【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(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 計）專用稿紙 9 3 數(shù)字溫度計硬件設(shè)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(shè)置電路、聲光報警電路、結(jié)果顯示五個部分組成，圖 構(gòu)圖。在 Proteus仿真環(huán)境下，完成該系統(tǒng)的電路設(shè)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(jié)構(gòu)圖 單片機 最小 系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng) ，又 稱為最小應(yīng)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(fù)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(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 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(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)置 ，來設(shè)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(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 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(shù) ISP主要在在線 (或遠程 )升級中使用。用戶通過執(zhí)行 ISP引導(dǎo)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(dǎo)碼，該引導(dǎo)碼占用了 Block1 程序空間的前2K bit，并且設(shè)置了從 Block1 啟動。啟動時，首先執(zhí)行 ISP 引導(dǎo)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(dǎo)碼最后都會把REMAP 取消，并且恢復(fù) 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(dǎo)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(gòu)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(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 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(fù)位及復(fù)位電路 （ 1）復(fù)位操作 復(fù)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(dāng)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(fù)位鍵使系統(tǒng)重新啟動。 復(fù)位操作會對一些寄存器的狀態(tài)有影響，表 31為它們的復(fù)位狀態(tài) 。 表 一些寄存器的復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)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(fù)位信號及其產(chǎn)生 RST 引腳作為復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號采用高電平有效方式，有效時間應(yīng)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(fù)位信號的有效時間應(yīng)該至少持續(xù) 4us 才能完成 復(fù)位操作。 圖 。 武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 計）專用稿紙 13 施 密 特 觸 發(fā) 器復(fù) 位 電 路片 內(nèi) R A MR S T / V p dV c c 圖 復(fù)位信號的電路邏輯圖 由上圖可知，復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)位電路所需要的復(fù)位信號 。 復(fù)位操作分為上電自動復(fù)位 和按鍵手動復(fù)位兩種方式。 通過外部復(fù)位電路的電容充電可以實現(xiàn)上電自動復(fù)位，其電路圖如圖 (a)所示。當(dāng)電源 Vc 的上升時間不超過 1ms 時，便可完成上電自動復(fù)位，也就是說當(dāng)接通電源瞬間，便完成了復(fù)位操作。 按鍵手動復(fù)位又可分為電平方式和脈沖方式。通過使復(fù)位端經(jīng)過電阻與電源Vc 接通可實現(xiàn)按鍵電平復(fù)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(fù)位，其電路圖如圖 (c)所示。 （ a） 上電復(fù)位 （ b） 按鍵電平復(fù)位 （ c） 按鍵脈沖復(fù)位 圖 復(fù)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(fù)位信號的高電平持續(xù)時間大于 24個振蕩周期。 本文設(shè)計的復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位方式。 測溫電路設(shè)計 圖 復(fù)位信號的電路邏輯圖 武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 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(dāng) 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(dāng)輸入為 高電平時 ，自動 選擇數(shù)據(jù)寄存器 ，當(dāng)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(dāng)輸入為 高電平時 ，為 讀操作， 當(dāng)輸入為 低電平時 ，為 寫操作。當(dāng) 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(dāng) RS輸入為 低電平 ， RW輸入 為高電平時 ，則為 讀忙信號，當(dāng) 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(yīng)連接 。 LCD1602的八位數(shù)據(jù)線 端口與 單片 機的 P0口對應(yīng)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(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 計）專用稿紙 16 圖 LCD1602 顯示電路 按鍵控制電路設(shè)計 本文設(shè)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(fù)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(shè)置。 圖 按鍵控制電路 武昌工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè) 計）專用稿紙 17 聲光報警電路設(shè)計 本文設(shè)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/