《單片機(jī)原理、接口與C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》課件第12章

第12章單片機(jī)的其它接口技術(shù)12.1數(shù)字溫度傳感器DS18B2012.2時(shí)鐘芯片DS130212.3紅外通信模塊TSOP18××12.4無(wú)線通信模塊nRF905

12.1數(shù)字溫度傳感器DS18B20

1.?DS18B20的主要特性

DS18B20是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器芯片，測(cè)量溫度范圍為-55℃～+125℃，可編程9～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)量分辨率可達(dá)到0.0625℃，在

－10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以單總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。DS18B20通過(guò)單總線發(fā)送或接收信息，因此在CPU和DS18B20之間僅需一條連線，電源可從數(shù)據(jù)線本身獲得，無(wú)需外部電源。由于每個(gè)DS18B20都有一個(gè)獨(dú)特的片序列號(hào)，所以多只DS18B20可以同時(shí)連在一根單總線上。DS18B20的特性如下：

(1)采用單總線技術(shù)，無(wú)須經(jīng)過(guò)其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值；具有獨(dú)特的單線接口，只需1個(gè)接口引腳即可實(shí)現(xiàn)與CPU的雙向通信。

(2)支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)DS18B20的并聯(lián)使用。

(3)供電電壓范圍為3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電，不需要外部元件。

(4)溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。

(5)編程可實(shí)現(xiàn)分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。

(6)?9位分辨率時(shí)溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)值需要93.75ms，在12位分辨率時(shí)溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)值需要750ms。

(7)用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限。

(8)內(nèi)含64位經(jīng)過(guò)激光修正的只讀存儲(chǔ)器ROM。

2.?DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS18B20采用3腳TO-92小體積封裝或8腳SOIC封裝，其引腳如圖12.1所示。圖12.1DS18B20引腳

DQ：數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端。

GND：電源地。

Vdd：外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時(shí)接地)。

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、高溫觸發(fā)器TH和低溫觸發(fā)器TL、配置寄存器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖12.2所示。圖12.2DS18B20方框圖光刻ROM中存放的是64位序列號(hào)，出廠前已經(jīng)被光刻好，可以看做是該BS18B20的地址序列號(hào)。不同的器件其地址序列號(hào)不同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。

高速緩存由9個(gè)字節(jié)組成，第0個(gè)和第1個(gè)字節(jié)存放轉(zhuǎn)換所得的溫度值，第2個(gè)和第3個(gè)字節(jié)分別為高溫觸發(fā)器TH和低溫觸發(fā)器TL，第4個(gè)字節(jié)為配置寄存器，第5、6、7字節(jié)保留，第8字節(jié)為CRC校驗(yàn)寄存器。

高溫觸發(fā)器和低溫觸發(fā)器分別存放溫度報(bào)警的上限值TH和下限值TL。在DS1820完成溫度變換之后，溫度值與儲(chǔ)存在TH和TL內(nèi)的觸發(fā)值相比較。因?yàn)檫@些寄存器僅僅是8位，所以0.5℃在比較時(shí)被忽略。TH或TL的最高有效位對(duì)應(yīng)于16位溫度寄存器的符號(hào)位。如果溫度測(cè)量的結(jié)果高于TH或低于TL，那么器件內(nèi)告警標(biāo)志將置位。每次溫度測(cè)量將更新此標(biāo)志。只要告警標(biāo)志置位，DS1820就對(duì)告警搜索命令作出響應(yīng)。

配置寄存器用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。該字節(jié)最高位D7為測(cè)試位，用于設(shè)置DS18B20是工作模式還是測(cè)試模式，出廠時(shí)該位被設(shè)置成0，即工作模式，用戶一般不需要改動(dòng)。D6和D5用來(lái)設(shè)置分辨率，如表12.1所示。其余各位均為1。表12.1溫度分辨率設(shè)置

3.?DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換

DS18B20的測(cè)溫原理如圖12.3所示。圖12.3DS18B20原理圖

4.?DS18B20與單片機(jī)的接口

DS18B20可采用外部電源供電，也可采用內(nèi)部寄生電源供電，可單點(diǎn)連接形成單點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)，也能多片連接組網(wǎng)形成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。如圖12.4所示，在寄生電源供電方式下，DS18B20從信號(hào)線上汲取能量，在信號(hào)線DQ處于高電平期間把能量?jī)?chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能，直到高電平到來(lái)時(shí)再給寄生電源(電容)充電。圖12.4DS18B20寄生電源供電方式電路寄生電源方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)溫時(shí)無(wú)需本地電源，可以在沒(méi)有常規(guī)電源的條件下讀取ROM，電路更加簡(jiǎn)潔，僅用一根I/O口線來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。要想使DS18B20進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O口線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量。由于每個(gè)DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流高達(dá)1mA，當(dāng)幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，只靠4.7kΩ上拉電阻就無(wú)法提供足夠的能量，會(huì)造成無(wú)法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大，因此，此電路只適應(yīng)于在單一溫度傳感器測(cè)溫情況下使用，不適應(yīng)于電池供電系統(tǒng)中，并且工作電源Vcc必須保證為5V。這是因?yàn)楫?dāng)電源電壓下降時(shí)，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會(huì)使溫度誤差變大。改進(jìn)的寄生電源供電方式如圖12.5所示。圖12.5DS18B20寄生電源強(qiáng)上拉供電方式電路圖12.6為單片機(jī)外部電源供電方式。圖中，DS18B20工作電源由Vcc引腳接入，此時(shí)DQ線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問(wèn)題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)理論上在總線上可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。在外部供電方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85℃。外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡(jiǎn)單，可以開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。圖12.6單片機(jī)外部電源供電電路

12.2時(shí)鐘芯片DS1302

1.引腳及其功能

DS1302采用8腳DIP封裝或8腳SOIC封裝，其引腳如圖12.7所示，內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖12.8所示。圖12.7DS1302的引腳圖12.8DS1302的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

2.內(nèi)部寄存器

DS1302日歷、時(shí)鐘寄存器及其控制字如表12.2所示。表12.2DS1302日歷、時(shí)鐘寄存器及其控制字

3.?DS1302的讀/寫(xiě)時(shí)序

DS1302是SPI總線驅(qū)動(dòng)，它不僅要向寄存器寫(xiě)入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。控制字從最低位開(kāi)始輸入，在其后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿，數(shù)據(jù)被寫(xiě)入DS1302。數(shù)據(jù)輸出也從最低位開(kāi)始，同樣在緊跟8位控制字指令后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)也是從最低位到最高位。數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)時(shí)序如圖12.9所示。圖12.9DS1302的讀/寫(xiě)時(shí)序

4.?DS1302與單片機(jī)的接口

DS1302與單片機(jī)的接口電路如圖12.10所示。圖12.10DS1302與單片機(jī)的接口

12.3紅外通信模塊TSOP18××

1.性能與特點(diǎn)

TSOP18××系列是Temic公司推出的一體化紅外線接收模塊，集紅外線接收、放大、解調(diào)于一體，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出以及與TTL電平信號(hào)兼容的所有工作，而體積只有普通三極管一樣大小，適合各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸距離大于4m。其外形如圖12.11所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖12.12所示。圖12.12TSOP18××外形圖圖12.11TSOP18××的結(jié)構(gòu)框圖

TSOP18××系列的特性如下：

(1)有多種接收頻率可供選擇：30kHz、33kHz、36kHz、36.7kHz、38kHz、40kHz、56kHz。

(2)工作電壓范圍大，為3V～6V。

(3)工作電流為3mA。

(4)遙控距離大于4m。

(5)內(nèi)置金屬保護(hù)裝置。

(6)具有綜合限幅電路功能。

(7)具有多種主要傳輸碼。

(8)具有智能自動(dòng)增益控制(AGC)放大器，在不同的環(huán)境下也具有較高的接收靈敏度。

2.接收原理

TSOP18××系列紅外線模塊接收器的受光面一側(cè)為黑色環(huán)氧聚焦濾波透鏡。此透鏡消除了可見(jiàn)光對(duì)它的干擾，對(duì)于提高可靠性和濾除光噪聲至關(guān)重要。模塊內(nèi)含紅外線PIN接收管、前置放大器和解調(diào)器。當(dāng)紅外線發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)空間傳送到TSOP18××系列模塊時(shí)，模塊內(nèi)部的PIN紅外線將紅外光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)前置放大、解調(diào)后由3腳輸出與TTL電平兼容的電信號(hào)，該信號(hào)能直接送入到微控器等要求TTL電平信號(hào)輸入的芯片中。圖12.13是TSOP18××系列模塊的輸入/輸出波形圖。圖12.13紅外接收頭輸入/輸出波形圖

3.?TSOP18××與單片機(jī)的接口

TSOP18××與單片機(jī)的接口如圖12.14所示。接收管輸出接到單片機(jī)的串口輸入端(RXD)。圖12.14TSOP18××與單片機(jī)的接口 12.4無(wú)線通信模塊nRF905

1.引腳功能

nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻芯片，工作電壓為1.9V～3.6V，工作于433/868/915MHz3個(gè)ISM頻道，片內(nèi)集成了電源管理器、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器和功率放大器等模塊，可以自動(dòng)完成字頭處理和CRC校驗(yàn)，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與CPU通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，在接收模式時(shí)電流為12.5mA，在待機(jī)模式時(shí)電流為40μA，在掉電模式時(shí)電流為2.5μA。nRF905傳輸數(shù)據(jù)時(shí)為非實(shí)時(shí)方式，即發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)，接收端收到后先暫存于芯片存儲(chǔ)器內(nèi)，MCU可以在需要時(shí)再到芯片中去取。nRF905采用32引腳的QFN封裝，引腳圖如圖12.15所示。圖12.15nRF905引腳圖引腳功能如表12.3所示。表12.3nRF905引腳功能

2.工作模式

nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstRX接收模式和ShockBurstTX發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個(gè)引腳決定，如表12.4所示。表12.4nRF905的工作模式

nRF905數(shù)據(jù)發(fā)送的典型流程分為以下幾步：

(1)當(dāng)CPU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過(guò)SPI接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí)確定。

(2)?CPU置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)nRF905的ShockBurstTX發(fā)送模式。

(3)?nRF905的ShockBurstTX發(fā)送，即射頻寄存器自動(dòng)開(kāi)啟，數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)，發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成時(shí)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高。

(4)?AUTO_RETRAN被置高，nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低。

(5)當(dāng)TRX_CE被置低時(shí)，nRF905發(fā)送過(guò)程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。

一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程開(kāi)始，無(wú)論TRX_CE和TX_EN引腳是高或低，發(fā)送過(guò)程都會(huì)被處理完。只有在前一個(gè)數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，才能接收下一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖12.16所示。圖12.16發(fā)送程序流程圖

nRF905數(shù)據(jù)接收的典型流程分以下幾步：

(1)當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為低時(shí)，nRF905進(jìn)入ShockBurstRX接收模式。

(2)?650μs后，nRF905不斷監(jiān)測(cè)，等待接收數(shù)據(jù)。

(3)當(dāng)nRF905檢測(cè)到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測(cè)(CD)引腳被置高。

(4)當(dāng)接收到一個(gè)相匹配的地址時(shí)，地址匹配(AM)引腳被置高。

(5)當(dāng)nRF905接收到一個(gè)有效數(shù)據(jù)包(CRC校驗(yàn)正確)時(shí)，nRF905自動(dòng)去掉字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)引腳置高。

(6)?CPU把TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入空閑模式。

(7)?CPU可以通過(guò)SPI口，以一定的速率讀出數(shù)據(jù)。

(8)當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把DR引腳和AM引腳置低。

(9)?nRF905可以進(jìn)入ShockBurstRX接收模式、ShockBurstTX發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。

接收數(shù)據(jù)流程如圖12.17所示。圖12.17接收程序流程圖

3.?SPI寄存器配置

nRF905的所有配置都是通過(guò)SPI接口進(jìn)行的。SIP接口的工作方式可通過(guò)SPI指令進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)nRF905處于空閑模式或關(guān)機(jī)模式時(shí)，SPI接口可以保持在工作狀態(tài)。

SPI接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器