【文章內(nèi)容簡介】 及使用說明 DS18B20 高精度數(shù)字溫度傳感器可以完成如下的功能： (1)采用 AT89S51 單片機和 DS18B20 溫度傳感器通信，控制溫度的采集過程和進行數(shù)據(jù)通信； (2)提供 DS18B20 的使用外圍電路溫度顯示 LED 電路以 及 DS18B20 和單片機的通信接口電路； (3)利用發(fā)光二極管指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)， DS18B20 溫度傳感器內(nèi)置溫度上下限； (4)編寫程序，完成單片機對溫度數(shù)據(jù)的采集過程以及與 DS18B20 數(shù)據(jù)傳輸過程的 大連交通大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 6 控制。 主機（單片機）控制 DS18B20 完成溫度轉換必須經(jīng)過三個步驟，每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進行復位操作 ,復位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行預定的操作。復位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒，然后釋放，當 DS18B20 收到信號后等待 1660 微秒左右 ，后發(fā)出 60240 微秒的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號表示復位成功。部分溫度值與 DS18B20 輸出的數(shù)字量對照表如下圖表 31 所示： 表 31 部分溫度值與 DS18B20 輸出的數(shù)字量對照表 DS18B20 寄存器的存儲器及格式 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM和一個非易失性的可電擦除的 E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、 TL和結構寄存器。暫存存儲器包含了 8 個連續(xù)字節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個字節(jié)是溫度的高八位。 第三個和第四個字節(jié)是 TH、 TL的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計算。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。 DS18B20 使用注意事項 DS18B20 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便和占用口線少等優(yōu)點，但是在實際應用中也應注意以下幾個問題 ： 1． 因為硬件開銷較小，所以需要較復雜的軟件進行補償，由于 DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送。 因此，在對 DS18B20 進行讀寫編程時必須嚴格保證讀寫時序，否則將無法讀取 測溫結果。 2． 當單總線上所掛 DS18B20 超過 8 個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意 。 3． 在 DS18B20 測溫程序設計中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉換時總要等待 DS18B20的返回信號，一旦某個 DS18B20 接觸不好或短線，當程序讀該 DS18B20 時，將沒有返大連交通大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 7 回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行 DS18B20 硬件連接和軟件設計時也要加以注意。 達林頓反向驅動器 ULN2803 簡介 本系統(tǒng)要用單片機控制風扇直流電機，需要加驅動電路，為直流電機提供足夠大的驅動 電流。在本系統(tǒng)驅動電路中，選用達林頓反向驅動器 ULN2803 來驅動風扇直流電機。 ULN2803 在使用時接口簡單，操作方便，可為電機提供較大的驅動電流，它實際上是一個集成芯片，單塊芯片可同時驅動 8 個電機。每個電機由單片機的一個 I/O 口控制， 片機 I/O 口輸出的為 5V 的 TTL 信號。 ULN2803 如圖 32 所示： 圖 32 ULN2803 反向驅動器 ULN2803 由 8 個 NPN 達林頓晶體管組裝而成，共 18 個引腳，引腳 1~8 分別是 8路驅動器的輸入端，輸入信號可直接是 TTL 或 CMOS 信號；引腳 11~18 分別是 8 路 驅動器的輸出端；引腳 9 為接地線，引腳 10 為電源輸入。當輸入 TTL 信號為 5V 或 CMOS信號為 6~15V 時，輸出的最大電壓為 50V，最大電流為 500mA，工作溫度范圍為 0~70℃ 。本系統(tǒng)選用的電機為 12V 直流無刷電機，可用 ULN2803 來驅動。 LED 數(shù)碼管簡介 本系統(tǒng)選用五個 LED 數(shù)碼管來進行溫度顯示。 LED 又稱為數(shù)碼管，它主要是由 8段發(fā)光二極管組成的不同組合，其中 a~g 為數(shù)字和字符顯示段， dp 為小數(shù)點的顯示，通過 a~g 這 7 個發(fā)光二極管點亮的不同組合，可以顯示 0～ 9 和 A～ F 共 16 個數(shù)字和字母。LED 數(shù) 碼管可以分為共陰極和共陽極兩種結構，如下圖 32(a)和圖 32(b)所示。共陰極結構把 8 個發(fā)光二極管陰極連在一起，共陽極結構把 8 個發(fā)光二極管陽極連在一起。通過單片機引腳輸出高低電平，可使數(shù)碼管顯示相應的數(shù)字或字母，這種使數(shù)碼管顯示字形的數(shù)據(jù)稱字形碼，又稱段選碼 [4]。 大連交通大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 8 dpgfedcbadpgfedcbaRx 8 Rx 8 圖 32 七段 LED 數(shù)碼管 一個共陰極數(shù)碼管接至單片機的電路，要想顯示數(shù)字 “ 7” 須 a、 b、 c 這 3 個顯示段發(fā)光（即這 3 個字段為高電平）只要在 P0 口輸入 00000111（ 07H）即可。這里 07H 即為 數(shù)字 7 的段選碼。字形與段選碼的關系見表 32 所示。 7 段 LED 的段選碼表如下表 32 所示： 表 32 7 段 LED 的段選碼表 顯示字符 共陰極段碼 共陽極段碼 顯示字符 共陰極段碼 共陽極段碼 0 3fH C0H 8 7fH 80H 1 06H F9H 9 6fH 90H 2 5bH A4H A 77H 88H 3 4fH B0H B 7fH 83H 4 66H 99H C 39H C6H 5 6dH 92H D 3fH A1H 6 7dH 82H E 79H 86H 7 07H F8H F 71H 8EH 單片機簡介 AT89C52 是 51 系列單片機的一個型號，它是由 ATMEL 公司生產(chǎn)的一個低電壓、高性能的 8 位單片機，片內(nèi)器件采用 ATMEL 公司的非易失性、高密度存儲技術生產(chǎn)，與標準的 MCS51 指令系統(tǒng)兼容，同時片內(nèi)置有通用 8 位中央處理器和 8K 字節(jié)的可反復擦寫的只讀程序存儲器 ROM 以及 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器 RAM，在許多許多較復雜的控制系統(tǒng)中 AT89C52 單片機得到了廣泛的應用 [5]。 AT89C52 有 40 個引腳，各引腳介紹如下： VCC： +5V 電源線； GND：接地線。 P0 口 ： ~，這組引腳共 8 條，其中 為最高位， 為最低位。這 8 條引腳共有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同的情況。第一種情況是單片機不帶片外g f bae d c dpgndgnd數(shù)碼管引腳分配圖 大連交通大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 9 存儲器， P0 口可以作為通用 I/O 口使用， ~ 用于傳送 CPU 的輸入 /輸出數(shù)據(jù)，此時它需外接一上拉電阻才能正常工作。第二種情況是單片機帶片外存儲器，其各引腳在CPU 訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低 8 位地址，然后傳送 CPU 對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部含上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。它也可作為通用的 I/O 口使用，與 P0 口一樣用于傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)，所不同的是它片內(nèi)含上拉電阻而 P0 口沒有，故 P0 口在做該用途時需外接上拉電阻而 P1 口則無需。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口用于輸入片內(nèi) EPROM 的低 8 位地址。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，它可以作為通用 I/O 口使用，傳送用戶的輸入 /輸出數(shù)據(jù)，同時可與 P0 口的第二功能配合，用于輸出片外存儲器的高8 位地址，共同選中片外存儲單元，但此時不能傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。在一些型號的單片機中， P2 口還可以配合 P1 口傳送片內(nèi) EPROM 的 12 位地址中的高 4 位地址。 P3 口： P3 口引腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，當 P3 口寫入 1 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平。它也可以作為通用的 I/O 口使用，傳送用戶的輸入 /輸出數(shù)據(jù) ,P3 口也作為一些特殊功能端口使用，如圖 32 所示： 圖 32 單片機 AT89C52 引腳 ： RXD(串行數(shù)據(jù)接收口 ) ： TXD(串行數(shù)據(jù)發(fā)送口 ) ： 0INT (外部中斷 0 輸入 ) ： 1INT (外部中斷 1 輸入 ) 大連交通大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 10 ： T0(記時器 0 計數(shù)輸 入 ) ： T1(記時器 1 外部輸入 ) ： WR(外部 RAM 寫選通信號 ) ： RD (外部 RAM 讀選通信號 ) RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平狀態(tài)。 ALE/：地址鎖存允許 /編程線，當訪問片外存儲器時，在 ~ 引腳線上輸出片外存儲器低 8 位地址的同時還在 ALE/ 線上輸出一個高電位脈沖，其下降沿用于把這個片外存儲器低 8 位地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出 ~ 引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時，單片機自動在 ALE/ 線上輸出頻率為 1/6 晶振頻率的脈沖序列。 EA：外部程序存儲器 ROM 的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。 VPP：允許訪問片外存儲器 /編程電源線，當保持低電平時，則在此期間允許使用片外程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。當端保持高電平時，則允許使用片內(nèi)程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1 和 XTAL2：片內(nèi)振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接單片機片內(nèi) OSC 的定時反饋回路。 大連交通大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 11 第四章 總體硬件設計 系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng)結構框圖如下圖 41 所示 圖 41 系統(tǒng)構成框圖 在本設計中，電源部分由外接電源直接提供，所以沒有設計電源模塊，復位系統(tǒng)電路是由 1 個按鍵， 1 個電容和 2 個電阻組成；時鐘振蕩電路是由 1 個晶震和 2 個電容組成；鍵盤控制電路是由 2 按鍵組成獨立鍵盤連接到單片機上完成按鍵功能；狀態(tài)顯示以及 LED 顯示 電路，由 3 個發(fā)光二極管和 3 個共陽極 7 段數(shù)碼管以及電阻組成，用以完成設計中的狀態(tài)顯示功能和 LED 顯示功能；控制電路是由 PWM 控制，用達林頓反向驅動器 ULN2803 控制風扇直流電機，主控制器采用單片機 AT89C52 單片機。所以本設計中用到的器件很少也很簡單。 數(shù)字溫度傳感器模塊設計 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器通過其內(nèi)部計數(shù)時鐘周期來的作用，實現(xiàn)了特有的溫度測量功能。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時鐘信號通過由高溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門周期而被計數(shù)，計數(shù)器預先置有與 55℃ 相對應的一個基權值。如果計數(shù)器計數(shù)到 0 時，高 溫度系數(shù)振蕩周期還未結束，則表示測量的溫度值高于 55℃ ，被預置在 55℃ 的溫度寄存器中的值就增加 1℃ ，然后這個過程不斷重復，直到高溫度系數(shù)振蕩周期結束為止。此時溫度寄存器中的值即為被測溫度值，這個值以 16 位二進制形式存放在存儲器中，通過溫度顯示 溫度采集 AT89C52 復位 晶振 獨立鍵盤 驅動電路 直流電機 大連交通大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 12 主機發(fā)送存儲器讀命令可讀出此溫度值，讀取時低位在前，高位在后，依次進行。由于溫度振蕩器的拋物線特性的影響，其內(nèi)用斜率累加器進行補償 [6]。 DS18B20 在使用時，一般都采用單片機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只須將 DS18B20 信號線與單片機 1 位 I/O 線相連，且單片機的 1 位 I/O 線可掛 接多個 DS18B20，就可實現(xiàn)單點或多點溫度檢測 [7]。 溫度傳感模塊電路圖 如圖 42 所示： 圖 42 溫度傳感模塊電路圖 鍵盤輸入模塊 鍵盤包括 2 個獨立按鍵 S2 和 S3，一端與單片機的 和 口相連，另一端接地，當按下任一鍵時， P1 口讀取低電平有效。系統(tǒng)上電后，進入鍵盤掃描子程序，以查詢的方式確定各按鍵，完成溫度初值的設定。其中按鍵 S2 為加按鍵，每按下一次，系統(tǒng)對最初設定值加一，按鍵 S3 為減按鍵，每按下一次，系統(tǒng)對初設定值進行減一計算。 鍵盤接線圖如圖 如 43 所示 ： 大連交通大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 13 圖 43 鍵盤接線圖 溫度顯示與控制模塊 本設計制作中選用 5 位共陰極數(shù)碼管作為顯示模塊 。其中前 3 位數(shù)碼管 DS DSDS3 用于顯示溫度傳感器實時檢測采集到的溫度，可精確到 攝氏度，顯示范圍為0~ 攝氏度；后 2 位數(shù)碼管 DS DS5 用于顯示系統(tǒng)設置的初值溫度，只