【文章內(nèi)容簡介】 ）為 128*8 字節(jié) 四組 8 引腳 可編程 的 I/O 口 16 位定時 ／計(jì)數(shù)器 2 個 中斷源 6個 可編程串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 功能特性概述 : AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 內(nèi)含 兩級中斷結(jié)構(gòu) ,其 向量 數(shù)為 5， 通信口 為串行全雙工通信，帶有內(nèi)部 時鐘電路 ，但是精度較低 。同時， AT89C51 可在 0Hz第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 10 狀態(tài)下進(jìn)行 靜態(tài)邏輯操 作，該單片機(jī) 提供 兩種節(jié)電 模式 ， 模式選擇由軟件完成 。當(dāng)單片機(jī)處于空閑方式，其 CPU 將 停止 工作，在此期間 RAM的讀取不受影響 ，定時／計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 單片機(jī) 掉電 后，能自動 保存RAM 中的內(nèi)容，與此同時，振蕩器將停止提供時鐘 信號，在 下一個硬件復(fù)位 前，所有部件都會被禁止 。 引腳功能說明 : 圖 31 AT89C51引腳排列（ PDIP） P0 口： P0 口是 雙向 I/O 口 ，具有八個引腳， 各 引腳為 漏極開路型 ，是 地址或者 數(shù)據(jù)總線復(fù)位口 ，低八位地址線和數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用 。 P1 口： P1 口同樣是 雙向 I/O 口 ，引腳也是八個，但是 P1 口 各 引腳 的不同之處在于其 帶內(nèi)部上拉電阻的， P1 可以通過 吸收或輸出電流 的 方式由其輸出緩沖級完成對 TTL 邏輯門電路 的驅(qū)動，可以驅(qū)動的個數(shù)為 4個 。 第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 11 P2 口： P2 口的性質(zhì)功能與 P1 口基本相同，不同之處在于在進(jìn)行 Flash 編程和程序校檢時， P2口可以獲取 16位地址的外部數(shù)據(jù)，但是 P1口只能獲取低8位地址 P3 口： P3 口是 的性質(zhì)功能與 P P2口重疊，但是 P3口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 所示 : 表 31 P3口的第二功能 除此之外， P3 口還 可以 接收 控制信號，這些控制信號一般 用于 f閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)。 RST：復(fù)位 信號 輸入 端，外部復(fù)位電路提供復(fù)位信號，復(fù)位電路的形式分為手動和自動兩種 。 ALE/PROG： ALE（地址所存允許） 引腳有兩個作用， 當(dāng) CPU 訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，輸出脈沖 信號，用于 低 8位字節(jié)地址的 鎖 存 ；當(dāng) CPU 對flash 存 儲器進(jìn)行編程時，該引腳可以完成 編程脈沖（ ^PROG） 信號的 輸入 。 ^PSEN： ^PSEN 是程序存儲允許，其作用是輸出 外部程序存儲器的讀選通信號 ，每個機(jī)器周期內(nèi)，允許兩次讀取外部程序存儲器 。 EA/VPP:EA 保持低電平時， 單片機(jī)的 CPU 只能 訪問 外部 程序存儲器，當(dāng) EA保持高電平時，需要接 VCC 端， CPU就只能訪問內(nèi)部程序存儲器 XTAL1: 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸出端。 端口引腳 第二功能 Rxd (串行輸入口 ) Txd(串行輸出口 ) ^int0 (外中斷 0) ^int1 (外中斷 1) t0 (定時 /計(jì)數(shù)器 0) t1 (定時 /計(jì)數(shù)器 1) ^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 ) 第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 12 XTAL2: 振蕩器反相放大器的輸出端。 按鍵 模塊 按鍵的功能是完成對 系統(tǒng)初始溫度的設(shè)定 ,實(shí)現(xiàn)這樣的要求最少需要三個鍵 ,一個功能鍵 ,另外兩個鍵調(diào)節(jié)溫度。各個鍵的功能描述如表 32 所示。 表 32 按鍵 控制描述 按鍵 名稱 功能 描述 K2 加 一 鍵 每按一次鍵，數(shù)字加 1 K3 減 一 鍵 每按一次鍵，數(shù)字減 1 K4 功能鍵 按鍵按下 ,系統(tǒng) 處于設(shè)定狀態(tài) ,再次按下 ,系統(tǒng) 設(shè)定完成 。 圖 32 按鍵輸入模塊 按鍵與單片機(jī) AT89C51 的 連接方式是， 三個按鍵的一端都接地，另一端分別接 10K 的上拉電阻，電阻另一端接 +5V 的直流電源。 從硬件電路來看，正常第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 13 情況下， 直流 電源、電阻、單片機(jī)構(gòu)成通路，單片機(jī)與按鍵單元連接的引腳始終處于低 電平狀態(tài)， 只有當(dāng)某個 按鍵按下的時候 ， 才會有 高 電平信號輸入對應(yīng)引腳 。從軟件的工作原理來看，按鍵單元 采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法， 由單片機(jī)直接對鍵盤進(jìn)行掃描， 低電平有效。按鍵 K4 與 相連，采用外部中斷方式，并且優(yōu)先級定為最高； K2 和 K3 分別與 和 相連，采用軟件查詢的方式。 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊 采用的是美國 Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，其特性是可以直接把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字量， 該溫度傳感器特備適合于各種計(jì)算機(jī)組成單線多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)。 DS18B20 主要特性 溫度轉(zhuǎn)化與輸出過程全部采用數(shù)字量 一根數(shù)據(jù)總線完成輸入輸出 通信 數(shù)據(jù)采集精度 ,溫度誤差不超過 攝氏度 在最大分辨率下 ,工作周期為 750毫秒 供電方式采用獨(dú)立供電或寄生供電 適用 溫度范圍 較寬 ,下限 為 – 55176。 C 上限為 +125176。 C 內(nèi)部帶有 EEPROM， 并具備 限溫報(bào)警功能 內(nèi)部只讀存儲器 (ROM)含有 64 位產(chǎn)品序列號 多樣 的 封裝形式 封裝及 引腳排列、功能 DS18B20 有多種封裝形式 ，如管道式、磁鐵吸附式、不銹鋼封裝式等，所以可以適應(yīng)不同的工作環(huán)境，如高爐水循環(huán)測溫、鍋爐測溫等。在本設(shè)計(jì)中，采 用不銹鋼封裝式的 DS18B20， 為保證測溫精度 ,需要用傳感器對被測試對象 (1L水 )進(jìn)行直接接觸式測溫 ,不銹鋼形式的封裝可以保護(hù)傳感器不受腐蝕。 第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 14 圖 33 DS18B20引腳排列及封裝 DS18B20 外形看起來像一只三極管，引腳如圖 33，引腳名稱及功能如下： GND 接地端 DQ 數(shù)字輸入輸出，與 TTL 電平兼容。 VDD 可選電源端 。 每只 DS18B20 都可以設(shè)置成兩種供電方式，即 數(shù)據(jù)總線供電 （ 寄生電源供電） 和外部供電。采用數(shù)據(jù)總線供電時， VDD 接地，這樣的方式有三個優(yōu)點(diǎn) ，一是可以進(jìn)行遠(yuǎn)距 離測溫，省去外部 電源；二是 可以 在沒有外接電源的情況下完成測溫程序執(zhí)行；三是 節(jié)省一根傳輸線 ，簡化了電路 ，但 缺點(diǎn)是 采用寄生供電方式會延長 測溫時間 ，并且對外部電源的穩(wěn)定性要求較高，需要電源長時間穩(wěn)定在 +5V；采取外部供電方式 時 ， VDD 需要 接 5V直流電源 ， 優(yōu)點(diǎn)是可以提高測量速度 ，并且該方式下對電源要求寬泛，當(dāng)工作中電壓從 +5V 降到 +3V 芯片仍然能夠正常工作 ，但是該狀態(tài)下， GND 引腳絕對不能懸空，否則程序會進(jìn)入死循環(huán)，讀取的溫度值始終是 85攝氏度 。 單片機(jī)訪問 DS18B20流程 單片機(jī)是 DS18B20 的 控制器，在控制器的指令引導(dǎo)下，溫度傳感器 完成溫度采集和數(shù)據(jù)傳輸工作 。單片機(jī)通過一線總線訪問 DS18B20 的話，需要經(jīng)過以下幾個步驟： 1. 復(fù)位 單片機(jī) 上電 后，向 DS18B20發(fā)送 不少于 480us的低電平信號 ， DS18B20會在最第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 15 長 60us的時間內(nèi)向的單片機(jī)返回一個脈沖信號，證明數(shù)據(jù)采集芯片正在待命，復(fù)位 完成 。 2. 執(zhí)行 ROM 指令 復(fù)位完成后，單片機(jī)向 DS18B20發(fā)送 ROM指令，功能是 讀取 DS18B20內(nèi)部序列號 ，當(dāng)然，讀取序列號的過程是為了區(qū)分單總線上的多個 DS18B20，當(dāng)總線上連接單個 DS18B20溫度傳 感器 時，可以執(zhí)行跳過 ROM指令 。 在本設(shè)計(jì)中僅掛接一片溫度傳感器 ，就可以執(zhí)行跳過命令 。 3. 執(zhí)行 DS18B20 功能指令（ RAM 指令） 在 ROM指令發(fā)送完畢后，單片機(jī)直接向 DS18B20發(fā)送 RAM指令， RAM指令一共有六條，分別是，寫 RAM數(shù)據(jù)、讀取 RAM數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)復(fù)制并發(fā)送到 EEPROM，進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換、 EEPROM回傳數(shù)據(jù)給 RAM、進(jìn)行工作方式的切換， DS18B20具體要進(jìn)行什么樣的工作，由單片機(jī)發(fā)送的不同命令決定。 DS18B20 測溫原理 DS18B20內(nèi)部有四個主要的數(shù)據(jù)部件，其中 包括帶有 64位序列號的光刻只讀存儲器 ROM，溫度傳感器，溫度傳感器的儲存器，配置寄存器。 溫度傳感器 測量溫度的過程 實(shí)際上是 由 一只熱敏電阻 組成電路完成的 ，該熱敏電阻接入 一個 電橋中，基準(zhǔn)溫度下，電橋處于平衡狀態(tài) 。當(dāng)熱敏電阻感受到溫度后，會產(chǎn)生阻值變化，電橋的平衡被打破輸出端產(chǎn)生電壓， 即 溫度的模擬量值 ，該模擬量對應(yīng)一個十進(jìn)制數(shù)量值 。 之后 ，得到溫度轉(zhuǎn)換命令后， DS18B20根據(jù)傳感器 測得的數(shù)量 值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成 二進(jìn)制的 數(shù)字化溫度值 ，其計(jì)算過程為，測得溫度 t，若為正值， 則T=t/,直接將 T轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制 T1，如溫度 t等于 +125， T=2021，降 T轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制為 0000 0111 1101 0000，十六進(jìn)制表示是 07D0H，若所的溫度為負(fù)值，如 t=，則 T=8，其二進(jìn)制表示過程為， 8D=0000 0000 0000 1000B，取反為1111 1111 1111 0111 ，加 1后的 T1， T1=1111 1111 1111 1000，十六進(jìn)制表示為 FFF8H。 該溫度值被存儲在存儲器中，在單片機(jī)對 DS18B20進(jìn)行讀取時，溫度第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 16 值傳輸至單片機(jī)內(nèi)。 單片機(jī)與 DS18B20的連接 前面已經(jīng)對 DS18B20的引腳進(jìn)行了介紹 ,該數(shù)據(jù)采集芯片 只有三個引腳 :GND 接地端 ,DQ數(shù)字 輸入 /輸出端 ,VDD可選端 ,VDD可以接地也可以接 5V直流電源 ,當(dāng)VDD接地時會影響到讀數(shù)速度 ,所以在進(jìn)行連接時 ,1820 VDD端口選擇接 5V直流電源 。單片機(jī)與數(shù)據(jù)采集芯片的連接如圖 。 圖 34 DS18B20與 AT89C51單片機(jī)的接口電路 LED 顯示模塊 圖 35 數(shù)碼管 的共陽 極電路圖 根據(jù)系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 要求， 顯示模塊的電路 要完成動態(tài)顯示功能，其顯示的溫度第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 17 用十進(jìn)制表示，由于實(shí)際中并沒有對精度提出明確 要求，我們可以將步進(jìn)值設(shè)置為 1攝氏度，由兩片 LED構(gòu)成電路，完成從 099℃的溫度顯示。由于 AT89C51單片機(jī)帶有 32個引腳，無需端口擴(kuò)展 。 顯示模塊需要的器件有，兩片 8段 LED數(shù)碼管， 一個 8路三態(tài)反相驅(qū)動器 74HC241， 兩個與非門 74LS01， 8個 10K電阻。 LED顯示模塊的電路連接圖如圖 36所示，數(shù)碼管采用共陽極電路， +5V直流電源接 8個 10K上拉電阻接入 74HC241反相驅(qū)動器 ， 74HC241接 P0口 ，用作字形驅(qū)動， 數(shù)碼管 8位引腳接入電阻與反相驅(qū)動器之間， 74LS01用作位選驅(qū)動。數(shù)碼管是 8段共 陽極，所以發(fā)光時，字形驅(qū)動“ 0”有效，位選驅(qū)動“ 1”有效。 工作時，位選信號每次僅有一路輸出是“ 0”，另一路是“ 1”，同時 P2口 選通的數(shù)碼管相對應(yīng)的字形碼信號。事實(shí)上，兩只數(shù)碼管輪流通電，僅有一只數(shù)碼管顯示數(shù)字，由于數(shù)碼管發(fā)光具有余暉特性及人眼的視覺暫留作用 ，選取循環(huán)掃描頻率，在視覺上是所有數(shù)碼管同時點(diǎn)亮的。 圖 36 顯示電路 的數(shù)碼管與單片機(jī)連接圖 語音播報(bào)模塊 語音播報(bào)模塊 是以 ISD4004為核心的， ISD4004是 ISD4000系列語音 芯片的一第三章 硬件單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù) 18 種 ,4000系列還有 ISD400 ISD4003等，個位上的數(shù)字表示語音錄放時間， 4004的錄放時間為 1 16，不同小類錄放時間不同。 ISD系列芯片與其他語音芯片相比，有一項(xiàng)獨(dú)有技術(shù) —— 多電平直接模擬專利技術(shù)該技術(shù)的使用是4004在語音采集的過程中，將采集到的模擬量采樣值直接存儲到閃速存儲器中，避免了 A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)壓縮過程中導(dǎo)致的信號損失與誤差， 因此 由 ISD4004存儲播放的語音顯得 真實(shí)、自然 ， 效果 極佳 ， 一般 的 固體錄音電路 在 量化和壓縮 過程中 造成的量化噪聲和金屬聲 不會在 ISD身上出現(xiàn) 。 ISD4004外部引腳 語音芯片 ISD4004的外部引腳圖如圖 3