《單片機原理、接口與C51應用程序設計》課件第12章

第12章單片機的其它接口技術12.1數(shù)字溫度傳感器DS18B2012.2時鐘芯片DS130212.3紅外通信模塊TSOP18××12.4無線通信模塊nRF905

12.1數(shù)字溫度傳感器DS18B20

1.?DS18B20的主要特性

DS18B20是美國Dallas半導體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器芯片，測量溫度范圍為-55℃～+125℃，可編程9～12位A/D轉換精度，測量分辨率可達到0.0625℃，在

－10℃～+85℃范圍內，精度為±0.5℃，現(xiàn)場溫度直接以單總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。DS18B20通過單總線發(fā)送或接收信息，因此在CPU和DS18B20之間僅需一條連線，電源可從數(shù)據(jù)線本身獲得，無需外部電源。由于每個DS18B20都有一個獨特的片序列號，所以多只DS18B20可以同時連在一根單總線上。DS18B20的特性如下：

(1)采用單總線技術，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測溫度值；具有獨特的單線接口，只需1個接口引腳即可實現(xiàn)與CPU的雙向通信。

(2)支持多點組網(wǎng)功能，可實現(xiàn)多個DS18B20的并聯(lián)使用。

(3)供電電壓范圍為3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電，不需要外部元件。

(4)溫度測量范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內，精度為±0.5℃。

(5)編程可實現(xiàn)分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。

(6)?9位分辨率時溫度轉換成數(shù)值需要93.75ms，在12位分辨率時溫度轉換成數(shù)值需要750ms。

(7)用戶可分別設定各路溫度的上、下限。

(8)內含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM。

2.?DS18B20的內部結構

DS18B20采用3腳TO-92小體積封裝或8腳SOIC封裝，其引腳如圖12.1所示。圖12.1DS18B20引腳

DQ：數(shù)字信號輸入/輸出端。

GND：電源地。

Vdd：外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。

DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、高溫觸發(fā)器TH和低溫觸發(fā)器TL、配置寄存器。其內部結構圖如圖12.2所示。圖12.2DS18B20方框圖光刻ROM中存放的是64位序列號，出廠前已經(jīng)被光刻好，可以看做是該BS18B20的地址序列號。不同的器件其地址序列號不同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。

高速緩存由9個字節(jié)組成，第0個和第1個字節(jié)存放轉換所得的溫度值，第2個和第3個字節(jié)分別為高溫觸發(fā)器TH和低溫觸發(fā)器TL，第4個字節(jié)為配置寄存器，第5、6、7字節(jié)保留，第8字節(jié)為CRC校驗寄存器。

高溫觸發(fā)器和低溫觸發(fā)器分別存放溫度報警的上限值TH和下限值TL。在DS1820完成溫度變換之后，溫度值與儲存在TH和TL內的觸發(fā)值相比較。因為這些寄存器僅僅是8位，所以0.5℃在比較時被忽略。TH或TL的最高有效位對應于16位溫度寄存器的符號位。如果溫度測量的結果高于TH或低于TL，那么器件內告警標志將置位。每次溫度測量將更新此標志。只要告警標志置位，DS1820就對告警搜索命令作出響應。

配置寄存器用于確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率。該字節(jié)最高位D7為測試位，用于設置DS18B20是工作模式還是測試模式，出廠時該位被設置成0，即工作模式，用戶一般不需要改動。D6和D5用來設置分辨率，如表12.1所示。其余各位均為1。表12.1溫度分辨率設置

3.?DS18B20的溫度轉換

DS18B20的測溫原理如圖12.3所示。圖12.3DS18B20原理圖

4.?DS18B20與單片機的接口

DS18B20可采用外部電源供電，也可采用內部寄生電源供電，可單點連接形成單點測溫系統(tǒng)，也能多片連接組網(wǎng)形成多點測溫系統(tǒng)。如圖12.4所示，在寄生電源供電方式下，DS18B20從信號線上汲取能量，在信號線DQ處于高電平期間把能量儲存在內部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能，直到高電平到來時再給寄生電源(電容)充電。圖12.4DS18B20寄生電源供電方式電路寄生電源方式進行遠距離測溫時無需本地電源，可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取ROM，電路更加簡潔，僅用一根I/O口線來實現(xiàn)測溫。要想使DS18B20進行精確的溫度轉換，I/O口線必須保證在溫度轉換期間提供足夠的能量。由于每個DS18B20在溫度轉換期間工作電流高達1mA，當幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進行多點測溫時，只靠4.7kΩ上拉電阻就無法提供足夠的能量，會造成無法轉換溫度或溫度誤差極大，因此，此電路只適應于在單一溫度傳感器測溫情況下使用，不適應于電池供電系統(tǒng)中，并且工作電源Vcc必須保證為5V。這是因為當電源電壓下降時，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會使溫度誤差變大。改進的寄生電源供電方式如圖12.5所示。圖12.5DS18B20寄生電源強上拉供電方式電路圖12.6為單片機外部電源供電方式。圖中，DS18B20工作電源由Vcc引腳接入，此時DQ線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度，同時理論上在總線上可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。在外部供電方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉換溫度，讀取的溫度總是85℃。外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。圖12.6單片機外部電源供電電路

12.2時鐘芯片DS1302

1.引腳及其功能

DS1302采用8腳DIP封裝或8腳SOIC封裝，其引腳如圖12.7所示，內部邏輯結構如圖12.8所示。圖12.7DS1302的引腳圖12.8DS1302的內部邏輯結構

2.內部寄存器

DS1302日歷、時鐘寄存器及其控制字如表12.2所示。表12.2DS1302日歷、時鐘寄存器及其控制字

3.?DS1302的讀/寫時序

DS1302是SPI總線驅動，它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應寄存器的數(shù)據(jù)。控制字從最低位開始輸入，在其后的下一個SCLK時鐘的上升沿，數(shù)據(jù)被寫入DS1302。數(shù)據(jù)輸出也從最低位開始，同樣在緊跟8位控制字指令后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)也是從最低位到最高位。數(shù)據(jù)讀/寫時序如圖12.9所示。圖12.9DS1302的讀/寫時序

4.?DS1302與單片機的接口

DS1302與單片機的接口電路如圖12.10所示。圖12.10DS1302與單片機的接口

12.3紅外通信模塊TSOP18××

1.性能與特點

TSOP18××系列是Temic公司推出的一體化紅外線接收模塊，集紅外線接收、放大、解調于一體，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出以及與TTL電平信號兼容的所有工作，而體積只有普通三極管一樣大小，適合各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸距離大于4m。其外形如圖12.11所示，內部結構框圖如圖12.12所示。圖12.12TSOP18××外形圖圖12.11TSOP18××的結構框圖

TSOP18××系列的特性如下：

(1)有多種接收頻率可供選擇：30kHz、33kHz、36kHz、36.7kHz、38kHz、40kHz、56kHz。

(2)工作電壓范圍大，為3V～6V。

(3)工作電流為3mA。

(4)遙控距離大于4m。

(5)內置金屬保護裝置。

(6)具有綜合限幅電路功能。

(7)具有多種主要傳輸碼。

(8)具有智能自動增益控制(AGC)放大器，在不同的環(huán)境下也具有較高的接收靈敏度。

2.接收原理

TSOP18××系列紅外線模塊接收器的受光面一側為黑色環(huán)氧聚焦濾波透鏡。此透鏡消除了可見光對它的干擾，對于提高可靠性和濾除光噪聲至關重要。模塊內含紅外線PIN接收管、前置放大器和解調器。當紅外線發(fā)射器發(fā)出的信號經(jīng)空間傳送到TSOP18××系列模塊時，模塊內部的PIN紅外線將紅外光轉換為電信號，該信號經(jīng)前置放大、解調后由3腳輸出與TTL電平兼容的電信號，該信號能直接送入到微控器等要求TTL電平信號輸入的芯片中。圖12.13是TSOP18××系列模塊的輸入/輸出波形圖。圖12.13紅外接收頭輸入/輸出波形圖

3.?TSOP18××與單片機的接口

TSOP18××與單片機的接口如圖12.14所示。接收管輸出接到單片機的串口輸入端(RXD)。圖12.14TSOP18××與單片機的接口 12.4無線通信模塊nRF905

1.引腳功能

nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻芯片，工作電壓為1.9V～3.6V，工作于433/868/915MHz3個ISM頻道，片內集成了電源管理器、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器和功率放大器等模塊，可以自動完成字頭處理和CRC校驗，可由片內硬件自動完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與CPU通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA，在接收模式時電流為12.5mA，在待機模式時電流為40μA，在掉電模式時電流為2.5μA。nRF905傳輸數(shù)據(jù)時為非實時方式，即發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)，接收端收到后先暫存于芯片存儲器內，MCU可以在需要時再到芯片中去取。nRF905采用32引腳的QFN封裝，引腳圖如圖12.15所示。圖12.15nRF905引腳圖引腳功能如表12.3所示。表12.3nRF905引腳功能

2.工作模式

nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstRX接收模式和ShockBurstTX發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關機模式和空閑模式。工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個引腳決定，如表12.4所示。表12.4nRF905的工作模式

nRF905數(shù)據(jù)發(fā)送的典型流程分為以下幾步：

(1)當CPU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過SPI接口，按時序把接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定。

(2)?CPU置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)nRF905的ShockBurstTX發(fā)送模式。

(3)?nRF905的ShockBurstTX發(fā)送，即射頻寄存器自動開啟，數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)，發(fā)送數(shù)據(jù)包。當數(shù)據(jù)發(fā)送完成時，數(shù)據(jù)準備好引腳被置高。

(4)?AUTO_RETRAN被置高，nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低。

(5)當TRX_CE被置低時，nRF905發(fā)送過程完成，自動進入空閑模式。

一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論TRX_CE和TX_EN引腳是高或低，發(fā)送過程都會被處理完。只有在前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，才能接收下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖12.16所示。圖12.16發(fā)送程序流程圖

nRF905數(shù)據(jù)接收的典型流程分以下幾步：

(1)當TRX_CE為高、TX_EN為低時，nRF905進入ShockBurstRX接收模式。

(2)?650μs后，nRF905不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)。

(3)當nRF905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測(CD)引腳被置高。

(4)當接收到一個相匹配的地址時，地址匹配(AM)引腳被置高。

(5)當nRF905接收到一個有效數(shù)據(jù)包(CRC校驗正確)時，nRF905自動去掉字頭、地址和CRC校驗位，然后把數(shù)據(jù)準備就緒(DR)引腳置高。

(6)?CPU把TRX_CE置低，nRF905進入空閑模式。

(7)?CPU可以通過SPI口，以一定的速率讀出數(shù)據(jù)。

(8)當所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把DR引腳和AM引腳置低。

(9)?nRF905可以進入ShockBurstRX接收模式、ShockBurstTX發(fā)送模式或關機模式。

接收數(shù)據(jù)流程如圖12.17所示。圖12.17接收程序流程圖

3.?SPI寄存器配置

nRF905的所有配置都是通過SPI接口進行的。SIP接口的工作方式可通過SPI指令進行設置。當nRF905處于空閑模式或關機模式時，SPI接口可以保持在工作狀態(tài)。

SPI接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器