【正文】 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 8 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工 作 時序 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL 、配置寄存器。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（地址： 28H ）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，并且每個 DS18B20 的序列號都不相同，因此它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼；最后 8 位則是前面 56 位的循環(huán) 冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1 ）。 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 9 圖 4 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 的一線工作協(xié)議流程是 ： 初始化→ ROM 操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。若無低電平出現(xiàn)一直都是高電平說明總線上無器件應(yīng)答。若沒有檢測到就一直在檢測等待。因此首先要搞清主機(jī)是如何進(jìn)行寫 0、寫 讀 0 和讀 1 的。寫周期一開始做為主機(jī)先把 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 11 總線拉低 1 微秒表示寫周期開始。若主機(jī)想寫 1，在一開始拉低總線電平 1微秒后就釋放總線為高電平，一直到寫周期結(jié)束。讀時隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在 1 微秒之后就得釋放單總線為高電平，以讓 DS18B20 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。若要送出 1 則釋放總線為高電平。采樣期內(nèi)總線為高電平則確認(rèn)為 1。系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線 下拉 500us ，然后釋放， DS18B20 收到信號后等 待 16us~60us 左右，然后發(fā)出 60us~240us 的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號后表示復(fù)位成功。在單芯片上，擁有靈巧 的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。另外 STC89X52 可 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 13 降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式。掉電 保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī) 一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 S [1 ] STC89C52RC 單片機(jī) 特性 : 參數(shù)： 1. 增強(qiáng)型 8051 單片機(jī) ， 6 時鐘 /機(jī)器周期 和 12 時鐘 /機(jī)器周期可以任意 選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051.[1] 2. 工作電壓： ～ （ 5V 單片機(jī)） /～ （ 3V 單片機(jī)） 3. 工作頻率 范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實(shí)際工作 頻率可達(dá) 48MHz 4. 用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié) 5. 片上集成 512 字節(jié) RAM 6. 通用 I/O 口（ 32 個），復(fù)位后為： P0/P1/P2/P3 是 準(zhǔn)雙向 口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。即定時器 T0、 T T2 11. 外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā) 中斷方式 喚醒 12. 通用異步 串行口 （ UART），還可用定時器 軟件 實(shí)現(xiàn)多個 UART 13. 工作溫度范圍： 40～ +85℃ （工業(yè)級） /0～ 75℃ （商業(yè)級） STC8952RC 功能性能 :與 MCS51成品指令系統(tǒng)完全兼容； 8KB 可編程閃速存儲器；壽命： 10萬 次寫 /擦循環(huán) ； 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年；全靜態(tài)工作： 040MHz；三級程序存儲器鎖定； 512B 內(nèi)部 RAM； 32 個可編程 I/O 口線； 3 個 16 位定時 /計數(shù)器； 5 個中斷源；可編程串行 UART 通道；片內(nèi)震蕩器和掉電模式 [6]?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個硬件復(fù)位。 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 15 圖 5 STC89C52RC 的引腳圖 STC89C52RC 芯片的各引腳功能為： P0口：這組引腳共有 8條， 為最低位。 P0口為開漏輸出，在作為通用 I/O 使用時，需要在外部用電阻上拉。 P2口：這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第一功能相同即它可以作為通用 I/O 口使用，它的第一功能和 P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高 8 位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不是像 P0 口那樣傳送存儲器的讀 /寫數(shù)據(jù)。 ALE：地址鎖存允許線，配合 P0 口的第二功能使用 ，在訪問外部存儲器時，STC89C52RC 的 CPU 在 引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀 /寫數(shù)據(jù)。該脈沖序列可以作為外部時鐘源或定時脈沖使用。 /PSEN：片外 ROM 的選通線，在訪問片外 ROM 時 STC89C52RC 自動在 /PSEN 線上 產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，作為片外 ROM 芯片的讀選通信號。通常STC89C52RC 復(fù)位有自動上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。 復(fù)位電路和時鐘電路 復(fù)位電路設(shè)計 單片機(jī)在啟動運(yùn)行時都需要復(fù)位，使 CPU 和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 17 定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。當(dāng)震蕩器起振后，只要該引腳上出現(xiàn) 2 個機(jī)器周期以上的高電平即可確保時器件復(fù)位 [1]。單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動復(fù)位和手動復(fù)位兩種，圖 6 是 51 系列單片機(jī)統(tǒng)常用的上電復(fù)位和手動復(fù)位組合電路，只要 Vcc 上升時間不超過 1ms，它們都能很好的工作 [1]。 CPU 執(zhí)行一條指令的各個微操作所對應(yīng)時間順序稱為單片機(jī)的時序。 本設(shè)計系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個晶振和 2 個 諧振 電容即可，如圖 7 所示。10pF，在這個系統(tǒng)中選擇了 33pF；石英晶振選擇范圍最高可選 24MHz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時鐘信號震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是 12MHz，因而時鐘信號的震蕩頻率為 12MHz。本系統(tǒng)中前一位顯示 溫度的 負(fù)位 ，在正溫度不顯示， 后三位顯示十位，個位還有小數(shù)位 。 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 19 圖 9 4 位 LED 引腳 對于這種結(jié)構(gòu)的 LED 數(shù)碼管 ，它的體積和結(jié)構(gòu)都符合設(shè)計要求，由于 4 位 LED陰極的各段已經(jīng)在內(nèi)部連接在一起，所以必須使用動態(tài)掃描方式（將所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，用一個 I/O 接口控制）顯示。 硬件譯碼是指利用專門的硬件電路來實(shí)現(xiàn)顯示字符碼的轉(zhuǎn)換。 本設(shè)計系統(tǒng)中為了簡化硬件線路設(shè)計， LED 譯碼采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)。 表 共 陽 極字段碼表 顯示字符 共 陽 極字段碼 0 C0H 1 F9H 2 A4H 3 B4H 4 B0H 5 99H 6 92H 7 82H 8 80H 9 90H LED 與單片機(jī)接口設(shè)計 由于單片機(jī)的并行口不能直接驅(qū)動 LED 數(shù)碼管，所以，在一般情況下，必須增加 驅(qū)動電路，使之產(chǎn)生足夠大的電流， 數(shù)碼管 才能正常工作 [7]。 因?yàn)槭枪碴枖?shù)碼管 這里采用四個 PNP 的 S8550 作為驅(qū)動電路來驅(qū)動每一位在每一位的基極加上 1K 的限流電阻 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 21 段選 顯示引腳 連接 到 P0口 ，由于 P0口的上拉電流能力很弱 與上拉電阻 并聯(lián)，這樣 就可以加大 P0 口 作為輸出口 的 驅(qū)動能力，使得 數(shù)碼管 能按照正常的亮度顯示出數(shù)字， 還加上了 200Ω 的限流電阻，驅(qū)動電路 如圖 10 所示。 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 22 圖 11 數(shù)字 溫度計的原理 圖 此 電路的工作原理是： 環(huán)境或被測物體直接間接接觸后被溫度傳感器檢測后 ，DS18B20 產(chǎn)生相 應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)過其輸出 通過 P^ 口 傳送給 STC89C52RC，STC89C52RC 把接收到的 數(shù)據(jù) 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生 高低電平 傳送給四位 LED 數(shù)碼管來顯示段碼 ，同時它還通過其四位 I/O 口 、 、 、 產(chǎn)生位選信號控制數(shù)碼管的亮滅。 其中，單片機(jī) STC89C52RC通 初始化和讀寫操作 ， 讀出 DS18B20 溫度 傳感器轉(zhuǎn)換好的 數(shù)據(jù)，處理轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù) 送給 數(shù)碼管 顯示出來 [3]。但要真正實(shí)現(xiàn)電路對電壓的測量和顯示的功能，還需要有 硬件電路的制作調(diào)試和 相應(yīng)的軟件配合，才能 把真正的溫度顯示出來 。 圖 12 數(shù)字 溫度計 主程序框圖 系統(tǒng) 子 程序設(shè)計 初始化程序 所謂初始化，是對將要用到的 MCS_51 系列單片機(jī)內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時器的工作模式，初值預(yù)置，開中斷和打開定時器等 [9]。 開始 初始化 調(diào)用 顯示 子程序 調(diào)用 DS18B20 子程序 結(jié)束 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 24 圖 13 溫度采集 流程圖 顯示子程序 顯示子程序采用動態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，在采用動態(tài)掃 描顯示方式時，要使得 LED 顯示的比較均勻，又有足夠的亮度，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率，當(dāng)掃描頻率在 70HZ 左右時，能夠產(chǎn)生比較好的顯示效果，一般可以采用間隔11ms 對 LED 進(jìn)行動態(tài)掃描一次，每一位 LED 的顯示時間為 1ms[10]。 DS18B20 讀寫操作 溫度數(shù)據(jù)處理結(jié)果 輸出 處理 結(jié)果 數(shù)值轉(zhuǎn)換 顯示 結(jié)束 開始 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 25 5 面包板的電路搭建 所需的器材和電子元件 1. 面包板一塊 2．面包板連接線若干根 3. STC89C52RC 單片機(jī)一塊 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 26 4. DS18B20 溫度傳感器一個 5. 12MHZ 晶振一個 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 27 6. 22PF 電容兩個 7． 10KΩ 金屬膜電阻兩個， 1KΩ 電阻四個， 200Ω 八個 8. 10UF 電解電容一個 基于單片機(jī)的簡易 數(shù)字溫度計 設(shè)計 28 9. PNP 三極管 S8550 四個 10. ISP 下載器（帶杜邦線）