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电气电子毕业设计论文
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毕业设计134温度遥测系统的设计,电气电子毕业设计论文
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吉林大学本科生毕业论文（设计） 温度遥测系统的设计 Temperature Telemetry System Design 学生姓名：胡静 专业：电子信息工程 班级： 190318 班 指导教师：王庆凤 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 提要 本论文全面、详细地阐述了温度遥测系统的研制过程。为了实时的测试出温度，本课题根据目前的实际情况出发，采用数字式温度传感器DS18B20、低功耗的单片机 AT89C2051 和射频无线收发模块 PTR2030，开发了一遥测系统，建立了一套专用的通信系统。在温度测量上，实现了 远距离实时测量的新突破。 本系统同时根据要求设计了键盘输入、 LED 显示和报警系统等数据处理单元。该系统具有结构简单，扩充维护方便，抗干扰能力强，便于计算机控制等特点。 能广泛的应用各个行业的温度测量场所。 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） I 目录 第一章 引言 . 1 1.1 研究目的和意义 . 1 1.2 国内外研究状况 . 1 1.3 遥测系统的概述 . 2 1.4 本课题总体 设计 . 3 第二章 温度采集系统设计 . 5 2.1 传感器的选择 . 5 2.1.1 模拟式传感器的缺点 . 5 2.1.2 数字式传感器的优点 . 6 2.1.3 DS18B20 的选用 . 6 2.2 AT89C2051 单片机的选择 . 12 2.3 温度信号采集的实现 . 16 2.3.1 单线接口访问 DS18B20 . 17 2.4 看门狗监控电路的选择 . 18 2.4.1 MAX813L 芯片介绍 . 19 2.4.2 MAX813L 基本工作原理 . 21 2.4.3 MAX813L 与单片机的硬件连接 . 22 第三章 无线数字通信系统设计 . 24 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） II 3.1 通信系统模型 . 24 3.1.1 建立系统模型 . 24 3.1.2 无线通信 . 24 3.1.3 数字通信 . 24 3.2 数据帧编码 . 25 3.2.1 通信方式 . 25 3.3 信号收发模块的选择 . 26 3.3.1 PTR2030 的概述 . 27 3.3.2 PTR2030 的引脚功 能 . 28 3.3.3 PTR2030 的软件编程 . 28 3.3.4 PTR2030 在温度遥测系统中的应用 . 30 3.3.5 PTR2030 与单片机 AT89C2051 的硬件连接 . 31 3.4 单片机与 PC 机之间的通信 . 31 3.4.1 RS-232C 标准 . 31 3.4.2 MAX232 芯片简介 . 33 3.4.3 串行接口电路 . 34 3.5 通信系统性能指标 . 35 3.5.1 传输速率 . 36 3.5.2 误码率 . 36 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） III 3.6 提高系统性能的措施 . 36 第四章 数据处理系统设计 . 37 4.1 数据显示电路 . 37 4.1.1 显示器原理（数码管） . 37 4.1.2 选择 MAX7219 驱动芯片 . 37 4.1.3 AT89C2051 单片机与 MAX7219 的硬件连接 . 41 4.2 键盘部分 . 43 4.3 报警电路设计 . 44 4.3.1 555 定时器介绍 . 45 4.3.2 555 定时器的应用 . 48 4.3.3 报警电路 . 49 第五章 系统软件设计 . 51 5.1 温度采集系统与监控系统间通信 . 51 5.1.1 数据采集和控制流程 . 53 5.1.2 下位机通信里程 . 55 5.2 上位机软件设计 . 56 第六章 结论 . 58 参考文献 . 60 致谢 . 63 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） IV 摘要 . I ABSTRACT . II nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 1 第一 章 引言 1.1 研究目的和意义 在工农业生产和科学研究中，常常碰到一个重要的问题，就是怎样准确地检测生产对象的温度参数，有效地控制生产的温度变化，进而稳定生产工艺，提高产品质量。据统计，温度这一参数约占整个工业测量参数的 50%左右。这就说明了温度测量的重要性和普遍性。 温度遥测技术在国防、科研和国民经济的各个领域都有广阔的应用和发展前景。 为了满足日益提高的对温度测量和控制的要求，就需积极开展对温度传感器信号测量和信号处理技术的研究工作。 1.2 国内外研究状况 最早的无线电遥测系统是 20 世纪 30 年代开始在 气象部门中使用的无线电探测仪。这一时期的无线电遥测系统都是模拟式遥测遥控系统。在 20 世纪 40 年代，由于军事上的需要，遥测遥控技术得到了很大的发展，相继出现了 PAM、 FM、 PDM 等多种不同体制的遥测遥控技术。 随着遥测参数不断增加，测量精度要求的不断提高，原来的单通道的遥测技术无法胜任，这时开始出现了多通道的遥测技术。根据信道复用方式的不同，遥测技术有分频制和分时制两种。 20 世纪 50 年代，出现了脉冲编码式（ PCM）遥测系统。 PCM 系统是数字传输系统，它易和数字通信、计算机技术紧密联系起来，成倍地提高遥测系统的 整体性能 ，而且还可通过信源编码、信道编码、扩谱技术和保密通信等新技术改善遥测系统的可靠性和抗干扰性。同时，在工艺上，随着 VLSI 技术的发展，PCM 系统更容易实现模块化和小型化。因此， PCM 系统自诞生以来，迅速获得广泛的应用。 无线遥测、遥控的方式多种多样，根据不同的应用需要，可采用适nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 2 宜的方式。各种遥测、遥控方式的不同，主要在于信息的编码处理方式和信息的传输方式。所传信息的形式及信息量的大小决定采用何种信息编码及处理方式，而信息传输的距离决定 采用何种传输方式。 国外：国际上遥测技术的发展很迅速，欧洲美国等都形 成了各自独立的体系。就其水平来说还是美国的较高。下面介绍美国近十年来的发展状况： （ 1）频分制是一种不可缺少的体制，而且已充分显示了它的活力 （ 2） PCM 遥测系统是一种主流体制 （ 3）在遥测系统中要加扰码器和解扰码器 （ 4）提出了“通过遥测获得成功”的概念 （ 5）多目标测控技术 国内：国内遥测技术以自力更生为主，研制了各种遥测系统，基本上满足了个方面的需求。但总体水平上离国际先进水平还有一段距离。发展状况如下：（ 1）频分制遥测技术在我国的发展与应用 （ 2） PCM 遥测技术在我国有了长足的进步 （ 3）新体制的研 究占有较大优势 （ 4）基于 CDMA 技术的多目标遥测技术方面的发展 （ 5）软件无线电在未来测控系统中的应用 1.3 遥测系统的 概述 无线遥测、遥控，即是在控制端把控制指令以某种编码方式形成易于传输的信号，通过无线传输，在受控制端经解码等处理形成相应的控制操作，同时，受控端的状态信息经同样的过程传输到控制端，从而实现对受控端的控制和监测的过程。 遥测设备一般由发射机、接收机两部分组成 。发射机主要包括编码电路和发射电路。编码电路产生所需要的控制指令，这些控制指令是具nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 3 有某些特征的 、相互间易于区分的电信号。不同的控制指令可以用不同频率的正弦信号代表，除此之外，还可用正弦信号的幅度及相位特征、脉冲信号的幅度、宽度及相位特征及码组特征等表示各种指令。 编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号，抗干扰能力较差，也无法直接传送到接收机上去，还要将指令信号送到发射电路，使它调制在高频载波信号上，再由发射天线发送出去。 接收机由接收电路及译码电路组成。接收电路又包括高频部分及解调器部分。由 接收天线送来的微弱信号首先经高频部分的选择和放大，滤除噪声，分离出有用信号，然后送解调器进行解调。解调电路 是将接收下来的已调信号还原为调制信号。即将指令编码信号从载波上“卸”下来的过程，是调制的逆过程。 从载波上“卸”下来的指令信号并不能直接用来驱动或控制，还要送指令译码电路进行译码，以获得各种控制指令。 1.4 本课题总体设计 本温度遥测系统主要由温度采集系统和监控系统组成，通过射频收发模块利用高频无线电波来传送数据和控制指令。温度采集系统负责温度数据的采集以及与监控系统的无线通信；监控系统负责接收温度信号、发送控制信号，实现温度的显示、存储、报警、与上位机的通信。 本遥测系统所要测量的温度范围在 0 50之间 ，因此，选用的温度传感器其量程一定要比这范围宽，并且要求温度传感器的精确度在 2以内。 对传感器的控制一般采用单片机 ，电源采用电池，所以要考虑功耗问题，故采用低功耗单片机。 由于本系统要求对温度信号的测量通过遥测的方式来实现，这就涉及到无线通信问题，考虑到抗干扰性，采用数字通信。而要将信号发送nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 4 出来，就要用到发送器件，也要选择低功耗的。 本课题应用传感器、单片微机、无线通信等高科技成果，设计了一种温度遥测系统。遥测原理框图如图 1-1所示： 图 1-1 遥测原理框图 接收模块 单片机 报警电路 RS232 显示器 键盘接口 计算机 看门狗监控电路 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 5 第 二 章 温度采集系统 设计 作为温度遥测系统的一个重要组成部分，发送端的温度采集系统负责将温度信号的变化转换成易测量的电信号，然后放大处理转化为有效的数字信号，最后经射频器件高频输出。该采集系统设计时，传感器的选定是重点所在。 2.1 传感器的选择 遥测信息常采用波的形式传播。而要把信息的形式转变成某种物理波，这是传感器的任务。 温度传感器是应用系统和现实世界之间的桥梁。 2.1.1 模拟式传感器的缺点 温度检测的传统方法是使用诸如热电偶、热电阻、半导体 PN 结（如AD590）之类的模拟传感器，经信 号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示温度值的数字信号，再交由微处理器或 DSP 处理。被测温度信号从敏感元件接收的非电模拟量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计者须考虑的线路环节较多，相应测温装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及体积微缩化。而模拟信号在长距离传输过程中，抗电磁干扰是令人伤脑筋的问题 。 在数字化测量和控制系统中，一个模拟式传感器的输出必须经过A/D 转换。但模拟式传感器自身的测量精度和分辨率都受到一定的限制，通常只有 1左右。例如，对有一个普通的以电压量输出的模拟 式传感器，要获得高精度，不仅对传感器本身的性能有要求，而且对传感器的基准电压有更高的要求。如果为了达到 0.01的测量精度，基准电压的精度要达到 0.001，这就是说，对于一个 10V 的基准电压要求有 0.1mV 的精度，要经济地获得这样高精度的电压是很困难。另一方面模数转换系统的精度也不可能很高。 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 6 2.1.2 数字式传感器的优点 采用具有直接数字量输出的传感器就能避免上述问题。因此，人们越来越重视数字式传感器技术的发展。所谓数字式传感器，是指能把被测（模拟）量直接转换成数字量输出的传感器。 数字式传感器具有下列特 点：具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；抗干扰能力强，稳定性好；信号易于处理、传送和自动控制；便于动态测量，读数直观；安装方便，维护简单，工作可靠性高。 2.1.3 DS18B20 的选用 随着科学技术的发展，由单片集成电路构成的温度传感器的种类越来越多，例如：以前常用的 AD590、 LM35，以及现在广泛应用的 DS1820、DS1821、 DS1620 等，并且测量的精度也越来越高，热响应时间也越来越短。这些有利条件给温度测控提供了极大的方便。 这里选用美国 Dallas半导体公司推出的 DS18B20单 线数字温度传感器。 DS18B20 改变了传统温度测试方法，能在现场采集温度数据，并直接将温度物理量变换为数字信号并以总线方式传送到计算机进行数据处理。 它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。 DS18B20 的性能： （ 1） 独特的单总线接口方式： DS18B20 与主机连接时仅需要一条 IO线即可实现双向通讯。 （ 2） 在使用中不需要任何外围元件。 （ 3） 可用正常供电，也可以用 IO 寄生供电方式工作，电压范围： 3.0 5.5V。 （ 4） 测温范围： 55 125， 在 10 85 时精度为 0.5 。 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 7 （ 5） 可编程的分辨率为 9 12 位，对应的可分 辨率温度分别为 0.5、0.25 0.125 和 0.0625。 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为 数字。 （ 6） 用户可自设定 EEPROM 的报警上下限值。 （ 7） 负压特性，电源极性接反时，温度计不会因热而烧毁，但不能正常工作。 （ 8） 供电方式既可以由 VDD 直接供电，也可以采用 IO 寄生供电。 DS18B20 温度传感器的 内部结构主要由四部分组成： 64 位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。其 外形类同塑封三极管，其引脚排列如图 2-1，引脚说明如表 2-1。 其内部结构图如图 2-2 所示。 DS18B20 内部存储器均为八位，共有 9 个便笺式 RAM，以及 3 个为EEPROM，用于长时间保存高低温报警温度设置值和配置寄存器的值。用拷贝便笺式 RAM 命令写 EEPROM，当上电复位时 EEPROM 的内容传送 到便笺式 RAM 中高低温报警温度寄存器和配置寄存器，图 2-3 为DS18B20 的存储器结构。 表 2-1 DS18B20 的引脚说明 图 2-1 DS18B20 的引脚图 引脚 符号 说明 1 GND 电源地 2 DQ 单线运用的数据输入输出引脚 3 VDD 可选 VDD 引脚 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 8 图 2-2 DS18B20 内部结构图 便笺式 RAM BYTE EEPROM 图 2-3 DS18B20 的存储器结构图 DS18B20 完成温度转换后，就把测得的温度值与 TH、 TL（ TH和 TL分别为设置的最高和最低检测温度）作比较。若 T TH或 T TL，则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。高64 位 ROM 和 单线 接口 电源检测 存储器和控制器 高速 缓存 存储器 8位 CRC生成器 温度灵敏元 件 温度灵敏元件 温度灵敏元件 温度灵敏元件 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 9 低温报警触发器 TH和 TL、配置寄存器均由一个字节的 EEPROM 组成，使用一个存储器功能命令可对 TH、 TL 或配置寄存器写入。 配置寄存器 结构如表 2-2 所示。该字节各位的意义为：低五位一直都是 1， TM 是测试模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不要去改动。 R1 和 R0用来设置分辨率。 R1、 R0 决定温度转换的精度位数 ， R1R0=00， 9 位精度，最大转换时间 93.75ms； R1R0=01， 10 位精度，最大转换时间 187.5 ms； R1R0=10， 11 位精度，最大转换时间 375 ms； R1R0=11， 12 位精度，最大转换时间 750 ms，未编程时默认为 12 位精度。分辨率设定及用户设定的报警温 度存储在 EEPROM 中，掉电后仍然保存。 表 2-2 配置存储器结构 高速暂存器是一个 9 字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息；第 3、 4、 5 字节分别是 TH、 TL、配置寄存器的临时复制，每一次上电复位时被刷新；第 6 字节未用，表现为全逻辑 1；第 7、 8 字节为计数剩余值和每度计数值；第 9 字节读书的是前面所有 8 个字节的CRC 码，可用来保证通信正确。 DS18B20 测温原理如图 2-4 所示。 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用来向计数器 1 提供固定频率的脉冲信号。高温度系数晶振的振荡频率受温度影响 较大，随温度的变化而明显改变，其产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入，用于控制闸门的关闭时间。初态时，计数器 1 和温度寄存器被预置在与 55相对应的一个基值上。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，在计数器 2 控制的闸nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 10 门的时间到达之前，如果计数器 1 的预置值减到 0，则温度寄存器的值将作加 1 运算，与此同时，用于补偿和修正测温过程中非线性的斜率累加器将输出一个与温度变化相对应的计数值，作为计数器 1 的新预置值，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，直到计数器 2 控制的闸门时间到达亦 即计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。在默认的配置中，DS18B20 的测温分辨率为 0.0625，以 12 位有效数据表示 （ 12 位数据存储在 DS18B20 的两个 8 比特的 RAM 中） ，其中，高位的 S 表示符号位，其数据格式如表 2 3 所示 。 二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于0.0625 即可得到实际温度。 如 0000 0001 1001 0001 表示 25.0625。 图 2-4 测温原理 表 2-3 DS18B20 的数据格式 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 11 DS18B20 数字温度传感器提供 9 位（二进制）温度读数，指示器件温度，所以无需 A/D转换。信息经过单线接口送入 DS18B20或从 DS18B20送出，因此从主机 CPU 到 DS18B20 仅需一条连接线，而且 DS18B20 的电源可由数据线本身提供（相对于外部电源，转换时间要延长）。而在本遥测系统中采用外部电源供电温度测量 工作方式，其中电阻 R 是上拉电阻，使得单线总线的 空闲状态是高电平 。 根据 DS18B20 的通讯协议，主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写前都要对 DS18B20 进行复位，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒，然后释放， DS18B20收到信号后等待 15 60 微秒左右，后发出 60 240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。 表 2-4 ROM 指令表 指 令 约定代码 功 能 读 ROM 33H 读 DS1820ROM 中的编码（即 64 位地址） 符合 ROM 55H 发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS1820 使之作出响应，为下一步对该 DS1820 的读写作准备。 搜索 ROM 0F0H 用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件作好准备。 跳过 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变换命令。适用于单片工作。 告警搜索命 0ECH 执行后只有温度超过设定值上限或下限的片nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 12 令 子才做出响应。 表 2-5 RAM 指令表 指 令 约定代码 功 能 温度变换 44H 启动 DS1820 进行温度转换，转换时最长为500ms（典型为 200ms）。结果存入内部 9 字节 RAM 中。 读暂存器 0BEH 内部 RAM 中 9 字节的内容 写暂存器 4EH 发出向内部 RAM 的 3、 4 字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。 复制暂存器 48H 将 RAM 中第 3、 4 字节的内容复制到EEPROM 中。 重调EEPROM 0B8H 将 EEPROM 中内容恢复到 RAM 中的第 3、 4字节。 读供电方式 0B4H 读 DS1820 的供电模式。寄生供电时 DS1820发送 “0”，外接电源供电 DS1820 发送 “1”。 2.2 AT89C2051 单片机的选择 一个控制系统的构成经常可以用单片机来较方便的完成，由于其体积小，指令系统简单，可靠性高，性能价格比高，发展也很迅速。近年来，随着计算机技术，尤其是微型计算机和微处理机的迅猛发展和广泛应用，各种各样具有微机或微处理器的智能测试仪器及测量控制系统大量涌现。 AT89C2051 与 80C31 系统相比较：如果需要构成一个 80C31 的最小系统的话，除了 CPU 之外，至少需要一片 74HC373 和一片 27C64，而系nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 13 统的有效引脚和 AT89C2051 基本相同。从元器件的 成本，电路板的面积和加密性来看，使用 AT89C2051 都是合算的。 AT89C2051 与 PIC 单片机比较：目前，国内小型的单片机使用较多的有 PIC 系列， AT89C2051 与 PIC 相对应芯片比较有如下特点：AT89C2051的价格高于 PIC 的 OTP 型号，但大大低于 PIC 的 EPROM型，AT89C2051 片内不含 Watch Dog，这是 AT89C2051 的不足之处，但是AT89C2051 的中断系统、堆栈结构、串行通讯能力和定时器系统都大大强于 PIC 系统。由于 PIC 芯片中无标准串行口，所以在单片机的联网应用上面， PIC 不太合适。 故 本温度控制装置微控制器采用 AT89C2051。 AT89C2051 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 2k 字节 的可反复擦写的只读Flash 程序存储器 （ EPROM） 和 128 字节 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51 的指令 集 和引脚 ，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元。 AT89C2051 是一个功能强大的单片机，但它只有 20 个引脚， 15 个双向输入输出（ I O）端口 (P1.0 P1.7、 P3.0 P3.5、 P3.7)，其中 P1是一个完整的 8 位双向 I O 口，两个外中断口，两个 16 位可编程定时计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较器。 主要特性： a、 和 MCS 51 产品的兼容 b、 2k 字节可编程闪速存储器 c、 2.7 6V的操作范围 d、 全静态操作： 0Hz 24MHz e、 两级加密程序存储器 f、128 8 位内部 RAM g、 两个 16 位定时器 /计数器 h、 六个中断源 i、可编程串行 UART 通道 j、 片内模拟比较器 k、低功耗空载和掉电方式 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 14 图 2-5 AT89C2051 引脚图 从 AT89C2051 的引脚图 2-5 可以看出，与 8051 相比， AT89C2051减少了两个对外端口（即 P1、 P2 口）， 使它最大可能地减少了对外引脚，因而芯片地尺寸有所减少。 AT89C2051 芯片地 20 个引脚功能为： 1、 VCC：电源电压。 2、 GND:地。 3、 P1 口： P1 口是一 8 位双向 I/O 口。口引脚 P1.2 P1.7 提供内部上拉电阻。 P1.0 和 P1.1 还分别作为片内精密模拟比较器地同相输入（ AIN0）和反相输入（ AIN1） 。 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 用作输入并被外部拉低时，它们将因内部地上拉电阻而流出电流。 4、 P3 口： P3 口的 P3.0 P3.5、 P3.7 是带有内部上拉电阻的七个双向 I/O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。用作输入时，被外部拉低的 P3 口引脚将用上拉电阻而流出电流。 P3 口还用于实现 AT89C2051的各种功能，如 下表 2-6 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。 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 15 5、 RST：复位输入。 RST 一旦变成高电平，所有的 I/O 引脚就复位到“ 1”。当振荡器正在运行时，持续给出 RST 引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需 12 个振荡周期或时钟周期。 6、 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。 7、 XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。 表 2-6 P3 口的功能 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 AT89C2051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。 AT89C2051 的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有 RAM、定时计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内 RAM 将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续进行。 从 AT89C2051 内部结构图 2-6 可看出，其内部结构与 8051 内部结构基本一致（除模拟比较器外），引脚 RST、 XTAL1、 XTAL2 的特性和P3 口引脚 功能 P3.0 RXD（串行输入端口） P3.1 TXD（串行输出端口） P3.2 INT0（外中断 0） P3.3 INT1（外中断 1） P3.4 T0（定时器 0 外部输入） P3.5 T1（定时器 1 外部输入） nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 16 外部连接电路也完全与 51 系列单片机相应引脚一致，但 P1 口、 P3 口有其独特之处。 图 2-6 AT89C2051 内部结构图 2.3 温度信号采集的实现 信号采集是指温度信号从传感器 DS18B20 到单片机的这一通信过程，这里，传感器与单片机的连接方式为主从式，其中，传感器为从机，单片机为主机。本课题中选用 DS18B20 的一个重要原因就是温度转换时间快，以数字方式输出，测量 精度高。 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 17 此信号采集系统以 DS18B20 作为温度传感器， ATMEL 公司的简化型 8051 单片机 AT89C2051 作为处理器。系统工作原理 为： DS18B20 进行现场温度测量，将测量数据送入 AT89C2051 P3.7 口，经单片机处理，并与设定的报警温度上下值比较，若高于设定上限值或低与设定下限值则蜂鸣器发出报警 。 图 2-7 为 DS18B20 温度传感器与单片机得硬件连接图。 图 2-7 DS18B20 与单片机连接图 2.3.1 单线接口访问 DS18B20 由于 DS18B20 只有一根数据线，因此它与主机（单片机）通信时需用串行通信 。 这里应该注意的是， 经过单线接口访问 DS18B20 必须遵循如下协议：初始化、 ROM 操作命令、存储器操作命令和控制操作。要使传感器工作，一切处理均从初始化序列开始。 （ 1） AT89C2051 首先发出一个复位脉冲，使 DS18B20 复位：先将数据线拉低并保持 480 960us，再释放数据线，由上拉电阻拉高 15 60us 后由 DS18B20 发出 60 240us 的低电平作为应答信号。 （ 2） AT89C2051 对 DS18B20 写数据：先将数据线拉低 1us 以上，再 写nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 18 入数据 。如数据线为高电平则写 1；若为低电平则写 0。 待写入数据变化15 60us 后， DS18B20 对数据线采样。工作中要求主机写入到 DS18B20的保持时间应为 60 120us， 2 次写数据的操作时隙 应大于 1us。 （ 3） AT89C2051 读 DS18B20 数据： AT89C2051 先将数据线拉低再释放。DS18B20 在数据线上从高电平调低后 15us 内将数据送到数据线上，AT89C2051 在 15us 后读取数据。 每个读周期最短的持续期为 60us。周期之间必须有 1us 以上的高电平恢复期。 AT89C2051 访问 DS18B20 的程序流程图如图 2-8 所示。 图 2-8 AT89C2051 访问 DS18B20 的程序流程图 2.4 看门狗 监控电路的选择 在单片机的工作现场，存在着各种各样的干扰源。这些干扰源很可能引起程序跑飞，造成死机或程序的非正常运行，如不及时恢复，容易造成损失。看门狗就是在程序跑飞或死机时，对系统进行重新置位或者nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 19 复位，以使系统恢复正常运行的一种专用电路。现在常用的看门狗主要有两种：软件狗和硬件狗。 1.软件狗实际上就是通常所说的软件陷阱，是纯软件的处理方法。它是在程序存储器的空余地址中全 部填上一条跳转指令，一旦程序跑飞，只要程序指针指向这些地址，便立即被强行跳转至程序开头或其他指定地址处，从而使程序继续正常执行。 2.硬件狗现在更多的被采用。所谓硬件狗，就是一个能够发出“复位”信号的计数器或定时器电路。以前常用的硬件狗 由脉冲计数器（如 4060芯片）和一些外围电路组成，计数清零端和溢出端分别和单片机的 I/O口与 RST 相连接。其工作原理是：由脉冲发生电路产生脉冲，计数器对脉冲进行计数。程序正常运行时， CPU 在计数器溢出之前通过 I/O 口对计数器清零，使计数器不能溢出。一旦程序运行出现异常，不能及 时对计数器清零，计数器将发生溢出。此时，由于溢出端与 CPU 的 RST 端相连接，所以使单片机系统“复位”，使其能够重新正常运行。 单片机系统的供电电源有时候因为各种原因而不稳定，发生电压波动或瞬间掉电的现象，从而影响系统的正常工作和数据保存。如果能对电源电压进行监视，当电源电压下降到某一特定值时，发出一个信号给单片机和电源切换 电路，那么就能使 CPU 及时进行必要的操作和维持工作电源的稳定。 本系统选择 MAX813L，它能满足上述要求。 2.4.1 MAX813L 芯片介绍 MAX813L 是 MAXIM 公司推出的低成本 微处理器监控芯片。封装形式为 8 脚双列直插式（ DIP）和小型（ SO）式封装，引脚如图 2-9 所示。 MAX813L 主要有以下几个功能： （ 1）上电、掉电以及降压情况下具有 RESET 输出，复位脉冲宽度nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 20 典型值为 200ms。 （ 2）独立的“看门狗”电路。“看门狗”定时时间为 1.6s。如果看门狗输入在 1.6s 内未被触发，其输出将变为高电平。 （ 3） 1.25V 门限检测器，用于低压报警，还可监视 5V 以外的电源电压。 （ 4） 具有手工复位输入端。 图 2-9 MAX813L 引脚图 MAX813L 各引脚功能及工作原理如下： 脚（ MR） 手动复位输入端。当该端输入低电平保持 140ms以上， MAX813L 就输出复位信号，该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关地抖动。 MR 与 TTL/CMOS 兼容。 脚（ VCC） 工作电源端。接 5V 电源。 脚（ GND） 电源接地端。接 0V 参考电平。 脚（ PFI） 电源故障输入端。当该端输入电压低于 1.25V 时，5 号引脚输出端地信号由高电平变为低电平。 脚（ PFO） 电源故障输出端。电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。 脚（ WDI） 看门狗信号输 入端。程序正常运行时，必须在小于 1.6s 的时间间隔向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过 1.6s 该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器 溢出，nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 21 8 号引脚由高电平变为低电平。 脚（ RESET） 复位信号输入端。上电时，自动产生 200ms 的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。 脚（ WDO） 看门狗信号输出端。正常工作时输出保持高电平，看门狗溢出时，该端输出信号由高电平变为低电平。 MAX813L 的内部结构如图 2-10 所示。它减少了在微处理器系统中采用分离元件来实 现监控功能所用的元器件数量和复杂性，并能提高系统的可靠性和准确性。它除有看门狗作用以外，还有电源电压检测和上电（手动）复位的功能。 图 2-10 AMX813L 内部结构图 2.4.2 MAX813L 基本工作原理 单片机的掉电工作方式电路原理图如图 2-11 所示：当 PD 设置为 1nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 22 时，激活掉电方式，此时 =0,与非门输出为低电平，时钟发生器停止工作，单片机内所有运行状态均被停止，只有片内 RAM 和 SFR 中的数据被保存起来。在单片机系统中可借助于一定的外部附加电路监测电源电压，并在电源发生故障时及时通知单片机 （如通过 引发 中断来实现）快速保存重要数据，且断开外围设备用电电源，使整个应用系统的功耗降到最少。当电源恢复正常时，取消掉电方式，通过复位单片机，使系统重新工作。 图 2-11 单片机掉电工作方式电路原理图 2.4.3 MAX813L 与单片机的硬件连接 图 2-12 是 MAX813L 在 AT89C2051 单片机中的应用线路图。 此电路可以实 现上电、瞬时掉电以及程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以实时地监视电源故障，以便及时地保存数据。 本电路巧妙地利用了 MAX813L 的手动复位端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机”， 端电平由高到低，当 变低超过 140ms，将引起MAX813L 产生一个 200ms 的复位脉冲。同时使看门狗定时器清零和使引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使 MAX813L 产生复位脉冲，由于产生复位脉冲 端要求低电平至少保持 140ms 以上，故可nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 23 以有效地消除开关抖动。 图 2-12 MAX813L 与单片机的连接图 该电路可以实时地监视电源故障（掉电、电压降低等）。图 2.4 4中 R1 的一端接未经稳压的直流电源。电源正常时，确 保 R2 上的电压高于 1.26V，即保证 MAX813L 的 PFI 输入端电平高于 1.26V。当电源发生故障， PFI 输入端的电平低于 1.25V 时，电源故障输出端 电平由高变低，引起单片机 中断， CPU 响应中断，执行相应的中断服务程序，保护数据，断开外部用电电路等。 nts吉林大学本科生毕业论文（设计） 24 第三章 无线数字通信系统 设计 3.1 通信系统模型 3.1.1 建立系统模型 首先建立通信系统的模型 如图 3-1 所示。 图 3-1 通信系统的模型 上图中，信
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