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1、山东科技大学学位论文 绪论1 绪论1.1 课题背景本课题要求实现温室温度的自动检测和控制，能够显示温室温度，当温度超出正常范围时系统发出报警信号。温度是工业生产过程中最普遍、最重要的检测参数之一。任何物理变化和化学变化的过程都与温度密切相关。温度检测和控制都直接与安全生产、节约能源等技术经济指标相联系。温度测量在工业、民用、军事等领域占有重要的地位。航空、汽车、家电、科研等领域都需要温度测试设备，用于测试和确定电工、电子及其他产品及材料进行高温、低温、交变温度或恒定试验的温度环境的变化，判断当检测目标的温度值达到警示条件时发出警告信号。一般系统运行时，温度不可过高，温度检测系统可以设定一个报警
2、值，对于温度超过该温度值时进行声光报警，提示管理人员尽快断电对设备进行检修，这样就可以防止温度过高对电机、部件所造成的损坏，避免造成更大的损失2-3。传统的温度检测系统采用热电阻、热敏电阻、热电偶等传感器作为感测器件，采用差动放大器进行放大，用单片机进行数据处理，最终显示出温度值。本设计的核心部件用精密温度传感器，专门负责现场温度的测量、变换和数字量化，选用单片机作为微控制器进行温度采集，然后将采集到的温度值的数据利用微控制器将当前温度显示出来。通过RS-485总线将当前采集到的温度值发送到PC机，在控制室的观察人员能够及时准确的监视当前温度情况。1.2 课题现状温度检测具有广泛的应用性，在工
3、业、民用、军事等领域都有着极其重要的应用。1.2.1 CPU温度检测现在的电脑主板具有老式主板所没有的CPU温度检测报警功能。CPU温度过高会导致系统工作不稳定或者死机，甚至损坏CPU等，所以对CPU的温度检测是很重要的。它会在CPU温度超出安全范围时发出警告检测。温度的探头有两种：一种集成在处理器之中，依靠BIOS的支持；另一种是外置的，在主板上面可以见到，通常是一颗热敏电阻。它们都是通过温度的改变来改变自身的电阻值，让温度检测电路探测到电阻的改变，从而改变温度数值。1.2.2 TH-IR101F 红外测温仪设备由红外传感器和显示报警系统两部分组成，它们之间通过专用的五芯电缆连接。安装时将红
4、外传感器用支架固定在通道旁边或大门旁边等地方，使得被测人与红外传感器之间的距离相距35cm。在其旁边摆放一张桌子，放置显示报警系统。只要被测人在指定位置站立1秒钟以上，红外快速检测仪就可准确测量出旅客体温。一旦受测者体温超过38，测温仪的红灯就会闪亮，同时发出蜂鸣声提醒检查人员。红外温度快速检测仪为在人流量较大的公共场所降低非典的扩散和传播提供快速、非接触测量手段，可广泛用于机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等人流量较大的公共场所，对体温超过38的人员进行有效筛选。1.2.3 TH-IR201S计算机红外测温系统用户能够利用红外传感器、USB变换器和附带的红外温度测量软件，非常方
5、便、快速地组成红外测温系统，或将红外体温快速检系统集成在保安监控系统中。 1.2.4 矿用隔爆型电气设备外壳电子最高表面温度的检查 GB3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备 第1部分：通用要求中规定，类（煤矿用）电气设备采取措施能防止煤粉堆积时，最高表面温度不得超过450，有煤粉沉积时最高表面温度不得超过150。在实际检查中，若感觉电气设备外壳表面温度过高，难以用手触摸或烫手，可要求进行实际温度测量，以保证电气设备安全运行。 1.3 课题意义随着农业和工业的发展，温室在生产和生活中起着越来越重要的作用，然而传统的温室仅凭人工操作，从而造成故障发现不及时，温度控制不精确，并且浪费了大量
6、的人力和物力，通过本课题的研究，可以实现温室温度的测量，控制，报警全自动化，通过对系统的温度进行实时监测，可以及时发现故障苗头，使问题刚刚出现就得到及时解决，对事故的发生和扩大将起到有效地预防作用4。因此，该课题的开发有着重要意义。31山东科技大学学位论文 系统总体方案设计与工作原理2 系统总体方案设计与工作原理2.1 系统的结构系统主要有计算机、通信接口、智能控制器、MAX6576/6577温度传感器等组成。每个智能控制器采用单片机设计，可与系统计算机组成计算机网络监测系统。计算机通过通信接口控制所有智能控制器，通信接口完成通信信号的转换、驱动、放大，保整机算机和单片机数据通信正确。计算机、
7、通信接口、等放在专用操作室或其他办公室，通信接口与所有智能控制器采用一根四芯（两芯电源线，两芯通信线）电缆连接，安装方便。智能控制器通过通信接口与计算机构成计算机监测系统，在计算机上事先设定好温度报警值，并通过存储器存储起来。在系统运行时，16路循环检测，温度正常绿灯亮，温度超限红灯亮，并蜂鸣报警。16路测点相互独立。这样就可以在计算机上直观的看出当前温室温度是否正常，达到温度实时监控的目的，能够实现对系统的温度检测。系统结构图如下：计算机通信接口智能控制器温度传感器测点1-16图1 系统结构图Fig.1 The structure chart of the system该系统具有很多优点，具
8、有功能强，控制使用方便，维护工作少，显示直观，可独立、异步（不同时）工作，主要技术特点如下：n 16路测点均与智能控制器相连接，经过一系列的转化与处理，实时显示本温度传感器所受温度。n 智能控制器还具有声光报警功能，当现场温度超出设定的温度报警值时，控制器发出声光报警信号，表示该测点温度超标严重或有异常。提示监控人员及时采取措施，避免更大的经济损失的产生。n 每只温度传感器可独立工作，即我们可以使用16路传感器的任何一路进行使用，而不像其他报警仪那样必须等到所有被测点准备就绪后再通过按键开始同时检测，造成第一个与最后一个存在较长时间差。n 控制器还能自动根据现场温度大小采用不同的报警常数，在低
9、温时候和高温时候采用不同的报警设定值可以提高设备应用的灵活性 ，报警值的写入通过拨码开关，存储到93C46中存起来，扩大系统的应用范围。2.2 课题研究内容 本课题需要解决二个方面的关键问题：一是被测温度信号的采集、处理和显示，二是实现温度信号的远程监控。2.2.1 被测信号的采集、处理、显示本课题所要开发的这套系统将主要对现场的温度信号进行采集，我们主要是要选择一种适当的温度传感器准确的采集这些信号使之进入微处理器进行处理，并在其进入微处理器之前进行信号的调理，一般要经过信号的放大和模数转化环节。然后进入微处理器中，通过一系列的公式转化，得出当前所得的温度值，并用7279驱动数码管显示出来。
10、当信号进入微处理器之后，要在软件上进行处理。首先，为了保证掉电后数据不丢失，采集电路中应设有掉电不丢失数据存储器EEPROM，本设计采用的是存储芯片93C46，将读取的数据写入其中，并将预先设定好的温度报警值也存入其中。其次，微处理器的外围电路中应含有显示电路，将采集的数据就地显示出来。此外，还需配备多机之间的通信驱动电路，使得可以实现远程温度信号的显示。2.2.2 数据通信本系统为了实现温度信号的远程监控，这就要涉及多个单机之间的通信，集中的问题在于通信方式的选择。目前数据通信的方式多种多样，根据其各自的特点，适应的场合各有不同。如何在满足要求的基础上，选择一种可靠、方便且成本较低的通信方式
11、是要解决的关键问题。设计中采用485芯片将TTL电平转换成485电平，这样监控人员就可以在监控室里通过计算机实时监测设备当前运行的正常情况，实现远距离通信，完成远程显示和控制。该系统采用KJJ12型通信接口，主要技术参数如下：工作电压：ACC22010%本质安全电路最高开路电压：22v本质安全电路最大短路电流：小于100mA2.2.3智能控制器的结构单片机技术的发展使数据采集和处理变得越来越容易，利用单片机技术可以方便的进行数据采集，单片机强大的计算能力对数据的计算、处理也有着不可比拟的优越性，并能够对测量结果进行显示、保存和传输，有些情况下还可以参与控制。本系统采用ATMEL公司生产的51系
12、列低功耗、高性能8位单片机AT89C52作为总控制单元，单片机AT89C52为低价位的单片机5-10。单片机的原理框图如下图所示：通信电路单片机自动复位电路测频模块信号指示电路电源电路拨码开关报警电路存储电路显示电路2.3 系统的工作原理工作原理是：系统工作时，通过温度传感器MAX6577将外界温度信号采集出来，经过一系列的转化变成频率信号，将该信号输入到单片机中，检测仪测到它的信号，通过温度传感器的计算公式，计算出它的频率。通过数码管现场显示测点号码和相应的测点温度，并事先设定一个温度报警值，由拨码开关存储到计算机中，如若超过该设定的温度安全值便报警。该系统还可以通过计算机实现远程显示和控制
13、。可实现的功能不仅包括对温度信号的实时采集，还包括对信号数据的存储以及超温报警等。该系统具有设置功能，可以预先设置报警的温度值，放入93C46里存储起来；测试功能，当系统一旦发现温度超标时即刻报警；显示功能：对于该系统的16路温度信号可以通过7279从数码管里将温度值显示出来；通信电路可以实现远距离监控，方便使用。在系统运行时，测量所得的温度值与预定的报警值进行比较，是否发出报警信号。报警仪是可以脱机运行的。将报警仪通过一个通讯接口与计算机相连可以实现更多的功能，而且连机方式报警仪工作的主要方式。我们可以通过计算机巡测数据，在上位机现场同时将测点的温度显示出来，在巡测的同时，计算机会将所有数据
14、存放在数据库中，以供随时调用和检索；当需要传感器的初频时，可以向检测仪发出调零指令，进行调零；还可以向报警仪写入新的报警常数。2.4元件选型2.4.1 传感器的简介2.4.1.1传感器的定义11-15 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC: International Electro Technical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感
15、系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能，传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，它将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评
16、测或标示。 2.4.1.2传感器原理结构 在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着：(1)能源环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着：（1）激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3) 信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路 。2.4.1.3传感器的分类传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。 按被测物理量划分的传感器，常见的有：温度传感器
17、、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。 2.4.1.4 传感器的选型原则智能采集器所用传感器主要是电压传感器、电流传感器、温度传感器。传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器对系统的功能起决定性作用，设计中选择合适的传感器显得非常重要。各种传感器的变换原理、结构、使用目的、环境条件虽各不相同，但对它们的主要性能要求都是一致的。这些要求是：高精度、低成本；高灵敏度；稳定性好；工作可靠；抗
18、干扰能力强；动态特性良好；结构简单、使用维护方便、功耗低等。传感器的性能指标包括很多方面，企图使某一传感器的各项指标都优良，在实用上没有必要。因此应根据实际要求与可能，保证主要性能指标，放宽对次要性能指标的要求，以提高性能价格比，恰如其分地选用能满足使用要求的产品。2.4.2 看门狗电路的选择看门狗（WTD-watch time dog）电路防止系统死机或是程序进入死循环，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护硬件电路。一般看门狗电路用来监视MCU内部程序运行状态，在程序跑飞或死锁情况下，可以自动复位。不过由于厂家、型号不同可能有些差别。看门狗电路的工作原理是：
19、当系统工作正常时，CPU将每隔一定时间输出一个脉冲给看门狗，即“喂狗”，若程序运行出现问题或硬件出现故障时而无法按时“喂狗”时，看门狗电路将迫使系统自动复位而重新运行程序。主要作用是防止程序跑飞或死锁。 看门狗电路其实是一个独立的定时器，有一个定时器控制寄存器，可以设定时间（开狗），到达时间后要置位（喂狗），如果没有的话，就认为是程序跑飞，就会发出RESET指令。一个看门狗电路通常被描述成一块在有规律的时间间隔中进行更新的硬件，该更新必须由微控制器或是使微控制器重新启动的电路来完成。看门狗电路分为外部和内部两种，一个外部的看门狗电路是最好的，因为它不依赖微控制器，如果微控制器发生故障需要看门狗
20、更新，则该电路将给出reset信号使微控制器重新启动。一个看门狗通常由一个硬件定时器构成，如果没有来看微控制器的更新或是报告信息，该定时器将会溢出，看门狗就给微控制器复位信号使之复位。2.4.2.1由专用芯片构成的看门狗电路MAX692由专用芯片MAX692构成的看门狗电路如图3所示，系统所用外围元件少。缺点是定时周期固定无法改变，成本高。MAX692是微系统监控电路芯片，具有后备电池切换、掉电判别、看门狗监控等功能。其中WDI是看门狗检测输入端，接到DSP的一个专用IO口或一个总线口上。是复位信号输出端，接DSP的复位端。MAX692的WDI定时周期为1.6s，复位脉冲宽度是200ms。如果
21、WDI保持高或低超过看门狗定时周期(1.6s)，端将发生200ms宽(最小140ms)的负脉冲使DSP复位。MAX692构成的看门狗电路MAX1232MAX1232 是MAXIM公司生产的微处理器监视器,不光提供了看门的功能，而且同时还能检测供电电源的变化，并提供了高电平、低电平上电复位方式，用户能够设置它的超时时间、设定电源电压被动允许范围。用MAX1232芯片作为单片机系统以及其他电子设备的看门狗电路，不需要其他的电子元器件配合，可以直接和微控制器相连，使用简单方便，性能可靠，被大量应用在一些单片机系统上。MAX1232在以下情况下发送复位信号： 电源电压下降到设置的复位电压处，即检测到了
22、下降值超过所设置的5%或10%的允许波动电压（4.62v或4.37v）；PB/RST引脚电压被拉低；ST引脚没在设定的超时时间内收到喂狗信号；电源上电。TOL是电源电压波动允许设置（接地为5%，接VCC为10%）。2.4.3 开关电路的选择74HC151是8选1数据选择器，引脚S起选通作用。加到D0D7中的一个输入，依靠A、B、C3根二进制码选择，被正相输出到Y,返相输出到W。当S=1时，Y=0,W=1,74HC151被禁止使用。传感器的信号进入传感器激发电路经调整后进入74HC151的I0引脚。模拟信号发生电路输出的信号进入74HC151的I1引脚。74HC151的B、C接低，P1.0控制A
23、。当A=P1.0=1时，由Y输出的是I1的信号，也就是模拟信号发生器的信号；当A=P1.0=0时，由Y输出的是I0的信号，也就是传感器信号。4051：八选一模拟开关图4.12 CD4051管脚图Fig.4.12 The pin configuration of CD4051CD4051是八选一模拟开关，相当于一个单刀八掷开关，引脚功能如图4.12所示。开关接通哪一通道，由3位地址码ABC来决定，当A0、B0、C0时 ，选通通道0；当A1、B0、C0时，选通通道1；当A0、B1、C0时，选通通道2；按8421码排列，直到A1、B1、C1时，选通通道7。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通
24、道均不选通。CD4067是十六选一模拟开关，相当于一个单刀十六掷开关，原理与CD4051相同，只不过地址码为4位，通过单片机的I/O口控制地址码ABCD来选通十六个通道。4052：双4选1模拟开关4067：16选1模拟开关4512：八路数据选择器2.4.4 微处理器(单片机)的选型八位单片机由于内部构造简单，体积小，成本低廉，被广泛应用于各种控制系统中。至今，在单片机应用中，仍占有相当的份额。因此,本系统仍以八位单片机作为控制核心。而八位单片机种类繁多，各有特色，其应用场合也随其特点有所不同。在此，对几种流行八位单片机作一个简单的比较22-26。（1）51系列单片机 该类产品硬件结构合理，指令
25、系统规范，生产历史“悠久”，已经成为市场上最为流行的单片机之一。它优点之一是它无论从内部的硬件还是到软件都有一套完整的按位操作系统。因而，这不仅可以进行位的逻辑运算，而且对于一个较复杂的程序，当在运行过程中遇到分支的时候，可以通过对标志位的置位、清零或检测操作，很容易地确定程序的运行方向。此外，51系列单片机的具有乘法和除法指令，编程相当方便。但是，该类单片机高电平输出无驱动能力，软件操作时过于依赖累加器A进行运算。（2） PIC系列单片机 该类单片机是当前市场份额增长最快的单片机之一。其CPU采用RISC结构，属精简指令集。采用Harvard双总线结构，运行速度快(指令周期约160200ns
26、)，此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。它的驱动能力为低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA，相对于51系列而言，这是一个很大的优点，它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。但是，在编程过程中，它需要反复地选择对应的存储体，数据的传送和逻辑运算基本上都得通过工作寄存器W来进行，因此，编程不是很方便。（3）AVR系列单片机 该类单片机显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。但其通用寄存器仅有32个（R0R31），前16个寄存器（R0R15）都不能直接与立即数打交道，因而通用性有所下降。而且当程序复杂时，通用寄存器应用起来
27、就显得比较紧张11-14。本系统中，对单片机的速度要求不是很高，而且显示器将选用液晶显示器，因此，输出电平也不需要很大的驱动能力。从软件上讲，编程需要进行大量的数据运算，这对于编程复杂的PIC系列单片机和寄存器资源有限的AVR系列单片机也都不是很合适。此外，考虑到个人的熟练掌握程度和单片机的价格，本系统选用了当今最流行的八位单片机51系列的典型产品AT89C52。AT89C52是ATMEL公司生产的一种低功耗/低电压，高性能的8位单片机。片内带有一个8KB的FLASH可编程可擦除只读存储器（EPROM）。它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引
28、脚和指令系统都与MSC-51兼容。片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程，操作十分方便。目前，又很多的单片机都与AT89C52的管脚和功能兼容，可以在许多场合进行替换。选用AT89C2051作为主CPU芯片。AT89C2051的最大的优点是体积小、低山东科技大学学位论文 系统的硬件设计成本，是当前性/价比较高的一种八位单片机，完全符合本课题的要求。 3 系统的硬件设计3.1测频电路3.1.1 温度传感器传感器是连接被测对象和检测系统的接口，给系统提供处理和显示所必需的原始信息,直接决定了系统的功能和精确度。 温度的测量控制一般采用各式各样的温度传感器，常
29、用的温度传感器及其测温范围()为：热电偶(-184230)，热电阻(-200850)，热敏电阻(-55300)，半导体(-55150)。根据温度传感器输出方式及接口方式的不同，大体可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器。模拟温度传感器输出的模拟信号，必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由微处理器进行处理。数字温度传感器输出的数字信号，一般只需少量外部元器件就可直接送至微处理器进行处理。随着计算机及半导体技术的飞速发展，温度传感器尤其是具有数字接口的半导体温度传感器得到了广泛的应用和快速的发展。3.1.1.1 DS18B20 数字温度传感器DS1820 数字温度传感器，该传感器提供9 位温
30、度读数,指示器件的温度信息经过单线接口送入DS1820 或从DS1820 送出因此从中央处理器到DS1820 仅需连接一条线和地读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。该温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20 送出，因此从中央处理器到DS18B20 仅需连接一条线（和地）。DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。“一线总
31、线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。 因为每一个DS18B20 有唯一的系列号（silicon serial number）， 因此多个DS18B20 可以存在于同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。此特性的应用范围包括环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测。具体来说，DS18B20具有如下特性：（1）独特的单线接口，只需1个接口引脚即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。（2）多点（multi drop） 能力使分布式温
32、度检测应用得以简化。（3）DS18B20在使用中不需要任何外围元件。（4）可用数据线供电。（本设计中单独提供+5V电源）。（5）不需备份电源。（6）与前一代产品DS1820相比，体积更小、适用电压更宽、更经济。DS18B20支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。（7）测量范围从-55至+125， 增量值为0.5。 等效的华氏温度范围是-67 至257，增量值为0.9。（8）测量结果以9位数字量方式串行传送。（9）在1 秒（典型值）内把温度变换为数字。（10）用户可定义的，非易失性的温度告警设置。（11）告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度告警情况）。（12）应用
33、范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS1820内部有三个主要的数据部件：(1) 64 位激光（lasered）ROM；(2) 温度灵敏元件和(3) 非易失性温度告警触发器TH 和TL 器件。从单线的通信线取得其电源在信号线为高电平的时间周期内把能量贮存在内部的电容器中在单信号线为低电平的时间期内断开此电源直到信号线变为高电平重新接上寄生电容电源为止，同时作为另一种可供选择的方法DS1820 也可用外部5V 电源供电。DS1820应用注意事项27-29D
34、S1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： （1） 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。 （2） 在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题
35、，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。 （3） 连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题，以便做到精确测量。 （4） 在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线
36、，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视28。测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。3.1.1.2 温度传感器MAX6577本系统从测温范围，温度分辨率和测温时间上来讲，AD7416和DS1820都不能满足要求。这里我们选择MAXIM公司出产的MAXI6576/6577温度传感器芯片。 该芯片具有低功耗、低电流单端方波输出特点，对于两种不同的芯片输出和输入的关系分别满足如下的关系式：-273.15这样方便我们根据不同的情况进行频率或是周期的测量，扩
37、大了应用的范围。MAX6577输出方波信号，其频率与它的热力学温度成比例。MAX6577集成温度传感器采用SOT23-6封装，它能方便地与其他元件一同安装在PC基板上。该电路的测温范围宽、尺寸小，因此得到广泛的应用。MAX6577是输出频率信号的数字温度传感器。它输出占空比为1/2的方波，其频率正比于绝对温度。它的内部结构及使用方式 与MAX6576非常相拟。通过引脚TS0、TS1选择适录的频率/温度比例常数，再由微处理器的内部计数器测出频率后，计算出后测温度。时间输出的温度传感器与微处理器的接口电路图3.1.2 温度信号的输入如图，J1是温度传感器，本设计中选用的是MAX6577，其中R1是
38、限流电阻，限流电阻的作用是限制电路中的电流，它串联在电路中限制电路中的电流。（如发光二极管串联的电阻）。限流电阻是有工作条件的，最主要的是电路的工作电压，限流电阻的选取一般有电阻值和功率两个参数，是根据电路的电压和限制电路回路中的电流选取的。R3是旁路电阻，旁路就是除原定正式的通路外，再另僻一条其它的通路。电阻旁路就是通过电阻另外再开僻一条通路，所不同的是有了电了阻，这条通路不是非常畅通。而这条通路的畅通程度，就要视设计者使用电阻阻值的大小而定。旁路电阻通常是指在电路设计时为保护例如敏感电压计等器件，防止电路断路时局部电压过大而倒是器件损坏设计的并联支路电路。C1是滤波电容，滤波电容用在电源整
39、流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。三极管用来整形，输出的便是频率信号。原理图如下：3.2复位电路一个软硬件结合的完整的单片机控制系统通常是在一个特定的环境下为完成或实现某种功能而设计的，在系统处于工作状态时，势必会受到各种外界干扰因素的影响。这种外界干扰轻则导致系统内部数据出错，重则严重影响程序的运行，比较典型的是出现程序“跑飞”的现象，或使程序陷入“死循环”。指令冗余技术和软件陷阱技术均不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境，因此可采用程序监视技术来使程序脱离“死循环”，如“看门狗”技术。所谓的“看门狗”是指在系统设计中通过软件或硬件方式在一定的周期内监控CPU的运行状况。如果在
40、规定的时间内没有收到来自CPU的触发信号，也就是我们通常所说的没有及时“喂狗”，则系统会强制复位，以保证系统在受到干扰时仍然能够维持正常的工作状态。考虑到系统的可靠性及经济性的要求，本系统采用CMOS芯片14级锁存二进制计数器/分频器CD4060构成的看门狗电路，构成的复位电路如图所示。微控制器的上电复位和看门狗复位电路如图所示，电阻R54、R55和电容C构成振荡电路，产生振荡频率，经过CD4060的14次分频后输出给单片机的复位端RST，单片机的P3.2控制CD4060的复位端reset。在单片机程序中每隔一段时间就执行一次“喂狗”操作，防止CD4060溢出，当程序出现错误陷入死机状态或程序
41、“跑飞”，则CD4060达到一定的时间就会在Q14端输出一个高电平，强制单片机进入复位状态。系统上电后，AT89C52的复位脚将产生100ms的高电平。看门狗复位电路由计数器CD4060构成，CD4060的定时常数由图中电容和电阻决定，经14分频后产生一个复位脉冲，因此，复位周期T=2R2C1214。如果系统正常工作，在程序的适当出安排SETB P3.2指令，使CD4060复位，使之不会产生复位脉冲，如果系统工作不正常，在T时间内CD4060没能复位，那么它将对系统产生复位脉冲。3.3存储电路AT93C46是一种存储器可以定义为16 位（ORG 引脚接Vcc ）或者定义为8 位（ORG 引脚接
42、GND）的1K位的串行E2PROM，它可以通过DI 引脚或DO 引脚进行写入或读出，该存储器是采用先进的CMOS E2PROM 浮动门工艺加工的器件，可以经受100万次的写入/擦除操作，片内数据保存寿命达到100 年。AT93C46采用的是3线制串行总线，3线串行总线由SK，DI，DO这三条信号线组成，其中SK是串行时钟线，DI是数据输入线，DO是数据输出线。在此，所谓的数据输入或输出是对E2PROM芯片而言的，而不是对单片机而言的。在实际应用中，要实现对AT93C46的数据读写，最关键的有两点：一点是建立恰当的串行数据传送的硬件逻辑接口；另一点是用单片机的程序模拟AT93C46的数据传送时序
43、。主要性能特点：(1) 高速度操作，速率可达1MHz(2) 低功耗工艺(3) 宽电源电压，1.8 伏到6.0 伏(4) 存储器可选择8 位或者16 位结构(5) 写入时自动清除存储器内容(6) 硬件和软件写保护(7) 慢上电写保护(8) 100万次写入/擦除周期，100 年数据保存寿命AT93C46与单片机连接电路原理图如图所示：3.4报警电路系统在温度超过预先设定的温度的情况下，能够实现声光报警。光报警通过改变显示颜色来实现，灯采用双色灯。声报警由蜂鸣器来实现，使得监控人员及时采取措施，保证不必要的损失的发生。蜂鸣器和微控制器的连接电路图如图所示。3.5电源电路系统使用开关电源供电，所需电压
44、有+12V，5V两种。12V由外置开关电源模块提供，进入主控板后，12V一方面提供电源，另一方面，经过三端稳压芯片LM7805后，产生+5V电压。在实际运用过程中，我们不方便给芯片提供5V电压，所以我采用集成稳压电路给芯片供5V电压，集成稳压电路有三个引脚，分别为输入端、输出端和公共端，因而称为三端稳压器，按功能可分为固定式稳压电路和可调试稳压电路，本次设计我采用型号为W7800系列的7805 固定式集成稳压器电路给芯片提供5V的电压，因为它性能稳定、价格低廉。电源电路原理图如图所示。3.6微处理器微处理器（即单片机）是整个下位机的核心，完成信号的采集、存储、显示、通信和报警。它的选用原则是在
45、确保可靠性的前提下，满足系统的处理要求，并具备一定的灵活性和可扩展余地。本系统选用的微处理器芯片为ATMEL公司的产品AT89C52，该芯片是一种低功耗高性能的8位单片机，片内带有一个8K字节的FLASH型可编程擦除的只读存储器（PROM），采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）,输出引脚和指令与MCS-51兼容，片内的FLASH存储器允许在系统内修改，或者使用常规的非易失性存储器编程器编程。该芯片是51系列单片机中应用最为广泛的芯片之一，具有比较高的性能价格比，可以方便的应用于各种控制领域，而且，目前有很多微处理器与之管脚兼容，在许多场合可以进行替换30-31
46、。其管脚图如图4.1所示。主要性能参数：(1) 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容(2) 8K字节可重复擦写FLASH闪速存储器(3) 1000次擦写周期(4) 全静态操作，0Hz-24MHz(5) 三级加密程序存储器(6) 2568字节内部RAM(7) 32个可编程I/O口线(8) 3个16位定时/计数器图4.1 AT89C52管脚图Fig.4.1 The pin configuration of AT89C52(9) 8个中断源(10) 可编程串行UART通道(11) 低功耗空闲和掉电模式AT89C52具有以下优点：（1） 含FLASH程序存储器，在系统开发过程中可以十分容易的进行程序修
47、改，大大缩短了开发的周期。同时，在系统工作的过程中，能有效的保存一些数据，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。（2） 程错误也无废品。其可擦写次数可达1000次，错误之后可以重新编程。（3） 可以反复系统试验。每次实验可以写入不同的程序，随用户的需要和发展进行修改，直至达到系统最优。此外，AT89C52设有静态逻辑，可以在低到零频率下工作，支持两种可选的省电模式。在闲置模式下，CPU停止工作，但片内RAM、定时/计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并冻结振荡器，禁止其它片内控制单元功能，直到下一次硬件复位为止。3.7显示驱动电路目前广泛应用的显示设备有发光数码管显示器（LED）和液晶显示器，液晶显示技术适用于显示信息较多的情况，对环境要求也比较高。本设计采用数码管显示。采用LED数码管显示有以下几个优点：（1）价格低廉；（2）显示信息清晰醒目