根據(jù) DS18B20 的 1-wire 的通信原理，利用單片機(jī)匯編（或 C）語言實(shí)現(xiàn)一個(gè)溫度測(cè)試并顯示的電路，在 Proteus 平臺(tái)上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并且載入單片機(jī)程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

掌握虛擬仿真軟件 Proteus 的應(yīng)用，了解溫度傳感器 DS18B20 的 1-wire 的通信原理，學(xué)會(huì)采用 Proteus 虛擬仿真軟件工具，利用單片機(jī)匯編（或 C）語言實(shí)現(xiàn)一個(gè)溫度測(cè)試并顯示的電路，并且在 Proteus 軟件上仿真測(cè)試，進(jìn)行驗(yàn)證，綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用方法，熟悉創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫方法。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地： 院實(shí)驗(yàn)室318、424

儀器設(shè)備： 計(jì)算機(jī)一臺(tái)

軟件：   Proteus軟件

（1）DS18B20特點(diǎn)：

DS18B20采用一線通信接口。因?yàn)橐痪�通信接口，必須在先完成ROM設(shè)定，否則記憶和控制 功能將無法使用。主要首先提供以下功能命令之一： <1> 讀ROM，<2>ROM匹配，<3>搜索ROM，<4>跳過ROM，<5>報(bào)警檢查。這些指令操作作用在沒有一個(gè)器件的64位光刻ROM序列號(hào)，可以在掛在一線上多個(gè)器件選定某一個(gè)器件，同時(shí)，總線也可以知道總線上掛有有多少，什么樣的設(shè)備。

若指令成功地使DS18B20完成溫度測(cè)量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DS18B20的存儲(chǔ)器。一個(gè)控制功能 指揮指示DS18B20的演出測(cè)溫。測(cè)量結(jié)果將被放置在DS18B20內(nèi)存中，并可以讓閱讀發(fā)出記憶功能的指揮，閱讀內(nèi)容的片上存儲(chǔ)器。溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和TL都有一字節(jié)EEPROM 的數(shù)據(jù)。如果DS18B20不使用報(bào)警檢查指令，這些寄存器可作為一般的用戶記憶用途。在片上還載有配置字節(jié)以理想的解決溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換。寫TH,TL指令 以及配置字節(jié)利用一個(gè)記憶功能的指令完成。通過緩存器讀寄存器。所有數(shù)據(jù)的讀，寫都是從最低位開始。

DS18B20部分命令設(shè)置：

DS18B20讀寫時(shí)序圖：

說明：

主機(jī)要生成一個(gè)寫時(shí)間隙，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平然后釋放，在寫時(shí)間隙開始后的15μs內(nèi)允許數(shù)據(jù)線拉到高電平。 主機(jī)要生成一個(gè)寫 0 時(shí)間隙，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平并保持 60μs。

初始化過程“復(fù)位和存在脈沖”：

說明：

DS1820 需要嚴(yán)格的協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議包括幾種單線信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫0、寫 1、讀0 和讀1。所有這些信號(hào)，除存在脈沖外，都是由總線控制器發(fā)出的。 和 DS1820 間的任何通訊都需要以初始化序列開始，一個(gè)復(fù)位脈沖跟著一個(gè)存在脈沖表明 DS1820 已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送和接收數(shù)據(jù)（適當(dāng)?shù)?ROM 命令和存儲(chǔ)器操作命令）。

DS18B20溫度值格式表：

說明：

　　這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面 5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0， 這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際 溫度。 例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625℃的數(shù)字輸出為FE6FH，-55℃的數(shù)字輸出為FC90H 。

（2）數(shù)碼顯示：

采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，通過位控線選擇數(shù)碼管，同時(shí)單片機(jī)通過查表送出段選送顯示的段碼，利用人的視覺暫留特點(diǎn)達(dá)到顯示的目的。

（3）復(fù)位電路：

復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位。

（4）震蕩電路;

為單片機(jī)提供恒定可靠的震蕩周期。

（5）驅(qū)動(dòng)電路：

由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力有限，考慮到數(shù)碼管的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)加上驅(qū)動(dòng)電路，以提供合適的電流。

（6）測(cè)溫開關(guān)

給單片機(jī)信號(hào)，給予其開始測(cè)溫，關(guān)閉測(cè)溫指示。

（7）Proteus 虛擬仿真

在keil中編寫單片機(jī)程序，生成相應(yīng)的.Hex文件，將文件復(fù)制到一個(gè)文件夾下，在Proteus里添加單片機(jī)并設(shè)置程序的路徑，找到該文件，仿真時(shí)就會(huì)調(diào)用該程序文件。

2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)硬件電路，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)選擇合適的原件，在Proteus原理圖中畫出原理圖。本設(shè)計(jì)采用六個(gè)八段數(shù)碼段動(dòng)態(tài)顯示，硬件電路主要有單片機(jī)，復(fù)位電路，數(shù)碼顯示，震蕩電路，驅(qū)動(dòng)電路，測(cè)溫開關(guān)電路，傳感器電路等組成。開機(jī)顯示“HELLO”友好界面，測(cè)溫控制開關(guān)開始關(guān)閉測(cè)溫，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，處于測(cè)溫狀態(tài)，顯示的溫度值即為真實(shí)溫度，開關(guān)打開時(shí)為關(guān)閉狀態(tài)，數(shù)碼管組顯示“OFF”與最后一次測(cè)量值的交替顯示，警示測(cè)溫中斷，開關(guān)再次合上時(shí)又進(jìn)行正常測(cè)溫。考慮到成本問題單片機(jī)選用AT89C52，該單片機(jī)為一8位單片機(jī)，詳細(xì)介紹再次就不過多陳述，具體參數(shù)參考技術(shù)資料。單片機(jī)程序采用匯編語言，在Keil環(huán)境下編譯。

3、實(shí)驗(yàn)步驟

（1）根據(jù)功能設(shè)計(jì)硬件電路

<1>數(shù)碼管顯示及其驅(qū)動(dòng)電路:

本設(shè)計(jì)采用的是6位8段共陽數(shù)碼管，如下圖所示，ABCDEFG個(gè)DP分別是數(shù)碼管的八個(gè)段，123456是對(duì)應(yīng)的六個(gè)線選線，由于單片機(jī)的灌電流能力也不是很強(qiáng)，直接驅(qū)動(dòng)幾個(gè)數(shù)碼管有點(diǎn)困難，因此加上了373鎖存器，跟7407同向驅(qū)動(dòng)芯片。373鎖存p0（開漏輸出）口輸出的段選信號(hào)，P2口是線選信號(hào)輸出口。P2口雖然內(nèi)部有上拉電阻，但是由于7407是集電極開路六組驅(qū)動(dòng)器，沒有上拉不能輸出高電平所以還要加上拉電阻。7407的驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)，高電平時(shí)輸出最大電流可達(dá)41mA，而輸入高電平電流只需40uA即可，能夠滿足該六位數(shù)碼管正常顯示。

<2>振蕩電路

該振蕩電路外部由兩個(gè)電容C1，C2跟晶振X1組成，如下圖連接接地，并接到單片機(jī)的XTAL1跟XTAL2引腳上。由于51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的可控高增益反向放大器，兩個(gè)引腳XTAL1，XTAL2分別是該放大器的輸入端跟輸出端。按下圖所示，就可構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，匹配電容根據(jù)晶振的要求選取，一般選用20~30pF瓷片電容即可。

<3>復(fù)位電路

下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單手動(dòng)復(fù)位與上電復(fù)位的綜合復(fù)位電路。R2，R3構(gòu)成手動(dòng)復(fù)位電路，R2一般取1~5KΩ。在實(shí)際電路中，當(dāng)R3=200Ω，R2=800Ω時(shí)，按下按鍵實(shí)現(xiàn)可靠復(fù)位電壓為4V.即Urst=U*R2/(R2+R3)。由于仿真軟件的問題，當(dāng)R2大于1K時(shí)，上電后RST引腳不能實(shí)現(xiàn)低電平，因此不能滿足復(fù)位的條件，采用800Ω電阻時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)。但實(shí)際電路中R2取到1K才能實(shí)現(xiàn)可靠的上電復(fù)位。（相關(guān)公式：Urst=5*e^(-t/τ), τ=R2*C,當(dāng)復(fù)位電壓大于等于3V時(shí)是可靠復(fù)位電壓。帶入上式，t=τ*ln(5/3) ≈0.15τ,當(dāng)R2=1KΩ，C=22uF時(shí)，t≈11.2ms.即復(fù)位時(shí)間約為11.2ms。為保證可靠復(fù)位，復(fù)位時(shí)間大于10ms即可。）

<4>測(cè)溫開關(guān)：

測(cè)溫開關(guān)的實(shí)現(xiàn)時(shí)利用檢驗(yàn)其是否存在的原理進(jìn)而轉(zhuǎn)換顯示狀態(tài)，故可以設(shè)置在DS18B20跟單片機(jī)相連的路徑之間（接在P3.3引腳），開關(guān)斷開，單片機(jī)就會(huì)檢測(cè)不到傳感器，轉(zhuǎn)換到關(guān)閉測(cè)溫狀態(tài)，開關(guān)閉合，單片機(jī)又能檢測(cè)到傳感器，自動(dòng)轉(zhuǎn)到測(cè)溫顯示狀態(tài)。由于DS1820 的單總線端口（I/O 引腳）是漏極開路式的，一個(gè)多點(diǎn)總線由一個(gè)單線總線和多個(gè)掛于其上的從機(jī)構(gòu)成。在發(fā)出任何涉及拷貝到 E2存儲(chǔ)器或啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的協(xié)議之后，必須在最多 10μs之內(nèi)把 I/O 線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉，因此單線總線需要一個(gè)約 5KΩ的上拉電阻。

實(shí)際電路如下圖所示：

（2）設(shè)計(jì)單片機(jī)程序，畫出流程圖

通過單線總線端口訪問 DS1820 的協(xié)議如下：

• 初始化   

• ROM 操作命令   

• 存儲(chǔ)器操作命令

• 執(zhí)行/數(shù)據(jù)

程序組成：

主程序

子程序：

HELLO與OFF開關(guān)顯示、DS18B20初始化、重寫DB18B20、讀溫度、溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換等。

主程序流程圖：

HELLO與OFF開關(guān)顯示流程圖：

DS18B20初始化流程圖：

重寫DB18B20流程圖：

讀溫度流程圖：

溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換流程圖：

（3）編寫程序

根據(jù)硬件電路編寫程序，程序見實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分的程序清單。

（4）仿真調(diào)試

在Keil編譯環(huán)境下編譯匯編程序，設(shè)置晶振12MHz，生成.Hex文件。打開用Proteus畫好的原理圖，雙擊單片機(jī)，設(shè)置震蕩頻率12MHz，與硬件電路相對(duì)應(yīng)，瀏覽找到生成的該程序的.Hex文件作為其程序。設(shè)置完成，打開仿真按鈕，進(jìn)行仿真調(diào)試，打開閉合測(cè)溫開關(guān)觀察現(xiàn)象，調(diào)節(jié)DS18B20的溫度調(diào)節(jié)部分調(diào)節(jié)溫度，觀察數(shù)碼顯示溫度值。

1、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)記錄

當(dāng)仿真開始時(shí)，顯示開機(jī)界面“HELLO”：

測(cè)溫時(shí)，當(dāng)測(cè)試零下溫度時(shí)顯示零下溫度值：

當(dāng)測(cè)試零上溫度時(shí)顯示正的溫度值：

當(dāng)測(cè)溫開關(guān)打開時(shí)，顯示“ＯＦＦ”與最后一次測(cè)溫值交替顯示界面：

2、對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)及觀察結(jié)果的分析與討論：

    開機(jī)時(shí)顯示“HELLO”問候，采用200次動(dòng)態(tài)掃描顯示，顯示完之后自動(dòng)轉(zhuǎn)到下面的初始化及測(cè)溫程序，傳感器存在時(shí)，進(jìn)行正常測(cè)溫，零上溫度入上面圖示，顯示零上溫度，無效位消隱，實(shí)現(xiàn)方法是每次遍歷存儲(chǔ)空間，將無效位的段選置空，有效的位用數(shù)據(jù)填充，小數(shù)點(diǎn)另加到倒數(shù)第二個(gè)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)處。當(dāng)測(cè)試零下溫度時(shí)，數(shù)值轉(zhuǎn)換要取反加1，還要在前面加負(fù)號(hào)，考慮到負(fù)數(shù)最多顯示兩位，故將負(fù)號(hào)固定在倒數(shù)第四位，省去了判斷的麻煩。當(dāng)測(cè)溫開關(guān)斷開時(shí)，由于檢測(cè)不到DS18B20的存在，故程序轉(zhuǎn)到顯示“OFF”界面，由于要不斷地檢測(cè)存在位，所以要循環(huán)檢測(cè)，循環(huán)顯示，由于時(shí)序的原因，會(huì)使OFF與最后一次測(cè)溫結(jié)果交替顯示。開關(guān)閉合，又能檢測(cè)到標(biāo)志位，程序自動(dòng)進(jìn)入正常測(cè)溫序列。

3、主要關(guān)鍵和創(chuàng)新點(diǎn)：

　　在Proteus仿真環(huán)境下，使用DS18B20進(jìn)行一路測(cè)溫，測(cè)溫精度達(dá)到到0.5攝氏度開機(jī)顯示友好界面“HELLO”問候，當(dāng)測(cè)溫關(guān)閉時(shí)，會(huì)顯示“ＯＦＦ”提醒，閉合開關(guān)，又可以進(jìn)行正常測(cè)溫。本設(shè)計(jì)通過檢查存在標(biāo)志位的方法進(jìn)行了測(cè)溫開關(guān)的控制，避免了使用中斷進(jìn)行控制，從而避免了中斷導(dǎo)致的測(cè)溫時(shí)序混亂，測(cè)溫不準(zhǔn)的結(jié)果。