【正文】 表 31 DS18B20 引腳功能描述 DS18B20 在電路中的連接 1wire 總線支持一主多從式結(jié)構(gòu) ， 當(dāng)一 方完成數(shù)據(jù)通信需要釋放總線時(shí)，只需將總線置高點(diǎn)平即可；若需要獲得總線進(jìn)行通信時(shí)則要監(jiān)視總線是否空閑，若空閑，則置低電平獲得總線控制權(quán)。 溫度采集電路如圖 39 所示： 圖 39 溫度采集電路 圖中 U2 為溫度采集電路的核心部件，溫度傳感器 DS18B20。下面將詳細(xì)介紹它的參數(shù)和用法。 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。 高溫度系數(shù)振蕩器是一個(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。 序號(hào) 名稱 引腳功能描述 1 GND 地信號(hào) 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。開(kāi)漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電 源下，也可以向器件提供電源。 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 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(kāi)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(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 55℃ 相對(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。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(guò)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(hào)位，其余 8 位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示溫度值。測(cè)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(hào)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(cè)量溫度時(shí)使用特有的溫度測(cè)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(hào)；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)， DS18B20 進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門(mén)開(kāi)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(duì)頻率的非線性度加以補(bǔ)償。測(cè)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(hào)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(guò)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(kāi)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(cè)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(zhǎng)。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(hào)，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。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)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 沖突的現(xiàn)象（漏極開(kāi)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(duì)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(duì)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(guò) ROM )[CCH] 在單點(diǎn)總線系統(tǒng)中，此命令通過(guò)允許總線主機(jī)不提供 64 位 ROM 編碼而訪問(wèn)存儲(chǔ)器操作來(lái)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(kāi)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(kāi)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(shí)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(cè)量出現(xiàn)告警的情況下， DS18B20 才對(duì)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(cè)量顯示出非告警值或者改變 TH 或 TL的設(shè)置，使得測(cè)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(xiě)暫存存儲(chǔ)器） [4EH] 這個(gè)命令向 DS18B20 的 暫存器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，開(kāi)始位置在地址 2。接下來(lái)寫(xiě)入的兩個(gè)字節(jié)將被存到暫存器中的地址位置 2 和 3?？梢栽谌魏螘r(shí)刻發(fā)出復(fù)位命令來(lái)中止寫(xiě)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(kāi)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(lái)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) “0”，如果拷貝結(jié)束的話， DS18B20 則輸出 “1”。如果使用寄生電源，總線控制器必須在本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 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(wú)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(duì) 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(duì)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(shí)： “0”=忙， “1”=準(zhǔn)備就緒。 Read Power Supply（讀電源） [B4H] 對(duì)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(hào)： “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，其分配如表 32 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(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后。 表 32 DS18B20 暫存器字節(jié)分配 溫度 /℃ 二進(jìn)制表示 十六進(jìn)制表示 符號(hào)位（ 5 位） 數(shù)據(jù)位（ 11 位） +125 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 07D0H + 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0191H + 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 00A2H + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0008H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0000H 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 FFF8H 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 FF5EH 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 FE6FH 55 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 FC90H 上表是 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(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于或等于 0，本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 這 5 位為 0，只要將測(cè)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(cè)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╳ =2020╳ =℃ 。 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(hào)位不變，也不作為計(jì)算），則： 實(shí)際溫度 =370H╳ =880╳ =℃ 。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)的講述了以 AT89C51為核心元件的恒溫箱的硬件電路具體設(shè)計(jì)過(guò)程，分析了具體電路的工作原理。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)溫度控制的是通過(guò)編寫(xiě)程序的方法集成在 89C51 內(nèi)部。接著將程序下載到硬件電路中，配合周邊的溫度采集電路，時(shí)鐘電路，溫度報(bào)警電路，顯示電路等，制作出符合設(shè)計(jì)要求的恒溫箱。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件任務(wù)分析 軟件任務(wù)分析和硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)合進(jìn)行，哪些功能由硬件完成，哪些任務(wù)由軟件完成，在硬件電路設(shè)計(jì)基本定型后，也就基本上決定下來(lái)了。 軟件任務(wù)分析環(huán)節(jié)是為軟件設(shè)計(jì)做一個(gè)總體規(guī)劃。從軟件的功能來(lái)看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實(shí)質(zhì)性的功能，如測(cè)量，計(jì)算，顯示，打印，輸出控制和通信等；另一類是監(jiān)控軟件，它是專門(mén)用來(lái)協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，使在系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織調(diào)度角色的軟件。這兩類軟件的設(shè)計(jì)方法各有特色，執(zhí)行軟件的設(shè)計(jì)偏重算法效率，與硬 件關(guān)系密切，千變?nèi)f化。 軟件任務(wù)分析時(shí)，應(yīng)將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在對(duì)各執(zhí)行模塊進(jìn)行定義時(shí)，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型問(wèn)題也一并規(guī)劃好。 各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以設(shè)計(jì)監(jiān)控程序了。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤(pán)設(shè)置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)。相對(duì)來(lái)講，執(zhí)行模塊任務(wù)明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問(wèn)題。這如同當(dāng)一名操作工人比較容易，而當(dāng)一個(gè)廠長(zhǎng)就比較難一樣。 軟件任務(wù)分析的另一個(gè)內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和執(zhí)行模塊。整個(gè)系統(tǒng)軟件可分為后臺(tái)程序（ 背景程序）和前臺(tái)程序。后臺(tái)程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)?shí)時(shí)性要求不是太高，延時(shí)幾十毫秒甚至幾百毫秒也沒(méi)關(guān)系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤(pán)解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺(tái)程序中執(zhí)行；而前臺(tái)程序安排一些實(shí)時(shí)性要求較高的內(nèi)容，如定時(shí)系統(tǒng)和外部中斷。也可以將全部程序均安排在前臺(tái)，后臺(tái)程序?yàn)椤笆瓜到y(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。 程序流程圖 在本程序中包括了如下主要的程序。 主 程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示，讀出并處理 DS18B20 的測(cè)量的當(dāng)前溫度值，溫 度測(cè)量每 1s 進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測(cè)量一次被測(cè)溫度，其程序流程 如圖 41 所示： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 開(kāi)始 結(jié)束 圖 41 主程序流程圖