【文章內(nèi)容簡介】 溫度傳感器電路 采用一線制數(shù) 字溫度傳感器 DS18B20 來作為本課題的溫度傳感器。傳感器輸出信號進(jìn) 的上拉電阻直接接到單片機(jī)的 引腳上。 DS18B20 溫度傳感器是美國達(dá)拉斯 (DALLAS)半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件、 A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等做在一個(gè)很小的集成電路芯片上。本設(shè)計(jì)中溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件DS18B20，是在經(jīng)過多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因： （ 1）系統(tǒng)的特性：測溫范圍為 55℃～ +125℃ ，測溫精度為士 ℃；溫度轉(zhuǎn)換精度 9～ 12 位可變 ，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以 16 位二進(jìn)制數(shù)碼的方式串行輸出； 12 位精度轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為 750ms；可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 （ 2）系統(tǒng)成本：由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，新型大規(guī)模集成電路功能越來越強(qiáng)大，體積越來越小，而價(jià)格也越來越低。一支 DS18B20 的體積與普通三極管相差無幾，價(jià)格只有十元人民幣左右。 （ 3）系統(tǒng)復(fù)雜度：由于 DS18B20 是單總線器件，微處理器與其接口時(shí)僅需占用 1 個(gè) I/O 端口且一條總線上可以掛接幾十個(gè) DS18B20，測溫時(shí)無需任何外部元件，因此，與模擬傳感器相比，可以大 大減少接線的數(shù)量，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少工程的施工量。 （ 4）系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)：由于引線的減少，使得系統(tǒng)接口大為簡化，給系統(tǒng)的調(diào)試帶來方便。同時(shí)因?yàn)?DS18B20 是全數(shù)字元器件，故障率很低，抗干擾性強(qiáng)，因此，減少了系統(tǒng)的日常維護(hù)工作。 DS18B20 溫度傳感器只有三根外引線：單線數(shù)據(jù)傳輸總線端口 DQ ，外供電源線 VDD，共用地線 GND。 DS18B20 有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時(shí) VDD 接地，它是通過內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長。這種情況下，用單片 機(jī)的一個(gè) I/O 口來完成對 DS18B20 總線的上拉。另一種是外部供電方式 (VDD 接 +5V)，相應(yīng)的完成溫度測量的時(shí)間較短。 DS18B20 外形及引腳說明 如圖 所示 圖 管腳排列圖 1（ GND）：地 2（ DQ）：單線運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳 3（ VDD）：可選的電源引腳 DS18B20 工作過程及時(shí)序 DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(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。 硬件電路的設(shè)計(jì) 9 高溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率對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 55℃ ，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 1℃ ，這個(gè)過程重復(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 55℃ 相對應(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。計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度處使溫度寄存器寄存值增加 1℃ 計(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。 DS18B20 內(nèi)部的比較器以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。 在計(jì)數(shù)器 2 停止計(jì)數(shù)后，比較器將計(jì)數(shù)器 1 中的計(jì)數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與 ℃ 進(jìn)行比較，若低于 ℃ ，溫度寄存器的最低位就置 0；若高于 ℃ ，最低位就置 1；若高于 ℃ 時(shí)，溫度寄存器的最低位就進(jìn)位然后置 0。這樣，經(jīng)過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最后位代表℃ ，四舍五入最大量化誤差為 177。1/2LSB，即 ℃ 。 溫度寄存器中的溫度值以 9 位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號位，其余 8 位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示溫度值。測溫結(jié)束時(shí)，這 9 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存存儲(chǔ)器的前兩個(gè)字節(jié)中，符號位占用第 一字節(jié)， 8 位溫度數(shù)據(jù)占據(jù)第二字節(jié)。 DS18B20 測量溫度時(shí)使用特有的溫度測量技術(shù)。 DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補(bǔ)償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)該為 9 位，但因符號位擴(kuò)展成高 8位，所以最后以 16 位補(bǔ)碼形式讀出。 DS18B20 工作過程一般遵循以下協(xié)議：初始化 ——ROM 操作命令 ——存儲(chǔ)器操 作命令 ——處理數(shù)據(jù) ① 初始化 單總線上的所有處理均從初始化序列開始。初始化序列包括總線主機(jī)發(fā)出一復(fù)位脈沖，接著由從屬器件送出存在脈沖。存在脈沖讓總線控制器知道 DS1820 在總線上且已準(zhǔn)備好操作。 ② ROM 操作命令 一旦總線主機(jī)檢測到從屬器件的存在，它便可以發(fā)出器件 ROM 操作命令之一。所有 ROM 操作命令均為 8 位長。這些命令列表如下： Read ROM(讀 ROM)[33h] 此命令允許總線主機(jī)讀 DS18B20 的 8 位產(chǎn)品系列編碼，唯一的 48 位序列號，以及 8 位的 CRC。此命令只能在總線上僅有一個(gè) DS18B20 的情況下可以使用。淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 如果總線上存在多于一個(gè)的從屬器件，那么當(dāng)所有從片企圖同時(shí)發(fā)送時(shí)將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象（漏極開路會(huì)產(chǎn)生線與的結(jié)果）。 Match ROM( 符合 ROM)[55h] 此命令后繼以 64 位的 ROM 數(shù)據(jù)序列，允許總線主機(jī)對多點(diǎn)總線上特定的DS18B20 尋址。只有與 64 位 ROM 序列嚴(yán)格相符的 DS18B20 才能對后繼的存貯器操作命令作出響應(yīng)。所有與 64 位 ROM 序列不符的從片將等待復(fù)位脈沖。此命令在總線上有單個(gè)或多個(gè)器件的情況下均可使用。 Skip ROM( 跳過 ROM )[CCh] 在單點(diǎn)總線系統(tǒng)中，此命 令通過允許總線主機(jī)不提供 64 位 ROM 編碼而訪問存儲(chǔ)器操作來節(jié)省時(shí)間。如果在總線上存在多于一個(gè)的從屬器件而且在 Skip ROM 命令之后發(fā)出讀命令，那么由于多個(gè)從片同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，會(huì)在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開路下拉會(huì)產(chǎn)生線與的效果）。 Search ROM( 搜索 ROM)[F0h] 當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，總線主機(jī)可能不知道單線總線上的器件個(gè)數(shù)或者不知道其 64 位 ROM 編碼。搜索 ROM 命令允許總線控制器用排除法識別總線上的所有從機(jī)的 64 位編碼。 Alarm Search(告警搜索 )[ECh] 此命令的流程與搜索 ROM 命 令相同。但是，僅在最近一次溫度測量出現(xiàn)告警的情況下， DS18B20 才對此命令作出響應(yīng)。告警的條件定義為溫度高于 TH 或低于 TL。只要 DS18B20 一上電，告警條件就保持在設(shè)置狀態(tài)，直到另一次溫度測量顯示出非告警值或者改變 TH 或 TL 的設(shè)置，使得測量值再一次位于允許的范圍之內(nèi)。貯存在 EEPROM 內(nèi)的觸發(fā)器值用于告警。 ③ 存儲(chǔ)器操作命令 Write Scratchpad（寫暫存存儲(chǔ)器） [4Eh] 這個(gè)命令向 DS18B20 的暫存器中寫入數(shù)據(jù)，開始位置在地址 2。接下來寫入的兩個(gè)字節(jié)將被存到暫存器中的地址位置 2 和 3。可 以在任何時(shí)刻發(fā)出復(fù)位命令來中止寫入。 Read Scratchpad（讀暫存存儲(chǔ)器） [BEh] 這個(gè)命令讀取暫存器的內(nèi)容。讀取將從字節(jié) 0 開始，一直進(jìn)行下去，直到第9（字節(jié) 8， CRC）字節(jié)讀完。如果不想讀完所有字節(jié)，控制器可以在任何時(shí)間發(fā)出復(fù)位命令來中止讀取。 Copy Scratchpad（復(fù)制暫存存儲(chǔ)器） [48h] 這條命令把暫存器的內(nèi)容拷貝到 DS18B20 的 E2 存儲(chǔ)器里，即把溫度報(bào)警觸發(fā)字節(jié)存入非易失性存儲(chǔ)器里。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時(shí)間隙，而 DS18B20 又正在忙于把暫存器拷貝到 E2 存 儲(chǔ)器， DS18B20 就會(huì)輸出一個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì) 11 “0”，如果拷貝結(jié)束的話， DS18B20 則輸出 “1”。如果使用寄生電源，總線控制器必須在這條命令發(fā)出后立即起動(dòng)強(qiáng)上拉并最少保持 10ms。 Convert T（溫度變換） [44h] 這條命令啟動(dòng)一次溫度轉(zhuǎn)換而無需其他數(shù)據(jù)。溫度轉(zhuǎn)換命令被執(zhí)行，而后DS18B20 保持等待狀態(tài)。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時(shí)間隙，而DS18B20 又忙于做時(shí)間轉(zhuǎn)換的話， DS18B20 將在總線上輸出 “0”，若溫度轉(zhuǎn)換完成，則輸出 “1”。如果使用寄生電源，總線控制器必須在發(fā)出這條命令后立即起動(dòng)強(qiáng)上拉，并保持 500ms。 Recall E2（重新調(diào)整 E2） [B8h] 這條命令把貯存在 E2 中溫度觸發(fā)器的值重新調(diào)至?xí)捍娲鎯?chǔ)器。這種重新調(diào)出的操作在對 DS18B20 上電時(shí)也自動(dòng)發(fā)生，因此只要器件一上電，暫存存儲(chǔ)器內(nèi)就有了有效的數(shù)據(jù)。在這條命令發(fā)出之后，對于所發(fā)出的第一個(gè)讀數(shù)據(jù)時(shí)間片，器件會(huì)輸出溫度轉(zhuǎn)換忙的標(biāo)識： “0”=忙， “1”=準(zhǔn)備就緒。 Read Power Supply（讀電源） [B4h] 對于在此命令發(fā)送至 DS18B20 之后所發(fā)出的第一讀數(shù)據(jù)的時(shí)間片，器件都會(huì)給出其電源方式的信號： “0”=寄生電源 供電， “1”=外部電源供電。 ④ 處理數(shù)據(jù) DS18B20 的高速暫存存儲(chǔ)器由 9 個(gè)字節(jié)組成，其分配如圖 所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第 0 和第 1 個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后。 圖 高速暫存存儲(chǔ)器分配圖 DS18B20 溫度采集轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存 儲(chǔ)在 DS18B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于或等于 0，這 5位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實(shí)際溫度。 溫度轉(zhuǎn)換計(jì)算方法舉例： 例如當(dāng) DS18B20 采集到 +125℃ 的實(shí)際溫度后，輸出為 07D0H，則： 實(shí)際溫度 =07D0H╳ =2021╳ =1250C。 例如當(dāng) DS18B20 采集到 55℃ 的實(shí)際溫度后，輸出為 FC90H，則應(yīng)先將 11位數(shù)據(jù)位取反加 1 得 370H（符號位不變，也不作為計(jì)算），則： 實(shí)際溫度 =370H╳ =880╳ =550C。 在本設(shè)計(jì)中采用外部供電方式實(shí)現(xiàn) DS18B20 傳感器與單片機(jī)的連接，其接口電路如圖 所示。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 圖 溫度傳感器接口 按鍵接口 電路 鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的主要輸入設(shè)備，單片機(jī)使用的鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤采用硬件線路來實(shí)現(xiàn)鍵盤的編碼，每按下一個(gè)鍵，鍵盤能夠自動(dòng)生成按鍵代碼，并有去抖功能。因此使用方便，但硬件較復(fù)雜。非編碼鍵盤僅僅提供鍵開關(guān)狀態(tài)，由程序來識別閉合 鍵，消除抖動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)的代碼，轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序。非編碼鍵盤中鍵的數(shù)量較少，硬件簡單，在單片機(jī)中應(yīng)用非常廣泛。 圖為按鍵和 AT80C51 的接線圖，檢測儀共設(shè)有 4 個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵由軟件來決定其功能， 4 個(gè)按鍵功能分別為 ： (1) SW1： 設(shè)定按鍵 (設(shè)定按鍵 ) (2) SW2： 加法按鍵 (當(dāng)前位加 5) (3) SW3： 減法按鍵 (當(dāng)前位減 5) (4) SW4： 退出設(shè)置鍵 (系統(tǒng)初始化 ) 本課題設(shè)計(jì)采用的鍵盤模塊，其接口原理圖如下圖 所示：