基于串口的溫度檢測數(shù)據(jù)單片機(jī)仿真

摘要：隨著單片機(jī)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，單片機(jī)的通信功能愈來愈顯得重要。單片機(jī)通信是指單片機(jī)與計算機(jī)或單片機(jī)與單片機(jī)之間的信息交換，通常單片機(jī)與計算機(jī)之間的通信用的較多。本文以溫度檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了單片機(jī)與PC 機(jī)的通信原理及電路的設(shè)計。

　　0 引言

　　本文研究的是一種基于串口的溫度檢測數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。利用DS18B20 溫度傳感器設(shè)計溫度監(jiān)測模塊，精確到0.1℃，用液晶顯示當(dāng)前溫度，然后通過串口調(diào)試助手向單片機(jī)發(fā)送指令。當(dāng)單片機(jī)收到十六進(jìn)制指令01時，將當(dāng)前溫度值以1s 為間隔傳回PC 機(jī)顯示，同時PC 機(jī)顯示Turn on temp;當(dāng)單片機(jī)收到十六進(jìn)制指令02 時，停止溫度值的回傳，PC 機(jī)顯示Turn off temp;當(dāng)單片機(jī)收到其它指令時，PC 機(jī)顯示Error。

　　1 總體設(shè)計

　　本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部份協(xié)調(diào)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(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計，以AT89C52 單片機(jī)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(tǒng)。該系統(tǒng)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(shù)字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機(jī)和PC 機(jī)之間的通信功能，DS18B20 溫度檢測模塊主要完成環(huán)境溫度檢測功能。系統(tǒng)組成方框圖如圖1.1 所示。

　　圖1.1系統(tǒng)硬件組成方框圖

　　應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計方法。該系統(tǒng)軟件主要由主程序、串口接收發(fā)送數(shù)據(jù)中斷子程序、LCD 顯示子程序等模塊組成，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2 所示。

　　圖1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖。

　　2 系統(tǒng)工作原理

　　MCS-51 單片機(jī)串行口發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時，通過2 個串行緩沖器SBUF 進(jìn)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(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出。

　　1. 發(fā)送過程

　　當(dāng)數(shù)據(jù)被寫入SBUF 寄存器后，單片機(jī)自動開始從起始位發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送到停止位的開始時，由內(nèi)部硬件將TI 置1,向CPU 申請中斷，接下來可在中斷服務(wù)程序中做相應(yīng)處理，也可選擇不進(jìn)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(tài)，當(dāng)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(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)"1"到"0"跳變時，檢測器連續(xù)采樣到RXD 線上低電平時。便認(rèn)定RXD 端出現(xiàn)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(tài)采樣RXD 線，決定所接收的值為"0"或"1".當(dāng)接收完停止位后，控制電路使中斷標(biāo)志R1置為"1".

　　3. 溫度檢測

　　溫度檢測采用DALLAS 最新單線數(shù)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(jīng)濟(jì)。DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)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(zhuǎn)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(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；在12 位分辨率時，最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

3 溫度傳感器

　　3.1 溫度傳感器特性

　　DALLAS 最新單線數(shù)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(jīng)濟(jì)。DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)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(zhuǎn)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(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；在12 位分辨率時，最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)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(jìn)行通信；

　　2. 多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能

　　3. 無須外部器件；

　　4. 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0~5.5V;

　　5. 零待機(jī)功耗；

　　6. 溫度以 9 或12 位數(shù)字；

　　7. 用戶可定義報警設(shè)置；

　　8. 報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；

　　9. 負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)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(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20 時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET 管來完成對總線的上拉。

　　當(dāng) DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度A/D 轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強(qiáng)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(fā)送接口必須是三態(tài)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(shù)據(jù)線置高電平1;2） 延時（該時間要求不是很嚴(yán)格，但是要盡可能短一些）；3） 數(shù)據(jù)線拉到低電平0;4） 延時 750us（該時間范圍可以在480~960us）；5） 數(shù)據(jù)線拉到高電平1;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。但是要注意，不能無限地等待，不然會使程序進(jìn)入死循環(huán)，所以要進(jìn)行超時判斷；7） 若 CPU 讀到數(shù)據(jù)線上的低電平0 后，還要進(jìn)行延時，其延時時間從發(fā)出高電平算起最少要480us;8）將數(shù)據(jù)線再次拉到高電平后結(jié)束。

　　2. DS18B20 寫數(shù)據(jù)

　　圖3.3 寫數(shù)據(jù)時序圖

　　1） 數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)（一次只發(fā)送一位）；

　　4） 延時時間為 45us;

　　5） 將數(shù)據(jù)線拉到高電平1;

　　6） 重復(fù) 1）到5）步驟，直到發(fā)送完整個字節(jié)；

　　7）最后將數(shù)據(jù)線拉高到1.

　　3. DS18B20 讀數(shù)據(jù)

　　圖3.4 讀數(shù)據(jù)時序圖

　　1）將數(shù)據(jù)線拉高為1;

　　2） 延時 2us ;

　　3） 將數(shù)據(jù)線拉低0 ;

　　4） 延時 6us ;

　　5） 將數(shù)據(jù)線拉高1 ;

　　6）延時 4us ;

　　7） 讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1 個狀態(tài)位，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；

　　8） 延時 30us ;

　　9） 重復(fù) 1）到7）步，知道讀取完一個字節(jié)。

　　4 硬件設(shè)計

　　4.1 時鐘電路及復(fù)位電路

　　1.時鐘電路

　　時鐘電路可以產(chǎn)生CPU 校準(zhǔn)時序，是單片機(jī)的控制核心，本次設(shè)計是通過外接12MHz的晶振來實現(xiàn)時鐘電路的時序控制。在使用片內(nèi)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(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。當(dāng)用外部時鐘驅(qū)動時，XTAL2引腳應(yīng)懸空，而由XTAL1引腳上的信號驅(qū)動，外部振蕩器通過一個2 分頻的觸發(fā)器而成為內(nèi)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(xù)時間和低電平持續(xù)時間應(yīng)符合技術(shù)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(nèi)部時鐘信號被門控電路所封鎖，CPU 即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但內(nèi)部時鐘信號仍繼續(xù)供給中斷系統(tǒng)，定時器和串行口。這種方式由軟件調(diào)用。在空閑方式期間，片內(nèi)RAM和所有專用寄存器的狀態(tài)仍被保留，空閑方式可通過任何允許的中斷或硬件復(fù)位來終止。當(dāng)空閑方式由硬件復(fù)位終止時，通常系統(tǒng)在空閑處恢復(fù)程序的執(zhí)行。硬件復(fù)位只需要信號持續(xù)有效兩個機(jī)器周期。當(dāng)用復(fù)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(diào)用空閑方式指令的下一條指令不應(yīng)是寫端口引腳或外部存儲器。

3.掉電工作方式

5.2 程序設(shè)計

　　5.2.1 主程序設(shè)計

　　主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能。

　　1. 初始化。

　　首先調(diào)用 LCD 初始化程序，在LCD 上顯示數(shù)據(jù)"RECEIVE:"和"TEMP is: *C".

　　然后調(diào)用中斷及串口初始化子程序程序，把串口接收數(shù)據(jù)單元RECDATA 清零。設(shè)置寄存器SCON 的SM0、SM1 位定義串口工作方式，選擇波特率發(fā)生器為定時器T1;設(shè)定定時器T1 工作方式為方式2;設(shè)置波特率參數(shù)為9600bps;允許串行中斷及總中斷；允許串口接收數(shù)據(jù)，定義REN=1;啟動定時/計數(shù)器T1 工作，定義TR1=1.

　　2. 串口收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　判斷串口成功接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位flag_uart 是否為0,若flag_uart 為0,表明串口未接收到數(shù)據(jù)，則繼續(xù)等待串口接收數(shù)據(jù)；若flag_uart 為1,表明串口成功接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)入串口中斷服務(wù)子程序，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，并將串口成功接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位flag_uart 清零，調(diào)用LCD 顯示接收數(shù)據(jù)子程序，在LCD 上顯示單片機(jī)從串口接收到的數(shù)據(jù)，同時回傳溫度值給PC機(jī)顯示。主程序設(shè)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(wù)子程序

　　判斷串口發(fā)送標(biāo)志位TI 是否為1,若TI 為1,則把數(shù)據(jù)從單片機(jī)發(fā)給PC 機(jī)，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(biāo)志位RI清零，把串口接收緩沖器SBUF 中的數(shù)據(jù)寫入串口接收數(shù)據(jù)單元RECDATA,再把該數(shù)據(jù)送到串口發(fā)送緩沖器SBUF 中，傳給PC 機(jī)，置串口成功接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位RECOKBIT 為1,表明串口成功接收發(fā)送數(shù)據(jù)，最后中斷子程序返回。串口收發(fā)數(shù)據(jù)中斷服務(wù)子程序設(shè)計流程圖如圖5.2 所示。

　　圖5.2 串口中斷服務(wù)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(jié)，在讀出時需進(jìn)行CRC 校驗，校驗有錯時不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換命令子程序

　　溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用12 位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms,在本程序設(shè)計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如上圖，圖5.4 所示。

　　圖5.4 溫度轉(zhuǎn)換流程圖

　　5.2.5 計算溫度子程序

　　計算溫濕度子程序?qū)AM 中讀取值進(jìn)行BCD 碼的轉(zhuǎn)換運算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)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(shù)據(jù)刷新子程序

　　顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對分離后的溫度顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)標(biāo)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(shù)據(jù)刷新子程序

　　6 結(jié)論

　　本系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計，以AT89C52 單片機(jī)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(tǒng)。該系統(tǒng)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(shù)字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機(jī)和PC 機(jī)之間的通信功能，DS18B20 溫度檢測模塊主要完成環(huán)境溫度檢測功能。

　　在掉電方式下，片內(nèi)振蕩器停止工作。調(diào)用掉電指令是執(zhí)行的最后一條指令。片內(nèi)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(fù)位。復(fù)位后將重新定義所有專用寄存器，但不改變RAM 的內(nèi)容。在VCC 未恢復(fù)到正常工作電壓之前，不能啟動復(fù)位，復(fù)位信號應(yīng)保持足夠長的時間，以保證振蕩器的起振和達(dá)到穩(wěn)定。

　　為了使單片機(jī)正常工作，還需要加入上電復(fù)位電路和掉電檢測電路。上電復(fù)位簡要原理：

　　在系統(tǒng)不需要復(fù)位時，RST端是低電平；按下按鍵，RST端變?yōu)楦唠娖健?/font>