《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》000-9（周君芝）課件 項(xiàng)目七 單片機(jī)綜合實(shí)踐

單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)（第2版）項(xiàng)目5項(xiàng)目4項(xiàng)目3項(xiàng)目2項(xiàng)目1C語言基礎(chǔ)知識單片機(jī)開發(fā)軟件及硬件系統(tǒng)的認(rèn)識中斷系統(tǒng)與定時/計數(shù)器的應(yīng)用顯示器與鍵盤接口技術(shù)的應(yīng)用串行接口技術(shù)的應(yīng)用目錄項(xiàng)目7項(xiàng)目6A/D與D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用單片機(jī)綜合實(shí)踐項(xiàng)目7單片機(jī)綜合實(shí)踐項(xiàng)目導(dǎo)讀通過對前面各項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)掌握了單片機(jī)的工作原理和程序設(shè)計方法，在具備上述能力的基礎(chǔ)上，就可以靈活地進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的綜合設(shè)計與開發(fā)了。本項(xiàng)目通過對數(shù)字溫度計和數(shù)字鐘的設(shè)計，將所學(xué)的知識系統(tǒng)化，使學(xué)生不僅能熟練應(yīng)用單片機(jī)內(nèi)部資源及外部設(shè)備，還能掌握程序設(shè)計方法和單片機(jī)實(shí)用技術(shù)。知識目標(biāo)掌握DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要功能部件掌握DS18B20的工作過程了解DS18B20的供電方式掌握DS1302的工作原理掌握DS1302的寄存器功能掌握DS1302的讀寫操作達(dá)成目標(biāo)達(dá)成目標(biāo)技能目標(biāo)能根據(jù)需要，完成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計素質(zhì)目標(biāo)弘揚(yáng)腳踏實(shí)地、刻苦鉆研、愛崗敬業(yè)的勞模精神樹立技能成才、技能報國的人生理想加強(qiáng)實(shí)踐練習(xí)，注重學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一，增強(qiáng)勇于探索的創(chuàng)新精神項(xiàng)目導(dǎo)航設(shè)計數(shù)字溫度計——DS18B20的應(yīng)用任務(wù)7.1設(shè)計數(shù)字鐘——DS1302的應(yīng)用任務(wù)7.2C設(shè)計數(shù)字溫度計

——DS18B20的應(yīng)用

011211101101011011010010011001101010100100110110100101100101110110101001101110101010101011010100110100107.17.1任務(wù)工單掃一掃查看任務(wù)工單任務(wù)描述在智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域的測量系統(tǒng)中，環(huán)境溫度的測量和控制是非常重要的。隨著時代的發(fā)展，數(shù)字化的溫度計已成為人們常用的測溫設(shè)備，數(shù)字溫度計體積小、使用方便，在測溫系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。請?jiān)O(shè)計一個數(shù)字溫度計，測量范圍為0～99℃，精度達(dá)1℃。任務(wù)實(shí)施1．整體設(shè)計思想

2．硬件設(shè)計3．軟件設(shè)計4．仿真調(diào)試詳細(xì)內(nèi)容掃碼觀看7.1.1總線概述總線是連接各個設(shè)備的信息傳輸線，是根據(jù)協(xié)議約定的通信方式，它規(guī)定了通信雙方需要遵守的通信規(guī)則。單片機(jī)通過總線可擴(kuò)展多種外圍設(shè)備，下面簡單介紹幾種比較常見的總線：I2C總線、SPI總線和單總線。I2C總線SPI總線單總線7.1.1總線概述1．I2C總線I2C總線是Philips公司推出的一種雙向二進(jìn)制串行傳輸總線，具有控制方式簡單、器件體積小、通信速率高及功耗低等特點(diǎn)。I2C總線允許接入多個器件，如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等，總線上的器件既可以作為發(fā)送器，也可以作為接收器，并按照一定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，作為主控器的器件都需要通過總線競爭獲得主控權(quán)。I2C總線是由串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL）構(gòu)成的總線，可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU和被控制器件間雙向傳送數(shù)據(jù)，最高傳輸速度為400kbps。其中，SDA用于地址的輸入及數(shù)據(jù)的輸入和輸出，使用時需要加上拉電阻；SCL用于為器件的數(shù)據(jù)傳輸提供同步時鐘信號。7.1.1總線概述2．SPI總線SPI總線是由Motorola公司推出的一種全雙工同步串行總線，用于MCU與EEPROM、A/D轉(zhuǎn)換器和顯示驅(qū)動器等外設(shè)器件間的串行通信。SPI總線是一種高速的、全雙工、同步的通信總線，數(shù)據(jù)傳輸速度比I2C總線要快，傳輸速度可達(dá)到幾Mbps，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。SPI總線是以主從方式工作的，可直接與各廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件連接，連接時一般使用4根線：串行時鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）和從機(jī)選擇線（）。7.1.1總線概述3．單總線單總線與I2C總線、SPI總線不同，它只有一根信號線，既可傳輸數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)傳輸是雙向的），又可傳輸時鐘信號。單總線具有線路簡單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。單總線適用于單主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機(jī)設(shè)備。主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換只通過一根信號線。當(dāng)只有一個從機(jī)設(shè)備時，系統(tǒng)則按單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作；當(dāng)有多個從機(jī)設(shè)備時，系統(tǒng)則按多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作。單總線通常外接一個約4.7～10kΩ的上拉電阻，當(dāng)單總線閑置時，其狀態(tài)為高電平；當(dāng)單總線上有器件響應(yīng)時，器件將電平拉低。7.1.1總線概述知識鏈接通常把掛在單總線上的器件稱為單總線器件，單總線器件內(nèi)一般都有控制、收發(fā)、存儲等電路。為了區(qū)分不同的單總線器件，廠家生產(chǎn)單總線器件時都要燒錄一個64位的二進(jìn)制ROM代碼，以標(biāo)志其ID號。目前，單總線器件主要有數(shù)字溫度傳感器（如DS18B20）、A/D轉(zhuǎn)換器（如DS2450）、門標(biāo)、身份識別器（如DS1990A）、單總線控制器（如DS1WM）等。7.1.2DS18B20簡介DS18B20是單總線數(shù)字溫度傳感器，采用單總線的接口方式，即與單片機(jī)連接時僅需要一根數(shù)據(jù)總線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信。由于DS18B20傳輸信息僅需要一根數(shù)據(jù)總線，因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。DS18B20的引腳排列如圖所示。7.1.2DS18B20簡介GND：接地端；DQ：數(shù)字信號輸入輸出端；VDD：外接供電電源輸入端。DS18B20的供電范圍為3.0～5.5V；測溫范圍為?55～+125℃；分辨率可選擇為9～12位，最多可在750ms內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字。多個DS18B20可以同時并聯(lián)在一根單總線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。7.1.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要功能部件DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。它主要由64位ROM、溫度傳感器、高溫觸發(fā)器（TH）、低溫觸發(fā)器（TL）和配置寄存器等組成。7.1.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要功能部件64位ROM中的值是出廠前被光刻好的，它由8位系列碼、48位序列號和8位CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)，cyclicredundancycheck）組成，如圖所示。8位系列碼：單總線系列器件編碼。DS18B20的8位系列碼定義為28H。48位序列號：設(shè)備唯一的序列號。每個器件的48位序列號各不相同，利用序列號可以識別單總線上掛載的不同DS18B20器件。8位CRC：由CRC發(fā)生器通過計算得到，作為ROM中前56位編碼的校驗(yàn)碼。1．64位ROM知識鏈接每個DS18B20都擁有一個唯一的64位ROM，當(dāng)總線系統(tǒng)上連接多個DS18B20時，總線控制器可以依靠每個器件獨(dú)有的64位ROM辨認(rèn)器件及地址，故一個總線控制器可以控制很多分布在不同區(qū)域的DS18B20，這一特性在環(huán)境控制、探測建筑物等過程監(jiān)測和控制方面都非常有用。7.1.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要功能部件7.1.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要功能部件DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，溫度值以16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)。在12位轉(zhuǎn)換情況下，溫度的高低字節(jié)存放形式如表所示，其中S為符號位。高字節(jié)的前5位是符號位，如果測得的溫度大于0，則這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘以0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果測得的溫度小于0，則這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625才能得到實(shí)際溫度。在12位轉(zhuǎn)換情況下，溫度－數(shù)字量輸出關(guān)系如表所示。2．溫度傳感器低字節(jié)232221202?12?22?32?4高字節(jié)SSSSS2625247.1.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要功能部件溫度/℃數(shù)字量輸出（二進(jìn)制）數(shù)字量輸出（十六進(jìn)制）+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100010191H+10.125000000001010001000A2H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H?0.51111111111111000FFF8H?10.1251111111101011110FF5EH?25.06251111111001101111FE6FH?551111110010010000FC90H7.1.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要功能部件高溫觸發(fā)器（TH）中存在最高溫度報警下限，低溫觸發(fā)器（TL）中存在最低溫度報警下限，用戶可通過軟件寫入。DS18B20完成一次溫度轉(zhuǎn)換后，就將該溫度值與存儲在TH和TL中用戶自定義的報警預(yù)置值進(jìn)行比較。如果測得的溫度值高于TH或低于TL中的預(yù)置值，則報警條件成立，DS18B20內(nèi)部就會置位一個報警標(biāo)識。每進(jìn)行一次測溫就對這個標(biāo)識進(jìn)行一次更新，如果報警條件不成立，則在下一次溫度轉(zhuǎn)換后報警標(biāo)識將被移除。3．高溫觸發(fā)器和低溫觸發(fā)器7.1.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要功能部件觸發(fā)器就像我們工作中的警戒線一樣，不能觸及，因此我們平時要學(xué)會進(jìn)行自我約束。人在任何時候都要進(jìn)行自我約束，沒有自我約束力，就削弱了前進(jìn)的動力。在人生道路上，我們要不斷學(xué)習(xí)自我約束，提高自己的自律意識，謹(jǐn)慎對待自己的一言一行。7.1.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要功能部件配置寄存器用于設(shè)置DS18B20的轉(zhuǎn)換精度，配置寄存器各位定義如表所示。低5位一直為1；TM是模式選擇位，用于設(shè)置DS18B20是在工作模式還是在測試模式，在出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動；R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)。DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換時間與溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)（即溫度轉(zhuǎn)換的分辨率）相關(guān)，溫度轉(zhuǎn)換的分辨率越高，轉(zhuǎn)換需要的時間就越長，其關(guān)系如表所示。4．配置寄存器配置寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0位定義TM（0）R1R0111117.1.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要功能部件R1R0分辨率最大轉(zhuǎn)換時間/ms009位93.750110位187.51011位3751112位7507.1.4DS18B20的工作過程DS18B20工作時必須經(jīng)過以下3個步驟：初始化、寫ROM操作指令和讀RAM操作指令。每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM操作指令，最后發(fā)送RAM操作指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。1．初始化單總線上的所有操作均從初始化開始。7.1.4DS18B20的工作過程2．ROM操作指令當(dāng)總線主機(jī)檢測到DS18B20存在時，便發(fā)出ROM操作指令，ROM操作指令如表所示。指

令代

碼ReadROM（讀ROM）[33H]MatchROM（匹配ROM）[55H]SkipROM（跳過ROM）[CCH]SearchROM（搜索ROM）[F0H]Alarmsearch（報警搜索）[ECH]7.1.4DS18B20的工作過程3．RAM操作指令在執(zhí)行ROM操作指令后執(zhí)行RAM操作指令，RAM操作指令如表所示。指

令代

碼WriteScratchpad（寫緩存器）[4EH]ReadScratchpad（讀緩存器）[BEH]CopyScratchpad（復(fù)制緩存器）[48H]ConvertTemperature（溫度轉(zhuǎn)換）[44H]RecallEPROM（重新調(diào)出）[B8H]ReadPowersupply（讀電源）[B4H]7.1.5DS18B20供電方式DS18B20的供電方式有寄生電源供電方式和外接電源供電方式兩種。寄生電源供電方式外接電源供電方式7.1.5DS18B20供電方式寄生電源供電方式如圖所示，當(dāng)單總線為高電平時，寄生電源通過單總線拉高DQ為存儲電容（CPP）充電；當(dāng)單總線為低電平時，由存儲電容向DS18B20供電。DS18B20處于寄生電源供電方式時，VDD引腳必須接地。1．寄生電源供電方式7.1.5DS18B20供電方式在寄生電源供電方式下，單總線和存儲電容在大部分操作中都能提供滿足規(guī)定的電流給DS18B20。然而，當(dāng)DS18B20執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換或向EEPROM傳送數(shù)據(jù)時，電流可能高達(dá)1.5mA。這個電流無法由存儲電容提供，為了保證DS18B20有足夠的電流供應(yīng)，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或復(fù)制數(shù)據(jù)到EEPROM操作時，必須給單總線提供一個強(qiáng)上拉電平。用漏極開路把I/O線直接拉到電源上可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)上拉效果，如圖所示。7.1.5DS18B20供電方式在發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換指令[44H]或復(fù)制緩存器指令[48H]后，必須在10μs內(nèi)把單總線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉狀態(tài)。在轉(zhuǎn)換或復(fù)制期間，單總線必須一直保持該狀態(tài)，此狀態(tài)下單總線上不允許有其他動作。7.1.5DS18B20供電方式外接電源供電方式是從VDD端接入一個外部電源，如圖所示。這時單總線上不需要強(qiáng)上拉MOS管，一般接一個4.7kΩ的上拉電阻，而且單總線不用在溫度轉(zhuǎn)換時總保持高電平。2．外接電源供電方式當(dāng)檢測對象溫度過高（如高于100℃）時，應(yīng)使用外接電源供電方式。因寄生電源供電方式在這種情況下表現(xiàn)出的漏電流比較大，可能導(dǎo)致通訊無法進(jìn)行。7.1.5DS18B20供電方式如果總線控制器不知道總線上的DS18B20使用的是寄生電源供電方式還是外接電源供電方式，總線控制器可以先發(fā)出一條SkipROM指令[CCH]，再發(fā)出讀電源指令[B4H]，然后發(fā)出讀時序指令，此時寄生電源會將總線拉低，而外接電源會將總線保持為高電平。如果總線被拉低，總線控制器就知道DS18B20使用的是寄生電源供電方式，需要在溫度轉(zhuǎn)換期間對總線提供強(qiáng)上拉電平。課堂小結(jié)1總線概述2DS18B20簡介3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要功能部件4DS18B20的工作過程5DS18B20供電方式C設(shè)計數(shù)字鐘

——DS1302的應(yīng)用

011211101101011011010010011001101010100100110110100101100101110110101001101110101010101011010100110100107.27.2任務(wù)工單掃一掃查看任務(wù)工單任務(wù)描述數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時、分、秒計時的鐘表，如圖所示。數(shù)字鐘與機(jī)械鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且具有更長的使用壽命，目前已得到廣泛的使用。數(shù)字鐘的設(shè)計方法有許多，例如，可利用中小規(guī)模集成電路設(shè)計數(shù)字鐘，也可利用專用的數(shù)字鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路設(shè)計數(shù)字鐘，還可利用單片機(jī)來設(shè)計數(shù)字鐘等。其中，利用單片機(jī)設(shè)計數(shù)字鐘因具有編程靈活、便于功能擴(kuò)展的特點(diǎn)而被廣泛采用。請利用單片機(jī)和時鐘芯片DS1302設(shè)計一個數(shù)字鐘，并用液晶顯示器顯示出年、月、日等。任務(wù)實(shí)施詳細(xì)內(nèi)容掃碼觀看1．整體設(shè)計思想

2．硬件設(shè)計3．軟件設(shè)計4．仿真調(diào)試7.2.1DS1302簡介DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、內(nèi)含31B靜態(tài)RAM的實(shí)時時鐘芯片。DS1302可采用SPI總線與CPU同步通信，一次可傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。DS1302可提供秒、分、時、日、星期、月和年的信息，每月天數(shù)可以自動調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。DS1302采用雙電源（主電源和備用電源）供電，可設(shè)置備用電源充電方式，且具有涓細(xì)電流充電能力。DS1302用于記錄數(shù)據(jù)，特別是在某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，因此廣泛應(yīng)用于測量系統(tǒng)中。DS1302的引腳排列如圖所示。7.2.1DS1302簡介VCC2：主電源。VCC1：備用電源。當(dāng)VCC2>VCC1+0.2V時，由VCC2向DS1302供電；當(dāng)VCC2<VCC1時，由VCC1向DS1302供電。X1和X2：晶體振蕩器引腳，外接32.768kHz晶振。SCLK：串行時鐘輸入端。I/O：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端。

：復(fù)位端。當(dāng)

為高電平時，允許對DS1302進(jìn)行操作。GND：接地端。7.2.2DS1302的工作原理DS1302的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。它主要由輸入移位寄存器、實(shí)時時鐘、振蕩電路和數(shù)據(jù)存儲器RAM等組成。DS1302工作時，要先進(jìn)行初始化，將

端置為高電平，然后將8位地址和命令字裝入輸入移位寄存器，數(shù)據(jù)在SCLK上升沿時被輸入。將命令字裝入輸入移位寄存器后，當(dāng)時鐘周期處于讀操作時，DS1302輸出數(shù)據(jù)；當(dāng)時鐘周期處于寫操作時，DS1302輸入數(shù)據(jù)。7.2.2DS1302的工作原理時鐘脈沖的個數(shù)在單字節(jié)方式下為8+8（8位地址+8位數(shù)據(jù)），在多字節(jié)方式下為8+字節(jié)數(shù)，字節(jié)最多可達(dá)248B。7.2.3DS1302的寄存器DS1302內(nèi)部有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關(guān)。DS1302是SPI總線驅(qū)動方式，其寄存器要寫入控制字，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。DS1302常用寄存器與控制字的對照如表所示。寄存器名稱D7D6D5D4D3D2D1D01RAM/A4A3A2A1A0RD/秒寄存器1000000

分寄存器1000001

小時寄存器1000010

日寄存器1000011

月寄存器1000100

星期寄存器1000101

年寄存器1000110

7.2.3DS1302的寄存器控制字中的最高位D7必須為1，若為0，則不能將數(shù)據(jù)寫入DS1302。次高位D6為1時，表示存取RAM中的數(shù)據(jù)；D6為0時，表示存取日歷、時鐘數(shù)據(jù)。D5～D1用于指示操作單元的地址。最低位D0為0時，表示進(jìn)行寫操作；D0為1時，表示進(jìn)行讀操作。常用寄存器的命令字、取值范圍及各位內(nèi)容如表所示。寄存器名稱命令字取值范圍各位內(nèi)容寫讀D7D6D5D4D3～D0秒寄存器80H81H00～59CH10SECSEC分寄存器82H83H00～59010MINMIN小時寄存器84H85H01～12或

00～2312/240A/PHRHR日寄存器86H87H01～28、29、30、310010DATEDATE月寄存器88H89H01～1200010MONTHMONTH星期寄存器8AH8BH01～070000WEEK年寄存器8CH8DH00～9910YEARYEAR7.2.3DS1302的寄存器表中，部分內(nèi)容說明如下。CH：時鐘停止標(biāo)志位。該位為1時，時鐘停止工作；該位為0時，時鐘開始啟動。12/24：12h和24h方式選擇位。該位為1時，選擇12h方式；該位為0時，選擇24h方式。在12h方式下，小時寄存器的第5位A/P可選擇AM和PM，該位為0表示為AM（上午），該位為1表示為PM（下午）。在24h方式下，小時寄存器的第5位和第4位共同表示小時的十位，低4位表示了小時的個位。7.2.4DS1302與單片機(jī)的連接DS1302與單片機(jī)的連接電路如圖所示。DS1302的I/O端口連接單片機(jī)的P1.0端口，SCLK端口連接單片機(jī)的P1.1端口，端口連接單片機(jī)的P1.2端口。7.2.4DS1302與單片機(jī)的連接為了保證穩(wěn)定工作，可以接上