【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 單片機(jī)LCD顯示模塊集成功放 報(bào)警器鍵盤(pán)模塊AD 轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器 模擬溫度傳感器 4 該方案使用了 AT89C51單片機(jī)作為控制核心 ,以智能溫度傳感器 DS18B20為溫度測(cè)量元件，采用多個(gè)溫度傳感器對(duì)各點(diǎn)溫度進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò) 4 4 鍵盤(pán)模塊對(duì)正常溫度進(jìn)行設(shè)置顯示電路采用 128 64 LCD 模塊，使用 LM386 作為報(bào)警電路中的功率放大器。 圖 22 基于數(shù)字溫度傳感器測(cè)量系 統(tǒng)方案 本課題采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 作為測(cè)為測(cè)溫元件 ,它具有如下特點(diǎn) : （ 1）只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。 （ 2）在 DS18B20 中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。 （ 3）實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。 （ 4）測(cè)量溫度范圍在 － 55C 到 ＋ 125C 之間。 （ 5）數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇。 （ 6）內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。 方案論證 本設(shè)計(jì)要求測(cè)量的點(diǎn)數(shù)為 4，測(cè)溫范圍為 20℃～ +80℃，精度為 ℃。采用液晶顯示，同時(shí)顯示路數(shù)和溫度，每秒刷新 1 次顯示數(shù)據(jù) 。 綜合模擬溫度傳感器和數(shù)字溫度傳感器的性能指標(biāo)，以上兩個(gè)方案都能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。 方案一采用模擬溫度傳感器 AD590，轉(zhuǎn)換結(jié)果需要經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器和 AD 轉(zhuǎn)換器傳送給處理器。它控制雖然簡(jiǎn)單，成本低，但是后續(xù)電路復(fù)雜，且需要進(jìn)行溫度標(biāo)定，集成溫度傳感器 AD590 輸出為電流信號(hào) ,且輸出信號(hào)較弱，所以需要后續(xù)放大及A/D 轉(zhuǎn)換電路，如采用普通運(yùn)放則精度難以保證，而測(cè)量放大器價(jià)格較高，這樣會(huì)使單片機(jī)溫度傳感器溫度傳感器LCD顯示電路集成功放報(bào)警器4 4 鍵盤(pán)溫度傳感器DS 18 B 20溫度傳感器溫度傳感器 5 系統(tǒng)成本升高。 方案二采用了數(shù)字溫度傳感器 DS18B20， 改變了傳統(tǒng)溫度測(cè)試方法。它能在現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù)，直接將溫度物理量變換為 數(shù)字信號(hào)并以總線方式傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 912 位的數(shù)字式讀數(shù)方式，因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高，大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力。DS18B20 體積小、經(jīng)濟(jì)、使用方便靈活，測(cè)試精度高，較高的性能價(jià)格比，有 CRC校驗(yàn)，系統(tǒng)簡(jiǎn)明直觀。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)試，如 :環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。 方案二程序設(shè)計(jì)稍微復(fù)雜一些，但在電子競(jìng)賽期間我用 DS18B20 做過(guò)溫度計(jì)，也調(diào)試過(guò) LCD，并且已經(jīng)用 PROTEUS 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的仿真。因此 ，該方案完全具有可行性，同時(shí)體現(xiàn)了技術(shù)的先進(jìn)性，經(jīng)濟(jì)上也有很大的優(yōu)勢(shì)。 綜上所述，本課題采用方案二對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 6 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)基本原理 基于 DS18B20 多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)以 AT89C51 為核心器件，以 KEIL 為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用 C 語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以 PROTEUS 作為仿真軟件設(shè)計(jì)而成的。系統(tǒng)主要由傳感器電路、液晶顯示電路、鍵盤(pán)電路、報(bào)警電路、電源電路組成， 系統(tǒng)圖如圖31 所示。 圖 31 系統(tǒng)原理圖 DS18B20 是數(shù)字溫度傳感器，它的輸入 /輸出采 用數(shù)字量，以單總線技術(shù)，接收主機(jī)發(fā)送的命令，根據(jù) DS18B20 內(nèi)部的協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度以串口發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)按照通信協(xié)議用一個(gè) IO 口模擬 DS18B20 的時(shí)序，發(fā)送命令（初始化命令、 ROM 命令、 RAM 命令）給 DS18B20，轉(zhuǎn)換完成之后讀取溫度值，在內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值處理，用圖形液晶模塊顯示各點(diǎn)的溫度。在系統(tǒng)啟動(dòng)之時(shí)，可以通過(guò) 44 鍵盤(pán)設(shè)置各點(diǎn)溫度的上限值，當(dāng)某點(diǎn)溫度超過(guò)設(shè)置值時(shí)，報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警，液晶顯示該傳感器的路數(shù)、設(shè)置溫度值、實(shí)際溫度值，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)各點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 每個(gè) DS18B20 有自己的序列號(hào)，因此本系統(tǒng)可以在一根總線上掛接了 4 個(gè) 7 DS18B20，通過(guò) CRC 校驗(yàn)，對(duì)各個(gè) DS18B20 的 ROM 進(jìn)行尋址，地址符合的 DS18B20才作出響應(yīng)，接收主機(jī)的命令，向主機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)換的溫度。采用這種 DS18B20 尋址技術(shù)，使系統(tǒng)硬件電路更加簡(jiǎn)單。 DS18B20 與單片機(jī)接口技術(shù) 中央處理器 AT89C51 簡(jiǎn)介 （ 1） AT89C51 的特點(diǎn) AT89C51 具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： ? AT89C51 與 MCS51 系列的單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容； ? 片內(nèi)有 4k 字節(jié)在線可重復(fù)編程快擦寫(xiě)程序存儲(chǔ) 器； ? 全靜態(tài)工作 ,工作范圍： 0Hz～ 24MHz； ? 三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密； ? 128 8 位內(nèi)部 RAM； ? 32 位雙向輸入輸出線； ? 兩個(gè)十六位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ? 五個(gè)中斷源 ,兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)； ? 一個(gè)全雙工的異步串行口； ? 間歇和掉電兩種工作方式。 （ 2） AT89C51 的功能描述 AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器，片內(nèi)有 4k 字節(jié)的在線可重復(fù)編程、快速擦除快速寫(xiě)入程序的存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫(xiě)入 /擦除 1000 次， 數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與 MCS51 系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能。 AT89C51 可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長(zhǎng)度小于 4K，四個(gè) I/O 口全部提供給用戶?？捎?5V電壓編程 ,而且擦寫(xiě)時(shí)間僅需 10 毫秒，僅為 8751/87C51 的擦除時(shí)間的百分之一 ,與8751/87C51 的 12V 電壓擦寫(xiě)相比，不易損壞器件，沒(méi)有兩種電源的要求，改寫(xiě)時(shí)不拔下芯片。工作電壓范圍寬（ ~6V），全靜態(tài)工作，工作頻率寬在 0Hz～ 24MHz之間，比 8751/87C51 等 51 系列的 6MHz～ 12MHz更具有靈活性 ,系統(tǒng)能快能慢。 8 圖 32 AT89C51 單片機(jī) 40 引腳分布圖 AT89C51 芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。 P0 口是三態(tài)雙向口 ,通稱數(shù)據(jù)總線口 ,因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯?duì)外部存儲(chǔ)器的讀 /寫(xiě)操作。 （ 3） AT89C51 引腳功能 AT89C51 單片機(jī) 40 引腳分布如右圖所示。 AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器，片內(nèi)有 4k 字節(jié)的在線可重 復(fù)編程、快速擦除快速寫(xiě)入程序的存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫(xiě)入 /擦除 1000 次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與 MCA51 系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能。 AT89C51 可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長(zhǎng)度小于 4K，四個(gè) I/O 口全部提供給用戶?？捎?5V電壓編程 ,而且擦寫(xiě)時(shí)間僅需 10 毫秒，僅為 8751/87C51 的擦除時(shí)間的百分之一 ,與8751/87C51 的 12V 電壓擦寫(xiě)相比，不 易損壞器件，沒(méi)有兩種電源的要求，改寫(xiě)時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。工作電壓范圍寬（ ~6V），全靜態(tài)工作，工作頻率寬在 0Hz～ 24MHz 之間，比 8751/87C51 等 51 系列的 6MHz～ 12MHz 更具有靈活性 ,系統(tǒng)能快能慢。 AT89C51 芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。 P0 口是三態(tài)雙向口 ,通稱數(shù)據(jù)總線口 ,因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯?duì)外部存儲(chǔ)器的讀 /寫(xiě)操作。 9 DS18B20 的引腳功能 DS18B20 的引 腳功能描述見(jiàn)表 31。 表 32 DS18B20 引腳功能描述 序 號(hào) 名 稱 引腳功能描述 1 GND 地信 號(hào) 2 DQ 數(shù) 字輸入輸出引腳 ,開(kāi)漏單總線接口引腳 ,當(dāng)使用寄生電源時(shí) ,可向電源提供電源 3 VDD 可 選擇 的 VDD引腳 ,當(dāng)工作于寄生電源時(shí) ,該引腳必須接地 DS18B20 與單片機(jī)接口電路 如圖 33 所示，為單片機(jī)與 DS18B20 的接口電路。 DS18B20 只有三個(gè)引腳，一個(gè)接地，一個(gè)接電源，一個(gè)數(shù)字輸入輸出引腳接單片機(jī)的 口，電源與數(shù)字輸入輸出腳間需要接一個(gè) 的電阻。 圖 33 DS18B20 與單片機(jī)接口電路 DS 18 B 20 單 片 機(jī)P 1 . 7VDDGNDDQ4 . 7 K表 31 P3 口的第二功能 10 溫度寄存器格式和溫度 /數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系 DS18B20 溫度寄存器 如 下 LS Byte 所示。其寄存器有 16 位 ,高 5 位為符號(hào)位 ,低13 位為數(shù)據(jù)位。當(dāng)寄存器高 5 位為 1 時(shí)，表示溫度為負(fù)，否則為正。 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 LS Byte B bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 MS Byte 如果測(cè)得的溫度大于 0，只要 將測(cè)到的數(shù)值乘于 即可得到實(shí)際溫度； 如果溫度小于 0，測(cè)得的數(shù)值需要取反加 1 再乘 ，即可得到實(shí)際的溫度值。如 MS Byte所示，是 DS18B20 的溫度與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 單片機(jī)對(duì) DS18B20 的控制方法 DS18B20 采用嚴(yán)格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了 幾種信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫(xiě) 0、寫(xiě) 讀 0 和讀 1。除了應(yīng)答脈沖所有 這些信號(hào)都由主機(jī)發(fā)出同步信號(hào)。總線上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以字節(jié)為單 表 33 單總線通信協(xié)議 位。且低位在前，高位在后。 溫度 輸出 (2 進(jìn)制 ) 輸出 (16 進(jìn)制 ) +125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550H +℃ 0000 0001 1001 0001 0191H +℃ 0000 0000 1010 0010 00A2H +℃ 0000 0000 0000 1000 0008H 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000H ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8H ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5EH ℃ 1110 1110 0110 1111 EE6FH 55℃ 1111 1110 1001 0000 FE90H 23 22 21 20 21 22 23 24 S S S S S 26 25 24 11 （ 1）初始化序列：復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖 在初始化過(guò)程中，主機(jī)通過(guò)拉低單總線至少 480181。s，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖 (TX)。然 圖 34 DS18B20 初始化時(shí)序 后主機(jī)釋放總線并進(jìn)入接收 (RX)模式。當(dāng)總線被釋放后， 5kΩ的上拉電阻將單總線拉高。 DS18B20 檢測(cè)到這個(gè)上升沿后，延時(shí) 15181。s~60181。s，通過(guò)拉低總線 60181。s~240181。s 產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。初始化脈沖如圖 34 所示。 DS18B20 的初始化應(yīng)答 C 語(yǔ)言程序如下所示： bit resetpulse(void) { DQ=0。 delay600us()。 DQ=1。 delay60us()。 return(DQ)。 } DS18B20 的初始化 C語(yǔ)言程序如下所示 ： void Ds18b20_Init(void) { while(1) { if(!resetpulse()) //收到 ds18b20 的應(yīng)答信號(hào) { DQ=1。 delay600us()。 //延時(shí) 240us break。 } else resetpulse()。 //否則再發(fā)復(fù)位信號(hào) }} 至少 480 us 至少 480 us主機(jī)初始化主機(jī)初應(yīng)答P r e s e n c e pu ls e60 240 us 12 （ 2） DS18B20 的讀寫(xiě)控制 在寫(xiě)時(shí)序期間，主機(jī)向 DS18B20 寫(xiě)入數(shù)據(jù)；