51单片机电子温度计毕业论文

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 基于基于 5151 单片机的电子温度计单片机的电子温度计 摘摘要要 在我们的日常生活和生产过程中，常需要检测及控制温度，温度是生产过程 和科学实验中经常遇到的重要参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产， 必须对它的主要参数，如温度、湿度、压力等进行有效的控制。温度控制在生产 过程起到相当重要的作用。温度测量是温度控制的基础，技术已经趋向简单和成 熟。 传统的测温元件有热电偶和二电阻。 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，这些方法相对比较复杂， 需要比较多的外部硬件支持。我 们用一种相对比较简单的方式来测量。 在本设计中选用 AT89C51 型单片机作为主控制器件，选用 DS18B20 温度传 感器作为测温电子元件，通过 4 位共阳极 LED 数码显示管并行传送数据，实现 温度显示。本设计的内容主要分为两部分，一是对系统硬件部分的设计，包括温 度采集电路和显示电路；二是对系统软件部分的设计，应用 C 语言实现温度的 采集与显示。通过 DS18B20 直接读取被测温度值，送入单片机进行数据处理， 之后进行输出显示，最终完成了数字温度计的总体设计。其系统结构简单， 数据 运行处理速度快，信号采集效果较好，便于实际检测使用。 关键词关键词：温度，DS18B20，AT89C51 AbstractAbstract In our daily life and production process, we often need to measure and control temperature, temperature is the production process and scientific experiments are often encountered in one of the most important parameters. In the production process, in order to efficient production, we must make effective control of its main parameters, such as temperature, humidity, pressure etc. Temperature control plays an important role in the production process. The temperature measurement is the basis of the temperature control .Its technology has become simpler and mature. Traditional thermocouple and temperature components are the second resistor .The thermocouple and thermal resistance are generally measured voltage, and then replaced by the corresponding temperature, these methods are relatively complex, requiring a relatively large number of external hardware support. We use a relatively simple way to measure. Used in the design AT89C51 MCU as the main control device, digital temperature sensor DS18B20 as the temperature components of the anode through the four LED digital display tube parallel transmission of data, to achieve temperature display. This designs content mainly divides into two parts; first, to system hardware part design, including temperature gathering electric circuit and display circuit; Second, to the system software parts design, realizes temperature gathering and the demonstration using the C language. DS18B20 measured by direct reading temperature values and transfer Data into MCU and output to display, this is the design of the Digital Thermometer . Its system constitution is simple, the speed of data processing is quick, the effect of signal gathering is good and it is advantageous for the actual examination use. Key wordsKey words：Temperature ， DS18B20 ，AT89C51 目目录录 1 1绪论 . 1 1.1题目背景及目的 . 1 1.2国内外研究状况 . 2 1.3课题主要工作 . 3 1.4论文构成及研究内容 . 4 2 2开发工具开发工具 keilkeil 简介简介 . 5 2.1基础知识 . 5 2.1.1有限元法 . 5 2.1.2循环对称结构的分析方法 . 6 3 3数字温度计方案可行性分析数字温度计方案可行性分析 . 15 4.系统硬件选择与设计 13.1 核心处理器的设计 .错 错误！未定义书签。误！未定义书签。 结论 . 48 参考文献 . 49 致谢 . 50 附录 A. 51 附录 B. 52 1 绪论 1.1 课题的背景及目的 随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现能够独立工作 的温度检测和显示系统应用于诸多领域。环境温度一直是生物能否较适宜生存 的一个重要因素，而人们对环境温度的感知也从单纯的身体感官的感受发展到 用各种温度计来对环境温度进行准确的测量。传统的温度采集方法不仅费时费 力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好 的解决。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件。热敏电阻的成本低，但 需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一 定的误差。与传统的温度计相比，这里设计的数字温度计具有读数方便，测温 范围广，测温精确，数字显示，适用范围宽等特点。 单片机自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS-48 开始， 迄今已有三十多年了。 由 于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低 廉等一系列优点，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、 食品、石油等各个行业。本设计讨论的单片机多功能定时器的核心是目前应用 极为广泛的 51 系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系 统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。不仅能满足所需要求而且还有很 多功能可供开发，有着广泛的应用领域1。 20 世纪 80 年代中期以后，Intel 公司以专利转让的形式把 8051 内核技术转 让给许多半导体芯片生产厂家，如 ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、 DALLAS 等。这些厂家生产的芯片是 MCS-51 系列的兼容产品，准确地说是与 MCS-51 指令系统兼容的单片机。 MCS-51 系列及 80C51 单片机有多种品种。 它 们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的 MCS-51 系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：基本型、增强型、低功 耗型、 专用型、 超 8 位型、 片内闪烁存储器型。 其中 ATMEL公司的标准型 AT89 单片机因其与 MCS-51 的完全兼容性、优良的工作性能、使用的灵活性以及较 高的性能价格比，成为 AT89 系列单片机的主流机型，在嵌入式控制系统中获 得广泛应用。 美国 Dallas 公司生产的的温度传感器 DS1820 是世界上第一片支持 “一线 总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板 (ON-B0ARD)专利技术。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。 “一线总线”独特而 且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新 概念。现在，新一代的DS18B20 体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发 挥“一线总线”的优点。 同 DS1820 一样，DS18B20 也支持“一线总线”接口， 测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C 范围内，精度为0.5C。 现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。 适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消 费电子产品等。DSl8B20 作为测温传感器通过 LCD1602 并行传送数据，实现温 度显示。通过 DSl8B20 直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化 学性能稳定，线性度较好，在-55125最大线性偏差小于 0.1。该器件可 直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。另外，该温度计还能直 接采用测温器件测量温度，从而简化数据传输与处理过程。 课题的设计目的 1 巩固、 加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解 决工业控制的能力。 2 学习 DS18B20 数字温度传感器的测温原理，提高运用所学专业知识进行 独立思考和综合分析、解决实际问题的能力； 3 通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研 制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。 4 学会用 PROTEL99SE 进行电路原理图和 PCB 图的绘制。 5 学习用 PSPICE、 MULTISIM 8等仿真软件进行电路设计和仿真。 1.21.2 国内外的研究状况国内外的研究状况 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的 温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相 比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、 自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表 较少。随着我国经济的发展，对科研的投入加大，对相关企业资源进行了重组， 相继建立了一些国家级，省级的研发机构，开展创新性研究，使我国仪表工业 得到了迅速的发展。 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功 能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件： CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如 通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。国内很多公司已经能够独立生产一 些高性能的单片机了，例如华为，炬力，中兴等公司。而现在最强大的单片机 系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 目前，高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专 用处理器， 而普通的型号出厂价格跌落至几毛钱， 最高端的型号也只有 10 美元。 当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作 系统被广泛应用在全系列的单片机上。 单片机发展有明显的趋势，可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是 一种明显的走向。它所集成的部件越来越多；NS（美国国家半导体）公司的单 片机已把语音、图象部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在 于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。原 因是其内部已集成上各种应用电路，它的功耗越来越低和模拟电路结合越来越 多。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生 新的变化和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小， 甚至难以辨认。 1.31.3 课题的主要工作课题的主要工作 本课题的研究重点是设计一种基于单片机的数字温度计控制系统。 利用数字温度传感器 DS18B20，此传感器课读取被测量温度值，进行转换。 主要工作如下： 1.选好 mcu 和温度传感器以及显示元件，画出硬件电路图，并且焊接好电 路 2.温度检测器件采用 DS18B20 数字式温度传感器，利用单总线式连接方式 与单片机的串行接口 P0.0 引脚相连； 3.显示电路采用 1602 液晶，能准确显示温度 4.编写好程序，调试，以达到设计要求 1.41.4 论文构成及研究内容论文构成及研究内容 数字温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体， 热敏电阻等），将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化 和电信号的变化有一定的关系，这个电信号可以使用模数转换的电路即A/D 转换电 路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，如单片机或者PC 机等， 处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来 的温度数值，然后通过显示单元，显示出来给人观察。这样就完成了数字温度计的 基本测温功能。其主要研究内容包括两方面，一是对系统硬件部分的设计，包括 温度采集电路和显示电路；二是对系统软件部分的设计，应用 C 语言实现温度 的采集与显示。通过利用数字温度传感器 DS18B20 进行设计，能够满足实时检 测温度的要求，同时通过 LED 数码管的显示功能，构成实现温度检测与显示的 单片机控制系统，即数字温度计。通过对单片机编写相应的程序可以实现不间 断的温度显示，并带有复位功能。 2 开发工具 keil 2.1 软件 Keil 介绍 编程使用的软件是 KEIL，编程使用 C 语言。 Keil C51 是美国 Keil Software公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开 发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显 的优势，因而易学易用。Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理 和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境 （uVision） 将这些部分组合在一起。 运行 Keil 软件需要 WIN98、 NT、 WIN2000、 WINXP 等操作系统。假如运用 C 语言编程，Keil 的使用十分方便，即使不使 用 C 语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试 工具也能发挥很大作用。 2.1.1 系统概述 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体 会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高， 多数语句生成的汇编代码很紧凑， 容易理解。 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 下面详细介绍 Keil C51 开发系统各部分功能和使用。 2.1.2 Keil C51 单片机软件开发系统的整体结构 C51 工具包的整体结构， uVision与 Ishell 分别是 C51 for Windows和 for Dos 的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流 程。开发人员可用 IDE 本身或其它编辑器编辑 C 或汇编源文件。然后分别由 C51 及 C51 编译器编译生成目标文件(OBJ)。目标文件可由 LIB51 创建生成 库文件，也可以与库文件一起经 L51 连接定位生成绝对目标文件(ABS)。ABS 文件由 OH51 转换成标准的 Hex 文件，以供调试器 dScope51 或 tScope51 使用 进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写 入程序存贮器如 EPROM 中。 使用独立的 Keil 仿真器时，注意事项： *仿真器标配 110592MHz 的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中 换插其他频率的晶振。 *仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。 *仿真芯片的 31 脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM， 不能使用片外ROM； 但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连， 故该仿真器仍可插入到扩展有外部 ROM（其 CPU 的/EA 引脚接至低电平）的 目标系统中使用。 3 3 数字温度计的方案设计数字温度计的方案设计 3.13.1 设计方案论证与比较设计方案论证与比较 3.1.13.1.1 显示电路方案显示电路方案 方案一：采用数码管动态显示 使用七段 LED 数码管，采用动态显示的方法来显示各项指标，此方法虽然 价格成本低，但是显示单一，且功耗较大。 方案二：采用 LCD 液晶显示 采用 1602 LCD 液晶显示，此方案显示内容相对丰富，且价格不高。 综合上述原因，采用方案二，使用 LCD 液晶作显示电路。 3.1.23.1.2 测温电路方案测温电路方案 方案一 方案二 图 3-2 系统总电路图 4 系统硬件设计 4.1 核心处理器的设计 4.1.1 STC89C52 的简介 对于单片机的选择，可以考虑使用8031 与 8051 系列，由于8031 没有内部 RAM，系统又需要大量内存存储数据，因而不适用。所以，我们选用 51 系列 单片机 STC89C52。STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时 器，内置 4KB EEPROM ，MAX810 复位电路，三个16 位 定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口。 低价位 STC89C52 单片机可应用于许多高性 价比的场合，可灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。单 片机 STC89C52 具有低电压供电和体积小等特点，很适合便携手持式产品的设 计使用。系统可用 3 节电池供电。 【2】STC89C52单片机的基本组成框图见图4-1。 XTAL2 时钟电路 XTAL1 RAM128B SFR 21个 定时个/计数器2 Vcc CPU ROM/EPROM/Flash 4KB 总线控制 中断系统 5个中断源 2个优先级 串行口 全双工1个 4个并行口 Vss RST EA PSEN ALE P0P1P2P3 图 4-1STC89C52单片机结构图 由图 4-1 可见，STC89C52 单片机主要由以下几部分组成： 1.cpu 系统： 8 位 cpu，含布尔处理器； 时钟电路；总线控制逻辑。 2.存储器系统：4K 字节的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可外扩至64KB） ； 128 字 节的数据存储器（RAM，可再外扩 64KB） ； 特殊功能寄存器 SFR。 3.I/O 口和其他功能单元： 中断系统（5 个中断源，2 个优先级） ； 4 个并行 I/O 口；2 个 16 位定时计数器；1 个全双工异步串行口。 4.1.2 STC89C52单片机主要特性 1. 一个 8 位的微处理器(CPU)。 2. 片内数据存储器 RAM(128B)，用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最 终结果以及欲显示的数据等，SST89 系列单片机最多提供1K 的 RAM。 3. 片内程序存储器 ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单 片机内部不带 ROM/EPROM，如 8031，8032，80C31 等。目前单片机的发展趋势是将RAM 和 ROM 都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。 SST 公司推出的 89 系列单片机分别集成了 16K、32K、64K Flash 存储器，可供用户根据需要 选用。 4. 四个 8 位并行 IO 接口 P0P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。 5. 两个定时器计数器， 每个定时器计数器都可以设置成计数方式， 用以对外部事件 进行计数，也可以设置成定时方式， 并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。 为方便 设计串行通信，目前的 52 系列单片机都会提供 3 个 16 位定时器/计数器。 6. 五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只5 个中断源，例如 SST89E58RD 就有 9 个中断源。 7. 一个全双工 UART(通用异步接收发送器)的串行 IO 口，用于实现单片机之间或单 机与微机之间的串行通信。 8. 片内振荡器和时钟产生电路， 但石英晶体和微调电容需要外接。 最高允许振荡频率为 12MHz。SST89V58RD 最高允许振荡频率达 40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。 【3】 4.1.3 STC89C52 单片机管脚图 STC89C52单片机管脚如图 4-2 所示 图 4-2 STC89C52单片机管脚图 部分引脚说明： 1.时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2： XTAL2(18 脚)：接外部晶体和微调电容的一端； 在 8051 片内它是振荡电路反相放大器 的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。 若需采用外部时钟电路时， 该引脚输入外部 时钟脉冲。 要检查 8051/8031 的振荡电路是否正常工作， 可用示波器查看 XTAL2 端是否有 脉冲信号输出。 XTAL1(19 脚)：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的 输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。 2.控制信号引脚 RST,ALE,PSEN 和 EA： RST/VPD(9 脚)：RST 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源的输 入端。 当主电源 Vcc 发生故障， 降低到低电平规定值时， 将5V 电源自动两个机器周期(24 个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。RST 引脚的第二功能是 VPD,即接入 RST 端，为 RAM 提供备用电源，以保证存储在 RAM 中的信息不丢失，从而合复位后能 继续正常运行。 ALE/PROG(30 脚)：地址锁存允许信号端。当 8051 上电正常工作后，ALE 引脚不断向 外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率 fOSC 的 1/6。CPU 访问片外存储器时，ALE 输 出信号作为锁存低 8 位地址的控制信号。平时不访问片外存储器时， ALE 端也以振荡频率 的 1/6 固定输出正脉冲，因而 ALE 信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果想确定 8051/8031 芯片的好坏，可用示波器查看ALE 端是否有脉冲信号输出。如有脉冲信号输出， 则8051/8031 基本上是好的。 ALE 端的负载驱动能力为8 个LS 型TTL(低功耗甚高速TTL) 负载。此引脚的第二功能 PROG 在对片内带有 4KB EPROM 的 8751 编程写入(固化程序) 时，作为编程脉冲输入端。 PSEN(29 脚)：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负 脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引肢接EPROM 的 OE 端(见后面几章任何一个小系 统硬件图)。PSEN 端有效，即允许读出EPROMROM 中的指令码。PSEN 端同样可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。要检查一个 8051/8031 小系统上电后 CPU 能否正常到 EPROM ROM 中读取指令码， 也可用示波器看 PSEN 端有无脉冲输出。 如有则说明基本上工作正常。 EA/Vpp(31 脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA 引脚接 高电平时，CPU 只访问片内 EPROM/ROM 并执行内部程序存储器中的指令，但当PC(程序 计数器)的值超过 0FFFH(对 8751/8051 为 4K)时， 将自动转去执行片外程序存储器内的程序。 当输入信号 EA 引脚接低电平(接地)时， CPU 只访问外部 EPROM/ROM 并执行外部程序存 储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内 ROM 的 8031 或 8032,需外扩 EPROM，此时必须将EA 引脚接地。此引脚的第二功能是Vpp 是对 8751 片内 EPROM 固 化编程时，作为施加较高编程电压(一般 12V21V)的输入端。 1.输入/输出端口 P0/P1/P2/P3： P0 口(P0.0P0.7，3932 脚)：P0 口是一个漏极开路的 8 位准双向 I/O 口。作为漏极开 路的输出端口，每位能驱动8 个 LS 型 TTL 负载。当 P0 口作为输入口使用时，应先向口 锁存器(地址 80H)写入全 1,此时 P0 口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用 时要先写 1,这就是准双向口的含义。在 CPU 访问片外存储器时，P0 口分时提供低 8 位地 址和 8 位数据的复用总线。在此期间，P0 口内部上拉电阻有效。 P1 口(P1.0P1.7，18 脚)：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。P1 口 每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 在 P1 口作为输入口使用时， 应先向 P1 口锁存地址(90H) 写入全 1,此时 P1 口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。 P2 口(P2.0P2.7，2128 脚)：P2 口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向 I/O 口。P 口 每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。在访问片外 EPROM/RAM 时，它输出高 8 位地址。 P3 口(P3.0P3.7，1017 脚)：P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。P3 口每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。P3 口与其它 I/O 端口有很大的区别，它的每个引脚都 有第二功能，如下： P3.0：(RXD)串行数据接收。 P3.1：(RXD)串行数据发送。 P3.2：(INT0#)外部中断 0 输入。 P3.3：(INT1#)外部中断 1 输入。 P3.4：(T0)定时/计数器 0 的外部计数输入。 P3.5：(T1)定时/计数器 1 的外部计数输入。 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。 4.1.480C51 单片机的中断系统 80C51 系列单片机的中断系统有5 个中断源， 2 个优先级， 可以实现二级中断服务嵌套。 由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE 控制 CPU 是否响应中断请求； 由中断优先级 寄存器 IP 安排各中断源的优先级；同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查 询逻辑确定其响应次序。 4.1.580C51 单片机的定时/计数器 在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等； 也经常要对外部事件进行计数。 80C51 单片机内集成有两个可编程的定时/计数器： T0 和 T1， 它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1 还可以作为串行 口的波特率发生器。 4.1.6 复位电路的设计 单片机复位电路的设计如图 4-3 所示。 该复位电路采用手动复位与上电复位 相结合的方式。当按下按键 S5 时，VCC 通过 R11 电阻给复位输入端口一个高 电平，实现复位功能，即手动复位。上电复位就是 VCC 通过电阻 R11 和电容 C5 构成回路，该回路是一个对电容 C5 充电和放电的电路，所以复位端口得到 一个周期性变化的电压值，并且有一定时间的电压值高于 CPU 复位电压，实现 上电复位功能。 图 4-3 单片机复位电路 4.1.7 晶振电路的设计 单片机晶振电路的设计如图 4-4 所示。XTAL1（X1）为反向振荡放大器的 输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2(X2)是来自反向振荡器的输出。按照 理论上 AT89C51使用的是 12MHz 的晶振，但实测使用 11.0592MHz。所以设计 者通常用的是 11.0592MHz。 图 4-4 单片机晶振电路 4.24.2 液晶显示模块液晶显示模块 4.2.1LCD 液晶显示器简介 显示器是人与机器沟通的重要界面，早期以显像管(CRT/Cathode Ray Tube)显示器为主， 但随着科技不断进步，各种显示技术如雨后春笋般诞生，近来由于液晶 (LCD)显示器具有轻 薄短小、耗电量低、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，在近年来价格 不断下跌的吸引下，逐渐取代CRT之主流地位，显示器明日之星架势十足。 液晶是一种既具有液体的流动性又具有光学特性的有机化合物， 它的透明程度和呈现的 颜色受外加电场的影响，利用这特点便可做成字符显示器。 液晶显示器(LCD)英文全称为 Liquid Crystal Display， 它一种是采用了液晶控制透光度技 术来实现色彩的显示器。和CRT显示器相比，LCD 的优点是很明显的。由于通过控制是否 透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。4 显示接口用来显示系统的状态，命令或采集的电压数据。本系统显示部分用的是 LCD 液晶模块，采用一个 161 的字符型液晶显示模块。 点阵图形式液晶由 M 行N 列个显示单元组成，假设 LCD 显示屏有 64 行，每行有 128 列，每 8 列对应 1 个字节的 8 个位，即每行由 16 字节，共 168=128 个点组成，屏 上 6416 个显示单元和显示 RAM 区 1024 个字节相对应， 每一字节的内容和屏上相应位 置的亮暗对应。一个字符由 68 或 88 点阵组成，即要找到和屏上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 个字节， 并且要使每个字节的不同的位为1， 其它的为0， 为1的点亮， 为0 的点暗，这样一来就组成某个字符。 但对于内带字符发生器的控制器来说， 显示字符就比较 简单了，可让控制器工作在文本方式，根据在LCD 上开始显示的行列号及每行的列数找出 显示 RAM 对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。 1602 液晶模块简介微功耗、体积小、显示内容丰富、 超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低 功耗应用系统中。1602 的管脚分布如图 4-5 所示5 图 4-51602 的管脚分布 各引脚接口说明如表 4-1 所示: 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 符号 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1 引脚说明 电源地 电源正极 液晶显示偏压 数据/命令选择 读/写选择 使能信号 数据 数据 编号 9 10 11 12 13 14 15 16 符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK 引脚说明 数据 数据 数据 数据 数据 数据 背光源正极 背光源负极 表 4-1：引脚接口说明表 第 1 脚：VSS 为地电源。 第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚： VL 为液晶显示器对比度调整端， 接正电源时对比度最弱， 接地时对比度最高， 对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚：R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS 为低电平 R/W 为高电平时可以 读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。 第 15 脚：背光源正极。 第 16 脚：背光源负极。 4.2.2 液晶显示部分与 STC89C52 的接口 LCD 显示分为静态显示和动态显示。这里采用静态显示，系统通过单片机 的串行口来实现静态显示。串行口为方式零状态，即工作在移位寄存器方式， 波特率为振荡频率的 1/12。当器件执行任何一条将 SBUF 作为目的寄存器的命 令时，数据便开始从 RXD 端发送。在写信号有效时，相隔一个机器周期后发送 控制端 SEND 有效， 即允许 RXD 发送数据， 同时允许从 TXD 端输出移位脉冲。 4.3 数字温度传感器 DS18B20 简介 4.3.1 DS18B20 概述 由 dallas 半导体公司生产的 ds18b20 型单线智能温度传感器,属于新一代 适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测 量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离 远等特点。6 4.3.2 DS18B204.3.2 DS18B20 的的 性能特点性能特点 （1）采用单总线的接口方式。与微处理器连接时，仅需要一条口线即可实 现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 （2）测量温度范围宽。测量精度高 DS18B20 的测量范围为 -55 + 125 ； 在 -10+ 85C 范围内，精度为 0.5C 。 （3）在使用中不需要任何外围元件。 （4）持多点组网功能。多个DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点 测温。 （5） 供电方式灵活。DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。 因此，当数据线上的时序满足一定的要求时， 可以不接外部电源，从而 使系统 结构更趋简单，可靠性更高。 （6）测量参数可配置。DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定 912 位。 （7）负压特性。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。 （8）掉电保护功能。DS18B20 内部含有 EEPROM，在系统掉电以后，它仍可 保存分辨率及报警温度的设定值。 DS18B20 具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式， 更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者 们所青睐。 4.3.34.3.3 DS18B20的内部结构与管脚的内部结构与管脚 DS18B20 内部结构主要由四部分组成：温度传感器，64 位光刻 ROM，非挥发 的温度报警触发器 TH 和 TL，高速暂存器。 DS18B20内部结构及功能： DS18B20的内部结构如图4-6所示。主要包括：寄生电源，温度传感器， 64位 ROM 和单 总线接口，存放中间数据的高速暂存器RAM，用于存储用户设定温度上下限值的TH 和 TL 触发器，存储与控制逻辑，8位循环冗余校验码（CRC）发生器等7部分7 存储器与控制逻辑 64 位 ROM 和 单 线 接 口 Vdd 温度传感器 高温触发器TH 高 速 缓 存 低温触发器TL 配置寄存器 8位CRC发生器 图4-6DS18B20内部结构 DS18B20 管脚排列管脚排列 DS1820 采用 3 脚 PR-35 封装或 8 脚 SOIC 封装，管脚排列如图 4-7 所示。 图中 GND 为地，I/O 为数据输入/输出端（即单线总线） ，该脚为漏极开路输出， 常态下呈高电平。VDD 是外部+5V 电源端，不用时应接地。NC 为空脚。 图 4-7 DS18B20 的管脚排列图 4.3.4 DS18B204.3.4 DS18B20 测温原理测温原理 DS18B20的内部测温电路框图如图 4-8 所示，其内部含有两个温度系数不同的温 敏振荡器，其中低温度系数振荡器相当于标尺，高温度系数振荡器相当于测温 元件，通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期得到两个温敏振荡器在测量温 度下的振荡频率比值。根据频率比值和温度的对应曲线得到相应的温度值。这 种方式避免了测温过程中的 A/D 转换，提高了温度测量的精度。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震荡频率明显改变，很敏感的振荡器，所 产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入，为计数器 2 提供一个频率随温度 变化的计数脉冲。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后进行计数，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 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即为 所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，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，直至温度寄存器 值达到被测温度值。 图 4-8 DS18B20 的内部测温电路框图 DS18B20 内部结构主要由四部分组成：温度传感器、64 位光刻 ROM、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（地址：28H）是产品类型的编号，接着的 48 位是每个 DS18B20 自身的序列号，并且每个 DS18B20 的序列号都不相同，因此它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码；最后 8 位则是前面 56 位的 CRC 校验码 （CRC=X8+X5+X4+1） 。由于每一个 DS18B20 的 ROM 数据都各不相同，因此微控 制器就可以通过单总线对多个 DS18B20 进行寻址， 从而实现一根总线上挂接多 个 DS18B20 。 DS18B20 中的温度传感器用于完成对温度的测量，它的测量精度可以配置 成 9 位， 10 位，11 位或 12 位 4 种状态。温度传感器在测量完成后将测量的结 果存储在 DS18B20 的两个 8BIT 的 RAM 中，单片机可通过单线接口读到该数据， 读取时低位在前，高位在后数据的存储格式如图 4-9 所示（以 12 位转化为例)： 图 4-9 温度信号寄存器格式 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