第6章 单片机应用系统设计

1、贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系第六章单片机应用系统设计第六章单片机应用系统设计 6.1.1 单片机应用系统设计单片机应用系统设计单片机由于体积小，使用灵活，成本低，易于产品化，单片机由于体积小，使用灵活，成本低，易于产品化，抗干扰能力强，可在各种恶劣的环境下可靠工作等优点，常抗干扰能力强，可在各种恶劣的环境下可靠工作等优点，常用于：用于：工业测控、智能仪器仪表、智能产品、计算机外设工业测控、智能仪器仪表、智能产品、计算机外设等等方面。方面。 其典型应用系统应包括其典型应用系统应包括单片机系统单片机系统、前向、前向传感器输入传感器输入通通道，后向道，后向伺服控制输出伺服控制输出通道以及基本

2、的通道以及基本的人机对话人机对话通道。对多通道。对多机系统还包括机系统还包括单片机与单片机、单片机与单片机与单片机、单片机与PC机机之间进行通信之间进行通信的互相通道。的互相通道。6.1 概述概述p189贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系图图6.1 典型单片机应用系统结构典型单片机应用系统结构 一、单片机应用系统的典型结构一、单片机应用系统的典型结构贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系二、前向通道的组成及其特点二、前向通道的组成及其特点前向通道是单片机与测控对象相连的部分，是应用系统的前向通道是单片机与测控对象相连的部分，是应用系统的数据采集的输入通道。数据采集的输入通道。来自被控对象的现场

3、信息有多种多样。按物理量的特征可来自被控对象的现场信息有多种多样。按物理量的特征可分为分为模拟量和数字量模拟量和数字量（开关量）两种。（开关量）两种。对于数字量对于数字量(频率、周期、相位、脉冲频率、周期、相位、脉冲)的采集，输入比较简的采集，输入比较简单。它们可直接作为计数输入、测试输入、单。它们可直接作为计数输入、测试输入、I/O口输入或中断源输口输入或中断源输入进行事件计数、定时计数，实现脉冲的频率、周期、相位及记入进行事件计数、定时计数，实现脉冲的频率、周期、相位及记数测量。对于开关量的采集，可通过数测量。对于开关量的采集，可通过I/O口线或扩展口线或扩展I/O 口线直接口线直接输入。

4、对于被控对象，一般是交变电流、交变电压、大电流、高输入。对于被控对象，一般是交变电流、交变电压、大电流、高电压系统，而单片机属于数字弱电系统，因此在数字量和开关量电压系统，而单片机属于数字弱电系统，因此在数字量和开关量采集通道中，要用隔离器件进行采集通道中，要用隔离器件进行隔离隔离(如光电耦元器件等如光电耦元器件等)。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系模拟信号采集的前向通道组成模拟信号采集的前向通道组成贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系变换器变换器：变换器是各种传感器的总称，它采集现场的各种信：变换器是各种传感器的总称，它采集现场的各种信号，并变换成电信号号，并变换成电信号(电压信号或电流

5、信号电压信号或电流信号)，以满足单片机的，以满足单片机的输入要求。现场信号有各种各样，有电信号，如电压、电流、输入要求。现场信号有各种各样，有电信号，如电压、电流、电磁量等；也有非电量信号，如温度、湿度、压力、流量、电磁量等；也有非电量信号，如温度、湿度、压力、流量、位移量等，对于不同物理量应选择相应的传感器。位移量等，对于不同物理量应选择相应的传感器。隔离放大与滤波隔离放大与滤波：传感器的输出信号一般是比较微弱的，不：传感器的输出信号一般是比较微弱的，不能满足单片机系统的输入要求，要经过放大处理后才能作为能满足单片机系统的输入要求，要经过放大处理后才能作为单片机系统的采集输入信号。还有，现场

6、信息来自各种工业单片机系统的采集输入信号。还有，现场信息来自各种工业现场，夹带大量的噪音干扰信号。为提高单片机应用系统的现场，夹带大量的噪音干扰信号。为提高单片机应用系统的可靠性必须隔离或削减干扰信号，这是整个系统抗干扰设计可靠性必须隔离或削减干扰信号，这是整个系统抗干扰设计的重点部位。的重点部位。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系采样保持器采样保持器：前向通道中的采样保持器有两个作用。一是：前向通道中的采样保持器有两个作用。一是实现多路模拟信号的同时采集；二是消除实现多路模拟信号的同时采集；二是消除A/D转换器的转换器的孔孔径误差径误差。 一般的单片机应用系统都是用一个一般的单片机应用系统

7、都是用一个A/D转换器分时对多路转换器分时对多路模拟信号进行转换并输入给单片机，而控制系统又要求单模拟信号进行转换并输入给单片机，而控制系统又要求单片机对同一时刻的现场采样值进行处理，否则将产生很大片机对同一时刻的现场采样值进行处理，否则将产生很大误差。用一个误差。用一个A/D转换器同时对多路模拟信号进行采样是转换器同时对多路模拟信号进行采样是由采样保持器来实现的。采样保持器在单片机的控制下，由采样保持器来实现的。采样保持器在单片机的控制下，在某一个时刻可同时采样它所接一路的模拟信号的值，并在某一个时刻可同时采样它所接一路的模拟信号的值，并能保持该瞬时值，直到下一次重新采样。能保持该瞬时值，直

8、到下一次重新采样。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系A/D转换器把一个模拟量转换成数字量总要经历一个时间过转换器把一个模拟量转换成数字量总要经历一个时间过程。程。A/D转换器从接通模拟信号开始转换，到转换结束输出转换器从接通模拟信号开始转换，到转换结束输出稳定的数字量，这一段时间称为稳定的数字量，这一段时间称为孔径时间孔径时间。对于一个动态模。对于一个动态模拟信号，在拟信号，在A/D转换器接通的孔径时间里，输入模拟信号值转换器接通的孔径时间里，输入模拟信号值是不确定的，从而会引起输出的不确定性误差。在是不确定的，从而会引起输出的不确定性误差。在A/D转换转换器前加设采集保持器，在孔径时间里，

9、使模拟信号保持某一器前加设采集保持器，在孔径时间里，使模拟信号保持某一个瞬时值不变，从而可消除个瞬时值不变，从而可消除孔径误差孔径误差。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系多路开关多路开关：用多路开关实现一个：用多路开关实现一个A/D转换器分时对多路模拟转换器分时对多路模拟信号进行转换。多路开关是受单片机控制的多路模拟电子信号进行转换。多路开关是受单片机控制的多路模拟电子开关，某一时刻需要对某路模拟信号进行转换，由单片机开关，某一时刻需要对某路模拟信号进行转换，由单片机向多路开关发出路地址信息，使多路开关把该路模拟信号向多路开关发出路地址信息，使多路开关把该路模拟信号与与A/D转换器接通，其它

10、路模拟信号与转换器接通，其它路模拟信号与A/D转换器不接通，转换器不接通，实现有选择的转换。实现有选择的转换。A/D转换器转换器：将模拟信号转换成数字信号，是前向通道中模：将模拟信号转换成数字信号，是前向通道中模拟系统与数字系统连接的核心部件。拟系统与数字系统连接的核心部件。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系 综上所述，前向通道具有以下综上所述，前向通道具有以下特点特点： (1) 与现场采集对象相连，是现场干扰进入的主要通道，是与现场采集对象相连，是现场干扰进入的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重点部位。整个系统抗干扰设计的重点部位。 (2) 由于所采集的对象不同，有模拟量和数字量由于所采集

11、的对象不同，有模拟量和数字量(开关量开关量)，而这些都是由安放在测量现场的传感、变换装置产生的，许多而这些都是由安放在测量现场的传感、变换装置产生的，许多参量信号不能满足单片机输入的要求，故有大量的、形式多样参量信号不能满足单片机输入的要求，故有大量的、形式多样的信号变换调节电路，如测量放大器、的信号变换调节电路，如测量放大器、I/F变换、变换、A/D转换、放转换、放大、整形电路等。大、整形电路等。 (3) 前向通道是一个模拟、数字混合电路系统，其电路功耗前向通道是一个模拟、数字混合电路系统，其电路功耗小，一般没有功率驱动要求。小，一般没有功率驱动要求。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系三、

12、后向通道的组成与特点三、后向通道的组成与特点 (1) 后向通道是应用系统的输出通道，大多数需要后向通道是应用系统的输出通道，大多数需要功率驱动功率驱动。 (2) 靠近伺服驱动现场，伺服控制系统的大功率负荷易从后靠近伺服驱动现场，伺服控制系统的大功率负荷易从后向通道进入单片机系统，故后向通道的隔离对系统的可靠性影向通道进入单片机系统，故后向通道的隔离对系统的可靠性影响很大。响很大。 (3) 根据输出控制的不同要求，后向通道电路有多种多样，根据输出控制的不同要求，后向通道电路有多种多样，如模拟电路、数字电路、开关电路等，输出信号形式有电流输如模拟电路、数字电路、开关电路等，输出信号形式有电流输出、

13、电压输出、开关量输出及数字量输出等。出、电压输出、开关量输出及数字量输出等。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系四、人机通道的结构及其特点四、人机通道的结构及其特点 (1) 由于通常的单片机应用系统大多数是小规模系统，因由于通常的单片机应用系统大多数是小规模系统，因此，应用系统中的人机对话通道以及此，应用系统中的人机对话通道以及人机对话设备人机对话设备的配置都是的配置都是小规模的，如小规模的，如微型打印机、功能键、微型打印机、功能键、LED/LCD显示器显示器等。若等。若需高水平的人机对话配置，如通用打印机、需高水平的人机对话配置，如通用打印机、CRT、硬盘、标准、硬盘、标准键盘等，则往往将单

14、片机应用系统通过外总线与键盘等，则往往将单片机应用系统通过外总线与PC机相连，机相连，享用享用PC计算机的外围人机对话设备。计算机的外围人机对话设备。 (2) 单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多采用内单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多采用内总线形式，与计算机系统扩展密切相关。总线形式，与计算机系统扩展密切相关。 (3) 人机通道接口一般都是数字电路，电路结构简单，可人机通道接口一般都是数字电路，电路结构简单，可靠性好。靠性好。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系五、相互通道及其特点五、相互通道及其特点 (1) 在单片机中大多设有在单片机中大多设有串行口串行口，为构成应用系统的相互通

15、，为构成应用系统的相互通道提供了方便条件。道提供了方便条件。 (2) 单片机本身的串行口只为相互通道提供了硬件结构及基单片机本身的串行口只为相互通道提供了硬件结构及基本的通信方式，并没有提供标准的通信规程。故利用单片机串本的通信方式，并没有提供标准的通信规程。故利用单片机串行口构成相互通道时，要通过相应的行口构成相互通道时，要通过相应的通信软件通信软件。 (3) 在很多情况下，采用在很多情况下，采用扩展标准通信控制芯片扩展标准通信控制芯片来组成相互来组成相互通道。例如，用扩展通道。例如，用扩展8250、8251等通用通信控制芯片来构成相等通用通信控制芯片来构成相互通信接口。互通信接口。 (4)

16、 相互通信接口都是数字电路系统，抗干扰能力强。但相互通信接口都是数字电路系统，抗干扰能力强。但大多数都需远距离传输，故需要大多数都需远距离传输，故需要解决长线传输的驱动、匹配、解决长线传输的驱动、匹配、隔离等问题隔离等问题。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系6.1.2 单片机控制系统与调试的一般原则单片机控制系统与调试的一般原则一、单片机应用系统结构一、单片机应用系统结构在单片机控制系统中，由于控制对象的不同，其硬件和在单片机控制系统中，由于控制对象的不同，其硬件和软件有很大的差异，但软件有很大的差异，但系统设计的基本内容和主要步骤是基系统设计的基本内容和主要步骤是基本相同本相同的。的。设计

17、单片机控制系统时，一般需要做以下几个方面的考虑：设计单片机控制系统时，一般需要做以下几个方面的考虑：、确定系统设计的任务：功能、指标等。、确定系统设计的任务：功能、指标等。、系统方案设计：、系统方案设计：一般包括：一般包括：单片机的选择；单片机的选择；软、硬件的分工。软、硬件的分工。、系统的硬件和软件设计：、系统的硬件和软件设计：系统硬件设计：系统硬件设计：贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系传感器传感器放大器放大器传感器传感器放大器放大器。多多路路转转换换器器A/DMSC-51单片机单片机打印机打印机显示器显示器键键盘盘D/A执行机构执行机构6.3单片机应用系统硬件结构单片机应用系统硬件结构

18、贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系软件系统设计软件系统设计系统软件是系统软件是根据系统功能要求来设计根据系统功能要求来设计的，应可靠地实现的，应可靠地实现系统的各种功能。一个系统的工作程序实际上就是该系统系统的各种功能。一个系统的工作程序实际上就是该系统的监控程序。其设计步骤如下：的监控程序。其设计步骤如下：A、选择程序语言：常用汇编语言、选择程序语言：常用汇编语言、C语言等；语言等；B、画出程序流程图：要求框图结构清晰、简洁、合、画出程序流程图：要求框图结构清晰、简洁、合 理；使编制的各功能程序实现模块化、子程序化理；使编制的各功能程序实现模块化、子程序化 以及各模块之间的参数传递关系。以

19、及各模块之间的参数传递关系。C、汇编连接调试。、汇编连接调试。二、系统调试二、系统调试软、硬件设计好后，就可以进行系统调试。软、硬件设计好后，就可以进行系统调试。、硬件调试、硬件调试：分为静态调试和动态调试。：分为静态调试和动态调试。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系静态调试静态调试：主要用来检查电路制作的正确性，包括：主要用来检查电路制作的正确性，包括PCB板；板；动态调试动态调试：需在开发系统上进行，用各诊断程序进行检查；一：需在开发系统上进行，用各诊断程序进行检查；一般方法是般方法是由近及远、由分到合由近及远、由分到合。(逻辑状态、时序变化等的测逻辑状态、时序变化等的测试。试。)、软件

20、调试、软件调试：一般方法是：一般方法是先独立后联机，先分块后组合、先单步后连续。先独立后联机，先分块后组合、先单步后连续。 先进行各模块软件调试，再进行联调。先进行各模块软件调试，再进行联调。3. 系统联调系统联调 系统联调主要解决以下问题：系统联调主要解决以下问题： (1) 软、硬件能否按预定要求配合工作？如果不能，那么问软、硬件能否按预定要求配合工作？如果不能，那么问题出在哪里？如何解决？题出在哪里？如何解决？贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系(2) 系统运行中是否有潜在的设计时难以预料的错误？如：系统运行中是否有潜在的设计时难以预料的错误？如：硬件延时过长造成工作时序不符合要求，布线不

21、合理造成有硬件延时过长造成工作时序不符合要求，布线不合理造成有信号串扰等。信号串扰等。 (3) 系统的动态性能指标系统的动态性能指标(包括精度、速度参数包括精度、速度参数)是否满足设是否满足设计要求？计要求？待一切都正常后，即可将程序固化到待一切都正常后，即可将程序固化到EPROM中，进行现中，进行现场调试，考验单片机控制系统是否工作正常、可靠，性能是场调试，考验单片机控制系统是否工作正常、可靠，性能是否达到要求。如某些指标达不到要求，应进行软、硬件的修否达到要求。如某些指标达不到要求，应进行软、硬件的修改，直到满足要求。改，直到满足要求。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系4、现场调试、现场

22、调试 一般情况下，通过系统联调后，用户系统就可以按照设计一般情况下，通过系统联调后，用户系统就可以按照设计目标正常工作了。但由于用户系统运行的环境较为复杂目标正常工作了。但由于用户系统运行的环境较为复杂(如环如环境干扰较为严重、工作现场有腐蚀性气体等境干扰较为严重、工作现场有腐蚀性气体等)，在实际现场工，在实际现场工作之前，环境对系统的影响无法预料，只能通过现场运行调作之前，环境对系统的影响无法预料，只能通过现场运行调试来发现问题，找出相应的解决方法；另外，有些用户系统试来发现问题，找出相应的解决方法；另外，有些用户系统的调试是在用模拟设备代替实际监测、控制对象的情况下进的调试是在用模拟设备代

23、替实际监测、控制对象的情况下进行的，这就更有必要进行现场调试，以检验用户系统在实际行的，这就更有必要进行现场调试，以检验用户系统在实际工作环境中工作的正确性。（包括仪器的例行实验）工作环境中工作的正确性。（包括仪器的例行实验）贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系图图6.4单片机应用系统设计过程单片机应用系统设计过程贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系6.2 传感器接口电路传感器接口电路p1926.2.1 概述概述在单片机控制系统中，常常需要通过传感器将在单片机控制系统中，常常需要通过传感器将非电量转换成非电量转换成电量电量。（电压、电流和脉冲等），再传给单片机分析处理。（电压、电流和脉冲等），

24、再传给单片机分析处理。传感器的种类繁多，一般有：传感器的种类繁多，一般有：压力传感器压力传感器：主要用于各种压力的测量。如：静压、动压、：主要用于各种压力的测量。如：静压、动压、绝对压力、真空压力、负压及压差的测量。绝对压力、真空压力、负压及压差的测量。温度传感器温度传感器：主要用于各种温度的测量。按不同温度范围划：主要用于各种温度的测量。按不同温度范围划分为：热敏电阻、热电偶以及各种半导体温度传感器。分为：热敏电阻、热电偶以及各种半导体温度传感器。振动传感器振动传感器：包括测量振幅、速度、加速度等各种振动和冲：包括测量振幅、速度、加速度等各种振动和冲击的传感器。击的传感器。光电传感器光电传感

25、器：可用于照度、转速等的测量。：可用于照度、转速等的测量。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系对于传感器，有时可以将传感器的工作原理加上它的使用对于传感器，有时可以将传感器的工作原理加上它的使用范围作为传感器的名称来分类，如：应变式压力传感器、范围作为传感器的名称来分类，如：应变式压力传感器、压电式加速度计、半导体温度传感器等。压电式加速度计、半导体温度传感器等。6.2.2 传感器接口电路传感器接口电路在传感器的测量电路中，最在传感器的测量电路中，最简单的形式为简单的形式为电桥电路电桥电路。电桥具有两种基本的工作方电桥具有两种基本的工作方式：式：零点检测；直接读出电零点检测；直接读出电压或电流

26、差值。压或电流差值。基本电路如图基本电路如图6.5图图6.5 基本电桥电路基本电桥电路贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系电桥工作原理：电桥工作原理：在在 R1/R4 = R2/R3 时，电桥达到平衡，输出为时，电桥达到平衡，输出为 0。如果。如果 R2/R3 等于一个固定值等于一个固定值 K 。当被测物理量的大小能使。当被测物理量的大小能使 R1= KR4 时，电桥为平衡状态，时，电桥为平衡状态，Eout = 0 ；如果；如果 R1KR4,电桥的平衡被打破，电桥的平衡被打破，Eout 0，有输出。，有输出。 对于电桥传感器，要考虑电桥的输出与被测值之间的对于电桥传感器，要考虑电桥的输出与被测

27、值之间的线性关系、电桥的灵敏度、输出信号的稳定度等因数。线性关系、电桥的灵敏度、输出信号的稳定度等因数。一般情况下，电桥输出不能直接连接到单片机，必须一般情况下，电桥输出不能直接连接到单片机，必须经过信号的放大、整形及经过信号的放大、整形及 A/D 转换后的信号，才能被单片转换后的信号，才能被单片机所接收。机所接收。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系一、压力传感器一、压力传感器带有应变电桥的压力传感测量电路如图带有应变电桥的压力传感测量电路如图6.6。图图6.6带带有有应应变变电电桥桥的的压压力力测测量量接接口口1mv / v 灵敏度灵敏度贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系工作原理：工作原

28、理：传感器：采用应变片电桥作为传感器。传感器：采用应变片电桥作为传感器。(1磅磅=0.454公斤公斤)AD522：差分放大器，用于放大、调整传感器输出信号。：差分放大器，用于放大、调整传感器输出信号。当压力传感器从当压力传感器从 (0 100)磅磅/平方英寸时，输出电平方英寸时，输出电压为：压为：(010)V的输出电压。并且克服温度对输入的输出电压。并且克服温度对输入电压的漂移，如：环境温度变化电压的漂移，如：环境温度变化20C，则最大，则最大漂移将是漂移将是120uv，小于满量程的，小于满量程的 1% 。AD542：接为跟随器，以消除对滤波器的负载。：接为跟随器，以消除对滤波器的负载。(隔离

29、隔离)2B35:传感器的供电电路。具有两路传感器的供电电路。具有两路15V直流电压输出直流电压输出 的电源，为传感器提供电压和电流。的电源，为传感器提供电压和电流。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系二、半导体温度传感器二、半导体温度传感器P194AD590是美国模拟器件公司生产的一种温度传感器。是美国模拟器件公司生产的一种温度传感器。在在 -55 +150 范围内能按范围内能按 1uA/K 的恒定比率输出一个的恒定比率输出一个与温度成正比的电流，通过对此电流的测量就可得到所需与温度成正比的电流，通过对此电流的测量就可得到所需的温度值。的温度值。AD590 是一个电流源，是一个电流源，流过的电

30、流数值等于流过的电流数值等于绝对温度（绝对温度（K）的度）的度数，激励电压可以从数，激励电压可以从 +4V +30V。如图如图6.7所示。所示。图图6.7 AD590电流源电流源贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系AD590远距离测温示意图，如图远距离测温示意图，如图6.8图图6.8 AD590远距离测温示意图远距离测温示意图使用使用AD590的测温电路，见图的测温电路，见图6.9。该电路测温范围在该电路测温范围在 60 内可以得到较好的精度。电路中通内可以得到较好的精度。电路中通过调节电阻过调节电阻 R2 ，能对指定测温范围的中点温度进行校正。，能对指定测温范围的中点温度进行校正。A、B 两

31、点的输出电压为两点的输出电压为 mv 级。级。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系图图6.9 使用测温电路使用测温电路当当AD590置于置于10的的环境中，以环境中，以 0.1 为分度为分度的标准监测环境温度。接的标准监测环境温度。接通电源数分钟之后，调节通电源数分钟之后，调节 R2 ，使，使A、C 两点的电压两点的电压为为 (273.2+t)mv ，再调节，再调节 R7 ，使，使 B、C 两点的电压两点的电压为为 +273.2mv ，此电压起到，此电压起到了绝对温度了绝对温度 (K)和摄氏温和摄氏温度度()之间的转换。之间的转换。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系AD590可通过可通过 1

32、00 米或更长的双绞线连入接口电路。米或更长的双绞线连入接口电路。A、B两两点的输出电压点的输出电压(mv)可以直接读成以可以直接读成以 为单位的温度值。在为单位的温度值。在单片机的控制系统中可以直接利用单片机的控制系统中可以直接利用 A、B 两点的电压值送两点的电压值送 A/D 转换器。转换器。利用两个利用两个AD590可以可以容易地实现容易地实现两点温差两点温差的测量。的测量。其原理为其原理为 t1、t2 两个两个反向电流源叠加，得反向电流源叠加，得到两点温度的差值。到两点温度的差值。电路见图电路见图6.106.10 两点温差测量电路两点温差测量电路贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系三、

33、湿度传感器接口电路三、湿度传感器接口电路湿度传感器是通过电阻变化来测量相对湿度的湿度传感器是通过电阻变化来测量相对湿度的。传感器电阻与湿度之间呈现传感器电阻与湿度之间呈现非线性关系非线性关系，传感器电阻值又，传感器电阻值又同时同时受温度影响受温度影响，所以要对其进行二维修正后才能得到正，所以要对其进行二维修正后才能得到正确的相对湿度值。确的相对湿度值。湿度传感器接口电路如图湿度传感器接口电路如图6.11。传感器采用传感器采用 CSK1 型陶瓷传感器。型陶瓷传感器。湿度传感器要求交流供电，以防止传感器老化。用反相器湿度传感器要求交流供电，以防止传感器老化。用反相器构成振荡器产生构成振荡器产生65

34、0KHz左右的方波电压，经射极跟随器左右的方波电压，经射极跟随器T1，由电容由电容C2送给湿度传感器。送给湿度传感器。WD是带温度补偿的稳压二极管，将方波电压的峰值限制在是带温度补偿的稳压二极管，将方波电压的峰值限制在6V左右，当温度或湿度变化时，保持传感器的供电电压基左右，当温度或湿度变化时，保持传感器的供电电压基本不变。本不变。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系6.11 湿度传感器及其供电放大器电路湿度传感器及其供电放大器电路贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系 湿度的变化引起了湿度传感器导通电阻湿度的变化引起了湿度传感器导通电阻RH的改变，在的改变，在相对湿度为相对湿度为 98% 时，

35、时，RH的值为的值为 20K；在相对湿度为；在相对湿度为 11% 时，时，RH的值为的值为 20M ，湿度、导通电阻呈线性关系。，湿度、导通电阻呈线性关系。 C2的输出，经双运放的输出，经双运放 LM747 中的一个作电流放大器和中的一个作电流放大器和阻抗变换后，送到电子模拟开关阻抗变换后，送到电子模拟开关 CD4052 解调，使得采样电解调，使得采样电阻阻 R8 上的电压与流过传感器的电流成正比；模拟开关上的电压与流过传感器的电流成正比；模拟开关 K1、K2受振荡器输出电压同步控制。受振荡器输出电压同步控制。 C3、C4 电容分别存储方波电容分别存储方波信号的正半周及负半周电压（电流放大器输

36、出的电流值，随信号的正半周及负半周电压（电流放大器输出的电流值，随湿度而变化），分别送差动放大器的正、负输入端，湿度而变化），分别送差动放大器的正、负输入端，R5、R6、R7、R8 都相等，在运算放大器的输出端得到的是电容都相等，在运算放大器的输出端得到的是电容C3、C4上的电压绝对值之和，送后级电路进行上的电压绝对值之和，送后级电路进行A/D转换。转换。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系四、力传感器接口四、力传感器接口 P196 某些测力传感器利用一段某些测力传感器利用一段弹簧弹簧作为敏感元件。把弹作为敏感元件。把弹簧连接到一个簧连接到一个可变电阻可变电阻上，其阻值的大小与施加在弹簧上，其

37、阻值的大小与施加在弹簧上的力成正比，当力从上的力成正比，当力从 0 增加到增加到 20 磅时，电阻从磅时，电阻从 100变到变到 500。力传感器接口电路如图。力传感器接口电路如图6.12图图6.12 力传感器接口电路力传感器接口电路（1磅磅 = 0.454公斤）公斤）贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系 力传感器的可变电阻器接到运算放大器力传感器的可变电阻器接到运算放大器A2的反馈回路中，的反馈回路中，通过通过5ma的恒定电流。的恒定电流。0 2V的输出范围提供每伏的输出范围提供每伏10磅的数磅的数值。从值。从AD580型集成参考电源输出的型集成参考电源输出的2.5V参考电压源，经参考电压源

38、，经AD741J运算放大器反相，输出放大器再次反相，既得到正运算放大器反相，输出放大器再次反相，既得到正向的输出，通过晶体管向的输出，通过晶体管2N2219驱动负载。输出电压驱动负载。输出电压Eout为为 0 2V ，此输出信号送，此输出信号送 A/D 转换器转换成相应的数字信号。转换器转换成相应的数字信号。 对此电路的校正：先将输入力调到对此电路的校正：先将输入力调到 20 磅，调幅度调节磅，调幅度调节电位器，使输出为电位器，使输出为 2V ，然后将力减至，然后将力减至 0 磅，调节偏置电位磅，调节偏置电位器使输出为器使输出为 0V 。这样便完成了力传感器接口的校正。这样便完成了力传感器接口

39、的校正。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系五、数字化温度传感器接口五、数字化温度传感器接口 P196随着半导体技术的高速发展，数字传感器已成为传感器中的重随着半导体技术的高速发展，数字传感器已成为传感器中的重要组成部分。要组成部分。介绍常用的介绍常用的数字化传感器数字化传感器DS1820。1、DS1820的特性的特性特点：特点： 1)单线接口方式，它在与微处理器连接时，单线接口方式，它在与微处理器连接时，仅需要一条总线仅需要一条总线即可实现即可实现DS1820与单片机的通信与单片机的通信 2)支持多点组网功能，多个支持多点组网功能，多个DS1820 ( 一般为一般为8个个) 可以并联在可以并

40、联在唯一的唯一的3根线上，实现多点测温。根线上，实现多点测温。 3)在使用中不需要任何外围元件在使用中不需要任何外围元件 4)温度范围温度范围-55 125，在，在-10+85时精度为时精度为0.5。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系 5)测量结果以测量结果以 9 12 位数字量方式串行传输。对应的可分辨位数字量方式串行传输。对应的可分辨温度分别为温度分别为0.5、0.25、0.125和和0.0625，可实现高精，可实现高精度测温度测温 6)设有用户可写的设有用户可写的 E2PROM，用于设定报警温度等。，用于设定报警温度等。图图6.13 DS1820封装图封装图DS1820封装如图封装如图

41、6.13引脚中：引脚中：GND：地线：地线Dq：数据输入、输出：数据输入、输出Vdd：外结电源：外结电源NC：空脚：空脚2、DS1820的结构的结构1) DS1820的引脚、封装、分类的引脚、封装、分类贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系图图6.13 DS1820封装图封装图贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系 型号型号项目项目DS1820DS18B20DS18S20DS18D20 DS1822输出（位）输出（位） 9 9 12 9 9 9测温分辨率测温分辨率0.50.06250.50.50.5内设内设EEPROM 有有 有有 有有 有有 无无表表6-1 DS1820系列产品性能表系列产品性能

42、表2) DS1820内部结构及工作原理内部结构及工作原理DS1820内部结构图见图内部结构图见图6.14其中：其中：64位光刻位光刻ROM中的中的64位序列号，在出厂前就光刻好的，位序列号，在出厂前就光刻好的，它可以看成是它可以看成是DS1820的地址序列号，用于分挂在同一总的地址序列号，用于分挂在同一总线上的线上的8个个DS1820的目的。的目的。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系图图6.14 DS1820数字温度传感器内部结构图数字温度传感器内部结构图贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系64位光刻位光刻ROM的排列是：的排列是：开始开始8位（位（28H）是产品类型标号，接）是产品类型标号

43、，接着的着的48位是该位是该 DS18B20自身的序列号，最后自身的序列号，最后8位是前面位是前面 56 位的位的循环冗余校验码（循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。）。光刻光刻ROM的作用是的作用是使每一个使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个接多个DS18B20的目的。的目的。DS18B20中的温度传感器转换数字，以中的温度传感器转换数字，以12位转化为例：用位转化为例：用16位位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表形式表达，其中达，其中S为符号位。为

44、符号位。S=1为负，为负，S=0为正。其输出格式如下图：为正。其输出格式如下图：贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系 转化后得到的转化后得到的12位数据，存储在位数据，存储在18B20的两个的两个8比特比特的的RAM中，二进制中的前面中，二进制中的前面5位是符号位，如果测位是符号位，如果测得的温度大于得的温度大于0，这，这5位为位为0，只要将测到的数值乘于，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于即可得到实际温度；如果温度小于0，这，这5位为位为1，测到的数值需要取反加，测到的数值需要取反加1再乘于再乘于0.0625即可得到实即可得到实际温度。际温度。 例如例如+125的

45、数字输出为的数字输出为07D0H，+25.0625的数的数字输出为字输出为0191H，-25.0625的数字输出为的数字输出为FF6FH， -55的数字输出为的数字输出为FC90H。 0191H=401D 401D0.0625=25.0625贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系配置寄存器：该字节各位的意义如下：配置寄存器：该字节各位的意义如下：R1R0分辨率分辨率温度最大转换时间温度最大转换时间009位位 0.593.75ms0110位位 0.25187.5ms1011位位 0.125375ms1112位位 0.0625 750ms其低五位一直都是其低五位一直都是“1”，TM是测试模式位，在出

46、厂时该位是测试模式位，在出厂时该位被设置为被设置为0，传感器处于工作方式。，传感器处于工作方式。R1和和R0用来设置分辨用来设置分辨率，如下表所示：（率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为出厂时被设置为12位）位）表表6-2 分辨率的设置分辨率的设置TMR1R011111贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系暂存寄存器（高速暂存寄存器（高速REM）的分布见表）的分布见表6-2。 寄存器内容寄存器内容 字节地址字节地址 温度低温度低8位数字位数字(输出输出) 0 温度高温度高8位数字位数字(输出输出) 1 高温限制高温限制TH 2 低温限制低温限制TL 3 保留保留 4 保留保留 5 计数

47、剩余值计数剩余值 6 每度计数值每度计数值 7 CRC效验码效验码 8表表6-2 DS1820暂存寄存器分配表暂存寄存器分配表测温工作原理见图测温工作原理见图6.15低温度系数晶振受温度低温度系数晶振受温度影响较小，用于产生固影响较小，用于产生固定频率的脉冲送给计数定频率的脉冲送给计数器器1；高温度系数的晶振随温高温度系数的晶振随温度变化，其振荡周期明度变化，其振荡周期明显变化，所产生的信号显变化，所产生的信号作为计数器作为计数器2的脉冲输入；的脉冲输入；贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系图图6.15 DS1820工作原理图工作原理图贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系计数器计数器 1 和温

48、度寄存器分别被预置每度计数值和在和温度寄存器分别被预置每度计数值和在 -55时时所对应的一个基数值。所对应的一个基数值。计数器计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减 1 计数，计数，当计数器减当计数器减 1 到到 0 时，温度寄存器的值将加时，温度寄存器的值将加 1，计数器，计数器 1 的的预置将重新被加入，计数器预置将重新被加入，计数器 1 重新开始对低温度系数晶振重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减产生的脉冲信号进行减 1 计数；计数器减计数；计数器减 1 到到 0 时，温度时，温度寄存器的值加寄存器的值加 1 。如此循环，直到计数器。如此

49、循环，直到计数器 2 到到 0 时，停止时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的值温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的值 即为所测的即为所测的温度值。温度值。斜率累加器用于修正测温过程中的非线性，其输出用于修斜率累加器用于修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器正计数器 1 的预置值。的预置值。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系3、DS1820与单片机与单片机的接口电路及编程的接口电路及编程1) 接口电路接口电路 如图如图6.16图图6.16 DS1820与单片机接口电路与单片机接口电路2) 编程编程 指令代码介绍指令代码介绍 通常单片机是以通常单片机是以DS1820 ROM命令

50、命令和和DS1820 功能命功能命令令来控制来控制DS1920工作的。表工作的。表6-3a是是ROM命令集，表命令集，表6-3b是功能命令集。是功能命令集。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系表表6-3a DS1820 ROM命令集命令集 指令指令代码代码功功 能能读读 ROM33H读读ROM中编码（即中编码（即64位地址）位地址）符合符合ROM55H发出此命令后，接着发出发出此命令后，接着发出64位位ROM编编码，访问码，访问“一线总线一线总线”上读编码，相对上读编码，相对应的应的DS1820器件做出响应，为下一步对器件做出响应，为下一步对该该DS1820的读的读/写做准备。写做准备。搜索搜

51、索ROMF0H用于确定挂在同一总线上用于确定挂在同一总线上DS1820的个数的个数和识别和识别64位位ROM地址，为操作各器件地址，为操作各器件做准备。做准备。跳过跳过ROMCCH 忽略忽略64位位ROM地址，直接向地址，直接向DS1820发发温度变换指令，适用于单一温度变换指令，适用于单一DS1820工作工作告警搜索命令告警搜索命令ECH 执行后只有温度越过设定值上限或下线执行后只有温度越过设定值上限或下线时才做出响应。时才做出响应。贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系表表6-3b DS1820 ROM功能命令集功能命令集指令指令代码代码功功 能能温度转换温度转换44H启动启动DS1820进

52、行温度转换，转换时间进行温度转换，转换时间最长为最长为500ms，典型为，典型为200ms，结果存，结果存入内部入内部REM中中读暂存器读暂存器BEH读内部读内部REM中字节中字节写暂存器写暂存器4EH发出向内部发出向内部REM的第的第2、3字节写上下字节写上下限温度数据命令，紧跟读命令后是传送限温度数据命令，紧跟读命令后是传送2个字节的数据个字节的数据复制暂存器复制暂存器48H将将REM中第中第2、3字节内容复制到字节内容复制到EEPROM中，保证数据不丢失。中，保证数据不丢失。恢复恢复E2PROMB8H将将EEPROM中内容拷贝到中内容拷贝到REM中的第中的第2、3字节中字节中读供电方式读

53、供电方式B4H读读DS1820的供电方式，寄生供电时发的供电方式，寄生供电时发“0”，外接供电时发，外接供电时发“1”贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系 DS1820单线通信功能是分时完成的单线通信功能是分时完成的, 它有严格的时隙概念。它有严格的时隙概念。因此系统对因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。操作协议为：的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化初始化DS1820（发复位脉冲）（发复位脉冲）发发ROM功能命令功能命令发存储器发存储器操作命令操作命令处理数据。处理数据。 图图6.17 初始化时序初始化时序贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系 编程编程 根据根据DS182

54、0的通信协议，主机控制的通信协议，主机控制DS1820完完成温度转换必须经过三个步骤：成温度转换必须经过三个步骤：a、每次读、每次读/写写之前要对其复位；之前要对其复位；b、复位成功后发送一条、复位成功后发送一条ROM指令；指令；c、最后发送、最后发送REM命令。这样才能命令。这样才能对对DS1820进行预定的操作。复位要求主进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉将数据线下拉500us，然后释放，然后释放，DS1820收到收到信号后等待信号后等待1660us的低脉冲，主的低脉冲，主CPU收到此收到此信号后复位成功，才对信号后复位成功，才对DS1820进行操作。进行操作。 DS1820初始

55、化、读初始化、读/写流程图及源程序如下：写流程图及源程序如下：贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系开始开始初始化初始化DS1820读取温度值送读取温度值送55H、56H送显示缓冲器送显示缓冲器显示显示结束结束开始开始初始化初始化送送0CCH命令，跳过命令，跳过ROM区区送温度转换命令送温度转换命令44H，等待等待750ms复位复位 送送0CCH命令，跳过命令，跳过ROM匹配，匹配，读温度命令读温度命令0BEH读取温度值送读取温度值送55H、56H结束结束A、主程序、主程序B、读温度程序流程图、读温度程序流程图流程图流程图贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系开始开始初始化，给初始化，给DQ引脚送

56、引脚送480us的低电平的低电平等待等待DS1820回应回应判判DQ是否为是否为0？置位置位70H=1延时延时结束结束置位置位70H=0YN开始开始设置循环变量设置循环变量C=0, DQ=0, 延时延时10us写一位到写一位到DQ，延时延时50us, DQ=1修改指针修改指针R2=0?结束结束YN初始化初始化DS1820流程图流程图写写DS1820程序流程图程序流程图贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系一、主程序一、主程序B20MAIN: LCALL INIT_1820 ; 调用复位子程序调用复位子程序MAIN1: LCALL GET_TEMPER ;调用读温度子程序调用读温度子程序MOV A

57、, 56H ;读数据低字节读数据低字节ANL A, #0FH ;屏蔽高位屏蔽高位MOV 61H, A ;保存数据低位保存数据低位MOV A, 56H ;读数据读数据SWAP A ;高、低高、低4位交换位交换ANL A, #0FH ;屏蔽高屏蔽高4位位MOV 62H, A ;保存数据高位保存数据高位MOV A, 55H ;读数据高字节读数据高字节ANL A, #0FH ;屏蔽高位屏蔽高位MOV 63H, A ;保存数据低位保存数据低位贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系MOV A, 55H ;读数据读数据SWAP A ;高、低数据交换高、低数据交换ANL A, #0FH ;屏蔽高位屏蔽高位MOV

58、 64H, A ;保存数据高位保存数据高位LCALL DISPLAY ;调用显示子程序调用显示子程序ACALL KSA ;调用键盘子程序调用键盘子程序CJNE A, #0AH, B20MAIN ;键值是键值是0AH，测温，测温ACALL RELEASE ;等待键推出子程序等待键推出子程序LJMP MAIN0 ;键释放转主程序键释放转主程序贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系二、初始化程序二、初始化程序INIT_1820: SETB P1.0 ;DS1820 复位、初始化复位、初始化NOP ;DQ置位置位CLR P1.0 ;DQ复位复位MOV R0, #0FFH ;主机发出延时主机发出延时553

59、us的复位的复位TSR1: DJNZ R0, TSR1 ;低脉冲低脉冲SETB P1.0 ;拉高数据线，形成拉高数据线，形成1负脉冲负脉冲NOPNOPNOPMOV R0, #25H ;TSR2: JNB P1.0, TSR3 ;等待等待DS1820回应回应DJNZ R0, TSR2 ;延时延时贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系LJMP TSR4TSR3: SETB 70H;置标志位，表示置标志位，表示DS1820存在存在LJMP TSR5TSR4: CLR 70H;清标志位，表示清标志位，表示DS1820不存在不存在LJMP TSR7TSR5: MOV R0, #6BHTSR6: DJNZ

60、R0, TSR6;延时一段时间延时一段时间TSR7: SETB P1.0RET 贵州大学电子科学系贵州大学电子科学系三、读温度程序三、读温度程序GET_TEMPER: SETB P1.0 LCALL INIT_1820 ;调用初始化复位调用初始化复位DS1820JB 70H, TSS2 ;DS1820存在，读数据存在，读数据RET ;若若DS18B20不存在则返回不存在则返回TSS2: MOV A, #0CCH ;跳过跳过ROM匹配匹配LCALL WRITE_18020 ;调用写程序调用写程序MOV A, #44HLCALL WRITE_1820 ;启动温度转换启动温度转换MOV 66H, #