【文章內容簡介】 器、 學士學位論文 7 暫存器 1 和暫存器 2 等部件，運算器的功能是進行算術運算和邏輯運算。 b. 控制器電路 控制器電路包括程序計數(shù)器 PC、 PC 加 1 寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針 DPTR、堆棧指針 SP、緩沖器以及定時與控制電路等?？刂齐娐吠瓿芍笓]控制工作，協(xié)調單片機各部分正常工作。 c. 定時器 /計數(shù)器 定時 /計數(shù)器就相當于一個方便的鬧鐘，主要用于單片機硬件的定時或者計數(shù)。典型的 8051 單片機有兩個 16 位的可編程定時器 /計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或者計數(shù)兩種功能。通過定時器 /計數(shù)器可以為串口通信組件提供波特率的計量，也可以產生相應的中斷控制程序的轉向。 d. 存儲器 存儲器包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，其主 要特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間是相互獨立的，物理結構也不相同。 e. 并行 I/O 口 MCS－ 52 單片機共有 4 個 8 位的 I/O 口（ P0、 P P2 和 P3），每一條 I/O 線都能獨立地用作輸入或輸出。 P0 口為三態(tài)雙向口，能帶 8 個 TTL 門電路， P P2 和 P3 口為準雙向口，負載能力為 4 個 TTL 門電路。 f. 串行 I/O 口 MCS－ 521 單片機具有一個采用通用異步工作方式的全雙工串行通信接口，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 g. 中斷控制系統(tǒng) 中斷系統(tǒng)式一種應急響應的系統(tǒng)。典型的 8051 單片機提供了兩個 外部中斷、兩個定時 /計數(shù)器中斷和一個串行中斷。中斷系統(tǒng)統(tǒng)一管理所有的中斷源的響應，同時這些中斷源提供了 2 級的優(yōu)先級別供選擇 [2]。 h. 時鐘振蕩電路 時鐘振蕩電路為單片機指令的執(zhí)行提供了一個統(tǒng)一的步調。典型的 8051 單片機內置了時鐘振蕩電路，只需外接一個無源晶振和振蕩電容便可以工作。時鐘振蕩電路產生的時鐘，是供整個單片機運行的脈沖時序。當然，單片機還提供了靈活的外部時鐘源工作方式。 學士學位論文 8 以上所有部分都是通過總線連接起來，從而構成一個完整的單片機。系統(tǒng)的地址信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號都是通過總線傳送 的，總線結構減少了單片機的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。 選用單片機的結構： 1 一個 8 位算術邏輯單元 2 32 個 I/O 口 4 組 8 位端口可單獨尋址 3 兩個 16 位定時計數(shù)器 4 全雙工串行通信 5 6 個中斷源兩個中斷優(yōu)先級 6 128 字節(jié)內置 RAM 7 獨立的 64K 字節(jié)可尋址數(shù)據(jù)和代碼區(qū) 每個 8051 處理周期包括 12 個振蕩周期，每 12 個振蕩周期用來完成一項操作。如取指令和計算指令執(zhí)行時間，可把時鐘頻率除以 12 取倒數(shù)，然后指令執(zhí)行所須的周期數(shù)。因此如果你的系統(tǒng)時 鐘是 ， 除以 12 后就得到了每秒執(zhí)行的指令個數(shù)為921583 條，指令取倒數(shù)將得到每條指令所須的時間 。 單片機外圍電路設計 本次設計采用的是一個種高性能、功耗低 CMOS 8 位的單片機 AT89C51，片內包含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000 次的 Flash只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及80C51 引腳結構，芯片內集成了通用 8 位中 央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89C51 可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89C51 具有如下特點： 40 個引腳， 4k Bytes Flash 片內程序存儲器， 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷，看門狗（ WDT）電路， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩器。 另外， AT89C51 中還配置和設計了振蕩頻率，可通過軟件設置到省電模式。空閑模式下， CPU暫停 工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存 RAM 中的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直到外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還采用了其他三種封裝形式即： PDIP、 TQFP 和 PLCC 等。微型處理器的基 學士學位論文 9 本功能都綜合在了 AT89C51 中。 當溫度傳感器的信號送達至 AT89C51 芯片時，部程序將依據(jù)送達信號的類型進行處理，并將處理結果送達顯示模塊、報警模塊、語音播報模塊。并且發(fā)送控制信號控制各個模塊。模塊在硬件設計方面上，外圍電路提供能使其工作的晶振脈沖和復位按鍵，四個 I/O 口分別用于外圍設 備的連接。單片機 AT89C51 的 I/O 端口具體分配與下表 : 表 AT89C51 的 I/O 端口 具體 分配 AT89C51的 IO端口 外接點 語音芯片播音地址端口 LCD 地址顯示端 DS18b20 通道 連接鍵盤控制端口 DS1302 開始播音口 LCD 讀 /寫選擇端 LCD 數(shù)據(jù) /命令端 LCD 使能端 AT89C51 復位電路 任何微機系統(tǒng)執(zhí)行的 第一步都是系統(tǒng)復位，其作用是使整個控制芯片回到默認的硬件狀態(tài)下即：單片機的片內電路初始化過程。也就是使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。 AT89C51 的復位過程是通過外部的復位電路實現(xiàn)的。復位引腳 RST 通過一個施密特觸發(fā)器與復位電路相連結，施密特觸發(fā)器作用是用來抑制噪聲，復位電路通常采用兩種方式：上電自動復位、按鈕復位。 手動復位：人為的在復位輸入端加上高電平讓使系統(tǒng)復位得方法即為手動復位。一般方法是利用一個在 RST 端和正電源 VCC 之間的按鍵，當按下按鍵時， VCC 和 RST端接通， RST 引腳處高電平，按鍵動作時 間一般是數(shù)十毫秒，大于兩個機器周期的時間，能夠安全的使系統(tǒng)復位。 上電復位：上電復位電路屬于簡單的復位電路，需要在 RST 復位引腳接一個電容到 VCC 上，接一個電阻到地就可以了。上電復位作用是在給系統(tǒng)上電時，復位電路通 學士學位論文 10 過電容加到 RST 復位引腳一個短暫的高電平信號，這個復位信號會隨著 VCC 對電容的充電過程而回落，所以電容的充電時間決定 RST 引腳復位的高電平維持時間。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復位， RST 引腳的高電平信號必須維持足夠長的時間。 在本設計中復位電路的設計是采用簡單、用得比較廣泛的復位電路接法，如圖 所 示，它具有按鍵復位和上電復位的雙重復位功能。 圖 復位電路 AT89C51 時鐘電路 時鐘的作用相當于單片機的心臟，單片機各功能部件的運行工作狀況都是以時鐘頻率為基準，有條不紊的按照給定的時鐘頻率工作。所以，時鐘頻率直接影響得是單片機的工作速度，單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性也取決于時鐘電路的質量。常用的時鐘電路有兩種方式：一種是內部時鐘方式，另外一種是外部時鐘方式。本文用的是內部時鐘方式。電路圖 所示： 學士學位論文 11 圖 時鐘電路 AT89C51 單片機內部有一個用于構成高增益反相放大器的振蕩器， 這個高增益反向放大器的輸入端芯片引腳為 XTAL1，輸出端引腳為 XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容，就構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 溫度傳感器模塊 本模塊主要作用是進行溫度采集，然后 AT89C51 進行分析處理采集到的數(shù)據(jù)。本次設計中采用了 DS18B20 作為溫度數(shù)據(jù)采集器，它的精度可以精確到 ，完全可以用來進行環(huán)境溫度的測量和采集。 DS18B20 是美國 DALLAS 公司生產的單總線數(shù)字溫度傳感器 ,其作用是可把溫度信號直接轉換成串行數(shù)字信號供微處理器處理 ,而且可以在一條總線上掛接 任意多個 DS18B20 芯片 ,構成多點溫度檢測系統(tǒng)無需任何外加硬件。 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器可提供 9～ 12 位溫度讀數(shù) ,讀取或寫入 DS18B20 的信息僅需一根總線 ,總線本身可以向所有掛接的 DS18B20 芯片提供電源 ,而不需額外的電源。由 DS18B20 這一特點 ,非常適合于多點溫度檢測系統(tǒng) ,硬件結構簡單 ,方便聯(lián)網(wǎng) ,在倉儲管理、工農業(yè)生產制造、氣象觀測、科學研究以及日常生活中被廣泛應用 [1]。 DS18B20 的測溫原理 DS18B20 內有一個能直接轉化為數(shù)字量的溫度傳感器 ,其分辨率 9,10 ,11 ,12bit 并且可編程 ,通過設置內部配置寄存器來選擇溫度的轉換精度 ,出廠時默認設置 12bit。溫度的轉換精度有 ℃、 ℃、 ℃、 ℃ 。溫度轉換后以 16bit 格式存入便箋式 RAM,可以用讀便箋式 RAM 命令 (BEH) 通過 1 Wire 接口讀取溫度信息 ,數(shù)據(jù)傳輸時低位在前，高位在后。溫度 /數(shù)字對應關系如表 所示（分辨率為 12bit 時）。由于 學士學位論文 12 DS18B20 單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。操作協(xié)議為：初始化 DS18B20（發(fā)復位脈 沖）→發(fā) ROM 功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù) 表 溫度和數(shù)據(jù)對應表 溫度 二進制數(shù)據(jù) 十六進制數(shù)據(jù) +125176。C 0000 0111 1101 0000 07D0h +85176。C* 0000 0101 0101 0000 0550h +176。C 0000 0001 1001 0001 0191h +176。C 0000 0000 1010 0010 00A2h +176。C 0000 0000 0000 1000 0008h 0176。C 0000 0000 0000 0000 0000h 176。C 1111 1111 1111 1000 FFF8h 176。C 1111 1111 0101 1110 FF5Eh 176。C 1111 1110 0110 1111 FE6Fh 1111 1100 1001 0000 FC90h DS18B20 與 AT89C51 的接口電路設計 DS18B20 可以從單總線上得到能量并儲存在內部電容中 ,該能量是當信號線處于低電平期間消耗 ,在信號線為高電平時能量得到補充 ,這種供電方式稱為 寄生電源 供電。 DS18B20 也可以由 3～ 的外部電源供電。所以在硬件上，DS18B20 與單片機的連接有兩種方法，一種是 VCC 接外部電源， GND 接地， I/O 與單片機的 I/O 線相連；另一種是用寄生電源供電，此時 UDD、 GND 接地， I/O 接單片機 I/O。無論是內部寄生電源還是外部供電， I/O 口線要接 5KΩ 左右的上拉電阻 .我們采用的是第一種連接方法 , 如圖 所示 :把 DS18B20 數(shù)據(jù)線與 AT89C51 的 ,再加上上拉電阻。 學士學位論文 13 圖 DS18B20 與 AT89C51 的接口電路 鍵盤控制模塊 按鍵的開關狀態(tài)通過一定的電路轉換為高、低電平狀態(tài)。按鍵閉合過程在相應的 I/O端口形成一個負脈沖。閉合和釋放過程都要經(jīng)過一定的過程才能達到穩(wěn)定，這一過程是處于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為抖動。 本系統(tǒng)中用到四個功能控制按鍵，用 P2 的 4 個 I/O 口接 4 個獨立式按鍵即可滿足需要，軟件消除抖動，當發(fā)現(xiàn)有鍵按下時，延時 1020ms 再查詢是否有鍵按下，若沒有鍵按下，說明上次查詢結果為干擾或抖動；若仍有鍵按下，則說明閉合鍵已穩(wěn)定。準確判斷去執(zhí)行相應的程序。電路圖如圖 所示。 學士學位論文 14 圖 鍵盤控制電路 報警模塊 報警模塊的工作原理是當溫度傳感器檢測到的溫度高于溫度的上限或低于溫度的下限設定值時單片機的 發(fā)出高電平信號促使 PNP 三極管導通點亮發(fā)光二極管，蜂鳴器也發(fā)出響聲，產生聲光報警。電路圖如圖 所示。 圖 報警電路 學士學位論文 15 液晶顯示模塊 該模塊是由 RT1602 液晶顯示器件組成 , 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調整對比度。第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄 存器、低電平時選擇指令寄存器。第 5 腳： RW 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當 RS 和 RW 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當 RS 為低電平 RW 為高電平時可以讀忙信號，當 RS 為高電平 RW 為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第 6 腳 ： E 端為使能端，當 E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第 7～ 14 腳 ： D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。由上可知 1602 基本操作時序如表 。 其第15～ 16 腳：背光電源腳 。 RT1602 與單片機的應用連接電路圖如圖 所示。 表 LCD1602 基本操作時序 基 本時序操作 輸入 輸出 讀狀態(tài) RS=L,R/W=H