多路温度检测系统的设计与研究

1 绪论

温度是一个很重要的物理参数，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，因此在国民经济的各个领域中都受到普遍重视。温度检测类仪表作为温度计量工具，也因此得到广泛应用。随着科学技术的发展，这类仪表的发展也日新月异。特别是随着计算机技术的迅猛发展，以单片机为主的嵌入式系统已广泛应用于工业控制领域，形成了智能化的测量控制仪器，从而引起了仪器仪表结构的根本性变革。

1.1 温度检测类仪表的现状

传统的机械式温度检测仪表在工矿企业中己经有上百年的历史了。一般均具有指示温度的功能，由于测温原理的不同，不同的仪表在报警、记录、控制变送、远传等方面的性能差别很大。例如热电阻温度计，它的测温范围是-200℃～650℃，测量准确，可用于低温或温差测量，能够指示报警、远传、控制变送，但维护工作量大并且不能记录；光学温度计测温范围是300℃～3200℃，携带使用方便，价格便宜，但是它只能目测，也就是说必须熟练才能测准，而且不能报警、远传、控制变送。

近年来由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量控制仪表己经取得了巨大的进展。我国的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，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面。都取得了巨大的进展。目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片机使之成为智能仪表的。从技术背景来说，硬件集成电路的不断发展和创新也是一个重要因素。各种集成电路芯片都在朝超大规模、全CMOS 化的方向发展，从而使用户具有了更大选择范围。这类仪器能够解决许多传统仪器不能或不易解决的问题，同时还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，降低仪表的成本以及加快新产品的开发速度。

智能化控制仪表的整个工作过程都是在软件程序的控制下自动完成的。装在仪表内部EPROM 中的监控程序由许多程序模块组成，每一个模块完成一种特定的功能，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。编制完善的监控程序的某些功能模块。能够取代某些硬件电路的功能。这就为设计者扩展或改变仪表具体功能提供了方便。例如打印的内容、格式，报警值的上、下限，报警的方式

（如发光、发声）等就完全可以通过改变具体的某一段程序来实现，同时又不会影响软件中其它程序的功能。仪表在使用上更具有灵活性。

智能化控制仪表在引入单片机之后，己经降低了对某些硬件电路的要求，但是测试电路仍然占有很重要的位置。尤其是直接获取被测信号的传感器部分仍应给予充分的重视，有时提高整台仪器性能的关键仍然在于测试电路尤其是传感器的改进。现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。有许多国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。与国内己经出现的各种各样的智能化测量控制仪表相比，国际上更是品种繁多。国内的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的差距。

1.2 课题的提出

多路温度的测量、记录、传输在工业及民用领域应用中一直是量大面广的设备之一，所以目前多路温度巡检仪并不少见。甚至其中有很多己经作为典型例题出现在许多关于单片机应用的教科书中，虽然在电路结构、元器件的选择和相应的软件编程上略有区别，但是它们均能以单片机为核心，完成巡检、显示、报警和记录等功能。

但是这些温度巡检仪都有一个共同的主要缺点，那就是只能检测的路数不能任意增加。这是由于温度的检测离不开温度传感器，而传统的温度传感器例如PT—100 、K 、J 等都是模拟量输出，需要进行信号的放大和A/D转换方能被单片机接受，如果要增加测试路数，那未必定要增加放大器和A/D转换器的个数，接线将十分复杂。并且它们的准确性易受环境、接线、放大等因素的影响，因而误差大，远传受距离的限制等，多路共测时，检测效果也大打折扣。

随着生产力的发展，生产规模的扩大和对生产管理的自动化水平的要求越来越高，在很多场合，诸如啤酒、饮料、食品、白酒发酵生产线，中频热处理行业的水路温度保护，提升机、通讯机、发电厂等轴温记录，变电所各电节点的温度检测，农业大棚、鸡舍等，温度巡检仪有着越来越广阔的应用与发展前景。但是上述场合通常需要监测的点远大于8个，则上述温度巡检仪远远不能满足其要求。本课题则主要针对这一点而提出。

监测点的增加，就硬件电路和软件编程而言，并非意味着简单的增加几条电路连线和循环指令，而是与相关的软硬件技术有极为密切的联系。随着单片机技术及其外围芯片、现场总线技术的发展越来越完善，使得设计能够满足对更多测试点的温度的

测试、报警、记录等的温度巡检仪成为可能。

目前，温度传感器的发展日新月异，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的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。具有抗干扰性好、可靠性高、硬件电路简单、使用方便等优点。尤其是对于数十个乃至上百个点的检测，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估量的作用。在设计电路时，使用不同的温度传感器，对电路性能有极大的影响。

测控对象与计算机之间的信息交换是通过总线进行的，常见的有2I C总线、SPI 总线等被广泛应用着，它们技术成熟，有众多的芯片和功能完善的软件相支持。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，从而可以方便地组建一个测控系统。该技术有较高的性能价格比，适用于温度测控场合，当测控对象很多时更可以显示其优越性，抗干扰性能好，具有CRC 校验功能，系统简明直观易于掌握。特别是国内未见深入研究，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的先进性，但是同时也具有一定的开发难度.

本课题将综合运用先进的元器件和技术设计温度巡检仪，使其可以真正方便地实现对温度监控的自动化，为生产管理部门提供高精度的实时温度，使操作者可以在生产过程中及时了解关于温度的参考信息，保证生产能够在正常的环境温度下进行，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的社会意义。并且在上面提到的行业中，都需要多路同时检测，应用面广，需求量大，任何一个厂的一次使用量都在10 台仪器以上，因此32 路温度巡检仪一旦设计成功并投入生产必将带来良好的经济效益，前景非常广阔。

1.3 课题的内容

针对目前温度检测仪表的发展趋势和存在的问题，本课题主要解决以下内容：

a) 对32 处不同的测试点巡回检测其温度，进行集中管理，集中控制。

b) 在其测量范围内可以设定任意测试点温度的报警值。

c) 在温度异常时能够发出报警信号和采取保护措施，能对故障及时地跟踪和记录。

d) 可以方便地设置打印方式，包括定时自动打印和任意时刻打印。

e) 功耗低，整个系统体积小。

f) 现场安装配线简单，调试简捷方便。

g) 采用少量按键来设置现场参数，系统具有较强的对话性和可操作性；测试点的个数可在某一范围内任意删加。

h) 使系统具有较强的抗干扰性能。

i) 有较高的分辨率，极好的可维护性。

2 系统的总体设计

在本章的设计中将进行系统的总体方案设计，以便在后续章节中选择合适的单片机及外围芯片，完成具体的硬件电路设计。总体设计应考虑以下几点：a) 从整体到局部设计b) 经济性要求c) 可靠性要求d) 操作和维护的要求。

2.1 系统的总体设计思想

不同的控制对象和不同的要求，应该有不同的设计思想。本系统实际上是一个专用的单片机系统，仪表内部除单片机以外的其它硬件部分均可看作是单片机的外设部分。在本系统中，CPU 在温度采集和处理时，主耍是对温度值进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警并对这些数据进行积累和实时分析。CPU 不直接参与过程控制。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:

图2.1总体设计思路图

温度经过采样、转换后以数字形式进入CPU ，利用CPU 具有运算、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的集中、加工和处理，在温度参数的测量和记录中则代替大量的常规显示和记录仪表，对整个环境温度进行集中监视。另外，添加存储器，预先存入各个测试点的温度极限值和其他的相关数据，以便在处理过程中可以进行越限报警、调整参数和维修调试等。

2.2方案论证与选择

设计方案的不同将直接决定仪表硬件的繁简程度，从而确定软件的不同编写思32 路温度巡检仪应对当前的环境温度进行巡回检测，所以它是一个实时监测系在设计时应考虑以下几个方面：a) 应保证前向的温度传感电路的精确度、灵敏度、电路结构的合理性；b) 仪表本身要具备一定的抗干扰能力，应在硬件及软件上引入各种抗干

扰措施，以增强它的稳定性和准确性；c) 仪表应预留接口以便于功能扩展和联网。根据以上要求，硬件电路有以下几种方案可供选择。

2.2.1温度采样和测试部分

第一种方案：各测试点的温度值经过测温元件热电偶、热电阻等，被转换为电信号，这样得到的多路采样信号经放大器、多路模拟开关及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。这种方案是单片机处理非电量信号的传统方法，它的优点是测温范围广：选用合适的测温元件可以检测-300℃～3000℃的温度。但是一方面，单片机外电路复杂，因为32 路温度需要多个模拟开关，不管是通用的并行、串行总线，还是专用总线，其传送数据的信号线总是多根的，这样系统连线非常复杂，并且需要额外的接口芯片，其成本也高；另一方面，A/D 转换器要占用多个I/O 口向单片机输入多位的数字量，这无疑使得有限的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，线路上传送的是模拟信号。易受干扰和损耗，这种方案的性能价格比较低。

第二种方案：使用在温度测控领域中有广泛应用的二端式半导体集成温度传感器AD590 、LM35等，将采集到的电流信号经多路A/D转换器送入单片机，由单片机控制数据的采集和转换。以AD590 为例，它的测温范围为-55～+ 150℃。工作电压为＋4～+ 30 V 。由于AD590 是一种电流型的温度传感器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机进行远距离温度测量和控制，远距信号传递时，可采用一般的双纹线来完成；其电阻比较大。因此不盆要精密电源对其供电，长导线上的压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线性电路。在这一方面显然优于第一方案。但是它仍然具有单片机处理多个模拟信号时的缺点：电路连线复杂、软件工作量大、功耗大、需要占用较多的I/O口线。

第三种方案：选用先进的数字式温度传感器，将采集到的数字式的温度信号直接送入单片机进行处理。随着传感器技术的发展，已经出现了先进的数字式温度传感器。这种方案中的温度传感器兼有测温和A/D转换的功能，输出值是数字信号，所以不必使用A/D转换器和相关的接口芯片，能够直接进入单片机进行数字处理。硬件电路非常简洁，有较好的线性关系和较强的抗干扰能力，同以上两种方案相比有明显的优势和极其广泛的开发前景。但是测量范围较小，一般在-50℃～+ 150℃之间。

由于本课题的温度巡检仪是面脚一般的环境温度即常温区，对测温范围要求并不严格，比较以上几个方案，我选用了第三种方案。

2.2.2各种数据的存储

在电路设计冲，温度值、温度传感器的相关数据、时间数据等都需要保存。并且掉电时要求数据不丢失。有两种电路可以实现数据的非易失性保存。

第一种方案：选用静态RAM 及专用的上电、掉电数据保护电路，但这种结构占用较多的软硬件资源，不宜采用。

第二种方案：使用串行2

E PROM作为数据存储器，且串行2E PROM具有很强的抗干扰能力，与单片机硬件接口非常简单可擦写次数多（目前为16

10次）。因此本设计采用第二种方案。

2.2.3时钟部分

在32 路温度巡检仪中需要记录故障发生的时间，所以要考虑实时时钟。实时时钟分为硬时钟和软时钟两种。

硬时钟有独立的实时时钟芯片组成，硬时钟的优点是时钟的准确度与单片机无关，不易产生误差；缺点是成本较高、体积大，并且与单片机通信时可能会受到外界的干扰。

软时钟是利用单片机内部的定时器，由软件程序产生实时时阂。节省了外都硬件资源。缺点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，会影响软时钟的准确度。因此，本设计采用独立的硬件时钟芯片。这样，即使看门狗电路令单片机复位，程序也只须将时钟芯片里的数据读出即可，不会影响时钟的准确度。

2.2.4打印输出

打印机输出是计算机系统最基本的输出形式，在本系统中要求有方便的打印记录，打印机一般有击打式和非击打式打印两类。

击打式打印机是利用机械作用，击打活字载体上的字符，使之与色带和纸相击打而印出字符，或者利用打印铜针撞击色带和纸打印出点阵组成的字符图形。其特点是一次性购置价格较高，耗材便宜，经久耐用。非击打式印字机的印字，不是机械的击打动作，而是利用各种物理的或化学的方法印刷字符，如静电感应，电灼，热敏效应，激光扫描及喷墨等。较常用的是喷墨打印机，虽然价格便宜但是经常要更换墨盒，耗材费用高。考虑到为方便用户长期使用，不至于经常拆卸仪表外壳而去更换墨盒，因此选用击打式打印机。

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。串行输出打印机根据活字载体的形状，分球形、字轮、针式、菊花、杯形等多种，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组成不同字符击打成字。它们的特点是打印速度高，机械结构比较简单，适合作为微小型计算机的打印输出设备。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。并行输出打印机按结构分为鼓式、链式、带式等种。一般适用于大型计算机系统。由于本系统仅需要打印温度值、时间和测试点的序号，所以选用串行的针式微型打印机。

2.2.5系统显示

单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED ( Light Emitting Diode ) 。液晶显示器，简称LCD ( Liquid Crystal Display); CRT 显示器。

LED 的发光效率和颜色取决于制造的材料，一般常用红色，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单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其他信息，它的优点是耗电省，配置灵活，接口方便，价格低，寿命长，对电流电压的要求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的应用。

LCD 是一种被动显示器，它本身并不发光，只是调节光的亮度。目前常用的LCD 是根据液晶的扭曲--向列效应原理制成的，可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。对于采用电池供电的便携式智能化测量控制仪表，考虑到低功耗的要求，常常需要采用液晶显示器，它体积小，重量轻，功耗极低，因此在仪器仪表中的应用十分广泛。但是必须借助外来光显示。

CRT 显示器可以进行图形显示，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 位数字形式的温度和路数，可以不必使用

价格较高的CRT ;4 位LED 的工作电流为240mA 左右，由于使用交流电源供电，足以提供LED 显示器所需要的功率，对于LED 而言，仅有4 位，体积也很小，这样比较LED 和LCD 的诸多特点，本系统选择LED 印显示器。

2.2.6键盘格式

键盘是一组按键的组合，它的作用主要是控制系统的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，还包括了产生键码的硬件电路、去抖动电路和多键、

窜键保护电路。每按下一个键，能自动产生这个键的键码，与此同时，产生一个脉冲信号。通知CPU 接收。这种键盘使用方便，接口程序简单，但是需要较多的硬件电路，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。

非编码式键盘仅由排成行、列矩阵形式的按键组成，按键的作用只是简单的实现接点的接通或断开，键的去抖动、键的编码的形成和键的识别等均由软件来完成。由于它经济实用，在单片机应用系统中广泛采用。

经过以上对比，可以采用非编码式键盘。

2.3系统设计的技术关键

根据以上所述的总体设计思想，设计中需解决的技术关键性问题是：

第一，这种巡检仪由于需要检测的点多达几十个，为了便于用户安装使用，在硬件设计时，应尽可能地使用各种先进的现场总线技术，力求电路最简单，安装调试最方便。

第二，为保证本系统高可靠性运行，仪器本身要具备很强的抗干扰能力，为此应在硬件及软件设计上引入各种抗干扰清施。特别是系统中各部分电路的电源均设计为直流稳压电源供电，当仪器用于复杂的工业环境时，直流电源能够不受干扰的对各部分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可能简单完善的设计思路，保证程序易于修改、调试。

第四，系统是一个实时运行的系统，当主机电源因某种原因停电时，为了保证系统工作时的数据的实时性，其后备电源应能可靠工作。

3 系统的硬件设计

3.1 系统的整体结构

根据上一章所选的总体方案确定的思路，下面将进行具体的系统硬件电路的设计。系统的整体结构框图如图3.l所示。

3.1 整体结构框图

数字式温度传感器主要是采集每个测试点的温度值，在其内部将采集到的温度值转换成数字信号，送入单片机集中进行处理。因为单片机的I/O口有限，所以每个温度传感器不可能直接接入单片机，必须应采用总线技术，将数字式的温度值通过总线循环的送入单片机。

存储器将存储各种与温度传感器有关的数据，例如，每个传感器的相关信息、每个测试点的温度值和相关的时间数据，以实现单片机对数据的集中管理，并防止丢失。

看门狗电路用来监视单片机的正常运行：LED显示器显示温度值和对应的测试点即路数，当需要修改某些数据或进行现场调试时，显示器应能配合键盘显示相关的信息。实时时钟电路为巡检仪提供准确的时钟：报警电路在温度异常时送出保护信号并能进行故障点的跟踪定位。

键盘在本系统中是操作员控测巡检仪的唯一途径，是安装调试的必备手段。在仪表需要改变某些数据，以及操作员在出现故障时能够实时打印故障路数、对应的时间、

温度数据等均应通过键盘完成相应的操作。

打印机主要打印某一时刻的各路温度值。

直流稳压电源为单片机、存储器、报警电路和显示器提供直流电压，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准确。3.2 温度巡检仪的硬件构成

3.2.1选择单片机

目前国内市场上可供选择的单片机的类型有很多种，以MCS-51 、MCS-96为主流系列。其中MCS-51 系列性能价格高，开发用的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，适合不同应用场合的新机种不断涌现，使得MCS- 51 系列单片机在国内成为开发中小型嵌入式系统的首选。

能够与80C51 兼容的单片机有诸如ATMEL 、PHILIPS 、INTEL 等公司的产品。AT89C51 是ATMEL 公司生产的、在我国应用较早、技术较成熟的MCS -51 系列单, 片机，目前价格仅为七点五元钱。它功耗低、性能高、片内含有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。芯片上的允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比极高。

除此之外还有很多单片机可供选择，例如83C552 是PHILIPS 公司80C51 系列的增强型产品，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。它的价格高于AT89C51 ，并且有5个8位I/O口，外加1 个与模拟输入共享的8 位输入口，1个8 路输入的10 位A/D转换器。但是对口对于32 路温度巡检仪来说，仅用一个8 路A /D转换显然不能满足需要，而假设在温度检测部分采用先进的传感器而不再使用A/D 转换后，CPU内部的A /D转换器和6个I/O口也就显得太浪费了。

3.2.2温度传感器及接口电路

a) 选择温度传感器

① MAX 公司的MAX6575 ，测温范围是-55℃～+ 125℃ ,6 管脚引线。MAX6575要求在一个单片机的一条控制总线上只允许挂接8个温度传感器，管脚数太多，单个传感器也不方便在总线上挂接。MAX6575 的分辨率在25℃时为0.8℃（最大为3℃），

电源电压为2.7～5.5V ，电流值为160μA，测温范围为-40℃～+125℃。

② DALLAS 半导体公司提供了先进的数字式温度计DS1820 系列。该系列采用了与众不同的原理，利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，通过对振荡周期的计数来实现温度测量的。输出值是数字信号，所以不必使用A/D转换器和相关的接口芯片，直接送入单片机进行数字处理。为了扩大测温范围和提高分辨率，使用了低温系数振荡器和一个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善线性，其中DS18B20是常用的温度传感器，它采用一根I/O数据线传输数据和命令，售价低廉，广泛用于食品库、冷库、粮库，是Ds1820 的改进型产品。

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 还能留有较多的I/O口继续扩展检测路数或其它功能，使用相当灵活，所以在本系统中我选择了DS18B20 。

b) 单总线技术

Ds18B20与单片机是单总线连接方式，单总线技术比传统的方案具有较高的性能价格比，具有以下特点：

①适用于低速测控场合,测控对象越多越显出其优越性

②性价比高，硬件施工,维修方便，抗干扰性能好

③具有CRC 校验功能，可靠性高

④软件设计规范，系统简明直观，易于掌握

c) DS18B20 及接口电路

具体地说它有以下特性：

·温度测量范围：-55 ℃～+ 125 ℃。

·分辨率：+ 0.5 ℃（-10 ℃～+ 85 ℃时）

·温度值输出：9 ～12 位二进制数字量（其中包括1 位符号位），可由编程决定具体位数。

·转换时间与设定的分辨率有关，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 。

·用户可设置报警温度的上下限

·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。

图3.2 DS18B20 的管脚图

Ds18B20内含程序设置寄存器：可以设置分辨率位数。该寄存器是DS18B20所专有的。其格式为：

TM：测试模式位. 当TM=1 时，寄存器处于测试模式；当TM=0时，寄存器处于工作模式。传感器出厂时均设置为何，且不可改变。R1 和R0 的设置组合与温度分详见下表3.1:

片内带64 位激光ROM，这是单总线芯片的特点。DS18B20 的家庭代码是28H , 从高位算起，ROM中有一个字节的CRC 校验码，6 个字节的产品序号和一个字节的家庭代码。Dsl8B20 内含由两个字节组成的温度数据寄存器。

表3.1 分辨率关系表

用户通过单总线对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

它的ROM 命令有5个，存储器的命令有6个，与DS182O 完全一样。命令的组成都是由复位、多个读时隙或/和写时隙等基本时序单元组成。

·复位：DS18B20 使用前需将其复位，然后才能执行其它命令。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, 完成操作。时序图3.3 如下所示：

图3.3 复位时序图

在电路中设计了三条I/O 口线，这样做是考虑到以下两点：① 实验过程中发现由于总线驱动能力的限制，如果一条线上挂接太多的元件，单片机有可能读不到远端的数据，应尽里缩短总线和分支的长度，所以分成两条独立的总线，每条挂接16 个温度传感器，保证每条总线都足以传输温度信号。② 在使用过程中如果某个传感器损坏了，就需要更换新的，那么新传感器的序列号必须存入仪表，否则单片机不能读取它发出的温度值，所以又增加了一条I/O 口线作为测试口，专门读取新元件的序列号。

由于温度传感器的三个引脚在工作不能相互接触，但是实际上又相隔很近，因此在电路中必须用绝缘套管将之分离。三个引脚不能直接浸入水或导电的介质中，应用导热性较好的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，只要条件允许，还是外接电源电压。

每个DS18B20 在电路中还有自己的序号，即路数。这是因为：① 序列号是64 位二进制数，用它来区分每个传感器不便于观察和记录；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的地址，有利于软件设计。因此，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。

Vcc GND

图3.4 DS18B20与CPU的接口电路

3.2.3实时时钟／日历芯片

a) 选择芯片

实时时钟芯片选择的是PCF8563

PCF8563 具体来说有以下特点：

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大工作电压范围：l.OV～5.5v

④400KHz 的2I 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报警和定时器

⑦内部集成的振荡器电容、片内电源复位功能、掉电检测器

⑧2I C总线从地址：读，OA3H ；写，OA2H

⑨开漏中断引脚

管脚图3.5 :

图3.5 PCF8563 管脚图

PCF 8563 有16个8位寄存器：一个可自动增量的地址寄存器，一个内置32. 768KHz 的振荡器（带有一个内部集成的电容），一个分频器（用于给实时时钟RTC 提供源时钟），一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个40OKHz 2I C总线接口。

所有16 个寄存器设计成可寻址的8 位并行寄存器，但不是所有位都有用。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 管脚的输出频率，地址OEH 和OFH 分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。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。当一个RTC 寄存器被读时，所有计数器的内容被锁存，因此，在传送条件下，可以禁止对时钟旧历芯片的错读。

3.2.4看门狗+存储器＋电压监控电路

在总体方案中确定了需要硬件看门狗和存储器，目前市场上己经出现了看门狗＋存储器＋电压监控的三种功能于一体的集成芯片。

a) CATll61 是CATALYST 公司的CMOS 低功耗产品。它的特点有400KHz 的时钟频率，与2I C总线兼容，工作电压为2.7—6.0v , 16字节页写，16K的EEPRoM , 内建偶然性的写保护，上电掉电保护电路，写锁存，使用期限100,000周期/字节，数据保存期100年，5 种阈值电压,价格较高。

b) x5045 是Xicor 公司的产品，它把三种常用的功能。看门狗定时器，电压监

控和2

E ProM 组合在单个封装之内,这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。X5045 看门狗定时器对控制器提供了独立的保护系统,当系统故障时，在可选的超时周期之后，X5045 看门狗将以RESET 信号作出响应,用户可从三个预置的值中选择此周期,一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。利用x5045 低电压检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响,当Vcc降到最小Vcc 转换点以下时，系统复位,复位一直确保到VCC 返回且稳定为止。X5045的存储器部分是CMOS 的4096 位串行EEPROM ，它在内部按512*8 来组织。

因为本系统只需要存储传感器的序列号和温度值等几百个数据，cAT1161 2

E ProM 对于本系统而言显然太大，并且价格较高；x5045 的2E ProM足够本系龚使用，价格相对便宜。因此我选择X5045 。以下是X5045及接口的特点:

①可编程的看门狗定时器；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 或所有的EEPROM 阵列

⑥内建偶然性的写保护：上电/掉电保护电路，写锁存，写保护引脚

⑦高可靠性：使用期限100,000周期/字节，数据保存期100 年，ESD 保护所有

引脚2000V

⑧温度范围：民用，工业，军品级

管脚图3.6 如下所示:

图3.6 X 5045的管脚图

X5045 具有简单的三总线工作的串行外设接口（SPI ）和软件协议。当X5045 被CPU 选中时，还、需要根据在操作时序上具体提供的读命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2E ProM 存储器阵列读数据时，首先把/CS 拉至低电平以选择芯片,8位的读( READ )指令被发送到X5045，其后是8 位的字节地址,读指令的位3 包含地址A8 ,此位用于选择器件的上半部或下半部,在发送了读操作码和字节地址之后，在所选定地址的存储器中存储的数据被移出到SO 线上,继续提供时钟脉冲可接着读出下一地址的存储器中存储的数据,在每一数据字节移出之后，字节地址自动增量至下一个较高的地址,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 置为高电平可以终止读操作。如图3.7所示。

图3.7 读时序图

b) 写时序

在把数据写入X5045之前。必须首先发出WREN 指令把“写使能”锁存器置位。/CS 首先被拉至低电平，然后WREN 指令由时钟同步送入X5045 ，在指令的所有8 位被发送之后。必须接着使/CS 变为高电平。如果用户在发出WREN 指令之后不把/CS 变为高电平而继续写操作，那么写操作将被忽略。

SCK

1

2

8

3

4

5

6

7

数据输出

为了把数据写至2E PRoM 存储器阵列，用户要发出WRITE 指令，后继以地址，接着是要写的数据，写指令的位3 包含地址A8 。此位用于选择器件的上半部或下半部。这是最少为24个时钟的操作。在此操作期内，CS 必须变为低电平且保持在低电平。主机可以继续写多达4年字节的数据至x5045 。唯一的限制是4个字节的地址必须停留在同一个页上。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可能写入的任何数据。

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。如果在任何其它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。

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／或看门狗定时器已达到其可编程的超时极限 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的目的。

SCK

1

2

8

3

4

5

6

7

片选时间

图3.9 复位操作时序图

具体的x5045 与AT89C51 的接口电路如图3.9 所示。

X5045 的数据输入线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 的三根I/O口线相连。芯片选择线/CS 有效时，x5045和AT89C51之间才能在串行时钟信号SCK 的节I/O下通过数据线进行数据传输。

2

E PRoM 从地址00H至FFH ，每8个一组分别存储32个温度传感器的序列号：从100H 至11FH 存储序号；从120H 至13FH 按序号的顺序存储温度值；从140H 至15FH 顺序存储32 个温度传感器的报警值；从l60H 至，l64H 存储年、月、日、时、分等时间信息。

看门狗超时周期设为1.4秒。在软件编程中，设t 约ls 访问一次x5045 ，当程序跑飞或大于1.4 秒没有访问看门狗时，X5045将输出复位脉冲，直到程序正常运行。由此增强CPU工作的可靠性和稳定性，增强抗干扰能力。