毕业设计--基于NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现.pdf

学号毕业设计（论文）基于NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现教学系：信息工程系指导教师：_专业班级：电信学生姓名：毕业设计（论文）任务书学生姓名专业班级指导教师 工作单位 信息工程系设计（论文）题目：基于NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现设计（论文）主要内容：在粮库温控系统、冷库温控系统、智能化建筑监控系统、中央空调系 统等众多应用领域都需要多点温度测量技术。传统的有线多点温度测量系统,不便于布设、维护和更新，同时安装线缆的真实花费可以达到几万元人民币。无线通信却能很容易地跨跃这些障碍，并且不需要可见的线就能工作。它可以 穿越隔板和墙，并在建筑物之间建立链接。它还能在很短的时间内安装好。利用单片机、温度传感器和无线模块组成的专用无线测温系统由于具有结构 简单、工作可靠、价格低廉的优势，而得到了广泛的应用。NRF24L01是Nord ic公司提供的一款工作在2.4 GHz的无线通信芯片,采用GFSK调制，内部集成Nord ic的Enhanced Shock Burst协议，通信速 度达2Mbps,提供标准SPI,方便与微控制器接口，结合DS18B20温度传感 器即可方便的构建一个多点分布式智能无线温度测量系统。主要任务：1、完成温度测量系统的硬件设计2、完成温度测量系统的软件编程3、实现多点温度测量时间安排：1-2周：进行论文题目的调研3周：完成开题报告4-5周：完成论文的总体方案设计69周：进行论文软硬件设计1011周：系统调试12-14周：撰写论文、修改论文15周：准备答辩必读参考资料：1、电子技术基础（模、数电）2、单片机的应用3、传感器电路4、proteus 仿真附件2指导教师签名:教研室主任签名:盖章毕业设计（论文）开题报告题目基于NRF24L01无线温度测量系统的设计与实现学生姓名 专业班级 电信 学号1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）：随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式已经渗透到生活的各个方 面。在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需 要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。由于厂房大、需 要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设 电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工 方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已 经不能满足当前农业发展的需要。当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。以上只是简单列举几个现实的例子，在现实生活中，这种无线温度采集系统已经被成功应用于许 多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。凡 是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。为此，需要设计相应的接口系统，控 制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信,这样的研究也变得更加有意义了。在2.4GH z非授权频段上，目前已经云集了蓝牙、W i-Fi、Zigbee等多个标准无线协议。具有带宽 高，双向传输，抗干扰性强，传输距离远，耗电少的优点，用于无线键鼠等室内场合。Nordic公司 等公司已成功推出NRF24L 01芯片，2.4G全球开发I SM频段免许可证使用。同时许多公司也相继推出 基于NRF24L 01的无线传输模块。NRF24.L 01模块是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GH z2.5 GH z I SM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型 ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L 01功耗低，在以-6dBm的功 率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA,多种低功率工作模式使节能设计更 方便。至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟。同样随着传感器及电子电路的发展，集成的温度检测器件的完善性及集成性也得到了大大的提 高。类似美国DAL L AS公司推出的数字测温芯片DS18B20层出不穷，国内外的研究在这方面的研究也 趋近完善。2.基本内容和技术方案：在粮库温控系统、冷库温控系统、智能化建筑监控系统、中央空调系统等众多应用领域都需要多 点温度测量技术。传统的有线多点温度测量系统，不便于布设、维护和更新，同时安装线缆的真实花 费可以达到儿万元人民币。无线通信却能很容易地跨跃这些障碍，并且不需要可见的线就能工作。它 可以穿越隔板和墙，并在建筑物之间建立链接。它还能在很短的时间内安装好。利用单片机、温度传 感器和无线模块组成的专用无线测温系统由于具有结构简单、工作可靠、价格低廉的优势，而得 到了广泛的应用。NRF24L 01是Nordic公司提供的一款工作在2.4 GH z的无线通信芯片，采用GFSK调制，内部 集成Nordic的E nhanced Shock Burst协议，通信速度达2 Mbps,提供标准SPI,方便与微控制器 接口，结合DS18B20温度传感器即可方便的构建 个多点分布式智能无线温度测量系统。本设计采用AT89c51单片机作为主控C PU,外加DS18B20温度采集模块、NRF24L 01无线收发 模块和数码显示模块组成整个系统，如图1所示。图1系统总体结构图3.进度安排：1-2周：进行论文题目的调研，查找、收集相关资料，进行分析、整理3周：结合自己对课题的思考，形成个人的观点，完成开题报告45周：完成论文的总体方案设计69周：进行论文软硬件设计1011周：系统调试12-14周：撰写论文、对论文进行反复修改，使毕业论文圆满完成15周：准备答辩4.指导老师意见：指导教师签名：年 月 日注：L开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在学院规定时间 内完成；2.设计的目的及意义至少800字，基本内容和技术方案至少400字；3.指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论 证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标郑重声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或 撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。目录摘要.1ABSTRAC.21绪论.31.1研究背景.31.2课题的国内外研究状况.31.3本课题的研究内容.42系统方案分析与选择论证.52.1系统方案设计.52.1.1 系统设计要求.52.1.2主控芯片方案.52.1.3无线通信模块方案.52.1.4温度传感方案.52.1.5显示模块方案.62.1.6单片机与PC机通信模块.62.2系统方案确定.63无线温度采集系统的硬件电路设计.83.1 单片 2.4GH z NRF24L 01 无线模块.83.1.1 NRF24L 01 芯片概述.83.1.2引脚功能及描述.83.1.3工作模式.93.1.4工作原理.93.1.5配置字.103.1.6 NRF24L 01 模块原理图.103.2 温度采集端.113.2.1采集单元.113.2.2控制单元.153.2.3 显示单元.193.2.4传输单元.193.2.5报警单元.203.3 温度接收端.213.4 电源管理.213.4.1稳压电源的组成.213.4.2电源设计.223.5 看门狗电路.223.6 时钟电路和复位电路.234软件编制与程序实现.254.1系统软件设计.254.1.1上位机程序设计.254.1.2下位机程序设计.254.2程序设计语言的选用.254.3测温程序设计流程.264.3.1主程序.264.3.2读出温度子程序.264.3.3温度转换命令子程序.284.3.4计算温度子程序.294.3.5显示数据刷新子程序.294.4无线通信协议.294.4.1通信信道.204.4.2数据传输协议.295系统仿真.315.1电源电路的仿真.315.1.1+5 V电源电路仿真.315.2发送端温度采集与显示仿真.315.3接收端L C D1602显示温度仿真.326总结与展望.336.1系统调试.336.2温度对比.336.3总结与展望.33参考文献.35附录.36致谢.39摘要温度是一个非常重要的参数。在工业、医疗、军事和生活等许多地方，都需要用到测温装置来检 测温度。传统直接布线测量不满足要求，特别是在某些环境恶劣的工业环境和户外环境，通过直接布线 测量不现实。因此采用无线传输温度检测尤为必要。目前有些设计能够实现无线温度采集，但价格过高是其最大的缺点。在实际温度控制过程中既要 求系统具有稳定性、实时性又需要降低功耗。因此设计一种低功耗的无线温度检测系统很有意义。本文 提出一种采用单片机AT89c51控制DS18B20实现的无线温度测量系统。通过简单的无线通信协议，实现 可靠性与功耗平衡，该系统能实现对温度的检测，能够同时进行温度检测，是可以实现远程控制的无线 温度检测系统。低功耗、实时性的无线温度检测是该设计的最大特点。无线传输采用NRF24L 01模块传 输。该系统结构简单，可靠，功耗较低，成本低，是一种无线传感器的解决方案。关键字：单片机无线传输NRF24101 DS18B201ABSTRACTTemperature is a v ery important parameters.In the ind ustrial,med ical and military and life and many other place,it need s to use the temperature measurement d ev ice to d etect temperature.The trad itional d irect measurement wiring d oes not meet the requirements,especially in some env ironmental bad ind ustrial env ironment and outd oor env ironment,through the d irect wiring measurement is not practical.So using wireless transmission temperature testing is necessary.At present some d esign can realize the wireless temperature gathering,but the price is too high,its biggest weakness.In the actual temperature control process requires both system has stability,real-time and the need to red uce power consumption.So the d esign of a kind of low power consumption wireless temperature d etection system is v ery meaningful.This paper presents a USES the monolithic integrated circuit AT89C51 control DS18B20 of the realization of the wireless temperature measuring system.Through the simple wireless communication protocol,realize the reliability and power balance,the system can realize to the temperature d etection,can simultaneously d etermine the temperature,can be realized the wireless remote control temperature d etection system.Low power consumption,real-time wireless temperature d etection is the biggest characteristic of the d esign.Wireless transmission using NRF24L01 mod ule transmission.The system structure is simple,reliable,low power consumption,low cost,it is a kind of wireless sensor solutions.Key word:MCU AT89C51 wireless transmission NRF24101 DS18B2021绪论本章对基于NRF24L 01无线温度测量系统的研究背景、研究意义进行了综合评述，对基于NRF24L 01 无线温度测量系统的国内外发展历史做了抛砖引玉式的回顾,通过目前国内外具有代表性的公司生产的 波形发生器产品的比较，得出目前本课题在国内外的研究现状，在本章的最后明确了本设计的具体研究 内容。1.1 课题的背景与意义随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方 面。在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要 采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。由于厂房大、需要传 输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作 性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工方 法，工作量大，可靠性差。而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不 能满足当前农业发展的需要。当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易 行。在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。如今很多家庭都会安装室 内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控 通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。以上只是简单列举几个现实的例子，在现实生活中，这种无线温度采集系统已经被成功应用于工农 业、环境监测、军事国防一、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络 已经被广泛的应用到民用和军事领域。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解 决。为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信，这样的 研究也变得更加有意义了。1.2 课题的国内外研究状况在2.4GH z非授权频段上，目前已经云集了蓝牙、W i-Fi、Zigbee等多个标准无线协议，具有带宽高（2Mbps）,双向传输，抗干扰性强，传输距离远（短距离无线技术范围），耗电少的优点，用于无线键 鼠等室内场合。Nordic公司等公司已成功推出NRF24L 01芯片，2.4G全球开发I SM频段免许可证使用。同时许多公司也相继推出基于NRF24L 01的无线传输模块。NRF24.L 01模块是一款新型单片射频收发器 件,工作于2.4 GH z2.5 GH z I SM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模 块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L 01功耗 低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA,多种低功率工作模 式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟。3同样随着传感器及电子电路的发展，集成的温度检测器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。类似美国DAL L AS公司推出的数字测温芯片DS18B20层出不穷，国内外的研究在这方面的研究也趋近完 善。1.3 本课题的研究内容本系统的设计采用了 Nordic公司新推出的工作于2.4GH z频段NRF24L 01射频芯片，由AT89C 5 1单 片机控制实现短距离无线数据通信。该接口设计具有成本低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定 可靠等特点。整个系统有发送和接收二部分，通过NRF24L 01无线数据通信收发模块来实现无线数据传 输。发送部分以单片机AT89c51为核心，使用温度转换芯片DS18B20实时采集温度并通过NRF24101将 采集的温度无线传送给接收部分，然后在L C D1602上显示，并通过串口发送到PC机上显示，通过蜂鸣 器实现对温度过高或过低进行报警。42系统方案分析与选择论证2.1 系统方案设计2.1.1 系统设计要求根据本系统的应用环境，总结系统的技术要求如下：1.体积小。本系统主要用于测量粮库、蔬菜大棚等场所的温度，所以与传统的温度计相比，测温系 统的体积要尽可能的小，这样才能减少占用的空间，而且更便于安装和更换。2.可靠性高。为了保证系统能够正常工作，并且尽可能减少测温误差，要求接收端与发射端之间的 无线通信可靠。而系统环境的影响可能会有不确定的电磁干扰等，因此，系统要有一定的抗干扰性能。3.低成本。无线测温系统应充分考虑其成本，在满足系统要求的前提下，应尽量降低成本，才能比 同类产品具有竞争力。2.1.2主控芯片方案方案一：采用传统的AT89c51单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经 济实惠。方案二：采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。此单片机是一款高性能的低功 耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。但其价格比较昂贵，而且是TPFQ贴 片封装，不利于焊接，需要PC B制板，大大增加了成本和开发周期。方案三：采用宏晶科技有限公司的STC 12c5 A60s2增强型51单片机作为主控芯片。此芯片内置ADC 和SPI总线接口，且内部时钟不分频，可达到I MPS。而且价格适中。考虑到此系统需要不用到ADC,从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用AT89c51作为本系 统的主控芯片。2.1.3无线通信模块方案方案一：采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SI M卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。方案二：采用TI公司C C 2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达25 0kbps,且内部集成高性能8051内核。但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。方案二：采用NRF24L 01无线射频模块进行通信，NRF24L 01是一款高速低功耗的无线通信模块。他 能传输上千米的距离（加PA）,而且价格较便宜，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便。考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。2.1.4温度传感方案方案一：采用AD5 90是美国ANAL O G DE V I C E S公司的单片集成两端感温电流源。AD5 90测量热力 学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控 制场合由于AD5 90精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。但其需 要用到差分放大器放大和A/D转换，需要原件多。方案二：采用美国DAL L AS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，体积 小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域；经济，方便。5使用DS18B20线路简单，编程容易，但是比AD5 90精度低。AD5 90还需要其它辅助电路，线路复杂，编程难度大，但是温度精确。考虑到电路的设计，成本，还有多点通信，我们选择方案二，即用DS18B20 作为本系统的温度传感器。2.1.5显示模块方案方案一：选择主控为ST7920的带字库的L C D12864来显示信息。12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASC H码，而且能够绘制图片-，描点画线，设计成比较理想的结果。方案二：采用字符液晶L C D1602显示信息，1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和 数字等信息，且价格便宜，容易控制。方案三：采用L E D7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符。综合以上方案，我们选择了经济实惠的字符液晶L C D 1602来作为接收端的显示，发送端用7段数码 管显示。2.1.6单片机与PC机通信模块采用RS-232串口与PC机通信。RS-232串口是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(E lectronic I ndustries Association,E I A)所制定的异步传输标准接口。通常RS-232接口以9个接脚(DB-9)或是25个接 脚(DB-25)的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232接口，分别称为C 0M1和COM2。在多数 情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及 一条地线。RS-232-C 标准规定的数据传输速率为每秒 50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有25 00pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用 15 0pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15 m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距 离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于 20m以内的通信。串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在RS-232标准的基础上经过改进而 形成的。所以，以RS-232c为主来讨论。RS-323c标准是美国E I A(电子工业联合会)与BE L L等公司一 起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。这个标准对 串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与 RS-232c制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。RS232是 单片机间，或单片机与上位机间通讯联络用。MAX232作为RS232的电平转换芯片-，完成TTL电平到RS232 电平的转换。主机单片机接收到NRF24L 01的数据后，经MAX232电平转换可实现单片机程序下载与升级，同时可 实现单片机与PC机的通信，以便将显示数据信息通过此电路传送到PC机，并存PC机上显示，其串行 通信电路如图2.1所示。2.2系统方案确定对于本论文的基于NRF24L 01无线温度测量系统来说，整个系统由温度采集端和温度接收端两个部6份组成，两者之间通过无线信道通信。数据采集端负责数据的采集和发送;数据接收端负责数据的接收 和处理。系统整体结构框图如图2.2所示。C18VS+T1 IN=?1 OUTT2IN=?2OUTT1 OUTR1INT2OUTR2IN11V2W9TXCRXD图2.1 MAX232与PC的串口通信电路D114627383Z温度传感器显示模块控制模块C2单片机 AT89c51MAX232C3uF VSSANT2 ANTI-VDD_PZUIJ-5-,L.I R广*J n9nH/.SpfI-1 2 8.2nHL2 2.7nH|W|NRF24LO1图3.4 NRF24L 01单端5 0 Q射频输出电路原理图3.2温度采集端无线温度测量仪的温度采集端由AT89c51单片机、温度测量电路、无线发送模块NRF24L 01、显示电路、时钟电路及其它电路组成。温度采集硬件框图如图3.5所示图3.5温度采集硬件框图3.2.1采集单元这里我们用到温度芯片DS18B20o DS18B20是DAL L AS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3 引脚T0-92小体积封装形式。测温分辨率可达0.0625,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行 输出。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。C PU只需一根端口线就能与诸多 DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55+125,在-1085范围内，精度为 0.5 o现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环 境的现场温度测量，如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等皿。111.DS18B20的内部结构:DS18B20内部结构图如图3.6所示。图3.6 DS18B20内部结构图(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(C RC=X8+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，如表3-3所示，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0.0625/L SB形式表达，其中S为符号位。表3-3 DS18B20温度值格式表bit7bit6bit5bit4bit3bit2bitlbitOL S Byte23222122 122bitl5bitl4bitl3bitl2bitllbitlObit9bit8MS ByteSSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20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1。例如+125的数字输出为07D0H,+25.0625的数字输出为0191H,-25.0625的数字输出为FF6FH,-5 5 C的数字输出为FC 90H。2.DS18B20的工作原理DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期 可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解DS18B20的内部存储 器资源。DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：12（1）ROM只读存储器，用于存放DS18B20I D编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20 的编码是19H）,后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的C RC码（冗余校 验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM。（2）RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9 个字节RAM,每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是 用户E E PROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则 是用户第3个E E PROM的镜像。第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温 度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的 C RC码。E E PROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验 数据，DS18B20共3位E E PROM,并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。控制器对DS 18B20操作流程：（1）复位:首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给 DS18B20单总线至少480 u s的低电平信号。当DS18B20接到此复位信号后则会在1560 us 后回发一个芯片的存在脉冲。（2）存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15 60uS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60240 us的低电平信号。至此，通信双方已经达成 了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。如果复位低电平的时间不足或是 单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。（3）控制器发送ROM指令：双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有5 条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯 片搜索、报警芯片搜索。ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。其 主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个 器件，并通过每个器件上所独有的I D号来区别，一般只挂接单个DS18B20芯片时可以跳过ROM 指令（注意：此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）o（4）控制器发送存储器操作指令：在ROM指令发送给DS18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数 据、读RAM数据、将RAM数据复制到E E PROM、温度转换、将E E PROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。（5）执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待DS18B20 执行其指令，一般转换时间为5 00 u So如执行数据读写指令则需要严格遵循DS18B20的读写 时序来操作。数据的读写方法将有下文有详细介绍。当主机收到DS18B20的响应信号后，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如下：指令代码 代码Skip ROM（跳跃 ROM 指令）C C H 这条指令使芯片不对ROM编码做出反应，在单总线的情况之下，为了节省时间则可以选用 13此指令。如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。Read Scratchpad(从 RAM 中读数据)BE H 此指令将从RAM中读数据，读地址从地址0开始，一直可以读到地址9,完成整个RAM数 据的读出。芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读 取时间。C onvert T(温度转换)44H 收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入RAM的第1、2地址。此后 由于芯片忙于温度转换处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成 时，总线将输出“1”。在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持5 00MS,来维持芯片工作。与DS18B20的所有通讯都是由一个单片机的复位脉冲和一个DS18B20的应答脉冲开始的。单片机先发一个复位脉冲，保持低电平时间最少480 u s,最多不能超过960 u s。然后，单片 机释放总线，等待DS18B20的应答脉冲。DS18B20在接受到复位脉冲后等待1560口 s才发出 应答脉冲。应答脉冲能保持60-240 u so单片机从发送完复位脉冲到再次控制总线至少要等 待 480 u so读时隙需1560us,且在2次独立的读时隙之间至少需要1 u s的恢复时间。读时隙起 始于单片机拉低总线至少lus。DS18B20在读时隙开始15 u s后开始采样总线电平。写时隙需要1575 u s,且在2次独立的写时隙之间至少需要1 J s的恢复时间。写时隙起始于单 片机拉低总线。3.DS18B20的硬件设计(1)DS18B20在本系统中与发送端单片机的P3.3连接。如图3.7：VCJC2U2 VCC I/O GND3_2 P331CS18B2O图3.7 DS18B20的硬件连接图(2)对DS18B20的设计，需要注意以下问题a.对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS18B20进行操作，需要用较为复杂的程序完成。编制程 序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行，读、写时间片程序要严格按要求编写。尤其在 使用DS18B20的高测温分辨力时，对时序及电气特性参数要求更高。b.有多个测温点时，应考虑系统能实现传感器出错自动指示，进行自动DS18B20序列号和自动排序,以减少调试和维护工作量。14C.测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接V C C和地线，屏蔽 层在源端单点接地。DS18B20在三线制应用时一，应将其三线焊接牢固；在两线应用时一，应将V C C与GND 接在一起，焊接牢固。若UC C脱开未接，传感器只送85.0的温度值。d.实际应用时，要注意单线的驱动能力，不能挂接过多的DS18B20,同时还应注意最远接线距离。另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。(4)DS18B20与AT89C 5 1的连接电路图如图3.8所示。八39新3635-*21乏2425穿28PO.O/ADO PO.1/AD1 PO 2/AD2 PO.3/AD3 PO 4/AD4 PO.S P3 2XNTO P3.3rtN71P3.4/TOP3.5/T1P3.6A?VR-P3.7/R图3.8 DS18B20与AT89C 5 1的连接电路图3.2.2控制单元单片机实现对传感器的一系列操作，包括初始化、温度读取、数据存储、注册、注销等，并负责与 上位机的通讯。1.89c51系列单片机的特点单片机(Microcontroller,有称微处理器)是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包 括中央处理器C PU、数据存储器RAM、程序存储器ROM,定时器/计数器和多种I/O接口电路。89C 5 1单片机的基本结构见图3.902.89C 5 1系列单片机的内部结构89c51系列的内部结构可以划分为C PU、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断逻辑几部 分。(1)中央处理器89C 5 1的中央处理器由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器(SFR)。算术逻辑单元AL U能对数据进行加、减、乘、除等算术运算；“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以 及位操作运算。AL U只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器AC C或寄存器TMP中，运算结果可以送回 AC C或通用寄存器或存储单元中，累加器AC C也可以写为A、B寄存器，在乘法指令中用来存放一个乘 数，在除法指令中用来存放除数，运算后B中为部分运算结果。15程序状态字PSW是个8位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其中七位。PSW的格式如下 表3-4所示，其各位的含义是:TO T1PO Pl P2 P3 TXD RXD INTO INTI图3.9 89C 5 1单片机的基本结构表3-4 PSW的各位含义D7 D6 D5 D4 D3 D2 DI DOPSW C Y AC FO RSI RSO OV PC Y：进位标志。有进位/错位时C Y=1,否则C Y=O。AC：半进位标志。当D3位向D4位产生进位/错位时，AC=1,否则AC=O,常用 于十进制调整运算中。F0：用户可设定的标志位，可置位/复位，也可供测试。RSK RSO:四个通用寄存