【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器２的脈沖輸入。器件中還有一個(gè)計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開(kāi)時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器１、溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器１和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器１對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器１的預(yù)置值減到０時(shí)，溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器１的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器１重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到０時(shí)，停止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值就是所測(cè)溫度值。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直到溫度寄存器值大致被測(cè)溫度值。 DS18B20測(cè)溫模塊 DS18B20工作方式根據(jù)DS18B20的協(xié)議規(guī)定，單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)以下4個(gè)步驟：1. 每次讀寫前對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位初始化。復(fù)位要求CPU將數(shù)據(jù)線下拉480us，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待60us左右，然后發(fā)出60us~240us的低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。如圖23所示。2. 發(fā)送一條ROM指令。3. 發(fā)送存儲(chǔ)器指令。4. 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。圖23 總線讀寫時(shí)序圖 DS18B20溫度數(shù)據(jù)　　 DS18B20傳感器的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成。第一、二個(gè)字節(jié)是溫度數(shù)據(jù)字節(jié)(MSB、LSB)，可以在系統(tǒng)配置寄存器中自行設(shè)置數(shù)據(jù)位數(shù)(9～12位)，數(shù)據(jù)位越多溫度分辨率越高，9位數(shù)據(jù)溫度分辨率 176。C，12位數(shù)據(jù)溫度分辨率0. 0625176。C，多余的高位是溫度數(shù)據(jù)的符號(hào)擴(kuò)展位，溫度數(shù)據(jù)格式如表21所列。第三、四字節(jié)是溫度上下限報(bào)警值(TH、TL)。第五字節(jié)是系統(tǒng)置寄存器，寄存器各位定義如下：第八位是設(shè)置用來(lái)表示傳感器的工作狀態(tài)，是測(cè)試狀態(tài)(設(shè)置為“1”)還是操作功能狀態(tài)(設(shè)置為“0”) ，出廠設(shè)置為操作功能狀態(tài)，用戶不能修改；第七、六兩位是溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位的設(shè)置(00、011分別對(duì)應(yīng)112位溫度數(shù)據(jù))，出廠設(shè)置為 12 位溫度數(shù)據(jù)位，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行修改；其余位無(wú)效。第六、七、八字節(jié)保留未用。第9個(gè)字節(jié)是CRC校驗(yàn)碼，是前面8個(gè)字節(jié)的循環(huán)校驗(yàn)碼，用在通信中，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。表21 DS18B20溫度數(shù)據(jù) DS18B20在溫度采集系統(tǒng)中的應(yīng)用我們采用ATmega16單片機(jī)作為微處理器，DS18B20數(shù)字式溫度傳感器提供的9位溫度數(shù)，指示器件的溫度信息經(jīng)過(guò)單接口由DS18B20送出，從DS18B20到單片機(jī)只需一條線，因此稱為單線。我所設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)主要有兩部分組成，一部分是溫度采集部分，一部分是溫度顯示部分。其測(cè)溫程序流程如圖23。圖23 測(cè)溫程序流程圖3 ATmega16單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì) ATmega16引腳說(shuō)明根據(jù)AVR單片機(jī)特點(diǎn)及課題所設(shè)定環(huán)境，故選用ATmega16作為單片機(jī)。圖31所示ATmega16單片機(jī)引腳圖。圖31 ATmega16引腳圖（1） VCC數(shù)字電路的電源端（2） GND接地端（3） 端口A(PA7~PA0)端口A作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 A 處于高阻狀態(tài)。（4） 端口B(PB7~PB0)端口 B 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 B 處于高阻狀態(tài)。（5） 端口C(PC7~PC0)端口 C 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 C 處于高阻狀態(tài)。如果JTAG 接口使能， 即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、PC3(TMS) 與 PC2(TCK) 的上拉電阻被激活。（6） 端口D(PD7~PD0)端口 D 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 D 處于高阻狀態(tài)。（7） RESET復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。（8） XTAL1反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。（9） XTAL2反向振蕩放大器的輸出端。（10） AVCCAVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與VCC 連接。使用ADC時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與 VCC 連接。（11） AREFA/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。針對(duì)這次的課題設(shè)計(jì)內(nèi)容，我所設(shè)計(jì)的基本ATmega16硬件線路，包括以下幾部分：1。復(fù)位線路2。晶振線路3。AD轉(zhuǎn)換濾波線路4。ISP下載接口5。JTAG仿真接口6。電源 復(fù)位線路的設(shè)計(jì)圖32 復(fù)位線路設(shè)計(jì)圖ATmega16已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計(jì)。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間，故AVR外部的復(fù)位線路在上電時(shí)，可以設(shè)計(jì)得很簡(jiǎn)單：直接拉一只10K的電阻到VCC即可(R0)，如圖32所示。為了可靠，(C0)以消除干擾、雜波。D3(1N4148)的作用有兩個(gè)：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時(shí)，將R0(10K)電阻短路，讓C0快速放電，讓下一次來(lái)電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。當(dāng)AVR在工作時(shí)，按下S0開(kāi)關(guān)時(shí)，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復(fù)位。重要說(shuō)明：實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果不需要復(fù)位按鈕，復(fù)位腳可以不接任何的零件，AVR芯片也能穩(wěn)定工作。即這部分不需要任何的外圍零件。 晶振電路的設(shè)計(jì)圖33 晶振電路設(shè)計(jì)圖ATmega16已經(jīng)內(nèi)置RC振蕩線路，可以產(chǎn)生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。不過(guò)，內(nèi)置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場(chǎng)合，比如要與RS232通信需要比較精確的波特率時(shí)，建議使用外部的晶振線路，如圖33所示。早期的90S系列，晶振兩端均需要接22pF左右的電容。ATmega系列實(shí)際使用時(shí)，這兩只小電容不接也能正常工作。不過(guò)為了線路的規(guī)范化，仍建議接上。重要說(shuō)明：實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果不需要太高精度的頻率，可以使用內(nèi)部RC振蕩。即這部分不需要任何的外圍零件。 AD轉(zhuǎn)換濾波線路的設(shè)計(jì)為減小AD轉(zhuǎn)換的電源干擾，ATmega16芯片有獨(dú)立的AD電源供電。官方文檔推薦在VCC串上一只10uH的電感（L1），（C3），如圖34所示。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，比如在外面使用TL431基準(zhǔn)電壓源。不過(guò)一般的應(yīng)用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。（C4）。重要說(shuō)明：實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果想簡(jiǎn)化線路，可以將AVCC直接接到VCC，AREF懸空。即這部分不需要任何的外圍零件。圖34 AD轉(zhuǎn)換濾波線路設(shè)計(jì)圖 ISP下載接口設(shè)計(jì)圖35 ISP下載接口設(shè)計(jì)圖ISP下載接口，不需要任何的外圍零件。使用雙排2＊5插座。由于沒(méi)有外圍零件，故PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受ISP的干擾，如圖35所示。重要說(shuō)明：實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果想簡(jiǎn)化零件，可以不焊接2＊5座。但在PCB設(shè)計(jì)時(shí)最好保留這個(gè)空位，以便以后升級(jí)AVR內(nèi)的軟件。 JTAG仿真接口設(shè)計(jì)圖36 JTAG仿真接口設(shè)計(jì)圖仿真接口也是使用雙排2＊5插座。需要四只10K的上拉電阻。重要說(shuō)明：實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果不想使用JTAG仿真，并且不想受四只10K的上拉電阻的影響，可以將JP1－JP4斷開(kāi)，如圖36所示。 電源設(shè)計(jì)圖37 電源設(shè)計(jì)圖。本線路以開(kāi)關(guān)切換兩種電壓，并且以雙色二極管指示（5V時(shí)為綠燈，），如圖37所示。二極管D1防止用戶插錯(cuò)電源極性。D2可以允許用戶將電壓倒灌入此電路內(nèi)，不會(huì)損壞1117－ADJ。1117－ADJ的特性為1腳會(huì)有50uA的電流輸出，1－。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以計(jì)算出輸出電壓：當(dāng)SW開(kāi)關(guān)打向左邊時(shí)，R6上的電流為 。R8上的電流為1117－ADJ 1腳電流加上R6上的電流，+=. 。 于是得出VCC=+=。誤差在2%以內(nèi)。當(dāng)SW開(kāi)關(guān)打向右邊時(shí)，R6上的電流為 。R8上的電流為1117－ADJ 1腳電流加上R6上的電流，+=. 。 于是得出VCC=+=。誤差在1%以內(nèi)。使用1%精度的電阻，可以控制整個(gè)輸出電壓誤差在3%以內(nèi)。重要說(shuō)明：實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)使用1117－ADJ的品牌，輸入電壓可以低至7伏甚至更低。（也可以同時(shí)使用低壓降的二極管代替1N4007）。圖38 ATmega16硬件總設(shè)計(jì)圖今將此設(shè)計(jì)圖，如圖38所示，制作成了以下的ATmega16功能小板。正面圖：晶振可以使用螺絲固定的方法更換，方便做實(shí)驗(yàn)，并達(dá)到一定的可靠性。VCC，GND均有一測(cè)試針，如圖39所示。圖39 ATmega16功能板正面圖底部圖：為了方便實(shí)驗(yàn)，將這塊小板的輸出腳，按直插ATmega16的管腳排列定義。為防止不小心掉到地上導(dǎo)致插針折斷，加裝了一只40腳的圓孔IC座做保護(hù)。如果不小心折斷，可以方便地更換圓孔IC座，如圖310所示。圖310 ATmega16功能板背面圖 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)ATmega16單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，第一部分為與數(shù)字溫度傳感器的軟件設(shè)計(jì)部分，第二部分為與串口相連的軟件設(shè)計(jì)。 溫度采集軟件設(shè)計(jì)溫度采集軟件系統(tǒng)包括初始化程序、讀出溫度子程序、讀寫時(shí)序子程序組成。系統(tǒng)啟動(dòng)前，需要進(jìn)行初始化，其初始化流程圖如圖311所示。DQ置1短延時(shí)DQ置0延時(shí)450usDQ置1延時(shí)1560us延時(shí)至少60usX=~DQ結(jié)束X=DQ圖311 初始化程序流程圖讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的2字節(jié)，讀出溫度的低八位和高八位，在讀出時(shí)需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖312示初始化發(fā)跳過(guò)ROM指令開(kāi)始溫度轉(zhuǎn)換延時(shí)2ms初始化寫入跳過(guò)ROM、讀取暫存器和CRC字節(jié)指令讀取溫度的低八位和高八位取中間八位結(jié)束圖312 讀溫度程序流程圖系統(tǒng)的讀寫時(shí)序的子程序如圖31圖31圖315所示。圖313 讀時(shí)序圖（寫0時(shí)序、讀0、1時(shí)序）DQ=0延時(shí)15usdataamp。=0x01dat1延時(shí)45usDQ=1結(jié)束DQ置1短延時(shí)DQ置0延時(shí)450usDQ置1延時(shí)1560us延時(shí)至少60usX=~DQ結(jié)束X=DQ圖314 寫時(shí)序子程序流程圖 圖315 讀時(shí)序子程序流程圖 串口軟件設(shè)計(jì)l USART I/O 數(shù)據(jù)寄存器－ UDR圖316 UDR地址圖USART 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器和USART 接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器共享相同的I/O 地址，稱為USART 數(shù)據(jù)寄存器或UDR（如圖316）。將數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)DR 時(shí)實(shí)際操作的是發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器存器(TXB)，讀UDR 時(shí)實(shí)際返回的是接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器(RXB) 的內(nèi)容。在7 比特字長(zhǎng)模式下，未使用的高位被發(fā)送器忽略，而接收器則將它們?cè)O(shè)置為0。只有當(dāng)UCSRA寄存器的UDRE標(biāo)志置位后才可以對(duì)發(fā)送緩沖器進(jìn)行寫操作。如果UDRE沒(méi)有置位，那么寫入U(xiǎn)DR 的數(shù)據(jù)會(huì)被USART 發(fā)送器忽略。當(dāng)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器后，若移位寄存器為空，發(fā)送器將把數(shù)據(jù)加載到發(fā)送移位寄存器。然后數(shù)據(jù)串行地從TxD 引腳輸出。接收緩沖器包括一個(gè)兩級(jí)FIFO，一旦接收緩沖器被尋址FIFO 就會(huì)改變它的狀態(tài)。因此不要對(duì)這一存儲(chǔ)單元使用讀 修改 寫指令(SBI 和CBI)。使用位查詢指令(SBIC 和SBIS)時(shí)也要小心，因?yàn)檫@也有可能改變FIFO 的狀態(tài)。l USART 控制和狀態(tài)寄存器A －UCSRA圖317 UCSRA地址圖UCSRA地址如圖317所示。各地址意義如下：? Bit 7 – RXC: USART 接收結(jié)束接收緩沖器中有未讀出的數(shù)據(jù)時(shí)RXC 置位，否則清零。接收器禁止時(shí)，接收緩沖器被刷新，導(dǎo)致RXC 清零。RXC 標(biāo)志可用來(lái)產(chǎn)生接收結(jié)束中斷。? Bit 6 – TXC: USART 發(fā)送結(jié)束發(fā)送移位緩沖器中的數(shù)據(jù)被送出，且當(dāng)發(fā)送緩沖器 (UDR) 為空時(shí)TXC 置位。執(zhí)行發(fā)送結(jié)束中斷時(shí)TXC 標(biāo)志自動(dòng)清零，也