介绍
本文的课题是基于串行通信的单片机仿真和C语言开发，研究了一种基于串口的温度检测数据收发模块。用DS18B20温度传感器设计一个温度监测模块，精确到0.1，用液晶显示当前温度，然后通过串口调试助手向单片机发送指令。当微控制器接收到十六进制指令01时，每隔1s将当前温度值发回PC机显示，同时PC机显示开机温度；当微控制器接收到十六进制指令02时，停止温度值的返回，PC机显示关机temp当微控制器接收到其他指令时，PC显示错误。
1总体设计
本系统的功能由硬件和软件配合，硬件部分主要完成信息的显示；软件主要完成信号处理和控制功能。
该系统硬件采用模块化设计，以AT89C52单片机为核心，与液晶显示电路、串口通信电路和DS18B20温度检测电路组成控制系统。系统硬件主要包括以下模块：
AT89C52主控模块、液晶显示模块、串口通信模块、DS18B20温度检测模块等。其中，AT89C52主要完成外围硬件的控制和部分操作功能，LCD显示模块完成字符和数字的显示功能，串口通信模块主要完成单片机与PC机的通信功能，DS18B20温度检测模块主要完成环境温度检测功能。系统组成框图如图1.1所示。
图1.1系统硬件组成框图
应用软件采用模块化设计方法。系统软件主要由主程序、串口收发数据中断子程序、液晶显示子程序等模块组成。系统软件结构框图如图1.2所示。
图1.2系统软件设计框图。
2系统工作原理
MCS-51单片机的串口通过两个串行缓冲器SBUF发送/接收数据，这两个缓冲器使用一个地址(98H)，但物理上是独立的。其中接收缓冲区只能读不能写，50发送缓冲区只能写不能读。
1.发送过程
当数据写入SBUF寄存器时，单片机自动从起始位开始发送数据。当数据发送到停止位的起始位置时，内部硬件将TI设为1，并向CPU申请中断。然后，它可以在中断服务程序中处理，或者它可以选择不进入中断。
2.接收过程
串口是否接收取决于允许接收位REN的状态。当软件将REN设置为‘1’时，允许接收器接收。串行端口接收器以所选波特率的16倍监控RXD线。当“1”跳到“0”时，检测器连续采样RXD线上的低电平。确定开始位出现在RXD终端，然后接收控制器开始工作。在每个传输时间7、8、9的第三个脉冲状态对RXD线进行采样，并确定接收值为“0”或“1”。当接收到停止位时，控制电路将中断标志R1设置为‘1’。
3.温度检测
温度检测采用美国达拉斯最新的单线数字温度传感器DS18B20。DS18B20是一种新型的‘一线器件’，体积更小，更适用于多种场合，适用电压更广，更经济。达拉斯半导体公司的数字温度传感器DS18B20是世界上第一个支持“一线总线”接口的温度传感器。
温度测量范围为-55~ 125，可编程，转换精度为9-12位。可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625。在9位分辨率下，温度最多可在93.75ms内转换成数字；在12位分辨率下，温度值最多可以转换成750ms以内的数字。
3温度传感器
3.1温度传感器的特性
达拉斯最新的单线数字温度传感器DS18B20[2]是一种新型的‘一线器件’，体积更小，更适用于多种场合，适用电压更广，更经济。达拉斯半导体公司的数字温度传感器DS18B20是世界上第一个支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55~ 125，可编程，转换精度为9-12位。可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625。在9位分辨率下，温度最多可在93.75ms内转换成数字；在12位分辨率下，温度值最多可以转换成750ms以内的数字。DS18B20的性能特征如下：
1.独特的单线接口，只需要一个端口引脚进行通信；
2.可以在唯一的三线上并联多个DS18B20，实现多点组网功能。
3.不需要外部设备；
4.可通过数据线供电，电压范围3.0 ~ 5.5V
5.零待机功耗；
6.温度在9或12位数；
7.用户可以定义报警设置；
8.警报搜索命令识别并标记超过程序定义的温度(温度警报条件)的设备；
9.负电压特性，当电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；
DS18B02可以通过两种方式供电。一个是电源。此时DS18B20的一个管脚接地，两个管脚做信号线，三个管脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，单片机端口接在单线总线上。为了确保在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可以使用一个MOSFET管来上拉总线。
DS18B20在进行存储器写操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有很强的上拉，上拉开启时间最多10us。当采用寄生电源供电模式时，VDD端子接地。由于单线系统只有一根线，因此发送接口必须是三态的。
图3.1 DS18B20引脚图
3.2工作时序图
1.初始化
图3.2初始化时序图
1)首先将数据线设置为高电平1；2)延迟(时间要求不是很严格，但要尽量短)；3)数据线拉至低电平0；4)延时750us(时间范围可以是480 ~ 960 us)；5)将数据线拉至高电平1；6)延迟等待。如果初始化成功，DS18B20返回的低电平0会在15~60ms内产生，根据这个状态可以确定它的存在。但需要注意的是，不能无限等待，否则程序会进入无限循环，要判断超时；7)如果CPU在数据线上读取到低电平0，需要延迟，延迟时间距离高电平至少要480us8)再次将数据线拉至高电平，然后结束。
2.DS18B20写数据
图3.3写入数据的时序图
1)先将数据线设置为低电平0；
2)确定延迟的时间为15us
3)从低位向高位发送数据(一次只发送一位)；
4)延迟时间为45us
5)将数据线拉至高电平1；
6)重复步骤1)到5 ),直到发送了完整的字节；
7)最后把数据线拉到1。
3.DS18B20读取数据
图3.4读取数据的时序图
1)将数据线拉高至1；
2)延时2us
3)将数据线拉低0；
4)延时6us
5)将数据线拉高1；
6)延时4us
7)读取数据线的状态，得到状态位，进行数据处理；
8)延时30us
9)重复步骤1)至7 ),直到读取完一个字节。
4硬件设计
4.1时钟电路和复位电路
1.钟脉冲电路
时钟电路可以产生CPU校准时序，是单片机的控制核心。本设计是通过外部12MHz晶振来实现时钟电路的时序控制。使用片内振荡器时，XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入和输出端。外部晶体和电容器C3和C5形成并联谐振电路，该电路连接在放大器的反馈回路中。当由外部时钟驱动时，XTAL2引脚应暂停，但由XTAL1引脚上的信号驱动。外部振荡器通过频率为2的触发器变成内部时钟信号，所以对外部信号的占空比没有要求，但最小和最大高电平持续时间和低电平持续时间要满足技术要求。电路如图4.1所示。
数字
在空闲模式下，CPU的内部时钟信号被门电路阻断，CPU进入睡眠状态，但内部时钟信号继续提供给中断系统、定时器和串口。该方法由软件调用。在空闲模式下，片内RAM和所有特殊寄存器的状态仍然保留，并且空闲模式可以通过任何允许的中断或硬件复位来终止。当空闲模式被硬件复位终止时，系统通常在空闲位置恢复程序的执行。硬件复位只需要信号在两个机器周期内有效。当通过复位终止空闲模式时，为了防止意外写入端口引脚的可能性，调用空闲模式指令的下一条指令不应写入端口引脚或外部存储器。
3.断电工作模式
在掉电模式下，片内振荡器停止工作。调用掉电指令是最后执行的指令。片内RAM和特殊寄存器的值保留到掉电模式终止。仅通过硬件复位退出关机模式。复位后，所有特殊寄存器将被重新定义，但RAM的内容不会改变。在VCC恢复到正常工作电压之前，不能开始复位，复位信号要保持很长时间，以保证振荡器开始振动并达到稳定。
为了使微控制器正常工作，需要增加上电复位电路和断电检测电路。上电复位的简要原理：
当系统不需要复位时，RST端子为低；按键，RST终端变为高电平。
图4.2上电复位电路
AT89C51、晶振电路和上电复位电路共同构成单片机的最小系统，如图4.3所示。
图4.3最小系统
4.2温度传感器
图4.4 DS18B20连接图
从图4.4可以看出，DS18B20与单片机的连接非常简单，单片机只需要一个I/O口就可以控制DS18B20。这个图的连接是单片机和一个DS18B20通讯。如果要控制多个DS18B20进行温度采集，只需要将DS18B20的所有I/O口连接在一起即可。
4.3液晶显示模块
显示电路采用LCD1602液晶屏，P2作为LCD的8位数据输入端口。P1.0端口用作LCD数据/命令选择端口，P1.1是LCD使能端口。
图4.5液晶显示模块
4.4串口通信模块的设计
单片机有一个全双工串行通讯口，方便了单片机与计算机之间的通讯。
电平范围是电路能够安全可靠地识别信号的电压范围。
CMOS电路的电平范围一般是从0到电源电压。在CMOS电平下，高电平(3.5~5V)为逻辑‘1’，低电平(0~0.8V)为逻辑‘0’。
RS232接口的电平范围为-15V至15V，RS232电平采用负逻辑，即逻辑‘1’:-3 ~-15V，逻辑‘0’:3 ~ 15V。
单片机的串口是TTL级，计算机的串口是RS232级。为了两者之间的通信，必须有电平转换电路，即单片机的串口要外接一个电平转换电路芯片，将一个兼容TTL的CMOS高电平表示的1转换成RS232的负电压信号，低电平转换成RS-232的正电压信号。典型的转换电路给出-9V和9V。
在本设计中，可以利用MAX232芯片的转换接口实现逻辑电平转换：MAX232由MAXIM公司生产，包含驱动器和接收器两个RS-232转换芯片。MAX232芯片内部有一个电压转换器，可以将输入的5V电压转换成RS-232接口所需的10V电压，特别适用于没有12V的单电源系统。同样原理的芯片还有MAX202、AD公司的ADDt101和SIL公司的IC1232。
图4.6 MAX232芯片引脚
由于protues仿真不需要电平转换，所以仿真中不使用MAX232芯片电路，但在实物中需要电平转换，其硬件连接图如图4.7所示。MAX232芯片的T1in引脚连接到AT89C51微控制器的P3.1(TXD)引脚，MAX232芯片的R1out引脚连接到AT89C51微控制器的P3.0(RXD)引脚；MAX232芯片的T1out引脚连接到DB9引脚接口的第二引脚，MAX232芯片的R1in引脚连接到DB9引脚接口的第三引脚。
图4.7电平转换器硬件连接图
4.5系统示意图
5软件设计
5.1算法设计
编写单片机异步通信程序的步骤如下：
1.设置串口工作模式
此时，有必要在串行控制器SCON中设置SM0和SM1。在PC机与单片机的通信中，一般选择串口工作在模式1。
串行控制器SCON(98H)的格式如表1所示：
表1串行控制器的格式
2.选择波特率发生器
选择定时器1或定时器2作为波特率发生器。
3.设置定时器工作模式
当选择定时器1作为波特率发生器时，应将模式寄存器TMOD设置为计数模式，并选择相应的工作模式(一般情况下，应选择模式2，以避免重新加载定时器的初始值)。当定时器2被选作波特率发生器时，T2CON应被设置为波特率发生器的工作模式。
4.设置波特率参数
有两个参数影响波特率，一个是专用寄存器PCON的SMOD位，另一个是相应定时器的初始值。
5.允许串行中断
因为我们在程序中通常采用中断接收方式，所以要设置EA=1、ES=1。
6.允许接收数据
将SCON中的REN设置为1意味着允许串行端口接收数据。
7.让计时器/计数器工作
此时，启动定时器/计数器产生波特率。8.编写串行中断服务程序。
当数据到达串口时，系统会自动执行中断服务程序。
9.接收/发送相应的数据
注意，T1需要在发送操作完成后清零，R1需要在接收操作完成后清零。
5.2编程
主程序设计
主程序主要完成硬件初始化、子程序调用等功能。
1.初始化。
首先，调用LCD初始化程序，并在LCD上显示数据“接收：”和“温度是：*C”。
然后调用中断和串口初始化子程序来清除串口接收数据单元RECDATA。设置寄存器SCON的SM0和SM1位，定义串口工作模式，选择波特率发生器作为定时器T1；将定时器T1工作模式设置为模式2；将波特率参数设置为9600bps允许串行中断和总中断；允许串口接收数据，定义REN=1；启动定时器/计数器T1，并定义TR1=1。
2.发送和接收数据的串行端口。
判断串口成功接收数据标志位flag_uart是否为0，如果flag_uart为0，则表示串口没有接收到数据，继续等待串口接收数据；如果flag_uart为1，表示串口成功接收或发送数据，进入串口中断服务子程序。单片机接收数据，将串口成功接收数据的标志位flag_uart清零，调用LCD显示接收数据子程序，将单片机从串口接收的数据显示在LCD上，并将温度值返回给PC机显示。主程序设计流程图如图5.1所示。
图5.1主程序流程图
5.2.2串行中断服务子程序
判断串口发送标志位TI是否为1，如果为1，单片机向PC机发送数据，清除TI，中断子程序返回；如果TI为0，表示RI=0，则串口接收标志位RI清零，将串口接收缓冲区SBUF中的数据写入串口接收数据单元RECDATA，然后将数据发送到串口发送缓冲区SBUF，发送到PC，串口成功接收数据标志位RECOKBIT置1，表示串口成功接收和发送数据，最后子程序返回。串行数据接收和发送中断服务子程序的设计流程如图5.2所示。
图5.2串行中断服务子程序
温度读取子程序
读取温度子程序的主要作用是读取RAM中的9个字节，读取时需要进行CRC校验，校验有错误时不会重写温度数据。程序流程图如图5.3所示。
图5.3温度读数子程序
温度转换命令子程序
温度转换命令子程序主要发送温度转换的开始命令，采用12位分辨率时转换时间约为750ms。在本程序设计中，采用1s显示程序延时法等待转换完成。温度转换命令子程序流程如上图所示。
显示数据刷新子程序主要刷新分离的温度显示数据，当标志位为1时，将符号显示移动到第一个位置。程序流程图如图5.6所示。
图5.6显示了数据刷新子程序。
6结论
该系统硬件采用模块化设计，以AT89C52单片机为核心，与液晶显示电路、串口通信电路和DS18B20温度检测电路组成控制系统。系统硬件主要包括以下模块：
AT89C52主控模块、液晶显示模块、串口通信模块、DS18B20温度检测模块等。其中，AT89C52主要完成外围硬件的控制和部分操作功能，LCD显示模块完成字符和数字的显示功能，串口通信模块主要完成单片机与PC机的通信功能，DS18B20温度检测模块主要完成环境温度检测功能。
