基于單片機(jī)的倉庫溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1 基于單片機(jī)的倉庫溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 第 1 章 緒論 課題研究的背景及意義 在信息高速發(fā)展的 21 世紀(jì)，電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，社會(huì)中的諸多行業(yè)對各種信息參數(shù)的準(zhǔn)備度和精確度的要求都有了幾何級(jí)的增長，而如何準(zhǔn)確而又迅速的獲得這些參數(shù)就需要受制于現(xiàn)代信息基礎(chǔ)的發(fā)展水平。在三大信息采集 (即傳感器技術(shù) )、信息傳輸 (通信技術(shù) )和信息處理 (計(jì)算機(jī)技術(shù) )中，傳感器技術(shù)作為新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的開路先鋒，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)分別對應(yīng)信息 技術(shù)中的采集、傳輸和處理 ,尤其是溫度傳感器技術(shù)，在我國各領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用，可以說是滲透到社會(huì)的每一個(gè)領(lǐng)域，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)測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。同時(shí)，溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域 ,甚至在不易人們親自接近的貨物儲(chǔ)藏的倉庫已普遍使用。檢測控制對象慣性大 ,滯后現(xiàn)象嚴(yán)重 ,存在很多不確定的因素 ,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型 ,從而導(dǎo)致檢測控制系統(tǒng)性能不佳 ,甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫度 傳感器 其內(nèi)部集成了 A/D 轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡單，而且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時(shí)的精度損失，使得測量溫度更加精確。數(shù)字溫度傳感器 用一個(gè)引腳即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。在此基礎(chǔ)上本設(shè)計(jì)又采用單片機(jī)芯片為主控制器的核心 ,形成成熟的溫度控制系統(tǒng)，結(jié)合 片的小型化，通過單條數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，把數(shù)字溫度傳感器 成探頭，探入到倉庫中的各個(gè)地方，不但增加其實(shí)用性，更能串接多個(gè)數(shù)字溫度傳感器 行多路的溫度監(jiān)測。 溫度傳感器國內(nèi)外現(xiàn)狀及水平 傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：傳統(tǒng)的分離式溫度傳感器 (含敏感元件 )、模擬集成溫度傳感器 /控制器和數(shù)字溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬向數(shù)字式、由集成向 2 智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，同時(shí)具有抑制串模干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。 防潮、防霉、防腐、防爆是倉庫日常工作的重要內(nèi)容，是衡量倉庫管理質(zhì)量的重要指標(biāo)。 它直接影響到儲(chǔ)備物資的使用壽命和工作可靠性。為保證日常工作的順利進(jìn)行，首要問題是加強(qiáng)倉庫內(nèi)溫度的監(jiān)測工作。但傳統(tǒng)的方法是通過人工進(jìn)行檢測，對不符合溫度要求的庫房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低，且測試的溫度誤差大，隨機(jī)性大。因此我們需要一種造價(jià)低廉、使用方便且測量準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。溫度監(jiān)測除了用于倉庫監(jiān)測外，還可以廣泛應(yīng)用于機(jī)房、圖書館、檔案館、文物館、生物制藥、無菌室等各行各業(yè)需要溫度監(jiān)測的場所和領(lǐng)域。隨著我國科技和生產(chǎn)各領(lǐng)域都取得了飛速的發(fā)展和進(jìn)步，發(fā)展溫度傳感器為載體的溫 度測量技術(shù)具有重大意義。 課題設(shè)計(jì)任務(wù)與目的 本設(shè)計(jì)要求利用溫度傳感器與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多路溫度采集；溫度測量范圍為3 ,精度為 ；設(shè)有溫度報(bào)警功能。能夠根據(jù)需要方便設(shè)定上下限報(bào)警溫度，當(dāng)達(dá)到報(bào)警溫度后，能夠發(fā)出報(bào)警聲。 本設(shè)計(jì)目的在于加深對單片機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，掌握一個(gè)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的過程；熟悉使用 行硬件仿真， 行程序編譯。培養(yǎng)分析問題、解決問題、獨(dú)立設(shè)計(jì)和制作電子產(chǎn)品的能力。 設(shè)計(jì)思路 大多單片機(jī)接口輸入的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，或有帶 A/D 轉(zhuǎn)換的高端單片機(jī)也可 以輸入模擬信號(hào)。由單片機(jī)獲取非電信號(hào)的溫度信息，必須通過溫度傳感器。傳統(tǒng)的溫度測量多以熱敏電阻作為溫度傳感器。但是，熱敏電阻的可靠性差、測量溫度精度低，而且還需要經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能由單片機(jī)進(jìn)行處理。因此，使用數(shù)字溫度傳感器可簡化硬件設(shè)計(jì)、方便單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)、節(jié)約成本。 設(shè)計(jì)溫度監(jiān)測系統(tǒng)需要考慮以下 3 個(gè)方面： （ 1） 溫度傳感器芯片的選擇； （ 2） 單片機(jī)和溫度傳感器的接口電路設(shè)計(jì)； （ 3） 控制溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度信息采集以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖?本設(shè)計(jì)是基于溫度傳感器的 倉庫 溫度檢測系統(tǒng)中的溫度檢測、電路控制、報(bào)警系統(tǒng)及顯示部 分的實(shí)現(xiàn)。以智能溫度傳感器應(yīng)用技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)為核心進(jìn)行開發(fā)，并且以理論分析和該技術(shù)方案為基礎(chǔ)，在不斷地研究過程中進(jìn)行不斷的調(diào)整，完成了一個(gè) 倉庫 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 。 3 第 2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方案一 利用 度感應(yīng)器在溫度變化時(shí)轉(zhuǎn)化成電壓的等比例變換，然后通過數(shù)碼管以數(shù)字顯示出來。此電路圖的核心元件是利用 完成功能的轉(zhuǎn)換，一塊應(yīng)用非常廣泛的集成電路。它包含 3 個(gè) 1/2 位數(shù)字 A/D 轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動(dòng) 碼管，內(nèi)部設(shè)有參考電壓、獨(dú)立模擬開關(guān)、邏輯 控制、顯示驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)凋零功能等。制作時(shí)，數(shù)字顯示用的數(shù)碼管為共陽極， 2K 可調(diào)電阻最好選用多圈電阻，分壓電阻選用誤差較小的金屬膜電阻，其它器件選用正品即可。該電路稍加改造，還可演變出很多電路，如數(shù)顯電流表、數(shù)顯溫度計(jì)等。靜默電流溫度關(guān)系。硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作成本高，精度不高，不適合在高精度場合使用。 設(shè)計(jì)方案二 利用集成溫度傳感器 計(jì)并制作了一款基于 4 位數(shù)碼管顯示的數(shù)字溫度計(jì)，其電路簡單，軟硬件結(jié)構(gòu)模塊化易于實(shí)現(xiàn)。該數(shù)字溫度計(jì)利用 成溫度傳感器及其 接口電路完成溫度的測量并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 換成單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，然后送到單片機(jī) 進(jìn)行處理變換，最后將溫度值顯示在 4 位七段碼 示器上。系統(tǒng)以 片機(jī)為控制核心，加上 溫電路、 數(shù)轉(zhuǎn)換電路、 4 位溫度數(shù)據(jù)顯示電路以及外圍電源、時(shí)鐘電路等組成。該設(shè)計(jì)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作成本高。故溫度計(jì)精度不高，不適合在高精度場合使用。 設(shè)計(jì)方案三 在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要用到溫 度的監(jiān)測及控制，傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，需要比較多的外部硬件支持，硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作成本高。本設(shè)計(jì)采用美國 導(dǎo)體公司繼 后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器 為檢測元件。 以直接讀出溫度被測溫度值，而且采用三線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，確定系統(tǒng)由 3 個(gè)模塊組成：主控制器、測溫電路、顯示電路。監(jiān)測系統(tǒng)控制器使用單片機(jī) 度傳感器使用 4 用 晶顯示器實(shí)現(xiàn)溫度顯示。此電路溫度精度高、電路簡單、可靠，可以在較高環(huán)境要求下準(zhǔn)確測溫，故采用此方案。 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方框圖 溫度監(jiān)測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖 示。本系統(tǒng)采用單片機(jī)及外圍電路完成。最重要的部分即測溫電路將采用數(shù)字溫度芯片測量溫度，這樣輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可以直接由單片機(jī)來處理；晶振電路及復(fù)位電路將提供給單片機(jī)必不可少的時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)以使單片機(jī)正常工作。報(bào)警電路用于當(dāng)倉庫溫度超過額定范圍時(shí)，及時(shí)報(bào)警通知。顯示電路則是 顯示倉庫溫度。 系統(tǒng)的運(yùn)行流程為：三路溫度傳感器實(shí)時(shí)的采集各自的溫度信號(hào)，輸出的數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理和判斷分別分時(shí)顯示在液晶顯示器上。如果某路的溫度超出或低于設(shè)定的溫度范圍，則報(bào)警器開始報(bào)警。完成上述任務(wù)后，返回程序起始位置，循環(huán)檢測并顯示。 圖 系統(tǒng)總體框圖 5 第 3 章 電子器件介紹 本章主要介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的電子元器件。電子元器件主要包括單片機(jī)（ 溫度傳感器（ 和液晶顯示器（ 單片機(jī) 微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn) 是數(shù)字計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用到人們生活領(lǐng)域的一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分，它以獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域都得到普遍應(yīng)用。 單片微型計(jì)算機(jī)（ 稱單片機(jī)。由于單片機(jī)主要用于系統(tǒng)的控制模塊，因而又稱作微控制器 (者嵌入式控制器（ 它將計(jì)算機(jī)的基本功能部件加以微型化，并集成到一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)了片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 單片機(jī)的 結(jié)構(gòu) 單片機(jī)內(nèi)部包含中央處理器部件（ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 程序存儲(chǔ)器（ 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器以及各種輸入 /輸出（ I/O）接口。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 圖 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 介 一種帶 4K 字節(jié) 儲(chǔ)器 （ 低電壓、高性能 位 微處理器 ，俗稱單片機(jī) 。 一種帶 2K 字 節(jié) 閃存可編程可擦除 只讀存儲(chǔ)器 的 單片機(jī) 。單片機(jī) 的可擦除 只讀存儲(chǔ)器 可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采 用 密度 6 非易失 存儲(chǔ)器 制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 閃速 存儲(chǔ)器 組合在單個(gè)芯片中， 片機(jī) 為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 腳功能 片機(jī)為 40 引腳雙列直插式封裝，示。 圖 單片機(jī)引腳示意圖 （ 1） 電電壓。 （ 2） 地。 （ 3） ： 為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8電流。當(dāng) 的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為 高阻 輸入。 夠用于外部程序數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 ，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位。在 程時(shí)， 作為原碼輸入口，當(dāng) 行校驗(yàn)時(shí)， 出原碼，此時(shí) 部必須接上拉電阻。 （ 4） ： 是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 緩沖器能接收輸出 4電流。 管腳寫入 1 后，被內(nèi)部 上拉為高，可用作輸入， 被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在程和校驗(yàn)時(shí)， 作為低八位地址接收。 7 （ 5） ： 為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) 電流，當(dāng) 被寫 “ 1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， 的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 當(dāng)用于外部 程序存儲(chǔ)器 或 16 位地址 外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， 輸出地址的高八位。在給出地址 “ 1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 進(jìn)行讀寫時(shí)， 輸出其 特殊功能寄存器 的內(nèi)容。 在 程 和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和 控制信號(hào) 。 （ 6） ： 管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個(gè) 電流。當(dāng) 寫入 “ 1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， 將輸出電流（ 是由于上拉的緣故。 也可作為 一些特殊功能口，如下表 示 ： 表 第二功能 引腳 功能 行接口輸 入） 行接口輸出） 部中斷 0 輸入） 部中斷 1 輸入） 0（定時(shí)器 0 輸入信號(hào)） 1（定時(shí)器 1 輸入信號(hào)） 部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） 同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些 控制信號(hào) 。 （ 7） 位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 兩 個(gè) 機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 （ 8） 訪問外部 存儲(chǔ)器 時(shí)， 地址鎖存 允許的 輸出電 平 用于鎖存地址的低位字節(jié)。在 程 期間，此 引腳 用于輸入 編程 脈沖。在平時(shí)，以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注 意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 時(shí)，將跳過一個(gè) 沖。如想禁止 輸出可在 址上置0。此時(shí)， 有在執(zhí)行 令 時(shí) 起作用。另外，該引腳 被略微拉高。如果 微處理 器 在外部執(zhí)行狀態(tài) 止，置位無效。 （ 9） /部 程序存儲(chǔ)器 的選通信號(hào)。在由外部程序 存儲(chǔ)器 取指期間， 8 每個(gè) 機(jī)器周期 兩次 /在訪問 外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 / （ 10） / /持低電平時(shí)，則在此期間外部程序 存儲(chǔ)器（ 0000不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， /內(nèi)部鎖定為 /保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ （ 11） 向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 （ 12） 自反向振蕩器的輸出。 別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 石晶 振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部 時(shí)鐘源 驅(qū)動(dòng)器件，不接。有余輸入至內(nèi)部 時(shí)鐘信號(hào) 要通過一個(gè)二分頻 觸發(fā)器 ，因此對外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除 整個(gè) 列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的 控制信號(hào) 組合，并保持 腳處于 低電平 10完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “ 1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù) 編程 以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， 有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種 軟件 可選的掉電模式。在閑置模式下， 止工作。但 定時(shí)器 ，計(jì)數(shù)器，串口和 中斷系統(tǒng) 仍在工作。在掉電模式下，保存 內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 度傳感器 字溫度傳感器接線方便，封裝后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有 要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外 觀。封裝后的 圖 示 可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機(jī)房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。 主要特性 （ 1） 適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍： 寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)線供電 。 （ 2） 獨(dú)特的單線接口方式， 與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 雙向通訊 。 9 （ 3） 持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) 以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫 。 （ 4） 使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi) 。 （ 5） 溫范圍 55 +125 。 （ 6） 可編程 的分辨率為 9 12 位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 、 和 ，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫 。 （ 7） 在 9 位分辨率時(shí)最多在 把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時(shí)最多在 750把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快 。 （ 8） 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以 一 線總線 串行傳送給 時(shí)可傳送 驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力 。 （ 9） 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作 。 圖 裝圖 外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 64位光刻 溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 置寄存器。 （ 1） 數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端； （ 2） 電源地； （ 3） 外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 光 刻 的 64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該64位光刻 排列是：開始 8位 （ 28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的 48位是該 后 8位是前面 56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ 8+4+1）。光刻 作用是使每一個(gè)樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) 0 的 。 圖 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 圖 12位轉(zhuǎn)化為例：用 16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ，其中S 為符號(hào)位 。如表 表 度值格式表 11 這是 12位轉(zhuǎn)化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18比特的 ，二進(jìn)制中的前 面 5位是符號(hào)位，如果測得的溫度大于 0， 這 5位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 果溫度小于 0，這 5位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1再乘于 溫度。 例如 +125 的數(shù)字輸出為 07的數(shù)字輸出為 0191H， 的數(shù)字輸出為 的數(shù)字輸出為 如表 表 度數(shù)據(jù)表 儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存 者 存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 結(jié)構(gòu)寄存器。 配置寄存器的結(jié)構(gòu)見表 表 配置寄存器 1 1 1 1 1 低五位一直都是 “ 1” ， 測試模式位，用于設(shè)置 工作模式還是在測試模式。在 廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用 戶不要去改動(dòng)。 0 用來設(shè)置分辨率，如表 示：（ 廠時(shí)被設(shè)置為 12 位） 12 表 度分辨率設(shè)置表 0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 0 0 9 位 1 10 位 0 11 位 375 1 12 位 750速暫存存儲(chǔ)器由 9 個(gè)字節(jié)組成，其分配如表 示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在 高速暫存存儲(chǔ)器的第 0 和第 1 個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表 1 所示。對應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位 S=0 時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1 時(shí)，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。表 對應(yīng)的一部分溫度值。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。 表 寄存 器內(nèi)容 字節(jié)地址 溫度值低位 （ 0 溫度值高位 （ 1 高溫限值（ 2 低溫限值（ 3 配置寄存器 4 保留 5 保留 6 保留 7 驗(yàn)值 8 根據(jù) 通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制 成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對 行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條 令 見表 后發(fā)送 令 見表 樣才能對 位要求主 00微秒，然后釋放，當(dāng) 6 60 微秒左右，后發(fā)出 60 240 微秒的存在低脈沖，主 3 收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。 表 令表 指 令 約定代碼 功 能 讀 3H 讀 度傳感器 的編碼（即 64 位地址） 符合 5H 發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64 位 碼，訪問單總線上與該編碼相對應(yīng)的 之作出響應(yīng)，為下一步對該 讀寫作準(zhǔn)備。 搜索 于確定掛接在同一總線上 個(gè) 數(shù)和識(shí)別 64 位 址。為操作各器件作好準(zhǔn)備。 跳過 略 64 位 址，直接向 溫度變換命令。適用于單片工作。 告警搜索命令 0行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)。 表 令表 指 令 約定代碼 功 能 溫度變換 44H 啟動(dòng) 行溫度轉(zhuǎn)換， 12 位轉(zhuǎn)換時(shí)最長為 7509 位為 結(jié)果存入內(nèi)部 9 字節(jié) 。 讀暫存器 0內(nèi)部 9 字節(jié)的內(nèi)容 寫暫存器 4 出向內(nèi)部 3、 4 字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。 復(fù)制暫存器 48H 將 第 3 、 4 字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到 。 重調(diào) 內(nèi)容恢復(fù)到 的第 2、 3 字節(jié)。 讀供電方式 0 供電模式。寄生供電時(shí) 送 “ 0 ” ，外接電源供電 送 “ 1 ” 。 作原理 讀寫時(shí)序和測溫原理與 同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而 不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由 2s 減為 750 14 溫原理如圖 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(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1 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(hào)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)，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，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(hào)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)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖 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 外部電源供電方式 如圖 外部電源供電方式下， 腳接入，此時(shí) I/O 線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證 轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè) 成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下， 腳不能懸空 ，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是 85 。外部電源供電方式是 作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度 監(jiān)控系統(tǒng)。在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮 使電源電壓 到 3V 時(shí)，依然能夠保證溫度量精度。 15 圖 外部供電方式單點(diǎn)測溫電路 晶顯示器 晶顯示器是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示 162 即 32 個(gè)字符。是一種專門顯示字母、數(shù)據(jù)、符號(hào)等的 點(diǎn)陣型液晶。每個(gè)點(diǎn)陣都可以顯示一個(gè)字符。實(shí)物如圖 圖 引腳定義 有 16 個(gè)引腳。引腳示例如圖 引腳功能見表 圖 腳示例 16 表 腳功能表 序號(hào) 名稱 描述 1 地 2 +5V 3 晶顯示器對比度調(diào)整端 4 存器選擇端 5 寫控制端 6 能端 70向數(shù)據(jù)端 15 背燈電源正極 16 燈電源負(fù)極 指令介紹 晶顯示器內(nèi)部共有 11 條指令。各指令定義及功能見表 表 令表 顯示自定義字符 顯示自定義字符步驟如下： （ 1） 先將自定義字符寫入 17 含的 符代碼表中的 00H07H 地址中的內(nèi)容沒有定義，它是用戶自定義區(qū)域。用戶可以向 定義內(nèi)容。在設(shè)定內(nèi)容時(shí)，要逐行設(shè)定，每行對應(yīng)一個(gè) 行 5 點(diǎn)，共 8 行。 （ 2） 將 的自定義字符傳送到 。 首先寫 入行地址。格式見表 后設(shè)定 據(jù)的內(nèi)容。見表 表 行地址格式 000 每行 5 點(diǎn)的字模數(shù)據(jù) 18 第 4 章 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件組成 本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為控制核心，采用多個(gè)溫度傳感器對多點(diǎn)溫度進(jìn)行檢測，以液晶顯示屏分別 循環(huán)顯示檢測的溫度。系統(tǒng)原理框圖如圖 示。 圖 系統(tǒng)原理框圖 單片機(jī)的典型電路 單片機(jī)的典型電路包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。 時(shí)鐘電路 如圖 蕩頻率取決于適應(yīng)晶體的振蕩頻率，范圍可取 2容可取 530 圖 單片機(jī)時(shí)鐘電路 19 復(fù)位電路 上電復(fù)位電路： 成微分電路，在接電瞬間產(chǎn)生一個(gè)微分脈沖，其寬度大于 2 個(gè)機(jī)器周期。如圖 示： 圖 單片機(jī)復(fù)位電路 顯示電路 如圖 示為 晶顯示屏的接口連線，最后兩個(gè)管腳 高電平 +5V， 過調(diào)節(jié) 10K 滑動(dòng)變阻器來調(diào)節(jié)顯示屏的亮度，以便清晰顯示數(shù)據(jù)。 圖 晶顯示屏的接口連線 20 溫度檢測電路 如圖 示為溫度檢測電路連接圖，三路 別接單片機(jī)的 接口， 用外部供電方式， I/O 口線要接 5里接 作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)。 圖 溫度檢測電路連接圖 溫度報(bào)警電路 本設(shè)計(jì)采軟件處理報(bào)警，利用有源蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警輸出，采用直流供電。當(dāng)所測溫度超過或者低于所預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，數(shù)據(jù)口相應(yīng)拉高電平，報(bào)警輸出。 也可采用發(fā)光二級(jí)管報(bào)警電路，如果需要報(bào)警，則只需將相應(yīng)位置 1，當(dāng)參數(shù)判斷完畢后，再看報(bào)警模型單元 內(nèi)容是否與預(yù)設(shè)一樣，如不一樣，則發(fā)光報(bào)警。報(bào)警電路硬件連接圖見圖 圖 報(bào)警電路硬件連接圖 21 第 5章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序主要包括主 程序、溫度檢測程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。 主程序 主程序調(diào)用各個(gè)子程序，并系統(tǒng)的控制各執(zhí)行模塊之間的結(jié)合與聯(lián)系，處理子程序送來的數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖 示。 圖 主程序流程圖 溫度檢測程序 單片機(jī)的控制下分三個(gè)階段： 18始化、讀 18 18 始化 初始化流程圖如圖 示。 先將數(shù)據(jù)線置高電平 “ 1”； 延時(shí)（該時(shí)間要求的不是很嚴(yán)格，但是盡可能的短一點(diǎn) ） ， 數(shù)據(jù)線拉到低電平 “ 0” ；延 時(shí) 750s（該時(shí)間的時(shí)間范圍可以從 480 到 960s） ； 數(shù)據(jù)線拉到高電平 “ 1” ；延時(shí)等待（如果初始化成功則在 15 到 60s 時(shí)間之內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由 返回的低電平 “ 0” ； 據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應(yīng)注意不能無限的進(jìn)行等待，不然會(huì)使程序進(jìn)入死循環(huán)，所以要進(jìn)行超時(shí)控制）。若 到了數(shù)據(jù)線上的低電平 “ 0” 后，還要做延時(shí)，其延時(shí)的時(shí)間從發(fā)出的高電平算起最少要 480s； 22 將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平 “ 1” 后結(jié)束。 圖 初始化流程圖 讀 序 讀 程見圖 先設(shè)置循環(huán)次數(shù)為 8 次，通過總線延遲將 8 位數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)內(nèi)。 當(dāng)從 數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)生成讀時(shí)間隙。當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)從高電平拉到低電平時(shí)，寫時(shí)間隙開始，數(shù)據(jù)線必須保持至少 1s；從 5s 內(nèi)有效。因此，主機(jī)在讀時(shí)間隙開始后必須把 I/O 腳驅(qū)動(dòng)拉為的電平保持 15s，以讀取 I/O 腳狀態(tài)。在讀時(shí)間隙的結(jié)尾， I/O 引腳將被外部上拉電阻拉到高電平。所有讀時(shí)間隙必須最少 60s，包括兩個(gè)讀周期至少 1s 的恢復(fù)時(shí)間。 23 圖 讀 程圖 寫 序 寫 程見圖 樣，先設(shè)置循環(huán)次數(shù)為 8 次，通過總線延遲將8 位數(shù)據(jù)寫入單片機(jī)內(nèi)。當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)從邏輯高電平拉到邏輯低電平的時(shí)候，寫時(shí)間隙開始。有兩種寫時(shí)間隙，寫 1 時(shí)間隙和寫 0 時(shí)間隙。所有寫時(shí)間隙必須最少持續(xù) 60s，包括兩個(gè)寫周期至少 1s 的恢復(fù)時(shí)間。 I/O 線電平變低后，一個(gè) 15s 到 60s 的窗口內(nèi)對 I/O 線采樣。如果線上事高電平，就是寫 1，如果是低電平，就是寫 0。主 機(jī)要生成一個(gè)寫時(shí)間隙，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平然后釋放，在寫時(shí)間隙開始后的 15s 內(nèi)允許數(shù)據(jù)線拉到高電平。主機(jī)要生成一個(gè)寫 0 時(shí)間隙，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平并保存 60s。每個(gè)讀時(shí)隙都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線 1s，在主機(jī)發(fā)起讀時(shí)序之后，單總線器件才開始在總線上發(fā)送 0 或 1。所有讀時(shí)序至少需要 60s。 24 圖 寫 程圖 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用 12 位分辨率時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為 750本程序設(shè)計(jì)中采用 1s 顯示程序延時(shí)法等待轉(zhuǎn)換的完成。其程序流程圖如圖 示。 計(jì)算溫度子程序 計(jì)算溫度子程序?qū)⒆x取值進(jìn)行碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如圖 示。 25 圖 溫度轉(zhuǎn)換流程圖 圖 計(jì)算溫度子程序流程圖 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高顯示位為 0 時(shí)，將符號(hào)顯示位移入下一位。程序流程圖如圖 示。 26 圖 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序流程圖 27 第 6章 仿真、制作及系統(tǒng)調(diào)試 仿真結(jié)果 通過 件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其仿真圖如圖 示。因?yàn)榉抡鎴D看不出蜂鳴報(bào)警器是否響，所以這里用報(bào)警指示燈來代替蜂鳴報(bào)警電路。 圖 系統(tǒng)仿真圖 如圖 示為循環(huán)顯示三路溫度的仿 真圖。液晶第一行顯示仿真的日期，第二行顯示分別為溫度值、溫度單位和溫度檢測的路數(shù)。其中圖 a 為第 1 路檢測的溫度，其溫度值為 ，液晶顯示與 一致，說明仿真正確。因?yàn)樵摐囟瘸隽嗽O(shè)定溫度的下限，所以報(bào)警指示燈亮。圖 b 顯示為第 2 路 測的溫度，其溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，報(bào)警指示燈不亮。圖 路 檢測的溫度，其溫度超出了設(shè)定范圍的上限，報(bào)警指示燈亮。圖 d 為循環(huán)回來顯示的 1 路溫度值。 實(shí)物制作 仿真結(jié)果出來后照著系統(tǒng)仿真圖開始進(jìn)行實(shí)物制作。 先從實(shí)驗(yàn)室獲取各個(gè)模塊電路所需要的所有元器件，元器件的清單如表 后依照電路進(jìn)行焊接實(shí)物。 28 a b c d 圖 三路溫度仿真圖 系統(tǒng)調(diào)試 本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的調(diào)試以程序的調(diào)試為主。 先編寫顯示程序并進(jìn)行硬件的正確性檢驗(yàn) ，然后分別進(jìn)行主程序、讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計(jì)算溫度子程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等的編程及調(diào)試。 表 元器件清單 29 序號(hào) 名稱 型號(hào) 單位 數(shù)量 備注 1 電阻 10 2 2 電容 30 2 3 晶振 12 1 4 三極管 9012 支 1 5 蜂鳴器 支 1 6 滑動(dòng)變阻器 10 1 7 電阻 5 3 8 液晶顯示器 1 9 單片機(jī) 1 由于 單片 機(jī)采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，對 行讀 /寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀 /寫時(shí)序，否則將無法讀取測量結(jié)果。本程序采用單片機(jī) C 語言編寫，用 編譯器編程調(diào)試。 軟件調(diào)試到液晶能顯示溫度值，而且在有溫度變化時(shí)（例如改變傳感器的溫度值）顯示溫度能改變。 軟硬件分別調(diào)試完成以后，將程序下載入單片機(jī)中，電路板接上電源，系統(tǒng)開始運(yùn)行。如圖 圖 系統(tǒng)初始調(diào)試圖 由于剛上電時(shí) 以三路都顯示為 85 。經(jīng)過一個(gè)循環(huán)周期后 ，開始顯示各路溫度。如圖 30 a b c d 圖 各路溫度顯示圖 圖中 a、 b、 c 圖分別為第 1 路、第 2 路、第 3 路檢測的溫度，圖 d 為循環(huán)一周期后重新顯示的第 1 路溫度。 由于我們在用軟件仿真的時(shí)候都是假設(shè)所有的元件為理想狀態(tài)，但是在現(xiàn)實(shí)中，遠(yuǎn) 遠(yuǎn)達(dá)不到理想狀態(tài)，元器件總是或多或少存在一些問題，所以成品有可能和仿真出的結(jié)果有一些誤差。但只有能夠?qū)崿F(xiàn)正常循環(huán)顯示溫度值，那么本次設(shè)計(jì)基本成功。 31 結(jié)論 本設(shè)計(jì)利用 片控制溫度傳感器 輔之以部分外圍電路實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的監(jiān)測，性能穩(wěn)定，精度教高，而且擴(kuò)展性能很強(qiáng)大。由于持單總線協(xié)議，我們還可以將多個(gè) 以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上， 需一根端口線就能與諸多 信，占用較少的微處理器的端口就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫監(jiān)控系統(tǒng)。由于 測量精度只有 ，往往很多場合需要更加精確的溫度，在所測溫度精度不變的基礎(chǔ)上必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。由于 基于帶隙結(jié)構(gòu)的數(shù)字式溫度傳感器， 增量電壓正比于 對溫度（ 它的測溫精度較高 ,但存在著一定的誤差 其誤差在時(shí)間和外部環(huán)境變化的條件下 ,保持相當(dāng)高的穩(wěn)定性。 通過本次設(shè)計(jì)，讓我對單片機(jī) 原理應(yīng)用以及與周邊系統(tǒng)的連接融合環(huán)節(jié)有了深入的認(rèn)識(shí)，針對溫度傳感器 片的原理我通過網(wǎng)絡(luò)資料對其有了更深刻的理解。并且能夠 熟悉使用 行硬件仿真， 行程序編譯，培養(yǎng)了分析問題、解決問題、獨(dú)立設(shè)計(jì)和制作電子產(chǎn)品的能力。 32 參 考 文 獻(xiàn) 1 常喜茂 ,孔英會(huì) ,付小寧 礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例 M 電子工業(yè)出版社 , 2 余永權(quán) . 列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù) M