本科畢業(yè)設(shè)計--基于STM8105K4單片機(jī)土壤數(shù)據(jù)采集

吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 題目名稱： 基于 STM8105K4 單片機(jī)土壤數(shù)據(jù)采集 學(xué)生姓名： 院 系： 信息技術(shù)學(xué)院 專業(yè)年級： 06電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師： 職 稱： 講師 2010年 05月 25日 I 目 錄 基于 STM8105K4單片機(jī)土壤溫度、水分、電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集 . I 摘要 . I 1 前 言 .- 1 - 1.1 題目的來源與開發(fā)意義 .- 1 - 1.2土壤電導(dǎo)率、溫度、水分 .- 1 - 1.3傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 .- 2 - 2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 .- 3 - 2.1 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成及測量原理 .- 4 - 2.2 STM8S105k4簡介 .- 5 - 2.3 DS18B20 .- 8 - 2.4 TDR 水份及電導(dǎo)率傳感器 .- 14 - 2.4.1 TDR原理 .- 14 - 2.4.2 TDR 土壤水份傳感器 .- 15 - 2.4.3 OP07運算放大模塊 .- 16 - 2.5 TDR 土壤水份傳感器 .- 18 - 2.6 PT100土壤溫度傳感器 .- 19 - 2.6 1602顯示模塊 .- 21 - 3 系統(tǒng)校正部分的設(shè)計 .- 27 - 4 系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計 .- 30 - 5 系統(tǒng)調(diào)試 .- 31 - 5.1 硬件電路調(diào)試 .- 31 - 5.2 各功能模塊軟件調(diào)試 .- 31 - 6 結(jié)束語 .- 32 - 參考文獻(xiàn) .- 32 - 致謝 .- 33 - 附錄一 系統(tǒng)總體電路原理圖 .- 34 - 附錄二 系統(tǒng)程序清單 .- 35 - I 基于 STM8105K4單片機(jī)土壤 溫度、水分、電導(dǎo)率 數(shù)據(jù)采集 學(xué)生：于慶偉 專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師：宮鶴 摘 要： 隨著社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)嵤┈F(xiàn)代化、高科技作業(yè)已經(jīng)成為了當(dāng)今社會人們追逐的熱點。本文正是講述了如何使用單片機(jī)進(jìn)行土壤的溫度、水分及電導(dǎo)率這土壤三參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種方法完全拋棄了過去靠使用大量人力物力的方法，具有低成本、低勞動力、高精度、高可靠性、可在數(shù)年間連續(xù)采集數(shù)據(jù)，可為人們提供高密度的線性數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞： 溫度；水分；電導(dǎo)率；單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集 Soil Temperature, Moisture and the Electrical Conductivity Data Collection Based on STM8105K4 Name： Qingwei Yu Major： Electronic Information Science and Technology Tutor： He Gong Abstract: With the development of society and the development of science and technology, in the agricultural sector implementing modernization and high tech jobs have become hotspots of these people. This text is demonstrating how to use a MCU detect the soil temperature, moisture and the electrical conductivity which is the three parameters of soil for data collection. This method is left over by the use of resources, with low cost of labor, low and high precision, high reliability, in a few years for collecting data, provide the high density of linear data. Keywords: temperature； moisture； conductance； SCM； data acquisition - 1 - 1 前 言 1.1 題目的來源與開發(fā)意義 土壤是進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，只有對土壤營養(yǎng)和品質(zhì)狀況的準(zhǔn)確監(jiān)控，才能夠進(jìn)行科學(xué)化的生產(chǎn)管理。要準(zhǔn)確評估土壤性狀 1，就需要同時考察土壤結(jié)構(gòu)、粒徑、有機(jī)質(zhì)含量、 土壤含水量、離子交換能力、持水力和氮磷鉀元素含量等多種土壤參數(shù)。但不同的土壤參數(shù)有著不同的測定方法，因此要綜合獲取分析一次土壤信息，需要花費巨大的人力、 物力和時間。如：要采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行土壤含水量和養(yǎng)分狀況的測量， 就需要經(jīng)過人工取樣， 烘干、 秤重、 研磨、 溶解等多個步驟后， 才能夠進(jìn)行試驗測試， 不但步驟繁瑣，而且結(jié)果的重復(fù)性和實時性都難以保證， 難以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。 近年來，隨著無線通信、微電子、傳感器、計算機(jī)等技術(shù)向著系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化的方向迅速發(fā)展。 單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入， 同時帶動電子產(chǎn)業(yè)日新月益的更新。在電子產(chǎn)品的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中， 單片機(jī)往往是作為一個核心部件來使用 2，僅單片機(jī)方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合，以作完善。 基于單片機(jī)的土壤三參數(shù)（電導(dǎo)率，溫度，水分）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也己步出了傳統(tǒng)的工作模式。土壤三參數(shù) （電導(dǎo)率，溫度，水 分） 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用溫度、水分以及電導(dǎo)率傳感器采集模擬信號量，這種方式技術(shù)成熟，制作成本相對較低， 大大減少了本需要花費大量人力、物力和時間的繁瑣工作，將采集工作自動化、精準(zhǔn)化。隨時隨地的進(jìn)行土壤數(shù)據(jù)的實時檢測，對社會的發(fā)展、生產(chǎn)力提升以及人民生活水平的不斷提高都起著不可泯滅的作用。 。 目前實際應(yīng)用場合提出對溫度、水分、電導(dǎo)率的測量具有更高的測量要求，需要靈活、多點、更高精度的測量。本課題將傳感器和單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)發(fā)展中為新興的無線通信技術(shù)（如 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)等）的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 1.2土壤電 導(dǎo)率、溫度、水分 土壤溫度，含水量和電導(dǎo)率 ( E l e c t r i c a l C o n d u c t i v i t y ， E C ) 是土壤的三個重要參數(shù) 3,4，通過這三個參數(shù)的計算和分析，可以獲取土壤的特征參數(shù)，減少或避免了對眾多土壤參數(shù)的測量。土壤溫度是土壤的冷熱程度，是影響作物生長的一個 - 2 - 重要因素，它對土壤中微生物的活動、有機(jī)質(zhì)分解、作物對水和礦物質(zhì)的吸收、 種子發(fā)芽和根系生長等都有著較大影響。水分是土壤的重要組成部分，土壤含水量的多少不僅僅會影響到土壤的性狀，而且還會影響 到土壤中各類養(yǎng)分的 溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動，這對于植物的生長、存活和凈增產(chǎn)率等具有極其重要的意義 1 , 2 ，同時土壤含水量狀況也是當(dāng)?shù)貧夂颉?植被、 地形及土壤質(zhì)地等 自然條件的綜合反映 ，掌握土壤中水分的實時變化情況，可以根據(jù)作物在不同生長階段對水的需求來進(jìn)行精確灌溉， 從而達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。而隨著農(nóng)業(yè)信息技術(shù)和精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，土壤電導(dǎo)率逐漸引起人們的關(guān)注。近年來，土壤學(xué)的研究結(jié)果表明，土壤中的鹽分、水分、溫度、有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)地結(jié)構(gòu)等都不同程度地影響著土壤的電導(dǎo)率 J ，電導(dǎo)率也反映出了土壤 品質(zhì)和物理性質(zhì)的豐富信息，通過對其的準(zhǔn)確測量可以獲得土壤含鹽量、含水量、質(zhì)地和肥力分布等相關(guān)參數(shù)。 1.3傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 現(xiàn)代，信息技術(shù)對社會的發(fā)展及科技的進(jìn)步起了決定性作用 5。傳感器技術(shù)是 21 世紀(jì)人們在高新技術(shù)發(fā)展方面爭奪的一個制高點，各發(fā)達(dá)國家都將傳感器技術(shù)視為現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。從 20 世紀(jì) 80 年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之首，美國等西方國家也將此技術(shù)列為國家科技和國防技術(shù)發(fā)展的重點內(nèi)容。我國從 20 世紀(jì) 80 年代以來也己將傳感器技術(shù)列入國家高新技術(shù)發(fā)展的重點 。 21 世紀(jì)是信息電子化的時代，作為現(xiàn)代信息技術(shù)支柱之一的傳感器技術(shù)必將得到較大的發(fā)展。 傳統(tǒng)的溫度測量是從金屬（物質(zhì)）的熱脹冷縮開始。水銀溫度計至今仍是各種溫度測量的計量標(biāo)準(zhǔn)，可是它的缺點是只能近距離觀測，而且測量精度不高。常用金屬熱敏電阻為材料的溫度傳感器，如銅電阻、鎳電阻、鉑電阻等，它們的特點是穩(wěn)定性好、耐高溫，如鉑電阻有的可達(dá)六、七百度。但當(dāng)傳輸線路長短不等時，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。近年發(fā)展起來的有 PN 結(jié)測溫器件。這類器件的優(yōu)點是在 50 -150 范圍內(nèi)有良好的特性，體積小、響應(yīng)時間快、價格低 。但它的缺點是一致性差、不易做到互換，而且PN 結(jié)易受外界輻射的影響，穩(wěn)定性難以保證。石英晶體溫度檢測器的測量精度較高，一般可檢測到 0.001 作標(biāo)準(zhǔn)檢測之用。隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)的發(fā)展，人們開發(fā)出將溫度傳感器和數(shù)字電路集成在一起的新型數(shù)字式集成溫度傳感器。數(shù)字式溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器（或寄存器）和接口電路。數(shù)字式傳感器在精度、分辨率、可靠性、抗干擾能力以及器件微小化方面都有明顯的優(yōu)點，輸出的溫度數(shù)據(jù)和相關(guān)的溫度控制量可以連接到各種微控制器。受半 導(dǎo)體器件本身限制，數(shù)字式傳感器還存在一些不夠理想的地方。比如實際應(yīng)用時需加修正值，測溫范圍不寬，一般為 -5 -150 。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，信息的傳輸、處理技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，發(fā)展相對滯后的傳感器技術(shù)業(yè)已得到全世界 - 3 - 的普遍重視。因此，今后一個時期傳感技術(shù)將成為人們研究的新熱點，并有可能形成較大產(chǎn)業(yè)。傳感器技術(shù)未來將向以下幾個方面發(fā)展： 1 、高精確度； 2 、小型化； 3 、多功能集成化； 4 、數(shù)字化； 5 、智能化。無線技術(shù)與溫度傳感器的結(jié)合，是近幾年來一個新的發(fā)展趨勢，改變了傳統(tǒng)溫度傳感器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)，適應(yīng)更多溫度測量的應(yīng)用場合。 測量土壤含水量有許多方法 , 稱量法費時費力 , 不能原位重復(fù)測量 , 中子儀法測量土壤表層含水量時 , 特別是在低含水量測量時由于中子的泄漏而測不準(zhǔn)確。時域反射儀(TDR )為表層土壤的精確測量提供了有效的手段 (Nielson,1995) 6,7。用 TDR 測量土壤含水量由 Topp (1980)首創(chuàng) , 近 20 年來 , 無論是在技術(shù)上還是應(yīng)用上都得到了長足的發(fā)展。近年來 , 出于對植物營養(yǎng)需求及溶質(zhì)輸運的研究 , 特別是無機(jī) 污染物遷移的研究的興起 , 使得迅速測定土壤溶液的化 學(xué)組成變得越來越重要。以往土壤溶液組成的測定是用真空陶土頭抽提土壤水溶液進(jìn)行分析 (Rhoades and Oster,1989)。這種做法的主要缺點是在低含水量無能為力 , 其次 , 測量值是采樣期間的時間平均 , 缺乏一定的代表性。 Rhoades and Oster (1989)認(rèn)為土壤水溶液中溶質(zhì)的總濃度或土壤中的存留濃度是可以通過電導(dǎo)率的值來求得 , 這一點構(gòu)成了用 TDR 來測定土壤中溶質(zhì)含量的基礎(chǔ)。 TDR 獨一無二的優(yōu)越性是土壤水分和土壤的溶質(zhì)可以同時在同一個體積元中定 ,Daltonetal。 在 1984 年首次用 TDR 測定土壤的電導(dǎo)率或土壤溶質(zhì)。但一直到最近 , 許多作者才開始在穩(wěn)態(tài)條件下用 TDR 測定土壤中溶質(zhì)的穿透曲線 (Kachanoski et al,1992；Wraith etal,1993；Vanclooster etal,1993,1995；Mallants etal,1994,Vogeler,1996) , 也偶有用于非穩(wěn)態(tài)自然流的情況下 (Vogeler,1996)。 從 90 年代我國開始引進(jìn) TDR 技術(shù) , 現(xiàn)今已得到迅速的發(fā)展 , 成為與中子法相并駕的測量土壤含水量的方法之一。本方案使用的 TDR水分傳感器和 TDR電導(dǎo)率傳感器都 是基于 TDR技術(shù) 。 2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 STM8S 系列是 意法半導(dǎo)體 （ ST） 針對工業(yè)溫度范圍，推出基于新一代 STM8 內(nèi)核的 8位微控制器， 新系列微控制器整合新一代內(nèi)核的高速度、處理性能和代碼效率，以及多用途外設(shè)接口，并具備多項特殊功能，可提高芯片的強(qiáng)軔度和可靠性。片內(nèi)集成的存儲器（包括真EEPROM）可以簡化應(yīng)用仿真。在工業(yè)控制和家電應(yīng)用中， STM8S 系列產(chǎn)品可以降低系統(tǒng)成本，縮短應(yīng)用開發(fā)周期，提高處理性能。 STM8 8位內(nèi)核有一個 32位存儲器接口和三段流水線架 構(gòu)，在 24MHz頻率下，最高處理效能高達(dá) 20 MIPS。 棧指針和 16位索引寄存器可改進(jìn)表處理性能，內(nèi)核的 16MB - 4 - 線性存儲位址空間可簡化 64KB以上的頁操作。此外，棧指針的改善、新增尋址模式和新指令等特性增強(qiáng)了對 C 編程和實時性能的支持，并提高了代碼密度和處理器能效。 除 STM8的內(nèi)核優(yōu)勢外， STM8系列產(chǎn)品還提供大容量片上閃存，根據(jù)不同的產(chǎn)品型號，閃存容量從 4KB到 128KB。實時讀寫同步操作功能，至少 30萬次的耐擦寫能力，使芯片內(nèi)置的 EEPROM的性能可與外部分立的 EEPROM媲美。 STM8S系列產(chǎn)品 給開發(fā)人員帶來產(chǎn)品兼容性的好處，在該系列產(chǎn)品內(nèi)，不同型號產(chǎn)品的軟件和堆疊式封裝相互兼容， ST所有的微控制器（包括 32位的 STM32系列）的外設(shè)接口全部相互兼容。產(chǎn)品兼容性有利于平臺設(shè)計，增加可用功能模塊的數(shù)量，包括模式可配置的 16位控制定時器、信號捕獲 /比較功能模塊、 PWM控制器以及 U(S)ART、SPI、 I2C 和 CAN 2.0B總線接口。芯片集成的其它功能可以在工業(yè)應(yīng)用中減少電路板空間和組件數(shù)量，例如，芯片內(nèi)置的 16MHz高精度阻容振蕩器可以省去外部時鐘信號源，上電復(fù)位（ POR）和欠壓復(fù)位（ BOR）功 能可以節(jié)省外部復(fù)位電路，強(qiáng)流限流功能可以取代外部保護(hù)器件。 新產(chǎn)品采用特殊的技術(shù)以確?？煽亢蛷?qiáng)大功能，如雙重獨立看門狗、時鐘安全系統(tǒng)、配置選擇字節(jié)補(bǔ)充復(fù)制和 EMS復(fù)位。此外， STM8S系列還提供在應(yīng)用編程和在線編程功能，其單線調(diào)試功能采用業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的在線調(diào)試模塊。在家電、個人護(hù)理設(shè)備、電池供電設(shè)備、電動工具、冷熱通用空調(diào)（ HVAC）設(shè)備、電機(jī)控制器、斷路器等應(yīng)用中，STM8S系列內(nèi)置的四種節(jié)能模式可以幫助開發(fā)人員實現(xiàn)反應(yīng)快速的電源管理策略。 3.0V到 5.5V的電源電壓范圍還可以簡化開發(fā)過程，便于既有設(shè)計的 升級。 STM8S開發(fā)環(huán)境支持功能復(fù)雜的高端仿真器（包括代碼評估和覆蓋功能），還支持低成本的調(diào)試工具，提供免費的集成開發(fā)環(huán)境（ IDE）和免費的 16KB版 C 編譯器。開發(fā)工具還提供多個固件化的參考設(shè)計，為幫助開發(fā)人員達(dá)到新安全法規(guī)的要求，還提供IEC60335 B類標(biāo)準(zhǔn)專用資料庫。 STM8S系列采用多種封裝形式，包括 32引腳到 80引腳的 LQFP、 20引腳到 48引腳的 QFN 和 20引腳的 TSSOP。 本設(shè)計以 STM8s105k4單片機(jī)為核心，輔以 1602液晶顯示模塊、運算放大電路、DS18B20空氣 溫度傳感器、 TDR水分傳感器、 TDR電導(dǎo)率傳感器 、 PT100土壤溫度傳感器 組成整個 土壤三參數(shù)（電導(dǎo)率，溫度，水分） 和空氣溫度的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 其中 DS18B20 空氣 溫度傳感器、 TDR 水分傳感器、 TDR 電導(dǎo)率傳感器 、 PT100 土壤 溫度傳感器 采集到模擬信號后，經(jīng)過運算放大器的放大，傳輸給 STM8s105k4單片機(jī)，利用 STM8s105k4單片機(jī)內(nèi)置的 10bit ADC 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后將信息顯示到 1602LCD顯示模塊上。 2.1 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成及測量原理 - 5 - 圖 2-0 土壤三參數(shù)硬件電路原理框圖 Figure0 Soil three parameters hardware circuit diagram 2.2 STM8S105k4簡介 空氣 溫度傳感器 水分傳感器 電導(dǎo)率傳感器 三級運算放大器 STM8S105k4 單片機(jī) 空氣 溫度顯示 土壤溫度顯示 電導(dǎo)率顯示 水分顯示 PC機(jī) 1602LCD 顯示模塊 兩 級運算放大器 土壤 溫度傳感器 - 6 - 圖 2-1 STM8s105k4 管腳排列 Figure1 STM8s105k4 tube feet 注： 1.（ HS）為高吸收電流。 2.為復(fù)用功能重映射選項（如果相同的復(fù)用功能顯示兩次，用戶也只能選擇其中的一個，并不是其中一個是另一個的備份） 。 STM8S105k4芯片特點 內(nèi)核 : 高級 STM8內(nèi)核，具有 3級流水線的哈佛 結(jié)構(gòu) : 擴(kuò)展指令集 存儲器 : 中等密度程序和數(shù)據(jù)存儲器： 最多 32K 字節(jié) Flash； 10K 次擦寫后在 55 C環(huán)境下數(shù)據(jù)可保存 20年 數(shù)據(jù)存儲器： 多達(dá) 1K 字節(jié)真正的數(shù)據(jù) EEPROM,可達(dá) 30萬次擦寫 RAM： 多達(dá) 2K 字節(jié) 時鐘、復(fù)位和電源管理 : 3.05.5V工作電壓 靈活的時鐘控制， 4個主時鐘源 低功率晶體振蕩器 外部時鐘輸入 用戶可調(diào)整的內(nèi)部 16MHz RC 內(nèi)部低功耗 128kHz RC 帶有時鐘監(jiān)控的時鐘安全保障系統(tǒng) 電源管理： 低功耗模式 (等待、活躍停機(jī)、停機(jī) ) 外設(shè)的時鐘可單獨關(guān)閉 永遠(yuǎn)打開的低功耗上電和掉電復(fù)位 中斷管理 帶有 32個中斷的嵌套中斷控制器 6個外部中斷向量，最多 37個外部中斷 定時器 2個 16位通用定時器，帶有 2+3個 CAPCOM通道 (IC、 OC 或 PWM) 高級控制定時器： 16位， 4個 CAPCOM通道， 3個互補(bǔ)輸出，死區(qū)插入和靈活的同步 帶有 8位預(yù)分頻器的 8位基本定時器 自動喚醒定時器 2個看門狗定時器： 窗口看門狗和獨立看門狗 。 通信接口 帶有同步時鐘輸出的 UART ，智能卡，紅外 IrDA， LIN 接口 。 SPI接口最高到 8Mbit/s 。 I2C 接口最高到 400Kbit/s 。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 10位， 1LSB的 ADC，最多有 10路通道，掃描模式和模擬看門狗功能 。 I/O 端口 - 7 - 48腳封裝芯片上最多有 38個 I/O，包括 16個高吸收電流輸出 。 非常強(qiáng)健的 I/O 設(shè)計，對倒灌電流有非常強(qiáng)的承受能力 。 開發(fā)支持 單線接口模塊 (SWIM)和調(diào)試模塊 (DM)，可以方便地進(jìn)行在線編程和非侵入式調(diào)試 。 圖 2-2 STM8s105k4 模塊框圖 Figure2 STM8s105k4 module diagram - 8 - 2.3 DS18B20 2.3.1 DS18B20簡介 DS18B20 是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司繼 DS182O 之后最新推出的一種數(shù)字化單總線器件屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器 8。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9-12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在 93.75ms和 750ms內(nèi) 完成 9位和 12位的數(shù)字量，并且從 Dsl8B20讀出的信息或?qū)懭?Dsl8B20 的信息僅需要一根口線 (單線接口 )讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的 DS1SBZO 供電，而無需額外電源。因而使用DS1SBZO 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。同時其一線總線獨特而且經(jīng)濟(jì)的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念。 DS18B20一線總線數(shù)字化溫度傳感器支持一線總線接口，測量溫度范圍為 -55oC 計 125OC，在 -10- +85 C 范圍內(nèi)，精度為土 0.SOC。 現(xiàn)場溫度直接以一線總線的數(shù)字方式傳輸，用符號擴(kuò)展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。因此，數(shù)字化單總線器件 DS18B20 適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如 :環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較Dsl82O 都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果?？蓮V泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。 2.3.2 DS18B20的性能特點 (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 DSI8B20的雙向通訊 9。 (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 :+3.0-+5.5V。 (4)測溫范圍 :-55- +l25 。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)支持多點組網(wǎng)功能，多個 DSI8B20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)DS18BZO 的轉(zhuǎn)換速率比較高，進(jìn)行 9位的溫度轉(zhuǎn)換僅需 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。 2.3.3 Ds18B20的管 腳排列 DS18BZO 采用 3腳 PR35封裝或 8腳 SOIC 封裝。其管腳排列如圖 2-3所示 - 9 - 圖 2-3 DS18B20 的管腳排列 Figure3 The tube feet. DS18B20 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。 DS18B2O 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2-4所示。它主要包括 7部分 : 1、寄生電源 ； 2、溫度傳感器 ； 3、 64位激光 (loser)ROM與單線接口 ； 4、高速 暫存器，即便筏式 RAM，用于存放中間數(shù)據(jù) : 5、 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 ； 6、存儲和控制邏輯 7、 8位循環(huán)冗余校驗碼 (CRC)發(fā)生器 。 圖 2-4 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 Figure4 The internal structure of DS18B20 block diagram (1)64位閃速 ROM的結(jié)構(gòu)如下： - 10 - 圖 2-5 64 位閃速 ROM的結(jié)構(gòu) Figure5 64 bit flash ROM structure 高 8位是 CRC 位是產(chǎn)品類型的 編號，的原因。 校驗碼，接著是每個器件的惟一的序號，共有 48位，低 8前 56位的這也是多個 DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信 (2)非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限。 (3)高速暫存存儲器 DS18B2O 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的護(hù) RAM。后者用于存儲 TH， TL值。數(shù)據(jù)先寫入 RAM，經(jīng)校驗后再傳給 EZRAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第 5個字節(jié)，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率， DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換 為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如下： 表 2-1 配置 寄存器內(nèi)部字節(jié) Table1 Configuration register internal bytes TM R1 R0 1 1 1 1 1 低 5位一直都是 1， TM 是測試模式位，用于設(shè)置 DS18B20在工作模式還是在測試模式。在 DS18BZO 出廠時該位被設(shè)置為 O，用戶不要去改動， R1 和 R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，即用來設(shè)置分辨率，如表 2-2所示 (DS18BZO 出廠時被設(shè)置為 12位 )。 表 2-2 R1 和 R0 模式表 Table2 R1 with R0 mode R1 R2 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時間 /mm 0 0 9位 93.75 0 1 10位 187.5 1 0 11位 750.00 1 1 12位 275.00 由表 2-2可見，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長。因此，在實際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時間兩者中權(quán)衡考慮。高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他 8個字節(jié)組成，其分配如下所示。 表 2-3 高速暫存其它字節(jié) Table3 High-speed temporary other bytes 溫度低位 溫度高位 TH TL 配置 保留 保留 8位 CRC 其中第 1、 2字節(jié)是溫度信息，第 3、 4字節(jié)是 TH 和 TL值，第 68字節(jié)未用，表 - 11 - 現(xiàn)為全邏輯 1；第 9字節(jié)讀出的是前面所有 8個字節(jié)的 CRC 碼，可用來保證通信正確。 當(dāng) DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 1， 2 字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后。 以 12位轉(zhuǎn)化為例說明溫度高低字節(jié)存放形式及計算 :12位轉(zhuǎn)化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲在 DS1SBZO 的兩個高低 8位的 RAM中，二進(jìn)制中的前面 5位是符號位。如果測得的溫度大于 0，這 5 位為 0，即符號位 S二 O，這時只要直接將測到的數(shù)值二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，再乘以 0.0625即可得到實際溫度 ；如果 溫度小于 0，這 5 位為 1，即符號位 S 習(xí)，這時先將補(bǔ)碼變換為原碼，也就是測到的數(shù)值需要取反加 1再計算十進(jìn)制值，最后乘以 0.0625才能得到實際溫度。 表 2-10是對應(yīng)的一部分溫度值。 DSI8B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值 T與 TH、 TL作比較，若 TTH或TSetPoint*10 NextPoint； / 偏差，設(shè)定值減去當(dāng)前采樣值 pp-SumError += Error； / 積分，歷史偏差累加 dError = Error pp-LastError； / 當(dāng)前微分，偏差相減 pp-PrevError = pp-LastError； / 保存 pp-LastError = Error； return (pp-Proportion * Error+ pp-Integral * pp-SumError pp-Derivative * dError)； 其中 (pp-Proportion * Error)是比例項； (pp-Integral * pp-SumError)是積分項；(pp-Derivative * dError)是微分。 2.6 1602 顯示模塊 2.6.1 1602原理 液晶顯示原理 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、 PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。 液晶顯示器的分類 液晶顯示的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果 根據(jù)驅(qū)動方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動（ Static）、單純矩陣驅(qū)動（ Simple Matrix）和主動矩陣驅(qū)動（ Active Matrix）三種。 液晶顯示器各種圖形的顯示原理 : 線段的顯示： 點陣圖形式液晶由 M N 個顯示單元組成，假設(shè) LCD顯示屏有 64行，每行有 128列，每 8列對應(yīng) 1字節(jié)的 8位，即每行由 16字節(jié)，共 16 8=128個點組成，屏上 6416 個顯示單元與顯示 RAM 區(qū) 1024 字節(jié)相對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由 RAM區(qū)的 000H 00FH的 16字節(jié)的 內(nèi)容決定，當(dāng)（ 000H） =FFH時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為 8個點；當(dāng)（ 3FFH） =FFH時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（ 000H） =FFH，（ 001H） =00H，（ 002H） =00H，（ 00EH） =00H，（ 00FH） =00H時，則在屏幕的頂部顯示一條由 8段亮線和 8條暗線組 - 22 - 成的虛線。這就是 LCD顯示的基本原理。 字符的顯示 用 LCD顯示一個字符時比較復(fù)雜，因為一個字符由 6 8或 8 8點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應(yīng)的顯示 RAM區(qū)的 8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為 1，其 它的為 0，為 1的點亮，為 0的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在 LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示 RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。 漢字的顯示： 漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機(jī)中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占 32B，分左右兩半，各占 16B，左邊為 1、 3、 5右邊為 2、 4、 6根據(jù)在 LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示 RAM對 應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加 1，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)直到 32B顯示完就可以 LCD上得到一個完整漢字。 2.6.2 1602字符型 LCD簡介 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式 LCD，目前常用 16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公司的 1602 字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。一般 1602字符型液晶顯示器實物如圖 2-16： - 23 - 圖 2-16 1602 字符型液晶顯示器實物圖 Figure16 Physical character LCD 1602 2.6.3 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能 1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為 HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖 2-17所示： 圖 2-17 1602LCD 尺寸圖 Figure171602LCD dimension drawing 1602LCD主要技術(shù)參數(shù) 顯示容量 :16 2個 字符 芯片工作電壓 :4.5 5.5V 工作電流 :2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓 :5.0V 字符尺寸 :2.95 4.35(W H)mm 引腳功能說明 1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表2-5所示 : 表 2-5：引腳接口說明表 - 24 - Table5 Pin interface specifications 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 第 1腳： VSS為地電源。 第 2腳： VDD接 5V正電源。 第 3腳： VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生鬼影，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度。 第 4腳： RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第 5腳： R/W為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng) RS 和 R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS 為低電平 R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng) RS 為高電平 R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6腳： E端為使能端，當(dāng) E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 7 14腳： D0 D7 為 8位雙向數(shù)據(jù)線。 第 15腳：背光源正極。 第 16腳：背光源負(fù)極。 2.6.4 1602LCD的指令說明及時序 1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有 11 條控制指令，如表 2-6所示： 表 2-6：控制命令表 Table6 Control commands 序號 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光標(biāo)返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 顯示開 /關(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光標(biāo)或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符發(fā)生存貯器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存貯器地址 8 置數(shù)據(jù)存貯器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存貯器地址 9 讀忙標(biāo)志或地址 0 1 BF 計數(shù)器地址 10 寫數(shù)到 CGRAM 或 DDRAM） 1 0 要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容 11 從 CGRAM 或 DDRAM 讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容 - 25 - 1602 液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明： 1為高電平、 0為低電平） 指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標(biāo)復(fù)位到地址 00H位置。 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H。 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移 動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。 指令 4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)。 指令 6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時為 4位總線，低電平時為 8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示 5x7的點陣字 符，高電平時顯示 5x10的點陣字符。 指令 7：字符發(fā)生器 RAM地址設(shè)置。 指令 8： DDRAM地址設(shè)置。 指令 9：讀忙信號和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令 10：寫數(shù)據(jù)。 指令 11：讀數(shù)據(jù)。 與 HD44780相兼容的芯片時序表如下： 表 2-7：基本操作時序表 Table7 Basic operation sequence table 讀狀態(tài) 輸入 RS=L， R/W=H， E=H 輸出 D0 D7=狀態(tài)字 寫指令 輸入 RS=L， R/W=L， D0 D7=指令碼， E=高脈沖 輸出 無 讀數(shù)據(jù) 輸入 RS=H， R/W=H， E=H 輸出 D0 D7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù) 輸入 RS=H， R/W=L， D0 D7=數(shù)據(jù)， E=高脈沖 輸出 無 讀寫操作時序如圖 2-16和 2-17所示： 圖 2-16 讀操作時序 Figure16 Read operation sequence - 26 - 圖 2-17 寫操作時序 Figure17 Write operation sequence 1602LCD的 RAM地址映射及標(biāo)準(zhǔn)字庫表 液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在 哪里顯示字符，圖 2-18是 1602的內(nèi)部顯示地址。 圖 2-18 1602LCD 內(nèi)部顯示地址 Figure181602LCD internal display address 例如第二行第一個字符的地址是 40H，那么是否直接寫入 40H就可以將光標(biāo)定位在第二行第一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最 高位 D7 恒定為高電平1所以實際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是 01000000B（ 40H） +10000000B(80H)=11000000B(C0H)。 在對液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標(biāo)是自動右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（ CGROM）已經(jīng)存儲了 160個不同的點陣字符圖形，如圖 10-58所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母 A 的代碼是01000001B（ 41H），顯示時模塊把地址 41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母 A 2.6.5 1602LCD的一般初始化（復(fù)位）過程 延時 15mS - 27 - 寫指令 38H（不檢測忙信號） 延時 5mS 寫指令 38H（不檢測忙信號） 延時 5mS 寫指令 38H（不檢測忙信號） 以后每次寫指令、讀 /寫數(shù)據(jù)操作均需要檢測忙信號 寫指令 38H：顯示模式設(shè)置 寫指令 08H：顯示關(guān)