【文章內容簡介】 的價格在不斷下降，并不一定比若干個普通芯片價格總和高。 （ 2）留有設計余地。在設計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。因為很少有一錘定音的電路設計，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點小小的修改或擴展而被迫進行全面返工 。 （ 3）程序空間。選用片內程序空間足夠大的單片機，本設計采用 80C51 單片機。 （ 4） RAM 空間， 80C51 單片機內部 RAM 不多，當要增強軟件數(shù)據(jù)處理功能時，往往覺得不足。如果系統(tǒng)配置了外部 RAM，則建議多留一些空間。如果選用8155 作 I/O 接口，就可以增強 256 字節(jié) RAM。如果有大批數(shù)據(jù)需要處理，則應配置足夠的 RAM，如 626 62256 等。隨著軟件設計水平提高，往往只要改變或者增加軟件中的數(shù)據(jù)處理算法，就可以使系統(tǒng)功能提高很多，而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級換代。只要在硬件電 路設計初期考慮到這一點，就應該為系統(tǒng)將來升級留有足夠的 RAM 空間。 I/O 端口，在樣機研制出來后進行現(xiàn)場試用時，往往會發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如果有些新的信號需要采集，就必須增加輸入檢測端：有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件電路設計就預留出一些 I/O 端口，雖然當時空著沒用，那么要用的時候就能派上用場了。 本科生畢業(yè)設計（論文） 8 系統(tǒng)功能介紹 根據(jù)恒溫箱控制器的功能要求，并結合對 51 系列單片機的資源分析，即單片機軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。 所以采用 AT89C51作為電路系統(tǒng)的控制核心。恒溫箱控制器的總體布局如圖 31 所示。按鍵將設置好的溫度值傳給單片機，通過溫度顯示模塊顯示出來。初始溫度設置好后，單片機開啟輸出控制模塊，使 燈泡 開始加熱，同時將從數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 測量到的溫度值實時的顯示出來，當加熱到設定溫度值時，單片機控制聲光報警模塊，發(fā)出聲光報警，同時 發(fā)出信號 關閉 燈泡 。當自然冷卻到設定溫度以下時，單片機再次啟動加熱器，如此循環(huán)反復，以達到恒溫控制的目的。系統(tǒng)結構框圖如圖 31所示 。 圖 31 系統(tǒng)結構框圖 本 系統(tǒng)是采用模塊化設計的智能恒溫箱，在生活中有廣泛的應用，系統(tǒng)上電后默認設定的恒溫溫度為 30℃ ，使用時可以自行調節(jié)預期的恒溫溫度，調節(jié)范圍為 0~125℃ 。調節(jié)好后 系統(tǒng)會將采集來的實時溫度與設定的預期溫度進行比較，如果實時溫度比設定溫度高就關閉加熱設備，如果實時溫度比預期溫度低就開啟加熱設備。 時鐘頻率電路設計 單片機必須在時鐘的驅動下才能工作，在單片機內部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定周期的時鐘信號送到單片機內部的各個單元，決定單片的工作頻率，時鐘電路如圖 32 所示。 溫度采集 輸出控制 聲光報警 按鍵控制 溫度顯示 微控制器 本科生畢業(yè)設計（論文） 9 圖 32 時鐘電路 一般選用石英晶體振蕩器。此電路大約延遲 10ms 后振蕩器起振，在 XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為 3V 左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要有石英晶體的頻率確定。電路中兩個電容 C C4 的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調。 C C4 的典型值為 22pF。 單片機工作時，由內部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期，其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，時鐘信號頻率常用 fosc 表示。 顯示電路的設計 顯示電路概述 顯示功能 與硬件關系極大，在這里我們使用的是 LCD 顯示屏顯示，通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)掃描。其中靜態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多；動態(tài)掃描的特點是顯示穩(wěn)定程度沒有靜態(tài)顯示好，程序編寫復雜，但是相對靜態(tài)顯示而言最大的優(yōu)點是占用端口資源少。由于本設計需要較多的端口用于其它的功能因此采用占用端口少的動態(tài)掃描顯示的辦法。以下將對顯示電路的各個部件及整體設計做詳細的介紹。 LCD 顯示屏 工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 16x02即 32個字符。（ 16列 2行） 1602液晶也叫 1602字符型 液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣 型液晶模塊。它由若干個 5X7或者 5X11等 點陣 字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形 。 1602LCD 是指顯示的內容為 16x2，即可以顯示兩行，每行 16個字符液晶模塊 本科生畢業(yè)設計（論文） 10 （顯示字符和數(shù)字）。 本次設計所用的 LCD 顯示屏的 引腳如圖 33所示。 圖 33 LCD 顯示屏引腳圖 1602采用標準的 16腳接口，其中： 第 1腳： GND 為 電源地 ； 第 2腳： VCC 接 5V 電源正極 ； 第 3腳： VL 為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調整對比度）。 第 4腳： RS 為 寄存器 選擇， 高電平 1時選擇 數(shù)據(jù)寄存器 、低電平 0時選擇 指令寄存器 。 第 5腳： RW 為讀寫信號線，高電平 (1)時進行讀操作，電平 (0)時進行寫操作。 第 6腳： E(或 EN)端為使能 (enable)端 ， 高電平 (1)時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令。 第 7～ 14腳： D0～ D7為 8位雙向數(shù)據(jù)端。 第 15～ 16腳： 空腳 或背燈電源。 15腳背光正極， 16腳背光負極。 1602LCD 有以下特性： 1) 或 5V 工作電壓，對比度可調； 2) 內含復位電路； 3) 提供各種控制命令 ， 如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位 等多種功能； 4) 有 80字節(jié) 顯示數(shù)據(jù)存儲器 DDRAM； 5) 內建有 192個 5x7點陣 的字型的字符發(fā)生器 CGROM； 6) 8個可由用戶自定義的 5x7的字符發(fā)生器 CGRAM。 特征應用 ： 微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧，常 用在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中。 顯示電路整體設計 顯示電路如圖 34 所示： 本科生畢業(yè)設計（論文） 11 圖 34 顯示電路 圖中 VEE 接一外接電阻 R4， VDD 接電源， VSS 接地， RS、 RW、 E 分別接單片機的 、 、 ，而單片機的 ~ D0~D7。 開關鍵盤設計 按鍵開關為機械彈性開關，當按下鍵帽時，按鍵內的復位彈簧片被壓縮，動片觸電與靜片觸電相連，鍵盤的兩個引腳被接通；松手后，復位彈簧將動片彈開，使動片與靜片脫離接觸，鍵盤的兩個引腳被斷開。由于機械接觸點的彈性作用，一個按鍵從開始接上至接觸穩(wěn)定要經(jīng)過 5~10ms 的抖動時間，在此期間，有抖動發(fā)生。按鍵抖動波形如圖 35 所示。 理 想 按 鍵 電 壓 波 形按 下 釋 放實 際 按 鍵 電 壓 波 形前 沿抖 動后 沿抖 動穩(wěn) 定 閉 合 圖 35 按鍵抖動電壓波形 按鍵開關輸入需要解決的兩個主要問題是判斷是否有按鍵按下和消除按鍵抖本科生畢業(yè)設計（論文） 12 動的影響。按鍵的確認反映在電壓上，就是和按鍵相連的引腳呈現(xiàn)出高電平還是低電平。消除按鍵的抖動通常有硬件、軟件兩種消除方法。一般在按鍵較多時，采用軟件的方法消除抖動，即在第一次檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一段延時12~15ms 的子程序后，再確認該鍵電平是否任保持為閉合狀態(tài)電平，如果保持為閉合狀態(tài)電平就可以確認真有按鍵按下，從而消除抖動的影響。 一般電子裝置中都設計有按鍵 輸入，用以控制程序執(zhí)行時數(shù)據(jù)的輸入或是特殊功能的設置及操作。在控制電路中，如果按鍵數(shù)不多 時 可以使用一個按鍵對應一條輸入位線控制，即獨立式按鍵。這種接法，一根輸入線上的按鍵是否被按下，不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷哪個鍵按下了。獨立式按鍵可以用單穩(wěn)態(tài)鎖存器消除抖動。 如果監(jiān)控程序中的讀鍵操作安排在主程序（后臺程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中，則該延時子程序便可直接插入讀鍵過程中。如果讀鍵過程安排在定時中斷子程序中，就可省去專門的延時子程序，利用兩次定時中斷的 時間間隔來完成抖動處理。 按鍵電路如圖 36 所示。 圖 36 按鍵電路 溫度報警電路設計 報警電路如圖 37 所示，該電路采用一個小功率三極管 Q2 驅動蜂鳴器SPEAKER， 當單片機接收到超額溫度信號或危險信號時 ， 輸出腳 SPEAKER 輸出高點平 ， Q2 導通，致使蜂鳴器 SPEAKER 得電工作，發(fā)出報警聲。同時，電路中的發(fā)光二極管指示出電路的工作狀態(tài)。 本科生畢業(yè)設計（論文） 13 圖 37 溫度報警電路 溫度采集電路 DS18B20 測溫電路 DS18B20 數(shù)字溫度計是 Dallas 公司生產(chǎn)的 1－ Wire 器件 ， 即單總線器件。與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同， DS18B20 可直接將被測溫度轉化成串行數(shù)字信號，以供單片機處理 ， 具有連線簡單、微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、精度高等特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有電路簡單，在一根通信線上可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。目前已被眾多行業(yè)進行廣泛的運用（鍋爐、溫控表糧庫、冷庫、工業(yè)現(xiàn)場溫度監(jiān)控、儀器儀表溫度監(jiān)控、農(nóng)業(yè)大棚溫度監(jiān)控等）。 通過編程， DS18B20 可以實現(xiàn) 9～ 12 位 的溫度讀數(shù)。信息經(jīng)過單線接口送入DS18B20 或從 DS18B20 送出，因此從微處理器到 DS18B20 僅需連接一條信號線和地線。讀、寫和執(zhí)行溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。 每片 DS18B20 在出廠時都設有唯一的產(chǎn)品序列號，因此多個 DS18B20 可以掛接于同一條單線總線上，這允許在許多不同的地方放置溫度傳感器，特別適合于構成多點溫度測控系統(tǒng)。 DS18B20 的特點介紹 （ 1） 獨特的單線接口方式，與單片機通信只需一個引腳， DS18B20 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 的雙向通訊。 （ 2）在使用中不需要任何外圍元件。 （ 3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍： +～ + V。 （ 4）測溫范圍為 55 ～ +125 ℃ 。在 10～ +85℃ 范圍內誤差為 ℃ 。 本科生畢業(yè)設計（論文） 14 （ 5）通過編程可實現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字讀數(shù)方式。 （ 6）用戶可自設定非易失性的報警上下限值。 （ 7）支持多點組網(wǎng)功能，通過識別芯片各自唯一的產(chǎn)品序列號從而實現(xiàn)單線多掛接，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的線上，簡化了分布式溫度檢測的應用，實現(xiàn)多點測溫。 （ 8）負壓特性 ，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 （ 9）告警尋找命令可以識別和尋址那些溫度超出預設告警界限的器件。 單線（ 1wire）技術 目前常用的微機和外設之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€有 I2C 總線、 SPI 總線等，其中， I2C 總線采用同步串行兩線（一根時鐘線、一根數(shù)據(jù)線）方式，而 SPI 總線采用同步串行三線（一根時鐘線、一根輸入線和一根數(shù)據(jù)出線）方式。這兩種總線需要至少兩根或兩根以上的信號線。美國達拉斯半導體公司推出了一項特有的單線（ 1wire）技術。該技術與上述總線 不同，它采用單根信號線，即可傳輸時鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單線技術具有線路簡單、硬件開銷少、成本低廉、便于擴展的優(yōu)點。 單線技術適用于單主機系統(tǒng)，單主機能夠控制一個或多個從機設備。主機可以是微控制器，從機可以是單線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線完成。主機或從機通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至數(shù)據(jù)線，以允許設備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放該線，而讓其他設備使用。單線通常要外接一個約 5KΩ 的上拉電阻，這樣，當該線閑置時，其狀態(tài)為高電平。 主機和從機之間的通信主要分 3 個步驟：初始化單線器 件、識別單線器件和單線數(shù)據(jù)傳輸。由于只有一根線通信，所以它們必須是嚴格的主從結構，只有主機呼叫從機時，從機才能應答，主機訪問每個單線器件必須嚴格遵循單線命令序列，即遵守上述 3 個步驟的順序。如果命令序列混亂，單線器件將不會響應主機。 所有的單線器件都要遵循嚴格的協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。 1wire 協(xié)議由復位脈沖、應答脈沖、寫 0、寫 讀 0 和讀 1 這幾種信號類型組成。這些信號中，除了應答脈沖，其他均由主機發(fā)起，并且所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的地位在前。 DS18B20 的引腳及功能介紹 DS18B20 的外形及 TO92 封裝引腳排列見圖 38，其引腳功能描述見表 31。 本科生畢業(yè)設計（論文） 15 圖 38 DS18B20