【正文】 單線技術(shù)具有線路簡(jiǎn)單，硬件開銷少，成本低廉。便于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。 單線技術(shù)適用以單主機(jī)系統(tǒng)，單主機(jī)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)可以是單線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換，控制都由這根線完成。主機(jī)或從煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) 3 機(jī)通過一個(gè)漏極開路或三態(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)能夠釋放線，而讓其它設(shè)備使用。單線通常要求外接一個(gè)約 5kΩ 的上拉電阻，這樣，當(dāng)該線閑置時(shí)，器件狀態(tài)為高電平。 主機(jī)和從機(jī)之間的通信主要分為 3 個(gè)步驟：初始化單線器件，識(shí)別單線器件和單線數(shù) 據(jù)傳輸。由于只有一根線通信，所以它們必須是嚴(yán)格的主從結(jié)構(gòu)，只有主機(jī)呼叫從機(jī)時(shí)，從機(jī)才能應(yīng)答，主機(jī)訪問每個(gè)單線器件都必須嚴(yán)格遵循單線命令序列，從機(jī)遵守上述三個(gè)步驟的順序。如果命令序列混亂，單線器件將不會(huì)響應(yīng)主機(jī)。 所有的單線器件都有遵循嚴(yán)格的協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。單線協(xié)議有復(fù)位脈沖，其他均由主機(jī)發(fā)起，并且所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的地位在前。煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) 4 2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 核心處理器的設(shè)計(jì) AT89C51 簡(jiǎn)介 對(duì)于單片機(jī)的選擇，可以考慮使用 8031 與 8051 系列，由于 8031 沒有內(nèi)部 RAM，系統(tǒng)又需要 大量?jī)?nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因而不適用。所以，我們選用 51 系列單片機(jī) AT89C51。AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4kbytes的可編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳，并集成了 Flash 程序存儲(chǔ)器，既可在線編程 (ISP)，也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程，因此，低價(jià)位 AT89C51 單片機(jī)可應(yīng)用于許多高性價(jià)比的場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，對(duì)于簡(jiǎn)單的測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)足夠。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 [2]。 AT89C51 的主要特性如下： （ 1）與 MSC51 兼容； （ 2） 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器； （ 3）壽命： 1000 寫、檫循環(huán)； （ 4）數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年； （ 5）全靜態(tài)工作時(shí)間： 0Hz24Hz （ 6）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定； （ 7） 128*8 為內(nèi)存 RAM； （ 8） 32 根可編程 I/O 線； （ 9）兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； （ 10） 5 個(gè)中斷源； （ 11）可編程串行通道； （ 12）低功耗的閑置和掉電模式； （ 13）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路； AT89C51 引腳圖 芯片 AT89C51 的引腳排列和邏輯符號(hào)如圖 所示。 煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) 5 圖 AT89C51 單片機(jī)引腳圖 AT89C51 引腳功能介紹 單片機(jī)芯片 AT89C51 為 40 引腳雙列直插式封裝。其各個(gè)引腳功能 [4]介紹如下： (1) VCC：供電電壓； (2) GND：接地； (3) P0 口 P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每個(gè)管腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳寫 ”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 FLASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FLASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部電位必須被拉高。 (4) 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，電位被內(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。 (5) 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)，其管腳電位被內(nèi)部上拉電阻拉 高，且作為輸入。作為輸入煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) 6 時(shí)， P2 口的管腳電位被外部拉低，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)部上拉的優(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)。 (6) 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 時(shí)，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流 (ILL)，也是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，同時(shí) 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)。其具體功能如表 所示。 表 P3 口特殊功能介紹 端口定義 符號(hào)表示 功能描述 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 INT0 外部中斷 0 INT1 外部中斷 1 T0 定時(shí)器 0 外部輸入 T1 定時(shí)器 1 外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 (7) RST：復(fù)位輸入端。當(dāng)振蕩器復(fù)位時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 (8) ALE / PROG 當(dāng)訪問外部存儲(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)煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) 7 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)，將跳過一個(gè) 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 指令時(shí) 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，置位無效。 (9) PSEN 外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取址期間，每個(gè)機(jī)器周期 PSEN兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 (10) EA/VPP 當(dāng) EA 保持低電平時(shí)，訪問外部 ROM；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)，訪問內(nèi)部 ROM。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源 (VPP)。 (11) 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。 (12) XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)如圖 所示。該復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位與上電復(fù)位相結(jié)合的方式。當(dāng)按下按鍵 S1 時(shí)， VCC 通過 R1 電阻給復(fù)位輸入端口一個(gè)高電平，實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，即手動(dòng)復(fù)位。上電復(fù)位就是 VCC 通過電阻 R2 和電容 C 構(gòu)成回路，該回路是一個(gè)對(duì)電容 C 充電和放電的電路，所以復(fù)位端口得到一個(gè)周期性變化的電壓值，并且有一定時(shí)間的電壓值高于 CPU 復(fù)位電壓，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能 [5]。 煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) 8 圖 單片機(jī)復(fù)位 電路 晶振電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)晶振電路的設(shè)計(jì)如圖 所示。 XTAL1（ X1）為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(X2)是來自反向振蕩器的輸出。按照理論上 AT89C51使用的是 12MHz的晶振，但實(shí)測(cè)使用 。所以設(shè)計(jì)者通常用的是 。 溫度采集電路設(shè)計(jì) 由于傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件測(cè)出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度，需要比較多的外部元件支持，且硬件電路復(fù)雜，制作成本相對(duì)較高。這里采用 DALLAS 公司的數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 作為 測(cè)溫元件。 煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) 9 圖 單片機(jī)晶振電路 DS18B20 簡(jiǎn)介 DALLAS 最新單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 是一種新型的 ”一線器件 ”，其體積更小、更適用于多種場(chǎng)合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。 DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 是世界上第一片支持 ”一線總線 ”接口的溫度傳感器。溫度測(cè)量范圍為 55～ +125 攝氏度，可編程為 9 位～ 12 位轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá) 攝氏度，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在 EEPROM 中，掉電后依然保存。被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可以在遠(yuǎn)端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上， CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。因此用它來組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便 [6]。 DS18B20 的性能特點(diǎn)如下： （ 1）獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條總線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊； （ 2） DS18B20 支持 多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫； （ 3） DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì) 10 如一只三極管的集成電路內(nèi)； （ 4）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電； （ 5）測(cè)溫范圍 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 時(shí)精度為 177?！?； （ 6）零待機(jī)功耗； （ 7）可編程的分辨率為 9～ 12 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、 ℃和 ℃ ，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫； （ 8）在 9 位分辨率時(shí) 最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時(shí)最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快； （ 9）用戶可定義報(bào)警設(shè)置； （ 10）報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度 (溫度報(bào)警條件 )的器件； （ 11）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以 一線總線 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力； （ 12）負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作 。 以上特點(diǎn)使 DS18B20 非常適用與多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離溫度檢測(cè)系統(tǒng)。 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、各種封裝形式如圖 所示。其中， DQ 為數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳，也可用作開漏單總線接口引腳，當(dāng)被用在寄生電源工作方式下，可以向器件提供電源； GND 為地信號(hào)； VDD 為可選擇的電源引腳，當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。其電路圖 所示。 DS18B20 的 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 為 DS1820 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，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 (內(nèi)含便箋式 RAM)，用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值的 TH 和 TL觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、 8 位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼 (CRC)發(fā)生器等七部分。 DS18B20 采用 3 腳 PR－ 35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝。 其中， 64 bit 閃速 ROM 的結(jié)構(gòu)如下： 8bit 校驗(yàn) CRC 48bit 序列號(hào) 8bit 工 廠 代 碼(10H) MSB LSB MSB LSB MSB LSB 煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)