基于单片机的自动消毒柜控制器设计.doc

长春工业大学毕业论文

摘 要

近年来，多种传染性疾病的传播促使一种全新的便携式消毒设备的出现。为了满足家用和医用要求，本文设计一种由单片机89C51控制的便携式多功能消毒系统。设计选用了高温消毒，紫外消毒，和臭氧消毒的方法，可根据不同的要求自行设计消毒参数。高温消毒部分采用了可控加热和温度检测电路。温度检测电路选用DS18B20传感器，它不需要外部电源，因为它可以自身供电（“寄生电源”）。DS18B20只有一根口线（单线制），可以与微处理器直接相连（或接地）即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，在使用中不需要任何外围元件。测温范围是-55℃~125℃。臭氧浓度测量系统采用数字滤波核技术去除气路切换造成的测量粗差，提高和确保了系统测量精度与准确性，该系统能够与数控型臭氧发生器电源供电系统通讯，实现臭氧生产的闭环控制。控制方面采用了PID调解，使系统更稳定，操作更方便。

关键词：DS18B20 臭氧 紫外吸收 温度控制

Title: Portable multi-purpose decontamination system

Abstract
In recent years, a variety of infectious diseases prompted the emergence of new portable disinfection equipment.To enough the domestic and medical requirements of this, design a portable multifunctional system of disinfection controlled by single chip-Microcomputer 89C51. We can choose the method of a high temperature disinfection, ultraviolet disinfection and ozone disinfection and may be based on different requirements design disinfection parameters. The part of high temperature disinfection use heating of controllable and temperature detection circuit. Circuit of temperature detection chooses DS18B20 sensors. The DS18B20 does not need an external power supply because it derives power directly form the data line (“parasite power”). The DS18B20 communicates over a 1-Wire bus , which by definition requires only one data line (and ground ) for communication with a central micro-processor. It has an operating temperature range of -55℃ to +125℃ and accurate to 0.5℃. The digital filter technology of ozone concentration measurement systems is used to eliminate the measuring error which happens in the course of valve switching. So the measuring precision and veracity are improved and insured. This system can achieve the closed loop control in the ozone production through communicating with the power supply system of digital control type ozone-producing device. PID control used mediation, with a view to making the system more stable and more convenient operation.

Key words: DS18B20 ozone ultraviolet absorbing temperature control

目 录

第一章 绪论 1
1.1 选题背境 1
1.2 消毒技术规范 1
1.3 设计特点 3
1.3.1 高温消毒原理 3
1.3.2 臭氧消毒原理 3
1.3.3 紫外消毒原理 6
第二章 系统的硬件设计 7
2.1 单片机的选择 7
2.2　温度检测电路的设计 7
2.2.1 温度检测电器元件的特性 8
2.2.2 温度检测电路元件的内部结构 8
2.2.3 温度检测元件DS18B20的测温原理 11
2.2.4 温度检测电路与89C51的接口设计 12
2.3 臭氧浓度检测电路设计 13
2.3.1臭氧浓度传感变换器 13
2.3.2 臭氧浓度信号采集与A/D转换 14
2.4 光控双向可控硅控制加热电路 15
2.5 继电器控制的臭氧发生电路 16
2.6 LED显示器接口电路和键盘电路 18
2.6.1 LED显示器结构 18
2.6.2 LED显示器的工作原理 19
2.6.3 LED显示器与89C51的接口电路 20
2.7 电源电路的设计 21
第三章 总体电路和设计 22
3.1 单片机的最小系统 22
3.1.1 时钟电路 22
3.1.2 复位电路 23
3.2 总体电路实现 25
第四章 控制算法 26
4.1 PID 调节的简介 26
4.2 数字PID的调节器参数的整定方法 27
4.2.1 采样周期的确定 27
4.2.2 试凑法确定PID调节参数 28
第五章 软件设计 29
5.1 ROM命令和存储器命令 29
5.2 DS18B20的工作时序 29
5.3 程序设计 31
结 论 40
致 谢 41
参考文献 42
附 录 44

59

第一章 绪论
1.1 选题背境
近年来，人类生存的健康问题多次成为世界的焦点问题。欧洲的疯牛病、中国的非典和之后出现的禽流感，人们的生活日益受到新的细菌病毒的威胁，而人类原本能够控制的病毒也在随着各种药物的不合理使用变得更加难以对付。人们对生活水平的更高要求，促使一种全新的便携式消毒设备的出现。
如今在不少地区对一些餐饮单位（主要是面馆、火锅店及其他摊点）实行的是集中式餐具消毒，由集中式餐具消毒公司提供。所谓餐具集中消毒，就是把公共餐具由一家一户简陋的作坊式清洗消毒，转为用现代化清洗设备进行专业清洗消毒。集中消毒需经餐具回收、浸泡、粗洗、精洗、风干、消毒、独立封装等多道工序，并在380摄氏度高温下经红外线杀菌，能将餐具上残留的细菌杀死。餐馆不用购买碗筷、餐巾纸等餐具，而由集中消毒中心提供清洁卫生的合格餐具，并提供上门接送服务。这样不仅能较好地解决市容环境、饮食卫生安全问题，还会带来明显的社会效益和经济效益。这也对消毒设备提出多种功能上的要求。
在消毒柜的功能中，臭氧、紫外线臭氧属于超低温消毒，消毒温度一般在60℃以下，适合各类餐具，特别适合于不耐高温的塑料、玻璃制品。而红外线高温、超温蒸汽、紫外臭氧加高温属于热消毒或多重组合消毒方式，消毒温度一般在100℃以上，消毒效果好，适合于陶瓷、不锈钢等耐高温制品的消毒。
从功能上看，消毒柜主要分为单一功能和复合功能的两种：单功能消毒柜通常采用高温或臭氧或紫外线等单一功能进行消毒；复合功能消毒柜多采用高温、臭氧、紫外线、蒸汽、纳米等不同组合方式来消毒，能够杀灭多种病毒、细菌；从结构上看，消毒柜设有上、下两个室，上消毒室为臭氧消毒、低温烘干餐具，下消毒室为高温消毒餐具。电子消毒柜由臭氧发生器、高温部分和控制部分组成。其中臭氧消毒电路和高温消毒电路合二为一。
1.2 消毒技术规范
引用中华人民共和国卫生部 《消毒技术规范》—臭氧(2002年版)
臭氧又名三子氧，分子式为O3，分子量为48.00。
一、理化特性：
臭氧在常温下为带蓝色的爆炸性气体，有特臭，为已知最强的氧化剂，密度为1.658(空气=1)。臭氧气体经冷处理后可呈液状，其液体密度为1.71，沸点为-112.3℃,在水中溶解度比氧高，但因分压较低，故在平时使用温度与压力下，只能得到每升数毫克的溶液，含臭氧的溶液，温热时会爆炸。臭氧的稳定性极差，在常温下可自行分解为氧，在270℃高温下可立即转化为氧。1%水溶液在常温大气中半衰期为16分钟，所以臭氧不能像其它工业气体一样可以用瓶贮存，一般为现场生产，立即使用。
二、杀菌作用
臭氧是一种广谱杀菌剂，可杀灭细菌繁殖体和芽孢、病毒、真菌等，并可破坏肉毒杆菌毒素。臭氧在水中杀菌迅速，较氯快。
三、影响杀菌作用的因素
（1）PH：用臭氧水溶液消毒时，若PH增高，则所需浓度必须增加。
（2）湿度：用臭氧熏蒸消毒时，相对湿度高则效果好，低则效果差，对干燥菌体几乎无杀菌作用。
（3）温度：温度降低有利于臭氧的溶解，可增强其消毒作用，甚至在0℃亦能保持较好的杀菌效果，如水温为4－6℃时，臭氧杀菌用量为100，水温10－21℃时为160，水温36－38℃时则为320，有机物可降低其杀菌作用。
四、毒性
空气中臭氧浓度达0.01-0.02mg/L时即可嗅知：浓度达到1mg/L时，可引起呼吸加速、变、胸闷等症状，在2.5-5mg/L时，可引起脉搏加速，疲倦、头痛，停留１小时可发生肺气肿，以至死亡，作业现场空气中容许的阀限值为0.2mg/m3。
五、腐蚀性
臭氧为强氧化剂,可损坏多种物品,浓度越高对物品损害越重,可使铜片出现绿色锈斑,特别是使橡胶老化,色变暗,弹性降低,以致变脆,断裂,使织物漂白褪色。
六、稳定性
臭氧稳定性极差，常温下即可自行分解为氧，停止发生后，通风30－60分钟后，其浓度与大气水平一样。
七、使用范围
在消毒方面，臭氧的用途主要有以下几种：
（1）液体消毒：饮用水、工业生活污水和饮料水的净化消毒。
（2）物体表面消毒，饮食用具、理发工具、食品加工用具、衣物、钱币、票券等放密闭箱内消毒。
（3）防腐保存：蔬菜、水果、蛋类、鱼肉类干鲜土特产，水产品加工，贮存和冷藏等。
八、使用方法
（1）液体消毒：臭氧消毒饮用水时，其用量取决于水质，应由实验确定精确值，比较清洁的水，一般应加臭氧0.5-1mg/L，作用5-10分钟后，水中保持臭氧浓度为0.1-0.5mg/L；对于污染比较严重的饮用水，臭氧用量可增至3-6mg/L。对污水处理，污水中使用的臭氧浓度为100-200mg/L，作用30分钟，在多数情况下可杀灭或破坏其中所有微生物及其毒素，并能改善水质。作用时间越长，效果越好。
（2）消毒空气：对密空间的空气用5-10mg/m3浓度的臭氧作用30分钟。
九、注意事项
由于臭氧为强氧化剂，对物品损害较大，很少用作熏蒸消毒，规定大气中允许0.2mg/m3,故消毒宜在无人条件下进行。
十、含量测定
在500ml锥形带塞玻璃瓶中，加入350ml蒸馏水和20ml20%KI溶液，在排气管分流取臭氧气2L通入锥形瓶，再滴5ml浓度为3mol/L的H2SO4溶液，静置5分钟后用0.1000mol/L的Na2S2O3滴定，反应至浅黄色时加１ml0.5%的淀粉指示剂，滴定至无色，计算消耗的量，每毫升mol/l的Na2S2O3溶液相当于48.00mg的O3。O3浓度（毫克/升）=M×V×48×1000/2×2×100=12MV式中：M=克分子浓度，应标定小数点后四位；V=消耗毫升数当O3浓度较高时，可以取1升臭氧化气，则计算公式为O3浓度（毫克/升）=24M
1.3 设计特点
本设计采用多种消毒方式，对不同的消毒对象可采用相应的消毒方法，从而取得最完美的消毒结果。例如：对于少量的纸张，文件，衣物等生活用品可采用紫外消毒；对于医用的一些金属器件，如手术用具可采用高温消毒；对于一些要求较高但不耐高温的材料就可以采用臭氧消毒。要求更高的消毒对象或者以上三种给定消毒方法不可行时，可采用自定义消毒。不同消毒方法的原理及特点如下：
1.3.1 高温消毒原理
高温消毒主要是通过加热细菌病毒使其体内的蛋白质变性，破坏其组成导致其死亡达到消毒目的。原有的100℃高温消毒在一般情况下还能够满足要求；新的消毒标准温度125℃，持续时间不少于15分钟，基本能满足目前所有的消毒要求。方法简单方便可行，是当前最普遍也是人们很易接受的消毒方法。
1.3.2 臭氧消毒原理
臭氧（化学分子式为O3）又名活氧、三子氧、超氧，广泛存在于地球表面20公里以外的臭氧层，因其能吸收太阳辐射中的绝大部分紫外线，保护地球生物免受伤害，而广为世人关注。
空气中也存在微量臭氧（含量为0.01～0.04ppm），瀑布区、海边、森林区含量最多，空气中这些微量臭氧有效抑制了自然界中细菌、霉菌的异常繁殖而保持生态平衡。
1785年，德国人在使用电机时，发现在电机放电时产生一种异味。1840年德国科学家舒贝因（Schonbein）将此异味确定为O3，而命名为OZONE（臭氧）。自此以后，欧洲的科学家率先开始研究臭氧的特性和功用，发现广谱的灭菌效果后，开始工业生产应用，其中瑞典一家牛肉公司用于臭氧对牛肉存储的保鲜，自1870年开始，一直沿用至今。
在19世纪，人们就认识到了臭氧的强氧化作用，发现臭氧对木材、稻草、淀粉、植物色素、天然橡胶、脂肪、动植物油与酒精等物质都有氧化作用。1868年，德·格贝斯（de·Gebeth）获得了臭氧应用技术的第一项专利，用臭氧将煤焦油混合物氧化为适于涂料、油漆使用的产品。1873年，欧洲将臭氧在食糖精制和亚麻漂白方面投入使用。一百多年来臭氧应用已深入到多个领域，对人类的生产技术发展做出了重大贡献。臭氧应用按用途分为水质处理、化学氧化、食品加工保鲜和医疗四个领域，各个领域的应用研究与设备开发都已达到相当高的水平。世界已经形成了独立的臭氧技术产业和部门，1973年建立的国际臭氧协会（IOA）设在加拿大。该协会每两年一次举办国际会议交流各国发展臭氧技术的论文、报告，发达国家都普遍建立了IOA地区性组织，进行学术交流。
二战以后，国际上臭氧应用技术获到了长足发展。首先，1902年，德国帕德博恩建立了第一座用臭氧处理水质的大规模水厂，开创了臭氧水处理的先河，现在世界上已有数千座臭氧水厂。欧美、日本、加拿大等国家的自来水厂应用臭氧已达到普及程度，使用臭氧取代氯消毒净化的自来水，可供直接生饮。矿泉水、纯净水厂家几乎都装备了臭氧设备。美国七十年代初开始利用臭氧处理生活污水，主要是为了灭菌消毒、去除污染物、脱色等达到排放标准。日本则在缺水地区将污水用臭氧处理后作为中水使用。美、日、德、法等国家近年来都建立了大规模的臭氧污水处理厂。其次，工业应用臭氧也已非常普遍，主要用于化工、石油、造纸、纺织和制药、香料工业。食品行业的应用更为普及，1904年欧洲就利用臭氧对保存牛奶、肉制品、奶酪、蛋白等食品进行保鲜处理，三十年代末，美国80%的冷藏蛋库都安装了臭氧发生器。二战后，欧美、日在食品果品、蔬菜保鲜中将臭氧运用到储存、制造、运输等各个环节。在医疗方面，二战时日本就利用臭氧进行人体理疗，俄罗斯则用强气（臭氧化空气）强化体育运动员体质。目前，国际上在医疗方面已有多种用途：如病房、手术室的空气消毒，利用臭氧水进行医用器械消毒，采用臭氧进行牙科疾病治疗（口腔手术及保持口腔无菌），采用臭氧与放射理疗结合治疗癌症，喝臭氧水治疗妇女病，注射臭氧气体治疗瘘痔、静脉曲张等。在保健方面，日本、台湾流行吸强气（含低浓度臭氧的空气）以强身，用臭氧水淋浴身体杀体菌和美容。现在流行的高科技美容，事实上就是应用臭氧美容。而重大国际比赛游泳池、跳水池也都采用臭氧杀菌消毒以保障运动员的身体健康。
科学研究发现，臭氧分子极不稳定，能分解产生氧化能力极强的单原子氧（O）和羟基（OH），迅速破坏细菌、病毒等微生物的内部结构，对各种致病微生物有极强的杀灭作用！臭氧杀菌效果比氯好得多，杀菌速度比氯快200～3000倍以上，能自分解成氧气，不会残留有害物而造成二次污染。
臭氧在我国运用得比较慢，主要是矿泉水、纯净水等直饮水生产企业、及一些高档住宅小区分质供水优先采用臭氧发生器进行水处理消毒杀菌等！随着人们对臭氧知识了解的不断深入，臭氧发生器高效率低成本的广谱杀菌消毒功能已经开始逐渐得到广泛应用，现在我国部分食品工业、制药厂家已经开始使用臭氧机对生产线及产品进行高效快速消毒杀菌保鲜处理，同时对生产车间进行严格的空气消毒；医疗部门也开始将臭氧引用到人体某些疾病的预防和治疗；医院开始采用臭氧机对排污水进行消毒处理后再排放；城市污水处理系统工程也已经开始使用大型臭氧发生器进行杀菌消毒除味脱色处理；水果蔬菜残余农药的分解消毒及保鲜处理等等。
臭氧消毒原理可以认为是一种氧化反应。（1）臭氧对细菌灭活的机理：臭氧对细菌的灭活反应总是进行的很迅速。与其它杀菌剂不同的是：臭氧能与细菌细胞壁脂类双键反应, 穿入菌体内部，作用于蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细菌死亡。臭氧还作用于细胞内的核物质，如核酸中的嘌呤和嘧啶破坏DNA。（2）臭氧对病毒的灭活机理：臭氧对病毒的作用首先是病毒的衣体壳蛋白的四条多肽链，并使RNA受到损伤，特别是形成它的蛋白质。噬菌体被臭氧氧化后，电镜观察可见其表皮被破碎成许多碎片，从中释放出许多核糖核酸，干扰其吸附到寄存体上。臭氧杀菌的彻底性是不用怀疑的。
臭氧作为一种强氧化剂，广泛应用于工业自来水处理，以及除臭、去色与消毒等领域，不会产生与环境有害的残留物质，但在臭氧产生和应用中，任何泄漏都有可能对操作人员或周围设备造成损害，就大气环境而言，当臭氧浓度达到0.1ppm时就会使人的呼吸道发炎；若达到1ppm，人们仅可在这样的环境是活动1~2小时；如果臭氧浓度增加到5ppm时，人的健康就会受到损害；就臭氧产生设备而言，目前国内外还少有能够在线测量和显示臭氧浓度的装置，更不用说实现臭氧产生的闭环控制，国此，有必要对不同场所的臭氧浓度进行连续、精确地测定。
1.3.3 紫外消毒原理
紫外消毒主要是通过紫外线对微生物(细菌、病毒、芽孢等病原体)的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死,从而达到消毒的目的。紫外线对核酸的作用可导致键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等,从而改变了DNA的生物活性,使微生物自身不能复制,这种紫外线损伤也是致死性损伤。紫外消毒法具有不投加化学药剂、不产生有毒有害的副产物、消毒速度快、效率高、设备操作简单、便于运行管理和实现自动化等优点,近20年来逐渐得到广泛应用。
综合上述，设计一个便携式多功能消毒系统，能够实现升温消毒、紫外线消毒、臭氧消毒等功能。其主要技术参数如下：具有温度检测、控制功能，温度控制范围：常温0-100°C，误差在±0.5°C。
（1）要实现温度的实时检测与显示，用数码管显示。
（2）具有电源模块，系统具有便携特性。具有紫外/臭氧浓度控制功能。

第二章 系统的硬件设计
2.1 单片机的选择
单片机又称微控制器(Microcontroller)，是在一块芯片上同时集成了CPU、ROM、RAM以及各种功能I/O接口的超大规模集成电路。单片机具有体积小、价格低、功能强、可靠性高以及使用方便灵活的特点，通过它能够很容易地将计算技术与测量控制技术相结合，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。近年来，单片机技术得到了突飞猛进的发展，许多半导体厂商争相推出各具特色的单片机芯片，使单片机用户具有更多选择余地。存储器技术的发展在很大程度上推动了单片机应用技术的发展。简单的说就是：单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。单片机的可靠性技术以及以单片机为核心的嵌入系统随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于诸多领域。
本课题选用的单片机为89C51，它是一个40引脚的体积小、价格便宜的Flash ROM 型单片机。提供以下标准功能：一个8位CPU、2KB的内烁存储器、128字节RAM、30根I/O线、两个16位定时器、一个全双工串行口、5个中断源，还有片内振荡电路和时钟电路及一个精密模拟比较器。具有与MCS-51完全兼容的指令系统，因而系统硬件设计简单，软件设计也十分方便。
2.2　温度检测电路的设计
传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。我选用了美国DALLAS公司最新推出的DS18B20数字式温度传感器。DS18B20是DS1820的更新产品。智能温度传感元件DS18B20将传感器、A/D转换器、寄存器、接口电路集成在一个芯片中。可实现直接数字化输出、测试及控制功能强、传输距离远、抗干扰能力强、微型化、微功耗、易于配微控制器（MCU）或微型计算机进行数据处理及温度控制。在很多智能化的温度传感器中，大多使用同步串行总线技术，如（Philips）、SMBus(intel)、SPI（Motorola）Micro-wire/Plus(NSC)等串行总线协议，而DS18B20采用的是1-wire总线协议。1-wire是DALLAS公司的一项专有技术，它采用一根信号线实现信号的双向传输，具有接口简单，节省I/O线，便于扩展和维护等优点。在单点温度控制系统中：主要应用1-wire集成数字温度传感器DS18B20实时检测温度，并根据按键设定温度值，实现温度控制输出。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字值，并且从DS18B0读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变化功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度,转换时间,传输距离,分辨率等方面较DS1820有了很大的改进,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果[15]。
2.2.1 温度检测电器元件的特性
DS18B20采用3脚PR-35封装的引脚，测温范围为-55℃——+125℃，在-10℃——+85℃范围内，可确保测量误差不超过±0.5°C；并且转换精度可编程控制。芯片出厂时默认12位转换精度。DS18B20工作在9位、10位、11位和12位模式时的温度分辨力依次为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始转换完成后的温度以16位带符号扩展的二进制补码形式，存储在scratchpad RAM中的第0，1字节。在执行读scratchpad RAM命令后，可将这两字节的温度值通过单总线传给主CPU，高字节的符号位代表温度值为正还是为负。单总线要求外接一个约5K的上拉电阻；这样不管什么原因，如果传输过程中需要暂挂起，且要求传输过程还能继续的话，则总线在恢复时间处于空闲状态（高电平）[15]。DS18B20的特性如下：
一、独特的单互接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
二、在使用中不需要任何外围元件。
三、可用数据线供电，电压范围：+3.0~+5.5v。
四、测量范围：-55~+125℃。固有测温分辨率为0.5℃。
五、通过编程可实现9-12位的数字读数方式。
六、用户可自设定非易失性的报警上下限值。
七、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
八、负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
2.2.2 温度检测电路元件的内部结构
DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装如图2.1所示，其内部结构框图如图2.2所示。

图2.1 DS18B20的管脚排列

图2.2 DS18B20内部结构框图

一、64b闪速ROM的结构如下：

8b检验CRC
48b序列号
8b工厂代码（10H）
MSB LSB MSB LSB MSB LSB

开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
二、非易失性温度报警触发器TH和和TL，可通过软件写入用户报警上下限。
三、高速暂存存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给EEPRAM。而配置寄存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下：

TM
R1
R0
1
1
1
1
1

低5位一直都是1，TM是测试位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试、模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表2.1所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。

表2.1 R1和R0模式表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间/ms
0
0
9位
93.75
0
1
10位
187.5
1
0
11位
275.00
1
1
12位
750.00

由表2.1可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑[15]。
高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下所示。其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第6~8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC，可用来保证通信正确。

温度低位
温度高位
TH
TL
配置
保留
保留
保留
8位CRC
LSB MSB

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换，转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB形式表示[15]。温度值格式如下：

23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
MSB LSB
S
S
S
S
S
26
25
24
MSB LSB

对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。表2.2是对应的一部分温度值

表2.2 部分温度值
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
00000111 11010000
07D0H
+25.0625
00000001 10010001
0191H
+0.5
00000000 00001000
0008H
0
00000000 00000000
0000H
-0.5
11111111 11111000
0FFF8H
-25.0625
11111110 0110111
0FE6FH
-55
11111100 10010000
0FC90H

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T﹥TH或T﹤TL，则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令做出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。
四、CRC的产生
在64bROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比以判断主机收到的ROM数据是否正确。
2.2.3 温度检测元件DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理如图2.3所示，图中低温度系数晶振的振荡频率温度的影响很小，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，图中还隐含着计数门，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[15]。图2.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。

斜率累加器
减法计数器
预置
低温度系数振荡器
计数比较器
预置

减到0
温度寄存器
增加

停止
减到0
减法计数器2
高温度系数振荡器

图2.3 DS18B20的内部测温电路框图
2.2.4 温度检测电路与89C51的接口设计
图2.4中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V~5.5V电源供电，并在数据线上加一个上拉电阻4.7KΩ。
89C51

P1.1

DS18B20
+5V

4.7K
GND
+5V
DAT
图2.4 DS18B20与89C51的接口电路
2.3 臭氧浓度检测电路设计
设计采用国际上通用的紫外吸收法测量臭氧浓度研究和设计了基于89C51单片机的臭氧浓度在线测量系统，紫外吸收法的基本原理是臭氧对波长为253.7nm紫外光具有最大吸收值的特性，按朗伯-比尔定律：
C= bg* (Iο / I) / ( K* L) (2-1)
分别测量相同紫外光束透射样气（臭氧）和零气（空气）后的光强值I和Iο，利用朗伯-比尔定律公式可计算得出臭氧浓度，其中K、L分别代表臭氧对紫外光的吸收系数和吸收室的长度，该法可实现连续测量，且受其他氧化剂干扰小，稳定性好[30]。
臭氧浓度在线测量由主控制器89C51单片机、三通电磁阀、吸收室、紫外光源、光电传感器和显示电路构成基本电路，系统框图如图2.5所示[30]。其中89C51单片机、三通电磁阀和吸收构成臭氧浓度传感变换器；紫外光源、光电传感器、放大器、A/D转换和89C51单片机构成信号采集与A/D转换模块；89C51单片机调节三通电磁阀的换向，使被检测的样气和不含臭氧的零气分时进入吸收室，控制A/D转换器采集透过样气和零气的紫外光强值I和Iο按朗伯——比尔定律计算臭氧浓度，进行数据显示，实现89C51单片机和数控型臭氧发生器电源供电系统通讯，主要模块工作原理分述如下：

图2.5 臭氧浓度在线检测系统框图

2.3.1臭氧浓度传感变换器
臭氧浓度传感变换器结构框图如图2.6所示，含臭氧气体进入变换器后分为两路，一路经催化转化器变化为不含臭氧的零气，单片机经驱动电路控制三通电磁阀导通零气作为被测气体进入吸收室，连续十八次测量相应的紫外光强值Iо；然后，单片机控制三通电磁阀切换，导通样气进入吸收室，连续18次测量相应的紫外光强值I。对I和Iо的18个采样值在分别除去其中的极大和极小值后取平均值I和Iо，然后把平均值带入朗伯——比尔定律中计算浓度值，这里采用了去极值平均滤波技术，可消除由于气路切换造成的测量粗差，提高了系统测量精度和准确性。

图2.6 臭氧浓度传感变换器结构框图

在锁路切换后和信号采集前，必须让前一次被测气体完全排空，下一次被测气体充满整个吸收室，因此信号采集是在等待时间后开始的，可按下式进行计算：
tw=L*S/Q + t0 (2-2)
其中L、S、Q和t0分别代表吸收室的长度和截面面积、气体流量和预留时间。排气泵在整个过程中一直进行排气动作，起到排气和抽气的双重作用。按上述过程可周而复始地在线测量臭氧浓度[30]。
2.3.2 臭氧浓度信号采集与A/D转换
光电传感器采用HAMAMATSU公司的R7154型光电倍增管，检测系统采用R7154（日本）光电倍增管，信噪比高、性能更加稳定。性能优于R166光电倍增管。其输出为小信号，必须通过前置放大器、去混淆低通滤波器，将R7154输出的电压信号幅值放大成适合A/D转换的量程范围。A/D转换采用3位半双积分5G14433芯片，单片机采用中断方式获得对应数字信号。电路原理如下图2.7所示。其中前置放大器为OPA404型高性能场效应输入单片运算放大器，运放的负输入端接一个1000MΩ反馈电阻和一个1pF电容的并联电路，其作用是防峰值干扰；运放的正输入端接一个0.01µF电容和1000MΩ电阻的并联电路，其作用