多路温度巡检系统的硬件设计

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1、多路温度巡检系统的硬件设计摘要：本设计针对目前暖气泄漏检测的现状及其存在的主要问题，设计了一种7路温 度巡检仪。该设计可扩展为0-99路，因此可以巡回检测多个测试点的温度，不仅具有精度高、 功耗低等优点，还可以及时显示和采取保护措施，使用相当方便。在硬件上，温度检测元件 采用单总线方式下的先进的数字式温度传感器，摒弃了传统的A/D转换器，电路结构大为简 化。在软件上，用汇编语言对单片机编程以实现对各测试点温度值的检测和集中管理，并且 通过软件编程以极少量按键实现了对仪表的方便操作。系统设计出来后，用PROTEUS软件 对其进行了仿真。另外，从软硬件两方面对系统进行了抗干扰性的设计，从而使系统的

2、可靠 性得到明显的提高。该课题的研究将对一般环境下的温度的巡回检测提高到了一个新的水 平，具有较高的社会推广价值。关键词：单总线；温度巡回检测；数字式温度传感器Abstract：In accordance with the present situation and mainly existing problems of the warm air machine leaks the examination, a kind of 7-road temperature-cruising test instrument has been designed in this article. The r

3、oads number of the meter can be broadened from No.0 to No.99.Besides its high precision, low power, it can display, which makes it easily controlled. On the hardware, the 1-wire progressive digital thermometer has been elected to test temperature, so the traditional A/D converter was not be used. Th

4、is makes the meter circuit easy. On the software, using assembly language in programming for CPU realized monitoring the temperature on every road and center management. The system design after coming out the software of PROTEUS as to its proceeded really imitate. In addition, there are only some bu

5、ttons, but can control easily. Generally, the study on this topic will develop a high level of the common environmental temperature instrument in its measuring and management, and it is very worthy of generalization and application.Key words: Single Bus; Roving Temperature Detection; Digital Tempera

6、ture Sensor一、概述本设计针对目前暖气泄漏检测的现状及其存在的主要问题，设计了一种基于AT89C51 单片机的多路温度巡检系统，采用DALLAS公司的单总线智能温度传感器DS18B20来采集温 度采集，采用ATMEL公司生产的的低功耗CMOS串行EEPROM AT24C02来进行采集数据的 保存，采用T6963C液晶控制器来进行采集温度的显示，并通过自定义的键盘对本系统进行控制。系统设计方框图如图1-1所示。时钟电路AT89C51P0LCD 液晶显示复位电路RSTP2键盘测温电路 7采样个 DS18B20P1P3.6P3.7AT24C02图1-1 系统设计方框图二、多路温度巡检系统的

7、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：3.05.5V，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 912 位， 对应的可分辨温

8、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

9、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 2040 k ，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

10、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。VCCDS18B20123GND DQ VDDP4.7kI/O2.2 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 EEPROM AT24C02 来进行采集数据的保存，它内含 2568 位存储空

11、间， 具有工作电压宽（2.55.5V）、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。 +5VAT24C02182736455.1k 5.1kP3.6P3.7AT89C51图 2-2 AT24C02 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 SD

12、A 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 44 键盘。

13、键盘占用了 P2.0 至 P2.7。0123456789ABCDEF4.7k4.7k4.7k4.7k+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

14、 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 ag 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

15、，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

16、 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.XXXX7XX.XXXX图 2-4 液晶显示框图P0-7D0-D7AT89C51P3.3P3.4P3.55V10K10KRDWRC/DCEHALTRST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:ORLOLRP3,#38HP1,#0FFH;

17、控制口初始化，C/D=1;P1口为输入方式CLRMOVP3.3A,P1;RD=0;读标志字SETBP3.3;RD=1RET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,R2ACALLPR14PR11: ACALLPR01;单字节参数指令入口MOVA,R3ACALLPR14PR12: ACALLPR01;无参数指令入口MOVA,R4SJMPPR15PR14: CLRP3

18、.5;写数据入口，C/D=0PR15: CLRP3.4;WR=0MOVP0,A;写入SETBP3.4;WR=1SETBP3.5;C/D=1RET（3）读数据子程序 占用寄存器：A；输出寄存器：A存储数据PR2:ACALLPR01CLRORLP3.5P0,#0FFH;C/D=0;P1口输入方式CLRMOVP3.3A,P0;RD=0;读数据SETP3.3;RD=1SETP3.5;C/D=1RET2.5 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 XTA

19、L2 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（P

20、1）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。 C130pF12MHzC2 30pF2.6 复位电路的设计XTAL1 XTAL2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

21、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。+5VCRSTRs R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

22、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，

23、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1戴梅萼.微型计算机技术及应用.北京:清华大学出版社,19972李朝青.单片机原理及接口技术.北京:北京航天航空大学出版社,1998 3吴金戌,沈庆阳等.8051 单片机实践与应用.北京:清华大学出版社,2002

24、 4余发山,王福忠.单片机原理应用技术.徐州:中国矿业大学出版社,20035张毅刚,彭喜源等.MCS-51 单片机应用设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997 6夏路石,石宗义.电路原理图与电路板设计教程.北京:北京希望电子出版社,2002 7余家春.Protel 99SE 电路设计使用教程.北京:中国铁通出版社,20038余永权.单片机原理及应用.北京:电子工业出版社,19979贾伯年.传感器技术.南京:东南大学出版社,199710 何立民.I2C 总线应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,199611 周云波.由 DS18B20 单线数字温度计构成的单线多点温度测量系统.北京:电子技术 应用,199612 刘君华.智能传感器系统.西安:西安电子科技大学出版社,1999 13 赵佩华.单片机接口技术及应用.北京:机械工业出版社,200214 周月霞,孙传友.DS18B20 硬件连接及软件编程.传感器世界,2001 15 先锋工作室.单片机程序设计实例.北京:清华大学出版社,200016 24C02 串行存储器中文官方资料手册.广州:广州周立功单片机发展有限公司17 万方数据库18 DS18B20 在温度控制中的应用19 智能温度传感器 DS18B20 的原理与应用20 DS18B20 资料