户外电子设备温度控制系统设计毕业论文

户外电子设备温度控制系统设计The design of control system of the outdoor temperature of electronic

equipment

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摘要

温度控制系统是日常生活与工业控制中最重要而普遍的自动控制系统。随着电子技术的发展，单片机早已成为电子设备研发和生产中首选的控制芯片。本文介绍一种使用STC89C52为核心，以DS18B20为温度采集设备，以LCD12864为显示屏幕，以AT24C02作为掉电存储设备设计而成的户外电子设备温度控制系统。通过对电子器件资料的查阅和实际尝试，设计硬件电路。采用温度传感器DS18B20使用IIC总线技术来获取所在区域实时温度，STC89C52对多点的温度进行实时巡检同时从矩阵键盘历史输入的温度值进行比较，该控制系统通过LCD12864实时输出温度信息，超出预定值自动报警。

明确系统功能后编写相关程序语言，通过仿真，对整个温度控制系统进行了调试与分析。最终实现了实时温度采集、显示、控制与记录等功能。经实际制作表明该温度控制系统能够实现所需功能，具有体积小巧、操作方便、可靠性高、测量精准高、实时性好等特点，适合户外电子设备温度控制。

关键词：温度控制；STC89C52；DS18B20

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Abstract

Temperature control system is one of the most important and universal automatic control system in daily life and industrial control. With the development of electronic technology, SCM has become the first choice in the development and production of electronic equipment control chip. This paper introduces a kind of outdoor electronic equipment temperature control system, which uses STC89C52 as the core, DS18B20 as temperature acquisition device, LCD12864 as the display screen, and AT24C02 as the outdoor electronic equipment. Based on the access to electronic devices and the actual attempt, the design of hardware circuit. Using IIC bus technology to obtain the area where the real-time temperature by temperature sensor DS18B20, STC89C52 of multi-point temperature of real-time inspection at the same time, from the temperature of the matrix keyboard input history values were compared, the control system through LCD12864 real-time output temperature information beyond pre set value automatic alarm.

After the system function is clear, the programming language is written, and the whole temperature control system is debugged and analyzed by simulation. The function of real-time temperature acquisition, display, control and recording is realized. The actual production shows that the temperature control system can realize required functions and has the characteristics of small volume, convenient operation, high reliability, high precision of measurement, real-time good, suitable for outdoor electronic equipment temperature control.

Keywords: temperature control; STC89C52; DS18B20

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目录

摘要........................................................................................................................................ I I Abstract .....................................................................................................................................III 1 前言.. (1)

1.1 电气自动化相关技术 (1)

1.2嵌入式系统的现状及技术 (2)

1.3电子设备温度控制系统发展趋势与意义 (3)

1.4电子设备温度控制系统的目的与功能 (3)

2系统的理论分析 (5)

2.1 自动控制系统概述 (5)

2.3 PID技术原理 (5)

2.3 PWM控制原理 (6)

3系统硬件电路设计 (8)

3.1系统供电电源设计 (8)

3.2处理器STC89C52 (9)

3.3液晶显示电路 (10)

3.4 USB-TTL通信模块 (12)

3.5温度参数传感器DS18B20 (13)

2.6掉电存储电路AT24C02 (16)

2.7看门狗电路 (17)

2.8温湿度控制电路 (18)

2.8.1 温度调节电路 (18)

2.8.2 湿度调节电路 (18)

2.9 声光报警电路 (19)

3系统软件设计 (21)

3.1 编译环境介绍 (21)

3.2 PID控制温湿度 (22)

3.3 温湿度传感器软件驱动 (25)

3.4 串口通信 (27)

3.5 PWM调制 (29)

3.6 软件流程图 (29)

4系统调试与检测控制效果 (31)

5结论 (33)

参考文献 (34)

致谢....................................................................................................... 错误！未定义书签。附录 (36)

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1 前言

1.1 电气自动化相关技术

电气自动化是现代科学技术领域的一门核心学科，是信息技术领域的一门新兴学科，更是当今高新技术领域中不可或缺的重要学科。正是由于与人们的生活、工作密切相关，电子技术发展迅速，推动了以计算机网络为基础的信息时代的到来，并注定改变人们的日常生活、生产工作的模式。

电气自动化依然成为高新技术产业的重要组成部分，其广泛应用于农业、工业、国防、航天等领域，在国家经济中发挥着重要作用。其触角伸向各行各业，从一盏台灯的设计到空间实验站的制造，皆有它的身影。例如用于工业控制系统中，一条设备要能保证它始终生产出合格的产品，现代工业不能靠人来操作，而是由设备自我调控。启动设备，其可以自我稳定运行下去。设备之所以能够自动运行，就是应用了继电器、传感器、处理芯片等电气元件实现顺序控制、时间控制的过程。其它如伺服电机、步进电机，能根据处理器对外界环境的变化得到的反馈改变输出量，达到稳定设备运行状态的目的。

从历史到未来社会总的发展趋势为机械化（应用机器系统），电气化（加入电机、网络），自动化（加入自动控制器），计算机化（应用数字计算机），网络化（实现计算机网络），先进自动化（系统、管理），智能化（引入智能），知识化（处理知识）。

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1.2嵌入式系统的现状及技术

美国电气和电子工程师协会（IEEE）对嵌入式系统的定义是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。嵌入式系统是一种可作为设备的一部分的专用计算机系统。嵌入式系统通常是一个控制程序存储在只读存储器中的嵌入式处理器控制板。日常工作生活中，我们所接触的所有带有数字接口的设备如手机、电磁炉、电视甚至汽车等，都使用了嵌入式系统，部分嵌入式系统还包含了操作系统。嵌入式系统是一种由先进计算机技术、半导体技术、电子技术等各种具体技术应用相结合的产物，是不断发展创新的新兴集成知识体系。最近几年，网络、通信等技术的发展为嵌入式系统的应用开辟了广阔的天地，使嵌入式系统成为继个人计算机和互联网之后又一个IT界技术热点。

二十世纪后期发展起来的微型计算机拥有结构简单、体积小、功耗低、可靠性好、性价比高等一系列优点，得到人们广泛应用而迅速普及。自动控制专业人士希望将微型计算机嵌入到某一个对象体系中以实现对对象体系的智能化控制。例如将微型计算机经加固处理同时配置各种外围接口安装到大型船舶中构成自动驾驶系统和轮机状态监测系统。这样微型计算机便失去了原来的形态与通用功能，人们把这种嵌入到对象体系中实现对对象体系智能控制的计算机称作嵌入式系统。由此可见嵌入式的本质是将一台计算机嵌入到一个对象体系中去。

嵌入式计算机系统的技术要求是对对象的智能化控制，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。最初人们粗糙地将通用计算机系统进行改造，在大型设备中生硬的实现嵌入式应用。然而对于多数对象系统如家用电器、仪器仪表等无法嵌入通用计算机系统，况且通用计算机系统与嵌入式系统的发展方向完全不同，因此必须独立地发展嵌入式计算机系统。计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统并行发展的新时代。

目前嵌入式系统极大多数是8 位和16 位的嵌入式微控制器(MCU) ,嵌入式系统是计算机系统的另一种存在形态，根据其发展现状我们将嵌入式系统分成以下几类: 1）嵌入式微处理器(EMPU)将微处理器独立安装在设计好的电路板上,只保留和嵌入式应用相关的母板功能,减小系统体积和功耗消耗的同时在工作允许温度、抗干扰能力、可靠性等方面做了大幅度的增强。

2）嵌入式微控制器(MCU）又称单片机，是以某种微处理器内核为核心,芯片内部高度集成了ROM、PEPROM、RAM、总线、定时计数器、看门狗、串行口、脉宽调制输出、DPA、Flash RAM、EEPROM 等必要功能和外设。其最大特点是单片化,体积大幅减小并且使功耗和成本下降、可靠性提升。

3）嵌入式DSP 处理器(EDSP) DSP 处理器适用于执行DSP 算法,效率高,执行速度高。在数字滤波、谱分析等方面广泛使用了DSP系统。

4）嵌入式片上系统(System On Chip)随着EDI 的推广、VLSI 设计的普及化、半导体制造工艺迅猛发展,在一个硅片上实现更为复杂的系统时代来临, 这就是System On Chip。整个嵌入式系统的极大部分都可以高度集成到一块或几块芯片中,应用系统电路板极其简洁,具有体积小，集成度高，可靠性好等优点。

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1.3电子设备温度控制系统发展趋势与意义

二十一世纪电子技术飞速发展，人口劳动力成本不断上升，由此带来现代装备的普及与发展，户外电子设备的数量急剧增多。部分电子设备工作在户外，在恶劣的工作环境下，设备温度极易受到外界环境如光照，飓风，暴雨的影响因此对设备温度的检测与控制成为一个摆在人们眼前的问题。温度是表示物体冷热程度的物理量，从微观角度讲是物体内部分子热运动的剧烈程度，因此温度只能通过物体随温度变化而变化的某种特性来间接测量。人工仪表是传统的对温度进行控制的方法，其工作强度高、重复性差，难以保障精确度，存在各种不足。所以我们对传统的温度控制系统改造，使用微型计算机代替常规仪表控制使人们能实时查阅被测物温度变化的第一手资料，还可以提示温度变化情况，协助人们及时调整，并具备温度报警功能，这已经成为温度控制系统发展新趋势。目前适用于电子设备的温度控制系统大多采用模拟量传感器，A-D转换以及单片机组成。利用单片机控制温度是单片机控制的一个简单应用，配合采用合适的技术和元器件，将模拟的温度信号转化为数字信号并不难，如此即可开发出一种实时性好、精度高的温度控制系统。

1.4电子设备温度控制系统的目的与功能

本设计提出一种基于数字化的温度控制系统。通过DS18B20检测环境实时温度，STC89C52进行信号处理配合液晶LCD12864、蜂鸣器输出信号。通过控制加热器、制冷片，可以有效的控制户外电子设备的温度。

通过本次设计的产品，能够为户外电子设备管理人员提供实时、可靠的温度参数。为管理者或设备自动调节提供可靠数据信息。同时在对本温度控制系统的设计中，考虑到电源的节能环保问题以及各个模块的成本问题，在足以满足系统要求的大前提下，减少系统成本，有利于本温度控制系统的大范围推广。

本户外电子设备温度控制系统的设计要求是：

（1）制作完成户外电子设备温度检测系统（温度传感器选用DS18B20）。

（2）温度测量精度为1摄氏度。

（3）温度能控制在一定区间内，超出事先设定范围立即报警。

（4）设计系统电路

（5）在KEIL中编译、调试程序，并使用protuse进行仿真。

为了使系统更加人性化、智能化，采用了DS12C887作为时钟模块、AT24C02作为存储器模块，选择LCD12864作为液晶显示模块。在液晶显示器上可以显示时间、温度数据和AT24C02存储的历史数据。

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其温度控制系统硬件框图如图1-1所示： 单片机STC89C52系

统

电

源液晶显示

模块

LCD12864EEPROM 存储模块DS12C887时钟模块

RS232-USB 接口转换器PL2303PC

温度传感器DS18B

20PWM 控制电路

图1-1 温度控制系统硬件电路图

本户外电子设备温度控制系统软件采用KEIL474编写。系统软件的编写可分为： 系统主程序、单片机外设的控制程序、定时器的控制、串口发送与接收数据、读取传感器数据以及编写时钟芯片DS12C887、掉电存储模块、液晶显示LCD12864模块的驱动程序。

在系统软硬件设计均宣告完成后，选择合适的实验场地，对本系统进行调试同时分析系统的运行效果。

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2系统的理论分析

2.1 自动控制系统概述

自动控制系统是指在无人参与情况下，能够让生产过程或其他过程按照人们期望的规律或着预定的程序运行的控制系统。自动控制系统是实现工业自动化的重要手段，其简称自控系统。自动控制系统主要由控制器、被控对象、执行机构和变送器等四个环节组成。按照控制原理的不同分类，自动控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。按照给定信号的不同分类，自动控制系统又可以分为恒值控制系统、随动控制系统以及程序控制系统。经典控制理论与现代控制理论在经历了几十年的发展和应用之后，在空间技术、军事科学、农业机械和工业控制等各个领域都获得了极为显著的成效。

给定环节串联校正

放大变换控制器被控对象并联校正参考输入

干扰

输出

反馈环节

反馈信号

比较环节

2.3 PID 技术原理

在实际工程控制中，应用最广泛的调节控制规律就是比例（P ）、积分(I)、微分(D)控制，简称为PID 控制。PID 控制器已有70余年历史，由于它具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优良表现成为现代工业控制领域主要技术之一。当被控对象的结构或参数不能够完全的掌握，或着无法获得精确数学模型时，应用PID 控制技术就成为了最为方便的控制技术。PID 控制在实际运用中也有仅使用PI 或者PD 控制的。PID 控制的原理是根据系统的误差（e ），利用比例、 积分、微分计算出控制量进而进行控制。 比例（P ）控制是最简单的一种控制方式，其控制器的输入与输出误差信号成比例关系。因此如果仅有比例控制时，系统输出会存在稳态误差。

积分（I ）控制使得控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对于一个自动

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控制系统，如果在进入稳态后依然存在稳态误差，那么称这个控制系统有稳态误差。为了消除这个稳态误差，在控制器中必须加入“积分项”。随着时间的推移，积分项会逐渐增大。这样，即便误差极小，积分项也会随时间的增加而加大，它促使控制器的输出增大使得稳态误差进一步减小，直到近似为零。因此，比例加积分（PI ）控制器，可以使控制系统在进入稳态后几乎没有稳态误差。

微分（D ）控制可使控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。而增加了“微分项”，它能预测出误差变化的趋势，这样，具有比例加微分的控制器，就能提前使得抑制误差的控制作用等于零，甚至可以为负值，从而避免被控量的超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例加微分控制器能够改善系统在调节过程中的动态特性。

PID 控制器的参数整定是设计控制系统的核心工作。对于一般的温度控制系统：P （%）可取20--60，I （分）可取3--10，D （分）可取0.5--3

2.3 PWM 控制原理

脉冲宽度调制（PWM)是指利用处理器的数字输出信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术手段，广泛的应用于从测量、通信到功率控制等众多领域之中。脉冲宽度调制技术由于其控制简单，灵活并且动态响应好等优点，成为目前电力电子技术领域最为广泛的控制方式。其控制原理是根据相应载荷的变化进而调制晶体管基极（或MOS 管栅极）偏置，以实现晶体管（或MOS 管）导通时间的变化，实现了开关稳压电源输出的改变。因此，这种技术是利用处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种极其有效的技术手段。

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随着电子技术的日益发展，出现了众多的PWM 控制技术，其包括：相电压控制PWM 法、脉宽PWM 法、随机PWM 法、SPWM 法、线电压控制PWM 法脉宽调制（PWM

）。

PWM 技术的基本原理：对逆变电路的开关器件通断进行操控，使得输出端得到一组幅值相等的信号脉冲，用这些脉冲来取代正弦波或着需求波形。PWM 技术的优点是从处理器到被控系统信号都是以数字信号传输的，避免了数-模信号转换，将噪声影响降到最低。原因是噪声只有强到足够将逻辑1改变为逻辑0或着将逻辑0改变为逻辑1时，才能对数字信号产生改变。其另外一个优点是对噪声抵抗能力的显著增强，这也是将PWM 技术应用于通信的重要原因。把模拟信号转为PWM

数字信号能够极大地延长通信距离。

综上所述，PWM 技术具有经济、节约空间、抗噪性能强等众多优点，是一种值得广泛推广的有效技术。

3系统硬件电路设计

3.1系统供电电源设计

由于本系统主要应用于户外，我选择了220V交流转直流的方式对本系统供电。将220V交流电压经过变压器转变为16V交流电再利用由四个二极管组成的全波整流桥，将交流电转换为具有一定谐波的直流电，通过电容滤波后使纹波减小，再送入线性直流稳压芯片LM7812中，在输出端再次经电容滤波输出稳定的12V电压，送入系统中。因为本系统中继电器需要12V直流电，其他的器件需要5V的直流电。然后再将12V通过开关稳压模块（LM7805)转换为5V。

图3-1为220V转12V电路图,图3-2为直流12V转直流5V电路图。

图3-1 交流220V转直流12V电路

图3-2 直流12V转直流5V电路

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3.2处理器STC89C52

在控制领域中各种控制器按照种类分有单片机、DSP、PLC、FPGA等。按照总线形式分，有哈弗总线、有冯诺伊曼总线的。按照总线的位数分，有8位、16位、32位乃至64位的。按照生产厂家，有ST、飞思卡尔、台湾宏晶的等。

单片机是通过超大规模集成电路技术制造而成的集成电路芯片。它把中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、多路IO接口、定时器与计数器电路、中断系统等集成在一块半导体芯片上，组成一个小巧却完善的微型计算机电路芯片。目前单片机正朝着高精度、精简指令、高速高效率、低功耗的方向飞速发展，其广泛地应用于工业过程控制，智能仪表等技术领域。

在本设计中选用STC89C52作为控制器，它是由台湾宏晶公司生产的一种低功耗、高性能的8位微控制器。STC89C52使用了经典MCS-51内核，具备以下功能： 8k字节Flash 存储器、512字节RAM数据存储空间、 32 位I/O 接口、看门狗、内置的4KB EEPROM、复位电路、3个16 位定时器/计数器、4个外部中断。此外 STC89C52 还可进入节电模式降至0Hz 静态逻辑操作。在空闲模式情景下，CPU 将停止工作，却允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

单片机的复位方式有两种，一是在上电瞬间，C1相当于通路，RST接到高电平上，单片机复位，这种方式叫冷复位。另一种方式是，当单片机在工作状况下需要复位，按下按键KEY单片机就会手动复位，这种方式称为热复位。

图3-3是STC89C52的最小系统电路

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图3-3 STC89C52最小系统原理图

3.3液晶显示电路

液晶，即液态晶体,因其具有特殊的理化与光电特性，它体积小、功耗低、操作简单被广泛应用于轻薄型的显示器件上。

在本户外电子设备温度控制系统中采用LCD12864作为显示模块，在上面可以直接读取采集到的实时温度、时间和历史数据。

LCD12864与单片机STC89C52的连接关系如图3-4所示：

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图3-4 LCD12864与STC89C52连接电路图LCD12864的管脚号

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LCD12864既可以用串行接法，也可以用并行接法，串行接法能够节省线路宽度而且调试容易但数据传送速度较慢，容易产生数据错误。并行接法的优点是速度比较快，缺点是总线宽并且占用较多的IO端口。经比较，本系统采用并行接线方法。

3.4 USB-TTL通信模块

单片机与PC间需要相互通信，体现在数据下载，调试，传送等方面。

在PC上我们一般使用USB接口，正12V与负12V分别代表了逻辑信号上的0与1，USB接口为4线制，其中有两根电源线和两根信号线,常用的USB2.0速度可达到480Mbps。能够满足基本工业生产与民用需要。

线路分配为：黑：GND ;

红：VCC ;

绿：Data+ ;

白：Data- .

但在单片机的系统中，我们一般采用TTL电平/CMOS电平。例如在本系统中采用的单片机STC89C52使用的就是TTL电平，因为两者工作机制不一样，所以需要某种转换芯片把TTL电平和USB电平之间联系起来。TTL一种常用的逻辑门电路，正5V等同于逻辑“1”，0V等同于逻辑“0”，所以这就被称做晶体管-晶体管逻辑信号系统。

本户外电子设备温度控制系统使用了PL2302作为转换芯片，其电路图如3-5所示：

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图3-5 PL2303的转换电路图

3.5温度参数传感器DS18B20

温度传感器指能够感受到温度的变化并转换为可识别的输出信号的传感器。温度测量仪表的关键部件就是温度传感器，其品种繁多。通常，按照测量方式可以分为接触式与非接触式等两大类，而按照传感器材料和电子元件的特性又可以分为热电阻与热电偶等两大类。

如今我们更常采用数字式温度传感器，它能把温度物理量通过对温度敏感的元器件以及相对应的电路转换为能够方便微型计算机、智能仪表等可实现数据采集的装置直接读取的数字式传感器。这些数字传感器具有代表性的有：DS18B20，DS1722以及MAX6635等等。

本次设计采用了DS18B20传感器，它是由美国DALLAS公司生产的单总线元器件，是DS1820的增强型传感器，在测量精度，分辨率，转换时间等方面有极大改进。具有体积小巧，线路简单，成本低，抗干扰性好，精度高等显著特点。所以采用它来组建一个温度采集系统可在一条通信线路上面挂上多路DS18B20温度传感器，十分灵活方便。

DS18B20传感器只有DS1820体积的一半，在接线时需要面对着元件扁平面，左负右正接线。

DS18B20的特性有：

一：直接采用数据线供电,电压范围3.0V到5.5V区间

二：测温范围为负55到正125摄氏度区间,其中在负10到正85摄氏度区间时精确度为正负0.5摄氏度。

三：传感器编程分辨率在9到12位之间,分别对应精确度为0.5摄氏度、0.25摄氏度、0.125摄氏度和0.0625摄氏度;

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四：在12位分辨率时，最多可在750ms时间内将温度值转换为数字，显然速度较快。

五：当电源极性接反时,传感器不会烧毁,仅仅是不可正常工作。

其引脚和封装方式见下图所示：

图3-6 ds18b20管脚封装

DS18B20温度传感器内含四个主要部件，详见图3-7：

其一， 64位激光光刻ROM。从高位到低位依次由8位的CRC和48位的序列号以及8位的家族代码(28H)组成。

其二，温度灵敏元件即温度传感器。

其三，非易失性温度报警触发器TH与TL，它们可通过软件写入用户所需报警的上下限值。

其四，配置寄存器。DS18B20在工作时将按照此寄存器中数据信息把温度转换成相互对应的精度数值,其各位定义如下表所示。

TM：测试标志位,出厂即被写入0,不可更改;

R0、R1：分辨率得设置位,出厂时R0、R1置为设置缺省值：R0=1且R1=1（12位分辨率）,用户能够根据需要而改写配置寄存器即可获得理想的分辨率。

配置分辨率关系表格：

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图3-7 DS18B20的内部结构

测温原理：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55摄氏度的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0,则温度寄存器（同样初始化到-55摄氏度）的值增加，表明所测温度大于-55摄氏度。

（1。温度系数振荡器是指一种振荡器，它的振荡频率与温度之间有一个特定的关系，即不同的温度对应不同的振荡频率。反之，测量出振荡器的输出频率，就可测量出温度值。

2.高温度系数振荡器：它的振荡频率受温度的影响很大，温度稍有变化，频率就会变化很多，即对温度敏感，多用于温度传感器。

3.低温度系数振荡器：它的振荡频率受温度的影响很小，即使温度变化很大，它的频率也基本不变。

）

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图3-8 DS18B20的测温原理

2.6掉电存储电路AT24C02

本系统使用AT24C02作为掉电存储设备。电能测量装置不同于其他的控制系统，需要在掉电的情况下，将最后测量的数据进行存储，否则，数据就没有任何的参考价值。

AT24C02是具有IIC接口的EEPROM产品。采用这种芯片可以在掉电的情况下，存储数据。其中的数据可以存储100年，可以擦写10万次，本系统中，使用AT24C02电路如

图2-7所示：

图2-7 AT24C02 电路原理图

AT24C02有常见的两种封装，一种是直插DIP8，一种是贴片SO-8两种，但无论是哪

种，他的管脚顺序和功能都是一样的。1、2、3，是可编程地址输入端。4脚是电源地，

7脚是WP，写保护输入端，用于硬件数据的保护。当这个脚是高电平的时候，具有写保

护的功能，但读的功能不受影响。当这个脚是低电平的时候，可以对整个存储器进行正

常的读写操作。8脚是电源正极，接在5V电源上。5脚SDA，是IIC总线的数据输入输

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