【正文】 微微 機(jī)機(jī) 原原 理理 與與 接接 口口 技技 術(shù)術(shù) 綜綜 合合 實(shí)實(shí) 踐踐 說說 明明 書書 課程名稱： 微機(jī)原理與接口技術(shù)綜合實(shí)踐 設(shè)計(jì)題目： 數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫 北京交通大學(xué)微機(jī)原理與接口技術(shù)綜合實(shí)踐說明書 2 摘 要 利用 DS18B20 溫度傳感器與 89C51 相連測(cè)量室內(nèi)溫度并且在六位 LED 顯示器的中間兩位顯示出來。 LED 顯示器的前兩個(gè)顯示 上 限溫度，中間兩個(gè)顯示 當(dāng)前溫度測(cè)量值 。 最后兩位顯示 下 限溫度 。 利用按鍵設(shè)置溫度的上限與下限，并在 LED 顯示器上動(dòng)態(tài)顯示。系統(tǒng)共有四個(gè)按鍵， 前 兩個(gè) 按鍵實(shí)現(xiàn)溫度上限的調(diào)整， 后 兩個(gè)實(shí)現(xiàn)溫度下限的調(diào)整。 當(dāng)溫度低于下限（ 15℃）值時(shí)二極管發(fā)光，當(dāng)室溫高于 上限（ 40℃）時(shí)蜂鳴器報(bào)警，發(fā)出有規(guī)律的聲音。 通過按鍵調(diào)節(jié)溫度上下限，使當(dāng)前外界溫度的范圍包含在溫度傳感器的上下限內(nèi)，從而使得 蜂鳴器關(guān)閉 和 二極管 光 滅。 關(guān)鍵詞： DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 89C51 LED 共陰 極 顯示器 程序匯編 調(diào)試 北京交通大學(xué)微機(jī)原理與接口技術(shù)綜合實(shí)踐說明書 3 目 錄 一、 DS18B20???????????????? 6 二、 89C51????????????????? 17 三、 8155?????????????????? 19 四 、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理 ????????????? 23 五 、設(shè)計(jì)思路及程序流程圖 ??? ??????? 28 六 、上機(jī) 調(diào)試 過程 ?????????????? 37 七 、 心得體會(huì) ???????????????? 38 八 、附件Ⅰ Ⅱ Ⅲ ????????????? ? ? 40 參考文獻(xiàn) ?????????????????? 47 北京交通大學(xué)微機(jī)原理與接口技術(shù)綜合實(shí)踐說明書 4 正 文 一、 DS18B20 溫度傳感器 DS1820 單線數(shù)字溫度計(jì) 特性 ? 獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊 ? 簡單的多點(diǎn)分布應(yīng)用 ? 無需外部器件 ? 可通過數(shù)據(jù)線供電 ? 零待機(jī)功耗 ? 測(cè)溫范圍 55~+125℃ ，以 ℃ 遞增 ? 溫 度以 9 位數(shù)字量讀出 ? 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間 200ms（典型值） ? 用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置 ? 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 ? 應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)品、溫度計(jì)或任何熱感測(cè)系統(tǒng) 引腳說明 16腳 SSOP PR35 符號(hào) 說明 9 1 GND 接地 8 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出腳。對(duì)于單線操作：漏極開路（見 “ 寄生電源 ” 節(jié)） 7 3 VDD 可選的 VDD 引腳。具體接法見 “ 寄生電源 ” 節(jié) DS18B20（ 16 腳 SSOP）：所有上表中未提及的引腳都無連接。 概覽圖 1 的方框圖示出了 DS1820 的主要部件。 DS18B20 有三個(gè)主要數(shù)字部件： 1） 64 位激光 ROM， 2）溫度傳感器， 3）非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL。器件用如下方式北京交通大學(xué)微機(jī)原理與接口技術(shù)綜合實(shí)踐說明書 5 從單線通訊線上汲取能量：在信號(hào)線處于高電平期間把能量儲(chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。DS18B20 也可用外部 5V 電源供電。 DS18B20 依靠一個(gè)單線端口通訊。在單線端口條件下， 必須先建立 ROM 操作協(xié)議，才能進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制操作。因此，控制器必須首先提供下面 5 個(gè) ROM 操作命令之一： 1）讀 ROM， 2）匹配 ROM， 3）搜索 ROM， 4）跳過 ROM， 5）報(bào)警搜索。這些命令對(duì)每個(gè)器件的激光 ROM 部分進(jìn)行操作，在單線總線上掛有多個(gè)器件時(shí)，可以區(qū)分出單個(gè)器件，同時(shí)可以向總線控制器指明有多少器件或是什么型號(hào)的器件。成功執(zhí)行完一條 ROM 操作序列后，即可進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制操作，控制器可以提供 6 條存儲(chǔ)器和控制操作指令中的任一條。一條控制操作命令指示 DS18B20 完成一次溫度 測(cè)量。測(cè)量結(jié)果放在 DS18B20 的暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲(chǔ)器操作命令可以把暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL 各由一個(gè) EEPROM 字節(jié)構(gòu)成。如果沒有對(duì) DS18B20 使用報(bào)警搜索命令，這些寄存器可以做為一般用途的用戶存儲(chǔ)器使用?？梢杂靡粭l存儲(chǔ)器操作命令對(duì) TH 和 TL 進(jìn)行寫入，對(duì)這些寄存器的讀出需要通過暫存器。所有數(shù)據(jù)都是以最低有效位在前的方式進(jìn)行讀寫。 寄生電源 寄生電源的方框圖見圖 1。這個(gè)電路會(huì)在 I/O 或 VDD 引腳處于高電平時(shí) “偷 ”能量。當(dāng)有特定的時(shí)間 和電壓需求時(shí)（見節(jié)標(biāo)題 “單線總線系統(tǒng) ”）， I/O 要提供足夠的能量。寄生電源有兩個(gè)好處： 1）進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)溫時(shí)，無需本地電源， 2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀 ROM。要想使 DS18B20 能夠進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換， I/O 線必須在轉(zhuǎn)換期間保證供電。由于 DS18B20 的工作電流達(dá)到 1mA，所以僅靠 5K 上拉電阻提供電源是不行的，當(dāng)幾只 DS18B20 掛在同一根 I/O 線上并同時(shí)想進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，這個(gè)問題變得更加尖銳。 有兩種方法能夠使 DS18B20 在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)。第一種方法 ，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到 2E 存儲(chǔ)器操作時(shí)，給 I/O 線提供一個(gè)強(qiáng)上拉。用 MOSFET 把 I/O 線直接拉到電源上就可以實(shí)現(xiàn)，見圖 2。在發(fā)出任何涉及拷貝到 2E 存儲(chǔ)器或啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的協(xié)議之后，必須在最多 10μs 之內(nèi)把 I/O 線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉。使用寄生電源方式時(shí)， VDD 引腳必須接地。 北京交通大學(xué)微機(jī)原理與接口技術(shù)綜合實(shí)踐說明書 6 另一種給 DS18B20 供電的方法是從 VDD 引腳接入一個(gè)外部電源，見圖 3。這樣做的好處是 I/O 線上不需要加強(qiáng)上拉，而且總線控制器不用在溫度轉(zhuǎn)換期間總保持高電平。這樣在轉(zhuǎn)換期間可以允許在單線總線上進(jìn)行其他數(shù)據(jù)往來。另外，在單線總線上可以掛任意多片 DS18B20，而且如果它們都使用外部電源的話，就可以先發(fā)一個(gè) Skip ROM 命令，再接一個(gè) Convert T 命令，讓它們同時(shí)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。注意當(dāng)加上外部電源時(shí)，GND 引腳不能懸空。 溫度高于 100℃ 時(shí)，不推薦使用寄生電源，因?yàn)? DS18B20 在這種溫度下表現(xiàn)出的漏電流比較大，通訊可能無法進(jìn)行。在類似這種溫度的情況下， 強(qiáng)烈推薦使用 DS18B20 的 VDD 引腳。 對(duì)于總線控制器不知道總線上的 DS18B20 是用寄生電源還是用外部電源的情況， DS18B20 預(yù)備了一種信號(hào)指示電源的使用意圖?？偩€控制器發(fā)出一個(gè) Skip ROM 協(xié)議，然后發(fā)出讀電源命令，這條命令發(fā)出后，控制器發(fā)出讀時(shí)間隙，如果是寄生電源，DS18B20 在單線總線上發(fā)回 “0” ，如果是從 VDD 供電，則發(fā)回 “1” ，這樣總線控制器就能夠決定總線上是否有 DS18B20 需要強(qiáng)上拉。如果控制器接收到一個(gè) “0” ，它就知道必須在溫度轉(zhuǎn)換期間給 I/O 線提供 強(qiáng)上拉。這個(gè)命令協(xié)議詳見 “ 存儲(chǔ)器操作命令 ”節(jié)。 測(cè)溫操作 DS18B20 通過一種片上溫度測(cè)量技術(shù)來測(cè)量溫度。圖 4 示出了溫度測(cè)量電路的方框圖。 DS18B20 是這樣測(cè)溫的：用一個(gè)高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個(gè)門周期，內(nèi)部計(jì)數(shù)器在這個(gè)門周期內(nèi)對(duì)一個(gè)低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來得到溫度值。計(jì)數(shù)器被預(yù)置到對(duì)應(yīng)于 55℃ 的一個(gè)值。如果計(jì)數(shù)器在門周期結(jié)束前到達(dá) 0，則溫度寄存器（同樣被預(yù)置到 55℃ ）的值增加，表明所測(cè)溫度大于 55℃ 。 同時(shí)，計(jì)數(shù)器被復(fù)位到一個(gè)值，這北京交通大學(xué)微機(jī)原理與接口技術(shù)綜合實(shí)踐說明書 7 個(gè)值由斜坡式累加器電路確定，斜坡式 累加器電路用來補(bǔ)償感溫振蕩器的拋物線特性。然后計(jì)數(shù)器又開始計(jì)數(shù)直到 0，如果門周期仍未結(jié)束，將重復(fù)這一過程。 斜坡式累加器用來補(bǔ)償感溫振蕩器的非線性，以期在測(cè)溫時(shí)獲得比較高的分辨力。這是通過改變計(jì)數(shù)器對(duì)溫度每增加一度所需計(jì)數(shù)的的值來實(shí)現(xiàn)的。因此，要想獲得所需的分辨力，必須同時(shí)知道在給定溫度下計(jì)數(shù)器的值和每一度的計(jì)數(shù)值。 溫度 /數(shù)據(jù)關(guān)系（表 1） 溫度 ℃ 數(shù)據(jù)輸出（二進(jìn)制） 數(shù)據(jù)輸出（十六進(jìn)制） +125 00000000 11111010 00FA +25 00000000 00110010 0032 +1/2 00000000 00000001 0001 0 00000000 00000000 0000 1/2 11111111 11111111 FFFF 25 11111111 11001110 FFCE 55 11111111 10010010 FF92 DS18B20 內(nèi)部對(duì)此計(jì)算的結(jié)果可提供 ℃ 的分辨力。溫度以 16bit 帶符號(hào)位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式讀出，表 1 給出了溫度值和輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系。數(shù)據(jù)通過單線接口以串行方式傳輸。 DS18B20 測(cè)溫范圍 55℃~+125℃ ，以 ℃ 遞增。如用于華氏溫度，必須要用一個(gè)轉(zhuǎn)換因子查找表。 報(bào)警搜索操作 DS18B20 完成一次溫度轉(zhuǎn)換后，就拿溫度值和存儲(chǔ)在 TH和 TL 中的值進(jìn)行比較。因?yàn)檫@些寄存器是 8 位的，所以 ℃ 位被忽略不計(jì)。 TH 或 TL 的最高有效位直接對(duì)應(yīng) 16位溫度寄存器的符號(hào)位。如果測(cè)得的溫度高于 TH 或低于 TL，器件內(nèi)部就會(huì)置位一個(gè)報(bào)警標(biāo)識(shí)。每進(jìn)行一次測(cè)溫就對(duì)這個(gè)標(biāo)識(shí)進(jìn)行一次更新。當(dāng)報(bào)警標(biāo)識(shí)置位時(shí)， DS1820 會(huì)對(duì)報(bào)警搜索命令有反應(yīng)。這樣就允許許多 DS18B20 并聯(lián)在一起同時(shí)測(cè)溫，如果某個(gè)地方的溫北京交通大學(xué)微機(jī)原理與接口技術(shù)綜合實(shí)踐說明書 8 度超過了限定值，報(bào)警的器件就會(huì)被立即識(shí)別出來并讀取，而不用讀未報(bào)警的器件。 64 位（激）光刻 ROM 每只 DS18B20都有一個(gè)唯一的長達(dá) 64位的編碼。最前面 8位是單線系列編碼（ DS1820 的編碼是 9h）。下面 48位是一個(gè)唯一的序列號(hào)。最后 8位是以上 56 位的 CRC 碼。（見圖 5） 64位 ROM 和 ROM 操作控制區(qū)允許 DS18B20 作為 單線制器件并按照詳述于 “ 單線總線系統(tǒng) ” 一節(jié)的單線協(xié)議工作。只有建立了 ROM 操作協(xié)議，才能對(duì) DS1820 進(jìn)行控制操作。這個(gè)協(xié)議用 ROM 操作協(xié)議流程圖來描述。單線總線控制器必須得天 獨(dú)厚提供 5 條 ROM 操作命令其中之一： 1） Read ROM， 2） Match ROM， 3） Search Rom， 4） Skip ROM， 5） Alarm Search。成功進(jìn)行一次 ROM 操作后，就可以對(duì) DS18B20 進(jìn)行特定的操作，總線控制器可以發(fā)出六個(gè)存儲(chǔ)器和控制操作命令中的任一 條 。 CRC 發(fā)生器 DS1820 中有 8 位 CRC 存儲(chǔ)在 64 位 ROM 的最高有效字節(jié)中?？偩€控制器可以用 64 位 ROM 中的前 56 位計(jì)算出一個(gè) CRC 值，再用這個(gè)和存儲(chǔ)在 DS1820 中的值進(jìn)行比較 ，以確定 ROM 數(shù)據(jù)是否被總線控制器接收無誤。 CRC 計(jì)算等式如下： CRC= 8X + 5X + 4X +1 DS1820 同樣用上面的公式產(chǎn)生一個(gè) 8 位 CRC 值，把這個(gè)值提供給總線控制器用來校驗(yàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在任何使用 CRC 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)的情況下，總線控制器必須用上面的公式計(jì)算出一個(gè) CRC 值，和存儲(chǔ) 在 DS1820 的 64 位 ROM 中的值或 DS1820 內(nèi)部計(jì)算出的 8 位 CRC 值（當(dāng)讀暫存器時(shí)，做為第 9 個(gè)字節(jié)讀出來）進(jìn)行比較。 CRC 值的比較以及是否進(jìn)行下一步操作完全由總線控制器決定。當(dāng)在 DS1820 中存儲(chǔ)的或由其計(jì)算的 CRC 值和總線控制器計(jì)算的值不相符時(shí)， DS1820 內(nèi)部并沒有一個(gè)能阻止命令序列進(jìn)行的電路。 單線 CRC 可以用一個(gè)由移位寄存器和 XOR 門構(gòu)成的多項(xiàng)式發(fā)生器來產(chǎn)生，見圖 7。 移位寄存器的各位都被初始化為 0。然后從系列編號(hào)的最低有效位開始，一次 一位移入寄存器 。 8 位系列編碼都進(jìn)入以后，序列號(hào)再進(jìn)入， 48 位序列號(hào)都進(jìn)入后，移位寄存器中就存儲(chǔ)了 CRC值。移入 8位 CRC 會(huì)使移位寄存器復(fù) 0。存儲(chǔ)器 DS1820 的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示于圖 8。存儲(chǔ)器由一個(gè)暫存 RAM 和一個(gè)存儲(chǔ)高低溫報(bào)警觸發(fā)值 TH 和 TL 的非易失性電可擦除（ 2E ） RAM 組成。當(dāng)在單線總線上通訊時(shí)，暫存器幫助確保數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)先被寫入暫存器，這里的數(shù)據(jù)可被讀回。數(shù)據(jù)經(jīng)過校驗(yàn)后，用一個(gè)拷貝暫存器命令會(huì)把