多路温度检验系统的设计与研究应用.doc

1 绪论
温度是一种很重要物理参数，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在工业生产过程中，温度检测和控制都直接和安全生产、产品质最、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因而在国民经济各个领域中都受到普遍注重。温度检测类仪表作为温度计量工具，也因而得到广泛应用。随着科学技术发展，此类仪表发展也日新月异。特别是随着计算机技术迅猛发展，以单片机为主嵌入式系统已广泛应用于工业控制领域，形成了智能化测量控制仪器，从而引起了仪器仪表构造主线性变革。
1.1 温度检测类仪体现状
老式机械式温度检测仪表在工矿公司中己经有上百年历史了。普通均具备批示温度功能，由于测温原理不同，不同仪表在报警、记录、控制变送、远传等方面性能差别很大。例如热电阻温度计，它测温范畴是-200℃～650℃ ，测量精确，可用于低温或温差测量，可以批示报警、远传、控制变送，但维护工作量大并且不能记录；光学温度计测温范畴是300℃～3200℃ ，携带使用以便，价格便宜，但是它只能目测，也就是说必要纯熟才干测准，并且不能报警、远传、控制变送。
近年来由于微电子学进步以及计算机应用日益广泛，智能化测量控制仪表己经获得了巨大进展。国内单片机开发应用始于80 年代。在这20 年中单片机应用向纵深发展，技术日趋成熟。智能仪表在测量 过程自动化，测量成果数据解决以及功能多样化方面。都获得了巨大进展。当前在研制高精度、高性能、多功能测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片机使之成为智能仪表。从技术背景来说，硬件集成电路不断发展和创新也是一种重要因素。各种集成电路芯片都在朝超大规模、全CMOS 化方向发展，从而使顾客具备了更大选取范畴。此类仪器可以解决许多老式仪器不能或不易解决问题，同步还能简化仪表电路，提高仪表可靠性，减少仪表成本以及加快新产品开发速度。
智能化控制仪表整个工作过程都是在软件程序控制下自动完毕。装在仪表内部EPROM 中监控程序由许多程序模块构成，每一种模块完毕一种特定功能，例如实现某种算法、执行某一中断服务程序、接受并分析键盘输入命令等。编制完善监控程序某些功能模块。可以取代某些硬件电路功能。这就为设计者扩展或变化仪表详细功能提供了以便。例如打印内容、格式，报警值上、下限，报警方式（如发光、发声）等就完全可以通过变化详细某一段程序来实现，同步又不会影响软件中其他程序功能。仪表在使用上更具备灵活性。
智能化控制仪表在引入单片机之后，己经减少了对某些硬件电路规定，但是测试电路依然占有很重要位置。特别是直接获取被测信号传感器某些仍应予以充分注重，有时提高整台仪器性能核心依然在于测试电路特别是传感器改进。当前传感器也正在受着微电子技术影响，不断发展变化。传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化方向发展。有许多国家正致力于将微解决器与传感器集成于一体，以构成超小型、便宜测量仪器主体。与国内己经浮现各种各样智能化测量控制仪表相比，国际上更是品种繁多。国内开发规模也相对较小，开发费用相对较高，与国际相比还存在很大差距。
1.2 课题提出
多路温度测量、记录、传播在工业及民用领域应用中始终是量大面广设备之一，因此当前多路温度巡检仪并不少见。甚至其中有诸多己经作为典型例题出当前许多关于单片机应用教科书中，虽然在电路构造、元器件选取和相应软件编程上略有区别，但是它们均能以单片机为核心，完毕巡检、显示、报警和记录等功能。
但是这些温度巡检仪均有一种共同重要缺陷，那就是只能检测路数不能任意增长。这是由于温度检测离不开温度传感器，而老式温度传感器例如PT—100 、K 、J 等都是模仿量输出，需要进行信号放大和A/D转换方能被单片机接受，如果要增长测试路数，那未必然要增长放大器和A/D转换器个数，接线将十分复杂。并且它们精确性易受环境、接线、放大等因素影响，因而误差大，远传受距离限制等，多路共测时，检测效果也大打折扣。
随着生产力发展，生产规模扩大和对生产管理自动化水平规定越来越高，在诸多场合，诸如啤酒、饮料、食品、白酒发酵生产线，中频热解决行业水路温度保护，提高机、通讯机、发电厂等轴温记录，变电所各电节点温度检测，农业大棚、鸡舍等，温度巡检仪有着越来越辽阔应用与发展前景。但是上述场合普通需要监测点远不不大于8个，则上述温度巡检仪远远不能满足其规定。本课题则重要针对这一点而提出。
监测点增长，就硬件电路和软件编程而言，并非意味着简朴增长几条电路连线和循环指令，而是与有关软硬件技术有极为密切联系。随着单片机技术及其外围芯片、现场总线技术发展越来越完善，使得设计可以满足对更多测试点温度测试、报警、记录等温度巡检仪成为也许。
当前，温度传感器发展日新月异，种类繁多，各有千秋，特别是数字式温度传感器开始越来越多应用于温度检测仪表中。所谓数字式温度传感器即集温度感应、变换、数码调制于一体，对外输出数字信号。具备抗干扰性好、可靠性高、硬件电路简朴、使用以便等长处。特别是对于数十个乃至上百个点检测，采用数字式温度传感器便可以摒弃A/D转换和放大器，无疑对简化电路起到不可预计作用。在设计电路时，使用不同温度传感器，对电路性能有极大影响。
测控对象与计算机之间信息互换是通过总线进行，常用有C总线、SPI 总线等被广泛应用着，它们技术成熟，有众多芯片和功能完善软件相支持。近年美国DALLAS 半导体公司推出了一项新技术---单总线技术，即用一根信号线( 1-wire)在其上可以挂接许多测控对象，甚至电源也经这根信号线馈给，从而可以以便地组建一种测控系统。该技术有较高性能价格比，合用于温度测控场合，当测控对象诸多时更可以显示其优越性，抗干扰性能好，具备CRC 校验功能，系统简要直观易于掌握。特别是国内未见进一步研究，软件编程相应复杂，因而使用单总线技术研制温度巡检仪则保证了其技术上先进性，但是同步也具备一定开发难度.
本课题将综合运用先进元器件和技术设计温度巡检仪，使其可以真正以便地实现对温度监控自动化，为生产管理部门提供高精度实时温度，使操作者可以在生产过程中及时理解关于温度参照信息，保证生产可以在正常环境温度下进行，对于保障安全生产、节约能源、提高效率、保障产品质量有重要社会意义。并且在上面提到行业中，都需要多路同步检测，应用面广，需求量大，任何一种厂一次使用量都在10 台仪器以上，因而32 路温度巡检仪一旦设计成功并投入生产必将带来良好经济效益，前景非常辽阔。
1.3 课题内容
针对当前温度检测仪表发展趋势和存在问题，本课题重要解决如下内容：
a) 对32 处不同测试点巡回检测其温度，进行集中管理，集中控制。
b) 在其测量 范畴内可以设定任意测试点温度报警值。
c) 在温度异常时可以发出报警信号和采用保护办法，能对故障及时地跟踪和记录。d) 可以以便地设立打印方式，涉及定期自动打印和任意时刻打印。
e) 功耗低，整个系统体积小。
f) 现场安装配线简朴，调试简捷以便。
g) 采用少量按键来设立现场参数，系统具备较强对话性和可操作性；测试点个数可在某一范畴内任意删加。
h) 使系统具备较强抗干扰性能。
i) 有较高辨别率，极好可维护性。

2 系统总体设计
在本章设计中将进行系统总体方案设计，以便在后续章节中选取适当单片机及外围芯片，完毕详细硬件电路设计。总体设计应考虑如下几点：a) 从整体到局部设计b) 经济性规定c) 可靠性规定d) 操作和维护规定。
2.1 系统总体设计思想
不同控制对象和不同规定，应当有不同设计思想。本系统事实上是一种专用单片机系统，仪表内部除单片机以外其他硬件某些均可看作是单片机外设某些。在本系统中，CPU 在温度采集和解决时，主耍是对温度值进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据记录和整顿、数据越限报警并对这些数据进行积累和实时分析。CPU 不直接参加过程控制。对生产过程不会直接产生影响。
从这一点出发，可作出总体设计思路图2.l：

测试对象

采样

转换
报警
打印
显示

单片机
·
·
·
·

图2.1总体设计思路图
温度通过采样、转换后以数字形式进入CPU ，运用CPU 具备运算、逻辑判断能力速度快等特点，在它内部可以对这些输入数据进行必要集中、加工和解决，在温度参数测量和记录中则代替大量常规显示和记录仪表，对整个环境温度进行集中监视。此外，添加存储器，预先存入各个测试点温度极限值和其她有关数据，以便在解决过程中可以进行越限报警、调节参数和维修调试等。
2.2方案论证与选取
设计方案不同将直接决定仪表硬件繁简限度，从而拟定软件不同编写思32 路温度巡检仪应对当前环境温度进行巡回检测，因此它是一种实时监测系在设计时应考虑如下几种方面：a) 应保证前向温度传感电路精准度、敏捷度、电路构造合理性；b) 仪表自身要具备一定抗干扰能力，应在硬件及软件上引入各种抗干扰办法，以增强它稳定性和精确性；c) 仪表应预留接口以便于功能扩展和联网。依照以上规定，硬件电路有如下几种方案可供选取。
2.2.1温度采样和测试某些
第一种方案：各测试点温度值通过测温元件热电偶、热电阻等，被转换为电信号，这样得到多路采样信号经放大器、多路模仿开关及A/D转换电路，由单片机控制多通道A/D 转换，分时对电压信号进行循环采样和A/D 转换。这种方案是单片机解决非电量信号老式办法，它长处是测温范畴广：选用适当测温元件可以检测-300℃～3000℃ 温度。但是一方面，单片机外电路复杂，由于32 路温度需要各种模仿开关，不论是通用并行、串行总线，还是专用总线，其传送数据信号线总是多根，这样系统连线非常复杂，并且需要额外接口芯片，其成本也高；另一方面，A/D 转换器要占用各种I/O 口向单片机输入多位数字量，这无疑使得有限I/O 口在设计时显得较为局促；软件工作量大，且功耗也较大，线路上传送是模仿信号。易受干扰和损耗，这种方案性能价格比较低。
第二种方案：使用在温度测控领域中有广泛应用二端式半导体集成温度传感器AD590 、LM35等，将采集到电流信号经多路A/D转换器送入单片机，由单片机控制数据采集和转换。以AD590 为例，它测温范畴为-55～+ 150℃ 。工作电压为＋4～+ 30 V 。由于AD590 是一种电流型温度传感器，因而具备较强抗干扰能力，合用于计算机进行远距离温度测量和控制，远距信号传递时，可采用普通双纹线来完毕；其电阻比较大。因而不盆要精密电源对其供电，长导线上压降普通不影响测量精度；不需要温度补偿和专门线性电路。在这一方面显然优于第一方案。但是它依然具备单片机解决各种模仿信号时缺陷：电路连线复杂、软件工作量大、功耗大、需要占用较多I/O口线。
第三种方案：选用先进数字式温度传感器，将采集到数字式温度信号直接送入单片机进行解决。随着传感器技术发展，已经浮现了先进数字式温度传感器。这种方案中温度传感器兼有测温和A/D转换功能，输出值是数字信号，因此不必使用A/D转换器和有关接口芯片，可以直接进入单片机进行数字解决。硬件电路非常简洁，有较好线性关系和较强抗干扰能力，同以上两种方案相比有明显优势和极其广泛开发前景。但是测量范畴较小，普通在-50℃～+ 150℃ 之间。
由于本课题温度巡检仪是面脚普通环境温度即常温区，对测温范畴规定并不严格，比较以上几种方案，我选用了第三种方案。
2.2.2各种数据存储
在电路设计冲，温度值、温度传感器有关数据、时间数据等都需要保存。并且掉电时规定数据不丢失。有两种电路可以实现数据非易失性保存。
第一种方案：选用静态RAM 及专用上电、掉电数据保护电路，但这种构造占用较多软硬件资源，不适当采用。
第二种方案：使用串行PROM作为数据存储器，且串行PROM具备很强抗干扰能力，与单片机硬件接口非常简朴可擦写次数多（当前为次）。因而本设计采用第二种方案。
2.2.3时钟某些
在32 路温度巡检仪中需要记录故障发生时间，因此要考虑实时时钟。实时时钟分为硬时钟和软时钟两种。
硬时钟有独立实时时钟芯片构成，硬时钟长处是时钟精确度与单片机无关，不易产生误差；缺陷是成本较高、体积大，并且与单片机通信时也许会受到外界干扰。
软时钟是运用单片机内部定期器，由软件程序产生实时时阂。节约了外都硬件资源。缺陷是当单片机发生故障时，时钟也容易遭到破坏，特别是单片机采用了看门狗电路时，会影响软时钟精确度。因而，本设计采用独立硬件时钟芯片。这样，虽然看门狗电路令单片机复位，程序也只须将时钟芯片里数据读出即可，不会影响时钟精确度。
2.2.4打印输出
打印机输出是计算机系统最基本输出形式，在本系统中规定有以便打印记录，打印机普通有击打式和非击打式打印两类。
击打式打印机是运用机械作用，击打活字载体上字符，使之与色带和纸相击打而印出字符，或者运用打印铜针撞击色带和纸打印出点阵构成字符图形。其特点是一次性购买价格较高，耗材便宜，经久耐用。非击打式印字机印字，不是机械击打动作，而是运用各种物理或化学办法印刷字符，如静电感应，电灼，热敏效应，激光扫描及喷墨等。较惯用是喷墨打印机，虽然价格便宜但是经常要更换墨盒，耗材费用高。考虑到为以便顾客长期使用，不至于经常拆卸仪表外壳而去更换墨盒，因而选用击打式打印机。
击打式输出打印设备按工作方式又可分为串行输出打印机和并行输出打印机。所谓串行打印即逐字，逐行，逐页地打印。串行输出打印机依照活字载体形状，分球形、字轮、针式、菊花、杯形等各种，其中菊花式和针式打印机发展比较快，而后者使用更广泛，针式打印机是由点阵构成不同字符击打成字。它们特点是打印速度高，机械构造比较简朴，适合伙为微小型计算机打印输出设备。所谓并行打印即逐行逐页地打印。并行式打印速度高于串行式打印。并行输出打印机按构造分为鼓式、链式、带式等种。普通合用于大型计算机系统。由于本系统仅需要打印温度值、时间和测试点序号，因此选用串行针式微型打印机。
2.2.5系统显示
单片机应用系统中使用显示屏重要有发光二极管显示屏，简称LED ( Light Emitting Diode ) 。液晶显示屏，简称LCD ( Liquid Crystal Display)；CRT 显示屏。
LED 发光效率和颜色取决于制造材料，普通惯用红色，偶尔也用黄色或绿色。发光二极管LED 是智能化测量控制仪表中简朴而惯用输出设备，通惯用来批示机器状态或其她信息，它长处是耗电省，配备灵活，接口以便，价格低，寿命长，对电流电压规定不高及容易实现多路等，因而在智能化测量控制仪表中获得了广泛应用。
LCD 是一种被动显示屏，它自身并不发光，只是调节光亮度。当前惯用LCD 是依照液晶扭曲--向列效应原理制成，可得到黑底白字或白底黑字显示形式。对于采用电池供电便携式智能化测量控制仪表，考虑到低功耗规定，经常需要采用液晶显示屏，它体积小，重量轻，功耗极低，因而在仪器仪表中应用十分广泛。但是必要借助外来光显示。
CRT 显示屏可以进行图形显示，但接口较复杂，成本也较高。
在32 路温度巡检仪中只需要显示4 位数字形式温度和路数，可以不必使用
价格较高CRT ;4 位LED 工作电流为240mA 左右，由于使用交流电源供电，足以提供LED 显示屏所需要功率，对于LED 而言，仅有4 位，体积也很小，这样比较LED 和LCD 诸多特点，本系统选取LED 印显示屏。
2.2.6键盘格式
键盘是一组按键组合，它作用重要是控制系统工作状态以及向系统中输入数据和命令，有编码式键盘和非编码式键盘两类。
编码式键盘除了按键之外，还涉及了产生键码硬件电路、去抖动电路和多键、窜键保护电路。每按下一种键，能自动产生这个键键码，与此同步，产生一种脉冲信号。告知CPU 接受。这种键盘使用以便，接口程序简朴，但是需要较多硬件电路，价格较贵，普通单片机应用系统较少采用。
非编码式键盘仅由排成行、列矩阵形式按键构成，按键作用只是简朴实现接点接通或断开，键去抖动、键编码形成和键辨认等均由软件来完毕。由于它经济实用，在单片机应用系统中广泛采用。
通过以上对比，可以采用非编码式键盘。
2.3系统设计技术核心
依照以上所述总体设计思想，设计中需解决技术核心性问题是：
第一，这种巡检仪由于需要检测点多达几十个，为了便于顾客安装使用，在硬件设计时，应尽量地使用各种先进现场总线技术，力求电路最简朴，安装调试最以便。
第二，为保证本系统高可靠性运营，仪器自身要具备很强抗干扰能力，为此应在硬件及软件设计上引入各种抗干扰清施。特别是系统中各某些电路电源均设计为直流稳压电源供电，当仪器用于复杂工业环境时，直流电源可以不受干扰对各某些电路提供直流电压就显得十分重要了。
第三，由于硬件电路十分简洁，那么软件势必功能很强大，在软件设计时也应寻找尽量简朴完善设计思路，保证程序易于修改、调试。
第四，系统是一种实时运营系统，当主机电源因某种因素停电时，为了保证系统工作时数据实时性，其后备电源应能可靠工作。

3 系统硬件设计
3.1 系统整体构造
依照上一章所选总体方案拟定思路，下面将进行详细系统硬件电路设计。系统整体构造框图如图3.l所示。

CPU
打印机
显示屏
测试点
测试点
温度
传感
器
温度
传感
器
键盘
报警电路
存储器
看门狗
实时时钟
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·

3.1 整体构造框图
数字式温度传感器重要是采集每个测试点温度值，在其内部将采集到温度值转换成数字信号，送入单片机集中进行解决。由于单片机I/O口有限，因此每个温度传感器不也许直接接入单片机，必要应采用总线技术，将数字式温度值通过总线循环送入单片机。
存储器将存储各种与温度传感器关于数据，例如，每个传感器有关信息、每个测试点温度值和有关时间数据，以实现单片机对数据集中管理，并防止丢失。
看门狗电路用来监视单片机正常运营：LED显示屏显示温度值和相应测试点即路数，当需要修改某些数据或进行现场调试时，显示屏应能配合键盘显示有关信息。实时时钟电路为巡检仪提供精确时钟：报警电路在温度异常时送出保护信号并能进行故障点跟踪定位。
键盘在本系统中是操作员控测巡检仪唯一途径，是安装调试必备手段。在仪表需要变化某些数据，以及操作员在浮现故障时可以实时打印故障路数、相应时间、温度数据等均应通过键盘完毕相应操作。
打印机重要打印某一时刻各路温度值。
直流稳压电源为单片机、存储器、报警电路和显示屏提供直流电压，后备电源则是为了实时时钟电路在主机掉电时也能正常工作，防止时钟停走导致计时不精确。
3.2 温度巡检仪硬件构成
3.2.1选取单片机
当前国内市场上可供选取单片机类型有诸各种，以MCS-51 、MCS-96为主流系列。其中MCS-51 系列性能价格高，开发用仿真机研究较早并日趋完善，生产厂家较多，支持芯片种类繁多，适合不同应用场合新机种不断涌现，使得MCS- 51 系列单片机在国内成为开发中小型嵌入式系统首选。
可以与80C51 兼容单片机有诸如ATMEL 、PHILIPS 、INTEL 等公司产品。AT89C51 是ATMEL 公司生产、在国内应用较早、技术较成熟MCS -51 系列单，片机，当前价格仅为七点五元钱。它功耗低、性能高、片内具有4KB 快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory），是一种8 位微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造。并且与80c51 引脚和指令系统完全兼容。芯片上容许在线编程或采用通用非易失存储编程器对程序存储器重复编程，为诸多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适当方案，其性能价格比极高。
除此之外尚有诸多单片机可供选取，例如83C552 是PHILIPS 公司80C51 系列增强型产品，是一种高性能微控制器，也广泛用于仪器仪表、工业控制、汽车、控制、电机调速等实时测控领域。它价格高于AT89C51 ，并且有5个8位I/O口，外加1 个与模仿输入共享8 位输入口，1个8 路输入10 位A/D转换器。但是对口对于32 路温度巡检仪来说，仅用一种8 路A /D转换显然不能满足需要，而假设在温度检测某些采用先进传感器而不再使用A/D 转换后，CPU内部A /D转换器和6个I/O口也就显得太挥霍了。
3.2.2温度传感器及接口电路
a) 选取温度传感器
① MAX 公司MAX6575 ，测温范畴是-55℃～+ 125℃ ,6 管脚引线。MAX6575规定在一种单片机一条控制总线上只容许挂接8个温度传感器，管脚数太多，单个传感器也不以便在总线上挂接。MAX6575 辨别率在25℃时为0.8℃（最大为3℃ ），电源电压为2.7～5.5V ，电流值为160μA，测温范畴为-40℃～+125℃ 。
② DALLAS 半导体公司提供了先进数字式温度计DS1820 系列。该系列采用了与众不同原理，运用温敏振荡器频率随温度变化关系，通过对振荡周期计数来实现温度测量。输出值是数字信号，因此不必使用A/D转换器和有关接口芯片，直接送入单片机进行数字解决。为了扩大测温范畴和提高辨别率，使用了低温系数振荡器和一种高温系数振荡器分别进行计数，并采用了非线性累加器来改进线性， 其中DS18B20是惯用温度传感器，它采用一根I/O数据线传播数据和命令，售价低廉，广泛用于食品库、冷库、粮库，是Ds1820 改进型产品。
由于本系统是32 路巡检，如果采用Max6575 ，则至少需要4条控制总线，占用I/O口资源较多：DS18B20 则至多需要2 条总线便可以挂接至少32个传感器，从而CPU 还能留有较多I/O口继续扩展检测路数或其他功能，使用相称灵活，因此在本系统中我选取了DS18B20 。
b) 单总线技术
Ds18B20与单片机是单总线连接方式， 单总线技术比老式方案具备较高性能价格比，具备如下特点：
①合用于低速测控场合,测控对象越多越显出其优越性
②性价比高，硬件施工,维修以便，抗干扰性能好
③ 具备CRC 校验功能，可靠性高
④ 软件设计规范，系统简要直观，易于掌握
c) DS18B20 及接口电路
详细地说它有如下特性：
· 温度测量范畴：-55 ℃ ～+ 125 ℃ 。
· 辨别率：+ 0.5 ℃ （-10 ℃ ～+ 85 ℃ 时）
· 温度值输出：9 ～12 位二进制数字量（其中涉及1 位符号位），可由编程决定详细位数。
· 转换时间与设定辨别率关于，当设定为9 位时最大转换时间为93 .75 ms ，当设定为10 位时最大转换时间为187.5 ms ，11 位时为375.5ms ，12 位时为750 ms 。
· 顾客可设立报警温度上下限
· 供电方式有两种：① 外加电源电压为3.0v ～ 5.5v ：② 寄生电源管脚如图3.2所示。
GND
DQ

Vdd
1
（地线）
2
（数据线）
3
（电源线）

图3.2 DS18B20 管脚图
Ds18B20内含程序设立寄存器：可以设立辨别率位数。该寄存器是DS18B20所专
有。其格式为：
TM

R1
R0
1
1
1
1
1

TM：测试模式位. 当TM=1 时，寄存器处在测试模式；当TM=0时，寄存器处在工作模式。传感器出厂时均设立为什么，且不可变化。R1 和R0 设立组合与温度分详见下表3.1:
片内带64 位激光ROM，这是单总线芯片特点。DS18B20 家庭代码是28H ，从高位算起，ROM中有一种字节CRC 校验码，6 个字节产品序号和一种字节家庭代码。Dsl8B20 内含由两个字节构成温度数据寄存器。
表3.1 辨别率关系表
R1
R0
位数
最大转换时间（ms）
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
顾客通过单总线对DS18B20 进行操作，其顺序如下：
复位—ROM功能命令—存储器功能命令—执行／数据
它ROM 命令有5个，存储器命令有6个，与DS182O 完全同样。命令构成都是由复位、各种读时隙或/和写时隙等基本时序单元构成。
·复位：DS18B20 使用前需将其复位，然后才干执行其他命令。复位时，主机将数据线激发为低电平并保持480μs ，然后释放数据线，再由上拉电阻将数据线拉升15～60μS ，然后由DS18B20 发出响应信号将数据线激发为低电平60～240μS，完毕操作。时序图3.3 如下所示：
Vcc

GND
480—960us
15—60us
60—240us
480us
等待

图3.3 复位时序图
在电路中设计了三条I/O 口线，这样做是考虑到如下两点：① 实验过程中发现由于总线驱动能力限制，如果一条线上挂接太多元件，单片机有也许读不到远端数据，应尽里缩短总线和分支长度，因此提成两条独立总线，每条挂接16 个温度传感器，保证每条总线都足以传播温度信号。② 在使用过程中如果某个传感器损坏了，就需要更换新，那么新传感器序列号必要存入仪表，否则单片机不能读取它发出温度值，因此又增长了一条I/O口线作为测试口，专门读取新元件序列号。
由于温度传感器三个引脚在工作不能互相接触，但是事实上又相隔很近，因而在电路中必要用绝缘套管将之分离。三个引脚不能直接浸入水或导电介质中，应用导热性较好细钢管引入温度传感器，然后用导热硅脂封住细铜管一头，另一头将三个引脚线引出，再接入整个温度系统。尽管DS18B20 可以采用寄生电源方式，但是为了可靠工作，只要条件容许，还是外接电源电压。
每个DS18B20 在电路中尚有自己序号，即路数。这是由于：① 序列号是64 位二进制数，用它来区别每个传感器不便于观测和记录；② 序号还可以在编程时换算。成每个传感器在内存中存储序列号和温度值地址，有助于软件设计。因而，在变更传感器时，特别注意不要混淆。
其接口电路如图3.4所示。
89C51
15
14
31
19
18
9

17

16
1
2
3
4
5
6
7
8

13
12

P10
P11
P12
P13
P14
P15
P16
P17

INT1
INT0
T1
T0
EANP
X1
X2
RESET

DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
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DS18B20
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DS18B20
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DS18B20
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DQ
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DQ
DS18B20
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DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ
DS18B20
DQ

图3.4 DS18B20与CPU接口电路
3.2.3实时时钟／日历芯片
a) 选取芯片
实时时钟芯片选取是PCF8563
PCF8563 详细来说有如下特点：
①　低工作电流：典型值为0.25μv（v =3.0v，T = 25℃ 时）；低休眠电流：典型值为0.25μv（v =3.0v，T = 25℃ 时）
②　世纪标志
③　大工作电压范畴：l.OV～5.5v
④　400KHz C 总线接口（V =1.8～5.5V 时）
⑤　可编程时钟输出频率为：32768Hz ，1024Hz ，32Hz ，1Hz
⑥　报警和定期器
⑦　内部集成振荡器电容、片内电源复位功能、掉电检测器
⑧ C总线从地址：读，OA3H ；写，OA2H
⑨　开漏中断引脚
管脚图3.5 :
5 串行数据I/O
6 串行时钟输入
7 时钟输出
8 正电源
地线 4
中断输出 3
振荡器输入 1
振荡器输出 2
OSCI Vdd

OSCO CLKO

INT SCL

Vss SDA

图3.5 PCF8563 管脚图
PCF 8563 有16个8位寄存器：一种可自动增量地址寄存器，一种内置32. 768KHz 振荡器（带有一种内部集成电容），一种分频器（用于给实时时钟RTC 提供源时钟），一种可编程时钟输出，一种定期器，一种报警器，一种掉电检测器和一种40OKHz C总线接口。
所有16 个寄存器设计成可寻址8 位并行寄存器，但不是所有位均有用。前两个寄存器（内存地址ooH ，olH ）用于控制寄存器和状态寄存器，内存地址02H～08H 用于时钟计数器（秒～年计数器），地址09H ～OCH 用于报警寄存器（定义报警条件），地址ODH 控制CLKOUT 管脚输出频率，地址OEH 和OFH 分别用于定期器控制寄存器和定期器寄存器。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器，编码格式为BCD 码，星期和星期报警寄存器不以BCD 码格式编码。当一种RTC 寄存器被读时，所有计数器内容被锁存，因而，在传送条件下，可以禁止对时钟旧历芯片错读。
3.2.4看门狗+存储器＋电压监控电路
在总体方案中拟定了需要硬件看门狗和存储器，当前市场上己经浮现了看门狗＋存储器＋电压监控三种功能于一体集成芯片。
a) CATll61 是CATALYST 公司CMOS 低功耗产品。它特点有400KHz 时钟频率，与C总线兼容，工作电压为2.7—6.0v ，16字节页写，16KEEPRoM ，内建偶尔性写保护，上电掉电保护电路，写锁存，有效期限100,000周期/字节，数据保存期1，5 种阈值电压,价格较高。
b) x5045 是Xicor 公司产品，它把三种惯用功能。看门狗定期器，电压监控和ProM 组合在单个封装之内,这种组合减少了系统成本并减少了对电路板空间规定。X5045 看门狗定期器对控制器提供了独立保护系统,当系统故障时，在可选超时周期之后，X5045 看门狗将以RESET 信号作出响应,顾客可从三个预置值中选取此周期,一旦选定，虽然在电源周期变化之后，此周期也不变化。运用x5045 低电压检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况影响,当Vcc降到最小Vcc 转换点如下时，系统复位,复位始终保证到VCC 返回且稳定为止。X5045存储器某些是CMOS 4096 位串行EEPROM ，它在内部按512*8 来组织。
由于本系统只需要存储传感器序列号和温度值等几百个数据，cAT1161 ProM 对于本系统而言显然太大，并且价格较高；x5045 ProM足够本系龚使用，价格相对便宜。因而我选取X5045 。如下是X5045及接口特点：
①可编程看门狗定期器；低电压检测，直至Vcc=1V 复位信号有效
②IMHZ 时钟速率；512*8 位串行EEPROM
③低功耗CMOS ：10μA备用电流，3mA 工作电流
④2.7V 至5.5V 电源电压
⑤块锁定：保护1/4 、1/2 或所有EEPROM 阵列
⑥内建偶尔性写保护：上电/掉电保护电路，写锁存，写保护引脚
⑦高可靠性：有效期限100,000周期/字节，数据保存期100 年，ESD 保护所有引脚V
⑧温度范畴：民用，工业，军品级
管脚图3.6 如下所示:
RESET

SO SCK

SI
（芯片选取输入） 1
（串行输入） 2
（写保护输入） 3
6 （复位输出）
4 （串行输出）
5 （串行时钟输出）

图3.6 X 5045管脚图
X5045 具备简朴三总线工作串行外设接口（SPI ）和软件合同。当X5045 被CPU 选中时，还、需要依照在操作时序上详细提供读命READ或写命令WRITE 来决定是从SI 上输入数据还是从SO上输出数据。
a) 读时序
当从ProM存储器阵列读数据时，一方面把/CS 拉至低电平以选取芯片,8位读( READ )指令被发送到X5045，其后是8 位字节地址,读指令位3 包括地址A8 ,此位用于选取器件上半部或下半部,在发送了读操作码和字节地址之后，在所选定地址存储器中存储数据被移出到SO 线上,继续提供时钟脉冲可接着读出下一地址存储器中存储数据,在每一数据字节移出之后，字节地址自动增量至下一种较高地址,当达到最高地址（IFFH ）时，地址计数器翻转至000H ，使得读周期无限地继续下去,把/CS 置为高电平可以终结读操作。如图3.7所示。
/CS

SCK
1
2
8
3
4
5
6
7

SI
5
4
3
2
1
0
地址

SO
7
6
5
4
3
2
1
0
数据输出

图3.7 读时序图
b) 写时序
在把数据写入X5045之前。必要一方面发出WREN指令把“写使能”锁存器置位。/CS 一方面被拉至低电平，然后WREN指令由时钟同步送入X5045 ，在指令所有8 位被发送之后。必要接着使/CS 变为高电平。如果顾客在发出WREN指令之后不把/CS 变为高电平而继续写操作，那么写操作将被忽视。
为了把数据写至PRoM存储器阵列，顾客要发出WRITE指令，后继以地址，接着是要写数据，写指令位3 包括地址A8 。此位用于选取器件上半部或下半部。这是至少为24个时钟操作。在此操作期内，CS 必要变为低电平且保持在低电平。主机可以继续写多达4年字节数据至x5045 。唯一限制是4个字节地址必要停留在同一种页上。页地址从地址x x x x x0000开始，至x x x x x1111结束。如果字节地址记数器达到x x x x xllll 而时钟仍继续，那么计数器将翻转至首页并重写也许写入任何数据。
为了结束写操作，只能在第24，第32，第40或第48个时钟之后把/CS变为高电平。如果在任何其他时间使之变为高电平，那么将不能结束写操作。如图3.8所示。
/CS

SCK
1
2
8
3
4
5
6
7

SI
5
4
3
2
1
0
地址
4
3
2

SO
高阻

图3.8 写时序图
c) 复位操作
当Vcc降至低于最小转换电压和／或看门狗定期器已达到其可编程超时极限
值，RESET输出便变为高电平，则系统复位。达到看门狗和电压监控目。
/CS
片选时间
RESET
看门狗时间
复位时间

图3.9 复位操作时序图
详细x5045 与AT89C51 接口电路如图3.9 所示。
X5045 数据输入线sI 和数据输出线so 可以合并为一根数据线。这样，x5045 有三根线分别与AT89C51 三根I/O口线相连。芯片选取线/CS 有效时，x5045和AT89C51之间才干在串行时钟信号SCK 节I/O下通过数据线进行数据传播。
PRoM 从地址00H至FFH ，每8个一组分别存储32个温度传感器序列号：从100H 至11FH 存储序号；从120H 至13FH 按序号顺序存储温度值；从140H 至15FH 顺序存储32 个温度传感器报警值；从l60H 至，l64H 存