【文章內(nèi)容簡介】 P1 口： P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1” 時，其管腳被內(nèi)部上拉電 阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng) P3口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入， 由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） 第 11 頁 共 57 頁 T0（記時器 0外部輸入） T1（記時器 1外部輸入） /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） RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器 件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/Vpp：當(dāng) /EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲 器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3．振蕩器特性： 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。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 ： 8位 CPU；片內(nèi) 振蕩器和時鐘電路； 32 根 I/O線；外部存貯器尋址范圍 ROM、 RAM64K；2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器； 5 個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級；全雙工串行口；布爾處理器。 89C51 與外圍電路的接口 本系統(tǒng)采用 P1口與 鍵盤電路 連接， 口與 DS18B20 的數(shù)據(jù)端 連接。 P2 口作為顯示與報警電路端口。 /EA 端接 5V 電源， X1， X2 接晶振電路， RESET 端接復(fù)位電路，其余INT1， INT0， T1， T0， /RD， /WR， RXD， TXD， ALE， PSEN 端置空。 第 12 頁 共 57 頁 圖 24 89C51單片機(jī)引腳圖 6. 復(fù)位電路 89C51 單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。最簡單的上電自動復(fù)位電路，是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時間不超過 1 毫秒 ，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。當(dāng)時鐘頻率選用 12MHz時， C 取 22uF， R取 1K。 除上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過 RST 端經(jīng)電阻和電源 Vcc 接通而實現(xiàn)的，按鍵手動電平復(fù)位電路如圖 25 所示 。當(dāng)時鐘頻率選用 12MHz 時， C1 選取 10uF， R18 選擇 1000 歐 ， R20 選擇 10000 歐 。 圖 25 復(fù)位電 路 第 13 頁 共 57 頁 7. 晶振電路 晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。一般的晶振的負(fù)載電容為 15pF或 ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個 20pF 的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。 晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來起振，而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內(nèi)置 IC來共同作用來工作的。振蕩器直接應(yīng)用于電路中，諧振器工作時一般需要提供 電壓來維持工作。振蕩器比 諧振器多了一個重要技術(shù)參數(shù)為：諧振電阻 。 諧振器沒有電阻要求。 RR 諧振電阻 的大小直接影響電路的性能，也是各商家競爭的一個重要參數(shù) [9]。 本設(shè)計采用 12MHz 晶振，并聯(lián)兩個 20pF 電容構(gòu)成晶振電路。 圖 26 晶振電路 要想控制溫度，就要采用良好的人 機(jī)界面。 選擇用 5個按鍵組成一個小鍵盤執(zhí)行某些功能 ，如 清 零、預(yù)置值、改變測量范圍 等 。 如圖 27 所示。 圖 27 按鍵電路 其中 S1 作為 加熱系統(tǒng)的總開關(guān)，通過 軟件配合 可實現(xiàn)電爐加熱的通斷 ； S2用來設(shè) 第 14 頁 共 57 頁 定期望溫度、上下限報警溫度； S S4 用 來設(shè)定所需溫度的具體數(shù)值； S5 用來確定溫度設(shè)定，并啟動溫度測量程序。 LED 顯示是用發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也可稱為數(shù)碼管，其外形結(jié)構(gòu)如圖所示，由圖可見它由 8 個發(fā)光二極管構(gòu)成，通過不同的組合可用來顯示 0～ A～ F 及小數(shù)點。 圖 28 “ 8”字型共陽數(shù)碼管管腳圖 LED 顯示器分為共陰極和共陽極，共陰極是將 8個發(fā)光二極管陰極連接在一起作為公共端，而共陽極是將 8個發(fā)光二極管的陽極連接在一起作為公共端。我們這次就是采用的共 陽 極 LED，所以這里要介紹共 陽 極數(shù)碼管 ， 如圖 28 所示 。 表 21 段碼與字型的關(guān)系 段碼 D7 DP D6 G D5 F D4 E D3 D D2 C D2 B D0 A 字形 3FH 0 0 1 1 1 1 1 1 0 06H 0 0 0 0 0 0 1 0 1 5BH 0 1 0 1 1 0 1 1 2 4FH 0 1 0 0 1 1 1 1 3 66H 0 1 1 0 0 1 1 0 4 6DH 0 1 1 0 1 1 0 1 5 7DH 0 1 1 1 1 1 0 1 6 07H 0 0 0 0 0 1 1 1 7 7FH 0 1 1 1 1 1 1 1 8 6FH 0 1 1 0 1 1 1 1 9 在 51單片機(jī)系統(tǒng)中常用的數(shù)碼管顯示方法有兩種：動態(tài)掃描顯示和串行靜態(tài)顯示。 第 15 頁 共 57 頁 本系統(tǒng)中 DS18B20 的工作周期為幾百毫秒，而且后續(xù)的 PID 運(yùn)算涉及到浮點數(shù)運(yùn)算， PWM波的中斷周期小于溫度采樣周期控制，若采用動態(tài)掃描顯示，顯示時間短，且容易被中斷打斷，所以綜上考慮，為使顯示部分顯示的是實時溫度，且為了保持良好的人機(jī)界面，必須采用串行靜態(tài)顯示。對于四位數(shù)碼管的串行靜態(tài)顯示，工作周期不超過 40 微秒，完全 符合要求。 如圖 29所示 ，共陽極數(shù)碼管管 腳分別與移位寄存器 74HC164 的并行輸出腳相連，DAT 為數(shù)據(jù)串行輸入， CLK 為工作頻率。當(dāng) CLK 發(fā)生下降沿跳變時， DAT 輸入一位，同時并行輸出口移位輸出 0、 1 驅(qū)動相應(yīng)數(shù)碼管的管腳。 圖 29 串行靜態(tài)顯示電路 加熱驅(qū)動模塊 執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一個固態(tài)繼電器，程序中采用了模擬的 PWM 變換方法。通過控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)斷達(dá)到控制電爐的通電和斷電的目的。 固體繼電器（亦稱固態(tài)繼電器）英文名稱為 Solid State Relay，簡稱 SSR。它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接觸 點作為切換裝置的具有繼電器特性 的無觸點開關(guān)器件，單相 SSR為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。 第 16 頁 共 57 頁 圖 210 固態(tài)繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 固體繼電器工作可靠，壽命長，無噪聲，無火花，無電磁干擾，開關(guān)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，且體積小，耐沖擊，耐振蕩，防爆、防潮、防腐蝕、能與 TTL、 DTL、 HTL 等邏輯電路兼容，以微小的控制信號達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。主要不足是存在通態(tài)壓降（需相應(yīng)散熱措施），有斷態(tài)漏電流，交直流不能通用，觸點組數(shù)少，另外過電 流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標(biāo)差。 固體繼電器目前已廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外圍接口裝置，電爐加熱恒溫系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動化裝置；信號燈、閃爍器、照明舞臺燈光控制系統(tǒng)；儀器儀表、醫(yī)療器械、復(fù)印機(jī)、自動洗衣機(jī)；自動消防，保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率因素補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關(guān)等等，另外在化工、煤礦等需防爆、防潮、防腐蝕場合中都有大量使用 [10]。 圖 211 加熱驅(qū)動電路 如圖 211所示 ， CHG控制著整個電路的通斷，當(dāng) CHG=0 時， PWM 口用來進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)， 改變加熱絲中電流通斷時間。 為使系統(tǒng)的人機(jī)交互界面更好，設(shè)置了兩路報警信號和兩路標(biāo)志信號，用于顯示越 第 17 頁 共 57 頁 限報警、強(qiáng)電電路通斷情況、溫度穩(wěn)定情況。 當(dāng)電爐中水溫高于工作人員所設(shè)定的上限溫度或者低于設(shè)定的下限溫度時，則認(rèn)為發(fā)生了越限， L2 和 L3 分別用來表示上限報警和下限報警。值得一提的是，當(dāng)系統(tǒng)從低溫開始加熱，到下限溫度以前系統(tǒng)都會出現(xiàn)越限報警。當(dāng)出現(xiàn)越限報警時，工作人員應(yīng)該注意是不是此種情況，此情況可以忽略 [11]。 圖 212 報警電路 如圖 212所示， L1用來標(biāo)志強(qiáng)電電路的通斷情況，當(dāng)燈亮?xí)r，表示繼電器被吸合；燈 滅時表示繼電器復(fù)位，加熱電路斷開。 L4用來指示溫度達(dá)到設(shè)定值的標(biāo)志，當(dāng)溫度處于設(shè)定值的177。 ℃時，即可點亮此燈。 軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件部分以主程序為入口，在初始化之后調(diào)用鍵盤管理程序，完成對鍵盤的掃描，讀入鍵值，并根據(jù)相應(yīng)的鍵值進(jìn)行各類操作。溫度采樣頻率由軟件延時控制，在每一次采樣完成之后進(jìn)行控制時間的計算和顯示刷新。軟件部分主要包括主函數(shù)、延時子函數(shù)、溫度采集子函數(shù)、按鍵掃描子函數(shù)、 PID 處理子函數(shù)、 PWM 波產(chǎn)生子函數(shù)、報警顯示函數(shù)。 主函數(shù) 主程序作為程序的入口，控制各類程序的調(diào)用 。在系統(tǒng)中其主要的任務(wù)是調(diào)用鍵盤管理程序。然后其它的功能都由 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換程序和中斷程序完成?？梢哉f主程序起到了重啟動后讀入 E2PROM 中的設(shè)計溫度和上、下限溫度；設(shè)計各類定時器和開中斷 第 18 頁 共 57 頁 的，并調(diào)用鍵盤管理程序的功能。這樣處理主程序起到了分散功能的作用，即主程序會變得很容易編寫，而具體的功能都由功能子程序完成。流程圖 如圖 213 所示 。 讀 取 溫 度按 鍵 掃 描輸 出 P W MP I D 運(yùn) 算顯 示延 時初 始 化 圖 213 主程序流程圖 延時子函數(shù) 單片機(jī)在讀取 DS18B20 時，需要用到多次微秒級的延時函數(shù) ，而在顯示和采樣周期計算時，需要用到多次毫秒級延時函數(shù)，考慮到 89C51 的 ROM 和 RAM 足夠，可設(shè)置兩組延時函數(shù)，分別為微秒延時和毫秒延時。 程序如下： 1毫秒延時函數(shù)： void t1ms(void) { uchar i。 for(i=0。i115。i++)。 } Time 毫秒延時函數(shù) void delayms(uint time) { uint i。 for(i=0。itime。i++) t1ms()。 } Time 微秒延時函數(shù) void delay(uint time) { uint d。 第 19 頁 共 57 頁 d=time。 while(d ) { 。 } } 按鍵設(shè)定函數(shù) 系統(tǒng)的被控溫度、上下限報警溫度等都是通過按鍵來設(shè)定的，由于采用鍵盤的接法是最普通的，所以按鍵處理函數(shù)并不會占用整個程序太多時序。流程圖 如圖 214所示 。 按 鍵 口 = 0 ？消 抖 延 時按 鍵 口 = 0 ？按 鍵 次 數(shù) 累 計 + 1按 鍵 次 數(shù) = 2 ？按 鍵 次 數(shù) = 1 ？ 按 鍵 次 數(shù) = 3 ？設(shè) 定 期 望 溫 度 設(shè) 定 上 限 報 警 值 設(shè) 定 下 限 報 警 值YNYNY YYNNN 圖 214 按鍵設(shè)定流程圖 溫度采集函數(shù) DS18B20 是數(shù)字式溫度傳感器，它與單片機(jī)的硬件接口電路簡單，采用單總線工作方式，所以使用 DS18B20需詳細(xì)了解其工作時序和內(nèi)部寄存器。主機(jī)通過拉低單線 480微秒以上，產(chǎn)生復(fù)位脈沖，然后釋放該線，進(jìn)入 RX 接收模式。主機(jī)釋放總線時，會產(chǎn)生一個上升沿。 DS18B20 檢測到上升沿后，延時 15 至 60 微秒， DS18B20 通過拉低總線60240 微秒來產(chǎn)生應(yīng)答信號，主機(jī)接收到有應(yīng)答信號后，說明有單線器件在線 [12]。 操作指令 : ROM 操作指令共有 5條，分別為： (1)讀 ROM，命令字節(jié)為 33H，此命令讀取激光 ROM 中的 64 位。只能用于總線上單個 DS18B20 的情況，多掛則會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。 (2)匹配 ROM，命令字節(jié)為 55H， 此命令后跟 64 位 ROM 的序列號，尋址多掛接總線 第 20 頁 共 57 頁 上的對應(yīng) DS18B20。只有序列號完全匹配的 DS18B20 才能相應(yīng)后面的內(nèi)存操作。 (3)跳過 ROM，命令字節(jié)為 CCH，此命令用于單掛總線系統(tǒng)時，可以無需提供 64 位ROM 的序列號即可運(yùn)行內(nèi)存操作。 (4)搜索 ROM：命令字節(jié)為 F0H，主機(jī)調(diào)用此命令，可以識別出總線上所有器件的序列號。 (5)告警搜索：命令字節(jié)為 ECH， DS18B20 只有在最近一次測量溫度時滿足了告警觸發(fā)條件，才會響應(yīng)此命令。 ： 在成功執(zhí)行了 ROM 指令后，才 可以使用內(nèi)存操作指令。主機(jī)可以提供 6種內(nèi)存操作指令。 (1)寫暫存器：命令字節(jié)為 4EH，此命令寫暫存器中地址 2到地址 4的三個字節(jié)（ TH、TL 和配置寄存器）在發(fā)起復(fù)位脈沖之前，三個字節(jié)都必須要寫。 (2)讀暫存器：命令字節(jié)為 BEH，此命令讀暫存存儲器的內(nèi)容，讀開始于字節(jié) 0，繼續(xù)經(jīng)過暫存存儲器，至第九個字節(jié)（字節(jié) 8 CRC）讀出為止。如果不是所有位置均可讀，那么主機(jī)可以在任何時候發(fā)出一 個 復(fù)位以中止讀操作。 (3)復(fù)制暫存存儲器：命令字節(jié)為 48H，此命令把暫存存儲器復(fù)制入 DS1820 的 E2存儲器，把溫度觸發(fā) 器字節(jié)存貯入非易失性存儲器，如果總線主機(jī)在此命令之后發(fā)出讀時間片，那么只要 DS1820 正忙于把暫存存儲