【文章內(nèi)容簡介】 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 。 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 有 4 個主要的數(shù)據(jù)部件： （ 1） 光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（ 28H）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（ CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM的作用是使每一 DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的。 （ 2） DS18B20 中的溫度傳感器可完成 對溫度的測量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16 位符號擴展的二進(jìn)制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號位。 其中 DQ 為數(shù)字信號輸入 /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接地 )。 （ 3） DS18B20溫度傳感器的存儲器 ： DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM和一個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采用單總線工作方式，由于所有信 號 (控制和數(shù)據(jù) )都通過單總線傳輸，因此總線的時序邏輯必須非常嚴(yán)格，其工作時序如圖 ： 圖 DS18B20工作時序圖 DS18B20 測溫原理： DS18B20 的測溫原理如圖 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送給減法計數(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)生的信號作為減法計數(shù)器 2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進(jìn)行計數(shù)， 進(jìn)而完成溫度測量 .計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55 ℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 1和溫度寄存器中，減法計數(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。 12 減法計數(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)減法計數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0時溫度寄存器的值將加 1，減法計數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入 ,減法計數(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)直到減法計數(shù)器 2計數(shù)到 0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫圖 2中的斜率累加器 用于補償和修正測溫過程中的非線性其輸出用，于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值，這就是 DS18B20 的測溫原理。 斜 率 累 加 器計 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 數(shù) 器 2= 0T 1T 2加 1停 止 圖 DS18B20 測溫原理圖 第三節(jié) 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計 系統(tǒng)軟件部分主要實現(xiàn)對火災(zāi)報警系統(tǒng)的測試工作，由煙霧傳感數(shù)據(jù)采集程序、溫度采集程序、聲光報警程序等三個部分組成。其中，煙霧傳感數(shù)據(jù)采集程序完成對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現(xiàn)場的溫度進(jìn)行采集；報警程序設(shè)置報警的下限，當(dāng)外 界指標(biāo)超出限制時，將進(jìn)行聲光報警。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)計實現(xiàn) 第一節(jié) 硬件設(shè)計 一、 AT89S52 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計： 單片機最小系統(tǒng)概述及原理圖 51 系列單片機最小系統(tǒng)包含 51 單片機芯片，復(fù)位電路和振蕩電路三個部分，本設(shè)計采用 AT89S52 單片機芯片， 芯片有 40 腳，包 含 32 位 I/O口線，看門狗定時器， 2個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。 時鐘電路通過內(nèi)部時鐘源提供時鐘，外部只需要接一個振蕩電路，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)單片機復(fù)位引腳檢測到至少 24 個時鐘周期的高電平的時候會自動復(fù)位系統(tǒng)，系統(tǒng)會重新啟動。 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計圖如圖 所示。 圖 單片機最小系統(tǒng)圖 復(fù)位電路 單片機復(fù)位電路是指單片機的初始化操作 。單片機啟動運行時，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確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實現(xiàn)。 （ 1） 復(fù)位電路的功能： 系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。本系統(tǒng)采用的是開關(guān)復(fù)位形式。開關(guān)復(fù)位可以在電源接通后，單片機自動復(fù)位，并且在單片機運行期間，用開關(guān)操作也能使單片機復(fù)位。上電后，由于電容的充電和反相門的作用，使 RST 持續(xù)一段時間的高電平。當(dāng)單片機已在運行 當(dāng)中時，按下復(fù)位鍵 K 后松開，也能使 RST 為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關(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源晶振兩個大類，無源晶振需要芯片內(nèi)部有振蕩器，并且晶振的信號電壓根據(jù)起振電路而定，允許不同的電壓，但無源晶振通常信號質(zhì)量和精度較差，需要精確匹配外圍電路（電感、電容、電阻等），如需更換晶振時要同時更換外圍的電路。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)，信號質(zhì)量也較無源晶振要好。因價格等因素， 實際應(yīng)用中多采用無源晶振設(shè)計的電路居多，本系統(tǒng)也采用的是無源晶振。如圖 ？？ 所示就有一個頻率為 12M 的晶振，匹配電容是兩個 30P 的瓷片電容，使單片機正常工作。 16 圖？？ 二、 溫度采集系統(tǒng)設(shè)計： 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)計中采用前者作為 DS18B20 的電源供電方式， 把 DS18B20 的數(shù)據(jù)線與單片機的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轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 在本設(shè)計中，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，所以省略了多路開關(guān)。 由于控制系統(tǒng)是對溫度和煙的濃度進(jìn)行檢測，相當(dāng)于 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間來說信號變化很慢，所以采樣保持器（保持在 A/D 轉(zhuǎn)換時間內(nèi)輸入的模擬信號不變）也可以省去。因此，模擬信號經(jīng)過 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)換時間： 指從輸入啟動轉(zhuǎn)換信號開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束， 得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出量為止的時間其他參數(shù)與 D/A 轉(zhuǎn)換器類似。 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)過三態(tài)緩沖器件與 CPU 數(shù)據(jù)總線相連接（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)之間的時間配合問題。 (3) 啟動轉(zhuǎn)換信號（ START）：是由 CPU 提供給 ADC 芯片的，在正脈沖的下降沿轉(zhuǎn)換開始； (4) 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號（ EOC）：一旦啟動轉(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（ OE）： ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在輸出鎖存器中，并沒有送入數(shù)據(jù)總線上。 CPU 取數(shù)時，發(fā)出 OE信號選通芯片內(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) 延時等待法 延時法是利用 CPU 執(zhí)行一條輸出指令，啟動 ADC 轉(zhuǎn)換，然后 CPU 執(zhí)行延時程序，延時時間大于所選用的 ADC 芯片轉(zhuǎn)換時間，延時結(jié)束， CPU 執(zhí)行輸入指令，打開三態(tài)門獲取 ADC 轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。 (2) 查詢法 查詢法是由 CPU 來檢查 EOC 信號。當(dāng) CPU 啟動 ADC 芯片開始轉(zhuǎn)換之 后，再通過狀態(tài)端口讀取 EOC 信號，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。 (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 信號上升沿通過8255A 中斷控制邏輯向 CPU 發(fā)出中斷請求， 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)換開關(guān)，可對 8路 05V 模擬量進(jìn)行分時 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)無時鐘，一般需外加 640KHz 以下且不低于 100KHz 的時鐘信號。 (2) ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 有模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和 A/D 轉(zhuǎn)換兩大部分組成。模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)由 8路模擬開關(guān)和 3位地址鎖存與譯碼器組成，地址鎖存允許信號 ALE 將三位地址信號 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)、樹狀電子開關(guān)、控制與時序電路等，另外具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，其輸出數(shù)據(jù)線可直接連 CPU 的 DB。具體見下圖？？ 圖？？ ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) （ 3） ADC0809 的引腳功能：