魏慧竹

(沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽 110035)

基于DS18B20的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏慧竹

(沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽 110035)

1 DS18B20的工作原理

DS18B20的讀寫時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s 減為750ms。 DS18B20測(cè)溫原理如圖3所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì) 低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重 新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。

由于DS18B20采用的是1－Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)AT89S51單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對(duì)DS18B20芯片的訪問。

由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。

2 AT89C52簡(jiǎn)介

低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K BytesISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及AT89C52引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元。

3 數(shù)碼管顯示電路

發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極管類似。它使用了8個(gè)LED發(fā)光二極管，其中7個(gè)顯示字符，1個(gè)顯示小數(shù)點(diǎn)，故通常稱之為7段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器，為了顯示字符，要為 LED顯示器提供段碼（或稱字形代碼），組成個(gè)“8”字形的7段，再加上1個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段。共陽極接法：把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時(shí)公共陽極接+5 V, 每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陽極端輸入低電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平時(shí)則不點(diǎn)亮。

本設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼管顯示電路，該顯示電路由7段共陽數(shù)碼管，限流電阻，三極管，基極電阻，P0口，P2口等組成。P0口通過與電阻排與數(shù)碼管的8個(gè)數(shù)據(jù)位相連，送顯示數(shù)碼。電阻即可起到限流作用，又可起到上拉電阻的作用。P2口的P2.0～P2.3通過4個(gè)10kΩ的電阻和4個(gè)三極管與4個(gè)7段數(shù)碼管相連，起位選的作用。

溫度報(bào)警電路是檢測(cè)當(dāng)前溫度的值并與預(yù)置的溫度上下限進(jìn)行比較，當(dāng)當(dāng)前溫度超出預(yù)置的溫度上下限時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。此設(shè)計(jì)的溫度報(bào)警電路是由聲光報(bào)警電路組成，用到了蜂鳴器和LED發(fā)光二極管。

4 DS18B20復(fù)位檢測(cè)子程序流程

主機(jī)控制DS18B20完成任何操作之前必須先初始化，即主機(jī)發(fā)一復(fù)位脈沖(最短為480us的低電平)，接著主機(jī)釋放總線進(jìn)入接收狀態(tài)，DS18B20在檢測(cè)到I/O引腳上的上升沿之后，等待15-60us然后發(fā)出存在脈沖(60-240us的低電平)。

DS18B20復(fù)位檢測(cè)子程序的主要功能為檢測(cè)DS18B20是否存在。若存在則將標(biāo)志位FLAG1置1，反則置0.后續(xù)程序可以通過判斷標(biāo)志位來決定進(jìn)行何種操作。

溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令，當(dāng)采用12位分辨率時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為750ms。

寫時(shí)間片：將數(shù)據(jù)從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號(hào)。在15us之內(nèi)將所需寫的位送到數(shù)據(jù)在線，在15us到60us之間對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣，如果采樣為高電平，就寫1，如果為低電平，寫0就發(fā)生。在開始另一個(gè)寫周期前必須有1us以上的高電平恢復(fù)期。

讀時(shí)間片：主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平1us以上，再使數(shù)據(jù)線升為高電平，從而產(chǎn)生讀起始信號(hào)。主機(jī)在讀時(shí)間片下降沿之后15us內(nèi)完成讀位。每個(gè)讀周期最短的持續(xù)期為60us,各個(gè)讀周期之間也必須有1us以上的高電平恢復(fù)期。如圖5-8.

讀溫度子程序只讀出DS18B20緩存器前4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)：溫度值LSB溫度值MSB、溫度報(bào)警值TH和TL，并將它們分別存入25H～28H單元中。

溫度計(jì)算子程序首先判斷溫度值MSB的符號(hào)位，當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正，可以直接將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位S=1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。計(jì)算時(shí)先將溫度值LSB的低四位取出，進(jìn)行小數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理。再將溫度值LSB的高四位和溫度值MSB的低四位取出，重新組合后進(jìn)行整數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理。

5 調(diào)試與仿真

軟件的仿真是用的Proteus ISIS，是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。將設(shè)計(jì)的電路圖連接好，將程序加入到AT89C52中，進(jìn)行仿真，和多次的修改，最終得到預(yù)測(cè)的結(jié)果。

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1007-6344（2017）05-0124-01