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毕业设计（论文）基于单片机的智能中央空调控制系统设计 系 部: 专 业: 班 级: 姓 名: 学 号: 指导老师: 二零 年 月摘要 随着时代的进步和发展，空调已经普及到我们生活、工作，极大地改善了人们的生活品质。本文主要介绍了一个基于STC89C52单片机的温度检测、调节、控制的空调系统，详细描述了利用数字温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对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，特别是数字温度传感器DS18B20的数据采集过程。对各部分的电路也一一进行了设计。 该系统可以方便的实现实现温度采集和显示，并可根据需要任意设定上下限在通过单片机控制温度，它使用起来相当方便，具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度测量，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的辅助扩展。DS18B20与STC89C52结合实现最简温度检测系统，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：STC89C52，LED数码管，DS18B20，数字温度计IAbstractWith the era of progress and development, air conditioning has become popular we live, work, greatly improved peoples quality of life.This paper describes a temperature measurement based on STC89C52 microcontroller, regulate and control the air conditioning system, a detailed description of the use of digital temperature sensor DS18B20 temperature measurement system development process, focusing on the sensor under the SCM hardware connection, software programming, and the modular systemconducted a detailed analysis of the process, in particular, digital temperature sensor DS18B20 data collection process.On various parts of the circuit is also introduced one by one.The system can easily achieve the realization of temperature acquisition and display, and can be arbitrarily set the upper and lower temperature control through microcontroller. It is very convenient to use, with high precision, wide range, high sensitivity, small size, low power consumption, suitable for our daily lives and industrial and agricultural production in the temperature measurement, as temperature can also be embedded in other systems processing modulein the main system as the other auxiliary expansion.DS18B20 combined with the realization of the simplest STC89C52 temperature detection system, the system is simple, anti-interference ability, suitable for harsh environments spot temperature measurement, a wide range of applications.Key words: STC89C52,LED digital tube,DS18B20， TemperatureSensor目 录摘要IAbstractII前言11绪论21.1空调的概述21.2空调的发展历史21.3空调的发展趋势41.4系统总体方案及硬件设计41.4.1中央空调制冷循环工作原理41.4.2中央空调系统的设计62系统硬件的选择及其功能特性122.1 STC89C52单片机的结构及其功能122.1.1 STC89C52单片机的结构122.1.2STC89C52单片机的引脚及其功能132.1.3时钟震荡器162.1.4闲散节电模式162.1.5掉电模式182.1.6程序存储器的加密182.2 DS18B20温度传感器182.2.1 常用的测温方法192.2.2 温度传感器的选择202.2.3 DS18B20概述222.2.4 DS18B20测温操作232.2.5报警操作信号242.3 LED数码管242.4 总体方案的确定263硬件电路的设计273.1时钟电路273.2显示电路的设计283.3按键电路设计293.4温度传感器电路293.5复位电路的设计303.6系统总电路314软件系统设计334.1概述334.2主程序流程图334.3程序源代码33总结43致谢44参考文献45III基于单片机的智能中央空调控制系统设计前言随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。如在工业生产中如：锅炉、蒸汽机等大型设备中，PLC(大型)作为主控器件有着不可替代的的优势，但是PLC设备一般价格比较昂贵，体积也比较大的，所用电源电压也相对较高。所以在小型系统中多采用单片机，随着单片机技术的发展，单片机的不断更新换代，其性能有了显著的提高，稳定性及控制功能也满足了智能空调控制系统的要求，达到自动控制的目的。因此我们采用基于单片机的控制系统而设计。此次毕业实习、毕业设计第一阶段的主要工作是，学习有关单片机控制系统的基本知识，了解单片机对智能空调控制系统的相关技术，并在此基础上选择了使用STC89C52单片机作为核心设计，同时也研究了另一重要器件DS18B20温度传感器。这是课题研究的基础性内容。第二阶段是在指导教师的指导下，设计出具体的电路，并确定满足具体技术指标的软件，掌握电路中重要器件的使用方法，以及绘制该课题电路。通过教师的悉心指导，同学的帮助和自己的努力，完成了毕业设计的各项任务，成功完成基于单片机智能空调控制系统的设计。1绪论1.1空调的概述 空调即空气调节器(Room Air Conditioner)，一般用于给封闭空间区域提供处理空气的机组。它的功能是对该房间（或封闭空间、区域）内空气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足人体舒适或工艺过程的要求。 随着人们生活水平的不断提高，人们也越来越追求人性化的事物，传统的空调已不能满足人们的需求。现代的智能空调不仅利用了数字电路技术与模拟电路技术，而且采用了单片机技术，实现了软硬件的结合。既完善了空调的功能，又简化了空调的控制与操作；不仅满足了不同用户对环境温度的不同要求，而且能全智能调节室内的温度及湿度等，使得空调具有节能、操作更简单、无机械装置、安全性能更强等特点。随着电子产品的飞速发展，价格低廉而又实用的控制系统深受广大消费者的喜爱。所以本次毕业设计就选择基于单片机的智能空调控制系统设计。1.2空调的发展历史 在二十世纪六，七十年代，美国地区发生罕见的干旱天气，为解决干旱缺水地区的空调冷热源问题，美国率先研制出风冷式冷水机，用空气散热代替冷却塔，其英文名称是:Air cool Chiller，简称为Chiller。 在空调历史中，美国已经发展和改进了有风管的中央单元式系统，并得到了正在现场安装和修理有风管的单元式空调系统的空调设备分销商和经销商的强力支持。WRAC是最简单和最便宜的系统，能够很容易的在零售商店中购得，并在持续高温来的时候自己安装。同时，无风管的SRAC和SPAC自70年代起在有别于美国市场的动力下在日本得到发展和改进。之后，设备设计和制造技术在90年代被转让到中国，这是通过与当地公司(包括主要元件如压缩机、热交换器、电机、精细阀和电子控制器的本地制造商)组成的合资公司进行的。在90年代中国也从其它先进国家吸收了较大型空调设备的先进高新技术，并与多数是美国的大公司组成合资企业。现今，中国当地主要工厂和合资企业制造了大量SRAC和SPAC以满足增长的国内市场和出口需要。中国现今已是最大的空调出口国，在2010年有4189万台机组出口。下面介绍我国家用空调产品外观历史演变 1. 第一代格栅式面板家用空调器 1988年，第一台国产分体壁挂机KF-19G1A在华宝空调器厂诞生，当时华宝还给它取了个很有诗意的名字雪莲。雪莲的诞生开启了我国家用空调器行业的一个新时代，此后，春兰也拥有了自己的挂机生产线。华宝和春兰生产的空调器统治了从上个世纪80年代末到90年代中期近10年的时间，他们生产的空调器在外观上极其相似：扁平的大长方体结构。与此同时，大量的进口产品外观在90年代中期以前与此也大体相仿，所以，当时的空调器特别是挂机，如果不看商标很难辨别出是哪个品牌。1988年华宝空调器厂研制出第一台分体壁挂机KF19GA是格栅式面板产品的一个典型代表，直到1995年，春兰的KFR22G依然是挂机市场的主导产品，这也说明了当时国产空调品仍旧以格栅式面板为主流。 2. 第二代格栅式面板家用空调器 当家用空调器渐渐普及，其外观也在悄悄地发生着变化。20世纪80年代甚至到1995年，中国空调市场是进口机一统天下，进口机为中国家用空调行业的发展起到了启蒙作用，许多国产品牌的生产就是引进配件加以组装，这种启蒙作用也包括对我国家用空调器产品室内机外观的改变。 20世纪90年代中期，以三菱电机、日立、松下等为代表的进口空调器出现了一种小型室内机，这种室内机一改以往那种庞大敦重的形象，外观精巧整洁，与家居环境融为一体，深受消费者的青睐。随着国内众多空调工厂对此类产品的普及生产，第二代格栅式面板空调器主导了空调市场并流行至今。 3. 第三代光面板时代 2005年度国内各个工厂的新产品，与往年格栅式面板占主流相比，绝大多数品牌在2005年度推出了光面板系列的空调产品，如格力的天丽系列、海尔的高效氧吧系列、美的的Q2系列和V系列等等。空调行业各厂家的这种集体行为将我国家用空调产品推至光面板时代。 与格栅面板相比，不仅是外观上的一种进步，更是产品技术上的一种转变。光面板挂机的上进风下出风取代了原来的正面进风下出风的循环风路，而光面板柜机的侧进风或进风口开合式设计也渐渐与原来传统的下进风上出风的循环风路共同主导柜机产品的设计趋势。 4. 第四代彩色面板 在国内空调市场，将彩色引入空调面板设计并形成一种传统风格是韩国品牌三星和LG的创举。与此同时，其他工厂开始逐一效仿。至2005年度，绝大多数工厂都有彩色面板的产品面市；而且，面板的颜色种类也开始变得异彩粉纷呈，其中又多款彩色面板产品堪称经典，如海尔的彩屏双新风、格力的天丽、志高的花好月圆、TCL的君兰系列和海蒂娜系列等等。1.3空调的发展趋势由于近几年国家的大力倡导节能减排，促进环保，实施可持续发展的战略。2004年8月，国家发改委、国家质检总局联合制定并发布能源效率标识管理办法，这标志着我国将实施能源效率标识制度.我国的能效标识制度自2005年3月1日起正式实施.能效标准是由能效比得来的，首先介绍一下空调能效比的计算方法:能效比=制冷量/制冷功率。本着响应国家政策发展节能技术，内的空调生产商也开始逐步走向变频空调的市场。在2009年新空调年，美的变频空调整体销售目标为250万套，其中国内市场销售预计达150万套，占据国内变频空调60%以上市场份额。“明年对所有做变频空调的品牌来说都是一个机会，变频空调的销售量很可能翻番，所占市场份额可能达到10%以上。”海信科龙总裁王士磊对明年的变频空调市场抱乐观态度，而作为未来的发展趋势，国内几大空调厂家闻风而动，开始对变频空调“投怀送抱”。除了发展变频空调外，还有新冷媒(R410A)的推广，静电除尘技术的普遍利用，负离子技术的广泛使用也都预示我国的空调行业向着高效、节能、环保的趋势前进。1.4系统总体方案及硬件设计1.4.1中央空调制冷循环工作原理人工制冷就是借助一种专门装置，消耗一定的外界能量，迫使热量从温度较低的被冷却物体，转移到温度较高的周围介质，得到人们所需要的各种低温，这种专门装置称为制冷装置。人工制冷的方法有蒸发相变制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷。其中液体蒸发相变制冷的应用最为广泛，它是利用液体汽化时的吸热效应而实现制冷的。蒸发相变制冷有三种类型：蒸气压缩式、吸收式和蒸气喷射式。中、小型空调装置都采用蒸气压缩式制冷，而吸收式制冷主要用于些大型空调系统中。家用中央空调是小型空调装置主要用蒸气压缩式制冷循环。空调器中的制冷装置是由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等部件构成的。它们通过管道连接形成一个封闭的系统，系统中充注着制冷剂，由压缩机和节流阀的节流而完成整个系统的循环工作。制冷剂在循环中经过四个热力变化过程，其工作过程如图1.1所示：图1.1空调器制冷工作过程（1）蒸发过程 低压制冷剂进入蒸发器中即进行汽化，变成低压蒸气，吸收被冷却物的热量使被冷却物温度降低进行制冷。（2）压缩过程 蒸发器中的制冷剂低压蒸气被压缩机吸入到气缸中进行压缩，压力和温度都升高后被排入到冷凝器中。（3）冷凝过程 此过程由冷凝器来完成，蒸气状态的制冷剂在冷凝器中把所吸收的热量排出系统，同时制冷剂蒸气冷凝为液体，以便再循环使用。冷凝器是一个散热器。（4）节流过程 节流过程也可认为是降压过程。它是用节流元件来减小其流量，降低其压力。在小型空调器中，一般采用毛细管来实现节流过程，也有用热力膨胀阀或电子膨胀阀进行节流。 在压缩机不停的运行中，上述四个热力过程连续不断地进行循环完成空调器的制冷过程。1.4.2中央空调系统的设计1中央空调系统的比较和选择各种中央空调系统有不同的优缺点和适用范围，根据其优缺点，本设计选择以空气源热泵冷热水机组为设计的研究对象。主要研究空气源热泵冷热水机组系统的末端系统的智能控制系统。2空气源热泵冷热水系统设计空气源热泵冷热水系统主要由冷热水机组，水循环系统、风机盘管系统和膨胀水箱组成，膨胀水箱用于调节系统水量。（1） 空气源热泵冷热水机组的介绍“热泵”是指风可以在低温环境下吸收热量，并将其位能提高后，向高温环境输出热量的装置机械。这样的系统可以不用水冷，省却了冷却塔。空气源热泵冷热水机组就属空气一水热泵，其机组室外侧是通过空气进行热交换，室内侧产生空调冷热水，由管路系统输送到空调房间的末端装置，在末端装置处冷热水与房间空气进行热量交换，产生冷热风，从而实现空调房间的夏季供冷和冬季供暖效果。该机组属于一种集中生产冷热水，但分散处理各房问负荷的空调系统形式。图1.2是空气源热泵冷热水机组示意图。图1.2空气源热泵冷热水机组示意图空气源热泵冷热水机组的家用中央空调的制冷剂循过程是：制冷时机组的风冷换热器为冷凝器，机组的水冷换热器为蒸发器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在风冷换热器中冷凝放热，成为高压过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入水冷换热器蒸发吸热(此时载冷剂被冷却)，最后再回到压缩机进入下一循环。制热时热源是室外空气，机组的风冷换热器为蒸发器，机组的水冷换热器为冷凝器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在水冷换热器中冷凝放热(此时载冷剂被加热)，成为过冷液，成为过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入风冷换热器蒸发吸热，最后再回到压缩机进入下一循环。 冷热水机组的制冷剂循环中并没有直接将制冷剂作为输送介质送到用户的换热器中，而是通过水冷换热器将制冷剂的冷热量传给专门的输送介质载冷剂送到用户端。这种载冷剂通常为水。特别要指出的是，在设计风冷热泵型机组时，其制热过程在室外温度低于0时，风冷换热器的扇片表面温度因低于空气露点温度，水蒸气会在扇片上凝结，故需要进行合理除霜处理。同时利用高温高压的制冷剂气体的过热焓，给空调提供热量，但是，这会要求主机的制热功率加大，而且，当气温越低，所需的热负荷越大，而主机的制热能力却越低，造成了矛盾。当气温低于风冷热泵的平衡温度以下时，一般也只能加辅助热源的办法，来增加其制热功率。辅助热源一般可以用电加热器，燃油锅炉等，有的可以直接停用冷热泵，全部有电加热器或燃油锅炉提供热量。 （1）水循环系统的设计在中央空调的空气调节中，通常用水作为载冷剂来实现热量的传递，因此水系统是中央空调系统的一个重要组成部分。空气源热泵冷热水机组家用中央空调的水系统包括冷（热）水系统、冷凝水排放系统。冷冻水循环系统：来自空调设备的冷冻水回水经集水器、除污器、循环水泵，进入冷水机组蒸发器内，吸收了制冷剂蒸发的冷量，使其温度降低成为冷冻水，进入分水器后再送入空调设备的末端风机盘管内，与被处理的空气进行热交换后，再回到冷水机组内进行循环再冷却。热水循环系统：主要是完成冬季空调设备所需的热量，使其加热空气用。从各用户换热器返回的低温回水在集水器中混合，经循环水泵加压送入水冷换热器中换热成为高温载冷剂进入分水器，再由分水器分流进入各空间的空调设备的表冷器或风机盘管内与被处理的空气进行热交换后，水由回水管路回到集水器中，进入下一循环。冷凝水排放系统：排放空调表冷器表面因结露而形成的冷凝水的水管。 （2）风机盘管系统风机盘管系统工作原理该系统的室内末端装置通常为风机盘管。风机盘管是由风机、换热盘管(小型表面式换热器)和机壳组成，直接安装在房间内，风机将室内一部分空气进行循环处理(经空气过滤器过滤和盘管进行冷却或加热)后直接送入房间，以达到对室内空气进行温、湿度调节的目的。房间所需要的新鲜空气可以通过门窗的渗透或直接通过房间所设新风口进入房间，或将室外空气经过新风处理机组集中处理后由管道直接送入被调房间，或者由风机盘管的空气入口处与室内空气进行混合后经风机盘管进行温度、湿度处理后送入室内，以满足室内环境的卫生要求。风机盘管系统是属于半集中式空调系统。风机盘管机组由风机、电动机、盘管、空气过滤器、室温调节装置及箱体等组成。按风机盘管机外静压可分为标准型和高静压型、按风机盘管排数可分为两排和三排，换热盘管一般是采用铜管铝翅片，风机一般采用双进风前弯形叶片离心风机。风机盘管机组一般容量范围为：风量0.0070.236m/s、制冷量2.37kw、风机电动机功率30100w、水量约0.140.22l/s、盘管水压损失1035kpa等。风机盘管空调系统具有以下特点： （a）风机盘管空调系统在运行中噪声比较小。（b）风机盘管空调系统具有各自独立调节的优越性。由于风机盘管的分级转速可以分为多档，而且水路系统又采用冷、热水自动控制以及房间温度调节器的控制等，因而可以灵活的调节各个房间内的温度，室内无人时又可以停止机组的运转，做到既节约能源，又经济运行。（c）系统可以比较容易的实现分区调节控制。（d）由于风机盘管空调器体积较小，布置和安装都比较方便。（e）由于风机盘管空调系统省去了回风道，同时缩小了送风管道的断面尺寸，因而减少了或不占用建筑面积和空间及一次投资费用。风机盘管控制工作原理风机盘管控制多采用就地控制的方案，分简单控制和温度控制两种： 风机盘管简单控制：使用三速开关直接手动控制风机的三速转换与启停。风机盘管温度控制：使用温度控制器根据设定温度与实际检测温度的比较、运算，自动控制电动两/三通阀的开闭；风机的三速转换，或直接控制风机的三速转换与启停，从而通过控制系统水流或风量来控制送入室内的冷热量，以达到对每个空调房间进行单独控制和调节，满足各个房间不向的个性化空调需求，同时其节能性也较好。由于控制阀门的开度，来控制水的流量的一般受外界的因素影响较大，控制不稳定，这个控制器以控制风机的转速为方向。当空调房间内冷热负荷发生变化时，改变风机盘管机组中的风机转速，从而改变通过风机盘管机组的处理空气量，实现房间内的温湿度调节。控制风机的转速是调压控制方式，输出的矢量是电压。风机盘管空调系统，没有大风道，只有水管和较小的新风管，具有布置和安装方便、占用建筑空间小、单独调节好等优点，广泛用于温、湿度精度要求不高、房间数多、房间较小、需要单独控制的舒适性空调中。设计的中央空调空气源热泵冷热水机组安装方便，省去了冷却塔，可安装于屋顶、阳台或室外，只需连通冷热水管路、水泵即可进行系统冷热水循环。该机组运转噪声低，对环境影响小，与同等能力的其他类型空调机相比，运转更加平稳，从而拓宽了其适用范围。小型冷热水空调系统，可满足用户多居室需求，可适应用户的个性化需求，不受其他用户影响；采用主机与末端分离安装方式，保证了宁静的居室环境；主机由微电脑控制，在室内可完成全部操作；室内末端安装可采用暗藏方式，极适宜配合室内装修；系统可根据实际负荷自动化运行，节约能源及运行费用；将供冷、供暖费直接转化为电费，开机计费，停机则不计费，收费直观、合理。图1.3空气源热泵冷热水家用中央空调系统图。图1.3 空气源热泵冷热水家用中央空调系统图为了达到空调的目的，发挥空调的作用，空调系统就是对空气进行处理和调节，除了对空气的降温和加热，其系统的结构组成还应包括以下几部分：（1）新风部分空调系统在运行过程中必须采用一部分室外的新鲜空气(即新风)，这部分新风必须满足室内人员所需要的最小新鲜空气量，因此空调系统的新风取入量决定于空调系统的服务用途和卫生要求。新风的导入口一般设在周围不受污染影响的地方。这些新风的导入口和空调系统的新风管道以及新风的滤尘装置(新风空气过滤器)、新风预热器(又称为空调系统的一次加热器)共同组成了空调系统的新风系统。（2）空气的净化部分空调系统根据其用途不同，对空气的净化处理方式也不同。因此，在空调净化系统中有设置一级初效空气过滤器的简单净化系统，也有设置一级初效空气过滤器和一级中效空气过滤器的一般净化系统，还有设置一级初效空气过滤器，一级中效空气过滤器和一级高效空气过滤器的三级过滤装置的高净化系统。（3）空气的热、湿处理部分一般情况下，对空气进行加热、加湿和降温、去湿，将有关的处理过程组合在一起，称为空调系统的热湿处理部分。在对空气进行热、湿处理过程中，采用表面式空气换热器(在表面式换热器内通过热水或水蒸气的称为表面式空气加热器，简称为空气的汽水加热器)。设置在系统的新风入口，一次回风之前的空气加热器称为空气的一次加热器；设置在降温去湿之后的空气加热器，称为空气的二次加热器；设置在空调房间送风口之前的空气加热器，称为空气的三次加热器。三次空气加热器主要起调节空调房间内温度的作用，常用的热媒为热水或电加热。在表面式换热器内通过低温冷水或制冷剂的称为水冷式表面冷却器或直接蒸发式表面冷却器，也有采用喷淋冷水或热水的喷水室，还有采用直接喷水蒸汽的处理方法，来实现空气的热湿处理过程。（4）空气的的输送和分配、控制部分空调系统中的风机和送、回风管道称为空气的输送部分。风管中的调节风阀、蝶阀、防火阀、启动阀及风口等称为空气的分配、控制部分。根据空调系统中空气阻力的不同，设置风机的数量也不同，如果空调系统中设置一台风机，该风机既起送风作用，又起回风作用的称为单风机系统;如果空调系统中设置两台风机，一台为送风机，另一台为回风机的空调系统称为双风机系统。本设计关键是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，其中还涉及到电阻与温度的对应值的计算，感温电路比较麻烦。而且在对采集的信号进行放大时容易受温度的影响出现较大的偏差，空调机内高密度的电路以及电子器件更容易出现较大误差影响空调性能。进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，可以采用一只温度传感器 DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，电路简单，精度高，软硬件都以实现，而且使用单片机的接口便于系统的再扩展，对于整个系统费用较低，可靠性高，软件设计也比较简单，满足设计要求。所以此处选用DS18B20方案。图1.4 总体控制方案图2系统硬件的选择及其功能特性本章主要就选择单片机、温度传感器、数码管作说明。2.1 STC89C52单片机的结构及其功能2.1.1 STC89C52单片机的结构STC89C52单片机与Intel 80C51在引脚排列、工作特性、硬件组成、指令系统完全兼容。 内含4KB的Flash存储器，擦写次数1000次; 内含128字节的RAM; 具有32根可编程I/O线； 具有2个16位可编程定时器； 具有6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构； 具有1个全双工的可编程串行通信接口； 具有1个数据指针DPRT； 两种低功耗工作模式，即空闲模式和掉电模式； 具有可编程3级程序锁定位； STC89C52的工作电源电压为5（10.2)V且典型值为5V； 其基本组成(参见图2.1)：中央处理器、Flash存储器、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。 1中央处理器(CPU)中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，完成运算和控制功能。中央处理器主要包括运算器和控制器两部分。运算器主要用来实现算术运算、逻辑运算和位操作。其中包括逻辑运算单元AUL、累加器cc、B寄存器、程序状态字PSW和两个暂存器。控制器是识别指令并根据指令性质协调计算机内各组成单元进行工作的部件。控制器主要包括程序计数器、PC增量器、指令寄存器、指令译码器、定时器和逻辑控制器。其功能是控制指令的读入、译码和执行，并对之灵执行过程进行定时和逻辑控制。2内部数据存储器(内部RAM)STC89C52芯片中共有128B位RAM单元，用于存放可读写的数据，简称内部RAM。 3外部程序存储器(外部ROM)STC89C52芯片内有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM） 4定时/计数器STC89C52共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。2.1.2STC89C52单片机的引脚及其功能 单片机引脚如图2.1所示：图2.1单片机引脚图 VCC：电源电压 GND：地 P0口： P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。当“1”被写入P0口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。P0口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。P0口在闪烁编程时，P0口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。 P1口： P1口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁编程时和程序校验时，P1口接收低8位地址。图2.2 STC89C52单片机结构框图 P2口： P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个运行期间不变。闪烁编程或校验时，P2口接收高位地址和其它控制信号。 P3口： P3口是一组带有内部电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲故可驱动4个TTL电路。对P3口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉低的P3口将用电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表2.1所示：表2.1 P3口第二功能表端口引脚第二功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2INT0P3.3INT1P3.4T0P3.5T1P3.6WRP3.7RD除此之外，P3口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。 RST： 复位输入。当震荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。 ALE/： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE以时钟震荡频率的1/16输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。 PSEN： 程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号不出现。 EA/VPP： 外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电压VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。 XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。2.1.3时钟震荡器 STC89C52中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。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然震荡器。 外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。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震荡频率的高低、震荡器工作的稳定性、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，而如果使用陶瓷振荡器建议选择40PF10PF。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图示。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。2.1.4闲散节电模式 STC89C52有两种可用软件编程的省电模式，它们是闲散模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON中的PD和IDL位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是闲散等待方式，当IDL=1，激活闲散工作状态，单片机进入睡眠状态。如需要同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。图2.3内部振荡电路图2.4外部振荡电路 在闲散工作模式状态，中央处理器CPU保持睡眠状态，而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内随机存取数据存储器和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。闲散模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止闲散工作模式的方法有两种，一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL被硬件清除，即刻终止闲散工作模式。程序会首先影响中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序，并紧随RETI指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入闲散工作模式，那条指令后面的一条指令。二是通过硬件复位也可将闲散工作模式终止。 需要注意的是：当由硬件复位来终止闲散工作模式时，中央处理器CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期有效，在这种情况下，内部禁止中央处理器CPU访问片内RAM，而允许访问其他端口，为了避免可能对端口产生的意外写入：激活闲散模式的那条指令后面的一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。2.1.5掉电模式在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在中指掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将从新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效切必须保持一定时间以使振荡器从新启动并稳定工作。表2.2 闲散和掉电模式外部引脚状态模式程序存储器ALEP0P1P2P3闲散模式内部11数据数据数据数据闲散模式内部11浮空数据地址数据掉电模式外部00数据数据数据数据掉电模式外部00数据数据数据数据2.1.6程序存储器的加密STC89C52可使用对芯片上的三个加密位LB1，LB2，LB3进行编程（P）或不编程（U）得到如下表2.3所示的功能：表2.3LB1、LB2、LB3功能表程序加密位保护类型1UUU没有程序保护功能2PUU禁止从外部程序存储器中执行MOVC指令读取内部程序存储器的内容3PPU除上表功能外，还禁止程序校验4PPP除以上功能外，同时禁止外部执行 当LB1被编程时，在复位期间，EA端的电平被锁存，如果单片机上电后一直没有复位，锁存起来的初始值是一个不确定数，这个不确定数会一直保存到真正复位位置。为了使单片机正常工作，被锁存的EA电平与这个引脚当前辑电平一致。机密位只能通过整片擦除的方法清除。2.2 DS18B20温度传感器 温度是日常生活中经常遇到的一个物理量，它也是科研和生产中最常见、最基本的产量之一。在很多场合都需要对温度进行测控，而温度测控离不开温度传感器，因此，掌握正确的测温方法及温度传感器的使用方法极为重要。2.2.1 常用的测温方法 物体受热后温度就要升高，任何两个温度不同的物体相接触都必然产生热交换，直到两者的温度达到平衡为止。据此，可以选择某种温度传感器与被测物体接触进行温度测量，这种方法称为接触式测温。接触式测温常用于较低温度的测量。此外，物体受热后温度升高的同时还伴有热辐射，因此，可利用温度传感器接收被测物体在不同温度下辐射能量的不同来测量温度，这种测温方法称为非接触式测温。非接触式测温常用于高温测量。2.2.2 温度传感器产品分类 目前，温度传感器没有统一的分类方法。按输出量分类有模拟式温度传感器和数字式温度传感器。按测温方式分类有接触式温度传感器和非接触式温度传感器。按类型分类有分立式温度传感器（含敏感元件）、模拟集成式温度传感器和智能温度传感器（即数字温度传感器）。模拟式温度传感器输出的是随温度变化的模拟量信号。其特点是输出响应速度较快和MPU（微处理器）接口较复杂。数字式温度传感器输出的是随温度变化的数字量，同模拟输出相比，它输出响应较慢，但容易与MPU接口。下面对工程中常用的温度传感器做简单介绍。 1.热敏电阻式温度传感器 电阻式温度传感器分为热电阻式温度传感器和热敏电阻温度传感器，他们的特点是自身的电阻值随温度而变化。热敏电阻式利用半导体材料制成的敏感组件，通常所用的热敏电阻温度传感器都是具有负温度系数的热敏电阻，它的电阻率受温度的影响很大，而且随温度的升高而减少，简称NTC。其优点是灵敏度高，体积小，寿命长，工作稳定，易于实现远距离；缺点是互换性差，非线性严重。 2.热电阻式温度传感器 利用热电阻温度系数随温度变化的特性而制成的温度传感器。称为热电阻温度传感器。对于大多数金属导体，其电阻值都具有随温度升高而增大的特性。由于纯金属的温度系数比合金的高，因此均采用纯金属作为热电阻组件。常用的金属导体材料有铂、铜、铁和镍。 3.热电偶式温度传感器 热电偶是一种传统的温度传感器，其测温范围一般为-50到+1600，最高可达+2800，并且有较高的测量精度。另外，热电偶产品已实现标准化、系列化，使用时易于选择，可方便地用计算机做线性补偿，因此，至今在测温领域内仍被广泛使用。它的理论基础是建立在热电效应上，将热能转化为电能。 4.模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的。它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC，它属于最简单的一种集成温度传感器。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。外围电路简单，它是目前在国内外应用较为普遍的一种集成传感器。 5.智能温度传感器 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。智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶，它也是集成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。目前，行许多著名的集成电路生产已开发出上百种智能温度传感器产品。智能温度传感器具有以下三个显著特点：第一，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）；第二，能以最简方式构成高性价比、多功能的智能化温度测控系统；第三，它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D传感器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路控制器、中央控制器（CPU）、随机存取储存器（RAM）和只读存储器（ROM）。2.2.2 温度传感器的选择 在介绍温度传感器的选择原则之前，首先介绍在测控系统中选择传感器的总原则，本原则适用于各种传感器的选择。 1.选择传感器的总原则 现代传感器在原理和结构上千差万别，如何根据具体的测控目的、测控对象以及测控环境合理地选择传感器，是单片机测控系统首先要解决的温度。当传感器选定之后，与之相配套的测控电路也就可以确定了。测控结果的成败，在很大程度取决于传感器的选择是否合理。作为单片机测控系统前向通道的关键部件，在选择传感器时应考虑一下几个方面： （1）根据测控对象与测控环境确定传感器的类型 首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选择，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量对象的特点和传感器的使用条件综合考虑一下一些具体问题：1）传感器的量程；2）被测位置对传感器体积的要求；3）测量方式为接触式还是非接触式；4）传感器信号的引出是有线还是无线；5）是购买传感器还是自行研制传感器以及价格因素等。 在综合考虑上述因素之后就能确定选择何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 （2）灵敏度的选择 通常情况下，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。 （3）频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器的频率响应好，可测的信号频率范围就宽，传感器的输出信号必须在允许的频率范围内保持不失真，实际