【正文】 19東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。v1在線路中起到交流電壓檢測作用，使固態(tài)繼電器在電壓過零時(shí)開啟、負(fù)載電流過零時(shí)關(guān)斷。 固態(tài)繼電器的工作原理圖29 固態(tài)繼電器原理圖固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路，在輸入電路控制端加入信號(hào)后，IC1光電耦合器內(nèi)光敏三極管呈導(dǎo)通狀態(tài)，R1串接電阻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限流，以保證光耦合器不致?lián)p壞。表9 共陰和共陽LED數(shù)碼管幾種八段編碼共陰順序小數(shù)點(diǎn)暗共陰逆序小數(shù)點(diǎn)暗共陽順序小數(shù)點(diǎn)亮共陽順序小數(shù)點(diǎn)暗Dp g f e d c b a16進(jìn)制a b c d e f g dp16進(jìn)制00 0 1 1 1 1 1 13FH1 1 1 1 1 1 0 0FCH40HC0 H10 0 0 0 0 1 1 006H0 1 1 0 0 0 0 0 60H79HF9 H20 1 0 1 1 0 1 15BH1 1 0 1 1 0 1 0DAH24HA4 H30 1 0 0 1 1 1 14FH1 1 1 1 0 0 1 0F2H30HB0 H40 1 1 0 0 1 1 066H0 1 1 0 0 1 1 066H19 H99 H50 1 1 0 1 1 0 16DH1 0 1 1 0 1 1 0B6H12 H92 H60 1 1 1 1 1 0 17DH1 0 1 1 1 1 1 0BEH02 H82 H70 0 0 0 0 1 1 107H1 1 1 0 0 0 0 0E0H78 HF8 H80 1 1 1 1 1 1 17FH1 1 1 1 1 1 1 0FEH00 H80 H90 1 1 0 1 1 1 16FH1 1 1 1 0 1 1 0F6H10 H90 H18固態(tài)繼電器是一種有繼電特性的無觸點(diǎn)式電子開關(guān)。甚至在某些特殊情況下將a、b、…、g、Dp順序打亂編碼。表8 共陽極LED數(shù)碼管顯示數(shù)字“0”時(shí)各管段編碼C0H稱為共陽極LED數(shù)碼管顯示“0”的字段碼，不計(jì)小數(shù)點(diǎn)的字段碼稱為七段碼，包括小數(shù)點(diǎn)的字段稱為八段碼。17 LED數(shù)碼管編碼方式當(dāng)LED數(shù)碼管與單片機(jī)相連時(shí)，一般將LED數(shù)碼管的各筆段引腳a、b、…、g、Dp按某一順序接到MCS－51型單片機(jī)某一個(gè)并行I/O口D0、D…、D7，當(dāng)該I/O口輸出某一特定數(shù)據(jù)時(shí)，就能使LED數(shù)碼管顯示出某個(gè)字符。同樣在下一瞬時(shí)，單獨(dú)顯示下一位，這樣依次輪流顯示，循環(huán)掃描。即在某一瞬間時(shí)，只讓某一位的字位線處于選通狀態(tài)（共陰極LED數(shù)碼管為低電平，共陽極為高電平），其他各位的字位線處于開斷狀態(tài)，同時(shí)字段線上輸出這一位相應(yīng)要顯示字符的字段碼。這種連接方式由于將多位字段線連在一起，當(dāng)輸出字段碼時(shí)，由于多門同時(shí)選通，每一位將顯示相同的內(nèi)容。當(dāng)要求顯示位數(shù)較多時(shí)，為簡化電路、降低硬件成本，常采用動(dòng)態(tài)掃描顯示電路。也就是各字段的亮滅狀態(tài)不變。在靜態(tài)顯示方式下，每一位顯示器的字段需要一個(gè)8位I/O口控制，而且該I/O口須有鎖存功能，N位顯示器就需要N個(gè)8位I/O口，公共端可直接接+5V（共陽）或接地（共陰）。靜態(tài)顯示時(shí)取10mA為宜，動(dòng)態(tài)掃描顯示可加大，加大脈沖電流，但一般不超過40mA。 16LED數(shù)碼管按其外形尺寸有多種形式，；按顯示顏色也有多種形式，主要有紅色和綠色；按亮度強(qiáng)弱可分為高亮和普亮，指通過同樣的電流顯示亮度不一樣，這是因發(fā)光二極管的材料不一樣而引起的?？刂七@幾段筆段發(fā)光，就能顯示出某個(gè)數(shù)碼或字符。共陽型是將各段發(fā)光二極管的正極連在一起，作為公共端COM，公共端COM接高電平，a~g、Dp各筆段通過限流電阻接控制端。因此這種LED顯示器稱為七段數(shù)碼管或八段數(shù)碼管。 LED數(shù)碼管介紹LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件。 LED數(shù)碼管顯示 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。 74LS240特點(diǎn)介紹特點(diǎn) （1）三態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)總線或緩沖存貯器地址寄存器。在外接電源方式下， 可以充分發(fā)揮DS18B20寬電源電壓范圍的優(yōu)點(diǎn)，即使電源電壓VCC降到3V時(shí)，依然能夠保證溫度量精度。 圖26 外部供電方式單點(diǎn)測溫電路圖圖27 外部供電方式的多點(diǎn)測溫電路圖 外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度 監(jiān)控系統(tǒng)。 、DS18B20的外部電源供電方式 在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD14引腳接入，此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證 轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)。 圖25 寄生電源供電方式、DS18B20寄生電源強(qiáng)上拉供電方式電路圖 改進(jìn)的寄生電源供電方式如下面圖5所示，為了使DS18B20在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到 E2存儲(chǔ)器操作時(shí)，用MOSFET把I/O線直接拉到VCC就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到E2存儲(chǔ)器或啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最 多10μS內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉狀態(tài)。 因此，圖25電路只適應(yīng)于單一溫度傳感器測溫情況下使用，不適宜采用電池供電系統(tǒng)中。下面就是DS18B20幾個(gè)不同應(yīng)用方式下的 測溫電路圖：DS18B20寄生電源供電方式電路圖 如下面所示，在寄生電源供電方式下，DS18B20從單線信號(hào)線上汲取能量：在信號(hào)線DQ處于高電平期間把能量儲(chǔ)存在內(nèi)部 電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。寄生供電時(shí)DS1820發(fā)送“ 0 ”，外接電源供電 DS1820發(fā)送“ 1 ”。 重調(diào) EEPROM 　　0B8H 將EEPROM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3 、4字節(jié)。 讀暫存器 　　0BEH 讀內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容 寫暫存器 　　4EH 發(fā)出向內(nèi)部RAM的4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。 表7 RAM指令表　指 令 約定代碼功 能溫度變換44H啟動(dòng)DS1820進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，12位轉(zhuǎn)換時(shí)最長為750ms（）。適用于單片工作。為操作各器件作好準(zhǔn)備。 12表6 ROM指令表指 令 約定代碼功 能讀ROM33H讀DS1820溫度傳感器ROM中的編碼（即64位地址） 符合 ROM 55H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的 DS1820 使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該 DS1820 的讀寫作準(zhǔn)備。表5 DS18B20暫存寄存器分布　　　　寄存器內(nèi)容 字節(jié)地址溫度值低位 （LS Byte）0溫度值高位 （MS Byte）1高溫限值（TH）2低溫限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校驗(yàn)值8 根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行 復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算： 當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)11換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在 高速暫存存儲(chǔ)器的第0和第1個(gè)字節(jié)。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用 戶不要去改動(dòng)。10 表2 DS18B20溫度數(shù)據(jù)表　　 （3）DS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測得的溫度大于0， 這5位為0，；如果溫度小于0，這5位為1， 溫度。光刻ROM的作用 是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。 9　　圖24 DS18B20測溫原理框圖 DS18B20有4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件 （1）光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。計(jì)數(shù)器1對(duì) 低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重 新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測溫度。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。 DS18B20測溫原理如圖23所示。 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。9在9位分辨率時(shí)最多在 ，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快?！?。