【文章內(nèi)容簡介】 各單元模塊的硬件設(shè)計 6 第三章 各單元模塊的硬件設(shè)計 系統(tǒng)主要器件包括 DS18B20 溫度傳感器、 AT89C52 單片機、五位 LED 共陰數(shù)碼管、風(fēng)扇直流電機，達(dá)林頓反向驅(qū)動器 ULN2803。輔助元件包括電阻、電容、電源、按鍵、撥碼開關(guān)等。 系統(tǒng)器件簡介 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器簡介 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，是采用美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20 可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片 封裝而成，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微型處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理。適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。 DS18B20 的主要特征：測量的結(jié)果直接以數(shù)字信號的形式輸出，以“一線總線”方式串行傳給 CPU，同時可傳送 CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；溫度測量范圍在 55℃ ～ +125℃之間，在 10℃ ～ +85℃時精確度為177。 ℃；可檢測溫度分辨率為 9～ 12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃， ℃， ℃和 ℃，可實現(xiàn)高精度測溫 ；它單線接口的獨特性，使它與微處理器連接時僅需一條端口線即可實現(xiàn)與微處理器的雙向通信；支持多點組網(wǎng)功能，即多個DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫的功能；工作電壓范圍寬，其范圍在 ～ 。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有四部分： 64 位 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。其管腳有三個，其中 DQ 為數(shù)字信號端， GND 為電源地， VDD 為電源輸入端。 達(dá)林頓反向驅(qū)動器 ULN2803 簡介 本系統(tǒng)要用單片機控制風(fēng)扇直流電機，需要加驅(qū)動電路，為直流電機提供足夠大的驅(qū)動電流。在本系統(tǒng)驅(qū)動電路中，選用達(dá)林頓反向驅(qū)動器 ULN2803 來驅(qū)動風(fēng)扇直流電機。 ULN2803 在使用時接口簡單，操作方便，可為電機提供較大的驅(qū)瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 7 動電流，它實際上是一個集成芯片，單塊芯片可同時驅(qū)動 8 個電機。每個電機由單片機的一個 I/O 口輸出的為 5V 的 TTL 信號。 UNL2803 由 8 個 NPN 達(dá)林頓晶體管組裝而成，共 18 個引腳，引腳 1～ 8 分別是 8 路驅(qū)動器的輸入端，輸入信號可直接是 TTL 或是 CMOS 信號；引腳 11～ 18 分別是 8 路驅(qū)動器的輸出端；引腳 9 為接地線，引腳 10 為電源輸入。當(dāng)輸入 TTL信號為 5V 或 CMOS 信號為 6～ 15V 時，輸出的最大電壓為 50V，最大電流為 500mA，工作溫度范圍為 0～ 70℃。本系統(tǒng)選用的電機為 12V 直流無刷電機，可用 ULN2803來驅(qū)動。 AT89C52 單片機簡介 AT89C52 是 51 系列單片機的一個型號，它是由 ATMEL 公司生產(chǎn)的一個低電壓、高性能的 8 位單片機，片內(nèi)器件采用 ATMEL 公司的非易失性、高密度存儲技術(shù) ，與標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令 系統(tǒng)兼容，同時片內(nèi)設(shè)置有通用 8 位中央處理器和8k 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 ROM 以及 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器 RAM，在許多較復(fù)雜 的控制系統(tǒng)中 AT89C52 單片機得到了廣泛的應(yīng)用。 AT89C52 有 40 個引腳，各引腳介紹如下： VCC： +5V 電源線； GND：接地線。 P0 口： ～ ，這組引腳共 8 條，其中 為最高位， 為最低位。這 8 條引腳共有兩種不同的功能，分別適用于兩種不同的情況。第一種情況是單片機不帶片外存儲器， P0 可以作為通用 I/O 口使用， ～ 用于傳送 CPU的輸入 /輸出數(shù)據(jù)，此時它需外接一上拉電阻才能正常工作。第二種情況是單片機帶片外存儲器，其各個引腳在 CPU 訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲 器的低 8 位地址，然后傳送 CPU 對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部含有上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。它也可作為通用的 I/O 口使用，與 P0 口一樣用于傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)，所不同的是它片內(nèi)含上拉電阻而 P0 口沒有，故 P0口在做該用途時需外接上拉電阻而 P1 口則不需要。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口用于輸入片內(nèi) EPROM 的低 8 位地址。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部含有上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，它可以作為通用I/O 口使用，傳送用戶的輸入 /輸出數(shù)據(jù)，同時可與 P0 口的第二功能配合，用于輸出片外存儲器的高 8 位地 址，共同選中片外存儲單元，但此時不能傳送存儲器第三章 各單元模塊的硬件設(shè)計 8 的讀寫數(shù)據(jù)。在一些型號的單片機中， P2 口還可以配合 P1 口傳送內(nèi)部 EPROM 的12 位地址中的 4 位地址。 P3 口： P3 口引腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，當(dāng) P3 口寫入 1 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，它也可以作為普通的 I/O 口使用，傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)， P3 口也作為一些特殊功能端口使用，如圖 31 所示。 ： RXD（串行數(shù)據(jù)接受口） ， ： TXD（串行數(shù)據(jù)發(fā)送口） ： 0INT (外部中斷 0 輸入 )， ： 1INT （外部中斷 1 輸入） ： T0（計數(shù)器 0 計數(shù)輸入） ， ： T1（計時器 1 外部輸入） ： WR （外部 RAM 寫選通信號） ： RD （外部 RAM 讀選通信號） 圖 31 AT89C52 單片機 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器 周期的高電平狀態(tài)。 ALE/PROG ：地址鎖存允許 /編程線，當(dāng)訪問片外存儲器時，在 ～ 引腳線上輸出片外存儲器低 8 位地址的同時還在 ALE/PROG 線上輸出一個高電位脈沖，其下降沿用于把這個片外存儲器低 8 位地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出 ～ 引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀寫數(shù)據(jù)。在不瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 9 訪問片外存儲器時，單片機自動在 ALE/PROG 線上輸出頻率為 1/6 晶振頻率的脈沖 序列。 PSEN :外部程序存儲器 ROM 的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 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：允許訪問片外存儲器 /編程電源線，當(dāng) EA 保持低電平時，則在此期間允許使用片外程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。當(dāng) EA 保持高電平時，則允許使用片內(nèi)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 和 XTAL2： 片內(nèi)震蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微電容，即用來連接單片機片內(nèi) OSC 的定時反饋回路。 LED 數(shù)碼管簡介 本系統(tǒng)選用五個 LED 數(shù)碼管來進(jìn)行溫度顯示。 LED 又稱為數(shù)碼管，它主要有8 段發(fā)光二極管組成的不同組合，其中 a～ g 為數(shù)字和字符顯示段， dp 為小數(shù)點的顯示，通過 a～ g 這 7 個發(fā)光二極管點亮的不同組合，可以顯示 0～ 9 和 A～ F共 16 個數(shù)字和字母。 LED 數(shù)碼管可以分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，如圖 32（ a）和圖 32（ b）所示。共陰極結(jié)構(gòu)把 8 個發(fā)光二極管陰極連接在一起，共陽極結(jié)構(gòu)是把 8 個發(fā)光二極管陽極連接在一起。通過單片機引腳輸出高低電平，可使數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)字或字母，這種使數(shù)碼管顯示字形的數(shù)據(jù)稱字形碼，又稱段選碼 。 數(shù)碼管引腳 圖 32 七段 LED數(shù)碼管 第三章 各單元模塊的硬件設(shè)計 10 表 31 七段 LED的段選碼表 顯示字符 共陰極段 碼 共陽極段碼 顯示字符 共陰極段碼 共陽極段碼 0 3FH C0H 8 7FH 80H 1 06H F9H 9 6FH 90H 2 5BH A4H A 77H 88H 3 4FH B0H B 7FH 83H 4 66H 99H C 39H C6H 5 6DH 92H D 3FH A1H 6 7DH 82H E 79H 86H 7 07H F8H F 71H 8EH 一個共陰極數(shù)碼管接至單片機的電路，要想顯示“ 7”，須 a、 b、 c 這 3 個顯示段發(fā)光（即這 3 個字段為高電平）只要在 P0 口輸入 00000111（ 07H）即可。這里 07H 即為數(shù)字 7 的段選碼。字形與段選碼的關(guān)系見表 31 所示。 電路設(shè)計 開關(guān)復(fù)位與晶振電路 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，出單片機本身需要復(fù)位以外，外部擴(kuò)展 I/O 接口電路也需要復(fù)位，因此需要一個包括上電和按鈕復(fù)位在內(nèi)的系統(tǒng)同步復(fù)位電路。單片機上的 XTAL1 和 XTAL2 用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接單片機內(nèi) OSC的定時反饋回路。笨設(shè)計中開關(guān)復(fù)位與晶振電路如圖 33 所示，當(dāng)按下按鍵開關(guān)S1 時，系統(tǒng)復(fù)位一次。其中電容 C C2 為 33pF， C3 為 10uF，電阻 R R3 阻值為 10k，晶振頻率為 12MHz。 瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 11 圖 33 系統(tǒng)復(fù)位與晶振電路 獨立 按鍵 連接電路 按鍵 包括兩個獨立按鍵 S2 和 S3，一端與單片機的 和 口連接，另一端接地，當(dāng)按下任一鍵時， P1 口讀取低電平有效。系統(tǒng)上電后，進(jìn)入 按鍵 掃描子程序，以查詢的方式確定各按鍵，完成溫度初值的設(shè)定。其中按鍵 S2 為加按鍵，每按一次，系統(tǒng)對最初設(shè)定值加一，按鍵 S3 為減按鍵，每按下一次，系統(tǒng)對初定值進(jìn)行減一計算。其連線圖如圖 34 所示。 第三章 各單元模塊的硬件設(shè)計 12 圖 34 獨立按鍵連接電路 數(shù)碼管顯示電路 本設(shè)計制作中選 用 5 位共陰極數(shù)碼管作為顯示模塊，它和單片機硬件的接口如圖 35 所示。其中前 3 位數(shù)碼管 DS DS DS3 用于顯示溫度傳感器實時檢測采集到的溫度，可精確到 攝氏度，顯示范圍為 0～ 攝氏度；后 2 位數(shù)碼管 DS DS5 用于顯示系統(tǒng)設(shè)置的初值溫度，只能顯示整數(shù)的溫度值，顯示范圍為 0～ 99 攝氏度。 5 位數(shù)碼管的段選 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp 線分別與單片機的 ～ 口連接，其中 P0 口需要接一 10K 的上拉電阻，以使單片機的 P0口能夠輸出高低電平。 5 位數(shù)碼管的位選 W1～ W5 分別與單片機的 ～ 口相連接，只要在 ～ 口任一位中輸出低電平，則選中與該位相連的數(shù)碼管。 瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 13 圖 35 數(shù)碼管顯示電路 溫度采集電路 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器通過其內(nèi)部計數(shù)時鐘周期的作用，實現(xiàn)了特有的溫度測量功能。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時鐘信號通過由高溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門周期而被計數(shù)，計數(shù)器預(yù)先設(shè)置有與 55℃相應(yīng)的一個基權(quán)值。如果計數(shù)器計數(shù)到 0 時，高溫度系數(shù)振蕩周期還未結(jié)束，則表 示測量的溫度值高于 55℃，被預(yù)置在 55℃的溫度寄存器中的值就加 1℃，然后這個過程不斷反復(fù)，知道高溫系數(shù)振蕩周期結(jié)束為止。此時溫度寄存器中的值即為被測溫度值，這個值以 16 位二進(jìn)制的形式存放在存儲器中，通過主機發(fā)送存儲器讀命令可讀出此溫度值，讀取時低位在前，高位在后，依次進(jìn)行。由于溫度振蕩器的拋物線特性的影響，其內(nèi)用的斜率累加器進(jìn)行補償。 DS18B20 在使用時，一般都采用單片機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只須將 DS18B20 信號線與單片機 1 位 I/O 線相連，且單片機的 1 位 I/O 線可掛多個 DS18B20，就可第三章 各單元模塊的硬件設(shè)計 14 實現(xiàn)單點或多 點溫度檢測。本設(shè)計中將 DS18B20 接在 口實現(xiàn)溫度的采集，其與單片機的連接如圖 36 所示。 圖 36 溫度采集電路 風(fēng)扇電機驅(qū)動與調(diào)速電路 本設(shè)計中由單片機的 I/O 口輸出 PWM 脈沖，通過一個達(dá)林頓反向驅(qū)動器ULN2803 驅(qū)動 12V 的直流無刷電機以及實現(xiàn)風(fēng)扇電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 按鍵控制設(shè)置溫度，通過軟件向單片機輸入相應(yīng)控制指令，由單片機通過 口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的 PWM 脈沖，經(jīng)過 ULN2803 驅(qū)動風(fēng)扇直流電機控制電路，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速與啟停的自動控制。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，直流電機的轉(zhuǎn)速會相 應(yīng)按照設(shè)定的等級有所提高；當(dāng)環(huán)境溫度下降時，電機的轉(zhuǎn)速會相應(yīng)的下降；當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)置溫度時，電機停止轉(zhuǎn)動，而環(huán)境溫度又高于預(yù)設(shè)溫度時，電機重新啟動。 電路圖如圖 37 所示，風(fēng)扇電機的一端接 12V 電源，另一端 ULN2803 的 OUT7引腳， ULN2803 的 IN7 引腳與單片機的 引腳相連，通過控制單片機的 引腳輸出 PWM 信號，由此控制風(fēng)扇直流電機的速度與啟停。 瓊州學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 15 圖 37 風(fēng)扇電機驅(qū)動與調(diào)速電路 系統(tǒng)選用的風(fēng)扇電機為 12 直流無刷電機，達(dá)林頓反向驅(qū)動器 ULN2803 輸入TTL 信號為 5V 或 CMOS 信號 為 6～ 15V 時，輸出的最大電壓為 50