【正文】 圖 溫度自動控制 系統(tǒng)原理框圖 AT89C2051 鍵盤 數(shù)碼管 功率驅(qū)動 加熱裝置 DS18B20 畢 業(yè) 論 文 正 文 第 6頁 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制 第 2章 系統(tǒng)硬件各功能模塊的設(shè)計 主控模塊的設(shè)計 單片機 的選擇 由于本設(shè)計所要完成的功能并不是特別強大，而且對硬件的控制IO 口數(shù)量要求也不是很多，同時要求有較低的成本控制。因此本設(shè)計打算使用比較常用的 一款單片機那就是 AT89C2051。因為它能滿足以上的要求，同時它的開發(fā)環(huán)境也比較成熟。以下是這款單片機的介紹： AT89C2051 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 2K 在系可編程 Flash 存儲器。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使 AT89C2051 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。 AT89C2051 具有以下標(biāo)準功能： 2k 字節(jié) Flash， 128 字節(jié) RAM， 15 位I/O 口線， 2 個數(shù)據(jù)指針， 兩 個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片 外 晶振及時鐘電路。另外， AT89C2051 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯 操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 AT89C2051 的廣泛使用使得市面價格較 815 825 8279 要低，所以說用它是比較經(jīng)濟的。該芯片具有如下功能：①有 15 個通用用的 IO接口；②有 1 個全雙工異步串行通信接口；③有 2 個 16 位定時 /計數(shù)器。畢 業(yè) 論 文 正 文 第 7頁 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制 這樣， 1 個 AT89C52，承擔(dān)了 2 個 專用接口芯片的工作；不僅使成本大大下降，而且優(yōu)化了硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計，給用戶帶來許多方便。 AT89C2051有 20 個引腳，有 15 個輸入端口（ I/O），有 2 個讀寫口線，可 以反復(fù)插除。所以可以降低成本 [1]。 其主要工作特性為： ? 內(nèi)含 2KB 的 Flash 存儲器，擦寫次數(shù)達 1000 次； ? 內(nèi)含 128 字節(jié)的 RAM； ? 具有 16 根可編程 I/O 線； ? 具有 2 個 16 位可編程定時器； ? 具有 6 個中斷源、 5 個中斷矢量、 2 級優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)； ? 具有 1 個全雙工的可編程串行通信接口； ? 具有 1 個數(shù)據(jù)指針 DPTR； ? 兩種低功耗工作模式，即空閑模 式和掉電模式； ? 具有可編程的 3 級程序鎖定位； ? 工作電源電壓為 5177。 ，典型值為 5V； ? 最高工作頻率為 24MHz。 ? 引腳排列如圖 21 所示。 圖 21 AT89C2051 引腳排列（ PDIP） 畢 業(yè) 論 文 正 文 第 8頁 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制 溫度傳感器的選擇 本設(shè)計的溫度傳感器采用的是 DALLAS 公司的 DS18B20 傳感器元件原因有它比常用的熱電偶傳感器有以下好處：它與熱電偶相比少去了一個A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）從而使電路有了很大的簡化。同時本電路的溫度測量范圍比較小此器件可以滿足，同時此器件的測量精度比較高基本能滿足本設(shè)計的 要求。 DS18B20 的簡介如下： DS18B20 原理與特性 ： 本系統(tǒng)采用了 DS18B20 單總線可編程溫度傳感器 ,來實現(xiàn)對溫度的采集和轉(zhuǎn)換，大大簡化了電路的復(fù)雜度，以及算法的要求。首先來介紹一下 DS18B20 這塊傳感器的特性及其功能 : DSl8B20的管腳及特點 DS18B20 可編程溫度傳感器有 3 個管腳。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、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的外形及 管腳排列如圖 所示 。 畢 業(yè) 論 文 正 文 第 9頁 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制 圖 DS18B20 的外形及管腳 圖 GND 為接 地線， DQ 為數(shù)據(jù)輸入輸出接口，通過一個較弱的上拉電阻與單片機相連。 VDD 為電源接口，既可由數(shù)據(jù)線提供電源，又可由外部提供電源，范圍 3． O～ V。本文使用外部電源供電。 主要特點有： 1. 用戶可自設(shè)定報警上下限溫度值。 2. 不需要外部組件，能測量－ 55～ +125℃ 范圍內(nèi)的溫度。 3. － 10℃ ～ +85℃ 范圍內(nèi)的測溫準確度為 177。0 ． 5℃ 。 4. 通過編程可實現(xiàn) 9～ l2 位的數(shù)字讀數(shù)方式，可在至多 750 ms 內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換成 12 位的數(shù)字，測溫分辨率可達 0． 0625℃ 。 5. 獨特的單總線接口方式，與微處理器連接時僅 需要一條線即可實現(xiàn)與微處理器雙向通訊。 6. 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以 一線總線 串行傳送給 CPU，畢 業(yè) 論 文 正 文 第 10頁 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制 同時可傳送 CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力 。 7. 負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 8. DS18B20 支持多點組網(wǎng) 的 功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫 [2]。 DS18B20 內(nèi)部功能模塊 如 圖 所示， 圖 DS18B20 內(nèi)部功能模塊 DS18B20 的 工作原理 : DS18B20 的讀寫時序和測溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的 位數(shù)因分辨率不同 DS18B20 為 9 位～ 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度， 而 DS1820為 9 位 A/D 轉(zhuǎn)換 ,雖然我們采用了高精度的芯片 ,但在實際情況上由于技術(shù)問題比較難實現(xiàn) ,而實際 精度此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器 1 的預(yù)置值。且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由 2s 減為 750ms。 DS18B20 測溫原理如圖 所示。 畢 業(yè) 論 文 正 文 第 11 頁 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制 圖 DS18B20 的測溫原理框圖 圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計 數(shù)器 1。 則 高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2 的脈沖輸入。計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃ 所對應(yīng)的 。 一個基數(shù)值 時 。計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生脈沖信號 ， 進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直 到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值 。 DS18B20 使用中注意事項 DS18B20 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中 也應(yīng)注意以下幾方面的問題： 1) 較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償，由于 DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 DS18B20 進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用 PL/M、 C等高級語言進行系統(tǒng)程序設(shè)計時，對 DS18B20 操作部分最好采用匯編語畢 業(yè) 論 文 正 文 第 12頁 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制 言實現(xiàn)。 2) 在 DS18B20的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS18B20數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個 DS18B20，在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛 DS18B20 超過 8 個時，就需要解決微處理 器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。 3) 連接 DS18B20 的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS18B20 進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 在 DS18B20 測溫程序設(shè)計中，向 DS18B20 發(fā) 出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序要等待 DS18B20 的返回信號，一旦某個 DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS18B20 時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。測溫電纜線采用屏蔽 4 芯雙絞線，其中 有 一對接地線與信號線，另一組接 VCC 和地線 。 復(fù)位和時鐘電路的設(shè)計 本系統(tǒng)中采用上電復(fù)位和手動復(fù)位鍵復(fù)位相結(jié)合的方式。系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計采用內(nèi)部方式。 AT89C2051 內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器構(gòu) 成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻率為 11． 0592MHz。采用這種頻率的晶體振蕩器的原因是可以方便的獲得標(biāo)準的波特率 ，為以畢 業(yè) 論 文 正 文 第 13頁 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制 后的升級留下空間。 復(fù)位電路和時鐘電路如圖 25 所示。 復(fù)位電路有上電自動復(fù)位和按鈕手動復(fù)位兩種。上電復(fù)位是利用電容充電來實現(xiàn)的，上電瞬間 RST/VPD 端的電位與 VCC 相同，隨著充電電流的減少， RST/VPD的電位逐漸下降，圖 中的 10K 的電阻是施密特觸發(fā)器輸入端的一個下拉電阻，時間常數(shù)為 10*106*10*103s=100ms,只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms，振蕩器建立時間不超過 10ms,這個時間常數(shù)足以保證完成復(fù)位操作 [6]。上電復(fù)位所需最短時間是震蕩周期建立時間加上 2 個機器周期時間。按鈕復(fù)位采用電平復(fù)位方式，按下復(fù)位電鈕時，電源對外接電容充電，使 RST/VPD 端為高電平，復(fù)位按鈕松開后，電容通過內(nèi)部下拉電阻放電，逐漸使 RST/VPD 端恢復(fù)低電平。 Y111.0592MC 36 3 0PC 37 3 0PS W 1*R 131 0K+ C 35V C CE A /V P31X119X218R E S E T9RD17WR16IN T 012IN T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P