【文章內容簡介】 原理及應用： DS18B20 的溫度檢測與數字數據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，即溫度檢測和數據處理。在講解其工作東北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 37 頁 流程之前我們有必要了解 18B20 的內部存儲器資源。 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）。數據在出產時設置不由用戶更改。 DS18B20 共 64位 ROM。 RAM 數據暫存器，用于內部計算和數據存取，數據在掉電后丟失， DS18B20共 9 個字節(jié) RAM，每個字節(jié)為 8 位。第 2 個字節(jié)是溫度轉換后的數據值信息，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)為計數寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是內部溫度轉換、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據，上下限溫度報警值和校驗數據，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， 復位：首先我們必須對 DS18B20 芯片進行復位，復位就是由控制器（單片機）給 DS18B20 單總線至 少 480uS 的低電平信號。當 18B20 接到此復位信號后則會在 15~60uS 后回發(fā)一個芯片的存在脈沖。 2， 存在脈沖：在復位電平結束之后，控制器應該將數據單總線拉高，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，通信雙方已經達成了基本的協議，接下來將會是控制器與 18B20 間的數據通信。如果復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 數據、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 2020 屆畢業(yè)設計說明書 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 數據、讀 RAM 數據、將 RAM 數據復制到 EEPROM、溫度轉換、將 EEPROM 中的報警值復制到 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，是芯片控制的關鍵。 5， 執(zhí)行或數據讀寫：一個存儲器操作指令結束后則將進行指令執(zhí)行或數據的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。如執(zhí)行溫度轉換指令則控制器（單片機）必須等待 18B20 執(zhí)行其指令，一般轉換時間為 500uS。如執(zhí)行數據讀寫指令則需要嚴格遵循 18B20 的讀寫時序來操作。數據的讀寫方法將有下文有詳細介紹。 若要讀出當前的溫度數據我們需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個周期為復位、跳過 ROM 指令、執(zhí)行溫度轉換存儲器操作指令、等待 500uS 溫度轉換時間。緊接著執(zhí)行第二個周期為復位、跳過 ROM 指令、執(zhí)行讀 RAM 的存儲器操作指令、讀數據（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 本設計的控制芯片使用的是 ATMEL 公司生產的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機 AT89C52． 其 片內含 8K bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 256 bytes 的隨機存取數據存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準 MCS51 指令系統及 8052 產品引 腳 兼容，片內置通用 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雜控制應用場合。 AT89C52 提供以下標準功能： 8 字節(jié) FLASH 閃速存儲器， 256 字竹內部 RAM , 32 個 I/O 口線， 3 個 16 位定時／計數器，一個 6 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口 ，片內振蕩器及時鐘電路。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 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 37 頁 許 RAM，定時／計數器．串行通信口及中斷系統繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內容，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位 . 3 火災自動報警系統硬件設計 單片機系統基本電路 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成內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成并聯振蕩電路，系統的晶振電路如圖 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? 。本設計中使用石英晶體，電容的容值設定為30pF。 復位電路 復位電路的基本功能是：系統上電時提供復位信號，直至系統電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。單片機在啟動時都需要復位，以使 CPU 及系統各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。 AT89C52的復位信號是從 RST 引腳輸入到芯片內的施密特觸發(fā)器中的。當系統處于正常工作狀態(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 就可以響應并將 系統復位。單片機系統的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位，本設計采用的是手動按鈕復位。 手動按鈕復位需要人為在復位輸入端 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。當人為按下按鈕時，則 Vcc 的 +5V 電平就東北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 37 頁 會直接加到 RST 端，系統復位。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數十毫秒，所以，設計完全能夠滿足復位的時間要求。復位電路中 REST 為手動復位開關，電容 C3 可避免高頻諧波對電路的干擾。 AT89C52 的復位電路如圖 所示。 圖 晶振電路與復位電路 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，靈敏度的調整是很重要的。 煙霧傳感器的外部電路設計圖如圖 。 圖 MQ2 外圍電路 東北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 18 頁 共 37 頁 DS18B20 采用 單數據總線傳送數據，即一個器件只占用一個 AT89C52 芯片的IO 引腳，本系統要最多檢測 8 個位置，因此設計將 AT89C52 的 P2 口由于溫度采集。 此設計圖中，撥碼開關 SW1 即模擬的是 8個煙霧傳感器經過外部電路處理后傳回來的電信號。 圖 數據采集電路 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 口是地址數據復用口線，與其它口線不一樣。所以，當 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段數碼管作為聲光報警顯示設備。 東北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 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目的顯示也要用 7 段數碼管 （本設計采用藍色數碼管），因此采用了兩個 74hc573 芯片作為鎖存器，分別于兩個數碼管連接，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計。 圖 聲光報警電路 系統控制電路 系統控制電路包含了 10個按鍵和一個藍色數碼管， 1~8號按鍵分別對應著 1~8號檢測位置， 9號按鍵對應系統中的取消報警鍵， 10 號按鍵對應系統中的設置檢測點數目功能鍵，藍色數碼管則實時地顯 示當前監(jiān)測點的個數，方便用戶調整。 藍色數碼管的電路已在 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合一體，使得程序運行效率有了大大提高。 東北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 37 頁 圖 系統控制電路 4 火災報警系統程序設計 軟件開發(fā)環(huán)境 本系統摒棄了傳統的匯編語言而采用 C 語言進行程序設計。因為 C 語言的描述由函數組成，是一種結構化的程序設計語言，所以更容易實現模塊化，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 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 37 頁 控制指令 [29]。數據結構方面，可以使用結構體和數組，能夠處理復雜的數據，可用于實時處理系統。 本系統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。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全 Windows 界面 。另外重要的一點， Keil C51 生成的目標代碼效率非常之高，多數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 體現高級語言的優(yōu)勢。 C52 工具包的整體結構中，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。 火災報警系統程序設計 本系統主要包括數據采集子程序、火災判斷 /報警子程序與系統控制子程序等來實現設計任務的要求。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