【文章內(nèi)容簡介】 20 的外部電源供電方式： (c)所示，在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，其VDD端用3～5．5V電源供電，此時I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85℃。 （c）DS18B20外部電源供電方式 （a）DS18B20寄生電源供電方式 (b) DS18B20溫度轉(zhuǎn)換期間的強(qiáng)上拉供電（寄生電源方式） DS18B20與微處理器的典型連接圖（3）DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 為DS18B20 的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、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)，用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH 和TL 觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8 位循環(huán)冗余校驗碼(CRC)發(fā)生器等七部分。64位光刻ROM 的排列是：開始8位是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼。光刻R0M 的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這可實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。暫存存儲器包含了8個連續(xù)字節(jié)，前2個字節(jié)是測得的溫度信息，第1個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低8位，第2個字節(jié)是溫度的高8位。第3個和第4個字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第5個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這3個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。第8個字節(jié)用于內(nèi)部計算。第9個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié).高速緩存存儲器溫度靈敏元件低溫觸發(fā)器 TL高溫觸發(fā)器 TH配置寄存器8 位 CRC 生成器存儲器和控制器64位ROM和單線接口電源檢測 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（4）DS18B20 的測溫原理：DS1820測溫原理如下圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。斜率累加器低溫度系數(shù)晶振 計數(shù)器 1 比較溫度寄存器預(yù)置預(yù)置=0計數(shù)器 2高溫度系數(shù)晶振=0加 1停止圖 DS18B20 測溫原理高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，DS1 8B20測量溫度原理停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 在正常測溫情況下，DS18B20 ℃，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果：首先用DS18B20 提供的讀暫存器指令(BEH)讀出以℃為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位(LSB)，得到所測實際溫度的整數(shù)部分TZ，然后再用BEH 指令取計數(shù)器1 的計數(shù)剩余值CS 和每度計數(shù)值CD。℃、℃為進(jìn)位界限的關(guān)系，實際溫度TS 可用下式計算：TS=(TZ－℃) ＋(CD－CS)/CD（5）告警信號：DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與TH、TL 作比較。若TTH 或TTL，則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20 同時測量溫度并進(jìn)行告警搜索。一旦某測溫點越限，主機(jī)利用告警搜索命令即可識別正在告警的器件，并讀出其序號，而不必考慮非告警器件。（6）CRC 的產(chǎn)生：在64 位ROM 的最高有效字節(jié)中存有循環(huán)冗余校驗碼(CRC)。主機(jī)根據(jù)ROM 的前56 位來計算CRC 值，并和存入DS18B20 中的CRC 值作比較，以判斷主機(jī)收到的ROM 數(shù)據(jù)是否正確。CRC 的函數(shù)表達(dá)式為：CRC=X ＋X ＋X ＋1。此外，854DS18B20 尚需依上式為暫存器中的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生一個8位CRC 送給主機(jī)，以確保暫存器數(shù)據(jù)傳送無誤。在本課題中采用四個數(shù)字式溫度傳感器DS18B20與單片機(jī)89C51連接如下圖 DS18B20多點溫度測量連接電路圖(7) DS1820 使用中注意事項DS18B20 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：①較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS18B20 進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。②在 DS18B20 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS18B20 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個 DS18B20，在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛 DS18B20 超過 8 個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進(jìn)行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。③連接 DS18B20 的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用 DS18B20 進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 ④在 DS18B20 測溫程序設(shè)計中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待 DS18B20 的返回信號，一旦某個 DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20 時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點在進(jìn)行 DS18B20 硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計 在當(dāng)今新科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的年代里，單片機(jī)的應(yīng)用已越來越受到人們的重視，它被廣泛的應(yīng)用于家電、醫(yī)療、智能儀表、工業(yè)自動化等各個領(lǐng)域。單片機(jī)全稱單片微型計算機(jī)，是將計算機(jī)的基本部分微型化，使之集成在一塊芯片上的微機(jī)。目前市場上較為流行的單片機(jī)有 Intel 公司和 Philip 公司的8051 系列單片機(jī)．Motorola 公司的 M 6800 系列單片機(jī)。Intel 公司的 MCS96系列單片機(jī)以及 Microchip 公司的 PIC 系列單片機(jī)。片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行 I/O 口、串行 I/O 口、定時/計數(shù)器、A/D、D/A、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。本課題是利用 Intel 的 80C51 控制整個系統(tǒng)。80C51 單片機(jī)包含下列幾個部件：1 個 8 位 CPU、1 個片內(nèi)震蕩器及時鐘電路、4KB ROM 程序存儲器、128B RAM 數(shù)據(jù)存儲器、可尋址 64KB 外部數(shù)據(jù)存儲器和64KB 外部程序存儲器的控制電路、32 條可編程的 I/O 線、2 個 16 位的定時/計數(shù)器、1 個可編程全雙工串行接口、5 個中斷源、2 個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。本課題運(yùn)用 Intel 公司的 80C51 進(jìn)行系統(tǒng)控制，運(yùn)用到了復(fù)位電路，時鐘電路，串口，I/O 口。復(fù)位電路：無論哪種單片機(jī)，都會涉及到復(fù)位電路。如果復(fù)位電路不可靠，在工作中就有可能出現(xiàn)“死機(jī)” ， “程序走飛”等現(xiàn)象。所以，一個單片機(jī)復(fù)位電路的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。復(fù)位操作完成單片機(jī)片內(nèi)電路的初始化，使單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開始運(yùn)行。當(dāng)80C51單片機(jī)的復(fù)位引腳RST出現(xiàn)5ms以上的高電平時，單片機(jī)就完成了復(fù)位操作，如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，而無法執(zhí)行程序，因此要求單片機(jī)復(fù)位后能脫離復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作通常有上電和開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。開關(guān)復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運(yùn)行期間，如果發(fā)生死機(jī)，用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。常用的上電復(fù)位且開關(guān)復(fù)位電，上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時間。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行之中時，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化過程，其中包括是程序計數(shù)器PC=0000H，P0P3=FFH，SP=07H，其他寄存器處于零，程序從0000H地址單元開始執(zhí)行，單片機(jī)復(fù)位后不改變片內(nèi)RAM區(qū)中的內(nèi)容。圖 .復(fù)位電路時鐘電路：80C51單片機(jī)的時鐘信號通常用內(nèi)部振蕩和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAX2外接晶體振蕩器，就夠成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。晶振通常選用6MHZ、12MHZ或24MHZ。內(nèi)部振蕩器方式如下。，電容器CC2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值一般為530PF。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定。外部振蕩方式是把已有的時鐘信號引入單片機(jī)內(nèi)，這種方式適于用于用來使單片機(jī)的時鐘與外部信號保持一致。 時鐘電路 按鍵及顯示電路設(shè)計本課題要將傳感器的溫度信號和鍵盤輸入的控制信號都顯示出來，利用單片機(jī) 80C51 傳輸控制信號。鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機(jī)輸人數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段,鍵盤實質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)集合,通常選用機(jī)械彈性開關(guān),它們利用了機(jī)械觸點的合、斷作用。鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)低電平還是高電平，通過對電平高低狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)是否有按鍵按下。為了確保 CPU 對一次按鍵動作只確認(rèn)一次， 那就必須消除抖動的影響，這樣才能使鍵盤在單片機(jī)系統(tǒng)中使用得更加穩(wěn)定。常用的鍵盤接口分為獨(dú)立式按鍵接口和矩陣式鍵盤接口。在本系統(tǒng)中，按鍵主要是用來設(shè)置溫度的上下限，對其上限加和下限減操作，以達(dá)到所要求的溫度值。 因此采用獨(dú)立式鍵盤來完成這一功能。該溫控系統(tǒng)主要包括：時鐘模塊、復(fù)位模塊、報警模塊、鍵盤模塊、溫度采集模塊、液晶顯示模塊以及溫度控制模塊等。其中時鐘模塊和復(fù)位模塊是啟動芯片 80C51 不可或缺的。溫度采集模塊只是采用 DS18B20，通過 口對其初始化、讀操作和寫操作，控制 DS18B20 采集數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)里進(jìn)行處理。液晶顯示模塊是選用 LCM1602 來顯示實時溫度和所設(shè)定的溫度上下限值，其中數(shù)據(jù)命令選擇端 RS 接 ，讀寫選擇端 R/W 接 ，使能信號E 接 ，而引腳 VEE 接在可變電阻器上，通過調(diào)整其電阻值來調(diào)節(jié)液晶顯示器對比度。鍵盤模塊是 S0 復(fù)位、按鈕 SSS3 和 S4 組成，其中 S1 是設(shè)定溫度上下限的確認(rèn)按鍵，而 SS3 分別是對溫度上下限設(shè)定值進(jìn)行“加一” 、“減一”操作。報警模塊則是由三極管驅(qū)動蜂鳴器報警。該系統(tǒng)中可以用DS18B20 來存儲設(shè)置溫度上下限的值。該系統(tǒng)硬件電路的主要原理圖見圖 1 所示:圖 顯示電路圖及按鍵控制 報警電路設(shè)計 為了實現(xiàn)四點溫度檢測報警系統(tǒng)，本課題采用80C51單片機(jī)作為主控制器，采用掃描的方式對四點DS18B20溫度傳感器獲取對應(yīng)該位置的溫度值，經(jīng)處理后可以立即發(fā)送到單片機(jī)，如只要四點溫度有一個不在設(shè)定的范圍內(nèi)，給出報警信號。 圖 溫度報警電路第四章 軟件設(shè)計 軟件開發(fā)工具的選擇要使單片機(jī)系統(tǒng)按照人的意圖辦事，需設(shè)法讓人與計算機(jī)對話，并聽從人的指揮。程序設(shè)計語言是實現(xiàn)人機(jī)交換信息的最基本工具，可分為機(jī)器語言、匯編語言和高級語言。機(jī)器語言用二進(jìn)制編碼表示每一條指令，是計算機(jī)能直接識別和執(zhí)行的語言。用機(jī)器語言編寫的程序成為機(jī)器語言程序或者指令程序（機(jī)器碼程序） 。因為機(jī)器只能識別和執(zhí)行這種機(jī)器碼程序，所以又稱它為目標(biāo)程序。用機(jī)器語言編寫程序不易記憶、不易查錯、不易修改。為了克服機(jī)器語言的上述缺點，可采用有一定含義的符號，即指令助記符來表示，一般都采用某些有關(guān)的英文單詞的縮寫。這樣就出現(xiàn)了另一種程序語言—匯編語言。匯編語言是用助記符、符號和數(shù)字等來表示指令的程序語言，容易理解和記憶，它與機(jī)器語言指令是一一對應(yīng)的。匯編語言不像高級語言（如BASIC）那樣通用型強(qiáng)，而是屬于某種計算機(jī)所獨(dú)有，與計算機(jī)的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。用匯編語言編寫的程序稱為匯編語言程序。以上兩種語言都是低級語言。盡管匯編語言有不少優(yōu)點，但它仍存在著機(jī)器語言的某些缺陷：與CPU的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，不同的CPU其匯編語言是不同的。這使得匯編語言程序不能移植，使用不便；其次，要使用匯編語言進(jìn)行程序設(shè)計必須了解所使用CPU硬件的結(jié)構(gòu)與性能，對程序設(shè)計人員有較高的要求。為此，又出現(xiàn)了對單片機(jī)進(jìn)行編程的高級語言，如PL\M，C等。 KEIL C51是美國KEIL Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。 KEIL C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KEIL C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)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(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。經(jīng)以上分析綜合得知，本課題采用C語言進(jìn)行編程。 系統(tǒng)軟件設(shè)計的一般原則　　在單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)中代碼使用效率、單片機(jī)的抗干擾性以及軟