電氣工程及其自動化畢業設計-ds18b20數字溫度計的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 留保 留保 留C R C1 字 節2 字 節3 字 節4 字 節5 字 節6 字 節7 字 節8 字 節9 字 節T H 用 戶 字 節 1T L 用 戶 字 節 2E2P R O M 圖 33 高速暫存 RAM 結構圖 T M R 1 R 0 1 1 1 1 1 圖 34 配置寄存器位定義 表 31 DS18B20 分辨率的定義和規定 R1 R2 分辨率 /位 溫度最大轉換時間 /ms 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 1 1 12 750 由表 31 可見， DS18B20 溫度轉換的時間比較長，而且設定的分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時間就越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。 高 速暫存 RAM 的第 8 字節保留未用，表現為全邏輯 1。第 9 字節是前面所有 8 字節的 CRC 碼，可用來檢驗數據，從而保證通信數據的正確性。 當 DS18B20 接 收 到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存 RAM 的第 2 字節中。 單片機可以通過單線接口讀出該數據。讀數據時，低位在先，高位在后，數據格式以 ℃ /LSB 形式表示。 溫度值格式如圖 35 所示。 太原理工大學陽泉學院 畢業設計說明書 7 232221202 12 22 32 4S S S S S 262524低 字 節高 字 節 圖 35 溫度數據值格式 圖中， S 表示符號位。當 S=0 時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當 S=1 時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制值。表 32 是部分溫度值對應的二進制溫度表示數據。 表 32 DS18B20 溫度與表示值對應表 溫度 /℃ 二進制表示 十六進制 表示 溫度 /℃ 二進制表示 十六進制 表示 +125 0000 0111 1101 0000 07D0H 0 0000 0000 0000 0000 0000H +85 0000 0101 0101 0000 0550H 1111 1111 1111 1000 FFF8H + 0000 0001 1001 0001 0191H 1111 1111 0101 1110 FF5EH + 0000 0000 1010 0010 00A2H 1111 1110 0110 1111 FE6FH + 0000 0000 0000 1000 0008H 55 1111 1100 1001 0000 FC90H DS18B20 完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與 RAM 中的 TH、 TL字樣的內容作比較，若 T＞ TH 或 T＜ TL，則將該器件內的報警標志位置位，并對主機發出的報警搜索命令作出響應。因此，可用多只 DS18B20 同時測量溫度并進行報警搜索。 在 64 位 ROM 的最高有效字節中存儲有循環冗余校驗碼（ CRC）。主機根據 ROM的前 56 位來計算 CRC 值，并與存入 DS18B20 的 CRC 值作比較，以判斷主機收到的ROM 數據是否正確。 3． DS18B20 的測溫原理 如圖 36 所示， 圖中低溫度系統振蕩器的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于生產固定頻率的脈 沖信號送給減法計數器 1；高溫系數振蕩器隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數器 2 的脈沖輸入。 太原理工大學陽泉學院 畢業設計說明書 8預 置低 溫 度 系 數 振 蕩 器 減 法 計 數 器 1斜 率 累 加 器計 數 比 較 器預 置溫 度 寄 存 器減 法 計 數 器 2高 溫 度 系 數 振 蕩 器 減 到 0減 到 0停 止增 加 圖 36 DS18B20 測溫原理圖 圖中還隱含著計數門，當計數門打開時， DS18B20 就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數，進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數 振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55℃ 所對應的一個基數分別置入減法計數 器 1 和溫度寄存器中，減法計數器 1 和溫度寄存器被預置在 55℃ 所對應的一個 基數值。 減法計數器 1 對低溫度系數振蕩器產生的脈沖信號進行減法計算，當減法計數器1 的預置 值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，減法計數器 1 的預置值將重新被裝入，并重新開始對低溫度系數振蕩器產生的脈沖信號進行計數。如此循環，直到減法計數器 2 計數到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值就是所測溫度值。圖 36 中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線形性，其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數門仍未關閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值達到被測溫度值。 另外，由于 DS18B20 單線通信功能 是分時完成的，有嚴格的時隙概念，因此讀 /寫時序很重要。系統對 DS18B20 的各種操作必須按協議進行。操作協議為：初始化DS18B20（發復位脈沖） → 發 ROM 功能命令 → 發存儲器操作命令 → 處理數據。 三、 DS18B20 與單片機的接口電路 DS18B20 可以采用兩種方式供電：一種是采用電源供電方式，此時 DS18B20 的第 1 腳接地，第 2 腳作為信號線，第 3 腳接電源；另一種是寄生電源供電方式，如圖37 所示。單片機端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20 時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個 MOSFET 管來完成對總線 的上拉。 太原理工大學陽泉學院 畢業設計說明書 9單片機V C C4 . 7 K ΩV C CD S 1 8 B 2 0 D S 1 8 B 2 0 D S 1 8 B 2 0 圖 37 DS18B20 采用寄生電源的電路圖 當 DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度 A/D 轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最長為 500ms。采用寄生電源供電方式時， VDD 和 GND 端均接地。由于單線制只有一根線，因此發送接口必須是三態的。 第 二 節 控制 模塊 的設計 一、控制 器的選擇 根據單片機的系統適用性、可開發性和制造商歷史及可購買性的三大選型原則，本設計采用 AT89C2051 單片機以保證系統具有高可靠性、高使用 壽命及可升級換代性。 二 、 AT89C2051 的主要功能特性 AT89C2051 是 Atmel 公司生產的帶 2K 字節閃速可編程、可擦除只讀存儲器（ EEPROM） 的 8 位單片機 ,它具有如下主要特性： 和 Inter MCS51 系列單片機兼容 ； 耐久性高， 1000 次寫 /擦除； ～ 6V的操作范圍； 全靜態操作， 0～ 24MHz； 兩級加密程序存儲器； 1288 位內部 RAM； 15 根可編程 I/O 引線； 兩個 16 位定時器 /計數器； 5 個中斷源； 可編程串行通用異步接受發送器 UART； 直接 LED 驅動輸出； 太原理工大學陽泉學院 畢業設計說明書 10 片內模擬比較器； 低功耗空載和掉電方式 。 三 、 AT89C2051 的引腳及其功能 AT89C2051 作為 AT89C51 的簡化版雖然去掉了 P0， P2 等端口，使 I/O 口減少了，但是卻增加了一個電壓比較器，因此其功能在某些方面反而有所增強。引腳圖如圖 38 所示。 RS T(R xD )P (Tx D )P XT AL 2XT AL 1(IN T0 )P (IN T1 )P (T0 )P (T1 )P GNDVccP P P P P P P1 .1(A IN 1)P1 .0(A IN 0)P 3124567891020191817161514131211 圖 38 AT89C2051 的引腳結構 引腳功能說明： Vcc： 電源電壓 GND： 接地 P1 口： P1 口是一個 8 位準雙向 I/O 端口。引腳 ～ 提供內部上拉電阻。 和 要求外部提供上拉電阻。 和 還可分別作為片內精密模擬比較器的同相輸入 （ AIN0） 端和反相輸入 （ AIN1） 端。 P1 口輸出緩沖器可吸收 20mA電流，并能直接驅動 LED 顯示。當 P1 口引腳寫入 “ 1” 時 ,其可用作輸入端。當引腳～ 用作輸入端并被外部拉低時 ,它們將因內部的上拉電阻而流出電流。 P1 口還在閃速和程序校驗期間接受代碼數據。 P3 口： P3 口的 ～ 、 是帶有內部上拉電阻的 7 個雙向 I/0 引腳。 用于固定輸入片內比較器的輸出信號并且它作為一通用 I/O 引腳 而不可訪問。 P3 口緩沖器可吸收 20mA 電流。當 P3 口引腳寫入 “ 1” 時 ,它們被內部上拉電阻拉高并可用作輸入端。在用作輸入端時 ,被外部拉低的 P3 口引腳將會在上拉電阻的作用下輸出電流。 P3 口還用于實現 AT89C2051 的各種功能，如下表 33 所示。 P3 口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 太原理工大學陽泉學院 畢業設計說明書 11 RST： 復位輸入。 RST 一旦變成高電平 ,所有的 I/O 端口就復位到 “ 1” 。當振蕩器正在運行時 ,持續給 RST 引腳兩個機器周期的高電平便可完成復位。每機器周期需12 個振蕩周期或時鐘周期。 XTAL1： 作為振蕩器反相 放大器的輸入和內部時鐘發生器的輸入。 XTAL2： 作為振蕩器反相放大器的輸出。 表 33 P3 口的功能 P3 口引腳 功能 RXD（ 串行輸入端口 ） TXD （ 串行輸出端口 ） 0??? （ 外部中斷 0） 1??? （ 外部中斷 1） T0（ 定時器 0 外部中斷 ） T1（ 定時器 1 外部中斷 ） 從上述引腳說明可看出， AT89C2051 沒有提供外部擴展存儲器與 I/O 設備所需的地址、 數據、控制信號，因此利用 AT89C2051 構成的單片機應用系統不能 在其 之外擴展存儲器或 I/O 設備，也即 AT89C2051 本身即構成了最小單片機系統。 四 、 時鐘電路的設計 時鐘電路對單片機而言是必需的。由于單片機內部是有各種各樣的數字電路邏輯器件（如觸發器、繼電器、存儲器等 ） 構成，這些數字器件的工作必須按時間順序完成 ， 這種時間順序就成為時序。時鐘電路就是提供單片機內部各種操作的時間基準的電路，時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機 的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性。常用的時鐘電路有兩種方式：一種是內部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。 本文采用的是內部時鐘方式。由 12MHz 晶振與兩個 30pF 的電容構成的時鐘電路作為整個時鐘計時器的時間基準，在此值得一提的是所選晶振的頻率必須與程序中所引用的時間基準頻率相致，這樣才能保證時鐘計時器的準確。 時鐘電路設計如 圖 39所示： 太原理工大學陽泉學院 畢業設計說明書 12 R S T1V c c20P 3 .02P 1 .719P 3 .13P 1 .618X T A L 24P 1 .517X T A L 15P 1 .416P 3 .26P 1 .315P 3 .37P 1 .214P 3 .48P 1 .113P 3 .59P 1 .012G N D10P 3 .711 A T 8 9 C 2 0 5 1 3 0 p F 3 0 p F1 2 M H z 圖 39 時鐘電路 工作原理： 單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端 為引腳 XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容，就構成一個穩定的自激振蕩器，這就是時鐘振蕩器。 這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構成并聯振蕩電路。對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作