第二章 硬件设计

第二章 硬件设计 2 1 主控制电路 AT89C51 作为温度测试系统设计的核心器件 该器件是 INTEL 公司生产的 MCS 一 5l 系列单片机中的基础产品 采用了可靠的 CMOS 工艺制造技术 具有高性能的 8 位单片机 属于标准的 MCS 51 的 CMOS 产品 不仅结合了 HMOS 的高速和高密度技术及 CHMOS 的 低功耗特征 而且继承和扩展了 MCS 48 单片机的体系结构和指令 系统 单片机小系统的电路图如图 2 1 所示 图 2 1 单片机系统图 AT89C51 单片机的主要特性 1 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 2 灵活的在线系统编程 掉电标识和快速编程特性 3 寿命为 1000 次写 擦周期 数据保留时间可 10 年以上 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 8 Jun 2009 Sheet of File E baihao 业业业业 业业业 业业 业业业 4业16X16业业 ddbDrawn By P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INTI P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE 30 BA 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P00 AD0 39 VCC 40 P2 0 A8 21 U AT89C51 Y112M C2 22PF C3 22PF C1 10UF S1RESET R1 10K VCC 4 全静态工作模式 0Hz 33Hz 5 三级程序存储器锁定 6 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 7 两个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 8 全双工串行 UART 通道 低功耗的闲置和掉电模式 9 看门狗 WDT 及双数据指针 9 片内振荡器和时钟电路 2 2 温度传感器 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司推出的一种改进型 智能温度传感器 与传统的热敏电阻等测温元件相比 它能直接读 出被测温度 并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9 12 位的数 字值读数方式 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 无须经过其它变 换电路 多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上 实现多点组网功能 内含 64 位经过激光修正的只读存储器 ROM 可通过数据线供电 内含寄生电源 电压范围为 3 0 5 5 零待机功耗 温度以 9 或 12 位数字 用户可定义报警设置 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 但不 能正常工作 测温范围为 55 125 测量分辨率为 0 0625 采用单总线专用技术 DS18B20 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 DS18B20 的管 脚排列 各种封装形式如图 3 3 1 所示 DQ 为数据输入 输出引脚 开漏单总线接口引脚 当被用着在寄生电源下 也可以向器件提供 电源 GND 为地信号 VDD 为可选择的 VDD 引脚 当工作于寄生电源 时 此引脚必须接地 其电路图 2 2 所示 图 2 2 DS18B20 内部结构和电路图 引脚功能说明 NC 空引脚 悬空不使用 VDD 可选电源脚 电源电压范围 3 5 5V 当工作于寄生电源 时 此引脚必须接地 DQ 数据输入 输出脚 漏极开路 常态下高电平 GND 为电源地 DS18B20 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 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的 它可以看作是 该 DS18B20 的地址序列码 64 位光刻 ROM 的排列是 开始 8 位 28H 是产品类型标号 接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号 最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码 CRC X8 X5 X4 1 光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同 这样就可以实现一根 总线上挂接多个 DS18B20 的目的 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量 以 12 位转化为 例 用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供 以 0 0625 LSB 形式表达 其中 S 为符号位 这是 12 位转化后得到的 12 位数据 存储在 18B20 的两个 8 比 特的 RAM 中 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 例如 125 的数字输出为 07D0H 25 0625 的数字输出为 0191H 25 0625 的数字输出为 FF6FH 55 的数字输出为 FC90H DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一 个非易失性的可电擦除的 E2RAM 后者存放高温度和低温度触发器 TH TL 和结构寄存器 暂存存储器包含了 8 个连续字节 前两个字节是测得的温度信 息 第一个字节的内容是温度的低八位 第二个字节是温度的高八 位 第三个和第四个字节是 TH TL 的易失性拷贝 第五个字节是结 构寄存器的易失性拷贝 这三个字节的内容在每一次上电复位时被 刷新 第六 七 八个字节用于内部计算 第九个字节是冗余检验 字节 该字节各位的意义如下 TM R1 R0 1 1 1 1 1 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 如表 1 所示 DS18B20 出 厂时被设置为 12 位 表 2 1 DS18B20 温度转换时间表 R1R0分辨率 位 温度最大转向时 间 00993 75 0110187 5 1011375 1112750 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 每一次读写之前都要对 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 16 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 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 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 温度寄存器中 计数器 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 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 的预置值减到 时 温度寄存器的值将加 1 减法计 数器 的预置将重新被装入 减法计数器 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 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 原理图 2 3 如下 预预置置 低低温温度度系系数数振振荡荡器器 高高温温度度系系数数振振荡荡器器 斜斜率率增增加加器器 计计数数器器 1 比比较较 预预置置 0温温度度寄寄存存器器 计计数数器器 2 0 Tx 加加 1 停停止止 1 2 图 2 3 测温原理图 2 3 温度传感器与单片机的接口电路 DS 18B 20DS 18B 20DS 18B 20 4 7 K GNDGNDGND VCC VCC单 片 机 图 2 4 接口电路图 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 1 脚接地 2 脚作为信号线 3 脚接电源 另一种是寄生 电源供电方式 如图 4 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 多个 DS18B20 可以将 2 口串接到一条总线上 而本 设计只用了一个 DS18B20 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 上拉开启时间最大为 10us 采用寄生电源供电方式时 VDD 端接地 由于单线制只有一根线 因此发送接口必须是三态的 2 4 复位信号及外部复位电路复位信号及外部复位电路 单片机的 P1 6 端口是 MAX813 看门狗电路中喂狗信号的输入端 即单片机每执行一次程序就设置一次喂狗信号 清零看门狗器件 若程序出现异常 单片机引脚 RST 将出现两个机器周期以上的高电 平 使其复位 该复位信号高电平有效 其有效时间应持续 24 个振 荡脉冲周期即两个机器周期以上 若使用频率为 12 MHz 的晶体振荡 器 则复位信号持续时间应超过 2 s 才完成复位操作 2 52 5 单片机与报警电路单片机与报警电路 系统中的报警电路是由发光二极管和限流电阻组成 并与单片机 的 P1 2 端口连接 1 端口的作用和接法与 P2 端口相同 不同的是 在 Flash 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址数据 2 62 6 看门狗电路看门狗电路 系统中把 P1 6 作为看门狗的 喂狗 信号 将 MAX813 的 RESET 与单片机的复位信号 RST 连接 如图 2 5 所示 图 2 5 看门狗电路结构 2 7 显示电路 采用技术成熟的 74HCl64 或 74LS573 实现串