1、課課 程程 設設 計計 說說 明明 書書 基于 MCS-51 系列單片機的 數字溫度監測裝置設計 學生班級：學生班級： 學生姓名：學生姓名： 起止日期：起止日期： 指導教師：指導教師： 目目 錄錄 一、一、引言引言 4 4 1. 本次課程設計的重要意義 4 4 2. 溫度傳感器的發展 4 4 二、設計內容及性能指標二、設計內容及性能指標 5 5 三、三、 系統方案總體概述系統方案總體概述 5 5 四、系統主要器件選擇四、系統主要器件選擇 6 6 （一）單片機的選擇（一）單片機的選擇 6 6 1.主要性能參數 6 6 2.功能特性概述 7 7 3.引腳功能說明 8 8 4.端口引腳 第二功能 9

2、 （二）溫度傳感器的選擇 1010 1.總述 1010 2.溫度傳感器的選擇 1111 2.1 DS18B20 簡介 1111 2.2 DS18B20 內部結構 1111 2.3 DS18B20 測溫原理 1515 五、系統整體設計五、系統整體設計 1717 （一）系統硬件電路設計 1717 1.硬件電路設計總體概述 1717 2.CPU 機器基本外圍電路設計 1818 2.1 單片機電路 1818 2.2 晶振控制電路 1818 2.3 繼電器電路 1919 2.4 鎖存器 74LS373 引腳功能及工作原理 1919 2.4.1 74LS373 引腳功能 2020 2.4.2 74LS37

3、3 工作原理 2020 2.4.3 Intel2764 引腳功能 2323 3.前向通道設計 2323 3.1 溫度檢測電路 2323 3.2 電源輸入部分電路 2424 4.后向通道設計及人機通道設計 2525 4.1 后向通道設計 2525 4.1.1 LED 顯示電路 2525 4.1.1.1 LED 顯示器的結構 2525 4.1.1.2 LED 顯示器的工作原理 2626 4.1.1.3 LED 顯示設計方案 2727 4.2 鍵盤 2727 4.3 溫度報警電路 2828 4.4 復位電路 2828 5.抗干擾措施 2929 5.1 干擾產生的后果 2929 5.2 抗干擾設計的基

4、本原則 3030 5.3 硬件抗干擾設計 3131 5.4 軟件的抗干擾設計 3232 （二）系統軟件設計 3333 1.概述 3333 2.主程序模塊 3333 3. 部分程序清單 3434 3.1 溫度傳感器的驅動程序 3434 3.2 LED 共陽極顯示子程序 3636 六、附錄六、附錄 3636 七、致謝七、致謝 3737 參考文獻參考文獻 一、引言一、引言 1. 本次課程設計的重要意義本次課程設計的重要意義 隨著我國經濟的快速增長，電力需求量日益增加，如何保障電力的持續供 應是電力運行中的一道難題。根據對各類電力事故的分析，由于電力設備溫度 過高而引發的火災占相當大的比例。大多數電氣

5、設備，如開關柜、電纜溝、帶 電間隔等采用封閉式結構，空間狹小，熱積累量大，散熱效果差，并長期處于 高電壓、大電流、滿負荷的條件下運行，極易發生火災。這種火災一旦發生， 將導致大量電網設備被燒毀，變電站停運甚至電網崩潰等惡劣后果，國民生產 無法進行，導致巨大損失。引起火災的直接原因就是線路接頭溫度過高，長期 運行而燒穿絕緣，點燃周圍電纜等可燃物，引發火災。 在設備長期運行過程中，各接頭觸點、母線排接處等部位因絕緣老化或接 觸電阻過大而急劇發熱，而這些發熱部位工作人員不易接近，手工測溫困難， 如果能夠有效的自動監測各接頭的溫度，一旦出現溫度異常情況，立刻上傳報 警，通知維護人員及時采取措施排除隱患

6、，把故障消除在萌芽狀態，從而達到 安全供電的目的。因此，電氣設備溫度在線監測問題已成為電力系統安全運行 所急需解決的實際問題，是提高電力系統運行可靠性的迫切需求，對保障電力 系統安全穩定運行有極其重要的意義。 2. 溫度傳感器的發展溫度傳感器的發展 測量溫度的關鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發展經歷了三個發展階段： 傳統的分立式溫度傳感器 模擬集成溫度傳感器 智能集成溫度傳感器。 目前的智能溫度傳感器(亦稱數字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的， 它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的結晶，特點是能輸出溫 度數據及相關的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)。社會的發展使人

7、們對 傳感器的要求也越來越高，現在的溫度傳感器正在基于單片機的基礎上從模擬 式向數字式，從集成化向智能化、網絡化的方向飛速發展，并朝著高精度、多 功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發虛擬傳感器和網絡傳感器、研制 單片測溫系統等高科技的方向迅速發展，本文將介紹智能集成溫度傳感器 DS18B20的結構特征及控制方法，并對以此傳感器，89S51單片機為控制器構成 的數字溫度測量裝置的工作原理及程序設計作了詳細的介紹。與傳統的溫度計 相比，其具有讀數方便，測溫范圍廣，測溫準確，輸出溫度采用數字顯示，主 要用于對測溫要求比較準確的場所，或科研實驗室使用。該設計控制器使用 ATMEL公司的AT89S5

8、1單片機，測溫傳感器使用DALLAS公司DS18B20，用液 晶來實現溫度顯示。 二、設計內容及性能指標二、設計內容及性能指標 本設計主要是單片機控制下的溫度檢測系統，詳細介紹了其硬件和軟件設 計，并對其各功能模塊做了詳細介紹，其主要功能和指標如下： 利用溫度傳感器（DS18B20）測量某一點環境溫度 測量范圍為-5599，精度為0.5 用液晶進行實際溫度值顯示 能夠根據需要方便設定上下限報警溫度 三、系統三、系統總體設計原理總體設計原理 該系統主要由溫度測量和數據采集兩部分電路組成。 該系統利用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進行實時溫度檢測并顯 示，能夠實現快速測量環境溫度，

9、并可以根據需要設定上下限報警溫度。利用 鍵盤來進行調時和溫度查詢，獲得的數據可以通過MAX232芯片與計算機的 RS232接口進行串口通信，方便的采集和整理時間溫度數據。 系統框圖如下圖所示 AT89S51 CPU DSP18B20 溫度芯片 鍵盤電路 LED 顯示 報警電路 加熱繼電器 制冷繼電器 PC 機 電源 DS18B20溫度測溫系統框圖 本設計以AT89S51芯片為核心, AT89S51芯片的外圍擴展了 數據鎖存器 74L373和74LS138，同時具有LED（發光二極管）顯示器、復位功能等。 四、系統主要器件選擇四、系統主要器件選擇 （一）單片機的選擇（一）單片機的選擇 對于單片機

10、的選擇，可以考慮使用8031與8051系列，由于8031沒有內部 RAM，系統又需要大量內存存儲數據，因而不適用。AT89S51是美國ATMEL 公司生產的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4k bytes的可系統編程的 Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產， 兼容標準8051指令系統及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也 可用傳統方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能 強大，價格低廉，可靈活應用于各種控制領域。 1.主要性能參數主要性能參數： 與MCS-51產品指令系統完全兼容 4k字節在系統編程（I

11、SP）Flash閃速存儲器 1000次擦寫周期 4.05.5V的工作電壓范圍 全靜態工作模式：0Hz33MHz 三級程序加密鎖 1288字節內部RAM 32個可編程IO口線 2個16位定時計數器 6個中斷源 全雙工串行UART通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統 看門狗（WDT）及雙數據指針 掉電標識和快速編程特性 靈活的在系統編程（ISP字節或頁寫模式） 2.功能特性概述功能特性概述： AT89S51 提供以下標準功能：4k 字節Flash 閃速存儲器，128字節內部 RAM，32個IO 口線，看門狗（WDT），兩個數據指針，兩個16 位定時 計數器，一個5 向量兩級中斷結構，

12、一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時 鐘電路。同時，AT89S51可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節 電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時計數器，串行通 信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM 中的內容，但振蕩器停止工作 并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 AT89S51方框圖方框圖 3.引腳功能說明引腳功能說明 Vcc：電源電壓 GND：地 P0口口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I0口，也即地址數據總線復用口。 作為輸出口用時，每位能驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“l”可作為高阻 抗輸入端用。 在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線

13、分時轉換地址（低8位） 和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在F1ash編程時，P0口接收指 令字節，而在程序校驗時，輸出指令字節，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1口口：Pl 是一個帶內部上拉電阻的8位雙向IO口，Pl的輸出緩沖級可驅動 （吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“l”，通過內部的上拉電 阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉 電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。 Flash編程和程序校驗期間，Pl接收低8位地址。 端口引腳 第二功能 P1.5 MOSI（用于ISP犏程） P1.6 MISO（用于ISP犏程） P1

14、.7 SCK （用于ISP犏程） P2 口口：P2 是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向IO 口，P2 的輸出緩沖級 可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的 上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存 在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。 在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器（例如執行 MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數據。在訪問8 位地址的外部數 據存儲器（如執行MOVXRi 指令）時，P2 口線上的內容（也即特殊功能寄 存器（SFR）區中P2寄存器的內容），在整個訪問期間不改變。

15、 Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它控制信號。 P3 口口：P3 口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向I0 口。P3 口輸出緩沖 級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“l”時，它們 被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用 上拉電阻輸出電流（IIL）。 P3口除了作為一般的I0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 4.端口引腳端口引腳 第二功能第二功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 INT0（外中斷0）

16、 P3.3 INT1（外中斷1） P3.4 T0（定時計數器0外部輸入） P3.5 T1（定時計數器1外部輸入） P3.6 WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 RD（外部數據存儲器讀選通） RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平 將使單片機復位。WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設置SFR AUXR的 DISRT0 位（地址8EH）可打開或關閉該功能。DISRT0位缺省為RESET輸出高 電平打開狀態。 ALEPROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允 許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字 節。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻

17、率的16 輸出固定的正脈 沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部 數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。 對F1ash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的8EH 單元的D0 位置 位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條M0VX和M0VC指令ALE才會被 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE無效。 PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89S51 由外部程序存儲器取指令（或 數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。

18、當訪問外部數據存 儲器，沒有兩次有效的PSEN信號。 EAVPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接 地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。 如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執行內部程序存儲器中的指令。 F1ash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程電壓Vpp。 XTALl：振蕩器反相放大器及內部時鐘發生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 （二）溫度傳感器的選擇（二）溫度傳感器的選擇 1.1.總述總述 溫度的測量是從金屬(物質)的熱脹冷縮開始。水銀溫度計至今仍是各種溫

19、度 測量的計量標準。可是它的缺點是只能近距離觀測，而且水銀有毒，玻璃管易 碎。代替水銀的有酒精溫度計和金屬簧片溫度計，它們雖然沒有毒性，但測量 精度很低，只能作為一個概略指示。不過在居民住宅中使用已可滿足要求。在 工業生產和實驗研究中為了配合遠傳儀表指示，出現了許多不同的溫度檢測方 法，常用的有電阻式、熱電偶式、PN 結型、輻射型、光纖式及石英諧振型等。 它們都是基于溫度變化引起其物理參數(如電阻值，熱電勢等)的變化的原理。 隨著大規模集成電路工藝的提高，出現了多種集成的數字化溫度傳感器。 2.2.溫度傳感器的選擇溫度傳感器的選擇 由于本次系統的溫度偏高，在設計系統的時候我們首先考慮的是熱電偶

20、，但 是其轉化電路較為麻煩，增加了電路的制作成本。在比較了大量的測溫方案后， 我們決定采用集成溫度測量芯片 DS18B20。芯片 DS18B20 轉換速度快，轉換精 度高，終于微處理器的接口簡單，給硬件設計工作帶來了極大的方便，能有效 的降低成本，縮短開發周期。本系統使用的溫度芯片順應了這一趨勢。簡化電 路的同時增加了系統的可靠性。 2.12.1 DS18B20DS18B20 簡介簡介 DALLAS 最新單線數字溫度傳感器 DS18B20 是一種新型的“一線器件”， 其體積更小、更適用于多種場合、且適用電壓更寬、更經濟。DALLAS 半導體 公司的數字化溫度傳感器 DS18B20 是世界上第一

21、片支持“一線總線”接口的溫 度傳感器。溫度測量范圍為-55+125 攝氏度，可編程為 9 位12 位轉換精度， 測溫分辨率可達 0.0625 攝氏度，分辨率設定參數以及用戶設定的報警溫度存儲 在 EEPROM 中，掉電后依然保存。被測溫度用符號擴展的 16 位數字量方式串 行輸出；其工作電源既可以在遠端引入，也可以采用寄生電源方式產生；多個 DS18B20 可以并聯到 3 根或 2 根線上，CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。因 此用它來組成一個測溫系統，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣 的數字溫度計，十分方便。

22、 2.22.2 DS18B20DS18B20內部結構內部結構 DS1820 的內部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64 位激光 ROM 單 線接口、存放中間數據的高速暫存器（內含便箋式 RAM） ，用于存儲用戶設定的 溫度上下限值的 TH 和 TL 觸發器存儲與控制邏輯、8 位循環冗余校驗碼（CRC） 發生器等七部分。 DS18B20 采用 3 腳 PR35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝，其內部結構框圖如圖 2.1 所示 圖 2.1 DS18B20內部結構框圖 64 b 閃速 ROM 的結構如下：出 開始8位是產品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48 位， 最后8位是前面5

23、6 位的CRC 檢驗碼，這也是多個DS18B20 可以采用一線進行 通信的原因。溫度報警觸發器和，可通過軟件寫入戶報警上下限。主 機操作ROM的命令有五種，如表所列 指 令說 明 讀ROM（33H） 讀DS1820的序列號 匹配ROM（55H） 繼讀完64位序列號的一個命令， 用于多個DS1820時定位 跳過ROM（CCH） 此命令執行后的存儲器操作將 針對在線的所有DS1820 搜ROM（F0H） 識別總線上各器件的編碼，為 操作各器件作好準備 報警搜索（ECH） 僅溫度越限的器件對此命令作 出響應DS18B20 溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存和一個 非易失性的可電擦除的EERAM

24、。高速暫存RAM 的結構為字節的存儲器， 結構如圖 2.2所示。 圖 2.2 高速暫存RAM結構圖 前 2 個字節包含測得的溫度信息，第 3 和第 4 字節和的拷貝，是 易失的，每次上電復位時被刷新。第 5 個字節，為配置寄存器，它的內容用于 確定溫度值的數字轉換分辨率。DS18B20 工作時寄存器中的分辨率轉換為相應 精度的溫度數值。 溫度低 位 溫度高 位 THTL配置保留保留保留8 位 CRC LSB MSB 當 DS18B20 接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值 就以 16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 1，2 字節。 單片機可通過單線接口讀

25、到該數據，讀取時低位在前，高位在后，數據格式以 0.062 5 /LSB 形式表示。溫度值格式如下：出 這是 12 位轉化后得到的 12 位數據，存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只 要將測到的數值乘于 0.0625 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到實際溫度。圖中，S 表示 位。對應的溫度計算：當符號位 S=0 時，表示測得的溫度植為正值，直接將二 進制位轉換為十進制；當 S=1 時，表示測得的溫度植為負值，先將補碼變換為 原

26、碼，再計算十進制值。例如+125的數字輸出為 07D0H，+25.0625的數 字輸出為 0191H，-25.0625的數字輸出為 FF6FH，-55的數字輸出為 FC90H。 DS18B20 溫度傳感器主要用于對溫度進行測量，數據可用 16 位符號擴展的 二進制補碼讀數形式提供，并以 0.0625LSB 形式表示。表 2 是部分溫度值 對應的二進制溫度表示數據。出 表 2 部分溫度值 DS18B20 完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與 RAM 中的 TH、TL 字節 內容作比較，若 TTH 或 TTL,則將該器件內的告警標志置位，并對主機發出 的告警搜索命令作出響應。因此，可用多只 DS18

27、B20 同時測量溫度并進行告警 搜索。 在 64 位 ROM 的最高有效字節中存儲有循環冗余校驗碼（CRC）。主機根據 ROM 的前 56 位來計算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比較，以判斷主 機收到的 ROM 數 據是否正確。 2.32.3 DS18B20DS18B20 測溫原理測溫原理 每一片 DSl8B20 在其 ROM 中都存有其唯一的 48 位序列號，在出廠前已寫 入片內 ROM 中。主機在進入操作程序前必須用讀 ROM(33H)命令將該 DSl8B20 的序列號讀出。程序可以先跳過 ROM，啟動所有 DSl8B20 進行溫度 變換，之后通過匹配 ROM，

28、再逐一地讀回每個 DSl8B20 的溫度數據。 DS18B20 的測溫原理如圖 2.4 所示，圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的 影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器 1，高溫度系數晶振 隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數器 2 的脈沖輸入， 圖中還隱含著計數門，當計數門打開時，DS18B20 就對低溫度系數振蕩器產生 的時鐘脈沖后進行計數，進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數 振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 所對應的基數分別置入減法計數器 1 和溫度寄存器中，減法計數器 1 和溫度寄存器被預置在-55 所對應的一個基數 值。減法計數器 1

29、 對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計 數器 1 的預置值減到 0 時溫度寄存器的值將加 1，減法計數器 1 的預置將重新 被裝入，減法計數器 1 重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數， 如此循環直到減法計數器 2 計數到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度 寄存器中的數值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線 性，其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數門仍未關閉就重復上述過 程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值.。 表 31 ROM 操作命令 指令約定代碼功 能 讀 ROM33H讀 DS18B20 ROM 中的編碼 符合 ROM55H 發出此

30、命令之后，接著發出 64 位 ROM 編碼，訪問單線 總線上與該編碼相對應的 DS18B20 使之作出響應，為下 一步對該 DS18B20 的讀寫作準備 搜索 ROM0F0H用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個數和識別 64 位 ROM 地址，為操作各器件作好準備 跳過 ROM0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 發溫度變換命令， 適用于單片工作。 告警搜 索 命 令 0ECH執行后，只有溫度超過設定值上限或者下限的片子才做 出響應 溫度變 換 44H啟動 DS18B20 進行溫度轉換，轉換時間最長為 500MS， 結果存入內部 9 字節 RAM 中 讀暫存

31、器 0BEH讀內部 RAM 中 9 字節的內容 寫暫存 器 4EH發出向內部 RAM 的第 3，4 字節寫上、下限溫度數據命 令，緊跟讀命令之后，是傳送兩字節的數據 復制暫 存器 48H將 E2PRAM 中第 3，4 字節內容復制到 E2PRAM 中 重調 E2PRAM 0BBH將 E2PRAM 中內容恢復到 RAM 中的第 3，4 字節 讀 供 電 方 式 0B4H讀 DS18B20 的供電模式，寄生供電時 DS18B20 發送“0” ， 外接電源供電 DS18B20 發送“1” 續 另外，由于 DS18B20 單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念， 因此讀寫時序很重要。系統對 DS

32、18B20 的各種操作必須按協議進行。操作協議 為：初始化 DS18B20（發復位脈沖）發 ROM 功能命令發存儲器操作命令 處理數據。 減法計數器 斜坡累加器 減到 0 減法計數器 預 置 低溫度系數 振 蕩 器 高溫度系數 振 蕩 器 計數比較器 預 置 溫度寄存器 減到 0 測溫原理內部裝置 五、五、 系統整體設計系統整體設計 （一）系統硬件電路設計（一）系統硬件電路設計 1.硬件電路設計總體概述硬件電路設計總體概述 溫度計電路設計原理圖如圖5.1所示,控制器使用單片機AT89C2051,溫度計 傳感器使用DS18B20,用液晶實現溫度顯示。 本溫度計大體分三個工作過程。首先，由DS18

33、820溫度傳感器芯片測量當 前的溫度，并將結果送入單片機。然后，通過89C205I單片機芯片對送來的測量 溫度讀數進行計算和轉換，井將此結果送入液晶顯示模塊。最后，SMC1602A 芯片將送來的值顯示于顯示屏上。 由圖1可看到，本電路主要由DSl8820溫度傳 感器芯片、SMCl602A液晶顯示模塊芯片和89C2051單片機芯片組成。其中， DSI8B20溫度傳感器芯片采用“一線制”與單片機相連，它獨立地完成溫度測量 以及將溫度測量結果送到單片機的工作。 圖 5.1 電路設計原理圖 2.CPU 機器基本外圍電路設計機器基本外圍電路設計 2.1 單片機電路單片機電路 對于 AT89S51 的簡介

34、在本文的第四部分 單片機電路引腳圖 2.2 晶振控制電路晶振控制電路 AT89C51 中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的 片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器。 外接石英晶體或陶瓷諧振器及電容 C1、C2 接在放大器的反饋回路中構成 并聯寫真電路。對外接電容 C!、C2 雖然沒有十分嚴格的要求，當電容容量的 大小會輕微影響振蕩器頻率的高低、振蕩器工作的穩定性、起振的難易程度及 溫度的穩定性。 晶振控制電路圖 2.3 繼電器電路繼電器電路 圖中 P1.1 引腳控制加熱器繼電器。給.P1.

35、1 低電平，三極管導通，電磁鐵觸 頭放下來開始工作. 繼電器電路圖 2.4 鎖存器鎖存器 74LS373 引腳功能及工作原理引腳功能及工作原理 2.4.1 74LS373 引腳功能引腳功能 D0D7 為 8 個輸入端 Q1Q7 為 8 個輸出端 LE 是數據鎖存控制端；當 LE=1 時，鎖存器輸出端同輸入端；當 LE 由 1 變為 0 時，數據輸入鎖存器中。OE 為輸出允許端；當 OE=0 時，三態門打開：當 OE=1 時，三態門關閉，輸出呈高阻狀態。 2.4.2 74LS373 工作原理工作原理 輸入端 D0D7 接于單片機 P0 口，輸出端提供的是低 8 位地址，LE 端接至單片 機的地址

36、鎖存允許信號 ALE。輸出允許端接地，以保持輸出長通。LE 端與 OE 8031 單片機的 ALE 端口連接，當 LE=1 時（ALE 高電平持續時間） ，74LS473 的輸出 Q0Q7 隨其輸入 D0D7 的狀態變化，即 P0 口送出低 8 位地址信號一旦 輸出即傳輸到 2764 芯片，5264 芯片的地址輸入端口 A0A7，實現輸入輸出隔 離。74LS138 為 3 線8 線譯碼器，共有 54/74S138 和 54/74LS138 兩種線路結構型式，其工作原理如下： 當一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（/(G2A)和/(G2B)）為 低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進制編

37、碼在一個對應的輸出端以低 電平譯出。 利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可級聯擴展成 24 線譯碼器；若外接一個反 相器還可級聯擴展成 32 線譯碼器。 若將選通端中的一個作為數據輸入端時，74LS138 還可作數據分配器 用與非門組成的 3 線-8 線譯碼器 74LS138 3 線-8 線譯碼器 74LS138 的功能表 無論從邏輯圖還是功能表我們都可以看到 74LS138 的八個輸出引腳，任何時刻 要么全為高電平 1芯片處于不工作狀態，要么只有一個為低電平 0，其余 7 個 輸出引腳全為高電平 1。如果出現兩個輸出引腳同時為 0 的情況，說明該芯片 已經損壞。 當附加控制門的輸出為高電

38、平（S1）時，可由邏輯圖寫出 由上式可以看出，同時又是這三個變量的全部最小項的譯碼輸出，所以也把這 種譯碼器叫做最小項譯碼器。 71LS138 有三個附加的控制端、和。當、時，輸出為高電平（S1），譯碼器 處于工作狀態。否則，譯碼器被禁止，所有的輸出端被封鎖在高電平，如表 3.3.5 所示。這三個控制端也叫做“片選”輸入端，利用片選的作用可以將多篇連接起 來以擴展譯碼器的功能。 帶控制輸入端的譯碼器又是一個完整的數據分配器。在圖 3.3.8 電路中如果把作 為“數據”輸入端（同時），而將作為“地址”輸入端，那么從送來的數據只能通 過所指定的一根輸出線送出去。這就不難理解為什么把叫做地址輸入了。

39、例如 當101 時，門的輸入端除了接至輸出端的一個以外全是高電平，因此的數據 以反碼的形式從輸出，而不會被送到其他任何一個輸出端上。 2.4.3 Intel 2764 的引腳和功能表 2764 EPROM 存儲容量為 64K 位，結構為 8K8：13 個地址線 A12A0，8 個數 據線 O7O0。 2764 EPROM 的控制信號有一個片選引腳和一個輸出控制引腳，低電平有效時， 分別選中芯片和允許芯片輸出數據。 2764 EPROM 的編程由編程控制引腳以及編程電源 Vpp 控制。在編程時，對引腳 加較寬的負脈沖；在正常讀出時，引腳應該無效。 Intel 2764 有 8 種工作方式，前 4

40、 種為正常狀態，要求 Vpp 接5V；后 4 種為 編程狀態，要求 Vpp 接25V 作為編程高電壓。新型 EPROM 芯片已經沒有 Vpp 引腳，但編程仍然需要高電壓，這種芯片內部設計有電壓提升電路。 3.前向通道設計前向通道設計 3.1 溫度檢測電路溫度檢測電路 DS18B20 最大的特點是單總線數據傳輸方式，DS18B20 的數據I/O 均由 同一條線來完成。DS18B20 的電源供電方式有2 種: 外部供電方式和寄生電源 方式。工作于寄生電源方式時, VDD 和GND 均接地, 他在需要遠程溫度探測和 空間受限的場合特別有用, 原理是當1 W ire 總線的信號線DQ 為高電平時, 竊

41、 取信號能量給DS18B20 供電, 同時一部分能量給內部電容充電, 當DQ為低電平 時釋放能量為DS18B20 供電。但寄生電源方式需要強上拉電路, 軟件控制變得 復雜(特別是在完成溫度轉換和拷貝數據到E2PROM 時) , 同時芯片的性能也有 所降低。因此, 在條件允許的場合, 盡量采用外供電方式。無論是內部寄生電源 還是外部供電，I/O口線要接5K左右的上拉電。在這里采用前者方式供電。 DS18B20與芯片連接電路如圖所示： DS18B20與單片機的連接 外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩定可靠，抗干擾能 力強，而且電路也比較簡單，可以開發出穩定可靠的多點溫度監控系統

42、。在外 接電源方式下，可以充分發揮DS18B20寬電源電壓范圍的優點，即使電源電壓 VCC 降到3V 時，依然能夠保證溫度量精度。由于DS18B20 只有一根數據線， 因此它和主機（單片機）通信是需要串行通信，而AT89S51 有兩個串行端口， 所以可以不用軟件來模擬實現。經過單線接口訪問DC18B20 必須遵循如下協議： 初始化、ROM 操作命令、存儲器操命令和控制操作。 3.23.2電源輸入部分電路電源輸入部分電路 控制系統主控制部分電源需要用5V直流電源供電，其電路如圖5.1所示，把 頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電壓轉換為幅值穩定的5V直流電壓。其 主要原理是把單相交流電經

43、 過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路轉 換成穩定的直流電壓。 由于輸入電壓為電網電壓，一般情況下所需直流電壓的數值和電網電壓的 有效值相差較大，因而電源變壓器的作用顯現出來起到降壓作用。降壓后還是 交流電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉換成直流電壓。由于經整流電路整 流后的電壓含有較大的交流分量，會影響到負載電路的正常工作。需通過低通 濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。穩壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受 電網電壓波動和負載電阻變化的影響，從而獲得穩定性足夠高的直流電壓。本 電路使用集成穩壓芯片7805解決了電源穩壓問題。 D1 T1 220uF C5 220uF C8 0.1uF C6

44、 0.1uF C7 7805 1 2 3 出220V 出出5V出出出出 5V 470 R3 Res2 D2 VCC 出出出出 圖 3.8 電源部分連線圖 4.后向通道設計及人機通道設計后向通道設計及人機通道設計 在工業控制系統中，單片機在從前向通道接受信息、作出處理之后，通常 還需要通過前向通道對控制對象實現控制操作，因此，在這樣的系統中要有后 向通道。后向通道時計算機實現控制運算處理后，對控制對象的輸出通道接口 和對控制對象實現控制操作的輸出通道，它的結構與特點和控制對象與任務密 切相關。 4.1 后向通道設計后向通道設計 本設計后向通道采用功率驅動電路，實現對單片機輸出信號進行功率放大，

45、是數碼管能夠準確顯示。此驅動電路由四個三極管和四個定值電阻工程，根據 三極管的放大功能實現對信號的功率驅動 4.1.1 顯示電路顯示電路 4.1.1.1 LED 顯示器的結構顯示器的結構 顯示電路采用了 7 段共陰數碼管掃描電路，節約了單片機的輸出端口，便 于程序的編寫。常用的 LED 顯示器為 8 段。每段對應一個發光二極管。這種顯 示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極 LED 顯示器的發光二極管的陰極連接在一 起，通常吃公共陰極接地。當某個發光二極管的陽極為高電平時，發光二極管 點亮，相應的段被顯示。同樣，共陽極 LED 顯示器的發光二極管的陰極接低電 平時，發光二極管被點亮相應的段被顯示。本

46、設計采用共陽極，如下圖 顯示電路圖 4.1.1.2 LED 顯示器的工作原理顯示器的工作原理 由 N 個 LED 顯示塊可以拼接成 N 位的 LED 顯示器。 N 個 LED 顯示塊有 N 根位選線和 8*N 根段碼線。段碼線控制顯示字符的 字型，而位選線為各個 LED 顯示塊中的隔斷的公共端，它控制該 LED 顯示為 的亮或者暗。 LED 顯示器有靜態顯示和動態顯示兩種顯示方式，本次設計主要采用動態 顯示方式： LED 顯示時，將所有位的段碼線并聯在一起，有一個 8 位 I/O 口控制，而各 位的共陽極或共陰極由相應的 I/O 線控制，形成各位的分時選通。上圖中為一 個 4 位 8 段 LE

47、D 動態顯示器電路。其中段碼線占用一個 8 位的 I/O 口，二為選 為占用一個 4 位 I/O 口。由于各位的段碼線并聯，8 位的 I/O 口輸出的段碼對各 個顯示位來說都是相同的。因此，在同一時刻，如果各位的位選線都處于選通 狀態的話，4 位 LED 將顯示相同的字符。若要各位 LED 能夠同時顯示出于本 位相應的顯示字符，就必須采用動態顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位的 位選線處于選通狀態，而其他各位的位選線處于關閉狀態，同時，段碼線上輸 出相應位要顯示的支付的段碼。這樣，在同一時刻，4 位 LED 中只有選通的哪 一位顯示出字符，而其他三位則是熄滅的。同樣，在下一時刻，只讓下一位的

48、位選線處于選通狀態，二其他各位的位選線處于關閉狀態，在段碼線上輸出將 要顯示字符的段碼，則同一時刻，只有選通位顯示出相應的字符，而其他各位 則是熄滅的。如此循環下去，就可以使各位顯示出將要顯示的字符。雖然這些 字符時在不同時刻出現的，而在同一時刻，就只有一位顯示，其他各位則是熄 滅的。如此循環下去，就可以使各位顯示出將要顯示的字符。雖然這些字符是 在不同時刻出現的，而在同一時刻，就只有一位顯示，其他各位熄滅，但是由 于 LED 顯示器的余暉和人眼的“視覺暫留”作用，只要每位顯示間隔足夠短， 則可以造成多位同時亮的假象，達到同時顯示的效果。 4.1.1.3 LED 顯示設計方案顯示設計方案 本方

49、案采用 LED 共陽極動態顯示原理，共使用了四個數碼管顯示，這樣對 CPU 本身的影響很小，同時節省了器件。因為用不到 dp 顯示，所以只用了 abcdefg 這 7 條線路與芯片的 P1.0P1.6 口相連，同時四個數碼管分別由芯片的 P3.0P3.3 口進行控制，已達到顯示效果。在芯片工作時，P1.0P1.6 口輸出顯 示數據，P3.0P3.3 口分別控制四位數碼管的顯示時序。 4.24.2 鍵盤鍵盤 鍵盤的結構形式一般有兩種：獨立式鍵盤與矩陣式（行列式）鍵盤。 獨立式鍵盤的電路配置靈活，軟件簡單。但每個按鍵要占用一根 I/O 接口 線，在按鍵數量較多時，I/O 接口線浪費很大，故本次課程

50、設計選用矩陣式鍵盤。 矩陣式鍵盤又叫行列式鍵盤。用 I/O 接口線組成行、列結構，鍵位設置在 行、列的交點上。例如 4*4 的行、列結構可組成 16 個鍵的鍵盤，比一個鍵位用 一根 I/O 接口線的獨立式鍵盤少了一半的 I/O 接口線。而且鍵位越多，情況越 明顯。因此，在按鍵數量較多時，往往采用矩陣式鍵盤。 矩陣式鍵盤的連接方法有多種，可直接連接于單片機的 I/O 接口線；可利 用擴展的并行 I/O 接口連接；也可利用可編程的鍵盤、顯示接口芯片進行連接 等。按鍵設置在行、列線的交點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。行 線通過上拉電阻接+5V，平時沒有鍵位按下時，被鉗位在高電平狀態。 矩陣式

51、鍵盤的按鈕識別辦法矩陣式鍵盤的按鈕識別辦法 （1）判斷鍵盤中有無鍵按下：將全部列線 Y0-Y3 置“0” ，然后檢測行線的狀 態。只要有一行的電平為“0” ，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于 低電平線與 4 根行線相交叉的 4 個按鈕之中。若所有列線均為“1” ，則鍵盤中 無鍵按下。 （2）判斷閉合鍵所在的位置：在確認有鍵按下后，即可進入確定具 體閉合鍵的過程。其辦法是：依次將列線 Y0-Y3 置為“0” ，即在置某根列線為 低電平時，其它線為高電平。在確定某根列線位置為低電平后，再逐行檢測各 行線的電平狀態。若某行為低，則該行線與置為低電平的列線交叉處的按鈕就 是閉合的按鈕。 4.3

52、4.3 溫度報警電路溫度報警電路 本設計采軟件處理報警，利用有源蜂鳴器進行報警輸出，采用直流供電。 當所測溫度超過獲低于所預設的溫度時，數據口相應拉高電平，報警輸出。 （也可采用發光二級管報警電路，如果需要報警，則只需將相應位置1，當參數 判斷完畢后，再看報警模型單元ALARM 的內容是否與預設一樣，如不一樣，則 發光報警）報警電路硬件連接下圖。 蜂鳴器電路連接圖 4.4 復位電路復位電路 本設計中采用按鍵與芯片的 RST 端連接，并與+5V 電源相連，當按鍵被按 下時，可以對芯片進行復位。 復位電路圖 5.5.抗干擾措施抗干擾措施 隨著單片微機在各個領域中的應用越來越廣泛，對其可靠性要求也越

53、來越 高。單片機系統的可靠性由多種因素決定，其中系統抗干擾性能是可靠性的重 要指標。 形成干擾的基本要素有三個 ： （1）干擾源，指產生干擾的元件、設備或信號，用數學語言描述如下： du/dt ， di/dt 大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高 頻時鐘等都可 能成為干擾源。 （2）傳播路徑，指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干 擾傳 播路徑是通過導線的傳導和空間的輻射。 （3）敏感器件，指容易被干擾的對象。如： A/D 、 D/A 變換器，單片 機等。 5.1 干擾產生的后果：干擾產生的后果： (1)數據采集誤差的加大。當干擾侵入單片機系統的前向通道疊加在信號

54、上，會 使數據采集誤差增大。 (2)程序運行失常。干擾的加入使輸出誤差加大，造成邏輯狀態改變，導致控制 失常；造成程序計數器 PC 值的改變，破壞程序正常運行。 (3)系統被控對象誤操作。單片機內部程序指針錯亂，運行了錯誤的程序； RAM 中的某些數據出錯，使程序計算出錯誤的結果；中斷誤觸發，使系統進 行錯誤的中斷處理。 (4)定時不準。單片機內部程序指針錯亂，使中斷程序運行超出定時時間； RAM 中計時數據被沖亂，使程序計算出錯誤的結果。 (5)數據發生變化。在干擾的侵入下，RAM 中數據有可能發生改變；雖然 ROM 能避免干擾破壞，但單片機片內 RAM 以及片內各種特殊功能寄存器等狀態都

55、有可能受干擾而變化，甚至 EEROM 中的數據也可能誤讀寫，使程序計算出錯 誤的結果。 5.2 抗干擾設計的基本原則是抗干擾設計的基本原則是 ： 抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的 抗干擾性能。 1、按干擾的傳播路徑可分為傳導干擾和輻射干擾兩類。 所謂傳導干擾是指通過導線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和 有用 信號的頻帶不同，可以通過在導線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾 噪聲的傳 播，有時也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大， 要特別注意處理。 所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。 一般的解決方法是增 加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽

56、罩。 2、切斷干擾傳播路徑的常用措施如下 ： （1）充分考慮電源對單片機的影響。電源做得好，整個電路的抗干擾就解決 了一大半。許多單片機對電源噪聲很敏感 , 要給單片機電源加濾波電路或穩 壓器，以減小電源噪聲對單片機的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成 形濾波電路，當然條件要求不高時也可用 100 電阻代替磁珠。 （2）如果單片機的 I/O 口用來控制電機等噪聲器件，在 I/O 口與噪聲源之 間應加隔離（增加 形濾波電路） 。 控制電機等噪聲器件，在 I/O 口與噪聲 源之間應加隔離（增加 形濾波電路） 。 （3）注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區隔離起來， 晶振外殼接地并

57、固定。此措施可解決許多疑難問題。 （4）電路板合理分區，如強、弱信號，數字、模擬信號。盡可能把干擾源 （如電機，繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。 （5）用地線把數字區與模擬區隔離，數字地與模擬地要分離，最后在一點接 于電源地。 A/D 、 D/A 芯片布線也以此為原則，廠家分配 A/D 、 D/A 芯 片 引腳排列時已考慮此要求。 （6）單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減小相互干擾。 大功率器 件盡可能放在電路板邊緣。 （7）在單片機 I/O 口，電源線，電路板連接線等關鍵地方使用抗干擾元件 如磁珠、磁環、電源濾波器，屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。 5.3硬件抗干擾設計硬件抗干

58、擾設計 1. 選擇抗干擾性能強的CPU 單片機和單片機抗干擾能力是不一樣的。單片機的選擇不光考慮硬件配置、存 儲容量等，更要選擇抗干擾性能較強的單片機，如果是工作在干擾比較大的環 境，可以試試選用不同品牌的單片機。在實踐的過程中，覺得摩托羅拉、AVR 系列的單片機的抗干擾性能還可以。外時鐘是高頻的噪聲源，對系統的內外都 能產生干擾，因此在滿足需要的前提下，選用頻率低的單片機是明智之舉。 2. 隔離與屏蔽 信號的隔離目的之一是從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離出來，使監控 裝置與現場僅保持信號聯系，但不直接發生電的聯系。隔離的實質是把引進的 干擾通道切斷，從而達到隔離現場干擾的目的。 常用的隔

59、離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離和布線隔離等。對數字 信號的隔離，通常采用光電荊合器，輸人、輸出信號加光電耦合器隔離，可以 將單片機部分和前向、后向通道及其它部分切斷電路的聯系，可有效地防正干 擾進人主機系統對于模擬信號。圖1為一種光電耦合隔離電路。 3.接地 單片機系統設備的抗干擾與系統的接地方式有很大關系，接地技術往往是抑制 噪音的重要手段。良好的接地可以在很大程度上抑制系統內部噪音耦合，防止 外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。設備的金屬外殼等要安全接地；屏 蔽用的導體必須良好接地。為單片機系統提供良好的地線對提高系統的抗干擾 能力極為有益。特別是對有防雷擊要求的系統，良好的接

60、地至關重要。如果系 統不接地，或雖有地線但接地電阻過大，則抗干擾元件就不能正常發揮作用。 單片機供電的電源的地俗稱邏輯地，它們和大地的地的關系可以相通、浮空、 或接電阻。不能把地線隨便接在暖氣管子上。絕對不能把接地線與動力線的火 線、零線中的零線混淆。單片機系統通常既有模擬電路又有數字電路，因此數 字地與模擬地要分開，最后只在一點相連，如果兩者不分，則會互相干擾。 5.4 軟件的抗干擾設計軟件的抗干擾設計 1。數據采集誤差的軟件對策 算術平均值法。對一個點的數據連續采樣多次，然后計算其平均值，以其平均 值作為該點的結果，這種方法可減小系統的隨機干擾對采集結果的影響。一般 取 35 次平均即可。