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基于热电偶的测温系统设计 毕业设计完整版


XXXX

毕 业 设 计

设计题目:基于热电偶的测温系统设计

系 班 姓 指 导

机电工程系 别:_________________________ 测控技术与仪器 1 班 级:_________________________ XXX 名:_________________________

Xx 教 师:_________________________

2014 年

6 月

11 日

XXXXXX 毕 业 设 计

基于热电偶的测温系统设计
摘要
在工业生产过程控制中,温度是一个重要的测量参数,而热电偶是工程上应用 最广泛的温度传感器之一,他的主要特点就是测温范围宽,性能比较稳定,同时同 时结构简单,动态响应好,更能够远传 4-20mA 电信号,便于自动控制和集中控制, 在温度测量中占有重要地位。但由于热电偶的热电势与温度成非线性关系增加了显 示与处理的复杂性;且随着工业发展、自动化的不断加强,对温度精度要求越来越 高。在现代化的工业现场,常用热电偶测试高温,测试结果送至主控机。由于热电 偶的热电势与温度呈非线性关系,所以必须对热电偶进行线性化处理以保持测试精 度。该系统以单片机为控制核心,通过高精度模/数转换器对热电偶电动势进行采 样、放大,并在单片机内采用一定算法实现对热电偶的线性化处理并通过液晶屏显 示相应测量数据。 关键词:传感器 热电偶 模/数转换器 液晶屏

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XXXXXX 毕 业 设 计

The design of temperature measurement system based on thermocouple
Abstract
In the industrial production process control, the temperature is an important survey parameter, but the thermo-element is in the project applies one of most widespread temperature sensors, his main characteristic is the temperature measurement scope is wide, the performance quite is stable, simultaneously the structure is simultaneously simple, the tendency responds, can pass on the 4-20mA electrical signal far, is advantageous for the automatic control and the common control, holds the important status in the temperature survey. But because the thermo-element thermoelectric force and the temperature became the non-linear relations to increase the demonstration and the processing complexity; Also along with the industrial development,the automated unceasing enhancement, is more and more high to the temperature precision request. Thermocouple is used frequently in high-temperature test in the modernized industry scene, then the test results are deliver edto master control machine. As the non-linear relationship between thermoelectric potential and temperature, it must be carried out on the thermocouple linear processing in order to maintain accuracy of test. It employs SCM as a core of controlling. This article is for the linearization of thermocouple. The general idea is to study high-precision A/D converter,which samples and enlarges the thermoelectric potential from the thermocouple, the measurement data is displayed by LCD screen Keywords:sensor thermocouple A/D converter LCD screen

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1 引言
1.1 设计背景和思路
随着电子信息技术、新材料及自动化技术的发展,传感器技术也得到了日新月 异的发展,单片机和自动控制系统在统诸多领域得到了极为广泛的应用。我们不再 局限于从环境中采集来模拟信号,而是考虑如何得到可处理的数字信号,所以我们 把温敏器件、A/D 转换器、存储器集成在一起构成数字传感器。在控制领域,具有 更好的稳定性,更快和更准确的运算精度的 C52 系列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,而数字传感器与单片机更能够有 机联系起来,传感器采集所需信息并且将其数字化,这样单片机就能够对其进行直 接处理,从而实现两者的交互控制;其次由于单片机较强的核心控制能力,我们可 以搭接辅助电路,进而得到实用的开发系统。测温系统可以采用这种模式,目前人 们对其测量的准确性以及便捷性要求越来越高,如果我们从微控制器技术着手,那 将很好解决这个问题。 随着单片机技术的飞速发展,通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自 动控制领域的一个重要发展方向, 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-52 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。 在现代社会中,温度控制不仅应用在工厂生产方面,其作用也体现到了各个方 面,随着人们生活质量的提高,酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子, 温度控制将更好的服务于社会。空调等家用电器随着生产技术的发展和生活水平的 提高越来越普及,一个简单,稳定的温度控制系统能更好的适应市场。

1.2 论文的研究任务与内容
工业生产当中,工作环境对各种仪表或设备能够发挥最佳性能、能否正常运行 极为重要。而环境因素中一个很重要的物理量就是温度,热电偶是工程上应用最广 泛的温度传感器之一,它具有构造简单、使用方便、准确度、热惯性小、稳定性及 复现性好、温度测量范围宽等优点,适用于信号的远传、自动纪录和集中控制,在 温度测量中占有重要地位。本论文将传统的热电偶测温技术结合自动控制技术、单 片机控制技术和液晶显示功能构成一个完整温度测量系统,实现数字智能测温。该 测温系统与传统的测温系统相比,具有读数方便,测温范围广,测温准确,其输出
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XXXXXX 毕 业 设 计 温度采用数字显示, 并且消除了热电偶带来的非线性问题。 此测温系统既适合民用, 在一定程度上也能满足工业或科研的需求。 本设计的主要内容是以89c52单片机为控制器,以k型热电偶为传感器,使用 K 型热电偶专用的模数转换器MAX6675和工业字符型液晶HJ1602A构建数字测温系统。 热电偶采集温度信号经过信号调理、模数转换传送到单片机,再通过 HJ1602A显示 出所测温度来完成设计任务。 Sensors 传感器 MAX6675 A/D 转化器
图 1 系统框图

STC89C52 单片基
单片机

液晶 显示器

1.3 设计的预期结果和意义
温度是一种最基本的环境参数,人民的生活与环境的温度息息相关,在工业生 产过程中需要实时测量温度,在农业生产中也离不开温度的测量,因此研究温度的 测量方法和装置具有重要的意义。 温度是一个十分重要的物理量大于它的测量与控制又十分重要的意义。随着现 代工弄也技术的发展及人们对生活环境要求的提高,人们也迫切需要检测与控制温 度:如大气及空调房中的温度高低直接影响着人们的身体健康;在大规模集成电路 生产线上环境温度不适当会严重影响产品的质量。 测温技术在生产过程中,在产品质量控制和检测设备在线故障诊断和安全保护 以及节约能源等方面发挥了重要作用。 而随着人们生活水平的不断提高,科技不断发达,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。单片机在测控领域中具有十分 广泛的应用, 它既可以测量电信号,又可以测量温度湿度等非电信号。由单片机 构 成的温度检测、温度控制系统可以广泛应用于很多领域。单片机在工业控制、尖端 武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。今天我们 的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。时下,家 用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制话已成为世界潮流,而这些高性能 无一不是靠单片机来实现的。而另一个目标便是传感器。由于传感器能将各种物理 量、化学量和生物量等信号转变为电信号,使得人们可以利用计算机实现自动化测 量、信息处理和自动控制,但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。 本设计是将两者结合,利用单片基结合传感器技术而开发设计出一个温度监控 系统。该设计的预期结果就是设计出一套基于单片机控制的热电偶测温数字显示系 统并能 proteus 实现仿真。根据要求编写出应用程序,绘制出 protel 电路图,动 手完成实物设计。
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2 总设计方案
本系统以 AT89S52 作为处理器, 使用 MAX6675 作为温度传感器, 配以温度显示。 整个系统力求结构简单, 功能完善。 使用温度传感器 MAX6675+AT89S52, MAX6675 将 热电偶测温应用时复杂的线性化、冷端补偿及数字化输出等问题集中在一个芯片上 解决,简化了将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域时复杂的软硬件设计,因而 该器件是将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域的理想选择。 该方案的特色是 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器,具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。AT89S52 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术 制造,与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统 可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,AT89S52 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash,使 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决 方案。MAX6675 是一种高精度的集成芯片,体积小且不需要任何的其他外围电路, 大大的减少了电路中的元件和 I/O 连线,从而简化了系统结构。
初始化

调用显示子程序 是 750ms 到否? 是

首次开机否? 是 读出温度值,计算温 度值并刷新 是

温度转换命令 图 2 程序流程图

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3 硬件系统设计
3.1 硬件组成
热电偶测温系统主要由四部分组成:数据采集模块、MAX6675 模数转换模块、 单片机控制及其外围、液晶显示模块。其中微控制器采用 AT89C52,液晶显示部分 可采用并行或串行传输数据。

温度传 感器

A/D 转 换电路

单片基 控制系 统

图 3 传感器信号流图

如上图所示,由三个模块组成,分别为传感器、A/D 转换、微处理器部分,由 于 MCU 处理的是数字信号,所以需要 A/D 转换电路对传感器的数据进行数字化。事 实上,MAX6675 是数字传感器,实则为集成了 A/D 转换部分,当然也拥有其余很多 新功能。

3.2 电路原理图

图 4 测温系统仿真电路原理图
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XXXXXX 毕 业 设 计 图 4 为温度测试系统的仿真原理图,系统整体硬件电路包括,传感器数据采集 电路,模数转换电路,单片机主板电路,温度显示电路等。液晶显示模块集成了译 码器, 其 8 个段选分别与单片机的 P1 的 8 个 I/O 口相连, 其余 3 个位选分别与 P2.0 —P2.2 相连,MAX6675 的数据口与单片机的 P2.4-2.6 相连,另外两个口连在一块 接地,这也是寄生供电的方式,即是由数据线给 MAX6675 供电,其余几个部分分别 为单片机的时钟电路、复位电路、电源电路,几部分共同组成单片机的最小系统。

3.3 传感器数据采集电路
3.31 热电偶原理
热电偶是一种感温元件,它把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转 换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合 回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在塞贝 克电动势 热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体 位热电极,温度叫法噢的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处 于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度 表是自由端温度在 0℃时的温度条件下得到的,不同的热电偶就不同的分度表。在 热电偶回路中接入第三种金属材料是,只要该材料的两个接点温度相同,热电偶所 产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此,在热电偶 测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。

3.3.2 热电偶优点
热电偶是工业常用温度测温元件,具有如下特点: 1)测量精度高:热电偶与 被测对象直接接触,不受中间介质的影响。2)热响应时间快:热电偶对温度变化 反应灵敏。3)测量范围大:热电偶从-40~1600℃均可持续测温。4)性能可靠, 机械强度好。5)使用寿命长,安装方便。

3.3.3 热电偶种类
我国标准化热电偶的常用种类:铂铑 10-铂(分度号为 S) 、铂铑 13-铂(R) 、 铂铑 30-铂铑 6(B) 、镍铬-镍硅(K) 、镍铬-康铜(E) 、铁-康铜(J) 、铜-康铜(T) 和镍铬硅-镍硅(N) 。根据本设计技术要求测温范围 0~300℃,精度±0.5℃。选择 K 型热电偶满足要求。

3.4 模数转换电路
MAX6675 是美国 MAXIM 公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测 的串行 K 型热电偶模数转换器, 它的温度分辨能力为 0. 25 ℃, 冷端补偿范围为 - 20~ + 80 ℃, 工作电压为 3. 0~5. 5V。文中介绍了 MAX6675 的功能特点、 引脚排列及工作时序,给出了 MAX6675 与 89C51 的接口电路与编程设计方法。 在 工业温度测控场合, K 型热电偶因其线性度好, 价格便宜, 测量范围宽而得到广
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XXXXXX 毕 业 设 计 泛的使用; 但它往往需要冷端补偿, 且电路较复杂, 调试麻烦。而 MAXIM 公司生 产的 K 型热电偶串行模数转换器 MAX6675 不但可将模拟信号转换成 12bit 对应的 数字量, 而且自带冷端补偿。其温度分辨能力达 0. 25 ℃,可以满足绝大多数工 业应用场合。MAX6675 采用 SO - 8 封装,体积小,可靠性好。

3.4.1 引脚排列及内部结构
MAX6675 芯片的引脚排列如图 5 所示, 各引脚的功能如下: T- :热电偶负极(使用时接地) ; T+ :热电偶正极; SCK:串行时钟输入; CS:片选信号; SO:串行数据输出; VCC :电源端; GND:接地端; N. C. :悬空,不用。
图 5 MAX6675 的引脚图

3.4.2 MXA6675 工作原理及功能特点
根据热电偶测温原理, 热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关,而且 与冷端的温度有关,在以往的应用中,有很多种冷端补偿方法,如冷端冰点法或电 桥补偿法等,但调试都比较麻烦。另外,由于热电偶的非线性, 以往是采用微处 理器表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身非线性带来的测量误差, 但这些 都增加了程序编制及调试电路的难度。 而 MAX6675 对其内部元器件的参数进行了激 光修正, 从而对热电偶的非线性进行了内部修正。同时, MAX6675 内部集成的冷 端补偿电路、非线性校正电路、断线检测电路都给 K 型热电偶的使用带来了极大的 方便。其工作原理如图 6 所示。 MAX6675 的特点如下: 1.内部集成有冷端补偿电路; 2.内含热电偶断线检测电路。 3.带有简单的 3 位串行接口; 4.可将温度信号转换成 12 位数字量,温度分辨率达 0. 25 ℃; MAX6675 内部集成有冷端补偿电路;带有简单的 3 位串行 SPI 接口;可将温度 信号转换成 12 位数字量,温度分辨率达 0.25℃;内含热电偶断线检测电路。冷端 补偿的温度范围-20℃~80℃,可以测量 0℃~1023.75℃的温度,基本符合工业上 温度测量的需要,其串行接口时序如图 7 所示。 由接口时序可以看出,当 MAX6675 的 引脚从高电平变为低电平时,MAX6675 将停止 任何信号的转换并在时钟 SCK 的作用下通过 SO 引脚向外输出已转化的数据(此数
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A

XXXXXX 毕 业 设 计 据是经过放大了的 A/D 转换后的数字量与冷端补偿之和) ;相反,当 从低电平变回 高电平时,MAX6675 将进行新的转换。在 引脚从高电平变为低电平时,第一个字节 D15 出现在引脚 SO 上,一个完整的数据读过程需要 16 个时钟周期,数据的读取通 常在 SCK 的下降沿完成。值得指出的是此芯片的 AD 转换速度在 0.17~0.22s 之间, 比之一般的 AD 转换芯片微秒级的转换速度要长得多。
B VCC

0.1uf

S















5









S

3

3

0

0

K



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S

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K

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S

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S

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2

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图6 MAX6675工作原理图
D

K



*

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Title

A

Date:

4

File:

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图 7 串行接口时序图

3.4.3 MAX6675 的工作时序
当MAX6675 的CS 引脚从高电平变为低电平时, MAX6675 将停止任何信号的转 换并在时钟SCK 的作用下向外输出已转化的数据。相反,当 CS 从低电平变回高电 平时, MAX6675 将进行新的转换。在 CS 引脚从高电平变为低电平时, 第一个字 节D15 将出现在引脚SO。一个完整的数据读过程需要16 个时钟周期,数据的读取 通常在 SCK 的下降沿进行。 MAX6675 的输出数据为 16 位,其中 D15 始终无用, D14~D3 对应于热电偶模拟输入电压的数字转换量, D2 用于检测热电偶是否断线 (D2 为1 表明热电偶断开) , D1 为MAX6675 的标识符, D0 为三态。需要指出的
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C:\Documents

and

Settings\..\Sheet6.SchDoc

2010-9-12

Number

XXXXXX 毕 业 设 计 是:在以往的热电偶电路设计中,往往需要专门的断线检测电路, 而MAX6675 已将 断线检测电路集成于片内,从而简化了电路设计。 D14~D3 为12 位数据,其最小 值为0 ,对应的温度值为0 ℃; 最大值为4095 , 对应的温度值为1023. 75 ℃; 由 于MAX6675 内部经过了激光修正, 因此, 其转换结果与对应温度值具有较好的线 性关系。温度值与数字量的对应关系为: 温度值= 1023. 75 ?转换后的数字量/ 4095。

3.4.4 MAX6675 与 89C52 的接口实现
MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与单片机接口,因此它只能作为从设备即 串行接口芯片。SPI(Serial Peripheral Interface)总线系统是一种同步串行外 设接口,是Motorola公司推出的总线标准,它可以使单片机与各种外围设备以串行 方式进行通信以交换数据。 以单路热电偶为例来说明MAX6675与C51系列单片机的接口连接。由于 C51系列单片 机不具有SPI串行总线接口,可以使用软件来模拟SPI操作,包括串行时钟、数据输 入和数据输出。如图4所示,串行外部时钟由P3.1提供,它是单片机的串行输出口 TXD,对应于SCK的串行时钟输入;片选信号由P3.2提供;转换数据由P3.0读取,它 是单片机的串行输入口 RXD,对应于SO的串行输出。MAX6675的转换结果在SCK的控 制下连续输出。 值得指出的是我们将串行时钟输出口P3.1的初始状态设置为1,而在允许接口 后再置P3.1为0。这样,单片机在输出1位SCK时钟的同时,将使接口芯片串行左移, 从而输出一位数据至单片机的P3.0口(模拟MISO线) ,以后再置P3.1为1。至此,模 拟一位数据输入过程完成。

图 8 MAX6675 与 89C51 系列连接示意图

3.4.4 MAX6675 芯片注意事项
为了正确使用MAX6675 芯片,设计时还必须注意以下几点: (1) 利用输出数据 中的D2 进行断偶检测时, 热电偶的输入负极 T- 必须接地, 且应尽可能地靠近 MAX6675 的引脚地(即PIN1) ; (2) 由于冷端温度是由MAX6675 本身检测的, 因此, 为了提高测量的精确度,电路板的地线尽可能地大; (3) 由于热电偶信号为微弱信
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XXXXXX 毕 业 设 计 号,因此要尽可能地采取措施防止噪声干扰。可在MAX6675 电源与地线之间接一个 0. 1μ F 的陶瓷电容。

3.5 单片机主板电路
AT89C52是51系列单片机的一个型号,它是 ATMEL公司生产的。AT89C52是一个 低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序 存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM) ,器件采用ATMEL公司的高密度、 非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和 Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场 合。

3.5.1 AT9C52 引脚排列及内部结构
如图9所示,AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时 内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口 线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程 (S系列的才支持在线 编程)。 其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起, 特别是可反复擦写的Flash 存储器可有效地降低开发成本。主要性能参数是: 兼容MCS51指令系统 ? 8k可反复擦写(>1000次)Flash ROM ? 32个双向I/O口 ? 256x8bit内部RAM ? 3个16位可编程定时/计数器中断 ? 时钟频率0-24MHz ? 2个串行中断 ? 可编程UART串行通道 ? 2个外部中断源 ? 共6个中断源 ? 2个读写中断口线 ? 3级加密位 ? 低功耗空闲和掉电模式 ? 软件设置睡眠和唤醒功能

图 9 AT9C52 引脚介绍

1 ) P0 口
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XXXXXX 毕 业 设 计 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口, 也即地址 / 数据总线复用口。 作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路,对端口 P 0 写“ 1”时,可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低 8 位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。 在 Flash 编程时,P0 口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节, 校验时,要求外接上拉电阻。 2 ) P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口, P1 的输出缓冲级可驱动 (吸收或输出电流) 4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“ 1”,通过内部的上拉 电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上 拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 (IIL) 。与 AT89C51 不同 之处是, P1.0 和 P1.1 还可分别作为定时 / 计数器 2 的外部计数输入( P1.0/ T2 )和输入( P1.1/T2EX ),参见表 1 。 Flash 编程和程序校验期间, P1 接收 低 8 位地址。
表 1 P1.0 和 P1.1 的第二功能

引脚号 P1.0 P1.1 3 ) P2 口

功能特性 T2,时钟输出 T2EX (定时 / 计数器 2 )

P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P2 的输出缓冲级可驱 动(吸收或输出电流) 4 个 TTL 逻辑门电路。对端口 P2 写“ 1 ”,通过内部 的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部 存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 (IIL) 。 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器(例如执行 MOVX @DPT R 指令)时,P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器 (如执行 MOVX @RI 指令)时, P2 口输出 P2 锁存器的内容。 Flash 编程或校验时, P2 亦接收高位地址和一些控制信号。 4 ) P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可 驱动(吸收或输出电流) 4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“ 1 ”时,它们 被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时,被外部拉低的 P3 口将用上拉 电阻输出电流( I IL )。
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XXXXXX 毕 业 设 计 P3 口除了作为一般的 I/O 口线外,更重要的用途是它的第二功能,如下 表 2 所示:
表 2 P3 口第二功能表

端口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6

第二功能特性 RXD (串行输入口) TXD (串行输出口) INT0 (外中断 0 ) INT1 (外中断 1 ) TO( 定时 /计数器 0 外部输入 ) T1( 定时 /计数器 1 外部输入 ) WR( 外部数据存储器写选通 )

P3.7 RD( 外部数据存储器读选通 ) P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 5 ) RST 复位输入。当振荡器工作时,RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使 单片机复位。 6 ) ALE/PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时, ALE (地址锁存允许)输出脉冲 用于存地址的低 8 位字节。一般情况下, ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出 固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当 访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储器编程期间,该 引脚还用于输入编程脉冲( PROG )。如有必要,可通过对特殊功能寄存器( S FR)区中的 8EH 单元的 D0 位置位,可禁止 ALE 操作。该位置位后,只有一 条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。此外,该引脚会被微弱拉高,单片机 执行外部程序时,应设置 ALE 禁止位无效。 7 ) PSEN 程序储存允许( PSEN )输出是外部程序存储器的读选通信号,当 AT89C52 由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次 PSEN 有效,即输 出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次 PSEN 信号。 8 ) EA/VPP 外部访问允许。 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 (地址为 0000H — FFFFH ) , EA 端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位 LB1 被编程,复位 时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平(接 Vcc 端),CPU 则执行内部程 序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时,该引脚加上 +12V 的编程允许电源 Vpp ,当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp 。
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XXXXXX 毕 业 设 计 9 ) XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 10)XTAL2 振荡器反相放大器的输出端。

3.5.3 单片机最小系统介绍
单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。 最小系统原理图如图 10 所示。

图 10 最小系统电路图

◆电源供电模式

图 11 电源模块电路图

对于一个完整的电子设计来讲,首要问题就是为整个系统提供电源供电模块, 电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51 单片机虽然使用时间最早、
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XXXXXX 毕 业 设 计 应用范围最广,但是在实际使用过程中,一个和典型的问题就是相比其他系列的单 片机,51 单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象,克服这种现象出现的一个 重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。 此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的 USB 口供给,也可使用 外部稳定的 5V 电源供电模块供给。电源电路中接入了电源指示 LED,图中 R11 为 LED 的限流电阻。S1 为电源开关。 ◆复位电路

图 12 复位电路图

单片机的置位和复位,都是为了把电路初始化到一个确定的状态,一般来说, 单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态,而在单片机内部,复位 的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。 单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚 RST 上外接电阻和电容,实现上电 复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大 于单片机的两个机器周期。具体数值可以由 RC 电路计算出时间常数。 复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。 (1)上电复位:STC89 系列单片及为高电平复位,通常在复位引脚 RST 上连接 一个电容到 VCC,再连接一个电阻到 GND,由此形成一个 RC 充放电回路保证单片机 在上电时 RST 脚上有足够时间的高电平进行复位,随后回归到低电平进入正常工作 状态,这个电阻和电容的典型值为 10K 和 10uF。 (2)按键复位:按键复位就是在复位电容上并联一个开关,当开关按下时电 容被放电、RST 也被拉到高电平,而且由于电容的充电,会保持一段时间的高电平 来使单片机复位。 ◆振荡电路

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图13 振荡电路图

单片机系统里都有晶振, 在单片机系统里晶振作用非常大, 全程叫晶体振荡器, 他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率,单片机晶振提供的时钟频率越 高,那么单片机运行速度就越快,单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振 提供的时钟频率。 在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度 更高。 有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率, 称为压控振荡器 (VCO) 。 晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定, 精确的单频振荡。 单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶 振,便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电 子调整频率的方法保持同步。 晶振通常与锁相环电路配合使用,以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系 统需要不同频率的时钟信号,可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。 STC89C52使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源,由于单片机内部带有振荡 电路,所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可,电容容量一般在15pF至50pF之 间。

3.5.4 AT89C52功能特点
作为比较经典的一款单片机,AT89C52具有低电压供电和体积小等特点,功耗 不是很高很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电;此外,这款单 片机指令系统比较丰富,已经能满足此系统的开发使用。AT89C52可降至0Hz静态逻 辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下, CPU停止工作,允许RAM、定 时器/计数器、串口中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻 结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。 AT89C52具有以下标 准功能: ●与MCS51单片机产品兼容;
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XXXXXX 毕 业 设 计 ●8K支持在线编程(ISP)的FLASH结构程序存储器,1000次擦写寿命; ●工作电压为4.0V~5.5V; ●全静态工作:0~24MHz; ●3级程序安全加密保护; ●256*8位内部RAM; ●32个可编程I/O端口; ●3个16位定时器/计数器; ●8个中断源; ●一个全双工异步串口; ●支持低功耗及掉电模式;

3.6 液晶显示电路

图 14 液晶显示电路

3.6.1 HJ1602A概述
HJ1602A 是一种工业字符型液晶,能够同时显示 16?02 即 32 个字符。(16 列 2 行)

3.6.2 主要技术参数
显示容量 16*2个字符 芯片工作电压 4.5-5.5V 工作电流 2.0mA(5.0V) 模块最佳 工作电压 5.0V 字符尺寸 2.95?4.35(WXH)mm

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3.6.3 引脚借口说明表
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 符号 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1 引脚说明 电源地 电源正极 液晶显示偏压 数据/命令选择 读/写选择 使能信号 数据 数据 编号 9 10 11 12 13 14 15 16 符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK 引脚说明 数据 数据 数据 数据 数据 数据 背光源正极 背光源负极

第1脚:VSS为地电源; 第2脚:VDD接5V正电源; 第3脚:V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比 度最高,对比度过高时会产生“鬼影” ,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比 度; 第4脚:RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器; 第5脚:R/W为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。当RS和RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙 信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据; 第6脚:E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令; 第7~14脚:D0~D7为8位双向数据线; 第15脚:背光电源正极; 第16脚:背光电源负极。

3.6.4 SMC1602A(16*2)模拟口线接线方式
连接线图: |DB0-----P1.0 | DB4-----P1.4 | RW-------P2.0 |DB1-----P1.1 | DB5-----P1.5 | RS-------P2.1 |DB2-----P1.2 | DB6-----P1.6 | E--------P2.2 |DB3-----P1.3 | DB7-----P1.7 | VSS -----GND |VDD-----+5V | VEE接1K电阻到+5V| | | | |

3.6.5 1062LCD的指令说明及时序
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。 (1为高 电平、0为低电平)
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XXXXXX 毕 业 设 计 指令1:清显示,指令码01H,光标复位到地址00H位置。 指令2:光标复位,光标返回到地址00H。 指令3:光标和显示模式设置I/D,光标移动方向,高电平右移,低电平左移 S:屏 幕上所有的文字是否左移或者右移。高电平表示有效,低电平则无效。 指令4:显示开关控制。D:控制整体显示的开与关,高电平表示开显示,低电平表 示关显示 C:控制光标的开关,高电平表示有光标,低电平表示无光标 B:控制光 标是否闪烁高电平闪烁,低电平不闪烁。 指令5:光标或显示位移 S/C:高电平时移动显示的文字,低电平时移动光标。 指令6:功能设置命令 DL:高电平时为4位总线,低电平时为8位总线 N:低电平时为单行显示,高电平时双行显示 F:低电平时显示5?7的点阵字符,高电平时显示5?10的点 阵字符。 指令7:字符发生器RAM地址位置。 指令8:DDRAM地址设置。 指令9:读忙信号和光标地址 BF:为忙碌标志位,高电平表示忙,此时模块不能接 受命令或者数据,如果为低电平表示不忙。 指令10:写数据。 指令11:读数据。

3.6.6读写操作时序表
读写操作时序如图所示

图 15 读操作时序

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图 16 写操作时序

4 软件设计
软件是整个系统的灵魂,它是算法和功能实现的关键。软件设计包括主程序、 显示子程序和中断服务程序。

4.1 主程序
主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理 MAX6675 的测量的当前温度值,温 度测量每 750ms 进行一次。 这样可以在一秒之内测量一次被测温度, 其程序流程见图 4.1 所示。 初始化的过程主要是由主机发出一复位脉冲,然后等待从机 MAX6675 响应的过程,其中也包括 对 MAX6675 存储器的设置。当初始化后,若是首次开机,此时系统会进入读温度,计算并刷新, 进而由单片机转换温度,最后由 LED 显示;如果不是首次开机,则直接进行温度转换,显示已 测温度值,再有 LED 显示。这个过程的时间是极短的,显示子程序的调用也是实时的。程序中 告警的条件定义为温度高于 TH 或低于 TL。只要 MAX6675 一上电,完成温度转换后,会把测得 的温度值与 RAM 中的用户自定义的 TH、 TL 字节对比, 若超限, 则把该器件内的报警标志位置位, 主机可进行搜索。 / *************** ***************主 程 序*****************************************/ void main(void) { delay_nms(10); LCD_init(); //LCD 初始化 delay_nms(50); CLEARSCREEN; //清屏 delay_nms(10); LCD_write_string(0,LINE1,"temperature TEST");
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LCD_write_char( 8,LINE2,0X2e);//显示"点" LCD_write_char( 10,LINE2,0XDF);//显示"度" LCD_write_char( 11,LINE2,0X43);//显示"C" while(TRUE ) { tempdisp(); delay_nms(100); } }

4.2 显示子程序

P1.0

P1.1

P1.2

冷端温 度显示

热电势 缓冲区

结 果 显示

动态扫描

返回 图 17 显示程序

●温度值显示程序
******************* ****************温度值显示**********************************/ void tempdisp() { unsigned int temp; int TempValue; unsigned int testD2; unsigned int xiaoshu; xiaoshu=TempValue=ReadMAX6675();//读取 MAX6675 转换后的温度数值; TempValue=TempValue<<1; //去掉第 15 位 TempValue=TempValue>>3; //去掉第 0~2 位 TempValue=TempValue/4; //MAX6675 最大数值为 1023。75,而 AD 精度为 12 位, 即 2 的 12 次方为 4096,转换对应数,故要除 4; xiaoshu=xiaoshu<<10; //去掉第 6~15 位 xiaoshu=xiaoshu>>3; //取 3,4,5 位小数 xiaoshu=xiaoshu/4; //与上述同理; if(TempValue>=260)
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{ TempValue=TempValue+3; disdata[0]=(TempValue/1000)%10+0x30;//千位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[1]=(TempValue/100)%10+0x30;//百位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[2]=(TempValue/10)%10+0x30;//十位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[3]=TempValue%10/1+0x30;//个位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[4]=(xiaoshu)%10+0x30;//分位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 LCD_write_char(4,LINE2,disdata[0]); //显示千位 LCD_write_char(5,LINE2,disdata[1]); //显示百位 LCD_write_char(6,LINE2,disdata[2]); //显示十位 LCD_write_char(7,LINE2,disdata[3]); //显示个位 LCD_write_char(9,LINE2,disdata[4]); //显示分位 } else if(TempValue>180) { TempValue=TempValue+2; disdata[0]=(TempValue/1000)%10+0x30;//千位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[1]=(TempValue/100)%10+0x30;//百位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[2]=(TempValue/10)%10+0x30;//十位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[3]=TempValue%10/1+0x30;//个位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[4]=(xiaoshu)%10+0x30;//分位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 LCD_write_char(4,LINE2,disdata[0]); //显示千位 LCD_write_char(5,LINE2,disdata[1]); //显示百位 LCD_write_char(6,LINE2,disdata[2]); //显示十位 LCD_write_char(7,LINE2,disdata[3]); //显示个位 LCD_write_char(9,LINE2,disdata[4]); //显示分位 } else { disdata[0]=(TempValue/1000)%10+0x30;//千位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[1]=(TempValue/100)%10+0x30;//百位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[2]=(TempValue/10)%10+0x30;//十位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[3]=TempValue%10/1+0x30;//个位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 disdata[4]=(xiaoshu)%10+0x30;//分位 +0x30 是对应 LCD 里的 ROM 字符位置编码 LCD_write_char(4,LINE2,disdata[0]); //显示千位 LCD_write_char(5,LINE2,disdata[1]); //显示百位 LCD_write_char(6,LINE2,disdata[2]); //显示十位 LCD_write_char(7,LINE2,disdata[3]); //显示个位 LCD_write_char(9,LINE2,disdata[4]); //显示分位 }

}

●LCD 函数处理程序
/********************************************************************/ /******************** LCD 函数部份 ***********************************/ void LCD_delay(void)
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{ unsigned char i; for(i=LCD_DELAY_TIME;i>ZERO;i--); } /********************************************************************/ void LCD_en_command(unsigned char command) { LCD_delay(); LCD1602_RS=LOW; LCD1602_RW=LOW; LCD1602_EN=HIGH; LCDIO=command; LCD1602_EN=LOW; } /********************************************************************/ void LCD_en_dat(unsigned char dat) { LCD_delay(); LCD1602_RS=HIGH; LCD1602_RW=LOW; LCD1602_EN=HIGH; LCDIO=dat; LCD1602_EN=LOW; } /********************************************************************/ void LCD_set_xy( unsigned char x, unsigned char y ) { unsigned char address; if (y == LINE1) address = LINE1_HEAD + x; else address = LINE2_HEAD + x; LCD_en_command(address); } /********************************************************************/ void LCD_write_char( unsigned x,unsigned char y,unsigned char dat) { LCD_set_xy( x, y ); LCD_en_dat(dat); } /********************************************************************/ void LCD_write_string(unsigned char X,unsigned char Y,unsigned char *s) { LCD_set_xy( X, Y );//设置显示 XY 地址
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while (*s) // 写字符 { LCDIO=*s; LCD_en_dat(*s); s ++; } } /********************************************************************/ void LCD_init(void) { LCD_en_command(DATA_MODE);//8 位模式 LCD_en_command(DATA_MODE); LCD_en_command(DATA_MODE); LCD_en_command(DATA_MODE); LCD_en_command(OPEN_SCREEN);//开显示 LCD_en_command(DISPLAY_ADDRESS);//设定显示起始位 CLEARSCREEN;//清屏 } /*********************** 延时 *********************************/ void delay_nms(unsigned int n) { unsigned int i=0,j=0; for (i=n;i>0;i--) for (j=0;j<1140;j++); } /********************************************************************/

4.3 延时子程序
/********************************************************************/ void LCD_delay(void);//LCD 延时函数 void LCD_en_command(unsigned char command);//LCD 写指令 void LCD_en_dat(unsigned char temp);//LCD 写数据 void LCD_set_xy( unsigned char x, unsigned char y );//设置 LCD 显示位置 void LCD_write_char( unsigned x,unsigned char y,unsigned char dat);//向 LCD 写入一个字符 void LCD_write_string(unsigned char X,unsigned char Y,unsigned char *s);//向 LCD 写入一串字 符 void LCD_init(void);//LCD 初始化函数 /********************************************************************/ void delay_nms(unsigned int n);//延时函数 /********************************************************************/ /*********************** 从 MAX6675 读 取 *********************************************/ unsigned int ReadMAX6675()
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{ unsigned char count; MAX6675_CS=0;//置低,使能 MAX6675 MAX6675_SCK=1; Value=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); for(count=16;count>0;count--) //获取 16 位 MSB { MAX6675_SCK=0; //sck 置低 Value=Value<<1; //左移 if(MAX6675_SO==1) //取当前值 Value|=0x0001; else Value&=0xffff; MAX6675_SCK=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); } MAX6675_CS=1; //关闭 MAX6675 return Value; }

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5 课设总结
本次设计师以AT89S52作为核心,使用MAX6675转换和K型温度传感器,配以温 度显示。整个系统力求结构简单,功能完善。通过近半年的毕业设计,收获颇多! 在做本次毕业设计的过程中,我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了 让自己的设计更加完善,查阅这方面的设计资料是十分必要的,同时也是必不可少 的。我们是在做设计,但我们不是艺术家,他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里 翱翔,而我们一切都要有据可依,有理可寻,不切实际的构想永远只能是构想,永 远无法升级为设计。 其次,在这次课程设计中,我们运用到了以前所学的专业课知识,如:proteus 制图、c语言、模拟和数字电路知识等。虽然过去从未独立应用过它们,但在学习 的过程中带着问题去学我发现效率很高,这是我做这次课程设计的又一收获。 最后,要做好一个课程设计,就必须做到:在设计程序之前,对所用单片机的 内部结构有一个系统的了解,知道该单片机内有哪些资源;要有一个清晰的思路和 一个完整的的软件流程图;在设计程序时,不能妄想一次就将整个程序设计好,反 复修改、不断改进是程序设计的必经之路;要养成注释程序的好习惯,一个程序的 完美与否不仅仅是实现功能,而应该让人一看就能明白你的思路,这样也为资料的 保存和交流提供了方便;在设计课程过程中遇到问题是很正常德,但我们应该将每 次遇到的问题记录下来,并分析清楚,以免下次再碰到同样的问题的课程设计结束 了,但是从中学到的知识会让我受益终身。 发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、 工作和生活中。设计过程,好比是我们人类成长的历程,常有一些不如意,但毕竟 这是第一次做,难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之 处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。 通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处,虽然感觉理论上已经掌握,但 在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑,经过一番努力才得以解决。这也激发 了我今后努力学习的兴趣,我想这将对我以后的学习产生积极的影响。 通过这次设计, 我懂得了学习的重要性, 了解到理论知识与实践相结合的重要意义, 学会了坚持、耐心和努力,这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我觉 得作为一名自动化专业的学生,单片机的课程设计是很有意义的。更重要的是如何 把自己平时所学的东西应用到实际中。 课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程,但是更远一点可以联系到以 后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。

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6 谢辞
四年的大学生活如白驹过隙般在我们身边匆匆滑过,丰富多彩的大学时代悄悄 的离我们远去。但是,这四年的生活学习是我一生之中最为重要的一部分,是我们 从青年走向成年、从青涩走向成熟最为重要的过渡阶段。四年的大学生涯让我结识 了很多、学到了很多:有老师如蜡烛般的无私教授,有同学兄弟般的真诚对待。为 此,在即将结束我大学时代时,我真诚的感谢这四年来给予我支持、帮助和关爱的 所有人,大家都是我的良师益友,是我一生的财富。四年的大学生活就要结束,半 年的毕业设计也到了尾声,由于本人知识水平和设计能力有限,本次的设计还存在 着很多的不足和瑕疵,为此,我恳请各位老师给予我批评和指正,是我能够学到更 多的东西。 本次毕业设计是在我的指导老师魏丽老师的耐心指导、悉心帮助下完成。在这 将近半年的时间里,魏老师对我们小组进行了系统详实的辅导,我们的设计才能够 真正顺利、完整的完成。每周魏老师都会了解我们进度,为我们解答设计中出现的 难题。 在本次的设计中, 魏老师给作者的印象不仅是对课题研究时的科研作风严谨、 对工作的认真对待、学识水平的深厚。更重要的是,魏老师在生活中对我们的关心 和帮助。 魏老师还经常会和我们一起研究、学习,使我们能够更好更快的完成设计。 在这里,作者向为我们付出巨大心血,督促、帮助、指导我们的魏老师报一声:谢 谢您为我们付出的一切。 此时此刻,随着论文的不断深入我的不舍之情也越来越深。我知道我距离开我 的老师和同学的时间也越来越近。对于许多给予我帮助的机电工程系的老师和同 学,我发自内心的感谢你们!最后我还要感谢含辛茹苦养育我长大的父母,谢谢你 们! 再次感谢魏老师对我耐心的指导与悉心的照顾。 感谢本组其他同学热情的帮助! 感谢所有关心、帮助过我的所有老师和同学! 最后感谢我的母校——唐山学院四年对我的大力培养。

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7 参考文献
[1] 郑晓文 . 关于热 电偶温度冷端补偿问 题的探讨 . 字航计测 技术 .2002 , 22(6):53-59 [2] 王幸之等 .单片机应用系统抗干扰技术 .北京 : 北京航大航空大学出版社, 2001 [3] 徐爱钧, 彭秀华.KeilCxs1V7.o 单片机高级语言编程与林 VisionZ 应用实践. 电子工业出版社,2004 [4] 王为青, 程国钢.单片机 KeilC5l 应用开发技术.北京:人民邮电出版社, 2007 [5] 凌振宝, 王君, 朱凯光.数字温度传感器在热电偶温度补偿中的应用.传感器 技术.2003, 22(6):45-46 [6]MaximIntegratedProduets.DS18B20Datasheet[EB/OL].http://www.maxim-ic .com/pdfserv/en/ds/DS18B20.Pdf [7] 张志利,蔡伟.基于 AD590 的温度测控装置研究.白动化与仪器仪表,2001, 2:37-39 [8] 李广第, 朱月秀, 冷祖祁.单片机基础第 版 北京北京航空航天大学出版社, 2007.6 [9] 孙红均,张涛,王超.智能仪器仪表 北京清华大学出版社,2007 [10] 陈正,喻红,热电偶测温的线性化处理模块 计量技术, 1999,12:23-25 [11] 吕小红,周凤星,马亮.基于单片机的电阻炉温度控制系统设计微计算机信 息,2008,6-2 119-120 [12] 王蓬 , 李少远. 一类非线性系统的多模型预测控制. 控制与决策,2007(10): 1113—1118. [13] 王树青, 荣冈, 金晓明,王宁.先进控制技术及应用.第 1 版: 化学工业 出 版社 ,2001.7:110—123 [14] 崔志尚.温度计量与测试.北京:中国计量出版社,1998. [15] 刘君华.现代测试技术与系统集成.北京:电子工业出版社,2004.

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DS1820 单总线数字温度计
DSl820 数字温度计提供 9 位(二进制)温度读数指示器件的温度。信息经过单 线接口送入 DSl820 或从 DSl820 送出因此从主机 CPU 到 DSl820 仅需一条线(和地 线)。 写数据,读温度转换可以由数据线本身来提供电源而不需要一个外部电源。 由于每个 DS18B20 的包含一个唯一的序列号,因此任意多个 DSl820 可以存放在同 一条单线总线上。这允许在不同的地方放置温度传感器。此功能可应用的地方包括 空调环境控制,建筑物内的温度感应,设备或机器的过程监控和控制。

1 综述
DS18B20 的有四个主要的数据部分组成:1)64 位激光 ROM,2)温度灵敏元件, 3)非易失性温度报警触发器 TH 和 TL,4)配置寄存器。器件从单线的通信线上取 得其电源,在信号线为高电平的时间周期内,把能量贮存在内部的电容器中,在单 信号线为低电平的时间期内断开此电源,直到信号线变为高电平重新接上寄生电容 电源为止。作为另一种可供选择的方法,DS1820 也可用外部 5V 电源供电。 与 DS1820 的通信经过一个单线接口。在单线接口情况下,在 ROM 操作未定建 立之前不能使用存贮器和控制操作。主机必须首先提供五种 ROM 操作命令之一:1) Read ROM(读 ROM),2)Match ROM(符合 ROM),3)Search ROM(搜索 ROM),4)Skip ROM(跳过 ROM),或 5) AlarmSearch(告警搜索)。 这些命令对每一器件的 64 位激 光 ROM 部分进行操作。 如果在单线上有许多器件, 那么可以挑选出一个特定的器件, 并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型。在成功地执行了 ROM 操作序列之 后, 可使用存贮器和控制操作, 然后主机可以提供六种存贮器和控制操作命令之一。 一个控制操作命令指示 DS1820 完成温度测量。 该测量的结果将放入 DS1820 的 高速暂存存贮器(Scratchpad memory) 。通过发出读暂存存储器内容的存储器操作 命令可以读出此结果。每一温度告警触发器 TH 和 TL 构成一个字节的 EEPROM, 如 果不对 DS1820 施加告警搜索命令,这些寄存器可用作通用用户存储器,使用存储 器操作命令可以写 TH 和 TL。对这些寄存器的访问是通过高速暂存存储器,所有数 据均以最低有效位在前的方式被读写。

2 寄生电源
寄生电源电路当 I/O 或 VDD 引脚为高电平时,这个电路便“取”得电源。只 要符合指定的定时和电压要求, I/O 将提供足够的功率, 寄生电源的优点是双重的: 1)利用此引,远程温度检测无需本地电源,2)缺少正常电源条件下也可以读 ROM。 为了使 DS1820 能完成准确的温度变换,当温度变换发生时,I/O 线上必须提 供足够的功率。因为 DS1820 的工作电流高达 1mA,5K 的上拉电阻将使 I/O 线没有
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XXXXXX 毕 业 设 计 足够的驱动能力。如果几个 SD1820 在同一条 I/O 线上而且企图同时变换,那么这 一问题将变得特别尖锐。 有两种方法确保 DS1820 在其有效变换期内得到足够的电源电流。第一种方法 是发生温度变换时在 I/O 线上提供一强的上拉电阻,通过使用一个 MOSFET 把 I/O 线直接拉到电源可达到这一点,当使用寄生电源方式时 VDD 引脚必须连接到地。 向 DS1820 供电的另外一种方法是通过使用连接到 VDD 引脚的外部电源,这种 方法的优点是在 I/O 线上不要求强的上拉电阻, 总线上主机不需向上连接便在温度 变换期间使线保持高电平,这就允许在变换时间内其它数据在单线上传送。此外, 在单线总线上可以放置任何数目的 DS1820 ,而且如果它们都使用外部电源,那么 通过发出跳过(Skip)ROM 命令和接着发出变换 (Convert) T 命令, 可以同时完成温度变换。 注意只要外部电源处于工作状态, GND (地)引脚不可悬空。 在总线上主机不知道总线上 DS1820 是寄生电源供电还是外部 VDD 供电的情况 下,在 DS1820 内采取了措施来通知采用的供电方案。总线上主机通过发出跳过 (Skip) ROM 的操作约定, 然后发出读电源命令, 可以决定是否有需要在 DS1820 的 总线上放置上拉电阻。 在此命令发出后,主机接着发出读时间片。如果是寄生供电, DS1820 将在单线总线上送回(0) ;如果由 VDD 引脚供电,它将送回(1) 。如果主 机接收到一个(0) ,它知道它必须在温度变换期间在 I/O 线上供一个强的上拉。

3 运算-报警信号
在 DS1820 完成温度变换之后,温度值与贮存在 TH 和 TL 内的触发值相比较, 因为这些寄存器仅仅是 8 位,所以 0.5 度在比较时被忽略。TH 或 TL 的最高有效 位直接对应于 16 位温度寄存器的符号位, 如果温度测量的结果高于 TH 或低于 TL, 那么器件内告警标志将置位。每次温度测量将更新告警标志,只要告警标志置位, DS1820 将对告警搜索命令做出响应。这允许并联连接许多 DS1820,同时进行温度 测量,如果某处温度超过极限,那么可以识别出正在告警的器件 并立即将其读出而不必读出非告警的器件。

4 64 位激光 ROM
每一 DS1820 包括一个唯一的 64 位长的 ROM 编码,开始的 8 位是单线产品系 列编码,DS1820 编码是 10h, ,接着的 48 位是唯一的系列号,最后的 8 位是开始 56 位 CRC,64 位 ROM 和 ROM 操作控制部分允许 DS1820 作为一个单线器件工作并 遵循“单线总线系统”的单线协议,直到 ROM 操作协议被满足,DS1820 控制部分 的功能是不可访问的。 单线总线主机必须首先操作五种 ROM 操作命令之一:1)Read ROM(读 ROM),2)Match ROM(匹配 ROM),3)Search ROM(搜索 ROM),4)Skip ROM(跳
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XXXXXX 毕 业 设 计 过 ROM),或 5)Alarm Search(告警搜索) 。在成功地执行了 ROM 操作序列之后, DS1820 特定的功能便可访问,然后总线上主机可提供六个存贮器和控制功能命令 之一。

5 CRC 生成
DS1820 有一存贮在 64 位 ROM 的最高有效字节内的 8 位 CRC。总线上的主机 可以根据 64 位 ROM 的前 56 位计算机 CRC 的值并把它与存贮在 DS1820 内的值进 行比较以决定 ROM 的数据是否已被主机正确地接收。CRC 的等效多项式函数为 CRC=X8+X5+X4+1 DS1820 也利用与上述相同的多项式函数产生一个 8 位 CRC 值并把此值提供给 总线的主机以确认数据字节的传送,在使用 CRC 来确认数据传送的每一种情况中, 总线主机必须使用上面给出的多项式函数计算 CRC 的值并把计算所得的值,或者与 存贮在 DS1820 的 64 位 ROM 部分中的 8 位 CRC 值(ROM 读数),或者与 DS1820 中计 算得到的 8 位 CRC 值(在读暂存存贮器中时它作, 为第九个字节被读出), 进行比较。 CRC 值的比较和是否继续操作都由总线主机来决定,当存贮在 DS1820 内或由 DS1820 计算得到的 CRC 值与总线主机产生的值不相符合时,在 DS1820 内没有电 路来阻止命令序列的继续执行。 总线 CRC 可以使用一个移位寄存器和“异或”(XOR)门组成的多项式产生器来 产生,其它有关 Dallas 公司单线循环冗余校验的信息可参见标题为“理解和使用 Dallas 半导体公司接触式存贮器产品”的应用注释移。位寄存器的所有位被初始 化为零,然后从产品系列编码的最低有效位开始,每次移入一位。当产品系列编码 的 8 位移入以后,接着移入序列号。在序列号的第 48 位进入之后,移位寄存器便 包含了 CRC 值。移入 CRC 的 8 位应该使移位寄存器返回至全零。

6 存储器
温度传感器 DS1820 的存贮器由一个高速暂存便笺式 RAM 和一个非易失性电可 擦除 E2RAM 组成,后者存贮高温度和低温度和触发器 TH 和 TL。暂存存贮器有助于 在单线通信时确保数据的完整性, 数据首先写入暂存存贮器, 在那里它可以被读回。 当数据被校验之后,复制暂存存贮器的命令把数据传送到非易失性 E2RAM。这一过 程确保了更改存贮器的时候保持数据的完整性。 暂存存贮器是按 8 位字节存储器来组织的,头两个字节包含测得温度信息,第 三和第四个字节是 TH 和 TL 的易失性拷贝,在每一次上电复位时被刷新。接着的 两个字节没有使用,但是在读回时,它们呈现为逻辑全 1。第七字节和第八个字节 是计数寄存器,它们可用于获得较高的温度分辨率。还有第九个字节它可用 Read Scratchpad(读暂存存贮器)命令读出,该字节包含一个循环冗余校验(CRC)字
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XXXXXX 毕 业 设 计 节,它是前面所有 8 个字节的 CRC 值,此 CRC 值以(CRC 产生)一节中所述的方 式产生。

7 读/写时隙
7.1 写时隙 当主机把数据线从高逻辑电平拉至低逻辑电平时,产生写时间片。有两种类型 的写时间片,写 1 时间片和写 0 时间片,所有时间片必须有最短为 60 us 的持续 期,在各写周期之间必须有最短为 1us 的恢复时间。在 I/O 线片由高电平变为低 电平之后,DS1820 在 15us 至 60us 的窗口之间对 I/O 线采样。如果线为高电平, 写 1 就发生。如果线为低电平,便发生写 0。对于主机产生写 1 时间片的情况,数 据线必须先被拉至逻辑低电平,然后就被释放,使数据线在写时间片开始之后的 15 us 之内拉至高电平。对于主机产生写 0 时间片的情况,数据线必须被拉至逻辑低 电平且至少保持低电平 60 us。 7.2 读时隙 当从 DS1820 读数据时,主机产生读时间片段。当主机把数据线从逻辑高电平拉至 低电平时, 产生读时间片, 数据线必须保持在低逻辑电平至少 1 us; 来自 DS1820 的 输出数据在读时序下降沿后 15us 有效。因此,为了读出从读时间片开始算起 15us 的状态主机必须停止把 I/O 引脚驱动至低电平。在读时间片结束时,I/O 引脚经过 外部的上拉电阻拉回至高电平。所有读时间片的最短持续期限为 60us,各个读时间 片之间必须有最短为 1us 的恢复时间。TINRT,TRC 和 TSAMPLE 之和必须小于 15us。通过 使 TINRT 和 TRC 尽可能小且把主机采样时间定在 15us 期间的末尾,系统时序关系就 有最大的余地。

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DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer
The DS18B20 Digital Thermometer provides 9 to 12-bit (configurable) temperature readings which indicate the temperature of the device. Information is sent to/from the DS18B20 over a 1-Wire Interface, so that only one wire (and ground) needs to be connected from a central microprocessor to a DS18B20. Power for reading, writing, and performing temperature conversions can be derived from the data line itself with no need for an external power source. Because each DS18B20 contains a unique silicon serial number, multiple DS18B20s can exist on the same 1-Wire bus. This allows for placing temperature sensors in many different places. Applications where this feature is useful include HVAC environmental controls, sensing temperatures inside buildings, equipment or machinery, and process monitoring and control.

1 OVERVIEW
The block diagram of Figure 1 shows the major components of the DS18B20. The DS18B20 has four main data components: 1) 64-bit laser ROM, 2) temperature sensor, 3) nonvolatile temperature alarm triggers TH and TL, and 4) a configuration register. The device derives its power from the 1-Wire communication line by storing energy on an internal capacitor during periods of time when the signal line is high and continues to operate off this power source during the low times of the 1-Wire line until it returns high to replenish the parasite (capacitor) supply. As an alternative, the DS18B20 may also be powered from an external 3V - 5.5V supply. Communication to the DS18B20 is via a 1-Wire port. With the 1-Wire port, the memory and control functions will not be available before the ROM function protocol has been established. The master must first provide one of five ROM function commands: 1) Read ROM, 2) Match ROM, 3) Search ROM, 4) Skip ROM, or 5) Alarm Search. These comma nds operate on the 64-bit laser ROM portion of each device and can single out a specific device if many are present on the 1-Wire line as well as indicate to the bus master how many and what types of devices are present. After a ROM function sequence has been successfully executed, the memory and control functions are accessible and the master may then provide any one of the six memory and control function commands. One control function command instructs the DS18B20 to perform a temperature measurement. The result of this measurement will be placed in the DS18B20 ’ s scratch-pad memory, and may be read by issuing a memory function command which reads the contents of the scratchpad memory. The temperature alarm triggers TH and TL consist of 1 byte EEPROM each. If the alarm search command is not applied to the DS18B20, these registers may be used as general purpose user memory. The scratchpad also contains a configuration byte to set the desired resolution of the temperature to digital conversion. Writing TH, TL, and the configuration byte is done using a memory function command. Read access to these registers is through the scratchpad. All data is read and written least significant bit first.
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2 PARASITE POWER
The block diagram (Figure 1) shows the parasite-powered circuitry. This circuitry “steals” power whenever the DQ or VDD pins are high. DQ will provide sufficient power as long as the specified timing and voltage requirements are met (see the section titled “1-Wire Bus System”). The advantages of parasite power are twofold: 1) by parasiting off this pin, no local power source is needed for remote sensing of temperature, and 2) the ROM may be read in absence of normal power. In order for the DS18B20 to be able to perform accurate temperature conversions, sufficient power must be provided over the DQ line when a temperature conversion is taking place. Since the operating current of the DS18B20 is up to 1.5 mA, the DQ line will not have sufficient drive due to the 5k pull up resistor. This problem is particularly acute if several DS18B20s are on the same DQ and attempting to convert simultaneously. There are two ways to assure that the DS18B20 has sufficient supply current during its active conversion cycle. The first is to provide a strong pull up on the DQ line whenever temperature conversions or copies to the E2 memory are taking place. This may be accomplished by using a MOSFET to pull the DQ line directly to the power supply as shown in Figure 2. The DQ line must be switched over to the strong pull up within 10 us maximum after issuing any protocol that involves copying to the E2 memory or initiates temperature conversions. When using the parasite power mode, the VDD pin must be tied to ground. Another method of supplying current to the DS18B20 is through the use of an external power supply tied to the VDD pin, as shown in Figure 3. The advantage to this is that the strong pull up is not required on the DQ line, and the bus master need not be tied up holding that line high during temperature conversions. This allows other data traffic on the 1-Wire bus during the conversion time. In addition, any number of DS18B20s may be placed on the 1-Wire bus, and if they all use external power, they may all simultaneously perform temperature conversions by issuing the Skip ROM command and then issuing the Convert T command. Note that as long as the external power supply is active, the GND pin may not be floating. The use of parasite power is not recommended above 100 C,since it may not be able to sustain communications given the higher leakage currents the DS18B20 exhibits at these temperatures. For applications in which such temperatures are likely, it is strongly recommended that VDD be applied to the DS18B20. For situations where the bus master does not know whether the DS18B20s on the bus are parasite powered or supplied with external VDD, a provision is made in the DS18B20 to signal the power supply scheme used. The bus master can determine if any DS18B20 are on the bus which require the strong pull up by sending a Skip ROM protocol, then issuing the read power supply command. After this command is issued, the master then issues read time slots. The DS18B20 will send back “0” on the 1-Wire bus if it is parasite powered; it will send back a “1” if it is powered from the VDD pin. If the master receives a “0,” it knows that it must supply the strong pull up on the DQ line during temperature conversions. See “Memory Command Functions” section for more detail on this command protocol.
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3 OPERATION - ALARM SIGNALING
After the DS18B20 has performed a temperature conversion, the temperature value is compared to the trigger values stored in TH and TL. Since these registers are 8-bit only, bits 9-12 are ignored for comparison. The most significant bit of TH or TL directly corresponds to the sign bit of the 16-bit temperature register. If the result of a temperature measurement is higher than TH or lower than TL, an alarm flag inside the device is set. This flag is updated with every temperature measurement. As long as the alarm flag is set, the DS18B20 will respond to the alarm search command. This allows many DS18B20s to be connected in parallel doing simultaneous temperature measurements. If somewhere the temperature exceeds the limits, the alarming device(s) can be identified and read immediately without having to read non-alarming devices.

4 64-BIT LASERED ROM
Each DS18B20 contains a unique ROM code that is 64-bits long. The first 8 bits are a 1-Wire family code (DS18B20 code is 28h). The next 48 bits are a unique serial number. The last 8 bits are a CRC of the first 56 bits. The 64-bit ROM and ROM Function Control section allow the DS18B20 to operate as a 1-Wire device and follow the 1-Wire protocol detailed in the section “1-Wire Bus System.” The functions required to control sections of the DS18B20 are not accessible until the ROM function protocol has been satisfied. This protocol is described in the ROM function protocol flowchart (Figure 5). The 1-Wire bus master must first provide one of five ROM function commands: 1) Read ROM, 2) Match ROM, 3) Search ROM, 4) Skip ROM, or 5) Alarm Search. After a ROM function sequence has been successfully executed, the functions specific to the DS18B20 are accessible and the bus master may then provide one of the six memory and control function commands.

5 CRC GENERATION
The DS18B20 has an 8-bit CRC stored in the most significant byte of the 64-bit ROM. The bus master can compute a CRC value from the first 56-bits of the 64-bit ROM and compare it to the value stored within the DS18B20 to determine if the ROM data has been received error-free by the bus master. The equivalent polynomial function of this CRC is: CRC=X8+X5+X4+1 The DS18B20 also generates an 8-bit CRC value using the same polynomial function shown above and provides this value to the bus master to validate the transfer of data bytes. In each case wher e a CRC is used for data transfer validation, the bus master must calculate a CRC value using the polynomial function given above and compare the calculated value to either the 8-bit CRC value stored in the 64-bit ROM portion of the DS18B20 (for ROM reads) or the 8-bit CRC value computed within the DS18B20(which is read as a ninth byte when the scratchpad is read). The comparison of CRC values and decision to continue with an operation are determined entirely by the bus master. There is no circuitry inside the DS18B20 that prevents a command sequence from proceeding if the CRC stored in or calculated by the DS18B20 does not match the value generated by
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XXXXXX 毕 业 设 计 the bus master. The 1-Wire CRC can be generated using a polynomial generator consisting of a shift register and XOR gates as shown in Figure 6. Additional information about the Dallas 1-Wire Cyclic Redundancy Check is available in Application Note 27 entitled “Understanding and Using Cyclic Redundancy Checks with Dallas Semiconductor Touch Memory Products.” The shift register bits are initialized to 0. Then starting with the least significant bit of the family code, 1 bit at a time is shifted in. After the 8th bit of the family code has been entered, then the serial number is entered. After the 48th bit of the serial number has been entered, the shift register contains the CRC value. Shifting in the 8 bits of CRC should return the shift register to all 0s.

6 MEMORY
The DS18B20’s memory is organized as shown in Figure 8. The memory consists of a scratchpad RAM and a nonvolatile, electrically erasable RAM, which stores the high and low temperature triggers TH and TL, and the configuration register. The scratchpad helps insure data integrity when communicating over the 1-Wire bus. Data is first written to the scratchpad using the Write Scratchpad command. It can then be verified by using the Read Scratchpad command. After the data has been verified, a Copy Scratchpad command will transfer the data to the nonvolatile RAM. This process insures data integrity when modifying memory. The DS18B20 EEPROM is rated for a minimum of 50,000 writes and 10 years data retention at T = +55°C. The scratchpad is organized as eight bytes of memory. The first 2 bytes contain the LSB and the MSB of the measured temperature information, respectively. The third and fourth bytes are volatile copies of TH and TL and are refreshed with every power-on reset. The fifth byte is a volatile copy of the configuration register and is refreshed with every power-on reset. The configuration register will be explained in more detail later in this section of the datasheet. The sixth, seventh, and eighth bytes are used for internal computations, and thus will not read out any predictable pattern. It is imperative that one writes TH, TL, and config in succession; i.e. a write is not valid if one writes only to TH and TL, for example, and then issues a reset. If any of these bytes must be written, all three must be written before a reset is issued. There is a ninth byte which may be read with a Read Scratchpad [BEH] command. This byte contains a cyclic redundancy check (CRC) byte which is the CRC over all of the eight previous bytes. This CRC is implemented in the fashion described in the section titled “CRC Generation”.

7 READ/WRITE TIME SLOTS
7.1 Write Time Slots
A write time slot is initiated when the host pulls the data line from a high logic level to a low logic level. There are two types of write time slots: Write 1 time slots and Write 0 time slots. All write time slots must be a minimum of 60 us in duration with a
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XXXXXX 毕 业 设 计 minimum of a 1-μ s recovery time between individual write cycles. The DS18B20 samples the DQ line in a window of 15 us to 60 us after the DQ line falls. If the line is high, a Write 1 occurs. If the line is low, a Write 0 occurs. For the host to generate a Write 1 time slot, the data line must be pulled to a logic low level and then released, allowing the data line to pull up to a high level within 15 us after the start of the write time slot. For the host to generate a Write 0 time slot, the data line must be pulled to a logic low level and remain low for 60us.

7.2 Read Time Slots
The host generates read time slots when data is to be read from the DS18B20. A read time slot is initiated when the host pulls the data line from a logic high level to logic low level. The data line must remain at a low logic level for a minimum of 1 us; output data from the DS18B20 is valid for 15 us after the falling edge of the read time slot. The host therefore must stop driving the DQ pin low in order to read its state 15 us from the start of the read slot (see Figure 12). By the end of the read time slot, the DQ pin will pull back high via the external pull up resistor. All read time slots must be a minimum of 60 us in duration with a minimum of a 1-us recovery time between individual read slots.

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