【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電路 運(yùn)算器電路包括 ALU（算術(shù)邏輯單元）、 ACC（累加器）、 B 寄存器、狀態(tài)寄存器、 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 暫存器 1 和暫存器 2 等部件，運(yùn)算器的功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。 b. 控制器電路 控制器電路包括程序計(jì)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(shí)與控制電路等?？刂齐娐吠瓿芍笓]控制工作，協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分正常工作。 c. 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 定時(shí) /計(jì)數(shù)器就相當(dāng)于一個(gè)方便的鬧鐘，主要用于單片機(jī)硬件的定時(shí)或者計(jì)數(shù)。典型的 8051 單片機(jī)有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)兩種功能。通過(guò)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器可以為串口通信組件提供波特率的計(jì)量，也可以產(chǎn)生相應(yīng)的中斷控制程序的轉(zhuǎn)向。 d. 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，其主要特點(diǎn)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間是相互獨(dú)立的，物理結(jié)構(gòu)也不相同。 e. 并行 I/O 口 MCS－ 52 單片機(jī)共有 4 個(gè) 8 位的 I/O 口（ P0、 P P2 和 P3），每一條 I/O 線都能獨(dú)立地用作輸入或輸出。 P0 口為三態(tài)雙向口，能帶 8 個(gè) TTL 門電路， P P2 和 P3 口為準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力為 4 個(gè) TTL 門電路。 f. 串行 I/O 口 MCS－ 521 單片機(jī)具有一個(gè)采用通用異步工作方式的全雙工串行通信接口，可以同時(shí)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(yīng)急響應(yīng)的系統(tǒng)。典型的 8051 單片機(jī)提供了兩個(gè)外部中斷、兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷。中斷系統(tǒng)統(tǒng)一管理所有的中斷源的響應(yīng)，同時(shí)這些中 斷源提供了 2 級(jí)的優(yōu)先級(jí)別供選擇 [2]。 h. 時(shí)鐘振蕩電路 時(shí)鐘振蕩電路為單片機(jī)指令的執(zhí)行提供了一個(gè)統(tǒng)一的步調(diào)。典型的 8051 單片機(jī)內(nèi)置了時(shí)鐘振蕩電路，只需外接一個(gè)無(wú)源晶振和振蕩電容便可以工作。時(shí)鐘振蕩電路產(chǎn)生的時(shí)鐘，是供整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序。當(dāng)然，單片機(jī)還提供了靈活的外部時(shí)鐘源工作方式。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 以上所有部分都是通過(guò)總線連接起來(lái)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的單片機(jī)。系統(tǒng)的地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)都是通過(guò)總線傳送的，總線結(jié)構(gòu)減少了單片機(jī)的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。 選用單片機(jī)的結(jié)構(gòu)： 1 一個(gè) 8 位算術(shù)邏輯單元 2 32 個(gè) I/O 口 4 組 8 位端口可單獨(dú)尋址 3 兩個(gè) 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器 4 全雙工串行通信 5 6 個(gè)中斷源兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 6 128 字節(jié)內(nèi)置 RAM 7 獨(dú)立的 64K 字節(jié)可尋址數(shù)據(jù)和代碼區(qū) 每個(gè) 8051 處理周期包括 12 個(gè)振蕩周期，每 12 個(gè)振蕩周期用來(lái)完成一項(xiàng)操作。如取指令和計(jì)算指令執(zhí)行時(shí)間，可把時(shí)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(shí)鐘是 ， 除以 12 后就得到了每秒執(zhí)行的指令個(gè)數(shù)為921583 條，指令取倒數(shù) 將得到每條指令所須的時(shí)間 。 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用的是一個(gè)種高性能、功耗低 CMOS 8 位的單片機(jī) AT89C51，片內(nèi)包含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě) 1000 次的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89C51 可為許多嵌入式控制 應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89C51 具有如下特點(diǎn)： 40 個(gè)引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷，看門狗（ WDT）電路， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 另外， AT89C51 中還配置和設(shè)計(jì)了振蕩頻率，可通過(guò)軟件設(shè)置到省電模式。空閑模式下， CPU暫停工作，而 RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)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(fù)位。同時(shí)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 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 本功能都綜合在了 AT89C51 中。 當(dāng)溫度傳感器的信號(hào)送達(dá)至 AT89C51 芯片時(shí)，部程序?qū)⒁罁?jù)送達(dá)信號(hào)的類型進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果送達(dá)顯示模塊、報(bào)警模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊。并且發(fā)送控制信號(hào)控制各個(gè)模塊。模塊在硬件設(shè)計(jì)方面上，外圍電路提供能使其工作的晶振脈沖和復(fù)位按鍵，四個(gè) I/O 口分別用于外圍設(shè)備的連接。單片機(jī) 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(diǎn) 語(yǔ)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(kāi)始播音口 LCD 讀 /寫(xiě)選擇端 LCD 數(shù)據(jù) /命令端 LCD 使能端 AT89C51 復(fù)位電路 任何微機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的第一步都是系統(tǒng)復(fù)位，其作用是使整個(gè)控制芯片回到默認(rèn)的硬件狀態(tài)下即：?jiǎn)纹瑱C(jī)的片內(nèi)電路初始化過(guò)程 。也就是使單片機(jī)從一種確定的初態(tài)開(kāi)始運(yùn)行。 AT89C51 的復(fù)位過(guò)程是通過(guò)外部的復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳 RST 通過(guò)一個(gè)施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連結(jié)，施密特觸發(fā)器作用是用來(lái)抑制噪聲，復(fù)位電路通常采用兩種方式：上電自動(dòng)復(fù)位、按鈕復(fù)位。 手動(dòng)復(fù)位：人為的在復(fù)位輸入端加上高電平讓使系統(tǒng)復(fù)位得方法即為手動(dòng)復(fù)位。一般方法是利用一個(gè)在 RST 端和正電源 VCC 之間的按鍵，當(dāng)按下按鍵時(shí)， VCC 和 RST端接通， RST 引腳處高電平，按鍵動(dòng)作時(shí)間一般是數(shù)十毫秒，大于兩個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間，能夠安全的使系統(tǒng)復(fù)位。 上電復(fù)位：上電復(fù)位電路屬于 簡(jiǎn)單的復(fù)位電路，需要在 RST 復(fù)位引腳接一個(gè)電容到 VCC 上，接一個(gè)電阻到地就可以了。上電復(fù)位作用是在給系統(tǒng)上電時(shí)，復(fù)位電路通 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 過(guò)電容加到 RST 復(fù)位引腳一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，這個(gè)復(fù)位信號(hào)會(huì)隨著 VCC 對(duì)電容的充電過(guò)程而回落，所以電容的充電時(shí)間決定 RST 引腳復(fù)位的高電平維持時(shí)間。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復(fù)位， RST 引腳的高電平信號(hào)必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。 在本設(shè)計(jì)中復(fù)位電路的設(shè)計(jì)是采用簡(jiǎn)單、用得比較廣泛的復(fù)位電路接法，如圖 所示，它具有按鍵復(fù)位和上電復(fù)位的雙重復(fù)位功能。 圖 復(fù)位電路 AT89C51 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘的作用相當(dāng)于單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行工作狀況都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊的按照給定的時(shí)鐘頻率工作。所以，時(shí)鐘頻率直接影響得是單片機(jī)的工作速度，單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也取決于時(shí)鐘電路的質(zhì)量。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式：一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另外一種是外部時(shí)鐘方式。本文用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。電路圖 所示： 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 時(shí)鐘電路 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成高增益反相放大器的振蕩器，這個(gè)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(gè)引腳跨接石英 晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)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(jìn)行溫度采集，然后 AT89C51 進(jìn)行分析處理采集到的數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)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(lái)進(jìn)行環(huán)境溫度的測(cè)量和采集。 DS18B20 是美國(guó) DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器 ,其作用是可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微處理器處理 ,而且可以在一條總線上掛接任意多個(gè) DS18B20 芯片 ,構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)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?qū)懭?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(diǎn) ,非常適合于多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng) ,硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,方便聯(lián)網(wǎng) ,在倉(cāng)儲(chǔ)管理、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制造、氣象觀測(cè)、科學(xué)研究以及日常生活中被廣泛應(yīng)用 [1]。 DS18B20 的測(cè)溫原理 DS18B20 內(nèi)有一個(gè)能直接轉(zhuǎn)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(guò)設(shè)置內(nèi)部配置寄存器來(lái)選擇溫度的轉(zhuǎn)換精度 ,出廠時(shí)默認(rèn) 設(shè)置 12bit。溫度的轉(zhuǎn)換精度有 ℃、 ℃、 ℃、 ℃ 。溫度轉(zhuǎn)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(guò) 1 Wire 接口讀取溫度信息 ,數(shù)據(jù)傳輸時(shí)低位在前，高位在后。溫度 /數(shù)字對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 所示（分辨率為 12bit 時(shí)）。由于 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 DS18B20 單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。操作協(xié)議為：初始化 DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā) ROM 功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù) 表 溫度和數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表 溫度 二進(jìn)制 數(shù)據(jù) 十六進(jìn)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(shè)計(jì) DS18B20 可以從單總線上得到能量并儲(chǔ)存在內(nèi)部電容中 ,該能量是當(dāng)信號(hào)線處于低電平期間消耗 ,在信號(hào)線為高電平時(shí)能量得到補(bǔ)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(jī) 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(jī)的 I/O 線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí) UDD、 GND 接地， I/O 接單片機(jī) I/O。無(wú)論是內(nèi)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。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 DS18B20 與 AT89C51 的接口電路 鍵盤控制模塊 按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)一定的電路轉(zhuǎn)換為高、低電平狀態(tài)。按鍵閉合過(guò)程在相應(yīng)的 I/O端口形成一個(gè)負(fù) 脈沖。閉合和釋放過(guò)程都要經(jīng)過(guò)一定的過(guò)程才能達(dá)到穩(wěn)定，這一過(guò)程是處于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為抖動(dòng)。 本系統(tǒng)中用到四個(gè)功能控制按鍵，用 P2 的 4 個(gè) I/O 口接 4 個(gè)獨(dú)立式按鍵即可滿足需要，軟件消除抖動(dòng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下時(shí)，延時(shí) 1020ms 再查詢是否有鍵按下，若沒(méi)有鍵按下，說(shuō)明上次查詢結(jié)果為干擾或抖動(dòng)；若仍有鍵按下，則說(shuō)明閉合鍵已穩(wěn)定。準(zhǔn)確判斷去執(zhí)行相應(yīng)的程序。電路圖如圖 所示。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 圖 鍵盤控制電路 報(bào)警模塊 報(bào)警模塊的工作原理是當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到的溫度高于溫度的上限或低于溫度的下限 設(shè)定值時(shí)單片機(jī)的 發(fā)出高電平信號(hào)促使 PNP 三極管導(dǎo)通點(diǎn)亮發(fā)光二極管，蜂鳴器也發(fā)出響聲，產(chǎn)生聲光報(bào)警。電路圖如圖 所示。 圖 報(bào)警電路 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 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(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對(duì)比度。第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第 5 腳： RW 為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操 作。當(dāng) RS 和 RW 共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址，當(dāng) RS 為低電平 RW 為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng) RS 為高電平 RW 為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。第 6 腳 ： E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，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(shí)序如表 。 其第