【文章內(nèi)容簡介】 原理 當(dāng) DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換 .轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 1， 2字節(jié) .單片 機(jī) 可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 5 ℃ /LSB形式表示 .溫度值格式如下： 23 22 21 20 21 22 23 24 LSB MSB S S S S S 26 25 24 LSB MSB 這是 12位轉(zhuǎn)化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲在 DS18B20的兩個 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 0，這 5位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 得到實際溫度；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 到實際溫度 .圖中， S表示位 .對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位 S=0時， 表示測得的溫度植為正值，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1時， 表示測得的溫度植為負(fù)值， 先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計算十進(jìn)制值 .例如 +125℃ 的數(shù)字輸出為 07D0H， +℃ 的數(shù)字輸出為 0191H，℃ 的數(shù)字輸出為 FF6FH， 55℃ 的數(shù)字輸出為 FC90H. 另外，由于 DS18B20 單線通信功能是分時完成的，他有嚴(yán)格的時隙概念，因此讀寫時 序很重要 .系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行 .操作協(xié)議為：初始化 DS18B20 （發(fā)復(fù)位脈沖） → 發(fā) ROM 功能命令 → 發(fā)存儲 器操作命令 → 處理數(shù)據(jù) . 在正常測溫情況下， DS1820 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 DS1820 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），得到所測實際溫度的整數(shù)部分 Tz，然后再用 BEH 指令取計數(shù)器 1 的計數(shù)剩余值 Cs 和每度計數(shù)值 DS1820 測量溫度的整數(shù)部分以 ℃、 ℃為進(jìn)位界限的關(guān)系，實際溫度 Ts 可用下式計算： Ts=（ ℃） +(CDCs)/CD DS18B20 使用中的注意事項和 控制方法 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)，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： ● DS18B20 從測溫結(jié)束到將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時間，這是必須保證的，不然會出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯誤的現(xiàn)象，使溫度輸出總是顯示 85. ●在實際使用中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)使電源電壓保持在 5V 左右，若電源電壓過低，會使所測得的江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 溫度精度降低 . ● 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 DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS1820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 .在使用 PL/M、 C等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計時，對 DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn) . ●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)計時要加以注意 . ●在 DS18B20測溫程序設(shè)計中，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)計時也要給予一定的重視 . 在硬件上， DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是 VCC接外部電源， GND接地，I/O與單片機(jī)的 I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時 UDD、 GND接地， I/O接單片機(jī)I/， I/O口線要接 5KΩ左右的上拉電阻 .此次設(shè)計選擇的是前面一種控制 . CPU對 DS18B20的 訪問流程是：先對 DS18B20初始化，再進(jìn)行 ROM操作命令，最后才能對存儲器操作，數(shù)據(jù)操作 .DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時序和通信協(xié)議 .如主機(jī)控制 DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù) DS18B20的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對 DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM指令，最后發(fā)送 RAM指令，這樣才能對 DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操做 . 顯示元件的選擇 顯示元件本設(shè)計選擇四位一體的八段共陰極數(shù)碼管 . 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多 一個 發(fā)光二極管 單元（多一個小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個 “8”可分為 1位、 2位、 4位等等數(shù)碼管； 按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管 .共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管 .共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮 .當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮 ..共陰數(shù) 碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管 .共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM接到地線 GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮 .當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮 . 數(shù)碼管要正常顯示，就要用 驅(qū)動電路 來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出 需要 的 數(shù)字 ，因此根據(jù)數(shù)碼管的 驅(qū)動方式 的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類 . 基于單片機(jī)的多功能數(shù)字溫度計設(shè)計 11 靜態(tài)顯示驅(qū)動 靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動 .靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個 單片機(jī) 的 I/O端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼二 十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動 .靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58＝ 40根 I/O 端口來驅(qū)動，要知道一個 89S51 單片機(jī)可用的 I/O 端口才 32 個呢，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性 . 動態(tài)顯示驅(qū)動 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控 制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通 COM 端電路的控制，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮 .通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動 .在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的 余輝 效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，而且 功耗 更低 . 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于單片機(jī)的多功能數(shù)字溫度計設(shè)計 13 第 4 章 硬件設(shè)計 復(fù)位電路 為確保兩點(diǎn)間 溫度控制系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位 .一般電路正常工作需要供電電源為 5V177。5%，即 ～ . 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其目的是使 CPU及各專用寄存器處于一個確定的初始狀態(tài) .如：把 PC 的內(nèi)容初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序 .除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要復(fù)位以使其恢復(fù)正常工作狀態(tài) . RST 端的外部復(fù)位電路有兩種操作方式：上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位 .按 鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種，本系統(tǒng)設(shè)計采用上電復(fù)位，如圖 41 所示 .上電復(fù)位是直接將RST 端通過電阻接高電平來實現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位 . 時鐘電路 單片機(jī)的時鐘信號用來提供單片機(jī)內(nèi)各種微操作的時間基準(zhǔn)，時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號 . 時鐘信號通常用兩種電路形式得到 :內(nèi)部振蕩和外部振蕩 .本系統(tǒng)設(shè)計采用內(nèi)部振蕩方式，如圖 42 所示 .MCS51 單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl 和 XTAL2 分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時，電路簡單，所得 的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式 .本設(shè)計中晶振取 12MHz.[10] 圖 42 時鐘電路 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 顯示電路 正如前面所說顯示電路采用的元器件為四位一體的八段共陰極數(shù)碼管 .采用動態(tài)顯示驅(qū)動形式，電路圖如下 . 為數(shù)據(jù)輸入端，根據(jù)所要顯示的不同數(shù)據(jù)從數(shù)組里進(jìn)行調(diào)取 .由于 P0 口本身不含有驅(qū)動能力，所以需要在 P0 口接上拉電阻，以保證有足夠的電流來驅(qū)動數(shù)碼管進(jìn)行顯示 . 為位選擇端口，分別控制四位數(shù)碼管的顯示與否 . 本設(shè)計通過選擇位的不同對四位數(shù)碼管進(jìn)行分別顯示，利用人的眼睛殘留視覺以達(dá)到顯示數(shù)據(jù)的目的 .此電路的優(yōu)點(diǎn)的電路簡單控制方便 .可以實現(xiàn)四位數(shù)碼管的分別控制，以便于實現(xiàn)多方面的顯示需求 . 圖 43 顯示電路 測溫電路 測溫電路采用的元件即為 .VCC 接外部電源， GND 接地， I/O 與單片機(jī)的 口 相連 , I/O 口線接 左右的上拉電阻 .單片機(jī)的數(shù)據(jù)讀取和輸出都通過 口與 DS18B20 的 I/O 口進(jìn)行 .采用單串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，電路設(shè)計簡單 .但對軟件有更多的要求 . 圖 44 測溫電路 基于單片機(jī)的多功能數(shù)字溫度計設(shè)計 15 控制電路 本電路摒棄了復(fù)雜的矩陣鍵盤電路，而僅僅采用了四個按鍵組成簡單電路來實現(xiàn)需要的控制 .不僅降低了硬件的成本，也使編程變的簡單 .電路圖如下 .四個按鍵分別連接單片機(jī)的 ， ， 和 端 .P32 和 P33 為外部中斷端口，通過他們來進(jìn)行相應(yīng)的控制操作 .而 P31 和 P30 端口則分別實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的減和增的操作 .操作起來簡單易懂，硬件開發(fā)的消耗也大為減少 . 圖 45 控制電路 報警電路 本設(shè)計采用軟件處理報警，利用有源蜂鳴器進(jìn)行報警輸出，采用直流供電 .當(dāng)所測溫度超過或者低于所預(yù)設(shè)的溫度時，數(shù)據(jù)口相應(yīng)拉高電平，報警輸出 .（也可采用發(fā)光二級管報警電路，如過需要報警，則只需將相應(yīng)位置 1，當(dāng)參數(shù)判斷完 畢后，再看報警模型單元ALARM 的內(nèi)容是否與預(yù)設(shè)一樣，如不一樣，則發(fā)光報警） .并在電路中添加開關(guān)按鍵，只有當(dāng)開關(guān)閉合時才會報警，否則僅僅顯示溫度，通過開關(guān)鍵控制報警，非常方便和容易操作 .報警電路硬件連接見圖 .蜂鳴器通過 NPN 管連接到單片機(jī)的 P17 口，采用外部電源進(jìn)行連接， NPN 起到了電流放大的作用，以保證有足夠的電流去驅(qū)動蜂鳴器進(jìn)行報警 . 圖 46 報警電路 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 整機(jī)電路及工作原理 當(dāng)接通電源以后，溫度傳感器正常工作，溫度傳感器將根據(jù)被測溫度的不同來采集不同的數(shù)據(jù)， 然后通過計算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的字庫代碼，通過調(diào)用字庫數(shù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字的顯示 .通過外部中斷 1 可以進(jìn)行時間顯示與溫度顯示的切換 .當(dāng)處于不同的顯示狀態(tài)時可以通過外部中斷 0 來實現(xiàn)時間的調(diào)整和溫度上下限的調(diào)整 .P30 口實現(xiàn) 了數(shù)據(jù)的增加，每按一下數(shù)據(jù)增加一位，為 P31 口則實現(xiàn)的數(shù)據(jù)的遞減 .在程序中設(shè)定數(shù)據(jù)上下限以防止數(shù)據(jù)的溢出 .[11] 圖 47 整機(jī)電路 基于單片機(jī)的多功能數(shù)字溫度計設(shè)計 17 第 5 章 軟件設(shè)計 從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系 .二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、計算、顯示、通訊等 .每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊 .這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并 為每一個執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義 .各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了 .首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能選擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)實時性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關(guān)系 . 主程序模塊 主程序主要完成硬件初始化， 顯