温度测量与语音播报系统设计毕业论文.doc

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1、温度测量与语音播报系统设计Temperature measurement and voice broadcast system 【摘要】 本文设计了一个基于 51 单片机的温度测量和语音播报系统。该系统利用数字式温度传感器 DS18B20 测量环境温度，将测量到的温度值显示，并通过 APR9600 语音芯片 将温度值播报。该系统温度测量准确，系统结构简单、且抗干扰能力强。 【关键词】单片机；温度测量；语音播报；DS18B20；APR9600 【ABSTRACT】Temperature measurement in industrial and agricultural production a

2、nd is widely used in scientific research. This article is designed based on 51 single-chip temperature measurement and voice broadcast system. The system uses digital temperature sensor measuring ambient temperature DS18B20, The measured temperature display, by APR9600 broadcast voice chip temperatu

3、re. The system temperature measurement accuracy, the system is simple, and anti-jamming capability. 【KEYWORDS】SCM; temperature measurement; voice broadcast; DS18B20; APR9600 1.1 引言 绪论 温度是一个基本物理量。温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体， 其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。 自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工

4、农业生产，科学试验以及日常 生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。温度测量是现代检测技术的重要组成部分，在 保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。因此，能够确保快速、准确地测量温 度的技术及其装置普遍受到各国的重视。近年来，利用数字式温度传感器以实现温度信息的在线检 测已成为温度检测技术的一种发展趋势10。 随着电子技术的发展，将组成 CPU 的部件集成在一块半导体芯片上，这个具有 CPU 功能的大 规模集成电路芯片就称之为微处理器。把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中，使 电子系统具有可编程序的智能化特点，开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔大地。将微

5、处 理器、存储器、I/O 电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌入式技术的发展，单片机 是这种设计技术中的一个典型代表。单片机适用于测量和控制领域，它以芯片形式嵌入到电子产品 或系统中起到“电脑”作用。 本设计主要采用单片机 AT89S52 为控制核心， 通过 DS18B20 数字式温度传感器实现温度测量， 温度显示在数码管上，并控制语音芯片实现温度的播报。 1.2 温度测量技术现状及发展趋势 1.2.1 温度测量技术现状 随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的温度计 种类繁多，应用范围也较广泛。按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大

6、类9。 一：接触式温度测量技术 接触式测温法的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达 到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。 （1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。膨胀式测温是一种比较传统的温度测量方法，它主 要利用物质的热胀冷缩原理即根据物体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。膨胀式温度计结构简单，价格低廉，可直接读数，使用方便，并且由于是非电量测量方式，适用于防爆场合。但 准确度比较低，不易实现自动化，而且容易损坏。膨胀式温度计主要包括玻璃液体温度计、双金属 膨胀式温度计和压力式温度计。 （2）利用热电效应技术制成的热电式温

7、度计，此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电 偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起，当参考端和测量端有温差时，就会产生热电势，根据 该热电势与温度值关系就可以测量温度。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛检测元 件之一。 (3) 利用热阻效应技术制成的热电阻温度计。热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测 量的，导体的电阻值随温度的变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测量物体的温度，主要用于 -200-500温度范围内的温度测量。 (4) 利用石英晶体测温。石英温度传感器是以石英晶体的固有频率随温度而变化的特性来测量 温度的。石英晶体温度传感器稳定性很好，可用于高精度和高分辨率

8、的测量场合。 (5) 集成芯片式测温。随着电子技术的发展，可以将感温元件和相关电子线路集成在一个小芯 片上，构成一个小型化、一体化及多功能化的专用集成电路芯片，输出信号可以是电压、频率，或 者是总线数字信号，使用非常方便，适用于便携式设备。 二：非接触式温度测量技术 非接触式测温方法不需要与被测对象接触，因而不会干扰被测温度场的状态，测量仪器本身也 不会受温度场的损伤，动态响应特性一般也很好，但是会受到测量介质物性参数的影响。非接触式 温度计又可分为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计，由于它们都是以光辐射为基础，故 也称为辐射温度计。 1.2.2 温度测量技术的发展趋势 随着工业生产效率

9、的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，因而对温度测量技术的要求也 越来越高，对于温度测量技术的发展趋势可以归纳以下几方面11。 (1) 数字化：传统温度传感器输出的都是电压、电阻等模拟量，测量精度低。传感器与电子技 术相结合，可以实现模拟量转换为数字量输出，其最大优点是直观、分辨率高、测量误差小。 (2) 智能化：传统温度传感器的概念已从单纯的测量温度用的敏感元件发展为以温度传感器为 基础的测量系统，在集成化的基础上，具有信号测量、处理、存储、误差与自诊断能力，扩大了应 用范围，增强抗干扰能力，便于与计算机通讯。 (3) 高精度化：由于自动化程度的不断提高，对测量灵敏度高、精度高、响应速度快

10、的温度传感器需求较多。 (4) 扩大测量范围：现在工业上通用的温度检测范围为-20030000，而今后温度计要求能测 量超高温与超低温，尤其是极低温度的检测。 (5) 扩大测温对象：温度检测技术将会由点测温发展到点、线、面，甚至立体的测量。应用范 围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业等领域。 1.3 温度传感器的发展史 温度传感器使用范围广，种类多，大致经历了以下 3 个阶段8： （1）分立式温度传感器 主要是能够进行非电量和电量之间转换。传统的分立式温度传感器热电偶传感器。热电偶传 感器是工业测量中应用广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具

11、 有较高的精度，测量范围广，可从-501600进行连续测量。 （2）模拟集成温度传感器 模拟集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可 完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一、测温误差小、 价格低、响应速度快、体积小、功耗低等。 （3）数字温度传感器 数字温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动检测技术的结晶，目前已开发出多种数字温 度传感器系列产品。数字温度传感器内部包含温度传感器、A/D 传感器、信号处理器、存储器和接 口电路，有的产品还带多路选择器、中央控制器、随机存储器和只读存储器。数字温度传感器能输 出温度数据及相

12、关的温度控制量，适配于各种微控制器，并且可通过软件来实现测试功能，其智能 化取决于软件的开发水平。 社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从 模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及 安全性等方向迅速发展。 1.4 单片机 1.4.1 单片机的发展史 计算机的发展经历了从电子管到大规模集成电路等几个发展阶段，随着大规模集成电路技术的 发展，使计算机向性能可靠化、微型化、廉价化方向发展，从而出现了单片机。单片机可以定义为： 一种把微处理器（CPU） 、随机存取存储器（RAM） 、只读存储器（ROM） 、输入/

13、输出（I/O）接口 电路、定时器/计数器、串行通信接口及中断系统等部件集成在同一块芯片上的，具有完整功能的微 型计算机。 虽然单片机只有一块芯片，但从其组成和功能上来说，已具有了微型计算机系统的特性。若给 单片机配上适当的外围设备和软件，便可构成一个单片机的应用系统。随着单片机位数的提高，功 能的增强，由其构成的计算机应用系统的功能也日益增强，它一样可以配用显示器、打印机、绘图 仪等外围设备，一样可以联网，从而使单片机应用系统的应用范围更加广泛，它不仅可用于家用电 器中，还适用于信息与通信系统、实时控制、智能仪表、自动机床控制等领域。 1974 年 12 月，美国著名的仙童公司推出了世界上第一

14、台单片机 F8。该机由两块集成电路芯片 组成，结构新颖，并具有与众不同的指令系统，深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。从此 单片机开始迅速发展，应用范围也在不断扩大，现已成为微型计算机的重要分支。单片机的发展大 致经历了外围集成、总线完善、功能集成、全方位发展等技术发展阶段，至今已走过了四个阶段7。 1第一阶段（19741976） 单片机的初级阶段，以仙童公司的 F8 为代表。该时期生产的单片机的点是：字长为 4 位，内 部结构简单，制造工艺落后，集成度低。 2第二阶段（19761980） 单片机的技术成熟阶段。8 位单片机已经出现，以 Intel 公司的 MCS48 为代表。该系列的单

15、片机在片内已经集成了 8 位 CPU、并行 I/O 接口、8 位定时器/计数器、RAM 和 ROM 等功能部件， 但无串行 I/O 接口，寻址范围不大于 4KB。它性能低、品种少，应用范围也不广。 3第三阶段（19801983） 单片机的推广阶段，8 位单片机技术走向成熟。其技术特点是完善了外部总线，确立了单片机 的基本控制功能，以 Intel 公司的 MCS5l 为代表。该阶段的单片机均带有串行 I/O 口，且具有多 级中断处理系统。 定时器/计数器为 16 位， 片内的 RAM 和 ROM 容量相对较大， 寻址范围可达 64KB。 这一代单片机结束了计算机单片集成的简单形式，真正开创了单片

16、机作为微控制器的发展道路。 4第四阶段（1983至今） 这是 8 位高性能单片机和 16 位单片机并行发展的阶段。16 位单片机除了 CPU 为 16 位以外， 片内的 RAM 和 ROM 容量进一步增大。以 Intel 公司的 MCS96 系列为代表，且片内集成有高速I/O 部件、 多通道 10 位 A/D 转换器等， 网络通信能力也大大提高， 且可用于高速的控制系统。 当前， 单片机正朝着高性能和多品种方向发展。将进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性 能、低价格和外围电路内装化等几个方向发展。 1.4.2 单片机的特点 单片机有以下几个特点： （1）集成度高、体积小、有很

17、高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用 总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小， 对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 （2）控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令、I/O 口的逻辑操作以及位处理功能，其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次微型计算机。 （3）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。单片机大量应用于携带式产品和家用消费类产品， 低电压和低功耗的特性尤为重要。许多单片机已可在 2.2 V 的电压下运行，有的已能在 1.2 V 或 0.9 V 下工作。 （4）单片机规

18、格的系列化。属于同一个产品系列、不同型号的单片机，通常具有相同的内核、 相同或兼容的指令系统。其主要的差别仅在片内配置了一些不同或不同数量的功能部件，以适用不 同的被控对象。 （5）单片机的硬件功能具有广泛的通用性。同一种单片机可以在不同的控制系统中，只是其中 所配置的软件不同而已。也就是说，给单片机固化上不同的软件，便可形成用途不同的专用智能芯 片。 1.4.3 单片机的应用 单片机的应用范围很广，可以说覆盖了所有领域。其主要在智能仪器和控制中的应用。 （1）单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度， 简化仪器仪表的硬件结构，

19、提高其性价比。 （2）单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机 技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控 制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。 （3）单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等 各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使 系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。 （4）单片机在分布式系统中的

20、应用 在比较复杂的系统中，常采用分布式系统。分布式系统一般由若干个功能各异的单片机组成， 各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个 终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗 干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。 （5）单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电 器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、 舒适、丰富多彩。 综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单

21、片机应用的重要意 义还在于：从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法，以前必须由模拟电路或数字电路 实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称 为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。 1.5 小结 本章节主要介绍了温度测量技术的现状及发展趋势，传感器的发展和单片机的应用。温度测量 技术可以分为接触式测量和非接触式测量，两种方式各有优点，可以用在不同的场合下使用。温度 传感器发展经历了三个阶段，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性等方向迅速 发展。单片机以集成度高、体积小、控制功能强等优点被广泛使用，如在智能仪表、机电一体化、 分

22、布式系统中的应用。 2 方案论证 温度测量与语音播报系统的设计主要是在温度传感器的选择、语音芯片的选择和主控单元的设 计。 2.1 温度传传感器部分 方案一： 2.1.1 方案一：采用模拟输出温度传感器 若采用模拟温度温度传感器，比如 AD590，LM35 等，模拟温度传感器采集温度信号，则需要 设计信号调理电路、A/D 转换电路及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信 号送到计算机去处理，这样电路就相对复杂，还要考虑模拟电路的抗干扰问题。 方案二： 2.1.2 方案二：采用逻辑输出温度传感器 在某些场合，不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出了

23、所规定的范围， 则发出报警信号， 启动或关闭设备， 此时可以选择逻辑输出式温度传感器， LM56。 如 在本设计中，需要测量具体的环境温度值，要得到具体温度的数字量，所以不能使用此类传感器。 方案三： 2.1.3 方案三：采用二极管传感器 半导体材料和器件的许多性能参数，如电阻率，PN 结的反向漏电流和正向电压等，都与温度 有着密切的关系。一般电路中，温度会影响电路的稳定工作，所以尽量克服和避免。但半导体温度 传感器恰好利用半导体器件的某些性能参数与温度的关系，实现了对温度的检测、控制和补偿。二 极管温度传感器就是利用二极管的 PN 结的结电压随温度变化的原理工作的。这类传感器具有较好 的线性

24、度、尺寸小、响应快、灵敏度高，主要用在计算机和移动设备内。但价格就相对比较高，用 单片机控制起来也不方便。 方案四： 2.1.4 方案四：采用数字式温度传感器 DS18B20 采用单总线数字温度传感器 DS18B20 测量温度，直接输出数字信号，便于单片机处理及控制， 节省硬件电路。DS18B20 可以通过数据线供电，也可以通过外部电源供电，工作电压范围为 3.0 5.5V，适用于几乎所有的单片机。DS18B20 的最大特点之一就是采用了单总线的数据传输方式，用 一个线就能实现从机和主机之间的数据交换， 操作较为方便。 且可以将多个 DS18B20 并联在一条总 线上，这样实现了多点温度的测量

25、。综上所述，为了使电路尽量简单，控制尽量方便，测量出的温 度值尽量准确，本设计温度传感器采用 DS18B20。 2.2 主控部分 方案一： 2.2.1 方案一：采用 PC 机 PC 机可在线编程、可在线仿真，这让调试变得方便。CUP 的计算速度比单片机快，而且有良 好的人机交互界面， 但是 PC 机输出信号不能直接与 DS18B20 通信， 需要通过 RS232 电平转换兼容， 需要的硬件多，较为繁琐，很不简便。而且在一些环境比较恶劣的场合，PC 机的体积大、价格贵、 携带安装不方便、性能不稳定，给工程带来很多麻烦。 方案二： 2.2.2 方案二：采用 DSP 或 ARM 芯片 单片机叫 MC

26、U，微控制器，ARM 叫嵌入式微处理器，DSP 叫数字信号处理器，是专为高速度 的海量离散数字信号处理而发展的芯片。他们的发展需求不同导致了他们的内部系统资源和结构的 不同。比如，51 单片机是 8 位的，晶振最多 24M，ROM 有 4K，可用 RAM 少于 128 字节，软件主 要通过自己来编写；对于信号的处理，如对信号做 FFT，则选择 DSP；ARM 是 32 位的，主频一般 在几百 M，内存一般是以 G 为单位，现在的趋势是用于商业上的开发 ARM+LINUX。 51 单片机，ARM，DSP 都是嵌入式系统的核心芯片的选择，要根据控制对象来选择芯片。其 中要考虑项目的规模，效率的要求

27、，当然最主要的还是设计成本，DSP 和 ARM 价格相对比较高。 本设计中，主控芯片只需控制温度传感器和语音芯片，电路规模比较小，不需要大量的信号进行处 理，程序也较为简单，如使用 DSP 或 ARM 做主控芯片会大大增加成本和电路的复杂度。 方案三： 2.2.3 方案三：采用 51 单片机 本设计主控部分采用 AT89S52 八位单片机，它兼容标准 8051 指令系统及引脚，可烧写，可擦 处，可在线编程。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制， 而且体积小，硬件实现简单，安装方便。 Atmel 公司的 AT89S52 单片机，基本结构如下16： （1） 一个 8

28、 位算术逻辑单元（CPU） 。 （2） 4 组，共 32 个 I/O 口，每个引脚有专用指令，可以单独进行读/写操作。 （3） 三个 16 位定时/计数器。 （4） 全双工串行通信口。 （5） 6 个中断源，两级中断结构。 （6） 256 字节内置 RAM。 （7） 8K 在线可编程 Flash 存储器。 AT89S52 单片机的引脚排列如图 2-1。芯片共有 40 个引脚，各引脚功能如下： 1、 主电源引脚（2 根） VCC（40 脚） ：电源输入，接+5V 电源 GND（20 脚） ：接地线 2、 外部晶振引脚（2 根） XTAL1（19 脚） ：片内震荡电路的输入端 XTAL2（20 脚

29、） ：片内震荡电路的输出端 3、 控制引脚（4 根） RST/VPP（9 脚） ：复位引脚，引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/PROG（30 脚） ：地址锁存允许信号。 PSEN（29 脚） ：外部存储器读选通信号。 EA/VPP（31 脚） ：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电 平则从内部程序存储器读指令。 4、 可编程输入/输出引脚（32 根） AT89S52 单片机有 4 组 8 位的可编程 I/O 口，分别为 P0、P1、P2、P3 口，每个口有 8 位（8 根 引脚） ，共 32 根。每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交

30、通灯、霓虹灯等，开发产品时就 是利用这些可编程引脚来实现我们想要的功能。 本设计需要用到 15 个 I/O 口：1 根用来控制温度传感器，8 根用来控制 LED 数码管的段选，3 根用来控制位选，还有 3 根来语音芯片。 图 2-1 AT89S52 单片机的引脚排列 9 2.3 语音芯片部分 方案一： 2.3.1 方案一：采用 OTP 语音芯片 OTP 是指一次性可编程语音芯片， 语音只能烧写一次， 不能擦除， 适合应用在不需要修改语音、 语音长度短的场合。OTP 语音芯片的特点是单芯片方案、价格便宜，适合中小型批量生产。主要应 用在中低端玩具、电子琴、电动车等产品上。 方案二： 2.3.2

31、方案二：采用 WT588 语音芯片 WT588 系类语音芯片是广州创维科技有限公司和台湾华邦共同研发出来的集单片机与语音电 路与一体的可编程语音芯片，它有多种控制模式，包括按键控制模式，并口控制模式和串口控制模 式。WT588 缺点是不能现场录音，只能通过与电脑连接擦除和改写语音内容，本设计中需要通过外 部现场采集语音信息，所以不予采用。 2.3.3 方案三：采用 APR9600 语音芯片 方案三： APR9600 是继美国 ISD 公司以后采用模拟存储技术的又一款音质好、噪音低、不怕掉电、可反 复录放的新型语音芯片，单片电路可录放 60 秒，串行控制时可分 256 段以上，并行控制时最大可分

32、 8 段。它较 ISD 系列语音芯片易于控制且价格也较便宜，电路更为简单，能实现现场录音和可擦除 语音，所以采用 ARR9600 作为语音播报的芯片。 2.4 小结 本章中确定了系统的设计总方案，包括温度传感器，主控部分和语音部分的方案论证。传感器 部分采用数字式温度传感器 DS18B20，它是以单总线方式来传送数据的，控制方便且电路简单。主 控部分采用 AT89S52 单片机，不需要处理大量的数据，从成本上考虑采用单片机控制。语音部分采 用 ARP9600 语音芯片， 它的特点只需外围连接若干个电容和电阻就能组成一个语音录放电路， 并能 现场录音。 3 硬件电路设计 3.1 系统框图 系统的

33、主要功能包括：现场温度的采集，实时显示温度信息，实时语音播放。硬件设计主要包 括主控模块，温度测量模块，显示模块和语音播报模块。系统框图如图 3-1 所示。 图 3-1 系统框图 3.2 单片机的时钟电路和复位电路设计 单片机工作的时间基准是有时钟电路提供的。在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 两个管脚，接一个 晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。电路中，电容器 C1 和 C2 对振荡频率有微调作用，通 常的取值范围为（2040）PF。石英晶体选择 6MHz 或 12MHz 都可以，结果只是机器周期时间不 同，影响计数器的计数初值。本设计时钟电路晶振用 12M，电容用两个 20P 的。

34、 单片机的 RST 管脚为主机提供一个外部复位信号输入端口，复位信号是高电平有效，高电平有 效的持续时间应为 2 个机器周期以上，复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态。电阻电容的参 考值 R=10K?，C=10A，RET 按键选择轻触开关。 电路如图 3-2 所示。 VCC VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 VCC 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 10UF 10K + 12M p1.0 vcc p1.1 p0.0 p1.2 p0.

35、1 p1.3 p0.2 p1.4 p0.3 p1.5(mi) p0.4 p1.6(mo) p0.5 p1.7(sck) p0.6 rst p0.7 rxd 89S52 ea txd ale p3.2 psen p3.3 p2.7 p3.4 p2.6 p3.5 p2.5 p3.6 p2.4 p3.7 p2.3 xtal2 p2.2 xtal1 p2.1 gnd p2.0 20P 20P 图 3-2 时钟电路和复位电路 3.3 DS18B20 温度测量电路设计 3.3.1 单总线 目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有 I2C 总线、SPI 总线和 SCI 总线。其 中 I2C 总线

36、以同步串行 2 线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线） ，SPI 总线则以同步串行 3 线 方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线） ，而 SCI 总线是以异步方式进行 通信（一条数据输入线，一条数据输出线）的。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。 单总线（1-Wire）是 Dallas 公司的一项专有技术，与目前多数标准串行数据通信方式不同，它 采用单根信号线，即传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的。它具有节省 I/O 口资源、结 构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。单总线采用简单的通信协议，通过一条公共 数据线实现主控制器与一个或多个从机之间的半双

37、工、双向通信。 3.3.2 DS18B20 的单总线命令 根据 DS18B20 的通讯协议，单片机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤：第一步： 主机先发一个复位脉冲，使总线上的所有 DS18B20 都被复位。第二步：发送 ROM 操作指令，使序 列号编码匹配的 DS18B20 被激活，准备接受下面的 RAM 访问指令。第三步：RAM 访问指令控制 选中的 DS18B20 工作状态，完成整个温度转换，读取等工作。在 ROM 命令发送之前，RAM 命令 不起作用。 一：初始化 基于单总线上的所有传输过程是以初始化开始的，初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响 应的应答脉冲组成。应答

38、脉冲使主机知道总线上有从机设备，且准备就绪。 二：ROM 命令15 在主机检测到应答脉冲后， 就可以发出 ROM 命令， 这些命令与各个从机设备的唯一 64 位 ROM 代码相关，允许主机在单总线上连接多个从机设备时，指定操作某个从机设备。这些命令还允许主 机能够检测到总线上有多少个从机设备以及其设备类型，或者有没有设备处于报警状态。从机设备 可能支持 5 种 ROM 命令，每种命令长度为 8 位。主机在发出功能命令之前，必须送出合适的 ROM 命令。DS18B20 有 5 条 ROM 命令： （1）搜索 ROMF0h。当系统初始上电时，主机必须找出总线上所有从机设备的 ROM 代码， 这样主

39、机就能够判断出从机的数目和类型。主机通过重复执行搜索 ROM 循环以找出总线上所有的 从机设备。如果总线只有一个从机设备，则可以采用读 ROM 命令来替代搜索 ROM 命令。在每次 执行完搜索 ROM 循环后，主机必须返回至命令序列的第一步进行初始化。 （2）读 ROM33h。该命令仅使适用于总线上只有一个从机设备。它允许主机直接读出从机的 64 位 ROM 代码，而无须执行搜索 ROM 过程。如果该命令用于多个节点系统，则必然发生数据冲 突，因为每个从机设备都会响应该命令。 （3）匹配 ROM55h。匹配 ROM 命令跟随 64 位 ROM 代码，从而允许主机访问多节点系统中 某个指定的从机

40、设备。当从机完全匹配 64 位 ROM 代码时，才会响应主机随后发出的功能命令。其 它设备将处于等待复位脉冲状态。 （4）跳跃 ROMCCh。主机能够采用该命令同时访问总线上的所有从机设备，而无须发出任 何 ROM 代码信息。例如， 主机通过在发出跳越 ROM 命令后跟随转换温度命令44h，就可以同时 命令总线上所有的 DS18B20 开始转换温度， 这样大大节省了主机的时间。 值得注意， 如果跳越 ROM 命令跟随的是读暂存器BEh的命令（包括其它读操作命令） ，则该命令只能应用于单节点系统，否 则将由于多个节点都响应该命令而引起数据冲突。 （5）报警搜索ECh。除那些设置了报警标志的从机响

41、应外，该命令的工作方式完全等同于搜 索 ROM 命令。该命令允许主机设备判断那些从机设备发生了报警，如测量温度过高或过低等。同 搜索 ROM 命令一样，在完成报警搜索循环后，主机必须返回至命令序列的第一步进行初始化。 三：RAM 操作命令 DS18B20 有 6 条操作指令： （1）写 RAM 命令（4EH） 。写入开始地址位 TH，随后是 TL 和配置字节，所有写入操作必须 在 DS18B20 复位之前完成。 （2）读 RAM 命令（BEH） 。该命令从字节 0 开始，一直读完所有字节。 （3）复制暂存器命令（48H） 。将暂存器内容复制到片内 E2PROM 中。 （4）启动温度转换命令（4

42、4H） 。启动总线上的 DS18B20 进行温度转换。 （5）读 E2PROM 命令（B8H） 。将 E2PROM 内的数据回读 RAM。 （6）读供电模式命令（B4H） 。若是寄生电源，返回 0；若是外部电源，返回 1。 3.3.3 DS18B20 的概述 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司推出的一款智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比， 它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。可 以分别在 93.7750ms 内完成 912 位的数字量，并且从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信 息仅需要一根线读写，温度变换

43、功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 供电， 而无须额外电源。因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。它在测温精度、转换时 间、传输距离、分辨率等方面都给用户的使用带来了方便，效果也令人满意15。 单总线数字温度传感器 DS18B20 的特点如下： （1）独特的单线接口方式：DS18B20 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通信。 （2）在使用中不需要任何外围元件。 （3）可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5V。 （4）测温范围-55125。测温分辨率为 0.5。 （5）通过编程可实现 912 位的数字读数

44、方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 （7）支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。 （8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 DS18B20 的外形及管脚排列如图 3-3 所示。 图 3-3 DS18B20 的外形及管脚排列 DS18B20 的引脚定义： （1） DQ 为数字信号输入/输出端。 （2） GND 为电源地。 （3） VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） 。 3.3.4 DS18B20 的内部结构 DS18B20 内部结构主要由 64 位 ROM、温度灵敏元件、内部存储器和配置

45、寄存器四部分组成， 如图 3-4 所示。 图 3-4 DS18B20 内部结构 （1）64 位 ROM 64 位光刻 ROM 结构如下： 8 位 CRC 校验码 48 位序列号 8 位产品代码 64 位 ROM 的内容是 64 位序列号，是出厂前被光刻好的，它可以被看做是该 DS18B20 的地址 序列码，其作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。这一点很像每一个网卡芯片都有一个各不相同的 MAC 地址。这 64 位 ROM 的排列是：开 始 8 位是产品类型标号， 接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号， 最后 8 位

46、是前面 56 位的循环冗 余校验码。 （2）温度灵敏元件 温度灵敏元件完成对温度的测量，测量后的结果存储在两个字节的温度寄存器中，温度存储 器高位的前 5 位是符号位，当温度大于零时，这 5 位为 0，而当温度小于零时，这 5 位为 1。高位剩 下的 3 位和低位的前 4 位是温度的整数位，低位的后 4 位是温度的小数位，当温度大于零时它们以 原码的形式存储，而当温度小于零时以二进制的补码形式存储。当转换位数为 12 位时，温度的精度 为 0.0625，当转换位数为 11 位时，温度的精度为 0.125，依此类推。 DS18B20 的装换精度为 812 位可选，为了提高精度采用 12 位。在采

47、用 12 位转换精度时，温 度寄存器里的值是以 0.0625 为步进的，即温度值为温度寄存器里的二进制值乘以 0.0625，就是实际 的十进制温度值。 例如，当转换的最大值 07D0H 对应的温度是+125，则+25的数字输出为 0190H，-55的数 字输出为 FC90H。由此不难推出 DS18B20 的温度转换值和温度的对照表，如表 3-1 所示。 温度/ +125 +85 +25.0625 +10.125 +0.5 0 -0.5 -55 二进制数表示 0000 0111 1101 0000 十六进制数表示 07D0H 0550H 0191H 00A2H 0008H 0000H FFF8H

48、 FC90H 0000 0101 0101 0000 0000 0001 1001 0001 0000 0000 1010 0010 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1100 1111 1000 1001 0000 表 3-1 DS18B20 的温度转换值和温度的对照表 因为小数部分是半字节， 所以二进制值范围是 0F， 转换成小数值就是 0.0625 的倍数(015 倍)。 这样需要精确到小数点 4 位，实际不必有那么高的精确度，一般可以精确到 0.1。表 3-2 就是二进 制与十进制的近似对应关系表。 小数部分 0 二进制值 十进制值 0 0 1 1 2 3 3 4 5 5 6 6 7 8 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E