【文章內(nèi)容簡介】 門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶顯示模塊，在電極圖形設(shè)計上是由若干個 5 8 或 5 11點陣組成，每一個點陣顯示一個字符。 LCD1602 是一種 5 7 點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，可以顯示 2 行 16 個字，足夠顯示溫度值和濕度值。 現(xiàn)代的報警有很多種方式，但多數(shù)都采用聲音報警系統(tǒng)和發(fā)光報警這兩種，在此方案中采用揚聲器報警系統(tǒng)，當溫度、濕度分別超標或都超標時，使揚聲器發(fā)出聲音和二極管發(fā)光引起用戶的注意。 在該模塊中采用獨立式鍵盤，獨立式鍵盤就是各鍵相互獨立，每個按鍵各接一 根輸入線，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)很容易地判斷哪個鍵被按下。但在數(shù)目較多時，獨立式鍵盤電路需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復雜。 本章小結(jié) 本章主要確定了系統(tǒng)的設(shè)計方案，提到主機的選擇，液晶顯示的選擇，溫濕度傳感器的選擇方案，并具體介紹各個方案的具體設(shè)計，各個方案都具有很強的可行性，都能夠很好的完成系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)過各個方面的比對，最終選擇方案 2作為設(shè)計的最后方案，下一章節(jié)將通過該方案對系統(tǒng)硬件電路進行設(shè)計。 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)論文 10 3 硬件電路的設(shè)計 AT89C51 的主要性能及引腳介紹 本系統(tǒng)選擇 AT89C51 作為微處理器， AT89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復擦寫的 flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ REM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元， AT89C51 單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。設(shè)計是以 89C51 單片機為控制中心 ，這種控制 芯片具有 4KB 的快擦寫可編程 /擦除只讀存儲器 EEPROM、 256KB 片內(nèi) RAM、 3 個 16 位定時計數(shù)器、 5 個中斷源，無需進行系統(tǒng)擴展既可滿足任務(wù)要求，能較大幅度提高系統(tǒng)的性價比 其主要功能： 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8k 可反復擦寫 (大于 1000 次） Flash ROM； 32 個雙向可編程 I/O 口線； 256x8bit 內(nèi)部 RAM； 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷； 時鐘頻率 024MHz； 2 個串行中斷，可編程 UART 串行通道； 2 個外部中斷源，共 8 個中斷源； 2 個讀寫中斷口線， 3 級加密位； 低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚 醒功能 ； 1 有 PDIP、 PQFP、 TQFP 及 PLCC 等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 AT89C51為 8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的 C51 內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 89C52 相同。 AT89C51 的引腳分布如圖 所示 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)論文 11 圖 AT89C51 的引腳圖 AT89C51 引腳介紹： VCC：電源接口，接 +5V GND：接地 EA/VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H— FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。如 EA端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 RST：復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 P0 口：一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口， 也即地址 /數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口 P0 寫 “1” 時，可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)論文 12 在 Flash 編程時， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時 ，要求外接上拉電阻。 P1 口：一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯 門電路。對端口寫 “1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 P2 口：一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯 門電路。對端口 P2 寫 “1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為 內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 P3 口：一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O口。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入 “1” 時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表 所示。 表 P3 口第二功能 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外中斷 0） INT1（外中斷 l） T0（定時／計數(shù)器 0 ） Tl （定時／計數(shù)器 l ） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。 PSEN： 程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù) 據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個蘭州工業(yè)學院畢業(yè)論文 13 脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。 XTAL1： 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。 UART串口： AT89C51 的 UART 串口用于進行串行通信。串行接口的電路結(jié)構(gòu)還包括了串行口控制寄存器 SCON，電源及波特率選擇寄存器 PCON 和串行緩沖寄存器 SBUF，他們都屬于 SFR， PCON 和 SCON 用于設(shè)置串行口工作方式和確定數(shù)據(jù)發(fā)送和接收， SBUF用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)起到緩沖的作用。 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計 單片機最小系統(tǒng)包括單片機及其所需的必要電源、時鐘、復位等部件，它能使單片機處于正常的運行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必要條件，可以將最小系統(tǒng)作為應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分，對其進行存儲擴展、 A/D擴展等。單片機最小系統(tǒng)的功能主要如下。 （ 1）能夠運行用戶程序； （ 2）用戶可以復位單片機； （ 3）具有相當強大的外部擴展功能。 圖 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 時鐘振蕩電路： AT89C51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。 外接石英晶體及電容C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容 C C2 雖然沒 單片機 時鐘電路 復位電路 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)論文 14 有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，在使用石英晶體時，通常電容使用30pF177。10pF ，而如使用陶瓷諧振器通常選擇 40pF177。10pF 。 也可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2 則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個 2 分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但 最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。 本設(shè)計選擇內(nèi)部時鐘，選用 12MHz 石英晶體和 30pF 電容，如圖 所示。 圖 時鐘振蕩電路 復位電路： 在設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)時，必須了解單片機的復位狀態(tài)和復位電路的設(shè)計，因為單片機工作時，會經(jīng)常進入復位工作狀態(tài)，所以，系統(tǒng)的復位電路必須能夠準確可靠的工作。單片機通常都采用上電復位和開關(guān)復位兩種方式。當由于程序運行出錯或 操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫死鎖狀態(tài)，還需按復位鍵重新啟動。對于單片機電路來說，每 12 個時鐘周期為 1 個機器周期，即 Tcy=12/fosc，本設(shè)計采用 12MHz晶體振蕩器，所以 fosc=12MHz， Tcy=1μs ，即當復位按鍵按下時，只要保證 RST引腳端出現(xiàn) 2μs 以上穩(wěn)定的高電平，單片機便可實現(xiàn)復位。此外，由于本設(shè)計中對溫濕度范圍以及系統(tǒng)誤差的要求并不是很高，所以設(shè)計電路電容 C1取 10μf ， R1 取 10K歐姆， R2 取1K歐姆時，復位所需時間遠遠大于 2μs 左右的機器周期，完全可以實現(xiàn)復位功能。如圖。 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)論文 15 C110 uFR98. 2 KS5S W P BV C CGND 圖 復位電路 單片機晶振電路和復位電路設(shè)計完成，這樣單片機外圍最小系統(tǒng)電路就設(shè)計完成，單片機最小系統(tǒng)電路如圖 所示。 圖 單片機最小系統(tǒng)電路 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)論文 16 溫度檢測電路的設(shè)計 溫度傳感器（ DS18B20）的主要性能 DS18B20 是美國 DALLAS 半導體公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號供處理器處理。 DS18B20 溫度傳感器特性如下： （ 1） 適 應(yīng)電壓范圍寬，電壓范圍在 ，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 （ 2） 特的單線接口方式，它與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20 的雙向通信。 （ 3） 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測量。 （ 4） 在使用中不需要任何外圍元器件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 （ 5） 測溫范圍 55℃ — +125℃ ，在 10℃ — +85℃ 時精度為 177?！?。 （ 6） 編程分辨率為 912 位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 和℃ ，可實現(xiàn)高精度測溫。 （ 7） 在 9 位分辨率時，最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；在 12 位分辨率時，最多在 750ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字。 （ 8） 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，同時可傳送 CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。 （ 9） 負壓特性。電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒壞，但不能正常工作。 DS18B20 溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理： 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、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL、配 置寄存器。 DS18B20 依靠一個單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立 ROM 操作協(xié)議，才能進行存儲器和控制操作。 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)論文 17 DS18B20 工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。 首先 我們先了解DS18B20 的內(nèi)部存儲器資源。 DS18B20 共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是： ROM 只讀存儲器，用于存放 DS18B20ID 編碼，其前 8 位是單線系列編碼（ DS18B20 的編碼是19H），后面 48 位是芯片唯一的序列號，最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 碼。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設(shè)置不由用戶更改。 DS18B20 共 64位 ROM。 RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失， DS18B20 共 9 個字節(jié) RAM，每個字節(jié)為 8 位。第 2 個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第 4 個字節(jié)是用戶 EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。第 5 個字節(jié)則是用戶第 3 個 EEPROM 的鏡像。第 8 個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第 9 個字節(jié)為前 8 個字節(jié)的 CRC 碼。 EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保 存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)， DS18B20 共 3 位 EEPROM，并在 RAM 都存在鏡像，以方便用戶操作。 溫度傳感器（ DS18B20）與單片機接口的設(shè)計 DS18B20 有兩種封裝：三腳 TO92 直插式和八腳 SOIC 貼片式，如圖 所示。在此，我們選用三腳 TO92直插式封裝的 DS18B20 芯片。它有三個腳，分別為電源正極 VDD、信號輸入輸出 DA和電源負極 GND。 圖 DS18B20的兩種封裝 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)論文 18 表 引腳介紹 引 腳 8 腳 SOI