单片机串行通信发射机的设计.doc

图书分类号 密 级 毕业设计 论文 单片机串行通信发射机的设计 THE DESIGN OF SINGLECHIP SERIAL COMMUNICATION TRANSMITTER 学生学号 学生姓名 学院名称信电工程学院 专业名称电子信息工程技术 指导教师 2010 年6 月3 日 徐州工程学院毕业设计 论文 II 摘要 温度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一 随着传感器在生产和生 活中的更加广泛的应用 利用新型单总线式数字温度传感器实现对温度的测试与控制得 到更快的开发 本文设计了一种基于 AT89C51 的温度检测及报警系统 该系统将多个单 总线温度传感器 DS18B20 并接在控制器的一个端口上 对各个传感器温度进行循环采集 将采集到的温度值与设定值进行比较 当超出设定的上限温度时 通过 ISD1420 语音电路 给出语音提示及报警信号 文中给出了单根数据线上扩展多个温度传感器的设计方法 并 给出了系统实现的硬件原理图及软件流程图 经实验测试表明 该系统测量精度高 抗干 扰能力强 报警及时准确 具有一定的参考价值 该系统设计和布线简单 结构紧凑 体 积小 重量轻 抗干扰能力强 性价比高 扩展方便 在大型仓库 工厂 智能化建筑 等领域的多点温度检测中有广阔的应用前景 关键词关键词 数字温度传感器 单总线 通信协议 DS18B20 AT89C2051 LED 显示器 报警 信号 徐州工程学院毕业设计 论文 III Abstract Temperature detection and control of industrial production process one of the more typical applications with sensors in production and life is more widely used using a new single bus digital temperature sensor to achieve the test and control the temperature more rapidly development this paper is designed based on AT89C51 temperature detection and alarm systems The system will be more than a single bus temperature sensor DS18B20 and connected to a port on the controller the temperature sensors on each loop collection the temperature will be collected to compare with the set value when the temperature exceeds the upper limit set through the ISD1420 voice circuit gives voice prompts and alarm signal In this paper a single data lines extend multiple temperature sensor design methods and gives the system implementation of hardware and software flow diagram The experimental tests show that this high accuracy strong anti interference ability alarm timely and accurate with a certain reference value The system design and layout simple and compact structure small size light weight anti jamming capability cost effective to expand convenience in large warehouses factories construction and other areas of intelligent multi point temperature measurement in a wide range of applications prospects Key words digital temperature sensor single bus communication protocols DS18B20 AT89C2051 LED display alarm signal 徐州工程学院毕业设计 论文 IV 目目 录录 1 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 温度检测与及报警系统的国内外状况 1 1 3 温度参数 温度检测和语音报警 3 1 3 1 温度参数 3 1 3 2 温度检测 3 1 3 3 语音报警 3 2 系统总体设计方案 4 2 1 单片机语音温度报警系统的总体设计 4 2 2 系统的基本工作过程 5 3 单片机温度控制和语音报警系统硬件设计 6 3 1 温度控制和报警主机 6 3 1 1 主控制单片机 6 3 1 2 AT89S51 特点 6 3 1 3 AT89S51 主要功能特性 7 3 1 4 温度检测和报警主机硬件电路设计 7 3 1 4 单片机及复位键控制模块 10 3 2 语音电路 12 3 2 1 ISD1420 芯片简述 12 3 2 2 芯片引脚介绍 13 3 2 3 芯片工作原理 13 3 2 4 芯片工作模式 13 3 2 5 语音电路设计 14 3 3 DS18B20 芯片简介 14 3 3 1 温度传感器的历史及简介 14 3 3 2 DS18B20 性能特点与内部结构 15 3 3 3 DS18B20 工作时序 19 3 3 4 DS18B20 的操作协议 21 3 3 5 DS18B20 序列号编码 23 3 3 6 DS18B20 的测温原理 24 3 3 7 DS18B20 的测温流程 25 3 3 8 DS18B20 数据校验与纠错 25 3 3 9 DS18B20 在测温系统中的应用 27 徐州工程学院毕业设计 论文 V 3 3 10 测温系统的硬件工作原理 27 3 3 11 注意事项 28 4 软件设计 30 4 1 设计思路 30 4 2 程序设计 31 4 2 1 主程序 31 4 2 2 读出温度子程序 32 4 2 3 温度转化命令子程序 33 4 2 4 计算温度子程序 33 4 2 5 显示数据刷新子程序 34 4 2 6 LED 显示程序模块 34 5 系统调试 36 5 1 硬件调试 36 5 1 1 硬件静态的调试 37 5 1 2 系统硬件调试 37 5 2 软件调试 37 5 3 软硬联调 37 结 论 38 致 谢 39 参考文献 40 附 录 41 徐州工程学院毕业设计 论文 1 1 绪论 1 1 课题背景 测量控制的作用是从生产现场中获取各种参数 运用科学计算的方法 综合各种先 进技术 使每个生产环节都能够得到有效的控制 不但保证了生产的规范化 提高产品 质量 降低成本 还确保了生产安全 所以 测量控制技术已经被广泛应用于炼油 化 工 冶金 电力 电子 轻工和纺织等行业 随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展 其稳定 安全 高效 经济等优点十分突 出 所以其应用也十分广泛 单片机已经无处不在 与我们生活息息相关 并且渗透到 生活的方方面面 单片机的特点是体积较小 也就是其集成特性 其内部结构是普通计算机系统的简 化 增加一些外围电路 就能够组成一个完整的小系统 单片机具有很强的可扩展性 它具有和普通计算机类似的 强大的数据处理功能 通过使用一些科学的算法 可以获 得很强的数据处理能力 所以单片机在工业中应用中 可以极大地提高工业设备的智能 化 数据处理能力和处理效率 而且单片机无需占用很大的空间 随着温度检测理论和技术的不断更新 温度传感器的种类也越来越多 在微机系统 中使用的传感器 必须是能够将非电量转换成电量的传感器 目前常用的有热电偶传感 器 热电阻传感器和半导体集成传感器等 每种传感器根据其自身特性 都有它自己的 应用领域 本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比 具有读数方便 测温范围广 测 温准确 其输出温度采用数字显示 主要用于对测温比较准确的场所 或科研实验室使 用 该设计控制器使用单片机 AT89S51 测温传感器使用 DS18B20 用 3 位共阳极 LED 数 码管以串口传送数据 实现温度显示 能准确达到以上要求 1 2 温度检测与及报警系统的国内外状况 温度是一个非常重要的物理量 因为它直接影响燃烧 化学反应 发酵 烘烤 煅烧 蒸馏 浓度 挤压成形 结晶以及空气流动等物理和化学过程 温度控制失误就可能引起 生产安全 产品质量 产品产量等一系列问题 因此对温度的检测的意义就越来越大 温 度采集控制系统在工业生产 科学研究和人们的生活领域中 得到了广泛应用 在工业生 产过程中 很多时候都需要对温度进行严格的监控 以使得生产能够顺利的进行 产品的 质量才能够得到充分的保证 使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制 保证生产的自动化 智能化能够顺利 安全进行 从而提高企业的生产效率 温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的 嵌入式系统虽然起源于 徐州工程学院毕业设计 论文 2 微型计算机时代 但是微型计算机的体积 价位 可靠性 都无法满足广大对象对嵌入式 系统的要求 因此 嵌入式系统必须走独立发展道路 这条道路就是芯片化道路 将计算 机做在一个芯片上 从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代 单片机诞生于二十世 纪七十年代末 经历了 SCM MCU 和 SOC 三大阶段 在现代化的工业生产中 电流 电压 温度 压力 流量 流速和开关量都是常用 的主要被控参数 例如 在冶金工业 化工生产 电力工程 造纸行业 机械制造和食 品加工等诸多领域中 人们都需要对各类加热炉 热处理炉 反应炉和锅炉中的温度进 行检测和控制 采用 MCS 51 单片机来对温度进行控制 不仅具有控制方便 组态简单和 灵活性大等优点 而且可以大幅度提高被控温度的技术指标 从而能够大大提高产品的 质量和数量 因此 单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题 同 时温度也是生活中最常见的一个物理量 也是人们很关心的一个物理量 它与我们的生 活息息相关 有着十分重要的意义 在工业生产中 温度过高或过低会直接影响到产品 的质量 对机械设备和控制系统中的各种元器件造成一定的损坏 严重的会影响到生产 安全 在日常生活中 温度过高或过低同样会造成一些不良影响 在实际生产 生活等各个领域中 温度是环境因素的不可或缺的一部分 对温度及 时精确的控制和检测显得尤为重要 比如 农业上土壤各个层面上的温度将会影响植物 的生长 在医院的监护中也用到温度的测量 在工业中 料桶里外上限温度要求不一 以及热处理中工件各个部位的温度对工件形成后的性能至关重要等等 现代电子工业的 飞速发展对自动测试的要求越来越高 采用单片机对温度进行控制 不仅具有控制方便和 组态简单的优点 而且可以提高被控温度的技术指标 针对以上情况 在控制成本的前提 下 通过本设计设计一款能够实时检测控制温度 又具有对系统设定不同的报警温度的 温度控制报警系统功能 此系统能够满足现代生产生活的需要 效率高 具有较强的稳 定性和灵活性 因此 在生产和生活中要对温度进行严格的控制 使温度在规定的范围 内变化 通过本系统提高学生对于温度控制的认识 在学习实践中提高对理论的认知能 力和动手解决实际问题的能力 达到教学实践相结合的目的 及采用先进的科学技术 加以丰富的保安实际经验和知识 向社会提供各种超值安全设备服务 给用户带来安全 和放心 随着人们生活水平的不断提高 单片机控制无疑是人们追求的目标之一 它所给人带 来的方便也是不可否定的 其中数字温度计就是一个典型的例子 但人们对它的要求越 来越高 要为现代人工作 科研 生活 提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技 术入手 一切向着数字化控制 智能化控制方向发展 徐州工程学院毕业设计 论文 3 1 3 温度参数 温度检测和语音报警 1 3 1 温度参数 基本范围 50 110 精度误差小于0 5 LED 数码直读显示 可以任意设定温度的上下限报警功能 1 3 2 温度检测 通过 DS18B20 传感器检测测量温度 通过 AT89S51 单片机进行控制 通过用 3 位 LED 数码管以串口传送数据实现温度显示 1 3 3 语音报警 先录音 能分160段 地址为00H 0A0H 我们说话平均语速4字 秒 所以20秒我们录 80字 经过计算 每个字占2个地址 我们录音13段 录音用S1键 放音控制用S2键 录音时按下键后开始录音 录完每段后放开按键 录音 停止 共录13段 录每段时同时用数码管提示 分别用数字0 F来表示 按语音提示键播报温度 不按不播报 徐州工程学院毕业设计 论文 4 2 系统总体设计方案 2 1 单片机语音温度报警系统的总体设计 语音温度报警计电路设计总体设计方框图如图 2 1 所示 控制器采用单片机 AT89S51 温度传感器采用 DS18B20 语音电路采用 ISD1420 用 3 位 LED 数码管以串口传 送数据实现温度显示 单 片 机 按键输入电路 显示电路 温度控制电路 测温电路 时钟电路 复位电路 报警电路 图 2 1 总体设计方框图 单元模块功能如下 检测电路由温度传感器 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一 种改进型智能温度传感器 与传统的热敏电阻等测温元件相比 它能直接读出被测温度 并且可根据实际要求通过简单的编程实现 位的数字值读数方式 自动报警主机的核心器件是单片机 它是整个系统的心脏 由它来接受报警信号并 控制协调各功能模块的正常工作 考虑到系统的功能和经济性因素 采用的是当今流行 的性价比比较高的 AT89C51 语音电路采用美国 ISD 公司的高保真录放一体化语音芯片 ISD1420 来完成报警时进 行语音提示的预存工作 根据警情的不同进行相应的语音提示 2 2 系统的基本工作过程 在农业应用方面虚拟仪器温室大棚温度测控系统是一种比较智能 经济的方案 适 于大力推广 改系统能够对大棚内的温度进行采集 然后再进行比较 通过比较对大棚 内的温度是否超过温度限制进行分析 如果超过温度限制 温度报警系统将进行报警 来通知管理人员大棚内的温度超过限制 大棚内的温控系统出现故障 从而有利于农作 物的生长 提高产量 徐州工程学院毕业设计 论文 5 3 单片机温度控制和语音报警系统硬件设计 3 1 温度控制和报警主机 本系统主要是基于单片机实现其温度检测和报警功能 其硬件的主要设计如下 3 1 1 主控制单片机 主控单片机采用一片ATMEL AT89S51 根据题目要求 充分利用了单片机灵活控制的 优点 发挥其优势功能 采用单片机控制显示信号灯 提高了系统的灵活性 设置方便 AT89S51芯片本身集成了看门狗 WDT 电路 这是为了系统更加的稳定可靠 避免了系 统因为死机而停止工作的情况发生这种做法对于实际上长时间运行在恶劣状况的交通灯 控制系统来说是十分必要的 它可以完成自动加载复位 省去人工调整的麻烦 可以做 到无人职守 3 1 2 AT89S51 特点 AT89S51是一个低功耗 高性能CMOS 8位单片机 片内含4k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器 器件采用ATMEL公司的高密 度 非易失性存储技术制造 兼容标准MCS 51指令系统及80C51引脚结构 芯片内集成了 通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元 功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌 入式控制应用系统提供高性价比的解决方案 AT89S51具有如下特点 40个引脚 4k Bytes Flash片内程序存储器 128 bytes的 随机存取数据存储器 RAM 32个外部双向输入 输出 I O 口 5个中断优先级2层中 断嵌套中断 2个16位可编程定时计数器 2个全双工串行通信口 看门狗 WDT 电路 片内时钟振荡器 如图3 1所示 此外 AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式 空闲模 式下 CPU 暂停工作 而 RAM 定时计数器 串行口 外中断系统可继续工作 掉电模式冻 结振荡器而保存 RAM 的数据 停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位 同时该芯 片还具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需求 徐州工程学院毕业设计 论文 6 图 3 1 AT89S51 芯片 3 1 3 AT89S51 主要功能特性 兼容 MCS 51 指令系统 32 个双向 I O 口 2 个 16 位可编程定时 计数器 全双工 UART 串行中断口线 2 个外部中断源 中断唤醒省电模式 看门狗 WDT 电路 灵活的 ISP 字节和分页编程 4k 可反复擦写 1000 次 ISP Flash ROM 4 5 5 5V 工作电压 时钟频率 0 33MHz 128x8bit 内部 RAM 低功耗空闲和省电模式 3 级加密位 软件设置空闲和省电功能 双数据寄存器指针 AT89S51 的引脚功能介绍 VCC AT89S51 电源正端输入 接 5V 徐州工程学院毕业设计 论文 7 VSS 电源地端 XTAL1 单芯片系统时钟的反相放大器输入端 XTAL2 系统时钟的反相放大器输出端 一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只 石英振荡晶体系统就可以动作了 此外可以在两引脚与地之间加入一个 20PF 的小电容 可以使系统更稳定 避免噪声干扰而死机 RESET AT89S51的重置引脚 高电平动作 当要对晶片重置时 只要对此引脚电平提升至高 电平并保持两个机器周期以上的时间 AT89S51便能完成系统重置的各项动作 使得内部 特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态 并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行 程序 EA VPP EA 为英文 External Access 的缩写 表示存取外部程序代码之意 低电平动作 也就是说当此引脚接低电平后 系统会取用外部的程序代码 存于外部EPROM中 来执行 程序 因此在8031及8032中 EA引脚必须接低电平 因为其内部无程序存储器空间 如 果是使用 8751 内部程序空间时 此引脚要接成高电平 此外 在将程序代码烧录至 8751内部EPROM时 可以利用此引脚来输入21V的烧录高压 VPP ALE PROG ALE是英文 Address Latch Enable 的缩写 表示地址锁存器启用信号 AT89S51可 以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器 如74LS373 将端口0的地址总线 A0 A7 锁进锁存器中 因为AT89S51是以多工的方式送出地址及数据 平时在程序执行时ALE引 脚的输出频率约是系统工作频率的1 6 因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入 此 外在烧录8751程序代码时 此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用 PSEN 此为 Program Store Enable 的缩写 其意为程序储存启用 当8051被设成为读取 外部程序代码工作模式时 EA 0 会送出此信号以便取得程序代码 通常这支脚是接到 EPROM的OE脚 AT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM 使得数 据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围 PORT0 P0 0 P0 7 端口0是一个8位宽的双向输出入端口 共有8个位 P0 0表示位0 P0 1表示位1 依 此类推 其他三个I O端口 P1 P2 P3 则不具有此电路组态 而是内部有一提升电路 P0在当作I O用时可以推动8个LS的TTL负载 如果当EA引脚为低电平时 即取用外部程序 代码或数据存储器 P0就以多工方式提供地址总线 A0 A7 及数据总线 D0 D7 徐州工程学院毕业设计 论文 8 设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0 A7 再配合端口2所送出的 A8 A15合成一个完整的16位地址总线 而定址到64K的外部存储器空间 PORT2 P2 0 P2 7 端口2是具有内部提升电路的双向I O端口 每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载 若将端口2的输出设为高电平时 此端口便能当成输入端口来使用 P2除了用做一般I O 端口使用外 若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时 也提供地址总线的高 字节A8 A15 这个时候P2便不能当作I O来使用了 PORT1 P1 0 P1 7 端口1也是具有内部提升电路的双向I O端口 其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载 同样地若将端口1的输出设为高电平 便是由此端口来输入数据 如果是使用8052或是 8032的话 P1 0又当作定时器2的外部脉冲输入脚 而P1 1可以有T2EX功能 可以做外部 中断输入的触发脚位 PORT3 P3 0 P3 7 端口3也具有内部提升电路的双向I O端口 其输出缓冲器可以推动4个TTL负载 同 时还多工具有其他的额外特殊功能 包括串行通信 外部中断控制 计时计数控制及外 部数据存储器内容的读取或写入控制等功能 其引脚分配如下 P3 0 RXD 串行通信输入 P3 1 TXD 串行通信输出 P3 2 INT0 外部中断0输入 P3 3 INT1 外部中断1输入 P3 4 T0 计时计数器0输入 P3 5 T1 计时计数器1输入 P3 6 WR 外部数据存储器的写入信号 P3 7 RD 外部数据存储器的读取信号 3 1 4 温度检测和报警主机硬件电路设计 图3 2中的按健复位电路是上电复位加手动复位 使用比较方便 在程序跑飞时 可 以手动复位 这样就不用在重起单片机电源 就可以实现复位 徐州工程学院毕业设计 论文 9 图 3 2 单片机主板电路 温度的检测主要依据 DS18B20 来采集 DS18B20 可以采用两种方式供电 一种是采用 电源供电方式 此时 DS18B20 的 1 脚接地 2 脚作为信号线 3 脚接电源 另一种是寄生 电源供电方式 如图 3 3 所示单片机端口接单线总线 为保证在有效的 DS18B20 时钟周 期内提供足够的电流 可用一个 MOSFET 管来完成对总线的上拉 本设计采用电源供电方 式 P1 1 口接单线总线为保证在有效的 DS18B20 时钟周期内提供足够的电流 可用一个 MOSFET 管和 89S51 的 P1 0 来完成对总线的上拉 当 DS18B20 处于写存储器操作和温度 A D 变换操作时 总线上必须有强的上拉 上拉开启时间最大为 10 s 采用寄生电源 供电方式是 VDD和 GND 端均接地 由于单线制只有一根线 因此发送接收口必须是三状态 的 主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过 3 个步骤 1 初始化 2 ROM 操作指令 3 存储器操作指令 图 3 3 DS18B20 与单片机的接口电路 单 片 机 IS18B20 VCC GND P1 0 徐州工程学院毕业设计 论文 10 要求的温度在一定的范围内为安全温度 设置的上界温度为 35 当测量值在正常 范围内时 程序控制 P2 0 输出低电平 音频信号不发声 当达到一定的上界或者下界时 报警电路开始工作 P2 0 同时为高电平 音频发音告警 操作人员观察音频发生器是否 发音 就可知道被测量器件工作是否正常 图 3 4 报警电路 3 1 4 单片机及复位键控制模块 单片机采用89S51 其中有8K内存可用 对交通灯的控制主要用其中的计数器定时来 完成 一方面要完成对各模块的控制 另一方面也要协调好各模块的时序及口线冲突问 题 单片机复位电路是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态 并从 该状态开始工作 例如复位后PC 0000H 使单片机从第一个单元取指令 无论是在单片 机刚接上电源时 还是断电后或者发生故障后都要复位 单片机复位的条件是 使 RST VPD引脚 加上持续两个机器周期 即24个振荡周期 的高电平 若时钟频率为 12MHz 每机器周期为1us 则只需2us以上时间的高电平 在RST引脚出现高电平后的第 二个机器周期执行复位 单片机常见的复位电路如图3 5按键复位电路所示 图 3 5 按键复位电路 该电路除了具有上电复位电路功能 还可以使用中复位 只要按下图 3 5 中的 RESET 徐州工程学院毕业设计 论文 11 键 此时电源 VCC 经电阻 R1 R2 分压 在 RESET 端产生一个复位高电平 单片机复位期间不产生 ALE 和 PSEN 信号 即 ALE 1 这表明单片机复位不会有任何 取值操作 按键复位电路 易掌握 好操作 3 2 语音电路 本系统语音电路可录制四段提示音 同时 在电话接通后 可以将语音分段播放 根据系统的功能要求 系统选择了美国 ISD 公司的 ISD1420 芯片 3 2 1 ISD1420 芯片简述 ISD1420 语音芯片是由美国 ISD Information Storage Device 公司开发的高保真 不怕断电 录放一体化的单片固态语音集成电路 8 其片内设有时钟振荡器 128K 字节 E2PROM 电可编程可擦除只读存贮器 低噪前置放大器 自动增益控制电路 反混叠滤 波器 平滑滤波器 模拟转发器 差动功率放大器等高品质语音录放系统所需的全部基 本功能电路 由 ISD1420 组成的最小应用系统仅包含 一个麦克 喇叭 几个阻容元件 两个开关和电源 录制的信息存放在内部不挥发单元中 断点后可以长久保存 这种独特的单片解决 方案使用了 ISD 的专利模拟存储技术 语音和音频信号不经过转换直接以原来状态存储 到内部存储器 可以实现高质量的语音复制 ISD 系列语音芯片特点 a 所需外围元件少 电路简单 操作方便 b 采用直接模拟量存贮技术 DAST Direct Analog Storage Technology 再现优 质原声 c 零功率信息存贮 省掉备用电源 d 信息可保存 10 年以上 可反复录放达 10 万次之多 e 易于使用 语音固化无需专用编程或开发装置 可随意改变录音内容 f 较强的选址能力 可进行分段管理和分段存储多段信息 g 具有自动省电模式 录音和回放后即刻进入等待模式 此时仅需 0 5uA 的维持 电流 h 自带时钟源 高抗干扰性能 i 可直接驱动 8 16 喇叭工作 输出不失真功率大于 50mW 也可作激励信号单端 输出 外接功率放大器 输出功率为额定输出功率的 1 4 约为 120mW 左右 j 采用总线技术 适于同单片机接口 徐州工程学院毕业设计 论文 12 3 2 2 芯片引脚介绍 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 NC 7 NC 8 A6 9 A7 10 NC 11 VSSD 12 VSSA 13 SP 14 SP 15 VCCA 16 MIC 17 MIC REF 18 AGC 19 ANA IN 20 ANA OUT 21 NC 22 PLAYL 23 PLAYE 24 RECLED 25 26 26 27 27 28 28 图3 6 ISD1420芯片引脚图 AO A7为地址或操作模式控制端 VSSD为数字地 VSSA为模拟地 SP SP 为音频信号输出端 可以驱动8 16个扬声器 VCCA为模拟电源 VCCD为数字电源 MIC为话筒输人端 可用驻极体话筒 通过电容耦合 MICREF为话筒输人参考端 若不用应悬空 AGC为自动增益控制端 调整芯片内部前置放大器增益 使录入信号不失真 ANAIN ANAOUT两端间接电容 该端用于模拟信号的直接输人 输出 XCLK为外部时钟或接地 一般用户接地即可 REC 为录 放音控制 低电平为录音 此时PLAYE 或PLAYL O PLAYL 为电平放音控制 低电平有效 放音时应该保持低电平 此时REC 0 PLAYE 为边沿放音控制 下降沿开始放音 此时REC 0 RECLED 为录音指示 接发光二极管 录音时亮 放音结束闪烁一下 然后熄灭 3 2 3 芯片工作原理 ISD1420 地址输入端具有双重功能 根据地址中的 A6 A7 的电平状态决定 A0 A7 的功能 如果 A6 A7 中间至少有一个低电平 则 A0 A7 输入全解释为地址位 作为 起始地址用 此时地址线仅仅作为输入端口 在操作过程中不能输出内部地址信息 根 据 PLAYE PLAYL 或 REC 的下降沿信号 地址输入被锁定 如果 A6 A7 同为高电平时 ISD1420 芯片进入模式操作方式 徐州工程学院毕业设计 论文 13 3 2 4 芯片工作模式 先录音 能分 160 段 地址为 00H 0A0H 我们说话平均语速 4 字 秒 所以 20 秒我 们录 80 字 经过计算 每个字占 2 个地址 我们录音 13 段 录音用 S1 键 放音控制用 S2 键 录音时按下键后开始录音 录完每段后放开按键 录音停止 共录 13 段 录每段时同时用数码管提示 分别用数字 0 F 来表示 按语音提示键播报温度 不按不播报 一 语音温度计温馨提示您 当前温度 00H 27H 二 一 28H 2FH 三 二 30H 37H 四 三 38H 3FH 五 四 40H 47H 六 五 48H 4FH 七 六 50H 57H 八 七 58H 5FH 九 八 60H 67H 十 九 68H 6FH 十一 十 70H 77H 十二 度 78H 7FH 十三 温度过高 80H 87H 十四 温度合适 88H 8FH 十五 温度过低 90H 97H 3 2 5 语音电路设计图 徐州工程学院毕业设计 论文 14 图 3 7 语音电路 3 3 DS18B20 芯片简介 3 3 1 温度传感器的历史及简介 温度的测量是从金属 物质 的热胀冷缩开始 水银温度计至今仍是各种温度测量的 计量标准 可是它的缺点是只能近距离观测 而且水银有毒 玻璃管易碎 代替水银的 有酒精温度计和金属簧片温度计 它们虽然没有毒性 但测量精度很低 只能作为一个 概略指示 不过在居民住宅中使用已可满足要求 在工业生产和实验研究中为了配合远 传仪表指示 出现了许多不同的温度检测方法 常用的有电阻式 热电偶式 PN 结型 辐射型 光纤式及石英谐振型等 它们都是基于温度变化引起其物理参数 如电阻值 热 电势等 的变化的原理 随着大规模集成电路工艺的提高 出现了多种集成的数字化温度 传感器 3 3 2 DS18B20 性能特点与内部结构 DS18B20 是美国 DALLAS 公司生产的单总线数字温度传感器 它具有微型化 低功耗 高性能 抗干扰能力强 易于与未处理器接口等优点 适合于各种温度测控系统 该器件将半导体温敏器件 A D 转化器 存储器等做在一个很小的集成电路芯片上 传感器直接输出的就是温度信号数字值 信号传输采用两芯 或三芯 电缆构成的单总 线结构 1 DS18B20 的性能特点如下 徐州工程学院毕业设计 论文 15 1 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信 2 多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上 实现多点组网功能 3 无须外部器件 4 可通过数据线供电 电压范围为 3 0 5 5V 5 零待机功耗 6 温度以 3 位数字显示 7 用户可定义报警设置 8 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度 温度报警条件 的器件 9 负电压特性 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 2 DS18B20 的外形及管脚排列 3 DS18B20 内部结构主要由六分组成 1 64 位光刻 ROM 开始 8 位是产品类型的编号 接着是每个器件的惟一的序号 共 有 48 位 最后 8 位是前 56 位的 CRC 校验码 这也是多个 DS18B20 可以采用一线进行通 信的原因 64 位闪速 ROM 的结构如下 8b 检验 CRC48b 序列号8b 工厂代码 10H MSB LSB MSB LSB MSB LSB 内部 电源 探测 位 和 单线端口 位 产生器 暂存器 下限触发 上限触发 温度传感器 存储器和控制逻辑 图 3 8 DS18B20 内部结构 2 非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL 可通过软件写入用户报警上下限值 3 高速暂存存储 可以设置 DS18B20 温度转换的精度 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可电擦 除的 E2PRAM 高速暂存 RAM 的结构为 8 字节的存储器 结构如图 3 8 所示 头 2 个字节 包含测得的温度信息 第 3 和第 4 字节 TH 和 TL 的拷贝 是易失的 每次上电复位时被 刷新 第 5 个字节 为配置寄存器 它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率 DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值 它的内部存储器结构和字 徐州工程学院毕业设计 论文 16 节定义如表 3 1 所示 低 5 位一直为 TM 是工作模式位 用于设置 DS18B20 在工作模 式还是在测试模式 表 3 1 DS18B20 内部存储器结构 Byte0温度测量值 LSB 50H Byte1温度测量值 MSB 50H E2PROM Byte2TH 高温寄存器 TH 高温寄存器 Byte3TL 低温寄存器 TL 低温寄存 器 Byte4配位寄存器 配位寄存器 Byte5预留 FFH Byte6预留 0CH Byte7预留 IOH Byte8循环冗余码校验 CRC DS18B20 出厂时该位被设置为 0 用户要去改动 R1 和 R0 决定温度转换的精度位数 来设置分辨率 如表 3 2 表 3 2 DS18B20 字节定义 TM R1R0 1 1 1 1 1 由表 3 2 可见 分辨率越高 所需要的温度数据转换时间越长 因此 在实际应用 中要将分辨率和转换时间权衡考虑 高速暂存 RAM 的第 6 7 8 字节保留未用 表现为全逻辑 1 第 9 字节读出前面所有 8 字节的 CRC 码 可用来检验数据 从而保证通信数据的正确性 当 DS18B20 接收到温度转换命令后 开始启动转换 转换完成后的温度值就以 16 位 带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第 1 2 字节 单片机可以通过单 线接口读出该数据 读数据时低位在先 高位在后 数据格式以 0 0625 LSB 形式表 示 当符号位 S 0 时 表示测得的温度值为正值 可以直接将二进制位转换为十进制 当符号位 S 1 时 表示测得的温度值为负值 要先将补码变成原码 再计算十进制数值 表 3 3 是一部分温度值对应的二进制温度数据 表 3 3 DS18B20 温度转换时间表 R 1 R 0 分辨率 位 温度最大转向时 间 ms 00993 75 徐州工程学院毕业设计 论文 17 0110187 5 1011375 1112750 4 CRC 的产生 在 64 b ROM 的最高有效字节中存储有循环冗余校验码 CRC 主机根据 ROM 的前 56 位来计算 CRC 值 DS18B20 中的 CRC 值做比较 以判断主机收到的 ROM 数据是否正确 另外 由于 DS18B20 单线通信功能是分时完成的 它有严格的时隙概念 因此读写 时序很重要 系统对 DS18B20 的各种操作按协议进行 操作协议为 初使化 DS18B20 发 复位脉冲 发 ROM 功能命令 发存储器操作命令 处理数据 表 3 4 一部分温度对应值表 温度 二进制表示十六进制表示 1250000 0111 1101 0000 07D0H 850000 0101 0101 0000 0550H 25 06250000 0001 1001 0000 0191H 10 1250000 0000 1010 0001 00A2H 0 50000 0000 0000 0010 0008H 00000 0000 0000 1000 0000H 0 51111 1111 1111 0000 FFF8H 10 1251111 1111 0101 1110 FF5EH 25 06251111 1110 0110 1111 FE6FH 551111 1100 1001 0000 FC90H 5 寄生电源 寄生电源有二极管 VD1 VD2 寄生电容 C 和电源检测电路组成 如图所示 电源检 测电路用于判定供电方式 DS18B20 有两种供电方式 3 0 5 5V 的电源供电方式和寄 徐州工程学院毕业设计 论文 18 生电源供电方式 直接从数据线获取电源 若采用外部电源给器件供电 外部电源接 VCC 引脚通过 VD2 向器件供电 如图所示 寄生电源供电时 VCC 端接地 器件从单线总线上获取电源 如图所示 在 I O 线呈 低电平时 改由电容 C 上的典雅继续向器件供电 该寄生电源的优点 第一 检测远程 温度时无需本地电源 第二 缺少正常电源时也能读 ROM 图 3 9 外部电源供电 图 3 10 寄生电源供电 6 温度报警信号 DS18B20 完成温度转化后 就把测的的温度值与 Th Tl 做比较 若 T Th 或 T1 1 主机写 1 时序 主机写 0 时序 图 3 12 写时序 徐州工程学院毕业设计 论文 20 写时序包括写 0 时序和写 1 时序 所有写时序至少需要 60us 且在 2 次独立的写时 序之间至少需要 1us 的恢复时间 都是以总线拉低开始 写 1 时序 主机输出低电平 延时 2us 然后释放总线 延时 60us 写 0 时序 主机输出低电平 延时 60us 然后释 放总线 延时 2us 3 读时序 主机采样 主机采样 4545 1 1 主机写 1 时序 主机写 0 时序 图 3 13 读时序 总线器件仅在主机发出读时序是 才向主机传输数据 所以 在主机发出读数据命 令后 主机输出低电平延时 2us 然后主机转入输入模式延时 12us 然后读取总线当前 电平 然后延时 50us 4 3 3 4 DS18B20 的操作协议 DS18B20 单线通信功能是分时完成的 单线信号包括复位脉冲 响应脉冲 写 0 写 1 读 1 它们有严格的时隙概念 系统对 DS18B20 的操作以 ROM 命令 5 个 和 存储器命令 6 形式表现 各种指令功能如表 3 5 3 6 所示 表 3 5 DS18B20 ROM 命令 指令约定代码功能 读 ROM 33H 读 DS18B20 中的编码 既读 64 位地址 符 合 ROM 55H 发出此命令后 接着发出 64 位 ROM 编码 访问单总线上与该编码 相应的 DS18B20 使之做出响应 为下一步对该 DS18B20 的读写做 准备 搜 索 ROM 0F0H 用于确定挂在同一总线上 DS18B20 的个数和识别 64 位 ROM 地址 为操作各个器件做好准备 跳 过 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址 直接向 DS18B20 发温度转换命令 适用于单 片工作 徐州工程学院毕业设计 论文 21 表 3 6 DS18B20 RAM 命令 指令约定代码功能 温度变换44H启动 DS18B20 进行温度转换 结果存入内部 RAM 读暂存器0BEH读内部 RAM 中的内容 写暂存器4EH 发出向内部 RAM 的第 3 4 字节写上 下限温度数据命令 紧 跟该命令之后 是传送两字节的数据 复制暂 存 器 48H将 RAM 中的第 3 4 字内容复制到 EEPROM 中 重调 EEPRAM 0B8H将 EEPROM 中内容恢复到 RAM 中的第 3 4 字节 读供电 方 式 0B4H 读 DS18B20 的供电模式 寄生供电是 DS18B20 发送 0 外 接电源供电 DS18B20 发送 1 对 DS18B20 操作协议是 初始化 DS18B20 发复位脉冲 发 ROM 功能命令 处理数 据 发存储命令处理数据 初始化 主机发一位复位脉冲 对短为 480us 的低电平 接着主机释放总线进入接 收状态 DS18B20 在检测到 I O 引脚上的上升沿之后 等待 15 60us 然后发出存在脉冲 60 240us 的低电平 写时间片 将数据线从高电平拉至低电平 产生起始信号 在 15us 之内将所需写的 位送到数据线上 在 15us 到 60us 之间对数据线进行采样 如果采样为高电平 就写 1 如果是低电平 写 0 就发生 在开始另一个写周期前必须有 1us 以上的高电平恢复期 读时间片 主机将数据线从高电平拉至低电平 1us 以上 再使数据线升为高电平 从而产生读起始信号 主机在读时间片下降沿之后 15us 内完成读位 每个读周期最短的 持续时间为 60us 各个读周期之间必须有 1us 以上的高电平恢复期 用户对于 DS18B20 的访问有三个步骤 1 初始化 用户通过信号线 向 DS18B20 发送一个满足特定时序的负脉冲 信号线上所有 DS18B20 芯片都被复位 准备接受用户的序列号命令 2 序列号访问命令 接下来 用户通过信号线 发送一个特定的 64 位序列号编码 这时 信号线上所有 相连 DS18B20 都进行编码匹配 只有编码一致的 DS18B20 才被激活 可以接受下面的内 存访问命令 3 存访问命令 在用户发送序列号访问命令选定 DS18B20 芯片后 被选中的芯片便可以接受内存访 问命令 读取温度数据 设定温度报警限 二进制数据与温度的对应关系见表 3 7 徐州工程学院毕业设计 论文 22 表 3 7 二进制数据与温度的对应关系 温度温度数据输出 二进制 温度数据输出 16 进制 125 0000 0111 1101 000007D0h 85 0000 0101 0101 00000550h 25 0625 0000 0001 1001 00010191h 10 125 0000 0000 1010 001000A2h 0 5 0000 0000 0000 10000008h 0 0000 0000 0000 0000000h 0 5 1111 1111 1111 1000 FFF8h 10 125 1111 1111 0101 1110FF5Eh 25 0625 1111 1110 0110 1111 FF6Fh 55 1111 1100 1001 0000FC90h 3 3 5 DS18B20 序列号编码 DS18B20 内部具有出厂前固化的 8 字节代码 如表所示 表 3 8 64 位光刻 ROM 8 位 CRC 代码48 位器件序列号8 位产品类型码 28H 其首字节位产品类型代码 固化为 10H 后 6 字节是每个传感器的序列号 最后一字 节是 CRC 检验码 其中 6 字节共 48 位的器件序列号可看成是每个传感器固有