智能水族箱控制系统

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哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文)
摘要
智能水族箱控制系统, 所有的电路都是在单片机的控制下工作的,目前通常采用的是Motorola公司的MC6805系列的单片机,而本设计中采用了Intel公司的89C51作为控制核心,以单片机89C51为核心结合接口芯片及外围电路以实现水族箱的智能控制。

环境参数检测部分包含采集水体温度、水中含氧量和光照强度,它们由温度传感器Ds18b20和光敏电阻等,对养鱼的水温和光照强度进行测量,然后信号供CPU进行运算判断是否需要加热处理或辅助照明并显示在液晶上。

输出控制执行机由氧气补充模块、温度控制模块、辅助光照模块组成。

智能水族箱系统主要由单片机最小系统单元、液晶显示单元、加热电路、制冷电路、光照单元、氧气单元等部分组成。

关键词单片机;氧气控制;水族箱
I
哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文)
Abstract
Intelligence aquarium control system, all of the circuit are under the control of the processor, usually use the current work is MC6805 series of Motorola company, and the design of microcontroller is adopted in the Intel company of 89C51 microcontroller as control core, with 89C51 as the core combine interface chip and periphery circuit to realize intelligent control of aquatic animals box. Environmental parameters testing section contains collecting water temperature, water oxygenation and illumination intensity, they by temperature sensor ds18b20 and photoconductive resistance, etc, to fish the water temperature and light intensity measurements and then signal which CPU calculations to decide whether it is necessary to heat treatment or assist illume and displayed on the LCD. Output control execution machine by oxygen supplement module, temperature control module, auxiliary light module.
Intelligence aquarium system mainly consists of single chip minimize system unit, liquid crystal display unit, heating, cooling circuit circuit, illumination unit, oxygen unit components.
Keywords AT89C51, Oxygen control; LCD display
II
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目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1 系统的开发背景 (1)
1.2 系统的开发意义 (2)
1.3 课题的研究内容 (2)
第2章方案设计与论证 (4)
2.1 控制芯片的选择 (4)
2.2 温度传感器的选择 (5)
2.3 显示模快的选择 (5)
2.4 本章小结 (6)
第3章硬件设计 (8)
3.1 系统硬件结构框图 (8)
3.2 主控模块分析 (9)
3.2.1 AT89C51概述 (9)
3.2.2 主要特性 (9)
3.2.3 引脚说明 (9)
3.3 温度信号采集单元 (12)
3.3.1 DS18B20概述 (12)
3.3.2 DS18B20内部结构 (12)
3.3.3 DS18B20工作时序 (16)
3.3.4 DS18B20与AT89C51的接口设计 (17)
3.4 LCD1602液晶显示单元 (18)
3.4.1 LCD1602简介 (18)
3.4.2 LCD1602的基本参数及引脚功能 (19)
3.4.3 LCD1602的指令说明及时序 (22)
3.4.4 1602LCD的RAM地址映射及标准字库表 (24)
3.4.5 1602LCD的一般初始化(复位)过程 (25)
3.5 加热电路 (25)
3.6 制冷电路 (26)
3.7 DS18b20接口电路 (27)
III
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3.8 1602接口电路 (27)
3.9 光敏电阻电路 (28)
3.10 本章小结 (29)
第4章软件设计及调试 (30)
4.1 软件程序设计 (30)
4.1.1 系统整体设计流程图 (30)
4.1.2 温度采集模块设计 (31)
4.1.3 显示模块程序设计 (32)
4.1.4 按键模块程序设计 (32)
4.2 系统硬件调试 (33)
4.3 软件程序调试 (34)
4.3.1 软件环境 (34)
4.3.2 软件调试 (35)
4.3.3 系统联调 (36)
4.4 本章小结 (36)
结论 (37)
致谢........................................................................................ 错误!未定义书签。

参考文献. (38)
附录1 (39)
附录2 (40)
附录3 (41)
附录4 (42)
IV
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第1章绪论
1.1系统的开发背景
随着社会的进步,生活水平提高,人居环境的大大改善,在家里养上一缸赏心悦目的观赏鱼以消除身心疲惫,提高生活品位,增添生活情趣。

养鱼是一种相当健康的嗜好,在家中饲养一缸鱼,不仅可为家居添上生气,茶余饭后观赏一下它们悠闲的泳姿,更可以收松弛神经之效。

观赏鱼的养护过程中,投放饲料、补充氧气、温度控制、光线照明等一系列每天必做的烦琐而又需要养鱼专业技能的工作让繁忙的人们无暇顾及。

由其是当人们出去游玩或是不在家里时,常常放心不下家里的鱼。

就拿养热带鱼来说,最基本的条件就是温度、氧气、光线、水质、换水等条件。

热带鱼的生存备件如下:
1.温度鱼为变温动物,它是顺应周围环境温度而变化自身的体温,每种热带鱼都有其适宜的温度范围,一旦水温发生剧变,或水温不适,鱼体机能便失去平衡,导致鱼患病,家庭饲养热带观赏鱼一般水温以22~26℃为宜,繁殖水温以26~30℃为宜,还要根据不同类鱼灵活应用。

2.氧气任何生物生存都需要氧气,没有氧气就没有生命,热带鱼生存同样离不开氧气。

鱼生存所需要的氧气,是通过鱼鳃部的微血管吸收水中的溶解氧气来得到的,再通过血液循环系统带到与提个部分,排出的二氧化碳也是通过其鳃部的微血管进行的。

水中溶解氧的多少直接影响鱼生长的好坏,因此要保证水中有足够的溶解氧。

水中的溶解氧除靠兑水和换水获取外,也可以利用水中水草进行光合作用产生氧气。

市场有专用的加氧器具——气泵,利用气泵加氧即方便又简单,可根据鱼缸大小选择合适的气泵。

3.光线光线对于热带鱼生存十分重要,没有光线热带鱼就无法生存。

除了阳光照射以外,也可以利用人工光源照射,可以用60瓦白炽灯或40瓦的日光灯每天照射6小时左右即可。

热带鱼生长繁殖也需要光照,有光照的鱼生长更快,鱼体会更加绚丽,繁殖周期会缩短。

光照还有一个作用,是便于观赏。

如果在黑暗的屋子里或光线太暗的屋子,人们是无法看清鱼缸里的景物,看不清也就谈不上观赏了。

4.水质所谓水质,主要是指水的硬度和酸碱度。

用来养鱼必须进行
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处理,常用最简单的办法就是晾晒法,即将水在烈日下晒2~3天,或者是在阴凉缺光处晾一周才可以使用。

5.换水鱼在生存中要不断进行新陈代谢,要不断排泄粪便,喂鱼的饵料也在不断的氧化和腐烂,这些都会影响水质,所以要经常及时地给鱼缸换水,以保持水质清新。

可见这养鱼是多么麻烦,如果有了水族箱智能控制系统,就不用担心鱼的问题,水族箱控制系统能由使用者根据不同鱼类的生活习性设置相应的程序,使鱼儿的生活环境最佳化,自动完成养鱼的全过徎。

免去养护的烦琐,只享受鱼儿的乐趣。

1.2系统的开发意义
目前中国人们的生活水平大幅度提升,养鱼已经成为了潮流,人们对于水族箱的要求也越来越高,目前的水族箱主要是水族生物应可长期存活,并尽量仿照该物种在野外的天然栖息环境。

在许多方面还不能达到人们的需求。

这就要求设计者们有更高的专业和技术水平,能够提出更多好的建议和新的课题,将人们的需要变成现实,设计出更节能、功能更全面、更人性化的全自动水族箱。

目前的智能水族箱在应用方面比较广泛,基本实现智能化,个性化的功能,水族箱的各项功能是由单片机控制实现的,单片机的体积小,控制功能灵活,因此,设计出基于单片机的智能水族箱控制电路系统具有很强的实用性。

1.3课题的研究内容
该控制系统能够监控水族箱中水的温度,并能显示当前所检测的值。

温度和氧气含量的检测及控制通过单片机来实现。

用温度传感器采集当前温度,液晶显示当前温度值,通过键盘可设置温度上限及温度下限,并保存到存储器中。

温度低于下限时,系统通过继电器控制加热棒给水族箱加温。

温度高于上限时,系统通过继电器控制散热片给水族箱降温。

单片机将传送过来的数据和设定的水氧含量上下限进行比较,如果含量值在设定的范围内则不采取任何加氧措施;如果含量值低于下限,单片机将发出信号使加氧泵工作,达到对水族箱加氧的功能(由于氧气传感器非常昂贵,所以用按键模拟)。

此时,水氧传感器仍在工作,不停的将水中的氧气浓度值传送给单片
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机,而单片机也不停的进行数据比较,直到水中的氧气含量达到人们设置的上限时,单片机就再发出一个信号使加氧泵停止工作。

周而复始就达到了对水族箱中的氧气含量的自动控制。

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第2章方案设计与论证
本系统实现了对水族箱的智能控制,包括用户参数输入、加热、降温、光照等阶段。

控制系统主要由电源电路、控制电路模块构成。

电源采用三端集成固定稳压器7805提供+5V电源,控制电路负责控制水族箱的工作过程,主要由AT89S51单片机、12864液晶、按键、LED指示灯组成。

2.1控制芯片的选择
本题目是设计数字时钟的界面以及实现,它主要采用嵌入式处理器ARM7的一款LPC2200系列芯片,由温度传感器、LCD液晶模块、FM7843触摸屏模块。

它们将采集来的信号传输给嵌入式处理器,再由嵌入式处理器有GPIO接口送到LCD液晶显示器的输入端口,嵌入式处理器控制器确定时间、温度等信息。

方案一:此方案采用89C51单片机实现,单片机软件编程自由度大,可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。

该芯片具有4KB的可编程/擦除只读存储器EEPROM、256 KB片内RAM、2个16位定时计数器、5个中断源,无需进行系统扩展既可满足任务要求,能较大幅度提高系统的性价比。

同时89C51结构简单,对外围电路要求不高,比较简单,软件实现也较容易。

另外,51单片机需要用仿真器来实现软硬件调试,可以实现在线联调。

方案二:此方案采用嵌入式单片机ARM7处理器实现,ARM7TDMI处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一。

它具有优异的性能,但功耗却很低,使用门的数量也很少。

它属于精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer) ,比复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer )要简单得多。

这样的简化实现了:高的指令吞吐量;出色的实时中断响应;小的、高性价比的处理器宏单元
方案比较:
第二种方案设计外围电路相对来说比较复杂,但是实现功能比较完善而且更容易。

第一种方案的设计比较容易些,但是由于89C51单片机的若干缺点,不能提高一定的精度等,我决定采用第二种方案。

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2.2温度传感器的选择
方案一:采用热电阻温度传感器。

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定,耐氧化能力强,易提纯,复制性好,工业性好,电阻率较高,因此,铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵,温度系数小,受到磁场影响大,在还原介质中易被玷污变脆。

按IEC标准测温范围-200~650℃,百度电阻比W(100)=1.3850时,R0为100Ω和10Ω,其允许的测量误差A级为±(0.15℃+0.002 |t|),B级为±(0.3℃+0.005 |t|)。

铜电阻的温度系数比铂电阻大,价格低,也易于提纯和加工;但其电阻率小,在腐蚀性介质中使用稳定性差。

在工业中用于-50~180℃测温。

方案二:采用PT100作为测温电路的温度传感器。

PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化,并呈一定函数关系的特性来进行测温的具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

但使用起来比较复杂PT100输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂。

方案三:采用DS18B20作为测温电路的温度传感器。

DS18B20的数字温度输出通过“一线总线”(1-Wire是一种独特的数字信号总线协议,它将独特的电源线和信号线复合在一起,仅使用一条口线;每个芯片唯一编码,支持联网寻址、零功耗等待等,是所需硬件连线最少的一种总线)这种独特的方式,可以使多个DS18B20方便地组建成传感器网络,为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

综合以上三种方案,本系统选择了第三种方案的线性输出比较好的DS18B20来作为温度检测。

2.3显示模快的选择
方案一:
采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组
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成,对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。

方案二:
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点:
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度,恒定发光,而不像阴极射线管显示器(CRT)那样需要不断刷新新亮点。

因此,液晶显示器画质高且不会闪烁。

液晶显示器都是数字式的,和单片机系统的接口更加简单可靠,操作更加方便。

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的,在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

相对而言,液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上,因而耗电量比其它显示器要少得多。

方案三:
液晶显示器是以液晶材料为基本组件,在两块平行板之间填充液晶材料,通过电压来改变液晶材料内部分子的排在列状况,以达到遮光和透光的目的来显示深浅不一,错落有致的图象,而且只要在两块平板间再加上三元色的滤光层,就可实现显示彩色图象。

液晶显示器功耗很低,因此倍受工程师青睐,适用于使用电池的电子设备。

TFT是“Thin Film Transistor”的缩写,又称为“真彩”,它属于有源矩阵液晶屏,它是由薄膜晶体管组成的屏幕,它的每个液晶像素点都是由薄膜晶体管来驱动,每个像素点后面都有四个相互独立的薄膜晶体管驱动像素点发出彩色光,可显示24bit色深的真彩色。

在分辨率上,TFT液晶屏最大可以达到UXGA (1600×1200)。

TFT的排列方式具有记忆性,所以电流消失后不会马上恢复原状,从而改善了STN液晶屏闪烁和模糊的缺点,有效地提高了液晶屏显示动态画面的效果,在显示静态画面方面的能力也更加突出,TFT液晶屏的优点是响应时间比效短,并且色彩艳丽,所以它被广泛使用于笔记本电脑和DV、DC上。

综合比较,TFT液晶更加适合本次设计,所以选用TFT液晶。

2.4本章小结
根据现有情况,拿出两种或三种以上的方案进行比较论证,选择一种适合
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本设计要求的器件或芯片,来更好更顺利完成本毕业设计。

方案的论证主要通过适用范围,稳定性,经济实惠,复杂程度等几个方面比较。

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第3章硬件设计
本系统设计的比较简单,硬件电路应包括五个部分:微处理器控制电路、显示电路、采样电路、加热控制电路、降温控制电路和。

通过这几个部分电路的协调工作,智能水族箱能模拟人脑进行操作。

3.1系统硬件结构框图
智能水族箱控制系统的硬件选用AT89S51作为主控中心。

为实现对系统的处理,将光敏电阻、温度传感器采集得到的值进行运算,系统根据运算结果进行相应的控制操作。

并选用1602实现显示当前状态的功能,硬件框图见图3-1所示:
图3-1智能水族箱系统硬件框图
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3.2主控模块分析
3.2.1AT89C51概述
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS 8位微处理器,俗称单片机。

AT89C2051是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.2.2主要特性
1.与MCS-51 兼容;
2.4K字节可编程闪烁存储器;
3.寿命:1000写/擦循环;
4.数据保留时间:10年;
5.全静态工作:0Hz-24MHz;
6.三级程序存储器锁定
7.128×8位内部RAM;
8.32可编程I/O线;
9.两个16位定时器/计数器;
10.5个中断源;
11.可编程串行通道
12.低功耗的闲置和掉电模式;
13.片内振荡器和时钟电路。

3.2.3引脚说明
AT89C51是一个40引脚的芯片,芯片引脚如图3-2所示。

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图3-2A T89C51引脚图
VCC:供电电压。

GND:接地。

P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。

P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。

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P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。

并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。

作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下所示:
管脚备选功能
P3.0 RXD(串行输入口);
P3.1 TXD(串行输出口);
P3.2 /INT0(外部中断0);
P3.3 /INT1(外部中断1);
P3.4 T0(记时器0外部输入);
P3.5 T1(记时器1外部输入);
P3.6 /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口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST:复位输入。

当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。

在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。

另外,该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。

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/PSEN:外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。

XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2:来自反向振荡器的输出。

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.3温度信号采集单元
3.3.1DS18B20概述
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,与传统的热敏电阻相比,他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。

可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量;温度测量范围为-55℃~+125℃,分辨率可达0.0625℃;其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生;因而使用DS18B20可使系统结构更简单,可靠性更高。

3.3.2DS18B20内部结构
DS18B20内部结构如图3-3所示,主要由4部分组成:64位ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的管脚排列,DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端。

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图3-3DS18B20内部结构框图
1.64位ROM的结构,如表3-1所示。

表3-1ROM结构图
开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的唯一的序号,共有48位最后8位是前56位的CRC校验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。

非易失性温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限。

2.高速暂存存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM。

后者用于存储TH,TL值。

数据先写入RAM经校验后再传给E2RAM。

而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节,他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率,DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。

该字节各位的定义,如表3-2所示。

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表3-2 字节定义
低5位一直都是1,TM 是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。

在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动,R1和R0决定温度转换的精度位数,即是来设置分辨率,如表3-3所示(DS18B20出厂时被设置为12位)。

表3-3 R1和R0模式表
由表3-3可见设定的分辨率越高,所需要的温度数据转换时间越长。

因此,在实际应用中,分辨率和转换时间权衡考虑。

高速暂存存储器除了配置寄存器外,还有其他8个字节组成,其分配如表3-4所示。

其中温度信息(第1,2字节)、TH 和TL 值第3,4字节、第6~8字节未用,表现为全逻辑
1;第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC 码,可用来保证通信正确。

表3-4 高速暂存存储器
当DS18B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。

转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2字节。

单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式以0.0625℃/LSB 形式表示。

温度值格式如图3-4所示
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图3-4温度值格式
对应的温度计算:当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变换为原码,再计算十进制值。

表3-5是对应的一部分温度值。

表3-5部分温度值
DS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与TH,TL作比较,若T>TH或T<TL,则将该器件内的告警标志置位,并对主机发出的告警搜索命令做出响应。

因此,可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC)。

主机根据ROM的前56位来计算CRC值,并且和存入DS18B20中的CRC值做比较,以判断主机收到的ROM数据是否正确。

如图3-5图所示。

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