【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 原理及應(yīng)用： DS18B20 的溫度檢測(cè)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分，即溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 共 37 頁(yè) 流程之前我們有必要了解 18B20 的內(nèi)部存儲(chǔ)器資源。 18B20 共有三種形態(tài)的存儲(chǔ)器資源，它們分別是： ROM 只讀存儲(chǔ)器，用于存放 DS18B20ID 編碼，其前 8 位是單線系列編碼（ DS18B20 的編碼是 19H），后面 48 位是芯片唯一的序列號(hào)，最后 8 位是以上 56的位的 CRC 碼（冗余校驗(yàn)）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時(shí)設(shè)置不由用戶更改。 DS18B20 共 64位 ROM。 RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計(jì)算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失， DS18B20共 9 個(gè)字節(jié) RAM，每個(gè)字節(jié)為 8 位。第 2 個(gè)字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第 4 個(gè)字節(jié)是用戶 EEPROM（常用于溫度報(bào)警值儲(chǔ)存）的鏡像。 在上電復(fù)位時(shí)其值將被刷新。第 5 個(gè)字節(jié)則是用戶第 3 個(gè) EEPROM 的鏡像。第 8 個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計(jì)的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計(jì)算的暫存單元。第 9 個(gè)字節(jié)為前 8 個(gè)字節(jié)的 CRC 碼。 EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長(zhǎng)期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報(bào)警值和校驗(yàn)數(shù)據(jù)，DS18B20 共 3 位 EEPROM，并在 RAM 都存在鏡像，以方便用戶操作。 控制器對(duì) 18B20 操作流程： 1， 復(fù)位：首先我們必須對(duì) DS18B20 芯片進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位就是由控制器（單片機(jī)）給 DS18B20 單總線至 少 480uS 的低電平信號(hào)。當(dāng) 18B20 接到此復(fù)位信號(hào)后則會(huì)在 15~60uS 后回發(fā)一個(gè)芯片的存在脈沖。 2， 存在脈沖：在復(fù)位電平結(jié)束之后，控制器應(yīng)該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在 15~60uS 后接收存在脈沖，存在脈沖為一個(gè) 60~240uS 的低電平信號(hào)。至此，通信雙方已經(jīng)達(dá)成了基本的協(xié)議，接下來(lái)將會(huì)是控制器與 18B20 間的數(shù)據(jù)通信。如果復(fù)位低電平的時(shí)間不足或是單總線的電路斷路都不會(huì)接到存在脈沖，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意意外情況的處理。 3， 控制器發(fā)送 ROM 指令：雙方打完了招呼之后最要將進(jìn)行交流了， ROM指令共有 5 條， 每一個(gè)工作周期只能發(fā)一條， ROM 指令分別是讀 ROM 數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、跳躍 ROM、芯片搜索、報(bào)警芯片搜索。 ROM 指令為 8 位長(zhǎng)度，功能是對(duì)片內(nèi)的 64 位光刻 ROM 進(jìn)行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個(gè)器件并作處理。誠(chéng)然，單總線上可以同時(shí)掛接多個(gè)器件，并通過(guò)每個(gè)器件上所獨(dú)有的 ID 號(hào)來(lái)區(qū)別，一般只掛接單個(gè) 18B20 芯片時(shí)可以跳過(guò) ROM 指令（注東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 37 頁(yè) 意：此處指的跳過(guò) ROM 指令并非不發(fā)送 ROM 指令，而是用特有的一條 “跳過(guò)指令 ”）。 4， 控制器發(fā)送存儲(chǔ)器操作指令：在 ROM 指令發(fā)送給 18B20 之后，緊接著（不間斷） 就是發(fā)送存儲(chǔ)器操作指令了。操作指令同樣為 8 位，共 6 條，存儲(chǔ)器操作指令分別是寫(xiě) RAM 數(shù)據(jù)、讀 RAM 數(shù)據(jù)、將 RAM 數(shù)據(jù)復(fù)制到 EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將 EEPROM 中的報(bào)警值復(fù)制到 RAM、工作方式切換。存儲(chǔ)器操作指令的功能是命令 18B20 作什么樣的工作，是芯片控制的關(guān)鍵。 5， 執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫(xiě)：一個(gè)存儲(chǔ)器操作指令結(jié)束后則將進(jìn)行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，這個(gè)操作要視存儲(chǔ)器操作指令而定。如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機(jī)）必須等待 18B20 執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時(shí)間為 500uS。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)指令則需要嚴(yán)格遵循 18B20 的讀寫(xiě)時(shí)序來(lái)操作。數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)方法將有下文有詳細(xì)介紹。 若要讀出當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)我們需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個(gè)周期為復(fù)位、跳過(guò) ROM 指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器操作指令、等待 500uS 溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間。緊接著執(zhí)行第二個(gè)周期為復(fù)位、跳過(guò) ROM 指令、執(zhí)行讀 RAM 的存儲(chǔ)器操作指令、讀數(shù)據(jù)（最多為 9 個(gè)字節(jié)，中途可停止，只讀簡(jiǎn)單溫度值則讀前 2 個(gè)字節(jié)即可）。其它的操作流程也大同小異，在此不多介紹。 單片機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)的控制芯片使用的是 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī) AT89C52． 其 片內(nèi)含 8K bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引 腳 兼容，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU ）和 FLASH 由存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 的 AT89C52單片適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。 AT89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8 字節(jié) FLASH 閃速存儲(chǔ)器， 256 字竹內(nèi)部 RAM , 32 個(gè) I/O 口線， 3 個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口 ，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89C52 可降至 OHz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電上作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 16 頁(yè) 共 37 頁(yè) 許 RAM，定時(shí)／計(jì)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(gè)硬件復(fù)位 . 3 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)基本電路 晶振電路 晶振電路為單片機(jī) AT89C52 工作提供時(shí)鐘信號(hào)，芯片中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出 端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器。電路中的外接石英晶體及電容 C C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，系統(tǒng)的晶振電路如圖 所示。由于外接電容 C C2的容量大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn) 定性，如果使用石英晶體，電容的容量大小范圍為 30 10pF pF? ；如果使用陶瓷諧振，則電容容量大小為 40 10 FpF p? 。本設(shè)計(jì)中使用石英晶體，電容的容值設(shè)定為30pF。 復(fù)位電路 復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開(kāi)始工作。 AT89C52的復(fù)位信號(hào)是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 REST 引腳上有一個(gè)高電平并維持 2 個(gè)機(jī)器周期(24 個(gè)振蕩周期 )以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將 系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動(dòng)按鈕復(fù)位和上電復(fù)位，本設(shè)計(jì)采用的是手動(dòng)按鈕復(fù)位。 手動(dòng)按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST 上加入高電平 ,采用的辦法是在RST 端和正電源 Vcc 之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則 Vcc 的 +5V 電平就東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 共 37 頁(yè) 會(huì)直接加到 RST 端，系統(tǒng)復(fù)位。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，設(shè)計(jì)完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。復(fù)位電路中 REST 為手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)，電容 C3 可避免高頻諧波對(duì)電路的干擾。 AT89C52 的復(fù)位電路如圖 所示。 圖 晶振電路與復(fù)位電路 傳感器信息采集 電路 MQ2 氣敏元件的對(duì)不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，靈敏度的調(diào)整是很重要的。 煙霧傳感器的外部電路設(shè)計(jì)圖如圖 。 圖 MQ2 外圍電路 東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) 共 37 頁(yè) DS18B20 采用 單數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)，即一個(gè)器件只占用一個(gè) AT89C52 芯片的IO 引腳，本系統(tǒng)要最多檢測(cè) 8 個(gè)位置，因此設(shè)計(jì)將 AT89C52 的 P2 口由于溫度采集。 此設(shè)計(jì)圖中，撥碼開(kāi)關(guān) SW1 即模擬的是 8個(gè)煙霧傳感器經(jīng)過(guò)外部電路處理后傳回來(lái)的電信號(hào)。 圖 數(shù)據(jù)采集電路 聲光報(bào)警顯示電路 聲光報(bào)警顯示電路在 AT89C52 的控制下， 可在外部環(huán)境異常時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，紅色 led 燈點(diǎn)亮，紅色數(shù)碼管其位置信息。 AT89C52 的 P0 口加入了大小為 10K 歐姆的上拉電阻， 因 P0 口是地址數(shù)據(jù)復(fù)用口線，與其它口線不一樣。所以，當(dāng) P0作普通 IO 時(shí)，必須用上拉電阻將其電平拉高，上拉電阻不起限流作用 。 以方便操作，選用了直流電壓控制型的蜂鳴器、紅色發(fā)光二級(jí)管以及紅色 7段數(shù)碼管作為聲光報(bào)警顯示設(shè)備。 東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 共 37 頁(yè) 為了簡(jiǎn)化電路節(jié)省單片機(jī)的管腳，采用了 74ls47 芯片為數(shù)碼管編碼，使得本來(lái)要占用的 7 個(gè)單片機(jī)管腳變?yōu)橹徽加?4個(gè)?？紤]到之后的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)目的顯示也要用 7 段數(shù)碼管 （本設(shè)計(jì)采用藍(lán)色數(shù)碼管），因此采用了兩個(gè) 74hc573 芯片作為鎖存器，分別于兩個(gè)數(shù)碼管連接，使得單片機(jī)只需要控制之前的 4個(gè)管腳和這兩鎖存器的兩個(gè)使能管腳便能控制兩個(gè)數(shù)碼管的顯示。至此 P0 口的 8個(gè)管腳用掉了 6個(gè)，剩余的兩個(gè)管腳分別連接蜂鳴器電路和紅色 led 電路即可完成此部分的設(shè)計(jì)。 圖 聲光報(bào)警電路 系統(tǒng)控制電路 系統(tǒng)控制電路包含了 10個(gè)按鍵和一個(gè)藍(lán)色數(shù)碼管， 1~8號(hào)按鍵分別對(duì)應(yīng)著 1~8號(hào)檢測(cè)位置， 9號(hào)按鍵對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中的取消報(bào)警鍵， 10 號(hào)按鍵對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中的設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)數(shù)目功能鍵，藍(lán)色數(shù)碼管則實(shí)時(shí)地顯 示當(dāng)前監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，方便用戶調(diào)整。 藍(lán)色數(shù)碼管的電路已在 中敘述。 出于節(jié)省單片機(jī)管腳的考慮， 10 個(gè)按鍵被連接在兩個(gè) 83 編碼器上。這樣使得被來(lái)要占用的 10個(gè)單片機(jī)管腳變?yōu)?5 個(gè)。 同時(shí)為了提高程序運(yùn)行的效率，本設(shè)計(jì)將兩個(gè) 83 編碼器 GS輸出端通過(guò)一個(gè)與門(mén)（ 74LS08）連接到單片機(jī)的外部中斷 0 口，這樣把中斷與管腳掃描結(jié)合一體，使得程序運(yùn)行效率有了大大提高。 東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 系統(tǒng)控制電路 4 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 本系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的匯編語(yǔ)言而采用 C 語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。因?yàn)?C 語(yǔ)言的描述由函數(shù)組成，是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，所以更容易實(shí)現(xiàn)模塊化，而且具有可讀性好，易于移植等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還有匯編語(yǔ)言一樣的位操作功能的硬件詳細(xì)東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 共 37 頁(yè) 控制指令 [29]。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，可以使用結(jié)構(gòu)體和數(shù)組，能夠處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)，可用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國(guó) Keil Software 公司出品的 Keil C51，是 51系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。 Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面 。另外重要的一點(diǎn)， Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能 體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 C52 工具包的整體結(jié)構(gòu)中，μ Vision與 Ishell分別是 C52for Windows和 for Dos的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。開(kāi)發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件。 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷 /報(bào)警子程序與系統(tǒng)控制子程序等來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。主要功能 要求：（ 1）實(shí)時(shí)檢測(cè)至多 8 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境溫度、煙霧濃度等因素變化，以