多点温度采集系统的设计.doc

华东交通大学毕业设计 1 多点温度采集系统的设计 摘 要 随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，许多产品 对温度范围要求严格，而目前市场上普遍存在的温度检测仪器大都是单点测量， 同时还有温度信息传递不及时、精度不够的缺点，不利于工业控制者根据温度 变化及时做出决定。在这样的形式下，开发一种能够同时测量多点，并且实时 性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测量系统就很有必要。 本课题以 STC89C52 单片机系统为核心，能对多点的温度进行实时巡检。 各检测单元（从机）能独立完成各自功能，同时能够根据主控机的指令对温度 进行定时采集，测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机串行口，通 过 RS-485 总线及通信协议将采集的数据传送到主控机。主控机负责控制指令的 发送，控制各个从机进行温度采集，收集测量数据，并对测量结果进行整理、 显示。主控机与各从机之间能够相互联系、相互协调，从而达到系统整体统一、 和谐的效果。 关键词：单片机； RS485 协议 ；温度测量 洪志辉：多点温度检测系统的设计 2 Multi-point Temperature Acquisition System Abstract As the industry and the society developing, the temperature becomes more and more important and a lot of products are sensitive to temperature. However, temperature-measuring apparatus in the market now only can check and measure the temperature of one point, at the same time, the temperature information is not real time and the precision is low. It takes a great of troubles for the industry-controllers to make decision .In this situation, design and implement one applicable system which can watch measure and control the temperature and the measuring results is real time and the precision is great is more essential. In order to meeting this application, this paper talk about The Multiple-Points temperature Measuring System. This system based on single chip computer, can inspect and control multiple temperatures in real time. The Slaved Machine can collect temperature information on its own and display it on the LED module. Following the Master Machines command, the Slaved Machine can up-send the temperature information to the Master Machine through the RS-485 bus interface and the communication protocol. The Master Machine sends commands, controls the Slaved Computer gathering and up- sending the temperature data including history information, and it manages processes and stores the temperature information. The Master and Slaved Computer will exchange information and correspond to each other, so it works together perfectly. Key words ：single chip computer ； RS-485 protocol ； measure- temperature 华东交通大学毕业设计 3 目 录 摘 要.1 ABSTRACT.2 第一章 绪论.5 1.1 课题背景.5 1.2 系统整体目标.5 1.3 方案比较.6 第二章 硬件设计.8 2.1 单片机模块.8 2.2 温度采集模块.13 2.2.1 温度传感器的选用细则.13 2.2.2 DS18B20 介绍简介.14 2.2.3 温度采集电路设计 16 2.3 通信模块.17 2.3.1 RS-485 接口简介.17 2.3.2 RS232 接口简介.19 2.3.3 RS-232 与 RS-485 的比较.20 2.3.4 电路设计.21 2.3.5 通信协议的建立.22 2.4 显示模块设计.23 洪志辉：多点温度检测系统的设计 4 2.5 报警模块.25 2.6 键盘模块.26 第三章 软件设计.28 3.1 程序设计语言的选用.28 3.2 系统软件开发环境.29 3.3 软件程序设计.29 第四章 抗干扰设计与误差分析.30 4.1 抗干扰设计.30 4.2 误差分析.30 结 论.32 致 谢33 附 录 一 仿真设计图.34 附 录 二 程 序。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。35 附 录 三 英文资料翻译.41 华东交通大学毕业设计 5 第一章 绪 论 1.1 课题背景 在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里， 从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自 18 世纪工业革命以来，工 业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、 医药等等行业，可以说几乎 80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度 对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。 传感器主要大体经过了三个发展阶段：模拟集成温度传感器。该传感器是 采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。此种 传感器具有功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输 距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准， 外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品 有 AD590、AD592、TMP17、LM135 等；模拟集成温度控制器。模拟集成温度 控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有 LM56、AD22105 和 MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如 TC652/653)中还包含了 A/D 转 换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统， 工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别；智能温度传感器。能温 度传感器(亦称数字温度传感器)是在 20 世纪 90 年代中期问世的。它是微电子 技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。智能温度传感器内部都包含温 度传感器、A/D 转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产 品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器 (ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配 各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的， 其智能化程度也取决于软件的开发水平。 进入 21 世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠 性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方 向迅速发展。 目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。对于单点温测仪表，主 要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量 精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用。此种产品测温范围大都在-200 800之间，分辨率 12 位，最小分辨温度在 0.0010.01 之间。自带 LED 显示 模块， 显示 4 位到 16 位不等。有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数 据。该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。多点温度测量仪表，相 对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。 洪志辉：多点温度检测系统的设计 6 1.2 系统整体目标 本系统实现的目标： 1. 实时巡检功能 本系统能够同时检测 4 路温度，检测温度范围 099。根据实际需要， 检测点数是可以扩展的。 2. 远距离传输 使用 RS-485 串行总线进行传输，MAX485 驱动芯片进行电平转换，传送 距离大于 1200m，抗干扰能力强。 3. 功能完善 （1） 、可通过键盘选择显示各个点的实时检测温度； （2） 、通过程序设定报警温度值，超过此温度即自动报警； （3） 、采用 DS18B20 温度传感器，具有一线总线技术，抗干扰能力强。 1.3 方案比较方案比较 方案一方案一: 采用主从式温度检测系统，主控机采用STC89C52 . STC89C52是一种低功 耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器.温度传感 器采用的是达拉斯公司的DS18B20，DS18B20它内部主要由温度传感器、温度数 字转换电路、ROM 存储器、一个暂存RAM、一个非易失性电可擦除E2RAM 和串行 I/ O 接口电路等组成.这个系统中每个从机所采集的温度数据传输到主机 (STC89C52)进行处理,然后将信号转换为显示代码,通过键盘选择即可传输到数 码管上显示出来. 其具体的系统框图如下： 图1.3.1 方案一系统硬件框图 方案二： 采用寄生电源供电方式的温度监测系统，一个单片机控制多个温度传感器 采集温度。而系统的单片机依然选用STC89C52，温度传感器也是选用DS18B20。 系统硬件框图如下： 华东交通大学毕业设计 7 图1.3.2 方案二系统硬件框图 方案比较： 相对于方案一，方案二所需材料少，成本低，制作更简单.但是,方案二中 系统的通信的传输距离只有50米左右，方案一中的系统最远传输距离可达3000M,而 且方案一的抗干扰性比较强。比较之后我们发现方案一更有实际运用价值,故选 择方案一。方案一所用到的元器件有：四位显示数码管，上拉电阻，74HC573锁 存器，MAX485芯片，DS18B20芯片，STC89C52芯片， 蜂鸣器。 洪志辉：多点温度检测系统的设计 8 第 2 章 硬件设计 硬件设计的功能模块图如下： 各个功能模块的设计如下： 2.1 单片机模块 由于自己的电脑无并口，本次设计只能选用STC89C52 串口下载程序，而 且STC89C52价格更低，功耗也较低，原有程序直接使用,硬件无需改动。所以单 片机我们选择了宏晶公司STC89C51RC/RD+ 系列中的C52。STC89C51RC/RD+ 系 列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/ 高速/ 低功耗的单片机，指令 代码完全兼容传统8051 单片机，12 时钟/ 机器周期和6 时钟/ 机器周期可任 意选择，最新的D 版本内部集成MAX810 专用复位电路。它有以下特点： 1. 增强型6 时钟/ 机器周期，12 时钟/ 机器周期 8051 CPU； 2. 工作电压：5.5V - 3.4V（5V 单片机） / 3.8V - 2.0V（3V 单片机） ； 3. 工作频率范围：0 - 40 MHz，相当于普通8051 的 080MHz.实际工作 频率可达48MHz； 4. 用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K 字节； 5. 片上集成1280字节/512 字节RAM； 6. 通用I/O口（32/36个） ，复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉 （普通8051 传统I/O口）P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电 阻，作为I/O 口用时，需加上拉电阻； 7 .I S P（在系统可编程）/I A P（在应用可编程） ，无需专用编程器/ 仿 真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K 程序3 秒即可完成一片； 8. EEPROM 功能； 9. 看门狗； 10.内部集成MAX810专用复位电路（D版本才有） ，外部晶体20M以下时，可 省外部复位电路； 11.共3 个16 位定时器/ 计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使 用 12.外部中断4 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外 华东交通大学毕业设计 9 部中断低电平触发中断方式唤醒； 13. 通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART； 14.工作温度范围：0 - 75 / -40 - +85； 15.封装：LQFP-44,PDIP-40，PLCC-44,PQFP-44。 其引脚图如下： 图2.1.1 89C52引脚图 各引脚功能如下： VCC : 电源 GND: 地 P0 口：口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个 TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和 数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内 部上拉电阻。在 flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出 指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱 动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输 入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在 flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 洪志辉：多点温度检测系统的设计 10 表2.1.1 P2 口：口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱 动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存 储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中， P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部 数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收 高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口：口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱 动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为 89C52特殊功能（第二功能）使用，如下 表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 表2.1.2 RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。 看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位 高电平有效。 华东交通大学毕业设计 11 ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。 在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定 时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲 将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无 效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微 控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。 当 89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两 次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。 EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序 存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在 flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 复位电路：复位电路：复位电路的实现通常有两种方式：即专用P监控电路和RC复位电路。 前者电路实现简单，成本低，但复位可靠性相对较低；后者成本较高，但复位 可靠性高，尤其是高可靠重复复位。对于复位要求高、并对电源电压进行监视 的场合，大多采用这种方式。 ）专用P监控电路 专用P监控电路又称为电源监视电路，具有上电可靠产生复位信号和电源 电压跌落到“门槛值”时可靠产生复位信号等功能。按有效电平分，有高电平 输出、低电平输出两种；按功能分，有简单的电源监视复位电路、带“看门狗” 定时器（WATCH DOG Timer,WDT)的监控电路和WDT+E2PROM的监控电路等多种类 型。 ）RC复位电路 本次设计的系统采用的是RC复位方式，RC复位电路的实质是一阶充放电电 路只需给单片机的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期） 的高电平就可使其复位。其电路图如下： 图2.1.2 一上电，RST管脚就出现高电平，只要Vcc的上升时间不超过1ms就可以自 动复位；一段时候后，RST就降为低电平，当按键按下，RST也出现高电平， 洪志辉：多点温度检测系统的设计 12 实现电平复位，松开按键RST为低电平，复位结束。 时钟电路：时钟电路：内部时钟方式 ：89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放 大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石 英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自己振荡器，下图为89C52内部时钟 方式的电路： 图2.1.3 电路中电容C1和C2的典型值通常选择为30pF左右。该电容太小会影响振荡 器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的频率越高，系统的时 钟频率越高，单片机的运行速度就越快。但反过来，运行速度快对存储器的速 度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小。晶 体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振 荡器稳定可靠的工作。 外部时钟方式：外部时钟方式使用现成的外部振荡器产生脉冲信号，这种 情况下外部时钟源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空，其电路图如下： 华东交通大学毕业设计 13 图2.1.4 89C52外部时钟电路 表 2.2.3 STC89C51RC 系列单片机选型 另外，普通89C51，89C52 系列单片机的内部RAM 只有128（89C51） /256（89C52）供用户使用 1).低128 字节的内部RAM（地址：00H7FH），可直接寻址或间接寻址， （data/idata） 2).高128 字节的内部RAM（地址：80HFFH ），只能间接寻址（普通 89C51 没有），（idata ） 3 ) .特殊功能寄存器S F R（地址：8 0 HFFH），只能直接寻址，特殊 功能寄存器SFR 和高128 字节的内部RAM 是通过寻址方式来区分的，传统的 8051 系列单片机只有128-256 字节RAM 供用户使用，在此情况下STC 公司响应 广大用户的呼声，在一些单片机内部增加了扩展RAM。STC89C58RD+ 系列单片机 扩展了1024 个字节RAM，共1280 字节RAM；STC89C52RC 系列扩展了256个字节 RAM，共512 字节RAM。访问内部扩展RAM 时，不影响P0 口/P2 口 /P3.6/P3.7/ALE。 2.2 温度采集模块 2.2.1 温度传感器的选用细则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对 象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问 题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。 测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要 分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原 理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特 点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感 器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是 非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有 灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。 但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也 会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪 比，尽量减少从外界引入的串扰信号 洪志辉：多点温度检测系统的设计 14 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内 保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越 短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特 性的影响，机械系统的惯性较大，因此频率低的传感器可测信号的频率较低。 线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围 内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一 定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是 否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相 对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的 传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感 器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此， 要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择 传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传 感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度 的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只 要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同 一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝 对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精 度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器， 则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。 根据上述细则及本次设计的要求，我们选择了 DS18B20 作为本次设计的温 度传感器。 2.2.2 DS18B20 简介 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，具有 3 引脚 TO92 小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为 9 位12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达 0.0625，被测温度用符号扩展的 16 位数字量方 式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上，CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使 DS18B20 非常适用于远距离多点温度检测系统。 1. DS18B20 的内部结构 DS18B20 内部结构如图 2.2.1 所示，主要由 4 部分组成：64 位 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。DS18B20 的管脚排列 如图 2.2.2 所示，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。 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地 华东交通大学毕业设计 15 址序列码，每个 DS18B20 的 64 位序列号均不相同。64 位 ROM 的循环冗余校验 码（CRC=X8X5X41）。ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样 就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。 图 2.2.1 DS18B20 的内部结构 图 2.2.2 DS18B20 的管脚排列 DS18B20 中的温度传感器完成对温度的测量，用 16 位符号扩展的二进 制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB 形式表达，其中 S 为符号位。例如 125的数字输出为 07D0H，25.0625的数字输出为 0191H，25.0625 的数字输出为 FF6FH，55的数字输出为 FC90H。温度值存储的格式如下： 温度值高字节： 洪志辉：多点温度检测系统的设计 16 温度值低字节 高低温报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器均由一个字节的 EEPROM 组成， 使用一个存储器功能命令可对 TH、TL 或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格 式如下： R1、R0 决定温度转换的精度位数：R1R0=“00”，9 位精度，最大转换 时间为 93.75ms；R1R0=“01”，10 位精度，最大转换时间为 187.5ms；R1R0=“10”，11 位精度，最大转换时间为 375ms；R1R0=“11”，12 位精度，最大转换时间为 750ms；未编程时默认为 12 位精度。 高速暂存器是一个 9 字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量 信息；第 3、4、5 字节分别是 TH、TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复 位时被刷新；第 6、7、8 字节未用，表现为全逻辑 1；第 9 字节读出的是前面 所有 8 个字节的 CRC 码，可用来保证通信正确。 2.DS18B20 的工作时序 DS18B20 的一线工作协议流程是：初始化ROM 操作指令存储器操作指令 数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图 2.2.3（a） （b）（c）所示。 图 2.2.3 DS18B20 的工作时序图 华东交通大学毕业设计 17 2.2.3 温度采集电路 温度采集的电路很简单，其电路图如下： 图 2.2.4 温度采集电路图 由于 DS18B20 具有一线总线的技术，所以只需将 DQ 端口接到单片机即可，电源 和地线分别接 5V 电源和地即可。 2.3 通信模块 2.3.1 RS-485 接口简介 RS485 简介 智能仪表是随着 80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪 表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪 表选型时其中的一个必要条件就是要具有 联网通信接口。最初是数据模拟 信号输出简单过程量，后来仪表接口是 RS232接口，这种接口可以实现点 对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决 了这个问题。下面我们就简单介绍一下 RS485。 （1）接收器的输入电阻RIN大于等于12k （2）驱动器能输出7V的共模电压 （3）输入端的电容小于等于50pF （4）在节点数为32个，配置了120的终端电阻的情况下，驱动器至少还 能输出电压1.5V （5）接收器的输入灵敏度为200mV 因为 RS-485 的远距离、多节点（32 个）以及传输线成本低的特性，使得 EIA RS-485 成为工业应用中数据传输的首选标准。 洪志辉：多点温度检测系统的设计 18 图2.3.1 RS-485互连方式图 RS-485采用平衡发送和差分接收方式来实现通信：在发送端TXD将串行口 的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在接收端将差分信号 还原 成TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极 强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传输速率和最大传 输距离也大 大提高。如果以10Kbps速率传输数据时传输距离可达12m，而用 100Kbps时传输距离可达1.2km。如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。 另外RS-485实现了多点互连，最多可达32台驱动器和32接收器，非常便于多器 件连接。不仅可以实现半双工通信，而且可以实现全双工通信。 RS485 接口 RS485 采用差分信号负逻辑， 2V6V 表示“0”，- 6V- 2V 表示 “1”。RS485 有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方 式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式 拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32 个结点。在 RS485 通信网络中一 般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接 RS-485 通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的 “A”、“B”端连接 起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的， 但却埋下了很大的隐患，这有二个原因： (1)共模干扰问题： RS-485 接口 采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统 只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共 模电压范围， RS-485 收发器共模电压范围为 -7+12V，只有满足上述条 件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响 通信的稳定可靠，甚至损坏接口。 (2)EMI 问题：发送驱动器输出信号中的 共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会 以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。 RS485 电缆 在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线，反之，在高速、 长线传输时，则必须采用阻抗匹配（一般为120）的 RS485 专用电缆 （STP-120（for RS485 (2)从机应答帧：AAH (3)其他控制指令：00H 接收指令，01H 发送指令。作为数据发送的。 系统进行温度检测工作的过程是这样的：首先，主控机针对需要检测的从 机发出巡检指令，通过串口送出，经接口电路加载至通讯长线电缆端口，成功 确认应答信号后转为数据接收状态；各从单片机同时接收到经通讯接口输入的 巡检指令，并与自身地址编码比较，若编码一致则产生应答信号，然后将采集 到的数据发送回主机，发送完毕在切换至采集信号并等待响应接收中断状态； 主机将接收到的全部数据经校验判断无误后，送数据处理机构计算、显示，如 数据传输有误，则指令从机重发数据。 华东交通大学毕业设计 23 2.4 显示模块设计 显示模块的电路设计如下： 图 2.4.1 显示模块电路 本次设计的显示模块采用的是八段共阳数码管，我们知道数码管显示 有静态驱动显示和动态驱动显示两种方式。其中静态显示驱动也称直流驱动， 是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的 I/O 端口进行驱动，或者使用 如 BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示 亮度高，缺点是占用 I/O 端口多。而动态显示驱动是将所有数码管的 8 个显示 笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加 位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时， 所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决 于单片机对位选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的 选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮 流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态 驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂 留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只 要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感， 动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更 低。通过比较我们选择了动态驱动的方式。 为了减少处理器的处理数据显示的时间和功耗，我们给电路外加了八进制 三三态同步锁存器 74HC573，它是高性能硅门 CMOS 器件。当锁存使能端为高 时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）；当锁存使能变 低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存，锁存器的输出引脚便会一直 洪志辉：多点温度检测系统的设计 24 保持数据状态直到下一次锁存新的数据为止。这样在数码管的显示内容不变之 前，处理器的处理时间和 IO 引脚便可以释放。 输出能直接接到CMOS，NMOS 和TTL 接口上 操作电压范围：2.0V6.0V 低输入电流：1.0uA CMOS 器件的高噪声抵抗特性 管腿图： 图 2.4.2 74HC573 引脚图 图 2.4.3 74HC573 逻辑图 华东交通大学毕业设计 25 功能表： 表2.4.1 表2.4.2 表2.4.3 这个器件带有保护电路，以免被高的静态电压或电场损坏。然而，对于高 阻抗电路，必须要采取预防以免工作在任何高于最大值范围的条件下工作。 VIN 和VOUT应该被约束在GND（VIN 或VOUT）VCC。不用的输入管腿 必须连接连接到一个适合的逻辑电压电平（也就是GND或者VCC）。不用的输 出管腿必须悬空。 另外，P0口用作通用I/O口时，由于内部没有上拉电阻所以需要外接上拉电阻。 本次设计所选锁存器的输入电流范围为1.0uA20mA，则电阻的阻值范围为250 欧到5000K。上拉电阻通常在1k到10k之间选取。加之我们所用的仿真软件和手 头所有的资源，我们选用了排阻RESPACK-8，其阻值为10K。 洪志辉：多点温度检测系统的设计 26 2.5 报警模块 本系统的下限报警温度为 0 摄氏度，上限报警温度为 99 摄氏度。如果定时 检测的温度超过了这个温