【正文】 編程I/O口線，每個(gè)I/O都可以獨(dú)立或聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)操作，而且PI端口的高三位第二功能為ISP編程，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)調(diào)試；三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器2也可以作為串口波特率的產(chǎn)生；八個(gè)中斷源，分為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，可軟件設(shè)置；一個(gè)全雙工通用異步接收發(fā)送數(shù)據(jù)借口，以便與外設(shè)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信；有低功耗空閑和掉電模式，掉點(diǎn)后可由中斷喚醒，可設(shè)置掉電標(biāo)識(shí)符；寬工作電壓范圍，~，與TTL電平和CMOS電平兼容；總之，AT89系列單片機(jī)與MCS51系列單片機(jī)相比，前者和后者有兼容性，但前者的性能價(jià)格比等指標(biāo)更為優(yōu)越。因此，選用AT89S52單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測系統(tǒng)的功能，下圖為該單片機(jī)的DIP40封裝外觀和引腳功能：圖21 單片機(jī)的引腳圖根據(jù)單片機(jī)的推薦外圍電路，復(fù)位（10K電阻，10uf電容）、晶振（12MHZ，電容22pf）電路設(shè)計(jì)如上圖所示：圖22 單片機(jī)復(fù)位電路圖23 單片機(jī)晶振電路 傳感器的選用 初期設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的初期構(gòu)想是用一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)濕度傳感器來檢測環(huán)境中的溫度和濕度參數(shù)，其中溫度傳感器選用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器選用數(shù)字式濕度傳感器SHT11，則檢測部分功能框圖如下：圖24 傳感器初期設(shè)計(jì)方案比較DS18B20和SHT11,這兩個(gè)傳感器的通信都比較復(fù)雜，具體過程為：主機(jī)發(fā)起通信、傳感器確認(rèn)通信、主機(jī)給傳感器寫命令字、傳感器給主機(jī)發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，且SHT11還要求外部輸入串行時(shí)鐘信號(hào)。這種通信的復(fù)雜，不僅體現(xiàn)在硬件電路的設(shè)計(jì)上，而且體現(xiàn)在程序的設(shè)計(jì)上，并且串行通信對(duì)時(shí)序要求比較嚴(yán)格，這樣對(duì)單片機(jī)來說將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，何況單片機(jī)還要進(jìn)行其他的后續(xù)控制處理。除此之外，這兩大傳感器的價(jià)格都不菲，DS18B20在8元左右，而SHT11則在50元左右，這對(duì)支付能力也是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。因此，這種方案不可取，必須尋求其他的傳感器解決方案，從而簡化硬件電路和程序設(shè)計(jì)，讓單片機(jī)有更多的內(nèi)外部資源來處理后續(xù)操作。 最佳方案后期采用單總線數(shù)字溫濕度傳感器DHT11。這款傳感器由廣州奧松電子科技有限公司研發(fā)，與單片機(jī)的通信十分簡潔方便，無需外接時(shí)鐘信號(hào)，通信如下：圖25 單總線數(shù)字溫濕度傳感器DHT11與單片機(jī)通信除此之外，它還有很多突出的優(yōu)點(diǎn):（1）溫濕度傳感器的一體化結(jié)構(gòu)能同時(shí)對(duì)相對(duì)濕度和溫度進(jìn)行測量，并以數(shù)字信號(hào)輸出，從而減少用戶對(duì)信號(hào)的預(yù)處理負(fù)擔(dān)；（2）獨(dú)特的單總線數(shù)據(jù)傳輸線協(xié)議使得讀取傳感器更加便捷，而且還有全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)字節(jié)，編碼方式為8位二進(jìn)制數(shù)；（3）40位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出，高位先出，格式為：濕度整數(shù)部分8位，小數(shù)部分8位；溫度整數(shù)部分8位，小數(shù)部分8位，最后8位為校驗(yàn)字節(jié)，為前32位數(shù)據(jù)的和。（4）寬工作電壓，幾乎與AT89S52的電壓相同，為3~，而且功耗較低。其簡要的性能參數(shù)如下表所示；表21 溫濕度傳感器DHT11性能參數(shù)從表中可以看出，它的測量范圍較小，但對(duì)實(shí)驗(yàn)或民用已經(jīng)足夠了，如果要工業(yè)使用的話，可選用該公司的同類工業(yè)級(jí)產(chǎn)品AM323，~+，~%RH,并且可以和DHT11完全互換。 電路設(shè)計(jì) 按照說明書的要求，DHT11與單片機(jī)的連接距離小于20米時(shí)，需要在VCC和DATA引腳之間接一個(gè)5K左右的電阻，因此電路設(shè)計(jì)如下：圖26 溫濕度傳感器DHT11與單片機(jī)連接電路 至此，傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)完成，另一部分的工作就是編程問題，在下一章節(jié)介紹。 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 數(shù)碼管的選用 由于溫濕度傳感器DHT11 測溫范圍為0～50℃，測濕范圍為20～90%RH，溫度和濕度都是兩位數(shù)據(jù)，因此可以用兩個(gè)兩位一體的數(shù)碼管來顯示溫濕度數(shù)據(jù)，共陰極或共陽極都可以，本設(shè)計(jì)中選用兩個(gè)型號(hào)為FJS5202FH 型共陽極紅色兩位一體的數(shù)碼管。 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)有兩種方案，一種是靜態(tài)驅(qū)動(dòng)，即四位數(shù)碼管的段選信號(hào)和位選信號(hào)，分別接入控制器的端口，需要84+4=36 個(gè)端口；另一種是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，段選信號(hào)線公用，而位選信號(hào)分開控制，需要8+4=12 個(gè)端口。考慮到單片機(jī)可用的I/O 引腳只有32 個(gè)，為不擴(kuò)展引腳而外加芯片，因此采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式較合理。數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路一般也有兩種設(shè)計(jì)方案，一種是使用八D 鎖存芯片74HC373或74LS373 鎖存驅(qū)動(dòng)，另一種是用三極管放大驅(qū)動(dòng)。市場上74HC373 芯片較74LS373 芯片價(jià)格便宜也為2 元左右一塊， 元左右，四個(gè)三極管共8 角錢，相對(duì)來說比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此選用后一種方案。而相關(guān)器件電氣參數(shù)為： （1）紅色共陽極數(shù)碼管（實(shí)際上是八個(gè)并聯(lián)的紅色LED）～，最大工作電流為20mA8=160mA。 （2）單片機(jī)每個(gè)引腳灌電流（外部電流流入單片機(jī)）大約為24mA，拉電流（單片機(jī)電流流入外設(shè)）小于1mA。根據(jù)這兩項(xiàng)參數(shù)，初步確定三極管選用90 系列PNP 型，用集電極接數(shù)碼管位選引腳，基極用電阻限流后接單片機(jī)引腳予以位選控制。再考慮數(shù)碼管電流的限定，符合要求的三極管只有8550 和9012，其簡要參數(shù)見下表： 可選三極管參數(shù)由表可以看出，8550的電流和功率都很大，既浪費(fèi)資源又不利于降低系統(tǒng)功耗，因此選用9012較為合適。因此，這部分的電路設(shè)計(jì)如下： 數(shù)碼管段選信號(hào)與單片機(jī)連接電路 數(shù)碼管位選信號(hào)與單片機(jī)連接電路用單片機(jī)P0 端口作為數(shù)碼管段選信號(hào)，P2 端口的高四位作為位選信號(hào)，四個(gè)電阻的粗略大小為：R=(VCCVEB)/Ib=（）/1mA=，可選用E24 。本設(shè)計(jì)需要指示一種溫濕度正常狀態(tài)、一種數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)和四種超限報(bào)警狀態(tài)，即溫度超下限，溫度超上限，濕度超下限，濕度超上限，可采用簡單的聲（蜂鳴器）光（LED）報(bào)警電路。LED 顏色和狀態(tài)及蜂鳴器狀態(tài)分配如下表所示： 報(bào)警指示狀態(tài)分配注：“——”表示LED 熄滅或蜂鳴器無聲。 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)蜂鳴器的參數(shù)：～，電流20～80mA，電阻6～8Ω 知，可用選用集成放大芯片LM386 驅(qū)動(dòng)，但更經(jīng)濟(jì)的是用一個(gè)三極管9012 或8550 驅(qū)動(dòng)即可，電路如圖所示： 蜂鳴器報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路 LED驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)LED 的參數(shù)：～，電流10～20mA，則可用一電阻對(duì)電源進(jìn)行下拉，限流分壓后，LED 陰極接入單片機(jī)予以控制，電阻阻值大約為：R=(VCCVLED)/I=()/10mA=350Ω，選用330Ω 或360Ω 的電阻即可，具體電路如下圖所示： 報(bào)警LED驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)的控制輸入部分為簡單的三個(gè)按鍵，由于單片機(jī)默認(rèn)狀態(tài)下端口引腳為高電平，可以接上按鍵與地相連，單片機(jī)檢測按鍵端口的電平情況來決定是否有按鍵按下和哪個(gè)按鍵被按下，抖動(dòng)問題采用軟件延時(shí)方式，減少硬件電路設(shè)計(jì)，電路如圖所示： 控制輸入按鍵連接電路經(jīng)過上述對(duì)各個(gè)模塊的分布設(shè)計(jì)，現(xiàn)在可給出系統(tǒng)主體部分的原理總圖。 系統(tǒng)主體部分原理總圖考慮到 PCB 設(shè)計(jì)單面板布線的可行性，單片機(jī)的外部資源（端口引腳）分配按下進(jìn)行：傳感器DHT11 數(shù)據(jù)線——P11；蜂鳴器HXD 驅(qū)動(dòng)三極管基極——P10；程序調(diào)試ISP 插座——P1P1P17；按鍵KEY3——P3P3P35。串口RXD、TXD——PP31；數(shù)碼管段選信號(hào)、位選信號(hào)——P0、P2P2P2P26；LED 綠、黃、紅——P2P2P20。 串口通信電路設(shè)計(jì)單片機(jī)AT89S52 有一個(gè)全雙工的UART 接口，即RXD()和TXD ()，因此可以用來和上層設(shè)備如PC 通信，但是由于PC 的串口使用RS232 電平通信協(xié)議，而單片機(jī)使用TTL 電平通信協(xié)議，這兩種電平的特點(diǎn)見下表： RS232和TTL電平標(biāo)準(zhǔn)比較比較兩表，可以看出RS232 電平和TTL 電平并不兼容，為使單片機(jī)和PC 通信，必須先轉(zhuǎn)換電平，可采用新型集成芯片MAX232 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送轉(zhuǎn)換和接收轉(zhuǎn)換的雙重功能，依據(jù)芯片手冊上的推薦電路，經(jīng)合理簡化后設(shè)計(jì)的串口發(fā)送數(shù)據(jù)部分電路為： 通信串口電路其中J1 與單片機(jī)串口相連，J2 經(jīng)針腳到插孔的RS232 數(shù)據(jù)線與電腦相連，即可實(shí)現(xiàn)電腦和單片機(jī)的全雙工通信。 穩(wěn)定電源電路設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)供電要求多樣化，除了交流220V 的市電是必用的外，還應(yīng)該具備其他供電要求，如太陽能電池，各種安全直流電壓源等，而且還應(yīng)該有一定的蓄電能力。考慮到市電電壓太高且為正弦變化，而太陽能電池輸出電壓不穩(wěn)定等問題，必須要對(duì)市電進(jìn)行降壓，對(duì)變動(dòng)的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，而單片機(jī)系統(tǒng)的電壓要求在5V 左右，因此，可考慮用集成穩(wěn)壓模塊LM7805 進(jìn)行終端穩(wěn)壓。LM7805 是三端正5V 電源穩(wěn)壓器件，輸入電壓為直流5～24V，～，有電流限制、熱過載保護(hù)和短路保護(hù)功能，確保輸出電壓正常穩(wěn)定。具體電路設(shè)計(jì)如下： 穩(wěn)壓電源電路該電路有四個(gè)電源插座，其中J1 為市電AC220V 供電輸入，J2 為太陽能電池或其他輸出直流為5～24V 的電壓源的輸入，J3 為充電輸出接口，可為充電電池（4 只）恒流充電，J4 為系統(tǒng)供電+5V 電壓輸出端口，由此接到系統(tǒng)的電源端。當(dāng)用市電供電時(shí)，先經(jīng)過220V/12V 的變壓器T1 把電壓降低至有效值為12V的交流電，再用電橋BR1 進(jìn)行全波整流為有效值12V（）的脈動(dòng)電壓，然后前置電容EC1 和C1 濾波，經(jīng)LM7805 穩(wěn)壓并后置電容C2 濾波，輸出大約為穩(wěn)定的+5V 直流電，一部分為系統(tǒng)供電，另一部分為電池充電，通過調(diào)節(jié)電位器CR1 可調(diào)整充電電流，給不同的電池充電。 LED1 為電源指示燈。當(dāng)用太陽能電池等輸出為直流電的電源設(shè)備時(shí)，直接接入J2 端口，亦可為系統(tǒng)供電。使用這種設(shè)計(jì)，可以確保系統(tǒng)有較寬的工作電壓，并且可以存儲(chǔ)少量電能，從而達(dá)到在不同場合供電的目的。 系統(tǒng)三大部分的PCB設(shè)計(jì)在Protel99 中新建設(shè)計(jì)文檔，根據(jù)以上分析，畫出系統(tǒng)主體部分、串口通信部分和電源部分的原理圖，并選擇合適的封裝外形，設(shè)計(jì)相應(yīng)的PCB 圖。三部分的PCB 圖及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題簡要介紹如下： 系統(tǒng)主體部分PCB設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主體PCB圖設(shè)計(jì)要求：（1）傳感器的安裝位置傳感器必須安置在PCB 的邊緣位置，不僅應(yīng)確保沒有發(fā)熱吸濕的器件在其附近，而且傳感器的感溫感濕柵窗應(yīng)朝向外部，否則可能會(huì)影響傳感器對(duì)外部環(huán)境中溫濕度的測量， 左下角的插座J2 即為傳感器的安裝位置。（2）數(shù)碼管的布線不僅數(shù)碼管的引腳較多，與單片機(jī)的連線也較多，而且制作實(shí)驗(yàn)硬件使用的是單面板，只能在底面布線，因此，在布線的時(shí)候應(yīng)該綜合考慮三方（單片機(jī)、數(shù)碼管和單面實(shí)驗(yàn)板）的特點(diǎn)，選擇合理的布線方案。為保證多在底面布線，本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)碼管采用變碼布線，即數(shù)碼管a～Dp 段并沒有和單片機(jī)P00～P07 一一對(duì)應(yīng)，而且位選信號(hào)線和部分段選信號(hào)線在頂面布線， 所示，其中DG1 和DG2 為數(shù)碼管。（3）電源開關(guān)、插頭插座和按鍵的位置電源開關(guān)、插頭插座和按鍵是經(jīng)常使用的器件，為方便操作，需要安裝在邊緣位置，和其他元件的距離不應(yīng)過小。 中的SWJJKEYR、KEY1～KEY3 以及ISP1 等。（4）單片機(jī)的位置單片機(jī)是系統(tǒng)的核心，為了便于安裝和更換，單片機(jī)的周圍不應(yīng)放置過多元件，留有余地。（5）布線要求布線不應(yīng)過密，特別是DIP 封裝的元件，引腳之間禁止布線，否則可能導(dǎo)致連線短路或信號(hào)相互干擾。 串口通訊PCB設(shè)計(jì) 串口通信部分PCB圖設(shè)計(jì)要求：（1）芯片安裝位置芯片U1 的凹槽朝向J2，便于和J2 連線。（2）電容封裝選擇由于電容C4 引腳間有布線，封裝應(yīng)選用中間可布一線的外形，或把引腳間距較小的間距拉大，確?？刹家痪€。（3）J2 的焊盤尺寸J2 的兩端的固定焊盤應(yīng)適當(dāng)加大，以增強(qiáng)焊接力。因?yàn)榇诓孱^較大，而且會(huì)有頻繁的插拔，若固定焊盤過小，可能出現(xiàn)松動(dòng)。 電源部分PCB圖設(shè)計(jì)要求：（1）高壓部分J1 為AC220V 的插頭，T1 為AC220V/12V 的變壓器，這兩個(gè)器件在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮安全問題。J1 的引腳間距應(yīng)加大，T1 的輸入輸出線應(yīng)適當(dāng)加粗，確保高壓隔離和大電流散熱良好。（2）穩(wěn)壓器件的位置當(dāng)LM7805 工作電壓高于5V 時(shí)，會(huì)有較大熱量產(chǎn)生，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)放在PCB 邊緣通風(fēng)散熱良好的地方，并且散熱片朝向外部。根據(jù)上述三部分的PCB 圖，用萬用板和相應(yīng)元器件焊接制作實(shí)驗(yàn)硬件，依據(jù)設(shè)計(jì)用細(xì)裸導(dǎo)線布線，完成三部分硬件的制作。第三章 程序的設(shè)計(jì)本章依據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的的硬件，選用合適的語言給每一個(gè)模塊設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，最后綜合編譯，生成下載文件。程序文檔由傳感器通信、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描、LED和蜂鳴器報(bào)警、按鍵輸入檢測和串口發(fā)送數(shù)據(jù)五個(gè)部分組成。 程序功能描述、單片機(jī)內(nèi)部資源分配和程序流程圖 程序功能描述程序設(shè)計(jì)的目的是控制單片機(jī)引腳的電平變化，從而控制相應(yīng)外圍電路按照要求工作，這些控制包括單總線溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描顯示、LED 和蜂鳴器的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)報(bào)警、按鍵信號(hào)檢測和串口數(shù)據(jù)發(fā)送，并且這些控制必須保持協(xié)調(diào)統(tǒng)一、可靠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求功能。 單片機(jī)內(nèi)部資源分配——兩個(gè)定時(shí)器的分工數(shù)碼管的顯示在本系統(tǒng)中為關(guān)鍵部分，它的顯示有連續(xù)性（掃描兩位之間時(shí)間差不能過大，否則會(huì)斷續(xù)顯示）和暫留性（每一位顯示的停留時(shí)間不能過短，否則亮度不高），因此采用默認(rèn)中斷優(yōu)先級(jí)較高的定時(shí)器0 進(jìn)行中斷動(dòng)態(tài)掃描，掃描時(shí)間定為1 毫秒。報(bào)警LED 和蜂鳴器的狀態(tài)變化也應(yīng)該有實(shí)時(shí)性，否則會(huì)出現(xiàn)報(bào)警滯后的問題，因此用定時(shí)器1 進(jìn)行中斷報(bào)警掃描，蜂鳴器的響聲用最簡單的“滴滴”聲響，采用頻率為5Hz 的方波，而LED 的閃爍也同步進(jìn)行，掃描時(shí)間定為100 微妙。此外，在串口發(fā)送數(shù)據(jù)期間，由于單片機(jī)本身要求，定時(shí)