毕业论文毕业设计论文粮仓温湿度监测系统毕业论文

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1、课程设计粮仓温湿度监测系统系 别机电工程系专业名称机电一体化技术班级学号121101004学生姓名柴彪礼指导教师朱良学2014年6月25日粮仓温湿度监测系统摘 要随着单片机技术的飞速发展，单片机在各个领域得到了广泛的应用。粮食是人类生存的必需品，温度是保存好粮食的先决条件，储存大量的粮食对稳定国民经济的发展起到至关重要的作用。粮库一般较大，测量点会很多。粮仓温湿度测量方法以及相应的智能控制一直是粮食保存的一个重要问题。本系统是以AT89C52单片机、DS18B20数值温度传感器和HS1100湿度传感器为核心组成的粮仓温湿度控制系统。该系统利用AT89C52单片机采集了各个点的温度、湿度，实现温

2、湿度显示、报警等功能。它以AT89C52单片机为主控制芯片，采用数字温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1100实现多路温度的检测，利用LCD1602液晶显示器形象直观的显示测出的温湿度值。本文在确定法设计方案基础上，着重论述了系统的软硬件设计，并且描述了系统电路设计、硬件设计框图及所使用各种芯片功能和特性。通过PROTEUS软件和KEIL C仿真出了该系统。关键词：单片机，DS18B20，HS1100，液晶显示，报警目 录1 绪论11.1 背景11.2 设计的目的和意义11.3 相关领域国内外设计方法22 系统方案设计72.1 方案设计72.2 方案论证73 系统硬件的设计93.1 系统

3、工作原理综述93.2 AT89C52的介绍93.2.1 AT89C52芯片的简介93.2.2 AT89C52主要功能特性103.3 DS18B20简介113.3.1 DS18B20 的性能特点113.3.2 DS18B20 的内部结构113.3.3 DS18B20 的温度值格式133.3.4 DS18B20单总线(1-Wire)的基本原理143.3.5 DS18B20与单片机接口电路163.4 HS1100简介及测湿度原理图183.4.1 HS1100 /1101的特点183.4.2 湿度测量电路设计及工作原理193.5 LCD液晶显示电路203.5.1 LCD1602主要技术参数213.5.

4、2 LCD1602的引脚说明213.5.3 控制指令说明223.5.4 液晶内部显示地址223.6 扫描键盘233.7 报警电路243.8 温湿度控制输出驱动电路244 系统软件的设计264.1 主程序设计264.2 DS18B20的软件设计274.2.1 复位与读、写时序274.2.2 操作命令介绍284.2.3 基本操作程序及流程图294.3 HS1100的程序设计334.4 1602的C51读写程序344.5 键盘扫描程序设计374.6 温湿度报警程序设计385 系统的抗干扰问题395.1 硬件抗干扰措施395.2 软件抗干扰措施41结论43参考资料44致谢45附录46附录A46附录B4

5、7附录C531 绪论1.1 背景 “国以民为本，民以食为天”，“兵马未动，粮草先行”，这些都充分说明粮食对国家的重要性1。从理论上讲国家掌握的粮食越多越好，但从现代经济学的角度看，国家只要能控制住一定数量的可以灵活支配、质量良好的粮食，既可达到“备战备荒”、宏观调控的目的，又可节省资金用于发展经济。一般来说：粮食存放在粮仓中，大型的粮仓可存放数以万计的粮食。而且这些粮食存放的时间有长有短。为了保证存放在粮仓中的粮食不致腐烂变质，就必须使粮仓内的温湿度保持在一定的范围以内。为了达到以上的要求，必不可少的就是既稳定又精确的粮情监测系统。粮情监测系统是通过计算机检测粮食储备库中粮食的基本温湿度情况，

6、并结合其他粮情信息（如入仓时间、品种、仓型、天气状况等）进行综合分析。利用微机技术对粮仓进行监测，用户可方便地构造自己需要的数据采集系统。在综合研究国内粮库管理现状和发展的前提下，吸收了国内多种粮库粮情温湿度监测系统的成功经验后，我们设计了自己的仓库温湿度监测系统。该系统具有可靠性和高性价比，而且操作维修简便，具有检测、数显等诸多功能。1.2 设计的目的和意义科学储粮是粮食生产的一个重要环节，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大浪费。粮库管理中最重要的问题是监测粮堆中的温湿度变化。粮库一般由几十个甚至上百个由水泥或钢板构成的圆型仓组成，仓高2030m。现在，我国在粮仓建设上己实现规范化，但是监

7、测手段一直未能实现同步现代化2。我国许多储备粮库每年都因测控设备的不完善而导致部分粮食霉变，许多大型储备粮库的测控设备仍需高价进口，因此国家准备在未来的几年内对全国所有的粮库进行翻新和改造工作，要求规范粮库管理，实现粮库管理现代化。影响储粮安全的最主要因素是粮堆内的温度和湿度，这就要求能有一种有效的、低成本的仪表来实现监测控制功能，使得管理人员能够方便有效地进行监测操作。如果用单片机作为前沿机对现场进行数据采集，通过对采集的数据进行分析（温度设定，实时温度显示，报警电路）然后通过单片机串行口控制电机启停进行温湿度控制。利用单片机技术对粮仓进行监测，用户可以方便地够造自己所需要的数据采集系统，在

8、任何时候把粮仓现场的信息实时地传到控制室，管理人员不进入现场就可以按照所需的温湿度要求对粮仓内的温度情况进行控制，提高了生产效率，增强了粮仓内存储安全，获得了粮仓的实时管理，实现自动化。微机测量是微机设计的第一步，是微机测量技术的现场部分，即测量粮仓中的温湿度，并使用单片机对测量的数据进行处理并对粮仓内的温湿度进行控制。1.3 相关领域国内外设计方法国内外有很多仓库温湿度监测系统的方法，主要有以下几种。1、基于CAN总线的粮情监控系统的设计与实现 基于CAN总线的粮情监控系统主要由监控计算机和各仓房智能测控节点构成，具体分为通用计算机、USBCAN网络适配器、CAN总线网络和若干个仓房智能测控

9、节点。该系统将完成以AT89C52控制器为中心的数据采集与通风控制的仓房节点的设计，其中最重要的工作是完成仓房温度测量网络的设计3。由于仓房数据采集一般以温度采集为主，其测量点数目之多，使温度测量的难度加大，因此仓房温度的测量一直是粮情监控系统设计的关键。在设计中将采用单总线数字式温度传感器DS18B20组成单总线数字式测温网络，并最大限度的缩短和简化电缆布局。系统的湿度传感器选用电容式传感器，电容式传感器输出为020mA的电流信号，经过250欧电阻转为电压信号，此信号再经过A/D转换器TLC1549转化为AT89C52所能采集的串行数字信号，同时，为减小TLC1549内部输入阻抗的影响，在其

10、输入端放置了LM158组成的压随电路。基于CAN总线的粮情监控系统的主要任务是完成对各仓房的温湿度的实时巡检，对采集数据进行处理分析来掌握粮食的储存情况，并按照要求实时控制各仓房的通风设备。其中USBCAN网络适配器主要负责的任务是实现USB接口与CAN总线之间的数据交互，由于监控计算机没有CAN总线接口，不能直接提供CAN通信功能，系统通过USBCAN网络适配器使监控计算机间接地连入到CAN总线网络中。仓房智能测控节点的任务是完成对粮仓内的温湿度的采集和通风设备的控制，并能通过CAN总线和监控计算机通信。特点：CAN现场总线技术作为最有前途的现场总线之一，其可靠性高，使用环境能力强，交错能力

11、突出，性价比高，有灵活的网络拓扑结构，高度分散的系统结构和高智能化的现场设备。2、远程温湿度测控系统研究远程温湿度测控系统主要由温湿度采集器，温湿度测控平台，控制器，执行机构，远程通讯模块和控制中心软件等部分组成，系统采用了总线结构，模块化设计，各部分既可独立工作，又可联网工作，组建方便，并具有良好的扩充性。智能型温湿度采集器采用国际上先进的温敏和湿敏元件，传递温湿度参数；温湿度测控平台内置微处理器，智能化设计，可独立工作又可方便组网，还可监测并管理各个温湿度测控器的工作，指令各相应机构，实现环境的检测和控制，同时，控制平台的通讯功能使其可作为下位机接受上位机和计算机的管理和控制，通过电力载波

12、、电话线或通讯电缆等通讯手段可接入总体测控系统中心网络。1）温湿度采集器（信号采集）:用于测量环境温湿度，采用温敏电阻和高分子湿敏电容高精度测温测湿，智能化设计，自动校准温湿度基准。2）控制器:接受温湿度测控平台指令，控制执行机构起停。3）执行机构:指用于实现加热、制冷、加湿、除湿等功用的设备，如加热器、制冷机、加湿机、除湿机等。4）测控平台:测控平台是温、湿度测控系统的重要组成部分，是联系温、湿度测控及信号采集器和计算机管理控制中心（上位机）的枢纽。一方面传送报警设定参数给测量端，并获取各点的温湿度值和开关变量；另一方面将温湿度值、状态和开关变量上传给计算机管理控制中心。巡检测控仪提供液晶显

13、示器显示时间、通道号、温度、湿度以及抽风除湿等状态。系统状态有通风、强制通风、抽湿、强制抽湿、故障、锁定、查询，可连续设定温湿度控制值，根据设定指令自动监控温湿度测控器的工作，控制整个系统的运行，同时可通过通讯模块一与计算机管理控制中心（上位机）通讯联网，接受计算机管理控制中心（上位机）的工作指令。（可选带汉字打印机）。5）通讯（链路）模块:连接计算机管理控制中心（上位机）与测控平台，使测控平台纳入整体计算的控制管理中心体系。6）计算机管理控制中心（上位机）:A、可对多个测控平台进行远程实时显示、检测；B、可对各个测控平台的历史数据进行存储分析，并进行相应的处理；C、可对平台的各个测控参数进行

14、设置和控制；D、可以定时的搜索各个测控平台，及时的汇报各平台的状况。特点：系统的设计可靠，操作简单方便，全自动化，优选分析软件，智能控制，而且安装简便，维护简单，不仅适用于国防工程、人防工程等，而且也可广泛适用于大型建筑、工厂车间、仓库（房）、温室花棚、蔬菜塑料大棚等对温湿度要求较高的场所。另外，相关于智能化以及相关产品的研发，既有利于推动工控技术的发展，又能带来可观的经济效益和社会效益。缺点是所测量的温湿度数据不够精确。3、无线温、湿度仓贮自动测控系统的研究无线稳、湿度仓贮自动测控系统主要监测、控制仓库现场的温度和湿度等参数，实时显示和监测各个仓库的环境情况，通过控制室计算机的分析处理，实现

15、现场的控制，从而提高仓库的科学管理化、控制自动化水平。系统由温、湿度数据采集、无线收发、单片机数据接收处理及微机数据显示几部分组成。数据采集发送部分主要以89C51单片机作为核心主机，以单片智能化湿度/温度传感器作为从机加上数据无线发送模块。单片机接收数据并通过串行口将数据发送给计算机，计算机对接收到的数据进行处理和显示。整个系统采用对分布的传感器进行分时扫描的工作方式，控制端上电后将主动向分布的传感器按照预设的编号发起连接请求，与传感器建立数据传输通道。传感器端将采集到的仓贮现场数据在经过简单的处理后，经过无线发送模块发送到控制器的接受端，控制端接收到数据后，按照用户的需要进行分析和处理并产

16、生图表。同时控制端也可以按照预先设定的标号，对某一个或者多个传感器进行扫描，以确定是否为突发的干扰错误。系统通讯接口主要包括一个主控芯片AT89C51单片机、一个RS232接口电路芯片MAX232、一个DTMF编解码电路芯片MT888O、无线调频发射电路和接收电路等DTMF编、解码采用硬件电路MT8880芯片，它是一种带呼叫进展滤波器的单片双音多频收发器。MT8880有一个标准的微处理器总线接口，可直接与单片机I/O端口连接，CPU通过它控制发送器和接收器工作，与该接口有关的是片内的数据转移寄存器、控制寄存器和状态寄存器。无线收发电路设计主要是挪威Nordic公司最新推出的一款数传频段为433

17、MHz的单片无线收发一体化的nRF401芯片，它将高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调和多频道切换等功能进行高度集成，具有性能优异、价格低廉和使用方便等特点，nRF401芯片能和串口直接相连，且简单的单片机I/O输出可直接控制无线收发芯片的收发工作，无线通信系统设计简便4。 特点：采用无线传输技术的系统唯一缺陷是在传感器收发数据的校准的时候比较繁琐，花费了大量的时间和精力，但是一经校准，维护工作简单容易，测量数据的准确率高。4、智能化粮情监控系统的研究与开发 储粮的主要物理参数是粮食的温度、水分以及仓库内、外的温度、湿度，这些参数的快速、准确、自动监测对于减少粮食损耗具有重要

18、意义。粮情监控系统是能够对粮食自动进行测温、测湿及测水分，实现粮情的自动监测，完成粮食状态的分析与估计的智能系统。智能化粮情监控系统利用计算机构成整个粮食仓储区管理系统，系统设计成主从工作方式，主机应具备通讯、数据显示、数据存储、数据分析等主要管理功能；下位机系统应该具备通讯、控制及参数输入等基本功能。 粮情监控系统采用温度传感器来采集粮食的温度，粮仓中各个测温点在测控分机的控制之下被循环接入测量电路。由于每个粮仓的测温点较多，那么每一个都设置了一个测控分机，以确保其有足够的测量能力。测控分机与中心控制室的距离较远，为了增加信号的传输距离，系统采用RS485总线与通讯主机相连，而通讯主机收到测

19、控分机输出的数据信号，经过光电隔离、74LS14数据整形，然后将0SV的数字信号转换为上位机可以接受的（-12）V（+12）V数字信号，通过串行通讯口RS232传给上位机，上位机据此信号实现数据实时显示、曲线浏览、粮库管理等功能。 上位机：系统选用标准的PC机作为上位机，安放在中心控制室，该部分是整个系统的核心部分。无论是和下位机通讯，还是系统的综合管理，都完全依赖本控制中心。主要完成的功能有通讯功能，管理功能，显示机打印功能，还有报警提示功能。 下位机：主要由通讯主机和测控分机组成。 通讯主机：通讯主机放在微机室或总控室，一端通过标准工业接口RS232与计算机相连，另一端通过RS485总线与

20、现场的若干台分机相连，进行分机与计算机间数据或指令的上传下达。 测控分机：安装在仓库现场，通过RS485总线与通讯主机相连，每台测控分机连接若干温湿度传感器、通风控制器、仓内外温湿度传感器、水分传感器等设备，完成仓房粮情检测和通风控制功能。 特点：系统采用了数字式温度传感器DS18B20，这种芯片省去了A/D转换电路，测量精度高，可靠性强。通讯方式采用RS485总线技术，缺点是应用时间长，但软硬件实现较为容易，因此是国内粮情检测系统采用较多的通讯方式。2 系统方案设计2.1 方案设计方案一：该方案由单片机、模拟温度传感器AD590、湿度传感器HS1100、555振荡芯片、运算放大器、A/D转换

21、器、LCD显示电路、电风扇、报警灯组成。该方案采用模拟温度传感器AD590作为测温元件，传感器测量的温度变化转换成电流的变化，再通过电路转换成电压的变化，使用运算放大器交给信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟模拟信号转换成数据信号，传给单片机，单片机将温度值进行处理之后用LCD显示，当温湿度值超过设定值时开始报警且打开电风扇。如图2.1所示：模拟温度 传感器运算放大器AD转换键盘 单片机LCD 显示模块报警灯电风扇湿度传感器555振荡图2.1方案一温湿度测量系统方案框图方案二：该方案使用了AT89C52单片机作为控制核心，以智能温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1100为温湿度测

22、量元件，进行多点温湿度监测，超过其温湿度上下限值就报警且打开电风扇和干燥机。显示电路采用LCD1602模块，使用单片机直接驱动发光二极管构成报警电路。（如图2.2所示）。2.2 方案论证方案一采用模拟温度传感器，转换结果需要经过运算放大器传给处理器。它控制虽然简单，但电路复杂，不容易实现对多点温度测量和监控。由于采用了多个分立元件和模数转换器，容易出现误差，测量结果不是很准确，因此本方案并不可取。方案二采用智能温度传感器DS18B20，它直接输入数字量，精度高，电路简单，只需要模拟DS18B20的读写时序，根据DS18B20的协议读取转换的温度,体现了技术的先进性，性价比低。综上所述，本课题应

23、当采用方案二对系统进行设计。DS18B20键盘 单 片 机 LCD液晶显示电路报警器HS1100555振荡电风扇干燥机HS1100555振荡DS18B208253可编程计数器/定时器图2.2方案二温湿度测量系统方案框图 8253可编程计数器/定时器内部有三个计数器，分别为计数器0、计数器1和计数器2，他们的机构完全相同。每个计数器的输入和输出都决定于设置在控制寄存器中的控制字，互相之间工作完全独立。每个计数器内部有一个8位的控制寄存器，还有一个16位的计数初值寄存器CR、一个计数执行部件CE和一个输出锁存器OL。CR、CE和OL都是16位寄存器，也可以作8位寄存器来用。3 系统硬件的设计3.1

24、 系统工作原理综述基于单片机的单总线多点温度监测系统以AT89C52为中心，以KEIL为系统程序开发平台，以C语言进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的。系统主要由温度传感器、湿度传感器、液晶显示电路、键盘、报警电路、电风扇、干燥机组成，电路图如附录A所示。温度传感器是DS18B20芯片，它的输入、输出采用数字量，通过单总线，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度数值以串口形式发给主机，主机按照通讯协议用一个I/O口模拟DS18B20时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数据处理得到

25、温度值。湿度传感器是HS1100芯片，在电路构成中等效于一个电容器件，将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集，然后通过编程将电压频率信号转换成与之对应的湿度。湿度和温度值在液晶上循环显示。在系统启动时，可以通过软件设置各点温湿度的上限值和下限值，当某点温度或湿度超过设置值时，报警器开始报警且执行器开始工作，从而实现了对各点温湿度实时监测。3.2 AT89C52的介绍3.2.1 AT89C52芯片的简介AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes

26、的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合3。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三

27、种封装形式，以适应不同产品的需求。图3.1 AT89C52引脚图3.2.2 AT89C52主要功能特性兼容MCS51指令系统32个双向I/O口3个16位可编程定时/计数器中断2个串行中断2个外部中断源2个读写中断口线低功耗空闲和掉电模式8K可反复擦写（大于1000次）Flash ROMbit内部RAM时钟频率024MHz可编程UART串行通道共6个中断源3级加密位软件设置睡眠和唤醒功能3.3 DS18B20简介美国MAXIM公司的子公司Dallas半导体公司的数字温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线” 接口的温度传感器，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三级管的集成电路内。一

28、线总线独特而且经济的特点，使用用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活，使你可以充分发挥“一线总线”的优点6。3.3.1 DS18B20 的性能特点单线数字温度传感器DS18B20器件的特点如下：1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条信号线即可实现单片机与DS18B20的双向通讯。2）在使用中不需要任何外围元件。3）可用数据线供电，电压范围： 3.0 5.5 V。4）测温范围：-55 125 。测温分辨率为0.5。5）通过编程可实现912位的数字读数方式。6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。7）

29、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在三条线上，实现多点测温。8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.3.2 DS18B20 的内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3.2所示。DS18B20引脚定义：(1) DQ 为数字信号输入/输出端；(2) GND 为电源地；(3) VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20采用3角PR-35封装或8角SOIC封装，其内部结构如图3.3所示。 图3.2 DS18B20 的

30、管脚排列图64位ROM 和单线接口电流检测存储器和控制器 高速 缓存存储器8位CRC生成器温度敏感元件低温触发器TL高温触发器TH配置寄存器图3.3 DS18B20 内部结构图（1）64 位光刻ROM的结构如下：8位CRC校验码48位序列号8工厂代码（10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB在ROM中，开始是8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码。可用ROM操作命令读出其内容。（2）内部存储器DS18B20温度传感器的内部存储器字节顺序如下：温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRC字节0 字节8第1，2字节保存温

31、度数值，第1字节为低位，第2字节为高位。第3，4字节锁存器TH和TL保存非易市失性温度报警数据，可通过软件写入用户报警上下限。第5字节是配置寄存器，其内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下：TMR1R011111该寄存器低5位都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表3.1所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。表3.1分辨率与转换时间表R1R0分辨率温度最大转换时

32、间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms由表可知，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。第68字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。CRC的产生在64 位 ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。处理器根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。3.3.3 DS18B20 的温度值格式当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在内部存

33、储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.0625/LSB形式表示。温度值格式如表3.2所示：表3.2 DS18B20 温度值格式表 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 LS Byte Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit 9 Bit 8MS Byte 2223 21 202-1 2-22-3 2-4 SS S S S 262524当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码（在取补），再计算十进制值。表3.3是

34、一部分温度值对应表。 表3.3 部分温度值对应表温度（）二进制十六进制+1250000 01111101 000007D0H+25.06250000 00011001 00010191H+0.50000 00000000 10000008H00000 00000000 00000000H-0.51111 11111111 1000FFF8H-25.06251111 11100110 1111FE6FH-551111 11001001 0000FC90H3.3.4 DS18B20单总线(1-Wire)的基本原理1.概述单总线(l-Wire)采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双

35、向，它具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。1-Wire单总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。当只有一个从机位于总线上时，系统可按照单节点系统操作，而当多个从机位于总线上时，则系统按照多节点系统操作。为了较为全面地介绍单总线系统，将系统分为三个部分讨论硬件结构命令序列和信号方式(信号类型和时序)。DS18B20的测温原理图如图3.4所示：斜率累加器预置低温度系数振荡器减法计数器1计数比较器预置温度寄存器减到0增加高温度系数振荡减法计数器2减到0停止 图3.4 DS18B20测温原理图图3.4中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生

36、固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其晶振频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进

37、行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。图3.4中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，知道温度寄存器仍达到被测温度值。2.命令序列典型的单总线命令序列如下：第一步：初始化；第二步：ROM命令（跟随需要交换的数据）；第三步：功能命令（跟随需要交换的数据）。每次访问单总线器件，必须严格遵守这个命令序列，如果出现序列混乱，则单总线器件不会响应主机。但是，这个准则对于搜索ROM命令和报警搜索命令例外，在执行两者中任何一条命令之后，主机不能执行其后的功能命令，必须返

38、回至第一步。1）初始化基于单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。2）ROM命令在主机检测到应答脉冲后，就可以发出ROM命令。这些命令与各个从机设备的唯一64位ROM代码相关，允许主机在单总线上连接多个从机设备时，指定操作某个从机设备。这些命令还允许主机能够检测到总线上有多少个从机设备以及其设备类型，或者有没有设备处于报警状态。从机设备可能支持5种ROM命令(实际情况与具体型号有关)，每种命令长度为8位。主机在发出功能命令之前，必须送出合适的ROM命令。ROM命令主要包括：搜索0F0h、

39、读ROM33h、匹配ROM55h、跳越ROM0CCh、报警搜索0ECh。3)功能命令在主机发出ROM命令，以访问某个指定的单总线器件，接着就可以发出单总线器件支持的某个功能命令。功能命令主要包括:转换温度44h、读暂存器0BEh、写暂存器4Eh、复制暂存器48h、回读EEPROM0B8h、读供电方式0B4h等。3.信号方式所有的单总线器件要求采用严格的通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号。并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前，这一点与多数串行通信格式不同（多数为字节的高位在

40、前）。3.3.5 DS18B20与单片机接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1管脚接地，2脚作为信号线接单片机的I/O口，电源与数字输入管脚间需接一个4.7K的电阻，3管脚接电源，如图3.5所示。另一种是寄生电源方式，如图3.6所示。单片机端口接单片机总线，为保证在有效的DS18B20 时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于些存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10s。采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送端接口必须是

41、三态的。DS18B20虽然有测温简单的特点，但在实际应用中应注意一下几点：(1) 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20 与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20 进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C 等高级语言进行系统程序设计时，对DS18B20 操作部分最好采用汇编语言实现。(2) 在DS18B20 的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20 数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS18B20 超过8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进

42、行多点测温系统设计时要加以注意。(3) 连接DS18B20 的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m 时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS18B20 进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。(4) 在DS18B20 测温程序设计中，向DS18B20 发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20 的返回信号，一旦某个DS18B20 接触不好或断线，当程序

43、读该DS18B20 时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS18B20 硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。单片机VCCDQGNDVcc4.7K 图3.5 DS18B20采用电源供电方式的电路图单片机VccVcc DS18B20DS18B20DS18B204.7 K 图3.6 DS18B20采用寄生电源的电路图3.4 HS1100简介及测湿度原理图3.4.1 HS1100 /1101的特点HS1100/1101采用固态聚合物结构，它具有全互换性，在标准环境下不需要校正，长时间饱和下快速脱湿，高可靠性等特点，可用于作业环境湿度自动化及工业控制系统，同时在需要湿度补偿的地方它也可以

44、得到很大的应用7。湿度（HS1100）测量范围：0100%RH，准确度：2%RH；分辨率：0.2%RH。3.4.2 湿度测量电路设计及工作原理HS1100/HS1101电容式湿度传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接收的信号，常用2种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集，本文采用第二种方法。由HS1100/1101与555定

45、时器构成的非稳态振荡电路如图3.7所示，它是典型的555非稳态电路8。555必须为CMOS型定时器。HS1100/1101作为定时电容CT接在555的2脚(TR)和6脚(TH)上，R11起输出短路保护作用。引脚7连接于电阻R9与R10之间，这样充电支路为R9，R10，CT，放电支路为CT，R9。当电源+接通时，CT两端的电压=0，定时电路处于置位状态，由+通过R9与R10对变量电容CT充电，当达到门限电压(2/3)时，定时电路翻转为复位状态，CT通过R9向555内部的放电管放电，当降低到触发电平(1/3)时，定时电路又翻转为置位状态，CT开始充电，这样周而复始，形成振荡。其工作循环中的充电时间

46、、放电时间、振荡频率F可描述如下： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4）为了使占空比接近50%，R9与R10相比，应该非常小，但是不能低于最小值，它受HS1100/1101起始充电电流的限制。一般要求起始充电电流不大于5mA。当外界湿度变化时引起HS1100/1101电容值的改变，从而改变回路的输出频率值。其输出端与51单片机的T0脚相连接。555电路的非平衡电阻R8作为内部温度补偿用，应具有1%的精度，目的是为了引入温度效应，使它与HS1100/1101的温度效应相匹配。由于不同型号的555的内部温度补偿有所不同，所以R8的值必须与特定的芯片相匹配。此电路所用的电阻阻值及元件如图3

47、.7所示。图3.7湿度测量电路图基于图3.7所示电路参数，在温度为25，典型的环境湿度下测量其对应的频率值，通过多次反复实验，得到几种典型相对湿度值所对应的频率值，如表3.4所示。为百分比相对湿度；为输出频率，单位是Hz。表3.4几种典型相对湿度值所对应的频率值0102030405060708090100735172247100697668536728660064686330618660333.5 LCD液晶显示电路本系统的显示部分采用LCD1602字符显示模块，与采用数码管相比，硬件连接和软件调试上都有优势9。只要把要显示的内容放进液晶模块的显示存储器里面就可以直观的显示出指定的内容，操作方

48、便。3.5.1 LCD1602主要技术参数显示容量为162个字符；芯片工作电压为4.55.5V；工作电流为2.0mA（5.0V）；模块最佳工作电压为5.0V；字符尺寸为2.954.35（WH）mm。3.5.2 LCD1602的引脚说明图3.8 LCD显示器LCD1602采用标准的14脚接口，其中:第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VEE为液晶显示器对比度调整端。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW

49、为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。 第1516脚：空脚3.5.3 控制指令说明1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的，模块内部的控制器共有11条控制指令，指令表如表3.5所示。指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置；指令2：光标复位，光标返回到地址00H；指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效；指令4：显示开关控

50、制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁； 指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标； 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线； N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示； F： 低电平时显示57的点阵字符，高电平时显示510的点阵字符； 指令7：字符发生器RAM地址设置； 指令8：DDRAM地址设置； 指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平

51、表示不忙； 指令10：写数据； 指令11：读数据。3.5.4 液晶内部显示地址液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表3.6是DM-162的内部显示地址。表3.5 控制指令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移动000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存

52、贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容表3.6 DM-162的内部显示地址12345678910111213141516000102030405060708090A0B0C0D0E0F第一行404142434445464748494A4B4C4D4E4F第二行3.6 扫描键盘扫描式键盘电路原理如图3.9所示，行、列线分别连接到按键开关的两端。1、有无按键按下的判断方法：由列线逐列置低电平后，通过检查行输入状态而确定的。其方法是：依次给列线送低电平，然

53、后检查所有行线状态，如果全为高，则所按下的键不在此列；如果不全为高，则所按下的键必在此列，而且是在此列与电平为零的行线相交的交点上的那个键。一旦找到哪个按键被按下，就可以赋键值。2、按键说明：1）、Key1-Key10分别对应0-9十个数字，按下其中一个键时，在显示器上显示其对应的数字；2）、按下Key11键表示进入湿度上下限值设定，显示器上第一行显示Humidity，第二行显示湿度上下限值；3）、按下Key12键表示进入温度上下限值设定，第一行显示Temperature，第二行显示温度上下限值；4）、按下Key13键表示启动和停止；5）、按下Key14-Key16键分别表示进入设置P、I、D

54、值的子程序。图3.9扫描式键盘原理图3.7 报警电路本系统采用单片机与LED和蜂鸣器相连来显示当前系统所处的状态来报警。图3.9报警电路当温度超过仓库设置的温度上下限值时，D1灯亮，并且蜂鸣器响；当湿度超过仓库设置的湿度上下限值时，D2灯亮，同时蜂鸣器响。3.8 温湿度控制输出驱动电路系统中有8路温度检测点，8路湿度检测点，每路对应一个SCR可控硅控制电路。SCR开关的控制方式通常有两种：相应控制和过零控制。相应控制会产生相当大的射频干扰，并通过电网传输到远距离，给电力系统造成“公害”。而过零控制方式是经过实践检验、抑制SCR导通时产生干扰的一种行之有效的方法。本温湿度控制系统采用过零控制，通

55、过调节双向可控硅的功率，交流“调功”方式控制电热丝发热量和直流电机转速，即在每一个控制周期时间内，改变加在电热丝或直流电机负载上交流电压半波的个数来调节电热丝的发热量或直流电机的转速10。例如：设电热丝在额定交流电压下的发热功率为，交流电的频率为，则每秒钟交流半周波的个数为，在额定电压下，每一个半周波在电热丝上所消耗的电功率为。设在每一个控制周期T内交流半周波的总个数为N，而实际导通的个数为n，不导通的个数为N-n,则在一个周期T内电热丝消耗的电能量 为，对于K个控制周期而言，电热丝所消耗的电能为。由此可见，改变每个控制周期内通过电热丝交流半周波的个数，就能改变电热丝所消耗的电能，也就改变了加

56、热电热丝的发热量。为了实现可控硅的过零触发，选用了带过零检测功能的光电耦合可控硅芯片MOC3031。MOC3031将AT89C52输出信号控制了可控硅，同时也使单片机部分与电网电压之间进行了可靠的隔离，以免产生干扰。驱动电路如图3.10：图3.10干燥机驱动电路图其中，R13限流电阻，用以限制流过发光二极管的电流，SCR为外接的双向可控硅，C6为滤波电容，用以滤掉交流电网中的高次谐波，MOC3031保证可控硅SCR只要在交流电网电压过零时导通。4 系统软件的设计开始4.1 主程序设计LCD初始化设置报警上下限值复位读取温度数据转换、显示键盘扫描？N温度处理YN延时10sNOK/STOP?？执行

57、键盘相应任务YY读取湿度数据结束转换、显示湿度处理N延时10sY图4.1主程序流程图4.2 DS18B20的软件设计4.2.1 复位与读、写时序由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，对读写有着严格的时序要求，因此有通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。1、DS18B20的复位时序 图4.2复位时序复位要求主CPU将数据线下拉500s，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660s左右，后发出60240s低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。2、DS18B20的读时序 对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。读时序是从单片机把单总线拉低之后，在15s之内就得释

58、放单总线，以DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。 图4.3 DS18B20的读时序3、DS18B20的写时序 对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。 图4. 4 DS18B20的写时序4.2.2 操作命令介绍1、ROM命令1）读ROM（33h）该命令允许从DS18B20芯片中读出8位编码、序列号和8位CRC码，总线上只有一个DS18B20的时候才可用。2）匹配ROM命令（55h）该命令后跟64位ROM序列，可以在总线上找到一