冷库温度监测预警系统设计—本科毕业设计论文

冷库温度监测预警系统设计—本科毕业设计论文内容摘要：

，一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明 DS18B20已经准备好发送和接收数据。 对 DS18B20的每一次操作均由 4个步骤组成 ：（ 1）初始化 (复位操作 )如图 28所示； (2)对 ROM 操作指令（识别器件 )； (3)对 RAM 操作指令 (读、写、转换 )； (4)收发数据。 图 28 初始化过程 总线控制器 发出（ TX）一个复位脉冲（一个最少保持 480μ s 的低电平信号），然后释放总线进入接收状态（ RX）。 单线总线由 5K 上拉电阻拉到高电平。 探测到 I/O 引脚上的上升沿后 DS18B20等待 15~60μ s，然后发出存在脉冲（一个 60~240μ s 的低电平信号）。 操作命令 Read ROM：用于读出 64位 ROM 数据，适用于仅有 1个 DS18B20的场合。 Match ROM：查找与给定 64位 ROM 数据相匹配的 DS18B20。 Skip ROM： 适用于仅有 1个 DS18B20的场合，无需给出 64位码就能快速选定 器件。 当一个系统初次启动时，总线控制器可能并不知道单线总线上有多少器件或它们的 64位ROM 编码。 搜索 ROM 命令允许总线控制器用排除法识别总线上的所有从机的 64位编码。 Search ROM：适用于多个 DS18B20的场合，该指令可识别出每个器件的 ID 号。 Alarm Search：用于温度报警查询。 12 ： 对 RAM 的操作指令有 6条 ： Write：这个命令向 DS18B20的暂存器中写入数据。 Read：读出 RAM 中所有 9个字节的数据，该指令可随时被复位操作所终止。 Copy：将 RAM 区的 5字节备份至 E2RAM。 Recall：将 EERAM 中的数据装入 RAM。 Convert：温度转换开始指令。 Read Power Supply：读电源指令。 读 /写时间隙： DS18B20的数据读写是通过时间隙处理位和命令字来确认信息交换。 写时间隙当主机把数据线从逻辑高电平拉到逻辑低电平的时候，写时间隙开始。 有两种写时间隙：写 1时间隙和写 0时间隙。 所有写时间隙必须最少持续 60μ s，包括两个写周期间至少 1μ s 的恢复时间。 I/O 线电平变低后， DS18B20在一个 15μ s 到 60μ s 的窗口内对 I/O 线采样。 如果线上是高电平，就是写 1，如果线上是低电平，就是写 0（见图 29）。 图 29 DS18B20写时序图图 210 DS18B20读时序图 主机要生成一个写时间隙，必须把数据线拉到低电平然后释放，在写时间隙开始后的 15μ s 内允许数据线拉到高电平。 主机要生成一个写 0时间隙，必须把数据线拉到低电 13 平并保持 60μ s。 读时间隙，当 DS18B20读取数据时，主机生成读时间隙。 当主机把数据线从高高平拉到低电平时，写时间隙开始。 数据线必须保持至少 1μ s；从 DS18B20 输出的数据在读时 间隙的下降沿出现后 15μ s 内有效。 因此，主机在读时间隙开始后必须停止把 I/O脚驱动为低电平 15μ s，以读取 I/O 脚状态（图 210)。 在读时间隙的结尾， I/O 引脚将被外部上拉电阻拉到高电平。 所有读时间隙必须最少 60μ s，包括两个读周期间至少 1μ s的恢复时间 [8]。 温度传感器电路 单片机接口的信号是数字信号，如果要用单片机来获取温度信息，必须要用温度传感器。 温度传感器的作用是将温度信息转化为电压电流信息，再经过 A/D 转换为数字量单片机才能使用。 为了使用方便，设计简单，本文选用温度传感器 DS18B20来采集环境温度信息。 由于 DS18B20是数字温度传感器，所输出的量是数字量，所以虽然温度是模拟量，但不用进行 A/D 转换，可以将所检测到的信息直接输入到 选通信号输出端。 VDD 管脚接 5V电压给传感器供电。 DQ 管脚为数据线，如果需要 DQ其作为漏极电源供电，则还要接一个 的上拉电阻，并接到 5V 的电源上，使数据线在空闲状态下能自动上拉为高电平。 GND 管脚接地。 电路如图 211所示。 图 211 温度采集电路 显示部分电路 单片机中经常使用 7段 LED 来显示数字，也就是用 7个 LED 构成字型“ 8”，并另外用一个圆点 LED 来显示小数点，也就是说一共有 8个 LED，构成了“ 8.”的字型 7段 LED分共阴级和共阳极两种。 本设计采用共阳极接法，用采取动态显示数值。 a、 b、 c、 d、e、 f、 g、 DP 分别接 ~。 ~ LED 显示器 DS DSDS DS4相连。 电路如图 212所示 14 图 212 显示部分电路 LED 有静态显示和动态显示两种方式。 LED 的静态显示虽然有编程容易、管理简单等优点，但是静态显示所要占的 I/O 口资源很多，所以在显示的 LED 点较多的情况下，一般都采用动态显示方式。 在多位 7段 LED 显示中，为了简化电路，降低成本，则将所有位的段选线并联在一起，刚好由 8个 I/O 口来控制 8段。 而公共（共阳极 /共阴极则分别由相应的 I/O 口控制，以实现各个位的分时选通。 由于所有的段选线并联到同一个 I/O，由这个 I/O 口来控制，因此，若是所有的 4位7段 LED 都选通的话， 4位 7段 LED 将会显示相同的字符。 要使各个位的 7段 LED 显示不同的字符，就必须采用动态扫描方法来轮流点亮每一位 7段 LED，即在每一瞬间只选通一位 7段 LED 进行显示单独的字符。 在此段点亮 时间内，段选控制 I/O 口输出要显示的相应字符的段选码，而位选控制 I/O 口则输出位选信号，向要显示的位送出选通电平（共阴极则送出低电平，共阳极则送出高电平），使得该位显示相应字符。 这样将四位 7段 LED 轮流去点亮，使得每位分时显示该位应显示的字符。 由于人眼的视觉暂留时间为 ，当每位显示的间隔未超过 33ms 时，并在显示时保持直到下一位显示，则由于人眼的视觉暂留效果眼睛看上去就像是 4位 7段 LED 都在点亮。 设计时，要注意每位显示的间隔时间，由于一位 7段 LED 的熄灭时间不能超过 100ms，也就是说点亮其它位所用的 时间不能超过 100ms，这样当有 N 位的 7段 LED 用来显示时，每一位间隔的时间 t就必须符合 t≦ 100ms/(N1)。 比如，现在使用 4位，也就是 N＝ 4，则由式子可以算出 t≦ 33ms，就是每一位的间隔时间不能超过 33ms。 报警部分电路 15 由于单片机很难驱动蜂鸣器发出声音，所以增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流， 将单片机的 ， 蜂鸣器的正极性的一端联接到 5V 电源上面，另一端联接到三极管的集电极。 当温度高于上限或低于下限时，令，使三极管导通，蜂鸣器报警。 电路如图 213所示。 图 213 报警部分电路 本章小结 本章主要是硬件电路的设计，分为单片机控制模块、 温度采集模块、温度显示模块、报警模块等，并对各个模块进行了介绍。 特别是对传感器和单片机的介绍比较全面，因为它们关系到整个系统的性能。 16 17 3 电路板设计 本设计的硬件电路板用 protel 软件来设计。 在本次设计之前，我们没有接触过该软件，因此这次设计所需的软件知识都是现学的，通过一段时间的学习，掌握了 protel 软件的基本应用知识： protel 创建设计文档，原理图设计系统的基本操作，库文件 的制作，网络表文件的生成，网络表文件的生成，创建 PCB 元器件，绘制 PCB 印制电路板，导入网络表，摆放元器件，布线，铺地， DRC 检验。 Altium Designer 6 简介 PROTEL 是 PORTEL 公司在 80 年代末推出的 EDA 软件，在电子行业的 CAD 软件中，它当之无愧地排在众多 EDA 软件的前面 [5]。 2020 年年底， Protel 软件的原厂商 Altium公 司推出了 Protel 系列的最新高端版本 Altium Designer。 它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯 一一种完整的板级设计解决方案。 Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化 PCB 设计、可编程器件（如 FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行 PCB和 FPGA 设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。 这款最新高端版本 Altium Designer 99SE， Protel dxp 2020 在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。 Altium Designer 拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了 FPGA 设计功能和 SOPC 设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的 FPGA 与 PCB 设计以及嵌入式设计集成在一起 [26]。 在 PCB 部分，除了 Protel2020 中的多通道复制；实时的、阻抗控制布线功能； SitusTM自动布线器等新功能以外， Altium Designer 还着重在：差分对布线， FPGA 器件差分对管脚的动态分配， PCB 和 FPGA 之间的全面集成，从而实现了自动引脚优化和非凡的布线效果。 还有 PCB 文件切片， PCB 多个器件集体操作，在 PCB 文件中支 持多国语言（中文、英文、德文、法文、日文），任意字体和大小的汉字字符输入，光标跟随在线信息显示功能，光标点可选器件列表，复杂 BGA 器件的多层自动扇出，提供了对高密度封装（如 BGA）的交互布线功能，总线布线功能，器件精确移动，快速铺铜等功能 [26]。 交互式编辑、出错查询、布线和可视化功能，从而能更快地实现电路板布局 ,支持高速电路设计，具有成熟的布线后信号完整性分析工具 Altium Designer 对差分信号提供系统范围内的支持，可对高速内连的差分信号对进行充分定义、管理和交互式布线。 支持包括对在 FPGA 项目内部定义的 LVDS 信号的物理设计进行自动映射。 LVDS 是差分信号最通用的标准，广泛应用于可编程器件。 Altium Designer 可充分利用当今 FPGA 冷库温度监测预警系统设计 18 器件上的扩展 I/O 管脚 [26]。 使用 protel 画 PCB 的基本步骤： 决定电路原理图如何设计，同时也影响到 PCB 板如何规划。 根据设计要求进行方案比较、选择，元器件的选择等，开发项目中最重要的环节。 在设计电路原理图之前，有时候会对某一部分电路设计并不十分确定，因此需要通过电路仿真来验证。 还可以用于确定电路中某些重要器件参数。 2. 绘制原理图 先画出自己定义的非标准器件封装库。 Altium Designer 库，但不可能包括所有组件，必要时需动手设计原理图组件，建立自己的组件库。 然后设计制作得到正确的原理图和网络表。 布通之后，进行手工调整，需要加粗的底线电源线等手工加粗，消除不必要的过孔。 调整完后用 VIEW3D 功能查看实际效果图，合适后进行下一步。 布线完后电路板一些器件封装库中没有，就需要自己封装，制作封装时必须查明芯片手册，弄清楚芯片的引脚以及所有尺寸，做好添加到封装库里就可以直接 使用了。 ，画上布线图然后设置环境参数打开所有要用到的库文件后调入网络表文件，设定工作参数。 ，设计中所有元件以单片机为中心围绕设置，制定详细的布线规则。 对部分重要线路进行手工布线。 自动布线适用于电路的简单设计，本设计直接用自动布线完成。 系统原理图 系统采用 单片机 AT89C52 作为微处理器，其原理图如图 31 所示。 由 系统原理图可知， 单片机的 ~ 脚分别与 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 DP 连接， LED 显示器为共阳极接法。 ~ 分别通过三极管与 LED 显示 器 DS DS DS DS4 相连。 将单片机的 读选通信号输出端脚驱动 蜂鸣器来报警，按键 S S S4 分别与 、 相连接。 可以用这 3 个按键根据需要设置不同的上限，下限温度值。 温度信息由温度传感器 DS18B20 输入 端。 单片机定时采集温度信息进行操作。 Vcc 和 Vss 分别连接供电电源（ +5V）和地线。 XTAL1和 XTAL2分别连接晶体振荡电路反相器的输入端和输出端。 在使用内部振荡电路时，这两个引脚端用来外接石英晶体和微调电容，振荡频率为晶体振荡频率，振荡信号送入内部时钟电 路产生时钟脉冲信号。 当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 控制信号引脚。 RST 连接复位电路，采用按键电平复位。 当输入的复位信号为延时 2个机器周期以上的高电平是则实现复位操作。 19 图 31 电路原理图 电路板制作 经过以上对系统的设计、仿真。 为了做出实物，需要把 Protel 中的仿真成功的原理图转换到 PCB 图，把原理图转换成为与实物组合，大小相同，必须经过 PCB 制板这一环节。 PCB 制板需要做板面电路原理图，器件布局，线路走线布局。 布线完后检查无误就对各布线层的放置底线进行覆铜，增强板子的抗干扰能力。 覆 铜有网格法和实心法。 本文所采用的。