【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第 6 頁(yè) 共 33 頁(yè) 3 溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力 (如算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理 )的微處理器 (CPU)，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，只讀程序存儲(chǔ)器 (ROM)，輸入輸出電路 (I/O 口 )，可能還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口 (SCI)，顯示驅(qū)動(dòng)電路 (LCD 或 LED 驅(qū)動(dòng)電路 )，脈寬調(diào)制電路 (PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)最小 、 而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。 AT89C51 單片機(jī) AT89C51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)片內(nèi)含 4kBytes ISP 的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS 51 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(chǔ)單元。 AT89C51 具有如下特點(diǎn)： 40 個(gè)引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM), 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出 (I/O)口， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器， 2 個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 單片機(jī)引腳 單 片機(jī)有 4 個(gè) I/0 端口，每個(gè)端口都是 8 位雙向口，共占 32根引腳。每個(gè)端口都包括一個(gè)鎖存器 (即專用寄存器 POP3)、一個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。通常把 4個(gè)端口稱為 POP3(見圖 3)。 在無(wú)片外擴(kuò)展的存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，這 4 個(gè)端口的每一位都可以作為雙向通用I/0 端口使用。在具有片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中， P2 口作為高 8 位地址線， PO 口分時(shí)作為低 8 位地址線和雙向數(shù)據(jù)總線。各自特點(diǎn)如下： (1) PO 口為雙向 8 位三態(tài) I/0 口，它既可作為通用 I/O 口，又可作為外部擴(kuò)展時(shí)的數(shù)據(jù)總線及低 8 位地址總線的分時(shí)復(fù)用口。作為通用 1/0 口時(shí)，輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需外接專用鎖存器 。輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 33 頁(yè) 靠性。每個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 負(fù)載。 (2) PI 口為 8 位準(zhǔn)雙向 1/0 口，內(nèi)部具有上拉電阻，一般作通用 1/0 口使用，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線，作為輸入時(shí)，鎖存器必須置 1。每個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。 (3) P2 口為 8 位準(zhǔn)雙向 1/0 口，內(nèi)部具有上拉電阻，可直接連接外部 1/0 設(shè)備。它與地址總線高 8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。一般作為外部擴(kuò)展時(shí)的高8 位地址總線使用。 (4) P3 口為 8 位準(zhǔn)雙向 1/0 口，內(nèi)部具有上拉電阻，它是雙功能復(fù)用口，每個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。作為通用 1/0 口時(shí)，功能與 P1口相同，常用第二功能。 控制線一共有 6 條 : (1) ALE/PROG :地址鎖存允許 /編程線，配合 PO 口引腳的第二功能使用。在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， 89C51 CPU 在 引腳上輸出片外存儲(chǔ)器低 8 位地址的同時(shí)在 ALE/PROG 上輸出一個(gè)高電位脈沖，用于把這個(gè)片外存儲(chǔ)器低 8 位地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出 引腳線去傳送隨后而來(lái)的片外存儲(chǔ)器讀寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外 存儲(chǔ)器時(shí)， 89C51 自動(dòng)在 ALE/PROG 上輸出頻率為 fosc/6 的脈沖序列。該脈沖序列可用作外部時(shí)鐘源或作為定時(shí)脈沖源使用。 (2) EA/Vpp:允許訪問片外存儲(chǔ)器 /編程電源線，可以控制 89C51 使用片內(nèi)R0M 還是使用片外 R0M。若 EA=0，則允許使用片內(nèi) R0M。若 EA=1 則允許使用片外ROM. (3) PSEN :片外 ROM 選通線，在執(zhí)行訪問片外 R0M 的指令 M0VC 時(shí)， 89C51自動(dòng)在 PSEN 上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，用于為片外 R0M 芯片的選通。其他情況下 PSEN線均為高電平封鎖狀態(tài)。 (4) RST/VPD:復(fù)位 /備用電源線，可以使 89C51 處于復(fù)位工作狀態(tài)。 基于單片機(jī)的溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)探討 第 8 頁(yè) 共 33 頁(yè) 圖 3 AT 89C51 引腳圖 時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)是 單片機(jī)內(nèi)部各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，控制器按照指令的功能產(chǎn)生一系列在時(shí)間上有一定次序的信號(hào)，控制相關(guān)的邏輯電路工作，實(shí)現(xiàn)指令的功能。復(fù)位對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，是程序還沒有開始執(zhí)行，是在做準(zhǔn)備工作。時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路見圖 4。 X T A L 1X T A L 2RE SC13 0 pC23 0 pY1 2 M H ZR11 0 k C31 0 u F 圖 4 時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路 溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 33 頁(yè) 傳感器的基本特性 在監(jiān)控系統(tǒng)中有各種不同的物理量需要監(jiān)測(cè)和控制，這就要求傳感器能感受被測(cè)非電量并將其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有一定函數(shù)關(guān)系的電量。傳感器所測(cè)量的非電量是處在不斷的變化之中，傳感器能否將這些非電量的變化不失真地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，取 決于傳感器的輸入一輸出特性。傳感器這一基本特性可用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)描述。 傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有 :線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。 傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于被測(cè)量不隨時(shí)間變化，測(cè)量和記錄過(guò)程不受時(shí)間限制。而實(shí)際中大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測(cè)量的大小，還要顯示被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律，即被測(cè)量的波形。傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè) 量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過(guò)時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如 :最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。 動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入量隨時(shí)間的變化規(guī)律，即它們具有同一時(shí)間函數(shù)。但是，除了理想情況以外，實(shí)際傳感器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不會(huì)具有相同的時(shí)間函數(shù)，由此引起動(dòng)態(tài)誤差。 DS18B20 簡(jiǎn)介 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器概述 美國(guó) DALLAS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，可以 直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9 位的溫度讀數(shù)。并且多個(gè) DS18B20 可以并接到多個(gè)地址線上與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。由于每一個(gè) DS18B20出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列號(hào)并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用簡(jiǎn)單的通信協(xié)議就可以識(shí)別，從而節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 基于單片機(jī)的溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)探討 第 10 頁(yè) 共 33 頁(yè) 與其它溫度傳感器相比， DS18B20 具有以下特性 : （ 1） 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 （ 2） 先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。 （ 3） 最高 12 位分辨率，精度可達(dá)土 176。C。 （ 4） 12 位分辨率時(shí)的最大工作周期為 750 毫秒。 （ 5） 檢測(cè)溫度范圍為 –55176。C ~+125176。C (–67176。F ~+257176。F) （ 6） 內(nèi)置 EEPROM，限溫報(bào)警功能。 （ 7） 多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。 DS18B20 常用的封裝有 TO92 和 8 引腳的 SOIC 封裝，如圖 5 所示 : 圖 5 DS18B20 的封裝和引腳 對(duì)圖 5中 DS18B20 的引腳功能說(shuō)明如下 : NC:空引腳，不連接外部信號(hào)。 VDD:接電源引腳，電源供電 . GND:接地。 DQ:數(shù)據(jù)的輸入和輸出引腳。 DQ 引腳的 1/O 為數(shù)據(jù)輸入 /輸出端 (即單線總線 )，常態(tài) 下呈高電平。 溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 33 頁(yè) 單線總線技術(shù) 單線總線，即 1wire 技術(shù)是 DS18B20 的一個(gè)特點(diǎn)。該技術(shù)采用單根信號(hào)線，既可傳輸時(shí)鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術(shù)有線路簡(jiǎn)單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。單總線適用于單主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換只通過(guò)一條信號(hào)線。當(dāng)只有一個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)可按單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作 。當(dāng)有多個(gè)從設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)則按多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作。 單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控 制都由這根線完成。主機(jī)或者從機(jī)通過(guò)一個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠釋放總線，而讓其他設(shè)備使用總線，其內(nèi)部等效電路如圖 6 所示。單總線通常要求外接一個(gè)約為 歐的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平。 圖 6 DS18B20 內(nèi)部等效電路圖 DS18B20 的使用方法 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì) AT89S51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來(lái)模擬單總 線的協(xié)議時(shí)序來(lái)完成對(duì) DS18B20 芯片的訪問。由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20 有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義基于單片機(jī)的溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)探討 第 12 頁(yè) 共 33 頁(yè) 了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主 設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 DS18B20 的讀寫時(shí)序 對(duì) DS18B20 的使用，多采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。處理時(shí)，將 DS18B20 信號(hào)線與單片機(jī)一位口線相連，單片機(jī)可掛接多片 DS18B20,從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。 其工作過(guò)程為 :主機(jī)發(fā)出一個(gè)脈沖，待” 0”電平大于 480μ s 后，復(fù)位 DS18B20，在 DS18B20 所發(fā)響應(yīng)脈沖由主機(jī)接收后，主機(jī)再發(fā)讀 ROM 命令代碼 33H，然后發(fā)一個(gè)脈沖 (15μ s)，并接著讀取 DS18B20 序列號(hào)的一位。另外，由于 DS18B20 單線通信功能是分時(shí)完成的，遵循嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此，系統(tǒng)對(duì) DS18B20 和各種操作必須按協(xié)議 進(jìn)行，即初始化 DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖 ) → 發(fā) ROM 功能命令 → 發(fā)存儲(chǔ)器操作命令 → 處理數(shù)據(jù)。 DS18B20格的協(xié)定來(lái)確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議由幾種單線上信號(hào)類別型組成 :復(fù)位脈沖，存在脈沖，寫 0，寫 1，讀 0，和讀 l所有這些信號(hào)除了存在脈沖之外均由總線主機(jī)產(chǎn)生。開始先對(duì) DS18B20初始化，后繼以存在脈沖的復(fù)位脈沖表示 DS 18B20已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送或接收給出正確的 ROM命令和存貯器操作命令的數(shù)據(jù)?？偩€主機(jī)發(fā)送 TX復(fù)位脈沖 (最短為 480μ s的低電平信號(hào) )。接著總線主機(jī)便釋放此線并進(jìn)入接收方式 (Rx)。單線總線經(jīng) 過(guò) 5k的上拉電阻被拉至高電平狀態(tài)。在檢測(cè)到 1/0引腳上的上升沿之后， DS18B20等待 1560μ s并且接著發(fā)送存在脈沖 (60240μ s的低電平信號(hào) )。 DS18B20的測(cè)溫原理 DS18B20 的內(nèi)部框圖如圖 7 所示，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、用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、 8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼發(fā)生器等 7 部分。 溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 33 頁(yè) 圖 7 DS18B20的內(nèi)部框圖 圖 8 DS18B20測(cè)溫原理圖 DS18B20 的測(cè)溫原 理如圖 8 所示。低溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計(jì)數(shù)器 1 提供一頻率穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)振蕩是一個(gè)振蕩頻率對(duì)溫度很敏感的振蕩器，為計(jì)數(shù)器 2 提供一個(gè)頻率隨溫度變化的計(jì)數(shù)脈沖。初始時(shí)，溫度寄存器被預(yù)置成 55176。C ，每當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 從預(yù)置數(shù)開始減計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加 1176。C ，這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直到計(jì)數(shù)器2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)便停止。 初始時(shí)，計(jì)數(shù)器 1 預(yù)置的是與 55176。C 像對(duì)應(yīng)的一個(gè)預(yù)置值。以后計(jì)數(shù)器 1 每一個(gè)循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提 供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化