【文章內(nèi)容簡介】 度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1 的預(yù)置將西南石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 重新被裝入，計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器 1 的預(yù)置值。 DS18B20 輸出的二進制的高字節(jié)的低半字節(jié)和低字節(jié)的高半字節(jié)組成一個字節(jié)，這個字節(jié)轉(zhuǎn)換位十進制為所測溫度值的百、十、個位，低字節(jié)的低半字節(jié)為小數(shù)部分。 圖 DS18B20測溫原理框圖 表 溫度與測得值對應(yīng)表 溫度 / 二進制值 十六進制值 +125 00000111 11010000 07D0H +85 00000101 01010000 0550H + 00000001 10010001 0191H + 00000000 10100010 00A2H + 00000000 00001000 0008H 0 00000000 00000000 0000H 11111111 11111000 FFF8H （ 3） DS18B20 的供電方式 DS18B20 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時 DS18B20 的 1 腳接地， 2 腳作為信號線， 3 腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，單片機端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20 時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個 MOSFET 管來完成對總線的上拉。當 DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度A/D 轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為 10us。采用寄生電源供電方式時 VDD 端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。 （ 4） DS18B20 工作時序 7 圖 DS18B20 初始化 圖 DS18B20 寫時序 西南石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 DS18B20 讀時序 （ 5） 測量電路設(shè)計 本次設(shè)計設(shè)計了八路溫度采集點，共有八個 DS18B20，選擇了單片機的 P1 口為采集量輸入端， ～ 分別為 1～ 8 號測量點。 DS18B20 的 VDD 接高電 平，GND 接地， DQ 接單片機的 P1 口。如下圖： 圖 連接圖 單片機最小系統(tǒng) （ 1） 51單片機簡介 本次設(shè)計選用 C51系列的單片機， 選擇目前市場上性價比較高的單片機 9 AT89C51作為該系統(tǒng)的控制核心 。 AT89C51提供以下標準功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個 I/O 口線，兩個 16位定時 /計數(shù)器，一個 5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C51可降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電 工作模式?？臻e方式停止 CPU的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 圖 AT89C51 引腳圖 （ 2） 單片機最小系統(tǒng) AT89C51 的最小系統(tǒng) 中 ，復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位， SB1 按下單片機復(fù)位 。其連接如下： 圖 復(fù)位電路 最小系統(tǒng)中晶振電路的晶振采用 12MHz，兩個電容均為 22PF。連接如下： 西南石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 晶振電路 顯示電路設(shè)計 我們采用七段數(shù)碼管作為顯 示工具，它分為靜態(tài)和動態(tài)顯示。靜態(tài) 驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個高，缺點是占用 I/O端口多。動態(tài)顯示驅(qū)動是將所有數(shù)碼管通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示 。為了電路簡化，軟件設(shè)計方便，我們選用 LED驅(qū)動芯片 MAX7219驅(qū)動顯示，所以選擇共陰極 LED數(shù)碼 管。 （ 1） MAX7219的簡介 MAX7219是一種集成化的串行輸入 /輸出共陰極顯示驅(qū)動器，它連接微處理器與八位數(shù)字的七段數(shù)字 LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或 64個獨立的 LED。其上包括一個片上的 B型 BCD編碼器 、多路掃描回路，段字驅(qū)動器，而且還有一個 8*8的靜態(tài) RAM用來存儲每一個數(shù)據(jù)。只有一個外部寄存器用來設(shè)置各個 LED的段電流。整個設(shè)備包含一個 150uA的低功耗關(guān)閉模式，模擬和數(shù)字亮度控制，一個掃描限制寄存器允許用戶顯示 1～ 8位數(shù)據(jù)，還有一個讓所有 LED發(fā)光的檢測模式。 圖 LED和 MAX7219引腳圖 MAX7219功能特點 ? 10MHz連續(xù)串行口 11 ? 獨立的 LED段控制 ? 數(shù)字的譯碼和非譯碼選擇 ? 150uA的低功耗關(guān)閉模式 ? 亮度的數(shù)字和模擬控制 ? 高電壓中斷顯示 ? 共陰極 Led顯示驅(qū)動 （ 2） MAX7219的工作原理 MAX7219采用 24腳雙列直插式封裝，其引腳排列如圖 ， SEGA～ SEGG和SEGDp為 LED 7段驅(qū)動線和小數(shù)點線，供給顯示器源電流； DIG0～ DIG7為 8位數(shù)字驅(qū)動線，輸出位選信號，從每位 LED共陰極吸人電流。 MAX7219能夠接受的數(shù)據(jù)和命令格式為 16位數(shù)據(jù)包（格式如下表）， DIN 是串行數(shù)據(jù)輸人端，由 l6位數(shù)據(jù)包發(fā)送到 DIN端的串行數(shù)據(jù)在每個 CLK的上升沿被移入到內(nèi)部 l6位移位寄存器中； LOAD用來裝載數(shù)據(jù)，在 LOAD的上升沿， l6位數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)據(jù)或控制寄 存器中， LOAD必須在第 l6個時鐘上升沿的同時或之后，在下一個時鐘上升沿之前變高，否則數(shù)據(jù)會丟失。 表 D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 X X X X 地址 MSB 數(shù)據(jù) LSB 圖 時序圖 MAX7219的 l6位串行數(shù)據(jù)包標記為 D15～ Do，其中 D15 D12位未定義， Dll～ D8位尋址內(nèi)部 8個靜態(tài) RAM和 6個功能寄存器的地址， D7～ Do位存放功能寄 存器的數(shù)據(jù)和 LED數(shù)碼管待顯示的數(shù)據(jù)。編程時，程序先送控制命令字，后向數(shù)據(jù)寄存器送顯西南石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 示數(shù)據(jù)。 MAX7219的所有功能與多樣化操作模式都是通過內(nèi)部寄存器的設(shè)定來實現(xiàn)的，其內(nèi)部 l4個可尋址寄存器的功能及地址如表所示。 表 功能 D15～ D12 D11 D10 D9 D8 十六進制編碼 空操作 X 0 0 0 0 X0 Dig0 X 0 0 0 1 X1 Dig1 X 0 0 1 0 X2 Dig2 X 0 0 1 1 X3 Dig3 X 0 1 0 0 X4 Dig4 X 0 1 0 1 X5 Dig5 X 0 1 1 0 X6 Dig6 X 0 1 1 1 X7 Dig7 X 1 0 0 0 X8 譯碼模式 X 1 0 0 1 X9 顯示亮度 X 1 0 1 0 XA 掃描界限 X 1 0 1 0 XB 停機 X 1 1 0 0 XC 待測模式 X 1 1 1 1 XF （ 3）各內(nèi)部寄存器含義如下： 1)空操作寄存器 (地址 xOH)。用于多片 MAX7219級聯(lián)，在不改變顯示或不影響任意功能寄存器的條件下，它允許數(shù)據(jù)從 DIN傳送到 DOUT。 2)譯碼模式寄存器 (地址 x9H)。該寄存器的 8位二進制數(shù)的各位分別控制 8個LED顯示器的譯碼模式。當高電平時，選擇硬件譯碼模式 (BCD— B碼譯碼 )，當?shù)碗娖綍r選擇軟件譯碼模式 (即送來數(shù)據(jù)為字型碼 )。 3)顯示亮度寄存器 (地址 xAH)．顯示亮度可以用硬件和軟件 2種方法調(diào)節(jié)．通過對亮度寄存器中 D3 Do位寫入不同的數(shù)值可實現(xiàn)對 LED顯示亮度的控制，從 xOH到 13 xFH共 l6級可調(diào)。 4)掃描界限寄存器 (地址 xBH)。用于設(shè)置 LED顯示器的實際掃描個數(shù)，由該寄存器的 D2Do位設(shè)定，當設(shè)定值為 000B～ lllB時，表示顯示器動態(tài)掃描個數(shù)為 l～ 8。 5)停機寄存器 (地址 xCH)。當 DO=0時， MAX7219處于停機狀態(tài)，所有顯示器消隱，寄存器數(shù)據(jù)保持不變；當 DO=l時，處于正常工作狀態(tài)． 6)顯示測試寄存器 (地址 )。當 DO=0時，正常工作；當 DO=l時，處于測試狀態(tài)，在該狀態(tài)下，不管 MAX7219處于什么模式，全部 LED將按最大亮度顯示。 7)內(nèi)部 RAM地址 xlH～ x8H分別對應(yīng)于 DIG0～ DIG7。 （ 4） 7219電路設(shè)計 顯示單元利用 MAX7219驅(qū)動 7個共陰極 LED， MAX7219的三根串行線連接單片機的 \\， 并且三根連線上分別接有 20PF電容，起到濾波作用，使串行信號更加準確。 IEST連接 47K電阻。顯示內(nèi)容為測量溫度值、測量通道、循環(huán)時間、報警 限 值。 圖 顯示電路 按鍵電路 電路設(shè)計圖： 西南石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 圖 按鍵電路 按鍵部分的功能為： 按下 STOP后測量停止在當前的通道，并且測量值保留顯示。按下 RETURN后繼續(xù)檢測。按下 SET鍵后，可以設(shè)置參數(shù)，設(shè)置方法如下：按下 TIADD鍵 增加循環(huán)時間， 按下 TIMDEC鍵 減小循環(huán)時間， 按下 LOW鍵 是顯示底限報警值， 按下 HIGH鍵 是顯示高限報警值 ， 按下 BJADD鍵 是增加當前顯示報警值， 按下 BJDEC鍵 是減小當前顯示報警值。 報警電路作用是當測量溫度超出上限或低于下限時，發(fā)出報警信號。通過 9011三極管的通斷控制蜂鳴器，當 ，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警聲。如圖： 圖 報警電路 最終將各個部分電路有機的連接在一起，完成整體電路設(shè)計，整體電路見附錄一。為方便管理員檢測和操作，設(shè)計了監(jiān)控操作界面，各個按鍵的作用在按鍵電路部分已經(jīng)說明，如下圖： 15 圖 界面 表 元件清單 元件 型號 數(shù)量 單片機 AT89C51 1 傳感器 DS18B20 8 驅(qū)動器 MAX7219 1 顯示器 LED 7 三極管 9011 1 蜂鳴器 1 晶振 12MHz 1 電阻 47K 1 10K 1 1K 9 電容 瓷電容 22PF 5 電解電容 10uF 1 軟件設(shè)計 主程序的功能為讀取 DS18B20的測量值、測量值轉(zhuǎn)換為顯示值、顯示測量結(jié)果、由按鍵對數(shù)據(jù)調(diào)整。根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，編寫其工作程序，其流程圖： 西南石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 圖 主程序流程圖 DS18B20測溫度子程序 根據(jù) DS18B20的工作原理，及其時序圖編寫 DS18B20的工作程序，程序功能為：對 DS18B20初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換命令、讀取溫度，其流程圖： 17 圖 DS18B20測溫度子程序 由于 DS18B20的測量數(shù)據(jù)為正數(shù)和小數(shù)的組合形式，所以要先將小數(shù)和正數(shù)拆開，中間八位為正數(shù)部分，后四位是小數(shù)部分，按后將得到的小數(shù)和正數(shù)進行十進制轉(zhuǎn)換，得到顯示的數(shù)據(jù)，如果為負數(shù)還要進行求補。流程圖： 圖 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 根據(jù) MAX7219的工作原理及時序圖，編寫顯示子程序，其功能為：初始化西南石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 MAX721尋找對應(yīng)寄存器、送入顯示數(shù)據(jù)、啟動顯示。其流程圖如下： 圖 MAX7219顯示子程序 程序 按鍵程序功能：通過外部按鍵作用，單片機根據(jù)程序作出相應(yīng)的處理，改變各項參數(shù)。 圖 按鍵流程圖 19 本次設(shè)計的程序編寫利用 Keil軟件編寫， Keil是一套 Windows環(huán)境下， 8051單芯片整合性開發(fā) i接口軟件，它具備完善的項目管理系統(tǒng)，提供編輯器以寫程序及說明文 件，可以協(xié)助編寫、翻譯（包括 C語言的編譯器 C51 Complier 以及 A51 組譯器）、除錯和測試嵌入式系統(tǒng)程序（ embedded programs）。開發(fā)操作步驟： 1 新建項目；在 Project中選擇 New Project。 2 在項目中加入程序文件；首先新建一個 .C文件，保存后添加在項目中，這樣便可對新工程進行編程。 3 編輯 /修改程序； 4 編譯與連接；若有錯誤會顯示 Error（ s）， arning（ s）。 系統(tǒng)程序見附錄二。 整個電路包括控制單 元、測量單元、顯示電源、 報警電路、 按鍵部分。其整體仿真連接如下圖： 圖 整體連接圖 程序編寫完且仿真成功，進行硬件的焊接，焊接時注意虛焊、連接短路、焊錫過多、電路板或元件由于過熱損壞等問