【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 820 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(xiàn)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(chǔ)用戶(hù)設(shè)定的溫度上下限值的 TH和 TL 觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、 8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC）發(fā)生器等七部分 。 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 有 4 個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件： （ 1） 光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠(chǎng)前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是：開(kāi)始 8 位（ 28H）是產(chǎn)品類(lèi)型標(biāo)號(hào)，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM的作用是使每一 DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線(xiàn)上掛接多個(gè) DS18B20 的目的。 （ 2） DS18B20 中的溫度傳感器可完成 對(duì)溫度的測(cè)量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16 位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位。 其中 DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端 ； GND 為電源地 ； VDD 為外接供電電源輸入端 (采用寄生電源供電方式時(shí)接地 )。 （ 3） DS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器 ： DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存 RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的 EEPRAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、 TL和結(jié)構(gòu)寄存器。 （ 4） 配置寄存器 DS18B20 工作方式： 11 DS18B20采用單總線(xiàn)工作方式，由于所有信 號(hào) (控制和數(shù)據(jù) )都通過(guò)單總線(xiàn)傳輸，因此總線(xiàn)的時(shí)序邏輯必須非常嚴(yán)格，其工作時(shí)序如圖 ： 圖 DS18B20工作時(shí)序圖 DS18B20 測(cè)溫原理： DS18B20 的測(cè)溫原理如圖 所示，圖中低溫度系數(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(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器 2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)， DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)， 進(jìn)而完成溫度測(cè)量 .計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將 55 ℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在 55 ℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。 12 減法計(jì)數(shù)器 1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)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(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)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)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫圖 2中的斜率累加器 用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線(xiàn)性其輸出用，于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值，這就是 DS18B20 的測(cè)溫原理。 斜 率 累 加 器計(jì) 數(shù) 器 1比 較預(yù) 置低 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器= 0 溫 度 寄 存 器預(yù) 置高 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器T x計(jì) 數(shù) 器 2= 0T 1T 2加 1停 止 圖 DS18B20 測(cè)溫原理圖 第三節(jié) 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的測(cè)試工作，由煙霧傳感數(shù)據(jù)采集程序、溫度采集程序、聲光報(bào)警程序等三個(gè)部分組成。其中，煙霧傳感數(shù)據(jù)采集程序完成對(duì)煙霧濃度的采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；溫度采集程序顯示對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度進(jìn)行采集；報(bào)警程序設(shè)置報(bào)警的下限，當(dāng)外 界指標(biāo)超出限制時(shí)，將進(jìn)行聲光報(bào)警。圖？？系統(tǒng)軟件部分主程序流程圖。 13 第四節(jié) 本章小結(jié) 本章主要描述了系統(tǒng)軟硬件的整體設(shè)計(jì)思路，并給出了系統(tǒng)框圖和流程圖。在硬件部分給出了部分元器件的選型并對(duì)主要元器件 AT89S52 和 DS18B20等的引腳和功能進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 14 第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 第一節(jié) 硬件設(shè)計(jì) 一、 AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 單片機(jī)最小系統(tǒng)概述及原理圖 51 系列單片機(jī)最小系統(tǒng)包含 51 單片機(jī)芯片，復(fù)位電路和振蕩電路三個(gè)部分，本設(shè)計(jì)采用 AT89S52 單片機(jī)芯片， 芯片有 40 腳，包 含 32 位 I/O口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器， 2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。 時(shí)鐘電路通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘源提供時(shí)鐘，外部只需要接一個(gè)振蕩電路，振蕩電路中晶振是 12MHZ。復(fù)位電路電路采用按鍵復(fù)位方式，當(dāng)單片機(jī)復(fù)位引腳檢測(cè)到至少 24 個(gè)時(shí)鐘周期的高電平的時(shí)候會(huì)自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)重新啟動(dòng)。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖 所示。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 復(fù)位電路 單片機(jī)復(fù)位電路是指單片機(jī)的初始化操作 。單片機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都需要先 15 復(fù)位，其作用是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)。 （ 1） 復(fù)位電路的功能： 系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷(xiāo)復(fù)位信號(hào)。本系統(tǒng)采用的是開(kāi)關(guān)復(fù)位形式。開(kāi)關(guān)復(fù)位可以在電源接通后，單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，并且在單片機(jī)運(yùn)行期間，用開(kāi)關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。上電后，由于電容的充電和反相門(mén)的作用，使 RST 持續(xù)一段時(shí)間的高電平。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行 當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵 K 后松開(kāi)，也能使 RST 為一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位的操作，復(fù)位電路如圖 圖？？ 晶振原理 晶振是為電路提供頻率基準(zhǔn)的元器件，通常分成有源晶振和無(wú)源晶振兩個(gè)大類(lèi)，無(wú)源晶振需要芯片內(nèi)部有振蕩器，并且晶振的信號(hào)電壓根據(jù)起振電路而定，允許不同的電壓，但無(wú)源晶振通常信號(hào)質(zhì)量和精度較差，需要精確匹配外圍電路（電感、電容、電阻等），如需更換晶振時(shí)要同時(shí)更換外圍的電路。有源晶振不需要芯片的內(nèi)部振蕩器，可以提供高精度的頻率基準(zhǔn)，信號(hào)質(zhì)量也較無(wú)源晶振要好。因價(jià)格等因素， 實(shí)際應(yīng)用中多采用無(wú)源晶振設(shè)計(jì)的電路居多，本系統(tǒng)也采用的是無(wú)源晶振。如圖 ？？ 所示就有一個(gè)頻率為 12M 的晶振，匹配電容是兩個(gè) 30P 的瓷片電容，使單片機(jī)正常工作。 16 圖？？ 二、 溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)： DS18B20 的電源供電方式有兩種： 外部供電方式和寄生電源方式。本設(shè)計(jì)中采用前者作為 DS18B20 的電源供電方式， 把 DS18B20 的數(shù)據(jù)線(xiàn)與單片機(jī)的13 管腳連接 ,再加上上拉電阻。 DS18B20 與芯片連接電路如圖 所示。 圖 DS18B20 與芯片連接圖 三、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 A/D 轉(zhuǎn)換器 的功能是將模擬量電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 在本設(shè)計(jì)中，我采用了 ADC0809 轉(zhuǎn)換器，它可以將多路轉(zhuǎn)換器輸入的模擬量進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，所以省略了多路開(kāi)關(guān)。 由于控制系統(tǒng)是對(duì)溫度和煙的濃度進(jìn)行檢測(cè)，相當(dāng)于 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái)說(shuō)信號(hào)變化很慢，所以采樣保持器（保持在 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)輸入的模擬信號(hào)不變）也可以省去。因此，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò) 17 放大后可以直接進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器。 A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) (1) 分辨率： 是指 A/D 轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。 (2) 轉(zhuǎn)換時(shí)間： 指從輸入啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)開(kāi)始到轉(zhuǎn)換結(jié)束， 得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出量為止的時(shí)間其他參數(shù)與 D/A 轉(zhuǎn)換器類(lèi)似。 A/D轉(zhuǎn)換器與 CPU的接口方法 (1) ADC 轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)三態(tài)緩沖器件與 CPU 數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連接（在芯片內(nèi)部設(shè)有三態(tài)輸出緩沖器）； (2) 為了輸入正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須解決好 A/D 轉(zhuǎn)換器和 CPU 取數(shù)之間的時(shí)間配合問(wèn)題。 (3) 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)（ START）：是由 CPU 提供給 ADC 芯片的，在正脈沖的下降沿轉(zhuǎn)換開(kāi)始； (4) 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)（ EOC）：一旦啟動(dòng)轉(zhuǎn)換， EOC 立即變低，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC 輸出高電平，通知 CPU 轉(zhuǎn)換已結(jié)束 ； (5) 允許輸出信號(hào)（ OE）： ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在輸出鎖存器中，并沒(méi)有送入數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。 CPU 取數(shù)時(shí)，發(fā)出 OE信號(hào)選通芯片內(nèi)部三態(tài)輸出緩沖器將數(shù)據(jù)輸出。 A/D轉(zhuǎn)換器與 CPU之間傳送數(shù)據(jù)的方法 (1) 延時(shí)等待法 延時(shí)法是利用 CPU 執(zhí)行一條輸出指令，啟動(dòng) ADC 轉(zhuǎn)換，然后 CPU 執(zhí)行延時(shí)程序，延時(shí)時(shí)間大于所選用的 ADC 芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間，延時(shí)結(jié)束， CPU 執(zhí)行輸入指令，打開(kāi)三態(tài)門(mén)獲取 ADC 轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。 (2) 查詢(xún)法 查詢(xún)法是由 CPU 來(lái)檢查 EOC 信號(hào)。當(dāng) CPU 啟動(dòng) ADC 芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換之 后，再通過(guò)狀態(tài)端口讀取 EOC 信號(hào)，檢查 ADC 是否轉(zhuǎn)換結(jié)束。若轉(zhuǎn)換結(jié)束，則讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，否則繼續(xù)查詢(xún)。 (3) 中斷法 用中斷法可提高 CPU 的利用率，當(dāng) ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束，由 EOC 信號(hào)上升沿通過(guò)8255A 中斷控制邏輯向 CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)求， CPU 響應(yīng)中斷在服務(wù)程序中讀取結(jié)果。 A/D轉(zhuǎn)換芯 片 ADC0809及其接口 18 (1) 主要性能： ① 8 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，所有引腳的邏輯電平與 TTL 兼容； ②帶有鎖存功能的 8路模擬量轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，可對(duì) 8路 05V 模擬量進(jìn)行分時(shí) 轉(zhuǎn)換； ③輸出具有三態(tài)鎖存 /緩沖功能； ④分 辨率： 8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間： 100us； ⑤不可調(diào)誤差：177。 1LSB，功耗： 15mW； ⑥工作電壓： +5V，參考電壓標(biāo)準(zhǔn)值 +5V； ⑦片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘，一般需外加 640KHz 以下且不低于 100KHz 的時(shí)鐘信號(hào)。 (2) ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 有模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和 A/D 轉(zhuǎn)換兩大部分組成。模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由 8路模擬開(kāi)關(guān)和 3位地址鎖存與譯碼器組成，地址鎖存允許信號(hào) ALE 將三位地址信號(hào) ADDC、 ADDB 和 ADDA 進(jìn)行鎖存，然后由譯碼電路選通其中一路摸擬信號(hào)加到A/D 轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 A/D 轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次逼近寄 存器 SAR、 256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)、控制與時(shí)序電路等，另外具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，其輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)可直接連 CPU 的 DB。具體見(jiàn)下圖？？ 圖？？ ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) （ 3） ADC0809 的引腳功能：