的逻辑电平与TTL不兼容，所以应接一个上拉电阻。
本设计选择的下图所示振荡电路，振荡频率为12MHz，时钟发生器是一个2分频触发器电路，它将振荡器的信号频率fosc除以2，向CPU提供了两相时钟信号P1和P2。
时钟信号的周期称为机器状态时间S（STATE），它是振荡周期的2倍。
在每个时钟周期（即机器状态时间）的前半周期，相位为1（P1）信号有效，在每个时钟周期的后半周期，相位2（P2）信号有效。
每个时钟周期有两个节拍P1和P2，CPU就以两相时钟P1和P2为基本节拍指挥8051单片机各个部件协调地工作。
时钟电路如图2-6所示。
C1
30pF
12MHz
C2
2.6复位电路的设计
XTAL1XTAL2
图2-6时钟电路
复位电路虽然简单，但其作用非常重要，一个单片机能否正常运行，首先要检查是否能
复位成功，在复位电路中，RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其时间应持续24个震荡周期以上，若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
在本设计中用到的是12MHz的晶振。
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式，上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种，其中，按键电平复位是通过使复位端经过电阻与Vcc电源接通而实现的，而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，在本设计中采用的是按键电平复位，电路如图2-7所示。
C
RsR
图2-7复位电路图
三、结束语
本设计利用AT89C51为核心，使用了DS18B20芯片作为本设计的温度传感器，加上适当的外围电路，使本系统具有许多其它温度巡回检测系统所不具备的优点。
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，不仅获得了更优良的工作性能，提高了抗干扰能力和可靠性，而且使系统结构更简洁，维护方便，缩小了空间。
这样的设计方法不仅对前端模拟信号处理电路提出了更高的要求,而且不具有数字通信和网络功能。
本设计结合DS18B20的新特性和现代温度测量系统提出的新要求，提出了基于智能数字温度传感器DS18B20的高精度、多点温度测量系统设计方案。
该方案具有安装方便、数字化程度高、精度高、适应性强等特点，在多种温度检测中具有广阔的应用前景。
对本系统而言，仍然有许多不足之处。
首先，由于对LCD液晶显示的了解不够，对硬件图上的LCD连接存在一定的问题。
其次，DS18B20的测温范围小，仅适用于一般场合，这就使测温有了局限性。
再次，由于本人能力有限不能很好的利用DS18B20的单总线技术，这成为本设计的一个设计缺陷。
在本设计中，或许还存在一些问题，还请批评指证。
参考资料
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[19]智能温度传感器DS18B20的原理与应用
[20]DS18B20资料
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