《單片機應(yīng)用技術(shù)》課件第4章

項目4溫度采集系統(tǒng)設(shè)計4.1項目要求

4.2理論知識

4.3項目分析及實施

4.4項目總結(jié)習(xí)題

4.1項目要求

本項目要求使用溫度傳感器設(shè)計溫度采集系統(tǒng)，在3個數(shù)碼管上顯示當(dāng)前采集到的環(huán)境溫度(0～99.9℃)。當(dāng)環(huán)境溫度低于某個溫度(自由設(shè)定)或高于某個溫度(自由設(shè)定)時，蜂鳴器發(fā)出報警聲，并伴隨發(fā)光二極管連續(xù)閃爍。

項目重難點：

(1)溫度傳感器與單片機的接口電路設(shè)計；

(2)單線總線的工作原理；

(3)DS18B20的各種操作命令；

(4)DS18B20的供電方式及有關(guān)電路。技能培養(yǎng)：

(1)掌握溫度傳感器DS18B20的接口電路設(shè)計方法；

(2)掌握編寫各種延時程序?qū)崿F(xiàn)時隙要求的方法；

(3)掌握DS18B20的程序控制方法；

(4)掌握傳感器在單片機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

4.2理論知識

4.2.1傳感器的定義

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

4.2.2傳感器的功能

傳感器的功能與人類五大感覺器官相比擬：光敏傳感器對應(yīng)于人類視覺；聲敏傳感器對應(yīng)于人類聽覺；氣敏傳感器對應(yīng)于人類嗅覺；化學(xué)傳感器對應(yīng)于人類味覺；壓敏、溫敏、流體傳感器對應(yīng)于人類觸覺。4.2.3傳感器的分類

傳感器按其工作原理可分為2類。

(1)物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。

(2)化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。

傳感器按其輸出信號可分為4類。

(1)模擬傳感器：將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。

(2)數(shù)字傳感器：將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號。

(3)膺數(shù)字傳感器：將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出。

(4)開關(guān)傳感器：當(dāng)一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。

4.2.4溫度傳感器

溫度傳感器是各種傳感器中最常用的一種，是利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。按溫度的測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。圖4-1所示的是幾種常見的溫度傳感器。圖4-1常見的溫度傳感器接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。溫度計通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度，一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差。

非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。 4.3項目分析與實施

1.任務(wù)要求和分析

1)任務(wù)要求

使用溫度傳感器設(shè)計溫度采集系統(tǒng)，要求如下：

(1)在4個數(shù)碼管上顯示當(dāng)前采集到的環(huán)境溫度(0～99.9℃)。

(2)當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃時，蜂鳴器報警，并伴隨接在P1.0引腳的LED燈D4點亮。

(3)當(dāng)環(huán)境溫度高于30℃時，蜂鳴器報警，并伴隨接在P1.1引腳的LED燈D5點亮。

(4)當(dāng)環(huán)境溫度高于20℃與30℃之間時，接在P1.7引腳上的LED燈D11點亮。

2)任務(wù)分析

在硬件電路設(shè)計方面，主要是溫度傳感器與單片機的接口問題，這由選用的溫度傳感器決定，若溫度傳感器的輸出量是模擬信號，則需要在單片機與傳感器之間連接A/D轉(zhuǎn)換芯片，因為單片機只能接收數(shù)字信號。溫度數(shù)據(jù)的顯示加上小數(shù)點需要4位數(shù)碼管，所以適合采用動態(tài)顯示。

在軟件程序設(shè)計方面，數(shù)碼管動態(tài)顯示的程序已經(jīng)在項目2中介紹，所以這里主要還是介紹如何從溫度傳感器那里獲取溫度數(shù)據(jù)。

2.器件及設(shè)備選擇

本項目的核心器件是單片機和溫度傳感器，至于溫度顯示(數(shù)碼管顯示)和報警(蜂鳴器)在前面的項目中已經(jīng)詳細介紹過，這里不再介紹。單片機選用STC公司常用芯片STC89C52，它完全可以滿足本項目中采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需要。所以關(guān)鍵問題是溫度傳感器的選擇。

目前常見的溫度傳感器有PT100、AD590、LM135/235/335，MAX6625/6626、DS18B20等溫度傳感器。

PT100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0℃時，它的阻值為100Ω，在100℃時它的阻值約為138.5Ω。

AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為3～30V，輸出電流223μA(－50℃)～423

μA(+150℃)，靈敏度為1μA/℃。

LM135/235/335系列是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)生產(chǎn)的一種高精度易校正的集成溫度傳感器，工作特性類似于齊納穩(wěn)壓管，其反向擊穿電壓與熱力學(xué)溫度成正比，屬于電壓輸出式精密集成溫度傳感器，電壓溫度系數(shù)為+10mV/K。

MAX6625是美國Maxim公司生產(chǎn)的一種新型智能溫度傳感器。MAX6625將溫度傳感器、9位A／D轉(zhuǎn)換器、可編程溫度界限報警和I2C總線串行接口集成在同一個芯片中。溫度范圍都是(－55～＋125)℃，分辨率可達0.5℃。

DS18B20是美國DALLAS(達拉斯)公司生產(chǎn)的一款超小體積、超低硬件開銷，抗干擾能力強、精度高、附加功能強的數(shù)字溫度傳感器。有9～12位可編程分辨率，溫度范圍為(－55～＋125)℃，固有測溫分辨率為0.5℃。獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。

PT100、AD590、LM135/235/335都是模擬溫度傳感器，與微處理器連接時，需要先通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，接口電路較為復(fù)雜。MAX6625溫度傳感器與微處理器的接口電路雖較為簡單，但是依然不如DS18B20溫度傳感器。故這里選用DS18B20溫度傳感器。

DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它接線方便，封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合，主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理。

DS18B20傳感器的主要特性如下：

(1)適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍為3.0～5.5V，寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供給。

(2)獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。

(3)DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。

(4)DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。

(5)溫度范圍為(－55～＋125)℃，在(－10～+85)℃時精度為±0.5℃。

(6)可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫。

(7)在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度很快。

(8)測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。

(9)負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

DS18B20傳感器的應(yīng)用范圍如下：

(1)冷凍庫、糧倉、儲罐、電信機房、電力機房、電纜線槽等測溫和控制領(lǐng)域。

(2)軸瓦、缸體、紡機、空調(diào)等狹小空間工業(yè)設(shè)備的測溫和控制。

(3)汽車空調(diào)、冰箱、冷柜以及中低溫干燥箱等。

(4)供熱、制冷管道熱量計算、中央空調(diào)分戶熱能計量等。

1)DS18B20引腳介紹

DS18B20的封裝有2種，一種TQ-92直插式(使用最多最普遍的封裝)，如圖4-2(a)所示，一種八腳SOIC貼片式，如圖4-2(b)所示。表4-1列出了DS18B20的引腳定義。圖4-2

DS18B20的封裝

2)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS18B20內(nèi)部主要由以下幾部分組成：64位光刻ROM、高速緩存RAM(Scratchpad)、溫度傳感器、非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器(EEPROM)，如圖4-3所示。表4-1

DS18B20的引腳定義圖4-3

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)每一個DS18B20有一個唯一的64位光刻ROM編碼，這64位ROM碼在出廠前已經(jīng)做好，包含三部分信息，如圖4-4所示，開始的低8位是產(chǎn)品的系列編碼(DS18B20是10h)，中間的48位是唯一的序列號，最后高8位是低56位的CRC校驗碼，用戶只能讀出ROM編碼不能對其修改,這相當(dāng)于我們的身份證號碼一樣。正是因為每個DS18B20都有一個唯一的序列號，所以多個DSl8B20可以存在于同一條單線總線上，當(dāng)主機需要對某個DS18B20控制時，先發(fā)出“匹配ROM”的指令，隨后發(fā)出64位ROM編碼，若某個DS18B20的ROM編碼與主機發(fā)來的ROM編碼一致，則會做出響應(yīng),其余DS18B20等待復(fù)位脈沖。圖4-4

DS18B20的ROM編碼

DS18B20內(nèi)部存儲器如圖4-5所示，包括一個9B的高速暫存RAM(Scratchpad)和一個3B非易失性的電可擦除ROM(EEPROM)。9B的高速RAM中，第1、2個字節(jié)存放溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信息，上電初始值分別為50h、05h。第3、4個字節(jié)存放用戶設(shè)置的高溫和低溫報警值，第5個字節(jié)是配置寄存器，存放用戶設(shè)置的溫度分辨率，第3、4、5這三個字節(jié)的內(nèi)容每次上電時被刷新。第6、7、8個字節(jié)是存放內(nèi)部計算結(jié)果的暫存單元。第9個字節(jié)為前8個字節(jié)的CRC碼。非易失性EEPROM是高速RAM第3、4、5三個字節(jié)內(nèi)容的鏡像。用戶可以將設(shè)置的溫度報警值和分辨率通過指令復(fù)制到EEPROM中，也可以將EEPROM中的數(shù)據(jù)復(fù)制到高速RAM的相應(yīng)單元。圖4-5

DS18B20內(nèi)部存儲器高速暫存RAM中第1、2個字節(jié)中溫度數(shù)據(jù)的格式如圖4-6所示。溫度值以二進制補碼的形式存放。出廠默認配置為12位(bit)分辨率，高5位為符號位，S=0時，表示溫度值為正；S=1時表示溫度值為負。CPU讀取數(shù)據(jù)時，一次會讀取2B，讀完后將低11位的二進制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)，再乘以0.0625才得到實際溫度值。DS18B20的溫度與數(shù)據(jù)關(guān)系如表4-2所示。圖4-6

DS18B20溫度數(shù)據(jù)的存儲格式表4-2

DS18B20的溫度與數(shù)據(jù)關(guān)系表高速暫存RAM中，第5個字節(jié)配置寄存器各位的含義如表4-3所示。DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。溫度分辨率與最大轉(zhuǎn)換時間如表4-4所示。表4-3配置寄存器字節(jié)各位的定義表4-4溫度分辨率與最大轉(zhuǎn)換時間

3.任務(wù)實施

1)溫度采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

DS18B20最大的特點是采用單總線技術(shù)，即它與單片機之間只需要一條數(shù)據(jù)線就可以進行通信。目前常用的單片機與外設(shè)之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€主要有I2C，SPI和SCI總線。其中I2C總線以同步串行二線方式進行通信，即一條時鐘線，一條數(shù)據(jù)線；SPI總線以同步串行三線方式進行通信，一條數(shù)據(jù)輸入線，一條數(shù)據(jù)輸出線和一條時鐘線；SCI總線則是以異步方式進行通信，一條數(shù)據(jù)輸入線和一條數(shù)據(jù)輸出線，這三種方式都需要至少2條或2條以上的信號線。而DS18B20使用單線技術(shù)與上述幾種總線不同，它采用單條信號線，即可傳輸時鐘，又可雙向收發(fā)數(shù)據(jù)，因而這種單線技術(shù)具有線路簡單，硬件開銷小，成本低廉，便于總線擴展和維護的特點。單總線適用于單個主器件系統(tǒng)控制一個或多個從器件的場合。當(dāng)單總線上只有一個從器件時，可按照單節(jié)點方式操作。

DS18B20有兩種供電方式：外部電源和寄生電源。

在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85℃。外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。寄生電源簡單說就是器件從單線數(shù)據(jù)中“竊取”電源，在信號線為高電平的時間周期內(nèi)，把能量儲存在內(nèi)部電容器中，在單信號線為低電平的時期內(nèi)斷開此電源，直到信號線為高電平，重新接上寄生(電容)電源為止。

獨特的寄生電源方式有三個好處：

(1)進行遠距離測溫時，無需本地電源；

(2)可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取ROM；

(3)電路更加簡潔，僅用一根I/O口實現(xiàn)測溫。寄生電源供電時VDD、GND接地，DQ引腳接單片機I/O口線，此時需要外接5KΩ左右的上拉電阻。要想使DS18B20進行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達到1mA，當(dāng)幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進行多點測溫時，只靠上拉電阻就無法提供足夠的能量，會造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。因此，寄生電源只適應(yīng)于單一溫度傳感器測溫情況下使用。并且工作電源VCC必須保證在5

V，當(dāng)電源電壓下降時，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會使溫度誤差變大。本任務(wù)中單片機P2.3和DS18B20的引腳DQ連接，作為單一數(shù)據(jù)線，R14為單線DQ的上拉電阻，保證提供足夠的溫度轉(zhuǎn)換電流。具體電路連接圖如圖4-7所示。顯示部分電路和蜂鳴器報警電路不再重復(fù)列出。圖4-7硬件原理圖

2)溫度采集系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

DS18B20在硬件上與單片機的接線非常簡單，但是對其控制的軟件開銷卻很大。對DS18B20的控制必須嚴格按照其通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，

DS18B20通信協(xié)議具體步驟如下：

步驟1：初始化；

步驟2：ROM命令；

步驟3：存儲器操作命令；

步驟4：處理/數(shù)據(jù)。

(3)DS18B20的初始化(復(fù)位)、讀寫數(shù)據(jù)時序。由于DS18B20只有一條數(shù)據(jù)線，所有的數(shù)據(jù)都是串行傳送，所以必須嚴格按照時序來傳送數(shù)據(jù)。DS18B20的時序主要有三種：初始化時序、讀一位二進制數(shù)時序、寫一位二進制數(shù)時序。

DS18B20初始化(復(fù)位)時序如圖4-8所示。初始化具體過程為：

①控制器先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”。

②延時(該時間要求不是很嚴格，但要盡可能短一點)。

③控制器將數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”。

④延時480～960μs。

⑤控制器再次將數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”。圖4-8

DS18B20初始化時序⑥延時等待。如果初始化成功，則在15～60ms內(nèi)產(chǎn)生一個由DS18B20返回的低電平“0”，據(jù)該狀態(tài)可以確定它的存在。但注意，不能無限等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時判斷。

⑦若控制器讀到數(shù)據(jù)線上的“0”電平后，還要進行延時，其延時的時間從發(fā)出高電平算起(即第⑤步的時間算起)至少要480μs。

⑧控制器將數(shù)據(jù)線再次拉到高電平“1”后，初始化結(jié)束。

DS18B20寫一位二進制數(shù)的時序如圖4-9所示。寫數(shù)據(jù)具體過程為：

①控制器置數(shù)據(jù)線低電平“0”。

②延時15μs。

③控制器送出需要寫的數(shù)據(jù)，DS18B20采樣數(shù)據(jù)線，在15～45μs之內(nèi)讀走數(shù)據(jù)。

④延時約45μs；

⑤控制器將數(shù)據(jù)線再次拉到高電平“1”。

⑥只要重復(fù)①～⑤步驟8次，就可以寫完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)(按照從送低位到高位的順序)。

⑦所有數(shù)據(jù)寫完之后，將數(shù)據(jù)線拉高到“1”。圖4-9

DS18B20寫數(shù)據(jù)時序

DS18B20讀一位二進制數(shù)的時序如圖4-10所示。讀數(shù)據(jù)具體過程為：

①控制器將數(shù)據(jù)線拉高到“1”。

②延時約2μs。

③控制器將數(shù)據(jù)線拉低到“0”。

④延時至少1μs。

⑤控制器將數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”(釋放數(shù)據(jù)線)。

⑥延時約6μs(等待DS18B20將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線上)。

⑦控制器讀走數(shù)據(jù)線上的值。

⑧延時約30μs。

⑨重復(fù)①～⑦步驟，直到讀取完一個字節(jié)。圖4-10

DS18B20讀數(shù)據(jù)時序

(4)程序流程圖、源代碼及其程序分析。

①本任務(wù)中的程序流程圖如圖4-11所示。圖4-11溫度采集