徐麗麗 楊 風(fēng) 李 健

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常普遍而又十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。而且在我們的日常生活中也使用微波爐、電烤箱、電熱水器、空調(diào)等家用電器，溫度與我們息息相?？梢姕囟瓤刂齐娐窂V泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，所以對溫度進(jìn)行控制是非常有必要和有意義的。

1 溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)是以89C52單片機(jī)為核心，智能溫度傳感器DS18B20為控制對象，用七段數(shù)碼管顯示當(dāng)前室內(nèi)溫度，當(dāng)當(dāng)前室內(nèi)溫度高于20攝氏度時(shí)，發(fā)光二極管就會(huì)點(diǎn)亮報(bào)警。美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20采用單線協(xié)議，即與單片機(jī)接口僅需占用一個(gè)I/O端口，無需任何外部元件，直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，以數(shù)字碼方式串行輸出，從而大大簡化了傳感器與微處理器的接口。鑒于DS18B20比傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，本文采用的溫度傳感器正是DS18B20。

1.2 DS18B20與89C52單片機(jī)的硬件連接

DS18B20與89C52單片機(jī)的硬件連接圖是用仿真工具畫的。從圖1可以看出，DS18B20和單片機(jī)的連接非常簡單，單片機(jī)只需要一個(gè)I/O口就可以控制。Vcc管腳接+5V電壓給傳感器供電。I/O管腳與89C52單片機(jī)的P2.2引腳相連，GND管腳接地。溫度傳感器DS18B20將被測溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。顯示模塊由3個(gè)共陰極的七段數(shù)碼管組成。所有數(shù)碼管的陰極，即標(biāo)有a，b，c，d，e，f，g，h的引腳全部連接在一起，然后與U1元件74HC753鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端相連，鎖存器的輸入端連接單片機(jī)的P0口，P0口同時(shí)加上了上拉電阻。數(shù)碼管中的WE1，WE2，WE3是它們的位選端，每一個(gè)數(shù)碼管對應(yīng)一個(gè)位選端，與U2元件74HC573的數(shù)據(jù)輸出端相連，U2的數(shù)據(jù)輸入端也連接到單片機(jī)的P0口。兩個(gè)鎖存器的鎖存端與單片機(jī)的P2.6和P2.7相。報(bào)警模塊由一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成。發(fā)光二極管一端接電源，并連接1k歐姆的電阻限流，另一端受單片機(jī)的P1.0腳控制。當(dāng)測得的溫度高于20時(shí)，發(fā)光二極管會(huì)點(diǎn)亮進(jìn)行報(bào)警。這個(gè)系統(tǒng)的工作是在程序的控制下，完成對傳感器的讀寫和對溫度的顯示。

圖1 基于89C52的溫度測控系統(tǒng)硬件連接圖

1.3控制器對DS18B20的操作流程

1.3.1 初始化

圖2 初始化時(shí)序圖

結(jié)合圖2的時(shí)序圖，可以得知，DS18B20的初始化過程：給DS18B20單總線至少480微秒的低電平信號(hào)，當(dāng)接收到此復(fù)位信號(hào)后，則會(huì)在15~60微秒后回發(fā)一個(gè)芯片的存在脈沖。至此，通信雙方已經(jīng)達(dá)成了基本的協(xié)議，接下來將會(huì)是控制器與DS18B20間的數(shù)據(jù)通信。

1.3.2 控制器發(fā)送ROM命令

ROM指令有5條，每一個(gè)工作周期只能發(fā)一條，ROM 指令分別是讀ROM數(shù)據(jù)（33H）、指定匹配芯片（55H）、跳躍ROM（CCH）、芯片搜索（F0H）、報(bào)警芯片搜索（ECH）。本文設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)只接了單個(gè)DS18B20芯片，因此可以跳過ROM指令（注意：此處指的跳過ROM指令并非不發(fā)送ROM 指令，而是用特有的一條“跳過指令”）。

1.3.3 控制器發(fā)送存儲(chǔ)器操作命令

存儲(chǔ)器操作指令有6條，分別是寫RAM數(shù)據(jù)（4EH）、讀RAM數(shù)據(jù)（BEH）、將 RAM 數(shù)據(jù)復(fù)制到 EEPROM（48H）、溫度轉(zhuǎn)換（44H）、將EEPROM中的報(bào)警值復(fù)制到 RAM（B8H）、工作方式切換（B4H）。存儲(chǔ)器操作指令的功能是命令DS18B20 做什么樣的工作，是芯片控制的關(guān)鍵。

1.3.4 控制器處理數(shù)據(jù)

寫時(shí)間隙分為寫“0”和寫“1”，時(shí)序如圖3。在寫數(shù)據(jù)時(shí)間隙的前15微秒，總線需要是被控制器拉置低電平，而后則將是芯片對總線數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間，采樣時(shí)間在15 ~60 微秒，采樣時(shí)間內(nèi)如果控制器將總線拉高則表示寫“1”，如果控制器將總線拉低則表示寫“0”。每一位的發(fā)送都應(yīng)該有一個(gè)至少15 微秒的低電平起始位，隨后的數(shù)據(jù)“0”或“1”應(yīng)該在45 微秒 內(nèi)完成。整個(gè)位的發(fā)送時(shí)間應(yīng)該保持在60 ~120 微秒，相鄰兩個(gè)寫時(shí)隙必須要有至少1微秒的恢復(fù)時(shí)間，否則不能保證通信的正。

圖3 寫數(shù)據(jù)時(shí)序圖

讀時(shí)間隙也是必須先由主機(jī)產(chǎn)生至少1微秒的低電平，表示讀時(shí)間的起始。隨后在總線被釋放后的15微秒中DS18B20 會(huì)發(fā)送內(nèi)部數(shù)據(jù)位，這時(shí)控制器如果發(fā)現(xiàn)總線為高電平表示讀出“1”，如果總線為低電平則表示讀出數(shù)據(jù)“0”。每一位的讀取之前都由控制器加一個(gè)起始信號(hào)。注意：如圖4 所示，必須在讀間隙開始的15微秒內(nèi)讀取數(shù)據(jù)位才可以保證通信的正確。

圖4 讀數(shù)據(jù)時(shí)序圖

若要讀出當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個(gè)周期為復(fù)位、跳過ROM指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器操作指令、等待500 微秒溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間。緊接著執(zhí)行第二個(gè)周期為復(fù)位、跳過ROM指令、執(zhí)行讀RAM 的存儲(chǔ)器操作指令、讀數(shù)據(jù)。

2 溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)程序流程圖

2.2 溫控系統(tǒng)的部分軟件設(shè)

2.2.1 DS18B20的初始化函數(shù)

2.2.2 讀寫一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)函

2.2.3 讀取溫度并計(jì)算函數(shù)

3 結(jié)論

圖6 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

根據(jù)圖6（1）（2）所示，早晨測得室內(nèi)的溫度是18.8度，旁邊的第一個(gè)發(fā)光二極管沒有亮；快接近中午時(shí)，測得的溫度是20.4度，旁邊的發(fā)光二極管點(diǎn)亮報(bào)警。本設(shè)計(jì)的目的是當(dāng)室內(nèi)溫度高于20度時(shí)點(diǎn)亮二極管報(bào)警。很明顯，該設(shè)計(jì)的方案是成功的。

[1] 農(nóng)靜.單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8B20 原理及應(yīng)用[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，（25）：120-122.

[2] 趙晶.Protel99 高級(jí)應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2000,156-160

[3] 柳春鋒. Protel99 SE 實(shí)用教程[M].北京：高等教育出版社，2007,110-112

[4] 周月霞，孫傳友．DSl8820 硬件連接與軟件編程[J].傳感器世界，2001（12）：25-29.

[5] 胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)（第二版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004,49-51

[6] 易麗華.基于AT89C51單片機(jī)與DS18B20的溫度測量系統(tǒng)[J]. 電子與封裝，2008，（5），41-42

[7] 譚浩強(qiáng).C 語言程序設(shè)計(jì)（第二版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999,

[8] 郭天祥.51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011,349-352