引言
本文研究的是一種基于串口的溫度檢測數據收發模塊。利用DS18B20 溫度傳感器設計溫度監測模塊,精確到0.1℃,用液晶顯示當前溫度,然后通過串口調試助手向單片機發送指令。當單片機收到十六進制指令01時,將當前溫度值以1s 為間隔傳回PC 機顯示,同時PC 機顯示Turn on temp;當單片機收到十六進制指令02 時,停止溫度值的回傳,PC 機顯示Turn off temp;當單片機收到其它指令時,PC 機顯示Error。
1 總體設計
本系統功能由硬件和軟件兩大部份協調完成,硬件部分主要完成信息的顯示;軟件主要完成信號的處理及控制功能等。
本系統的硬件采用模塊化設計,以AT89C52 單片機為核心,與LCD 顯示電路、串行口通信電路及DS18B20 溫度檢測電路組成控制系統。該系統硬件主要包括以下幾個模塊:
AT89C52 主控模塊、LCD 顯示模塊、串行口通信模塊、DS18B20 溫度檢測模塊等。其中AT89C52 主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能,LCD 顯示模塊完成字符、數字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機和PC 機之間的通信功能,DS18B20 溫度檢測模塊主要完成環境溫度檢測功能。系統組成方框圖如圖1.1 所示。
圖1.1系統硬件組成方框圖
應用軟件采用模塊化設計方法。該系統軟件主要由主程序、串口接收發送數據中斷子程序、LCD 顯示子程序等模塊組成,系統軟件結構框圖如圖1.2 所示。
圖1.2系統軟件設計框圖。
2 系統工作原理
MCS-51 單片機串行口發送/接收數據時,通過2 個串行緩沖器SBUF 進行,這2 個緩沖器采用一個地址(98H),但在物理上是獨立的。其中接收緩沖器只能讀出不能寫入,50 發送緩沖器只能寫入不能讀出。
1. 發送過程
當數據被寫入SBUF 寄存器后,單片機自動開始從起始位發送數據,發送到停止位的開始時,由內部硬件將TI 置1,向CPU 申請中斷,接下來可在中斷服務程序中做相應處理,也可選擇不進入中斷。
2. 接收過程
串行口的接收與否受制于允許接收位REN 的狀態,當REN 被軟件置"1"后,允許接收器接收。串口的接收器以所選波特率的16 倍速對RXD 線進行監視。當"1"到"0"跳變時,檢測器連續采樣到RXD 線上低電平時。便認定RXD 端出現起始位,繼而接收控制器開始工作。在每位傳送時間的第7、8、9 三個脈沖狀態采樣RXD 線,決定所接收的值為"0"或"1".當接收完停止位后,控制電路使中斷標志R1置為"1".
3. 溫度檢測
溫度檢測采用DALLAS 最新單線數字溫度傳感器DS18B20,DS18B20 是一種新型的"一線器件",其體積更小,更適用于多種場合,且適用電壓更寬、更經濟。DALLAS 半導體公司的數字化溫度傳感器DS18B20 是世界上第一片支持"一線總線"接口的溫度傳感器。
溫度測量范圍為-55℃~+125℃,可編程為9 位~12位轉換精度,可分辨溫度分別為0.5℃,0.25℃,0.125℃和0.0625℃。在9 位分辨率時,最多在93.75ms 內把溫度轉換為數字;在12 位分辨率時,最多在750ms 內把溫度值轉換為數字。
3 溫度傳感器
3.1 溫度傳感器特性
DALLAS 最新單線數字溫度傳感器DS18B20[2]是一種新型的"一線器件",其體積更小,更適用于多種場合,且適用電壓更寬、更經濟。DALLAS 半導體公司的數字化溫度傳感器DS18B20 是世界上第一片支持"一線總線"接口的溫度傳感器。溫度測量范圍為-55℃~+125℃,可編程為9 位~12 位轉換精度,可分辨溫度分別為0.5℃,0.25℃,0.125℃和0.0625℃。在9 位分辨率時,最多在93.75ms 內把溫度轉換為數字;在12 位分辨率時,最多在750ms內把溫度值轉換為數字。DS18B20的性能特點如下:
1. 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信;
2. 多個 DS18B20 可以并聯在惟一的三線上,實現多點組網功能
3. 無須外部器件;
4. 可通過數據線供電,電壓范圍為3.0~5.5V;
5. 零待機功耗;
6. 溫度以 9 或12 位數字;
7. 用戶可定義報警設置;
8. 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度(溫度報警條件)的器件;
9. 負電壓特性,電源極性接反時,溫度計不會因發熱而燒毀,但不能正常工作;
DS18B02 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1 腳接地,2 腳作為信號線,3 腳接電源。另一種是寄生電源供電方式,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。
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,上拉開啟時間最大為10us.采用寄生電源供電方式時VDD 端接地。由于單線制只有一根線,因此發送接口必須是三態的。
圖 3.1 DS18B20 引腳圖
3.2 工作時序圖
1. 初始化
圖 3.2 初始化時序圖
1)先將數據線置高電平1;2) 延時(該時間要求不是很嚴格,但是要盡可能短一些);3) 數據線拉到低電平0;4) 延時 750us(該時間范圍可以在480~960us);5) 數據線拉到高電平1;6)延時等待。如果初始化成功則在15~60ms內產生一個由DS18B20 返回的低電平0,據該狀態可以確定它的存在。但是要注意,不能無限地等待,不然會使程序進入死循環,所以要進行超時判斷;7) 若 CPU 讀到數據線上的低電平0 后,還要進行延時,其延時時間從發出高電平算起最少要480us;8)將數據線再次拉到高電平后結束。
2. DS18B20 寫數據
圖3.3 寫數據時序圖
1) 數據線先置低電平0;
2)延時確定的時間為15us;
3) 按從低位到高位的順序發送數據(一次只發送一位);
4) 延時時間為 45us;
5) 將數據線拉到高電平1;
6) 重復 1)到5)步驟,直到發送完整個字節;
7)最后將數據線拉高到1.
3. DS18B20 讀數據
圖3.4 讀數據時序圖
1)將數據線拉高為1;
2) 延時 2us ;
3) 將數據線拉低0 ;
4) 延時 6us ;
5) 將數據線拉高1 ;
6)延時 4us ;
7) 讀數據線的狀態得到1 個狀態位,并且進行數據處理;
8) 延時 30us ;
9) 重復 1)到7)步,知道讀取完一個字節。
4 硬件設計
4.1 時鐘電路及復位電路
1.時鐘電路
時鐘電路可以產生CPU 校準時序,是單片機的控制核心,本次設計是通過外接12MHz的晶振來實現時鐘電路的時序控制。在使用片內振蕩器時,XTAL1 和XTAL2 分別為反向放大器的輸入端和輸出端。外接晶體以及電容C3 和C5 構成并聯諧振電路,接在放大器的反饋回路中。當用外部時鐘驅動時,XTAL2引腳應懸空,而由XTAL1引腳上的信號驅動,外部振蕩器通過一個2 分頻的觸發器而成為內部時鐘信號,故對外部信號的占空比沒有什么要求,但最小和最大的高電平持續時間和低電平持續時間應符合技術要求。電路如圖4.1 所示。
圖 4.1 晶振電路
2.空閑方式
在空閑方式下,CPU 的內部時鐘信號被門控電路所封鎖,CPU 即進入睡眠狀態,但內部時鐘信號仍繼續供給中斷系統,定時器和串行口。這種方式由軟件調用。在空閑方式期間,片內RAM和所有專用寄存器的狀態仍被保留,空閑方式可通過任何允許的中斷或硬件復位來終止。當空閑方式由硬件復位終止時,通常系統在空閑處恢復程序的執行。硬件復位只需要信號持續有效兩個機器周期。當用復位終止空閑方式時,為防止避免意外寫入端口引腳的可能性,調用空閑方式指令的下一條指令不應是寫端口引腳或外部存儲器。
3.掉電工作方式
在掉電方式下,片內振蕩器停止工作。調用掉電指令是執行的最后一條指令。片內RAM 和專用寄存器的值被保留,直到掉電方式終止。退出掉電方式只能靠硬件復位。復位后將重新定義所有專用寄存器,但不改變RAM 的內容。在VCC 未恢復到正常工作電壓之前,不能啟動復位,復位信號應保持足夠長的時間,以保證振蕩器的起振和達到穩定。
為了使單片機正常工作,還需要加入上電復位電路和掉電檢測電路。上電復位簡要原理:
在系統不需要復位時,RST端是低電平;按下按鍵,RST端變為高電平。
圖 4.2 上電復位電路
AT89C51、晶振電路與上電復位電路共同組成單片機最小系統,如圖4.3 所示。
圖 4.3 最小系統
4.2 溫度傳感器
圖4.4 DS18B20連線圖
從圖 4.4 可以看出,DS18B20 與單片機的連接非常簡單,單片機只需要一個I/O 口就可以控制DS18B20.這個圖的接法是單片機與一個DS18B20 通信,如果要控制多個DS18B20進行溫度采集,只要將所有的DS18B20 的I/O 口全部連接到一起就可以了。
4.3 LCD顯示模塊
顯示電路采用LCD1602 液晶顯示屏,P2 作為液晶8 位數據輸入端口。P1.0 口作為液晶數據/命令選擇端口,P1.1 為液晶使能端口。
圖 4.5 LCD 顯示模塊
4.4 串行口通信模塊設計
51 單片機有一個全雙工的串行通信口,使單片機和計算機之間可以方便地進行通信。
電平范圍是電路能夠安全可靠識別信號的電壓范圍。
CMOS 電路的電平范圍一般是從0 到電源電壓。CMOS 電平中,高電平(3.5~5V)為邏輯"1",低電平(0~0.8V)為邏輯"0".
RS232 接口的電平范圍是-15V 到+15V,RS232 電平采用負邏輯,即邏輯"1":-3~-15V,邏輯"0":+3~+15V.
單片機的串口是TTL 電平的,而計算機的串口是RS232 電平,要使兩者之間進行通信,兩者之間必須有一個電平轉換電路,即單片機的串口要外接電平轉換電路芯片把與TTL兼容的CMOS 高電平表示的1 轉換成RS232 的負電壓信號,把低電平轉換成RS-232 的正電壓信號。典型的轉換電路給出-9V 和+9V.
本設計中實現邏輯電平轉換可以采用MAX232 芯片的轉換接口:MAX232 是MAXIM公司生產的,包含兩路驅動器和接收器的RS-232 轉換芯片。MAX232 芯片內部有一個電壓轉換器,可以把輸人的+5V 電壓轉換為RS-232 接口所需的±10V 電壓,尤其適用于沒有±12V 的單電源系統。與此原理相同的芯片還有MAX202、AD 公司的ADDt101 以及SIL 公司的IC1232 芯片。
圖 4.6 MAX232 芯片引腳
由于 protues仿真時不需進行電平轉換,所以仿真時沒有用上MAX232 芯片電路,但做實物時需進行電平轉換,其硬件連線圖如圖4.7 所示。MAX232 芯片的T1in 引腳連接AT89C51 單片機的P3.1(TXD)引腳,MAX232 芯片的R1out 引腳連接AT89C51 單片機的P3.0(RXD)引腳;MAX232 芯片的T1out 引腳連接DB9 針接口的第2 引腳,MAX232 芯片的R1in 引腳連接DB9 針接口的第3 引腳。
圖4.7 電平轉換硬件連接圖
4.5 系統原理圖
由以上模塊化設計可得整個系統原理圖如圖4.8 所示:
圖4.8 系統原理圖
5 軟件設計
5.1 算法設計
編寫單片機異步通信程序步驟如下:
1. 設置串口工作方式
此時需對串行控制器SCON 中的SM0、SM1 進行設置。PC 機與單片機的通信中一般選擇串口工作在方式1 下。
2. 選擇波特率發生器
選擇定時器1或定時器2 做為其波特率發生器。
3. 設置定時器工作方式
當選擇定時器1 做為波特率發生器時,需設置其方式寄存器TMOD 為計數方式并選擇相應的工作方式(一般選擇方式2 以避免重裝定時器初值);當選擇定時器2 做為波特率發生器時,需將T2CON 設置為波特率發生器工作方式。
4. 設置波特率參數
影響波特率的參數有二,一是特殊寄存器PCON 的SMOD 位,另一個是相應定時器初值。
5. 允許串行中斷
因在程序中我們一般采有中斷接收方式,故應設EA=1、ES=1.
6. 允許接收數據
設置 SCON 中的REN 為1.表示允許串行口接收數據。
7. 允許定時/計數器工作
此時開啟定時/計數器,使其產生波特率8. 編寫串行中斷服務程序。
當有數據到達串口時,系統將自動執行所編寫的中斷服務程序。
9. 收/發相應數據
注意的是發送操作完成需將T1清零,接收工作完成后需將R1清零。
5.2 程序設計
5.2.1 主程序設計
主程序主要完成硬件初始化、子程序調用等功能。
1. 初始化。
首先調用 LCD 初始化程序,在LCD 上顯示數據"RECEIVE:"和"TEMP is: *C".
然后調用中斷及串口初始化子程序程序,把串口接收數據單元RECDATA 清零。設置寄存器SCON 的SM0、SM1 位定義串口工作方式,選擇波特率發生器為定時器T1;設定定時器T1 工作方式為方式2;設置波特率參數為9600bps;允許串行中斷及總中斷;允許串口接收數據,定義REN=1;啟動定時/計數器T1 工作,定義TR1=1.
2. 串口收發數據。
判斷串口成功接收數據標志位flag_uart 是否為0,若flag_uart 為0,表明串口未接收到數據,則繼續等待串口接收數據;若flag_uart 為1,表明串口成功接收或發送數據,進入串口中斷服務子程序,單片機接收數據,并將串口成功接收數據標志位flag_uart 清零,調用LCD 顯示接收數據子程序,在LCD 上顯示單片機從串口接收到的數據,同時回傳溫度值給PC機顯示。主程序設計流程圖如圖5.1 所示。
圖 5.1 主程序流程圖
5.2.2 串口中斷服務子程序
判斷串口發送標志位TI 是否為1,若TI 為1,則把數據從單片機發給PC 機,并把TI清零,中斷子程序返回;若TI為0,表明RI=0,則把串口接收標志位RI清零,把串口接收緩沖器SBUF 中的數據寫入串口接收數據單元RECDATA,再把該數據送到串口發送緩沖器SBUF 中,傳給PC 機,置串口成功接收數據標志位RECOKBIT 為1,表明串口成功接收發送數據,最后中斷子程序返回。串口收發數據中斷服務子程序設計流程圖如圖5.2 所示。
圖5.2 串口中斷服務子程序
5.2.3 讀溫子程序
讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM 中的9 字節,在讀出時需進行CRC 校驗,校驗有錯時不進行溫度數據的改寫。其程序流程圖如圖5.3 示。
圖5.3 讀溫子程序
5.2.4 溫度轉換命令子程序
溫度轉換命令子程序主要是發溫度轉換開始命令,當采用12 位分辨率時轉換時間約為750ms,在本程序設計中采用1s顯示程序延時法等待轉換的完成。溫度轉換命令子程序流程圖如上圖,圖5.4 所示。
圖5.4 溫度轉換流程圖
5.2.5 計算溫度子程序
計算溫濕度子程序將RAM 中讀取值進行BCD 碼的轉換運算,并進行溫度值正負的判定,其程序流程圖如圖5.5 所示。
圖5.5 計算溫度流程圖
5.2.6 顯示數據刷新子程序
顯示數據刷新子程序主要是對分離后的溫度顯示數據進行刷新操作,當標志位位為1時將符號顯示位移入第一位。程序流程圖如圖5.6 所示。
圖5.6 顯示數據刷新子程序
6 結論
本系統的硬件采用模塊化設計,以AT89C52 單片機為核心,與LCD 顯示電路、串行口通信電路及DS18B20 溫度檢測電路組成控制系統。該系統硬件主要包括以下幾個模塊:
AT89C52 主控模塊、LCD 顯示模塊、串行口通信模塊、DS18B20 溫度檢測模塊等。其中AT89C52 主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能,LCD 顯示模塊完成字符、數字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機和PC 機之間的通信功能,DS18B20 溫度檢測模塊主要完成環境溫度檢測功能。
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