【文章內(nèi)容簡介】 于其微小的體積和極低的成本，廣泛應(yīng)用于家用電器、機器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動化設(shè)備以及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。因 此，單片機的出現(xiàn)大大促進了現(xiàn)代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，成為近代計算機技術(shù)發(fā)展史上一個重要里程碑[2]。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 由于 MCS 系列單片機集成了幾乎完善的中央處理單元，處理功能強，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，這給我們利用單片機提供了極大的便利。單片機把微型計算機的主要部件都集成在一塊芯片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，運行速度更快，可靠性更高，抗干擾能力更強。由于屬于芯片化的微型計算機，各功能部件在芯片中的布局和結(jié)構(gòu)達到最優(yōu)化，工作也相對穩(wěn)定。 51 的優(yōu)點是價錢便宜 ， I/O 口多 ， 程序空間大。因此，測控系統(tǒng)中，使用 51 單片機是最理想的選擇。單片機屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。單片機的開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，開發(fā)工具和語言也大大簡化。單片機的典型代表是 Intel公司在 20 世紀(jì) 80 年代初研制出來的 MCS51系列單片機。 MCS51 單片機很快在我國得到廣泛的推廣應(yīng)用，成為電子系統(tǒng)中最普遍的應(yīng)用手段，并在工業(yè)控制、交通運輸、家用電器、儀器儀表等領(lǐng)域取得了大量應(yīng)用成果 [3]。 以 MCS51 技術(shù)核心為主導(dǎo)的單片機已成為許多廠家、電氣公司競相選用的對象，并以此為基核，推出許多與 MCS51 有極好 兼容性的 CMOS 單片機，同時增加了一些新的功能 。這其中就包括 AT89S51 單片機。 AT89S51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位 單片機 ，片內(nèi)含 4k Bytes ISP 的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀 程序存儲器 ， 器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng) 及 80C51 引腳 結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位 中央處理器 和 ISP Flash 存儲單元 。 AT89S51 已經(jīng) 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 AT89S51 單片機還具有易于學(xué)習(xí)、成本低、性能強 大等優(yōu)勢， 能對內(nèi)部眾多 I/O 端口連接外圍設(shè)備進行精確操控， 具有強大的工控能力 。 綜上所述，選用 AT89S51 單片機 。 二、顯示器的選擇 顯示器選用 LED。 LED 顯示器是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機的應(yīng)用上也是被廣泛運用的。如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用 LED 數(shù)碼管是一種較好的選擇。 LED 數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。 LED 數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型 顯示器件，它是由若干個發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)亮，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符，常用的 LED 數(shù)碼管有 7 段和 “米 ”字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽極接在一起，通常此共陽極接正電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應(yīng)的段被顯示。本次設(shè)計所用的 LED 數(shù)碼管顯示器 為共陽極。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 LED 數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)材料不同正向壓降一般為 ～ 2V，額定電流為 10MA，最大電流為 40MA。靜態(tài)顯示時取 10MA 為宜，動態(tài)掃描顯示可加大脈沖電流，但一般不超過 40MA。 三、溫度傳感器的選擇 智能溫度傳感器 (亦稱數(shù)字溫度傳感器 )是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。目前，已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器 (或寄存器 )和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器 (CPU)、隨機存取存 儲器 (RAM)和只讀存儲器 (ROM)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器 (MCU)。 智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線 (1WIRE)總線、I2C 總線、 SMBUS 總線和 SPI 總線。溫度傳感器作為從機可通過專用總線接口與主機進行通信。智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的 [4]。典型產(chǎn)品有 DS18B20，智能溫度控制器適配各種微控制器 ， 構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng) 。它們還可以脫離微控制器單獨工作 ， 自行構(gòu)成一個溫控儀。 DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器 ， 具有 3 引腳 TO－ 92 小體積封裝形式 。溫度測量范圍為－ 55℃～＋ 125℃ ， 可編程為 9 位～ 12位 A/D 轉(zhuǎn)換精度 ， 測溫分辨率可達 ℃ ， 被測溫度用符號擴展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生 。多個 DS18B20 可以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上， CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信 ， 占用微處理器的端口較少 ， 可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。同 DS1820 一樣， DS18B20 也 支持 “ 一線總線 ”接口，測量溫度范圍為 55℃ ~+125℃，在 10℃ ~+85℃范圍內(nèi) ， 精度為 ℃。 DS18B20的精度較差為 177。 ℃ ?，F(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。如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持 3V~ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。 DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 是世界上第一片支持 “一線總線 ”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建 傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念?，F(xiàn)在，新一代的 DS1820 體積更小、更經(jīng)濟、更靈活，使您可以充分發(fā)揮 “一線總線 ”的長處。 由于 DS18B20 將溫度傳感器、信號放大調(diào)理、 A/D 轉(zhuǎn)換、接口全部集成于一芯片，與單片機連接簡單、方便，與 AD590 相比是更新一代的溫度傳感器，所以溫度傳感器采用重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 DS18B20。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第三節(jié) 溫度傳感器 DS18B20 的簡介 一、 DS18B20 的特點 ①獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； ②多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； ③無須外部器件 ； ④可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 ～ ； ⑤零待機功耗； ⑥溫度以 3 位數(shù)字顯示； ⑦用戶可定義報警設(shè)置； ⑧報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； ⑨負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作 [5]。 二、 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 采用 3 腳 PR－ 35 封裝，如圖 所示 ； 引腳說明：地數(shù)據(jù)線可選 圖 DS18B20 封裝 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： ① 64 位光刻 ROM。 開始 8 位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有 48 位，最后 8 位是前 56 位的 CRC 校驗碼，這也是多個 DS18B20 可以采用一線進行通信的原因 。 64 位 閃速 ROM 的結(jié)構(gòu)如下 ： 表 ROM 結(jié)構(gòu) 8b 檢驗 CRC 48b 序列號 8b 工廠代碼（ 10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 內(nèi)部電源探測位和單線端口位產(chǎn)生器暫存器下限觸發(fā)上限觸發(fā)溫度傳感器存儲器和控制邏輯 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ② 非揮發(fā)的溫度報警 觸發(fā)器 TH 和 TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限值。 ③ 高速暫存 器，可以設(shè)置 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的精度。 ④溫度傳感器， DS18B20 的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 E2PRAM。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為 8 字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如表 所示。頭 2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第 3 和第 4 字節(jié) TH 和 TL 的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第 5 個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20 工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。低 5 位一直為 1， TM 是工作模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式。 表 DS18B20 內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu) Byte0 溫度測量值 LSB（ 50H） Byte1 溫度測量值 MSB（ 50H） E2PROM Byte2 TH 高溫寄存器 ?? TH 高溫寄存器 Byte3 TL 低溫寄存器 ?? TL 低溫寄存器 Byte4 配位寄存器 ?? 配位寄存器 Byte5 預(yù)留（ FFH） Byte6 預(yù)留（ 0CH） Byte7 預(yù)留（ IOH） Byte8 循環(huán)冗余碼校 驗（ CRC） 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 三、 DS18B20 的工作原理 （一） DS18B20 的工作時序 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟： ① 每一次讀寫之前都 必須 要對 DS18B20 進行復(fù)位 ； ② 復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令 ； ③ 最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行預(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， DS18B20 收到信號后等待 15～60 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 [5]。 其工作時序包括初始化時序 、寫時序和讀時序，具體工作方法如圖 ， ， 所示。 （ 1）初始化時序 初始化時序的具體工作方法如圖 所示： 響應(yīng)脈沖60~24 0等待15 60主機 最小48 0主機復(fù)位脈沖最小480 US 圖 初始化時序 總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機響應(yīng)應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖使主機知道，總線上有從機設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。主機輸出低電平，保持低電平時間至少 480us，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著主機釋放總線， 上拉電阻將總線拉高，延時 15～ 60us，并進入接受模式，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時 480us。 （ 2）寫時序 寫時序的具體工作方法如圖 所示： 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 采樣15~ 45采樣15~ 4511主機寫1 時 序主機寫0 時 序 圖 寫時序 寫時序包括寫 0 時序和寫 1 時序。所有寫時序至少需要 60us，且在 2 次獨立的寫時序之間至少需要 1us 的恢復(fù)時間，都是以總線拉低開始。寫 1 時序，主機輸出低電平，延時2us，然后釋放總線，延時 60us。寫 0 時序，主機輸出低電平，延時 60us，然后釋放總線，延時 2us。 （ 3）讀時序 讀時序的具體工作方法如圖 所示： 主機采樣主機采樣454511主機寫1 時 序主機寫0 時 序 圖 讀時序 總線器件僅在主機發(fā)出讀時序時，才向主機傳輸數(shù)據(jù)，所以，在主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便從機能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時序至少需要 60us，且在 2次獨立的讀時序之間至少需要 1us的恢復(fù)時間。每個讀時序都由主機發(fā)起，至少拉低總線 1us。重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 主機在讀時序期間必須釋放總線，并且在時序起始后的 15us之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。主機輸出低電平延時 2us，然后主機轉(zhuǎn)入輸入模式延時 12us，然后讀取總線當(dāng)前電平，然后延時 50us。 （二） DS18B20 的測溫原理 DS18B20 的測 溫原理如 表 所示 ： : 表 ROM 操作命令 指令 約定代碼 功 能 讀 ROM 33H 讀 DS18B20 ROM 中的編碼。 符合ROM 55H 發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單線總線上與該編碼相對應(yīng)的 DS18B20 使之作出響應(yīng)，為下一步對該 DS18B20 的讀寫作準(zhǔn)備。 搜索ROM 0F0H 用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個數(shù)和識別 64位 ROM 地址，為操作各器件作好準(zhǔn)備。 跳過ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 發(fā)溫度變