基于AT89C51、DS18B20温度传感器的电锅炉温度控制系统设计

3.3.4温度采集模块电路图

本设计采用数字传感器DS18B20，DS18B20是一种可组网的单线数字温度传感器，它采用单线总线结构，集温度测量和A/D转换于一体，直接输出数字量，用一根I/O线就可以传送数据与命令，其温度测量范围为-55℃~+125℃，精度为+/-0.5℃，使用中无需外部器件，可利用数据线或外部电源提供电能，供电电压范围为3.3~5.5V，通过编程实现9~12位分辨率读出温度数据。

使用时，将DS18B20的数据DQ与单片机的一位具有三态功能的双向口连接就可以实现数据传输，为保证在有效的时钟周期内提供足够电流，采用外部电源单独供电，在数据线上加一个6.8KΩ的上拉电阻。

具体接线如图9所示：

图9 温度采集模块电路图

高速暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。DS18B20暂存寄存器各字节意义如表3.6所示：

表3.6 DS18B20暂存寄存器分布 温度 LSB 温度 MSB TH用户字节1 TL用户字节2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC 采用数字温度传感器进行多点温度采集控制系统的设计，只需要将多个温度传感器并联到单总线上，即可以完成硬件电路的设计，单总线要求接一个约4.7K欧姆的上拉电阻，这样单总线的闲置状态就为高电平了。

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但是当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，在进行多点测温系统设计时这是一个非常重要的因素。

连接DS18B20的总线电缆的长度不是无限制的，当采用普通信号电缆传输长度超过50米时，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，正常通信距离可达150米，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通信的距离进一步加长。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DS18B20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。 3.4人机交互与串口通信单元设计

人机交互的主要功能是辅助控制、方便调试。在当今的各种实时自动控制和智能化仪器仪表中，人机交互是不可缺少的一部分。一般而言，人机交互是由系统配置的外部设备来完成，其实现方式有两种：一种是由MCU 的I/O口驱动专用芯片实现，如键盘显示控制芯片，串行数据传输数码显示驱动芯片等，来实现人机交互功能。另一种就是MCU本身具有驱动功能，它通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式或I/O设备的访问形式来控制键盘和LCD实现人机交互。

3.4.1键盘输入

按键部分实现的主要原理是单片机读取与按键相连接的I/O口状态，来判定按键是否按下，达到系统参数设置的目的。键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据输入、命令输入，是人工干预的主要手段。键盘分两大类：编码键盘和非编码键盘。

编码键盘：由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一个选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘容易使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重的情况，采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。

非编码键盘：只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如按键的识别，决定按键的读数等都靠软件完成，故硬件设计较为简单，但占用CPU较多时间，非编码键盘有：独立式按键结构、矩阵式按键结构两种。

矩阵式按键结构适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。矩阵键盘工作的原理：行线通过上拉电阻接到+5V上。无按键，行线处于高电平状态，有键按下，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高。矩阵式按键结构的优点就是节约单片机I/O口，适用于按键比较多的场合。

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独立式按键结构，独立式按键就是按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键的工作状态，不会影响其他I/O口线上的工作状态。各按键开关均需要采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。当输入口线内部已有上拉电阻，外电路的上拉电阻可省去。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断是哪个按键被按下了。

优点：电路配置灵活，软件结构简单。缺点：每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。因此，此键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。在本设计当中，由于只需要四个按键，所以采用独立式键盘结构。

3.4.2 液晶显示屏输出

液晶显示屏具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点。在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，LCD得到越来越广泛的应用。字符型液晶显示屏，是一种用5*7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等，本设计以常用的2行16个字的LCD1602液晶模块作为数据显示模块。LCD1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：VSS接地

第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：为液晶显示器对比度调整端，接电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K欧姆的电位器来调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时，可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时，可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 第15～16脚：空脚

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3.5控制执行单元设计

控制执行系统所要完成的功能是根据数据处理结果，单片机的对应的I/O输出高电平或者低电平，控制继电器的闭合，达到控制电炉或风扇的启动和停止，但是单片机I/O口的输出电流仅为20mA，不足以驱动继电器，同时也为提高其驱动能力和抗干扰能力，系统设计了继电器驱动电路，在风扇控制电路中由三极管Q2与电阻R13组成放大电路，而二极管D2构成泄放回路，用以在系统断电时迅速将继电器自感电动势迅速拉低，起到保护作用。通过继电器的闭合来控制大功率设备的开与关，达到自动控制的目的。继电器驱动电路原理图如图3.8所示：

图3.8 继电器驱动电路

报警电路实现的是当环境温度值超过系统设置的上限值或者小于系统设置的下限值时，都将通过I/O口驱动蜂鸣器，进行蜂鸣器报警。而单片机I/O口输出的电流无法直接驱动蜂鸣器，所以设计了蜂鸣器驱动电路，具体电路连接如图3.9所示： 3.9 报警电路图 R741kP51B27E3E 1N914OUT_1R1111k P51B2BD7E SPEAKER - 20 -