【正文】 基于單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng) 3 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體方案 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)溫度傳感器 DS18B20把所測(cè)得的溫度發(fā)送到 AT89S52單片機(jī)上，經(jīng) AT89S52處理，將把溫度在顯示電路上顯示，除了顯示溫度 以外還可以設(shè)置一個(gè)報(bào)警溫度，對(duì)所測(cè)溫度進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定溫度時(shí)，開始報(bào)警。 系統(tǒng)框圖如下圖 ： 圖 21 系統(tǒng)框圖 選擇 DS18B20 作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片機(jī) AT89S52 為測(cè)控系統(tǒng)的核心來完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報(bào)警等功能。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路， 省卻了采樣／保持電路、運(yùn)放、數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路以及進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的串／并轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時(shí)間，降低了系統(tǒng)的硬件成本。 設(shè)計(jì)性能要求 本設(shè)計(jì)能完成的溫度測(cè)量范圍是 55176。 C，精度為 177。 C， 支持溫度正負(fù)提示，并支持硬件手動(dòng)配置溫度上下限，超過此上下限即實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。通過處理作為溫度傳感器傳輸?shù)臏囟刃畔⒑?，將處理后的信息傳輸給 LED液晶顯示器，超過上下限溫度即報(bào)警。 單片機(jī)的選擇 AT89S52 的 基本組成及特征 AT89S52作為溫度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心器件．該器件是 INTEL公司生產(chǎn)的 MCS一 5l系列單片機(jī)中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，采用了可靠的 CMOS工藝制造技術(shù)．具有高性能的8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的 MCS一 51的 CMOS產(chǎn)品。片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU） 和 Flash存儲(chǔ)單元。 其具有如下性質(zhì)： （ 1） 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 （ 2） 8K字節(jié)可反復(fù) 擦寫 Flash閃爍存儲(chǔ)器。 （ 4） 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年。 （ 6） 三級(jí)程序存儲(chǔ) 器鎖定。 （ 8） 32可編程 I/O線。 （ 10） 8個(gè)中斷源。 （ 12）低功耗的閑置和掉電模式。 AT89S52 單片機(jī)提供以下標(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(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路?？?閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 由于此設(shè)計(jì)需要編寫程序，需要將程序烤入單片機(jī)中，因此單片機(jī)必須具有足夠多的存儲(chǔ)空間，其具有 8K字節(jié)的 Flash 完全滿足要求。 16 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器使得讀取數(shù)據(jù)變得更加簡(jiǎn)單，同時(shí)其結(jié)構(gòu)有利于晶振電路和復(fù)位電路的連接。同時(shí)，與同類 51 單片機(jī)相比， AT89S52 具有更強(qiáng)的可操作性。 AT89S52 的 引腳功能 AT89S52 共有 40 個(gè)引腳， 8k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 圖 31 AT89C51邏輯引腳圖 各引腳功能敘述如下： 1．電源和晶振 VCC—— 運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加 +5V 基于單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng) 6 GND—— 接地 XTAL1—— 輸入到振蕩器的反向放大器 XTAL2—— 反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器 （當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)， XTAL1 接地， XTAL2 接收振蕩器信號(hào)） RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期 輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。 2． I/O（ 4 個(gè)口， 32 根） P0口 —— 8 位、漏極開路的雙向 I/O 口。在程序校驗(yàn)期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。 P1口 —— 8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口。P1 口可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) LSTTL 負(fù)載。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 腳號(hào) 第二功能 T2（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） MOSI（在系統(tǒng)編程用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） 表 32 AT89S52 P1 口第二功能表 P2口 —— 8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口。在編程 /校驗(yàn)期間，接收高位字節(jié)地址。 P3 口 —— 8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路。在提供這些功能時(shí)，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置 1。 3．串行口 —— RXD（串行輸入口），輸入。 4．中斷 —— INT0 外部中斷 0，輸入。 5． 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 —— T0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0的外部輸入，輸入。 6． 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選通 —— WR 低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫選通。 7．控制線 (共 4 根 ) 輸入： RST— — 復(fù)位輸入。 EA/Vpp—— 片外程序存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)，低電平有效。 注意：在加密方式 1時(shí)， EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 輸入、輸出： ALE/PROG—— 地址鎖存允許信號(hào)，輸出。在 EPROM 編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（ PROG） 。 當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。 注意：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在從片外程序存儲(chǔ)器取址期間，在每個(gè)機(jī)器周期中，當(dāng) PSEN 有效時(shí)，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容被送上 P0口（數(shù)據(jù)總線）。 AT89S52 的工作模式及注意事項(xiàng) AT89S52單片機(jī)有兩種可用軟件編程的省電模式，它們是空閑模式和掉電工作模式。 PD是掉電模式，當(dāng) PD=1時(shí)，激活掉電工作模式，單片機(jī)進(jìn)入掉電工作狀態(tài)。如需同時(shí)進(jìn)入兩種工作模式，即 PD和 IDL同時(shí)為 1，則先激活掉電模式?？臻e模式可由任何允許的中斷請(qǐng)求或硬件復(fù)位終止。 其二是通 過硬件復(fù)位可以將空閑工作模式終止。為了避免可能對(duì)端口產(chǎn)生意外寫入，激活空閑狀態(tài)的那條指令后一條指令不應(yīng)是一條端口或外部存儲(chǔ)器的寫入指令。片內(nèi) RAM和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被 凍結(jié)。 AT89S52單片機(jī)具有一些極限參數(shù)： （ 1）工作溫度： 55攝氏度至 +125攝氏度 （ 2）儲(chǔ)藏溫度： 65攝氏度至 +150攝氏度 （ 3）任一引腳對(duì)地電壓： + （ 4）最高工作電壓： （ 5）直流輸出電流： 基于單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng) 9 模式 程序存儲(chǔ)器 ALE PSEN P0 P1 P2 P3 空閑模式 內(nèi)部 1 1 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 空閑模式 外部 1 1 浮空 數(shù)據(jù) 地址 數(shù)據(jù) 掉電模式 內(nèi)部 0 0 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 掉電模式 外部 0 0 浮空 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 表 33 空閑和掉電模式外部引腳狀態(tài) 溫度傳感器的選擇 DS18B20 的特點(diǎn)及選擇原因 DS18B20是美國(guó) DALLAS公司繼 DS1820之后推出的增強(qiáng)型單總線數(shù)字式溫度傳感器，它在轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較之前產(chǎn)品有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便、更令人滿意的效果。 DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的 16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可以在遠(yuǎn)端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生；多 個(gè) DS18B20可以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上， CPU只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源； GND 為地信號(hào)；VDD 為可選擇的 VDD 引腳。 在硬件上， DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是 VCC接外部電源，GND接地， I/O與單片機(jī)的 I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí) UDD、 GND接地， I/O接單片機(jī) I/O。 基于單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng) 10 DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多 點(diǎn)測(cè)溫。 其具有 9條特點(diǎn)： （ 1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 ℃。 （ 4）可編程的分辨率為 9～ 12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別 為 ℃、 ℃、℃和 ℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。 （ 6）用戶可定義報(bào)警設(shè)置。 （ 8）結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以 一線總線 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。溫度范圍較廣，使得整體的測(cè)溫范圍 能大幅度的上升，零待機(jī)消耗更是起到了節(jié)能的作用。這些好處使得 DS18B20最終被選擇。 首先用 DS1820 提供的讀暫存寄存器指令 (BEH)讀出以 ℃ 為分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位 (LSB)，得到所測(cè)實(shí)際溫度整數(shù)部分T 整數(shù)，然后再用 BEH 指令讀取計(jì)數(shù)器 1 的計(jì)數(shù)剩余值 M 剩余和每度計(jì)數(shù)值 M每度，考慮到 DS1820 測(cè)量溫度的整數(shù)部分以 ℃ 、 ℃ 為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度 T 實(shí)際可用下式計(jì)算得到： T 實(shí)際 =(T 整數(shù)－ ℃ )+(M 每度－ M 剩余 )/M 每度 。工作電壓不能太高，與單片機(jī)的連接方式需要簡(jiǎn)單，顯示準(zhǔn)確。 LED（發(fā) 光二極管 Light Emitting Diode 的英文縮寫）是利用 PN 結(jié)把電能轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件，根據(jù)制造材料的不同可以發(fā)出紅、黃、綠、白等不低溫度系數(shù)晶振 高溫度系數(shù)晶振 預(yù)置 斜率累加器 計(jì)數(shù)器 1 =0 計(jì)數(shù)器 2 =0 比較 預(yù)置 溫度寄存器 基于單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng) 12 同色彩的可見光來。 LED 顯示器有多種結(jié)構(gòu)形式，單段的圓形或方形 LED 常用來顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)， 8段 LED 可以顯示各種數(shù)字和字符，所以也稱為 LED 數(shù)碼管，這里我們使用 8段 LED 液晶屏。 8 段LED 顯示器有共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)。顯然，將單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出口與 LED 各段引腳相連，控制輸出的數(shù)據(jù)就可以使 LED 顯示不同的字符。 圖 36 8 段 LED 液晶屏引腳 共陰極 LED 的所有發(fā)光管的陰極并接成 公共端 COM， 共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。 LED 液晶屏 的價(jià)格便宜使用簡(jiǎn)單 ， 在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛 ，空調(diào) 、 熱水器 、 冰箱等等 絕大多數(shù)熱水器用的都是數(shù)碼管 。缺點(diǎn)是只能顯示測(cè)量點(diǎn)溫度值和有限的符號(hào)，電路復(fù)雜。 蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電 磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動(dòng)它，單片機(jī) IO 引腳輸出的電流較小，單片機(jī)輸出的電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此需要增加一個(gè)電流放大的電路。所以如果一個(gè)排阻是由 n個(gè)電阻構(gòu)成的，那么它就有 n+1 只引腳。使用排阻比用若干只固定電阻更方便 。 必須用上拉電阻提供電流才能產(chǎn)生高電平 ，且排阻可減小 P0口電流大小，保護(hù) P0 口 。 圖 35 排阻 respack8 基于單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng) 14 4 電路原理 整個(gè)設(shè)計(jì)的電路包括了 單片機(jī) 電路、溫度 采集 電路、溫度顯示電路、 溫度上下限設(shè)置 電路和 溫度過限 報(bào)警電路五部分電路組成。如圖 41所示。因此需要了解 AT89S52 的引腳特點(diǎn) 基于單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng) 15 圖 42 AT89S52 單片機(jī)引腳圖 在晶振電路中，主要用到了 XTAL1 和 XTAL2 兩個(gè)引腳。 （ 2） XTAL2：來自 反向振蕩器的輸出。另一種是外部時(shí)鐘方式，即將 XTAL1 接外部時(shí)鐘， XTAL2 腳懸空。 圖 43 晶振電路 單片機(jī)的晶振頻率采用 ，加兩個(gè) 30pF 電容。而振蕩周期指的就是單片機(jī)外接石英晶體振蕩器的周期。 電容 C2 和 C3 主要用于校正波形，振蕩器的作用主要是產(chǎn)生時(shí)鐘振蕩。 復(fù)位電路 對(duì)于復(fù)位電路， AT89S52 有兩種復(fù)位方式，分別是上 電 復(fù)位和按鍵復(fù)位。復(fù)位電路如圖 4