基于單片機的數(shù)字溫度計的設(shè)計

1、 本科畢業(yè)（設(shè)計）論文題 目 基于單片機的數(shù)字溫度計設(shè)計 學 院 電子信息工程 專 業(yè) 通信工程 學生姓名 祝君 學 號 201010315222 年級 2010級 指導教師 田曉濱 職稱 高級工程師二一三 年 十二 月 二十 日成都學院學士學位論文（設(shè)計）基于單片機的數(shù)字溫度計設(shè)計 專 業(yè)：通信工程 學 號：201010315222 學 生：祝君 指導教師：田曉濱 三號黑體加粗摘要：在我們的日常生活和生產(chǎn)過程中，常需要檢測及控制溫度，溫度是生產(chǎn)過程和科學實驗中經(jīng)常遇到的重要參數(shù)之一。溫度控制在生產(chǎn)過程起到相當重要的作用。溫度測量是溫度控制的基礎(chǔ)，技術(shù)已經(jīng)趨向簡單和成熟。在設(shè)計中選用AT89S

2、51型單片機作為主控制器件，選用DS18B20溫度傳感器作為測溫電子元件，通過LCD1602液晶顯示屏傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度顯示。設(shè)計的內(nèi)容主要分為兩部分，一是對系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，包括溫度采集電路、顯示電路和報警電路；二是對系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計，應(yīng)用C語言實現(xiàn)溫度的采集與顯示。通過DS18B20直接讀取被測溫度值，送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，之后進行輸出顯示。該設(shè)計可實現(xiàn)多點溫度采集、聲音報警、報警上下限設(shè)置、溫度顯示、串口下載等功能。關(guān)鍵詞：溫度；AT89S51；DS18B20Design of digital thermometer based on single chip Specialty：C

3、ommunication Engineering Student Number：201010315222Student：Zhu jun Supervisor：Tian xiaobinAbstract：In our daily life and production process, we often need to measure and control temperature. Temperature is one of the most frequently encountered parameters in production process and scientific experi

4、ments . Thus, the temperature detection and control are definitely vital in the forementioned or any other similar processions. As the basis of the temperature control ,the temperature measurement technology has now become simple and mature. In this design, AT89S51 single-chip is chosen as the cente

5、r control and DS18B20 temperature sensor performs the temperature measurement with LCD1602 liquid crystal display to realize data transfer and values display.The main part of this design consists of two aspects. One of them is the design of the hardware of the system, including the temperature gathe

6、ring electric circuit, the display circuit and the alarm circuit.The other aspect is the design of the software of the system, which includes the realization of the data collection and temperature display by the use of C language. Measured temperature value can be directly read through the DS18B20 a

7、nd the data will be transferred into the single-chip. Afterwards, the single-chip will output and display the data. The design is able to achieve multi-point temperature acquisition, sound alarm, alarm limit setting, temperature display, and serial downloading,etc.Key words：Temperature；AT89S51；DS18B

8、2057 成都學院學士學位論文（設(shè)計）目 錄1 緒論11.1 課題的背景及目的11.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀22 系統(tǒng)方案設(shè)計42.1 設(shè)計的研究方法及內(nèi)容42.2 測溫電路方案42.2 顯示電路方案52.3 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案53 硬件設(shè)計63.1 硬件電路開發(fā)工具63.2 單片機AT89S5163.2.1 AT89S51芯片簡介63.2.2 AT89S51的特性及引腳功能63.2.3 復位電路的設(shè)計93.2.4 晶振電路的設(shè)計103.2.5 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計103.3 溫度傳感器DS18B20123.3.1 芯片簡介123.3.2 DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)123.3.3 DS18B20的工

9、作時序153.3.4 DS18B20的各個ROM命令173.4 測溫電路的設(shè)計183.5 報警電路的設(shè)計183.6 顯示電路設(shè)計193.6.1 LCD1602簡介193.6.2 顯示電路的設(shè)計213.7 MAX232簡介213.8 RS-232接口簡介233.8.1 RS-232接口的電平轉(zhuǎn)換233.8.2 RS-232總線接口標準233.9串口電路的設(shè)計254 系統(tǒng)軟件設(shè)計264.1 開發(fā)工具264.2 軟件設(shè)計264.2.1 主程序模塊264.2.2 讀溫度子程序274.2.3 報警子程序285 Proteus仿真305.1 Proteus簡介305.2 Proteus操作簡介305.3

10、Proteus測溫仿真316 硬件的制作及系統(tǒng)調(diào)試336.1 硬件制作過程336.2 系統(tǒng)調(diào)試336.3 遇到的問題及解決方法346.4 結(jié)果分析347 結(jié)論36附錄137附錄238附錄351附錄452附錄553參考文獻54致謝55成都學院學士學位論文（設(shè)計）1 緒論1.1 課題的背景及目的隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn)能夠獨立工作的溫度檢測儀器和顯示系統(tǒng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。環(huán)境溫度一直是生物能否適宜生存的一個重要因素，而人們對環(huán)境溫度的感知也從單純的憑身體感官的感受發(fā)展到用各種溫度計來對環(huán)境溫度進行準確的測量。在工業(yè)生產(chǎn)中溫度是常用的被控參數(shù)，而采用單片機來對這些被控參數(shù)進行

11、控制已成為當今的主流。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)的處理問題能夠得到很好的解決。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件。熱敏電阻成本低，但需后續(xù)信號處理電路，而且可靠性相對較差，測溫準確度低，檢測系統(tǒng)也有一定的誤差。近年來，在溫度檢測技術(shù)領(lǐng)域，多種新的檢測原理與技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用已取得了重大的進展。新一代溫度檢測元件正在不斷出現(xiàn)和完善。與傳統(tǒng)的溫度計相比，這個設(shè)計完成的數(shù)字溫度計具有讀數(shù)方便、測溫范圍廣、測溫精確、數(shù)字顯示、適用范圍寬等特點。單片機自1976年由Intel公司推出MCS-48開始，迄今已有三十多年了。單片機具有集成度高、功能強、可靠性

12、高、體積小、功耗低、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點。單片機又稱單片微控器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。單片機數(shù)字溫度計的核心是目前應(yīng)用極為廣泛的51系列單片機，配置了外圍設(shè)備，構(gòu)成了一個可編程可報警的單片機多路數(shù)字溫度計，具有體積小，可靠性高，功能強等特點,不僅能滿足所需要求而且還有很多功能可供開發(fā)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。20世紀80年代中期以后，Intel公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許多半導體芯片生產(chǎn)廠家，如PHILIPS、ATMEL、ANALOG、DEVICES

13、、DALLAS等。這些廠家生產(chǎn)的芯片是MCS-51系列的兼容產(chǎn)品，準確地說是與MCS-51指令系統(tǒng)兼容的單片機。MCS-51系列及80C51單片機有多種品種。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有些區(qū)別。目前使用的MCS-51系列單片機及其兼容產(chǎn)品通常分成以下幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超8位型和片內(nèi)閃爍存儲器型。其中ATMEL公司的標準型AT89單片機因為其與MCS-51的完全兼容性、優(yōu)良的工作性能、使用的靈活性以及較高的性能價格比，成為AT89系列單片機的主流機型，在嵌入式控制系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器芯片，內(nèi)部集成

14、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器件，可以把模擬溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行的數(shù)字信號提供給單片機進行處理。DS18B20的封裝形式為3引腳TO-92的小體積封裝，可以測量的溫度范圍為55125，它的測溫分辨率可以達到0.0625，A/D轉(zhuǎn)換精度為可編程的912位精度，被測溫度用16位補碼方式串行輸出。DS18B20支持35.5V的電壓范圍，其工作電源既可由寄生電源方式產(chǎn)生，也可在遠端引入。多個DS18B20可以并聯(lián)到三根或兩根線上，諸多DS18B20與單片機通信只需一根端口線就能夠進行通信，較少占用微處理器的端口，可廣泛運用于民用、工業(yè)、軍事等諸多領(lǐng)域的溫度測量及大型設(shè)備、測控系統(tǒng)、控制儀器當中?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總

15、線”的數(shù)字方式傳輸，利用DSl8B20作為測溫傳感器通過LCD1602并行傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度顯示。大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。使用十分靈活和方便。課題的設(shè)計目的：（1）鞏固、加深和擴大單片機應(yīng)用的知識面，提高綜合及靈活運用所學知識解決實際設(shè)計問題的能力。（2）學習DS18B20數(shù)字溫度傳感器的測溫原理，提高運用所學專業(yè)知識進行獨立思考和綜合分析、解決實際問題的能力。（3）通過對課題設(shè)計方案的分析、選擇、比較，熟悉單片機的系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程、軟硬件設(shè)計的方法、內(nèi)容及步驟。（4）學會用Autium designer進行電路原理圖和PCB圖的繪制。（5）學習用Proteus仿真軟件進行電路設(shè)計和仿真

16、。1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀溫度計在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度計來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。溫度計測溫技術(shù)的關(guān)鍵在于溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，同時具有抑制串模干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點。隨著我國四個現(xiàn)代化和經(jīng)濟發(fā)展，我國在科技和生產(chǎn)各領(lǐng)域都取得了飛速的發(fā)展和進步，發(fā)展以溫度傳感器為載體的溫度測量技術(shù)具有重大意義。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器，它被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。溫度

17、傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；模擬集成溫度傳感器/控制器；數(shù)字溫度傳感器。 溫度傳感器使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之首，其發(fā)展大致經(jīng)歷了以下3個階段： （1） 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件）熱電偶傳感器,主要是能夠進行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換。 （2） 模擬集成溫度傳感器/控制器：集成傳感器是采用硅半導體集成工藝制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。 （3） 智能溫度傳感器：智能溫度傳感器是在20世紀90年代中期問世的，它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶。智能溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器、A/D傳感器、信號處理器、

18、存儲器（或寄存器）和接口電路1。從國內(nèi)外來看，工業(yè)生產(chǎn)控制中用數(shù)字溫度計可清晰顯示溫度來防止元器件失效或損壞等不必要的非人為損失，對做好車間機器維修與保養(yǎng)起到很重要的作用。溫度是一般工業(yè)領(lǐng)域最容易碰到的檢測參數(shù)，如環(huán)境溫度的檢測、工業(yè)工藝溫度參數(shù)的檢測、設(shè)備的溫度保護檢測等，而市場上通用的、專用的各類溫控儀器產(chǎn)品也相當豐富。國內(nèi)外的溫度檢測儀器的發(fā)展水平主要體現(xiàn)在儀器的測量的溫度范圍、測量的精度、智能化水平以及儀器的功耗等技術(shù)指標上，目前在國內(nèi)的溫度測量中，測量精度很少能夠高于0.1。近年來，溫度傳感器正在基于單片機的基礎(chǔ)上從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展，并朝著多功能

19、、高精度、高可靠性及安全性、總線標準化、開發(fā)網(wǎng)絡(luò)傳感器和虛擬傳感器、研制單片機測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。新型溫度計的特點是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化，他不僅促進了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可促進建立新型工業(yè)，是21世紀新的經(jīng)濟增長的方式。2 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 設(shè)計的研究方法及內(nèi)容 課題的研究方法是利用單片機和數(shù)字溫度傳感器DS18B20設(shè)計一個數(shù)字溫度計。單片機作為主控制器，數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為測溫元件，傳感器DS18B20可以將被測量溫度值進行轉(zhuǎn)換，從而用LCD1602來顯示轉(zhuǎn)換后的溫度值。課題的主要研究內(nèi)容如下：（1）溫度測試基本范圍030。（2）測量精度為0.

20、5。（3）顯示電路采用LCD1602液晶顯示器，能準確顯示溫度。（4）可以設(shè)定溫度的上下限并實現(xiàn)報警功能。（5）利用多個溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)多點測溫。2.2 測溫電路方案方案一：熱敏電阻的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化，變送器將電阻信號轉(zhuǎn)換成與溫度成正比的電壓信號。使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來。這種設(shè)計需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路。此方案數(shù)據(jù)處理比較麻煩，且容易產(chǎn)生信號失真。方案二：使用溫度傳感器，在單片機電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的?？梢圆?/p>

21、用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計要求。而且此方案的電路比較簡單，軟件設(shè)計也比較容易實現(xiàn)。方案一的優(yōu)點就是它能檢測的溫度范圍很大，熱敏電阻的性能決定了整個設(shè)計所能檢測的溫度范圍。但從以上兩種方案容易看出方案二電路比較簡單，軟件設(shè)計容易實現(xiàn)，方案二可以只用一根線實現(xiàn)信號的雙向傳輸，具有接口簡單容易擴展等優(yōu)點，DS18B20可以直接將溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號，供單片機進行處理，且多個溫度傳感器DS18B20可以直接掛在一根主線上。DS18B20具有低功耗、高性能、抗干擾能力強等優(yōu)點。綜上所述，故在設(shè)計中采用方案二。2.2 顯示電路方案方案一

22、：采用數(shù)碼管動態(tài)顯示。使用七段LED數(shù)碼管的動態(tài)顯示的方法來顯示各項指標，此方法雖然價格成本低，但是顯示單一，且功耗較大。方案二：采用LCD1602顯示。此方案顯示內(nèi)容相對豐富，且LCD1602具有顯示質(zhì)量高、數(shù)字化接口、體積小、重量輕、功耗低且價格不高等特點。綜合上述原因，采用方案二，使用LCD1602液晶作為顯示電路。2.3 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案設(shè)計采用AT89S51單片機作為主機。單片機具有體積很小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便且編程自由度大的特點，可以通過編程來實現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，還可以完成單獨對多個DS18B20的控制工作。另外AT89S51單片機在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，

23、編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。設(shè)計需完成的單總線多路數(shù)字溫度計采用具有基板專利技術(shù)的DS1820溫度傳感器來測量溫度 ,DS18B20中集成了溫度傳感器及各種數(shù)字轉(zhuǎn)換電路, 測量值(9位二進制編碼)由總線串行輸出。可以測量的溫度范圍為-55+125,還可以讀內(nèi)部計數(shù)器 ,獲得較高的分辨率。同時還可以進行上、下限溫度的設(shè)定和報警等。這個課題主要研究如何利用DS18B20智能溫度傳感器實時檢測溫度，并將其與LCD1602和報警電路聯(lián)合使用，制成一個能實時顯示溫度以及報警的數(shù)字溫度計。設(shè)計利用DS18B20智能溫度傳感器和單片最小系統(tǒng)完成一個數(shù)字溫度計。按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求，系統(tǒng)主要由

24、單片機、溫度傳感器DS18B20、LCD1602組成。系統(tǒng)的硬件電路主要由復位電路、測溫電路、顯示電路、晶振電路和報警電路組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖3 硬件設(shè)計3.1 硬件電路開發(fā)工具 Altium Designer是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的針對電子產(chǎn)品開發(fā)的系統(tǒng)。這套軟件主要在Windows XP操作系統(tǒng)中運行。這個開發(fā)軟件完美的融合了原理圖設(shè)計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)，能夠給設(shè)計電路的人提供不一樣的設(shè)計方案，輔助設(shè)計者輕松完成設(shè)計，熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計的質(zhì)量

25、和效率大大提高。Altium Designer除了全面繼承包括Protel DXP、Protel 99SE在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點外，還增加了許多改進和很多高端的功能。該平臺拓寬了板級設(shè)計的傳統(tǒng)界面，全面集成了FPGA設(shè)計功能和SOPC設(shè)計實現(xiàn)功能，從而允許工程設(shè)計人員能將系統(tǒng)設(shè)計中的FPGA與PCB設(shè)計及嵌入式設(shè)計集成在一起。 由于Altium Designer 在繼承先前Protel軟件功能的基礎(chǔ)上，綜合了FPGA設(shè)計和嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計功能，所以Altium Designer對計算機的系統(tǒng)需求比先前的版本要高一些。Altium Designer具有原理圖設(shè)計、印刷電路板設(shè)計、FP

26、GA開發(fā)、嵌入式開發(fā)等功能。3.2 單片機AT89S513.2.1 AT89S51芯片簡介AT89S51是一種8位的CMOS單片機，它具有高性能、低功耗等特點。單片機里面含4k Bytes ISP的Flash只讀程序存儲器，這個存儲器可以反復擦寫1000次。單片機的內(nèi)部總的數(shù)據(jù)存儲容量為256個單元，其中每個存儲單元對應(yīng)一個地址，256個單元共有256個地址，用2位十六進制數(shù)表示，即存儲器的地址（00HFFH）。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，能夠與80C51引腳結(jié)構(gòu)及標準MCS-51指令系統(tǒng)兼容，芯片里面集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。功能強大的微

27、型計算機AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。3.2.2 AT89S51的特性及引腳功能單片機AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個端口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需求，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計，系統(tǒng)僅用兩節(jié)電池供電即可工作。AT89S51單片機的引腳圖如圖3-1所示。 圖3-1 單片機引腳圖單片機引腳功能介紹：（1）VCC：接+5V電源正端。（2）VSS：接+5V電源地端。（3）XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。（4）XTAL2：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，在設(shè)計中只要在XTAL1和XTAL2這兩個引腳與地之間接上兩個30PF的

28、小型電容器和一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以開始運作。（5）RST：RST即為RESET，該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器處于工作狀態(tài)的時候，在該引腳上會出現(xiàn)連續(xù)兩個機器周期的高電平，這樣就可以完成單片機的復位。上電的時候，考慮到振蕩器有一定的起振時間，要想保證復位，高電平在這個引腳上必須持續(xù)10ms以上才能完成。（6）EA/Vpp：EA為片外程序存儲器選用端。當這個引腳為低電平時，就選用片外程序存儲器；高電平或懸空時選用片內(nèi)程序存儲器2。（7）ALE/PROG：地址鎖存信號輸出端。ALE在每個機器周期內(nèi)輸出兩個脈沖。在訪問片外程序存儲器期間，下降沿的功能為控制鎖存P0輸出的低8

29、位地址。在不訪問片外程序存儲器的時候，可作為對外輸出的時鐘脈沖或用于定時目的。但要注意，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器期間，ALE脈沖會跳空一個，此時作為時鐘輸出就不妥了。（8）PSEN：片外程序存儲器讀選通信號輸出端。在外部存儲器讀取常數(shù)或指令的時候，每一個機器周期，該信號有效兩次，通過數(shù)據(jù)總線P0口讀回常數(shù)或指令。在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器期間，PSEN信號不出現(xiàn)2。（9）PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一個8位寬的開路汲極（Open Drain）雙向輸出入端口，共有8個位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類推。其他三個I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路

30、，P0在當作I/O口用時可以推動8個LS的TTL負載。如果當EA引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器），P0就以多工方式提供地址總線（A0A7）及數(shù)據(jù)總線（D0D7）。設(shè)計者必須外加鎖存器將端口0送出的地址栓鎖住成為A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成完整的16位地址總線，而定址到64K的外部存儲器空間。（10）PORT2（P2.0P2.7）：端口2是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負載，若將端口2的輸出設(shè)為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用。P2除了當作一般I/O端口使用外，若是在AT89S51擴充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供

31、地址總線的高字節(jié)A8A15，這個時候P2便不能當作I/O來使用了。（11）PORT1（P1.0P1.7）：端口1也是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個LS TTL負載，同樣的，若將端口1的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話，P1.0又當作定時器2的外部脈沖輸入腳，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。（12）PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個TTL負載，同時還具有其他的額外特殊功能，包括外部中斷控制、串行通信、計時計數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀

32、取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其引腳分配如下：P3.0：RXD，串行口輸入端。P3.1：TXD，串行口輸出端。P3.2：INT0，外部中斷0請求輸入端。P3.3：INT1，外部中斷1請求輸入端。P3.4：T0，計時計數(shù)器0輸入。P3.5：T1，計時計數(shù)器1輸入。P3.6：WR，外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入信號。 P3.7：RD，外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。3.2.3 復位電路的設(shè)計單片機的復位就是對單片機進行初始化操作，使單片機內(nèi)部各寄存器處于一個確定的初始狀態(tài)，以便進行下一步操作。當振蕩運行時，在此引腳上將出現(xiàn)2個以上的機器周期的高電平使單片機復位，單片機復位后，從程序存儲器的0000H單元開始執(zhí)行程序，并將一

33、些專用寄存器初始化為復位狀態(tài)值3。單片機復位電路的設(shè)計如圖3-2所示。該復位電路采用手動復位與上電復位相結(jié)合的方式。當按下按鍵S1時，VCC給復位輸入端口一個高電平，實現(xiàn)復位功能，即手動復位。上電復位就是VCC對電容C4充電和放電的過程，所以復位端口會得到一個周期性變化的電壓值，并且有一段時間的電壓值高于CPU復位電壓，實現(xiàn)上電復位功能。圖3-2 復位電路3.2.4 晶振電路的設(shè)計時鐘電路對于單片機系統(tǒng)來說是必備的。因為單片機的內(nèi)部是由各種各樣的數(shù)字邏輯器件（如存儲器、寄存器、觸發(fā)器等）構(gòu)成，這些數(shù)字器件在工作的時候必須按照時間順序完成，這種時間順序就叫做時序。時鐘電路就是提供單片機內(nèi)部各種操

34、作的時間基準電路，沒有時鐘電路單片機就無法工作。單片機晶振電路的設(shè)計如圖3-3所示。XTAL1（X1）為反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2（X2）是來自反向振蕩的輸出。按照理論上AT89S51使用的是12MHz的晶振。 3.2.5 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計所謂最小系統(tǒng)，是指一個真正可用的單片機的最小配置系統(tǒng)。對于單片機內(nèi)部資源已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)需要的，可直接采用最小系統(tǒng)。由于MCS51系列單片機片內(nèi)不能集成時鐘電路所需的晶體振蕩器，也沒有復位電路，因此在構(gòu)成最小系統(tǒng)時必須外接這些部件，8051/8071片內(nèi)有4K的ROM/ERPROM，因此只需要外接晶體振蕩器和復位電路就可以構(gòu)

35、成最小系統(tǒng)，綜合上述晶振電路和復位電路以及AT89S51單片機構(gòu)成了單片機最小系統(tǒng)如圖3-4所示：圖3-3 晶振電路圖3-4 單片機最小系統(tǒng)3.3 溫度傳感器DS18B20 3.3.1 芯片簡介DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器芯片，DS18B20的封裝形式為3引腳TO-92的小體積封裝，可以測量的溫度范圍為55125。它的測溫分辨率可以達到0.0625，A/D轉(zhuǎn)換精度為可編程的912位精度，被測溫度用16位補碼方式串行輸出。DS18B20支持35.5V的工作電壓范圍，其工作電源既可由寄生電源方式產(chǎn)生，也可在遠端引入。多個DS18B20可以并聯(lián)到三根或兩根線上，諸多DS

36、18B20與單片機通信只需一根端口線就能夠進行，較少占用微處理器的端口，可廣泛用于工業(yè)、民用、軍用等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。溫度傳感器DS18B20的主要特性如下：（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0 V5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。（2）負壓特性：當電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作4 。（3）獨特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條信號線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信4。（4）測溫范圍：55125，在-10+85時精度為±0.5。（5）編程可實現(xiàn)分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.

37、5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫。（6）在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。（7）能夠完成多個器件組網(wǎng)的功能，在一條總線上可以連接多個DS18B20。（8）在使用中不需要任何外圍元件。（9）用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限。3.3.2 DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-5所示，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非易失性的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20外形及管腳排列如圖3-6和表3-1所示。圖3-5 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3-6 D

38、S18B20的管腳排列表3-1 DS18B20 引腳定義序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 （1）64位ROM 光刻ROM中存放的是64位序列號，出廠前已被刻好，這個序列號可以看作是這個DS18B20的地址序列碼，不同的器件地址序列號不同。64位序列號的排列是：開始8位（28H）為產(chǎn)品的類型標號，接著的48位是該DS18B20的自身序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼。光刻ROM的作用是為了使每一個DS18B20都各不一樣，因此，就能夠

39、將若干個DS18B20掛在一根總線之上。溫度傳感器在DS18B20中的作用主要是測量溫度，測量后的溫度值用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)輸出，表達的形式為0.0625/LSB，其中S是符號位。DS18B20的溫度值是經(jīng)過12位轉(zhuǎn)化后形成的，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中。符號位為二進制中的前面5位，當被測溫度大于0的時候，這5位為0，實際的溫度值就是將測得的數(shù)值與0.0625相乘得到的數(shù)據(jù)。若溫度小于0，這5位就為1，實際溫度就是將測到的數(shù)值取反加1再與0.0625相乘后得到的數(shù)據(jù)。例如輸出為0191H時，溫度就為25.0625。（2）高速暫存器高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成：第0和

40、第1個字節(jié)存放被轉(zhuǎn)換所得到的溫度值；第2和第3字節(jié)分別為高溫度觸發(fā)器TH和低溫度觸發(fā)器TL；第4個字節(jié)為配置寄存器；第5、6、7個字節(jié)保留；第8個字節(jié)為CRC校驗寄存器。高速暫存器RAM結(jié)構(gòu)圖如下表3-2所示。表3-2 DS18B20暫存寄存器分布寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位 （LS Byte）0溫度值高位 （MS Byte）1高溫限值（TH）2低溫限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校驗值8（3）配置寄存器 配置寄存器的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，該字節(jié)每一位的意義如表3-3所示。表3-3 配置寄存器結(jié)構(gòu)TMR1R011111低五位一直為高電平，TM為測試模式位，它的主

41、要功能是設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在出廠的時候這位就已經(jīng)被設(shè)置為0，運用時不要去改動它。當設(shè)置分辨率時可以用R0和R1來實現(xiàn)，DS18B20的溫度分辨率設(shè)置表如表3-4所示（DS18B20出廠時被設(shè)置為12位）。表3-4 溫度分辨率設(shè)置表R1R0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)換時間/ms00993.750110187.510113751112750（4）高低溫報警觸發(fā)器TH和TLDS18B20的內(nèi)部存儲器由一個非易失性的可電擦除的EPROM和一個高速暫存RAM組成, 結(jié)構(gòu)寄存器和低溫度觸發(fā)器TL和高溫度觸發(fā)器TH都存放在EPROM中。3.3.3 DS18B20的工作時序DS18B20必

42、須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議程序，來完成對溫度傳感器DS18B20芯片的訪問。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序:初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是地位在先。（1）DS18B20的初始化時序如圖3-7所示。圖3-7 DS18B20的初始化時序圖（2）DS18

43、B20的讀時序DS18B20的讀時序如圖3-8所示。圖3-8 DS18B20的讀時序圖對于溫度傳感器的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。對于溫度傳感器的讀時序是當單總線被主機拉低以后，在15us之內(nèi)就要釋放單總線，以讓DS18B20傳輸數(shù)據(jù)到單總線上。當讀時序過程完成，至少需要60us的時間5。（3）DS18B20的寫時序DS18B20的寫時序如圖3-9所示。圖3-9 DS18B20的寫時序圖對于溫度傳感器DS18B20的寫時序依然可以分為寫0時序和寫1時序這兩個過程。對于DS18B20寫0時序和寫1時序具有不同的要求，當DS18B20要寫0時序的時候，至少要把單總線拉低60us才行，保證

44、I/O總線上的“0”電平能夠被DS18B20在15us到45us之間正確地采樣出來；當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得到釋放單總線5。 3.3.4 DS18B20的各個ROM命令（1）Read ROM 33H讀ROM指令，只有在總線上存在單只DS18B20時才使用，用于讀取單只DS18B20的地址序列號。 （2）Match ROM 55H匹配ROM命令，后跟64位ROM序列，讓總線控制器在多點總線上定位一只特定的DS18B20。為下一步對該DS18B20進行讀寫做準備。（3）Skip ROM 0CCH 忽略ROM指令，這個命令允許總線控制器不用提供64位ROM編碼就使用功能指

45、令。例如，可先發(fā)出一條忽略ROM指令，然后發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換指令。在單點系統(tǒng)中，執(zhí)行該指令后只能跟著發(fā)出讀取暫存器指令，否則會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突6。（4）Search ROM 0F0H搜索ROM指令，用于確定掛接在同一總線上DS18B20的個數(shù)和識別64位ROM地址，為操作各器件做好準備。（5）Alarm Search 0ECH報警搜索指令，只有符合報警條件的從機才會對此命令做出響應(yīng)。（6）Write Scratchpad4EH寫暫存器指令，用于向DS18B20的暫存器寫入數(shù)據(jù)，順序依次是TH、TL及配置寄存器，數(shù)據(jù)以最低有效位開始傳送。（7）Read Scratchpad0BEH 讀暫存器指令，這個命令

46、用于讀取DS18B20暫存器的內(nèi)容，讀取將從第1個字節(jié)一直到第9個字節(jié)，控制器可以在任何時間發(fā)出復位命令來終止。（8）Copy Scratchpad48H復制暫存器指令，這個命令用于把TH、TL和配置寄存器的內(nèi)容復制到EPROM中。（9）Convert T44H 溫度轉(zhuǎn)換指令，這個命令用于啟動DS18B20進行溫度轉(zhuǎn)換。12位轉(zhuǎn)換時最長為750ms(9位為93.75ms),轉(zhuǎn)換后的結(jié)果以兩字節(jié)的形式被存儲在高速寄存器中。（10）Recall E20B8H重調(diào)EPROM指令，這條命令用于把TH、TL和配置寄存器的內(nèi)容從EPROM復制回暫存器，這種重調(diào)操作在DS18B20上電時自動執(zhí)行。（11）R

47、ead Power Supply0B4H讀供電模式指令，若把這條命令發(fā)給DS18B20后發(fā)出讀時間隙，器件會返回它的電源模式：0為寄生電源，1為外部電源。若為寄生電源模式，DS18B20將拉低總線；若為外部電源模式，則DS18B20將拉高總線。3.4 測溫電路的設(shè)計數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測溫由DS18B20及10K的上拉電阻組成。測溫電路如圖3-10所示。圖3-10 測溫電路3.5 報警電路的設(shè)計設(shè)計采用軟件處理報警，利用有源蜂鳴器進行報警輸出。蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛運用于各種電子產(chǎn)品的一種元器件，它用于提示、報警、音樂等許多運用場合。利用三極管8550驅(qū)動蜂鳴器。當所測溫度超過或低于

48、設(shè)定的溫度值時，數(shù)據(jù)口相應(yīng)拉高電平，報警輸出。報警電路如圖3-11所示三極管Q1來驅(qū)動蜂鳴器BUZ1。圖3-11 報警電路3.6 顯示電路設(shè)計3.6.1 LCD1602簡介液晶是一種既具有液體的流動性又具有光學特性的有機化合物，它的透明程度和呈現(xiàn)的顏色受外加電場的影響，利用這個特點即可做成字符型液晶。LCD1602字符型液晶顯示器是由若干個5×7或者5×11等點陣字符位組成，是顯示字母、符號和數(shù)字等的點陣型液晶模塊。液晶顯示器的每個點陣字符位都可以顯示一個字符、數(shù)字或者符號，可以顯示16×2個字符，相鄰之間都用一個點距的間隔隔開，每行之間也用一個點距的間隔分開，起

49、到了保持行間距和字符間距的作用。LCD1602字符型液晶顯示器具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。LCD1602的管腳分布如圖3-12所示。各引腳接口說明如表3-5所示。圖3-12 LCD1602的管腳分布表3-5 LCD1602引腳接口說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3V0液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極第1腳：VSS為電源地。第2腳：接+5V電源。第

50、3腳：V0是液晶顯示器的對比度調(diào)整端，當接的電源為正時對比度最弱，當接地的時候，它的對比度最高。第4腳：RS為數(shù)據(jù)/命令選擇端，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器；低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀/寫選擇端，高電平時進行讀操作，當為低電平的時候進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時，可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平、R/W為高電平時，可以讀忙信號，當RS為高電平、R/W為低電平時，可以寫入數(shù)據(jù)。 第6腳：E（或EN）端為使能端，當E端為高電平1時讀取信息。當E端的電平從高電平跳變到低電平的時候，液晶模塊就會執(zhí)行指令。第714腳：8位的雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負

51、極。3.6.2 顯示電路的設(shè)計液晶顯示器是一種將液晶顯示器件、連接器件、集成電路、PCB線路板、背光源結(jié)構(gòu)器件裝配在一起的器件。LCD1602顯示分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。這里采用靜態(tài)顯示，系統(tǒng)通過單片機的串行口來實現(xiàn)靜態(tài)顯示。利用上拉電阻與單片機相連來驅(qū)動LCD1602工作，如圖 3-13為顯示電路的設(shè)計。圖3-13 顯示電路3.7 MAX232簡介MAX232芯片是一種專門為電腦的RS-232標準串口設(shè)計的一種單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,MAX232由美信公司生產(chǎn)，+5V單電源供電就能使其工作。MAX232的引腳圖如圖3-14所示：圖3-14 MAX232引腳圖引腳介紹：第一部分是電荷泵電路。由4只

52、電容和1、2、3、4、5、6腳構(gòu)成。它功能為產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，為串口提供需要的電平7。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。 其中第一數(shù)據(jù)通道由13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）構(gòu)成。 第二數(shù)據(jù)通道由8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）構(gòu)成。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入后轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭。DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN兩個端口輸入后，被轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從

53、R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電，由15腳GND和16腳VCC（+5v）組成。 MAX232的主要特點：（1）內(nèi)部集成兩個RS-232C接收器。（2）功耗低，供電時電流為5mA。 （3）電荷泵電路具有電壓極性反轉(zhuǎn)，升壓的功能，能夠產(chǎn)生RS-232所需要的電壓+12V，-12V。（4）只需要單一+5V電源供電。 （5）高度集成，片外最低只需4個電容即可工作。（6）符合所有的RS-232C技術(shù)標準。 3.8 RS-232接口簡介RS-232C是使用最早、應(yīng)用最多的一種異步串行通信總線標準,采用這個標準接口后，能很方便地把各種計算機、外部設(shè)備、單片機等有機地連接起來，進行串行通信。 它是

54、美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(Electronic Industry Association)于1962年公布、1969年最后修訂而成的。RS是英文“推薦標準”的縮寫, 232是該標準的標識, C表示最后一次修訂。RS-232總線標準規(guī)定了21個信號和25個引腳，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需3條信號線就可實現(xiàn)通信，包括一條發(fā)送線、一條接收線和一條地線。RS-232C主要用于定義計算機系統(tǒng)的一些數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)和數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)之間接口的電氣特性。CRT、打印機與CPU完成通信大多采用RS-232C總線8。3.8.1 RS-232接口的電平轉(zhuǎn)換RS-232C標準是在TTL電路之前研制的, 它的電平不是+5 V和地, 而是采用負邏輯, 其邏輯電平為: 邏輯“0”:+3 V+15 V。邏輯“1”:-3 V-15 V。因此, RS-232C不能和計算機的TTL電平直接相連, 使用時必須加上適當?shù)碾娖睫D(zhuǎn)換電路芯片, 否則將使TTL電路燒壞。常用的電平轉(zhuǎn)換接口芯片是傳輸驅(qū)動器MC1488和傳輸接收器MC1489, 它們是用于計算機(終端)與RS-232C總線間進行電平轉(zhuǎn)換的接口芯片。另一種常用的電平轉(zhuǎn)換芯片是MAX232, 該芯片有兩個傳輸驅(qū)動器和兩個傳輸接收器。3.8.2 RS-232總線接口標準RS-232C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸率