【文章內(nèi)容簡介】 圖 DS18B20 與單片機的接口，寄生電源方式 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 9 3 數(shù)字溫度計硬件設計 數(shù)字顯示溫度計系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、溫度檢測端部分、檢測溫度范圍和分辨率設置電路、聲光報警電路、結果顯示五個部分組成，圖 構圖。在 Proteus仿真環(huán)境下，完成該系統(tǒng)的電路設計，下面分別對各個部分進行介紹。 M C UA T 8 9 C 5 1最小系統(tǒng)D S 1 8 B 2 0傳 感 器 電 路按 鍵 控 制 電 路聲 光 報 警 電 路L C D 1 6 0 2液 晶 屏 顯 示 圖 硬件結構圖 單片機 最小 系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng) ，又 稱為最小應用系統(tǒng) ，它是由 最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng) 。 51系列 的 單片機最小系統(tǒng) 主要由 單片機、晶振電路 和 復位電路 組成。 本文選用的單片機型號為 AT89S51 。 圖 圍電 路。 圖 單片機最小系統(tǒng) 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 10 主控制芯片 AT89 系列單片機是 MCS 51? 系列單片機的派生產(chǎn)品。本文采用 AT89 系列單片機中的 AT89S51 單片機。 AT89S51 單片機是新一代超強抗干擾、高運算速度、低功耗的單片機。并且該單片機在指令系統(tǒng)、硬件結構方面與標準的 8051 單片機完全兼容。 AT89S51 單片機的一系列的優(yōu)點，使得其在系統(tǒng)應用和編程時，占用資源很少。 AT89S51 單片機主要有以下幾個特點： （ 1）具有 80C51 核心處理器單元； （ 2） 5V 工作電壓，工作頻率為 0~12MHz ； （ 3）具有大容量內(nèi)部數(shù)據(jù) RAM ， 1K RAM字 節(jié) ； （ 4）具有 64 / 32 /16 / 8KB片內(nèi) Flash程序存儲器； （ 5）支持 12M時鐘或 6M 時鐘模式； （ 6）雙 DPTR 數(shù)據(jù)指針； （ 7） SPI (串行外圍接口 )和增強型 UART ； （ 8）具有 4個 8位 I/O 口，含 3個高電流 P1 口 ，可以直接驅(qū)動 LED ； （ 9）具有 3個 16位定時器 /計數(shù)器； （ 10）具有可編程看門狗定時器 ( WDT )； （ 11）低 EMI 方式 (ALE 禁止 )； （ 12）兼容 TTL 和 COMS 邏輯電平； （ 13）具有掉電檢測和低功耗模式等。 與普 通 8051 單片機相比， AT89 系列單片機的最大優(yōu)點有以下三點： 1．最大可擁有 1K bit 片內(nèi) RAM 普通的 8051 系列單片機只有 128bit(8051)或 256bit(8052)片內(nèi) RAM，通過低128bit(地址： 00H~7FH )可以直接或間接尋址，通過高 128bit(地址： 80H~FFH )只能間接尋址。 AT89 系列單片機額外增加了 768bit 的片內(nèi) RAM ，很好的解決了編程人員在編程時 RAM 資源不夠使用的情況。由于 768bit 的片內(nèi) RAM (地址： 000H ~ 2FFH)與片外 RAM 地址重疊，故可以通過軟件設置 ，來設定 AT89 系列單片機使用片內(nèi) RAM 還是片外 RAM ，系統(tǒng)默認使用片內(nèi) RAM 。 2． 64K片內(nèi) Flash 根據(jù)芯片型號劃分， AT89 系列單片機共有 64 / 32 /16 / 8K片內(nèi) Flash ，共分武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 11 為兩個 Flash 存儲塊： Block0 和 Block1 。在物理位置上，兩個 Flash 存儲塊中Block0 在前面， Block1 在后面。 Flash 存儲塊通過 REMAP 功能可以實現(xiàn)重新定位。 3． ISP技術 ISP主要在在線 (或遠程 )升級中使用。用戶通過執(zhí)行 ISP引導碼可以方便的對程序進行改寫，并且不需要編程器，也不需要親自到現(xiàn)場。在出廠時， AT89 系列單片機的片內(nèi)已經(jīng)被燒錄了 ISP 引導碼，該引導碼占用了 Block1 程序空間的前2K bit，并且設置了從 Block1 啟動。啟動時，首先執(zhí)行 ISP 引導碼，判斷是下載程序還是正常啟動。但是無論是下載程序還是正常啟動， ISP 引導碼最后都會把REMAP 取消，并且恢復 Block0 的前 8K 地址空間，然后運行 Block0 中的用戶程序。在用戶不主動修改 ISP 引導碼的情況下，用戶程序都是放在 Block0 的 00H 開始的單元中。 時鐘電路 AT89S51 內(nèi)部有一個高增益反相放大器，它主要用來組成振蕩器。此放大器的輸入端和輸出端為 XTAL1 引腳和 XTAL2 引腳。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或者外部方式產(chǎn)生。圖 （ a）為內(nèi)部方式產(chǎn)生的時鐘電路，將定時元件外接在 XTAL1和 XTAL2 引腳上，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。一般由石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路構成定時元件。石英晶體的振蕩頻率在 12MHz～ 之間選擇，電容值在 5 30pF～ 之間選擇，通過選擇電容值的大小可以實現(xiàn)對頻率的微調(diào)。 圖 （ b）為 外 部方式產(chǎn)生的時鐘電路，圖中 XTAL1 引腳接地， XTAL2 引腳與外部振蕩器連接。選擇外部振蕩信號沒有特殊要求，只要保證脈沖寬度就可以，常采用頻率低于 12MHz 的方波信號作為外部振蕩信號。 X T A L 1X T A L 2X T A L 1X T A L 2+ 5 V外 部 振 蕩 器 （ a） 內(nèi)部方式時鐘電路 （ b） 外部方式時鐘電路 圖 時鐘電路 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 12 通過片內(nèi)時鐘發(fā)生器將振蕩頻率二分頻，生成一個兩相時鐘 P1 和 P2 ，用來供單片機使用。 復位及復位電路 （ 1）復位操作 復位作為單片機的初始化操作。它的主要作用是把 PC 初始化為 0000H ，讓單片機可以從 0000H 單元開始運行程序。除了系統(tǒng)正常初始化之外，當系統(tǒng)出現(xiàn)程序運行出錯或者操作失誤使系統(tǒng)瀕臨死機狀態(tài)時，可通過按下復位鍵使系統(tǒng)重新啟動。 復位操作會對一些寄存器的狀態(tài)有影響，表 31為它們的復位狀態(tài) 。 表 一些寄存器的復位狀態(tài) 寄存器 復位狀態(tài) 寄存器 復位狀態(tài) PC 0000H TCON 00H ACC 00H TL0 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0~P3 FFH SCON 00H IP 000000B SBUF 不定 IE 0000000B PCON 00000B TMOD 00H （ 2）復位信號及其產(chǎn)生 RST 引腳作為復位信號的輸入端。復位信號采用高電平有效方式，有效時間應該至少持續(xù) 24個振蕩周期以上。如果使用頗率為 6MHz 的晶振，那么復位信號的有效時間應該至少持續(xù) 4us 才能完成 復位操作。 圖 。 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 13 施 密 特 觸 發(fā) 器復 位 電 路片 內(nèi) R A MR S T / V p dV c c 圖 復位信號的電路邏輯圖 由上圖可知，復位電路主要由芯片內(nèi)和芯片外兩部分組成。首先將由外部電路產(chǎn)生的復位信號 (RST 信號 )傳到施密特觸發(fā)器的輸入端，然后通過片內(nèi)復位電路對施密特觸發(fā)器的輸出進行采樣，這主要在每個機器周期的 S5P2 時刻進行采樣，最終得到復位電路所需要的復位信號 。 復位操作分為上電自動復位 和按鍵手動復位兩種方式。 通過外部復位電路的電容充電可以實現(xiàn)上電自動復位，其電路圖如圖 (a)所示。當電源 Vc 的上升時間不超過 1ms 時，便可完成上電自動復位，也就是說當接通電源瞬間，便完成了復位操作。 按鍵手動復位又可分為電平方式和脈沖方式。通過使復位端經(jīng)過電阻與電源Vc 接通可實現(xiàn)按鍵電平復位，其電路圖如圖 (b)所示；通過 RC 微分電路產(chǎn)生正脈沖可實現(xiàn)按鍵脈沖復位，其電路圖如圖 (c)所示。 （ a） 上電復位 （ b） 按鍵電平復位 （ c） 按鍵脈沖復位 圖 復位電路 對于 6MHz 的晶振，以上電路圖中的電阻和電容參數(shù)均可適用，并且能保證復位信號的高電平持續(xù)時間大于 24個振蕩周期。 本文設計的復位電路采用按鍵電平復位方式。 測溫電路設計 圖 復位信號的電路邏輯圖 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 14 傳統(tǒng)的溫度傳感器可以分為多種類型，目前主要有熱敏電阻，熱電偶，半導體溫度傳感 器等常用幾種。本文采用單總線數(shù)字輸出的集成半導體溫度傳感器DS18B20 ，該傳感器可以支持 9位二進制讀數(shù)，并且不需要 A/D轉(zhuǎn)換。通過一根數(shù)據(jù)線便可以完成從主機到 DS18B20 的連接，可以通過單線接口把信息輸送到DS18B20 或者從 DS18B20 端口送出，并且 DS18B20 的電源可以通過自身的數(shù)據(jù)線供電。此外，由 于每個 DS18B20 在出廠時就已經(jīng)獲得了唯一的一串序列號，因此可以實現(xiàn)在一條總線上完成多個 DS18B20 的接入，還可以多點組網(wǎng)功能，即在唯一的三根線上并聯(lián)上多個 DS18B20 ，從而完成多點測溫功能。 DS18B20 溫度傳感器的工作電源為直流 3 5V～ ，溫度的測量范圍為 55 125℃ ～ ℃??，溫度增量是 ℃ ，最高精度可以達到 ℃ ，轉(zhuǎn)換速率小于 1s 。 圖 溫度傳感器電路 DS18B20 自身只有一根數(shù)據(jù)線，故該傳感器和單片機之間的需要采用串行通信的方式。又因為 AT89C51 單片機自身具有兩個串行端口，故可通過硬件連接來實現(xiàn)串口通信。需要注意的是，在進 行串口通信時，當通過端口訪問DS18B20 時，需要遵守初始化 、 ROM 操作命令 、 存儲器操作命令和控制操作等幾個協(xié)議。 DS18B20 采用外部供電的方式，實現(xiàn)方法為通過一個電阻把溫度傳感器 DS18B20 的 I/O 口和電源直接連接，同時起到上拉的功能。圖 集電路，通過 DS18B20 實時的采集被測物體的實時溫度，然后將溫度傳輸?shù)紸T89C51 單片機的 端口。本文中采用 DS18B20 的周圍環(huán)境作為被測物體。 LCD1602 液晶屏顯示電路 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 15 本文選用 LCD1602 液晶顯示模塊 作為 液晶顯示電路。 LCD1602 液晶共有 16個引腳 ， 其功能分別如下所示： 第 1腳： VSS 是 地電源 。 第 2腳： VDD 外 接 5V? 電源 。 第 3腳： V0是 液晶顯示器對比度調(diào)整端， 如果 接 入 正電源 ，則 對比度最弱，如果 接 入 地 ，則 對比度最高， 但是當 對比度過高 時，會 產(chǎn)生 “鬼影 ”現(xiàn)象 ， 這時 通過 接入 一個 10K 的電位器 加以 調(diào)整 便可解決 。 第 4腳： RS是 寄存器 的選擇 ， 當輸入為 高電平時 ，自動 選擇數(shù)據(jù)寄存器 ，當輸入為 低電 平時 ，自動 選擇指令寄存器。 第 5腳： RW為讀寫信號線， 當輸入為 高電平時 ，為 讀操作， 當輸入為 低電平時 ，為 寫操作。當 RS和 RW的輸入同時 為低電平時 ，則為 寫入指令或者顯示地址，當 RS輸入為 低電平 ， RW輸入 為高電平時 ，則為 讀忙信號，當 RS輸入 為高電平 ， RW輸入 為低電平時 ，則為 寫入 信號 。 第 6腳： E端 是 使能端 口 ， 如果 E端 口的電平從 高電平跳變 至 低電平， 那么 液晶模塊 開始 執(zhí)行 命令。 第 7～ 14腳： D0 D7～ 是 8位雙向數(shù)據(jù)線。 第 15～ 16腳：背光電源。 圖 LCD1602 與單片機的 連接 電路 圖 。 在下一章中將著重介紹液晶模塊的軟件編程。 從圖中可以看出， LCD1602 的 第 1管腳 和 第 2管 腳分別 與電源的地和電源 相連 。 第 3管 腳直接 與 地 相連 ， 即對比度 最高， LCD1602 的 第 4管 腳 RS端、第 5腳 RW端和第 6腳 E端分別 與 單片機的 I/O 口 對應連接 。 LCD1602的八位數(shù)據(jù)線 端口與 單片 機的 P0口對應連接，顯示內(nèi)容可以通過此連接輸出至液晶屏上 。 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 16 圖 LCD1602 顯示電路 按鍵控制電路設計 本文設計的數(shù)字溫度計具有按鍵控制功能。其按鍵控制電路分為五個獨立按鍵，如下圖所示。獨立按鍵共有兩個端口，其中的一端與系統(tǒng)的 GND 相連，另一端與單片機的 I/O 端口相連，并且在與 I/O 端口的連接端都經(jīng)過一個 的上拉電阻，這樣可以保證如果按鍵沒有被按下，則單片機可以檢測到穩(wěn)定的高電平信號，從而避免誤判現(xiàn)象。五個獨立按鍵可用 SW1~ SW5表示，其各個功能分別是溫度顯示狀態(tài)下可切換分辨率、溫度顯示狀態(tài)下可復位溫度檢測范圍、溫度范圍選項的切換、溫度值加一、溫度值減一。通過加入按鍵控制電路，用戶可以方便的實現(xiàn)對數(shù)字溫度計的各種設置。 圖 按鍵控制電路 武昌工學院本科畢業(yè)論文（設 計）專用稿紙 17 聲光報警電路設計 本文設計的數(shù)字溫度計具有聲光報警功能，報警方式為蜂鳴器蜂鳴和 LED燈常亮的 方式。聲光報警電路如圖 ，從圖中可以看出， LED 的正極經(jīng)過 1K電阻與 AT89C51 的 I/