【文章內(nèi)容簡介】 腳比較器B反相輸入，7腳比較器B輸出。圖 LM393引腳圖 溫度傳感器 DS18B20簡介數(shù)字溫度傳感器 DS18B20的測溫范圍為 55—+125176。C，精度為 176。C，測量的溫度值用 9—12位數(shù)字表示，最大轉換時間為 750 ms，DS18B20的轉換分辨率均可由用戶設定，并能長期保存。利用 Dallas的單總線控制協(xié)議，和單線控制信號在總線上來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。DS18B20可以在沒有外部電源下操作，電源由總線為高電平時DQ腳上的上拉電阻提供(寄生供電模式)，此時VDD腳接地。也可用傳統(tǒng)方式供電，即將外部電源接在VDD腳上即可。工作電壓為 3— V。 DS18B20引腳圖 溫度補償由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關，表 列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的，可通過標準距離校準后使用。如果溫度變化較大且測距精度要求高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。超聲波發(fā)射點到接收點的距離 S為： ()其中 V 為聲速，t0為渡越時間。聲速 V 隨環(huán)境溫度的變化： (mm/ms) ()其泰勒級數(shù)展開式（僅保留到一次項）為： ()因此，溫度每變化 1 度，聲波的速度變化 (mm/ms)。若渡越時間達到 9ms(離約為 3m),就會產(chǎn)生 5mm 的誤差。溫度變化 2 度時，則產(chǎn)生約 1cm 誤差。 溫度與聲速變化關系表溫度（176。C）3020100102030100聲速（m/s）313319323325338334349383這種采用檢測超聲波渡越時間的方法并加入溫度補償，提高了距離檢測精度，有利于獲得精確的位置。，單片機通過它以串口數(shù)據(jù)傳送方式讀取測溫結果。 DS18B20測溫電路圖 顯示電路LED4LED3LED2LED1 LED0在本設計中，須加一個顯示面板用于將測得的距離和溫度的數(shù)值實時的顯示出來，： 顯示面板結構圖本設計選用MAX7219來驅動LED的顯示，MAX7219是由美國MAXIM公司生產(chǎn)的一種新型的串行接口8位數(shù)字靜態(tài)顯示芯片，由于本設計在顯示面板中選用了5塊LED用于顯示溫度、距離以及報警顯示，因此采用MAX7219負責驅動LED。MAX7219顯示器（LED）W77E58 MAX7219與單片機的連接框圖MAX7219具有能與CPU并行工作、低功耗及靈活的控制方式，而低功耗對于那些全日制工作的設備來說尤為重要。DIN：（）串行數(shù)據(jù)輸入端，在CLK的上升沿，一個數(shù)據(jù)被加載到內(nèi)部16位移位寄存器中。CLK：（），時鐘輸入端。LOAD：（），裝載數(shù)據(jù)輸入端，在LOAD的上升沿，16位串行輸入數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)字或控制寄存器中。 顯示電路SEGA~SEGG和SEGP為LED七段驅動器線和小數(shù)點線，供給顯示器源電流。DIG0~DIG7：為8數(shù)字驅動線，輸出位選信號，從每位LED共陰極吸入電流。MAX7219的工作原理：（1）從CPU輸出I/O到MAX7219芯片的DIN數(shù)據(jù)輸入口的基本數(shù)據(jù)傳輸格式為16位串行數(shù)據(jù)，不管是傳送控制數(shù)據(jù)還是顯示數(shù)據(jù)，都是按16位串行數(shù)據(jù)進行的。（2）對單片MAX7219而言，傳送的順序從DIG0到DIG7，即先送高位，后送低位，而且每一位所對應的16位串行數(shù)據(jù)也是從位15開始至位0結束。（3）由于本設計選用的單片機為AT89C51，為8位中央處理器，因此傳送給MAX7219的16位數(shù)據(jù)要分兩次傳送，首先傳送的8位數(shù)據(jù)為寄存器地址，其次傳送的數(shù)據(jù)為控制命令或等顯示數(shù)據(jù)。 MAX7219引腳圖MAX7219按5個控制寄存器規(guī)定的方式對待顯示的數(shù)字自動掃描顯示，所以在顯示程序之前，必須初始化5個控制寄存器。各控制寄存器的功能分述如下：（1）譯碼方式寄存器（地址X 9H）：對每個數(shù)字設置BCD碼或非代碼操作。寄存器中的每一位與一個數(shù)字對應。邏輯高電平選擇BCD譯碼，而低電平選擇非代碼譯碼。（2）顯示亮度寄存器（地址X AH）：其中D7~D4位可任意，而D3~D0可選擇0000~1111。D3~D0的值越大，LED顯示器越亮。（3）掃描范圍寄存器（地址X BH）：其掃描范圍寄存器設置所顯示數(shù)據(jù)的多少，可從1至9。一般以掃描速率1300HZ、8位數(shù)據(jù)、多路復用方式顯示。對于本系統(tǒng)，在掃描范圍寄存器中設置的數(shù)據(jù)為7。（4）關閉寄存器（地址X CH）：其中D7~D1位可任意。D0=0，關閉所有顯示器；D0=1，允許顯示。（5）顯示測試寄存器（地址X FH）：其中D7~D1位可任意。D0=0，LED處于正常工作狀態(tài)；D0=1，允許顯示。LED處于顯示測試狀態(tài)。 MAX7219寄存器地址分配表寄存器 地址D15~D12 D11 D10 D9 D8無操作DIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7譯碼方式顯示亮度掃描范圍關 閉顯示測試X 0 0 0 0X 0 0 0 1 X 0 0 1 0 X 0 0 1 1X 0 1 0 0X 0 1 0 1X 0 1 1 0 X 0 1 1 1 X 1 0 0 0X 1 0 0 1 X 1 0 1 0X 1 0 1 1 X 1 1 0 0X 1 1 1 14 軟件設計如前所述，超聲波明渠流量計使由軟件和硬件共同組成的，硬件是功能得以實現(xiàn)的基礎，而軟件則是通過硬件最終實現(xiàn)全部功能的橋梁。本章主要討論了軟件的實現(xiàn)架構，并對流量計各部分軟件進行了設計。軟件設計包括：(1) DS18B20溫度傳感接口模塊，分為初始化子程序，寫入子程序及讀取子程序等部分；(2) 基于MAX7219的顯示模塊，分為MAX7219初始化子程序，寫入子程序及顯示子程序等部分；(3) 溫度補償和距離計算模塊，分為超聲波發(fā)射控制程序，接收處理子程序，溫度補償子程序及距離計算子程序等部分；(4)主模塊，分為系統(tǒng)的初始化，各個子程序的調度管理等部分。如下的圖形象的描述了各模塊功能及相互之間的關系。DS18B20初始化溫度檢測溫度補償距離計算超聲波接收超聲波發(fā)射顯示模塊 系統(tǒng)框圖W77E58內(nèi)部計數(shù)器T0開始計數(shù)，盲區(qū)延時后開放中斷INT0；若計數(shù)器在延時60ms內(nèi)(距離約5m)沒有中斷INT0響應，則重新發(fā)射信號；若計數(shù)器在延時60ms內(nèi)有中斷INT0響應。則在中斷響應程序中停止計數(shù)，讀取計數(shù)值，存放于數(shù)據(jù)緩沖器，再根據(jù)溫度值，計算距離，完成中斷響應程序后，將距離信息傳輸給單片機，接著重新發(fā)射超聲波，開始新一輪的距離檢測，如此一直循環(huán)。本文只對主程序、測溫程序和INT0中斷服務程序予以說明。 W77E58單片機：W77E58是8位處理器，其最高40M時鐘，4機器周期的指令執(zhí)行速度?？梢耘c標準8051兼容的管腳，也有與8051兼容的指令。有4個8位I/O口；擴展的4位I/O和等待信號線（44腳的PLCC或QFP封裝提供）；三個16位計數(shù)/時器；12級中斷；片上時鐘源；兩個增強的雙工串口；1K的片上外部存儲器；可編程看門狗11K的片上外部存儲器；可編程看門狗；兩個全速16位數(shù)據(jù)指針DPTR；外部數(shù)據(jù)訪問周期可編程；封裝形式：DIP40：W77E58－25/40，PLCC44：W77E58P－25/40，QFP44：W77E58F－25/40。 W77E58引腳 DS18B20的接口程序設計DS18B20的一線工作協(xié)議流程是，初始化→ROM操作指令→存貯器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。其工作時序包括：初始化時序、寫時序和讀時序。每種工作時序都有相應的要求，這在進行DS18B20接口程序設計時必須足夠重視。復位DS18B20啟動溫度轉換對溫度值求補碼得原碼讀取16位溫度值啟動DS18B20求補子程序讀取溫度子程序初始化開始 對DS18B20操作流程圖基于MAX7219的6位數(shù)碼管顯示程序實際上包含以下幾個部分：（1）對MAX7219的初始化部分；（2）對MAX7219的字寫入操作部分；（3）顯示子程序部分（也即寫MAX7219的8字節(jié)顯示RAM的部分）。前兩個為低層接口子程序，后一個為應用層子程序。 MAX7219的初始化對MAX7219的初始化，實際上就是指對MAX7219的掃描限制寄存器、亮度寄存器、譯碼模式寄存器及工作寄存器進行正確設置。在進行程序前，必須清楚一點，那就是MAX7219采用16位數(shù)據(jù)包的形式，也就是說對MAX7219寫入時是以16位數(shù)作為一個整體進行的，也即兩個字節(jié)，高字節(jié)為寄存器地址或顯示RAM地址，低字節(jié)為命令或數(shù)據(jù)。地址字節(jié)的高4位為無關位，通常全取1。 字寫MAX7219程序字寫MAX7219也就是將16位數(shù)據(jù)包寫入MAX7219，其程序設計只要遵循MAX7219的時序要求即可，簡要描述為：在始終的上升沿數(shù)據(jù)位被鎖入片內(nèi)16位移位寄存器；16位數(shù)據(jù)的輸出順序必須是從高到低。對于微處理器來說，一般均自然滿足MAX7219對串行時鐘不能高于10MHz的要求。16位寫入完成后，必須通過12腳的正跳變（即上升沿）將數(shù)據(jù)鎖入，從而使新數(shù)據(jù)（命令）有效。 顯示子程序顯示子程序的作用是將非壓縮BCD碼形式的顯示代碼寫入對應的數(shù)碼管顯示RAM寄存器，常用的09和AF的顯示代碼對應為00H09H和0AH0FH。如果要在對應位上顯示小數(shù)點，只要將對應的顯示代碼的最高位置為1即可。 距離計算及其程序實現(xiàn) 距離計算距離計算程序的關鍵在于根據(jù)溫度值進行聲速的溫度補償，得到聲速，以及超聲波的發(fā)送與接收的時間差的獲取。視察的獲取是通過定時器1的記數(shù)來實現(xiàn)的，即在發(fā)射后啟動該定時器計數(shù)，得到第一回波信號停止計數(shù)。假設時間數(shù)值為2字節(jié)，高字節(jié)在JSH中，低字節(jié)在JSL中，則距離計算的程序見附錄。計算數(shù)值為2字節(jié)整數(shù)值，由于定時器的計數(shù)對象為機器周期，其折合為時間還必須乘以機器周期，考慮運算的復雜性和為常數(shù)的特點，該乘法運算已在聲速的溫度補償過程中事先進行，不需要在程序中進行處理了。 數(shù)制轉換程序數(shù)制轉換的原因在于：經(jīng)過求補得到的16位的原碼為16進制數(shù)，無法直接進行顯示，必須轉換為能為MAX7219所接受的BCD顯示代碼。數(shù)據(jù)標定的原因在于：在溫度補償和距離計算過程中沒有考慮小數(shù)的存在，而實際顯示結果必須考慮小數(shù)和有效位，這樣勢必要對計算得到的結果進行取舍，取舍的過程就是標定的過程。對本系統(tǒng)而言，標定的依據(jù)是：（1） 溫度標定處理依據(jù)溫度只能以2位方式進行顯示，而DS18B20的測量溫度范圍為55—+125176。C，因此取常用的溫度部分，不考慮小數(shù)部分，即55—+99176。C。據(jù)前所述，16位原碼中的最高5位為擴展符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)，最低4位為小數(shù)部分，其余7位為整