【文章內(nèi)容簡介】 間的通信、數(shù)據(jù)的傳輸也是靠單片機實現(xiàn)的。 從機系統(tǒng)的主要功能就是將外界的模擬信號變?yōu)榭梢詡鬏數(shù)臄?shù)字信號。而溫度傳感器DS18B20 本身包括寄生電源、溫度傳感器， 64 位激光 ROM 單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器 (內(nèi)含便箋式 RAM)、存儲與控制邏輯、用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH 和 TL觸發(fā)器、結(jié)構(gòu)寄存器， 8 位循環(huán)冗余校驗碼 (CRC)發(fā)生器等八部分。它通過程序語言可實現(xiàn) 9 位至 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式，并在環(huán)境為 和 750ms 之間內(nèi)，將溫度值轉(zhuǎn)化 9 位和 12 位的數(shù)字量。而且 DS18B20 與單片機之間的通信是利用 ONE WIRE方式，只要在編程方面多注意這個傳感器的時序問題，能大大簡化這個系統(tǒng)的硬件規(guī)模，并且能準(zhǔn)確地讀取溫度信號，進而進行后續(xù)處理。所以 DS18B2O 就作為一個從機系統(tǒng)完成其重要的功能，其可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，同時，可靠性更高。 第四章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 12 第四章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 系統(tǒng)硬件電路的構(gòu)成及測量原理 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 圖 理想 型的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的硬件部分的原理圖由上下兩級計算機組成，分別稱之為上位機和下位機。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖所示。其中上位機是普通的 PC 機，主要完成數(shù)據(jù)管理及對下位機的控制，而下位機是以 AT89C51 單片機為核心的單片機控制系統(tǒng)。 下位機主要由五個部分組成， 第一部分為單片機控制系統(tǒng)，它是以 AT89C51 單片機為核心的微型計算機系統(tǒng)，是整個測量系統(tǒng)的核心部分它控制各個部分按一定的要求進行工作。 第二部分為鍵盤與顯示接口電路部分，完成各種命令、參數(shù)的輸人以及各種狀態(tài)、數(shù)據(jù)的顯示輸出 ,構(gòu)成人機對話通道。 第三部分是 多通道測量電路部分 ,在單片機的控制下完成對多路通道的定時檢測。 第四部分為通信接口電路部分主要用于信號變換。由于單片機的通信規(guī)范與機的通信規(guī)范不一致 ,所以需要進行信號變換 ,使上位機與下位機之間能進行正常通信。 第五部分為電源部分，它為整個單片機測量系統(tǒng)提供幾種電壓的直流能源同時也為溫度傳感器提供恒流電源。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 51 單片機實驗板及相關(guān)信息 單片機控制電路 單片機 (Microcontroller，又稱微處理器 )是在一塊硅片上集成了各種部件的 微型機，這些部件包括中央處理器 CPu、數(shù)據(jù)存儲器 RAM、程序存儲器 ROM、 定時器 /計數(shù)器和多種 UO 接口電路。 圖 AT89C51 基本結(jié)構(gòu) AT89C51 的中央處理器由運算器和控制邏輯構(gòu)成，其中包括若干特殊功能寄存器(SFR)。算 .術(shù)邏輯單元 ALu 能對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術(shù)運算 ?！芭c’、“或”、“異或”等邏輯運算以及位操作運算。控制邏輯主要包括定時和控制邏輯、指令寄存器、譯碼器以及地址指針 DP 雙和程序寄存器 PC 等。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃存可編程可擦除 只讀存儲器 （ FPEROM— Flash Program mable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機。 其 片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程 序存儲器（ EPROM）和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 四個 8 位并行 I/O 口，一個全雙工串行口，兩個 16 位定時 /計數(shù)器， 5 個中斷源，提供兩個中斷優(yōu)先級， 21 個特殊功能寄存器，可尋址各 64KB的外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，有位尋址功能和較強的布爾數(shù)據(jù)處理能力，有兩種軟件可選的低功耗運行方式（空閑和掉電方式）。 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)， 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89C51 單片機可為您提 供許多高性價比的應(yīng)用場合，第四章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 14 可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT89C51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 。 AT89C51 具有 PDIP(雙列直插式 )、 TQFP（薄四方扁平式）、 PLCC（特殊引腳式）三種封裝形式，由于在實驗開發(fā)中使用 PDIP 較多故選取此類封裝的單片機作說明。 圖 AT89C51 的 PDIP 封裝引腳圖 AT89C51 的引腳除了 VCC 和 GND 之外，按其功能可分為以下三類： 1） 時鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向 放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 石晶 振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。由于輸入至內(nèi)部 時鐘信號 要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 2） I/O 端口引腳： ① P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P0口的管腳第一 次寫 1 時，被定義為 高阻 輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼， 此時 P0 外部必須被拉高。 ② P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為低八位地址接收。 ③ P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的 緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 ④ P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 引 腳 特殊功能（第二功能） RXD 串行數(shù)據(jù)輸入口 TXD 串行數(shù)據(jù)輸出口 INT0 外部中斷 0 輸入 INT1 外部中斷 1 輸入 T0 記時器 0 外部計數(shù)脈沖輸入 T1 記時器 1 外部計數(shù)脈沖輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 表 P3 口的第二功能 3）控制類引腳： ① RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時 ，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 第四章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 16 圖 復(fù)位電路 ② ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被 略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 ③ _________PSEN ：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 _________PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 _________PSEN 信號將不出現(xiàn)。 ④ EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， ____EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) ____EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 圖 51 單片機實驗板 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 溫度采集模塊 DS18B20 介紹 溫度由 DALLAS 公司所生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 采集。 DS18B20 的測溫范圍位 55176。 ~125176。 C,測試的分辨率能夠達到 176。 C,測試的溫度用符號擴展位16 位形式串行輸出。 CPU 只需一根端口線就可以與多個 DS18b20 進行通信，占用的微處理器的端口較少，進而可以節(jié)省大量的引線與邏輯電路。 DS18B20 的內(nèi)部是一個 9 字節(jié)的高速存儲器，存儲器用來存儲所設(shè)定的溫度值。其中它的前兩個字節(jié)是將要測得的溫度數(shù)據(jù)，第一字節(jié)所存儲的是溫度的低八位，第二字節(jié)會是溫度的高八位，第三和第四字節(jié)將是溫度的上限 Th 與溫度的下限 TL 的易失性拷貝，第五字節(jié)會是結(jié)構(gòu)存 儲器的易失性拷貝，此三字節(jié)的內(nèi)容在每一次的上電復(fù)位時均會被刷新，第六、七、八三個字節(jié)是用于內(nèi)部的計算，而第九字節(jié)為冗余校驗字節(jié)，用于保證通信的準(zhǔn)確性。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)出轉(zhuǎn)換命令后，經(jīng)過轉(zhuǎn)換的溫度值將會以二字節(jié)補碼的形式存放在此存儲器的第一和第二字節(jié)中。單片機能夠通過單線接口讀到數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在前，高位在后，其中的高五位是符號位，中間的七位是整數(shù)位，最低四位將會是小數(shù)位。 圖 DS18B20 實物圖和仿真圖 DS18B20 現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。 初始化時序、讀時序、寫時序，每一條命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從單片機寫時序開始的，如要求 DS18B20 回送數(shù)據(jù)，那么在進行寫命令后，單片機需要啟動讀時序才能夠完成數(shù)據(jù)的接收。命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是低位在先。其 與單片機接口時僅需占用一個 I/O 端口。其特性如下： （ 1）只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。 第四章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 18 （ 2）在 DS18B20 中的每個器件上都會有獨一無二的序列號。 （ 3）測量的溫度范圍是－ 55℃到＋ 125℃ 之間。 （ 4）在實際 的應(yīng)用中不需要任何外部元器件即可實現(xiàn)測溫。 （ 5）內(nèi)部有溫度上限和下限的報警設(shè)置。 （ 6）用戶可以從 9 位到 12 位來選擇數(shù)字溫度計的分辨率。 （ 7）支持多點測溫的功能，若干個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)思維多點測溫。 （ 8）電源極性接反時，芯片不會因為發(fā)熱而燒毀，但不能正常的工作。 如果需要控制多個 DS18B20 進行溫度采集時，只需將 DS18B20 的 I/O 口都連到一起。如下圖所示。 D S 18B 20 D S 18B 20 D S 18B 20 KGN D GN D GN DVC CVC C單 片機.... 圖 多個 DS18B20 與單片機連接 表 DS18B20 引腳說明 DS18B20 的引腳功能為： DQ 為數(shù)字信號的輸入 /輸出端； GND 為電源接地標(biāo)志；VCC 為外接供電電源的輸入端 。 本設(shè)計使用單片機 AT89C51 的 口與 DS18B20 的單總線端口 DQ 相連。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 表 DS18B20 的溫度數(shù)據(jù)表 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由四部分組成： 64位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL以及配置寄存器。 DS18B20在出廠時的默認設(shè) 置為 12位，最高位為符號位，溫度值共 11位。單片機在讀取數(shù)據(jù)時可以一次讀取 2個字節(jié)共 16位，前 5位為符號位，當(dāng)前 5位為 1時，當(dāng)讀取的溫度為負值時，讀到的數(shù)值要取反加 1再乘以 。而當(dāng)前 5位為 0時，讀取的溫度為正值，讀到的數(shù)值直接乘以 。 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)