基于單片機的自動消毒柜控制器設計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ，如（ Philips）、 SMBus(intel)、 SPI（ Motorola）Microwire/Plus(NSC)等串行總線協(xié)議，而 DS18B20 采用的是 1wire 總線協(xié)議。1wire是 DALLAS公司的一項專有技術，它采用一根信號線實現(xiàn)信號的雙向傳輸，具有接口簡單，節(jié)省 I/O 線，便于擴展和維護等優(yōu)點。在單點溫度控制系統(tǒng)中：主要應用 1wire 集成數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 實時檢測 溫度，并根據(jù)按鍵設定溫度值，實現(xiàn)溫度控制輸出。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度長春工業(yè)大學畢業(yè) 論文 8 并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9~12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在 和 750ms 內(nèi)完成 9 位和 12位的數(shù)字值，并且從 DS18B0 讀出的信息或寫入 DS18B20 的信息僅需 要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變化功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的 DS18B20 供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20 可使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度 ,轉換時間 ,傳輸距離 ,分辨率等方面較 DS1820 有了很大的改進 ,給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果 [15]。 溫度檢測電器元件的特性 DS18B20采用 3 腳 PR35封裝的引腳，測溫范圍為 55℃ —— +125℃，在 10℃—— +85℃范圍內(nèi)，可確保測量誤差不超過177。 176。 C；并且轉換精度可編程控制。芯片出 廠時默認 12 位轉換精度。 DS18B20 工作在 9 位、 10 位、 11 位和 12 位模式時的溫度分辨力依次為 ℃、 ℃、 ℃、 ℃。當 DS18B20 接收到溫度轉換命令后，開始轉換完成后的溫度以 16 位帶符號擴展的二進制補碼形式，存儲在 scratchpad RAM 中的第 0， 1 字節(jié)。在執(zhí)行讀 scratchpad RAM 命令后，可將這兩字節(jié)的溫度值通過單總線傳給主 CPU，高字節(jié)的符號位代表溫度值為正還是為負。單總線要求外接一個約 5K 的上拉電阻；這樣不管什么原因，如果傳輸過程中需要暫掛起，且要求傳輸過 程還能繼續(xù)的話，則總線在恢復時間處于空閑狀態(tài)（高電平） [15]。 DS18B20 的特性如下： 一、獨特的單互接口方式： DS18B20 與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 二 、 在使用中不需要任何外圍元件。 三、可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍： +~+。 四、測量范圍： 55~+125℃。固有測溫分辨率為 ℃。 五、通過編程可實現(xiàn) 912 位的數(shù)字讀數(shù)方式。 六、用戶可自設定非易失性的報警上下限值。 七、支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn) 多點測溫。 八、負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 溫度檢測電路元件的內(nèi)部結構 DS18B20 采用 3 腳 PR35 封裝或 8腳 SOIC 封裝如圖 所示，其內(nèi)部結構框圖如圖 所示。 長春工業(yè)大學畢業(yè) 論文 9 圖 DS18B20的管腳排列 圖 DS18B20內(nèi)部結構框圖 一、 64b 閃速 ROM 的結構如下： 8b 檢驗 CRC 48b序列號 8b工廠代碼（ 10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB 開始 8 位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一序號，共有 48 位，最后 8 位是前 56 位的 CRC 校驗碼，這也是多個 DS18B20 可以采用一線進行通信的原因。 二、非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH和和 TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限。 三、高速暫存存儲器 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM和一個非易失性的可電DALLASDS18B21 2 3 GNDVQ VaaNC NCNCVQVa aNCGNDNCDS 18 B 2 0 8 腳 S OIC 封裝64 位 R OM 和單線接口I / O CVD 1VD 2電源檢測Vd d存儲器與控制邏輯高速緩存8 位 CRC 發(fā)生器溫度傳感器高溫觸發(fā)器 TH高溫觸發(fā)器 TL配置寄存器長春工業(yè)大學畢業(yè) 論文 10 擦除的 EEPRAM。后者用于存儲 TH， TL 值。數(shù)據(jù)先寫入 RAM，經(jīng)校驗后再傳給EEPRAM。而配置寄存器中的第 5個字節(jié)，他的內(nèi)容用于確定 溫度值的數(shù)字轉換分辨率， DS18B20 工作時按此 寄存器中的分辨率將溫度轉換為相應精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如下 ： TM R1 R0 1 1 1 1 1 低 5位一直都是 1， TM 是測試位，用于設置 DS18B20 在工作模式還是在測試、模式。在 DS18B20 出廠時該位被設置為 0，用戶不要去改動， R1 和 R0決定溫度轉換的精度位數(shù)，即是來設置分辨率，如表 所示（ DS18B20 出廠時被設置為12位）。 表 R1和 R0模式表 R1 R0 分辨率 溫度最大轉換時間/ms 0 0 9位 0 1 10位 1 0 11位 1 1 12位 由表 ，設定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉換時間就越長。因此，在實際應用中要在分辨率和轉換時間權衡考慮 [15]。 高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他 8個字節(jié)組成，其分配如下所示。其中溫度信息（第 1， 2 字節(jié)）、 TH 和 TL 值第 3， 4字節(jié)、第 6~8 字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯 1；第 9字節(jié)讀出的是前面所有 8個字節(jié)的 CRC，可用來保證通信正確。 溫度低位 溫度高位 TH TL 配置 保留 保留 保留 8位 CRC LSB MSB 當 DS18B20 接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換，轉換完成后的溫度值就以 16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 2字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以長春工業(yè)大學畢業(yè) 論文 11 ℃ /LSB 形式表示 [15]。溫度值格式如下： 23 22 21 20 21 22 23 24 MSB LSB S S S S S 26 25 24 MSB LSB 對應的溫度計算：當符號位 S=0 時，直接將二進制位轉換為十進制；當 S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。表 是對應的一部分溫度值 表 部分溫度值 溫度 /℃ 二進制表示 十六進制表示 +125 00000111 11010000 07D0H + 00000001 10010001 0191H + 00000000 00001000 0008H 0 00000000 00000000 0000H 11111111 11111000 0FFF8H 11111110 0110111 0FE6FH 55 11111100 10010000 0FC90H DS18B20 完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與 TH， TL 作比較，若 T﹥ TH或 T﹤ TL，則將該器件內(nèi)的告警標志置位，并對主機發(fā)出的告警搜索命令做出響應。因此，可用多只 DS18B20 同時測量溫度并進行告警搜索。 四、 CRC 的產(chǎn)生 在 64bROM 的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼（ CRC）。主機根據(jù) ROM的前 56 位來計算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比以判斷主機收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。 溫度檢測元件 DS18B20 的測溫原理 DS18B20 的測溫原理如圖 所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器 2 的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門， 當計數(shù)門打開時， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時長春工業(yè)大學畢業(yè) 論文 12 鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55℃所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器中，減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預置在 55℃所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器 1的預置值減到 0時溫度寄存器的值將加 1，減法計數(shù)器 1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器 2計數(shù)到 0 時，停止溫 度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度 [15]。圖 中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是 DS18B20 的測溫原理。 增加 停止 圖 DS18B20的內(nèi)部測溫電路框圖 溫度檢測電路與 89C51 的接口設計 圖 中 DS18B20采用外接電源方式，其 VDD 端用 3V~ 電源供電，并在數(shù)據(jù)線上加一個上拉電阻 。 +5V GND +5V DAT 圖 DS18B20與 89C51的接口電路 89C51 DS18B20 斜率累加器 減法計數(shù)器 預置 低溫度系數(shù)振蕩器 計數(shù)比較器 預置 溫度寄存器 減到 0 減法計數(shù)器 2 高溫度系數(shù)振蕩器 減到 0 長春工業(yè)大學畢業(yè) 論文 13 臭氧濃度檢測電路設計 設計采用國際上通用的紫外吸收法測量臭氧濃度研究和設計了基于 89C51單片機的臭氧濃度在線測量系統(tǒng)，紫外吸收法的基本原理是臭氧對波長為 紫外光具有最大 吸收值的特性，按朗伯 比爾定律： C= bg* (Iο / I ) / ( K* L) (21) 分別測量相同紫外光束透射樣氣（臭氧）和零氣（空氣）后的光強值 I 和 I ，利用朗伯 比爾定律公式可計算得出臭氧濃度，其中 K、 L分別代表臭氧對紫外光的吸收系數(shù)和吸收室的長度，該法可實現(xiàn)連續(xù)測量，且受其他氧化劑干擾小，穩(wěn)定性好 [30]。 臭氧濃度在線測量由主控制器 89C51 單片機、三通電磁閥、吸收室、紫外光源、光電傳感器和顯示電路構成基本電路，系統(tǒng)框圖如圖 所示 [30]。其中 89C51單片機、三通電磁閥和吸收構成臭氧濃度傳感變換器；紫外光源、光電傳感器、放大器、 A/D 轉換和 89C51 單片機構成信號采集與 A/D 轉換模塊； 89C51 單片機調(diào)節(jié)三通電磁閥的換向，使被檢測的樣氣和不含臭氧的零氣分時進入吸收室，控制 A/D 轉換器采集透過樣氣和零氣的紫外光強值 I 和 I 按朗伯 —— 比爾定律計算臭氧濃度，進行數(shù)據(jù)顯示，實現(xiàn) 89C51 單片機和數(shù)控型臭氧發(fā)生器電源供電系統(tǒng)通訊，主要模塊工作原理分述如下： 圖 臭氧濃度在線檢測系統(tǒng)框圖 臭氧濃度傳感變換器 臭氧濃度傳感變換器結構框圖如圖 所示，含臭氧氣體進入變換器后分為兩路，一路經(jīng)催化轉化器變化為不含臭氧的零氣，單片機經(jīng)驅動電路控制三通電磁閥導通零氣作為被測氣體進入吸收室，連續(xù)十八次測量相應的紫外光強值 I ；然后，單片機控制三通電磁閥切換，導通樣氣進入吸收室，連續(xù) 18 次測量相應的紫外光強值 I。對 I和 I 的 18 個采樣值在分別除去其中的極大和極小值后取平均值 I 和 I ，然后把平均值帶入朗伯 —— 比爾定律中計算濃度值，這里采用了去極值平均濾波技術，可消除由于氣路切換造成的測量粗差，提高了系統(tǒng)測量89 C 51顯示電路 A / D 轉換器驅動電路放大器三通電磁閥電信號空氣 樣氣光電傳感器光強被測氣體吸收室紫外光束紫外光源長春工業(yè)大學畢業(yè) 論文 14 精度和準確性。 圖 臭氧濃度傳感變換器結構框圖 在鎖 路切換后和信號采集前，必須讓前一次被測氣體完全排空，下一次被測氣體充滿整個吸收室