【文章內(nèi)容簡介】 微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，特別適合于構成多點的溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機處理，而且每片 DS18S20 都有唯一的產(chǎn)品號，可以一并存入其 ROM 中，以便在構成大型溫度測控系統(tǒng)時在單線上掛接任意多個 DS18S20 芯片。從 DS18S20 讀出或?qū)?入 DS18S20 信息僅需要一根口線，其讀寫及其溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的 DS18S20 供電，而且不需要額外電源。同時 DS18S20能提供九位溫度讀數(shù)，它無需任何外圍硬件即可方便地構成溫度檢測系統(tǒng)。 利用本次的設計主要實現(xiàn)： 1）溫度測試，溫度顯示，溫度門限設定，超過設定的門限值時自動啟動加熱裝置等功能。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 4 2）以單片機為主機，使溫度傳感器通過一根口線與單片機相連接，再加上溫度控制部分和人機對話部分來共同實現(xiàn)溫度的監(jiān)測與控制。 用單片機實現(xiàn)其具體控制功能如下： 1） 能夠連續(xù)測量加熱爐的溫度值，用十進制數(shù)碼管來顯示爐內(nèi)的實際溫度。 2）能夠設定爐內(nèi)的溫度值，設定范圍是 0℃ ～ 1000℃ 。 3）能夠?qū)崿F(xiàn)爐溫的自動控制，如果設定溫度為 400℃ ，則能使爐溫保持恒定在 400℃ 的溫度下運行。 4）用單片機 AT89C51 控制，通過按鍵來控制爐溫的設定值，數(shù)值采用數(shù)碼管顯示。 課題的研究方案 溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，當今計算機控制技術在這方面的應用，已使溫度控制系統(tǒng)達到自動化、智能化，比過去單 純采用電子線路進行 PID調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高 。 溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。采取溫度控制系統(tǒng)的方法是： 首先 ,通過設置按鍵 ,設定恒溫運行時的溫度值，并且用數(shù)碼管顯示這個溫度值 .然后 ,在運行過程中將采樣的溫度模擬量送入 A/D 轉(zhuǎn)換器中進行模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用數(shù)碼管進行顯示，最后用單片機來控制加熱爐 ,進行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。 系統(tǒng)框圖如下： 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 5 此方案采用 89C51 單片機系 統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來顯示爐溫的實際值，能用鍵盤輸入設定值。采用以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的智能化，也使得系統(tǒng)所測得結果的精度大大提高。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 6 第 2 章 硬件設計 本設計系統(tǒng)的基本組成單元包括：主機、 溫度采樣單元、單片機控制單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元四部分，本章將逐一進行介紹。 單片機的發(fā)展概況 1970 年微型計算機研制成功之后，隨之即出現(xiàn)了單片機（即單 片微型計算機） — 美國 Intel公司 1971 年生產(chǎn)的 4 位單片機 4004 和 1972 年生產(chǎn)的雛形 8 位單片機 8008，這也算是單片機的第一次公眾亮相。 1976 年 Intel 公司首先推出能稱為單片機的 MCS48 系列單片微型計算機。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應用，同時一些與單片機 有關公司都爭相推出各自的單片機。 1978 年下半年 Motorola 公司推出 M6800 系列單片機， Zilog 公司相繼推出 Z8 單片機系列。 1980 年 Intel 公司在 MCS48 系列基礎上又推出高性能的 MCS51 系列 單片機。 這類單片機均帶有串行 I/O 口，定時器 /計數(shù)器為 16 位，片內(nèi)存儲容量（ RAM， ROM）都相應增大，并有優(yōu)先級中斷處理功能，單片機的功能、尋址范圍都比早期的擴大了，它們是當時單片機應用的主流產(chǎn)品。 1982 年 Mostek 公司和 Intel公司先后又推出了性能更高的 16 位單片機 MK68200 和 MCS96 系列， NS 公司和 NEC 公司也分別在原有 8 位單片機的基礎上推出了 16 位單片機 HPC16040 和 μPD783系列。 1987 年 Intel公司又宣布了性能比 8096 高兩倍的 CMOS 型 80C196，1988 年推出帶 EPROM 的 87C196 單片機。 由于 16 位單片機推出的時間較遲、價格昂貴、開發(fā)設備有限等多種原因，至今還未得到廣泛應用。而 8 位單片機已能滿足大部分應用的需要，因此，在推出 16 位單片機的同時，高性能的新型 8 位單片機也不斷問世。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 7 縱觀這短短的 20 年，經(jīng)歷了 4 次更新?lián)Q代，單片機正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴大存儲容量和加強 I/O 功能及結構兼容的方向發(fā)展。新一代的 80C51 系列單片機除了上述的結構特性外，其最主要 的技特 點是向 外部接 口電路 擴展， 以實現(xiàn) 微控制器（ microcontroller）完善的控制功能為己任。這一系列單片機為外部提供了相當完善的總線結構，為系統(tǒng)的擴展和配置打下了良好的基礎。由于80C51 系列單片機所具有的一系列優(yōu)越的特點，獲得廣泛使用指日可待。 下面我們就來重點介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的 AT89C51系列單片機。 AT89C51 系列 單片機介紹 AT89C51 系列基本組成及特性 AT89C51 是一種帶 4k 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。 而在眾多的 51 系列單片機中，要算 ATMEL 公司的 AT89C51 更實用，也是一種高效微控制器，因為它不但和 8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的 4K 程序存儲器是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達到瞬間擦除、改寫。而這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。 AT89C51 基本功能描述如下： AT89C51 是一種低損耗、高性能、CMOS 八位微處理器，而且在其片種還有 4k 字節(jié)的在線可重 復編程快擦快寫程序存儲器，能重復寫入 /擦除 1000 次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與 MCS51 系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS51 系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒有的功河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 8 能。 AT89C51 可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積 , 增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于 4k, 四個 I/O 口全部提供給用戶?？捎?5V 電壓編程，而且寫入時間僅 10 毫秒 , 僅為8751/87C51 的擦除時間的百分之一，與 8751/87C51 的 12V 電壓擦寫相比 , 不易損壞器件 , 沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。 AT89C51 芯片提供三級程序存儲器鎖定加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段 , 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外 ,AT89C51 還具有 MCS51 系列單片機的所有優(yōu)點。 1288 位內(nèi)部RAM, 32 位雙向輸入輸出線 , 兩個十六位定時器 /計時器 , 5個中斷源 , 兩級中斷優(yōu)先級 , 一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。 AT89C51 有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設置的 , 當外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時 , CPU 可根據(jù)工作情況適時地進入睡眠狀態(tài) , 內(nèi)部 RAM 和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個中斷所終止或通過硬件復位。掉電模式是 VCC 電壓低于電源下限 , 當振蕩器停止振動時 , CPU 停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器值保持不變 , 一直到掉電模式被終止。只有 VCC 電壓恢復到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復位、掉電模式可被終止。 AT89C51 的工作原理 1 . CPU 的結構 CPU 是單片機內(nèi)部的核心部分，是單片機的指揮和執(zhí)行機構，它決定了 單片機的主要功能特性。從功能上看， CPU 包括兩個基本部分：運算器和控制器。下面說明控制器和運算器。 1）運算器 運算器包括算術邏輯運算部件 ALU、累加器 ACCC、 B 寄存器、暫河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 9 存寄存器 TMP1 和 TMP程序狀態(tài)寄存器 PSW、 BCD 碼運算調(diào)整電路等。 2）時鐘電路 AT89C51 芯片內(nèi)部有一個高增益反向放大器，用于構成振蕩器。反向放大器的輸入端為 XTAL1，輸出端為 XTAL2。在 TXAL1 和 XTAL2兩端跨接由石英晶體及兩個電容構成的自激振蕩器，如圖 21 所示。電容器 C1 和 C2 通常都取 30pF 左右，選用不同的電容量對振蕩頻率有微調(diào)作用。但石英晶體本身的標定頻率才是單片機振蕩頻率的決定因素。其振蕩頻率范圍是 1～ 12MHz。 C1C2X TA L1X TA L2M C S 5 1石英晶體 圖 21 時鐘電路 本設計考慮系統(tǒng)的獨立完整性，選用內(nèi)部時鐘方式，石英震蕩頻率選用 12MHZ， ALE 信號頻率為 2MHZ。 2 . I/O口結構： AT89C51 單片機有 4 個 8 位并行 I/O 接口，記作 P0、 P P2 和 P3，每個端口都是 8 位準雙向口，共占 32 根引腳。每一條 I/O 線都能獨立地用作輸入或輸出。每個端口都包括一個鎖存器（即特殊功能寄存器 P0～P3），一個輸 出驅(qū)動器和輸入緩沖器，作輸出時數(shù)據(jù)可以鎖存，作輸入時數(shù)據(jù)可以緩沖，但是這四個通道的功能完全不同。 3. 程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器 1）程序存儲器 對 AT89C51 芯片來說，片內(nèi)有 4K 字節(jié) ROM/EPROM，片外可擴展河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 10 60K 字節(jié) EPROM，片內(nèi)和片外程序存儲器統(tǒng)一編址。 在程序存儲器中，有 6 個地址單元被保留用于某些特定的地址，如下表21 所示。 2）數(shù)據(jù)存儲器 AT89C51 數(shù)據(jù)存儲器空間也分為內(nèi)片和外片兩大部分，即片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM 和片外數(shù)據(jù)存儲器 RAM。如何區(qū)別片內(nèi)、片外 RAM 空間呢？片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器最大 可以尋址 256 個單元，片外最大可擴展 64K 字節(jié) RAM，并且片內(nèi)使用的是 MOV 指令，片外 64K ROM 空間專門為MOVX 指令所用。 4 . 定時器 AT89C51 單片機的內(nèi)部有兩個 16 位可變成定時器 0（ T0）和定時器1（ T1），它們都有定時或是事件計數(shù)的功能，可用于定時控制、延時、對外部事件計數(shù)和檢測等場合。 表 21 AT89C51 的復位、中斷入口地址 入口地址 說明 0000H 復位后， PC=0000H 0003H 外部中斷 入口 000BH 定時器 T0 溢出中斷入口 0013H 外部中斷 入口 001BH 定時器 T1 溢出中斷口 0023H 串行口中斷入口 它們具有計數(shù)和定時兩種工作方式以及四種工作模式。定時器 T0具有方式 0、方式 方式 2 和方式 3 四種工作方式。 T1 具有方式 0、方式 1 和方式 2 三種工作方式。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 11 5 . 中斷系統(tǒng) AT89C51 單片機有五個中斷請求源。其中，兩個外部中斷源；兩個片內(nèi)定 時器 /計數(shù)器（ T0、 T1）的溢出中斷源 TE0 和 TF1；一個片內(nèi)串行口接受或發(fā)送中斷源 RI 或 TI。這些中斷請求分別由單片機的特殊功能寄存器 TCON 和 SCON 的相應位鎖存。當幾個中斷源同時向 CPU 請求中斷，要求 CPU 提供服務的時候，就存在 CPU 優(yōu)先響應哪一個中斷請求，于是一些微處理器和單片機規(guī)定了每個中斷源的優(yōu)先級別。 AT89C51 的復位電路 AT89C51 單片機通常采用上電自動復位和開關手動復位兩種方式。 本設計采用上電復位電路，所謂上電復位，是指單片機只要一上電，便自動地進入復位狀態(tài)。在通電瞬 間，電容 C 通過電阻 R 充電， RST 端出現(xiàn)正脈沖，用以復位。 C11 0 0 p FC21 0 u FC31 0 u F1 0 K Ω1+ 5 VR E S E T 圖 22 復位電路 AT89C51 的引腳功能 AT89C51 的 40 條引腳中，有 2 條專用于主電源的引腳， 4 條控制和其他電源復用的引腳， 32 條輸入 /輸出引腳。如圖 23 所示，下面介紹主要引