【文章內(nèi)容簡介】 的價(jià)格在不斷下降，并不一定比若干個(gè)普通芯片價(jià)格總和高。 （ 2）留有設(shè)計(jì)余地。在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，要考慮到將來修改擴(kuò)展的方便。因?yàn)楹苌儆幸诲N定音的電路設(shè)計(jì)，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點(diǎn)小小的修改或擴(kuò)展而被迫進(jìn)行全面返工 。 （ 3）程序空間。選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用 80C51 單片機(jī)。 （ 4） RAM 空間， 80C51 單片機(jī)內(nèi)部 RAM 不多，當(dāng)要增強(qiáng)軟件數(shù)據(jù)處理功能時(shí)，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(qiáng) 256 字節(jié) RAM。如果有大批數(shù)據(jù)需要處理，則應(yīng)配置足夠的 RAM，如 626 62256 等。隨著軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)初期考慮到這一點(diǎn)，就應(yīng)該為系統(tǒng)將來升級留有足夠的 RAM 空間。 I/O 端口，在樣機(jī)研制出來后進(jìn)行現(xiàn)場試用時(shí)，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(shè)計(jì)就預(yù)留出一些 I/O 端口，雖然當(dāng)時(shí)空著沒用，那么要用的時(shí)候就能派上用場了。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jié)合對 51 系列單片機(jī)的資源分析，即單片機(jī)軟件編程自由度大，可用編程實(shí)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(shè)置好的溫度值傳給單片機(jī)，通過溫度顯示模塊顯示出來。初始溫度設(shè)置好后，單片機(jī)開啟輸出控制模塊，使 燈泡 開始加熱，同時(shí)將從數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 測量到的溫度值實(shí)時(shí)的顯示出來，當(dāng)加熱到設(shè)定溫度值時(shí)，單片機(jī)控制聲光報(bào)警模塊，發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí) 發(fā)出信號 關(guān)閉 燈泡 。當(dāng)自然冷卻到設(shè)定溫度以下時(shí)，單片機(jī)再次啟動(dòng)加熱器，如此循環(huán)反復(fù)，以達(dá)到恒溫控制的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 31所示 。 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本 系統(tǒng)是采用模塊化設(shè)計(jì)的智能恒溫箱，在生活中有廣泛的應(yīng)用，系統(tǒng)上電后默認(rèn)設(shè)定的恒溫溫度為 30℃ ，使用時(shí)可以自行調(diào)節(jié)預(yù)期的恒溫溫度，調(diào)節(jié)范圍為 0~125℃ 。調(diào)節(jié)好后 系統(tǒng)會將采集來的實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定的預(yù)期溫度進(jìn)行比較，如果實(shí)時(shí)溫度比設(shè)定溫度高就關(guān)閉加熱設(shè)備，如果實(shí)時(shí)溫度比預(yù)期溫度低就開啟加熱設(shè)備。 時(shí)鐘頻率電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)必須在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下才能工作，在單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘振蕩電路，只需要外接一個(gè)振蕩源就能產(chǎn)生一定周期的時(shí)鐘信號送到單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)單元，決定單片的工作頻率，時(shí)鐘電路如圖 32 所示。 溫度采集 輸出控制 聲光報(bào)警 按鍵控制 溫度顯示 微控制器 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 32 時(shí)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(shí)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(gè)電容 C C4 的作用有兩個(gè)：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。 C C4 的典型值為 22pF。 單片機(jī)工作時(shí)，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時(shí)鐘信號的周期稱為時(shí)鐘周期，其大小是時(shí)鐘信號頻率的倒數(shù)，時(shí)鐘信號頻率常用 fosc 表示。 顯示電路的設(shè)計(jì) 顯示電路概述 顯示功能 與硬件關(guān)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(dòng)態(tài)掃描。其中靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多；動(dòng)態(tài)掃描的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定程度沒有靜態(tài)顯示好，程序編寫復(fù)雜，但是相對靜態(tài)顯示而言最大的優(yōu)點(diǎn)是占用端口資源少。由于本設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)掃描顯示的辦法。以下將對顯示電路的各個(gè)部件及整體設(shè)計(jì)做詳細(xì)的介紹。 LCD 顯示屏 工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示 16x02即 32個(gè)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(diǎn)陣 型液晶模塊。它由若干個(gè) 5X7或者 5X11等 點(diǎn)陣 字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)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?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形 。 1602LCD 是指顯示的內(nèi)容為 16x2，即可以顯示兩行，每行 16個(gè)字符液晶模塊 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （顯示字符和數(shù)字）。 本次設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高（對比度過高時(shí)會 產(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對比度）。 第 4腳： RS 為 寄存器 選擇， 高電平 1時(shí)選擇 數(shù)據(jù)寄存器 、低電平 0時(shí)選擇 指令寄存器 。 第 5腳： RW 為讀寫信號線，高電平 (1)時(shí)進(jìn)行讀操作，電平 (0)時(shí)進(jìn)行寫操作。 第 6腳： E(或 EN)端為使能 (enable)端 ， 高電平 (1)時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)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(fù)極。 1602LCD 有以下特性： 1) 或 5V 工作電壓，對比度可調(diào)； 2) 內(nèi)含復(fù)位電路； 3) 提供各種控制命令 ， 如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)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(nèi)建有 192個(gè) 5x7點(diǎn)陣 的字型的字符發(fā)生器 CGROM； 6) 8個(gè)可由用戶自定義的 5x7的字符發(fā)生器 CGRAM。 特征應(yīng)用 ： 微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常 用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。 顯示電路整體設(shè)計(jì) 顯示電路如圖 34 所示： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jī)的 、 、 ，而單片機(jī)的 ~ D0~D7。 開關(guān)鍵盤設(shè)計(jì) 按鍵開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)按下鍵帽時(shí)，按鍵內(nèi)的復(fù)位彈簧片被壓縮，動(dòng)片觸電與靜片觸電相連，鍵盤的兩個(gè)引腳被接通；松手后，復(fù)位彈簧將動(dòng)片彈開，使動(dòng)片與靜片脫離接觸，鍵盤的兩個(gè)引腳被斷開。由于機(jī)械接觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵從開始接上至接觸穩(wěn)定要經(jīng)過 5~10ms 的抖動(dòng)時(shí)間，在此期間，有抖動(dòng)發(fā)生。按鍵抖動(dòng)波形如圖 35 所示。 理 想 按 鍵 電 壓 波 形按 下 釋 放實(shí) 際 按 鍵 電 壓 波 形前 沿抖 動(dòng)后 沿抖 動(dòng)穩(wěn) 定 閉 合 圖 35 按鍵抖動(dòng)電壓波形 按鍵開關(guān)輸入需要解決的兩個(gè)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(shè)計(jì)（論文） 12 動(dòng)的影響。按鍵的確認(rèn)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(dòng)通常有硬件、軟件兩種消除方法。一般在按鍵較多時(shí)，采用軟件的方法消除抖動(dòng)，即在第一次檢測到有按鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)12~15ms 的子程序后，再確認(rèn)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(rèn)真有按鍵按下，從而消除抖動(dòng)的影響。 一般電子裝置中都設(shè)計(jì)有按鍵 輸入，用以控制程序執(zhí)行時(shí)數(shù)據(jù)的輸入或是特殊功能的設(shè)置及操作。在控制電路中，如果按鍵數(shù)不多 時(shí) 可以使用一個(gè)按鍵對應(yīng)一條輸入位線控制，即獨(dú)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(gè)鍵按下了。獨(dú)立式按鍵可以用單穩(wěn)態(tài)鎖存器消除抖動(dòng)。 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(shí)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(shí)中斷子程序中，就可省去專門的延時(shí)子程序，利用兩次定時(shí)中斷的 時(shí)間間隔來完成抖動(dòng)處理。 按鍵電路如圖 36 所示。 圖 36 按鍵電路 溫度報(bào)警電路設(shè)計(jì) 報(bào)警電路如圖 37 所示，該電路采用一個(gè)小功率三極管 Q2 驅(qū)動(dòng)蜂鳴器SPEAKER， 當(dāng)單片機(jī)接收到超額溫度信號或危險(xiǎn)信號時(shí) ， 輸出腳 SPEAKER 輸出高點(diǎn)平 ， Q2 導(dǎo)通，致使蜂鳴器 SPEAKER 得電工作，發(fā)出報(bào)警聲。同時(shí)，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(shè)計(jì)（論文） 13 圖 37 溫度報(bào)警電路 溫度采集電路 DS18B20 測溫電路 DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)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(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號，以供單片機(jī)處理 ， 具有連線簡單、微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。因此用它來組成一個(gè)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(jì)，十分方便。目前已被眾多行業(yè)進(jìn)行廣泛的運(yùn)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(shí)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(shí)都設(shè)有唯一的產(chǎn)品序列號，因此多個(gè) 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(gòu)成多點(diǎn)溫度測控系統(tǒng)。 DS18B20 的特點(diǎn)介紹 （ 1） 獨(dú)特的單線接口方式，與單片機(jī)通信只需一個(gè)引腳， DS18B20 與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí) 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(nèi)誤差為 ℃ 。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 （ 5）通過編程可實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字讀數(shù)方式。 （ 6）用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。 （ 7）支持多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)單線多掛接，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的線上，簡化了分布式溫度檢測的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。 （ 8）負(fù)壓特性 ，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)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(yù)設(shè)告警界限的器件。 單線（ 1wire）技術(shù) 目前常用的微機(jī)和外設(shè)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(shí)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(shí)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(dá)拉斯半導(dǎo)體公司推出了一項(xiàng)特有的單線（ 1wire）技術(shù)。該技術(shù)與上述總線 不同，它采用單根信號線，即可傳輸時(shí)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(shù)具有線路簡單、硬件開銷少、成本低廉、便于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。 單線技術(shù)適用于單主機(jī)系統(tǒng)，單主機(jī)能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)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(jī)或從機(jī)通過一個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連至數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠釋放該線，而讓其他設(shè)備使用。單線通常要外接一個(gè)約 5KΩ 的上拉電阻，這樣，當(dāng)該線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平。 主機(jī)和從機(jī)之間的通信主要分 3 個(gè)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(yán)格的主從結(jié)構(gòu)，只有主機(jī)呼叫從機(jī)時(shí)，從機(jī)才能應(yīng)答，主機(jī)訪問每個(gè)單線器件必須嚴(yán)格遵循單線命令序列，即遵守上述 3 個(gè)步驟的順序。如果命令序列混亂，單線器件將不會響應(yīng)主機(jī)。 所有的單線器件都要遵循嚴(yán)格的協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。 1wire 協(xié)議由復(fù)位脈沖、應(yīng)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(yīng)答脈沖，其他均由主機(jī)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(shè)計(jì)（論文） 15 圖 38 DS18B20