【正文】 存儲(chǔ)單元。AT89C51 具有如下特點(diǎn)：40 個(gè)引腳，4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM), 32 個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2 個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 單片機(jī)引腳 單片機(jī)有 4 個(gè) I/0 端口，每個(gè)端口都是 8 位雙向口，共占 32 根引腳。每個(gè)端口都包括一個(gè)鎖存器(即專(zhuān)用寄存器 POP3)、一個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。通常把4 個(gè)端口稱(chēng)為 POP3。見(jiàn)圖 3。在無(wú)片外擴(kuò)展的存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，這 4 個(gè)端口的每一位都可以作為雙向通用 I/0 端口使用。在具有片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，P2 口作為高 8 位地址線，PO 口分時(shí)作為低 8 位地址線和雙向數(shù)據(jù)總線。各自特點(diǎn)如下: (1) PO 口為雙向 8 位三態(tài) I/0 口，它既可作為通用 I/O 口，又可作為外部擴(kuò)展時(shí)的數(shù)據(jù)總線及低 8 位地址總線的分時(shí)復(fù)用口。作為通用 1/0 口時(shí)，輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需外接專(zhuān)用鎖存器。輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性。每個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 負(fù)載。 (2) PI 口為 8 位準(zhǔn)雙向 1/0 口，內(nèi)部具有上拉電阻，一般作通用 1/0 口使用，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線，作為輸入時(shí)，鎖存器必須置 1。每個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。 (3) P2 口為 8 位準(zhǔn)雙向 1/0 口，內(nèi)部具有上拉電阻，可直接連接外部 1/0 設(shè)備。它與地址總線高 8 位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。一般作為外部擴(kuò)展時(shí)的高 8 位地址總線使用。 (4) P3 口為 8 位準(zhǔn)雙向 1/0 口，內(nèi)部具有上拉電阻，它是雙功能復(fù)用口，每個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。作為通用 1/0 口時(shí)，功能與 P1 口相同，常用第二功能。 控制線一共有 6 條: (1) ALE/ :地址鎖存允許/編程線，配合 PO 口引腳的第二功能使用。在訪PROG問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，89C51 CPU 在 引腳上輸出片外存儲(chǔ)器低 8 位地址的同時(shí)在 ALE/ 上輸出一個(gè)高電位脈沖，用于把這個(gè)片外存儲(chǔ)器低 8 位地址鎖存到外部專(zhuān)用地址鎖存器，以便空出 引腳線去傳送隨后而來(lái)的片外存儲(chǔ)器讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。在不訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，89C51 自動(dòng)在 ALE/ 上輸出頻率為 fosc/6 的PROG脈沖序列。該脈沖序列可用作外部時(shí)鐘源或作為定時(shí)脈沖源使用。 (2) /Vpp:允許訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器/編程電源線，可以控制 89C51 使用片內(nèi) R0MEA還是使用片外 R0M。若 =0，則允許使用片內(nèi) R0M。若 =1 則允許使用片外 (3) :片外 ROM 選通線，在執(zhí)行訪問(wèn)片外 R0M 的指令 M0VC 時(shí)，89C51 自動(dòng)PSN在 PSEN 上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，用于為片外 R0M 芯片的選通。其他情況下 PSEN 線均為高電平封鎖狀態(tài)。 (4) RST/VPD:復(fù)位/備用電源線，可以使 89C51 處于復(fù)位工作狀態(tài)。圖 3 AT89C51 引腳圖 時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)是單片機(jī)內(nèi)部各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，控制器按照指令的功能產(chǎn)生一系列在時(shí)間上有一定次序的信號(hào)，控制相關(guān)的邏輯電路工作，實(shí)現(xiàn)指令的功能。復(fù)位對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，是程序還沒(méi)有開(kāi)始執(zhí)行，是在做準(zhǔn)備工作。時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路見(jiàn)圖 4[2]。XTAL1XTAL2RESC130pC230pY12MHZR110k C310uF圖 4 時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路 傳感器的基本特性在監(jiān)控系統(tǒng)中有各種不同的物理量需要監(jiān)測(cè)和控制，這就要求傳感器能感受被測(cè)非電量并將其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有一定函數(shù)關(guān)系的電量。傳感器所測(cè)量的非電量是處在不斷的變化之中，傳感器能否將這些非電量的變化不失真地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，取決于傳感器的輸入一輸出特性。傳感器這一基本特性可用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)描述。傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有:線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于被測(cè)量不隨時(shí)間變化，測(cè)量和記錄過(guò)程不受時(shí)間限制。而實(shí)際中大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測(cè)量的大小，還要顯示被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律，即被測(cè)量的波形。傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過(guò)時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如:最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入量隨時(shí)間的變化規(guī)律，即它們具有同一時(shí)間函數(shù)。但是，除了理想情況以外，實(shí)際傳感器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不會(huì)具有相同的時(shí)間函數(shù)，由此引起動(dòng)態(tài)誤差 [3]。 DS18B20 簡(jiǎn)介 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器概述 美國(guó) DALLAS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，可以直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9 位的溫度讀數(shù)。并且多個(gè)DS18B20 可以并接到多個(gè)地址線上與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。由于每一個(gè) DS18B20 出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列號(hào)并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用簡(jiǎn)單的通信協(xié)議就可以識(shí)別，從而節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 與其它溫度傳感器相比，DS18B20 具有以下特性: （1）全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 （2）先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。（3）最高 12 位分辨率，精度可達(dá)土 176。C。（4）12 位分辨率時(shí)的最大工作周期為 750 毫秒。（5）檢測(cè)溫度范圍為–55176。C ~+125176。C (–67176。F ~+257176。F)（6）內(nèi)置 EEPROM，限溫報(bào)警功能。（7）多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。 DS18B20 常用的封裝有 TO92 和 8 引腳的 SOIC 封裝，如圖 5 所示: 圖 5 DS18B20 的封裝和引腳對(duì)圖 5 中 DS18B20 的引腳功能說(shuō)明如下:NC:空引腳，不連接外部信號(hào)。VDD:接電源引腳，電源供電 .GND:接地。DQ:數(shù)據(jù)的輸入和輸出引腳。DQ 引腳的 1/O 為數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線總線)，常態(tài)下呈高電平 [4]。 1wire 技術(shù) 單線總線，即 1wire 技術(shù)是 DS18B20 的一個(gè)特點(diǎn)。該技術(shù)采用單根信號(hào)線，既可傳輸時(shí)鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術(shù)有線路簡(jiǎn)單，硬件開(kāi)銷(xiāo)少，成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。單總線適用于單主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換只通過(guò)一條信號(hào)線。當(dāng)只有一個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)可按單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作。當(dāng)有多個(gè)從設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)則按多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作。 單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線完成。主機(jī)或者從機(jī)通過(guò)一個(gè)漏極開(kāi)路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠釋放總線，而讓其他設(shè)備使用總線，其內(nèi)部等效電路如圖 6 所示。單總線通常要求外接一個(gè)約為 歐的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平 [5]。圖 6 DS18B20 內(nèi)部等效電路圖 DS18B20 的使用方法 由于DS18B20 采用的是1－Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)AT89S51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來(lái)模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來(lái)完成對(duì)DS18B20 芯片的訪問(wèn)。由于 DS18B20 是在一根I/O 線上讀數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20 有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫(xiě)命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 DS18B20 的讀寫(xiě)時(shí)序 對(duì)DS18B20的使用，多采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。處理時(shí)，將DS18B20信號(hào)線與單片機(jī)一位口線相連，單片機(jī)可掛接多片DS18B20,從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。 其工作過(guò)程為:主機(jī)發(fā)出一個(gè)脈沖，待”0”電平大于480μs后，復(fù)位DS18B20，在 DS18B20所發(fā)響應(yīng)脈沖由主機(jī)接收后，主機(jī)再發(fā)讀ROM命令代碼33H，然后發(fā)一個(gè)脈沖(15μs)，并接著讀取DS18B20序列號(hào)的一位。另外，由于DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，遵循嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此，系統(tǒng)對(duì)DS18B20和各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行，即初始化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)。 DS18B20格的協(xié)定來(lái)確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議由幾種單線上信號(hào)類(lèi)別型組成:復(fù)位脈沖，存在脈沖，寫(xiě)0，寫(xiě)1，讀0，和讀l所有這些信號(hào)除了存在脈沖之外均由總線主機(jī)產(chǎn)生。開(kāi)始先對(duì)DS18B20初始化，后繼以存在脈沖的復(fù)位脈沖表示DS 18B20已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送或接收給出正確的ROM命令和存貯器操作命令的數(shù)據(jù)?？偩€主機(jī)發(fā)送TX復(fù)位脈沖(最短為480μs的低電平信號(hào))。接著總線主機(jī)便釋放此線并進(jìn)入接收方式(Rx)。單線總線經(jīng)過(guò)5k的上拉電阻被拉至高電平狀態(tài)。在檢測(cè)到1/0引腳上的上升沿之后，DS18B20等待1560μs并且接著發(fā)送存在脈沖(60240μs的低電平信號(hào)) [3]。 DS18B20 的測(cè)溫原理DS18B20 的內(nèi)部框圖如圖 7 所示，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64 位激光 ROM 單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲(chǔ)用戶(hù)設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、8 位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼發(fā)生器等 7 部分。圖7 DS18B20的內(nèi)部框圖圖8 DS18B20測(cè)溫原理圖 DS18B20的測(cè)溫原理如圖8所示。低溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計(jì)數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率對(duì)溫度很敏感的振蕩器，為計(jì)數(shù)器2提供一個(gè)頻率隨溫度變化的計(jì)數(shù)脈沖。初始時(shí)，溫度寄存器被預(yù)置成55176。C，每當(dāng)計(jì)數(shù)器1從預(yù)置數(shù)開(kāi)始減計(jì)數(shù)到0時(shí)，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加1176。C，這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直到計(jì)數(shù)器 2計(jì)數(shù)到0時(shí)便停止。初始時(shí)，計(jì)數(shù)器1預(yù)置的是與55176。C像對(duì)應(yīng)的一個(gè)預(yù)置值。以后計(jì)數(shù)器1每一個(gè)循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計(jì)數(shù)器1的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度外使溫度寄存器存值增加1176。C計(jì)數(shù)器所需的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。圖中比較器的作用是以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計(jì)數(shù)器2停止計(jì)數(shù)后，比較器將計(jì)數(shù)器1中的計(jì)176。C進(jìn)行比較，若低于 176。C ,溫度寄存器的最低位就置0。176。C，就置1，176。C, 溫度寄存器的最低位就進(jìn)位后置0。這樣，經(jīng)過(guò)比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最末位代表0. 5176。C，四舍五入最大量化誤差為士1/2LSB，176。C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0、1字節(jié)。單片機(jī)可通過(guò)單總線讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位字節(jié)在前，高位字節(jié)在后，176。C/LSB形式表示。設(shè)S為標(biāo)志位，對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位 S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1 時(shí)，先將二進(jìn)制的各位取反加 1后再計(jì)算十進(jìn)制。表 1是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。表1 輸出溫度值的不同進(jìn)制溫度（176。C ） 輸出的二進(jìn)制碼 對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制碼+125 0000 0111 1101 0000 07D0H+85 0000 0101 0101 0000 0550H+ 0000 0000 0000 1000 0008H0 0000 0000 000 0000 0000H 1111 1111 1111 1000 FFF8H25 1111 1110 0110 1111 FE6FH55 1111 1100 1001 0000 FC90H 另外，由于DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，即異步通信，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化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)DS18B20溫度傳感器的測(cè)溫誤差：在0——70176。C 范圍內(nèi)，DS18B20的上下限誤差分別為+176。