【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89C52的具有如下主要特性：● 與MCS51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。圖36 AT89C52管腳圖● 8K字節(jié)可重擦寫FLASH閃存。 ● 1000次擦寫周期 。● 全靜態(tài)操作：0Hz24MHz ?！?三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ?！?256X8字節(jié)內(nèi)部RAM ?！?32個(gè)可編程I/O口線 ?！?3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 。● 8個(gè)中斷源 ?！?可編程串行UART通道 ?！?低功耗空閑和掉電模式 。如圖36，AT89C52擁有很多功能豐富的口線，下面對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用到的部分管腳給出說(shuō)明。(1) VCC——電源。 (2) GND——接地。 (3) P0口——P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口P0寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。 (4) P3口——P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，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34。表34 P3口的第二功能端口引腳第二功能RXD(串行輸入口)TXD(串行輸出口)INTO(外中斷0)INT1(外中斷1)T0(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)(5) RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。 (6) /EA/VPP——外部訪問(wèn)允許，欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。(7) XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。AT89C52 是片內(nèi)集成有最大32K Flash存儲(chǔ)器的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。足以滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，只要將單片機(jī)接上晶振電路和復(fù)位電路即可。其電路圖如37所示。晶振電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。XTALXTAL2外接晶振和電容組成振蕩器。晶振可以產(chǎn)生十分精確的頻率。考慮到通信時(shí)的波特率。在振蕩器工作時(shí)，將RST腳保持至少兩個(gè)機(jī)器周期高電平（24個(gè)振蕩器周期）可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。系統(tǒng)采用按鈕復(fù)位的方式，只要RST端保持10ms以上高電平，就能使單片機(jī)復(fù)位。圖37 單片機(jī)最小系統(tǒng) 傳感器電路設(shè)計(jì)DS18B20最大的特點(diǎn)是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，DS18B20的數(shù)據(jù)I/O均由同一條線來(lái)完成。AT89C52DS18B20DS18B20DS18B20DS18B20VCC=5V1－WIRE圖38 傳感器連接圖如圖38,所有溫度傳感器的數(shù)據(jù)端通過(guò)一根數(shù)據(jù)線連接起來(lái)，并加上拉電阻。 通訊電路設(shè)計(jì)（1）單片機(jī)與外部的基本通訊方式有兩種：●并行通訊——是指數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸數(shù)據(jù)速度快，缺點(diǎn)是有多少位數(shù)據(jù)就需要多少根傳輸線，這在數(shù)據(jù)位數(shù)較多，傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)就不宜采用?！翊型ㄓ崱侵笖?shù)據(jù)一位一位的順序傳送，其突出的優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì)傳輸線，特別適用于遠(yuǎn)距離傳輸，缺點(diǎn)是傳送速度較慢。對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)傳輸速度要求不高，但傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，若選用并行通訊就需要很多的傳輸線，不經(jīng)濟(jì)。所以選用串行通訊。（2）串行通訊有異步通訊和同步通訊兩種基本的通訊方式?！裢酵ㄓ嵎绞揭笸ㄐ烹p方以相同的速率進(jìn)行，而且要準(zhǔn)確地協(xié)調(diào)。它通過(guò)共享一個(gè)單個(gè)時(shí)鐘脈沖源以保證發(fā)送方和接受方準(zhǔn)確同步。其特點(diǎn)是允許連續(xù)發(fā)送一組字符序列（而非單個(gè)字符），每個(gè)字符數(shù)據(jù)位數(shù)相同，沒(méi)有起始位和停止位，效率高?！癞惒酵ㄓ嵎绞讲灰笸ㄐ烹p方同步，發(fā)送方和接受方可以有各自地時(shí)鐘源。為了能夠?qū)崿F(xiàn)通信，雙方必須都遵循異步通信協(xié)議。在異步通訊中，通信雙方必須規(guī)定兩件事：一是字符格式，即規(guī)定字符各部分所占的位數(shù)，是否采用奇偶校驗(yàn)，以及校驗(yàn)的方式（奇校驗(yàn)or偶校驗(yàn)）；二是采用波特率，以及時(shí)鐘頻率與波特率之間的比例關(guān)系。由此可見(jiàn)，同步通訊方式只適用于傳輸速度高的情況，而且其硬件相對(duì)復(fù)雜。異步通訊方式的傳輸效率比同步通訊方式低，但它對(duì)通信雙方的同步要求大大降低，因而成本也比同步通信方式低[2]，是比較常用的傳輸方式。因此，通過(guò)比較這兩種方式，本設(shè)計(jì)中選用異步通訊方式。 MAX232芯片簡(jiǎn)介MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗，單電源雙RS－232發(fā)送/接受器。電源換成RS232C輸出電平所需電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就行了。對(duì)于沒(méi)有電源的場(chǎng)合，其實(shí)用性就更強(qiáng)。MAX232外圍需要4個(gè)電解電容，是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容。宜采用電容盡量靠近芯片。 串行通信接口電路AT89C52有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。從MAX232芯片中兩路發(fā)送接收中任選一路作為接口。其中，MAX232的R1OUT接單片機(jī)的RXD，T1IN接單片機(jī)的TXD，T1OUT接計(jì)算機(jī)的RXD，R1IN接計(jì)算機(jī)的TXD。由于MAX232具有驅(qū)動(dòng)能力，所以不需要外加驅(qū)動(dòng)。采用MAX232接口的串行通信接口如下圖39所示。圖39 串口通訊電路設(shè)計(jì)采用了三線制連接串口，也就是說(shuō)和電腦的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。這是最簡(jiǎn)單的連接方法，但是對(duì)本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠使用了，電路如圖310所示。通信線采用交叉接法，即兩者信號(hào)線對(duì)應(yīng)成為R—T，T—R。 圖310 串口三線制連接圖 電源電路設(shè)計(jì)由于單片機(jī)控制系統(tǒng)以及外圍芯片的供電電源均為5V。考慮到電路設(shè)計(jì)等問(wèn)題，所以在這里采用5V電源供電。電源采用7805三端穩(wěn)壓器件，通過(guò)全波整流，然后進(jìn)行濾波和穩(wěn)壓輸出。電路如圖311所示。 圖311 電源電路圖 狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)顯示部分采用發(fā)光二極管指示溫度傳感器工作狀態(tài)。發(fā)光二極管采用供陽(yáng)接法。由單片機(jī)I/O口P0控制。主要狀態(tài)如下： 工作指示燈，交替閃爍 亮則表示DS1820不存在 亮則表示溫度沒(méi)有讀出 DS18B20已經(jīng)被檢測(cè)到 讀出的溫度數(shù)據(jù)保存 檢查到DS18B20就點(diǎn)亮連接電路如圖312所示。圖312 顯示電路連接圖 軟件設(shè)計(jì)當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來(lái)了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，專門用來(lái)協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來(lái)完成各種實(shí)質(zhì)性的功能如測(cè)量、計(jì)算、顯示、通訊等。每一個(gè)執(zhí)行軟件也就是一個(gè)小的功能執(zhí)行模塊。 單片機(jī)主程序首先是串口初始化設(shè)置。上電復(fù)位后，首先將定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1設(shè)定為定時(shí)器工作方式2，即自動(dòng)再裝入的8位計(jì)數(shù)器，在該方式下，TL為計(jì)數(shù)寄存器，TH為8位計(jì)數(shù)常數(shù)寄存器。將串口設(shè)定為工作方式1，不使用奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)的傳輸波特率由定時(shí)/計(jì)數(shù)器的溢出率決定。根據(jù)波特率的計(jì)算公式，選擇合適的計(jì)數(shù)常數(shù)放入TH，本方案中，波特率設(shè)定為9600bit/s，則TH中放入的計(jì)數(shù)常數(shù)為0FDH（SMOD＝1，波特率加倍）。接下來(lái)單片機(jī)通過(guò)發(fā)送和接收命令字來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的采集、計(jì)算、通信操作。單片機(jī)主程序部分的流程圖如圖313所示。開始串口初始化采集溫度數(shù)據(jù)處理顯示子程序DS18B20初始化圖313 單片機(jī)主程序流程圖 溫度采集程序溫度采集程序的流程圖如圖314。 首先通過(guò)數(shù)據(jù)口向DS18B20發(fā)復(fù)位脈溫度采集子程序入口調(diào)用總線復(fù)位程序設(shè)置跳過(guò)命令CCH調(diào)用向總線寫一個(gè)字節(jié)程序調(diào)用延時(shí)子程序調(diào)用總線復(fù)位程序溫度數(shù)據(jù)處理并保存調(diào)用串口顯示子程序設(shè)置溫度轉(zhuǎn)換命令44H調(diào)用向總線寫一個(gè)字節(jié)程序設(shè)置匹配ROM命令55H調(diào)用向總線寫一個(gè)字節(jié)程序查表，發(fā)送一路DS18B20序列號(hào)調(diào)用向總線寫一個(gè)字節(jié)程序發(fā)讀RAM命令BEH 從總線讀一個(gè)字節(jié)程序直到讀完9個(gè)字節(jié)所有DS18B20都訪問(wèn)完畢？NY圖314 溫度采集流程圖測(cè)量路數(shù)加1沖，傳感器準(zhǔn)備接收命令。發(fā)送忽略ROM（Skip ROM）命令，使所有傳感器都能接收并響應(yīng)下面的命令。發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換（Convert T）命令，所有傳感器都開始溫度轉(zhuǎn)換，延時(shí)后，溫度轉(zhuǎn)換完畢。向DS18B20發(fā)送匹配ROM（Match ROM）命令，從表中讀出一個(gè)傳感器的序列號(hào)，再將該序列號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)口，與該序列號(hào)相對(duì)應(yīng)的傳感器就會(huì)被選中，發(fā)送讀寄存器命令，該傳感器將轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)線上，單片機(jī)讀入并存放到特定的RAM區(qū)域。這樣就完成了一路數(shù)據(jù)的采集。發(fā)復(fù)位脈沖后，再發(fā)匹配ROM命令，發(fā)送下一個(gè)序列號(hào)，選中相應(yīng)的傳感器，讀出溫度數(shù)據(jù)，依次循環(huán)，直到所有傳感器的數(shù)據(jù)都讀入到單片機(jī)的RAM中。 獲取DS18B20序列號(hào)程序每一片DSl8B20傳感器在其ROM中都存有其唯一的64位序列號(hào)，在出廠前已寫入片內(nèi)ROM中，在多路測(cè)量系統(tǒng)中，如果不對(duì)DSl8B20傳感器的序列號(hào)進(jìn)行匹配，這會(huì)出現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)輸出混亂的問(wèn)題。因此，在執(zhí)行溫度采集程序前就必須首先獲得DSl8B20的序列號(hào)。獲取DSl8B20的序列號(hào)的方法有兩種，均需通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。方法一：逐一讀取法逐一將DS18B20接入主機(jī)，通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的程序，用讀ROM(33H)命令將該DS18B20的序列號(hào)讀出并登錄。主機(jī)在發(fā)出跳過(guò)ROM命令之后，再發(fā)出統(tǒng)一的溫度轉(zhuǎn)換啟動(dòng)碼44H，就可以實(shí)現(xiàn)所有1820的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)1s后，就可以用很少的時(shí)間去逐一匹配并讀取。這種方式使其時(shí)間往往小于傳統(tǒng)方式（由于采取公用的放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器，只能逐一轉(zhuǎn)換），顯然通道數(shù)越多，這種省時(shí)效應(yīng)就越明顯。方法二：搜索算法搜索算法從初始化復(fù)位指令開始，由微處理器向所有連接在總線上的DS18B20發(fā)出復(fù)位指令，所有的DS18B20對(duì)該指令做出反應(yīng)，向微處理器送回存在脈沖，之后微處理器向DS18B20發(fā)搜索指令（FOH 或ECH）。收到搜索指令后，所有總線上的DS18B20同時(shí)向微處理器發(fā)送各自ROM 代碼的第一位。由單總線的特性決定，當(dāng)所有同時(shí)響應(yīng)時(shí)，最后的結(jié)果為所有位的邏輯與。之后各DS18B20又將第一位的補(bǔ)位發(fā)送給微控制器，通過(guò)對(duì)兩次讀位的四種可能情況作為分支去向的判斷。如表35 所示。表35 “讀兩位”信息含義真值位補(bǔ)碼位獲得信息00參與搜索傳感器的ROM 相應(yīng)位既有0 又有101參與搜索傳感器的ROM 相應(yīng)位為010參與搜索傳感器的ROM 相應(yīng)位為111總線上沒(méi)有傳感器此次設(shè)計(jì)的多路溫度采集系統(tǒng)因?yàn)橹挥玫接邢迋€(gè)溫度傳感器，故沒(méi)有采用搜索算法搜索所有在線溫度傳感器，而是采用逐一讀取法先離線讀出需要用到的每個(gè)溫度傳感器，這樣做不但簡(jiǎn)化了編程，也不用進(jìn)行在線的逐個(gè)搜索序列號(hào)而浪費(fèi)大量的時(shí)間等待搜索是否完成(平均每搜索75個(gè)芯片序列號(hào)需1 s)。通過(guò)離線一片一片地讀出其中ROM編碼，在存儲(chǔ)這些序列號(hào)的存儲(chǔ)表中也可以事先匹配好測(cè)溫的對(duì)象。程序通過(guò)讀ROM(33H)命令將DS18B20序列號(hào)讀出并通過(guò)串口顯示出來(lái)。流程圖如圖315。開始串口初始化串口顯示子程序顯示64位序列號(hào)結(jié)束 DS18B20初始化圖315 獲取DS18B20序列號(hào)程序流程圖設(shè)置讀取ROM命令33H調(diào)用向總線寫一個(gè)字節(jié)程序調(diào)用向總線讀一個(gè)字節(jié)程序直到讀完64位 本章小結(jié)系統(tǒng)下位機(jī)的功能由硬件電路配合軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)通過(guò)選用兩個(gè)主要器件：ATMEL公司的主控芯片AT89C52和美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司的DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器， 利用其特點(diǎn)可以方便的實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的測(cè)量，輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)和通訊系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈活、方便、工作穩(wěn)定，適合于在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，為上位機(jī)提供了可靠的數(shù)據(jù)。該部分中需要注意的是進(jìn)行多路測(cè)量前務(wù)必要先獲取并匹配DS18B20的序列號(hào)，否則會(huì)造成數(shù)據(jù)混亂或程序進(jìn)入死循環(huán)。DS18B20有一些很好的特性，如可以調(diào)整溫度數(shù)據(jù)的位數(shù)，降低精度以加快溫度轉(zhuǎn)換速度，提高采集頻率；還可以在傳感器內(nèi)部設(shè)定溫度上下限，只對(duì)溫度超出此限的傳感器讀取數(shù)據(jù)等。為了簡(jiǎn)化程序，這些在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，可以進(jìn)一步修改和完善。第4章 上位機(jī)LabVIEW中程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的上位機(jī)使用LabVIEW圖形化語(yǔ)言編程，編制本設(shè)計(jì)上位機(jī)的虛擬溫度監(jiān)控系統(tǒng)。使得該系統(tǒng)擁有更為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和顯示能力，并且儀器面板界面友好、開放、靈活、人性化、內(nèi)容豐富、信息量大、操作簡(jiǎn)單。通過(guò)與下位機(jī)進(jìn)行串口通訊，可充分發(fā)揮分布式系統(tǒng)的特性，適用于更多大范圍測(cè)量控制的場(chǎng)合。 LabVIEW的開發(fā)環(huán)境LabVIEW的開發(fā)環(huán)境主要包括兩部分，VI面板設(shè)計(jì)和流程圖設(shè)計(jì)，前者建立程序運(yùn)行的界面和各種變量、數(shù)據(jù)，后者組織程序的運(yùn)行流程。 在虛擬儀器的開發(fā)過(guò)程中，主要利用LabVIEW提供的三個(gè)模板：工具模板（Tool palette）、控制模板（control palette）和功能模板（Function palette）來(lái)完成VI面板和流程圖兩部分的設(shè)計(jì)開