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1、中南民族大學(xué)工商學(xué)院畢業(yè)論文(設(shè)計)系部： 電子信息工程系 專業(yè)： 通信工程 年級： 04 題目:基于CYGNAL單片機的泵站溫度檢測 系統(tǒng)研制 學(xué) 生： 學(xué) 號：04112029 指導(dǎo)教師： 職稱: 講師 2008年01月15日20中南民族大學(xué)工商學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 年 月 日26目 錄摘要1關(guān)鍵詞1Abstract2Key word21 緒論31.1 泵站溫

2、度監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概述31.1.1我國泵站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展31.1.2我國泵站監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀31.2 單片機技術(shù)的發(fā)展31.3 課題的來源及研究意義32 溫度檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案42.1 系統(tǒng)的總體任務(wù)42.2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖42.3 現(xiàn)場測控模塊的實現(xiàn)方案42.4 C8051F040單片機的選擇52.5 C8051F040單片機的特點52.6 增加的功能63 現(xiàn)場測控模塊的實現(xiàn)73.1 溫度傳感器檢測電路73.1.1 溫度傳感器的選擇73.1.2 PT100檢測電路的實現(xiàn)73.1.3 DS18B20檢測電路的實現(xiàn)103.2 顯示電路的設(shè)計163.3 鍵盤電路的設(shè)計173.4 電源電路184 系

3、統(tǒng)軟件的設(shè)計194.1 溫度采樣部分194.2 數(shù)字溫度傳感器DS18B20的工作時序204.3 鍵盤部分軟件214.4 LED顯示部分軟件235.結(jié)論25參考文獻26基于CYGNAL單片機的泵站溫度檢測系統(tǒng)研制摘要：泵站監(jiān)控作為城市防汛的主要設(shè)施，在確保城市安全度訊和保障人們正常的生活、工作秩序方面，起著極其重要的作用。因此，泵站自動化程度的增強將被重視，隨著泵站自動化程度的增強以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得泵站溫度監(jiān)控成為可能，本文同時使用了DS18B20和PT100溫度傳感器技術(shù)，在8位高速單片機C8051F040上實現(xiàn)了泵站溫度檢測系統(tǒng)。本文首先介紹了國內(nèi)外泵站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展、單片機技術(shù)的

4、發(fā)展?fàn)顩r。第二部分提出了泵站溫度檢測系統(tǒng)的總體方案及高速SOC單片機C8051F040的選擇。第三部分詳細的描述了系統(tǒng)現(xiàn)場檢測部分的傳感器的選擇及硬件電路。第四部分介紹了系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)。最后，對所做的一些工作進行了總結(jié)，并對泵站溫度檢測技術(shù)進行了展望。關(guān)鍵詞：C8051F040；泵站；溫度傳感器；溫度檢測系統(tǒng)Based On CYGNAL Monolithic Integrated Circuit Pumping Station Temperature Examination System DevelopmentAbstract: Monitoring and control system o

5、f pump station is main facilities, which are used in city flood prevention. The system plays an important role in insuring safety and normal life and job. Therefore enhancement of pumping station automatization will be realized, with enhancement of pumping station automatization, the development of

6、transducer technology, made pumping station temperature monitoring system enable. In this paper, we realize the pumping temperature detection system on 8-bit high speed SOC microcontroller C8051F040 with DS18B20 and PT100 temperature transducer at same time. Firstly, in this paper, we introduce the

7、development of monitoring and control system of pumping station, microcontroller technology both here and abroad. The second part of this paper brings up the whole scheme of this pumping station temperature detection system and choice of high speed SOC microcontroller C8051F040. The third part of th

8、is paper describes the hardware circuit of field detection part and choice of transducer in detail. The fourthly part of this paper introduces software implementation of this system. At the end of this paper, we summarize all the work which has done; Whats more, do some expectation the technology ab

9、out pumping station temperature detection system.Key words:C8051F040;PumpStation;TemperatureTransducer;Temperature Detection System 1 緒論 1.1 泵站溫度監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概述1. 1.1 我國泵站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展泵站建設(shè)在我國已有近40多年的歷史，其功能日趨完善，在灌溉、排澇、航運補水和市政供水等方面起著非常重要的作用，我國泵站監(jiān)控自動化技術(shù)是隨著國民經(jīng)濟發(fā)展和計算機技術(shù)的進步而逐漸發(fā)展起來的，以90年代為界，劃分為兩個階段，在90年代以前中國多次嘗試把計算機實時

10、監(jiān)控技術(shù)運用到泵站監(jiān)控系統(tǒng)中，但是由于技術(shù)等各方面的原因，沒有取得很大的發(fā)展，在90年代以后，隨著計算機技術(shù)迅速發(fā)展和普及，監(jiān)控裝置在泵站得到了較快的發(fā)展和運用。1.1.2 我國泵站監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀目前全國已建成大中型灌區(qū)5600多處，固定排灌泵站50多萬處，國內(nèi)中小型泵站水泵機組的起動、運行和停車，大多靠人工手動操作來完成，站內(nèi)值班人員一般需6-9人。這種現(xiàn)狀不僅工作強度大，而且工作效率不高。在國內(nèi)近年來興建的大型泵站中，大都設(shè)置了微機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但還是有許多泵站還不能實現(xiàn)對運行過程的計算機控制，國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)主要存在以下不足：（1）監(jiān)控系統(tǒng)開放性不是很徹底，主要表現(xiàn)在：和不同廠家硬件設(shè)備接口

11、功能差；二是數(shù)據(jù)及功能模塊接口功能差。（2）故障診斷技術(shù)不是非常成熟。監(jiān)控系統(tǒng)與故障診斷技術(shù)有著不可分割的關(guān)系，在泵站監(jiān)控過程中，如果發(fā)現(xiàn)泵站運行的常見故障系統(tǒng)能夠自動調(diào)整用已存儲的故障模式，判斷故障類型給出處理措施，及時排除故障，并對故障記憶，進行自學(xué)習(xí)，這將減少停機次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。早期的監(jiān)控系統(tǒng)由于當(dāng)時的生產(chǎn)規(guī)模較小，自控儀表尚處于發(fā)展的初級階段，所采用的僅僅是安裝在生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場，只具備簡單測控功能的基地式儀表，其信號僅在本儀表內(nèi)起作用，一般不能送到別的儀表或系統(tǒng)，無法與外界溝通信息，操作人員只能通過生產(chǎn)現(xiàn)場的巡視，了解生產(chǎn)過程的狀況。而泵站監(jiān)控現(xiàn)在作為城市防汛的主要設(shè)施，在確保城市安

12、全度訊和保障人們正常的生活、工作秩序方面，起著極其重要的作用。1.2 單片機技術(shù)的發(fā)展在科技廣泛發(fā)展的今天，計算機的發(fā)展已經(jīng)越來越快，它的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。而單片機的發(fā)展和應(yīng)用是其中的重要一方面。單片機在工業(yè)生產(chǎn)和民用家電各方面有廣泛的應(yīng)用。其中，單片機在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用尤其廣泛。單片機具有集成度高，處理能力強，可靠性高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉的優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用。溫度控制系統(tǒng)就是通過單片機的控制，使溫度再設(shè)定的范圍內(nèi)。因此，在本次論文的研究中我采用了C8051F040單片機來控制泵站溫度的檢測。溫度控制的發(fā)展及意義：現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、工程建設(shè)及日常生活中常常需要用到溫度控制，早期溫度控制主要

13、應(yīng)用于工廠中。而現(xiàn)代社會中，溫度控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了各個方面，隨著人們生活質(zhì)量的提高，城市防汛、酒店廠房、家庭生活中都會見到溫度控制的影子，溫度控制將更好地服務(wù)于社會。1.3 課題的來源及研究意義本課題是湖北省教育廳給定項目基于現(xiàn)場總線技術(shù)的大中型電排站機組群監(jiān)控系統(tǒng)的研制中一部分。目前大部分泵站監(jiān)控系統(tǒng)中溫度監(jiān)控部分還是使用鉑電阻溫度傳感器PT100來實現(xiàn)溫度檢測，其某些重要點的檢測精度不是很高，系統(tǒng)的安裝線路不是很簡化。因此，這里我們采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20和模擬溫度傳感器相結(jié)合可以很好的解決點數(shù)和精度問題。采用C8051F040單片機來控制泵站溫度的檢測，

14、以提高其溫度檢測的自動化程度。2 溫度檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案2.1 系統(tǒng)的總體任務(wù)本文主要完成的任務(wù)有：1.在溫度信號檢測系統(tǒng)中同時使用兩種檢測，處理電路，一種是針對鉑電阻溫度傳感器PT100，另一種是針對一線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。2.在監(jiān)控現(xiàn)場采用LED以定義/巡檢方式顯示各檢測點溫度變化情況，并通過鍵盤輸入顯示的方式顯示通道數(shù)。3.為了實現(xiàn)泵站溫度的檢測，這里采用8位的C8051F040單片機進行溫度檢測，將檢測的各點的溫度數(shù)據(jù)通過鍵盤輸入在LED動態(tài)掃描電路中顯示出來。2.2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是通過模擬溫度傳感器PT100和數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測泵站每臺

15、機組定子溫度、轉(zhuǎn)子溫度、上油溫、上推力瓦溫、上平瓦、下油溫、下推力瓦和下平瓦，再有LED將這些溫度顯示出來，并能通過鍵盤設(shè)置機組故障極限值。因為本系統(tǒng)要檢測的量比較多，因此系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖使用了8臺機組來對各量來進行檢測。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示：PC機PIC-CAN卡 1#機組CAN接口C8051F040 CAN控制器DS18B20溫度傳感器PT100溫度傳感器 8#機組 CAN接口DS18B20溫度傳感器PT100溫度傳感器C8051F040 CAN控制器LED顯示電路鍵盤電路LED顯示電路鍵盤電路 CAN BUS溫度檢測主CPU -圖2-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖2.3 現(xiàn)場測控模塊的實現(xiàn)方

16、案現(xiàn)場測控部分是溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的最底層部分，主要完成現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)的檢測，以及現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)實時顯示和變化過程的顯示。在設(shè)計和完成該部分功能時，必須把現(xiàn)場情況聯(lián)系起來考慮。本課題是對泵站溫度檢測系統(tǒng)進行升級和改造，只保留了一小部分安裝好的溫度傳感器PT100，其他還需要重新設(shè)計。另外，由于PT100實現(xiàn)溫度檢測存在檢測點數(shù)和精度問題，使用了數(shù)字溫度傳感器，所以在溫度信號檢測時，就需要兩套電路，而且是在同一個系統(tǒng)里存在。在泵站溫度檢測中，具體的對象是每一臺機組中的檢測點，這些檢測點包括：電機的定子溫度、轉(zhuǎn)子溫度、上油溫、上推力瓦溫、上平瓦、下油溫、下推力瓦溫和下平瓦?；旧厦颗_機組的檢測點數(shù)在8個左

17、右，設(shè)計時考慮到整個系統(tǒng)有較大的容量，我們設(shè)計總數(shù)為32點，其中PT100為8點。CAN節(jié)點電路鍵盤電路LED顯示電路C8051F040控制器 PT100檢測電路DS18B20檢測電路 圖2-2 現(xiàn)場測控部分結(jié)構(gòu)框圖除了現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控以外，現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示也是檢測系統(tǒng)中一個比較重要的組成部分，這里采用LED顯示。另外，還有鍵盤電路和其他輔助電路?，F(xiàn)場測控部分結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。2.4 C8051F040單片機的選擇Silicon Laboratories公司出品的C8051Fxxx單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片（SOC），具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核。該系列單片機采用流水線處理（p

18、ipe line）技術(shù)，不再區(qū)分時鐘周期和機器周期，能在執(zhí)行指令期間預(yù)處理下一條指令，提高了指令的執(zhí)行效率。而且大部分C8051F單片機具有控制系統(tǒng)所需要的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括看門狗、ADC、DAC電壓比較器、電壓基準(zhǔn)輸出、定時器、PWM、定時器捕捉和方法輸出等，并且具備多種總線接口，包括UART、SPT、SMBUS總線以及CAN總線，C8051F系列單片機諸多特點和優(yōu)越性，成為很多測控系統(tǒng)設(shè)計的首選機型128。C8051F040是C8051F04X系列單片機中的一種，它是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有64個數(shù)字I/0引腳，片片集成了一個CAN2.0B控制器，具有與8051兼容的微控

19、器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。2.5 C8051F040單片機的特點（1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達25MIPS）（2）控制器局域網(wǎng)（CAN2.0B）控制器，具有32個消息對象，每個消息對象有自己的標(biāo)識（3）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）（4）真正12位、100kps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)（5）允許高電壓差分放大器輸入到12/10倍ADC（60v峰-峰值），增益可編程（6）真正8位500kps的ADC，帶PGA和8通道模擬多

20、路開關(guān)（7）兩個12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式（8）64KB可在系統(tǒng)編程FLASH存儲器（9）4352（4K+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM（10）可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口（11）硬件實現(xiàn)的SPI、SMBUS/12C和兩個UART串行接口（12）5個通用的16位定時器（13）具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列（14）片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F040MCU是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)

21、存儲并允許現(xiàn)場更新8051固件。每個MCU都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+85）工作，工作電壓為2.73.6V。端口I/O、/RST和JTAG 引腳都容許5V 的輸入信號電壓。C8051F040內(nèi)含一個可編程內(nèi)部晶振和一個外部晶振驅(qū)動電路，MCU共有5種起振方式，我們采用外部石英晶振。其旁路電容一般取值為2030pF，晶振頻率取20MHZ。其外部石英晶振如圖2.3所示：20PF + XTAL1 20MHZ20PF + XTAL2GND圖2-3 外部石英晶振圖2.6 增加的功能C8051F04X系列MCU對CIP-51內(nèi)設(shè)和外設(shè)有幾項關(guān)鍵的改進，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。擴展的中斷系

22、統(tǒng)向CIP-51提供20個中斷（標(biāo)準(zhǔn)8051只有5個中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個中斷驅(qū)動的系統(tǒng)需要較少的MCU干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計一個多任務(wù)實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。MCU可有多達7個復(fù)位源：一個片內(nèi)VDD監(jiān)控器、一個看門狗定時器、一個時鐘丟失檢測器、一個由比較器0提供的電壓檢測器、一個軟件強制復(fù)位、CNVSTR0輸入引腳及/RST引腳。RST引腳是雙向的，可接受外部復(fù)位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位信號輸出到RST引腳。除了VDD監(jiān)視器和復(fù)位輸入引腳以外，每個復(fù)位源可以由用戶用軟件禁止；使用MONEN引腳使能禁止VDD監(jiān)視器。在一次上電復(fù)位之后的

23、MCU初始化期間，可以用軟件將WDT永久性使能。MCU內(nèi)部有一個獨立運行的時鐘發(fā)生器，在復(fù)位后被默認為系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行時切換到外部振蕩器，外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC或外部始終源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。時鐘切換功能在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節(jié)電）外部晶體源運行，當(dāng)需要時再周期性的切換到高速內(nèi)部振蕩器（可達25MHZ）。3 現(xiàn)場測控模塊的實現(xiàn)3.1 溫度傳感器檢測電路在本課題的溫度監(jiān)控系統(tǒng)中，為了滿足泵站系統(tǒng)改造的需要，采用了如下的方案：為了減少改造的工作量，保留部分檢測點原有的鉑電阻溫度傳感器PT100；為了提高某些重要點的檢測精度、簡化

24、系統(tǒng)的安裝線路，新增了一些數(shù)字溫度傳感器DS18B20。3.1.1 溫度傳感器的選擇在監(jiān)控系統(tǒng)中，檢測對象變化一般過程為傳感器和檢測電路提取被測對象特征信號，再由信號調(diào)整電路對特征信號相應(yīng)處理，然后由A/D轉(zhuǎn)換器將這些信號變成數(shù)字信號，最后輸入控制器進行處理。這一過程中，除了要求處理電路和軟件正確外，對傳感器也有一定的要求，它對系統(tǒng)檢測精度有很大的關(guān)系。溫度監(jiān)控系統(tǒng)中，使用的溫度傳感器通常有熱電阻、鉑電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)（如AD590）之類的模擬傳感器，經(jīng)采樣電路、放大電路和模擬轉(zhuǎn)換電路處理，獲得表示溫度值的數(shù)字信號，再交給微處理器或DSP處理。被測對象的溫度信號從敏感元件接收的非電模擬量開始，

25、到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號之間，設(shè)計需要考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)測溫裝置中元器件數(shù)量難以下降，隨之影響產(chǎn)品的高可靠性及體積微縮性，并且模擬信號在長距離傳輸過程中抗電磁干擾是令人傷腦筋的問題。若采用具有直接數(shù)字量輸出的傳感器就能避免上述問題。因此，人們越來越重視數(shù)字式傳感器技術(shù)的發(fā)展。所謂數(shù)字式傳感器，是指能把被測量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的傳感器。數(shù)字式傳感器具有下列特點：具有高的測量精度和分辨率；抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；信號易干處理、傳送和自動控制；便于動態(tài)及多路測量；安裝方便，維護簡單，工作可靠性高。模擬溫度傳感器在溫度監(jiān)控中存在著不足之處，但這并不表示不再使用它，是因為它也有一定的優(yōu)勢；模

26、擬溫度傳感器測溫范圍大，價格相對便宜，適合一些精度要求不是很高、測量對象溫度較高的場所。而數(shù)字溫度傳感器有很多優(yōu)點，但它也有不足的地方，比如：測量范圍?。ㄒ话阍?55125）等。所以，在選擇溫度傳感器的時候要根據(jù)具體需要進行有目的的選擇。3.1.2 PT100檢測電路的實現(xiàn)PT100適用于測量-78到+600之間的溫度，它的阻值隨著溫度的變化成線性變化，大約是每攝氏度0.4，在0時其阻值為100，PT100溫度傳感器阻值計算可用電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC751的方程式：（1）在-78到0的溫度范圍內(nèi)有：Rt=1001+3.9080210-3t0.580210-6t2-4.2735010-12（t-1

27、00）t3（2）在0到+600的溫度范圍內(nèi)有：Rt=100（1+3.9080210-3t0.580210-6t2）其中Rt是溫度t的阻值（單位：），t是溫度（單位：）。 +5V 2LM334 1 0.068K 3 0.68K IN4148 I=2mA 圖3-1 恒流源電路圖在泵站系統(tǒng)中，測量對象與測量現(xiàn)場存在一定的距離，如果提取電流信號進行測量，線路中的壓降將對系統(tǒng)的測量精度帶來很大的影響，如果采用電壓信號則可以較好的避免此影響。在PT100一端加入一恒流源。其恒流源電路如圖3.1所示。然后，在這端提取電壓信號，而另一端采用四線接法。其點：支持多種形式的溫度測量。作為溫度測量的方法，除了取得電

28、阻值/溫度值以外，還配置了平均化處理，報警輸出等各種各樣的機能，以適應(yīng)不同用途的應(yīng)用需求。另外，白金測溫電阻可以使用3線導(dǎo)線式或4線導(dǎo)線式。根據(jù)設(shè)計要求，恒流源電路輸出的電流為2mA，那么PT100一端提取的電壓范圍是0.20.29212V，在進入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入值對電壓信號進行調(diào)整。這里使用A/D轉(zhuǎn)換器是C8051F040單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，其最大輸入電壓為VREF（參考電壓），由于系統(tǒng)中VREF使用內(nèi)部參考電壓2.45V，所以，需要將采樣得到電壓值進行適當(dāng)?shù)奶幚聿拍芩徒o內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器。四級運算放大器LM324的電路特點：（1）有短路保護的輸出端（2）真正差分輸入端（3）單電源工

29、作：332V（4）低輸入偏流：100nA（最大）（5）內(nèi)含四個放大器（6）內(nèi)部沒有補償電路（7）共模范圍可擴展到負電源電壓這里使用的信號調(diào)整電路為多級放大方式，前一級為儀用放大電路，后一級為差動放大電路，采用此電路能消除外部干擾信號對系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，調(diào)整電路如圖3.2所示。以下對圖中兩極放大電路進行詳細分析：從PT100提出的電壓信號Ui（約0.20.3V），另一端接地處電壓信號Gi，當(dāng)R4=R6，R3=R9=R7=R8時，根據(jù)運放的理想特性可得U1、U2、U3的輸出電壓分別為：U1= （3-1）U2= （3-2）圖3-2 A/D轉(zhuǎn)換調(diào)整電路U3=（1+）（Ui-Gi） （3-3）由此可得，第

30、一放大級的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：A1=1+ （3-4）R4固定，只要改變R5的阻值，即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。對第二放大級而言，如果R10=R12，R11=R13，則： ANO= （3-5）其中VV為外加基準(zhǔn)電壓源，這樣可以提高測量的靈敏度，基準(zhǔn)電壓電路如圖3.3所示，使用LM336-2.5V，在此電路中其實際輸出電壓為2.47V。為了提高測量精度，測量放大器必須具有很高的共模抑制比，要求電阻元件的精密度很高，輸入端的進線還要用膠合線以抑制干擾信號的竄入。 圖3-3 基準(zhǔn)電壓電路3.1.3 DS18B20檢測電路的實現(xiàn)美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持“一線

31、總線”接口的溫度傳感器，“一線總線”接口芯片獨特而且經(jīng)濟，使用戶可轉(zhuǎn)松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器的測量溫度范圍為-55+125，在-10到+85范圍內(nèi)，精度為+0.5或-0.5，現(xiàn)場溫度直線以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。適合在惡劣環(huán)境的現(xiàn)場進行溫度測量，可應(yīng)用環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品中。與前一代產(chǎn)品不同，DALLAS半導(dǎo)體公司的新產(chǎn)品DS18B20支持35.5伏的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便，比先一代產(chǎn)品更便宜，體積小。DS18B20可以由設(shè)定912位分辨率，精度為+0.5或-0

32、.5，可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。DS18B20的分辨率及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后仍保存。DS18B20的基本特性：(1) 獨特的單線式接口方式：BS18B20與微處理器連接時僅需要一條線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊(2) 在使用中不需要任何外圍元件(3) 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0+5.5伏(4) 測溫范圍：-55+125，在-10+85時，精度為+0.5或-0.5，固有測溫分辨率為0.5(5) 通過編程可實現(xiàn)912位數(shù)字讀數(shù)方式，可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625(6) 用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限植(7)

33、 多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫(8) 多壓特性：電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作(9) 12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字(10) 溫度轉(zhuǎn)換時間由DS18的2s降為750ms，而且靈敏度大為提高，在逐漸升溫的水中與精度為+0.5或-0.5的溫度計幾乎同步，且回復(fù)性很好(11) 每個芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址，零功耗等待DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)：存儲器和控制器高速緩存存儲器8位CRC生成器溫度靈敏元件低溫觸發(fā)器高溫觸發(fā)器TH配置存儲器64位ROM和單線接口電源檢測 INTERNAL VDD圖3-4 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20

34、內(nèi)部功能如圖3.4所示：主要由如下4部分組成：(1) 64位ROM(2) 溫度傳感器(3) 非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL(4) 配置寄存器ROM中的64位序列號是出廠前被刻上去的，它可以看作是該DS18B20的地址序列號，每個DS18B20的64位序列均不同。64位循環(huán)冗余效驗碼的特征多項式為CRC=X8+X5+X4+1。ROM的作用是使每一個DS18B20的目的。DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度測量。高底溫報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個字節(jié)的EEPROM組成，使用一個存儲器功能命令可對TH、TL或配置寄存器寫入。高速閃存（scratchpad）包括2Byte的溫度寄存器，

35、保存了溫度傳感器的數(shù)字輸出。該閃存還提供了對上限（TH）和下限（TL）超標(biāo)報警寄存器、配置寄存器（各1Byte）的訪問。TH、TL和配置寄存器是非易失性的（EEPROM），系統(tǒng)掉電時，它們會保存數(shù)據(jù)。DALLASDS18 B201 2 312 3DS18B20的引腳：（1）其管腳圖如圖所示： GND DQ VDDNC NC NC NC VDD NCDQ GND 1 8 2 7 3 6 （BOTTOM VIEW） 4 5 TO-92 （DS18B20） 圖3.5 DS18B20的SOIC封裝管腳圖 圖3.6 DS18B20的TO92封裝管腳圖 （2）各引腳的功能說明如下：DQ：數(shù)據(jù)輸入輸出，漏極

36、開路1線接口，可在寄生電源模式時提供電源VDD ：可選的電源電壓腳，VDD在寄生電源模式時必須接地 GND：地DS18B20利用Dallas的單總線控制協(xié)議，實現(xiàn)了利用單線控制信號在總線上進行通信。由于所有的設(shè)備通過漏極開路端（即DS18B20的DQ腳）連在總線上，控制線需要一個上拉電阻（大約5千歐）。在這一線系統(tǒng)中，微控制器（主控設(shè)備）通過唯一的64位序列碼識別和訪問總線上的器件。由于每一個設(shè)備有唯一的編碼，連在一條總線上可被訪問的器件數(shù)實際上是無限的。DS18B20的另一個特點是在沒有外部電源下操作的能力。電源由總線為高電平時DQ腳上的上拉電阻提供（寄生供電模式），此時VDD腳接地。另外，

37、DS18B20也可用傳統(tǒng)方式供電，此時將外部電源連在VDD腳上即可。DS18B20的工作特性：DS18B20的主要技術(shù)參數(shù)如下：輸入通道數(shù)：296通道測量精度：-10-+85范圍內(nèi)基本測量精度-0.5或+0.5設(shè)定精度：與顯示值一致，無相對誤差顯示：2位LED通道號顯示4位LED測量值顯示各通道報警狀態(tài)指示燈告警方式：4種告警方式2點公用告警繼電器輸出多點控制繼電器輸出（擴展功能）傳感器故障繼電器輸出（擴展功能）告警輸出接點容量：AC250V、2A（阻性負載） 電源VO：AC187V242V，耗電量/0VA以下電源V1：DC2028V，耗電量8VA以下工作環(huán)境：溫度050，溫度2090%RH表

38、3-1 DS18B20的推薦工作范圍參數(shù)名稱條件最小值典型值最大值單位供電電壓VDD局部供電3.0-5.5V數(shù)據(jù)計DQ-0.3-+5.5V邏輯1VIH-2.2-VCC+0.3V邏輯0VIL-0.3-+0.8V表3-2 DS18B20的電氣特性名稱條件最小值 典型值 最大值 單位TERR-10-+85-0.5-55-+125-2-VIH局部供電2.2-5.5VDS18B20的應(yīng)用介紹：DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量，用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達，其中S為符號位。進行轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特RAM中，二進制的前面

39、5位是符號位，如果測得溫度大于這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘以0.625，即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625，即可得到實際溫度。DS18B20的測溫原理：DS18B20的測溫原理如圖3.7所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度變化明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱藏著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，從而完成溫度測量。預(yù)置計數(shù)比較器預(yù)置低溫度系數(shù)振蕩器減法計數(shù)器2減到0減法計數(shù)器1高溫

40、度系數(shù)振蕩器溫度寄存器減到0斜率累加器 圖3-7 DS18B20內(nèi)部測溫電路框圖計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量時，首先將-55所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1溫度寄存器和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。DS18B20的時序原理圖：圖3-8 初始化時

41、序圖3-9 寫時序與讀時序DS18B20的常用命令：（1）SKIP ROMCCH控制器可以用這一命令同時訪問總線上的所有設(shè)備而不需要送出ROM序列碼信息。例如：發(fā)出SKIP ROM命令后接著送出convert T 44H 命令，控制器可以使總線上的所有DS18B20同時進行溫度轉(zhuǎn)換，注意：僅當(dāng)總線上只有一個從屬設(shè)備時，SKIP POM 命令后才可跟著READ scratchpadBEH命令。如果總線上有多于一個的從屬設(shè)備，由于多設(shè)備企圖同時送出數(shù)據(jù)，將引起數(shù)據(jù)沖突。 （2）SEARCH ROMF0H當(dāng)系統(tǒng)開始上電時，控制器必須識別總線上所有從機的ROM序列，以確定從機的數(shù)目和它們的類型。每一個

42、search ROM 命令之后必須返回到事務(wù)序列的初始化。（3）READ ROM33H 這一命令開始一次溫度轉(zhuǎn)換。變換結(jié)束后，數(shù)據(jù)保存在暫存器的2字節(jié)溫度寄存器中，DS18B20回到低功耗空閑狀態(tài)。如果設(shè)備工作在寄生電源模式，則這一命令發(fā)出10us之內(nèi)，在整個變換期間（tconv）控制器必須在總線上能夠有強的上拉。如果DS18B20由外部電源供電，那么convert T命令之后控制器可以發(fā)出讀時序。如果溫度變換正在進行，那么DS18B20返回“0”；如果已經(jīng)完畢，則返回“1”。在寄生供電模式下，不能使用這一技術(shù)，因為在變換期間總線被抬高。（4）WRITE SCRATCHPAD4EH這一命令使得

43、控制器可以寫3字節(jié)數(shù)據(jù)到DS18B20的暫存器中，第一字節(jié)數(shù)據(jù)寫到TH寄存器（字節(jié)2）第二字節(jié)數(shù)據(jù)寫到TL寄存器（字節(jié)3），第三字節(jié)數(shù)據(jù)寫到配置寄存器（字節(jié)4）。數(shù)據(jù)以最低有效位先發(fā)送。所以3字節(jié)必須在控制器發(fā)出復(fù)位或數(shù)據(jù)可能丟失之前寫完。（5）READ SCRTCHPADBEH這一命令使控制器可以讀暫存器的內(nèi)容，數(shù)據(jù)傳送開始于字節(jié)0的最低位，直到暫存器的第9字節(jié)（字節(jié)8CRC）被讀取。任何時候，如果只需部分暫存器數(shù)據(jù)，控制器可以使用復(fù)位結(jié)束讀操作。DS18B20的接口電路： +5V +5VMCU P6.0 DS18B20 3.35V 3.3V5V 4. 4.7K1wire BUS GND 圖

44、3-10 寄生電源工作方式DS18B20 +5vMCU P6.0 4.7K 1wire BUS 外接電源+5V 接其他1wire器件圖3-11 外接電源工作方式DS18B20有兩種工作模式，寄生電源工作方式和外部電源工作方式。兩種方式的電路如下圖所示。圖3.10中，DS18B20采用寄生電源方式，其VDD和GND端均接地。圖3.11中DS18B20采用外接電源方式，其VDD端用3V5.5V電源供電。單片機采用P6.0線和DS18B20通信。DS18B20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中應(yīng)該注意以下幾方面的問題：（1）較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進

45、行補償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS18B20進行編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則無法讀取測溫結(jié)果。（2）當(dāng)單總線上所掛DS18B20超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要注意。（3）連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。（4）在DS18B20測溫程序設(shè)計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時，將無返回信號，程序進入死循環(huán)。測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線和信號線，另一組接VCC和地線，屏蔽

46、層在源端單點接地。3.2 顯示電路的設(shè)計LED數(shù)碼管的顯示方式分為:靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。每個數(shù)碼管相同的顯示位都連接在一起,每個數(shù)碼管的公共端都分別引出組成其動態(tài)顯示電路.這里使用的是其LED的動態(tài)掃描電路。 圖3.12是LED的動態(tài)顯示電路，我們使用了C8051F040的 P1口和P3口，我們通過一片面74LS273對地址進行鎖存，如果P1口僅用于顯示驅(qū)動，而沒有與其它外設(shè)進行數(shù)據(jù)交換，可省略這個鎖存器，直接或通過其他驅(qū)動電路驅(qū)動連接LED。地址線我們通過六個非門74LS04對6位LED進行分時選通，這樣在任一時刻，只有一位LED是點亮的，但只要掃描的頻率足夠高(一般大于25Hz)，

47、由于人眼的視覺暫留特性，直觀上感覺卻是連續(xù)點亮的，這就是常說的動態(tài)掃描電路。在此電路中，74LS273用于驅(qū)動LED的8位段碼，8位LED相應(yīng)的ag段連在一起，它們的公共端經(jīng)74LS04反相驅(qū)動的輸出端。這樣當(dāng)選通某一位LED時，相應(yīng)的地址線(74LS04輸出端)輸出的是高電平，所以LED選用共陽LED數(shù)碼管。圖3-12 LED的動態(tài)顯示電路74LS273是8位D鎖存器，具有20個管腳的雙列直插式TTL芯片，其管腳圖如圖3.13所示。 圖3-13 74LS273芯片它具有清零端CLR和鎖存控制端/CP，只有當(dāng)/CP端具有低電平有效信號時，D0D7輸入端上的信號才會被鎖存到74LS273內(nèi)，并在

48、Q0Q7的輸入端上輸出；當(dāng)/CP端為高電平無效信號時，原被鎖存的信號不會因輸入端D0D7上信號的變化而改變。74LS723芯片適合作為輸出接口用。3.3 鍵盤電路的設(shè)計鍵盤是由若干個按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡單的單片機輸入設(shè)備，操作員通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人機通信。鍵盤上閉合鍵的識別由專用硬件實現(xiàn)，稱為編碼鍵盤，靠軟件實現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。鍵盤的工作：圖3-14 鍵盤的結(jié)構(gòu)圖鍵盤的結(jié)構(gòu)如圖3.14所示，采用鍵盤動態(tài)掃描電路。圖中行線通過電阻接+5V，當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行線P0.4、P0.5和列線P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、斷開，行線P0.4、P0.5都呈高電

49、平。當(dāng)鍵盤上某一個鍵閉合時，則該鍵所對應(yīng)的行線和列線短路。其按鍵均采用掃描方式,其中行線P0.4、P0.5負責(zé)行位置掃描,而列線P0.0、P0.1、P0.2、P0.3負責(zé)提供對列碼的檢測。3.4 電源電路圖3-15 電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS7333由于C8051F040的工作電壓只有2.73.6V。因此，我們在電路設(shè)計中還需要一個電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS7333來將5V電壓轉(zhuǎn)換為2.7V3.6V之間。其芯片結(jié)構(gòu)如圖3.15所示，它可以將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，以滿足C8051F040的正常工作。4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計4.1 溫度采樣部分此部分完成的任務(wù)是PT100數(shù)據(jù)采樣、處理DS18B20信號、串行通信和C

50、AN總線通信等四部分。因為溫度變化相對比較緩慢，只需在1us內(nèi)能完成一次循環(huán)掃描就可以滿足要求，所以將PT100采樣和DS18B20處理主要放在主程序中處理，而串行通信和CAN通信則有相應(yīng)的中斷程序完成。溫度采樣流程如圖4.1：調(diào)用PT100采樣模塊開始初始化開通某一通道是PT100嗎？T值保存啟動串行通信調(diào)用DS18B20處理模塊NO NOYES YES 圖4-1 溫度采樣流程圖主程序?qū)崿F(xiàn)過程如下：先對系統(tǒng)進行初始化，對一些參數(shù)表定義；接著進入死循環(huán)，在循環(huán)程序里選擇通道，判斷通道上的傳感器是PT100還是DS18B20，然后調(diào)用對應(yīng)模塊進行處理，最后保存溫度參數(shù)在表中供通信程序流程。4.2

51、 數(shù)字溫度傳感器DS18B20的工作時序根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，用主機控制DS18B20以完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。每一步操作必須嚴(yán)格按照時序規(guī)定進行。DS18B20的工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。DS18B20的操作總體流程如圖：初始化DS18B20開始讀DS18B20的序列號檢測DS18B20存在否？發(fā)送跳過ROM指令溫度轉(zhuǎn)換I=1，等待初始化DS18B20發(fā)送DS18B20編碼讀取溫度數(shù)據(jù) YES NO圖4-2 DS18B20的操作總體

52、流程圖4.3 鍵盤部分軟件鍵盤掃描程序操作過程如下：先將某一橫行置為低電平，然后掃描所有縱行看是否有低電平。如果找到則根據(jù)算法（閉合鍵的鍵號等于為低電平的列號加上為低電平的行的首鍵號）計算其鍵值，返回鍵值；再置下一個橫行為低電平，如此不停的掃描。在主函數(shù)中判斷其鍵值，做相應(yīng)的操作。開始有鍵閉合嗎？軟件延時10ms有鍵閉合嗎？確定按鍵位置閉合鍵釋放否？按鍵值- return返回 NO YES NO 圖4-3 鍵輸入程序的流程鍵輸入程序的流程如圖4.3所示。采用顯示子程序作為延時子程序，在此顯示子程序僅作了延時程序使用。鍵盤掃描變量為keyscan，不斷掃描鍵盤直到有一鍵按下，最后鍵值存于retu

53、rn中返回鍵值。鍵值是以鍵號進行編碼所得的值。下面是鍵盤掃描的子程序，我們首先把鍵盤驅(qū)動線的第一根線D0置高，然后分別再檢測信號線K0-K3是否有高電平的信號，如果有信號，那么就證明這根信號線與D0相交處的按鍵被按下了。單片機讀入這個按鍵值。如果所有2根信號線都無信號。那么，我們把D0置低，把D1置高，再一次檢測信號線有無信號。由于鍵盤掃描速度很快，而人按鍵總會保持一定的時間，因此，只要單片機處于等待輸入的狀態(tài)，這個鍵盤掃描程序基本上不會錯過任何一個按鍵信號。Unsigned char keyscan() PinDrvkey1=TRUE; If(PinScanKey1=TRUE) Return=1; If(PinScanKey2=TRUE) Return=5;If(PinScanKey3=TRUE) Return=9;If(PinScanKey4=TRUE) Return=13;PinDrvKey1=FALSE; /以上語句掃描第一列 Delay(DELAY_VALUE);PinDrvkey2=TRUE; If(PinScanKey1=TRUE) Return=