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1、密级：公开基于C8051F020车辆散热系统参数检测仪的设计Design of the cooling system parameters of vehicle detector based on C8051F020学 院：专 业 班 级：学 号：学 生 姓 名： 指 导 教 师： 年 月摘要车辆散热系统的参数是车辆安全行驶的保障，其散热系统的稳定性也是衡量车辆先进性的重要标志。因为车辆的各个系统都有一定的参数范围，当各零件的参数都在此范围内时其性能指标才最正常，所以需要很好的监测系统指标的准确性和稳定性，给汽车行业以有力的保障。当前，我国车辆系统的制造虽已进入自主创新的发展阶段，但由于客观条
2、件的限制，无法长期准确的向工程设计部门提供有效的实车实验数据，严重影响我国车辆总体技术的进一步发展，危害着驾驶者的人身安全。为了保证在不改变车辆现有结构和性能的前提下，实时监测车辆散热系统的参数，我制作了以单片机C8051F020作为控制核心的车辆散热系统参数检测仪，通过使用DS18B20温度传感器和MPX2100压力传感器，能够准确的获得车辆散热系统的参数，并采用LED实时显示测量的温度和压力，将其与计算机应用软件结合，能够很好的控制参数的范围并采用蜂鸣器来实现报警功能起到预防作用，通过RS-485进行异步串行通信，更好的接收参数信息。此次车辆散热系统参数检测仪的设计，我查阅了大量的相关资料
3、，制作了较完备的原理图，并且通过编译、调试程序，使系统的性能满足毕业设计的各项要求，整个系统的设计比较成功。关键词：C8051F020；车辆散热系统；测温；测压AbstractParameters of the vehicle cooling system is to protect the safety of vehicles traveling, the stability of its advanced cooling system is also an important indicator to measure the vehicle. Because each system has
4、 a certain vehicle parameters, when the parameters of the components are within this range,its performance was the most normal, so the accuracy and stability requires good monitoring system indicators give a strong automotive industry guarantee.Currently, the manufacture of vehicle systems have ente
5、red into the stage of development of independent innovation, but because of objective conditions, it is unable to provide effective long-term accurate experimental data to the real vehicle engineering and design departments, seriously affect the further development of Chinas overall vehicle technolo
6、gy, hazard the drivers personal safety.In order to ensure that the vehicle does not change the premise of the existing structure and performance parameters of real-time monitoring of the vehicles cooling system, I made C8051F020 microcontroller core vehicle cooling system as the control parameter de
7、tector by using DS18B20 temperature sensors and pressure sensors MPX2100, which are able to obtain accurate parameters of the vehicles cooling system , and the use of LED time display of temperature and pressure measurements will be combined with computer applications, which can be a good range of c
8、ontrol parameters to achieve using the buzzer alarm function play a preventive role via RS-485 asynchronous serial communication, better reception parameter information.In order to design the vehicle cooling system parameter monitoring , I read a lot of relevant information,making a more complete sc
9、hematic,and by compiling, debugging procedures,the system performance to meet graduation requirements designed to compare the overall system design success.Keywords: C8051F020; vehicles cooling system; temperature; manometry目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外研究现状及其发展11.3 本课题主要研究的内容11.4 本章
10、小结2第2章方案的比较和论证32.1 基于C8051F020车辆散热系统参数检测仪的设计原则32.2 本系统所用元器件的选取32.2.1 压力传感器的选择 32.2.2 温度传感器的选择42.2.3 即时显示器件的选择52.2.4 通信接口的选择62.3 总体设计思想 72.4 本章小结8第3章 车辆散热系统参数检测仪的硬件电路设计93.1 C8051F020单片机模块介绍93.1.1 C8051F020单片机中断系统93.1.2 C8051F020单片机复位电路103.1.3 C8051F020单片机端口输入/输出103.2 压力传感器模块113.2.1 MPX2100半导体压力传感器的性能
11、特点113.2.2 差分放大电路的构成123.2.3 压力采集模块与单片机的连接123.3 温度信号采集模块133.3.1 DS18B20的性能特点133.3.2 DS18B20的测温原理143.3.3 DS18B20与单片机的连接14 3.4 CH451实现扫描驱动和数码显示功能15 3.4.1 显示驱动功能163.4.2 键盘扫描功能17 3.5 报警电路的设计183.6 本章小结18第4章 系统的软件设计194.1 系统主程序流程图194.2 压力检测（MPX2100）子程序流程图214.3温度检测（DS18B20）子程序流程图224.4键盘扫描和数码显示流程图234.5本章小结24第5
12、章 结论25参 考 文 献26致 谢27附 录28第一章 绪论1.1课题研究的背景和意义汽车产业是国民经济重要的支柱产业，产业链长、关联度高、就业面广、消费拉动大，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。随着科技的发展和人民生活水平的不断提高，人们对汽车的需求也急剧增加，当汽车普及率大幅度提高后，人们对汽车的消费观念已由奢侈品转移为生活必需品，相对的，对产品的质量要求，售后服务水平也日益提高，为了能更好的让汽车为我们的生活服务，更安全的行驶，需要保证车辆散热系统的稳定。此次课题研究的重点在于通过软件编程来实现复杂实用的功能，充分利用了单片机对数字信号的高敏感性、实时性、可控性和温度传感器与压力传
13、感器的准确性，并使用LED显示，功能齐全且应用方便。同时，系统结构电路简单，成本低，可以很好的普及应用于汽车行业。1.2国内外研究状况及其发展车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，在20世纪60年代，汽车上仅有机油压力传感器、油量传感器和水温传感器，它们与仪表或指示灯连接。进入70年代后，为了治理排放，又增加了一些传感器来帮助控制汽车的动力系统，因为同期出现的催化转换器、电子点火和燃油喷射装置需要这些传感器来维持一定的空燃比以控制排放。80年代后，防抱死制动装置和气囊提高了汽车安全性1。如今，传感器应用于汽车行业可以用来测定各种流体温度和压力（如进气温度、气道压力、冷却水温和燃油喷射压力等），
14、但就我国汽车行业的发展状况看，由于缺乏实车试验测试条件，加上车辆工作环境的复杂性，使得有效的实车试验数据严重缺乏，试验周期长，数据可复现性差，无法向工程设计部门提供准确有效的实车试验数据，严重影响车辆总体技术的进一步发展。所以从这个角度来说，我国的车辆散热系统参数监测的研究存在着一定的发展空间。1.3本课题主要研究的内容本课题以C8051F020单片机为核心，将信息采集技术、信息存储技术及信息处理技术、信息传输技术等相互融合，来对车辆散热系统的压力和温度参数进行高精度的测量，以便实时发出报警提示，在汽车行驶中提示用户注意安全。压力采集模块采用的MPX2100半导体压力传感器可以把压力转换成毫伏
15、级的差模电压,具有良好的线性度,它的输出电压与外加的压力成精确的正比例关系，温度采集模块采用DS18B20对温度进行实时监测，单片机可随时读取压力和温度数据，并通过远程异步通信设备传输出来，并将采集来的信息通过LED实时清晰的呈现给用户，以便用户随时了解当前的设备工况。本设计主要做了如下几个方面的工作：首先是确定系统的总体功能设计方案；其次是进行温度传感器的硬件电路和软件系统的设计；再次是进行压力传感器的硬件电路和软件电路的设计；最后对设计的车辆散热系统进行调试运行。整个系统最终系统要完成的功能如下：1) 实现对车辆散热系统压力参数的显示；2) 实现对车辆散热系统温度参数的实时显示；3) 实现
16、通过程序设置温度与压力的正常范围；4) 实现检测车辆散热系统参数溢出报警；5) 将采集信号通过异步通信传输。1.4 本章小结本章首先介绍了汽车对当今人们生产、生活所带来的影响，以及压力传感器和温度传感器的现状和发展，其次对国内外压力传感器和温度传感器的发展前景进行了简单陈述，最后交待本次设计的主要内容和要求。第二章 方案的比较和论证2.1 基于C8051F020车辆散热系统的参数监测仪的设计原则(1) 设计合理。设计的检测仪是为了能够完成相应的功能，所以能够保证可以使用是所有设计原则的基础，本次设计是为了检测车辆散热系统的参数，即应用相应的温度传感器和压力传感器，通过驱动和数码管相连，进行实时
17、检测，并连接蜂鸣器进行报警提醒，由于检测的是车辆内部结构的参数，所以需要将数据传输出来。整个过程的核心是C8051F020单片机，联系着各个模块，使整个过程趋于完整。(2) 设计方便实用。系统的设计最终是要给用户使用的，所以在系统的软硬件设计时，应本着从使用者角度考虑操作和维护的简洁性和灵活性，尽量使得系统操作简单易懂，避免要进行专业培训，从而使系统有很大的实用价值和广阔的市场空间。所以在设计系统时按键个数少功能简单便于记忆，数码管显示参数更直观易懂，报警设置更加人性化。（3）设计系统价格合理。设计系统应选择更廉价功能更强大的器件，单片机的型号已经选定，所以应该比较选择好各个传感器以及驱动部分
18、元器件，同时外围硬件电路在保持基本功能的同时做相应的简化处理，在系统性能和速度可以满足的情况下尽可能用软件是先来取代硬件实现。2.2 本系统所用元器件的选取 现在的市场上器件各种各样，不同的设计要求决定了需要不同的元器件，本文基于上面所提到的设计原则，提出几种备选方案，经过论证对比，以确定选用的最佳方案。2.2.1 压力传感器的选择 压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、气缸内压、油压等。吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。汽车用压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式（LVDT）、表面弹性波式（SAW）。设定方案如下：方案一：采用应变片压力传感器。
19、其原理是：当导体或半导体在受到外界力的作用时，会产生机械形变，从而导致阻值的变化，通过测量阻值的大小，就可以反应外界作用力的大小。但是由于电源电压或电流的增加会造成应变片自身发热，从而造成测量误差，所以若应用此方案，应考虑温度补偿电路。此外，由于应变片阻值的分散性，即使应变片处在无压的状态，应变片电桥仍会有压力输出，故在测量电路中应设置调零电路。方案二：采用压阻式压力传感器。压阻式传感器是利用晶体的压阻效应制成的传感器。当它受到压力时，应变元件的电阻会发生变化，从而使输出的电压发生变化。在硅膜片上做成四个等值的电阻应变元件。构成惠斯顿电桥。当受到压力作用时，一对桥臂的电阻变大而另一对桥臂电阻变
20、小，电桥失去平衡，输出一个与压力成正比的电压。由于硅压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变的灵敏系数大50100倍，故硅压阻式传感器多的满量程输出可达几十毫伏至二百多毫伏，有时不需要放大就可以直接测量。此外压阻式传感器采用集成电路工艺加工，尺寸小，重量轻。且分辨率高，频率响应好。但其对温度很敏感，在应用电路中要采用温度补偿。方案三：采用压电式压力传感器。压电式压力传感器可用来测量压力范围为104108Pa、频率为几赫至几十千赫的动态压力。在内燃机的气缸、油管、进排气管的压力测量、枪炮的膛压、航空航天等领域都得到了广泛的应用。其弹性元件是由膜片、膜盒等把压力收集起来，转换成集中力，再传递给压电元件
21、。在使用时要考虑到加速度、温度等环境干扰的补偿2。综合上述方案，考虑到使用方便简洁，元件成本问题，采用方案二的压阻式压力传感器作为本次设计的压力传感器。2.2.2 温度传感器的选择对于温度传感器来说，温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度传感器大致分为三类：数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器。设定方案如下：方案一：采用热敏电阻，利用电阻随温度的变化情况来测量温度，可满足4090的测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性都比较差，其测量温度范围相对较小，稳定性较差，对于本系统对温度的要求无法满足。方案二：采用温度传感器铂电阻
22、Pt1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在 0100 摄氏度时，最大非线性偏差小于 0.5 摄氏度。铂热电阻与温度关系是，Rt = R0(1+At+Bt*t) ;其中 Rt 是温度为 t 摄氏度时的电阻；R0 是温度为 0 摄氏度时的电阻；t 为任意温度值，A,B 为温度系数。当然其价格也相对比较昂贵。方案三：采用数字温度传感器DS18B20，其温度测量范围可以从-55+125，-10+85时测量精度为0.5，测量分辨率为0.0625，电源电压范围从3.35V 。它只需要一根总线做数据传输，同时还可以组建传感器网络，其每个传感器均
23、有单独编号，核心控制器可以进行识别，不需要校正，接口简单，通俗易懂，成本低廉，方便获得。与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够将测量的温度直接显示出来，具体运算过程在程序中实现即可，也可以根据要求改变测量的精度，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。因其体积小，接口方便，数据获取简洁，内含寄生电源而得到广泛应用3。系统有如下4个特点： （1）适合于恶劣环境的现场温度测量，系统的抗干扰性好；（2）可实现零功耗等待；（3）数据串行通信，无需要外部元件；（4）通过信号线供电，不需要备份电源；综合以上三种方案以及手中拥有的资源，本着为用户着想的原则，数字式温度传感器使
24、用简单，测量数据准确，精度高，功能全，可靠性强，是我们的首选。所以本设计采用第三种方案，利用数字温度计DS18B20作为温度传感器。2.2.3 即时显示器件的选择现在使用最多的显示器件有两种：LED显示和LCD显示。设定方案如下：方案一：LCD显示屏具有体积小、重量轻、省电、辐射低，显示内容丰富且便于携带等特点，LCD显示可以满足用户自定义的需求，可以显示用户需要的自己设计的图案和数据，应用相当灵活方便。尤其是在显示复杂数据时，根本不需要改变硬件电路结构，只需要编写相应的软件代码即可不断地完善和扩展显示的能力。其外围电路设计简单，显示能力的改变不会涉及到硬件电路的结构，可更改性极佳。LCD显示
25、现在已经为广大用户所熟知并广泛应用于现实生活中，美中不足之处是LCD显示屏的价格要稍微高一点，驱动程序的编写对用户要求比较高。方案二：LED（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点。LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的LED，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。在现实数据比较少的电路中使用LED显示方便，因为程序编写以及外围电路设计均十分简单，但是当遇到要显
26、示大量数据时，LED就显得不那么实用了，这样的特点限制了其扩展能力。数码管是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从0到F中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单。但是电路一旦被确定，相应的显示能力基本上也随之确定，倘若要显示多为数据时就不得不更改硬件电路，这样给设计带来很多麻烦，不利于扩展4。鉴于本设
27、计需要显示温度值和压力值，和对元件的了解程度，我们选用LED来显示。由于需要即时显示，我们采用动态扫描的方式，同时又减少了使用I/O端口，这样一来既降低了成本也获得了良好的设计效果。2.2.4通信接口的选择C8051F单片机具有并行和串行两种基本通信方式，并行通信时指数据的各位同时进行传送，其优点是传送速度快，缺点是数据有多少位就得用多少根传送线5。串行通信是指数据一位一位按顺序传送，只需要一对传送线，大大降低了传送的成本，特别适用于远距离通信。本次设计的系统按照设计要求，应选择串行通信方式。串行通信的传送方向通常有3种，一种为单工配置，只允许数据向一个方向进行传送；另一种是半双工配置，允许数
28、据向两个方向中的任何一个方向传送，但一次只能有一个发送，一个接收；第三种传送方式是全双工配置，允许同时双向传送数据，因此，全双工配置是一对单工配置，他要求两端的通信设备都具有完整和独立的发送接收能力。串行通信分为异步通信和同步通信，异步串行通信用起始位0表示字符的开始，然后从低位到高位逐位传送数据，最后用停止位1表示字符的结束。同步串行通信每一块开头要发送一个或两个同步字符，使发送与接收双方取得同步，数据块的各个字符间取消了起始位和停止位，通信速度得以提高。C8051F020包含两组异步串行通信接口TX0,RX0和TX1，RX1。用TX0,RX0可以实现RS-232通信；用TX1，RX1可以实
29、现RS-485通信。RS-232为全双工方式通信，通信距离为15m，RS-485为半双工方式通信，通信距离为1200m6。本次设计的车辆散热系统参数检测仪结合单片机和使用方便的特点，选择RS-485异步串行通信。2.3总体设计思想综合上述方案的对比论证，本设计选用的主要器件有：C8051F020单片机，温度传感器DS18B20，压阻式压力传感器，数码显示LED，异步串行通信接口MAX485等。系统的整体框图如图2-1。LED显示模块 C8051F020单片机 键盘显示模块温度参数采集模块 蜂鸣器报警装置RS-485串行接口压力参数采集模块数据存储模块 图2-1 硬件系统设计总体框图预设参数模块
30、可以取消，功能有键盘模块完成2.4 本章小结本章主要介绍车辆散热系统参数监测仪中的主要元器件的选择，如压力传感器、温度传感器、通信接口及输出显示设备等。经过对比论证，考虑各器件的性价比，以及现有的元器件，从而选择适合本设计的各种器件以完成所要到达的设计目的。第三章 车辆散热系统参数检测仪的硬件电路设计通过对上一章提出几种方案进行详细的对比和论证，提出系统的总体设计方案框图。最终系统由要求的C8051F020单片机作为核心器件，DS18B20作为温度传感器，MPX2100压阻式传感器作为压力传感器，LED显示电路和MAX485串行异步通信接口共同构成。本章将对系统的各部分结构和功能进行分类阐述，
31、主要是单片机控制模块，MPX2100压力传感器模块，DS18B20温度传感器模块，LED显示模块，MAX485串行接口模块这几个部分。3.1 C8051F020单片机模块介绍C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统（SOC），具有MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部分之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。C8051F020主要特性如下7：（1） 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）。（2） 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）。（3） 真正12位、100ksps的8通路ADC
32、,带PGA和模拟多路开关。（4） 真正8位、500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关。（5） 两个12位DAC，具有可编程数据更新方式。（6） 64KB可在系统编程的Flash存储器。（7） 4352B的片内RAM。（8） 可寻址64KB地址空间的外部数据存储接口。（9） 硬件实现的SPI、SMBus/IC和两个UART串行接口。（10） 5个通用的16位定时器。（11） 具有5个捕捉、比较模块的可编程计数器/定时器列阵。（12） 片内看门狗定时器、监视器和温度传感器。3.1.1 C8051F020单片机中断系统C8051F020单片机中断系统相对于MCS-51的中断系统是一个拓展
33、的中断系统，支持22个中断源，各中断源在片内外与外部输入引脚之间的分配随器件的不同而变化。每个中断源可以在一个SFR中有一个或多个中断标志。当一个外设或外部中断源满足有效的中断条件时，相应的中断标志被置为逻辑1。如果中断被允许，在中断标志被置位时将产生中断。而中断源的开放和关闭以及每个中断源是否被允许中断，都受中断允许寄存器IE、EIE1、EIE2的控制。每个中断源优先级的设定，则由中断优先级寄存器IP、EIP1、EIP2控制。寄存器状态可通过程序由软件设定8。3.1.2 C8051F020单片机复位电路复位电路是为系统恢复至初始状态而设计的：系统上电时提供复位信号，可以使系统初始化，或者在系
34、统运行出现故障或者运行结束时系统也需要提供复位信号使系统回到初始状态。整个复位电路包括片内外两部分，外部复位信号通过引脚rst加到内部复位电路上，复位信号通过片内一个斯密特触发器与片内复位信号相连。C8051F020单片机一共有七个复位源，分别是：上电/掉电复位，外部/rst引脚复位，外部CNVSTR信号复位，软件命令复位，比较器复位，时钟丢失检测器和看门狗定时器超时复位。同时在复位电路中还添加了上拉去耦电路以防止由于强噪声引起的复位。复位电路如图3-1所示。 图3-1 C8051F020单片机复位电路3.1.3 C8051F020单片机端口输入/输出C8051F020单片机是高度集成的混合信
35、号片上系统，有8个8位I/O端口、64个数字I/O引脚。低端口（P0、P1、P2和P3）既可以按位寻址也可以按字节寻址。高端口（P4、P5、P6和P7）只能按字节寻址。所有引脚都耐5V电压，都可以被配置为漏极开路、推挽输出方式和弱上拉。优先权交叉开关译码器，又称为交叉开关，按优先权顺序将端口03的引脚分配给器件上的数字外设。端口引脚的分配顺序是从P0.0开始，可以一直分配到P3.7。为数字外设分配端口引脚的优先权顺序为UART0具有最高优先权，而CNVSTR具有最低优先权。优先权交叉开关的配置是通过3个特殊功能寄存器XBR0、XBR1和XBR2来实现的，当交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1和
36、XBR2中外设的对应使能位被设置为逻辑1时，交叉开关将端口引脚分配给外设9。如图3-2所示： 图3-2 C8051F020单片机引脚图图与正文上下空一行3.2 压力传感器模块本设计采用MPX2100半导体压力传感器来完成压力的测量，此传感器与差动放大电路结合，能够准确的检测到电压，并接入C8051F020单片机进行A/D转换。3.2.1 MPX2100半导体压力传感器的性能特点 采用的MPX2100半导体压力传感器线性度高，灵敏度高，模拟输出电压与输入的压力值和电源偏置电压成正比。另外，MPX2100所具有的温度补偿特性克服了半导体压力敏感器件存在温度漂移问题。它具有如下特点10：(1) 由于
37、采用激光微调技术，使电桥零漂输出很小，一般小于1mV；(2) 传感器由热敏电阻组成温度补偿网络，在-40+125范围内有较好的温度补偿效果，从而提高了传感器的精度；(3) 具有极好的线性度（0.25%F.S）；(4) 有较宽的工作温度范围（-40+125）；(5) 允许过载大（400%）；(6) 工作压力范围: 0kPa 到 100kPa 。3.2.2 差分放大电路的构成为了保证测量电路的精度，采用LM324放大器。LM324是四运放集成电路，它采用14管脚双列直插塑料（陶瓷）封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3-3所示的符号
38、来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“Vdd”、“Vss”为正、负电源端，“7”为输出端。两个信号输入端中，6（-）为反相输入端，表示运放输出端的信号与该输入端的相位相反；5（+）为同相输入端，表示运放输出端的信号与该输入端的相位相同11。 图3-3 LM324符号3.2.3 压力采集模块与单片机的连接总体来说，该压力检测电路由放大和电压频率变换两部分组成，并由一个4运放和一些电阻组成放大电路，它具有高差模增益和高共模抑制比，而且输入阻抗高，可以调整电路的偏置。测压电路如图3-图号不对4所示。在系统电路设计中，VD1采用LM385，其稳定电压为2.5 V，为传感器提供1
39、.5 mA恒流源的基准电压。U2与U3构成差动输入与差动输出的放大电路，通过U5变换为对地的单端信号输出，该输出信号接入C8051F012的模拟输入通道AINO进行A/D转换。 图3-4 测压模块电路图3.3 温度信号采集模块本设计采用DS18B20温度传感器来完成温度的测量，此款温度传感器内部具有A/D转换功能，所以输出的信号可以直接和单片机进行通讯而不需要外加A/D转换电路。其内部转换速度很快，可以满足通讯需求，同时简化了外部电路，降低了成本，使得系统的集成度进一步提高，满足简化电路的原则。3.3.1 DS18B20的性能特点关于的DS18B20的一些特性我们在第二章中已经简单介绍过，DS
40、18B20的一线接口是其突出的特点，此款温度传感器只需要一根数据线即可完与单片机的通讯。随着科技的发展，现在的DS18B20的集成度更高，性价比也较以前大有改善，其中DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地），供电电压范围：+3.0+5.5V。实物图如图3-5。 图3-5 DS18B20实物图3.3.2 DS18B20的测温原理下图即为DS18B20的温度采集流程图，在使用这个温度传感器的时候要对其手册进行认真阅读，其在采集温度和通信十分简单，但是与此同时其对时序的要求也十分严格，因此要想正确的使用它，就必须对它的工作时序了然于心，这样在
41、程序的编写和相应的功能实现上才有可能做到万无一失。在DS18B20的使用中，对各种脉冲的持续时间有明确的规定。比如说所有读/写时序均必须维持60us以上，否则会出现错误，类似于这样的要求在这款传感器中还有很多，因此要求用户对每个中间模块的正常运行的脉冲持续时间要严格按照说明文档的值进行给定，以确保各个中间环节运行正常，从而最终使得传感器工作在设定的模式，来实现温度的采集和单片机之间的数据传输12。DS18B20的测温原理如图3-6所示。斜率累加器减法计数器预置设定低温度系数振荡器计数比较器减到0温度寄存器预置设定减法计数器减到0高温度系数振荡器增加停止图3-6 DS18B20测温原理图 3.3
42、.3 DS18B20与单片机的连接在实际应用中，DS18B20与单片机的连接可以有两种方式。一种是使用外部电源进行供电，使用VDD接外部电源， GND接地，其I/0与单片机的I/0线相连；第二种是用寄生电源供电，即 DSI8B20的VDD接地，其它接法不改变。在使用DS18B20时，不管采用哪种电源模式，传感器I/O口都要接上拉电阻14。温度传感器有两种供电方式：一种为外部供电方式即使用VDD接+5V，相应的完成温度测量的时间较短。第二种是数据线供电方式，此时使用用VDD，它直接从数据线上获取能量，直接完成温度的转换，但是完成的时间相对长一些。采取数据线供电的情况下，用单片机的I/O口实现上拉
43、13。本设计中采用第一种模式来实现，其接口电路如图3-7所示。图3-7 温度传感器与单片机的接口电路3.4 CH451芯片实现数码显示和键盘扫描CH451 是一个整合了LED显示驱动和键盘扫描控制以及P 监控的多功能外围芯片。使用CH451芯片来实现数码显示和键盘扫描非常简单而且占用很少的I/O端口。CH451 内置有RC 振荡电路，可以动态驱动8 位LED或者64 位LED，具有BCD 译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行64 键的键盘扫描；CH451 通过1 线或者可以级联的4 线串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和看门狗等监控功能。本系统的设计主要应用CH451芯片来实现LE
44、D显示和键盘扫描功能，同时采用4线与单片机进行通讯连接，因此下面对这两项功能进行简单说明。3.4.1显示驱动功能：CH451对LED采用动态扫描驱动，从DIG0到DIG5，如果有一个引脚吸入电流其它引脚则不再吸入电流。因其有强大的电流驱动级,故可以直接驱动共阴极LED。段引脚SEG6SEG0分别对应着LED的段G到段A，小数点由段驱动引脚SEG7控制，字驱动引脚DIG5DIG0分别连接6个LED的阴极。实际上，在系统板上的LED并不是同时显示的，而是从左到右依次被点亮和显示的，由于LED之间显示的时间差特别小，人的肉眼是无法分辨出来的，故在LED显示的时候我们看到的是连续的LED数字显示。这样
45、一来我们就可以方便的编写程序，来实现所要达到的功能。CH451默认工作在不译码方式，这时候多数应用于发光二极管阵列的显示驱动。当然我们可以通过设定使其工作在BCD译码方式，这种方式主要应用于LED驱动，单片机只要给出二进制数BCD码，CH451将对其译码后直接驱动LED显示相应的字符，使得单片机自身不再需要进行译码操作，简化了单片机的运算和处理。本系统的设计中就是采用这样的方法，使用CH451的BCD译码方式来驱动LED显示功能14。如图3-8所示。图3-8 显示驱动CH4513.4.2键盘扫描功能：CH451的键盘扫描功能支持88的矩阵键盘扫描。其在矩阵扫描期间，SEG7SEG0引脚均带有内
46、部带有下拉电阻，这些引脚用于行扫描输；DIG5DIG0引脚用于列扫描输出。需要注意的是当启动键盘扫描功能后，DOUT引脚的功能将会由串行接口的数据变为键盘中断以及数据输出。键盘扫描是定期在显示驱动过程中插入的。在键盘扫描期间，DIG5DIG0 引脚按照DIG0 至DIG5 的顺序依次输出高电平，其余5 个引脚依次输出低电平；此时SEG7SEG0 引脚的输出被禁止，当没有键被按下时，SEG7SEG0 都被下拉为低电平；当有键被按下时，例如连接DIG5 与SEG6 的键被按下，则当DIG5 输出高电平时SEG6 检测到高电平；CH451实行两次扫描，只有两次扫描结果相同时，按键才会被确认，这样做的
47、目的就是为了防止键盘因抖动而误判断。一旦CH451检测到有效按键，则其会记录下按键，并会通过DOUT产生中断，这个时候单片机可以读取按键的代码，确定那个按键被按下。在没有检测到新的有效按键之前，CH451不会再产生任何有效中断。简言之，CH451不支持组合键，同一时刻只能有一个有效按键被按下。CH451 所提供的按键代码为7 位，位2位0 是列扫描码，位5位3 是行扫描码，位6 是状态码（键按下为1，键释放为0）。事实上单片机可以在任何时候读取按键代码，但是通常情况下单片机都会在CH451产生有效中断时读取按键代码。此外，假如想知道按键何时被释放，单片机可以用查询的方式来实现。键盘模块如图3-9所示。图3-9 键盘模块
