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1、摘 要 单片机对温度的测控是一个工业生产中经常遇到的控制问题，采用单片机对温度进行测控不仅具有控制方便、简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高控制质量。单片机构成的温度测控系统是通过单片机8051及其温度检测和控制电路，对环境的温度进行控制。本文主要介绍了温度传感器的选取和温度实时测控装置硬件部分的电路设计。设计中选用独特的单总线温度传感器DS1820，并且把整个硬件系统的电路设计划分为DS1820与8051的硬件接口电路设计、数据显示与键盘设计、数据存储器的扩展电路设计、通信接口电路设计。该装置可实现环境温度的实时测量与控制，并能记录、存储相关数据，并附有通信接口，能方便地应用于各种温度控制场
2、合。关键词：单片机；传感器；检测 ；控制 ；电路 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 o
3、f 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 t
4、he 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 ci
5、rcuit 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 con
6、trol expediently.Key Words：microcomputer；sensor ；detect ；control ；circuit目 录1概述11.1单片机构成的环境温度控制装置的意义1.2温度测控装置所实现的功能2微机控制系统简介 1.1 微机控制系统的组成 1.2 微机控制系统的分类 3温度传感器的选择 3.1 温度传感器的分类 3.2 温度传感器信号传输模式 3.3温度传感器的确定 3.4单总线温度传感器DS1820介绍4温度测控装置的电路设计 4.1 Intel8051单片机简介 4.1.1 Intel8051的结构及特性 4.1.2 Intel8051时钟电路与复位电
7、路 4.2 DS1820与8051的接口电路设计 4.3温度显示与键盘设计 4.3.1 LED数码管简介及其显示电路 4.3.2 键盘电路设计4.4 存储器的扩展电路设计4.5通信接口电路设计 4.5.1 RS-323C标准介绍 4.5.2 MAX232与8051的接口电路5.总结单片机构成的环境温度实时测控装置设计1.概述本课题的题目是“单片机构成的环境温度实时测控装置设计”，主要论述了环境温度实时测控装置的硬件部分的设计，包括核心元器件的选取和介绍、单片机控制系统的电路设计。1.1单片机构成的环境温度控制装置的意义电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广
8、泛应用。可以说，微机测控技术的应用己渗透到国民经济的各个部门。国防技术，航空，航天，铁路，冶金，化工等产业自不必说，就连日常生活中也用上了微机控制的电梯，微波炉，电冰箱，电视机，电扇，智能照相机，玩具，模糊控制洗衣机，模糊控制空调机，携带式心脏监护机等，所有这些智能机电一体化产品的出现，无不是微机测控技术的成功应用。环境温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测控温度，在农业生产中也离不开温度的测控，而温度也是最不易保障的指标，因此研究可靠并且实用的温度测控装置具有重要的意义。而采用MCS51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性
9、大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。环境温度实时测控装置在工业生产中也会经常会遇到，因此，具有很强的实用价值。测控温度的关键是控制器和温度传感器。环境温度实时测控装置的设计采用的控制器为51单片机，温度传感器是智能集成温度传感器DS1820。单片机作为控制器件，具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，再加上近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用。单片机不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具，而且
10、已渗入到人们工作和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代。因此，设计该装置时选用的控制器是8051单片机，以保证达到设计的控制要求。DS1820是智能集成数字温度传感器，能快速准确的进行温度采集，从而使温度的检测和控制达到设计要求。1.2温度测控装置所实现的功能环境温度实时测控装置可在050的范围内任意设定温度控制点，数码管可以显示出环境温度，并附有RS-232通信接口可使多个这样的装置方便地与计算机互联，以实现温度的测控。由于该装置采用了一线数字温度传感器DS1820来实现温度采样，所以也可以实现多点温度采样的集中控制。此外，该装置还可自动控制多个设备的多点时间控制电路
11、，便于功能的扩展，可保证温度指标满足设计要求。因此能方便地应用于各种温度控制场合，因而具有更广泛的应用。环境温度实时测控装置的设计，是以8051单片机为控制核心，以DS1820为温度检测核心构成一个环境温度的实时测量与控制系统。该装置可实现的功能如下：（1）在050间可任意设定温度控制点；（2）可以实时显示监测环境温湿度的变化情况，并记录、存储相关数据；（3）具有多点定时设备控制电路，便于功能扩展；（4）配有通信接口，可方便地与计算机进行通信；（5）温度控制的精度为：（050）0.5。本装置的整个硬件系统的电路划分为DS1820与8051的硬件接口电路、数据显示与键盘、数据存储器的扩展电路、通
12、信接口电路，并通过这些电路来实现上述功能，在本论文中将对这些电路作详细介绍。2微机控制系统简介微机测控系统是由微型机与其它器件和装置适当连接起来的硬件系统，并在软件的操作下协调运行执行预定的测量与控制任务。电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用。可以说，微机测控技术的应用己渗透到国民经济的各个部门。国防技术，航空，航天，铁路，冶金，化工等产业自不必说，就连日常生活中也用上了微机控制的电梯，微波炉，电冰箱，电视机，电扇，智能照相机，玩具，模糊控制洗衣机，模糊控制空调机，携带式心脏监护机等，所有这些智能机电一体化产品的出现，无不是微机测控技术的成功应用。
13、2.1微机控制系统的组成 微机控制系统包括硬件和软件两部分。 硬件是微机控制系统的物质基础。它在软件的协调下运行，实现对生产过程或被控对象参数的检验，完成对生产过程或被控对象的控制任务。 硬件包括:主机，外部设备，传感器和变送器，功率放大和执行机构，模拟量输入通道，模拟量输出通道，开关量输入和输出通道，接口电路和电源。控制系统的软件，指的是它的全部程序，包括系统软件和应用软件两大类。其中系统软件主要包括以下内容:(1)监控程序和操作系统监控程序是一种低级计算机的管理程序。它的功能是扫描键盘，实现人机对话，接受用户程序，显示、调试、修改和运行用户程序，显示和修改存储器中的内容。通电后立即进入监控
14、程序，各种程序均在监控程序下运行。 操作系统是一种微型计算机的大型管理程序，是在监控程序的基础上进一步扩展许多控制程序形成的。其主要功能是实现人机对话，管理微型机、存储器、操作台、外部设备、文件和作业进程。它控制各种软件，如汇编程序、解释程序、编译程序、I/0驱动程序、连接程序等。（2）汇编程序、解释程序和编译程序汇编程序用于把汇编语言程序变为计算机能够认识和执行的机器语言程序，也称为目标程序。例如MCS-51单片机仿真器里有MCS-51汇编程序，用户可以把自己用汇编语言编写的程序送入仿真器然后把它变为机器语言程序，再把这些机器语言程序固化到EPROM中，EPROM中的程序就可以在用户系统中执
15、行。 解释程序能把用某种程序设计语言写的源程序(如BASIC)，翻译成机器语言的目标程序，此目标程序是可执行程序。 编译程序能把用高级语言编写的源程序，编译成某种中间语言(如汇编语言)或机器目标程序。应用软件是由微机控制系统的设计者编写的，对不同的系统，应用软件的差别也很大，就算是同一个系统，也会有多种应用软件。应用软件一般采用模块化结构，一个程序模块就是一个子程序。总的来说，这些子程序可分为两类:通用软件和专用软件。(1)通用软件通用软件在一般的微机控制系统软件设计中经常用到，常见的有以下几种：a.数制变换程序，例如二进制与BCD码之间互相转换程序；b.运算程序，包括加、减、乘、除、乘方、开
16、方、函数运算等；c.数字滤波程序，用于对数据进行处理；d.工程量程序，在工程显示时往往会用到这类程序；e.查表程序，例如查找热电势对应的温度值；f.报警程序。(2)专用软件这是针对某一具体控制系统和不同控制规律编制的程序，常见的有以下几种:a.数据采集程序;b.输出程序;c.各种控制算法程序，例如PID算法程序。2.2微机控制系统的分类 微型机控制系统有多种分类方法，这里是按单片机在系统中参与控制的方式来分。（1）生产过程的巡回检测和数据处理系统这种系统是微型机不断轮流检测生产过程的各个参数，即所谓巡回检测，然后微型机对所测得的参数进行处理和加工，如数字滤波，并将处理和加工的数据存于半导体存储
17、器或磁盘上，在需要时可打印和显示这些数据。如果发生异常情况，还可以发出声光报警。这样的系统称为生产过程的巡回检测和数据处理系统，简称为巡回检测系统或数据采集系统。人们可以利用巡回检测系统所得到的数据和信息获得生产过程的数学模型和其它有用信息，作为设计或修改微型机控制系统的依据。这种系统更多地是作为较大型和复杂的生产过程控制系统的一部分，作为这个控制系统的数据采集装置，它能快速向微机提供生产过程的有关数据和信息，由微机行复杂的运算和决策，以便实现自适应控制和最优控制。 （2）直接数字控制系统(DDC) DDC (Direct Digital Control)控制系统，就是微型机不仅对数据进行采集
18、，还通过输出通道直接对生产过程进行控制。这里的“数字”二字是区别于模拟或连续控制系统而言的。大多数直接数字控制系统不需配备磁盘驱动器、打印机和显示终端，而用简单的数码显示器代替显示终端。系统的控制过程是：DDC微型机通过模拟量输入通道和开关量输入通道巡回检测生产过程的参数，并与事先存于存储器中的给定值进行比较，得出误差(给定值与生产过程的被调量之差)，然后根据误差及其变化趋势，运用体现控制规律的控制算法(程序)求出控制器的输出量，并通过模拟量输出通道和开关量输出通道送给执行机构，控制生产过程，使被控量接近给定值。 （3）计算机监督控制系统(SCC) 计算机监督控制系统即SCC (Supervi
19、sory Computer Control)系统是比DDC系统更高一级的系统，它是一个两级控制系统。上位级是SSC计算机，它根据原始的生产工艺信息和其它信息，如运行条件的变更等，按照生产过程的数学模型，计算出生产过程的最优给定值(设定值或期望值)送给SCC计算机的下级计算机。建立生产过程的数学模型和求解控制策略是SCC计算机的两个重要任务。由于SCC计算机的输出不直接控制执行机构，而是给出下级计算机的设定值，所以这种系统也称为设定值控制系统SPC (Set Point Computer)。监督控制系统的下位级为DDC计算机或模拟控制系统，它对生产过程进行直接控制，从而实现整个生产过程的综合最优
20、控制，例如生产效率高、产品质量好、能源消耗少、原材料省、成本低、人员和设备安全等。（4）计算机多机控制系统 计算机多机控制系统是为了适应现代化工业生产规模大，生产过程复杂，要求可靠性高的要求出现的，它不仅对生产过程进行控制，还进行各种管理工作。整个系统由三级组成:最低级为直接控制级，中间级为计算机监督控制级(SCC)，最高级为管理级MIS（Management Information System）。直接控制级采集生产过程的参数，接收来自SCC计算机的给定值并按预定的控制规律对被控对象进行控制。监督控制级的SCC计算机的作用如前面所述，其功能主要是建立过程的数学模型，求解控制策略，确定各DDC
21、级的给定值并传送给各DDC级以实现最优或自适应控制。SCC计算机不仅可以与DDC级通讯，各SCC级之间也有通讯联系，以便交流信息。（5）分布型综合控制系统分布型综合控制系统TDCS （Total Distributed Control Systems）也称为分布型微处理机控制系统(Distributed Microprocessors Control Systems)或分布控制系统(Distributed Control Systems)，简称集散系统或分布系统。它实质上就是一种多级控制系统，只不过系统各部分(硬件和软件)以组件或模块的形式出现。 集散控制系统由基本控制器进行局部分散控制，用协
22、调级协调各基本控制器的工作，实现最优控制，并实现集中监视、操作和管理，以达到掌握全局的目的。集散系统的优点是：（1）容易掌握，组建系统工作量少。（2）扩充灵活，可实现各种控制。（3）分散控制，故障分散，再加上有完善的系统自检功能，故可靠性高。（4）集中协调和管理，可实现最优控制。（5）维修方便。哪一部分有故障，换下来即可，系统可不停止运行。对于大型集散系统，用户可以购买现成模块，只需把模块连接起来并对软件进行组态就可组成系统。按这种方法组成系统，节省时间，系统性能优良，可靠性高。根据单片机构成的温度测控装置的设计要求实现的功能如下：（1）在050间可任意设定温度控制点；（2）可以实时显示监测环
23、境温湿度的变化情况，并记录、存储相关数据；（3）具有多点定时设备控制电路，便于功能扩展；（4）配有通信接口，可方便地与计算机进行通信；（5）温度控制的精度为：（050）0.5。为了达到上述要求，并且使装置结构尽量简单，本温度测控装置采用的是直接数字控制方式，属于直接数字控制系统。3.温度传感器的选择设计环境温度实时测控装置，首先遇到的问题就是选用什么样的温度传感器，这对于整个系统的性能、简繁程度以及设计成本等都有一定的影响，因此我对各种温度传感器先进行了比较。温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器，模拟集成温度传感器，智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式
24、向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。3.1温度传感器的分类 依据制作温度传感器采用材料的不同，常用的温度传感器有热电偶、热电阻、NTC热敏电阻、半导体温度传感器等。 热电偶由两种特定的金属材料(如铂锗)结合后制成，测温范围一般在-184至2300。热电阻是由一种特定的金属材料(如铂等)制成的，测温范围一般在-200至850。以上两种温度传感器测温范围宽、可以在高温场合工作、体积较大、成本较高。 NTC热敏电阻即负温度系数热敏电阻。它由Mn-Co-Ni-Fe-Cu等过渡金属氧化物的2至4种组合，采用陶瓷工艺烧结而成。测温范围一般在-55至300。NTC热敏电阻阻值随温度的变化符合指
25、数规律，其最大的缺点也在于它的非线性，一般需要经过线性化处理，使输出电压与温度之间基本上成线性关系。随着对检测温度精度要求越来越高，以及测量环境要求越来越苛刻，目前，人们正在研制高精度高可靠性的NTC热敏电阻。NTC热敏电阻的综合性能以日本的产品为最好。 NTC热敏电阻主要用于静电复印机、自动化设备、热打印头、锅炉、热水器等做温度控制检测。半导体温度传感器的温度检测依据是PN结正向电压和温度的关系。其测温范围一般在-55至150。半导体温度传感器很容易制成集成温度传感器。与热电偶、热电阻、热敏电阻等其它温度传感器相比，半导体温度传感器具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等特点。另外，它将驱动电路
26、、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有尺寸小、使用方便等特点。随着集成工艺的提高，集成温度传感器的功能和性能己有了较大的提高，已广泛应用于台式计算机、笔记本电脑、打印机、数字相机、汽车电子、家电控制器等系统。 集成温度传感器一般用来测量自身封装的温度，但是片上加热后封装温度上升，可以测量气流温度，二极管连接方式的三极管可以测量远端温度。集成温度传感器的信号输出有三种形式：模拟输出、逻辑输出和数字输出。 根据温度传感器的输出信号方式，可以分为模拟温度传感器、逻辑温度传感器和数字温度传感器。 （1）模拟温度传感器 模拟温度传感器输出模拟信号，信号为电压或电流。模拟信号必须经过专门
27、的A/D转换接口电路，转换成数字信号后才能由微处理器进行处理。 传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器都是将温度经过一定的接口电路转换后输出电压或电流信号，再用这些电压、电流信号进行测量控制。如果想将这种模拟信号转换成微处理器可以处理的信号，需要利用模数转换器将模拟信号转换为数码，然后由微处理器读取、处理。另一种转换方式是进行V/F变换。V/F变换器实际上是一个振荡频率随控制电压变化而变化的振荡电路。 电压输出温度传感器主要特点是电源电压和电流比较低，在传输线路电压降和电压噪声不是主要考虑因素时，其电压输出直接成为控制系统和数据采集系统的输入。常用的电压输出半导体温度传感器有NS公司
28、的LM35/45/50等。 电流输出温度传感器的主要特点是输出阻抗高，输出电流不受传输线路电压降和电压噪声的影响，且对电源电压脉冲和漂移具有很强的抑制能力。电流输出温度传感器与微处理器接口时，一般仍需将电流变成电压，再转换成微处理器可以处理的信号。这样的传感器有AD公司的AD590、TMP17等。 （2）逻辑温度传感器 逻辑温度传感器在有些文献中将其划分为模拟温度传感器，称为输出跳变信号的模拟温度传感器。 在有的系统中，并不需要知道精确的温度值，而只需了解温度是否高于或低于某特定值即可。该信息可用来触发风扇、空调、加热器等环境控制单元。这种特殊的模拟传感器一般只是输出跳变信号进行控制，通常称之
29、为温度控制器。 逻辑温度传感器可由传统的温度传感器和比较器组合或集成而成。当温度超过预设门限时，输出发生变化，一般是电平发生跳变。如Maxim公司的MAX6501/6502, AD公司的AD22105等均属于此类产品。 （3）数字温度传感器 习惯上将具有数字输出能力的温度传感器称为数字温度传感器。将模拟温度传感器与数字转换接口电路集成在一起制成的温度传感器是其中的-种。另一种是传感器内部不涉及到模拟量的真正意义上的数字温度传感器，比如用振荡器和计数器等构成的温度传感器。由于半导体技术的迅猛发展，功能越来越强大、精确，廉价的数字温度传感器己在不断推出。数字温度传感器目前有单线输出和多线输出等形式
30、。 单线输出数字温度传感器的特点是接口电路简单。由于只有一根输出线，测量出的温度值必须转换成某种方式以方便进行输出。常见的输出方式有时间输出、频率输出以及数值输出等。由微处理器将温度传感器输出的信号转换成真实温度值，再进行进一步的处理与控制。 多线输出数字温度传感器采用的是目前比较成熟的几种工业总线形式，输出格式时序严格遵守某种协议，方便使用，适合于各种场合，尤其是远端测量。这种温度传感器一般有多根线进行输出。3.2温度传感器信号传输模式温度传感器信号传输的模式，根据温度传感器的种类及其与数据采集器之间连接方式的不同，可以分为多线制和总线制。对于使用模拟温度传感器的温度检测系统，为了解决温度传
31、感器供电和信号传输问题，温度传感器与数据采集器之间采用多线方式连接，即每个温度传感器至少有两根线与数据采集器相连，这样按线的分配方式不同，常见的有2N线制，N+2线，即有2根公共线，N+ 1线制，有1根公共线等几种。如图3.1所示是N+1线系统的连接形式。 图3.1 N+1线系统多线制系统用线量大，安装、调试和维护困难，点数多时将造成成本的大幅度提高。但由于原理简单、可靠性高，目前在小规模工程及工业领域仍然使用这种多线制系统。随着通信技术的进步，出现了总线制传输方式。总线制通常采用地址编码方式将所有的传感器并联在24根总线上，每个温度传感器拥有自己独立的地址以区别其它温度传感器。目前应用较多的
32、是2总线制和单总线制。2总线制中温度传感器与数据采集器之间需要两根数据线传送信息；单总线制中则只需要一根数据线传递信息。图3.2和图3.3分别是2总线和单总线的连接形式。图3.2 2总线连接形式 图3.3 单总线连接形式 对于多线制系统，信号传输的内容不包括地址信息，不同的温度传感器根据信号线的接口位置的不同进行区分；对于总线制系统，信号传输的内容必须包括地址信息，以此区分同一个接口上的多个温度传感器。单总线也称为一线总线。单总线技术是美国DALLAS半导体公司近年推出的新技术。它将地址线、数据线、控制线合为一根信号线，允许在这根信号线上挂接多个测控对象，这些测控对象所用器件芯片是由DALLA
33、S公司提供的。每个芯片均有一个64位的ROM，厂家对每一个芯片烧写了固定的编码，其中存有16位十进制编码的序列号，也称之为身份证号，确保挂在单总线上后，可以被唯一地区分并识别出来。这是定位和寻址器件实现单总线测控功能的前提条件。ROM中含有CRC校验码，能确保数据交换可靠。芯片内还设有收、发控制和电源存储电路。这些芯片在检测点就把模拟信号数字化了，这样在单总线上传送的是数字信号，提高了系统的抗干扰性能和可靠性。这类芯片的耗电量都很小，既可以用电源从供电端直接供电，也可以从总线上“偷”一点电，空闲时几微瓦，工作时几毫瓦，并把“偷”来的电存在大电容中，供芯片电路正常工作使用。这种供电方式被称为数据
34、线寄生供电。单总线芯片入口的示意图如图3.4所示。图3.4 单总线芯片入口示意图 单总线技术是建立在码分多址、串行数据交换基础上的，因此只能用于对速度要求不高的场合，一般用于100kbps以下速率的测控系统中。3.3温度传感器的确定 研究了目前各种温度传感器的特性以及信号传输方式后，我认为单片机环境温度实时测控装置中选择单总线数字温度传感器DS1820比较合适。 传统的温度检测系统以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。 如果采用模拟温度传感器，模拟信号在传输过程中遇到的干扰问题往往不能得到彻底解决，当传
35、感器与数据采集器距离较远，信号线周围存在电磁干扰源时，该问题显得尤为突出。另外，模拟传感器特征参数的不一致性和放大器的零点漂移问题使系统调试变得十分困难。 从温度传感器信号传输方式考虑，多点检测时多线制用线量大，施工困难，成本高，系统的整体可靠性差；2总线制由于不能采用寄生供电，传感器数量较多时，也会使整个系统结构变得复杂起来。 单总线数字温度传感器克服了上述不足。用单总线温度传感器设计单片机环境温度实时测控装置具有如下特点：较高的性能价格比；监测对象越多越能显示其优越性；硬件施工工作量少；系统维修方便；抗干扰性能好；有CRC校验，可靠性高；系统简明直观。 由于单片机环境温度实时测控装置温度巡
36、检的速度并不要求太快，所以单总线速率较慢的问题不会对系统造成明显的不良影响。3.4单总线温度传感器DS1820介绍 DS1820的引脚见图3.5图3.5 DS1820的引脚图GND：接地引脚。DQ：数据输入/输出引脚(单总线接口，可作寄生供电)。VDD：+5V电压电源电压引脚。 DS1820是DALLAS半导体公司生产的单总线数字温度传感器。单线数字温度传感器是通过输出9位(二进制)数字来直接表示所测量的温度值，温度值是通过DS 1820的数据总线直接输入到CPU，无需A/D转换，而且读写指令以及温度转换指令又都是通过数据总线传入DS 1820，可以无需接外部电源。因为每一个DS 1820在出
37、场是已经给定了唯一的编码，该编码存放在DS 1820内部ROM中。开始的8位是产品类型编码。接着的48位是每个器件的唯一序号。最后8位是前面56位的CRC(循环冗沉检验)码。正因为每个DS1820都包含有一个唯一的64位ROM编码，所以可以在一根总线上挂接多个器件。DS1820数字温度传感器与AD590, LM35等温度传感器相比除具有相当的测温范围和精度外，还具有温度测量精确，不受外界干扰等。并且所有的传感元件及转换电路集成在一块极小的芯片上，外形如同普通小功率塑封三极管，体积很小，在温度测控系统中使用十分方便。与其它温度传感器相比DS1820具有以下特点： 1、独特的单线接口方式。DS18
38、20在与微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现微处理器与DS1820的双向通讯。 2、DS1820在使用中无需任何外围元件。 3、可以由总线提供电源。 4、支持多点组网功能。多个DS1820可以并接在同一条总线上，实现多点测温。 5、测温范围-55至+125，固有测温分辨率0.5。 6、测量结果以9位数字量方式串行传送。7、可以设置温度警报系统，当温度超界时可以通过警报搜寻命令，和外部设备相连。8、转换温度时间小于1秒。DS1820的内部结构框图如图3.6所示。 图3.6 DS1820的内部结构框图 1、DS1820的寄生供电原理 DS1820既可以由外部电源供电也可以利用总线信号寄生供电。在
39、寄生供电情况下，当总线信号为高电平时，DS1820从总线上获得能量并储存在内部电容上；当总线为低电平时，由电容向DS1820供电。利用DS1820的这一特点，可以构成简洁明了的温度测控系统，能节省大量的线材以及施工费用。2、DS1820的测温原理DS1820的测温原理框图如图1-7所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1、计数器2和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。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，当计数器1的预置值减到0时，温度
40、计数器的值将加1，计数器1的预置值将被重新装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器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即为所测温度。图3.7中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。 图3.7 DS1820的测温原理框图在正常测温情况下，DS1820的测温分辨率为0.5，以9位数据格式表示，其中最低有效位(LSB)由比较器进行0.25比较，当计数器1中的余值转化成温度后低于0.25时，清除温度寄存器的最低位(LSB)；当计数器1中的余值转化成温度后高于0.25时，置位温度寄存器的最低位(LSB
41、) 。DS1820操作的总体流程分三步完成：系统通过反复操作，搜索DS1820序列号；启动所有在线DS1820做温度A/D变换；逐个读出在线DS1820变换后的温度数据。4温度测控装置的电路设计为了使单片机构成的环境温度实时测控装置的硬件设计具有层次行，并在设计时方便对整个控制系统硬件系统进行优化，我将整个硬件系统的电路设计划分为DS1820与8051的硬件接口电路设计、数据显示与键盘设计、数据存储器的扩展电路设计、通信接口电路设计。其装置结构框图如图4.1所示。 图4.1 单片机构成的环境温度实时测控装置的结构图下面首先介绍本系统的核心控制器件8051单片机和温度传感器的选，然后将分别介绍以
42、上几种电路的设计。详细电路图见附录1。4.1 Intel8051单片机简介4.1.1 Intel8051的结构及特点Intel8051单片机为8位高档单片机，它在一块大规模集成电路上集成了CPU、ROM、RAM、定时器计数器和48位并行IO，一个串行IO线等一台微型机的基本部件，其结构框图如图4.2所示。 图4.2 Intel8051结构框图其内部的部件和特性如下： （1）一个8位微处理器；（2）振荡器和时钟电路；（3）4KB的片内程序存储器； （4）可寻址外部程序存储器和数据存储器，各64KB；（5）两个16位定时器计数器；（6）32位可编程并行IO口；（7）一个可编程全双工串行IO口；(8
43、)二十多个特殊功能寄存器；(9)5个中断源，两个优先级嵌套中断结构。因为8051单片机芯片的集成度很高，它将微型计算机的主要部件都集成在一个芯片上，所以它具有下列特点：（1）体积小、重量轻、价格便宜、耗电少。（2）根据工控环境要求设计的，许多功能部件集中在芯片内部，其信号通道受外界影响小，故可靠性高，抗干扰性能优于采用的CPU。（3）控制功能强，运行速度快。其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。有极丰富的条件分支转移指令，有很强的位处理功能和I/O口逻辑操作功能。（4）片内存储器的容量不可能很大，引脚也较少，I/O引脚常不够用，且兼第二功能，但存储器和I/O口都容易扩展。 当然，还有很多系列
44、的单片机的性能比8051单片机更加优秀，但8051单片机构成的环境温度实时测控装置以能够达到设计要求，考虑到成本因素及单片机的使用效率，我在本设计中选择了8051单片机作为系统的控制核心器件。4.1.2 Intel8051时钟电路与复位电路8051单片机芯片内部有一个反向放大器构成的振荡电路，XTAL1为振荡电路的输入端、XTAL2为振荡电路的输出端。8051的时钟可以由内部方式或外部方式产生。内部方式时钟电路如图4.3 所示，利用8051内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡。定时元件一般采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体可以在1.21
45、2MHz之间任选，电容可以在530pF之间选择，电容C1、C2的大小，可起频率微调作用。上述电路可用示波器观察到XTAL2输出的正弦波。 图4.3 8051内部方式时钟电路 外部方式的时钟电路，如图4.4所示。XTAL1接地,XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，但需保证脉冲宽度，通常为频率低于12MHz的方波信号。图 4.4 外部方式时钟电路在单片机构成的环境温度实时测控装置的设计中，采用的是内部方式时钟电路。其电路结构简单，需要附加的元器件相对来说也较少。 要了解8051的复位电路，首先要知道复位的工作状态。复位不影响片内RAM存放的内容，但它在复位后单片机的初始状态如下：（1）（PC）=0000H 复位后程序的入口地址为0000H；（2）（PSW）=00H由于RS1（PSW 4）=0
