廣東省高級技工學校 朱小燕

超低功耗電子溫度計的制作

廣東省高級技工學校 朱小燕

以單片機（AT89S51）為控制核心，用溫度傳感器對溫度進行實時采集，利用時鐘芯片構成萬年歷，最后通過液晶顯示屏把各項參數(shù)顯示出來。外部設備的啟停由溫度的整定值來控制。時鐘芯片可以準確顯示年、月、日、時、分、秒，還可以設置鬧鈴。通過鍵盤可以方便的實現(xiàn)畫面切換、各項參數(shù)的設置、喚醒等操作。

AT89S51；溫度傳感器；時鐘芯片；MAX232CPE；液晶顯示屏

1.系統(tǒng)模塊組成

系統(tǒng)可以分為溫度采集部分、控制部分和顯示部分。其中溫度采集部分由數(shù)字式溫度傳感器構成?？刂撇糠钟赏ㄓ嵞K，時鐘模塊，外設驅動模塊，鍵盤模塊構成。顯示部分由顯示器構成。

2.系統(tǒng)的硬件設計

本系統(tǒng)的單元電路包括：溫度采集電路，鍵盤識別電路，液晶顯示電路，時鐘接口電路，外設驅動電路及串口通信電路。各部分緊密聯(lián)系在一起形成了一套完善的低功耗溫度采集控制系統(tǒng)。

2.1 溫度采集電路

溫度檢測模塊我們采用單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它不僅能直接輸出串行數(shù)字信號，而且具有微型、低功耗、高性能、易于微處理器連接和抗干擾能力強等優(yōu)點。DS18B20數(shù)字式溫度傳感器對于實測的溫度提供了9-12位的數(shù)據(jù)和報警溫度寄存器，它的測溫范圍為-55℃～+125℃，其中在-10℃～+85℃的范圍內(nèi)的測量精度為±0.5℃。由于每個DS18B20有唯一的一個連續(xù)64位的產(chǎn)品號，所以允許在一根電纜上連接多個傳感器，以構成大型溫度測控網(wǎng)絡。DS18B20的①腳接地，②腳為一線式總線通過一個4.7K的上拉電阻接到單片機的P3.4口，③腳接電源。如圖1所示。

圖1 溫度檢測電路和鍵盤電路

圖2 液晶顯示電路和外設驅動電路

2.2 鍵盤電路

矩陣式鍵盤的行線和列線通過上拉電阻接電源(如圖1所示)，并將行線接在單片機的P0.4～P0.7引腳上作為輸出端口，而列線接在P0.0～P0.3引腳上作為輸入端口。如果行線輸出低電平，那么一鍵按盤，輸入線就會變成低電平,這樣通過讀輸入線的狀態(tài)就可知道是否有鍵盤輸入了。

2.3 液晶顯示電路

MS12864R LCD顯示器采用單獨+5V直流電源供電，可與單片機并口連接(如圖2所示)，使用REQ/BUSY握手通訊協(xié)議，通訊簡單可靠。模塊本身自帶低電平復位的阻容復位電路，復位后可自動進行初始化設置，同時向用戶提供一個復位引腳，也可由單片機進行軟件復位或硬件復位。在顯示器的電源和背光燈處各加一個PNP型三極管對電源進行管理，在不必要時可關閉電源，以便降低系統(tǒng)的能耗。

2.4 外設驅動電路

選用固態(tài)繼電器來驅動交流220V的外部設備(如圖2所示)，固態(tài)繼電器是無觸點開關器件。單相固態(tài)繼電器是四端有源器件，其中兩個輸入端為發(fā)光二極管，兩個輸出端為感光三極管，輸入輸出間通過光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號，其內(nèi)部發(fā)光二極管就會發(fā)光，輸出端的感光三極管就從斷態(tài)轉變成通態(tài)，當單片機采集到的溫度達到一定范圍時，單片機就會通過改變相應引腳的電位來驅動外設工作。

2.5 時鐘接口電路

時鐘接口芯片DS12RC887內(nèi)部由振蕩電路、分頻電路、周期中斷/方波選擇電路、14字節(jié)時鐘和控制單元、114字節(jié)用戶非易失RAM、十進制/二進制累加器、總線接口電路、電源開關寫保護單元和內(nèi)部鋰電池等部分組成，其硬件接口如圖3所示。

圖3 時鐘接口電路

圖4 主程序流程圖

MOT引腳為時序模式選擇，當與MS-51單片機連接時此引腳接低電平，選擇INTEL時序。

AD0～AD7是雙向地址/數(shù)據(jù)復用總線，接到AT89S51的P0或P2口，因為單片機的P0口接有矩陣鍵盤，所以不能接到此口，可以接到P2口通過片選信號線/CS來分時為LCD或DS12CR887使用。

AS引腳為地址選通輸入，用于實現(xiàn)信號分離，在AD/ALE的下降沿把地址鎖入DS12RC887。

DS引腳在MOT接低電平時為數(shù)據(jù)讀輸入(RD)，可與單片機的/RD引腳相連。

R/W引腳在MOT接低電平時為數(shù)據(jù)寫輸入(WR)，可與單片機的/WR引腳相連。

CS引腳為片選輸入，在訪問DS12RC887的總線周期內(nèi)，片選信號必須保持為低。

RESET(復位輸出)：當該腳保持低電平時間大于200ms，保證DS12RC887有效復位。

3.系統(tǒng)的軟件設計

3.1 主程序流程圖

本系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊，鍵盤掃描識別模塊，DS18B20溫度采集模塊，LCD顯示器與實時時鐘模塊，外設驅動模塊，串行通信模塊和中斷服務程序組成，工作流程如圖4所示。

圖5 鍵盤掃描識別流程圖

3.2 主要模塊單元的設計

3.2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)通電后首要任務是要對MCU和外設進行初始化，包括單片機內(nèi)部RAM空間的分配，各類外部中斷、定時/計數(shù)器和串行口的初始化，溫度傳感器DS18B20的參數(shù)配置，LCD顯示器的初始化等。

3.2.2 鍵盤掃描識別

通過鍵盤掃描來實現(xiàn)溫度上限，下限的整定和系統(tǒng)時間的修改，LCD顯示畫面的切換和LCD電源及其背光的打開與關閉等功能，其具體工作流程如圖5所示。

首先系統(tǒng)要進行鍵盤掃描來確定是否有按鍵輸入，為了保證按鍵信號的可靠與穩(wěn)定，系統(tǒng)要在第一次檢測到按鍵信號后延時5～10mS以去除干擾信號，然后再進行掃描，如這時發(fā)現(xiàn)有鍵按下時就要進行按鍵識別，并通過跳轉指令去執(zhí)行相應的功能程序。

下面簡單介紹一下鍵盤部分功能鍵的作用：

(1)在沒有進行參數(shù)設置的情況下，每按一次“↑或↓”鍵便可切換LCD所顯示的畫面以便查看系統(tǒng)的其他信息。

(2)當按下“Setup”鍵時便可對系統(tǒng)的各類參數(shù)進行設置，如溫度的上限，下限和整定時間等。

(3)在進行參數(shù)設置時按下“Cancel”鍵，可以取消各類參數(shù)的設置，在沒有進行參數(shù)設置時按下該鍵可以關閉LCD和其背光電源。

(4)在進行參數(shù)設置時按下“Enter”鍵，可以保存各類參數(shù)的設置，在沒有進行參數(shù)設置時按下該鍵可以打開LCD和其背光電源。

(5)數(shù)字鍵用于參數(shù)的設置，在沒有進行參數(shù)設置時按下數(shù)字鍵是不起作用的。

4.系統(tǒng)功能測試

測試的結果：

1)系統(tǒng)能檢測的溫度范圍達到-10℃～+125℃，且能夠通過鍵盤更改溫度的設定值和設置報警溫度；

2)分辨率達到±0.1℃；

3)空閑狀態(tài)下整機功耗為40uA；

4)能正確顯示時分秒，且在一天內(nèi)的誤差小于0.1秒，可以設置整定時間，對外設進行定時控制。

5.總結

本系統(tǒng)采用高精度，低功耗的外圍電子元件，輔以AT89S51單片機為控制器，以“一線式”溫度傳感器DS18B20作為檢測元件，完成了高分辨率、低功耗的電子溫度計的制作。本系統(tǒng)能夠正確顯示當前的溫度并能通過調(diào)整溫度的設定值來控制外部設備的運行，而且還可以通過上位機來實時接收下位機采集到的溫度數(shù)據(jù)并進行全面直觀的顯示和分析。整個系統(tǒng)結構簡單，性能穩(wěn)定，可靠性高。

[1]趙文博.常用集成電路速查手冊[M].機械工業(yè)出版社,2010.3.

[2]李全利.單片機原理與應用[M].清華大學出版社,2011.10.

[3]王幸之.AT89系列單片機原理與接口技術[M].北京航空航天大學出版社,2004.5.

[4]謝志萍.傳感器與檢測技術[M].電子工業(yè)出版社,2004.8.

[5]21IC中國電子網(wǎng)[OL].www.21ic.com.