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正文內(nèi)容

基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)和數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與研究整理版(編輯修改稿)

2024-12-18 14:56 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 8B20 出廠時(shí)被設(shè)置為 12 位) 表 3 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表 R1 R0 分辨率 /位 溫度最大轉(zhuǎn) 換 時(shí)間 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 1 1 12 750 溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL,可通過軟件寫入戶報(bào)警上下限。高速暫存 RAM 為 8 字節(jié)的存儲器,結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。 圖 3 DS18B20 字節(jié)定義 當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后,開始啟動轉(zhuǎn)換。單片機(jī)通過單線接口讀出該數(shù)據(jù),讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在 前 ,高位在后,數(shù)據(jù)格式以 ℃ / LSB 形式表示。當(dāng)符號位S= 0 時(shí),表示測得的溫度值為正值,可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制;當(dāng)符號位 S= 1 時(shí),表示測得的溫度值為負(fù)值,要先將補(bǔ)碼變成原碼,再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值。表 4 是一部分溫度值對應(yīng)的二進(jìn)制 溫度數(shù)據(jù)。 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 表 4 一部分溫度對應(yīng)值表 溫度 /℃ 二進(jìn)制表示 十六進(jìn)制表示 +125 0000 0111 1101 0000 07D0H +85 0000 0101 0101 0000 0550H + 0000 0001 1001 0000 0191H + 0000 0000 1010 0001 00A2H + 0000 0000 0000 0010 0008H 0 0000 0000 0000 1000 0000H 1111 1111 1111 0000 FFF8H 1111 1111 0101 1110 FF5EH 1111 1110 0110 1111 FE6FH 55 1111 1100 1001 0000 FC90H DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后,把測得的溫度值與 RAM 中的 TH、 TL內(nèi)容作比較。若T> TH 或 T< TL,則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位,并響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令。 .3 DS18B20 測溫原理 圖 4 中低溫度系數(shù)晶振 的振蕩頻率受溫度的影響很小,用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計(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)生的信號作為減法計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。圖中還隱藏著計(jì)數(shù)門,當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí), DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),進(jìn)而完成溫度測量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定,每次測量前,首先將- 55℃ 所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器中,計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在- 55℃ 所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 圖 4 DS18B20 測溫原理 圖 減法計(jì)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(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 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2 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)值就是所測溫度值。圖4 中的斜率累加器的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)上述過程,直到溫度寄存器值大致被測溫度值。 由于 DS18B20 單線通信功能是分時(shí)完成的,它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念,因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng) 對 DS18B20 的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為:初使化 DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖) → 發(fā) ROM 功能命令 → 發(fā)存儲器操作命令 → 處理數(shù)據(jù)。 DS18B20 引腳定義 及其指令集 DS18B20 引腳定義 : (1)DQ 為數(shù)字信號輸入 /輸出端; (2)GND 為電源地; (3)VDD 為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時(shí)接地)。 DS18B20 引腳 封裝如圖 5: JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 圖 5 DS18B20 引腳封裝 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議,主機(jī)(單片機(jī))控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟:每一次讀寫之 前都要對 DS18B20 進(jìn)行 復(fù)位操作,復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM 指令,最后發(fā)送 RAM 指令,這樣才能對 DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒,然后 釋放,當(dāng) DS18B20 收到信號后等待 16~ 60 微秒左右,后發(fā)出 60~ 240 微秒的存在低脈沖,主 CPU收到此信號表示復(fù)位成功。 以下 DS18B20的主要指令。 DS18B20 指令表: 表 5 ROM 指令表 指 令 約定代碼 功 能 讀 ROM 33H 讀 DS1820 溫度傳感器 ROM 中的編碼(即 64 位地址) 符合 ROM 55H 發(fā)出此命令之后,接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼,訪問單總線上與該編碼相對應(yīng)的 DS1820 使之作出響應(yīng),為下一步對該 DS1820 的讀寫作準(zhǔn)備。 搜索 ROM 0FOH 用于確定掛接在同一總線上 DS1820 的個(gè)數(shù)和識別 64 位 ROM 地址。為操作各器件作好準(zhǔn)備。 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 跳過 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址,直接向 DS1820 發(fā)溫度變換命令。適用于單片工作。 告警搜索命令 0ECH 執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)。 表 6 RAM 指令表 指 令 約定代碼 功 能 溫度變換 44H 啟動 DS1820 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換, 12 位轉(zhuǎn)換時(shí)最長為 750ms( 9 )。結(jié)果存入內(nèi)部 9 字節(jié) RAM 中。 讀暫存器 0BEH 讀內(nèi)部 RAM 中 9 字節(jié)的內(nèi)容 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內(nèi)部 RAM 的 4 字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令,緊跟該命令之后,是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。 復(fù)制暫存器 48H 將 RAM 中第 3 、 4 字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到 EEPROM 中。 重調(diào) EEPROM 0B8H 將 EEPROM 中內(nèi)容恢復(fù)到 RAM 中的第 3 、 4 字節(jié)。 讀供電方式 0B4H 讀 DS1820 的供電模式。寄生供電時(shí) DS1820 發(fā)送 “ 0 ”,外接電源供電 DS1820 發(fā)送 “ 1 ”。 DS1820 使用中注意事項(xiàng) DS1820 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(diǎn),但JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題: 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 DS1820 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送,因此 ,在對 DS1820 進(jìn)行讀寫編程時(shí),必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序,否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用 PL/M、 C 等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí),對 DS1820 操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。 在 DS1820 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數(shù)量問題,容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè) DS1820,在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛 DS1820 超過 8個(gè)時(shí),就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題,這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí) 要加以注意。 連接 DS1820 的 總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中,當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時(shí),讀取的 測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí),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(shí),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 DS1820 進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考 慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 在 DS1820 測溫程序設(shè)計(jì)中,向 DS1820 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后,程序總要等待 DS1820的返回信號,一旦 某個(gè) DS1820 接觸不好或斷線, 當(dāng)程序讀該 DS1820 時(shí),將沒有返回信號,程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予 一定的重視。 測溫電纜線建議采用屏蔽 4 芯雙絞線,其中一對線接地線與信號線,另一組接VCC 和地線,屏蔽層在源端單點(diǎn)接地 。 DS1302 時(shí)鐘芯片 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時(shí)采樣或定時(shí)采樣,沒有具體的時(shí)間記錄,因此只能記錄數(shù)據(jù)而無法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)的時(shí)間。低功耗時(shí)鐘芯片 DS1302 可以對年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí),且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。 同時(shí)可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能,并且可以 關(guān)閉充電功能。 DS1302 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 6 所示。 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 圖 6 DS1302 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 引腳功能及結(jié)構(gòu) DS1302 的引腳排列 ,其中 Vcc1 為后備電源, VCC2 為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下,也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 兩者中的較大者供電。當(dāng) Vcc2 大于 Vcc1+ 時(shí), Vcc2 給 DS1302 供電。當(dāng) Vcc2 小于 Vcc1 時(shí), DS1302 由 Vcc1 供電。X1 和 X2 是振蕩源,外接 晶振。 RST 是復(fù)位 /片選線,通過把 RST 輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。 RST 輸入有兩種功能:首先, RST 接通控制邏輯,允許地址 /命令序列送入移位寄存器;其次, RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng) RST 為高電平時(shí),所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化,允許對 DS1302 進(jìn)行操作。如果在傳送過程中 RST 置為低電平,則會終止此次數(shù)據(jù)傳送, I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí),在 Vcc≥ 之前, RST 必須保持低電平。只有在 SCLK 為低電平時(shí),才能將 RST置為高電平。 I/O 為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 (雙向 ), SCLK 始終是輸入 端。 DS1302 的工作原理 DS1302 工作時(shí)為了對任何數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行初始化,需要將復(fù)位腳( RST)置為高電平且將 8 位地址和命令信息裝入移位寄存器。數(shù)據(jù)在時(shí)鐘( SCLK)的上升沿串行輸入,前8 位指定訪問地址,命令字裝入移位寄存器后,在之后的時(shí)鐘周期,讀操作時(shí)輸出數(shù)據(jù),寫操作時(shí)輸出數(shù)據(jù)。時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)在單字節(jié)方式下為 8+8( 8 位地址 +8 位數(shù)據(jù)),在多字節(jié)方式下為 8 加最多可達(dá) 248 的數(shù)據(jù)。 DS1302 的寄存器和控制命令 對 DS1302 的操作就是對其內(nèi)部寄存器的操作, DS1302 內(nèi)部共有 12 個(gè)寄存器,其中有 7 個(gè) 寄存器與日歷、時(shí)鐘相關(guān),存放的數(shù)據(jù)位為 BCD 碼形式。此外, DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時(shí)鐘突發(fā)寄存器及與 RAM 相關(guān)的寄存器等。時(shí)鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器以外的寄存器。日歷、時(shí)間寄存器及控制字如表 1 所示: 表 7 日歷、時(shí)鐘寄存器與控制字對照表 寄存器名稱 7 6 5 4 3 2 1 0 1 RAM/CK A4 A3 A2 A1 A0 RD/W 秒寄存器 1 0 0 0 0 0 0 分寄存器 1 0 0 0 0 0 1 小時(shí)寄存器 1 0 0 0 0 1 0 日寄存器 1 0 0 0 0 1 1 月寄存器 1 0 0 0 1 0 0 JKDFHJDSHFJKHSDJKFH DDK SLFHALDSFJ DSHF JDSHFKLDHFKDSH FJHDSAF JDSHFL DSHFLK ASHLFDSJK 星期寄存器 1 0 0 0 1 0 1 年寄存器 1 0 0 0 1 1 0 寫保護(hù)寄存器 1 0 0 0 1 1 1 慢充電寄存器 1 0 0 1 0 0 0 時(shí)鐘突發(fā)寄存器 1 0 1 1 1 1 1 最后一位 RD/W 為 “0”時(shí)表示進(jìn)行寫操作,為 “1”時(shí)表示讀操作。 DS1302 內(nèi)部寄存器列表如表
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