畢業(yè)論文任務(wù)書
主要實現(xiàn):實時溫度測量及顯示,超出溫度范圍聲光報警,上下限溫度可通過按鍵設(shè)定等功能。
本數(shù)字溫度報警器是基于51單片機(jī)及溫度傳感器DS18B20來設(shè)計的,溫度測量范圍0到99.9攝氏度,精度為0.1攝氏度,可見測量溫度的范圍廣,精度高的特點?稍O(shè)置上下限報警溫度,默認(rèn)上限報警溫度為38℃、默認(rèn)下限報警溫度為5℃(通過程序可以更改上下限值)。報警值可設(shè)置范圍:最低上限報警值等于當(dāng)前下限報警值,最高下限報警值等于當(dāng)前上限報警值。將下限報警值調(diào)為0時為關(guān)閉下限報警功能。
目 錄
基于51單片機(jī)的溫度報警器設(shè)計
摘 要:單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活,工作,科研,各個領(lǐng)域,已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù),本文將介紹一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字溫度器,本溫度計屬于多功能溫度計,可以設(shè)置上下報警溫度,當(dāng)溫度不在設(shè)置范圍內(nèi)時,可以報警。
隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及人們對生活環(huán)境要求的提高,人們也迫切需要檢測與控制溫度。本文通過采用蜂鳴器作為電聲元件的溫度報警器的設(shè)計,闡明了該裝置進(jìn)行設(shè)計與制作的具體過程及方法。這種溫度報警器結(jié)構(gòu)簡單,可操作性強,應(yīng)用廣泛。工作時,溫度測量范圍為5—38ºC。當(dāng)前環(huán)境溫度若超過設(shè)定的高溫臨界溫度,由單片機(jī)發(fā)出報警信號,從而防止帶來的不必要的損失。
造成高溫火災(zāi)有:電氣線路短路、過載、接觸電阻過大等引發(fā)高溫或火災(zāi);靜電產(chǎn)生高溫或或火災(zāi);雷電等強電侵入導(dǎo)致高溫或火災(zāi);最主要是機(jī)房內(nèi)電腦、空調(diào)等用電設(shè)備長時間工作,導(dǎo)致設(shè)備老化,空調(diào)發(fā)生故障,而不能降溫;因此機(jī)房內(nèi)所屬的電子產(chǎn)品發(fā)熱快,在短時間內(nèi)機(jī)房溫度升高超出設(shè)備正常溫度,導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓或產(chǎn)生火災(zāi),這時溫度報警系統(tǒng)就會發(fā)揮應(yīng)有的功能。
關(guān)鍵詞:STC89C51單片機(jī),數(shù)字控制,溫度計,DS18B20,24c02
前言
隨著人們生活水平的不斷提高,單片機(jī)控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一,它所給人帶來的方便也是不可否定的,其中數(shù)字溫度計就是一個典型的例子,但人們對它的要求越來越高,要為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施就需要從數(shù)單片機(jī)技術(shù)入手,一切向著數(shù)字化控制,智能化控制方向發(fā)展。本設(shè)計所介紹的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比,具有讀數(shù)方便,測溫范圍廣,測溫準(zhǔn)確,掉電保持上下限溫度值,其輸出溫度采用數(shù)字顯示,主要用于對測溫比較準(zhǔn)確的場所,或科研實驗室使用,該設(shè)計控制器使用單片機(jī) STC89C51,測溫傳感器使用 DS18B20,掉電保持使用24c02,用四位一體共陽極 LED 數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù),實現(xiàn)溫度顯示,能準(zhǔn)確達(dá)到要求
1 設(shè)計要求與方案論證
首先明確設(shè)計要求,再討論方案,一一攻破設(shè)計的難點。
1.1 設(shè)計要求
基本范圍0℃-99℃ ;
精度誤差小于 0.1℃ ;
數(shù)碼管直讀顯示;
擴(kuò)展功能:可以任意設(shè)定溫度的上下限報警功能,并可以掉電保持上下限溫度值。
1.2 系統(tǒng)基本方案選擇和論證
1.2.1 單片機(jī)芯片的選擇方案和論證
由于單片機(jī)具有以下的很多優(yōu)點,被我們選定為制作該作品的首選芯片
單片機(jī)特點:
(1)高集成度,體積小,高可靠性
單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上,集成度很高,體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的,內(nèi)部布線很短,其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的CPU。單片機(jī)程序指令,常數(shù)及表格等固化在ROM中不易破壞,許多信號通道均在一個芯片內(nèi),故可靠性高。
(2)控制功能強
為了滿足對對象的控制要求,單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件:分支轉(zhuǎn)移能力,I/O口的邏輯操作及位處理能力,非常適用于專門的控制功能。
(3)低電壓,低功耗,便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品
為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng),許多單片機(jī)內(nèi)的最低工作電壓僅為1.8V~3.6V,而工作電流僅為數(shù)百微安。
(4)易擴(kuò)展
片內(nèi)具有計算機(jī)正常運行所必需的部件。芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳,很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。
(5)優(yōu)異的性價比
單片機(jī)的性能極高。為了提高速度和運行效率,單片機(jī)已開始使用RISC流水線和DSP等技術(shù)。單片機(jī)的尋址能力也已突破64KB的限制,有的已可達(dá)到1MB和16MB,片內(nèi)的ROM容量可達(dá)62MB,RAM容量則可達(dá)2MB。由于單片機(jī)的廣泛使用,因而銷量極大,各大公司的商業(yè)競爭更使其價格十分低廉,其性能價格比極高。
方案一:
采用STC89C51芯片作為硬件核心。STC89C51內(nèi)部具有8KB ROM 存儲空間,512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間,帶有2K字節(jié)的EEPROM存儲空間,與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容,STC89C51可以通過串口下載。
方案二:
采用AT89S51。AT89S51片內(nèi)具有8K字節(jié)程序存儲空間,256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間沒有EEPROM存儲空間,也與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容,具有在線編程可擦除技術(shù)。
兩種單片機(jī)都完全能夠滿足設(shè)計需要,STC89C51相對ATS89C52價格便宜,且抗干擾能力強?紤]到成本因素,因此選用STC89C51。
1.2.2 溫度傳感器設(shè)計方案論證
利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分,品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類,按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。
現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計算機(jī)技術(shù))。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段;(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件);(2)模擬集成溫度傳感器/控制器;(3)智能溫度傳感器。國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在20世紀(jì)90年代中期最早推出的智能溫度傳感器,采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器,其測溫精度較低,分辨力只能達(dá)到1°C。國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器,所用的是9~12位A/D轉(zhuǎn)換器,分辨力一般可達(dá)0.5~0.0625°C。由美國DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器,能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù),其分辨力高達(dá)0.03125°C,測溫精度為±0.2°C。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。目前,智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,所采用的總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。溫度傳感器作為從機(jī)可通過專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。
方案一:
由于本設(shè)計是測溫電路,可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng),在將隨被測溫度變化 的電壓或電流采集過來,進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后,就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,在顯示電路上,就可以將被測溫度顯示出來,這種設(shè)計需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路,感溫電路比較麻煩。
方案二:
進(jìn)而考慮到用溫度傳感器,在單片機(jī)電路設(shè)計中,大多都是使用傳感器,所以這是非常容易想到的,所以可以采用一只溫度傳感器 DS18B20,此傳感器,可以很容易直接讀取被測溫度值,進(jìn)行轉(zhuǎn)換,就可以滿足設(shè)計要求。
從以上兩種方案,兩種都完全能夠滿足設(shè)計需要,很容易看出,采用方案二,電路比較簡單,軟件設(shè)計也比較簡單,故采用了方案二。
1.2.3 掉電保持方案論證
為了方便使用,本設(shè)計采用串行E2PROMI2C-BUS的存儲器件AT24C02,由于其具有接口方便,體積小,數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點,在儀器儀表及工業(yè)自動化控制中得到大量的應(yīng)用。本設(shè)計就是采用此功能。
1.3 電路設(shè)計最終方案決定
綜上各方案所述,對此次作品的方案選定:采用STC89C51單片機(jī)作為主控制系統(tǒng);采用DS18B20為傳感器;采用AT24C02作為數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng);采用數(shù)碼管作為顯示器件。
2 主要元件介紹
2.1 STC89C51介紹
STC89C51是由深圳宏晶科技公司生產(chǎn)的與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集和輸出管腳相兼容的單片機(jī)。
2.1.1 STC89C51主要功能及PDIP封裝
STC89C51主要功能如表1所示,其PDIP封裝如圖1所示
主要功能特性 | |
兼容MCS51指令系統(tǒng) | 8K可反復(fù)擦寫Flash ROM |
32個雙向I/O口 | 256x8bit內(nèi)部RAM |
3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷 | 時鐘頻率0-24MHz |
2個串行中斷 | 可編程UART串行通道 |
2個外部中斷源 | 共6個中斷源 |
2個讀寫中斷口線 | 3級加密位 |
低功耗空閑和掉電模式 | 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 |
表1:STC89C51主要功能
2.1.2 STC89C51引腳介紹
① 主電源引腳(2根)
VCC(Pin40):電源輸入,接+5V電源
GND(Pin20):接地線
②外接晶振引腳(2根)
XTAL1(Pin19):片內(nèi)振蕩電路的輸入端
XTAL2(Pin20):片內(nèi)振蕩電路的輸出端
③控制引腳(4根)
RST/VPP(Pin9):復(fù)位引腳,引腳上出現(xiàn)2個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。
ALE/PROG(Pin30):地址鎖存允許信號
PSEN(Pin29):外部存儲器讀選通信號
EA/VPP(Pin31):程序存儲器的內(nèi)外部選通,接低電平從外部程序存儲器讀指令,如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。
④可編程輸入/輸出引腳(32根)
STC89C51單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口,分別位P0、P1、P2、P3口,每個口有8位(8根引腳),共32根。
P0口(Pin39~Pin32):8位雙向I/O口線,名稱為P0.0~P0.7
P1口(Pin1~Pin8):8位準(zhǔn)雙向I/O口線,名稱為P1.0~P1.7
P2口(Pin21~Pin28):8位準(zhǔn)雙向I/O口線,名稱為P2.0~P2.7
P3口(Pin10~Pin17):8位準(zhǔn)雙向I/O口線,名稱為P3.0~P3.7
圖1:STC89C51封裝圖
2.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng):
當(dāng)在STC89C51單片機(jī)的RST引腳引入高電平并保持2個機(jī)器周期時,單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作,按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)過電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的。最小系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路
電路以STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制核心,測溫電路由DS18B20提供,輸入部分采用三個獨立式按鍵S1、S2、S3。數(shù)碼管顯示部分。具體電路連接,詳見附錄1。
2.2 DS18B20傳感器介紹
2.2.1 DS18B20概述
在現(xiàn)代檢測技術(shù)中,傳感器占據(jù)著不可動搖的重要位置。主機(jī)對數(shù)據(jù)的處理能力已經(jīng)相當(dāng)?shù)膹,但是對現(xiàn)實世界中的模擬量卻無能為力。如果沒有各種精確可靠的傳感器對非電量和模擬信號進(jìn)行檢測并提供可靠的數(shù)據(jù),那計算機(jī)也無法發(fā)揮他應(yīng)有的作用。傳感器把非電量轉(zhuǎn)換為電量,經(jīng)過放大處理后,轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入計算機(jī),由計算機(jī)對信號進(jìn)行分析處理。從而傳感器技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來,對自動化和信息化起重要作用。
采用各種傳感器和微處理技術(shù)可以對各種工業(yè)參數(shù)及工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行測控及檢驗,準(zhǔn)確測量產(chǎn)品性能,及時發(fā)現(xiàn)隱患。為提高產(chǎn)品質(zhì)量、改進(jìn)產(chǎn)品性能,防止事故發(fā)生提供必要的信息和更可靠的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣,且對測量要求比較高,所以選擇合適的傳感器很重要。目前,國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、從集成化向智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。智能溫度傳感器DS18B20正是朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。因此,智能溫度傳感器DS18B20作為溫度測量裝置已廣泛應(yīng)用于人民的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。
美國DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片外加不銹鋼保護(hù)管封裝而成,具有耐磨耐碰,體積小,使用方便,封裝形式多樣,適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。有獨特的單線接口方式,DS1820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊;其測溫范圍 -55℃~+125℃,固有測溫分辨率0.5℃;支持多點組網(wǎng)功能;多個DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上,實現(xiàn)多點測溫;工作電源為3~5V/DC;在使用中不需要任何外圍元件。
DS18B20的性能特點如下:
(1) 采用DALLAS公司獨特的單線接口方式:DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊;
(2)在使用中不需要任何外圍元件;
(3)可用數(shù)據(jù)線供電,供電電壓范圍:+3.0V~+5.5V;
(4)測溫范圍:-55~+125℃。固有測溫分辨率為0.5℃。當(dāng)在-10℃~+85℃范圍內(nèi),可確保測量誤差不超過0.5℃,在-55~+125℃范圍內(nèi),測量誤差也不超過2℃;
(5)通過編程可實現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式;
(6)用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值;
(7)支持多點的組網(wǎng)功能,多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上,實現(xiàn)多點測溫
(8)負(fù)壓特性,即具有電源反接保護(hù)電路。當(dāng)電源電壓的極性反接時,能保護(hù)DS18B20不會因發(fā)熱而燒毀,但此時芯片無法正常工作;
(9)DS18B20的轉(zhuǎn)換速率比較高,進(jìn)行9位的溫度值轉(zhuǎn)換只需93.75ms;
(10)適配各種單片機(jī)或系統(tǒng);
(11)內(nèi)含64位激光修正的只讀存儲ROM,扣除8位產(chǎn)品系列號和8位循環(huán)冗余校驗碼(CRC)之后,產(chǎn)品序號占48位。出廠前產(chǎn)品序號存入其ROM中。在構(gòu)成大型溫控系統(tǒng)時,允許在單線總線上掛接多片DS18B20。
2.2.2 DS18B20引腳介紹
圖3:DS18B20引腳
各引腳功能為:I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線總線),它屬于漏極開路輸出,外接上拉電阻后,常態(tài)下呈高電平。UDD是可供選用的外部電源端,不用時接地,GND為地,NC空腳。
2.2.3 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括7部分:寄生電源、溫度傳感器、64位激光(loser)ROM與單線接口、高速暫存器(即便筏式RAM,用于存放中間數(shù)據(jù))、TH觸發(fā)寄存器和TL觸發(fā)寄存器,分別用來存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值、存儲和控制邏輯、位循環(huán)冗余校驗碼(CRC)發(fā)生器。
圖4:DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.2.4 DS18B20的程序流程圖
圖5程序流程圖
2.3 數(shù)碼管介紹
數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件,其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管,八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元(多一個小數(shù)點顯示);按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管;
按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管,共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V,當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時,相應(yīng)字段就點亮,當(dāng)某一字段的陰極為高電平時,相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管,共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上,當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時,相應(yīng)字段就點亮,當(dāng)某一字段的陽極為低電平時,相應(yīng)字段就不亮。
2.3.1 數(shù)碼管概述
圖5:數(shù)碼管
數(shù)碼顯示器是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件,它使用了8個Led發(fā)光二極管,其中七個用于顯示字符,一個顯示小數(shù)點,所以通稱為七段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。4位一體數(shù)碼管,其內(nèi)部段已連接好,引腳如圖所示(數(shù)碼管的正面朝自己,小數(shù)點在下方)。a、b、c、d、e、f、g、dp為段引腳,S1、S2、S3、S4分別表示四個數(shù)碼管的位。
2.4 AT24C02簡介
如圖1為AT24C02的芯片引腳圖。
圖3-1 AT24C02的芯片引腳圖
AT24C02提供電可擦除的串行1024位存儲或可編程只讀存儲器(EEPROM)128字(8位/字)。
芯片在低壓的工業(yè)與商業(yè)應(yīng)用中進(jìn)行了最優(yōu)化。AT24C01的封裝為8腳PDIP、8腳JEDEC
SOIC、8腳TSSOP,通過2線制串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另外,整個系列有2.7V(2.7V至5.5V)和1.8V (1.8V至5.5V)兩個版本。
設(shè)備操作:
C L O C K 和 D A T A 變化:SDA管腳通常外都要拉高。SDA管腳上的數(shù)據(jù)只能在SCL低期間改變。數(shù)據(jù)在SCL高期間改變定義為一個開始或停止信號。
開始狀態(tài):在任何操作之前必須有一個開始信號----在SCL為高時SDA上產(chǎn)生一個下降沿。
停止?fàn)顟B(tài): SCL為高時SDA產(chǎn)生一個上升沿是停止信號,停止信號后將停止所有通信。
在一個讀的序列之后,停止信號將讓EEPROM進(jìn)入備用電源模式。
2.4.1 I2C總線說明
I2C(Inter-Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線,用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代,最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā),如今主要在服務(wù)器管理中使用,其中包括單個組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個組件進(jìn)行查詢,以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài),如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇?呻S時監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個參數(shù),增加了系統(tǒng)的安全性,方便了管理。
1 I2C總線的硬件結(jié)構(gòu)
I2C串行總線一般有兩根信號線,一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA,另一根是時鐘線SCL。所有接到I2C總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上,各設(shè)備的時鐘線SCL接到總線的SCL上。
為了避免總線信號的混亂,要求各設(shè)備連接到總線的輸出端時必須是開漏輸出或集電極開路輸出。設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)線SDA接口電路應(yīng)該是雙向的,輸出電路用于向總線上發(fā)送數(shù)據(jù),輸入電路用于接收總線上的數(shù)據(jù)。而串行時鐘線也應(yīng)是雙向的,作為控制總線數(shù)據(jù)傳送的主機(jī),一方面要通過SCL輸出電路發(fā)送時鐘信號,另一方面還要檢測總線上的SCL電平,以決定什么時候發(fā)送下一個時鐘脈沖電平;作為接受主機(jī)命令的從機(jī),要按總線上的SCL信號發(fā)出或接收SDA上的信號,也可以向SCL線發(fā)出低電平信號以延長總線時鐘信號周期?偩空閑時,因各設(shè)備都是開漏輸出,上拉電阻RP使SDA和SCL線都保持高電平。任一設(shè)備輸出的低電平都將使相應(yīng)的總線信號線變低,也就是說:各設(shè)備的SDA是“與”關(guān)系,SCL也是“與”關(guān)系。
總線對設(shè)備接口電路的制造工藝和電平都沒有特殊的要求(NMOS、CMOS都可以兼容)。在I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送率可高達(dá)每秒十萬位,高速方式時在每秒四十萬位以上。另外,總線上允許連接的設(shè)備數(shù)以其電容量不超過400pF為限。
總線的運行(數(shù)據(jù)傳輸)由主機(jī)控制。所謂主機(jī)是指啟動數(shù)據(jù)的傳送(發(fā)出啟動信號)、發(fā)出時鐘信號以及傳送結(jié)束時發(fā)出停止信號的設(shè)備,通常主機(jī)都是微處理器。被主機(jī)尋訪的設(shè)備稱為從機(jī)。為了進(jìn)行通訊,每個接到I2C總線的設(shè)備都有一個唯一的地址,以便于主機(jī)尋訪。主機(jī)和從機(jī)的數(shù)據(jù)傳送,可以由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到從機(jī),也可以由從機(jī)發(fā)到主機(jī)。凡是發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的設(shè)備稱為發(fā)送器,從總線上接收數(shù)據(jù)的設(shè)備被稱為接受器。
I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號, 它們分別是:開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。
開始信號:SCL為高電平時,SDA由高電平向低電平跳變,開始傳送數(shù)據(jù)。
結(jié)束信號:SCL為高電平時,SDA由低電平向高電平跳變,結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。
應(yīng)答信號:接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后,向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖,表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后,等待受控單元發(fā)出一個應(yīng)答信號,CPU接收到應(yīng)答信號后,根據(jù)實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應(yīng)答信號,由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。如圖3-2所示:
圖3-2 開始、結(jié)束信號圖
目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機(jī)有:CYGNAL的 C8051F0XX系列,PHILIPSP87LPC7XX系列,MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監(jiān)控芯片等也提供I2C接口。
總線基本操作:
I2C規(guī)程運用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上,則定義為發(fā)送器,器件接收數(shù)據(jù)則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。 總線必須由主器件(通常為微控制器)控制,主器件產(chǎn)生串行時鐘(SCL)控制總線的傳輸方向,并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變,SCL為高電平的期間,SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件。
控制字節(jié):在起始條件之后,必須是器件的控制字節(jié),其中高四位為器件類型識別符(不同的芯片類型有不同的定義,EEPROM一般應(yīng)為1010),接著三位為片選,最后一位為讀寫位,當(dāng)為1時為讀操作,為0時為寫操作。
寫操作:寫操作分為字節(jié)寫和頁面寫兩種操作,對于頁面寫根據(jù)芯片的一次裝載的字節(jié)不同有所不同。
讀操作:讀操作有三種基本操作:當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時序圖。應(yīng)當(dāng)注意的是:最后一個讀操作的第9個時鐘周期不是“不關(guān)心”。為了結(jié)束讀操作,主機(jī)必須在第9個周期時發(fā)出停止條件或者在第9個時鐘周期內(nèi)保持SDA為高電平、然后發(fā)出停止條件。
3 程序流程圖
圖6:程序流程圖
結(jié)論
通過對自己在大學(xué)兩年時間里所學(xué)的知識的回顧,并充分發(fā)揮對所學(xué)知識的理解和對畢業(yè)設(shè)計的思考及書面表達(dá)能力,最終完成了本設(shè)計。這為自己今后進(jìn)一步深化學(xué)習(xí),積累了一定寶貴的經(jīng)驗。撰寫論文的過程也是專業(yè)知識的學(xué)習(xí)過程,它使我運用已有的專業(yè)基礎(chǔ)知識,對其進(jìn)行設(shè)計,分析和解決一個理論問題或?qū)嶋H問題,把知識轉(zhuǎn)化為能力的實際訓(xùn)練。培養(yǎng)了我運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。
本次論文設(shè)計,使我加深了對單片機(jī)的認(rèn)識,并且熟悉了單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計流程,收獲豐碩。技術(shù)在不斷進(jìn)步,機(jī)械式時鐘已經(jīng)被淘汰,電子時代已經(jīng)到來。做為新時代的我們,更應(yīng)該提高自身能力,適應(yīng)新時代的發(fā)展。知識來自實踐,多從生活中探尋所需要的。
從這次的論文設(shè)計中,我真正的體會到,知識的重要性,特別是要理論聯(lián)系實際,把我們所學(xué)的理論知識運用到實際生活當(dāng)中,要用知識改變一切。
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致謝
首先,感謝學(xué)校三年來對我的培養(yǎng)。為我們營造了一個良好的學(xué)習(xí)氛圍,建設(shè)一流的教學(xué)設(shè)施,使我們身心愉快的投入到學(xué)習(xí)中。
其次,感謝尊敬的指導(dǎo)老師,有了他的諄諄教誨,處處提點,才使本論文的前期準(zhǔn)備以及整個研究過程順利完成。指導(dǎo)老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度、扎實的理論基礎(chǔ)、全身心投入工作的精神以及對學(xué)生盡心盡力的態(tài)度給了我極大的幫助與鼓勵,使我受益匪淺。從指導(dǎo)老師的教學(xué)態(tài)度上,我學(xué)到的不僅僅只有書本上的知識,還有做人的道理。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神,精益求精的工作作風(fēng),深深地感染和激勵著我。在此謹(jǐn)向指導(dǎo)老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。
最后,感謝我的父母多年來給予我的支持和關(guān)懷,同時感謝我的舍友和朋友對我的幫助。
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