【文章內(nèi)容簡介】 度，非具體值）最為合適。 在鍵盤設(shè)計方面采用了鍵盤消抖的方式，顯示方面通過 CD4511 的介入，使得顯示更加方便。本設(shè)計方案系統(tǒng)可由主控制器（ AT89S52）、顯示電路、測溫器件（ DS18B20）、抽水電動機、報警蜂鳴器、按鍵、水位顯 示燈組成。 綜上所述，最終決定采用方案二作為設(shè)計方案。 AT89S52 DS18B20 CD4511 發(fā)光二極管 驅(qū)動電路 蜂鳴器 硬件消抖 光電隔離 加熱電路 獨立鍵盤 浮子開關(guān) 四位七段數(shù)碼管 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 12 第三章 硬件電路設(shè)計 AT89S52 時鐘電路及看門狗電路的設(shè)計 單片機是一種集成電路芯片。它采用超大規(guī)模技術(shù)將具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器 (CPU)、存儲器（含程序存儲器 ROM 和數(shù)據(jù)存儲器 RAM）、輸入、輸出接口電路 (I/O接口 )集成在同一塊芯片上，構(gòu)成一個即小巧又很完善的計算機硬件系統(tǒng)，在單片機程序的控制下能準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。所以說，一片單片機芯片就具有了組成計算機的全部功能。 由此來看，單片機有著一般 微處理器（ CPU）芯片所不具備的功能，它可單獨地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這是單片機最大的特征。 然而單片機又不同于單板機（一種將微處理器芯片、存儲器芯片、輸入輸出接口芯片安裝在同一塊印制電路板上的微型計算機），單片機芯片在沒有開發(fā)前，它只是具備功能極強的超大規(guī)模集成電路，如果對它進行應(yīng)用開發(fā)，它便是一個小型的微型計算機控制系統(tǒng)，但它與單板機或個人電腦 (PC 機 )有著本質(zhì)的區(qū)別。 單片機的應(yīng)用屬于芯片級應(yīng)用，需要用戶（單片機學(xué)習(xí)者與使用者）了解單片機芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和 系統(tǒng)設(shè)計所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計應(yīng)用程序，從而使該芯片具備特定的功能。 不同的單片機有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術(shù)特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用某種單片機，必須了解該型產(chǎn)品是否滿足需要的功能和應(yīng)用系統(tǒng)所要求的特性指標(biāo)。這里的技術(shù)特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產(chǎn)廠商的技術(shù)手冊中得到。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們熟悉的單片機的尋址方式，數(shù)據(jù)處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求等等。開發(fā)支持 的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件 (包含可支持開發(fā)應(yīng)用程序的軟件資源 )及硬件資源。要利用某型號單片機開發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)，掌握其結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特征是必須的。 單片機控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可以以軟件控制來實現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，現(xiàn)在單片機控制范疇無所不在，例如通信產(chǎn)品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。 誠然，單片機的應(yīng)用意義遠(yuǎn)不限于它的應(yīng)用范疇或由此帶來的經(jīng)濟效益，更重要的是它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計思想。 是控制技術(shù)的一次革命，是一座重要的里程碑。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 13 單片機誕生于 20 世紀(jì) 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SoC 三大階段。 SCM 即單片微型計算機（ Single Chip Microputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。 “創(chuàng)新模式 ”獲得成功，奠定了 SCM 與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上， Intel 公司功不可沒。 MCU 即微控制器（ Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展 MCU 的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看， Intel 逐漸淡出 MCU 的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展 MCU 方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù) Philips 公司。 單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向 MCU 階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了 SoC 化趨勢。隨著微電子技術(shù)、 IC 設(shè)計、 EDA 工具的發(fā)展，基于 SoC 的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng) AT89S52 芯片的引腳圖及方框圖 AT89S52 芯片的引腳圖如圖 — 1 所示 AT89S52 芯片的方框圖如圖 — 2 所示 — 1AT89S52 芯片引腳圖 AT89S52 主要性能 （ 1） 與 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 14 （ 2） 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器 （ 3） 1000 次擦寫周期 （ 4）全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz （ 5）三級加密程序存儲器 （ 6） 32 個可編程 I/O 口線 （ 7）三個 16 位定時器 /計數(shù)器 （ 8）八個中斷源 （ 9）全雙工 UART 串行通道 （ 10）低功耗空閑和掉電模式 （ 11）掉電后中斷可喚醒 （ 12）看門狗定時器 （ 13）雙數(shù)據(jù)指針 （ 14） 掉電標(biāo)識符 — 2 AT89S52 方框圖 AT89S52 功能特性描述 AT89S52 提供以下表中功能： 8k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 256 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32個 I/O 口線， 3 個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 6 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 15 口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， AT89S52 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的 內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作指導(dǎo)下一個硬件復(fù)位。 （ 1） AT89S52 是一種低功耗 ， 高性能 CMOS 工藝的 8 位微控制器 ， 具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)提供高靈活，超有效的解決方案。 （ 2） AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指 針，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0KHZ 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機停止工作，直到一個中斷或硬件復(fù)位為止。 （ 3） AT89S52 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 8 個中斷口， 3 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ， 2 個全雙工串行通信口， 2 個讀寫口線。 AT89S52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以 在線編程。其通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89S52 時鐘 電路的設(shè)計 每個單片機系統(tǒng)里都有晶振，全稱是叫晶體震蕩器，在單片機系統(tǒng)里晶振的作用非常大，它結(jié)合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也就越快。晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達 百萬分之五十，高級的精度更高。 晶振電路中的兩個電容叫做負(fù)載電容。一般單片機的晶振工作于并聯(lián)諧振狀態(tài)，也可以理解為諧振電容的一部分。它是根據(jù)晶振廠家提供的晶振要求負(fù)載電容選值的，換句話說，晶振的頻率就是在它提供的負(fù)載電容下測得的，能最大限度的保證頻率值的誤差。也能保證溫漂等誤差。兩個電容的取值都是相同的，或者說相差不大，如果相差太大，容易造成諧振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。 在本設(shè)計中 XTAL1 和 XTAL2 端外接石英晶體作為定時元件，內(nèi)部反向放大器自激振蕩，產(chǎn)生時鐘。所用石英晶體的振蕩頻率為 12MHZ，電容 C1， C2 常為 20pF~40pF內(nèi)，如圖 — 1 所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 16 圖 — 1 晶振電路 AT89S52 看門狗電路的設(shè)計 在由 單片機 構(gòu)成的微型計算機系統(tǒng)中 ，由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾 ， 造成程序的跑飛 ， 而陷入死循環(huán) ， 程序的正常運行被打斷，由單片機控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作，會造成整個系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài)，發(fā)生不可預(yù)料的后果，所以出于對單片 機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的考慮，便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測單片機程序運行狀態(tài)的芯片， 俗稱 看門狗 。 看門狗電路的應(yīng)用，使單片機可以在無人狀態(tài)下實現(xiàn)連續(xù)工作，其工作原理是 :看門狗芯片和單片機的一個 I/O 引腳相連，該 I/O 引腳通過程序控制它定時地往看門狗的這個引腳上送入高電平 (或低電平 )，這一程序語句是分散地放在單片機其他控制語句中間的，一旦單片機由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段 進入死循環(huán)狀態(tài)時 ， 寫看門狗引腳的程序便不能被執(zhí)行 ， 這個時候看門狗電路就會由于得不到單片機送來的信號 ， 便在它和單片機復(fù)位引腳相連的 引腳上送出一個復(fù)位信號使單片機發(fā)生復(fù)位 ， 即程序從程序存儲器的起始位置開始執(zhí)行 ， 這樣便實現(xiàn)了單片機的自動復(fù)位 硬件看門狗的特點是穩(wěn)定。通常是在干擾因素比較多的情況下使用硬狗。硬件看門狗是利用了一個定時器，來監(jiān)控主程序的運行，也就是說在主程序的運行過程中，我們要在定時時間到之前對定時器進行復(fù)位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說 PC 指針不能回來，那么定時時間到后就會使單片機復(fù)位。 要保證硬件看門狗有效的工作，在硬件電路可靠工作的前提下，還要在單片機程序中合理的放置“喂狗”指令，也就是說，被保護者能否的打有效地保護，還要 依賴其本身的行為。引起單片機司機的因素往往很多，情況也比較復(fù)雜，社記者在編程時難免有考慮不周的地方，即使加了專用硬件看門狗，也不能完全杜絕單片機死機的現(xiàn)象。 看門狗 ,又叫 watchdog timer,是一個定時器電路 , 一般有一個輸入 ,叫 喂狗(kicking the dog or service the dog),一個輸出到 MCU 的 RST 端 ,MCU 正常工作的時候 ,每隔一端時 間輸出一個信號到喂狗端 ,給 WDT 清零 ,如果超過規(guī)定的時間不喂狗 ,(一般在程序跑飛時 ),WDT 定時超過 ,就會給出一個復(fù)位信號到 MCU,使MCU 復(fù)位 . 防止 MCU 死機 . 看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 17 跑飛。 工作原理：在系統(tǒng)運行以后也就啟動了看門狗的計數(shù)器，看門狗就開始自動計數(shù)，如果到了一定的時間還不去清看門狗，那么看門狗計數(shù)器就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。所以在使用有看門狗的芯片時要注意清看門狗。 硬件看門狗是利用了一個定時器，來監(jiān)控主程序的運行，也就是說在主程序的運行過程中，我們要在定時時間到之前對定時器進行復(fù)位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說 PC 指針不能回來。那么定時時間到后就會使單片機復(fù)位。常用的 WDT 芯片如 MAX813 ,5045, IMP 813 等 ,價格 4~10 元不等 . 軟件看門狗技術(shù)的原理和這差不多，只不過是用軟件的方法實現(xiàn) ， 我們知道在 51 單片機中有兩個定時器，我們就可以用這兩個定時器來對主程序的運行進行監(jiān)控。我們可以對 T0 設(shè)定一定的定時時間，當(dāng)產(chǎn)生定時中斷的時候?qū)σ粋€變量進行賦值，而這個變量在主程序運行的開始已經(jīng)有了一個初值，在這里我們要設(shè)定的定時值要小于 主程序的運行時間，這樣在主程序的尾部對變量的值進行判斷，如果值發(fā)生了預(yù)期的變化，就說明 T0 中斷正常，如果沒有發(fā)生變化則使程序復(fù)位。對于 T1 我們用來監(jiān)控主程序的運行，我們給 T1 設(shè)定一定的定時時間，在主程序中對其進行復(fù)位，如果不能在一定的時間里對其進行復(fù)位， T1 的定時中斷就會使單片機復(fù)位。在這里 T1 的定時時間要設(shè)的大于主程序的運行時間，給主程序留有一定的的裕量。而 T1 的中斷正常與否我們再由 T0 定時中斷子程序來監(jiān)視。這樣就夠成了一個循環(huán)， T0 監(jiān)視 T1， T1 監(jiān)視主程序，主程序又來監(jiān)視 T0，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 在一些絕對不允許死機的單片機應(yīng)用場合，可采用一種不依賴于單片機程序控制的定時復(fù)位看門狗。如圖 — 1 所示，在單片機外放置一個以 NE555 為核心的振蕩器，每隔一定時間間隔從 NE555 的 OUT 引腳輸出一個正脈沖，無論系統(tǒng)是否死機，都強行使單片機復(fù)位。 NE555（