【正文】 碼管 。因此溫度測(cè)控技術(shù)是一個(gè)很實(shí)用、也很重要的技術(shù)，值得去研究掌握。 具體要求有： ■ 基本范圍 50℃ 110℃ ■ 精度誤差小 于 ℃ ■攝氏度與華氏度的自由切換 ■ LED 數(shù)碼直讀顯示第 2章 總體 方案設(shè)計(jì) 與論證 7 第 2章 溫度采集器方案選擇 溫度采集器 的基本方案 溫度采集器 的 基本方案如圖 21所示： 基本方案如圖 21 所示 溫度采集器電路設(shè)計(jì)總體方框圖如圖 21 所示，控制器采用單片機(jī)STC89C52RC，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。由于鍵盤控制信 號(hào)繁多，系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)以及相互轉(zhuǎn)移更是復(fù)雜，用純粹的數(shù)字電路或小規(guī)模的可編程邏輯電路實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)有一定的困難，需要用中大規(guī)模的可編程邏輯電路。 SHT71 將溫 度電子科技大學(xué)成都學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 8 傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、 A/D 轉(zhuǎn)換、 I2C 總線接口全部集成于一個(gè)芯片上。微控制器需要通過拉低 DATA 來確認(rèn)接收的每個(gè)字節(jié) ,若不使用 CRC校驗(yàn)位則微控制器可以在接收完測(cè)量數(shù)據(jù)的最低位后保持 DATA 為高電平來終止通信。 從以上三種方案， 方案的選擇即是傳感器的選擇。數(shù)字式溫度傳感器輸出的是隨溫度變化的數(shù)字量，更直觀，與模擬輸出相比，它輸出速度響應(yīng)較慢，但容易與 MPU 接 口?？紤]到我們?cè)O(shè)計(jì)的目的和要求不是很精密嚴(yán)格。 第 2章 總體 方案設(shè)計(jì) 與論證 9 如圖所示： 各模塊 簡(jiǎn)介 主芯片 簡(jiǎn)介 （一）單片機(jī)簡(jiǎn)述 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到 硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。雖然世界上的 MCU 品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明 :80C51 系列單片機(jī)已成為單片機(jī)發(fā)展的主流。 AT89C52 單片機(jī)芯片具有以下特性： 1）指令集合芯片引腳與 Intel 公司的 8052 兼容； 2） 4KB 片內(nèi)在系統(tǒng)可編程 FLASH 程序存儲(chǔ)器； 3）時(shí)鐘頻率為 0~33MHZ； 4） 128 字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（ RAM）； 5） 6 個(gè)中斷源， 2級(jí)優(yōu)先級(jí)； 6） 2 個(gè) 16 位定時(shí) /記數(shù)器； 7）全雙工串行通信接口； 8）監(jiān)視定時(shí)器； 9）兩個(gè)數(shù)據(jù)指針； STC89C52芯片 第 2章 總體 方案設(shè)計(jì) 與論證 11 STC89C52 引腳圖 STC89C52 芯片 共 40 引腳 : 1~8 腳 : 通用 I/O 接口 ~ 9 腳 : rst 復(fù)位鍵 10 .11 腳 :RXD 串口輸入 TXD 串口輸出 12~19:I/O p3 接口 (12,13 腳 INT0 中斷 0 INT1 中斷 1 14,15 : 計(jì)數(shù)脈沖 T0 T1 16,17: WR 寫控制 RD 讀控制輸出端 ) 18,19: 晶振諧振器 20: 地線 21~28 p2: 接口 高 8 位地址總線 29: psen 片外 rom選通端單片機(jī)對(duì)片外 rom操作時(shí) 29 腳 (psen)輸出低電平 30:ALE/PROG 地址鎖存器 31:EA rom取指令控制器 高電平片內(nèi)取 低電平片外取 電子科技大學(xué)成都學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 12 32~39:~(此接口的順序與其他 I/O 接口不同與引腳號(hào)的排列順序相反 ) 40:電源 +5V 溫度傳感器簡(jiǎn)介 測(cè)量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展主要大體經(jīng)過了三個(gè)階段：1 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件） 2 模擬集成溫度傳感器控制器 3 智能溫度傳感器 模擬集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。但它自成系統(tǒng)，工作時(shí)并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器 (或寄存器 )和接口電路。數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 正是朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。C~+125176。C?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以 一線總線 的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系 統(tǒng)的抗干擾性 。同時(shí)其“一線總線”獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念?？蓮V泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng) 域的溫度測(cè)量及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。 （ 4）測(cè)溫范圍－ 55℃～﹢ 125℃。 （ 5）通過編程可實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字讀 數(shù)方式。當(dāng)電源電壓的極性反接時(shí)，能保護(hù)電子科技大學(xué)成都學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 14 DS18B2不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。 （ 11）內(nèi)含 64 位激光修正的只讀存儲(chǔ) ROM，扣除 8 位產(chǎn)品系列號(hào)和 8 位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC）之后，產(chǎn)品序號(hào)占 48 位。其管腳排列見下圖 I/0 為數(shù)據(jù)輸入輸出端 (即單線總線 )，它屬漏極開路輸出，外接上拉電阻后，常 下呈高電平。 在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、 LED 數(shù)碼管、液晶顯示器。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平、 ?端接低電平時(shí)，才能發(fā)光。在正向?qū)ㄖ?，正向電流近似于零，筆段不發(fā)光。使用 LED數(shù)碼管時(shí)，工作電流一般選 10mA左右／段，既保證亮度適中，又不會(huì)損壞器件。溫度采集器用來采集溫度并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)，然后再四位數(shù)碼管 上顯示出測(cè)量到的溫度。 圖 33 STC89C52 引腳圖 電子科技大學(xué)成都學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 18 圖 35 時(shí)鐘電路電路圖 圖 36 復(fù)位電路電路圖 52 系列單片機(jī)為 許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。如 37圖所示 圖 37 LED 數(shù)碼管 第 4 章 溫度采集器 的軟件設(shè)計(jì) 19 數(shù)據(jù)采集 芯片與 電路 圖 38 DS18B20 實(shí)物圖 DS18B20 的 接線說明 DS18B20 的 特點(diǎn) 是 獨(dú)特的一線接口，一條線通信 ， 無需外部元件用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 V至 V 無需備用電源 測(cè)量溫度范圍為 55 度 至 +125 度華氏相當(dāng)于是 67 華氏度 到 257 華氏度 。 圖 39 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有 4 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。光刻 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20 的目的。 （ 4）配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如下 ： 表 3 配置寄存器結(jié)構(gòu) TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是 1 ， TM 是測(cè)試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測(cè)試模式。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表 1 所示。 表 6 ROM 指令表 指 令 約定代碼 功 能 讀 ROM 33H 讀 DS1820ROM 中的編碼（即 64 位地址 ） 符合 ROM 55H 發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64位 ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的 DS1820 使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該 DS1820 的讀寫 第 4 章 溫度采集器 的軟件設(shè)計(jì) 23 搜索 ROM 0F0H 用于確定掛接在同一總線上 DS1820 的個(gè)數(shù)和識(shí)別 64 位 ROM 地址。 告警搜索命令 0ECH 執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)。 復(fù)制暫存器 48H 將 RAM 中第 4 字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到EEPROM 中。 電子科技大學(xué)成都學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 24 第 4章 溫度采集器的 軟件 設(shè)計(jì) DS18B20 溫度傳感器的運(yùn)行 時(shí)序 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存 RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的 EERAM。 由下表可見， DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長。 當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位符號(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 2 自己。 第 4 章 溫度采集器 的軟件設(shè)計(jì) 25 在 64 位 ROM 的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)驗(yàn)碼（ CRC）。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)。如上圖中虛線所示。 圖 42 寫入低電平 圖 43 寫入高電平 ③ 讀時(shí)間隙 見 下圖，主機(jī)總線 t0 時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)，總線只須保持低電平 1us，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 t2 時(shí)刻前有效， t2距 t0 為 15us。 圖 46讀出溫度子程序流程 初始化 調(diào)用顯示子程序 1S 到？ 初次上電 讀出溫度值溫度計(jì)算處理顯示數(shù)據(jù)刷新 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令 N Y N Y 電子科技大學(xué)成都學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 28 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用 12位分辨率時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為 750ms。程序流程圖如下圖。 (2) 在 DS1820 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數(shù)量問題，容易使人誤認(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)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。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。需要注意的是，貼片電阻，這個(gè)很微小，如果一不小心就會(huì)掉了，在焊接的時(shí)候要格外小心， 以及部分有方向和容易燒壞的零件 焊接的時(shí)候都要仔細(xì)認(rèn)真。證明顯示電路正常。證明溫度傳感器 DS18B20 工作正常。由于此前對(duì)此芯片缺乏了解，所以此次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在編程，通過搜集和閱讀 DS18B20的資料，以及本組成員的編譯和數(shù)天調(diào)試，攻克了程序設(shè)計(jì)的難題，使此次的課程設(shè)計(jì)取得突破性的成功。 DS18B20 可以廣泛用于工廠工業(yè)過程、大型糧倉、釀酒廠 ,食品加工廠的溫度檢測(cè)以及賓館、儀器儀表室等處的溫度檢測(cè)和控制 . 在軟件基本實(shí)現(xiàn)的情況下，我們做出實(shí)驗(yàn)電路板，下載程序進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了溫度的顯示的基本功能，后進(jìn)行程序改進(jìn)。我們的小組成員，大家發(fā)揮各自所長，分工協(xié)作，使我們的設(shè)計(jì)能夠有條不紊，高效率的進(jìn)行，團(tuán)隊(duì)合作給了我們?cè)O(shè)計(jì)很大的推動(dòng)力。 電子科技大學(xué)成都學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文 34 參考文獻(xiàn) [1] 康華光 . 電子技術(shù)基礎(chǔ)摸擬部分 . 北京 : 高等教育出版社， [2] 汪紅、張烈平、管秀君 .電子技術(shù) .電子工業(yè)出版社， [3] 汪思敏、陳明 .Protel 電路設(shè)計(jì)教程 .清華大學(xué)出版社， 2021 [4] 陳學(xué)平 . protel2021 快速上手 . 北京 : 人民郵電出版社， [5] 王為青 , 程國剛 . 單片機(jī) Keil Cx51 應(yīng)用開發(fā)技術(shù) .，人民郵電出版社 , [6] 張毅剛、彭喜董繼成 .單片機(jī)原理及應(yīng)用 .高等教育出版社， [7] 何立民 .單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編 .北京航空航天大學(xué)出版社， 2021 [8] 徐俊毅 .單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用 .上海科學(xué)技術(shù)出版社， 1998 [9] 李朝青 .單片機(jī)原理及接口技術(shù)（簡(jiǎn)明修訂版）北京航空航天大學(xué)出版社， 1998 [10] 李廣弟 .單片機(jī)基礎(chǔ)［Ｍ］ .北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1994 [11] 余發(fā)山，王福忠 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