【文章內容簡介】 C或SMBus總線的時鐘信號線和數(shù)據(jù)線。腳5：中斷信號輸出引腳。當光強度超過用戶編程配置的上或下閾值時，器件會輸出一個中斷信號。3 TSL2561的內部結構和工作原理TSL2561是第二代周圍環(huán)境光強度傳感器，其內部結構如圖3—3所示。通道0和通道1是兩個光敏二極管，其中通道0對可見光和紅外線都敏感，而通道1僅對紅外線敏感。積分式A/D轉換器對流過光敏二極管的電流進行積分，并轉換為數(shù)字量，在轉換結束后將轉換結果存入芯片內部通道0和通道1各自的寄存器中。當一個積分周期完成之后，積分式A/D轉換器將自動開始下一個積分轉換過程。微控制器和TSL2561可通過標準的SMBus( System Management Bus) ，TSL2561則可通過I2C總線協(xié)議訪問。對TSL2561的控制是通過對其內部的16個寄存器的讀寫來實現(xiàn)的，其地址如表3—2所列。 圖3—3 TSL2561內部結構圖表3—2 TSL2561內部寄存器地址及作用4 硬件設計TSL2561能夠通過I2C總線訪問，所以硬件接口電路很簡單。假如所選用的微控制器帶有I2C總線控制器，則將該總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線直接和TSL2561的I2C總線的SCL和SDA分別相連；假如微控制器內部沒有上拉電阻，則還需要再用2個上拉電阻接到總線上。假如微控制器不帶I2C總線控制器，則將TSL2561的I2C總線的SCL和SDA和普通I/O口連接即可[6]；但編程時需要模擬I2C總線的時序來訪問TSL2561，INT引腳接微控制器的外部中斷。硬件連接如圖3—4所示。 圖3—4 微控制器和TSL2561的硬件連接圖 圖3—5 軟件設計流程5 軟件設計微控制器能夠通過I2C總線協(xié)議對TSL2561進行讀寫。寫數(shù)據(jù)時，先發(fā)送器件地址，然后發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)。TSL2561的寫操作過程如下：先發(fā)送一組器件地址；然后寫命令碼，命令碼是指定接下來寫寄存器的地址00h～0fh和寫寄存器的方式，是以字節(jié)、字或塊（幾個字）為單位進行寫操作的；最后發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)，根據(jù)前面命令碼規(guī)定寫寄存器的方式，能夠連續(xù)發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)，內部寫寄存器會自動加1。TSL2561的軟件設計流程如圖3—5所示。 溫度傳感器1 DS18B20簡介DSl8820是美國DALLAS公司最新推出的數(shù)字式溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同的是它可直接將被測溫度轉化成串行數(shù)寧信號供微機處理，并且根據(jù)具體要求，通過簡單的編程實現(xiàn)9位的溫度讀數(shù)。并且多個DSl8820可以并接到多個地址線上與單片機實現(xiàn)通信。由于每一個DSl8820出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其ROM中，因此CPU可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。 2 DS18B20功能特點 ? ~ ? 微型化、低功耗、抗干擾能力強、易與微處理器接口 ? 溫度測量范圍為—55176。C~+125176。C，176。C ? 3引腳TO—92小體積封裝或8引腳181。SOP封裝 ? 可編程為9位~12位A/D轉換精度 ? 只需一根端口線就能與微處理器通訊 ? 每只DS18B20有唯一的序列號并可存入其ROM中，便于實現(xiàn)多芯片多點測量 ? 在使用中不需要任何外圍元件 ? 用戶可定義的非易失性溫度報警設置 圖3—6 DS18B203 DS18B20結構和工作原理 圖3—7是表示 DS18B20 的結構圖，表3—3已經(jīng)給出了引腳說明。64位只讀存儲器儲存器件的唯一片序列號。高速暫存器含有兩個字節(jié)的溫度寄存器，這兩個寄存器用來存儲溫度傳感器輸出的數(shù)據(jù)。除此之外，高速暫存器提供一個直接的溫度報警值寄存器（TH和TL），和一個字節(jié)的的配置寄存器。配置寄存器允許用戶將溫度的精度設定為9，10，11或12位。TH，TL和配置寄存器是非易失性的可擦除程序寄存器（EEPROM），所以存儲的數(shù)據(jù)在器件掉電時不會消失。DS18B20通過達拉斯公司獨有的單總線協(xié)議依靠一個單線端口通訊。當全部器件經(jīng)由一個3態(tài)端口或者漏極開路端口（DQ引腳在DS18B20上的情況下)與總線連接的時候，控制線需要連接一個弱上拉電阻。在這個總線系統(tǒng)中，微控制器（主器件）依靠每個器件獨有的64位片序列號辨認總線上的器件和記錄總線上的器件地址。由于每個裝置有一個獨特的片序列碼,總線可以連接的器件數(shù)目事實上是無限的。DS18B20的另一個功能是可以在沒有外部電源供電的情況下工作。當總線處于高電平狀態(tài)，DQ與上拉電阻連接通過單總線對器件供電。同時處于高電平狀態(tài)的總線信號對內部電容（Cpp）充電，在總線處于低電平狀態(tài)時，該電容提供能量給器件。這種提供能量的形式被稱為“寄生電源” 。作為替代選擇，DS18B20同樣可以通過VDD引腳連接外部電源供電。圖3—7 DS18B20內部結構表3—3 DS18B20引腳說明4 硬件設計 DS18B20可以通過從VDD引腳接入一個外部電源供電，或者可以工作于寄生電源模式，該模式允許DS18B20工作于無外部電源需求狀態(tài)。寄生電源在進行遠距離測溫時是非常有用的。當總線為高電平時，寄生電源由單總線通過VDD引腳。這個電路會在總線處于高電平時偷能量，部分汲取的能量存儲在寄生電源儲能電容內，在總線處于低電平時釋放能量以提供給器件能量。當DS18B20處于寄生電源模式時，VDD引腳必須接地。寄生電源模式下，單總線和電容在大部分操作中能提供充分的滿足規(guī)定時序和電壓的電流給DS18B20。然而，當DS18B20正在執(zhí)行溫度轉換或從高速暫存器向EPPROM傳送數(shù)據(jù)時。這個電流可能會引起連接單總線的弱上拉電阻的不可接受的壓降，這需要更大的電流，而此時電容無法提供[7]。為了保證DS18B20由充足的供電，當進行溫度轉換或拷貝數(shù)據(jù)到EEPROM操作時，必須給單總線提供一個強上拉電阻。用漏極開路把I/O直接拉到電源上就可以實現(xiàn)，見圖3—8。在發(fā)出溫度轉換指令或拷貝暫存器指令之后，必須在至多10us之內把單總線轉換到強上拉，并且在溫度轉換時序或拷貝數(shù)據(jù)時序必須一直保持為強上拉狀態(tài)。當強上拉狀態(tài)保持時，不允許有其它的動作。對DS18B20供電的另一種傳統(tǒng)辦法是從VDD引腳接入一個外部電源，見圖3—9。這樣做的好處是單總線上不需要強上拉。而且總線不用在溫度轉換期間總保持高電平。溫度高于100℃時，不推薦使用寄生電源，因為DS18B20在這種溫度下表現(xiàn)出的漏電流比較大，通訊可能無法進行。在類似這種溫度的情況下，強烈推薦使用DS18B20的VDD引腳。對于總線控制器不直到總線上的DS18B20是用寄生電源還是用外部電源的情況，DS18B20 預備了一種信號指示電源的使用意圖?？偩€控制器發(fā)出一個 Skip ROM指令，然后發(fā)出讀電源指令，這條指令發(fā)出后，控制器發(fā)出讀時序，寄生電源會將總線拉低，而外部電源會將總線保持為高。如果總線被拉低，總線控制器就會知道需要在溫度轉換期間對單總線提供強上拉。圖3—8 DS18B20 溫度轉換期間的強上拉供電圖3—9 外部電源給 DS18B20 供電 濕度傳感器1 DHT11概述DHT11屬于Sensirion溫濕度傳感器家族中的插針型封裝系列。傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數(shù)字信號。傳感器采用專利的CMOSens@技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質卓越、響應迅速、抗干擾能力強，性價比高等優(yōu)點。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定，校準系數(shù)以程序形式儲存在OTP內存中，用于內部的信號校準。兩線制的串行接口與內部的電壓調整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。2 DHT11特點l 濕溫度傳感器的一體化結構能相對的同時對相對濕度和溫度進行測量。l 數(shù)字信號輸出，從而減少用戶信號的預處理負擔。l 單總線結構輸出有效的節(jié)省用戶控制器的I/O口資源。并且，不需要額外電器元件。l 獨特的單總數(shù)據(jù)傳輸線協(xié)議使得讀取傳感器的數(shù)據(jù)更加便捷。 l 全部校準。編碼方式為8位二進制數(shù)。 l 40bit 二進制數(shù)據(jù)輸出。其中濕度整數(shù)部分占1Byte，小數(shù)部分1Byte，溫度 整數(shù)部分1Byte，小數(shù)部分1Byte。其中，濕度為高16位。最后1Byte為和。 l 卓越的長期穩(wěn)定性，超低功耗。 l 4引腳安裝，超小尺寸。 l 各型號管腳完全可以互換。 l 測量濕度范圍從20％RH到90％RH；測量溫度范圍從0℃到50℃。 l 適用范圍包括恒濕控制，消費家電類產(chǎn)品，溫濕度計等領域圖3—10 DHT11外形及引腳說明3 DHT11引腳說明及工作原理傳感器管腳方向識別：正面（有通氣孔的一面）看過去，從左到右依次為4腳。表3—4 引腳說明引腳號引腳名稱類型引腳說明1VCC電源正電源輸入， DC2Dout輸出單總線。數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳3NC空空腳。擴展未用4GND地電源地 數(shù)字濕溫度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式。即單個數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸。其數(shù)據(jù)包由5Byte（40Bit）組成。一次通訊時間最大3ms，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說明。 DATA 用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，當前小數(shù)部分用于以后擴展，現(xiàn)讀出為0。操作流程如下： 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。 數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit校驗和，校驗和數(shù)據(jù)為前四個字節(jié)相加。 DHT11傳感器是通過奧松電子有限公司開發(fā)的單總線協(xié)議和上位機（控制器）進行數(shù)據(jù)通信。DHT11 傳感器需要嚴格的讀寫協(xié)議來確保數(shù)據(jù)的完整性。整個讀寫分為，上位機發(fā)送起始信號，上位機接收下位機發(fā)來的握手響應信號，讀‘0’和讀‘1’四個步驟。所有的信號除主機啟動復位信號外，全部都由 DHT11 產(chǎn)生。通過單總線訪問 DHT11順序歸納如下：1) 主機發(fā)開始信號 2) 主機等待接收 DHT11 響應信號 3) 主機連續(xù)接收 40Bit 的數(shù)據(jù)和校驗和 4) 數(shù)據(jù)處理4 DHT11與單片機連接的設計DHT11數(shù)字濕溫度傳感器連接電路簡單，只需要占用控制器一個I/O口即可完成上下位的連接[8]。典型應用電路如下圖所示。另外，建議連接線長度短于20時用5K上拉電阻，大于20米時根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻，如圖3—11所示。圖3—11 DHT11與MCU的連接 信號分析與處理本系統(tǒng)的單片機型號選擇STC89C52芯片。STC89C52指令代碼完全兼容8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，本系統(tǒng)中，選擇STC89C52單片機為該系統(tǒng)的總控芯片，STC89C52單片機可把由溫度、濕度檢測電路檢測出的信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示模塊，實現(xiàn)溫度、濕度、光照度的顯示；通過鍵盤設定報警值，超過溫度、濕度、光照度上下限，蜂鳴器實現(xiàn)報警。 單片機最小系統(tǒng)單片機系統(tǒng)的擴展是以基本最小系統(tǒng)為基礎的[9]，故應首先熟悉應用應用系統(tǒng)的結構。單片機最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復位電路，其電路圖如圖3—12所示。圖3—12 單片機最小系統(tǒng)單片機復位的原理是在時鐘電路開始工作后，在單片機的RST引腳施加24個時鐘振蕩脈沖（即兩個機器周期）以上的高電平，單片機便可以實現(xiàn)復位。在復位期間，單片機的ALE引腳和\P\S\E\N引腳均輸出高電平。當RST引腳從高電平跳變?yōu)榈碗娖胶?，單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實際應用中，一般采用既可以手動復位，又可以上電復位的電路，這樣可以人工復位單片機系統(tǒng)，這種電路如圖3—13復位部分所示。上電復位電路部分的原理也是RC電路的充放電效應。除了系統(tǒng)上電的時候可以給RST引腳一個短暫的高電平信號外，當按下按鍵開關的時候，VCC通過一個高電阻連接到RST引腳，給RST一個高電平，按鍵松開的時候，RST引腳恢復為低電平，復位完成。產(chǎn)生復位信號的電路邏輯如圖3—13所示圖3—13 復位信號的電路時鐘電路是用于產(chǎn)生單片機正常工作時所需要的時鐘信號，STC89C52單片機內部包含有一個振蕩器，可以用于CPU的時鐘源。另外也可以采用外部振蕩器，由外部振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號來供內部CPU運行使用。(1)內部時鐘模式內部時鐘模式是采用單片機內部振蕩器來工作的模式。如圖3—14（a）所示，51系列單片機內部包含有一個高增益的單級反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別為片內放大器的輸入端口和輸出端口,其工作頻率為0~33MHz。當單片機工作于內部時鐘模式的時候，只需在XTAL1引腳和XTAL2引腳連接一個晶體振蕩器或陶瓷振蕩器，并聯(lián)兩個電容后接地即可，如圖36所示。使用時對于電容的選擇有一定得要求，具體如下：A 當外接晶體振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=30177。10pF；B 當外接陶瓷振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=40177。10pF。在實際電路設計時，盡量保證外接的振蕩器和電容盡可能接近單片機的XTAL1和XTAL2引腳，這樣可以減少寄生電容的影響，使振蕩器能夠穩(wěn)定可靠地為單片機CPU提供時鐘信號。(2)外部時鐘模式外部時鐘模式是采用外部振蕩器產(chǎn)生時鐘信號，直接提供給單片機使用。如圖3—14（b）所示，對于不同的結構的單片機，外部時鐘信號接入的方式有所不同。對于普通的8051單片機，外部時鐘信號由XTAL2引腳接入后直接送到單片機內部的時鐘信號發(fā)生器，而引腳XTAL1則應直接接地。這里需要注意，由于XTAL2引腳的邏輯電平不是TTL信號，因此外接一個上拉電阻[10]。對于CMOS型的80C51,80C52,AT89S52等單片機，和普通的8051不同的是