【正文】 掌握溫度傳感器在單片機(jī)系統(tǒng)中的使用方法。 AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4K bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器和128的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件采用AEMEL公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性?xún)r(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 課題完成的功能基于單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng)，這是一種低成本的利用單片機(jī)多余I/O口實(shí)現(xiàn)的溫度檢測(cè)電路, 該電路非常簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn), 并且適用于幾乎所有類(lèi)型的單片機(jī), 本文采用單總線(也稱(chēng)為1—WIRE)集成數(shù)字溫度傳感器DSl8B20直接測(cè)得溫度，單片機(jī)要構(gòu)造適當(dāng)?shù)臅r(shí)序，以便從DSl8B20中取得數(shù)據(jù)。溫度的測(cè)量值用數(shù)碼管顯示 。第 1 頁(yè) 共 48 頁(yè)課題的系統(tǒng)設(shè)計(jì)2 課題的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)概述單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，并且在很多電子產(chǎn)品中也將其用到溫度檢測(cè)和溫度控制。為此在本文中作者設(shè)計(jì)了基于ATMEL公司AT89C51 的溫度測(cè)量系統(tǒng)。這是一種低成本的利用單片機(jī)多余I/O口實(shí)現(xiàn)的溫度檢測(cè)電路，該電路非常簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，并且適用于幾乎所有類(lèi)型的單片機(jī)。 本系統(tǒng)硬件電路可分為三個(gè)部分:一傳感器部分；二單片機(jī)部分；三數(shù)碼動(dòng)態(tài)顯示部分。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集由溫度傳感器DS18B20 采集被測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)溫度，提供AT89C51 。傳感器感受環(huán)境溫度，輸送溫度信號(hào)，而單片機(jī)部分是本系統(tǒng)的核心、中樞，數(shù)碼動(dòng)態(tài)顯示部分可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。本課題硬件電路設(shè)計(jì)的較為簡(jiǎn)要，在電路的調(diào)試方面不算困難，而系統(tǒng)的程序應(yīng)該是核心的核心。其簡(jiǎn)單框圖如下：圖1 設(shè)計(jì)總體框圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則要求單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、操作維護(hù)方便、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個(gè)方面考慮:使用可靠性高的元器件。設(shè)計(jì)電路板時(shí)布線和接地要合理。對(duì)供電電源采用抗干擾措施。單片機(jī)除體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢(shì)在于高性能價(jià)格比。一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性?xún)r(jià)比是其中一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡(jiǎn)化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能用軟件功能取代硬件功能等。 系統(tǒng)工作原理電路圖如下：圖2 系統(tǒng)電路系統(tǒng)的硬件電路連線如下（1） 把“單片機(jī)系統(tǒng)”－“動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的ABCDEFGDP端子上。（2） 把“單片機(jī)系統(tǒng)”－“動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的S1S2S3S4S5S6S7S8端子上。（3） 把DS18B20芯片插入“四路單總線”區(qū)域中的任一個(gè)插座中，注意電源與地信號(hào)不要接反。 （4） 把“四路單總線”區(qū)域中的對(duì)應(yīng)的DQ端子連接到“單片機(jī)系統(tǒng)”。本電路由5V的外部穩(wěn)壓源提供工作電壓，外部有一個(gè)晶振電路，構(gòu)成單片機(jī)的內(nèi)部晶振電路，為單片機(jī)提供所需要的時(shí)鐘頻率，可獲得較高的刷新頻率，頻率為12MHz，可以滿(mǎn)足整個(gè)電路對(duì)頻率的要求。溫度傳感器感受到外部環(huán)境的溫度，通過(guò)“串行通訊”方式，，可以方便的使用單總線接口?！磾?shù)碼管的8端。同時(shí)數(shù)碼管的其他接口和單片機(jī)的P0口相連。然后單片機(jī)工作，（運(yùn)行一系列程序）經(jīng)過(guò)寫(xiě)，讀，轉(zhuǎn)換，顯示等一系列的運(yùn)行,顯示結(jié)果送到數(shù)碼管，四個(gè)數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)，最后準(zhǔn)確的顯示環(huán)境溫度。同時(shí)本設(shè)計(jì)中采用了復(fù)位電路，在正常狀態(tài)下本復(fù)位電路用處不大，但當(dāng)出現(xiàn)死機(jī)等狀態(tài)時(shí)，復(fù)位鍵可以在CPU不需要重起的情況下，復(fù)位成功。第 35 頁(yè) 共33 頁(yè)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3 溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅(qū)動(dòng)電路(LCD或LED驅(qū)動(dòng)電路)，脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)最小、而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。 AT89C51單片機(jī)AT89C51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)片內(nèi)含4kBytes ISP的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS 51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash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。在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，89C51 ，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， 。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)R0M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ROM.(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)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。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。 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，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，.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。 單線總線技術(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。，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平。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))。 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