1 引言
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)．能夠獨(dú)立工作的溫度檢測(cè)和顯示系統(tǒng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)以熱敏電阻為溫度敏感元件。熱敏電阻的成本低，但需后續(xù)信號(hào)處理電路，而且可靠性相對(duì)較差，測(cè)溫準(zhǔn)確度低，檢測(cè)系統(tǒng)也有一定的誤差。與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，這里設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫精確，數(shù)字顯示，適用范圍寬等特點(diǎn)。選用AT89C51型單片機(jī)作為主控制器件，DSl8820作為測(cè)溫傳感器通過4位共陽(yáng)極LED數(shù)碼管串口傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫度顯示。通過DSl8820直接讀取被測(cè)溫度值，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該器件的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，線性度較好，在O℃~100℃最大線性偏差小于0．1℃。該器件可直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)處理及控制。另外，該溫度計(jì)還能直接采用測(cè)溫器件測(cè)量溫度，從而簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)傳輸與處理過程。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案
根據(jù)系統(tǒng)功能要求，構(gòu)造圖1所示的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖。
2．1 單片機(jī)的選擇
AT89C51作為溫度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心器件。該器件是INTEL公司生產(chǎn)的MCS一5l系列單片機(jī)中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，采用了可靠的CMOS工藝制造技術(shù)，具有高性能的8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS一51的CMOS產(chǎn)品。不僅結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征，而且繼承和擴(kuò)展了MCS一48單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。
2．2 溫度傳感器與單片機(jī)的連接
溫度傳感器的單總線(1-Wire)與單片機(jī)的P2．0連接，P2．0是單片機(jī)的高位地址線A8。P2端口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O，其輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)該端口寫“1”，可通過內(nèi)部上拉電阻將其端口拉至高電平，此時(shí)可作為輸入口使用，這是因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某一引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)。如執(zhí)行MOVX DPTR指令，則表示P2端口送出高8位的地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，可執(zhí)行MOVX RI指令，P2端口內(nèi)容即為特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中R2寄存器內(nèi)容，整個(gè)訪問期間不改變。在Flash編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P2端口也接收高位地址和其他控制信號(hào)。圖2為DSl8820內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖3為DSl8820與單片機(jī)的接口電路。
2．3 復(fù)位信號(hào)及外部復(fù)位電路
單片機(jī)的P1．6端口是MAX813看門狗電路中喂狗信號(hào)的輸入端，即單片機(jī)每執(zhí)行一次程序就設(shè)置一次喂狗信號(hào)，清零看門狗器件。若程序出現(xiàn)異常，單片機(jī)引腳RST將出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，使其復(fù)位。該復(fù)位信號(hào)高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期即兩個(gè)機(jī)器周期以上。若使用頻率為12 MHz的晶體振蕩器，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過2μs才完成復(fù)位操作。
2．4 單片機(jī)與報(bào)警電路
系統(tǒng)中的報(bào)警電路是由發(fā)光二極管和限流電阻組成，并與單片機(jī)的P1.2端口連接。P1端口的作用和接法與P2端口相同，不同的是在Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址數(shù)據(jù)。
2．5 電源電路
由于該系統(tǒng)需要穩(wěn)定的5 V電源，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須采用能滿足電壓、電流和穩(wěn)定性要求的電源。該電源采用三端集成穩(wěn)壓器LM7805。它僅有輸入端、輸出端及公共端3個(gè)引腳，其內(nèi)部設(shè)有過流保護(hù)、過熱保護(hù)及調(diào)整管安全保護(hù)電路．由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作為穩(wěn)壓電源。圖4為電源電路連接圖。
2．6 顯示電路
采用技術(shù)成熟的74HCl64實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。LED顯示分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。這里采用靜態(tài)顯示，系統(tǒng)通過單片機(jī)的串行口來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)顯示。串行口為方式零狀態(tài)，即工作在移位寄存器方式，波特率為振蕩頻率的1／12。當(dāng)器件執(zhí)行任何一條將SBUF作為目的寄存器的命令時(shí)，數(shù)據(jù)便開始從RXD端發(fā)送。在寫信號(hào)有效時(shí)，相隔一個(gè)機(jī)器周期后發(fā)送控制端SEND有效，即允許RXD發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)允許從TXD端輸出移位脈沖。圖5為顯示電路的連接圖。
2．7 看門狗電路
系統(tǒng)中把P1．6作為看門狗的“喂狗”信號(hào)；將MAX813的RESET與單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)RST連接。由于單片機(jī)每執(zhí)行一次程序，就會(huì)給看門狗器件一個(gè)復(fù)位信號(hào)，這樣也可以用手工方式實(shí)現(xiàn)復(fù)位。當(dāng)按鍵按下時(shí)，SW—SPST就會(huì)在MAX813引腳產(chǎn)生一個(gè)超過200 ms的低電平，其實(shí)看門狗器件在1．6 s時(shí)間內(nèi)沒有復(fù)位，使7引腳輸出一個(gè)復(fù)位信號(hào)的作用是相同的，其連接圖如圖6所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
DSl8820的主要數(shù)據(jù)元件有：64位激光Lasered ROM，溫度靈敏元件和非易失性溫度告警觸發(fā)器TH和TL。DSBl820可以從單總線獲取電源，當(dāng)信號(hào)線為高電平時(shí)，將能量貯存在內(nèi)部電容器中；當(dāng)單信號(hào)線為低電平時(shí)，將該電源斷開，直到信號(hào)線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳?電容)電源為止。此外，還可外接5 V電源，給DSl8820供電。DSl8820的供電方式靈活，利用外接電源還可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。圖7為讀取數(shù)據(jù)流程圖。
讀取DS18B20數(shù)據(jù)的部分程序代碼為：
4 數(shù)據(jù)測(cè)試
將溫度傳感器與冰水混合物接觸，經(jīng)過充分?jǐn)嚢柽_(dá)到熱平衡后調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使顯示讀數(shù)為0．00(標(biāo)定0℃)；利用氣壓計(jì)讀出當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)，并根據(jù)大氣壓強(qiáng)和當(dāng)?shù)刂亓铀俣扔?jì)算出當(dāng)時(shí)的實(shí)際壓強(qiáng)；根據(jù)沸點(diǎn)與壓強(qiáng)的關(guān)系查出沸點(diǎn)溫度。把溫度傳感器放入沸水中，待顯示讀數(shù)穩(wěn)定后重新調(diào)節(jié)，使顯示器顯示讀數(shù)等于當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)沸點(diǎn)溫度后工作結(jié)束。該溫度計(jì)的量程為一50℃～150℃，讀數(shù)精度為0．1℃，實(shí)際使用一般在0℃～100℃。采用0℃～50℃和50℃～100℃的精密水銀溫度計(jì)作檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)的溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果表明能達(dá)到該精度要求。
5 結(jié)語(yǔ)
該溫度測(cè)試系統(tǒng)不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低廉、精確度較高、反應(yīng)速度較快、數(shù)字化顯示和不易損壞等特點(diǎn)，而且性能穩(wěn)定，適用范圍廣，因此特別適用于對(duì)測(cè)溫要求比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所。