曲阜師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 黨德瑞

1.引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，微型化、集成化、數(shù)字化正成為傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向，而采用新型數(shù)字溫度傳感器大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。數(shù)字溫度傳感器DS18B20具有獨(dú)特的單總線接口，僅需要占用一個(gè)通用I/0端口即可完成與微處理器的通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。由于DS18B20芯片的小型化，可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接。

2.整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)是由單片機(jī)控制的，要能夠?qū)崿F(xiàn)接收傳感器的數(shù)據(jù)并將所接受的數(shù)據(jù)顯示出來，可以從鍵盤輸入命令，系統(tǒng)根據(jù)所鍵入的命令，選擇對(duì)應(yīng)的傳感器，并經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)溫度顯示。設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)的，方便的單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量和顯示的任務(wù)。

圖1 AT89C51的硬件結(jié)構(gòu)圖

3.硬件選擇

3.1 傳感器的選擇

傳感器DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型溫度傳感器。DS18B20的最大優(yōu)點(diǎn)是采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20和單片機(jī)AT89C51構(gòu)成的測(cè)度裝置，可以直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)到微控制器。每個(gè)DS18B20具有一個(gè)獨(dú)有的不可修改的64位序列號(hào)，根據(jù)序列號(hào)可訪問不同的器件，這樣一條總線上可掛接多個(gè)DS18B20傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量。DS18B20傳感器有如下特點(diǎn)：

(1)單總線接口，可方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。

(2)每一個(gè)芯片都有唯一的一個(gè)64位光刻的ROM注冊(cè)碼，家族碼為28H。

(3)無(wú)需外部器件，可通過數(shù)據(jù)線供電，電源電壓范圍：3.0V～5.0V。

(4)以此作為檢測(cè)元件，測(cè)溫范圍是-55℃～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，測(cè)量精度可達(dá)±0.5℃。

(5)分辨率為可編程的9～12位(包括一位符號(hào)位)，對(duì)應(yīng)的可分變溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。

(6)DS18B20的轉(zhuǎn)換時(shí)間與所設(shè)定的分辨率有關(guān)。當(dāng)設(shè)定為9位時(shí)，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.75ms，當(dāng)設(shè)定為12位時(shí)，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為750ms。

(7)溫度數(shù)據(jù)有2個(gè)字節(jié)組成。

(8)內(nèi)部含有EEPROM，其報(bào)警上下限溫度值和設(shè)定的分辨率在掉電的情況下不丟失。

3.2 單片機(jī)的選擇

本課題選用的控制模塊是AT89C51單片機(jī)，AT89C51單片機(jī)是一種低電壓，低功耗，高性能的8位FLASH單片機(jī)。單片機(jī)的特點(diǎn)是體積小，功能強(qiáng)，可靠性高，功耗低，價(jià)格低廉，片內(nèi)含有2Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器，并且可以兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)。

4.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路如圖所示，主要是以AT89C51單片機(jī)為核心的控制部分，由四個(gè)DS18B20溫度傳感器，LED數(shù)碼管顯示，鍵盤，復(fù)位電路，報(bào)警電路等部分組成。

4.1 測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的是分布式測(cè)溫系統(tǒng)，要用到多個(gè)DS18B20溫度傳感器，采集的溫度數(shù)據(jù)眾多，首先要弄清楚傳感器的序列號(hào)，以便準(zhǔn)確、有效地對(duì)每個(gè)溫度進(jìn)行尋址。每個(gè)傳感器都有唯一的64位產(chǎn)品序列號(hào)。由溫度傳感器DS18B20采集的被測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)，不用經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，可以直接傳給AT89C51單片機(jī)，由單片機(jī)的P3.7口作為數(shù)據(jù)的輸入端口，在AT89C51單片機(jī)內(nèi)有4KB閃爍可擦除、可編程的只讀存儲(chǔ)器，128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，可直接推動(dòng)LED數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。DS18B20由VCC提供電源，連接一個(gè)4.7K的上拉電阻，傳感器的DQ腳直接連接到單片機(jī)的P1.0口。溫度測(cè)量部分的電路就連接好了。圖2為DS18B20與單片機(jī)的連接電路圖。

圖2 DS18B20與單片機(jī)的連接電路圖

4.2 鍵盤部分電路

通過鍵盤鍵入要顯示的測(cè)量點(diǎn)的傳感器的序列號(hào)，當(dāng)其中一個(gè)按鍵被按下時(shí)，INT0就會(huì)接收到一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)，單片機(jī)的外部中斷會(huì)被激活，我們會(huì)檢測(cè)到P0～P3口的信號(hào)跳變，從而確定是那個(gè)按鍵被按下。當(dāng)單片機(jī)接受到具體的中斷信號(hào)時(shí)，就會(huì)讀取在初始化時(shí)已經(jīng)按序列號(hào)編碼的對(duì)應(yīng)序列號(hào)的DS18B20傳感器中的溫度數(shù)據(jù)，完成溫度數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)讀取。

4.3 顯示電路

該部分電路主要使用了移位寄存器芯片74LA164和七段數(shù)碼管。單片機(jī)通過I2C總線將要顯示的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到移位寄存器芯片74LS164寄存起來，再由移位寄存器控制數(shù)碼管的顯示，從而實(shí)現(xiàn)移位寄存點(diǎn)亮數(shù)碼管，數(shù)碼管顯示所接收的數(shù)據(jù)。

4.4 報(bào)警電路的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)所測(cè)量的溫度值達(dá)到所設(shè)定溫度的上下限時(shí)，所接受的信號(hào)可觸發(fā)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。單片機(jī)通過三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出警笛聲，選擇了壓電式蜂鳴器。圖3為報(bào)警電路電路圖。

圖3 報(bào)警電路電路圖

5.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本課題的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是在單片機(jī)的控制下完成多點(diǎn)溫度的測(cè)量，并將溫度值顯示，超過上下限溫度值報(bào)警的功能。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能必須經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：傳感器DS18B20采集的各點(diǎn)的溫度信號(hào)傳遞給單片機(jī)，在鍵盤的鍵入選擇下，顯示所指定編號(hào)的傳感器的溫度值，并將溫度值通過數(shù)碼管顯示出來，若溫度超過所設(shè)定的上下限范圍則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，發(fā)出報(bào)警。

5.1 主程序

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測(cè)量的溫度值，測(cè)量每1s進(jìn)行一次，當(dāng)系統(tǒng)初始上電時(shí)，單片機(jī)必須找出總線上所有傳感器的ROM代碼，這樣單片機(jī)就能夠判斷出傳感器的數(shù)目和類型。

5.2 讀出溫度子程序

讀出溫度子程序主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時(shí)需要進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。DS18B20的讀時(shí)序分讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過程。讀時(shí)序是主機(jī)先把單總線拉低，之后的15us內(nèi)必須釋放單總線，以便將數(shù)據(jù)傳送到單總線上。

5.3 顯示電路程序設(shè)計(jì)

我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能接收到溫度信號(hào)，還要將溫度信號(hào)顯示出來。對(duì)于輸入的溫度信號(hào)的顯示是用了移位寄存器芯片74LS164。當(dāng)串行輸入端任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端CLOCK)脈沖上升沿作用下Q0為低電平。當(dāng)串行輸入端有一個(gè)為高電平時(shí)，則另一個(gè)就允許數(shù)據(jù)輸入，并在CLOCK上升沿作用下決定Q0的狀態(tài)。

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