多路溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

1緒論溫度是一個(gè)很重要的物理參數(shù)，自然界中任何物理、化學(xué)過(guò)程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度檢測(cè)和控制都直接和平安生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)最、生產(chǎn)效率、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系，因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中都受到普遍重視。溫度檢測(cè)類(lèi)儀表作為溫度計(jì)量工具，也因此得到廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展，這類(lèi)儀表的開(kāi)展也日新月異。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛開(kāi)展，以單片機(jī)為主的嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，形成了智能化的測(cè)量控制儀器，從而引起了儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革。1.1溫度檢測(cè)類(lèi)儀表的現(xiàn)狀傳統(tǒng)的機(jī)械式溫度檢測(cè)儀表在工礦企業(yè)中己經(jīng)有上百年的歷史了。一般均具有指示溫度的功能，由于測(cè)溫原理的不同，不同的儀表在報(bào)警、記錄、控制變送、遠(yuǎn)傳等方面的性能差異很大。例如熱電阻溫度計(jì)，它的測(cè)溫范圍是-200℃～650℃，測(cè)量準(zhǔn)確，可用于低溫或溫差測(cè)量，能夠指示報(bào)警、遠(yuǎn)傳、控制變送，但維護(hù)工作量大并且不能記錄；光學(xué)溫度計(jì)測(cè)溫范圍是300℃～3200近年來(lái)由于微電子學(xué)的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，智能化測(cè)量控制儀表己經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。我國(guó)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用始于80年代。在這20年中單片機(jī)應(yīng)用向縱深開(kāi)展，技術(shù)日趨成熟。智能儀表在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化，測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面。都取得了巨大的進(jìn)展。目前在研制高精度、高性能、多功能的測(cè)量控制儀表時(shí)，幾乎沒(méi)有不考慮采用單片機(jī)使之成為智能儀表的。從技術(shù)背景來(lái)說(shuō)，硬件集成電路的不斷開(kāi)展和創(chuàng)新也是一個(gè)重要因素。各種集成電路芯片都在朝超大規(guī)模、全CMOS化的方向開(kāi)展，從而使用戶具有了更大選擇范圍。這類(lèi)儀器能夠解決許多傳統(tǒng)儀器不能或不易解決的問(wèn)題，同時(shí)還能簡(jiǎn)化儀表電路，提高儀表的可靠性，降低儀表的本錢(qián)以及加快新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度。智能化控制儀表的整個(gè)工作過(guò)程都是在軟件程序的控制下自動(dòng)完成的。裝在儀表內(nèi)部EPROM中的監(jiān)控程序由許多程序模塊組成，每一個(gè)模塊完成一種特定的功能，例如實(shí)現(xiàn)某種算法、執(zhí)行某一中斷效勞程序、接受并分析鍵盤(pán)輸入命令等。編制完善的監(jiān)控程序的某些功能模塊。能夠取代某些硬件電路的功能。這就為設(shè)計(jì)者擴(kuò)展或改變儀表具體功能提供了方便。例如打印的內(nèi)容、格式，報(bào)警值的上、下限，報(bào)警的方式〔如發(fā)光、發(fā)聲〕等就完全可以通過(guò)改變具體的某一段程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又不會(huì)影響軟件中其它程序的功能。儀表在使用上更具有靈活性。智能化控制儀表在引入單片機(jī)之后，己經(jīng)降低了對(duì)某些硬件電路的要求，但是測(cè)試電路仍然占有很重要的位置。尤其是直接獲取被測(cè)信號(hào)的傳感器局部仍應(yīng)給予充分的重視，有時(shí)提高整臺(tái)儀器性能的關(guān)鍵仍然在于測(cè)試電路尤其是傳感器的改良?，F(xiàn)在傳感器也正在受著微電子技術(shù)的影響，不斷開(kāi)展變化。傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向開(kāi)展。有許多國(guó)家正致力于將微處理器與傳感器集成于一體，以構(gòu)成超小型、廉價(jià)的測(cè)量?jī)x器的主體。與國(guó)內(nèi)己經(jīng)出現(xiàn)的各種各樣的智能化測(cè)量控制儀表相比，國(guó)際上更是品種繁多。國(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)規(guī)模也相對(duì)較小，開(kāi)發(fā)費(fèi)用相對(duì)較高，與國(guó)際相比還存在很大的差距。1.2課題的提出多路溫度的測(cè)量、記錄、傳輸在工業(yè)及民用領(lǐng)域應(yīng)用中一直是量大面廣的設(shè)備之一，所以目前多路溫度巡檢儀并不少見(jiàn)。甚至其中有很多己經(jīng)作為典型例題出現(xiàn)在許多關(guān)于單片機(jī)應(yīng)用的教科書(shū)中，雖然在電路結(jié)構(gòu)、元器件的選擇和相應(yīng)的軟件編程上略有區(qū)別，但是它們均能以單片機(jī)為核心，完成巡檢、顯示、報(bào)警和記錄等功能。但是這些溫度巡檢儀都有一個(gè)共同的主要缺點(diǎn)，那就是只能檢測(cè)的路數(shù)不能任意增加。這是由于溫度的檢測(cè)離不開(kāi)溫度傳感器，而傳統(tǒng)的溫度傳感器例如PT—100、K、J等都是模擬量輸出，需要進(jìn)行信號(hào)的放大和A/D轉(zhuǎn)換方能被單片機(jī)接受，如果要增加測(cè)試路數(shù)，那未必定要增加放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的個(gè)數(shù)，接線將十分復(fù)雜。并且它們的準(zhǔn)確性易受環(huán)境、接線、放大等因素的影響，因而誤差大，遠(yuǎn)傳受距離的限制等，多路共測(cè)時(shí)，檢測(cè)效果也大打折扣。隨著生產(chǎn)力的開(kāi)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和對(duì)生產(chǎn)管理的自動(dòng)化水平的要求越來(lái)越高，在很多場(chǎng)合，諸如啤酒、飲料、食品、白酒發(fā)酵生產(chǎn)線，中頻熱處理行業(yè)的水路溫度保護(hù)，提升機(jī)、通訊機(jī)、發(fā)電廠等軸溫記錄，變電所各電節(jié)點(diǎn)的溫度檢測(cè)，農(nóng)業(yè)大棚、雞舍等，溫度巡檢儀有著越來(lái)越廣闊的應(yīng)用與開(kāi)展前景。但是上述場(chǎng)合通常需要監(jiān)測(cè)的點(diǎn)遠(yuǎn)大于8個(gè)，那么上述溫度巡檢儀遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其要求。本課題那么主要針對(duì)這一點(diǎn)而提出。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增加，就硬件電路和軟件編程而言，并非意味著簡(jiǎn)單的增加幾條電路連線和循環(huán)指令，而是與相關(guān)的軟硬件技術(shù)有極為密切的聯(lián)系。隨著單片機(jī)技術(shù)及其外圍芯片、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開(kāi)展越來(lái)越完善，使得設(shè)計(jì)能夠滿足對(duì)更多測(cè)試點(diǎn)的溫度的測(cè)試、報(bào)警、記錄等的溫度巡檢儀成為可能。目前，溫度傳感器的開(kāi)展日新月異，種類(lèi)繁多，各有千秋，特別是數(shù)字式溫度傳感器開(kāi)始越來(lái)越多的應(yīng)用于溫度檢測(cè)儀表中。所謂數(shù)字式溫度傳感器即集溫度感應(yīng)、變換、數(shù)碼調(diào)制于一體，對(duì)外輸出數(shù)字信號(hào)。具有抗干擾性好、可靠性高、硬件電路簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。尤其是對(duì)于數(shù)十個(gè)乃至上百個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)，采用數(shù)字式溫度傳感器便可以摒棄A/D轉(zhuǎn)換和放大器，無(wú)疑對(duì)簡(jiǎn)化電路起到不可估量的作用。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，使用不同的溫度傳感器，對(duì)電路性能有極大的影響。測(cè)控對(duì)象與計(jì)算機(jī)之間的信息交換是通過(guò)總線進(jìn)行的，常見(jiàn)的有C總線、SPI總線等被廣泛應(yīng)用著，它們技術(shù)成熟，有眾多的芯片和功能完善的軟件相支持。近年美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出了一項(xiàng)新技術(shù)---單總線技術(shù)，即用一根信號(hào)線(1-wire)在其上可以掛接許多測(cè)控對(duì)象，甚至電源也經(jīng)這根信號(hào)線饋給，從而可以方便地組建一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)。該技術(shù)有較高的性能價(jià)格比，適用于溫度測(cè)控場(chǎng)合，當(dāng)測(cè)控對(duì)象很多時(shí)更可以顯示其優(yōu)越性，抗干擾性能好，具有CRC校驗(yàn)功能，系統(tǒng)簡(jiǎn)明直觀易于掌握。特別是國(guó)內(nèi)未見(jiàn)深入研究，軟件編程相應(yīng)復(fù)雜，因而使用單總線技術(shù)研制溫度巡檢儀那么保證了其技術(shù)上的先進(jìn)性，但是同時(shí)也具有一定的開(kāi)發(fā)難度.本課題將綜合運(yùn)用先進(jìn)的元器件和技術(shù)設(shè)計(jì)溫度巡檢儀，使其可以真正方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度監(jiān)控的自動(dòng)化，為生產(chǎn)管理部門(mén)提供高精度的實(shí)時(shí)溫度，使操作者可以在生產(chǎn)過(guò)程中及時(shí)了解關(guān)于溫度的參考信息，保證生產(chǎn)能夠在正常的環(huán)境溫度下進(jìn)行，對(duì)于保障平安生產(chǎn)、節(jié)約能源、提高效率、保障產(chǎn)品質(zhì)量有重要的社會(huì)意義。并且在上面提到的行業(yè)中，都需要多路同時(shí)檢測(cè)，應(yīng)用面廣，需求量大，任何一個(gè)廠的一次使用量都在10臺(tái)儀器以上，因此32路溫度巡檢儀一旦設(shè)計(jì)成功并投入生產(chǎn)必將帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，前景非常廣闊。1.3課題的內(nèi)容針對(duì)目前溫度檢測(cè)儀表的開(kāi)展趨勢(shì)和存在的問(wèn)題，本課題主要解決以下內(nèi)容：a)對(duì)32處不同的測(cè)試點(diǎn)巡回檢測(cè)其溫度，進(jìn)行集中管理，集中控制。b)在其測(cè)量范圍內(nèi)可以設(shè)定任意測(cè)試點(diǎn)溫度的報(bào)警值。c)在溫度異常時(shí)能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)和采取保護(hù)措施，能對(duì)故障及時(shí)地跟蹤和記錄。d)可以方便地設(shè)置打印方式，包括定時(shí)自動(dòng)打印和任意時(shí)刻打印。e)功耗低，整個(gè)系統(tǒng)體積小。f)現(xiàn)場(chǎng)安裝配線簡(jiǎn)單，調(diào)試簡(jiǎn)捷方便。g)采用少量按鍵來(lái)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的對(duì)話性和可操作性；測(cè)試點(diǎn)的個(gè)數(shù)可在某一范圍內(nèi)任意刪加。h)使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能。i)有較高的分辨率，極好的可維護(hù)性。2系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)在本章的設(shè)計(jì)中將進(jìn)行系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，以便在后續(xù)章節(jié)中選擇適宜的單片機(jī)及外圍芯片，完成具體的硬件電路設(shè)計(jì)。總體設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：a)從整體到局部設(shè)計(jì)b)經(jīng)濟(jì)性要求c)可靠性要求d)操作和維護(hù)的要求。2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想不同的控制對(duì)象和不同的要求，應(yīng)該有不同的設(shè)計(jì)思想。本系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)專(zhuān)用的單片機(jī)系統(tǒng)，儀表內(nèi)部除單片機(jī)以外的其它硬件局部均可看作是單片機(jī)的外設(shè)局部。在本系統(tǒng)中，CPU在溫度采集和處理時(shí)，主耍是對(duì)溫度值進(jìn)行巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和整理、數(shù)據(jù)越限報(bào)警并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和實(shí)時(shí)分析。CPU不直接參與過(guò)程控制。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程不會(huì)直接產(chǎn)生影響。從這一點(diǎn)出發(fā)，可作出總體設(shè)計(jì)思路圖2.l:測(cè)試對(duì)象測(cè)試對(duì)象采樣轉(zhuǎn)換報(bào)警打印顯示單片機(jī)····圖2.1總體設(shè)計(jì)思路圖溫度經(jīng)過(guò)采樣、轉(zhuǎn)換后以數(shù)字形式進(jìn)入CPU，利用CPU具有運(yùn)算、邏輯判斷能力速度快等特點(diǎn)，在它內(nèi)部可以對(duì)這些輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的集中、加工和處理，在溫度參數(shù)的測(cè)量和記錄中那么代替大量的常規(guī)顯示和記錄儀表，對(duì)整個(gè)環(huán)境溫度進(jìn)行集中監(jiān)視。另外，添加存儲(chǔ)器，預(yù)先存入各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度極限值和其他的相關(guān)數(shù)據(jù)，以便在處理過(guò)程中可以進(jìn)行越限報(bào)警、調(diào)整參數(shù)和維修調(diào)試等。2.2方案論證與選擇設(shè)計(jì)方案的不同將直接決定儀表硬件的繁簡(jiǎn)程度，從而確定軟件的不同編寫(xiě)思32路溫度巡檢儀應(yīng)對(duì)當(dāng)前的環(huán)境溫度進(jìn)行巡回檢測(cè)，所以它是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：a)應(yīng)保證前向的溫度傳感電路的精確度、靈敏度、電路結(jié)構(gòu)的合理性；b)儀表本身要具備一定的抗干擾能力，應(yīng)在硬件及軟件上引入各種抗干擾措施，以增強(qiáng)它的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；c)儀表應(yīng)預(yù)留接口以便于功能擴(kuò)展和聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)以上要求，硬件電路有以下幾種方案可供選擇。溫度采樣和測(cè)試局部第一種方案：各測(cè)試點(diǎn)的溫度值經(jīng)過(guò)測(cè)溫元件熱電偶、熱電阻等，被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這樣得到的多路采樣信號(hào)經(jīng)放大器、多路模擬開(kāi)關(guān)及A/D轉(zhuǎn)換電路，由單片機(jī)控制多通道A/D轉(zhuǎn)換，分時(shí)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采樣和A/D轉(zhuǎn)換。這種方案是單片機(jī)處理非電量信號(hào)的傳統(tǒng)方法，它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣：選用適宜的測(cè)溫元件可以檢測(cè)-300℃～3000℃第二種方案：使用在溫度測(cè)控領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用的二端式半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590、LM35等，將采集到的電流信號(hào)經(jīng)多路A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)，由單片機(jī)控制數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換。以AD590為例，它的測(cè)溫范圍為-55～+150℃第三種方案：選用先進(jìn)的數(shù)字式溫度傳感器，將采集到的數(shù)字式的溫度信號(hào)直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理。隨著傳感器技術(shù)的開(kāi)展，已經(jīng)出現(xiàn)了先進(jìn)的數(shù)字式溫度傳感器。這種方案中的溫度傳感器兼有測(cè)溫和A/D轉(zhuǎn)換的功能，輸出值是數(shù)字信號(hào)，所以不必使用A/D轉(zhuǎn)換器和相關(guān)的接口芯片，能夠直接進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理。硬件電路非常簡(jiǎn)潔，有較好的線性關(guān)系和較強(qiáng)的抗干擾能力，同以上兩種方案相比有明顯的優(yōu)勢(shì)和極其廣泛的開(kāi)發(fā)前景。但是測(cè)量范圍較小，一般在-50℃～+150℃由于本課題的溫度巡檢儀是面腳一般的環(huán)境溫度即常溫區(qū)，對(duì)測(cè)溫范圍要求并不嚴(yán)格，比擬以上幾個(gè)方案，我選用了第三種方案。各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)在電路設(shè)計(jì)沖，溫度值、溫度傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)等都需要保存。并且掉電時(shí)要求數(shù)據(jù)不喪失。有兩種電路可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的非易失性保存。第一種方案：選用靜態(tài)RAM及專(zhuān)用的上電、掉電數(shù)據(jù)保護(hù)電路，但這種結(jié)構(gòu)占用較多的軟硬件資源，不宜采用。第二種方案：使用串行PROM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，且串行PROM具有很強(qiáng)的抗干擾能力，與單片機(jī)硬件接口非常簡(jiǎn)單可擦寫(xiě)次數(shù)多〔目前為次〕。因此本設(shè)計(jì)采用第二種方案。時(shí)鐘局部在32路溫度巡檢儀中需要記錄故障發(fā)生的時(shí)間，所以要考慮實(shí)時(shí)時(shí)鐘。實(shí)時(shí)時(shí)鐘分為硬時(shí)鐘和軟時(shí)鐘兩種。硬時(shí)鐘有獨(dú)立的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片組成，硬時(shí)鐘的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)鐘的準(zhǔn)確度與單片機(jī)無(wú)關(guān)，不易產(chǎn)生誤差；缺點(diǎn)是本錢(qián)較高、體積大，并且與單片機(jī)通信時(shí)可能會(huì)受到外界的干擾。軟時(shí)鐘是利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，由軟件程序產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)閡。節(jié)省了外都硬件資源。缺點(diǎn)是當(dāng)單片機(jī)發(fā)生故障時(shí)，時(shí)鐘也容易遭到破壞，特別是單片機(jī)采用了看門(mén)狗電路時(shí)，會(huì)影響軟時(shí)鐘的準(zhǔn)確度。因此，本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立的硬件時(shí)鐘芯片。這樣，即使看門(mén)狗電路令單片機(jī)復(fù)位，程序也只須將時(shí)鐘芯片里的數(shù)據(jù)讀出即可，不會(huì)影響時(shí)鐘的準(zhǔn)確度。打印輸出打印機(jī)輸出是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最根本的輸出形式，在本系統(tǒng)中要求有方便的打印記錄，打印機(jī)一般有擊打式和非擊打式打印兩類(lèi)。擊打式打印機(jī)是利用機(jī)械作用，擊打活字載體上的字符，使之與色帶和紙相擊打而印出字符，或者利用打印銅針撞擊色帶和紙打印出點(diǎn)陣組成的字符圖形。其特點(diǎn)是一次性購(gòu)置價(jià)格較高，耗材廉價(jià)，經(jīng)久耐用。非擊打式印字機(jī)的印字，不是機(jī)械的擊打動(dòng)作，而是利用各種物理的或化學(xué)的方法印刷字符，如靜電感應(yīng)，電灼，熱敏效應(yīng)，激光掃描及噴墨等。較常用的是噴墨打印機(jī)，雖然價(jià)格廉價(jià)但是經(jīng)常要更換墨盒，耗材費(fèi)用高。考慮到為方便用戶長(zhǎng)期使用，不至于經(jīng)常拆卸儀表外殼而去更換墨盒，因此選用擊打式打印機(jī)。擊打式輸出打印設(shè)備按工作方式又可分為串行輸出打印機(jī)和并行輸出打印機(jī)。所謂串行打印即逐字，逐行，逐頁(yè)地打印。串行輸出打印機(jī)根據(jù)活字載體的形狀，分球形、字輪、針式、菊花、杯形等多種，其中菊花式和針式打印機(jī)開(kāi)展比擬快，而后者使用更廣泛，針式打印機(jī)是由點(diǎn)陣組成不同字符擊打成字。它們的特點(diǎn)是打印速度高，機(jī)械結(jié)構(gòu)比擬簡(jiǎn)單，適合作為微小型計(jì)算機(jī)的打印輸出設(shè)備。所謂并行打印即逐行逐頁(yè)地打印。并行式打印速度高于串行式打印。并行輸出打印機(jī)按結(jié)構(gòu)分為鼓式、鏈?zhǔn)健降确N。一般適用于大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于本系統(tǒng)僅需要打印溫度值、時(shí)間和測(cè)試點(diǎn)的序號(hào)，所以選用串行的針式微型打印機(jī)。系統(tǒng)顯示

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡(jiǎn)稱(chēng)LED(LightEmittingDiode)。液晶顯示器，簡(jiǎn)稱(chēng)LCD(LiquidCrystalDisplay);CRT顯示器。LED的發(fā)光效率和顏色取決于制造的材料，一般常用紅色，偶爾也用黃色或綠色。發(fā)光二極管LED是智能化測(cè)量控制儀表中簡(jiǎn)單而常用的輸出設(shè)備，通常用來(lái)指示機(jī)器的狀態(tài)或其他信息，它的優(yōu)點(diǎn)是耗電省，配置靈活，接口方便，價(jià)格低，壽命長(zhǎng)，對(duì)電流電壓的要求不高及容易實(shí)現(xiàn)多路等，因而在智能化測(cè)量控制儀表中獲得了廣泛的應(yīng)用。LCD是一種被動(dòng)顯示器，它本身并不發(fā)光，只是調(diào)節(jié)光的亮度。目前常用的LCD是根據(jù)液晶的扭曲--向列效應(yīng)原理制成的，可得到黑底白字或白底黑字的顯示形式。對(duì)于采用電池供電的便攜式智能化測(cè)量控制儀表，考慮到低功耗的要求，常常需要采用液晶顯示器，它體積小，重量輕，功耗極低，因此在儀器儀表中的應(yīng)用十分廣泛。但是必須借助外來(lái)光顯示。CRT顯示器可以進(jìn)行圖形顯示，但接口較復(fù)雜，本錢(qián)也較高。在32路溫度巡檢儀中只需要顯示4位數(shù)字形式的溫度和路數(shù)，可以不必使用價(jià)格較高的CRT;4位LED的工作電流為240mA左右，由于使用交流電源供電，足以提供LED顯示器所需要的功率，對(duì)于LED而言，僅有4位，體積也很小，這樣比擬LED和LCD的諸多特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇LED印顯示器。鍵盤(pán)格式鍵盤(pán)是一組按鍵的組合，它的作用主要是控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)和命令，有編碼式鍵盤(pán)和非編碼式鍵盤(pán)兩類(lèi)。編碼式鍵盤(pán)除了按鍵之外，還包括了產(chǎn)生鍵碼的硬件電路、去抖動(dòng)電路和多鍵、竄鍵保護(hù)電路。每按下一個(gè)鍵，能自動(dòng)產(chǎn)生這個(gè)鍵的鍵碼，與此同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。通知CPU接收。這種鍵盤(pán)使用方便，接口程序簡(jiǎn)單，但是需要較多的硬件電路，價(jià)格較貴，一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)較少采用。非編碼式鍵盤(pán)僅由排成行、列矩陣形式的按鍵組成，按鍵的作用只是簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)的接通或斷開(kāi)，鍵的去抖動(dòng)、鍵的編碼的形成和鍵的識(shí)別等均由軟件來(lái)完成。由于它經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛采用。經(jīng)過(guò)以上比照，可以采用非編碼式鍵盤(pán)。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵根據(jù)以上所述的總體設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)中需解決的技術(shù)關(guān)鍵性問(wèn)題是：第一，這種巡檢儀由于需要檢測(cè)的點(diǎn)多達(dá)幾十個(gè)，為了便于用戶安裝使用，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能地使用各種先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，力求電路最簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試最方便。第二，為保證本系統(tǒng)高可靠性運(yùn)行，儀器本身要具備很強(qiáng)的抗干擾能力，為此應(yīng)在硬件及軟件設(shè)計(jì)上引入各種抗干擾清施。特別是系統(tǒng)中各局部電路的電源均設(shè)計(jì)為直流穩(wěn)壓電源供電，當(dāng)儀器用于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境時(shí)，直流電源能夠不受干擾的對(duì)各局部電路提供直流電壓就顯得十分重要了。第三，由于硬件電路十分簡(jiǎn)潔，那么軟件勢(shì)必功能很強(qiáng)大，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)尋找盡可能簡(jiǎn)單完善的設(shè)計(jì)思路，保證程序易于修改、調(diào)試。第四，系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)行的系統(tǒng)，當(dāng)主機(jī)電源因某種原因停電時(shí)，為了保證系統(tǒng)工作時(shí)的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，其后備電源應(yīng)能可靠工作。3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)根據(jù)上一章所選的總體方案確定的思路，下面將進(jìn)行具體的系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.l所示。CPUCPU打印機(jī)顯示器測(cè)試點(diǎn)測(cè)試點(diǎn)溫度傳感器溫度傳感器鍵盤(pán)報(bào)警電路存儲(chǔ)器看門(mén)狗實(shí)時(shí)時(shí)鐘··············3.1整體結(jié)構(gòu)框圖數(shù)字式溫度傳感器主要是采集每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度值，在其內(nèi)部將采集到的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)集中進(jìn)行處理。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的I/O口有限，所以每個(gè)溫度傳感器不可能直接接入單片機(jī)，必須應(yīng)采用總線技術(shù)，將數(shù)字式的溫度值通過(guò)總線循環(huán)的送入單片機(jī)。存儲(chǔ)器將存儲(chǔ)各種與溫度傳感器有關(guān)的數(shù)據(jù)，例如，每個(gè)傳感器的相關(guān)信息、每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度值和相關(guān)的時(shí)間數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的集中管理，并防止喪失?？撮T(mén)狗電路用來(lái)監(jiān)視單片機(jī)的正常運(yùn)行：LED顯示器顯示溫度值和對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)即路數(shù)，當(dāng)需要修改某些數(shù)據(jù)或進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，顯示器應(yīng)能配合鍵盤(pán)顯示相關(guān)的信息。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路為巡檢儀提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘：報(bào)警電路在溫度異常時(shí)送出保護(hù)信號(hào)并能進(jìn)行故障點(diǎn)的跟蹤定位。鍵盤(pán)在本系統(tǒng)中是操作員控測(cè)巡檢儀的唯一途徑，是安裝調(diào)試的必備手段。在儀表需要改變某些數(shù)據(jù)，以及操作員在出現(xiàn)故障時(shí)能夠?qū)崟r(shí)打印故障路數(shù)、對(duì)應(yīng)的時(shí)間、溫度數(shù)據(jù)等均應(yīng)通過(guò)鍵盤(pán)完成相應(yīng)的操作。打印機(jī)主要打印某一時(shí)刻的各路溫度值。直流穩(wěn)壓電源為單片機(jī)、存儲(chǔ)器、報(bào)警電路和顯示器提供直流電壓，后備電源那么是為了實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路在主機(jī)掉電時(shí)也能正常工作，防止時(shí)鐘停走導(dǎo)致計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確。3.2溫度巡檢儀的硬件構(gòu)成選擇單片機(jī)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上可供選擇的單片機(jī)的類(lèi)型有很多種，以MCS-51、MCS-96為主流系列。其中MCS-51系列性能價(jià)格高，開(kāi)發(fā)用的仿真機(jī)研究較早并日趨完善，生產(chǎn)廠家較多，支持芯片種類(lèi)繁多，適合不同應(yīng)用場(chǎng)合的新機(jī)種不斷涌現(xiàn)，使得MCS-51系列單片機(jī)在國(guó)內(nèi)成為開(kāi)發(fā)中小型嵌入式系統(tǒng)的首選。能夠與80C51兼容的單片機(jī)有諸如ATMEL、PHILIPS、INTEL等公司的產(chǎn)品。AT89C51是ATMEL公司生產(chǎn)的、在我國(guó)應(yīng)用較早、技術(shù)較成熟的MCS-51系列單,片機(jī)，目前價(jià)格僅為七點(diǎn)五元錢(qián)。它功耗低、性能高、片內(nèi)含有4KB快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器〔FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕,是一種8位微控制器，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造。并且與80c51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的允許在線編程或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了非常靈活而又價(jià)格適宜的方案，其性能價(jià)格比極高。除此之外還有很多單片機(jī)可供選擇，例如83C552是PHILIPS公司80C51系列的增強(qiáng)型產(chǎn)品，是一種高性能微控制器，也廣泛用于儀器儀表、工業(yè)控制、汽車(chē)、控制、電機(jī)調(diào)速等實(shí)時(shí)測(cè)控領(lǐng)域。它的價(jià)格高于AT89C51，并且有5個(gè)8位I/O口，外加1個(gè)與模擬輸入共享的8位輸入口，1個(gè)8路輸入的10位A/D轉(zhuǎn)換器。但是對(duì)口對(duì)于32路溫度巡檢儀來(lái)說(shuō)，僅用一個(gè)8路A/D轉(zhuǎn)換顯然不能滿足需要，而假設(shè)在溫度檢測(cè)局部采用先進(jìn)的傳感器而不再使用A/D轉(zhuǎn)換后，CPU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器和6個(gè)I/O口也就顯得太浪費(fèi)了。溫度傳感器及接口電路a)選擇溫度傳感器①M(fèi)AX公司的MAX6575，測(cè)溫范圍是-55℃～+125℃,6管腳引線。MAX6575要求在一個(gè)單片機(jī)的一條控制總線上只允許掛接8個(gè)溫度傳感器，管腳數(shù)太多，單個(gè)傳感器也不方便在總線上掛接。MAX6575的分辨率在25℃時(shí)為0.8℃〔最大為3℃〕，電源電壓為2.7～5.5V，電流值為160μA，測(cè)溫范圍為-40②DALLAS半導(dǎo)體公司提供了先進(jìn)的數(shù)字式溫度計(jì)DS1820系列。該系列采用了與眾不同的原理，利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關(guān)系，通過(guò)對(duì)振蕩周期的計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。輸出值是數(shù)字信號(hào)，所以不必使用A/D轉(zhuǎn)換器和相關(guān)的接口芯片，直接送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理。為了擴(kuò)大測(cè)溫范圍和提高分辨率，使用了低溫系數(shù)振蕩器和一個(gè)高溫系數(shù)振蕩器分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，并采用了非線性累加器來(lái)改善線性，其中DS18B20是常用的溫度傳感器，它采用一根I/O數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)和命令，售價(jià)低廉，廣泛用于食品庫(kù)、冷庫(kù)、糧庫(kù)，是Ds1820的改良型產(chǎn)品。由于本系統(tǒng)是32路巡檢，如果采用Max6575，那么至少需要4條控制總線，占用I/O口資源較多：DS18B20那么至多需要2條總線便可以掛接至少32個(gè)傳感器，從而CPU還能留有較多的I/O口繼續(xù)擴(kuò)展檢測(cè)路數(shù)或其它功能，使用相當(dāng)靈活，所以在本系統(tǒng)中我選擇了DS18B20。b)單總線技術(shù)Ds18B20與單片機(jī)是單總線連接方式，單總線技術(shù)比傳統(tǒng)的方案具有較高的性能價(jià)格比，具有以下特點(diǎn)：①適用于低速測(cè)控場(chǎng)合,測(cè)控對(duì)象越多越顯出其優(yōu)越性②性價(jià)比高，硬件施工,維修方便，抗干擾性能好③具有CRC校驗(yàn)功能，可靠性高④軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)簡(jiǎn)明直觀，易于掌握c)DS18B20及接口電路具體地說(shuō)它有以下特性：·溫度測(cè)量范圍：-55℃～+125·分辨率：+0.5℃〔-10℃～+·溫度值輸出：9～12位二進(jìn)制數(shù)字量〔其中包括1位符號(hào)位〕，可由編程決定具體位數(shù)。·轉(zhuǎn)換時(shí)間與設(shè)定的分辨率有關(guān)，當(dāng)設(shè)定為9位時(shí)最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.75ms，當(dāng)設(shè)定為10位時(shí)最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為187.5ms,11位時(shí)為375.5ms,12位時(shí)為750ms。·用戶可設(shè)置報(bào)警溫度的上下限·供電方式有兩種：①外加電源電壓為3.0v～5.5v：②寄生電源管腳如圖3.2所示。GNDGNDDQVdd1〔地線〕2〔數(shù)據(jù)線〕3〔電源線〕圖3.2DS18B20的管腳圖Ds18B20內(nèi)含程序設(shè)置存放器：可以設(shè)置分辨率位數(shù)。該存放器是DS18B20所專(zhuān)有的。其格式為：TMTMR1R011111TM：測(cè)試模式位.當(dāng)TM=1時(shí)，存放器處于測(cè)試模式；當(dāng)TM=0時(shí)，存放器處于工作模式。傳感器出廠時(shí)均設(shè)置為何，且不可改變。R1和R0的設(shè)置組合與溫度分詳見(jiàn)下表3.1:片內(nèi)帶64位激光ROM，這是單總線芯片的特點(diǎn)。DS18B20的家庭代碼是28H,從高位算起，ROM中有一個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼，6個(gè)字節(jié)的產(chǎn)品序號(hào)和一個(gè)字節(jié)的家庭代碼。Dsl8B20內(nèi)含由兩個(gè)字節(jié)組成的溫度數(shù)據(jù)存放器。表3.1分辨率關(guān)系表R1R0位數(shù)最大轉(zhuǎn)換時(shí)間〔ms〕00993.750110187.510113751112750用戶通過(guò)單總線對(duì)DS18B20進(jìn)行操作，其順序如下：復(fù)位—ROM功能命令—存儲(chǔ)器功能命令—執(zhí)行／數(shù)據(jù)它的ROM命令有5個(gè)，存儲(chǔ)器的命令有6個(gè)，與DS182O完全一樣。命令的組成都是由復(fù)位、多個(gè)讀時(shí)隙或/和寫(xiě)時(shí)隙等根本時(shí)序單元組成。·復(fù)位：DS18B20使用前需將其復(fù)位，然后才能執(zhí)行其它命令。復(fù)位時(shí)，主機(jī)將數(shù)據(jù)線激發(fā)為低電平并保持480μs，然后釋放數(shù)據(jù)線，再由上拉電阻將數(shù)據(jù)線拉升15～60μS，然后由DS18B20發(fā)出響應(yīng)信號(hào)將數(shù)據(jù)線激發(fā)為低電平60～240μS,完成操作。時(shí)序圖3.3如下所示：VccVccGND480—960us15—60us60—240us480us等待圖3.3復(fù)位時(shí)序圖在電路中設(shè)計(jì)了三條I/O口線，這樣做是考慮到以下兩點(diǎn)：①實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于總線驅(qū)動(dòng)能力的限制，如果一條線上掛接太多的元件，單片機(jī)有可能讀不到遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)，應(yīng)盡里縮短總線和分支的長(zhǎng)度，所以分成兩條獨(dú)立的總線，每條掛接16個(gè)溫度傳感器，保證每條總線都足以傳輸溫度信號(hào)。②在使用過(guò)程中如果某個(gè)傳感器損壞了，就需要更換新的，那么新傳感器的序列號(hào)必須存入儀表，否那么單片機(jī)不能讀取它發(fā)出的溫度值，所以又增加了一條I/O口線作為測(cè)試口，專(zhuān)門(mén)讀取新元件的序列號(hào)。由于溫度傳感器的三個(gè)引腳在工作不能相互接觸，但是實(shí)際上又相隔很近，因此在電路中必須用絕緣套管將之別離。三個(gè)引腳不能直接浸入水或?qū)щ姷慕橘|(zhì)中，應(yīng)用導(dǎo)熱性較好的細(xì)鋼管引入溫度傳感器，然后用導(dǎo)熱硅脂封住細(xì)銅管一頭，另一頭將三個(gè)引腳線引出，再接入整個(gè)溫度系統(tǒng)。盡管DS18B20可以采用寄生電源方式，但是為了可靠工作，只要條件允許，還是外接電源電壓。每個(gè)DS18B20在電路中還有自己的序號(hào)，即路數(shù)。這是因?yàn)椋孩傩蛄刑?hào)是64位二進(jìn)制數(shù)，用它來(lái)區(qū)分每個(gè)傳感器不便于觀察和記錄；②序號(hào)還可以在編程時(shí)換算。成每個(gè)傳感器在內(nèi)存中存儲(chǔ)序列號(hào)和溫度值的地址，有利于軟件設(shè)計(jì)。因此，在變更傳感器時(shí)，特別注意不要混淆。其接口電路如圖3.4所示。89C89C51151431191891716123456781312P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EANPX1X2RESETDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQDS18B20DQ圖3.4DS18B20與CPU的接口電路實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷芯片a)選擇芯片實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片選擇的是PCF8563PCF8563具體來(lái)說(shuō)有以下特點(diǎn)：①低工作電流：典型值為0.25μv〔v=3.0v,T=25℃時(shí)〕；低休眠電流：典型值為0.25μv〔v=3.0v,T=25②世紀(jì)標(biāo)志③大工作電壓范圍：l.OV～5.5v④400KHz的C總線接口〔V=1.8～5.5V時(shí)〕⑤可編程時(shí)鐘輸出頻率為：32768Hz,1024Hz,32Hz,1Hz⑥報(bào)警和定時(shí)器⑦內(nèi)部集成的振蕩器電容、片內(nèi)電源復(fù)位功能、掉電檢測(cè)器⑧C總線從地址：讀，OA3H；寫(xiě)，OA2H⑨開(kāi)漏中斷引腳管腳圖3.5:55串行數(shù)據(jù)I/O6串行時(shí)鐘輸入7時(shí)鐘輸出8正電源地線4中斷輸出3振蕩器輸入1振蕩器輸出2OSCIVddOSCOCLKOINTSCLVssSDA圖3.5PCF8563管腳圖PCF8563有16個(gè)8位存放器：一個(gè)可自動(dòng)增量的地址存放器，一個(gè)內(nèi)置32.768KHz的振蕩器〔帶有一個(gè)內(nèi)部集成的電容〕，一個(gè)分頻器〔用于給實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC提供源時(shí)鐘〕，一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)定時(shí)器，一個(gè)報(bào)警器，一個(gè)掉電檢測(cè)器和一個(gè)40OKHzC總線接口。所有16個(gè)存放器設(shè)計(jì)成可尋址的8位并行存放器，但不是所有位都有用。前兩個(gè)存放器〔內(nèi)存地址ooH,olH〕用于控制存放器和狀態(tài)存放器，內(nèi)存地址02H～08H用于時(shí)鐘計(jì)數(shù)器〔秒～年計(jì)數(shù)器〕，地址09H～OCH用于報(bào)警存放器〔定義報(bào)警條件〕，地址ODH控制CLKOUT管腳的輸出頻率，地址OEH和OFH分別用于定時(shí)器控制存放器和定時(shí)器存放器。秒、分鐘、小時(shí)、日、月、年、分鐘報(bào)警、小時(shí)報(bào)警、日?qǐng)?bào)警存放器，編碼格式為BCD碼，星期和星期報(bào)警存放器不以BCD碼格式編碼。當(dāng)一個(gè)RTC存放器被讀時(shí)，所有計(jì)數(shù)器的內(nèi)容被鎖存，因此，在傳送條件下，可以禁止對(duì)時(shí)鐘舊歷芯片的錯(cuò)讀?？撮T(mén)狗+存儲(chǔ)器＋電壓監(jiān)控電路在總體方案中確定了需要硬件看門(mén)狗和存儲(chǔ)器，目前市場(chǎng)上己經(jīng)出現(xiàn)了看門(mén)狗＋存儲(chǔ)器＋電壓監(jiān)控的三種功能于一體的集成芯片。a)CATll61是CATALYST公司的CMOS低功耗產(chǎn)品。它的特點(diǎn)有400KHz的時(shí)鐘頻率，與C總線兼容，工作電壓為2.7—6.0v,16字節(jié)頁(yè)寫(xiě)，16K的EEPRoM,內(nèi)建偶然性的寫(xiě)保護(hù)，上電掉電保護(hù)電路，寫(xiě)鎖存，使用期限100,000周期/字節(jié)，數(shù)據(jù)保存期100年，5種閾值電壓,價(jià)格較高。b)x5045是Xicor公司的產(chǎn)品，它把三種常用的功能?？撮T(mén)狗定時(shí)器，電壓監(jiān)控和ProM組合在單個(gè)封裝之內(nèi),這種組合降低了系統(tǒng)本錢(qián)并減少了對(duì)電路板空間的要求。X5045看門(mén)狗定時(shí)器對(duì)控制器提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，在可選的超時(shí)周期之后，X5045看門(mén)狗將以RESET信號(hào)作出響應(yīng),用戶可從三個(gè)預(yù)置的值中選擇此周期,一旦選定，即使在電源周期變化之后，此周期也不改變。利用x5045低電壓檢測(cè)電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響,當(dāng)Vcc降到最小Vcc轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位,復(fù)位一直確保到VCC返回且穩(wěn)定為止。X5045的存儲(chǔ)器局部是CMOS的4096位串行EEPROM，它在內(nèi)部按512*8來(lái)組織。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)只需要存儲(chǔ)傳感器的序列號(hào)和溫度值等幾百個(gè)數(shù)據(jù)，cAT1161ProM對(duì)于本系統(tǒng)而言顯然太大，并且價(jià)格較高；x5045的ProM足夠本系龔使用，價(jià)格相對(duì)廉價(jià)。因此我選擇X5045。以下是X5045及接口的特點(diǎn):①可編程的看門(mén)狗定時(shí)器；低電壓檢測(cè)，直至Vcc=1V復(fù)位信號(hào)有效②IMHZ時(shí)鐘速率；512*8位串行EEPROM③低功耗CMOS:10μA備用電流，3mA工作電流④2.7V至5.5V電源電壓⑤塊鎖定：保護(hù)1/4、1/2或所有的EEPROM陣列⑥內(nèi)建偶然性的寫(xiě)保護(hù)：上電/掉電保護(hù)電路，寫(xiě)鎖存，寫(xiě)保護(hù)引腳⑦高可靠性：使用期限100,000周期/字節(jié)，數(shù)據(jù)保存期100年，ESD保護(hù)所有引腳2000V⑧溫度范圍：民用，工業(yè)，軍品級(jí)管腳圖3.6如下所示:RESETSOSCKSI〔芯片選擇輸入〕1〔串行輸入〕2〔寫(xiě)保護(hù)輸入〕36〔復(fù)位輸出〕4〔串行輸出〕5〔串行時(shí)鐘輸出〕圖3.6X5045的管腳圖X5045具有簡(jiǎn)單的三總線工作的串行外設(shè)接口〔SPI〕和軟件協(xié)議。當(dāng)X5045被CPU選中時(shí)，還、需要根據(jù)在操作時(shí)序上具體提供的讀命READ或?qū)懨頦RITE來(lái)決定是從SI上輸入數(shù)據(jù)還是從SO上輸出數(shù)據(jù)。讀時(shí)序當(dāng)從ProM存儲(chǔ)器陣列讀數(shù)據(jù)時(shí)，首先把/CS拉至低電平以選擇芯片,8位的讀(READ)指令被發(fā)送到X5045，其后是8位的字節(jié)地址,讀指令的位3包含地址A8,此位用于選擇器件的上半部或下半部,在發(fā)送了讀操作碼和字節(jié)地址之后，在所選定地址的存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被移出到SO線上,繼續(xù)提供時(shí)鐘脈沖可接著讀出下一地址的存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),在每一數(shù)據(jù)字節(jié)移出之后，字節(jié)地址自動(dòng)增量至下一個(gè)較高的地址,當(dāng)?shù)竭_(dá)最高地址〔IFFH〕時(shí)，地址計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)至000H，使得讀周期無(wú)限地繼續(xù)下去,把/CS置為高電平可以終止讀操作。如圖3.7所示。/CS/CSSCKSCK12834567SISI543210地址SOSO76543210數(shù)據(jù)輸出圖3.7讀時(shí)序圖b)寫(xiě)時(shí)序在把數(shù)據(jù)寫(xiě)入X5045之前。必須首先發(fā)出WREN指令把“寫(xiě)使能〞鎖存器置位。/CS首先被拉至低電平，然后WREN指令由時(shí)鐘同步送入X5045，在指令的所有8位被發(fā)送之后。必須接著使/CS變?yōu)楦唠娖健Ｈ绻脩粼诎l(fā)出WREN指令之后不把/CS變?yōu)楦唠娖蕉^續(xù)寫(xiě)操作，那么寫(xiě)操作將被忽略。為了把數(shù)據(jù)寫(xiě)至PRoM存儲(chǔ)器陣列，用戶要發(fā)出WRITE指令，后繼以地址，接著是要寫(xiě)的數(shù)據(jù)，寫(xiě)指令的位3包含地址A8。此位用于選擇器件的上半部或下半部。這是最少為24個(gè)時(shí)鐘的操作。在此操作期內(nèi)，CS必須變?yōu)榈碗娖角冶３衷诘碗娖?。主機(jī)可以繼續(xù)寫(xiě)多達(dá)4年字節(jié)的數(shù)據(jù)至x5045。唯一的限制是4個(gè)字節(jié)的地址必須停留在同一個(gè)頁(yè)上。頁(yè)地址從地址xxxxx0000開(kāi)始，至xxxxx1111結(jié)束。如果字節(jié)地址記數(shù)器到達(dá)xxxxxllll而時(shí)鐘仍繼續(xù)，那么計(jì)數(shù)器將翻轉(zhuǎn)至首頁(yè)并重寫(xiě)可能寫(xiě)入的任何數(shù)據(jù)。為了結(jié)束寫(xiě)操作，只能在第24，第32，第40或第48個(gè)時(shí)鐘之后把/CS變?yōu)楦唠娖?。如果在任何其它時(shí)間使之變?yōu)楦唠娖?，那么將不能結(jié)束寫(xiě)操作。如圖3.8所示。/CS/CSSCKSCK12834567SISI543210地址432SOSO高阻圖3.8寫(xiě)時(shí)序圖c)復(fù)位操作當(dāng)Vcc降至低于最小轉(zhuǎn)換電壓和／或看門(mén)狗定時(shí)器已到達(dá)其可編程的超時(shí)極限值，RESET輸出便變?yōu)楦唠娖剑敲聪到y(tǒng)復(fù)位。到達(dá)看門(mén)狗和電壓監(jiān)控的目的。/CS/CS片選時(shí)間RESET看門(mén)狗時(shí)間復(fù)位時(shí)間圖3.9復(fù)位操作時(shí)序圖具體的x5045與AT89C51的接口電路如圖3.9所示。X5045的數(shù)據(jù)輸入線sI和數(shù)據(jù)輸出線so可以合并為一根數(shù)據(jù)線。這樣，x5045有三根線分別與AT89C51的三根I/O口線相連。芯片選擇線/CS有效時(shí)，x5045和AT89C51之間才能在串行時(shí)鐘信號(hào)SCK的節(jié)I/O下通過(guò)數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。PRoM從地址00H至FFH，每8個(gè)一組分別存儲(chǔ)32個(gè)溫度傳感器的序列號(hào)：從100H至11FH存儲(chǔ)序號(hào)；從120H至13FH按序號(hào)的順序存儲(chǔ)溫度值；從140H至15FH順序存儲(chǔ)32個(gè)溫度傳感器的報(bào)警值；從l60H至，l64H存儲(chǔ)年、月、日、時(shí)、分等時(shí)間信息?？撮T(mén)狗超時(shí)周期設(shè)為1.4秒。在軟件編程中，設(shè)t約ls訪問(wèn)一次x5045，當(dāng)程序跑飛或大于1.4秒沒(méi)有訪問(wèn)看門(mén)狗時(shí)，X5045將輸出復(fù)位脈沖，直到程序正常運(yùn)行。由此增強(qiáng)CPU工作的可靠性和穩(wěn)定性，增強(qiáng)抗干擾能力。RESETRESETSOSCKSIP02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27RESETRXDTXDALE/PSEN36353433322122232425262728910113029123765+5R1R210K10KX5045圖3.10X5045與AT89C51的接口電路鍵盤(pán)及接口a)鍵盤(pán)非編碼式鍵盤(pán)中有獨(dú)立式非編碼式鍵盤(pán)和行列式非編碼式鍵盤(pán)兩種。行列式鍵盤(pán)主要用于鍵數(shù)較多時(shí)為了減少鍵盤(pán)與單片機(jī)接口時(shí)所占用I/O口線的數(shù)目的情況。當(dāng)鍵盤(pán)上沒(méi)有鍵閉合時(shí)，行列線之間是斷開(kāi)的，所有行線輸入全為高電平。當(dāng)某個(gè)鍵被按下閉合時(shí)，那么對(duì)應(yīng)的行線和列線短接，行線輸入即為列線輸出，根據(jù)的口讀入的狀態(tài)信息，便可判斷出是否有鍵按下。鍵盤(pán)中究竟哪一個(gè)鍵被按下，還要通過(guò)鍵盤(pán)掃描來(lái)確定。鍵盤(pán)掃描有三種方式：程序控制掃描方式、定時(shí)掃描方式和中斷掃描方式。獨(dú)立式按鍵是各按間相互獨(dú)立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線。每個(gè)按鍵安排一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。當(dāng)任何一個(gè)鍵按下時(shí)。與之相連的輸入數(shù)據(jù)線即被置0，而平時(shí)該線為1，要判別是否有鍵按下，用單片機(jī)的位處理指令十分方便。這種鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是當(dāng)鍵數(shù)較多時(shí)要占用較多的I/O口線。在32路溫度巡檢儀中我們只定義了四個(gè)鍵，而且采用DS18B20之后AT89C51的I/O口綽綽有余，所以選擇獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。b)接口電路①去抖動(dòng)措施目前。鍵盤(pán)上的按鍵大局部都是機(jī)械式的。機(jī)械觸點(diǎn)在閉合和斷開(kāi)瞬間，一連串的抖動(dòng)過(guò)程。從而使電壓信號(hào)也出現(xiàn)抖動(dòng)，抖動(dòng)的時(shí)間一般為5～1Oms。按鍵的穩(wěn)定閉合時(shí)間，一般為十分之幾秒至幾秒。鍵抖動(dòng)會(huì)引起一次按鍵被誤讀屢次。通常去抖動(dòng)影響的措施有硬、軟件兩種。在硬件上采取的措施是：在鍵的輸出端加RS觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成去抖動(dòng)電路。利用雙穩(wěn)態(tài)電路的延時(shí)性。使其輸出為正規(guī)的矩形波。軟件上采取的措施是：在檢測(cè)到有鍵閉合時(shí)，執(zhí)行一個(gè)IOms左右的延時(shí)程序，產(chǎn)生10ms的延時(shí)，讓前沿.抖動(dòng)消失后再一次檢測(cè)鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，那么確認(rèn)為真正有鍵按下。當(dāng)檢測(cè)到按鍵釋放后，也要給10ms的延時(shí)，待后沿抖動(dòng)消失后才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。由于電路中定義了四個(gè)鍵，如果采用硬件去抖動(dòng)措施，那么需要較多的集成電路增加了電路的復(fù)雜程度，所以采用軟件去抖動(dòng)措施。②接口電路鍵盤(pán)的接口電路如圖3.11所示。P10P10P11P12P13P14P15P16P17INTINT功能鍵回車(chē)鍵增量鍵123456781312減量鍵圖3.11鍵盤(pán)與AT89C51的接口電路P1口內(nèi)部有上拉電阻，按鍵斷開(kāi)時(shí)。I/O口線有確定的商電平，外電路可以不配置上拉電阻。如果選擇P0口的I/O口線，由于P0口內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，那么外電路將接4個(gè)電阻，相對(duì)而言較復(fù)雜。當(dāng)然也可以選擇P2口或P3口，因?yàn)樗鼈儍?nèi)部都有上拉電阻。按下功能鍵那么可以進(jìn)入不同的功能處理，以便操作員設(shè)置工作狀態(tài)。增量鍵將當(dāng)前的操作值加1。減量鍵將當(dāng)前的操作值減1，回車(chē)鍵是表示當(dāng)前操作被認(rèn)可的按鍵，一旦按下，CPU回立即進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。具體的功能編號(hào)表3.2功能號(hào)功能說(shuō)明1第一端口設(shè)定所掛溫度傳感器的個(gè)數(shù)2第二端口設(shè)定所掛溫度傳感器的個(gè)數(shù)3設(shè)定各路溫度報(bào)警值4重新設(shè)定溫度傳感器在本系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)地址5系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置6是否啟用自動(dòng)隔時(shí)打印，并設(shè)置自動(dòng)隔時(shí)打印時(shí)間間隔7手動(dòng)選擇是否打印當(dāng)前所有各路溫度值LED顯示器及接口電路a)LED顯示器發(fā)光二極管顯示器中最常用的一種形式是由七段條形的LED組成即七段數(shù)碼管，分為共陽(yáng)極接法和共陰極接法，點(diǎn)亮適當(dāng)?shù)淖侄?，就可顯示出不同的數(shù)字。還有一種形式是點(diǎn)陣式LED顯示器。點(diǎn)陣一般由7行5列共35個(gè)LED組成，可以顯示大小寫(xiě)字母、數(shù)字和其它字符。它的本錢(qián)顯然高于七段數(shù)碼管。由于在32路溫度巡檢儀中只需要顯示數(shù)字形式的溫度和路數(shù)，所以本設(shè)計(jì)選擇了七段數(shù)碼管作為顯示器。b)接口電路LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。靜態(tài)顯示就是當(dāng)顯示器顯示某個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的段〔發(fā)先二極管〕恒定地導(dǎo)通或截止，直到顯示另一個(gè)字符為止。動(dòng)態(tài)顯示方式采用掃描方法輪流點(diǎn)亮各位LED，利用人眼的視覺(jué)暫留效果，看上去每個(gè)數(shù)碼管總在亮。具體地說(shuō)通常有以下幾種接口電路。①用可編程并行接口芯片8155的PB口作為L(zhǎng)ED的字形物出口，PA口作為L(zhǎng)ED的字位控制口。預(yù)先在內(nèi)存中存儲(chǔ)一張段碼表，根據(jù)要顯示的數(shù)字或字符去查表取得相應(yīng)的段碼，將找到的段碼加到LED的驅(qū)動(dòng)器上即可顯示出數(shù)字或字符。這是一種軟件譯碼的動(dòng)態(tài)顯示方案，經(jīng)常用于顯示多位數(shù)字或字符，并且和鍵盤(pán)做成同一個(gè)接口電路，以到達(dá)節(jié)約I/O口線的目的。缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)掃描占用CPU時(shí)間較多。②串行口控制的LED顯示器接口電路。TXD工作在方式0下可作同步移位存放器用，其數(shù)據(jù)由RXD(P3.0)端串行輸入或輸出，而同步移位時(shí)鐘由TXD(P3.1)端串行輸出，在同步時(shí)鐘作用下，實(shí)現(xiàn)由串行到并行的數(shù)據(jù)通信。在不需要使用串行通信的場(chǎng)合，利用串行口加雙向移位存放器74HC164就可構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)并行輸I/O輸出口，用于顯示器LED驅(qū)動(dòng)。由于74HC164在輸出低電平時(shí)，允許通過(guò)的電流達(dá)8mA，故不必添加驅(qū)動(dòng)電路，亮度也較理想。這種電路屬于靜態(tài)顯示，與動(dòng)態(tài)掃描相比擬，無(wú)須CPU不停地掃描，頻繁地為顯示效勞，節(jié)省了CPU的時(shí)間，軟件設(shè)計(jì)也較簡(jiǎn)單。如圖3.12所示。74HC16474HC164151431191891716123456781312P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/NPX1X2RESET89C51QHQGQFQEBQDAQCQBCLKQACLRavccbcdefdpQHQGQFQEBQDAQCQBCLKQACLRavccbcdefdpQHQGQFQEBQDAQCQBCLKQACLRavccbcdefdpQHQGQFQEBQDAQCQBCLKQACLRavccbcdefdp+574HC16474HC16474HC164圖3.12LED顯示器及接口電路打印機(jī)及接口a)選擇打印機(jī)隨著微型打印機(jī)的價(jià)格的下降，它們?cè)趩纹瑱C(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，常用的微型打印機(jī)有GP16、TPμP-16A、TPμP-40A等。TPμP-40A與TPμP-16A的接口時(shí)序要求完全相同，操作方式相近。硬件電路及插腳完全兼容，只是指令代碼不完全相同。GP16和TPμP-16A是超小型的智能點(diǎn)陣式打印機(jī)，每行可打印16個(gè)字符。TPμP-40A也是智能打印機(jī)，每行可打印40個(gè)字符，字符點(diǎn)陣為5*7，內(nèi)部有一個(gè)240種字符的字庫(kù)，并有繪圖功能，而且價(jià)格適中?？紤]到打印格式為：xx年xx月xx日xx時(shí)xx分01:XX℃02:XX℃03:XX℃04:XX℃05:XX℃06：XX℃07:XX℃08:XX℃09:XX℃10:XX℃11:XX℃12:XX℃13:XX℃14:XX℃15:XX℃16:XX℃17:XX℃18:XX℃19:XX℃20:XX℃21:XX℃22:XX℃23:XX℃24:XX℃25:XX℃26:XX℃27:XX℃28:XX℃29:XX℃30:XX℃31:XX℃32:XX℃即每行34個(gè)字符，所以選擇TPμP-40A型打印機(jī)。在眾多的打印機(jī)生產(chǎn)廠家中，沈陽(yáng)榮達(dá)電子的MP系列漢字微型打印機(jī)設(shè)計(jì)完善、制作精湛、質(zhì)量可靠，它的MP-A面板式針式打印機(jī)等同于TPμP-40A型打印機(jī)。b)接口具體地說(shuō)有以下特性：①采用單片機(jī)控制，具有空打程序及標(biāo)準(zhǔn)的串并行接口，便于和計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)或智能儀器儀表聯(lián)機(jī)使用。+5v電源供電，可選加電池，〞可選自動(dòng)切刀。②有較豐富的打印命令，可在劃windows下使用，指令與普通微打兼容。③可產(chǎn)生所有的ASCII代碼字符以及128個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)字符和圖符。內(nèi)置12X12、16X16兩種點(diǎn)陣國(guó)標(biāo)一、二級(jí)漢字庫(kù)，緩存4-30KB。有16個(gè)代碼字符可由用戶通過(guò)程序自行定義，并可通過(guò)命令用這16個(gè)去更換任何駐留代碼字型，以便用于多種文字的打印。

④可打印出8X240點(diǎn)陣的圖樣〔漢字或圖案點(diǎn)陣〕，代碼字符和點(diǎn)陣圖樣可在一行中混合打印。

⑤字符、圖符、點(diǎn)陣圖可以在寬和高的方向上放大2倍、3倍或4倍。⑥每行字符的點(diǎn)行數(shù)〔包括字符的行間距〕可用命令來(lái)更換，即字符行間距空點(diǎn)行在0到256間任選。⑦帶有水平和垂直制表命令，便于打印表格。⑧具有重復(fù)打印同一字符命令。以減少輸送代碼的數(shù)量.⑨帶有命令格式的檢錯(cuò)功能，當(dāng)輸入錯(cuò)誤命令時(shí)，打印機(jī)立即打印出錯(cuò)誤信息代碼。4系統(tǒng)硬件的整體實(shí)現(xiàn)在本課題進(jìn)行過(guò)程中，采用了模塊化分步設(shè)計(jì)方案。對(duì)主處理板進(jìn)行了各種功能模塊的硬件設(shè)計(jì)，可以完成32路溫度巡檢儀的課題要求，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的抗干擾設(shè)計(jì)，使得其可靠性大大提高。最后作出了印刷電路板，形成樣機(jī)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)根本上到達(dá)了預(yù)期的效果。具體地說(shuō)有：a)電源的抗電磁干擾及屏蔽措施發(fā)揮了其應(yīng)有的作用，輸出電壓正常，輸出功率合理，到達(dá)很好的效果．b)溫度傳感器可以完成計(jì)量溫度的任務(wù)并能及時(shí)送出報(bào)警信號(hào)，CPU可以在≤200米的距離內(nèi)準(zhǔn)確無(wú)誤的接收到數(shù)據(jù)。c)其余電路包括X5045、PCF8563、顯示器、打印機(jī)等功能正常，在局部調(diào)試和整機(jī)工作時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常情況。在幾種不同的環(huán)境中檢測(cè)溫度，取得了比擬滿意的效果。樣機(jī)主要由CPU板、顯示操作板、電源變壓器和外掛的溫度傳感器以及微型打印機(jī)組成。系統(tǒng)硬件的接線示意圖如圖4.1所示，連接關(guān)系分別有：①CPU板與電源變壓器的輸出9v連接線2根。②用于CPU認(rèn)定溫度傳感器位置序號(hào)的測(cè)試口3根。③給用戶提供的保護(hù)信號(hào)3根，用戶選擇使用其中的常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)。④給用戶提供的外接溫度傳感器的第二總線端口和第一總線端口各3根。⑤CPU板與顯示操作板的連接線10根，用10芯排線來(lái)連接，使用時(shí)圖中CPU板和顯示操作板給出的l號(hào)位置應(yīng)相通〔1號(hào)通，那么2號(hào)也通，……〕。⑥CPU板與微型打印機(jī)的連接線26根，用26芯排線來(lái)連接。CPUCPU接電源電壓變壓器輸出測(cè)試口繼電器接保護(hù)電路總線２端口總線１端口擊打式打印機(jī)接口接顯示操作板圖4.1系統(tǒng)硬件接線示意圖結(jié)論本設(shè)計(jì)采用單總線技術(shù)，使用Ds18B20芯片，具有許多其它溫度巡回檢測(cè)儀表所不具備的優(yōu)點(diǎn)。Ds18B20與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，輸出數(shù)字信號(hào)，從而在設(shè)計(jì)電路時(shí)不必去考慮A/D轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。本文所設(shè)計(jì)的多路溫度檢測(cè)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1〕多路溫度檢測(cè)儀以高性能的單片機(jī)為核心，擴(kuò)展的外圍芯片全部采用串行接口芯片，使整個(gè)系統(tǒng)體積小，功耗低；2〕溫度