毕业设计---MCS-51单片机测温系统的设计.doc

MCS-51 单片机测温系统的设计 I MCS-51MCS-51 单片机测温系统的设计单片机测温系统的设计 内容摘要内容摘要 本设计是以一个保温箱为控制对象，以 AT89C51 为控制系统核心，通过单片机系 统设计实现对保温箱温度的显示和控制功能。本温度控制系统是一个闭环反馈调节系 统，由温度传感器 DS18B20 对保温箱温度进行检测，经过调理电路得到合适的电压信 号。经芯片处理得到偏差信号，通过对偏差信号的处理获应的温度值，将所得的温度 值与设定温得控制信号，利用系统的 I/O 资源去扩展外围电路，通过外接继电器电路， 根据继电器常开常闭的性质，给继电器高低电平来实现继电器的通断。从而实现低温 状态时电热丝加热升温，高温状态时电风扇转动来降温，使得温度始终处于设定的温 度范围内，从而实现对保温箱温度的显示和控制。本文主要介绍了保温箱温度控制系 统的工作原理和设计方法，论文主要由三部分构成。 系统整体方案设计。 系统 硬件设计，主要包括温度检测电路、显示电路、键盘设计和控制电路。 系统软件设 计，软件的设计采用模块化设计，主要包括、显示模块、键盘模块和控制模块等。最 后对整个系统进行联合调试，使系统达到本次的设计要求。 关键词关键词：单片机；传感器；温度检测；继电器 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文（设计） II MCS-51 Microcontroller Temperature Measurement System Design ABSTRACT This design takes a heat preservation box as a control object and the AT89C51 as a control system core. A Single-chip Computer system is designed to carry out the temperature display and control. This heat temperature control system is a closed loop feedback control system. The temperature of the heat preservation box is measured by sensor DS18B20. For DS18B20, a adjust electric circuit is designed to get a suitable electric voltage signal for the transformation. After the transformation, the corresponding temperature digital quantity can be obtains, and is compared with the setting temperature, then a deviation can be obtained. Through processing the deviation, a control signal will be produced, which adjusts the heater the on or off, thus the preservation box temperature control and display is realized. This design introduces the temperature control system principle of work and the design method. The paper mainly includes by three parts: Fristly,the system outline project design.Secondly, hardware design, the hardware design mainly includes the temperature adaptive electric circuit, the circuit, the display circuit, the keyboard design and the control circuit. Thirdly,software design method, the software design uses the modular design, mainly includes the transformation module, the demonstration module, the keyboard module and the control module. Key words：Single-chip Computer; Sensor; Temperature Measurement MCS-51 单片机测温系统的设计 III 目录目录 1 绪论.1 1.1 课题设计背景和目的1 1.2 国内外研究状况和发展趋势1 1.3 温度检测的主要方法.2 1.4 课题设计的主要内容.3 2 系统总体方案设计.4 2.1 系统硬件设计方案.4 2.1.1 芯片选择.5 2.1.2 温度检测.5 2.1.3 键盘输入.5 2.1.4LED 显示5 2.1.5 控制电路.6 2.2 系统软件设计方案.6 3 系统硬件设计.7 3.1 主板电路.7 3.2 中央处理器7 3.2.1 AT89C51 简介8 3.2.2 管脚说明8 3.2.4 芯片擦除11 3.2.5 复位电路的设计12 3.3 温度传感器 DS18B2012 3.4 LED 显示.14 3.5 键盘接口17 3.6 控制电路18 4 系统软件设计.20 4.1 显示子程序21 4.2 控制子程序.21 4.3 键盘子程序22 5 结论.24 参考文献.25 致谢.26 附录 A27 附录 B28 附录 C43 MCS-51 单片机测温系统的设计 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题设计背景和目课题设计背景和目的的 在现代化的工业生产中电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用 的主要被控参数。温度作为一个基本物理量，它是一个与人们的生活环境、生产活动 密切相关的重要物理量。在现代化的工业生产过程中温度作为一种常用的主要被控参 数，在很多生产过程中我们需要对温度参数进行检测。例如：在冶金工业、化工生产、 电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、 热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测。采用单片机来对温度进行控制，不仅具 有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标， 从而能够大大提高产品的质量和数量。 因此单片机对温度的控制问题是一个工业生产 中经常会遇到的问题。 本次设计采用 MCS-51 系列单片机与各种外围电路构成单片机温度自动检测和控制 系统，实现对温度的实时检测和控制。通过本次设计掌握温度检测控制系统的硬件设 计方法和软件编写方法。熟悉 Protel 软件的使用方法。通过课题的研究进一步巩固所 学的知识，同时学习课程以外的相关知识，培养综合应用知识的能力。锻炼动手能力 与实际工作能力，将所学的理论与实践结合起来。 1.21.2 国内外研究状况和发展趋势国内外研究状况和发展趋势 随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步。温度测量系统主 要由两部分组成，一部分是传感器，它将温度信号转换为电信号。另一部分是电子装 置，它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。对应于不 同的温度段及测量精度要求，测温装置也不尽相同，从传感器方面看，己出现有各种 金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器，也有红外传感器。仪器本身也趋 向小型化，多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。对于测点较多，并具有报警、 巡测、控制等多功能测温装置，一般采用单片机电路。目前的温度检测技术原理很多， 大致包括以下几种:(1)物体热胀冷缩原理(2)热电效应(3)热阻效应(4)利热辐射原理。 传统的温度传感器(如,热电偶、铂电阻、双金属开关等)虽然有着各自不可替代的 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文（设计） 2 优点,但由于自身因自热效应影响了测量精度,从而制约了它们在微型化高端电子产品 中的应用。与之相比较,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数 小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流还是频率输出,在相当 大的温度范围内( - 55150 )都与温度成线性关系,适合在集成电路系统中应用。 目前,半导体温度传感器工作的温度范围还限于- 50150 。未来主要的研究方向将 是如何扩大它的温度适用范围,以及智能化、网络化等方面。 近年来，在温度检测技术领域中，多种新的检测原理与技术的开发应用己取得了 具有实用性的重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化，主要包括以下 几种。(1)晶体管温度检测元件(2)集成电路温度检测元件(3)核磁共振温度检测器(4) 热噪声温度检测器(5)石英晶体温度检测器(6)光纤温度检测器(7)激光温度检测器。 目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器 来实现的。测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过 温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进 行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数 有: 膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产 的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有 以下几种: 热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感 器测温仪。 1.31.3 温度检测的主要方法温度检测的主要方法 温度的测量方法多采用集成的半导体模拟温度传感器，传感器输出的电压或电流 与温度在一定范围呈线性关系。通过放大，采样得到被测量。另一种温度测量方法是 使用热电偶，其测量精度较高，但测试过程复杂，测量时间长，而且采用电桥测量的 系统抗干扰能力较差，误差较大。随着集成电路技术的迅速发展，新型的数字化温度 传感器其精度、稳定性、可靠性及抗干扰能力都优于模拟的温度传感器。数字温度传 感器也越来越的到广泛的应用。 温度检测的方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分为接触式与非接触式 两大类。接触式检测的方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪 表；基于热电效应的热电偶温度检测仪表。非接触式检测方法是利用物体的热辐射特 性与温度之间的对应关系，对物体的温度进行检测，主要有亮度法、全辐射法和比色 MCS-51 单片机测温系统的设计 3 法等。接触式测温是使测温敏感元件与被测介质接触，当被测介质与感温元件达到热 平衡时，感温元件与被测介质的温度相等。这类传感器结构简单、性能可靠、精度高、 稳定性好、价格低、应用十分广泛，因此，本方案采用接触式测温法，选用相关类型 的传感器。 由单片机组成的温度测控系统,通过在单片机外部添加各种接口电路，可构成单片 机最小系统，用以实现对温度控制对象的温度的显示和控制。同时也能根据实际情况 实现多路巡回检测、数据处理、报警及记录,对各个参数以一定的周期进行检查和测量,检 测的结果经计算机处理后再进行显示、打印和报警,以提醒操作人员注意或直接用于生 产控制。 1.4 课题设计的主要内容 本温度控制系统是一个闭环反馈控制系统，它用温度传感器将检测到的温度信号 经放大，送入单片机中进行数据处理并显示当前温度值，用当前温度值与设定温度值 进行比较。根据比较的结果得到控制信号用以控制继电器的通断，实现对加热器的控 制。通过这种控制方式实现对保温箱的温度控制。本课题设计的内容主要包括硬件设 计和软件设计两部分。系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成主 机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行等电路的设计。软件程序编写主要 用来实现对温度的检测、标度转换、LED 显示、继电器控制等数据处理功能。 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文（设计） 4 2 系统总体方案设计 本次设计采用 MCS-51 单片机作为控制芯片，采用半导体集成温度传感器 DS18B20 采集温度信号。通过温度传感器将采集的温度信号转换成与之相对应的电信号，将模 拟信号转换成数字信号送入到控制芯片进行数据处理。通过在芯片外围添加显示、控 制等外围电路来实现对保温箱温度的实时检测和控制功能。 本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成传感器信号的采集 处理,信息的显示等;软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控制等功能。系 统结构框图如图 2.1 所示： 图 2.1 系统结构框图 2.12.1 系统硬件设计方案系统硬件设计方案 单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系 统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、设计合适的 接口电路等。系统设计应本着以下原则： (1) 尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。本设计采用了典型的显示电路、 A/D 转化电路，为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 (2) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。软件能实现的功能尽可能由软件实现， 以简化硬件结构。由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用 CPU 时间。由于本设计的响应时间要求不高，所以有一些功能可以用软件编程实现，如键 主 控 制 器 LED 显 示温 度 传 感 器 单片机复位 时钟振荡 报警点按键调整 MCS-51 单片机测温系统的设计 5 盘的去抖动问题。 (3) 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。系统中所有芯片都应尽可能选择低 功耗产品。 本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分，从功能模块上来分有主机电路、 数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。系统硬件包括：温度传感器、信号调 理电路、MCS-51 单片机、键盘输入、LED 温度显示器、温度控制电路。 2.1.12.1.1 芯片选择芯片选择 单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微 型计算机，简称单片机。单片机以其较高的性能价格比受到了人们的重视和关注。它 的优点就是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、 灵活性好、开发较为容易。单片机根据其基本操作处理的位数可分为 4、8、16、32 位 单片机，应用最为广泛的是八位单片机。根据本次设计的实际情况和要求，在本次设 计中采用 AT89C51 作为系统的控制芯片。AT89C51 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 4K 的系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存 储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器 在系统可编程，亦适于常规编程器。 2.1.22.1.2 温度检测温度检测 本课题设计的温度控制范围为 25-80 摄氏度，温度传感器采用半导体集成温度传 感器 DS18B20，它具有较高的精度和重复性，不需辅助电源，线性好，使用方便，便 于微机系统测控。被测温度信号为一路由 DS18B20 测得的代表温度的电压信号，经温 度调理电路放大后使其在 0-5V 范围内，使其适合的输入电压范围。 2.1.32.1.3 键盘输入键盘输入 键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘，键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码 器实现，并产生键编号和键值的称为编码式键盘；靠软件识别的为非编码式键盘。在 单片机组成的测控系统中，用得最多的是非编码键盘。在这里采用的就是非编码式键 盘。键盘的连接方式采用独立连接式，这种连接方式能够简化程序的编写。 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文（设计） 6 2.1.4LED2.1.4LED 显示显示 在单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器（LED）和液晶显示 器（LCD） 。采用 LED 作为系统的数据显示器具有价格低、性能稳定和响应速度快等 特点。LED 显示方式有静态显示、动态显示和串口显示。为了节省系统本身的硬件资 源，在这里 LED 的显示方式采用串行静态显示方式。利用串口可以工作在移位寄存器 方式，驱动 LED 静态显示。这样就可以充分的利用并行口，并将并行口用到最需要的 地方去，同时主程序不需要扫描显示器，使它有更多的时间处理其他事情。这种显示 方法用于显示位数少、显示亮度大的地方能够达到很好的显示效果。 2.1.52.1.5 控制电路控制电路 控制电路作为单片机系统的后向通道，他是将单片机处理后的数字控制信号用输 出口输出，并将该数字信号用于对控制对象的控制。由于单片机的输出信号电平很低， 无法直接驱动外围设备进行工作，因此在单片机的后向通道中需要外围设备的驱动、 信号电平的转换以及隔离放大等技术。本次设计采用继电器作为控制电路的主要器件， 通过继电器可以实现直流信号控制交流负载的功能，从而实现单片机系统的控制功能。 2.22.2 系统软件设计方案系统软件设计方案 系统的软件设计采用模块化设计，采用模块化设计可以简化系统软件的编写，使 软件编写思路更加简单明了。系统软件主要由三大模块组成：主程序模块、功能实现 模块和运算控制模块。主程序模块用于实现各个子程序间的跳转。功能实现模块主要 由键盘处理子程序、显示子程序、继电器控制程序等部分组成。运算控制模块涉及标 度转换子程序等。 MCS-51 单片机测温系统的设计 7 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 主板电路主板电路 系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整 电路，单片机主板电路等，如图 3.1 所示。三个独立式按键可以分别调整温度计的上 下限报警设置，同时 LED 数码管将被测温度值显示，这时可以调整报警上下限，从而 测出被测的温度值。按健复位电路是上电复位加手动复位，使用比较方便，在程序跑 飞时，可以手动复位，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。显示电路是 使用的串口显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，只用 p3 口的 RXD,和 TXD,串口的发送和接收，四只数码管采用 74LS164 右移寄存器驱动，显示比较清晰。 图 3.1 主板电路 3.23.2 中央处理器中央处理器 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文（设计） 8 MCS-51 系列单片机是 8 位增强型，其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外 部并行总线和具有多级识别功能的串行通讯接口（UART） ，规范了功能单元的 SFR 控 制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统。属于这类单片机的芯片有许多 种，如 8051、8031、80C51 等等。由于单片机具有较高的性能比，国内 MCS-51 系列 单片机应用最广，易于开发、使用灵活、而且体积小、易于开发、抗干扰能力强，可 以工作于各种恶劣的条件下，工作稳定等特点。本设计本着实用性和适用性的要求， 选择 AT89C51 单片机作为中央处理器。 3.2.13.2.1 AT89C51AT89C51 简介简介 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的具有低电压，高性能 CMOS 的 8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造 技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多 嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图 3.2 为 AT89C51 的内部结构 框图。 图 3.2 AT89C51 的内部结构框图 AT89C51 单片机与 MCS-51 系列单片机兼容, AT89C51 内部有 4K 字节可编程闪烁 存储器, 128*8 位内部 RAM,两个 16 位定时器/计数器, 5 个中断源, 32 可编程 I/O 线及串 行通道。闪烁存储器是一种可编程又可擦除只读存储器（EEPROM） ，给用户设计单片 机系统和单片机系统带来很大的方便，深受广大用户的欢迎。AT89C51 有片内振荡器 和时钟电路 ,具有低功耗的闲置和掉电模式,在空闲方式下，CPU 停止工作，但允许内 部 RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。在掉电方式下，能保存 RAM MCS-51 单片机测温系统的设计 9 的内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其他部件工作。还具有三级程序存储器锁定, 全静态工作频率 0Hz-24Hz, 数据保留时间可长达 10 年。 3.2.23.2.2 管脚说明管脚说明 如图 3.3 为 AT89C51 引脚图,各引脚功能说明如下: 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:21-May-2007Sheet of File:E:业业业业业业业业业业业MyDesign.ddbDrawn By: EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE /P 30 TXD 11 RXD 10 U? 8051 图 3.3 AT89C51 引脚图 (1) VCC: 电源。 (2) GND: 地。 (3) P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数 据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉 电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。 程序校验时，需要外部上拉电阻。 (4) P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 输出缓冲器 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可 以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输 出电流（IIL） 。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入 （P1.0/T2）和时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX） 。 (5) P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文（设计） 10 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可 以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输 出电流（IIL） 。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉 发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器 的内容。在 flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 (6) P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，对 P3 端口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被 外部拉低的引脚。 内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。P3 口亦作为 AT89C51 特殊功能（第二功能） 使用，如表 3-1 所示。 表表 3-13-1 AT89C51AT89C51 引脚号第二功能引脚号第二功能 P3.0 RXD（串行输入） P3.1 TXD（串行输出） P3.2 INT0（外部中断 0） P3.3 INT0（外部中断 0） P3.4 T0（定时器 0 外部输入） P3.5 T1（定时器 1 外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通） (7) RST: 复位输入，晶振工作时，RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复 位。看门狗计时完成后，RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。 (8) ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般 情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使 用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。如果需要， 通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置“1” ，ALE 操作将无效。这一位置“1” ，ALE 仅在 执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位） 的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 (9) PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当 MCS-51 单片机测温系统的设计 11 AT89C51 从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN 在每个机器周期被激活两次，而在 访问外部数据存储器时，PSEN 将不被激活。 (10) EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程 序存储器读取指令，EA 必须接 GND。为了执行内部程序指令，EA 应该接 VCC。在 flash 编程期间，EA 也接收 12 伏 VPP 电压。 (11) XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 (12) XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 3.2.33.2.3 特殊功能存储器特殊功能存储器 在单片机内高 128B RAM 中，由有 21 个特殊功能寄存器（AFR），它们离散的分 布在 80H-FFH 的 RAM 空间中，访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。表 3-2 为 AT89C51 单片机特殊功能寄存器及其相应地址。 表表 3-23-2 专用寄存器名称，功能及对应的专用寄存器名称，功能及对应的 RAMRAM 地址地址 名称简单描述地址 ACC累加器（专门用于存储算术和逻辑运算的结果）0E0H BB 寄存器（专门用于乘/除法运算）0F0H PSW程序状态寄存器0D0H SP推栈指针寄存器81H DPTR16 位数据指针寄存器。CPU 访问外部 RAM 时地址指针，由两个 8 位 寄存器 DPH（83H） 、DPL（82H）组成且可单独访问。 P0端口 0 状态寄存器（初始值为 0FFH）80H P1端口 1 状态寄存器（初始值为 0FFH）90H P2端口 2 状态寄存器（初始值为 0FFH）0A0H P3端口 3 状态寄存器（初始值为 0FFH）0B0H IP中断优先级控制寄存器0B8H IE中断允许控制寄存器0A8H TMOD定时器/计数器方式控制寄存器89H TCON定时器/计数器控制寄存器88H TH0定时器/计数器 0 高字节8CH TL0定时器/计数器 0 低字节8AH TH1定时器/计数器 1 高字节8DH TLI定时器/计数器 0 低字节8BH SCON串行控制寄存器98H SBUF串行数据缓冲器99H PCON电源控制寄存器87H 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文（设计） 12 3.2.43.2.4 芯片擦除芯片擦除 整个 EPROM 阵列电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重 复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率 的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。 但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内 容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.2.53.2.5 复位电路的设计复位电路的设计 复位使单片机处于起始状态，并从该起始状态开始运行。AT89C51 的 RST 引脚为 复位端，该引脚连续保持 2 个机器周期（24 个时钟振动周期）以上高电平，则可使单 片机复位。内部复位电路在每一个机器周期的 S5P2 期间采样斯密特触发器的输出端， 该触发器可抑制 RST 引脚的噪声干扰，并在复位期间不产生 ALE 信号，内部 RAM 处于 不断电状态。其中的数据信息不会丢失，也即复位后，只影响 SFR 中的内容，内部 RAM 中的数据不受影响。外部复位有上电复位和按键电平复位。由于单片机运行过程 中，其本身的干扰或外界干扰会导致出错，此时我们可按复位键重新开始运行。为了 便于本设计运行调试，复位电路采用按键复位方式。按键复位电路如图 3.4 所示。 图 3.4 复位电路 图 3.5 时钟电路 3.2.63.2.6 时钟电路设计时钟电路设计 时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。MCS-51 单片机允许的时 钟频率是因型号而异的，其典型值为 12MHZ。AT89C51 内部有一个反相振荡放大器， XTAL1 和 XTAL2 分别是该反向振荡放大器的输入端和输出端。该反向放大器可配置为 片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。本设计采用的晶振频率为 12MHZ。其时 MCS-51 单片机测温系统的设计 13 钟电路如图 3.5 所示。51 系列单片机还可使用外部时钟。在使用外部时钟时，外部时 钟必须从 XTAL1 输入，而 XTAL2 悬空。 3.33.3 温度温度传感器传感器 DS18B20DS18B20 温度传感器的应用范围很广，它不仅用于日常生活中，而且也大量应用于自动化 和过程检测控制系统。温度传感器的种类很多，根据现场使用条件，选择恰当的传感 器类型才能保证测量的准确可靠，并且同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存和一个非易失性的可电 擦除的 EERAM。高速暂存 RAM 的结构为 9 字节的存储器，结构如图 3 所示。第 01 个字节是温度的显示位，第 2 和第 3 字节和的拷贝，是易失的，每次上电复 位时被刷新。第 4 个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨 率。DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。第 5，6，7 三个 字节是保留的。该字节各位的定义如图 3 所示。 DS18B20 在出厂时默认配置为 12 位，其中最高位为符号位，即温度值共 11 位， 单片机在读取数据时，一次会读 2 字节共 16 位，读完后将低 11 位的二进制数转化为 十进制数后在乘以 0.0625 便为所测的实际温度值。另外，还需要判断温度的正负。前 5 个数字为符号位，这五位同时变化，我们只需要判断 11 位就可以了。前 5 位为 1 时， 读取的温度为负值，且测到的数值需要取反加 1 再乘以 0.0625 才可得到实际温度值。 前 5 位为 0 时，读取的温度值为正值，且温度为正值时，只要将测得的数值乘以 0.0625 即可得到实际温度值。用户要去改动，R1 和 R0 决定温度转换的精度位数，来 设置分辨率。 (1)可通过数据线供电，电压范围为 3.05.5； (2)独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； (3)多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； (4)在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极 管的集成电路内； (5)零待机功耗； (6)温度以 9 或 12 位数字； (7)用户可定义报警设置； 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文（设计） 14 (8)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； (9)负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 DS18B20 的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响 很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1；高温度系数晶振随温度变化 其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入。器件中还有一个 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、温度寄存器中，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 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，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 的预置将重新被装入，减 法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法 计数器计数到 0 时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度 值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程， 直到温度寄存器值大致被测温度值。 DS18B20 采用 3 脚 PR35 封装或 8 脚 SOIC 封装，其内部结构框图如图 3.6 所示。 图 3.6 DS18B20 内部结构 3.43.4 LEDLED 显示显示 C 64 位 ROM 和 单 线 接 口 高 速 缓 存 存储器与控制逻辑 温度传感器 高温触发器 TH 低温触发器 TL 配置寄存器 8 位 CRC 发生器 Vdd MCS-51 单片机测温系统的设计 15 单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称 LED；液晶显示 器，简称 LCD。前者价廉，配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图形显示，但 接口复杂，成本较高。结合本设计的特点，在这里系统的显示采用发光二极管作为显 示器件。 单片机中使用 7 段 LED 构成字形“8” ，另外，还与一个小数点发光二极管用以显 示数字、符号及小数点。这种显示器有共阴极和共阳极两种，如图 3.7 所示。发光二极 管的阳极连在一起称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。一位显示 器由八个发光二极管组成，其中，7 个发光二极管构成字形“8”的各个笔划（段）a-g, 另一个小数点为 dp 发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压是，该段笔 划即点亮；不加电压则该段二极管不亮。为了保护各段 LED 不被损坏，需要外加限流 电阻。 图 3.7 数码管 如果要显示某个字形，则应使此字形的相应段点亮，也即送一个不同的电平组合 代表的数据来控制 LED 的显示字形，此数据称为字符的段码。数据字位数与 LED 段 码的关系如表 3-3 所示。 表表 3-33-3 数码管各段与输出口各位的对应关系数码管各段与输出口各位的对应关系 输出口各位 D7D6D5D4D3D2D1D0 数码管各段 dpgfedcba 如使用共阳极数码管，数据为 0 表示对应字段亮，数据为 1 表示对应字段暗；如 使用共阴极数码管，数据为 0 表示对应字段暗，数据为 1 表示对应字段亮。如要显示 “0” ，共阳极数码管的字型编码应为：11000000B（即 C0H） ；共阴极数码管的字型编 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文（设计） 16 码应为：00111111B（3FH） 。依次类推，可求得数码管字型编码如表 3-4 所示。 本设计显示采用 LED 串行静态显示。MCS-51 系列单片机的串行口 RXD，TXD 为一个全双工串行通信口，当工作在方式 0 下可作同步移位寄存器用，其数据由 RXD（P3.0）端串行输入或输出；而同步移位时钟由 TXD（P3.1）串行输出，在同步 时钟的作用下，实现由串行到并行的数据通信。在不需要使用串行通信的场合，利用 串行口加外围芯片 74LS164 就可以构成一个或多个并行输入/输出口，用于显示器 LED 驱动。波特率（每秒传输的位数）固定在 fosc/12,即当晶振为 12MHZ 时，波特率为 1MBPS。在 CPU 将数据写入 SBUF 寄存器后，立即启动发送。待 8 位数据输完后，硬 件将状态寄存器的 TI 位置 1，TI 必须由软件清零。单片机与 4 片串入并出移位寄存器 74LS164 相连。其中，RXD 作为 164 的数据输入，TXD 作为 4 片 164 的同步时钟。程 序运行时，单片机将 4 个数码管的段码（4 个字节）连续发送出来，通过串行口送给 164。4 位字型码送完后，TXD 保持高电平。此时每片 164 的并行输出口将送出保存在 内部移位寄存器中的 8 位的段码给数码管，令数码管稳定地显示所需的字符。 表表 3-43-4 数码管字型编码表数码管字型编码表 共阳极共阴极 字型 dpgfedcba字型码dpgfedcba字型码 011000000C0H001111113FH 111111001F9H0000011006H 210100100A4H010110115BH 310110000B0H010011114FH 41001100199H0110011066H 51001001092H011011016DH 61000001082H011111017DH 711111000F8H0000011107H 81000000080H011111117FH 91001000090H011011116FH A1000100088H0111011177H B1000001183H011111007CH C11000110C6H0011100139H D10100001A1H010111105EH MCS-51 单片机测温系统的设计 17 E1000011086H0111100179H F100011108EH0111000171H 灭11111111FFH0000000000H 74LS164 是 8 位串入并出移位寄存器。它的引脚如图 3.8 所示。A、B 为串行输入 端，QAQH 为串行输出端，CLK 为串行时钟输入端，为串行输出清零端，VCC 为+5VRM 电源输入端，GND 为接地端。具体输入输出关系如表 3-5 所示。X 代表任意状态； QA0、QB0 QH0 代表在稳态输入条件建立之前 QA、QBQH 的输出状态；QAn、QBnQHn 代表在最近的时钟上升沿转换之前 QA、QBQH 的输出状态；H/L、QAnQBn 代表在最 近的时钟上升沿转换之后 QA、QBQH 的输出状态。 表表 3-53-5 74LS16474LS164 输入输出关系如所示输入输出关系如所示 输入 输出 清除 时钟 A B QA QB QH L X X X H L X X H H H H L X H X L L L L QA0 QB0 QH0 H QAn QGn L QAn QGn L QAn QGn 图 3.8 74LS164 引脚如图 串行显示电路属于静态显示，比动态显示亮度更大一些。由于 74LS164 在低电平 输出时，允许通过的电流达 8mA，故不必添加驱动电路，亮度也比较理想。与动态扫 描相比较，无需 CPU 不停的扫描，频繁地为显示服务，节省了 CPU 时间，软件设计 也比较简单。由于本设计采用的是共阳极数码管，所以相应的亮段必须送 0，相应的暗 段必须送 1。原理图如图 3.9 所示： 广东技术师范学院天河学院本科毕业论文（设计） 18 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:18-Jun-2007Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministratorMy Documents业业业业业业业业业业业业业业.ddbDrawn By: A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U1 74LS164 RXD TXD A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U2 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U3 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U4 74LS164 VCC TXDTXDTXD a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 DS1 DPY_7-SEG_DP a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 DS2 DPY_7-SEG_DP a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 DS3 DPY_7-SEG_DP a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 DS4 DPY_7-SEG_DP R1 10K R2 10K R3 10K R4 10K 图 3.9 LED 串行静态显示 3.53.5 键盘接口键盘接口 键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要 手段。键盘分两大类：编码键盘和非编码键盘。编码键盘：由硬件逻辑电路完成必要 的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一 个选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使 用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况，采用 8279 可编程键盘管理接口芯片 构成编码式键盘系统是很实用的方案。非编码键盘：只简单地提供键盘的行列与矩阵， 其他操作如键的识别，决定按键的读数等都靠软件完成，故硬件较为简单，但占用 CPU 较多时间。非编码键盘有：独立式按键结构、矩阵式按键结构。本设计采用的是 非编码独立连接式的键盘。在非编码键盘系统中，键闭合和