【文章內(nèi)容簡介】 原理及應(yīng)用： DS18B20 的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 14 頁 共 37 頁 流程之前我們有必要了解 18B20 的內(nèi)部存儲器資源。 18B20 共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是： ROM 只讀存儲器，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，最后 8 位是以上 56的位的 CRC 碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設(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)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失， DS18B20共 9 個字節(jié) RAM，每個字節(jié)為 8 位。第 2 個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第 4 個字節(jié)是用戶 EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。 在上電復(fù)位時其值將被刷新。第 5 個字節(jié)則是用戶第 3 個 EEPROM 的鏡像。第 8 個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第 9 個字節(jié)為前 8 個字節(jié)的 CRC 碼。 EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(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 18B20 操作流程： 1， 復(fù)位：首先我們必須對 DS18B20 芯片進行復(fù)位，復(fù)位就是由控制器（單片機）給 DS18B20 單總線至 少 480uS 的低電平信號。當(dāng) 18B20 接到此復(fù)位信號后則會在 15~60uS 后回發(fā)一個芯片的存在脈沖。 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 60~240uS 的低電平信號。至此，通信雙方已經(jīng)達成了基本的協(xié)議，接下來將會是控制器與 18B20 間的數(shù)據(jù)通信。如果復(fù)位低電平的時間不足或是單總線的電路斷路都不會接到存在脈沖，在設(shè)計時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行交流了， ROM指令共有 5 條， 每一個工作周期只能發(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、報警芯片搜索。 ROM 指令為 8 位長度，功能是對片內(nèi)的 64 位光刻 ROM 進行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個器件并作處理。誠然，單總線上可以同時掛接多個器件，并通過每個器件上所獨有的 ID 號來區(qū)別，一般只掛接單個 18B20 芯片時可以跳過 ROM 指令（注東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁 共 37 頁 意：此處指的跳過 ROM 指令并非不發(fā)送 ROM 指令，而是用特有的一條 “跳過指令 ”）。 4， 控制器發(fā)送存儲器操作指令：在 ROM 指令發(fā)送給 18B20 之后，緊接著（不間斷） 就是發(fā)送存儲器操作指令了。操作指令同樣為 8 位，共 6 條，存儲器操作指令分別是寫 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 中的報警值復(fù)制到 RAM、工作方式切換。存儲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：一個存儲器操作指令結(jié)束后則將進行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機）必須等待 18B20 執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時間為 500uS。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴格遵循 18B20 的讀寫時序來操作。數(shù)據(jù)的讀寫方法將有下文有詳細介紹。 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，第一個周期為復(fù)位、跳過 ROM 指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲器操作指令、等待 500uS 溫度轉(zhuǎn)換時間。緊接著執(zhí)行第二個周期為復(fù)位、跳過 ROM 指令、執(zhí)行讀 RAM 的存儲器操作指令、讀數(shù)據(jù)（最多為 9 個字節(jié)，中途可停止，只讀簡單溫度值則讀前 2 個字節(jié)即可）。其它的操作流程也大同小異，在此不多介紹。 單片機的選擇 本設(shè)計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 AT89C52． 其 片內(nèi)含 8K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(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 由存儲單元，功能強大 的 AT89C52單片適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。 AT89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8 字節(jié) FLASH 閃速存儲器， 256 字竹內(nèi)部 RAM , 32 個 I/O 口線， 3 個 16 位定時／計數(shù)器，一個 6 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， 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?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁 共 37 頁 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 . 3 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)硬件設(shè)計 單片機系統(tǒng)基本電路 晶振電路 晶振電路為單片機 AT89C52 工作提供時鐘信號，芯片中有一個用于構(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)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。單片機在啟動時都需要復(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)開始工作。 AT89C52的復(fù)位信號是從 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，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 REST 引腳上有一個高電平并維持 2 個機器周期(24 個振蕩周期 )以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將 系統(tǒng)復(fù)位。單片機系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位，本設(shè)計采用的是手動按鈕復(fù)位。 手動按鈕復(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 之間接一個按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時，則 Vcc 的 +5V 電平就東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁 共 37 頁 會直接加到 RST 端，系統(tǒng)復(fù)位。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，設(shè)計完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。復(fù)位電路中 REST 為手動復(fù)位開關(guān)，電容 C3 可避免高頻諧波對電路的干擾。 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)計圖如圖 。 圖 MQ2 外圍電路 東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁 共 37 頁 DS18B20 采用 單數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)，即一個器件只占用一個 AT89C52 芯片的IO 引腳，本系統(tǒng)要最多檢測 8 個位置，因此設(shè)計將 AT89C52 的 P2 口由于溫度采集。 此設(shè)計圖中，撥碼開關(guān) SW1 即模擬的是 8個煙霧傳感器經(jīng)過外部電路處理后傳回來的電信號。 圖 數(shù)據(jù)采集電路 聲光報警顯示電路 聲光報警顯示電路在 AT89C52 的控制下， 可在外部環(huán)境異常時蜂鳴器發(fā)出警報聲，紅色 led 燈點亮，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，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)光二級管以及紅色 7段數(shù)碼管作為聲光報警顯示設(shè)備。 東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁 共 37 頁 為了簡化電路節(jié)省單片機的管腳，采用了 74ls47 芯片為數(shù)碼管編碼，使得本來要占用的 7 個單片機管腳變?yōu)橹徽加?4個。考慮到之后的檢測點數(shù)目的顯示也要用 7 段數(shù)碼管 （本設(shè)計采用藍色數(shù)碼管），因此采用了兩個 74hc573 芯片作為鎖存器，分別于兩個數(shù)碼管連接，使得單片機只需要控制之前的 4個管腳和這兩鎖存器的兩個使能管腳便能控制兩個數(shù)碼管的顯示。至此 P0 口的 8個管腳用掉了 6個，剩余的兩個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。 圖 聲光報警電路 系統(tǒng)控制電路 系統(tǒng)控制電路包含了 10個按鍵和一個藍色數(shù)碼管， 1~8號按鍵分別對應(yīng)著 1~8號檢測位置， 9號按鍵對應(yīng)系統(tǒng)中的取消報警鍵， 10 號按鍵對應(yīng)系統(tǒng)中的設(shè)置檢測點數(shù)目功能鍵，藍色數(shù)碼管則實時地顯 示當(dāng)前監(jiān)測點的個數(shù)，方便用戶調(diào)整。 藍色數(shù)碼管的電路已在 中敘述。 出于節(jié)省單片機管腳的考慮， 10 個按鍵被連接在兩個 83 編碼器上。這樣使得被來要占用的 10個單片機管腳變?yōu)?5 個。 同時為了提高程序運行的效率，本設(shè)計將兩個 83 編碼器 GS輸出端通過一個與門（ 74LS08）連接到單片機的外部中斷 0 口，這樣把中斷與管腳掃描結(jié)合一體，使得程序運行效率有了大大提高。 東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 37 頁 圖 系統(tǒng)控制電路 4 火災(zāi)報警系統(tǒng)程序設(shè)計 軟件開發(fā)環(huán)境 本系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的匯編語言而采用 C 語言進行程序設(shè)計。因為 C 語言的描述由函數(shù)組成，是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言，所以更容易實現(xiàn)模塊化，而且具有可讀性好，易于移植等優(yōu)點，同時還有匯編語言一樣的位操作功能的硬件詳細東北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21 頁 共 37 頁 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)，可用于實時處理系統(tǒng)。 本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國 Keil Software 公司出品的 Keil C51，是 51系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面 。另外重要的一點， Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能 體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 C52 工具包的整體結(jié)構(gòu)中，μ Vision與 Ishell分別是 C52for Windows和 for Dos的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(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)報警系統(tǒng)程序設(shè)計 本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷 /報警子程序與系統(tǒng)控制子程序等來實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)的要求。主要功能 要求：（ 1）實時檢測至多 8 個監(jiān)測點的環(huán)境溫度、煙霧濃度等因素變化，以