单片机技术应用 教案7-2 环境温度检测系统的制作.docx
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1、单片机应用技术电子教案授课对象二年级第一学期的机电类专业 学生授课日期第24次课教材单片机应用技术出版社机械工业出版社授课课题环境温度检测系统的制作课时安排2课时教学目标L知识:掌握通过DS18B20单总线采集环境温度,LCD液晶显示实时温度。2 .技能:学会用编程软件编写程序,绘图软件绘制原理图并调试成功。3 .情感:培养学生分析问题、解决问题的能力,培养学生查询资料的能力和团结协作的意识。教学重点DS18B20的内部结构和工作过程及控制方式。教学难点通过DS18B20单总线采集环境温度,LCD液晶显示实时温度。课型新授课教学方法工程教学法教学场景机房教学用具多媒体设备、电脑教学过程教学环节
2、教学步骤与内容教学组 织形式 (全体 讲授、分 组讲授 等)教 学 时 间导入新课通过完成控制数字温度传感器DS18B20检测周围环境的温度 并在液晶LCD 1602上显示实时温度工程,将会学习到DS18B20的 内部结构,工作过程及控制方式,掌握单总线数据传输的应用。全体讲 授10新课学习【任务描述】通过DS18B20单总线采集环境温度,LCD液晶显示实时温度。序和信号波形进行初始化、识别器件和进行数据交换。1.硬件配置单总线系统只定义了一根信号线。总线上的每个器件 都能够在合适的时间驱动它,相当于把计算机的地址线、数 据线、控制线合为一根信号线对外进行数据交换。为了区 分这些芯片,厂家在生
3、产每个芯片时,都编制了惟一的序列 号,通过寻址就能把芯片识别出来。这样做能使这些器件挂 在一根信号线上进行码分多址、串行分时数据交换,组成一 个自动测控系统或一个自动收费系统,甚至还可以用单总 线组成一个微型局域网。厂家对每个芯片用激光刻录的一 个64位二进制ROM代码。从最低位开始,前8位是族码, 表示产品的分类编号;接着的48位是一个惟一的序列号; 最后8位是前56位的CRC校验码。CRC (Cyclic RedundancyCheck)称为循环冗余码检测,是数据通信中校验数据传输 是否正确的一种方法。在使用时,总线命令者读入ROM中 64位二进制码后,将前56位按CRC多项式(这里是 X
4、8+X5+X4+1)计算出CRC值,然后与ROM中高8位的CRC 值比拟,假设相同那么说明数据传送正确,否那么要求重传。48位 序列号是一个15位的十进制编码,这么长的编码完全可为 每个芯片编制一个全世界惟一的号码,也称之为身份证号, 可以被寻址识别出来。止匕外,芯片内还含有收、发控制和电 源存储电路,其示意图如图7-14所示。图7T4单总线芯片入口的示意图这些芯片采用CMOS技术,耗电量都很小,从单总线上“偷” 一点电(空闲时几RW,工作时几mW)存在芯片内电 容中就可正常工作了,故一般不用另附电源。单总线上通常 处于高电位(5V左右),每个器件都能在需要时驱动它。 因此,挂在总线上的每个器
5、件必须是漏极开路或者是三态 输出的,这样,不工作时不会给总线增加功耗。单总线的数据传输有两种模式,通常以16. 3kb/s的速 率通信,超速模式可达142kb/So因此,只能用于对速度要 求不高的场合,一般用于100kb/s以下速率的测控或数据 交换系统中。以上内容是单总线技术协议所要求的,各种芯片都具 备这些基本内容,然后才进入某种具体的芯片功能,如A/D 转换器、温度计等。应当指出,单总线技术作用距离在单片 机I/O直接驱动下可达200m,经扩展可达1000m以上,允许 挂上百个器件,能满足一般测控系统的要求。2.处理次序处理次序是软件设计的任务。在单总线系统中,软件设 计是技术的关键。简
6、洁的硬件配置是靠复杂的软件来支撑 的。在PC机作主控机时,单总线软件设计基于Dallas公司 授权的软件开发商提供的成套开发工具,为软件开发应用 带来很大的便利。而用单片机作主控机时,得由自己依据单 总线协议,用汇编语言和c语言来编写全部软件,给开发应 用增加了一定的难度。处理次序保证数据可靠的传送,任一 时刻单总线上只能有一个控制信号或数据。处理次序操作 时,一般有以下四个过程:初始化;传送ROM命令; 传送RAM命令;数据交换。单总线上所有处理都从初始化开始.初始化时序由总线命 令者发出的复位脉冲和一个或多个从者发出的应答脉冲组 成。“应答脉冲”是从者让总线命令者知道某器件是在总 线上,并
7、准备工作。其信号波形如图7-15所示。(3)信号60-120148hoc明(4)读8号17 5照图7-15单总线的时序信号波形当总线命令者检测到某器件的存在,就会发出传送ROM功能命令。单总线协议规定其层次结构如图7-16所示。其他器件命令级剧单总线ROM功能命令可用命令 fit ROM 匹配ROM 杳找ROM跳过ROM 超速匹配ROM 超速跳过ROM 条件查找ROM居利的特殊I功能命令存存操内内能读写功影两局部64 位 ROM64 ft ROM 64ft ROM 没有64 ROM 没有64位ROM和 我换结果 所有寄存器 条件寄存器 洗中的帖人图7-16 ROM的功能层次结构单总线命令者首先
8、必须发送7个ROM功能命令中的一 个命令: 读ROM (总线上只有一个器件时,如读DS2401 的序列号): 匹配ROM (总线上有多个器件时,寻址某个 器件): 查找ROM (系统首次启动后,须识别总线上各器 件): 跳过ROM (总线上只有一个器件时,可跳过读ROM 命令直接向器件发送命令,以节省时间):超速匹配ROM (超速模式下寻址某个器件): 超速跳过ROM (超速模 式下跳过读ROM命令);条件查找ROM (只查找输入电 压超过设置的报警门限值的某个器件)。这些操作在手册中都有具体的命令码供编程使用。当成功执行上述命令之 一后,总线命令者可发送任何一个可使用的命令来访问存 储和控制
9、功能,进行数据交换。所有数据的读写都是从最低 位开始的。3.单总线信号单总线传送数据或命令是由一系列的时序信号组成 的,单总线上共有4种时序信号:初始化信号;写0 信号;写1信号;读信号。图2给出了常规模式下这 4种波形的示意图。各器件的应用手册中对这4种波形参 数(如脉冲上升时间、宽度和间隙等)都作了具体的要求, 设计中应保证指令执行时间小于或等于时序信号中的最小 时间。这局部软件必须用单片机的汇编语言进行编程,以确 保严格的时间关系,且注意当单片机工作频率不同时,单总 线的时延值是不同的。二、DS18B20温度传感器的使用美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器 DS1820是世界上第
10、一片支持一线总线接口的温度传感 器,在其内部使用了在板(ON-BOARD)专利技术。全部传 感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感 器网络,为测量系统的构建引入全新概念。现在,新代 的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分 发挥“一线总线”的优点。目前在传统的模拟信号远距离 温度测量系统中,需要很好的解决引线误差补偿问题、多 点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术 问题,才能够到达较高的测量精度。另外一般监控现场的 电磁环境都非常恶劣,各种干扰信号较强,模拟温度信号 容易受到干扰而产生测量误差,影响测量精
11、度。因此,在 温度测量系统中,采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案,新型数字温度传感器 DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用 一线总线、可组网等优点,在实际应用中取得了良好的测 温效果。新的一线器件DS18B20体积更小、适用电压更 宽、更经济。DS18B20可以程序设定912位的分辨率,精度为土 0.5 Co可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。分 辨率设定,及用户设定的报警温度存储在EEPR0M中,掉 电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的, 性能价格比也非常出色。DS1822与DS18B20软件兼容, 是DS18B20的简化
12、版本。省略了存储用户定义报警温度、 分辨率参数的EEPR0M,精度降低为2。C,适用于对性能 要求不高,本钱控制严格的应用,是经济型产品。继一线 总线的早期产品后,DS1820开辟了温度传感器技术的新 概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的 选择,让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。1 .DS18B20的主要特性(1)适应电压范围更宽,电压范围:3.05.5V,在寄 生电源方式下可由数据线供电。(2)独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连 接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双 向通讯。(3)DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20
13、可以 并联在唯一的三线上,实现组网多点测温。(4) DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传 感元件及转换电路集成在形如一只二极管的集成电路内。(5)温范围-55+ 125,在-10+85C时精度为 0. 5o(6)可编程的分辨率为9-12位,对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125C和0. 0625,可实现 高精度测温。(7)在9位分辨率时最多在93. 75ms内把温度转换 为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为 数字,速度更快。(8)测量结果直接输出数字温度信号,以一线总线 串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗 干扰纠错能力。(9)负压特
14、性:电源极性接反时,芯片不会因发热而 烧毁,但不能正常工作。2 .DS18B20的外形和内部结构DS18B20的外形及管脚排列如图7-17所示,内部结构 图如图7-27所示DQ匚DQ匚NC匚NC匚8 7 6 5 DALLAS18B2012 3 4GNDNCNC8-Pin l50mil SO(DS1XB20Z)1 ()-92(DSIXB20)8 7 6 518B20S-Pin liSOP图7-17 DS18B20的外形及管脚排列(1) DS18B20引脚定义DQ为数字信号输入/输出端;1) GND为电源地;2) VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方 式时接地)。玳冢的爆低激帔器几高融施1
15、H配髭懦熊灵蛹牛图7-18 DS18B20内部结构图(2) DS18B20有4个主要的数据部件1)光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好 的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻 ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型标号,接着 的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面 56位的循环冗余校验码(CROX8+X5+X4+1)。光刻ROM的 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。2) DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量, 以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数 形式提供,以0.
16、 0625/LSB形式表达,其中S为符号位。 温度寄存器格式如表7-2所示表7-2温度寄存器格式这是12位转化后得到的12位数据,存储在DS18B20 的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位, 如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘 于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0. 0625即可得到实 际温度。例如+125C的数字输出为07D0H, +25.0625C的数字 输出为0191H, -25.0625的数字输出为FF6FH, -55的 数字输出为FC90H。温度/数据关系如表7-3所示。表7-3温度/数据关系温度C
17、数据出(二进制)数据输出(十六进制)1250000 0111 1101 000007DDh*650000 0101 0101 00000550h*25.06250000 0001 1001 00010191h10,1250000 0000 1010 0010OOA2h他50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 0000OOOOh-0.51111 1111 1111 1000FFF8h-10.1251111 1111 0101 1110FF5B)25.06251111 1110 0110 1111FB3B1-551111 1100 1001 0000FCB
18、Oh3) DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温 度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。4)配置寄存器配置寄存器字节各位的意义如表7-4所示:表7-4配置寄存器结构B! RI RO 11111低五位一直都是 1,TM是测试模式位,用于设置 DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时 该位被设置为0,用户不要去改动。R1和R0用来设置分 辨率,如表7-5所示:(DS18B20出厂时被设置为12位) 表7-5温度分辨率设置表R1R0力拼举温度最大转换时间009位93. 7
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