八路溫度采集顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

摘 要在實(shí)際生產(chǎn)和生活等各個(gè)領(lǐng)域中，溫度是環(huán)境因素不可或缺的一部分，對(duì)溫度進(jìn)行及時(shí)精確的控制和檢測(cè)顯得尤為重要。本次設(shè)計(jì)在控制成本的前提下，設(shè)計(jì)了一款高精度、可同時(shí)檢測(cè)八路溫度并由液晶顯示器對(duì)各路溫度值進(jìn)行顯示的溫度檢測(cè)顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89C51為控制核心，采用可編程單總線(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度采集，八路溫度值由LM041L液晶顯示器顯示。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，其測(cè)溫范圍為-55+125，該系統(tǒng)在現(xiàn)代電子工業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)期有良好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：AT89C51；多路；溫度檢測(cè)；顯示AbstractTemperature is an essential of environmental factors in our actual production，living and many other fields. Its particularly important to control and detect the temperature promptly and exactly.It has designed a high precision temperature testing system in the base of lost control, which can inspect eight route temperature at one time and show each route of temperature by LCD. AT89C51is adopted as control core in this system. Its sensors for temperature is single bus digital DS18B20, sending temperature to LM041L LCD to display. When it operates normally, its temperature ranges from -55 to +125, the system has a good application prospect in the morden period when electronics industry developing rapidly. Keywords：AT89C51；Many routes；Temperature Detection；Display目 錄摘要IAbstractII目錄I1 緒論11.1 課題的來(lái)源11.2 課題的目的11.3 課題的意義12 八路溫度采集顯示系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)32.1 確定設(shè)計(jì)流程圖32.2 八路溫度采集顯示系統(tǒng)方案論證32.3 確定總體設(shè)計(jì)方案73 八路溫度采集顯示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1 AT89C51單片機(jī)的特點(diǎn)及引腳說(shuō)明83.2 溫度采集模塊硬件設(shè)計(jì)113.3 顯示模塊硬件設(shè)計(jì)153.4 報(bào)警模塊硬件設(shè)計(jì)173.5 串行口上位機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)183.6 片外程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展214 八路溫度采集顯示系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)264.1 溫度采集模塊軟件設(shè)計(jì)274.2 單片機(jī)處理模塊軟件設(shè)計(jì)324.3 顯示模塊軟件設(shè)計(jì)344.4 報(bào)警模塊軟件設(shè)計(jì)364.5 串行口上位機(jī)通信模塊軟件設(shè)計(jì)385 八路溫度采集顯示系統(tǒng)仿真調(diào)試及結(jié)果395.1 Proteus與Keil Vision聯(lián)合仿真395.2 Proteus與Keil聯(lián)合仿真結(jié)果41結(jié)論44參考文獻(xiàn)45附錄1 系統(tǒng)仿真所用元器件清單48附錄2 系統(tǒng)仿真C語(yǔ)言程序清單49附錄3 系統(tǒng)仿真電路原理圖58致謝59 1 緒論1.1 課題的來(lái)源在實(shí)際生產(chǎn)、生活等各個(gè)領(lǐng)域中，溫度是環(huán)境因素的不可或缺的一部分，對(duì)溫度進(jìn)行及時(shí)精確的控制和檢測(cè)顯得尤為重要。比如消防電氣的非破壞性溫度檢測(cè)，電力、電訊設(shè)備的過(guò)熱故障預(yù)知檢測(cè)，空調(diào)系統(tǒng)的溫度檢測(cè)，在醫(yī)院的監(jiān)護(hù)中也用到溫度的測(cè)量，化工、機(jī)械等設(shè)備溫度過(guò)熱檢測(cè)，土壤各個(gè)層面上的溫度將會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，以及熱處理中工件各個(gè)部位的溫度對(duì)工件形成后的性能至關(guān)重要等等。總之，現(xiàn)代電子工業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)溫度檢測(cè)的智能化精確度要求越來(lái)越高。1.2 課題的目的通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我們對(duì)大學(xué)四年所學(xué)課程將做出一個(gè)總結(jié)，對(duì)各門(mén)課程均將有更深入的了解，更加熟練的掌握設(shè)計(jì)方案的提出，設(shè)計(jì)流程的規(guī)劃以及各器件的硬件連和軟件編程，并且能夠更加熟練的操作Proteus仿真軟件，真正培養(yǎng)出科學(xué)的思維方式和靈活解決問(wèn)題的能力，為以后實(shí)際工作奠定良好的基礎(chǔ)。在本次設(shè)計(jì)結(jié)束后，我們將得到一款能夠同時(shí)檢測(cè)顯示八路溫度的多點(diǎn)智能測(cè)溫系統(tǒng)，當(dāng)某一路或某幾路溫度值超過(guò)設(shè)定的上限值或者下限值時(shí)，報(bào)警電路中的蜂鳴器鳴響且提示閃亮，使操作者能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并控制溫度回到額定溫度范圍內(nèi)。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用靈活，能夠在當(dāng)代農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療以及日常生活中得到良好的應(yīng)用。1.3 課題的意義溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較大差距。目前，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開(kāi)發(fā)工作的滯后，還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點(diǎn)：一是適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制；二是能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制；三是能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制；四是溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛；五是溫控器普遍具有參數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制對(duì)象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化；六是具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)符合當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代生產(chǎn)生活的需要，其測(cè)溫效率高，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和靈活性。方便快捷的實(shí)現(xiàn)了多路溫度采集并顯示，該系統(tǒng)用液晶顯示器節(jié)省了空間且顯示效果好，報(bào)警電路同時(shí)包含了蜂鳴器和提示燈，能更好的引起操作者的警覺(jué)，在實(shí)際生產(chǎn)中能夠降低由于溫度超過(guò)額定范圍引發(fā)的事故，有良好的實(shí)用性，在國(guó)內(nèi)外都具備良好的應(yīng)用前景。2 八路溫度采集顯示系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 確定設(shè)計(jì)流程圖在熟悉課題，明確任務(wù)的基礎(chǔ)上，查閱相關(guān)資料，理清設(shè)計(jì)思路，綜合考慮總的設(shè)計(jì)時(shí)間和各部分設(shè)計(jì)所需時(shí)間，最終決定將本次設(shè)計(jì)分五大步進(jìn)行。（1）熟悉課題，明確任務(wù)，查閱相關(guān)資料，確定總體設(shè)計(jì)方案；（2）根據(jù)各部分的功能劃分功能模塊，確定每一模塊的硬件組成，合理選取具有相應(yīng)功能的器件；（3）進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，把各器件組成相應(yīng)功能的模塊，并把各功能模塊進(jìn)行電氣連接，形成總的功能系統(tǒng)；（4）進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)各模塊功能，使整個(gè)系統(tǒng)能夠良好的運(yùn)行；（5）進(jìn)行仿真調(diào)試，檢查各模塊功能能否完全實(shí)現(xiàn)，綜合考慮系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性、誤差大小及測(cè)溫效率調(diào)整各器件的各項(xiàng)參數(shù)。使系統(tǒng)的處在最佳性能狀態(tài)。經(jīng)分析總結(jié)，確定總的設(shè)計(jì)流程如圖2.1所示。圖2.1 設(shè)計(jì)流程圖2.2 八路溫度采集顯示系統(tǒng)方案論證2.2.1 單片機(jī)的選取若采用8031芯片，其內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，需要進(jìn)行外部擴(kuò)展，這給電路增加了復(fù)雜度，且占用空間增大。但是如果采用AT89C51單片機(jī)為控制核心優(yōu)點(diǎn)凸顯，51系列微處理器基于簡(jiǎn)化的嵌入式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于從軍事到自動(dòng)控制再到PC機(jī)上的鍵盤(pán)上的各種應(yīng)用系統(tǒng)上，僅次于Motorola 68HC11在8位微控制器市場(chǎng)上的銷(xiāo)量，很多制造商都可提供51系列單片機(jī)，像Intel Philips Siemens等，這些制造商給51系列單片機(jī)加入了大量的性能和外部功能，像I2C總線(xiàn)接口，模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，看門(mén)狗，PWM輸出等，不少芯片的工作頻率達(dá)到40M，工作電壓下降到1.5V?；谝粋€(gè)內(nèi)核的這些功能使得51系列單片機(jī)很適合作為廠(chǎng)家產(chǎn)品的基本構(gòu)架，它能夠運(yùn)行各種程序而且開(kāi)發(fā)者只需要學(xué)習(xí)這一個(gè)平臺(tái)1。比較這兩種方案，綜合考慮單片機(jī)的各部分資源，因此此次設(shè)計(jì)選用第二種方案，選用AT89C51單片機(jī)為核心處理器。2.2.2 溫度傳感器的選取傳感器是信號(hào)輸入通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。由于傳感技術(shù)的發(fā)展非常迅速，各種各樣的傳感器應(yīng)運(yùn)而生，所以對(duì)傳感器的正確選用顯得尤為重要。而眾多傳感器對(duì)微機(jī)化測(cè)控系統(tǒng)有較大的影響。當(dāng)今應(yīng)用較多的傳感器大致可以分為以下幾種2：（1）大信號(hào)輸出傳感器。為了與A/D輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠(chǎng)家設(shè)計(jì)制造一些專(zhuān)門(mén)與A/D相配套的大號(hào)輸出傳感器。通常是把放大電路與傳感器做成一體，使傳感器能直接輸出05V、010V或02.5V要求的信號(hào)電壓，把傳感器與相應(yīng)的變送器電路做成一體，構(gòu)成能輸出420mA直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器。對(duì)于大電流輸出，只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單I/V轉(zhuǎn)換即可變?yōu)榇蛐盘?hào)電壓輸出。對(duì)于大信號(hào)電壓可以經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，也可以經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換送入微機(jī)，但后者響應(yīng)速度較慢。（2）集成傳感器。集成傳感器是將傳感器與信號(hào)調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線(xiàn)性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號(hào)調(diào)理任務(wù)，簡(jiǎn)化通道結(jié)構(gòu)。（3）光纖傳感器。這種傳感器其信號(hào)拾取、變換、傳輸都是通過(guò)光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信號(hào)輸入通道中采用光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)傳感器引入的干擾。（4）數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器一般都采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù)RLC構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換等，因此，數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)。此外，采用數(shù)字量傳感器時(shí)，傳感器輸出如果滿(mǎn)足TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，則可直接接入計(jì)算機(jī)的I/O口或中斷入口。如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中選取溫度傳感器要注意一下幾點(diǎn)：（1）根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類(lèi)型要進(jìn)行項(xiàng)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線(xiàn)或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。（2）靈敏度的選擇通常，在傳感器的線(xiàn)性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲拇當(dāng)_信號(hào)（3）頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。（4）線(xiàn)性范圍傳感器的線(xiàn)形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線(xiàn)性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類(lèi)確定以后首先要看其量程是否滿(mǎn)足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線(xiàn)性，其線(xiàn)性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線(xiàn)性誤差較小的傳感器近似看作線(xiàn)性的，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。（5）穩(wěn)定性傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱(chēng)為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。（6）精度精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿(mǎn)足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。這樣就可以在滿(mǎn)足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。如果測(cè)量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，就需選用精度等級(jí)能滿(mǎn)足要求的傳感器。對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合，無(wú)法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿(mǎn)足使用要求。顯而易見(jiàn)，數(shù)字式溫度傳感器在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)突出，綜合考慮以上選取注意事項(xiàng)，本設(shè)計(jì)采用DS18B20單總線(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集。2.2.3 顯示器的選取顯示系統(tǒng)是單片機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于顯示各種參數(shù)的值，以便使現(xiàn)場(chǎng)工作人員能夠及時(shí)掌握生產(chǎn)過(guò)程。工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的顯示器件有CRT、LED、LCD等，CRT不僅可以進(jìn)行字符顯示，而且可以進(jìn)行畫(huà)面顯示，和計(jì)算機(jī)配合使用，可十分方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的管理和監(jiān)視，但由于CRT體積大，價(jià)格昂貴，所以只適用于大型微機(jī)控制系統(tǒng)。在中小型的控制過(guò)程中，為了使工作人員能夠在現(xiàn)場(chǎng)直接看到生產(chǎn)情況和報(bào)警信號(hào)，經(jīng)常選用LED和LCD作為顯示器件。LED和LCD都具有體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，易于匹配，可靠性高和壽命高等優(yōu)點(diǎn)。LCD是一種功耗極低的顯示元件，在儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中的使用較多，而LED雖然成本低廉，也用于單片機(jī)控制系統(tǒng)中。但是現(xiàn)實(shí)數(shù)值位數(shù)及精度受到LED數(shù)量多少的限制，本設(shè)計(jì)要同時(shí)顯示八路溫度，若用LED顯示需求片數(shù)太多，不僅總成本沒(méi)有降低，而且體積增大，觀(guān)察不便。所以，本系統(tǒng)采用LCD液晶顯示3。2.3 確定總體設(shè)計(jì)方案通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)及相關(guān)芯片的深入了解，最終決定本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，選用單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器DS18B20對(duì)溫度進(jìn)行采集，采用164字符的LCD顯示器一起構(gòu)成八路溫度采集與顯示系統(tǒng)，使得系統(tǒng)可以檢測(cè)-55+125范圍內(nèi)的溫度，選擇分辨率為12位，使用液晶顯示器對(duì)八路溫度進(jìn)行循環(huán)顯示，考慮到測(cè)溫精度，設(shè)置顯示數(shù)值精確到0.1，并且設(shè)置溫度上下限，當(dāng)某一路或幾路溫度值超過(guò)上下限溫度時(shí)，報(bào)警電路中的蜂鳴器鳴響，提示燈亮。根據(jù)各模塊要實(shí)現(xiàn)的功能及其各模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)其總體結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.2 八路溫度采集與顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 八路溫度采集顯示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 AT89C51單片機(jī)的特點(diǎn)及引腳說(shuō)明3.1.1 AT89C51單片機(jī)的特點(diǎn)AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片，內(nèi)含4Kbytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C51單片機(jī)可提供許多高性?xún)r(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，該芯片外形結(jié)構(gòu)及引腳如圖3.1所示4。圖3.1 AT89C51外形結(jié)構(gòu)及引腳AT89C51單片機(jī)主要性能參數(shù)為：（1）與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；（2）4K字節(jié)可重擦寫(xiě)Flash閃速存儲(chǔ)器；（3）1000次擦寫(xiě)周期；（4）全靜態(tài)操作：0Hz24Hz；（5）三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；（6）1288字節(jié)內(nèi)部RAM；（7）32個(gè)可編程I/O口線(xiàn)；（8）2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；（9）6個(gè)中斷源；（10）可編程串行UART通道；（11）低功耗空閑和掉電模式8。AT89C51提供4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線(xiàn)，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51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(shí)/計(jì)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他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。3.1.2 AT89C51單片機(jī)引腳功能說(shuō)明（1）Vcc：電源電壓；（2）GND：地；（3）P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用，在訪(fǎng)問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。（4）P1口：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉倒高電平，此時(shí)可做輸入口。做輸入口輸入時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。（5）P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉倒高電平，此時(shí)可做輸入口，做輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸入一個(gè)電流（IIL）。在訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪(fǎng)問(wèn)8為地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVXR1指令）時(shí)，P2口線(xiàn)上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器SFR區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪(fǎng)問(wèn)期間不改變。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接受高位地址和其它控制信號(hào)。（6）P3口：P3口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線(xiàn)外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示。表3.1 P3口第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0）P3.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)（7）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。（8）ALE/：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖可用于鎖存地址的低八位字節(jié)。即使不訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無(wú)效8。（9）：程序儲(chǔ)存允許（）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)不出現(xiàn)。（10）EA/VPP：外部訪(fǎng)問(wèn)允許。欲使CPU僅訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編成，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件使用12V編程電壓Vpp。（10）XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。（11）XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.2溫度采集模塊硬件設(shè)計(jì)3.2.1 DS18B20傳感器的結(jié)構(gòu)DS18B20溫度傳感器是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的總線(xiàn)式智能數(shù)字溫度傳感器。DS18B20可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的分辨率數(shù)字值讀數(shù)方式。其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到三根或者兩根線(xiàn)上，CPU只需一根端口線(xiàn)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(xiàn)和邏輯電路?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以單線(xiàn)的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。DS18B20引腳排列及定義如圖3.2所示3。圖3.2 DS18B20的TO-92封裝DS18B20的三個(gè)引腳布局合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能明確。DQ：數(shù)據(jù)輸入輸出；VCC：可選的電源電壓腳；GND：接地。DS18B20內(nèi)部主要由64位ROM、高溫傳感器、非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、高速緩存4個(gè)數(shù)據(jù)部分組成。64位ROM用于存儲(chǔ)序列號(hào)。開(kāi)始8位是產(chǎn)品類(lèi)型編號(hào)。接著是每個(gè)器件唯一的序列號(hào)，共有6個(gè)字節(jié)48位，在出廠(chǎng)前已寫(xiě)入片內(nèi)ROM中。最后8位是前面56位的CRC校驗(yàn)碼。非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，可以由用戶(hù)通過(guò)軟件寫(xiě)入報(bào)警上下限值。高速緩存由9個(gè)字節(jié)組成。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖如圖3.3所示1。圖3.3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖主機(jī)在進(jìn)入操作程序前必須逐一讀入DS18B20，用讀ROM命令將該DS18B20序列號(hào)讀出并登錄該主機(jī)。需要對(duì)眾多在線(xiàn)DS18B20的某一個(gè)進(jìn)行操作時(shí)首先要發(fā)出匹配ROM命令，緊接著主機(jī)提供64位序列（包括該DS18B20的48位序列號(hào)）。DS18B20的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如表3.2所示。存儲(chǔ)器由一個(gè)暫存RAM和一個(gè)存儲(chǔ)高低位報(bào)警觸發(fā)值TH和TL的非易失性電可擦除EERAM組成。當(dāng)在單總線(xiàn)上通信時(shí)，暫存器幫助確保數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)先被寫(xiě)入暫存器，這里的數(shù)據(jù)可被讀回。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)校驗(yàn)后，用一個(gè)拷貝暫存器命令把數(shù)據(jù)傳到非易失性EERAM中。這一個(gè)過(guò)程確保更改存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)時(shí)的完整性。表3.2 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)溫度值低位字節(jié)LSB（50H）保留（FFH）溫度值高位字節(jié)MSB（05H）保留TH用戶(hù)字節(jié)1保留（10H）TH用戶(hù)字節(jié)2CRC配置寄存器暫存器的結(jié)構(gòu)為8個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器。頭兩個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信號(hào)。第3和第4字節(jié)的兩個(gè)字節(jié)沒(méi)有使用，但是在讀回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，他們?nèi)繛檫壿?。還有一個(gè)第9字節(jié)，可以用讀暫存器命令讀出。這個(gè)字節(jié)是以上8個(gè)字節(jié)的CRC碼。暫存器第5個(gè)字節(jié)是配置寄存器，用于確定溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的分辨率。該配置寄存器字節(jié)各位的定義如表3.3所示。表3.3 配置寄存器各位的定義TMR1R011111TM是測(cè)試模式位。R0、R1決定溫度轉(zhuǎn)換的分辨率位數(shù)，其定義如表3.4所示。表3.4 DS18B20的分辨率R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms3.2.2 DS18B20的特點(diǎn)（1）1Wire系統(tǒng)1Wire系統(tǒng)也稱(chēng)為單總線(xiàn)系統(tǒng)。單總線(xiàn)系統(tǒng)包括一個(gè)總線(xiàn)控制器和一個(gè)或多個(gè)從機(jī)，DS18B20是從機(jī)。關(guān)于這種總線(xiàn)分三部分討論：硬件配置、執(zhí)行序列和單線(xiàn)信號(hào)（信號(hào)類(lèi)型和時(shí)序）。（2）硬件配置單總線(xiàn)只有一條定義的信號(hào)線(xiàn)。重要的是每一個(gè)掛在總線(xiàn)上的器件都能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間驅(qū)動(dòng)它。為此每一個(gè)總線(xiàn)上的器件都必須是漏極開(kāi)路或者三態(tài)輸出。DS18B20的單總線(xiàn)端口（I/O引腳）是漏極開(kāi)路式的。一個(gè)多點(diǎn)總線(xiàn)由一個(gè)單總線(xiàn)或多個(gè)掛于其上的從機(jī)構(gòu)成。單總線(xiàn)需要一個(gè)約5k的上拉電阻10。單總線(xiàn)的空閑狀態(tài)是高電平。無(wú)論任何理由需要暫停某一執(zhí)行過(guò)程時(shí)，如果還想恢復(fù)執(zhí)行的話(huà)，總線(xiàn)必須停留在空閑狀態(tài)。在恢復(fù)期間，如果單總線(xiàn)處于非活動(dòng)（高電平）狀態(tài)，位與位之間的恢復(fù)時(shí)間可以無(wú)限長(zhǎng)。如果單總線(xiàn)停留在低電平超過(guò)480s，總線(xiàn)上的所有器件都被復(fù)位10。（3）執(zhí)行序列通過(guò)單線(xiàn)總線(xiàn)端口訪(fǎng)問(wèn)DS18B20的協(xié)議如下：初始化；ROM操作指令；存儲(chǔ)器操作指令；執(zhí)行/數(shù)據(jù)。（4）初始化通過(guò)單線(xiàn)總線(xiàn)的所有執(zhí)行（處理）都從一個(gè)初始化序列開(kāi)始。初始化序列包括一個(gè)由總線(xiàn)控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟在其后從機(jī)發(fā)出的存在脈沖。存在脈沖讓總線(xiàn)控制器知道DS18B20在總線(xiàn)上且已準(zhǔn)備就緒12。（5）I/O信號(hào)DS18B20需要嚴(yán)格的協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議包括幾種單線(xiàn)信號(hào)類(lèi)型：復(fù)位脈沖、存在脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0和讀1。所有這些信號(hào)，除存在脈沖外，都是由總線(xiàn)控制器發(fā)出的。和DS18B20間的任何通信都需要以初始化序列開(kāi)始，初始化序列由一個(gè)復(fù)位脈沖和一個(gè)存在脈沖表示。一個(gè)復(fù)位脈沖跟著一個(gè)存在脈沖表明DS18B20已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送和接受數(shù)據(jù)（適當(dāng)?shù)腞OM命令和存儲(chǔ)器操作命令）?？偩€(xiàn)控制器發(fā)出（TX）一個(gè)復(fù)位脈沖（一個(gè)最少保持480s的低電平信號(hào)），然后釋放總線(xiàn)，進(jìn)入接收狀態(tài)（RX）。單總線(xiàn)由5k上拉電阻拉倒高電平。探測(cè)到I/O引腳上的上升沿后，DS18B20等待1560s，然后發(fā)出存在脈沖（一個(gè)60240s的低電平信號(hào)）。（6）讀/寫(xiě)時(shí)間隙DS18B20的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)是通過(guò)時(shí)間隙處理位和命令字來(lái)確認(rèn)信息交換的。寫(xiě)時(shí)間隙當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)線(xiàn)從邏輯高電平拉倒邏輯低電平的時(shí)候，寫(xiě)時(shí)間隙開(kāi)始。有兩種寫(xiě)時(shí)間隙；寫(xiě)1時(shí)間隙和寫(xiě)0時(shí)間隙。所有寫(xiě)時(shí)間隙必須最少持續(xù)60s，包括兩個(gè)寫(xiě)周期間至少1s的恢復(fù)時(shí)間。I/O線(xiàn)電平變低后，DS18B20在一個(gè)15s到60s的窗口內(nèi)對(duì)I/O線(xiàn)采樣。如果線(xiàn)上是高電平，就是寫(xiě)1，如果線(xiàn)上是低電平，就是寫(xiě)0。主機(jī)要生成一個(gè)寫(xiě)時(shí)間隙，必須把數(shù)據(jù)線(xiàn)拉到低電平然后釋放，在寫(xiě)時(shí)間隙開(kāi)始后的15s內(nèi)允許數(shù)據(jù)線(xiàn)拉倒高電平。主機(jī)要生成一個(gè)寫(xiě)0時(shí)間隙，必須把數(shù)據(jù)線(xiàn)拉到低電平并保持60s。R/讀時(shí)間隙當(dāng)從DS18B20讀取數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)生成讀時(shí)間隙。當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)線(xiàn)從高電平拉到低電平時(shí)，寫(xiě)時(shí)間隙開(kāi)始。數(shù)據(jù)線(xiàn)必須保持至少1s；從DS18B20輸出的數(shù)據(jù)在讀時(shí)間隙的下降沿出現(xiàn)后15s內(nèi)有效。因此，主機(jī)在讀時(shí)間隙開(kāi)始后必須停止把I/O腳驅(qū)動(dòng)為低電平15s，以讀取I/O腳狀態(tài)。在讀時(shí)間隙的結(jié)尾，I/O引腳將被外部上拉電阻拉倒高電平。所有讀時(shí)間隙必須至少60s，包括兩個(gè)讀周期間至少1s的恢復(fù)時(shí)間。3.2.3 DS18B20與單片機(jī)連接由于DS18B20是但總線(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器，內(nèi)置了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，所以只需按照前面介紹其三個(gè)端口各自的功能將其掛在單總線(xiàn)上即可，即VCC端口接電源，DQ端口接單片機(jī)的P3.2端口，作為數(shù)據(jù)傳送端口，并接一個(gè)5k的上拉電阻，GND端口則接地，其硬件連接如圖3.4所示。圖3.4 DS18B20與單片機(jī)硬件連接圖當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化后開(kāi)始采集到溫度，采集溫度后通過(guò)內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)采集到的模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后通過(guò)DQ端口將其送到單片機(jī)進(jìn)行處理，處理之后送往顯示。3.3 顯示模塊硬件設(shè)計(jì)3.3.1 LM041L液晶顯示器的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)的LCD字符型顯示器模塊的接口引腳名稱(chēng)和引腳功能如下11：（1）GND：供電電源地。（2）Vcc：供電電源正輸入端（+5V）。（3）Vo：液晶顯示器對(duì)比對(duì)調(diào)整。接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高；使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10k的電位器調(diào)整對(duì)比度。（4）RS：寄存器選擇輸入。RS=0，選擇指令寄存器。可以寫(xiě)指令，讀忙標(biāo)志或地址計(jì)數(shù)器；RS=1，選擇數(shù)據(jù)寄存器?？梢詫?xiě)和讀數(shù)據(jù)。（5）R/：讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)。高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)RS和R/為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)；當(dāng)RS為高電平R/為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。（6）E：命令使能端。當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。（7）DB0DB7（或D0D7）：8位雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)。（8）BL1BL4：背光板工作電壓的輸入端。LM041L字符型顯示器模塊是4行16個(gè)字符LCD顯示器。該器件由64個(gè)字符點(diǎn)陣塊組成，可以顯示ASCII碼表中的所有可顯示字符。LCD字符型顯示器外形和引腳排列、名稱(chēng)如圖3.5所示。圖3.5 LCD字符型顯示器外形和引腳排列、名稱(chēng)3.3.1 LM041L液晶顯示器與單片機(jī)連接通過(guò)上一節(jié)對(duì)LM041L液晶顯示器的了解可以知道LM041L的DB0DB7端口用作雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)，單片機(jī)的P0口也可作為數(shù)據(jù)輸入輸出端口，所以將LM041L的DB0DB7鏈接到單片機(jī)的P1.0P1.7，RS、R/及E端口分別與單片機(jī)的P3.5、P3.6及P3.7相連接，用來(lái)控制數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)及液晶顯示器的工作狀況。而Vcc和Vo則接電源，GND按照要求接地，LM041L與單片機(jī)的硬件連接如圖3.6所示。圖3.6 液晶顯示器與單片機(jī)硬件連接圖3.4 報(bào)警模塊硬件設(shè)計(jì)報(bào)警是微機(jī)控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，主要用于保證生產(chǎn)過(guò)程正常運(yùn)行和操作者的生命安全。在生產(chǎn)過(guò)程中控制系統(tǒng)隨時(shí)檢測(cè)被控對(duì)象的一些重要參數(shù)，當(dāng)超出允許范圍時(shí)，控制系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，引起操作者注意以便采取相應(yīng)的措施。智能型的報(bào)警系統(tǒng)不僅能夠發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，甚至可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單故障的自動(dòng)處理17。本系統(tǒng)在報(bào)警電路中分別安裝了紅色發(fā)光二極管和蜂鳴器，分別設(shè)置溫度上限為+90，溫度下限為-10。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，八路溫度都在限定溫度范圍之內(nèi)，連接發(fā)光二極管和蜂鳴器的兩端口同時(shí)輸出低電平，由于在發(fā)光二極管和蜂鳴器的另一端都接地，所以發(fā)光二極管處于熄滅狀態(tài)，蜂鳴器不鳴響；當(dāng)八路溫度有一路或幾路超過(guò)上限或者下限時(shí)，連接發(fā)光二極管和蜂鳴器的兩個(gè)端口同時(shí)由低電平向高電平跳變，后又由高電平跳到低電平，并循環(huán)此動(dòng)作，來(lái)發(fā)出一個(gè)高地電平循環(huán)跳變的脈沖波，使紅色發(fā)光二極管閃爍并且蜂鳴器發(fā)出聲音。當(dāng)控制八路溫度都回到限定范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)光二極管熄滅且蜂鳴器停止響聲，其硬件連接如圖3.7所示。圖3.7 報(bào)警電路與單片機(jī)硬件連接圖3.5 串行口上位機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù)據(jù)線(xiàn)上, 以每次一個(gè)二進(jìn)制位移動(dòng)的它的優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì)傳輸線(xiàn)進(jìn)行傳送信息, 因此其成本低, 適用于遠(yuǎn)距離通信，它的缺點(diǎn)是傳送速度低19。串行通信有異步通信和同步通信兩種基本通信方式。同步通信適用于傳送速度高的情況, 其硬件復(fù)雜而異步通信應(yīng)用于傳送速度在50到19200波特之間，是比較常用的傳送方式在異步通信中，數(shù)據(jù)是一幀一幀傳送的，每一串行幀的數(shù)據(jù)格式由一位起始位，58位的數(shù)據(jù)位，一位奇偶校驗(yàn)位(可省略)和一位停止位四部分組成，在串行通信前，發(fā)送方和接收方要約定具體的數(shù)據(jù)格式和波特率(通信協(xié)議)19。 PC機(jī)采用可編程串行異步通信控制器8250來(lái)實(shí)現(xiàn)異步串行通信。通過(guò)對(duì)8250 的初始化編程，可以控制串行數(shù)據(jù)傳送格式和速度。RS-232C串行接口COM1和COM2是PC機(jī)中的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，51系列單片機(jī)片內(nèi)含有一個(gè)全雙工的串行接口， 通過(guò)編程也可實(shí)現(xiàn)串行通信功能21。3.5.1 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)RS-232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)正式公布的, 在異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于DCE和DTE間的串行二進(jìn)制通信, 最高數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)19. 2kbps, 最長(zhǎng)傳送電纜可達(dá)15米。RS - 232C標(biāo)準(zhǔn)定義了25根引線(xiàn)，對(duì)于一般的雙向通信，只需使用串行輸入RXD，串行輸出TXD 和地線(xiàn)GND。在電氣性能方面，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的電平采用負(fù)邏輯, 規(guī)定+ 5V+ 15V之間的任意電平為邏輯“0”電平，-5 V-15V之間的任意電平為邏輯“1”電平, 它要求RS-232C接收器必須能識(shí)別低到+3V的信號(hào)作為邏輯“0”，識(shí)別-3V的信號(hào)作為邏輯“1”，即有2V的噪聲容限。RS - 232C是是位串行方式，傳輸數(shù)據(jù)的格式如圖3.8所示，這是微機(jī)系統(tǒng)中最通用的格式。7位ASCII碼數(shù)據(jù)的連續(xù)傳送由最低有效數(shù)字開(kāi)始，以奇偶校驗(yàn)位結(jié)束(RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口并不限于ASCII數(shù)據(jù)，還可用5到8個(gè)數(shù)據(jù)加一奇偶校驗(yàn)位的方式)。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口上的信號(hào)線(xiàn)基本上可分為四類(lèi)：數(shù)據(jù)信號(hào)(4根)、控制信號(hào)(12根)、定時(shí)信號(hào)(3根)和地(2根)21。(1)數(shù)據(jù)信號(hào)，“發(fā)送數(shù)據(jù)TXD”和“接收數(shù)據(jù)RXD”信號(hào)線(xiàn)是一對(duì)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)，用于傳輸串行的位數(shù)據(jù)信息。對(duì)于異步通信，傳輸?shù)拇形粩?shù)據(jù)信息的單位是字符。發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)由數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE產(chǎn)生，送往數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE。在發(fā)送數(shù)據(jù)信息的間隔期間或無(wú)數(shù)據(jù)信息發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE保持該信號(hào)為“1”。接收數(shù)據(jù)信號(hào)由數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE發(fā)出，送往數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE。同樣，在接收數(shù)據(jù)信息的間隔期間或無(wú)信息傳輸時(shí)，該信號(hào)應(yīng)為“1”。圖3.8 串行數(shù)據(jù)傳輸格式(2)控制信號(hào)，數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE發(fā)出請(qǐng)求發(fā)送RTS信號(hào)到數(shù)據(jù)通信設(shè)備，要求數(shù)據(jù)通信設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。在雙工系統(tǒng)中，該信號(hào)的置位條件保持?jǐn)?shù)據(jù)通信的設(shè)備處于發(fā)送方式。在半雙工系統(tǒng)中，該信號(hào)的置位條件維持?jǐn)?shù)據(jù)通信設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)，并且禁止接收；該信號(hào)復(fù)位后，才允許數(shù)據(jù)通信設(shè)備轉(zhuǎn)為接收方式。在數(shù)據(jù)通信設(shè)備復(fù)位清除發(fā)送信號(hào)之前，請(qǐng)求信號(hào)不能重新發(fā)生。(3)定時(shí)信號(hào)，數(shù)據(jù)終端設(shè)備使用發(fā)送信號(hào)定時(shí)信號(hào)指示發(fā)送數(shù)據(jù)線(xiàn)上的每個(gè)二進(jìn)位數(shù)據(jù)的中心位置；而數(shù)據(jù)通信設(shè)備使用接收信號(hào)定時(shí)信號(hào)指示接收數(shù)據(jù)線(xiàn)上的每個(gè)二進(jìn)位制的中心位置。(4)地信號(hào)，保護(hù)地即屏蔽地；信號(hào)地是RS-232C所有信號(hào)公共參考點(diǎn)的地。在接口電路和計(jì)算機(jī)接口芯片中大都為T(mén)TL或CMOS電平，所以在通信時(shí)，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以便與RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平匹配。MAX232芯片可以完成電平轉(zhuǎn)換。3.5.2 通過(guò)MAX232芯片與電腦串行口連接電腦的串口是RS232電平的，而單片機(jī)的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，我們采用了專(zhuān)用芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個(gè)三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專(zhuān)用芯片更簡(jiǎn)單可靠35。MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源、雙RS232發(fā)送/接收器。適用于各種EIA-232E 和V.28/ V.24的通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源變換RS-232C輸出電平所需10V電壓,所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就可以了。MAX232外圍需要4個(gè)電解電容C1、C2、C3、C4，是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為1F/25V，宜選用鉭電容并且應(yīng)盡量靠近芯片，C5為0.1F的電容。T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT接TTL/CMOS電平的引腳，引腳T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN為接RS-232C電平的引腳，因此TTL/ CMOS電平的T1IN、T2IN 引腳應(yīng)接AT89C51的串行發(fā)送引腳TXD；R1OUT、R2OUT 應(yīng)接MCS-51的串行接收引腳RXD；與之對(duì)應(yīng)的RS -232C電平的T1OUT、T2OUT應(yīng)接PC機(jī)的接收端RD；R1IN、R2IN應(yīng)接PC機(jī)的發(fā)送端TD35。為提高本系統(tǒng)的可操作性和控制的靈活性和實(shí)時(shí)性，需要進(jìn)行上位機(jī)通信，即通過(guò)串行口將數(shù)據(jù)送到PC機(jī)進(jìn)行顯示，同時(shí)PC也可以將數(shù)據(jù)和指令等傳送到單片機(jī)，使單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行處理。在單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，根據(jù)上文介紹，決定采用MAX232對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其硬件連接如圖3.9所示。圖3.9 單片機(jī)通過(guò)MAX232與PC機(jī)串行口連接圖3.6 片外程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展通常情況下，采用AT89C51的最小應(yīng)用系統(tǒng)最能發(fā)揮單片機(jī)體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)。但在許多情況下，構(gòu)成一個(gè)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，考慮到傳感器接口、伺服控制接口以及人機(jī)對(duì)話(huà)接口等的需要，最小應(yīng)用系統(tǒng)常常不能滿(mǎn)足要求，因此系統(tǒng)擴(kuò)展是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中最常遇到的問(wèn)題24。系統(tǒng)擴(kuò)展是指單片機(jī)內(nèi)部的各功能部件不能滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)要求時(shí)，在片外連接相應(yīng)的外圍芯片以滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)要求。AT89C51單片機(jī)有很強(qiáng)的外部擴(kuò)展能力，外圍擴(kuò)展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，擴(kuò)展電路及擴(kuò)展方法較為典型規(guī)范。用戶(hù)很容易通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展電路來(lái)構(gòu)成較大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)37。AT89C51單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展有程序存儲(chǔ)器（ROM）擴(kuò)展、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）擴(kuò)展、I/O口擴(kuò)展、中斷系統(tǒng)擴(kuò)展以及其他特殊功能擴(kuò)展。本系統(tǒng)采用單總線(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行采集，為了增大系統(tǒng)的測(cè)溫范圍，能方便的擴(kuò)展成對(duì)更多地點(diǎn)進(jìn)行溫度采集，本系統(tǒng)要增加一片8K8位的片外程序存儲(chǔ)器，增加了片外程序存儲(chǔ)器后，通過(guò)增加相應(yīng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)便可以具有更強(qiáng)大的功能，如時(shí)間顯示等，大大增強(qiáng)的系統(tǒng)的擴(kuò)充能力。3.6.1 片外存儲(chǔ)器（RAM）擴(kuò)展簡(jiǎn)述對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的方法有并行擴(kuò)展法和串行擴(kuò)展法兩種。并行擴(kuò)展法是指利用單片機(jī)的三組總線(xiàn)（AB、DB、CB）進(jìn)行的系統(tǒng)擴(kuò)展；串行擴(kuò)展法是指利用SPI三線(xiàn)總線(xiàn)和I2C雙總線(xiàn)的串行系統(tǒng)擴(kuò)展1。由于集成度和結(jié)構(gòu)的發(fā)展，原來(lái)只能使用并行擴(kuò)展法的場(chǎng)合現(xiàn)在可以使用串行擴(kuò)展法。串行擴(kuò)展法具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，串行接口的器件體積小，因此，它所占用電路板的空間，僅為并行接口器件的10%，明顯地減少了電路板空間和成本。串行接口器件與單片機(jī)接口時(shí)需用的I/O口線(xiàn)很少（僅需34根），不僅減少了控制器的資源開(kāi)銷(xiāo)，而且極大地簡(jiǎn)化了連接，從而提高了可靠性。但一般串行接口器件速度較慢。在需用高速應(yīng)用的場(chǎng)合，還是并行擴(kuò)展法占主導(dǎo)地位。本系統(tǒng)在綜合考慮兩種擴(kuò)展方法的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)的同時(shí)，分析系統(tǒng)各模塊所需的引腳，最終決定采取并行擴(kuò)展法1。（1）單片機(jī)的片外總線(xiàn)結(jié)構(gòu)單片機(jī)都是通過(guò)芯片的引腳進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展的。為滿(mǎn)足系統(tǒng)擴(kuò)展要求，AT89C51單片機(jī)芯片引腳可以構(gòu)成圖3.10所示的三總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，即地址總線(xiàn)（AB）、數(shù)據(jù)總線(xiàn)（DB）和控制總線(xiàn)（CB）。所有的外部芯片都是通過(guò)這三組總線(xiàn)進(jìn)行擴(kuò)展37。圖3.10 AT89C51單片機(jī)的三總線(xiàn)引腳結(jié)構(gòu)地址總線(xiàn)（AB）地址總線(xiàn)由P0口提供低8位A0A7，P2口提供高8位A8A15。由于P0口還要用作數(shù)據(jù)總線(xiàn)口，只能分時(shí)用作地址線(xiàn)，故P0口輸出的低8位地址數(shù)據(jù)必須用鎖存器鎖存。鎖存器的鎖存控制信號(hào)為引腳ALE輸出的控制信號(hào)。在ALE的下降沿將P0口輸出的地址數(shù)據(jù)鎖存。P2口具有輸出鎖存功能，故不需外加鎖存器。P0、P2口在系統(tǒng)擴(kuò)展中用作地址線(xiàn)后便不能作為一般I/O口使用。地址總線(xiàn)寬度為16位，故可尋址范圍為216=64KB。數(shù)據(jù)總線(xiàn)（DB）數(shù)據(jù)總線(xiàn)由P0口提供，其寬度為8位。P0口為三態(tài)雙向口，是應(yīng)用系統(tǒng)中使用最頻繁的通道。所有單片機(jī)與外部交換的數(shù)據(jù)、指令、信息，除少數(shù)可直接通過(guò)P1口外，全部通過(guò)P0口傳送。數(shù)據(jù)總線(xiàn)要連到多個(gè)連接的外圍芯片上，而在同一時(shí)間里，只能夠有一個(gè)是有效的數(shù)據(jù)傳送通道。哪個(gè)芯片的數(shù)據(jù)通道有效，由地址線(xiàn)控制各個(gè)芯片的片選線(xiàn)來(lái)選擇?？刂瓶偩€(xiàn)（CB）控制總線(xiàn)包括片外系統(tǒng)擴(kuò)展用控制線(xiàn)和片外信號(hào)對(duì)單片機(jī)的控制線(xiàn)。系統(tǒng)擴(kuò)展用控制線(xiàn)有ALE、和。（2）單片機(jī)的系統(tǒng)并行擴(kuò)展能力由于地址總線(xiàn)寬度為16位，在片外可擴(kuò)展的存儲(chǔ)器最大容量為64KB，地址為0000HFFFFH。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器的操作使用不同的指令和控制信號(hào)，允許二者地址重復(fù)，故片外可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器分別為64KB。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的操作指令不同（片外RAM只能用MOVX指令），二者地址允許重復(fù)，亦即外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址可從0000H開(kāi)始。為了配置外圍設(shè)備而需要擴(kuò)展的I/O口，可與片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編制，不再另外提供地址線(xiàn)。因此，在應(yīng)用系統(tǒng)要大量配置外圍設(shè)備以及擴(kuò)展較多I/O口時(shí)，要占去大量的RAM地址。3.6.2 擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器的總線(xiàn)功能和操作時(shí)序是片外、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，為輸入引腳，低電平有效。當(dāng)0時(shí)，單片機(jī)從片外取指；當(dāng)1時(shí)，從片內(nèi)取指，正常運(yùn)行時(shí)，該引腳不能浮空。根據(jù)連接電平的不同，單片機(jī)有兩種取指過(guò)程：（1）當(dāng)1時(shí)，AT89C51單片機(jī)所有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器有效。當(dāng)程序計(jì)數(shù)器PC運(yùn)行于片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的尋址范圍內(nèi)（對(duì)AT89C51為00