基于MCS51系列單片機(jī)的數(shù)字溫度監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1、課課 程程 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 說(shuō)說(shuō) 明明 書(shū)書(shū) 基于 MCS-51 系列單片機(jī)的 數(shù)字溫度監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì) 學(xué)生班級(jí)：學(xué)生班級(jí)： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 起止日期：起止日期： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 目目 錄錄 一、一、引言引言 4 4 1. 本次課程設(shè)計(jì)的重要意義 4 4 2. 溫度傳感器的發(fā)展 4 4 二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及性能指標(biāo)二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及性能指標(biāo) 5 5 三、三、 系統(tǒng)方案總體概述系統(tǒng)方案總體概述 5 5 四、系統(tǒng)主要器件選擇四、系統(tǒng)主要器件選擇 6 6 （一）單片機(jī)的選擇（一）單片機(jī)的選擇 6 6 1.主要性能參數(shù) 6 6 2.功能特性概述 7 7 3.引腳功能說(shuō)明 8 8 4.端口引腳 第二功能 9

2、 （二）溫度傳感器的選擇 1010 1.總述 1010 2.溫度傳感器的選擇 1111 2.1 DS18B20 簡(jiǎn)介 1111 2.2 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1111 2.3 DS18B20 測(cè)溫原理 1515 五、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)五、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 1717 （一）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 1717 1.硬件電路設(shè)計(jì)總體概述 1717 2.CPU 機(jī)器基本外圍電路設(shè)計(jì) 1818 2.1 單片機(jī)電路 1818 2.2 晶振控制電路 1818 2.3 繼電器電路 1919 2.4 鎖存器 74LS373 引腳功能及工作原理 1919 2.4.1 74LS373 引腳功能 2020 2.4.2 74LS37

3、3 工作原理 2020 2.4.3 Intel2764 引腳功能 2323 3.前向通道設(shè)計(jì) 2323 3.1 溫度檢測(cè)電路 2323 3.2 電源輸入部分電路 2424 4.后向通道設(shè)計(jì)及人機(jī)通道設(shè)計(jì) 2525 4.1 后向通道設(shè)計(jì) 2525 4.1.1 LED 顯示電路 2525 4.1.1.1 LED 顯示器的結(jié)構(gòu) 2525 4.1.1.2 LED 顯示器的工作原理 2626 4.1.1.3 LED 顯示設(shè)計(jì)方案 2727 4.2 鍵盤(pán) 2727 4.3 溫度報(bào)警電路 2828 4.4 復(fù)位電路 2828 5.抗干擾措施 2929 5.1 干擾產(chǎn)生的后果 2929 5.2 抗干擾設(shè)計(jì)的基

4、本原則 3030 5.3 硬件抗干擾設(shè)計(jì) 3131 5.4 軟件的抗干擾設(shè)計(jì) 3232 （二）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3333 1.概述 3333 2.主程序模塊 3333 3. 部分程序清單 3434 3.1 溫度傳感器的驅(qū)動(dòng)程序 3434 3.2 LED 共陽(yáng)極顯示子程序 3636 六、附錄六、附錄 3636 七、致謝七、致謝 3737 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 一、引言一、引言 1. 本次課程設(shè)計(jì)的重要意義本次課程設(shè)計(jì)的重要意義 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，電力需求量日益增加，如何保障電力的持續(xù)供 應(yīng)是電力運(yùn)行中的一道難題。根據(jù)對(duì)各類(lèi)電力事故的分析，由于電力設(shè)備溫度 過(guò)高而引發(fā)的火災(zāi)占相當(dāng)大的比例。大多數(shù)電氣

5、設(shè)備，如開(kāi)關(guān)柜、電纜溝、帶 電間隔等采用封閉式結(jié)構(gòu)，空間狹小，熱積累量大，散熱效果差，并長(zhǎng)期處于 高電壓、大電流、滿負(fù)荷的條件下運(yùn)行，極易發(fā)生火災(zāi)。這種火災(zāi)一旦發(fā)生， 將導(dǎo)致大量電網(wǎng)設(shè)備被燒毀，變電站停運(yùn)甚至電網(wǎng)崩潰等惡劣后果，國(guó)民生產(chǎn) 無(wú)法進(jìn)行，導(dǎo)致巨大損失。引起火災(zāi)的直接原因就是線路接頭溫度過(guò)高，長(zhǎng)期 運(yùn)行而燒穿絕緣，點(diǎn)燃周?chē)娎|等可燃物，引發(fā)火災(zāi)。 在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，各接頭觸點(diǎn)、母線排接處等部位因絕緣老化或接 觸電阻過(guò)大而急劇發(fā)熱，而這些發(fā)熱部位工作人員不易接近，手工測(cè)溫困難， 如果能夠有效的自動(dòng)監(jiān)測(cè)各接頭的溫度，一旦出現(xiàn)溫度異常情況，立刻上傳報(bào) 警，通知維護(hù)人員及時(shí)采取措施排除隱患

6、，把故障消除在萌芽狀態(tài)，從而達(dá)到 安全供電的目的。因此，電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)問(wèn)題已成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行 所急需解決的實(shí)際問(wèn)題，是提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的迫切需求，對(duì)保障電力 系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有極其重要的意義。 2. 溫度傳感器的發(fā)展溫度傳感器的發(fā)展 測(cè)量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段： 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器 模擬集成溫度傳感器 智能集成溫度傳感器。 目前的智能溫度傳感器(亦稱(chēng)數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀(jì)90年代中期問(wèn)世的， 它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶，特點(diǎn)是能輸出溫 度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)。社會(huì)的發(fā)展使人

7、們對(duì) 傳感器的要求也越來(lái)越高，現(xiàn)在的溫度傳感器正在基于單片機(jī)的基礎(chǔ)上從模擬 式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展，并朝著高精度、多 功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開(kāi)發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制 單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展，本文將介紹智能集成溫度傳感器 DS18B20的結(jié)構(gòu)特征及控制方法，并對(duì)以此傳感器，89S51單片機(jī)為控制器構(gòu)成 的數(shù)字溫度測(cè)量裝置的工作原理及程序設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的介紹。與傳統(tǒng)的溫度計(jì) 相比，其具有讀數(shù)方便，測(cè)溫范圍廣，測(cè)溫準(zhǔn)確，輸出溫度采用數(shù)字顯示，主 要用于對(duì)測(cè)溫要求比較準(zhǔn)確的場(chǎng)所，或科研實(shí)驗(yàn)室使用。該設(shè)計(jì)控制器使用 ATMEL公司的AT89S5

8、1單片機(jī)，測(cè)溫傳感器使用DALLAS公司DS18B20，用液 晶來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度顯示。 二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及性能指標(biāo)二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及性能指標(biāo) 本設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)控制下的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了其硬件和軟件設(shè) 計(jì)，并對(duì)其各功能模塊做了詳細(xì)介紹，其主要功能和指標(biāo)如下： 利用溫度傳感器（DS18B20）測(cè)量某一點(diǎn)環(huán)境溫度 測(cè)量范圍為-5599，精度為0.5 用液晶進(jìn)行實(shí)際溫度值顯示 能夠根據(jù)需要方便設(shè)定上下限報(bào)警溫度 三、系統(tǒng)三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理總體設(shè)計(jì)原理 該系統(tǒng)主要由溫度測(cè)量和數(shù)據(jù)采集兩部分電路組成。 該系統(tǒng)利用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)并顯 示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量環(huán)境溫度，

9、并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報(bào)警溫度。利用 鍵盤(pán)來(lái)進(jìn)行調(diào)時(shí)和溫度查詢(xún)，獲得的數(shù)據(jù)可以通過(guò)MAX232芯片與計(jì)算機(jī)的 RS232接口進(jìn)行串口通信，方便的采集和整理時(shí)間溫度數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)框圖如下圖所示 AT89S51 CPU DSP18B20 溫度芯片 鍵盤(pán)電路 LED 顯示 報(bào)警電路 加熱繼電器 制冷繼電器 PC 機(jī) 電源 DS18B20溫度測(cè)溫系統(tǒng)框圖 本設(shè)計(jì)以AT89S51芯片為核心, AT89S51芯片的外圍擴(kuò)展了 數(shù)據(jù)鎖存器 74L373和74LS138，同時(shí)具有LED（發(fā)光二極管）顯示器、復(fù)位功能等。 四、系統(tǒng)主要器件選擇四、系統(tǒng)主要器件選擇 （一）單片機(jī)的選擇（一）單片機(jī)的選擇 對(duì)于單片機(jī)

10、的選擇，可以考慮使用8031與8051系列，由于8031沒(méi)有內(nèi)部 RAM，系統(tǒng)又需要大量?jī)?nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因而不適用。AT89S51是美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器,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)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ISP）也 可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能 強(qiáng)大，價(jià)格低廉，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 1.主要性能參數(shù)主要性能參數(shù)： 與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（I

11、SP）Flash閃速存儲(chǔ)器 1000次擦寫(xiě)周期 4.05.5V的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz 三級(jí)程序加密鎖 1288字節(jié)內(nèi)部RAM 32個(gè)可編程IO口線 2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器 6個(gè)中斷源 全雙工串行UART通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門(mén)狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁(yè)寫(xiě)模式） 2.功能特性概述功能特性概述： AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部 RAM，32個(gè)IO 口線，看門(mén)狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，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)，

12、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)，AT89S51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 并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 AT89S51方框圖方框圖 3.引腳功能說(shuō)明引腳功能說(shuō)明 Vcc：電源電壓 GND：地 P0口口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“l(fā)”可作為高阻 抗輸入端用。 在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線

13、分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位） 和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在F1ash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。 P1口口：Pl 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，Pl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)“l(fā)”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電 阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(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)輸出一個(gè)電流（IIL）。 Flash編程和程序校驗(yàn)期間，Pl接收低8位地址。 端口引腳 第二功能 P1.5 MOSI（用于ISP犏程） P1.6 MISO（用于ISP犏程） P1

14、.7 SCK （用于ISP犏程） P2 口口：P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向IO 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 上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(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)輸出一個(gè)電流（IIL）。 在訪問(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)。在訪問(wèn)8 位地址的外部數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVXRi 指令）時(shí)，P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄 存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。

15、 Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。 P3 口口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I0 口。P3 口輸出緩沖 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)P3口寫(xiě)入“l(fā)”時(shí)，它們 被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。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I0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： 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)。 4.端口引腳端口引腳 第二功能第二功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 INT0（外中斷0）

16、 P3.3 INT1（外中斷1） P3.4 T0（定時(shí)計(jì)數(shù)器0外部輸入） P3.5 T1（定時(shí)計(jì)數(shù)器1外部輸入） P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 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。WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR的 DISRT0 位（地址8EH）可打開(kāi)或關(guān)閉該功能。DISRT0位缺省為RESET輸出高 電平打開(kāi)狀態(tài)。 ALEPROG：當(dāng)訪問(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）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字 節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻

17、率的16 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)F1ash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。 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。該位置位后，只有一條M0VX和M0VC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。 PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89S51 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PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。

18、當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器，沒(méi)有兩次有效的PSEN信號(hào)。 EAVPP：外部訪問(wèn)允許。欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(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被編程，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。 F1ash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程電壓Vpp。 XTALl：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 （二）溫度傳感器的選擇（二）溫度傳感器的選擇 1.1.總述總述 溫度的測(cè)量是從金屬(物質(zhì))的熱脹冷縮開(kāi)始。水銀溫度計(jì)至今仍是各種溫

19、度 測(cè)量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)?？墒撬娜秉c(diǎn)是只能近距離觀測(cè)，而且水銀有毒，玻璃管易 碎。代替水銀的有酒精溫度計(jì)和金屬簧片溫度計(jì)，它們雖然沒(méi)有毒性，但測(cè)量 精度很低，只能作為一個(gè)概略指示。不過(guò)在居民住宅中使用已可滿足要求。在 工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中為了配合遠(yuǎn)傳儀表指示，出現(xiàn)了許多不同的溫度檢測(cè)方 法，常用的有電阻式、熱電偶式、PN 結(jié)型、輻射型、光纖式及石英諧振型等。 它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù)(如電阻值，熱電勢(shì)等)的變化的原理。 隨著大規(guī)模集成電路工藝的提高，出現(xiàn)了多種集成的數(shù)字化溫度傳感器。 2.2.溫度傳感器的選擇溫度傳感器的選擇 由于本次系統(tǒng)的溫度偏高，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候我們首先考慮的是熱電偶

20、，但 是其轉(zhuǎn)化電路較為麻煩，增加了電路的制作成本。在比較了大量的測(cè)溫方案后， 我們決定采用集成溫度測(cè)量芯片 DS18B20。芯片 DS18B20 轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換精 度高，終于微處理器的接口簡(jiǎn)單，給硬件設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了極大的方便，能有效 的降低成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。本系統(tǒng)使用的溫度芯片順應(yīng)了這一趨勢(shì)。簡(jiǎn)化電 路的同時(shí)增加了系統(tǒng)的可靠性。 2.12.1 DS18B20DS18B20 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 DALLAS 最新單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 是一種新型的“一線器件”， 其體積更小、更適用于多種場(chǎng)合、且適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。DALLAS 半導(dǎo)體 公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 是世界上第一

21、片支持“一線總線”接口的溫 度傳感器。溫度測(cè)量范圍為-55+125 攝氏度，可編程為 9 位12 位轉(zhuǎn)換精度， 測(cè)溫分辨率可達(dá) 0.0625 攝氏度，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ) 在 EEPROM 中，掉電后依然保存。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。因 此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以掛很多這樣 的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。

22、 2.22.2 DS18B20DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS1820 的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64 位激光 ROM 單 線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式 RAM） ，用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的 溫度上下限值的 TH 和 TL 觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、8 位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC） 發(fā)生器等七部分。 DS18B20 采用 3 腳 PR35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1 所示 圖 2.1 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 64 b 閃速 ROM 的結(jié)構(gòu)如下：出 開(kāi)始8位是產(chǎn)品類(lèi)型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有48 位， 最后8位是前面5

23、6 位的CRC 檢驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS18B20 可以采用一線進(jìn)行 通信的原因。溫度報(bào)警觸發(fā)器和，可通過(guò)軟件寫(xiě)入戶報(bào)警上下限。主 機(jī)操作ROM的命令有五種，如表所列 指 令說(shuō) 明 讀ROM（33H） 讀DS1820的序列號(hào) 匹配ROM（55H） 繼讀完64位序列號(hào)的一個(gè)命令， 用于多個(gè)DS1820時(shí)定位 跳過(guò)ROM（CCH） 此命令執(zhí)行后的存儲(chǔ)器操作將 針對(duì)在線的所有DS1820 搜ROM（F0H） 識(shí)別總線上各器件的編碼，為 操作各器件作好準(zhǔn)備 報(bào)警搜索（ECH） 僅溫度越限的器件對(duì)此命令作 出響應(yīng)DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存和一個(gè) 非易失性的可電擦除的EERAM

24、。高速暫存RAM 的結(jié)構(gòu)為字節(jié)的存儲(chǔ)器， 結(jié)構(gòu)如圖 2.2所示。 圖 2.2 高速暫存RAM結(jié)構(gòu)圖 前 2 個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第 3 和第 4 字節(jié)和的拷貝，是 易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第 5 個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于 確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20 工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng) 精度的溫度數(shù)值。 溫度低 位 溫度高 位 THTL配置保留保留保留8 位 CRC LSB MSB 當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值 就以 16 位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第 1，2 字節(jié)。 單片機(jī)可通過(guò)單線接口讀

25、到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 0.062 5 /LSB 形式表示。溫度值格式如下：出 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(cè)得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只 要將測(cè)到的數(shù)值乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度。圖中，S 表示 位。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位 S=0 時(shí)，表示測(cè)得的溫度植為正值，直接將二 進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1 時(shí)，表示測(cè)得的溫度植為負(fù)值，先將補(bǔ)碼變換為 原

26、碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。例如+125的數(shù)字輸出為 07D0H，+25.0625的數(shù) 字輸出為 0191H，-25.0625的數(shù)字輸出為 FF6FH，-55的數(shù)字輸出為 FC90H。 DS18B20 溫度傳感器主要用于對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)可用 16 位符號(hào)擴(kuò)展的 二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，并以 0.0625LSB 形式表示。表 2 是部分溫度值 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度表示數(shù)據(jù)。出 表 2 部分溫度值 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測(cè)得的溫度值與 RAM 中的 TH、TL 字節(jié) 內(nèi)容作比較，若 TTH 或 TTL,則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出 的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只 DS18

27、B20 同時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行告警 搜索。 在 64 位 ROM 的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）。主機(jī)根據(jù) ROM 的前 56 位來(lái)計(jì)算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比較，以判斷主 機(jī)收到的 ROM 數(shù) 據(jù)是否正確。 2.32.3 DS18B20DS18B20 測(cè)溫原理測(cè)溫原理 每一片 DSl8B20 在其 ROM 中都存有其唯一的 48 位序列號(hào)，在出廠前已寫(xiě) 入片內(nèi) ROM 中。主機(jī)在進(jìn)入操作程序前必須用讀 ROM(33H)命令將該 DSl8B20 的序列號(hào)讀出。程序可以先跳過(guò) ROM，啟動(dòng)所有 DSl8B20 進(jìn)行溫度 變換，之后通過(guò)匹配 ROM，

28、再逐一地讀回每個(gè) DSl8B20 的溫度數(shù)據(jù)。 DS18B20 的測(cè)溫原理如圖 2.4 所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的 影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入， 圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生 的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù) 振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將-55 所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在-55 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù) 值。減法計(jì)數(shù)器 1

29、 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)減法計(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，減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新 被裝入，減法計(jì)數(shù)器 1 重新開(kāi)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)直到減法計(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(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線 性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò) 程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值.。 表 31 ROM 操作命令 指令約定代碼功 能 讀 ROM33H讀 DS18B20 ROM 中的編碼 符合 ROM55H 發(fā)出此

30、命令之后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問(wèn)單線 總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的 DS18B20 使之作出響應(yīng)，為下 一步對(duì)該 DS18B20 的讀寫(xiě)作準(zhǔn)備 搜索 ROM0F0H用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個(gè)數(shù)和識(shí)別 64 位 ROM 地址，為操作各器件作好準(zhǔn)備 跳過(guò) ROM0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 發(fā)溫度變換命令， 適用于單片工作。 告警搜 索 命 令 0ECH執(zhí)行后，只有溫度超過(guò)設(shè)定值上限或者下限的片子才做 出響應(yīng) 溫度變 換 44H啟動(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)為 500MS， 結(jié)果存入內(nèi)部 9 字節(jié) RAM 中 讀暫存

31、器 0BEH讀內(nèi)部 RAM 中 9 字節(jié)的內(nèi)容 寫(xiě)暫存 器 4EH發(fā)出向內(nèi)部 RAM 的第 3，4 字節(jié)寫(xiě)上、下限溫度數(shù)據(jù)命 令，緊跟讀命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù) 復(fù)制暫 存器 48H將 E2PRAM 中第 3，4 字節(jié)內(nèi)容復(fù)制到 E2PRAM 中 重調(diào) E2PRAM 0BBH將 E2PRAM 中內(nèi)容恢復(fù)到 RAM 中的第 3，4 字節(jié) 讀 供 電 方 式 0B4H讀 DS18B20 的供電模式，寄生供電時(shí) DS18B20 發(fā)送“0” ， 外接電源供電 DS18B20 發(fā)送“1” 續(xù) 另外，由于 DS18B20 單線通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念， 因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì) DS

32、18B20 的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議 為：初始化 DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā) ROM 功能命令發(fā)存儲(chǔ)器操作命令 處理數(shù)據(jù)。 減法計(jì)數(shù)器 斜坡累加器 減到 0 減法計(jì)數(shù)器 預(yù) 置 低溫度系數(shù) 振 蕩 器 高溫度系數(shù) 振 蕩 器 計(jì)數(shù)比較器 預(yù) 置 溫度寄存器 減到 0 測(cè)溫原理內(nèi)部裝置 五、五、 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) （一）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（一）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 1.硬件電路設(shè)計(jì)總體概述硬件電路設(shè)計(jì)總體概述 溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)原理圖如圖5.1所示,控制器使用單片機(jī)AT89C2051,溫度計(jì) 傳感器使用DS18B20,用液晶實(shí)現(xiàn)溫度顯示。 本溫度計(jì)大體分三個(gè)工作過(guò)程。首先，由DS18

33、820溫度傳感器芯片測(cè)量當(dāng) 前的溫度，并將結(jié)果送入單片機(jī)。然后，通過(guò)89C205I單片機(jī)芯片對(duì)送來(lái)的測(cè)量 溫度讀數(shù)進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)換，井將此結(jié)果送入液晶顯示模塊。最后，SMC1602A 芯片將送來(lái)的值顯示于顯示屏上。 由圖1可看到，本電路主要由DSl8820溫度傳 感器芯片、SMCl602A液晶顯示模塊芯片和89C2051單片機(jī)芯片組成。其中， DSI8B20溫度傳感器芯片采用“一線制”與單片機(jī)相連，它獨(dú)立地完成溫度測(cè)量 以及將溫度測(cè)量結(jié)果送到單片機(jī)的工作。 圖 5.1 電路設(shè)計(jì)原理圖 2.CPU 機(jī)器基本外圍電路設(shè)計(jì)機(jī)器基本外圍電路設(shè)計(jì) 2.1 單片機(jī)電路單片機(jī)電路 對(duì)于 AT89S51 的簡(jiǎn)介

34、在本文的第四部分 單片機(jī)電路引腳圖 2.2 晶振控制電路晶振控制電路 AT89C51 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的 片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。 外接石英晶體或陶瓷諧振器及電容 C1、C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成 并聯(lián)寫(xiě)真電路。對(duì)外接電容 C!、C2 雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，當(dāng)電容容量的 大小會(huì)輕微影響振蕩器頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及 溫度的穩(wěn)定性。 晶振控制電路圖 2.3 繼電器電路繼電器電路 圖中 P1.1 引腳控制加熱器繼電器。給.P1.

35、1 低電平，三極管導(dǎo)通，電磁鐵觸 頭放下來(lái)開(kāi)始工作. 繼電器電路圖 2.4 鎖存器鎖存器 74LS373 引腳功能及工作原理引腳功能及工作原理 2.4.1 74LS373 引腳功能引腳功能 D0D7 為 8 個(gè)輸入端 Q1Q7 為 8 個(gè)輸出端 LE 是數(shù)據(jù)鎖存控制端；當(dāng) LE=1 時(shí)，鎖存器輸出端同輸入端；當(dāng) LE 由 1 變?yōu)?0 時(shí)，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。OE 為輸出允許端；當(dāng) OE=0 時(shí)，三態(tài)門(mén)打開(kāi)：當(dāng) OE=1 時(shí)，三態(tài)門(mén)關(guān)閉，輸出呈高阻狀態(tài)。 2.4.2 74LS373 工作原理工作原理 輸入端 D0D7 接于單片機(jī) P0 口，輸出端提供的是低 8 位地址，LE 端接至單片 機(jī)的地址

36、鎖存允許信號(hào) ALE。輸出允許端接地，以保持輸出長(zhǎng)通。LE 端與 OE 8031 單片機(jī)的 ALE 端口連接，當(dāng) LE=1 時(shí)（ALE 高電平持續(xù)時(shí)間） ，74LS473 的輸出 Q0Q7 隨其輸入 D0D7 的狀態(tài)變化，即 P0 口送出低 8 位地址信號(hào)一旦 輸出即傳輸?shù)?2764 芯片，5264 芯片的地址輸入端口 A0A7，實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔 離。74LS138 為 3 線8 線譯碼器，共有 54/74S138 和 54/74LS138 兩種線路結(jié)構(gòu)型式，其工作原理如下： 當(dāng)一個(gè)選通端（G1）為高電平，另兩個(gè)選通端（/(G2A)和/(G2B)）為 低電平時(shí)，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編

37、碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端以低 電平譯出。 利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 24 線譯碼器；若外接一個(gè)反 相器還可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 32 線譯碼器。 若將選通端中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，74LS138 還可作數(shù)據(jù)分配器 用與非門(mén)組成的 3 線-8 線譯碼器 74LS138 3 線-8 線譯碼器 74LS138 的功能表 無(wú)論從邏輯圖還是功能表我們都可以看到 74LS138 的八個(gè)輸出引腳，任何時(shí)刻 要么全為高電平 1芯片處于不工作狀態(tài)，要么只有一個(gè)為低電平 0，其余 7 個(gè) 輸出引腳全為高電平 1。如果出現(xiàn)兩個(gè)輸出引腳同時(shí)為 0 的情況，說(shuō)明該芯片 已經(jīng)損壞。 當(dāng)附加控制門(mén)的輸出為高電

38、平（S1）時(shí)，可由邏輯圖寫(xiě)出 由上式可以看出，同時(shí)又是這三個(gè)變量的全部最小項(xiàng)的譯碼輸出，所以也把這 種譯碼器叫做最小項(xiàng)譯碼器。 71LS138 有三個(gè)附加的控制端、和。當(dāng)、時(shí)，輸出為高電平（S1），譯碼器 處于工作狀態(tài)。否則，譯碼器被禁止，所有的輸出端被封鎖在高電平，如表 3.3.5 所示。這三個(gè)控制端也叫做“片選”輸入端，利用片選的作用可以將多篇連接起 來(lái)以擴(kuò)展譯碼器的功能。 帶控制輸入端的譯碼器又是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)分配器。在圖 3.3.8 電路中如果把作 為“數(shù)據(jù)”輸入端（同時(shí)），而將作為“地址”輸入端，那么從送來(lái)的數(shù)據(jù)只能通 過(guò)所指定的一根輸出線送出去。這就不難理解為什么把叫做地址輸入了。

39、例如 當(dāng)101 時(shí)，門(mén)的輸入端除了接至輸出端的一個(gè)以外全是高電平，因此的數(shù)據(jù) 以反碼的形式從輸出，而不會(huì)被送到其他任何一個(gè)輸出端上。 2.4.3 Intel 2764 的引腳和功能表 2764 EPROM 存儲(chǔ)容量為 64K 位，結(jié)構(gòu)為 8K8：13 個(gè)地址線 A12A0，8 個(gè)數(shù) 據(jù)線 O7O0。 2764 EPROM 的控制信號(hào)有一個(gè)片選引腳和一個(gè)輸出控制引腳，低電平有效時(shí)， 分別選中芯片和允許芯片輸出數(shù)據(jù)。 2764 EPROM 的編程由編程控制引腳以及編程電源 Vpp 控制。在編程時(shí)，對(duì)引腳 加較寬的負(fù)脈沖；在正常讀出時(shí)，引腳應(yīng)該無(wú)效。 Intel 2764 有 8 種工作方式，前 4

40、 種為正常狀態(tài)，要求 Vpp 接5V；后 4 種為 編程狀態(tài)，要求 Vpp 接25V 作為編程高電壓。新型 EPROM 芯片已經(jīng)沒(méi)有 Vpp 引腳，但編程仍然需要高電壓，這種芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)有電壓提升電路。 3.前向通道設(shè)計(jì)前向通道設(shè)計(jì) 3.1 溫度檢測(cè)電路溫度檢測(cè)電路 DS18B20 最大的特點(diǎn)是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，DS18B20 的數(shù)據(jù)I/O 均由 同一條線來(lái)完成。DS18B20 的電源供電方式有2 種: 外部供電方式和寄生電源 方式。工作于寄生電源方式時(shí), VDD 和GND 均接地, 他在需要遠(yuǎn)程溫度探測(cè)和 空間受限的場(chǎng)合特別有用, 原理是當(dāng)1 W ire 總線的信號(hào)線DQ 為高電平時(shí), 竊

41、 取信號(hào)能量給DS18B20 供電, 同時(shí)一部分能量給內(nèi)部電容充電, 當(dāng)DQ為低電平 時(shí)釋放能量為DS18B20 供電。但寄生電源方式需要強(qiáng)上拉電路, 軟件控制變得 復(fù)雜(特別是在完成溫度轉(zhuǎn)換和拷貝數(shù)據(jù)到E2PROM 時(shí)) , 同時(shí)芯片的性能也有 所降低。因此, 在條件允許的場(chǎng)合, 盡量采用外供電方式。無(wú)論是內(nèi)部寄生電源 還是外部供電，I/O口線要接5K左右的上拉電。在這里采用前者方式供電。 DS18B20與芯片連接電路如圖所示： DS18B20與單片機(jī)的連接 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(jiǎn)單，可以開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)

42、。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。由于DS18B20 只有一根數(shù)據(jù)線， 因此它和主機(jī)（單片機(jī)）通信是需要串行通信，而AT89S51 有兩個(gè)串行端口， 所以可以不用軟件來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)單線接口訪問(wèn)DC18B20 必須遵循如下協(xié)議： 初始化、ROM 操作命令、存儲(chǔ)器操命令和控制操作。 3.23.2電源輸入部分電路電源輸入部分電路 控制系統(tǒng)主控制部分電源需要用5V直流電源供電，其電路如圖5.1所示，把 頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定的5V直流電壓。其 主要原理是把單相交流電經(jīng)

43、 過(guò)電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn) 換成穩(wěn)定的直流電壓。 由于輸入電壓為電網(wǎng)電壓，一般情況下所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的 有效值相差較大，因而電源變壓器的作用顯現(xiàn)出來(lái)起到降壓作用。降壓后還是 交流電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。由于經(jīng)整流電路整 流后的電壓含有較大的交流分量，會(huì)影響到負(fù)載電路的正常工作。需通過(guò)低通 濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受 電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得穩(wěn)定性足夠高的直流電壓。本 電路使用集成穩(wěn)壓芯片7805解決了電源穩(wěn)壓?jiǎn)栴}。 D1 T1 220uF C5 220uF C8 0.1uF C6

44、 0.1uF C7 7805 1 2 3 出220V 出出5V出出出出 5V 470 R3 Res2 D2 VCC 出出出出 圖 3.8 電源部分連線圖 4.后向通道設(shè)計(jì)及人機(jī)通道設(shè)計(jì)后向通道設(shè)計(jì)及人機(jī)通道設(shè)計(jì) 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)在從前向通道接受信息、作出處理之后，通常 還需要通過(guò)前向通道對(duì)控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)控制操作，因此，在這樣的系統(tǒng)中要有后 向通道。后向通道時(shí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)算處理后，對(duì)控制對(duì)象的輸出通道接口 和對(duì)控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)控制操作的輸出通道，它的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)和控制對(duì)象與任務(wù)密 切相關(guān)。 4.1 后向通道設(shè)計(jì)后向通道設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)后向通道采用功率驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，

45、是數(shù)碼管能夠準(zhǔn)確顯示。此驅(qū)動(dòng)電路由四個(gè)三極管和四個(gè)定值電阻工程，根據(jù) 三極管的放大功能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的功率驅(qū)動(dòng) 4.1.1 顯示電路顯示電路 4.1.1.1 LED 顯示器的結(jié)構(gòu)顯示器的結(jié)構(gòu) 顯示電路采用了 7 段共陰數(shù)碼管掃描電路，節(jié)約了單片機(jī)的輸出端口，便 于程序的編寫(xiě)。常用的 LED 顯示器為 8 段。每段對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管。這種顯 示器有共陽(yáng)極和共陰極兩種。共陰極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一 起，通常吃公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管 點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽(yáng)極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陰極接低電 平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮相應(yīng)的段被顯示。本

46、設(shè)計(jì)采用共陽(yáng)極，如下圖 顯示電路圖 4.1.1.2 LED 顯示器的工作原理顯示器的工作原理 由 N 個(gè) LED 顯示塊可以拼接成 N 位的 LED 顯示器。 N 個(gè) LED 顯示塊有 N 根位選線和 8*N 根段碼線。段碼線控制顯示字符的 字型，而位選線為各個(gè) LED 顯示塊中的隔斷的公共端，它控制該 LED 顯示為 的亮或者暗。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式，本次設(shè)計(jì)主要采用動(dòng)態(tài) 顯示方式： LED 顯示時(shí)，將所有位的段碼線并聯(lián)在一起，有一個(gè) 8 位 I/O 口控制，而各 位的共陽(yáng)極或共陰極由相應(yīng)的 I/O 線控制，形成各位的分時(shí)選通。上圖中為一 個(gè) 4 位 8 段 LE

47、D 動(dòng)態(tài)顯示器電路。其中段碼線占用一個(gè) 8 位的 I/O 口，二為選 為占用一個(gè) 4 位 I/O 口。由于各位的段碼線并聯(lián)，8 位的 I/O 口輸出的段碼對(duì)各 個(gè)顯示位來(lái)說(shuō)都是相同的。因此，在同一時(shí)刻，如果各位的位選線都處于選通 狀態(tài)的話，4 位 LED 將顯示相同的字符。若要各位 LED 能夠同時(shí)顯示出于本 位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用動(dòng)態(tài)顯示方式，即在某一時(shí)刻，只讓某一位的 位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段碼線上輸 出相應(yīng)位要顯示的支付的段碼。這樣，在同一時(shí)刻，4 位 LED 中只有選通的哪 一位顯示出字符，而其他三位則是熄滅的。同樣，在下一時(shí)刻，只讓下一位的

48、位選線處于選通狀態(tài)，二其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，在段碼線上輸出將 要顯示字符的段碼，則同一時(shí)刻，只有選通位顯示出相應(yīng)的字符，而其他各位 則是熄滅的。如此循環(huán)下去，就可以使各位顯示出將要顯示的字符。雖然這些 字符時(shí)在不同時(shí)刻出現(xiàn)的，而在同一時(shí)刻，就只有一位顯示，其他各位則是熄 滅的。如此循環(huán)下去，就可以使各位顯示出將要顯示的字符。雖然這些字符是 在不同時(shí)刻出現(xiàn)的，而在同一時(shí)刻，就只有一位顯示，其他各位熄滅，但是由 于 LED 顯示器的余暉和人眼的“視覺(jué)暫留”作用，只要每位顯示間隔足夠短， 則可以造成多位同時(shí)亮的假象，達(dá)到同時(shí)顯示的效果。 4.1.1.3 LED 顯示設(shè)計(jì)方案顯示設(shè)計(jì)方案 本方

49、案采用 LED 共陽(yáng)極動(dòng)態(tài)顯示原理，共使用了四個(gè)數(shù)碼管顯示，這樣對(duì) CPU 本身的影響很小，同時(shí)節(jié)省了器件。因?yàn)橛貌坏?dp 顯示，所以只用了 abcdefg 這 7 條線路與芯片的 P1.0P1.6 口相連，同時(shí)四個(gè)數(shù)碼管分別由芯片的 P3.0P3.3 口進(jìn)行控制，已達(dá)到顯示效果。在芯片工作時(shí)，P1.0P1.6 口輸出顯 示數(shù)據(jù)，P3.0P3.3 口分別控制四位數(shù)碼管的顯示時(shí)序。 4.24.2 鍵盤(pán)鍵盤(pán) 鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式一般有兩種：獨(dú)立式鍵盤(pán)與矩陣式（行列式）鍵盤(pán)。 獨(dú)立式鍵盤(pán)的電路配置靈活，軟件簡(jiǎn)單。但每個(gè)按鍵要占用一根 I/O 接口 線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O 接口線浪費(fèi)很大，故本次課程

50、設(shè)計(jì)選用矩陣式鍵盤(pán)。 矩陣式鍵盤(pán)又叫行列式鍵盤(pán)。用 I/O 接口線組成行、列結(jié)構(gòu)，鍵位設(shè)置在 行、列的交點(diǎn)上。例如 4*4 的行、列結(jié)構(gòu)可組成 16 個(gè)鍵的鍵盤(pán)，比一個(gè)鍵位用 一根 I/O 接口線的獨(dú)立式鍵盤(pán)少了一半的 I/O 接口線。而且鍵位越多，情況越 明顯。因此，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，往往采用矩陣式鍵盤(pán)。 矩陣式鍵盤(pán)的連接方法有多種，可直接連接于單片機(jī)的 I/O 接口線；可利 用擴(kuò)展的并行 I/O 接口連接；也可利用可編程的鍵盤(pán)、顯示接口芯片進(jìn)行連接 等。按鍵設(shè)置在行、列線的交點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。行 線通過(guò)上拉電阻接+5V，平時(shí)沒(méi)有鍵位按下時(shí)，被鉗位在高電平狀態(tài)。 矩陣式

51、鍵盤(pán)的按鈕識(shí)別辦法矩陣式鍵盤(pán)的按鈕識(shí)別辦法 （1）判斷鍵盤(pán)中有無(wú)鍵按下：將全部列線 Y0-Y3 置“0” ，然后檢測(cè)行線的狀 態(tài)。只要有一行的電平為“0” ，則表示鍵盤(pán)中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于 低電平線與 4 根行線相交叉的 4 個(gè)按鈕之中。若所有列線均為“1” ，則鍵盤(pán)中 無(wú)鍵按下。 （2）判斷閉合鍵所在的位置：在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具 體閉合鍵的過(guò)程。其辦法是：依次將列線 Y0-Y3 置為“0” ，即在置某根列線為 低電平時(shí)，其它線為高電平。在確定某根列線位置為低電平后，再逐行檢測(cè)各 行線的電平狀態(tài)。若某行為低，則該行線與置為低電平的列線交叉處的按鈕就 是閉合的按鈕。 4.3

52、4.3 溫度報(bào)警電路溫度報(bào)警電路 本設(shè)計(jì)采軟件處理報(bào)警，利用有源蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警輸出，采用直流供電。 當(dāng)所測(cè)溫度超過(guò)獲低于所預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，數(shù)據(jù)口相應(yīng)拉高電平，報(bào)警輸出。 （也可采用發(fā)光二級(jí)管報(bào)警電路，如果需要報(bào)警，則只需將相應(yīng)位置1，當(dāng)參數(shù) 判斷完畢后，再看報(bào)警模型單元ALARM 的內(nèi)容是否與預(yù)設(shè)一樣，如不一樣，則 發(fā)光報(bào)警）報(bào)警電路硬件連接下圖。 蜂鳴器電路連接圖 4.4 復(fù)位電路復(fù)位電路 本設(shè)計(jì)中采用按鍵與芯片的 RST 端連接，并與+5V 電源相連，當(dāng)按鍵被按 下時(shí)，可以對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)位。 復(fù)位電路圖 5.5.抗干擾措施抗干擾措施 隨著單片微機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)其可靠性要求也越

53、來(lái)越 高。單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性由多種因素決定，其中系統(tǒng)抗干擾性能是可靠性的重 要指標(biāo)。 形成干擾的基本要素有三個(gè) ： （1）干擾源，指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述如下： du/dt ， di/dt 大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高 頻時(shí)鐘等都可 能成為干擾源。 （2）傳播路徑，指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干 擾傳 播路徑是通過(guò)導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。 （3）敏感器件，指容易被干擾的對(duì)象。如： A/D 、 D/A 變換器，單片 機(jī)等。 5.1 干擾產(chǎn)生的后果：干擾產(chǎn)生的后果： (1)數(shù)據(jù)采集誤差的加大。當(dāng)干擾侵入單片機(jī)系統(tǒng)的前向通道疊加在信號(hào)

54、上，會(huì) 使數(shù)據(jù)采集誤差增大。 (2)程序運(yùn)行失常。干擾的加入使輸出誤差加大，造成邏輯狀態(tài)改變，導(dǎo)致控制 失常；造成程序計(jì)數(shù)器 PC 值的改變，破壞程序正常運(yùn)行。 (3)系統(tǒng)被控對(duì)象誤操作。單片機(jī)內(nèi)部程序指針錯(cuò)亂，運(yùn)行了錯(cuò)誤的程序； RAM 中的某些數(shù)據(jù)出錯(cuò)，使程序計(jì)算出錯(cuò)誤的結(jié)果；中斷誤觸發(fā)，使系統(tǒng)進(jìn) 行錯(cuò)誤的中斷處理。 (4)定時(shí)不準(zhǔn)。單片機(jī)內(nèi)部程序指針錯(cuò)亂，使中斷程序運(yùn)行超出定時(shí)時(shí)間； RAM 中計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)被沖亂，使程序計(jì)算出錯(cuò)誤的結(jié)果。 (5)數(shù)據(jù)發(fā)生變化。在干擾的侵入下，RAM 中數(shù)據(jù)有可能發(fā)生改變；雖然 ROM 能避免干擾破壞，但單片機(jī)片內(nèi) RAM 以及片內(nèi)各種特殊功能寄存器等狀態(tài)都

55、有可能受干擾而變化，甚至 EEROM 中的數(shù)據(jù)也可能誤讀寫(xiě)，使程序計(jì)算出錯(cuò) 誤的結(jié)果。 5.2 抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是 ： 抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的 抗干擾性能。 1、按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類(lèi)。 所謂傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和 有用 信號(hào)的頻帶不同，可以通過(guò)在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾 噪聲的傳 播，有時(shí)也可加隔離光耦來(lái)解決。電源噪聲的危害最大， 要特別注意處理。 所謂輻射干擾是指通過(guò)空間輻射傳播到敏感器件的干擾。 一般的解決方法是增 加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽

56、罩。 2、切斷干擾傳播路徑的常用措施如下 ： （1）充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決 了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感 , 要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn) 壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成 形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用 100 電阻代替磁珠。 （2）如果單片機(jī)的 I/O 口用來(lái)控制電機(jī)等噪聲器件，在 I/O 口與噪聲源之 間應(yīng)加隔離（增加 形濾波電路） 。 控制電機(jī)等噪聲器件，在 I/O 口與噪聲 源之間應(yīng)加隔離（增加 形濾波電路） 。 （3）注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)， 晶振外殼接地并

57、固定。此措施可解決許多疑難問(wèn)題。 （4）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源 （如電機(jī)，繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離。 （5）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接 于電源地。 A/D 、 D/A 芯片布線也以此為原則，廠家分配 A/D 、 D/A 芯 片 引腳排列時(shí)已考慮此要求。 （6）單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小相互干擾。 大功率器 件盡可能放在電路板邊緣。 （7）在單片機(jī) I/O 口，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件 如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器，屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。 5.3硬件抗干擾設(shè)計(jì)硬件抗干

58、擾設(shè)計(jì) 1. 選擇抗干擾性能強(qiáng)的CPU 單片機(jī)和單片機(jī)抗干擾能力是不一樣的。單片機(jī)的選擇不光考慮硬件配置、存 儲(chǔ)容量等，更要選擇抗干擾性能較強(qiáng)的單片機(jī)，如果是工作在干擾比較大的環(huán) 境，可以試試選用不同品牌的單片機(jī)。在實(shí)踐的過(guò)程中，覺(jué)得摩托羅拉、AVR 系列的單片機(jī)的抗干擾性能還可以。外時(shí)鐘是高頻的噪聲源，對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)外都 能產(chǎn)生干擾，因此在滿足需要的前提下，選用頻率低的單片機(jī)是明智之舉。 2. 隔離與屏蔽 信號(hào)的隔離目的之一是從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離出來(lái)，使監(jiān)控 裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅保持信號(hào)聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)的 干擾通道切斷，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場(chǎng)干擾的目的。 常用的隔

59、離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離和布線隔離等。對(duì)數(shù)字 信號(hào)的隔離，通常采用光電荊合器，輸人、輸出信號(hào)加光電耦合器隔離，可以 將單片機(jī)部分和前向、后向通道及其它部分切斷電路的聯(lián)系，可有效地防正干 擾進(jìn)人主機(jī)系統(tǒng)對(duì)于模擬信號(hào)。圖1為一種光電耦合隔離電路。 3.接地 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的抗干擾與系統(tǒng)的接地方式有很大關(guān)系，接地技術(shù)往往是抑制 噪音的重要手段。良好的接地可以在很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪音耦合，防止 外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。設(shè)備的金屬外殼等要安全接地；屏 蔽用的導(dǎo)體必須良好接地。為單片機(jī)系統(tǒng)提供良好的地線對(duì)提高系統(tǒng)的抗干擾 能力極為有益。特別是對(duì)有防雷擊要求的系統(tǒng)，良好的接

60、地至關(guān)重要。如果系 統(tǒng)不接地，或雖有地線但接地電阻過(guò)大，則抗干擾元件就不能正常發(fā)揮作用。 單片機(jī)供電的電源的地俗稱(chēng)邏輯地，它們和大地的地的關(guān)系可以相通、浮空、 或接電阻。不能把地線隨便接在暖氣管子上。絕對(duì)不能把接地線與動(dòng)力線的火 線、零線中的零線混淆。單片機(jī)系統(tǒng)通常既有模擬電路又有數(shù)字電路，因此數(shù) 字地與模擬地要分開(kāi)，最后只在一點(diǎn)相連，如果兩者不分，則會(huì)互相干擾。 5.4 軟件的抗干擾設(shè)計(jì)軟件的抗干擾設(shè)計(jì) 1。數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對(duì)策 算術(shù)平均值法。對(duì)一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，然后計(jì)算其平均值，以其平均 值作為該點(diǎn)的結(jié)果，這種方法可減小系統(tǒng)的隨機(jī)干擾對(duì)采集結(jié)果的影響。一般 取 35 次平均即可。