具有无线远传的温度法热计量器设计（可编辑）

具有无线远传的温度法热计量器设计（可编辑） 具有无线远传的温度法热计量器设计 摘 要 近年来,随着地区经济的迅猛发展,环境污染问题越来越严重,防止环境污染,保护环境,维持生态平衡,已成为社会发展的一项重要举措,也是每个公民应尽的义务。我国经济快速增长,各项建设取得巨大成就,但也付出了巨大的资源和环境代价,经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐,群众对环境污染问题反应强烈。这种状况与经济结构不合理,不加快调整经济结构、转变增长方式,资源支撑不住,环境容纳不下,社会承受不起,经济发展难以继续。只有坚持节约发展、清洁发展。安全发展,才能实现经济又好又快发展。同时,室温气体排放引起全球气候变暖,备受社会广泛关注。进一步加强节能减排工作,也是应对全球气候变化的迫切需要。 如今取暖已经成为了节能减排的重要目标。本系统的设计可以有效的控制不合理的浪费,同时也可降低能源的浪费。设计本系统主要的目的是利用SIM300将供热户的室内温度定时的发送到供热中心,供热中心可以及时的发现热用户是否在浪费热源(如开窗户,放热水等)。然后及时的处理热用户,或者阻止热用户的这种浪费行为。这样做的目的即实现了节能减排,又同时进行合理的收取供热费用,真正的实现了,温度法热计量收费的目的。系统扩展了温度上下限自动报警,按键记录当前温度值。同时热用户可以把供热不良的问题及时的反应给供热中心,这样做可以达到双方有效的凭证。共同为节能减排做有效的保护措施。本系统还增加了年月,日,时,分,秒,星期等功能。 关键词:SIM300 LCD1602 DS18B20 温度采集 按键 ABSTRACT In recent years, With the rapid development of regional economy,Environmental pollution problem is getting worse,Prevention of environmental pollution, Protect the environment, Maintain ecological balance, Has become an important measure of social development, Is the obligation of every citizen. China's rapid economic growth, The construction has made great achievements, But also paid a huge resource and environmental costs, Economic development and resources and the environment become increasingly acute contradictions, Masses reacted strongly to environmental pollution problems. This situation and the economic structure is irrational, Do not speed up the adjustment of economic structure, change the mode of growth, Resources can not support, the environment does not fit, can not afford the social and economic development is difficult to continue. Only by adhering to conservation development, clean development. Security and development in order to achieve sound and rapid economic development. Meanwhile, the room temperature gas emissions cause global warming, a subject of widespread concern. Further strengthen energy conservation work, but also respond to the urgent need for global climate change. Today heating energy conservation has become an important goal. The system is designed to effectively control the unreasonable waste, but also to reduce energy waste. The main purpose of this system design is the use of the heating households SIM300 indoor temperature regularly sent to the central heating, heating center can be found in a timely manner whether the waste heat source heat users such as opening the window, put hot water, etc.. And timely treatment heat users, or to prevent such waste heat user behavior. The aim is to achieve energy conservation, but also for a reasonable charge heating costs, the true realization, temperature method heat metering and charging purposes. System extends the upper and lower temperature alarm, keyloggers current temperature value. Meanwhile heat users can put the problem of poor heating timely response to the heating center, doing so both sides can reach a valid certificate. Together for effective protection to energy saving measures. The system also increased the years, days, hours, minutes, seconds, weeks and other functions. Keywords: SIM300 LCD1602 DS18B20 Temperature acquisition Button 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 绪论 1 1.1供热计量器的发展历程 1 1.2研究的目的和意义 3 1.3研究/设计的目标 3 第2章 系统的工作原理 5 2.1系统的原理 5 2.2 CPU(STC12C5A60S2)主要性能 5 2.2.1 CPU的主要性能 5 2.2.2功能特性描述 6 第3章 系统的硬件选择 9 3.1本系统的构成 9 3.2 本系统的硬件选择 9 3.2.1温度传感器的选择 9 3.2.2 AD转换芯片的选择 13 3.2.3每户终端向供热公司数据传输选择方案 18 3.2.4 DS1302时钟芯片 23 3.2.5 EEPROM的选择方案 27 3.2.6显示电路的选择 32 3.2.7蜂鸣器模块设计 36 3.2.8 串口通信的设计 37 3.2.9按键电路的设计 38 3.2.10电源部分的设计 39 3.2.11单片机复位电路部分 40 第4章 软件设计 41 4.1系统总流程图 41 4.2各模块功能流程图设计 41 第5章 软硬件的调试过程 47 5.1单片机最小系统的硬件设计 47 5.2单片机所有硬件电路的焊接过程 47 5.3软件的调试过程 48 5.4装有SIM300模块的硬件通信软件调试过程 49 5.5基本功能实现 50 结 论 51 致 谢 53 参考文献 54 附录1 本设计的整体电路图 56 附录2 本设计的主要程序代码 57 Contents Abstract I ABSTRACT II Chapter 1 Introduction 1 1.1 Development of heat metering device 1 1.2 The purpose and significance of the study 3 1.3 Research / design goal 3 Chapter 2 System Works 5 2.1 The principle of the system 5 2.2 CPU STC12C5A60S2 Main Performance 5 2.2.1 CPU's main performance 5 2.2.2 Features Description 6 Chapter 3 system hardware selection 9 3.1 System configuration 9 3.2 system hardware selection 9 3.2.1 Temperature sensor selection 9 3.2.2 AD conversion chip options 13 3.2.3 household heating company data terminal to the options 18 3.2.4 DS1302 clock chip 23 3.2.5 EEPROM options for 27 3.2.6 display circuit selection 32 3.2.7 Buzzer Module Design 36 3.2.8 Serial Communication Design 37 3.2.9 key circuit design 38 3.2.10 power supply part of the design 39 3.2.11 microcontroller reset circuit part 40 Chapter 4 Software Design 41 4.1 total system flow chart 41 4.2 Flowchart of each design module function 41 Chapter 5 of hardware and software debugging process 47 5.1 smallest single-chip system hardware design 47 5.2 All chip hardware circuit welding process 47 5.3 software debugging process 48 5.4 SIM300 module is equipped with a hardware communication software debugging process 49 5.5 basic functions 50 Conclusions 51 Acknowledgements 53 References 54 Appendix 1 overall circuit design 56 Appendix 2 design of the main program code 57 第1章 绪论 1.1供热计量器的发展历程 我国供热计量发展截止到目前共分为三个阶段。 第一阶段是90年代初到2000年,约10年的时间,为探索阶段。在这个阶段中第一个时期是引进概念。90年代初国内是没有热计量这一概念的,随着国内很多专家有机会到欧洲参观学习,受到欧洲特别是北欧供热计量器的影响,开始了解到热计量,恒温阀等。第二个时期是消化吸收,我国供热计量的发展受丹麦,德国和芬兰三个国家的影响比较大。第三个时期是研究探索。第四个时期就是实验工程,将理论付诸与实践,北京新康小区、山东省烟台民生小区、中加合作项目哈尔滨煤院炭设计研究等都是当时有代表性的工程项目。 第二阶段是2001--2005年,称为起步阶段,在这个阶段有几个核心的过程: ?政策引导2003年,原建设部、国家发改委、财政部等八部委联合发布 《关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见》。2005年,八部委再次联合发布《关于进一步推进城镇供热体制改革的意见》,是供热计量工作全面启动的。 ?标准先导以先行先试的地方标准为主,如北京市热计量标准的出台,对全国各地产生了积极的作用,引导各地相继出台地方标准。 ?试点示范包括有天津模式、沈阳模式、承德模式、甘肃榆中模式等。在天津模式中供热办有特殊职能,所有在天津市建设的项目,供热方式、供热计量及供热产品等都要通过供热办的审查,在供热计量工作全面提高和推广方面很有成效,总结出了一套具有地方特色的供热计量及收费方法。河北省承德市计量收费试点工作,在取得了显著节能效果的同时还为河北省推广计量收费积累了丰富的经验;甘肃省榆中县作为一个贫困县,其成功的供热体制改革经验表明资金短缺并不能作为推进供热计量工作的阻碍,为贫困地区开展供热计量工作打开了一条新思路。 ?中国供热计量的发展离不开国际方面的合作和支持,世界银行、全球环境基金(GEF)、联合国开发计划署(UNDP)在我国选择了很多城市进行供热计量和节能改造的试点。 第三阶段是2006年--至今,称为全面推广阶段。 2007年《中华人民共和国节约能源法》颁布,其中第三十八条:国家采取措施,对集中供热的建筑分步骤实行供热分户计量、按照用热量进行收费。国务院颁发的《民用建筑节能条例》、《节能减排综合性工作方案》以及原建设部出台的《城市供热价格管理暂行颁发》,都将供热计量纳入到了条文。在此阶段政府也是加大了引导力度,住建部从2006年开始连续五年召开全国供热计量大会,将供热计量的实施和城市称号、政府工程补贴相结合。同期开展国家级 城市示范工作,选择八个城市开展示范工作和既有住宅供热计量示范工程。2010年,住建部颁发了行业标准《供热计量技术》,将之前供热计量中的各种方法和概念做了全面梳理。供热计量产业格局也基本形成,表具产品、控制产品及系统服务、系统服务商等大量涌现。截止2010年,北京、天津等10个省、直辖市出台了《供热计量价格和收费实施细则》,80多个地级以及以上城市出台《供热计量价格和收费办法》。“十一五”期间超越完成1.5亿m2居住建筑供热计量改造,“十二五”时期的第一年,2011年完成北方既有居住建筑供热计量及节能改造面积1.32亿m2。 国外,特别是在北欧国家,从20世纪70年代能源危机以来,十分重视建筑节能工作,并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施。国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统,其调节与控制技术先进,控制手段完善,设备质量高。通常一次管网所提供的热量在热力站交换成二次采暖热水和民用生活热水。在热力站的二次水系统中均安装有变频调速的水泵、压差控制器、电动调节阀、气温补偿器以及回水温度限制器等设备。有了一整套成熟的供热系统运行模式。集中采暖按热量计费是世界各国发展的趋势,也是各国家节能环保的一项基本措施。目前除了西方发达国家已采用这一措施外,东欧各国及原苏联地区国家正逐步推广。与此同时,集中采暖按热量计费的相应技术也进一步发展,采暖系统的动态调节更加先进,计费技术更加可靠和准确,整个采暖热量计费装置向小型化、计算机化发展。 1.2研究的目的和意义 随着短消息服务SMS和通用分组无线服务GPRS等数据业务的发展,GSM无线网络应用于机电产品和工业控制领域的趋势不断扩大,各种以GSM网为传输 平台的数据采集及远程监控系统方案和产品也不断出现。供热公司只需要设置主机,每户安装终端设备,安装方便,好组网,数据轮询采集,运行费用低。而对于电话组网系统来说,终端用户为被叫方,设备工作不稳定会影响用户,设备价格昂贵。其次具有线温度探头,安装十分不方便,不好组网,运行费用高,前期投入非常的大,而且物理性施工难度很大,不易推行。供热公司充分认识到了这些缺点,便开始逐步的淘汰电话测温系统。用SIM300组网实现温度数据的远程传输。在室内温度监控远程传输的应用背景下,结合其传输数据少和非连续性工作的应用特征,研制了利用51系列单片机控制GSM模块SIM300以发短息的方式进行远程温度数据的传输。装置中单片机以定时器中断方式检测定时器是否定时结束,如果定时结束然后立即把当前的温度值写入到AT24C02中进行保存。这样做的目的是防止掉电温度数据的丢失,使温度数据不完整造成经济影响。同时将采集到的温度值用LCD1602显示到每户的客户端(温度的平均值)。最后通过串口与GSM模块通信以控制启动SIM300和数据的收发等。本装置结构简单、传输数据稳定可靠,安装方便,好组网又具有实时在线通信且成本低等优点。 1.3研究/设计的目标 本系统是一种安装在以水为媒体的集中供热系统中,用于对用户的采暖热量进行计算分配的装置。该装置集成了热计量技术,和数据通信技术。温度法是利用在同样的气候条件和相同的时间内,各个房间的耗热量与室温有关的原理。此法可以将山墙,屋面,地面等部位的多耗热量分摊到楼内的各个用户上,体现了在舒适条件相同的情况下,应交相同供热费的原则。按一个供热系统所有热用户每户用的平均温度进行供热费用收取的基本原则,而温度法热计量系统是依据热用户的住房面积和室内温度,系统每十五分钟进行一次每室的温度采集然后 求取每户的平均温度,然后再将数据储存并且远程传输。 本系统的硬件电路图主要实现的是每室温度的采集,然后将每室的温度通过数据线传输给每户的中断,然后利用STC12C5A60S2作为处理器,将每室的温度值采集到处理器中,然后求取平均值,然后再发送开启串口中断通过SIM300把数据远程传输给供热公司,供热公司将每户的数据定时的保存在计算机中,留作后续的温度记录和处理。本设计的扩展部分为用LCD1602液晶屏显示年月日时分秒以及当前的温度值,并且为用户提供了温度上下限保护功能,同时又增加了按键记录当前温度,这样做的目的是可以把不合理的温度记录下来,方便用户向供热公司提出反应的凭证。用户可以记录十组温度值,而且可以随时调用这十组的温度值,也可以任意的擦掉保存的记录值。整个电路才用9V开关电源供电。 本设计的系统硬件总结构图如图1-1所示: 图1-1系统总结构图 第2章 系统的工作原理 2.1系统的原理 本系统采用STC12C5A60S2作为主处理芯片,采集供热用户的每室温度,每室的温度数据通过温度通信线传输给户终端。然后户终端再求取每户的平均温度值,并且每五分钟写一次温度数据到AT24C04进行保存,最后由每户的终端通过SIM300将保存在AT24C04中的温度数据定时发送给供热终端,这样可以避免被供热用户和供热公司之间因为供热问题发生经济纠纷。本系统的处理芯片如图2-1所示。 STC12C5A60S2处理芯片 图2-1 STC12C5A60S2 2.2 CPU(STC12C5A60S2)主要性能 2.2.1 CPU的主要性能 与MCS-51单片机产品兼容 、60K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、全静态操作:0Hz~33Hz 、三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针、掉电标识符等。 2.2.2功能特性描述 STC12C5A60S2 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有60K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容[1]。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash,使得STC12C5A60S2为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超级有效的解决方案。STC12C5A60S2具有以下标准功能:60k字节Flash,1280字节RAM, 32 位I/O 口,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,STC12C5A60S2可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定 时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器8K字节在系统可编程Flash. P0 口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。 在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验时,需要外部上拉电阻。 P1口:P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。 此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下所示。在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。 P1口的第二功能 P1.0 T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出。 P1.1 T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)。 P1.5 MOSI(在线系统编程用)。 P1.6 MISO(在线系统编程用)。 P1.7 SCK(在线系统编程用)。 P2 口:P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口,P2 输出缓冲器能驱动8 个TTL逻辑电平[2]。对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR)时,P2口送出高八位地址。在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVX @RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容[3]。在flash编程和校验时,P2口也可以接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。P3口亦作为STC12C5A60S2特殊功能(第二功能)使用,如下所示。在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。 P3口的第二功能 P3.0 RXD串行输入口 P3.1 TXD串行输出口 P3.2 INTO外中断0 P3.3 INT1外中断1 P3.4 TO定时/计数器0 P3.5 T1定时/计数器1 P3.6 WR外部数据存储器写选通 P3.7 RD外部数据存储器读选通 此外,P3口还接收一些用于FLASH闪存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是单片机复位[4]。 ALE/PROG??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。一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。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,可禁止ALE操作。该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效[5]。 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STC12C5A60S2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,将跳过两次PSEN信号。 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:如果加密位LB1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。 本系统采用3.3V给SIM300模块供电,采用5V给单片机供电。扩展功能 为可以显示时钟温度上下限报警以及按键保存当前温度等功能,以及发送手机号码的设置,可以按键修改发送温度的时间,同时应用AT24C04 EEPROM作为温度数据的掉电保护[6]。 第3章 系统的硬件选择 3.1本系统的构成 温度法热计量器系统由温度传感器采集每室的温度值然后发送给户终端,然后户终端的单片机求取户温度的平均值,然后显示到LCD1602显示器上、最后利用通信模块SIM300利用单片机定时器和串口中断将记录在AT24C04中的温度值发送到供热公司。 3.2 本系统的硬件选择 3.2.1温度传感器的选择 方案一:温度采集选择DS18B20电路的性能指标 DS18xx系列温度传感器是数字式温度传感器,相对于传统温度传感器精度高、稳定性好、电路简单、控制方便[7]。DS18B20有很多特性,现列举以下几点: (1)应用中不需要外部任何元器件即可实现测温电路; (2)测温范围为-55度?125度,最大精度可以达到0.0625度; (3)只通过一条数据线即可实现通信。 (4)每个DS18B20器件上都有独一无二的序列号,所以一条数据线上可以挂接很多该传感器。 (5)内部有温度上下限警告功能。 DS18B20工作时需要接受特定的指令来完成相应的功能,它的指令可分 为ROM指令和RAM指令[8]。ROM指令主要是对其内部的ROM进行操作,每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号,在出厂前已写入片内ROM 中。主机在进入操作程序前必须用读ROM33H命令将该DSl8B20的序列号读出。程序可以先跳过ROM,启动所有DSl8B20进行温度变换,之后通过匹配ROM,再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据;RAM指令主要是完成对其内RAM中的数据进行操作,如让其开始进行数据采集、读数据等。DS18B20数字温度传感器是单总线器件,数据的读写只通过一条数据线进行并且这一条线上可以挂很多该传感器。这样对器件进行读写指令时就比较麻烦,必须应用特定时序来识别高低平信号,所以指令表中0、1在写给DS18B20时就得变成代表0、1电平的时序段序列[9]。同样,从DS18B20读数据时,也是由特定的时序来完成数据读取。 DS18B20可以初始化数据精度,按芯片手册写入固定指令。数据位数可设置成9、10、11、12位,其中七位为温度整数部分,1位表示温度正负,其余位数为小数。如9位数据时,有1位为小数,精度为0.5。温度以16位带符号位扩展的二进制补码形式读出,DS18B20测温范围为-55度至125度,以0.5度递增。温度值与输出数据的关系如表3.1所示: 表3.1温度值与输出数据关系 温度? 数据输出(二进制) 数据输出(十六进制) +125 00000000 11111010 00FA +25 00000000 00110010 0032 +0.5 00000000 00000001 0001 0 00000000 00000000 0000 -0.5 11111111 11111111 FFFF -25 11111111 11001110 FFCE -55 11111111 10010010 FF92 DS18B20需要严格的协议以确保数据的完整性,协议包括几种单线信号类型:复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。总线这些信号,除存在脉冲外,都是由总线控制器发出的。和DS18B20间的任何通讯都需要以初始化序列开始。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。 DS18B20的工作过程如下: (1)复位操作; (2)执行ROM操作的5条指令之一:读ROM、匹配ROM、搜索ROM、跳过ROM、报警搜索; (3)存储器操作命令:温度转换、读取温度、设定上下限温度值指令; (4)读取温度数据:主机读取温度数据后进行数据处理 DS18B20的测温原理:低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55 ?所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 ?所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄 存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。它的测温原理内部设置如图3-1所示:DS18B20的硬件连线图如图3-2所示。 图3-1 DS18B20测温原理内部设置 图3-2 DS18B20硬件电路图 方案二:LM35D进行温度采集 LM35是由国家半导体公司产生的温度传感器,其输出电压与摄氏温标呈线性关系,转换关系为,0?时输出为0V,每升高1?,输出电压增加10mV[10]。 LM35有多种不同封装型式,在常温下,LM35不需要额外的校准处理即可达到?1/4?的准确率。其电源供电模式有单电源与正负双电源两种,正负双电源的供电模式可提供负温度的测量;两种接法的静止电流-温度关系式如图3-3所示,在静止温度中自热效应低0.08?,单电源模式在25?下静止电流约50μA,工作电压较宽,可在4?20V的供电电压范围内正常工作非常省电。 。 图3-3 静止电流-温度关系式 LM35是一种内部电路已校准的集成温度传感器,其输出电压与摄氏温度成正比,线性度好,灵敏度高,精度适中。其输出灵敏度为10.0mV/?,精度达0.5?。其测量范围为-55??150?。在静止温度中自热效应低0.08?.工作电压较宽,可在4??20V的供电电压范围内正常工作,且耗电量极省,工作电流一般小于60uA.输出阻抗低,在1mA负载时为0.1Ω。根据LM35的输出特性可知,当温度 在0??150?之间变换时,其输出端对应的电压为0??1.5V,此电压可以直接进行AD转换。 如果采集的温度值有负温度时必须要使用正负双电源进行分离,然后把负值通过反相器进行转换后才可以送入AD进行温度转换为电压值[11]。 由方案一和方案二比较,优点:DS18B20输出的是数字量所以不需要AD转换可以使硬件电路简单,缺点是采集的温度值精确度很低。LM35采集的温度值是模拟量需要经过AD转换才可以送入单片机,优点是采集的温度值精度高,缺点是硬件电路复杂。综上所述本系统由于系统温度要求不高,故选用DS18B20作为温度采集部分[12]。 3.2.2 AD转换芯片的选择方案 方案一:ADC0809的技术参数 1、ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器,可以和单片机直接接口。 主要特性如下: (1)8路输入通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。 (2)具有转换起停控制端。 (3)转换时间为100μs时钟为640kHz时,130μs(时钟为500kHz时) (4)单个+5V电源供电。 (5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。 (6)工作温度范围为-40~+85摄氏度。 (7)低功耗,约15mW。 2、ADC0809的工作过程: 首先输入3位地址,并使ALE1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。IN0?IN7为模拟电压输入端,D0?D7为转换后的数字电压量[13]。 转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成,因为只有确认完成后,才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 定时传送方式: 对于一种A/D转换器来说,转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs,相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序,A/D转换启动后即调用此子程序,延迟时间一到,转换肯定已经完成了,接着就可进行数据传送。 查询方式: A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号,例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式,测试EOC的状态,即可确认转换是否完成,并接着进行数据传送。 中断方式: 把表明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号,以中断方式进行数据传输。 不管使用上述哪种方式,只要一旦确定转换完成,即可通过指令进行数据 传送。首先送出口地址并以信号有效时,OE信号即有效,把转换数据送上数据总线,供单片机接受。硬件电路图的接线如图3-4所示: 图3-4 ADC0809接线图 方案二:AD7705来完成模拟电压的测量和数据转换。 AD7705 采用SP I兼容的三线串行接口,能够方便地与各种微控制器和DSP 连接, 也比并行接口方式大大节省了CPU的 I O口。在应用电路中,采用 51单片机 控制AD7705,对LM35温度信号进行模数转换。此方案采用二线连接收发数据。AD7705 的CS 接到低电平。DRDY的状态通过监视与DRDY线相编程数字滤波器等部件。能直接将LM35传感器测量到的多路微小信号进行AD转换[14]。这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点,非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。 AD7705 是完整的 16 位AD转换器。若外接晶体振荡器、精密基准源和少量去耦电容, 即可连续进行A D转换。它采用了?-Δ技术,可以获得 16 位无误码数据输出。这一点非常符合对分辨率要求较高但对转换数字要求不高的应用,例如数字音频产品和智能仪器仪表产品等。下面对该器件几个重要部分和特性作简要说明。增益可编程大器AD7705包括两个全差分模拟输入通道。片内的增益可编程放大器 PGA之一,能将不同摆幅范围的各类输入信号放大到接AD转换器的满标度电压再进行AD转换,这样有利范围的双极性信号。 LM35随温度的变化导致电压的变化利用AD7705来完成模拟电压到数字量的转化,同时利用STC12C5A60S2单片机对转换的二进制数据进行后续处理,AIN1+,AIN1-;AIN2+,AIN2-用于接LM35电桥进行模拟电压的输入,然后再输 出数字量到单片机中[15]。其硬件电路图如图3-5所示。 图3-5 LM35接线图 方案三:单片机自带的AD(STC12C5A60S2)单片机。 在众多的51系列单片机中,要算国内STC公司的1T增强系列更具有竞争力,因他不但和8051指令、管脚完全兼容,而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的,如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASH ROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见,这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密,这又很好地保护了你的劳动成果。重要的一点STC12C5A60S2目前的售价与传统51差不多,市场供应也很充足。是一款高性价比的单片机 STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期1T的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换250K/S,针对电机控制,强干扰场合[16]。 1.增强型8051 CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051; 2.工作电压:STC12C5A60S2系列工作电压:5.5V-3.3V(5V单片机)STC12LE5A60S2系列工作电压:3.6V-2.2V(3V单片机); 3.工作频率范围:0~35MHz,相当于普通8051的 0~420MHz; 4.用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节; 5.片上集成1280字节RAM; 6.通用I/O口(36/40/44个),复位后为:准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口),可设置成四种模式:准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏,每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不要超过55mA; 7. ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器 可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片; 8.有EEPROM功能STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM; 9. 看门狗; 10.内部集成810专用复位电路(外部晶体12M以下时,复位脚可直接1K电阻到地); 11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器,5V单片机为1.32V,误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V,误差为+/-3%; 12.时钟源:外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器温漂为+/-5%到+/-10%以内用户在下载用户程序时,可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟,常温下内部R/C振荡器频率为:5.0V单片机为:11MHz~15.5MHz,3.3V单片机为:8MHz~12MHz,精度要求不高时,可选择使用内部时钟,但因为有制造误差和温漂,以实际测试为准; 13.共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1,没有定时器2,但有独立波特率发生器,做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器; 14.2个时钟输出口,可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟,可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟; 15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支 持上升沿中断的PCA模块,Power Down模式可由外部中断唤醒,INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3也可通过寄存器设置到P4.2, CCP1/P1.4也可通过寄存器设置到P4.3; 16.PWM2路)/PCA(可编程计数器阵列,2路):可用来当2路D/A使用,也可用来再实现2个定时器,也可用来再实现2个外部中断上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持; 17.A/D转换, 10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/S每秒钟25万次. 18.通用全双工异步串行口UART,由于STC12系列是高速的8051,可再用定时器或PCA软件实现多串口; 19.STC12C5A60S2系列有双串口,后缀有S2标志的才有双串口,RxD2/P1.2可通过寄存器设置到P4.2,TxD2/P1.3可通过寄存器设置到P4.3; 20.工作温度范围:-40 - +85?工业级/0 - 75?商业级 21.封装:PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不够时,可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口,或用双CPU,三线通信,还多了串口。 由方案一、方案二和方案三可知方案三测量的精度和方案二的一样。但是方案二需要外接AD芯片给硬件电路和成本带来很大的麻烦。同时增加了系统设计的干扰性。为了避免硬件电路对系统照成的干扰使系统更稳定等。所以本设计选择为方案三的接线[17]。 3.2.3每户终端向供热公司数据传输选择方案 方案一:选择SIM300作为用户向供热公司进行数据传输。 1、SIM300 介绍 SIM300是一款三频段GSM/GPRS模块,可在全球范围内的EGSM 900MHz、DCS 1800MHz、PCS 1900MHz三种频率下工作,能够提供GPRS多信道类型多达10个,并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种GPRS编码方案。 SIM300内部功能模块有: 1键盘