單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

摘 要 單片機(jī)對溫度的測控是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的控制問題，采用單片機(jī)對溫度進(jìn)行測控不僅具有控制方便、簡單和靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高控制質(zhì)量。單片機(jī)構(gòu)成的溫度測控系統(tǒng)是通過單片機(jī)8051及其溫度檢測和控制電路，對環(huán)境的溫度進(jìn)行控制。本文主要介紹了溫度傳感器的選取和溫度實(shí)時(shí)測控裝置硬件部分的電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中選用獨(dú)特的單總線溫度傳感器DS1820，并且把整個(gè)硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)劃分為DS1820與8051的硬件接口電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)顯示與鍵盤設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)、通信接口電路設(shè)計(jì)。該裝置可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)測量與控制，并能記錄、存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，并附有通信接口，能方便地應(yīng)用于各種溫度控制場合。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；傳感器；檢測 ；控制 ；電路 AbstractMicrocomputer to temperature monitoring is a frequently encountered by the industrial production control, adopting microcomputer to carry on the control to them not only have the control convenience, simple and agility, but also with significant improve the quality of control. Making use of 8051 and its temperature detection and control circuits, microcomputer temperature control system can carry on the detection and control to the temperature of the environment. This article mainly introduces the selection of the temperature sensors and the circuit design of the temperature real-time detection and control hardware device partial. I choose DS1820 the unique 1-wire bus temperature sensor, and divide the whole circuits of hardware system for the DS1820 with the 8051 of hardware interface circuit design, data display and the design of keyboard, the expand circuit design of data memory and the circuit design of communication interface. This device can achieve real-time measurement and control of environmental temperature, and can record, saving related data, and append the communications interface, so can be apply in various situation of temperature control expediently.Key Words：microcomputer；sensor ；detect ；control ；circuit目 錄1概述11.1單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫度控制裝置的意義1.2溫度測控裝置所實(shí)現(xiàn)的功能2微機(jī)控制系統(tǒng)簡介 1.1 微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 1.2 微機(jī)控制系統(tǒng)的分類 3溫度傳感器的選擇 3.1 溫度傳感器的分類 3.2 溫度傳感器信號傳輸模式 3.3溫度傳感器的確定 3.4單總線溫度傳感器DS1820介紹4溫度測控裝置的電路設(shè)計(jì) 4.1 Intel8051單片機(jī)簡介 4.1.1 Intel8051的結(jié)構(gòu)及特性 4.1.2 Intel8051時(shí)鐘電路與復(fù)位電路 4.2 DS1820與8051的接口電路設(shè)計(jì) 4.3溫度顯示與鍵盤設(shè)計(jì) 4.3.1 LED數(shù)碼管簡介及其顯示電路 4.3.2 鍵盤電路設(shè)計(jì)4.4 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)4.5通信接口電路設(shè)計(jì) 4.5.1 RS-323C標(biāo)準(zhǔn)介紹 4.5.2 MAX232與8051的接口電路5.總結(jié)單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置設(shè)計(jì)1.概述本課題的題目是“單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置設(shè)計(jì)”，主要論述了環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置的硬件部分的設(shè)計(jì)，包括核心元器件的選取和介紹、單片機(jī)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。1.1單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫度控制裝置的意義電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了微型計(jì)算機(jī)測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。可以說，微機(jī)測控技術(shù)的應(yīng)用己滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。國防技術(shù)，航空，航天，鐵路，冶金，化工等產(chǎn)業(yè)自不必說，就連日常生活中也用上了微機(jī)控制的電梯，微波爐，電冰箱，電視機(jī)，電扇，智能照相機(jī)，玩具，模糊控制洗衣機(jī)，模糊控制空調(diào)機(jī)，攜帶式心臟監(jiān)護(hù)機(jī)等，所有這些智能機(jī)電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)，無不是微機(jī)測控技術(shù)的成功應(yīng)用。環(huán)境溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實(shí)時(shí)測控溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測控，而溫度也是最不易保障的指標(biāo)，因此研究可靠并且實(shí)用的溫度測控裝置具有重要的意義。而采用MCS51單片機(jī)來對溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置在工業(yè)生產(chǎn)中也會(huì)經(jīng)常會(huì)遇到，因此，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。測控溫度的關(guān)鍵是控制器和溫度傳感器。環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置的設(shè)計(jì)采用的控制器為51單片機(jī)，溫度傳感器是智能集成溫度傳感器DS1820。單片機(jī)作為控制器件，具有體積小、功能強(qiáng)可靠性高、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，再加上近年來隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)領(lǐng)域的滲透, 單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來使用。單片機(jī)不僅已成為工業(yè)測控領(lǐng)域普遍采用的智能化控制工具，而且已滲入到人們工作和生活的各個(gè)角落，有力地推動(dòng)了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代。因此，設(shè)計(jì)該裝置時(shí)選用的控制器是8051單片機(jī)，以保證達(dá)到設(shè)計(jì)的控制要求。DS1820是智能集成數(shù)字溫度傳感器，能快速準(zhǔn)確的進(jìn)行溫度采集，從而使溫度的檢測和控制達(dá)到設(shè)計(jì)要求。1.2溫度測控裝置所實(shí)現(xiàn)的功能環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置可在050的范圍內(nèi)任意設(shè)定溫度控制點(diǎn)，數(shù)碼管可以顯示出環(huán)境溫度，并附有RS-232通信接口可使多個(gè)這樣的裝置方便地與計(jì)算機(jī)互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)溫度的測控。由于該裝置采用了一線數(shù)字溫度傳感器DS1820來實(shí)現(xiàn)溫度采樣，所以也可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度采樣的集中控制。此外，該裝置還可自動(dòng)控制多個(gè)設(shè)備的多點(diǎn)時(shí)間控制電路，便于功能的擴(kuò)展，可保證溫度指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。因此能方便地應(yīng)用于各種溫度控制場合，因而具有更廣泛的應(yīng)用。環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置的設(shè)計(jì)，是以8051單片機(jī)為控制核心，以DS1820為溫度檢測核心構(gòu)成一個(gè)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)測量與控制系統(tǒng)。該裝置可實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）在050間可任意設(shè)定溫度控制點(diǎn)；（2）可以實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測環(huán)境溫濕度的變化情況，并記錄、存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)；（3）具有多點(diǎn)定時(shí)設(shè)備控制電路，便于功能擴(kuò)展；（4）配有通信接口，可方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；（5）溫度控制的精度為：（050）0.5。本裝置的整個(gè)硬件系統(tǒng)的電路劃分為DS1820與8051的硬件接口電路、數(shù)據(jù)顯示與鍵盤、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路、通信接口電路，并通過這些電路來實(shí)現(xiàn)上述功能，在本論文中將對這些電路作詳細(xì)介紹。2微機(jī)控制系統(tǒng)簡介微機(jī)測控系統(tǒng)是由微型機(jī)與其它器件和裝置適當(dāng)連接起來的硬件系統(tǒng)，并在軟件的操作下協(xié)調(diào)運(yùn)行執(zhí)行預(yù)定的測量與控制任務(wù)。電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了微型計(jì)算機(jī)測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用?？梢哉f，微機(jī)測控技術(shù)的應(yīng)用己滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。國防技術(shù)，航空，航天，鐵路，冶金，化工等產(chǎn)業(yè)自不必說，就連日常生活中也用上了微機(jī)控制的電梯，微波爐，電冰箱，電視機(jī)，電扇，智能照相機(jī)，玩具，模糊控制洗衣機(jī)，模糊控制空調(diào)機(jī)，攜帶式心臟監(jiān)護(hù)機(jī)等，所有這些智能機(jī)電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)，無不是微機(jī)測控技術(shù)的成功應(yīng)用。2.1微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 微機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。 硬件是微機(jī)控制系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。它在軟件的協(xié)調(diào)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程或被控對象參數(shù)的檢驗(yàn)，完成對生產(chǎn)過程或被控對象的控制任務(wù)。 硬件包括:主機(jī)，外部設(shè)備，傳感器和變送器，功率放大和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，模擬量輸入通道，模擬量輸出通道，開關(guān)量輸入和輸出通道，接口電路和電源。控制系統(tǒng)的軟件，指的是它的全部程序，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。其中系統(tǒng)軟件主要包括以下內(nèi)容:(1)監(jiān)控程序和操作系統(tǒng)監(jiān)控程序是一種低級計(jì)算機(jī)的管理程序。它的功能是掃描鍵盤，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，接受用戶程序，顯示、調(diào)試、修改和運(yùn)行用戶程序，顯示和修改存儲(chǔ)器中的內(nèi)容。通電后立即進(jìn)入監(jiān)控程序，各種程序均在監(jiān)控程序下運(yùn)行。 操作系統(tǒng)是一種微型計(jì)算機(jī)的大型管理程序，是在監(jiān)控程序的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展許多控制程序形成的。其主要功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，管理微型機(jī)、存儲(chǔ)器、操作臺、外部設(shè)備、文件和作業(yè)進(jìn)程。它控制各種軟件，如匯編程序、解釋程序、編譯程序、I/0驅(qū)動(dòng)程序、連接程序等。（2）匯編程序、解釋程序和編譯程序匯編程序用于把匯編語言程序變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠認(rèn)識和執(zhí)行的機(jī)器語言程序，也稱為目標(biāo)程序。例如MCS-51單片機(jī)仿真器里有MCS-51匯編程序，用戶可以把自己用匯編語言編寫的程序送入仿真器然后把它變?yōu)闄C(jī)器語言程序，再把這些機(jī)器語言程序固化到EPROM中，EPROM中的程序就可以在用戶系統(tǒng)中執(zhí)行。 解釋程序能把用某種程序設(shè)計(jì)語言寫的源程序(如BASIC)，翻譯成機(jī)器語言的目標(biāo)程序，此目標(biāo)程序是可執(zhí)行程序。 編譯程序能把用高級語言編寫的源程序，編譯成某種中間語言(如匯編語言)或機(jī)器目標(biāo)程序。應(yīng)用軟件是由微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者編寫的，對不同的系統(tǒng)，應(yīng)用軟件的差別也很大，就算是同一個(gè)系統(tǒng)，也會(huì)有多種應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件一般采用模塊化結(jié)構(gòu)，一個(gè)程序模塊就是一個(gè)子程序?？偟膩碚f，這些子程序可分為兩類:通用軟件和專用軟件。(1)通用軟件通用軟件在一般的微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到，常見的有以下幾種：a.數(shù)制變換程序，例如二進(jìn)制與BCD碼之間互相轉(zhuǎn)換程序；b.運(yùn)算程序，包括加、減、乘、除、乘方、開方、函數(shù)運(yùn)算等；c.數(shù)字濾波程序，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；d.工程量程序，在工程顯示時(shí)往往會(huì)用到這類程序；e.查表程序，例如查找熱電勢對應(yīng)的溫度值；f.報(bào)警程序。(2)專用軟件這是針對某一具體控制系統(tǒng)和不同控制規(guī)律編制的程序，常見的有以下幾種:a.數(shù)據(jù)采集程序;b.輸出程序;c.各種控制算法程序，例如PID算法程序。2.2微機(jī)控制系統(tǒng)的分類 微型機(jī)控制系統(tǒng)有多種分類方法，這里是按單片機(jī)在系統(tǒng)中參與控制的方式來分。（1）生產(chǎn)過程的巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)這種系統(tǒng)是微型機(jī)不斷輪流檢測生產(chǎn)過程的各個(gè)參數(shù)，即所謂巡回檢測，然后微型機(jī)對所測得的參數(shù)進(jìn)行處理和加工，如數(shù)字濾波，并將處理和加工的數(shù)據(jù)存于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器或磁盤上，在需要時(shí)可打印和顯示這些數(shù)據(jù)。如果發(fā)生異常情況，還可以發(fā)出聲光報(bào)警。這樣的系統(tǒng)稱為生產(chǎn)過程的巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，簡稱為巡回檢測系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。人們可以利用巡回檢測系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)和信息獲得生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型和其它有用信息，作為設(shè)計(jì)或修改微型機(jī)控制系統(tǒng)的依據(jù)。這種系統(tǒng)更多地是作為較大型和復(fù)雜的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的一部分，作為這個(gè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置，它能快速向微機(jī)提供生產(chǎn)過程的有關(guān)數(shù)據(jù)和信息，由微機(jī)行復(fù)雜的運(yùn)算和決策，以便實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制和最優(yōu)控制。 （2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC) DDC (Direct Digital Control)控制系統(tǒng)，就是微型機(jī)不僅對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，還通過輸出通道直接對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。這里的“數(shù)字”二字是區(qū)別于模擬或連續(xù)控制系統(tǒng)而言的。大多數(shù)直接數(shù)字控制系統(tǒng)不需配備磁盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)和顯示終端，而用簡單的數(shù)碼顯示器代替顯示終端。系統(tǒng)的控制過程是：DDC微型機(jī)通過模擬量輸入通道和開關(guān)量輸入通道巡回檢測生產(chǎn)過程的參數(shù)，并與事先存于存儲(chǔ)器中的給定值進(jìn)行比較，得出誤差(給定值與生產(chǎn)過程的被調(diào)量之差)，然后根據(jù)誤差及其變化趨勢，運(yùn)用體現(xiàn)控制規(guī)律的控制算法(程序)求出控制器的輸出量，并通過模擬量輸出通道和開關(guān)量輸出通道送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制生產(chǎn)過程，使被控量接近給定值。 （3）計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC) 計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)即SCC (Supervisory Computer Control)系統(tǒng)是比DDC系統(tǒng)更高一級的系統(tǒng)，它是一個(gè)兩級控制系統(tǒng)。上位級是SSC計(jì)算機(jī)，它根據(jù)原始的生產(chǎn)工藝信息和其它信息，如運(yùn)行條件的變更等，按照生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出生產(chǎn)過程的最優(yōu)給定值(設(shè)定值或期望值)送給SCC計(jì)算機(jī)的下級計(jì)算機(jī)。建立生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型和求解控制策略是SCC計(jì)算機(jī)的兩個(gè)重要任務(wù)。由于SCC計(jì)算機(jī)的輸出不直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是給出下級計(jì)算機(jī)的設(shè)定值，所以這種系統(tǒng)也稱為設(shè)定值控制系統(tǒng)SPC (Set Point Computer)。監(jiān)督控制系統(tǒng)的下位級為DDC計(jì)算機(jī)或模擬控制系統(tǒng)，它對生產(chǎn)過程進(jìn)行直接控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的綜合最優(yōu)控制，例如生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、能源消耗少、原材料省、成本低、人員和設(shè)備安全等。（4）計(jì)算機(jī)多機(jī)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)多機(jī)控制系統(tǒng)是為了適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大，生產(chǎn)過程復(fù)雜，要求可靠性高的要求出現(xiàn)的，它不僅對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，還進(jìn)行各種管理工作。整個(gè)系統(tǒng)由三級組成:最低級為直接控制級，中間級為計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制級(SCC)，最高級為管理級MIS（Management Information System）。直接控制級采集生產(chǎn)過程的參數(shù)，接收來自SCC計(jì)算機(jī)的給定值并按預(yù)定的控制規(guī)律對被控對象進(jìn)行控制。監(jiān)督控制級的SCC計(jì)算機(jī)的作用如前面所述，其功能主要是建立過程的數(shù)學(xué)模型，求解控制策略，確定各DDC級的給定值并傳送給各DDC級以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)或自適應(yīng)控制。SCC計(jì)算機(jī)不僅可以與DDC級通訊，各SCC級之間也有通訊聯(lián)系，以便交流信息。（5）分布型綜合控制系統(tǒng)分布型綜合控制系統(tǒng)TDCS （Total Distributed Control Systems）也稱為分布型微處理機(jī)控制系統(tǒng)(Distributed Microprocessors Control Systems)或分布控制系統(tǒng)(Distributed Control Systems)，簡稱集散系統(tǒng)或分布系統(tǒng)。它實(shí)質(zhì)上就是一種多級控制系統(tǒng)，只不過系統(tǒng)各部分(硬件和軟件)以組件或模塊的形式出現(xiàn)。 集散控制系統(tǒng)由基本控制器進(jìn)行局部分散控制，用協(xié)調(diào)級協(xié)調(diào)各基本控制器的工作，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，并實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視、操作和管理，以達(dá)到掌握全局的目的。集散系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）容易掌握，組建系統(tǒng)工作量少。（2）擴(kuò)充靈活，可實(shí)現(xiàn)各種控制。（3）分散控制，故障分散，再加上有完善的系統(tǒng)自檢功能，故可靠性高。（4）集中協(xié)調(diào)和管理，可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。（5）維修方便。哪一部分有故障，換下來即可，系統(tǒng)可不停止運(yùn)行。對于大型集散系統(tǒng)，用戶可以購買現(xiàn)成模塊，只需把模塊連接起來并對軟件進(jìn)行組態(tài)就可組成系統(tǒng)。按這種方法組成系統(tǒng)，節(jié)省時(shí)間，系統(tǒng)性能優(yōu)良，可靠性高。根據(jù)單片機(jī)構(gòu)成的溫度測控裝置的設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）在050間可任意設(shè)定溫度控制點(diǎn)；（2）可以實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測環(huán)境溫濕度的變化情況，并記錄、存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)；（3）具有多點(diǎn)定時(shí)設(shè)備控制電路，便于功能擴(kuò)展；（4）配有通信接口，可方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；（5）溫度控制的精度為：（050）0.5。為了達(dá)到上述要求，并且使裝置結(jié)構(gòu)盡量簡單，本溫度測控裝置采用的是直接數(shù)字控制方式，屬于直接數(shù)字控制系統(tǒng)。3.溫度傳感器的選擇設(shè)計(jì)環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置，首先遇到的問題就是選用什么樣的溫度傳感器，這對于整個(gè)系統(tǒng)的性能、簡繁程度以及設(shè)計(jì)成本等都有一定的影響，因此我對各種溫度傳感器先進(jìn)行了比較。溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器，模擬集成溫度傳感器，智能集成溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。3.1溫度傳感器的分類 依據(jù)制作溫度傳感器采用材料的不同，常用的溫度傳感器有熱電偶、熱電阻、NTC熱敏電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等。 熱電偶由兩種特定的金屬材料(如鉑鍺)結(jié)合后制成，測溫范圍一般在-184至2300。熱電阻是由一種特定的金屬材料(如鉑等)制成的，測溫范圍一般在-200至850。以上兩種溫度傳感器測溫范圍寬、可以在高溫場合工作、體積較大、成本較高。 NTC熱敏電阻即負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。它由Mn-Co-Ni-Fe-Cu等過渡金屬氧化物的2至4種組合，采用陶瓷工藝燒結(jié)而成。測溫范圍一般在-55至300。NTC熱敏電阻阻值隨溫度的變化符合指數(shù)規(guī)律，其最大的缺點(diǎn)也在于它的非線性，一般需要經(jīng)過線性化處理，使輸出電壓與溫度之間基本上成線性關(guān)系。隨著對檢測溫度精度要求越來越高，以及測量環(huán)境要求越來越苛刻，目前，人們正在研制高精度高可靠性的NTC熱敏電阻。NTC熱敏電阻的綜合性能以日本的產(chǎn)品為最好。 NTC熱敏電阻主要用于靜電復(fù)印機(jī)、自動(dòng)化設(shè)備、熱打印頭、鍋爐、熱水器等做溫度控制檢測。半導(dǎo)體溫度傳感器的溫度檢測依據(jù)是PN結(jié)正向電壓和溫度的關(guān)系。其測溫范圍一般在-55至150。半導(dǎo)體溫度傳感器很容易制成集成溫度傳感器。與熱電偶、熱電阻、熱敏電阻等其它溫度傳感器相比，半導(dǎo)體溫度傳感器具有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。另外，它將驅(qū)動(dòng)電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，有尺寸小、使用方便等特點(diǎn)。隨著集成工藝的提高，集成溫度傳感器的功能和性能己有了較大的提高，已廣泛應(yīng)用于臺式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、打印機(jī)、數(shù)字相機(jī)、汽車電子、家電控制器等系統(tǒng)。 集成溫度傳感器一般用來測量自身封裝的溫度，但是片上加熱后封裝溫度上升，可以測量氣流溫度，二極管連接方式的三極管可以測量遠(yuǎn)端溫度。集成溫度傳感器的信號輸出有三種形式：模擬輸出、邏輯輸出和數(shù)字輸出。 根據(jù)溫度傳感器的輸出信號方式，可以分為模擬溫度傳感器、邏輯溫度傳感器和數(shù)字溫度傳感器。 （1）模擬溫度傳感器 模擬溫度傳感器輸出模擬信號，信號為電壓或電流。模擬信號必須經(jīng)過專門的A/D轉(zhuǎn)換接口電路，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后才能由微處理器進(jìn)行處理。 傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器都是將溫度經(jīng)過一定的接口電路轉(zhuǎn)換后輸出電壓或電流信號，再用這些電壓、電流信號進(jìn)行測量控制。如果想將這種模擬信號轉(zhuǎn)換成微處理器可以處理的信號，需要利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)碼，然后由微處理器讀取、處理。另一種轉(zhuǎn)換方式是進(jìn)行V/F變換。V/F變換器實(shí)際上是一個(gè)振蕩頻率隨控制電壓變化而變化的振蕩電路。 電壓輸出溫度傳感器主要特點(diǎn)是電源電壓和電流比較低，在傳輸線路電壓降和電壓噪聲不是主要考慮因素時(shí)，其電壓輸出直接成為控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入。常用的電壓輸出半導(dǎo)體溫度傳感器有NS公司的LM35/45/50等。 電流輸出溫度傳感器的主要特點(diǎn)是輸出阻抗高，輸出電流不受傳輸線路電壓降和電壓噪聲的影響，且對電源電壓脈沖和漂移具有很強(qiáng)的抑制能力。電流輸出溫度傳感器與微處理器接口時(shí)，一般仍需將電流變成電壓，再轉(zhuǎn)換成微處理器可以處理的信號。這樣的傳感器有AD公司的AD590、TMP17等。 （2）邏輯溫度傳感器 邏輯溫度傳感器在有些文獻(xiàn)中將其劃分為模擬溫度傳感器，稱為輸出跳變信號的模擬溫度傳感器。 在有的系統(tǒng)中，并不需要知道精確的溫度值，而只需了解溫度是否高于或低于某特定值即可。該信息可用來觸發(fā)風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器等環(huán)境控制單元。這種特殊的模擬傳感器一般只是輸出跳變信號進(jìn)行控制，通常稱之為溫度控制器。 邏輯溫度傳感器可由傳統(tǒng)的溫度傳感器和比較器組合或集成而成。當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)門限時(shí)，輸出發(fā)生變化，一般是電平發(fā)生跳變。如Maxim公司的MAX6501/6502, AD公司的AD22105等均屬于此類產(chǎn)品。 （3）數(shù)字溫度傳感器 習(xí)慣上將具有數(shù)字輸出能力的溫度傳感器稱為數(shù)字溫度傳感器。將模擬溫度傳感器與數(shù)字轉(zhuǎn)換接口電路集成在一起制成的溫度傳感器是其中的-種。另一種是傳感器內(nèi)部不涉及到模擬量的真正意義上的數(shù)字溫度傳感器，比如用振蕩器和計(jì)數(shù)器等構(gòu)成的溫度傳感器。由于半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，功能越來越強(qiáng)大、精確，廉價(jià)的數(shù)字溫度傳感器己在不斷推出。數(shù)字溫度傳感器目前有單線輸出和多線輸出等形式。 單線輸出數(shù)字溫度傳感器的特點(diǎn)是接口電路簡單。由于只有一根輸出線，測量出的溫度值必須轉(zhuǎn)換成某種方式以方便進(jìn)行輸出。常見的輸出方式有時(shí)間輸出、頻率輸出以及數(shù)值輸出等。由微處理器將溫度傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換成真實(shí)溫度值，再進(jìn)行進(jìn)一步的處理與控制。 多線輸出數(shù)字溫度傳感器采用的是目前比較成熟的幾種工業(yè)總線形式，輸出格式時(shí)序嚴(yán)格遵守某種協(xié)議，方便使用，適合于各種場合，尤其是遠(yuǎn)端測量。這種溫度傳感器一般有多根線進(jìn)行輸出。3.2溫度傳感器信號傳輸模式溫度傳感器信號傳輸?shù)哪Ｊ?，根?jù)溫度傳感器的種類及其與數(shù)據(jù)采集器之間連接方式的不同，可以分為多線制和總線制。對于使用模擬溫度傳感器的溫度檢測系統(tǒng)，為了解決溫度傳感器供電和信號傳輸問題，溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集器之間采用多線方式連接，即每個(gè)溫度傳感器至少有兩根線與數(shù)據(jù)采集器相連，這樣按線的分配方式不同，常見的有2N線制，N+2線，即有2根公共線，N+ 1線制，有1根公共線等幾種。如圖3.1所示是N+1線系統(tǒng)的連接形式。 圖3.1 N+1線系統(tǒng)多線制系統(tǒng)用線量大，安裝、調(diào)試和維護(hù)困難，點(diǎn)數(shù)多時(shí)將造成成本的大幅度提高。但由于原理簡單、可靠性高，目前在小規(guī)模工程及工業(yè)領(lǐng)域仍然使用這種多線制系統(tǒng)。隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了總線制傳輸方式?？偩€制通常采用地址編碼方式將所有的傳感器并聯(lián)在24根總線上，每個(gè)溫度傳感器擁有自己獨(dú)立的地址以區(qū)別其它溫度傳感器。目前應(yīng)用較多的是2總線制和單總線制。2總線制中溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集器之間需要兩根數(shù)據(jù)線傳送信息；單總線制中則只需要一根數(shù)據(jù)線傳遞信息。圖3.2和圖3.3分別是2總線和單總線的連接形式。圖3.2 2總線連接形式 圖3.3 單總線連接形式 對于多線制系統(tǒng)，信號傳輸?shù)膬?nèi)容不包括地址信息，不同的溫度傳感器根據(jù)信號線的接口位置的不同進(jìn)行區(qū)分；對于總線制系統(tǒng)，信號傳輸?shù)膬?nèi)容必須包括地址信息，以此區(qū)分同一個(gè)接口上的多個(gè)溫度傳感器。單總線也稱為一線總線。單總線技術(shù)是美國DALLAS半導(dǎo)體公司近年推出的新技術(shù)。它將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信號線，允許在這根信號線上掛接多個(gè)測控對象，這些測控對象所用器件芯片是由DALLAS公司提供的。每個(gè)芯片均有一個(gè)64位的ROM，廠家對每一個(gè)芯片燒寫了固定的編碼，其中存有16位十進(jìn)制編碼的序列號，也稱之為身份證號，確保掛在單總線上后，可以被唯一地區(qū)分并識別出來。這是定位和尋址器件實(shí)現(xiàn)單總線測控功能的前提條件。ROM中含有CRC校驗(yàn)碼，能確保數(shù)據(jù)交換可靠。芯片內(nèi)還設(shè)有收、發(fā)控制和電源存儲(chǔ)電路。這些芯片在檢測點(diǎn)就把模擬信號數(shù)字化了，這樣在單總線上傳送的是數(shù)字信號，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能和可靠性。這類芯片的耗電量都很小，既可以用電源從供電端直接供電，也可以從總線上“偷”一點(diǎn)電，空閑時(shí)幾微瓦，工作時(shí)幾毫瓦，并把“偷”來的電存在大電容中，供芯片電路正常工作使用。這種供電方式被稱為數(shù)據(jù)線寄生供電。單總線芯片入口的示意圖如圖3.4所示。圖3.4 單總線芯片入口示意圖 單總線技術(shù)是建立在碼分多址、串行數(shù)據(jù)交換基礎(chǔ)上的，因此只能用于對速度要求不高的場合，一般用于100kbps以下速率的測控系統(tǒng)中。3.3溫度傳感器的確定 研究了目前各種溫度傳感器的特性以及信號傳輸方式后，我認(rèn)為單片機(jī)環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置中選擇單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820比較合適。 傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)以熱敏電阻為溫度敏感元件，熱敏電阻成本低，但需要后續(xù)信號處理電路，而且熱敏電阻的可靠性較差，測量溫度的準(zhǔn)確度低，檢測系統(tǒng)的精度差。 如果采用模擬溫度傳感器，模擬信號在傳輸過程中遇到的干擾問題往往不能得到徹底解決，當(dāng)傳感器與數(shù)據(jù)采集器距離較遠(yuǎn)，信號線周圍存在電磁干擾源時(shí)，該問題顯得尤為突出。另外，模擬傳感器特征參數(shù)的不一致性和放大器的零點(diǎn)漂移問題使系統(tǒng)調(diào)試變得十分困難。 從溫度傳感器信號傳輸方式考慮，多點(diǎn)檢測時(shí)多線制用線量大，施工困難，成本高，系統(tǒng)的整體可靠性差；2總線制由于不能采用寄生供電，傳感器數(shù)量較多時(shí)，也會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜起來。 單總線數(shù)字溫度傳感器克服了上述不足。用單總線溫度傳感器設(shè)計(jì)單片機(jī)環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置具有如下特點(diǎn)：較高的性能價(jià)格比；監(jiān)測對象越多越能顯示其優(yōu)越性；硬件施工工作量少；系統(tǒng)維修方便；抗干擾性能好；有CRC校驗(yàn)，可靠性高；系統(tǒng)簡明直觀。 由于單片機(jī)環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置溫度巡檢的速度并不要求太快，所以單總線速率較慢的問題不會(huì)對系統(tǒng)造成明顯的不良影響。3.4單總線溫度傳感器DS1820介紹 DS1820的引腳見圖3.5圖3.5 DS1820的引腳圖GND：接地引腳。DQ：數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳(單總線接口，可作寄生供電)。VDD：+5V電壓電源電壓引腳。 DS1820是DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器。單線數(shù)字溫度傳感器是通過輸出9位(二進(jìn)制)數(shù)字來直接表示所測量的溫度值，溫度值是通過DS 1820的數(shù)據(jù)總線直接輸入到CPU，無需A/D轉(zhuǎn)換，而且讀寫指令以及溫度轉(zhuǎn)換指令又都是通過數(shù)據(jù)總線傳入DS 1820，可以無需接外部電源。因?yàn)槊恳粋€(gè)DS 1820在出場是已經(jīng)給定了唯一的編碼，該編碼存放在DS 1820內(nèi)部ROM中。開始的8位是產(chǎn)品類型編碼。接著的48位是每個(gè)器件的唯一序號。最后8位是前面56位的CRC(循環(huán)冗沉檢驗(yàn))碼。正因?yàn)槊總€(gè)DS1820都包含有一個(gè)唯一的64位ROM編碼，所以可以在一根總線上掛接多個(gè)器件。DS1820數(shù)字溫度傳感器與AD590, LM35等溫度傳感器相比除具有相當(dāng)?shù)臏y溫范圍和精度外，還具有溫度測量精確，不受外界干擾等。并且所有的傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在一塊極小的芯片上，外形如同普通小功率塑封三極管，體積很小，在溫度測控系統(tǒng)中使用十分方便。與其它溫度傳感器相比DS1820具有以下特點(diǎn)： 1、獨(dú)特的單線接口方式。DS1820在與微處理器連接時(shí)僅需要一條接口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。 2、DS1820在使用中無需任何外圍元件。 3、可以由總線提供電源。 4、支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能。多個(gè)DS1820可以并接在同一條總線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。 5、測溫范圍-55至+125，固有測溫分辨率0.5。 6、測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。7、可以設(shè)置溫度警報(bào)系統(tǒng)，當(dāng)溫度超界時(shí)可以通過警報(bào)搜尋命令，和外部設(shè)備相連。8、轉(zhuǎn)換溫度時(shí)間小于1秒。DS1820的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.6所示。 圖3.6 DS1820的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 1、DS1820的寄生供電原理 DS1820既可以由外部電源供電也可以利用總線信號寄生供電。在寄生供電情況下，當(dāng)總線信號為高電平時(shí)，DS1820從總線上獲得能量并儲(chǔ)存在內(nèi)部電容上；當(dāng)總線為低電平時(shí)，由電容向DS1820供電。利用DS1820的這一特點(diǎn)，可以構(gòu)成簡潔明了的溫度測控系統(tǒng)，能節(jié)省大量的線材以及施工費(fèi)用。2、DS1820的測溫原理DS1820的測溫原理框圖如圖1-7所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度計(jì)數(shù)器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值將被重新裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3.7中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。 圖3.7 DS1820的測溫原理框圖在正常測溫情況下，DS1820的測溫分辨率為0.5，以9位數(shù)據(jù)格式表示，其中最低有效位(LSB)由比較器進(jìn)行0.25比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后低于0.25時(shí)，清除溫度寄存器的最低位(LSB)；當(dāng)計(jì)數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后高于0.25時(shí)，置位溫度寄存器的最低位(LSB ) 。DS1820操作的總體流程分三步完成：系統(tǒng)通過反復(fù)操作，搜索DS1820序列號；啟動(dòng)所有在線DS1820做溫度A/D變換；逐個(gè)讀出在線DS1820變換后的溫度數(shù)據(jù)。4溫度測控裝置的電路設(shè)計(jì)為了使單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置的硬件設(shè)計(jì)具有層次行，并在設(shè)計(jì)時(shí)方便對整個(gè)控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，我將整個(gè)硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)劃分為DS1820與8051的硬件接口電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)顯示與鍵盤設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)、通信接口電路設(shè)計(jì)。其裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示。 圖4.1 單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置的結(jié)構(gòu)圖下面首先介紹本系統(tǒng)的核心控制器件8051單片機(jī)和溫度傳感器的選，然后將分別介紹以上幾種電路的設(shè)計(jì)。詳細(xì)電路圖見附錄1。4.1 Intel8051單片機(jī)簡介4.1.1 Intel8051的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)Intel8051單片機(jī)為8位高檔單片機(jī)，它在一塊大規(guī)模集成電路上集成了CPU、ROM、RAM、定時(shí)器計(jì)數(shù)器和48位并行IO，一個(gè)串行IO線等一臺微型機(jī)的基本部件，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4.2所示。 圖4.2 Intel8051結(jié)構(gòu)框圖其內(nèi)部的部件和特性如下： （1）一個(gè)8位微處理器；（2）振蕩器和時(shí)鐘電路；（3）4KB的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器； （4）可尋址外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，各64KB；（5）兩個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器；（6）32位可編程并行IO口；（7）一個(gè)可編程全雙工串行IO口；(8)二十多個(gè)特殊功能寄存器；(9)5個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。因?yàn)?051單片機(jī)芯片的集成度很高，它將微型計(jì)算機(jī)的主要部件都集成在一個(gè)芯片上，所以它具有下列特點(diǎn)：（1）體積小、重量輕、價(jià)格便宜、耗電少。（2）根據(jù)工控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，許多功能部件集中在芯片內(nèi)部，其信號通道受外界影響小，故可靠性高，抗干擾性能優(yōu)于采用的CPU。（3）控制功能強(qiáng)，運(yùn)行速度快。其結(jié)構(gòu)組成與指令系統(tǒng)都著重滿足工控要求。有極豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令，有很強(qiáng)的位處理功能和I/O口邏輯操作功能。（4）片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量不可能很大，引腳也較少，I/O引腳常不夠用，且兼第二功能，但存儲(chǔ)器和I/O口都容易擴(kuò)展。 當(dāng)然，還有很多系列的單片機(jī)的性能比8051單片機(jī)更加優(yōu)秀，但8051單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置以能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，考慮到成本因素及單片機(jī)的使用效率，我在本設(shè)計(jì)中選擇了8051單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心器件。4.1.2 Intel8051時(shí)鐘電路與復(fù)位電路8051單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)反向放大器構(gòu)成的振蕩電路，XTAL1為振蕩電路的輸入端、XTAL2為振蕩電路的輸出端。8051的時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式時(shí)鐘電路如圖4.3 所示，利用8051內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件一般采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體可以在1.212MHz之間任選，電容可以在530pF之間選擇，電容C1、C2的大小，可起頻率微調(diào)作用。上述電路可用示波器觀察到XTAL2輸出的正弦波。 圖4.3 8051內(nèi)部方式時(shí)鐘電路 外部方式的時(shí)鐘電路，如圖4.4所示。XTAL1接地,XTAL2接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，但需保證脈沖寬度，通常為頻率低于12MHz的方波信號。圖 4.4 外部方式時(shí)鐘電路在單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置的設(shè)計(jì)中，采用的是內(nèi)部方式時(shí)鐘電路。其電路結(jié)構(gòu)簡單，需要附加的元器件相對來說也較少。 要了解8051的復(fù)位電路，首先要知道復(fù)位的工作狀態(tài)。復(fù)位不影響片內(nèi)RAM存放的內(nèi)容，但它在復(fù)位后單片機(jī)的初始狀態(tài)如下：（1）（PC）=0000H 復(fù)位后程序的入口地址為0000H；（2）（PSW）=00H由于RS1（PSW 4）=0，RS0（PSW 3）=0，復(fù)位后單片機(jī)選擇工作寄存器0組；（3）（SP）=07H 復(fù)位后堆棧在片內(nèi)RAM的08H單元處建立；（4）TH1、TL1、TH0、TL0的內(nèi)容為00H，復(fù)位后定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初值為0；（5）（TMOD）=00H 復(fù)位后定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0、1選擇定時(shí)器工作方式0，非門控方式。（6）（TCON）=00H 復(fù)位后定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0、1停止工作，外部中斷0、1為電平觸發(fā)方式；（7）（T2CON）=OOH 復(fù)位后定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2停止工作；（8）（SCON）=00H 復(fù)位后串行口工作在移位積存器方式、且禁止串行移位接收；（9）（IE）=00H 復(fù)位后中斷系統(tǒng)禁止工作；（10）（IP）=00H 復(fù)位后全部中斷設(shè)置在低優(yōu)先級中斷狀態(tài)；（11）P0P3口鎖存器都是全1狀態(tài)，說明復(fù)位后這些并行借口可以作輸入口。 8051單片機(jī)和其他計(jì)算機(jī)一樣，常常有上電復(fù)位和操作復(fù)位兩種方法。所謂上電復(fù)位，是指計(jì)算機(jī)上電瞬間，要在RST引腳上出現(xiàn)寬度大于10ms的正脈沖，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。操作復(fù)位是指用戶按下“復(fù)位”按鍵使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。且復(fù)位電路是要靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。如圖4.5所示的RC復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能，圖4.7為其輸入輸出特性。但解決不了電源毛刺 (A點(diǎn))和電源緩慢下降(電池電壓不足)等問題。而且調(diào)整RC常數(shù)改變延時(shí)會(huì)令驅(qū)動(dòng)能力變差。左邊的電路為高電平復(fù)位有效，右邊為低電平，Sm為手動(dòng)復(fù)位開關(guān)，C4可避免高頻諧波對電路的干擾。 圖4.5 RC復(fù)位電路圖4.6所示的復(fù)位電路是我所采用的復(fù)位電路，在一般的RC復(fù)位電路增加了二極管，在電源電壓瞬間下降時(shí)使電容迅速放電，一定寬度的電源毛刺也可令系統(tǒng)可靠復(fù)位。圖4.7所示復(fù)位電路輸入輸出特性圖的下半部分是其特性，可與上半部分比較增加放電回路的效果。圖4.6 增加放電回路的RC復(fù)位電路 圖4.7 RC復(fù)位電路輸入-輸出特性4.2 DS1820與8051的接口電路設(shè)計(jì)前面已對DS1820作了詳細(xì)的介紹，采用DS1820數(shù)字溫度傳感器也是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)，但 DS1820畢竟只是一個(gè)傳感器，所以其自身無法獨(dú)立工作，只有在微機(jī)的控制下工作，本系統(tǒng)選擇的微機(jī)是8051單片機(jī)。另外因?yàn)镈S1820可以使用寄生電源方式或外部電源方式提供工作能量，所以與8051接口有兩種方式。圖4.8為寄生電源方式。DS1820是通過當(dāng)數(shù)據(jù)線在處于高電平時(shí)儲(chǔ)存能量在內(nèi)部電容中，當(dāng)數(shù)據(jù)線處于低電平時(shí)則內(nèi)部電容放電工作。這種工作方式主要由兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）從電路接發(fā)上更加簡單、清晰和明了；（2）減少傳感器的功耗，使ROM在沒有外部電源的情況下工作，保護(hù)傳感器。但是采用這種接法時(shí)，必須注意以下幾點(diǎn):（1）為了讓DS1820精確的轉(zhuǎn)換溫度，必須給該器件提供足夠的能量，即當(dāng)該器件在進(jìn)行轉(zhuǎn)換溫度時(shí)必須把數(shù)據(jù)總線拉高，給DS1820充電；（2） DS1820的最大工作電流為1mA則當(dāng)幾個(gè)DS1820同時(shí)工作，且都在轉(zhuǎn)換溫度時(shí)要特別注意這一點(diǎn)。所以在實(shí)際工作中一般都在數(shù)據(jù)總線上加一個(gè)提拉電阻，并用一個(gè)MOSFET來幫助提供能量。 圖4.8寄生電源工作方式 也可以采用外部電源工作方式，圖4.9就是采用的這種方式，能夠保證DS1820溫度轉(zhuǎn)換的精度，并且這樣就不需要MOSFET，而且不必考慮DS1820的充電和功耗問題了，可以在同一數(shù)據(jù)總線上掛接任意個(gè)DS1820 。 圖4.9外部電源工作方式綜上考慮，為了滿足溫度檢測的精度，并且使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有更大的擴(kuò)展空間，我選用了外部電源工作方式。4.3溫度顯示與鍵盤設(shè)計(jì)4.3.1 LED數(shù)碼管簡介及其顯示電路LED數(shù)碼管是目前最常用的一種數(shù)顯器件，它等效于多只具有發(fā)光性能的PN結(jié)。當(dāng)PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)，依靠少數(shù)載流子的注入及隨后的復(fù)合而輻射發(fā)光，其伏安特性與普通二極管相似。在正向?qū)ㄖ?，正向電流近似于零，筆段不發(fā)光。當(dāng)電壓超過開啟電壓時(shí)，電流就急劇上升，筆段發(fā)光。LED數(shù)碼管的主要特點(diǎn)如下:（1）能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)光，能與CMOS、TTL電路兼容。（2）發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短（0.1s）高頻特性好，單色性好，亮度高。（3）體積小，重量輕，抗沖擊性能好。（4）壽命長，使用壽命在10萬小時(shí)以上，甚至可達(dá)100萬小時(shí)，成本低。所以它被廣泛用作數(shù)字儀器儀表、數(shù)控裝置、計(jì)算機(jī)的數(shù)顯器件。單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置設(shè)計(jì)就是選用的是4位LED數(shù)碼管做溫度顯示。單片機(jī)構(gòu)成的環(huán)境溫度實(shí)時(shí)測控裝置的設(shè)計(jì)選用了MAX7219數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)器，這也是本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路占用的系統(tǒng)資源較多若是動(dòng)態(tài)顯示，8位顯示驅(qū)動(dòng)電路一般由1片8255，4片5407構(gòu)成，不僅硬件資源占用多，而且需要由軟件定時(shí)刷新，軟件資源占用也不少；若是靜態(tài)顯示，8位數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路一般由8片54LS164構(gòu)成，硬件資源占用太多?，F(xiàn)在，一片MAX7219便可完成8位數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)任務(wù)。雖然在本裝置中只用了4位LED顯示器，但用一般的顯示驅(qū)動(dòng)電路仍然比較復(fù)雜，選用MAX7219構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路就相對簡單明了多了，下面對MAX7219作簡單的介紹。MAX7219是一種串行接口的8位數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)器，其引腳圖如圖4.10所示。 圖 4.10 MAX7219引腳圖MAX7219是共陰極LED顯示驅(qū)動(dòng)器，其引腳功能為：（1）DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端。在CLK的上升沿,數(shù)據(jù)被裝入到內(nèi)部的16位移位寄存器中。(2)DIG7DIG0：8位數(shù)值驅(qū)動(dòng)線。輸出位選信號,從每位LED顯示器公共陰極吸入電流。(3)GND：接地端。(4)LOAD：裝載數(shù)據(jù)控制端。在LOAD的上升沿,最后送入的16位串行數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)據(jù)或控制寄存器中。(5)DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端。進(jìn)入DIN的數(shù)據(jù)在16.5個(gè)時(shí)鐘后送到DOUT端,以便在級聯(lián)時(shí)傳送到下一片MAX7219。(6)SEG ASEG G：LED七段顯示器段驅(qū)動(dòng)端。(7)SEG H：小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)端。(8)VCC：+5V電源端。(9)Iset：LED段峰值電流提供端。它通過一只電阻與電源相連,以便給LED段提供峰值電流。 (10)CLK：串行時(shí)鐘輸入端。最高輸入頻率為10MHz，在CLK的上升沿,數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部移位寄存器；在CLK的下降沿,數(shù)據(jù)被移至DOUT端。MAX7219內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)主要由8個(gè)數(shù)位寄存器和6個(gè)控制寄存器組成，分別是： （1）數(shù)位寄存器70：它決定該位LED顯示內(nèi)容。（2）譯碼方式寄存器：它決定數(shù)位寄存器的譯碼方式,它的每一位對應(yīng)一個(gè)數(shù)位。其中,1代表碼方式；0表示不譯方式。若用于驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管,應(yīng)將數(shù)位寄