基于串口的溫度檢測數據單片機仿真

摘要：隨著單片機系統的廣泛應用和計算機網絡技術的普及，單片機的通信功能愈來愈顯得重要。單片機通信是指單片機與計算機或單片機與單片機之間的信息交換，通常單片機與計算機之間的通信用的較多。本文以溫度檢測數據為基礎，研究了單片機與PC 機的通信原理及電路的設計。

　　0 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。