电气工程及其自动化毕业设计（论文）-DS18B20数字温度计的设计.doc

太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院 毕毕业业设设计计说说明明书书 毕业生姓名毕业生姓名： 专业专业 ： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学号学号 ： 指导教师指导教师 ： 所属系（部）所属系（部） ： 信息系信息系 二二一一年六月年六月 i 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院 毕业设计评阅书毕业设计评阅书 题目：题目： ds18b20 数字温度计的设计数字温度计的设计 信息信息 系系 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 专业专业 姓名姓名 设计时间：设计时间：2010 年年 4 月月 5 日日2010 年年 6 月月 11 日日 评阅意见：评阅意见： 成绩：成绩： 指导教师：指导教师： （签字）（签字） 职职 务：务： 201 年年 月月 日日 ii 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院 毕业设计答辩记录卡毕业设计答辩记录卡 信息信息 系系 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 专业专业 姓名姓名 温丽华温丽华 答答 辩辩 内内 容容 问问 题题 摘摘 要要评评 议议 情情 况况 记录员：记录员： （签（签 名）名） 成成 绩绩 评评 定定 指导教师评定成绩指导教师评定成绩答辩组评定成绩答辩组评定成绩综合成绩综合成绩 注：评定成绩为注：评定成绩为 100 分制，指导教师为分制，指导教师为 30%，答辩组为，答辩组为 70%。 专业答辩组组长：专业答辩组组长： （签名）（签名） 201 年年 月月 日日 i 摘摘 要要 本文是一个基于 at89c2051 与 ds18b20 的数字温度计的设计。该温度计的测 温范围在-55+125，误差在0.5以内，最高分辨率可达 0.0625。本系统利 用智能型温度传感器 ds18b20 和 led 数码管方便 准确的判断、测量和显示当前 的温度值。与传统的温度计相比， 它具有使用方便，精度高、量程宽、灵敏度高、 体积小、功耗低、价格低廉等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度 测量。 本设计中各种功能的具体实现主要是从硬件和软件两部分入手。硬件部分：按 照系统设计功能的要求对硬件电路进行模块化设计。其中主控制器 at89c2051 作为 系统的核心处理部分；晶振电路为单片机及整个硬件电路的工作提供统一的工作频 率；复位电路保证了系统可以有固定的初始状态；温度传感器 ds18b20 可将温度信 号直接转换成串行数字信号送给单片机；led 显示电路在视觉上直观地显示软硬件 电路所达到的效果。软件部分：根据系统设计功能的要求，该系统程序主要包括主 程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序和显示数据刷新子 程序等。本设计采用 at89c2051 与 ds18b20 结合实现简单的温度检测系统，该系 统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用 前景。 关键词：关键词：at89c2051，ds18b20，led 数码管 ii abstract this article is a based on at89c2051 digital thermometer and ds18b20 design .the thermometers temperature range -55+125,within error of 0.5,the highest resolution up to 0.0625. the system uses intelligent temperature sensor and led digital tube ds18b20 convenient and accurate judgments, measurement and display the current temperature. compared with the traditional thermometer, it has easy to use, high accuracy, wider range, high sensitivity, small volume, low power consumption, low cost and suitable for in our daily lives and industrial and agricultural production in the temperature measurement. the design of the concrete realization of various functions are mainly of two parts from the hardware and software to start. hardware components: system design features in accordance with the requirements of the modular design of hardware circuits.the master controller at89c2051 treatment as part of the core of the system. crystal oscillator circuit for a microcontroller and the hardware circuit display working to provide a unified the operating frequency; reset circuitry ensures system has a fixed initial state; temperature sensor temperature signal can be directly ds18b20 converted into serial digital signals to the mcu; led display circuit to visually display the results achieved by hardware circuits. software components: system design functions according to the requirements of fhe system program includes the main program, subroutine read temperature,the temperatureconversion command subroutine,calculation and display of temperature data refresh subroutine subprogram. this design uses a combination of simple ds18b20 at89c2051 and the temperature detection system, the system is simple, anti-jamming capability, suitable for harsh environment with field temperature measurements, have wide application. keywords：at89c2051，ds18b20 ，led digital tube iii 目目 录录 摘 要.i abstractii 第一章 绪 论1 第一节 选题的目的和意义.1 第二节 国内外发展情况.1 第三节 本设计所研究的内容.2 第二章 设计方案论证3 第三章 系统硬件电路的设计4 第一节 测温模块的设计.4 一、温度传感器的选择.4 二、ds18b20 的工作原理4 三、ds18b20 与单片机的接口电路8 第二节 控制模块的设计.9 一、控制器的选择.9 二、at89c2051 的主要功能特性9 三、at89c2051 的引脚及其功能10 四、时钟电路的设计.11 五、复位电路的设计.12 第三节 显示模块的设计.15 一、显示器的选择.15 二、led 显示器结构与原理15 三、显示电路的设计.17 第四章 系统软件电路的设计20 第一节 主程序的设计.20 第二节 读出温度子程序的设计.20 第三节 温度转换命令子程序的设计.21 第四节 计算温度子程序的设计.21 第五节 显示数据刷新子程序设计.22 第六节 ds18b20 的各条 rom 命令.22 第七节 温度数据的计算处理方法.24 第五章 调试及性能分析25 总结与展望26 参考文献27 附 录 数字温度计设计原理图28 附 录 单片机汇编源程序清单29 外文资料41 中文译文49 致 谢56 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 1 第一章第一章绪绪 论论 第一节第一节选题的目的和意义选题的目的和意义 随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有 了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础 的发展水平。在三大信息的信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和 信息处理（计算机技术）中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传 感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域， 人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业 生产中也离不开温度的测量，因此研究数字温度的测量方法和装置具有重要的意义。 第二节第二节 国内外发展情况国内外发展情况 随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所 给人带来的方便也是不可否定的。其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对 它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需 要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 目前的智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的， 它是微电子技术、计算机技术和自动检测技术（ate）的结晶。特点是能输出温度 数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（mcu）。社会的发展使人们对传感 器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字 式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标 准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片机测温系统等 高科技的方向迅速发展，本文将介绍智能集成温度传感器ds18b20的结构特征及测 温原理，并对以此为传感器、at89c2051单片机为控制器构成的数字温度测量装置 的工作原理及程序设计做了详细的介绍。与传统的温度计相比，其读数方便，测温 范围广，测温准确，输出温度采用数字显示，主要用于对测温要求比较准确的场所， 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 2 或科研实验室使用。该设计控制器使用atmel公司的at89c2051单片机，测温传感 器使用dallas公司ds18b20，用led显示器来实现温度显示。 数字温度计的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段： 1传统的分立式温度传感器 2模拟集成温度传感器 3智能集成温度传感器 第三节第三节 本设计所研究的内容本设计所研究的内容 本设计主要研究一个基于at89c2051的数字温度计的测温系统。其中提出并确 定了设计的总体方案，另外对系统硬件电路中主控制器、测温电路和显示电路的设 计进行详细的分析和设计，重点对温度传感器的工作原理，温度传感器在单片机下 的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也一 一进行了介绍。 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 3 第二章第二章 设计方案论证设计方案论证 在日常生活及工农业生产中，经常要用到温度的检测及控制，传统的测温元件 有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度， 需要比较多的外部硬件支持。其缺点如下： 硬件电路复杂； 硬件调试复杂； 制作成本高。 本数字温度计的设计采用美国 dallas 半导体公司继 ds18b20 之后推出的一 种改进型智能温度传感器 ds18b20 作为检测元件，测温范围为-55125，最 高分辨率可达 0.0625。 ds18b20 可以直接读出被测温度值，而采用三线制与单片机相连，减少了外部 的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。 按照系统设计功能的要求，确定系统由 3 个模块组成：主控制器、测温电路和 显示器。 数字温度计总体结构框图如图 2-1 所示。 ds18b20 主 控 制 器 显示电路 扫描驱动 图 2-1 数字温度计总体结构框图 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 4 第三章第三章 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计 第一节第一节 测温模块的设计测温模块的设计 一、温度传感器的选择一、温度传感器的选择 在日常生活及工农业生产中，经常要用到温度的检测及控制，传统的测温元件 有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度， 需要比较多的外部硬件支持。其缺点如下： 硬件电路复杂； 硬件调试复杂； 制作成本高。 本数字温度计设计采用美国 dallas 半导体公司继 ds18b20 之后推出的一种 改进型智能温度传感器 ds18b20 作为检测元件，测温范围为-55125，最高 分辨率可达 0.0625。 ds18b20 可以直接读出被测温度值，而采用三线制与单片机相连，减少了外部 的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。 二、二、ds18b20 的工作原理的工作原理 1ds18b20 的性能特点 ds18b20 温度传感器是美国 dallas 半导体公司最新推出的一种改进型智能 温度传感器。与传统的热敏电阻等测温元件相比，他能直接读出被测温度，并且可 根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字读数方式。ds18b20 的性能特点 如下： 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； 多个 ds18b20 可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能； 不需要外部器件； 可通过数据线供电，电压范围为 3.03.5v； 零待机功耗； 温度以 912 位数字量读出； 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 5 用户可定义的非易失性温度报警设置； 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，只是不能正常工 作。 2ds18b20 的内部结构 ds18b20 采用 3 脚 pr-35 封装或 8 脚 soic 封装，其内部结构框图如图 3-1 所 示。 64位rom 和 单线接口 存储器与控制逻辑 高 速 缓 冲 温度传感器 高温触发器th 高温触发器tl 配置寄存器 8位crc发生器 vdd i/o 图 3-1 ds18b20 内部结构框图 64 位 rom 的位结构如图 3-2 所示。开始 8 位是产品类型的编号；接着是每个 器件的唯一的序号，共有 48 位；最后 8 位是前面 56 位的 crc 检验码，这也是多个 ds18b20 可以采用单线进行通信的原因。非易失性温度报警触发器 th 和 tl，可通 过软件写入用户报警上下限数据。 8位检验crc48位序列号8位工厂代码（10h） msblsbmsbmsblsblsb 图 3-2 64 位 rom 结构框图 ds18b20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存 ram 和一个非易失性 的可电擦除的 e2prom。 高速暂存 ram 的结构为 9 字节的存储器，结构如图 3-3 所示。前 2 字节包含测 得的温度信息。第 3 和第 4 字节是 th 和 tl 的拷贝，是易失的，每次上电复位时被 刷新。第 5 字节为配置寄存器，其内容用于确定温度值的数字转换分辨率， ds18b20 工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位 的定义如图 3-4 所示，其中，低 5 位一直为 1，tm 是测试模式位，用于设置 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 6 ds18b20 在工作模式还是测试模式，在 ds18b20 出厂时，该位被设置为 0，用户不 要去改动；r1 和 r0 决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，其定义方法见 表 3-1。 温度 lsb 温度 msb th 用户字节1 tl 用户字节2 配置寄存器 保留 保留 保留 crc 1字节 2字节 3字节 4字节 5字节 6字节 7字节 8字节 9字节 th 用户字节1 tl 用户字节2 e2prom 图 3-3 高速暂存 ram 结构图 tmr1r011111 图 3-4 配置寄存器位定义 表表 3-1 ds18b20 分辨率的定义和规定分辨率的定义和规定 r1r2分辨率/位温度最大转换时间/ms 00993.75 0110187.5 1011375 1112750 由表 3-1 可见，ds18b20 温度转换的时间比较长，而且设定的分辨率越高，所 需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡 考虑。 高速暂存 ram 的第 6、7、8 字节保留未用，表现为全逻辑 1。第 9 字节是前面 所有 8 字节的 crc 码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。 当 ds18b20 接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 7 16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存 ram 的第 1、2 字节中。 单片机可以通过单线接口读出该数据。读数据时，低位在先，高位在后，数据 格式以 0.0625/lsb 形式表示。 温度值格式如图 3-5 所示。 232221202-12-22-32-4 sssss262524 低字节 高字节 图 3-5 温度数据值格式 图中，s 表示符号位。当 s=0 时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进 制位转换为十进制；当 s=1 时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码， 再计算十进制值。表 3-2 是部分温度值对应的二进制温度表示数据。 表表 3-2 ds18b20 温度与表示值对应表温度与表示值对应表 温度/二进制表示 十六进制 表示 温度/二进制表示 十六进制 表示 +1250000 0111 1101 000007d0h00000 0000 0000 00000000h +850000 0101 0101 00000550h-0.51111 1111 1111 1000fff8h +25.06250000 0001 1001 00010191h-10.1251111 1111 0101 1110ff5eh +10.1250000 0000 1010 001000a2h-25.06251111 1110 0110 1111fe6fh +0.50000 0000 0000 10000008h-551111 1100 1001 0000fc90h ds18b20 完成温度转换后，就把测得的温度值与 ram 中的 th、tl 字样的内 容作比较，若 tth 或 ttl，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的 报警搜索命令作出响应。因此，可用多只 ds18b20 同时测量温度并进行报警搜索。 在 64 位 rom 的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（crc）。主机根据 rom 的前 56 位来计算 crc 值，并与存入 ds18b20 的 crc 值作比较，以判断主机 收到的 rom 数据是否正确。 3ds18b20 的测温原理 如图 3-6 所示，图中低温度系统振荡器的振荡频率受温度的影响很小，用于生 产固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1；高温系数振荡器随温度变化其振荡频率 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 8 明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入。 预置 低温度系数振荡器减法计数器1 斜率累加器 计数比较器 预置 温度寄存器 减法计数器2高温度系数振荡器减到0 减到0 停止 增加 图 3-6 ds18b20 测温原理图 图中还隐含着计数门，当计数门打开时，ds18b20 就对低温度系数振荡器产生 的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器 来决定，每次测量前，首先将-55所对应的一个基数分别置入减法计数器 1 和温度 寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。 减法计数器 1 对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计算，当减法计数 器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置值将重新被 装入，并重新开始对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行计数。如此循环，直到 减法计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就 是所测温度值。图 3-6 中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线形性，其 输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直到温 度寄存器值达到被测温度值。 另外，由于 ds18b20 单线通信功能是分时完成的，有严格的时隙概念，因此读 /写时序很重要。系统对 ds18b20 的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始 化 ds18b20（发复位脉冲）发 rom 功能命令发存储器操作命令处理数据。 三、三、ds18b20 与单片机的接口电路与单片机的接口电路 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 9 ds18b20 可以采用两种方式供电：一种是采用电源供电方式，此时 ds18b20 的第 1 脚接地，第 2 脚作为信号线，第 3 脚接电源；另一种是寄生电源供电方式， 如图 3-7 所示。单片机端口接单线总线，为保证在有效的 ds18b20 时钟周期内提供 足够的电流，可用一个 mosfet 管来完成对总线的上拉。 单 片 机 vcc 4.7k vcc ds18b20 ds18b20 ds18b20 图 3-7 ds18b20 采用寄生电源的电路图 当 ds18b20 处于写存储器操作和温度 a/d 转换操作时，总线上必须有强的上 拉，上拉开启时间最长为 500ms。采用寄生电源供电方式时，vdd 和 gnd 端均接 地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。 第二节第二节 控制模块的设计控制模块的设计 一、控制器的选择一、控制器的选择 根据单片机的系统适用性、可开发性和制造商历史及可购买性的三大选型原则， 本设计采用 at89c2051 单片机以保证系统具有高可靠性、高使用寿命及可升级换代 性。 二、二、at89c2051 的主要功能特性的主要功能特性 at89c2051 是 atmel 公司生产的带 2k 字节闪速可编程、可擦除只读存储器 （eeprom）的 8 位单片机,它具有如下主要特性： 和 inter mcs-51 系列单片机兼容 ； 耐久性高，1000 次写/擦除； 2.7v6v 的操作范围； 全静态操作，024mhz； 两级加密程序存储器； 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 10 1288 位内部 ram； 15 根可编程 i/o 引线； 两个 16 位定时器/计数器； 5 个中断源； 可编程串行通用异步接受发送器 uart； 直接 led 驱动输出； 片内模拟比较器； 低功耗空载和掉电方式。 三、三、at89c2051 的引脚及其功能的引脚及其功能 at89c2051 作为 at89c51 的简化版虽然去掉了 p0，p2 等端口，使 i/o 口减少 了，但是却增加了一个电压比较器，因此其功能在某些方面反而有所增强。引脚图 如图 3-8 所示。 rst (rxd)p3.0 (txd)p3.1 xtal2 xtal1 (int0)p3.2 (int1)p3.3 (t0)p3.4 (t1)p3.5 gnd vcc p1.7 p1.6 p1.5 p1.4 p1.3 p1.2 p1.1(ain1) p1.0(ain0) p3.7 3 1 2 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 图 3-8 at89c2051 的引脚结构 引脚功能说明： vcc：电源电压 gnd：接地 p1 口：口：p1 口是一个 8 位准双向 i/o 端口。引脚 p1.2p1.7 提供内部上拉电阻。 p1.0 和 p1.1 要求外部提供上拉电阻。p1.0 和 p1.1 还可分别作为片内精密模拟 比较器的同相输入（ain0）端和反相输入（ain1）端。p1 口输出缓冲器可吸收 20ma 电流，并能直接驱动 led 显示。当 p1 口引脚写入“1”时,其可用作输入端。 当引脚 p1.2p1.7 用作输入端并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流。 p1 口还在闪速和程序校验期间接受代码数据。 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 11 p3 口：口：p3 口的 p3.0p3.5、p3.7 是带有内部上拉电阻的 7 个双向 i/0 引脚。 p3.6 用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用 i/o 引脚而不可访问。 p3 口缓冲器可吸收 20ma 电流。当 p3 口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高 并可用作输入端。在用作输入端时,被外部拉低的 p3 口引脚将会在上拉电阻的作用 下输出电流。 p3 口还用于实现 at89c2051 的各种功能，如下表 3-3 所示。 p3 口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 rst：复位输入。rst 一旦变成高电平,所有的 i/o 端口就复位到“1”。当振荡 器正在运行时,持续给 rst 引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每机器周期需 12 个振荡周期或时钟周期。 xtal1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。 xtal2：作为振荡器反相放大器的输出。 表表 3-3 p3 口的功能口的功能 p3 口引脚功能 p3.0rxd（串行输入端口） p3.1txd （串行输出端口） p3.2（外部中断 0）0 p3.3（外部中断 1）1 p3.4t0（定时器 0 外部中断） p3.5t1（定时器 1 外部中断） 从上述引脚说明可看出，at89c2051 没有提供外部扩展存储器与 i/o 设备所需 的地址、数据、控制信号，因此利用 at89c2051 构成的单片机应用系统不能在其之 外扩展存储器或 i/o 设备，也即 at89c2051 本身即构成了最小单片机系统。 四、时钟电路的设计四、时钟电路的设计 时钟电路对单片机而言是必需的。由于单片机内部是有各种各样的数字电路逻 辑器件（如触发器、继电器、存储器等）构成，这些数字器件的工作必须按时间顺 序完成，这种时间顺序就成为时序。时钟电路就是提供单片机内部各种操作的时间 基准的电路，时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基 准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 12 路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内 部时钟方式，另一种为外部时钟方式。 本文采用的是内部时钟方式。由 12mhz 晶振与两个 30pf 的电容构成的时钟电 路作为整个时钟计时器的时间基准，在此值得一提的是所选晶振的频率必须与程序 中所引用的时间基准频率相致，这样才能保证时钟计时器的准确。时钟电路设计如 图 3-9 所示： rst 1 vcc 20 p3.0 2 p1.7 19 p3.1 3 p1.6 18 xtal2 4 p1.5 17 xtal1 5 p1.4 16 p3.2 6 p1.3 15 p3.3 7 p1.2 14 p3.4 8 p1.1 13 p3.5 9 p1.0 12 gnd 10 p3.7 11 at89c2051 30pf 30pf 12mhz 图 3-9 时钟电路 工作原理： 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器 的输入端为芯片引脚 xtal1，输出端为引脚 xtal2。这两个引脚跨接石英晶体振 荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，这就是时钟振荡器。 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 c1、c2 接在放大器的反馈回路中构成并联 振荡电路。对外接电容 c1、c2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻 微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如 果使用石英晶体，我们推荐电容使用 30pf10pf，而如果使用陶瓷谐振器建议选择 40pf10pf。 用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到 xtal1 端，即内 部时钟发生器的输入端，xtal2 则悬空。由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发 器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高 电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。 本设计使用的是 12mhz 的晶振。之所以要用晶振，是为了让它给电路中各信号 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 13 元件提供一个基准频率。就像一群人跳舞，需要有节拍一样，要想跳得成功，就需 要集体配合，这就是节拍的功用。电路也一样，否则电路各部分工作频率不一致， 必然导致电路功能的无法实现。 五、复位电路的设计五、复位电路的设计 at89c2051 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。本设计采用的是 rc 上电复位的方式。 无论使用哪种类型的单片机，总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复 位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系 统，并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机” 、 “程序走飞”等现象，这主要 是单片机的复位电路设计不可靠引起的。 单片机在启动时都需要复位，以使 cpu 及系统各部件处于确定的初始状态，并 从初态开始工作。89 系列单片机的复位信号是从 rst 引脚输入到芯片内的施密特触 发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 rst 引脚上有一个 高电平并维持 2 个机器周期（24 个振荡周期）以上，则 cpu 就可以响应并将系统 复位。 在上电或复位过程中，控制 cpu 的复位状态：这段时间内让 cpu 保持复位状 态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止 cpu 发出错误的指令、执行错误操作， 也可以提高电磁兼容性能。 1单片机系统的复位方式 单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位 (1) 手动按钮复位 手动按钮复位需要人为在复位输入端 rst 上加入高电平，一般采用的办法是在 rst 端和正电源 vcc 之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则 vcc 的+5v 电平就会 直接加到 rst 端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全 能够满足复位的时间要求。 (2) 上电复位 上电复位电路是一种简单的复位电路，只要在 rst 复位引脚接一个电容到 vcc，再接一个电阻到地就可以了。工作原理：上电瞬间 rst 端电位与 vcc 相同， 随着电容上储能增加，电容电压也增大，充电电流减少，rst 端电位逐渐下降，这 样在 rst 端就会建立一个脉冲电压，调节电容与电阻的大小可对脉冲持续的时间进 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 14 行调节。为了保证系统安全可靠的复位，rst 引脚的高电平信号必须维持足够长的 时间。 上电时，vcc 的上升时间约为 10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如 晶振频率为 10mhz，起振时间为 1ms；晶振频率为 1mhz，起振时间则为 10ms。在 图 3-10 的复位电路中，当 vcc 掉电时，必然会使 rst 端电压迅速下降到 0v 以下， 但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复 位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“1”态。如果系统在 上电时得不到有效的复位，则程序计数器 pc 将得不到一个合适的初值，因此， cpu 可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。 +5 10f rst 10k 图 3-10 上电复位 2复位电路的实现方式 复位电路的实现通常有两种方式：即专用 second, we should be able to play the role of pen and paper devices that can remember the original topic raw data and intermediate results, but also remember to enable microcontroller to automate operations and the preparation of various orders. such devices are called “memory.“ in addition, people also need to replace the role of the controller, it can under the pre-given order of the various control signals, so that the whole calculation can be carried out step by step. however, there are three parts of light is not enough, the original data and commands to be input, the calculated results to the output, are required by the order and sometimes need to wait. as example, when calculating the 163 156, the number 36 can not simultaneously enter the calculator. hence the need microcontroller set by the controller in order to move the “door“, when the computing device when necessary, let the new data entry. or, when the computing device the final results, then this results output, and intermediate results can not easily “slipped out“ microcontroller. this kind of input and output data must manage the “gate“ circuit in single called “i“ (port). in the mcu, there are basically three types of information flow, a class of data, that all raw data (as in the example 36,163, etc.), the intermediate results (such as 166 34 4 from the business, the remainder 30, etc) program (the command set) and so on. this external device to be adopted by the “mouth“ into the microcontroller, and then stored in 太原理工大学阳泉学院太原理工大学阳泉学院-毕业设计说明书毕业设计说明书 44 memory, in the computation process, the data read from memory into the computing device for computing, computing intermediate results to be stored in memory, or by the computing device by the last “entrance“ output. users should implement a variety of mcu command (program) has the form of data sent by the memory controller, the controller s (decoded) into a variety of control signals after in order to implement such as add, subtract, multiply, in addition to other functions of various orders. therefore, this type of information is called the control command, from the controller to control the operation step by step for computing devices and processing, but also control the memory read (to remove data) and write (stored data). the third type of information is the address information, its role is to tell the operator and controller where to fetch the data access command, where the results stored, by which i input and output information. memory is divided into read-only memory and read-write memory of the former store debugging procedures and good fixed constants, which may change at any time placed some of the data. as the name suggests, once the data into read-only memory, it only can read, can not be changed (eprom, e2prom and other types of rom can be some way to change, write data - editors note). the read-write or read data into memory at any time. in fact, people tend to merge operations and controller as the central processing unit- cpu. scm addition to computing, but also complete control. therefore, counting and timing can not be separated. therefore, set a timer on the microcontroller and the counter, its basic structure and the serialization (2) in a similar example. up to this, we already know the basic components of the microcontroller, which is a single chip central processing unit cpu (operation controller), memory (rom/ram), input/output (divided into parallel and serial port population, expressed as i/o port) and other components. in fact there is also a clock circuit microcontroller to microcontroller during operation and control, all rhythmic manner. in addition, there are the so-called the “interrupt system“, the system of “bureau of information,“ the role of the object when the mcu control parameters reach a certain need for intervention of the state, can after this, “bureau of information“ notification to the cpu, so that cpu according to the priorities of external affairs to take appropriate counter-measures. now, we know the com