药品冷藏箱自动控制系统设计说明书.doc

1绪论
1.1 背景
生物贮存设备是生命科学等领域必备的重要基础设备。医用药品冷藏箱是一种用于医疗行业冷藏血液，也可用于冷藏药品、试剂、疫苗、生物制品的重要设备。血液专用药品冷藏箱是各类医院的设备，它决定了人们所需要的血液、疫苗等生物药剂的品质，血液的质量直接关系到病人的生命安全，因此这种医用药品冷藏箱的温控器规定具有高控制精度、高可靠性，并应具有必要的报警、抗干扰措施和实时记录温度的措施。
目前，越来越多的医院血库药品冷藏箱温度控制系统采用计算机进行温度检测，实行温度控制与管理，这样不仅提高医疗水平，更加速了医用设备的智能化，稳定性。
杭州翔泰电器有限公司根据以上背景，独立研发出来的药品冷藏箱自动控制系统具有高性能，安全，快捷的系统。

1.3 实现的功能
“药品冷藏箱自动控制系统”是杭州翔泰电器有限公司采用AT89C51单片机开发板模拟药品冷藏箱工作环境，并模拟设定药品冷藏箱各项参数，以研究药品冷藏箱温控器的工作原理及设计。
研究的内容重要涉及以下方面：
（1）液晶显示的工作原理，并通过液晶将各项数据显示在药品冷藏箱外；
（2）温度控制器原理，制冷原理，自动控制药品冷藏箱工作使其通过制冷达成所设定的温度；
（3）智能检测药品冷藏箱工作电压是否正常，避免压缩机烧坏；
（4）继电器工作原理，模拟对压缩机的通/断电操作；
（5）单片机C程序编程语言。
它所实现的功能和规定为：
（1）系统采用单片机控制，控制对象为法国泰康公司的SZ1340D型压缩机，功率115W，启动绕组16.5Ω，运营绕组16.5Ω；
（2）分别对冷冻室，冷藏室作不同的温度调节；
（3）能实现参数显示和在线参数修改；
（4）系统故障时能进行声光报警和显示；
（5）多种抗干扰措施保证温度稳定性。
2系统总体设计
2.1 系统技术指标
通过液晶显示所设定的温度，温度能随意调节，能自动控制药品冷藏箱工作，使其通过制冷达成所设定的温度。冷冻室温度可以在-15℃～-3℃范围内对多个点进行精度为0.5℃的温度测试量，冷藏室温度可以在4℃～6℃范围内对多个点进行精度为0.1℃的温度测量。
2.2 系统总体设计
基于AT89C51单片机的医用特种药品冷藏箱温度控制系统具有以下功能：可以方便的设立血液、疫苗等生物药剂所需温度；箱内温度显示；药品冷藏箱有自动复位功能；温度数据存储功能；制冷控制功能；报警提醒功能；抗干扰措施和实时记录温度的措施；电源。根据以上分析，此单片机温度控制系统可以分解为以下八个模块：温度采样信号输人模块；温度显示和键盘设立模块；温度过限报警模块；温度打印模块；复位电路模块；看门狗抗干扰保护模块以及制冷控制模块；电源提供模块。基于AT89C51单片机的医用特种药品冷藏箱温度控制系统原理框图如图所示。

图2-1 药品冷藏箱自动控制系统
工作原理：
药品冷藏箱的重要问题就是恒定的保持所需低温和温度测量，以及温度反馈后的调整控制。任何控制系统都很难做到真正的恒温保持，温度总是围绕预设值不断的震荡。我们要做的就是努力减小震荡幅度，在测量精确，控制简朴的基础上再减少功耗，提高制冷。最基本的方法是多次采样箱内温度，将采样温度与用户设立的温度进行比较，得到偏差；偏差超过限定范围上限或采样温度高于预设上限值就加强或打开制冷，反之就减弱或关闭制冷。由于制冷器件的物理惯性，箱内温度每次等于预设温度后，都会发生较大的过冲。从控制领域考虑，这是由于反馈信息只有被控量的当前值，不能反映被控量的变化趋势。我们采用了PID控制方法，用被控量的当前值和一阶导数作反馈信息，运用单片机软件实现调整控制。若温度超过限定范围，报警电路会报警，系统会自行启动制冷，看门狗负责保护整个系统，超过限定工作周期或监测到低电压，将使系统自动复位，直到恢复到正常工作状态。
医用药品冷藏箱规定的温度稳定性较高，一般生物贮存温度控制在4℃～6℃。冷冻室，温度可以在-15℃～-3℃范围内对多个点进行精度为0.5℃的温度测量，冷藏室温度可以在4℃～6℃范围内对多个点进行精度为0.1℃的温度测量。
3系统的硬件设计
3.1 主控器的选择
为了充足考虑性价比，选用价格低、稳定的元器件，我们选择了AT89C51作为我们的主控器。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，可兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央解决器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，AT89C51单片机可应用于许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域[1-3]。

图3-1 AT89C51引脚图
重要性能参数：
（1）与MCS--51产品指令系统完全兼容；
（2）4k字节可重擦写Flash闪速存储器；
（3）1000次擦写周期；
（4）全静态操作：0Hz~24MHz；
（5）三级加密程序存储器；
（6）128×8字节内部RAM；
（7）32个可编程I/O口线；
（8）2个16位定期/计数器；
（9）6个中断源；
（10）可编程串行UART通道；
（11）低功耗空闲和掉电模式。
AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定期/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定期/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并严禁其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C51内部结构如图3-2所示。

图3-2 AT89C51内部结构图
引脚功能说明：
VCC：电源电压；
GND：地；
P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸取电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，规定外接上拉电阻。
Pl口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸取或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，由于内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I）。Flash编程和程序校验期间，Pl接受低8位地址。
P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸取或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，由于内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I）在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@R指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR)区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接受高位地址和其它控制信号。
P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸取或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I）。P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/ROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定期目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可严禁ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被薄弱拉高，单片机执行外部程序时，应设立ALE无效。
PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。
EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H--FFFFH)，EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：假如加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。
XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。
时钟振荡器：AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。
外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的规定，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，假如使用石英晶体，推荐电容使用30pF、10pF，而如使用陶瓷，由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊规定，但最小高电平连续时间和最大的低电平连续时间应符合产品技术条件的规定。
由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊规定，但最小高电平连续时间和最大的低电平连续时间应符合产品技术条件的规定。
AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源控制寄存器）中的PD(PCON.l)和IDL(PCON.0)位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲等待方式，当IDL=1，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。
在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
终止空闲工作模式的方法有两种：其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL(PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会一方面响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。
其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。需要注意的是：当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完毕内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部严禁CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口。为了避免也许对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。
掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义所有特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定期间以使振荡器重启动并稳定工作。
Flash闪速存储器的编程：AT89C51单片机内部有4k字节的Flash EPROM，这个Flash存储阵列出厂时己处在擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH)，用户随时可对其进行编程。编程接口可接受高电压（+12V）或低电压（VCC）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM编程器兼容。
AT89C51单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的署名字节获得该信息。
AT89C51的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。
AT89C51编程方法如下：
（1）在地址线上加上要编程单元的地址信号；
（2）在数据线上加上要写入的数据字节；
（3）激活相应的控制信号；
（4）在高电压编程方式时，将EA/VPP端加上+12V编程电压；
（5）每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。
改变编程单元的地址和写入的数据，反复l~5环节，直到所有文献编程结束。每个字节写入周期是自身定期的，通常约为15ms。
3.2 看门狗电路的设计
工控系统在运营时，通常都会碰到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。看门狗(Watchdog)电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一，是自行监测系统运营的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路[4-5]。
看门狗复位电路采用的是X25045，X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定期器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间规定，减少了成本和系统功耗，是一种抱负的单片机外围芯片。X25045引脚如图3-3所示。
1 8
2 7
3 6
4 5

CS VCC
S0 RESET
WP SCK
VSS SI

图3-3 X2504引脚图
其引脚功能如下：
CS：片选择输入；
SO：串行输出，数据由此引脚逐位输出；
SI：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X25045；
SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；
WP：写保护输入。当它低电平时，写操作被严禁；
VSS：地；
VCC：电源电压；
RESET：复位输出。X25045在读写操作之前，需要先向它发出指令，指令名及指令格式如表3-1所示。
表3-1 X25045指令及其含义
指令名
指令格式
操作
WREN
00000110
复位写使能锁存器（允许写操作）
WRDI
00000100
复位写使能锁存器（严禁写操作）
RDSR
00000101
读状态存储器
WRSR
00000001
写状态存储器
READ
0000A8011
把开始于所选地址的存储器中的数据读出
WRITE
0000A8010
把数据写入开始于所选地址的存储器
看门狗有三种功能：看门狗定期器、电压监控和EEPROM功能。在系统出现故障或上电/掉电期间，X25045能给CPU提供一个复位信号，以保证系统的对的操作。看门狗定期器为微控制器提供一个独立的保护。当系统出现故障时，由于失去对的操作，CPU1.6秒内没有触发SDA，看门狗定期器将溢出，X25045产生一个复位信号给CPU。而I2C串行CMOSE2PROM可以存储单片机系统的重要参数。本系统用它来保存用户设定的冷藏室温度值、冷冻室温度值和速冻状态、速冻时间等参数，以保证数据正常使用和不会由于掉电而丢失。图3-5示出了X25045与AT89C51单片机的硬件连接电路。X25045芯片的 RESET端接单片机的复位引脚，SO、SCK和SI端接P1.2、P1.1和P1.0三根引脚。

图3-4 X25045与单片机的连接图
3.3 晶振电路的设计
晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分为有源晶振和无源晶振两大类，无源晶振需要芯片内部有振荡器，并且晶振的信号电压根据起振电路而定，允许不同的电压，但无源晶振通常信号质量和精度较差，需要精确匹配外围电路（电感、电容、电阻等），如需要更换晶振时间要同时更换外围电路[6-8]。
因价格因素，并且达成了相应的精度，我们采用的是无源晶振，单片机的复位电路就是在RST端的输入端出现，本设计采用上电复位的复位电路。

图3-5 晶振电路
只要在RST复位输入引脚上接一电容至VCC端，下接一个电阻到地即可。上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平连续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统可以可靠的复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
上电时，VCC的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHZ，起振时间为1ms；晶振频率为1MHZ，起振时间为10ms。
图中所示的复位电路，当VCC掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压降不会对器件产生损害。此外，在复位期间，断口引脚处在随机状态，复位后，系统将端口置为全1状态。
假如系统在上电时得不到有效的复位，则在程序计数器PC中就得不到一个合适的初值，因此CPU有也许会从一个未被定义的位置开始程序。
晶振电路选用了1个6MHz的晶振和2个小电容，总体设计如图3-5所示。
3.4 数据采集电路的设计
药品冷藏箱数据采集电路重要是完毕温度的采样，作为电路输入通道的重要部分，在整个系统中是至关重要的。
温度控制系统的目的是控制药品冷藏箱内温度恒定为设立温度，其前提是要知道药品冷藏箱内实际温度。鉴于冷藏室蒸发器温度，冷冻室蒸发器温度，环境温度直接影响箱内温度，设计冷藏室，冷冻室，环境再加霜厚采样，四路传感器多次采样箱内温度。传感器均设立在蒸发器周边，本设计温度控制系统的温度范围-15℃-6℃，所需测量分辨率为0.5，所以选型可一致。
3.4.1 传感器的选择
为了达成设计规定，我们选定DS18B20单线数字温度传感器，其测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.06，可以满足医用药品冷藏箱的温控器规定具有高控制精度，是目前最新的测温器件，微型，抗干扰，它集温度测量，A/D转换于一体，具有单总线结构，数字量输出，直接与微机接口等优点。可以解决A/D转换速度慢，电路复杂等缺陷。并且它可直接将温度转化成串行数字信号供微机解决，并且每片都有唯一的产品号并可存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18B20芯片[9-12]。
(1)DS18B20简介
DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。所有传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

图3-6 DS18B20实物图 图3-7 DS18B20管脚排列
(2)DS18B20的外形和内部结构
DS18B20的外形及管脚排列见图3-6
DS18B20内部结构重要由四部分组成：64位光刻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。
(3)DS18B20引脚定义：
1）DQ为数字信号输入/输出端；
2）GND为电源地；
3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地，见图3-7）。
(4)DS18B20的工作原理
温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），传感器可置于离装置150米以内的任何地方，输出脚I/O直接与单片机的P0.1相连，R为上拉电阻，传感器采用外部电源供电。AT89C51是整个装置的控制核心，AT89C51内带1k字节的FLASHROM，用户程序可以存放在这里。并且既可用它组成单路温度测量装置，也可用它组成多路温度测量装置，切此单路温度测量装置已研制成产品，产品经测试在-10℃-70℃间测得误差为0.25℃，80℃≤T≤105℃时误差为0.5℃，当T>105℃误差为增大到1℃左右。用单总线温度传感器和单片机构成的测温装置具有使用和推广价值。并且DS18B20单线数字温度计是以串行传输方式提供温度读数（扩展补码方式）的温度测量器件。其测量范围从+10℃到-125℃，增量为0.5℃常规方法）。DS18B20单线数字温度计外封装为三引脚三极管状器件。CPU只需一个接口引脚既可与该器件通信，不需外部元件。并且可采用数据线供电（寄生电源）方式。由于每一个DS18B20有唯一的序列号，因此多个DS18B20可以挂接在同一条单线总线上。使嵌入式温度检测应用系统得以简化，这对于医用特种药品冷藏箱安装布线应用领域尤为合适。
表3-2 DS18B20温度数字相应关系表
温度℃
输出的二进制码
相应的十六进制码
+125
1010
00FAH
+25
0010
0032H
+0.5
0001
0001H
0
0000
0000H
﹣0.5
1111
FFFFH
﹣25
1110
FFCEH
﹣55
0010
FF92H
（5）DS18B20的特点
与其它温度传感器相比，DS1820具有以下特性：
1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微解决器连接时仅需要一条口线即可实现微解决器与DS18B20的双向通讯；
2）测温范围﹣55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃；
3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，假如数量过多，会使供电电源电压过低，从而导致信号传输的不稳定；
4）工作电源：3~5V/DC；
5）在使用中不需要任何外围元件；
6）测量结果以9~12位数字量方式串行传送；
7）不锈钢保护管直径Φ6；
8）耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，合用于DN15~25，DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温；
9）接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。标准安装螺纹M10X1，M12X1.5，G1/2任选；
10）PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它电器设备连接。
（6）DS18B20使用中注意事项
DS1820虽然具有测温系统简朴、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微解决器间采用串行数据传送，因此 ，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对 DS18B20操作部分最佳采用汇编语言实现。
2）在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个 DS18B20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微解决器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时 要加以注意。
3）连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。实验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m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，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正 常通讯距离进一步加长。这种情况重要是由总线分布电容使信号波形产生畸变导致的。因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充足考 虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
4）在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。
3.4.2 温度采集电路的实现
我们药品冷藏箱由于要测量冷冻室温度、冷藏室温度、环境温度和作为化霜传感器所测量的温度这四个温度，所以我们采用外部电源多点测温方式，设计的温度采集电路如图所示：

图3-8 DS18B20温度传感器接线图
3.5 人机接口电路的设计
此模块属于人机交互，重要涉及显示和按键电路。
人机接口电路涉及键盘和LED显示电路，以往电路设计中，为实现单片机系统的键盘、LED显示，通常采用两种方法：一时用8155、8255并行扩展口构成显示、键盘电路。这时应采用P0、P2总线口的单片机，以便扩展并行口。这种电路选用的期间打，引脚多，对小型系统资源有些浪费。二是用串行口配上移位寄存器74LS164构成硬件译码静态译码静态显示、键盘接口电路。这种电路大大减少I/O口线，但是用芯片较多，一块74LS164芯片相应一位LED数码管，电路复杂，耗电较大。为了充足运用资源，使设计出的系统最小、最优，我们选用MC14499译码器与AT89C51构成串行口硬件译码显示、键盘接口，既简化电路又使单片机引脚得到充足运用[13-15]。
3.5.1 显示部分
对于显示界面，可以采用数码管，液晶模块及其他显示形式。从目前发展趋势来看，类似的智能系统采用字符型或图形液晶显示模块比较常见。
本设计显示器用来显示箱内温度。当使用按键改变温度预设值时，LED会闪烁地显示当前的预设值，并随用户的调整而改变。当用户调整完预设温度后5秒，闪烁自动停止。用户设定好的值存在flash存储器里，不会随掉电而丢失。每次药品冷藏箱重新启动时，显示内容为实际箱内温度，温控目的为上次断电前的设立值；设立温度是在需要时进行，而平时LED显示器显示采样温度。四路采样通道，冷冻室，冷藏室，环境三路温度均需显示，其依次用字母A、F、C代表，所以必须设立一个置换键，用来置换A、F、C。因而第一位LED被用来显示A、F、C。基于药品冷藏箱内温度有正有负，第二位LED被用于显示“+”，“-”。第三位，第四位LED则用于显示具体温度值。基于以上因素，本设计选用四位一体的LED显示器，共阴或共阳均可以，选用共阴。
在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。
所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。N位静态显示器规定有N*8根I/O口线，占用I/O资源较多。
为了简化电路，减少成本，选用动态显示方式。这种显示方式是将所有数码管的各字段电极相应连在一起，由一个8位I/O控制这个I/O口送出的信号用来控制显示的字形，称为段码或字选码。而每个数码管的共阴极或共阳极由另一个I/O口线控制。这个I/O口送出的信号用来选择第几位数码管工作，称为位码。相比之下，采用动态显示方式进行LED显示较适合四位一体的LED显示器。
显示驱动芯片的选择：
很多键盘显示系统中采用并行口数据串行数据传输，其中具有代表性的接口芯片是8279。由于是并行数据传输，不可避免地导致地址空间的浪费，键盘显示系统电路也较为复杂。此外，8279没有数码管驱动能力，要对数码管进行驱动还需外加驱动电路，这提高了系统的成本，并进1步增长了电路的复杂性。为了节省微解决器系统的地址空间，许多厂商开发了串行数据传输的数码显示驱动芯片。串行数据传输数码显示驱动芯片有MAX7219和MC14499选常用的MC14499作显示驱动芯片。
用MC14499组成单片机的显示电路，具有占用单片机软件资源小，不再外加电路即可与单片机协调工作，使用灵活方便，电路简朴可靠等特点。MC14499是由MOTOROLA公司开发的高集成度LED显示驱动器，采用动态扫描方式显示驱动4个LED数码管。它集锁存、译码、驱动、扫描、时钟于一体。所需的辅助电路简朴，MC14499与单片机的数据传送采用串行同步方式。
MC14499是一个CMOSLED译码驱动器，片内重要涉及一个20位移位寄存器、一个锁存器、一个多路输出器，由多路输出器输出的BCD码经段译码器译码后，换成点七段码送至片驱动器输出(a、b、c、d、e、f、g)和小数点DP。此外，由片内振荡器通过四分频的信号，经位译码后提供4个位控信号，经位驱动器至四位控制线(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。由于MC14499片内具有BCD译码器和串行接口，所以它几乎可以与任何单片机接口相连。
MC14499芯片重要控制信号为：
串行数据输入端；
a、b、c、d、e、f、g七段显示输出；
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ字位选择端，用来产生LED选通信号；
OSC：振荡器外接电容端，外接电容使片内振荡器产生200～800Hz扫描信号以防LED显示器闪烁；
CLK：时钟输入端，用以提供串行接受的控制时钟，标准时钟频率为250kHz；
EN：使能端，为0时，MC14499允许接受串行数据输入，为1时，片内的移位寄存器将数据送入锁存器中锁存。
MC14499的输出端A、B、C、D、E、F、G、DP8个脚分别接在4位一体LED的段码输入端(a、b、c、d、e、f、g)上。字位选择端Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ经反向器驱动后，分别接在4个数码管的公共端。由内部时序分时选通4个数码管，进行动态显示扫描。为了使串行口的数据输出速率与MC14499接受速率相匹配，单片机的工作频率应为3MHz。
基于以上分析，MC14499与单片机相应的接口应选择串行口。AT89C51串行口工作方式0为移位寄存器方式。RXD提供串行输出的BCD码显示数据，TXD提供串行移位脉冲。P2.0控制使能端EN。MC14499能接受20位数据的串行输入，16位用作四位LED显示，4位用作小数点显示。输入时序是先发送四位小数点码，输入时序如表3-3所示。
表3-3 输入时序
位号
移入
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
LSB
MSB
LSB
MSB
LSB
MSB
LSB
MSB
LSB
MSB
第四位
第三位
第二位
第一位
小数位
当EN由高变底时，MC14499的寄存器开始接受串行数据。
以下是MC1499的译码方式：
0000显示0，0001显示1，0010显示2，0011显示3，0100显示4，0101显示5，0110显示6，0111显示7，1000显示8，1001显示9等。

图3-9 LED显示电路
3.5.2 键盘部分
随着仪器仪表的微型化，一键多功能也是目前键盘设计的一个趋势。基于以上分析，键盘所需设计的功能有：
①键：
为用户设定键，用户可以设定冷冻室和冷藏室控制温度。
②切换键：
功能为对数码管显示的温度进行切换，具体是字母A、F、C的切换。
字母“A”：
代表冷藏室温度设定键，按一次切换键，LED第一位显示A，用户可以在4-6℃间调节冷藏室温度控制。
字母“F”：
代表冷冻室温度设定键，按两次切换键，LED第一位显示F，用户可以在-3---15℃间调节冷藏室温度控制。
字母“C”：
代表环境温度键，按三次切换键，LED第一位显示C，LED后三位直接显示环境传感器采样的环境温度。
③AUTO键：
AUTO自动键，按下此键药品冷藏箱进入自动制冷模式。

图3-10 键盘界面
参考资料，键盘可采用专用键盘或PC键盘等通用键盘。此处选用1x4行列式键盘。采用通用键盘的好处是整体性价比较高，并且便于操作，维护也比较方便。
若有键按下，当且仅当键盘阵列的相应列为低电平时，则该键相应的行线将变为低电平，通过程序对键盘阵列行线的读取，可唯一地拟定所按下的键值。也就是说，在某一时刻键盘阵列的列信号为：11111110、11111101、…、01111111(这些码我们称为键盘扫描码)等8种形式之一，可通过程序对该时刻输出的键盘扫描码和读入的行信号拟定所按下的键值。
表3-4 74LS164功能表
输入
输出
清零
时钟
A
B
QA
B
QH
L
X
X
X
L
L
L
H
L
X
X
QAO
QBO
QHO
H
↑
H
H
H
QAN
QGN
H
↑
L
X
L
QAN
QGN
H
↑
X
L
L
QAN
QGN
参考资料，了解到键盘使用串入并出移位寄存器74LS164经串行口扩展并行I/O口实现。其硬件花销小，占用资源少，且性能稳定，在系统资源问题突出时，不失为一种好的解决方案。74LS164为TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。其中DSA、DSB脚为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。CP为时钟输入端，可连接到串行口的TXD端。每一个时钟信号的上升沿加到CP端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数所有移入74LS164中。本接口只扩了4个键，如不够，还可串接。
键盘工作过程：列线是扫描信号输出口，74LS164移位寄存器4位输出端；行线为信号接受口，选用单片机的P0.3口。列线上加上信号，根据行线的状态，便可得知是否有键按下，假如在列线上逐行加上一个扫描信号，就可以判断按键的位置，读出键值。
键盘/显示共用串行口实现，其工作原理：
AT89C51系列单片机片上有UART(通用异步接受P发送)用于串行通信，发送数据时，数据由TXD端送出，接受时数据由RXD端接受。有2个缓冲区SBUF，一个作发送缓冲区，另一个为接受缓冲区。它是可编程的全双工的串行口。单片机的串行通信都是经数据缓冲器SBUF发送和接受的。实际在SBUF中有两个独立的寄存器：一个是发送缓冲器，另一个是接受缓冲器。当数据被写入SBUF时，就被发送到发送缓冲器中准备发送；而从SBUF读出数据时，数据一定是从接受缓冲器中送来的。所以显示，键盘输入均通过AT89C51的串行口实现。
显示，键盘输入均通过AT89C51的串行口。显示输出通道与键盘输入通道的选择由口线P0.2和与门完毕。
当P2.0为“0”时，MC14499使能端起作用，AT89C51的TXD端输出同步脉冲发送到移位寄存器MC14499的移位脉冲输入端，这样AT89C51预显示数据，由RDX端输出，移为读入到显示器通道。
当P.02为“1”时，AT89C51的RDX的数据仅能被移位读入到键盘扫描用的移位寄存器中。
由于显示通道采用LED数码管并用MC14499作为