【文章內(nèi)容簡介】 陜西國防學(xué)院電子工程系畢業(yè)論文 9 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常常會有定時控制需求，如定時輸出、定時檢測、定時掃描等；也經(jīng)常要對外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。 89C51 單片機(jī)內(nèi)集成有兩個可編程的定時 /計(jì)數(shù)器： T0 和T1，它們既可以工作于定時模式，也可以工作于外部事件計(jì)數(shù)模式，此外， T1 還可以作為串行口的波特率發(fā)生器。 溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 型單線智能溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。其可以分別 93． 75ms 和 750ms 內(nèi)完成 9 位和 12 位的數(shù)字量，最大分辨率為0． 0625℃ ， 而且從 DS18B20 讀出或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根口線 (單線接口 )讀寫。 DS18B20 的性能特點(diǎn) 單線數(shù)字化智能集 成溫度的傳感器，其特點(diǎn)是： （ 1） DSI8B20可將被測溫度直接轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號輸出，溫度值不需要經(jīng)電橋電路先獲取電壓模擬量，再經(jīng)信號放大和 A／ D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，解決了傳統(tǒng)溫度傳感器存在的因參數(shù)不一致性，在更換傳感器時會因放大器零漂而必須對電路進(jìn)行重新調(diào)試的問題，使用方便． （ 2） DS18B20能提供 9到 12位溫度讀數(shù)，精度高，且其信息傳輸只需 1根信號線，與計(jì)算機(jī)接口十分簡便，讀寫及溫度變換的功率來自于數(shù)據(jù)線而不需額外的電源． （ 3） 每一個 DS18B20都有一個惟一的序列號，這就允許多個 DS18B20連接到同 一總線上．尤其適合于多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)． （ 4） 負(fù)壓特性：當(dāng)電源極性接反時， DS18B20雖然不能正常工作，但不會因發(fā)熱而燒毀 正是由于具有以上特點(diǎn)， DS18B20在解決各種誤差、可靠性和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化等方面與傳統(tǒng)各種溫度傳感器相比，有無可比擬的優(yōu)越性，因而廣泛應(yīng)用于過程控制、環(huán)境控制、建筑物、機(jī)器設(shè)備中的溫度檢測。 DS18B20與單片機(jī)的典型接口設(shè)計(jì) DS18B20測溫系統(tǒng)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)。Dsl8B20與單片機(jī)的硬件連接有兩種方法：一是 Vcc接外部電源， GND接地， I/0與單片機(jī)陜西國防學(xué)院電子工程系畢業(yè)論文 10 的 I/0線相連；二是用寄生電源供電，此時 ,~UDD和 GND接地， I/0接單片機(jī) I/0。無論是哪種供電方式， I/0口線都要接 4． 7k Q左右的上拉電阻。圖 4給出了 DSl8B20與微處理器的典型連接。 （ 1） DS18B20寄生電源供電方式： 如下面圖 23(a)所示，在寄生電源供電方式下， DS18B20從單線信號線上汲取能量：在信號線 DQ處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。 獨(dú)特的寄生電源方式有三個好處 ： 1） 進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫時，無需本地電源 2） 可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取 ROM 3） 電路更加簡潔，僅用一根 I/O口實(shí)現(xiàn)測溫 要想使 DS18B20進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換， I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個 DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到 1mA，當(dāng)幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測溫時，只靠 ，會造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。 因此，該電路只適應(yīng)于單一溫度傳感器測溫情況下使用，不適宜采用電池供電系統(tǒng)中。并且工作電源 VCC必須保證在 5V，當(dāng)電源電壓下降時 ，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會使溫度誤差變大。 （ 2） DS18B20寄生電源強(qiáng)上拉供電方式： 改進(jìn)的寄生電源供電方式如下面圖 23(b)所示，為了使 DS18B20 在動態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到 E2 存儲器操作時，用 MOSFET 把 I/O 線直接拉到 VCC 就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到 E2 存儲器或啟動溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最多 10μS 內(nèi)把 I/O 線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉狀態(tài)。在強(qiáng)上拉方式下可以解決電流供應(yīng)不走的問題，因此也適合于多點(diǎn)測溫應(yīng)用，缺點(diǎn)就是要多占用一根 I/O 口線進(jìn)行 強(qiáng)上拉切換。 （ 3） DS18B20 的外部電源供電方式： 如下面圖 23(c)所示，在外部電源供電方式下， DS18B20工作電源由 VDD引腳接入，其 VDD端用 3～ 5． 5V電源供電，此時 I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個 DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下， DS18B20的 GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是 85℃ 。 陜西國防學(xué)院電子工程系畢業(yè)論文 11 （ a） DS18B20寄生電 源供電方式 （ b） DS18B20外部電源供電方式 (c) DS18B20溫度轉(zhuǎn)換期間的強(qiáng)上拉供電（寄生電源方式） 圖 23 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 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(yàn)碼 (CRC)發(fā)生器等七部分。 64 位光刻 ROM 的排 列是：開始 8 位是產(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(yàn)碼。光刻 R0M 的作用是使每一個 DS18B20 都各不相同，這可實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的。暫存存儲器包含了 8 個連續(xù)字節(jié)，前 2 個字節(jié)是測得的溫度信息，第 1 個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低 8 位，第 2 個字節(jié)是溫度的高 8 位。第 3個和第 4 個字節(jié)是 TH、 TL 的易失性拷貝，第 5 個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這 3個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。第 8 個字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第 9 個字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié) 。 DS18B20 的測溫原理 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)生的信號作為計(jì)數(shù)器 2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在 55℃ 所對應(yīng)的一個基數(shù)值。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)計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0時，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入，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)直到計(jì)數(shù)器 2計(jì)數(shù)到 0時， DS1 8B20測量溫度原理停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 在正常測溫情況下， DS18B20 的測溫分辨力為 ℃ ，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果：首先用 DS18B20 提供的讀暫存器指令 (BEH)讀出以 ℃ 為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位 (LSB)，得到所測實(shí)際溫度的整數(shù)部分 TZ，陜西國防學(xué)院電子工程系畢業(yè)論文 12 然后再用 BEH 指令取計(jì)數(shù)器 1 的計(jì)數(shù)剩余值 CS 和每度計(jì)數(shù)值 CD?？紤]到 DS18B20測量溫度的整數(shù)部分以 ℃ 、 ℃ 為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度 TS 可用下式計(jì)算： TS=(TZ－ ℃ ) ＋ (CD－ CS)/CD 告警信號： DS18B20 完成 溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與 TH、 TL 作比較。若 TTH 或 TTL，則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20 同時測量溫度并進(jìn)行告警搜索。一旦某測溫點(diǎn)越限，主機(jī)利用告警搜索命令即可識別正在告警的器件，并讀出其序號，而不必考慮非告警器件。 CRC 的產(chǎn)生： 在 64 位 ROM 的最高有效字節(jié)中存有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼 (CRC)。主機(jī)根據(jù) ROM 的前 56 位來計(jì)算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值作比較，以判斷主機(jī)收到的 ROM 數(shù)據(jù) 是否正確。 CRC 的函數(shù)表達(dá)式為： CRC=X8 ＋ X5 ＋ X4 ＋ 1。此外， DS18B20 尚需依上式為暫存器中的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生一個 8位 CRC 送給主機(jī)，以確保暫存器數(shù)據(jù)傳送無誤。 在本課題中采用 五 個數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20與單片機(jī) 89C51連接如下圖 圖 24 DS18B20多點(diǎn)溫度測量連接電路圖 DS18B20使用中注意事項(xiàng) DS18B20 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)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： （ 1） 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 DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS18B20 進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。 陜西國防學(xué)院電子工程系畢業(yè)論文 13 （ 2） 在 DS18B20 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS18B20 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個 DS18B20，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛 DS18B20超過 8 個時，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)時要加以注意。 （ 3） 連接 DS18B20 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，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，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，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DS18B20 進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 （ 4） 在 DS18B20 測溫程序設(shè)計(jì)中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令 后，程序總要等待 DS18B20 的返回信號，一旦某個 DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS18B20 時，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS18B20 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時也要給予一定的重視。 1602 字符型 LCD 簡介 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式 LCD，目前常用 16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模塊。 1602LCD 的基本參數(shù)及引腳功能 1602LCD 分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為 HD44780，帶背光的比不帶背 光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖 25 所示： 圖 25 1602LCD 尺寸圖 陜西國防學(xué)院電子工程系畢業(yè)論文 14 （ 1） 1602LCD 主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量 :162 個字符 芯片工作電壓 :— 工作電流 :() 模塊最佳工作電壓 : 字符尺寸 :(WH)mm 引腳功能說明 1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表 1所示 。 表 1 引腳接口說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 第 1 腳： VSS 為地電源。 第 2 腳： VDD 接 5V 正電源。 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng) RS 和 R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS 為低電平 R/W 為高電平時可以讀忙信號，當(dāng) RS 為高電平 R/W 為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 陜西國防學(xué)院電子工程系畢業(yè)論文 15 第 7～ 14 腳： D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 第 15 腳：背光源正極。 第 16 腳：背光源負(fù)極。 1602LCD 的指令 說明及時序 1602 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有 11 條控制指令，如表 2 所示 。 表 2 控制命令表