畢業(yè)設(shè)計(jì)基于C51單片機(jī)DS18B20溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、前 言單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測(cè)和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣性，各種適用于不同場(chǎng)合的智能溫度控制器應(yīng)運(yùn)而生。電子溫度計(jì)的出現(xiàn)，給人類的生活帶來(lái)了很多方便，使人類不管是在生活還是在工業(yè)方面都有了很多便利之處。但是電子溫度計(jì)主要應(yīng)用還是在生產(chǎn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)室及研究所。電子溫度計(jì)本身可由電源提供電壓，用溫度傳感器檢測(cè)溫度，因此電子溫度計(jì)屬溫度系統(tǒng)?？刂评碚搹慕?jīng)典理論、現(xiàn)代理論已經(jīng)發(fā)展到更先進(jìn)的控制理論，控制系統(tǒng)也由簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)、大系統(tǒng)發(fā)展到今天的復(fù)雜系統(tǒng)。本文討論的電子溫度計(jì)溫度控制系統(tǒng)AT89C2051單片機(jī)提取DS18B20轉(zhuǎn)化

2、成溫度變化通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)化成數(shù)值并由數(shù)顯電路顯示出來(lái)。在我們?nèi)粘Ｉ罴案鞣N生產(chǎn)中，經(jīng)常要用到溫度的檢測(cè)及控制，傳統(tǒng)的測(cè)溫元件有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測(cè)出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度，需要比較多的外部硬件支持。其缺點(diǎn)如下：1 硬件電路復(fù)雜；2 軟件調(diào)試復(fù)雜；3 制作成本高。 而傳統(tǒng)的溫度計(jì)也有反應(yīng)速度慢、讀數(shù)麻煩、測(cè)量精度不高、誤差大等缺點(diǎn)而下面利用集成溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)并制作了一款基于AT89C51的4位數(shù)碼管顯示的數(shù)字溫度計(jì)，其電路簡(jiǎn)單，軟硬件結(jié)構(gòu)模塊化，易于實(shí)現(xiàn)。其中溫度傳感器DS18B20，它集溫度測(cè)量、AD轉(zhuǎn)換于一體，其測(cè)量范圍寬(-55125

3、)，DS18B20是一款具有單總線結(jié)構(gòu)的器件。 由DS18B20組建的溫度測(cè)量單元體積小，便于攜帶、安裝。同時(shí)，DS18B20的輸出為數(shù)字量，可以直接與單片機(jī)連接，無(wú)需后級(jí)AD轉(zhuǎn)換，控制簡(jiǎn)單。第一章 總體設(shè)計(jì)方案1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 一般系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則包含安全性（穩(wěn)定抗干擾性），操作的便利性（人性化），實(shí)時(shí)性，通用性和經(jīng)濟(jì)性。（1）安全可靠 首先要選用高性能的AT89C51單片機(jī)，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運(yùn)行。其次是設(shè)計(jì)可靠的控制方案，并具有各種安全保護(hù)措施，如報(bào)警、事故預(yù)測(cè)、事故處理和不間斷電源等。（2）操作維護(hù)方便操作方便表現(xiàn)在操作簡(jiǎn)單、直觀形象和便于掌握且不強(qiáng)求操作工要掌握計(jì)算機(jī)知

4、識(shí)才能操作。（3）實(shí)時(shí)性強(qiáng)選用高性能的AT89C51單片機(jī)的實(shí)時(shí)性，表現(xiàn)在內(nèi)部和外部事件能及時(shí)地響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理。（4）通用性好 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮能適應(yīng)不同的設(shè)備和各種不同設(shè)備和各種不同控制對(duì)象，并采用積木式結(jié)構(gòu)，按照控制要求靈活構(gòu)成系統(tǒng)。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是硬件板設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)（如PC總線），配置各種通用的模板，以便擴(kuò)充功能時(shí)，只需增加功能模板就能實(shí)現(xiàn)；二是軟件功能模塊或控制算法采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時(shí)不需要二次開(kāi)發(fā)，只需各種功能模塊，靈活地進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)。（5）經(jīng)濟(jì)效益高 1.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟（1）系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、（2）方案論證評(píng)審 硬件和軟件的分別細(xì)化設(shè)計(jì) 硬件

5、和軟件的分別調(diào)試 系統(tǒng)的組裝 （3）離線仿真和調(diào)試階段 1.3 系體的總體方案設(shè)計(jì)和框圖設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性方框及文字說(shuō)明。（2）系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)幾配置，主要軟件的功能、結(jié)構(gòu)幾框圖。（3）保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。（4）抗干擾性和可靠性設(shè)計(jì)。（5）工藝要求溫度數(shù)碼管顯示。調(diào)節(jié)溫度的超調(diào)量小于30%。 實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，控制溫度誤差范圍0.1。溫度范圍：-50 125。供電電壓：交流5。 方案一：方案一：考慮到用溫度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，感溫電路比較麻煩，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，才可以滿

6、足設(shè)計(jì)要求。方案二：由于本設(shè)計(jì)是測(cè)溫電路，首先要選用高性能的AT89C51單片機(jī)，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運(yùn)行。單片機(jī)AT89C51具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個(gè)端口只需要兩個(gè)口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。測(cè)溫傳感器使用二極管結(jié)電壓變化的數(shù)值來(lái)轉(zhuǎn)化成溫度的變化，在將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過(guò)來(lái)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來(lái)。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單，故采用了方案二。考慮到方案中制作數(shù)字溫度計(jì)，在單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中，大多都是使用

7、傳感器，這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測(cè)溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計(jì)要求。溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示，控制器采用單片機(jī)AT89C51，溫度傳感器采用DS18B20，用4位LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)溫度顯示。主 控 制 器LED顯示單片機(jī)復(fù)位報(bào)警點(diǎn)按鍵調(diào)整溫 度 傳 感 器時(shí)鐘振蕩圖1.1 總體設(shè)計(jì)方框圖第二章 硬件設(shè)計(jì)2.1主要器件說(shuō)明2.1.1主控制器單片機(jī)AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個(gè)端口只需要兩個(gè)口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。如圖2.1所

8、示。圖 2.1 （1）主要特性：與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 （2）管腳說(shuō)明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)

9、行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存

10、取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3

11、/INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)

12、ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加1

13、2V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。2.1.2 顯示器顯示電路采用3位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，利用動(dòng)態(tài)掃描方式，從P0口輸出段碼，P2口的P2.5、P2.6、P2.7輸出位碼。（1）LED數(shù)碼有共陽(yáng)和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個(gè)8字加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)）而作為一個(gè)引腳，為共陽(yáng)管。如下圖2.2、2.3所示： 圖2.2 圖2.32.1.3 溫度傳感器DS18B20溫度傳感器是采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，經(jīng)焊接，外加不銹鋼保護(hù)管封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小

14、，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域,并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。:：技術(shù)性能描述* 獨(dú)特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊,在使用中不需要任何外圍元件。* 測(cè)溫范圍 55125，固有測(cè)溫分辨率0.5。 -* 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。* 工作電源: 35V/DC* 測(cè)量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。* 不銹鋼保護(hù)管直徑 6 * 適用于1/2”, 3/4”, 1”, DN40DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測(cè)溫：

15、應(yīng)用范圍* 該產(chǎn)品適用于冷凍庫(kù)，糧倉(cāng)，儲(chǔ)罐，電訊機(jī)房，電力機(jī)房，電纜線槽等測(cè)溫和控制領(lǐng)域* 軸瓦，缸體，紡機(jī)，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設(shè)備測(cè)溫和控制。* 汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等。* 供熱/制冷管道熱量計(jì)量，中央空調(diào)分戶熱能計(jì)量和工業(yè)領(lǐng)域測(cè)溫和控制.DS18B20的性能特點(diǎn)如下：*獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；*多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；*無(wú)須外部器件；*可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5V；*零待機(jī)功耗；*溫度以9或12位數(shù)字；*用戶可定義報(bào)警設(shè)置；*報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；*負(fù)電壓特性，電

16、源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作； I/OC64位ROM單線接口高速緩存存儲(chǔ)器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器8位CRC發(fā)生器VddDS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示。圖2.4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖2.5所示: 圖2.5DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)

17、如圖2.6所示。頭2個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第5個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖2.7所示。低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式，DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶要去改動(dòng)，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來(lái)設(shè)置分辨率。由表2.1可見(jiàn)，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長(zhǎng)，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。表2

18、.1 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表R1R0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間/MS00993.750110187.510113751112750高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過(guò)單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625LSB式表示。當(dāng)符號(hào)位S0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位S1時(shí)

19、，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值。表2是一部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測(cè)得的溫度值與RAM中的TH、TL字節(jié)內(nèi)容作比較。若TTH或TTL，則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令做出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行報(bào)警搜索。在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼（CRC）。主機(jī)ROM的前56位來(lái)計(jì)算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。另外，由于DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)D

20、S18B20的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲(chǔ)器操作命令處理數(shù)據(jù)。分別說(shuō)明如下：(1)初始化 單總線的所有處理均從初始化開(kāi)始。初始化過(guò)程是主機(jī)通過(guò)向作為從機(jī)的DS18B20芯片發(fā)一個(gè)有時(shí)間寬度要求的初始化脈沖實(shí)現(xiàn)的。初始化后，才可進(jìn)行讀寫操作。(2) ROM操作命令 總線主機(jī)檢測(cè)到DS18B20的存在 便可以發(fā)出ROM操作命令之一 這些命令表2.2：表2.2 ROM操作命令指 令代 碼Read ROM(讀ROM)33HMatch ROM(匹配ROM)55HSkip ROM(跳過(guò)ROMCCHSearch ROM(搜索ROM)F0HAlarm

21、 search(告警搜索)ECH(3) 存儲(chǔ)器操作 命令如表2.3： 表2.3 存儲(chǔ)器操作命令指令代碼Write Scratchpad(寫暫存存儲(chǔ)器)4EHRead Scratchpad(讀暫存存儲(chǔ)器)BEHCopy Scratchpad(復(fù)制暫存存儲(chǔ)器)48HConvert Temperature(溫度變換)44HRecall EPROM(重新調(diào)出)B8HRead Power supply(讀電源)B4H(4)時(shí)序 主機(jī)使用時(shí)間隙(time slots)來(lái)讀寫DS18B20的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位初始化 圖2.7 初始化時(shí)序時(shí)序見(jiàn)圖2.7，主機(jī)總線to時(shí)刻發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為480us的低電

22、平信號(hào))，接著在tl時(shí)刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)。DS18B20在檢測(cè)到總線的上升沿之后等待15-60us，接著DS18B20在t2時(shí)刻發(fā)出存在脈沖(低電平 持續(xù)60-240 us)。如圖中虛線所示：寫時(shí)間隙 圖2.8.1 寫0時(shí)序 圖2.8.2 寫1時(shí)序當(dāng)主機(jī)總線t o時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)，就產(chǎn)生寫時(shí)間隙見(jiàn)圖2.8.1和圖2.8.2。從to時(shí)刻開(kāi)始15us之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上，DSl820在t o后15-60us間對(duì)總線采樣。若低電平，寫入的位是0。見(jiàn)圖2.5.1。若高電平寫入的位是1見(jiàn)圖2.5.2。連續(xù)寫2位間的間隙應(yīng)大于1us。讀時(shí)間隙 見(jiàn)圖2.9，主機(jī)總線to時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)

23、，總線只須保持低電平l us。之后在t1時(shí)刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時(shí)間隙，讀時(shí)間隙在t1時(shí)刻后t 2時(shí)刻前有效，t 2距to為15us。也就是說(shuō)t 2時(shí)刻前主機(jī)必須完成讀位，并在t o后的60us一120us內(nèi)釋放總線，讀位子程序(讀得的位到C中)。圖2.9 讀時(shí)序DSl820多路測(cè)量簡(jiǎn)介 初始化跳過(guò)ROM變換溫度等待1S初始化設(shè)置1820個(gè)數(shù)匹配ROM讀存儲(chǔ)器存放在緩沖區(qū)指針增1初始化b-1=0?否是圖2.10 DSl820原理框圖每一片DSl820在其ROM中都存有其唯一的48位序列號(hào)，出廠前已寫入片內(nèi)ROM 中，主機(jī)在進(jìn)入操作程序前必須逐一接入DS18B20用讀ROM(33H)命令將該DS1

24、8B20的序列號(hào)讀出并登錄。當(dāng)主機(jī)需要對(duì)眾多在線DS18B20的某一個(gè)進(jìn)行操作時(shí)，首先要發(fā)出匹配ROM命令(55H)，緊接著主機(jī)提供64位序列(包括該DS18B20的48位序列號(hào))。之后的操作就是針對(duì)該DS18B20的。而所謂跳過(guò)ROM命令即：MOV A,#0CCH。圖2.10中先有跳過(guò)ROM，即是啟動(dòng)所有DS18B20進(jìn)行溫度變換，之后通過(guò)匹配ROM 再逐一地讀回每個(gè)DS18B20的溫度數(shù)據(jù)。在DS18B20組成的測(cè)溫系統(tǒng)中，主機(jī)在發(fā)出跳過(guò)ROM命令之后，再發(fā)出統(tǒng)一的溫度轉(zhuǎn)換啟動(dòng)碼44H，就可以實(shí)現(xiàn)所有DS18B20的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)1s后，就可以用很少的時(shí)間去逐一讀取。這種方式使其T值往往

25、小于傳統(tǒng)方式。（由于采取公用的放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器只能逐一轉(zhuǎn)換）。顯然通道數(shù)越多，這種省時(shí)效應(yīng)就越明顯。DS1820使用中注意事項(xiàng) DS1820雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問(wèn)題： (1)較小的硬件開(kāi)銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償,由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送,因此,在對(duì)DS1820進(jìn)行讀寫編程時(shí),必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序,否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)DS1820操作部分最好采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。 (2)在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問(wèn)題,容

26、易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè)DS1820,在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS1820超過(guò)8個(gè)時(shí),就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問(wèn)題,這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。 (3)連接DS1820的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。試驗(yàn)中,當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過(guò)50m時(shí),讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí),正常通訊距離可達(dá)150m,當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí),正常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。這種情況主要是由總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻?。因?在用DS1820進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。 (4)在DS1820測(cè)溫程序設(shè)

27、計(jì)中,向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后,程序總要等待DS1820的返回信號(hào),一旦某個(gè)DS1820接觸不好或斷線,當(dāng)程序讀該DS1820時(shí),將沒(méi)有返回信號(hào),程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。測(cè)溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線,其中一對(duì)線接地線與信號(hào)線,另一組接VCC和地線,屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。2.1.4 穩(wěn)壓電源78057805管腳圖如圖2.11所示：圖2.112.2各部分電路說(shuō)明2.2.1單片機(jī)控制部分在本設(shè)計(jì)中，采用了AT89C51單片機(jī)作為本電路的核心電路的設(shè)計(jì)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh

28、Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。（1）振蕩器特性：XTAL1和XTAL2的反

29、向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。（2）單片機(jī)芯片的擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。AT89C51的穩(wěn)態(tài)邏輯可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器

30、，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。（3）單片機(jī)的時(shí)鐘電路圖2.12片內(nèi)振蕩電路的時(shí)鐘電路AT89C1單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個(gè)高增益反向放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機(jī)內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，外部還需附加電路。AT89C51的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種：內(nèi)部時(shí)鐘電方式和外部時(shí)鐘方式。由于外部時(shí)鐘方式用于多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，所以此處選用內(nèi)部時(shí)鐘方式。即利用其內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩。最常用的是在 XTAL

31、1和XTAL2之間接晶體振蕩器與電路構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖2.13電路所示為單片機(jī)最常用的時(shí)鐘振蕩電路的接法，其中晶振可選用振蕩頻率為6MHz的石英晶體，電容器一般選擇30PF左右。（4）單片機(jī)的復(fù)位電路圖2.13 AT89C51的復(fù)位電路本設(shè)計(jì)中AT89C51是采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路如圖2.13所示。上電瞬間，RC電路充電，RST引線端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。其中R1和R2分別選擇200和1K的電阻，電容器一般選擇22F。（5）AT89C51的最小應(yīng)用系統(tǒng)AT89C51是片內(nèi)有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)，要構(gòu)成最小應(yīng)

32、用系統(tǒng)時(shí)只要將單片機(jī)接上外部的晶體或時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖2.14所示。這樣構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，其特點(diǎn)是沒(méi)有外部擴(kuò)展，有可供用戶使用的大量的IO線。圖2.14 AT89C51單片機(jī)構(gòu)成的最小系2.2.2傳感器數(shù)據(jù)采集電路傳感器數(shù)據(jù)采集電路主要指DS18B20溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路。DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，如圖2.15所示，此時(shí)DS18B20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖2.15所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)MOSFET管來(lái)完成對(duì)總線的上拉。當(dāng)DS

33、18B20處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為10us。采用寄生電源供電方式時(shí)VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中寄生電源供電方式適應(yīng)能力差且易損壞，此處采用電源供電方式，I/O口接單片機(jī)的P2.0口。圖2.15 電源供電方式2.2.3 顯示電路顯示電路是采用P0口輸出段碼至LED，P2口控制位選通的動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，三只數(shù)碼管用NPN型三極管驅(qū)動(dòng)，這種顯示方式的最大優(yōu)點(diǎn)是顯示清晰，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。如圖2.16所示:圖2.16 顯示電路2.3主板電路圖2.17 主板電路系統(tǒng)整體硬件電路包括傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫

34、度顯示電路，上下限報(bào)警調(diào)整電路，單片機(jī)主板電路，電源電路等。如圖2.17所示圖2.17中有四個(gè)獨(dú)立式按鍵可以分別調(diào)整溫度計(jì)的上下限報(bào)警設(shè)置，可以任意調(diào)整報(bào)警上下限。圖中蜂鳴器可以在被測(cè)溫度不在上下限范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)出報(bào)警鳴叫聲音。LED數(shù)碼管將當(dāng)前被測(cè)溫度值顯示，從而測(cè)出被測(cè)的溫度值。圖2.17中的按健復(fù)位電路是上電復(fù)位加手動(dòng)復(fù)位，使用比較方便，在程序跑飛時(shí)，可以手動(dòng)復(fù)位，這樣就不用在重起單片機(jī)電源，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。第三章 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計(jì)算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。 NYNY按鍵子程序初始化得出溫度總子程序報(bào)警子程序調(diào)顯示子程序S1鍵

35、按下否？開(kāi)始溫度比較子程序 是否超出上下限返 回圖3.1 主程序流程3.1主程序主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的測(cè)量的當(dāng)前溫度值，溫度測(cè)量每1s進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測(cè)量一次被測(cè)溫度，其程序流程見(jiàn)圖3.1所示。3.2讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時(shí)需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖3.2所示發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過(guò)ROM命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，CRC校驗(yàn)9字節(jié)完？CRC校驗(yàn)正？確？移入溫度暫存器結(jié)束NNYY圖3.2 讀出溫度子程序流程3.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主

36、要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令，當(dāng)采用12位分辨率時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為750ms，在本程序設(shè)計(jì)中采用1s顯示程序延時(shí)法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖，如圖3.3所示發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過(guò)ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令結(jié)束圖3.3 溫度轉(zhuǎn)換流程圖3.4計(jì)算溫度子程序計(jì)算溫度子程序?qū)AM中讀取值進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如圖3.4所示。開(kāi)始N溫度零下?Y溫度值取補(bǔ)碼置“-”標(biāo)志置“+”標(biāo)志計(jì)算小數(shù)位溫度BCD值 計(jì)算整數(shù)位溫度BCD值 結(jié)束圖3.4 計(jì)算溫度流程圖 3.5 溫度數(shù)據(jù)顯示子程序顯示數(shù)據(jù)子程序主要是對(duì)顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，查表送段碼至

37、LED，開(kāi)位碼顯示，采用動(dòng)態(tài)掃描方式。第四章 實(shí)物制作與調(diào)試說(shuō)明4.1原材料的選擇與采購(gòu)本次設(shè)計(jì)在原材料的選擇與采購(gòu)上做到了設(shè)計(jì)最優(yōu)化,即用最小的開(kāi)支,獲得性價(jià)比較高的元器件和材料。設(shè)計(jì)中，印刷電路板采用單面板，給人看起來(lái)沒(méi)有太復(fù)雜的感覺(jué)。選元器件時(shí)，盡量選擇能使電路簡(jiǎn)化的器件。例如，為了不增大電路板的體積及減小功耗，本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的89S51單片機(jī)，體積小，工作電壓低。4.2印刷電路板的設(shè)計(jì)與制作電路板的設(shè)計(jì)與制作是整個(gè)電路制作過(guò)程中比較重要的一步，如果電路板做不好，再好的電路設(shè)計(jì)也不行。下面就對(duì)簡(jiǎn)單電路板的設(shè)計(jì)及制作過(guò)程做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。1、利用Protel 99SE畫原理圖。在

38、畫原理圖的時(shí)候?yàn)榱穗娐钒灞容^好看，要注意布局，同時(shí)還得注意元件封裝，命名等。畫好原理圖后要對(duì)其進(jìn)行電氣檢測(cè)，檢查原理圖是否有錯(cuò)，同時(shí)還要?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表為下一步的工作做好準(zhǔn)備。2、PCB版圖的設(shè)計(jì)。在對(duì)PCB圖設(shè)計(jì)時(shí)首先要添加封裝庫(kù)，這樣原理圖中給予的封裝才能有效，然后調(diào)入網(wǎng)絡(luò)表看原理圖的封裝，命名等是否有錯(cuò)，如果沒(méi)錯(cuò)便可進(jìn)行下一步操作。對(duì)其進(jìn)行布線，首先先對(duì)布線規(guī)則作一些必要的設(shè)置，如焊盤的大小，導(dǎo)線的粗細(xì)等。做好這些設(shè)置后便可進(jìn)行自動(dòng)布線，自動(dòng)布線后如果布線不是很理想還可用手動(dòng)布線進(jìn)行手動(dòng)修改，這樣PCB圖就畫好了。3、電路板的制作。把設(shè)計(jì)布局好的PCB圖打印出來(lái)之后，然后進(jìn)行壓板、腐蝕、鉆孔。

39、注意，腐蝕之前要檢查是否有斷線及焊盤的脫落等。4、元件的焊接。元件焊接的時(shí)候要先查看跳線，首先焊接所有的跳線，其次再焊接分離元件，最后焊接集成塊和外接的引線。當(dāng)然為了美觀在布線中最好不要出現(xiàn)跳線。5、整體檢查。查看是否有斷線和虛焊等。6、燒錄程序4.3 單片機(jī)測(cè)試判斷單片機(jī)芯片及時(shí)鐘系統(tǒng)是否正常工作有一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法，就是用萬(wàn)用表測(cè)量單片機(jī)晶振引腳（18、19腳）的對(duì)地電壓，以正常工作的單片機(jī)用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量為例：18腳對(duì)地約2.24V，19腳對(duì)地約2.09V。對(duì)于懷疑是復(fù)位電路故障而不能正常工作的單片機(jī)也可以采用模擬復(fù)位的方法來(lái)判斷，單片機(jī)正常工作時(shí)第9腳對(duì)地電壓為零，可以用導(dǎo)線短時(shí)間和5V連

40、接一下，模擬一下上電復(fù)位，如果單片機(jī)能正常工作了，說(shuō)明這個(gè)復(fù)位電路有問(wèn)題。4.4 硬件及軟件調(diào)試硬件調(diào)試，第一步是目測(cè)，在印好電路板之后，先檢查印制線是否有斷線、是否有毛刺、是否與其它線或焊盤粘連、焊盤是否有脫落、過(guò)孔是否有未金屬化現(xiàn)象。而在目測(cè)的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)有一條印制線斷開(kāi)，因此我們用焊錫使這條斷線連在一起。第二步是用萬(wàn)用表測(cè)量。在目測(cè)完之后，利用萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量連線和接點(diǎn)，檢查它們的通斷狀態(tài)是否和設(shè)計(jì)一樣。再檢查各種電源線和地線是否有短路現(xiàn)象，在檢查的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不管是連線還是接點(diǎn)都符合設(shè)計(jì)規(guī)定，電源和地線也沒(méi)有短路現(xiàn)象。第三步是加電檢查。給印制板加電時(shí)，我們檢查到的器件的電源端符合要求的

41、電壓值+5V，同時(shí)接地端的電壓為0。第四步是聯(lián)機(jī)檢查。利用系統(tǒng)和單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)用仿真電纜連接起來(lái)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)機(jī)檢查完后以上是連接都正確、暢通、可靠。軟件調(diào)試，第一步是在具有匯編軟件的主機(jī)上和用戶系統(tǒng)連接起來(lái)，進(jìn)行調(diào)試準(zhǔn)備。第二步是單步運(yùn)行。第三步是系統(tǒng)連調(diào)，即進(jìn)行軟件和硬件聯(lián)合調(diào)試。經(jīng)調(diào)試，軟件運(yùn)行良好。4.5整機(jī)的調(diào)試與測(cè)試首先是測(cè)試顯示電路的正確性，根據(jù)硬件寫好一段顯示程序，寫入單片機(jī)中。安裝好硬件，上電，顯示正常，達(dá)到預(yù)期效果。證明顯示電路正常。按下復(fù)位按鍵，LED無(wú)顯示，松開(kāi)，顯示正常，證明復(fù)位電路正常。然后測(cè)試得到溫度程序，將初始化程序，DS18B20正常工作的初始化程序、寫DS18B20程序、讀DS18B20程序，得到溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換子程序，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序，顯示子程序正確編排后寫入單片機(jī)中，上電，顯示不正常