基于89C51的4位數(shù)碼管顯示的數(shù)字溫度計畢業(yè)論文

1、基于89C51的4位數(shù)碼管顯示的數(shù)字溫度計前 言單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了壓力檢測和壓力控制。隨著壓力控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣性，各種適用于不同場合的智能壓力控制器應(yīng)運而生。數(shù)字壓力計的出現(xiàn)，給人類的生活帶來了很多方便，使人類不管是在生活還是在工業(yè)方面都有了很多便利之處。但是數(shù)字壓力計主要應(yīng)用還是在生產(chǎn)過程、實驗室及研究所。數(shù)字壓力計本身可由電源提供電壓，用數(shù)字壓力傳感器檢測壓力，因此數(shù)字壓力計屬于壓力系統(tǒng)?？刂评碚搹慕?jīng)典理論、現(xiàn)代理論已經(jīng)發(fā)展到更先進(jìn)的控制理論，控制系統(tǒng)也由簡單的控制系統(tǒng)、大系統(tǒng)發(fā)展到今天的復(fù)雜系統(tǒng)。本文討論的數(shù)字壓力計壓力控制系

2、統(tǒng) 89C51單片機(jī)提取PCF8591轉(zhuǎn)化成壓力變化通過單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)化成數(shù)值并由數(shù)字顯示電路顯示出來。在我們?nèi)粘Ｉ罴案鞣N生產(chǎn)中，經(jīng)常要用到壓力的檢測及控制，傳統(tǒng)的測壓元件有電阻應(yīng)變片等。而電阻應(yīng)變片測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的壓力，需要比較多的外部硬件支持。其缺點如下：1 硬件電路復(fù)雜；2 軟件調(diào)試復(fù)雜；3 制作成本高。 而傳統(tǒng)的壓力計也有反應(yīng)速度慢、讀數(shù)麻煩、測量精度不高、誤差大等缺點而下面利用集成溫度傳感器PCF8591設(shè)計并制作了一款基于 89C51的4位數(shù)碼管顯示的數(shù)字溫度計，其電路簡單，軟硬件結(jié)構(gòu)模塊化，易于實現(xiàn)。其中壓力傳感器PCF8591，它集壓力測量、AD

3、轉(zhuǎn)換于一體 ，PCF8591是一款具有I2C總線結(jié)構(gòu)的器件。 由PCF8591組建的壓力測量單元體積小，便于攜帶、安裝。同時，PCF8591的輸出為數(shù)字量，可以直接與單片機(jī)連接，無需后級AD轉(zhuǎn)換，控制簡單。第一章 總體設(shè)計方案1.1 系統(tǒng)的設(shè)計原則 一般系統(tǒng)的設(shè)計原則包含安全性（穩(wěn)定抗干擾性），操作的便利性（人性化），實時性，通用性和經(jīng)濟(jì)性。（1）安全可靠 首先要選用高性能的 89C51單片機(jī)，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運行。其次是設(shè)計可靠的控制方案，并具有各種安全保護(hù)措施，如報警、事故預(yù)測、事故處理和不間斷電源等。（2）操作維護(hù)方便操作方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象和便于掌握且不強(qiáng)求操作工要

4、掌握計算機(jī)知識才能操作。（3）實時性強(qiáng)選用高性能的 89C51單片機(jī)的實時性，表現(xiàn)在內(nèi)部和外部事件能及時地響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理。（4）通用性好 系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮能適應(yīng)不同的設(shè)備和各種不同設(shè)備和各種不同控制對象，并采用積木式結(jié)構(gòu)，按照控制要求靈活構(gòu)成系統(tǒng)。主要表現(xiàn)在兩個方面：一是硬件板設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)（如PC總線），配置各種通用的模板，以便擴(kuò)充功能時，只需增加功能模板就能實現(xiàn)；二是軟件功能模塊或控制算法采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需各種功能模塊，靈活地進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)。（5）經(jīng)濟(jì)效益高 1.2 系統(tǒng)的設(shè)計步驟（1）系統(tǒng)總體方案設(shè)計、（2）方案論證評審 硬件和軟件的分別細(xì)化

5、設(shè)計 硬件和軟件的分別調(diào)試 系統(tǒng)的組裝 （3）離線仿真和調(diào)試階段 1.3 系體的總體方案設(shè)計和框圖設(shè)計（1）系統(tǒng)的主要功能、技術(shù)指標(biāo)、原理性方框及文字說明。（2）系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)幾配置，主要軟件的功能、結(jié)構(gòu)框圖。（3）保證性能指標(biāo)要求的技術(shù)措施。（4）抗干擾性和可靠性設(shè)計。 （5）工藝要求壓力數(shù)碼管顯示。調(diào)節(jié)壓力的超調(diào)量小于30%。 供電電壓：交流5。 方案一：考慮到用壓力傳感器，在單片機(jī)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，所以可以使用電阻應(yīng)變片之類的器件利用其感壓力效應(yīng)，感壓力電路比較麻煩，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，才可以滿足設(shè)計要求。方案二：由于本設(shè)計是測壓力電路，首先要選用高性能

6、的AT89C51單片機(jī)，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能正常運行。單片機(jī)AT89C51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。測溫傳感器使用二極管結(jié)電壓變化的數(shù)值來轉(zhuǎn)化成溫度的變化，在將隨被測溫度變化的S電壓或電流采集過來，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)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。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設(shè)計也比較簡單，故采用了方案二。考慮到方案中制作數(shù)字溫度計，在單片機(jī)電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器D

7、S18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計要求。溫度計電路設(shè)計總體設(shè)計方框圖如圖1所示，控制器采用單片機(jī)AT89C51，壓力傳感器采用PCF8591，用4位LED數(shù)碼管以串口傳送數(shù)據(jù)實現(xiàn)壓力顯示。AT89S51單片機(jī)顯示器壓力傳感器AD轉(zhuǎn)換器上位機(jī) 圖1.1 總體設(shè)計方框圖第二章 硬件設(shè)計 主控制器 單片機(jī)AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。如圖2.1所示。 （1）主要特性：與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)全靜態(tài)

8、工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 （2）管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4

9、TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄

10、存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.

11、7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被

12、略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 LED顯示器概述LE

13、D是Light Emiting Diode (發(fā)光二極管)的縮寫，發(fā)光二極管是能將電信號轉(zhuǎn)換成光信號的電致發(fā)光器件。由條形發(fā)光二極管組成“8”字形的LED顯示器，也稱數(shù)碼管。通過數(shù)碼管中的發(fā)光二極管的亮暗組合，可以顯示多組數(shù)字、字母以及其他符號。數(shù)碼管能夠被廣泛應(yīng)用與其具有的許多特點是分布開的，其中包括：1. 發(fā)光響應(yīng)快，亮度強(qiáng)，高頻特性好；而且隨著材料的不同，數(shù)碼管還能發(fā)出紅、黃、綠、藍(lán)、橙等多種顏色。2. 機(jī)械性能好，體積小，重量輕，價格低廉；能與和電路配合使用；使用壽命長。3. 工作電壓低，驅(qū)動電流適中。每段工作電流為，一只數(shù)碼管的段全亮需要電流為。這樣大的電流需要由驅(qū)動電路來提供，因此

14、，使用時要注意數(shù)碼管的驅(qū)動問題。在使用中，為了給發(fā)光二極管加驅(qū)動電壓，它們應(yīng)有一個公共引腳，公共引腳共有如下兩種接法： 共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成陰極公共引腳，使用時陰極公共陰極接地，這樣陽極上加高電平的發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而加低電平則不亮。 共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成陽極公共引腳，使用時陽極公共陽極接，這樣陰極上加低電平的發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而加高電平則不亮。顯示器原理 段碼所謂段碼就是為數(shù)碼管顯示提供的各段狀態(tài)組合，即字形代碼。段數(shù)碼管的段碼為位，段數(shù)碼管的段碼為位，用一個半字節(jié)即可表示。在段碼字節(jié)中代碼位與發(fā)光二極管的對應(yīng)關(guān)系如下：段碼段名dpgfed

15、cba段碼的值與數(shù)碼管的公共引腳的接法有關(guān)。以8段數(shù)碼管為例，顯示十六進(jìn)制的段碼值如下表所示。十六進(jìn)制數(shù)段碼表數(shù)字共陽極段碼共陰極段碼數(shù)字共陽極段碼共陰極段碼0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF8EH71H7F8H07H滅FFH00H880H7FH2. LED 顯示器動態(tài)顯示方式并排使用的多位數(shù)碼管稱為LED顯示器。LED顯示器多采用動態(tài)顯示方式，全部數(shù)碼管共用一套段碼驅(qū)動電路，各位數(shù)碼管的同段引腳短接后再接到對應(yīng)段碼的驅(qū)動線上。顯示時通過位控信號

16、采用掃描的方法逐位的循環(huán)點亮各位數(shù)碼管。動態(tài)顯示雖然在任一時刻只有一位數(shù)碼管被點亮，但是由于人眼的具有的視覺殘留效應(yīng)，看起來與全部數(shù)碼管持續(xù)點亮的效果完全一樣。動態(tài)顯示如下圖所示。鎖存器段碼LED 顯示器接口為了實現(xiàn)LED顯示器的動態(tài)顯示，需要給數(shù)碼管提供段碼和位碼，因此，要用到接口芯片的兩個數(shù)據(jù)口，一個用于輸出8位段碼（帶小數(shù)點顯示），另一個用于輸出位碼，位碼的位數(shù)等于數(shù)碼管的個數(shù)。1. 8255 實現(xiàn)LED顯示器接口是使用8255作6位的LED顯示器的接口電路。其中PC口為位碼輸出口，以PC5-PC0 輸出位控線。由于位控線的驅(qū)動電流較大，因此，PC口輸出加接74LS06進(jìn)行反相并提高驅(qū)動

17、能力。PA口為段碼輸出口，各段碼線的負(fù)載電流約為8MA，為提高顯示亮度，加接74LS244進(jìn)行段控輸出驅(qū)動。使用8255作LED顯示器接口，8255只能輸出顯示段碼而不具有控制功能，動態(tài)控制要靠程序?qū)崿F(xiàn)。對此有以下兩點說明。1. 為了存放段碼，通常要在80C51的內(nèi)部中設(shè)置一個顯示緩沖區(qū)，存儲單元個數(shù)與顯示器的位數(shù)相同，一個單元對應(yīng)一個顯示位。例如本例中有個數(shù)碼管，顯示緩沖區(qū)就應(yīng)該有個單元，假定存儲單元地址為，與LED顯示位的對應(yīng)關(guān)系為：LED5LED4LED3LED2LED1LED07EH7DH7CH7假設(shè)動態(tài)顯示是從右向左進(jìn)行的，則緩沖區(qū)的首地址為79H。每顯示一位，就到對應(yīng)的單元讀取段碼

18、。2. 為了保證顯示亮度，在掃描過程中，應(yīng)在每一位數(shù)碼管上都駐留一段時間（約1MS）以使數(shù)碼管穩(wěn)定的點亮一段時間，以保證其顯示亮度。為此在掃描過程中，位與位之間要加進(jìn)一段時間延遲。顯示電路采用3位共陽LED數(shù)碼管，利用動態(tài)掃描方式，從P0口輸出段碼，P2口的P2.5、P2.6、P2.7輸出位碼。（1）LED數(shù)碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數(shù)點）而作為一個引腳，為共陽管。如下圖2.2、2.3所示： A/D和D/A轉(zhuǎn)換器具 PCF8591【1】單獨供電 【2】PCF8591的操作電壓范圍2.5V-6V 【3】低待機(jī)電流 【4】通過I2C總線串行

19、輸入/輸出 【5】PCF8591通過3個硬件地址引腳尋址 【6】PCF8591的采樣率由I2C總線速率決定 【7】4個模擬輸入可編程為單端型或差分輸入 【8】自動增量頻道選擇 【9】PCF8591的模擬電壓范圍從VSS到VDD 【10】PCF8591內(nèi)置跟蹤保持電路 【11】8-bit逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器 【12】通過1路模擬輸出實現(xiàn)DAC增益 2、應(yīng)用. 閉環(huán)控制系統(tǒng). 用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的低功耗轉(zhuǎn)換器. 電池供電設(shè)備. 在汽車、音響和TV應(yīng)用方面的模擬數(shù)據(jù)采集3、概述PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出

20、和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0, A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。 4. 命令信息型號封裝名稱描述版本 PCF8591PDIP16塑性在線封裝（16位）SOT38-4PCF8591TSO16塑性小型封裝（16位）SOT162-15內(nèi)部框圖內(nèi)部框圖6. 引腳引腳引腳序號引腳功能AIN0模擬量輸入方式AIN1AIN2AIN3模擬通道選擇負(fù)電源電壓數(shù)據(jù)信號時鐘信號振蕩器振蕩器輸入的外部內(nèi)部轉(zhuǎn)換模擬接地端輸入的

21、參考電壓模擬量輸出正的電源電壓PCF8591引腳圖7、功能描述7. 1地址I2C總線系統(tǒng)中的每一片PCF8591通過發(fā)送有效地址到該器件來激活，該地址包括固定部分和可編程部分?？删幊滩糠直仨毟鶕?jù)地址引腳A0. A1和A2來設(shè)置。在I2C總線協(xié)議中地址必須是起始條件作為第一個字節(jié)發(fā)送。地址字節(jié)的最后一位是用于設(shè)置以后數(shù)據(jù)傳輸方向的讀寫位。（見圖3）1001A2A1A0R/W圖3 地址7.2 控制字發(fā)送到PCF8591的第二個字節(jié)將被存儲在控制寄存器，用于控制器件功能，控制寄存器的高半字節(jié)用于容許模擬輸出，和將模擬輸入編程為單端或差分輸入。低半字節(jié)選擇一個由高半字節(jié)定義的模擬輸入通道。如果自動增量

22、（auto-increment）標(biāo)志置1，每次AD轉(zhuǎn)換后通道號將自動增加。如果自動增量（auto-increment）模式是使用內(nèi)部振蕩器的應(yīng)用中所需要的，那么控制字節(jié)中模擬輸出容許標(biāo)志應(yīng)置1.這要求內(nèi)部振蕩器持續(xù)運行，因此要防止振蕩器啟動延時的轉(zhuǎn)換錯誤結(jié)果。模擬輸出容許標(biāo)志可以在其他時候復(fù)位以減少靜態(tài)功耗。、選擇一個不存在的輸入通道將導(dǎo)致分配最高可用的通道號。所以，如果自動增量（auto-increment）被置1，下一個被選擇的通道將總是通道0.兩個半字節(jié)的最高有效位（即第7位和第3位）是留給未來的功能，必須設(shè)置為邏輯0.控制寄存器的所有位在上電復(fù)位后被復(fù)位為邏輯0.DA轉(zhuǎn)換器和振蕩器在節(jié)

23、能時被禁止。模擬輸出被切換到高阻態(tài)。7.3 DA轉(zhuǎn)換發(fā)送給PCF8591的第三個字節(jié)被存儲到DAC數(shù)據(jù)寄存器，并使用片上DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬電壓。這個DA轉(zhuǎn)換器由連接至外部的參考電壓的具有256個接頭的電阻分壓電路和選擇開關(guān)組成。接頭譯碼器切換一個接頭至DAC輸出線模擬輸出電壓由自動清零單位增益放大器緩沖。這個緩沖放大器可通過設(shè)置控制寄存器的模擬輸出容許標(biāo)志來開戶或關(guān)閉。在激活狀態(tài)，輸出電壓將保持到新的數(shù)據(jù)字節(jié)被發(fā)送。 DAC電阻電路片上DA轉(zhuǎn)換器也可用于逐次逼近AD轉(zhuǎn)換.為釋放用于AD轉(zhuǎn)換周期的DAC，單位增益放大器還配備了一個跟蹤和保持電路。在執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換時該電路保持輸出電壓。 AD

24、轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近轉(zhuǎn)換技術(shù)，在轉(zhuǎn)換周期將臨時使用片上轉(zhuǎn)換器和高增益比較器。一個轉(zhuǎn)換周期總是開始于發(fā)送一個有效模式地址給之后，轉(zhuǎn)換周期在應(yīng)搭時鐘脈沖的后沿觸發(fā)，所選通道的輸入電壓采樣保存到芯片并被轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的位二進(jìn)制碼。取自差分輸入的采樣將被轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的位二進(jìn)制碼。轉(zhuǎn)換結(jié)果被保存在數(shù)據(jù)寄存器等待傳輸。如果自動增量標(biāo)志被置.將選擇下一個通道。在讀周期傳輸?shù)牡谝粋€字節(jié)包含前一個讀周期的轉(zhuǎn)換結(jié)果代碼。以上電復(fù)位之后讀取的第一個字節(jié)是，總線協(xié)議的讀周期如圖所示。最高AD轉(zhuǎn)換速率取決于實際的I2C總線速度。7.5 參考電壓對DA和AD轉(zhuǎn)換，穩(wěn)定的參考電壓和電源電壓必須提供給電阻分壓電路（引腳和）。AG

25、ND引腳必須連接到系統(tǒng)模擬地，并應(yīng)該有一個參考VSS的直流偏置。低頻可應(yīng)用于VREF和AGND引腳，這容許DA轉(zhuǎn)換器作為一象限乘法器使用；AD轉(zhuǎn)換器也可以用作一個或兩個象限的模擬除法。模擬輸入電壓除以參考電壓。其結(jié)果是被轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼。在這種應(yīng)用中，用戶必須保持在轉(zhuǎn)換周期的參考電壓穩(wěn)定。7.6 振蕩器片上振蕩器產(chǎn)生AD轉(zhuǎn)換周期和刷新自動清零緩沖放大器需要的時鐘信號。在使用這個振蕩器時EXT引腳必須連接到VSS，在OSC引腳振蕩頻率是可用的。如果EXT引腳被送到VDD，振蕩輸出OSC將切換到高阻態(tài)以容許用戶連接外部時鐘信號至8.總線的特性總線是不同的或模塊之間的雙向兩線通信。這兩條線是穿行數(shù)據(jù)線

26、（）和串行時鐘線（）。這兩條線必須通過上拉電路連接至上電源。數(shù)據(jù)傳輸只能在總線不忙時啟動。一個數(shù)據(jù)位在每一個時鐘脈沖期間傳輸。SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘脈沖的高電壓期間保持穩(wěn)定，這個數(shù)據(jù)線上的改變將被當(dāng)作控制信號。位傳輸8 .2 開始或停止條件數(shù)據(jù)和時鐘線在總線不忙時保持高電平。在時鐘為高電平時，數(shù)據(jù)線上的一個由高到低的變化被定義為開始條件。時鐘為高電平時，數(shù)據(jù)線上的一個由低到高的變化被定義為停止條件。開始和停止條件定義8 .3 系統(tǒng)配置產(chǎn)生信息的器件稱作“發(fā)送機(jī)”，接收信息的器件稱作“接收機(jī)”。控制信息的器件稱作“主機(jī)”,被控制的器件稱作“從機(jī)”。 主發(fā)送、接收機(jī)從接收機(jī)從發(fā)送、接收機(jī)主發(fā)送

27、機(jī)主發(fā)送、接收機(jī)系統(tǒng)配置8 .4 應(yīng)答在開始和停止條件之間從發(fā)送機(jī)傳送到接收機(jī)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)是沒有限制的，每個8位數(shù)據(jù)字節(jié)之后緊跟著一個應(yīng)答位。應(yīng)答位是由發(fā)送機(jī)放在總線的一個高電平，而主機(jī)他產(chǎn)生一個額外的與應(yīng)答有關(guān)的時鐘脈沖。地址匹配的從接收機(jī)必須在接收每個字節(jié)后產(chǎn)生一個應(yīng)答。然而主機(jī)在接收到每個已經(jīng)被從發(fā)送機(jī)終止的字節(jié)后必須產(chǎn)生一個應(yīng)答，在應(yīng)答時鐘脈沖期間，應(yīng)答的器件必須將SDA線拉低，因此在應(yīng)答相應(yīng)的時鐘脈沖的高電平期間，SDA線必須保持穩(wěn)定的低電平。在由從機(jī)終止的最后一個字節(jié)，主接收機(jī)必須通過產(chǎn)生一個低電平應(yīng)答向發(fā)送機(jī)發(fā)出一個數(shù)據(jù)結(jié)束信號，這樣發(fā)送機(jī)必須將數(shù)據(jù)線拉高以容許主機(jī)產(chǎn)生停止條件。

28、I2C總線應(yīng)答8 .5 I2C總線協(xié)議在開始條件后一個有效的硬件地址必須發(fā)送至PCF8591。讀寫位定義了以后單個或多個字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。開始條件、停止條件和應(yīng)答位的格式和定時參考I2C總線特性。在寫模式，數(shù)據(jù)傳輸通過發(fā)送下一個數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐Ｖ箺l件或開始條件來結(jié)束。啟動 地址 0 A 控制字 A 數(shù)據(jù)字節(jié) A P/S從機(jī)應(yīng)答從機(jī)應(yīng)答從機(jī)應(yīng)答寫模式的總線協(xié)議 DA轉(zhuǎn)換啟動 地址 1 A 控制字 A 數(shù)據(jù)字節(jié) N A P 從機(jī)應(yīng)答主機(jī)應(yīng)答無應(yīng)答讀模式的總線協(xié)議，AD轉(zhuǎn)換單片機(jī)控制部分在本設(shè)計中，采用了AT89C51單片機(jī)作為本電路的核心電路的設(shè)計。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀

29、存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。（1）振蕩器

30、特性：XTAL1和XTAL2的反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。（2）單片機(jī)芯片的擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。AT89C51的穩(wěn)態(tài)邏輯可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，

31、CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。（3）單片機(jī)的時鐘電路 AT89C1單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個高增益反向放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機(jī)內(nèi)部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。AT89C51的時鐘產(chǎn)生方式有兩種：內(nèi)部時鐘電方式和外部時鐘方式。由于外部時鐘方式用于多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，所以此處選用內(nèi)部時鐘方式。即利用其內(nèi)部的振蕩電路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩。最常用的是在 XTA

32、L1和XTAL2之間接晶體振蕩器與電路構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖2.13電路所示為單片機(jī)最常用的時鐘振蕩電路的接法，其中晶振可選用振蕩頻率為6MHz的石英晶體，電容器一般選擇30PF左右。（4）單片機(jī)的復(fù)位電路圖2.13 AT89C51的復(fù)位電路本設(shè)計中AT89C51是采用上電自動復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。最簡單的復(fù)位電路如圖2.13所示。上電瞬間，RC電路充電，RST引線端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。其中R1和R2分別選擇200和1K的電阻，電容器一般選擇22F。（5）AT89C51的最小應(yīng)用系統(tǒng)AT89C51是片內(nèi)有程序存儲器的單片機(jī)，要構(gòu)成最小

33、應(yīng)用系統(tǒng)時只要將單片機(jī)接上外部的晶體或時鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖2.14所示。這樣構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單可靠，其特點是沒有外部擴(kuò)展，有可供用戶使用的大量的IO線。 圖2.14 AT89C51單片機(jī)構(gòu)成的最小系傳感器數(shù)據(jù)采集電路傳感器數(shù)據(jù)采集電路主要指DS18B20溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路。DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，如圖2.15所示，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖2.15所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。當(dāng)DS18B

34、20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的?？紤]到實際應(yīng)用中寄生電源供電方式適應(yīng)能力差且易損壞，此處采用電源供電方式，I/O口接單片機(jī)的P2.0口。圖2.15 電源供電方式 顯示電路顯示電路是采用P0口輸出段碼至LED，P2口控制位選通的動態(tài)掃描顯示方式，三只數(shù)碼管用NPN型三極管驅(qū)動，這種顯示方式的最大優(yōu)點是顯示清晰，軟件設(shè)計簡單。如圖2.16所示:圖2.16 顯示電路2.3主板電路圖2.17 主板電路圖2.17中有四個獨立式按鍵可以分別調(diào)整溫度計的上下限報警

35、設(shè)置，可以任意調(diào)整報警上下限。圖中蜂鳴器可以在被測溫度不在上下限范圍內(nèi)時，發(fā)出報警鳴叫聲音。LED數(shù)碼管將當(dāng)前被測溫度值顯示，從而測出被測的溫度值。圖2.17中的按健復(fù)位電路是上電復(fù)位加手動復(fù)位，使用比較方便，在程序跑飛時，可以手動復(fù)位，這樣就不用在重起單片機(jī)電源，就可以實現(xiàn)復(fù)位。第三章 軟件設(shè)計系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，計算溫度子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序等。 NYNY按鍵子程序初始化得出溫度總子程序報警子程序調(diào)顯示子程序S1鍵按下否？開始 溫度比較子程序 是否超出上下限返 回圖3.1 主程序流程主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的

36、測量的當(dāng)前溫度值，溫度測量每1s進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程見圖3.1所示。發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)讀取溫度命令讀取操作，CRC校驗9字節(jié)完？CRC校驗正？確？移入溫度暫存器結(jié)束NNYY圖3.2 讀出溫度子程序流程 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令結(jié)束圖3.3 溫度轉(zhuǎn)換流程圖計算溫度子程序?qū)AM中讀取值進(jìn)行BCD碼的轉(zhuǎn)換運算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如圖3.4所示。開始N溫度零下?Y溫度值取補碼置“-”標(biāo)志置“+”標(biāo)志計算小數(shù)位溫度BCD值 計算整數(shù)位溫度BCD值 結(jié)束圖3.4 計算溫度流程

37、圖 3.5 溫度數(shù)據(jù)顯示子程序顯示數(shù)據(jù)子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，查表送段碼至LED，開位碼顯示，采用動態(tài)掃描方式。第四章 實物制作與調(diào)試說明本次設(shè)計在原材料的選擇與采購上做到了設(shè)計最優(yōu)化,即用最小的開支,獲得性價比較高的元器件和材料。設(shè)計中，印刷電路板采用單面板，給人看起來沒有太復(fù)雜的感覺。選元器件時，盡量選擇能使電路簡化的器件。例如，為了不增大電路板的體積及減小功耗，本設(shè)計采用ATMEL公司的89S51單片機(jī)，體積小，工作電壓低。 電路板的設(shè)計與制作是整個電路制作過程中比較重要的一步，如果電路板做不好，再好的電路設(shè)計也不行。下面就對簡單電路板的設(shè)計及制作過程做一個簡單

38、的介紹。 1、利用Protel 99SE畫原理圖。在畫原理圖的時候為了電路板比較好看，要注意布局，同時還得注意元件封裝，命名等。畫好原理圖后要對其進(jìn)行電氣檢測，檢查原理圖是否有錯，同時還要創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表為下一步的工作做好準(zhǔn)備。2、PCB版圖的設(shè)計。在對PCB圖設(shè)計時首先要添加封裝庫，這樣原理圖中給予的封裝才能有效，然后調(diào)入網(wǎng)絡(luò)表看原理圖的封裝，命名等是否有錯，如果沒錯便可進(jìn)行下一步操作。對其進(jìn)行布線，首先先對布線規(guī)則作一些必要的設(shè)置，如焊盤的大小，導(dǎo)線的粗細(xì)等。做好這些設(shè)置后便可進(jìn)行自動布線，自動布線后如果布線不是很理想還可用手動布線進(jìn)行手動修改，這樣PCB圖就畫好了。3、電路板的制作。把設(shè)計布局

39、好的PCB圖打印出來之后，然后進(jìn)行壓板、腐蝕、鉆孔。注意，腐蝕之前要檢查是否有斷線及焊盤的脫落等。4、元件的焊接。元件焊接的時候要先查看跳線，首先焊接所有的跳線，其次再焊接分離元件，最后焊接集成塊和外接的引線。當(dāng)然為了美觀在布線中最好不要出現(xiàn)跳線。5、整體檢查。查看是否有斷線和虛焊等。6、燒錄程序4.3 單片機(jī)測試判斷單片機(jī)芯片及時鐘系統(tǒng)是否正常工作有一個簡單的辦法，就是用萬用表測量單片機(jī)晶振引腳（18、19腳）的對地電壓，以正常工作的單片機(jī)用數(shù)字萬用表測量為例：18腳對地約，19腳對地約。對于懷疑是復(fù)位電路故障而不能正常工作的單片機(jī)也可以采用模擬復(fù)位的方法來判斷，單片機(jī)正常工作時第9腳對地電

40、壓為零，可以用導(dǎo)線短時間和5V連接一下，模擬一下上電復(fù)位，如果單片機(jī)能正常工作了，說明這個復(fù)位電路有問題。4.4 硬件及軟件調(diào)試硬件調(diào)試，第一步是目測，在印好電路板之后，先檢查印制線是否有斷線、是否有毛刺、是否與其它線或焊盤粘連、焊盤是否有脫落、過孔是否有未金屬化現(xiàn)象。而在目測的過程中，我們發(fā)現(xiàn)有一條印制線斷開，因此我們用焊錫使這條斷線連在一起。第二步是用萬用表測量。在目測完之后，利用萬用表來測量連線和接點，檢查它們的通斷狀態(tài)是否和設(shè)計一樣。再檢查各種電源線和地線是否有短路現(xiàn)象，在檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)不管是連線還是接點都符合設(shè)計規(guī)定，電源和地線也沒有短路現(xiàn)象。第三步是加電檢查。給印制板加電時，我

41、們檢查到的器件的電源端符合要求的電壓值+5V，同時接地端的電壓為0。第四步是聯(lián)機(jī)檢查。利用系統(tǒng)和單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)用仿真電纜連接起來，發(fā)現(xiàn)聯(lián)機(jī)檢查完后以上是連接都正確、暢通、可靠。軟件調(diào)試，第一步是在具有匯編軟件的主機(jī)上和用戶系統(tǒng)連接起來，進(jìn)行調(diào)試準(zhǔn)備。第二步是單步運行。第三步是系統(tǒng)連調(diào)，即進(jìn)行軟件和硬件聯(lián)合調(diào)試。經(jīng)調(diào)試，軟件運行良好。首先是測試顯示電路的正確性，根據(jù)硬件寫好一段顯示程序，寫入單片機(jī)中。安裝好硬件，上電，顯示正常，達(dá)到預(yù)期效果。證明顯示電路正常。按下復(fù)位按鍵，LED無顯示，松開，顯示正常，證明復(fù)位電路正常。然后測試得到溫度程序，將初始化程序，DS18B20正常工作的初始化程序、寫D

42、S18B20程序、讀DS18B20程序，得到溫度子程序，溫度轉(zhuǎn)換子程序，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序，顯示子程序正確編排后寫入單片機(jī)中，上電，顯示不正常。重新讀取源程序，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)問題在于DS18B20初始化程序有錯，修改后重新編譯并寫入單片機(jī)。上電后，顯示當(dāng)前溫度。證明溫度傳感器DS18B20工作正常，各部分子程序運行正常。最后是按鍵子程序及報警子程序的調(diào)試，將按鍵子程序及報警子程序及上述程序正確編排后，寫入單片機(jī)中，上電后，各個部分工作正常，在測得當(dāng)前溫度超出設(shè)定溫度上下限后，蜂鳴器發(fā)出報警聲，調(diào)試基本成功。但后來發(fā)現(xiàn)，按鍵要在按下1S后才反應(yīng)，再次研讀程序發(fā)現(xiàn)原因在于按鍵程序采用掃描方式，程序每執(zhí)行

43、一遍才掃描按鍵一次。進(jìn)而到考慮采用中斷方式解決此問題，但因為DS18B20正常工作有嚴(yán)格的時序限制，否則不能正常工作，而中斷則在很大可能上會影響到DS18B20正常工作。在嘗試并采用中斷方式卻失敗后，決定仍采用掃描方式。后來仔細(xì)排查發(fā)現(xiàn)按鍵反應(yīng)遲緩是由于顯示程序占用時間過長造成的，修改顯示程序并且在主程序和按鍵子程序中增加調(diào)用顯示程序的次數(shù)，問題得以解決。至此，此次設(shè)計的調(diào)試部分完成。設(shè)計的所有功能全部得以實現(xiàn)。第五章 使用說明書 本電路額定工作直流電壓為+5V，有極性判別保護(hù)功能，采用7805集成穩(wěn)壓芯片以保證電路的供電穩(wěn)定，用戶輸入電源在7-25V均可正常工作。電路中有五個按鍵，從左到右依

44、次為S1、S2、S3、S4、RESET，介紹如下：S1為溫度上下限設(shè)置狀態(tài)的退出或確定按鍵S2為設(shè)置溫度上下限的+鍵，每按下一次上下限值加一S3為設(shè)置溫度上下限的-鍵，每按下一次上下限值減一S4為設(shè)置溫度上下限設(shè)置狀態(tài)進(jìn)入按鍵，第一次按下進(jìn)入低限設(shè)置，按下S4后，再次按下S1進(jìn)入高限設(shè)置。RESET為復(fù)位按鍵使用方法及報警電路說明：接通電源，紅色指示燈亮，表明電源正常。此時數(shù)碼管應(yīng)顯示初值025，由于顯示時間稍短，一閃即過。接下來顯示當(dāng)前溫度，若不顯示則說明硬件有問題，此時蜂鳴器將報警，綠色指示燈也會點亮。硬件正常，LED就會顯示當(dāng)前溫度。若此時檢測到當(dāng)前環(huán)境溫度不在原來設(shè)定的上下限范圍之內(nèi)，

45、蜂鳴器也將報警同是綠燈點亮。直到采取措施改變環(huán)境溫度在上下限范圍內(nèi)或調(diào)整溫度上下限。第六章 參考文獻(xiàn)1陳權(quán)昌，李興富單片機(jī)原理與應(yīng)用華南理工大學(xué)出版社，2007年2陳明.protel 99se原理圖與pcb設(shè)計教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20063閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）. 北京：高等教育出版社，19974王恩榮.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20015黃河.郭紀(jì)林.單片機(jī)原理及應(yīng)用.大連：大連理工大學(xué)出版社，20066周貴連. 電子技術(shù)基礎(chǔ). 機(jī)械工業(yè)出版社，20057孫萍電子技術(shù)專業(yè)英語機(jī)械工業(yè)出版社，2001年6月8李廣弟. 單片機(jī)基礎(chǔ). 北京：北京航空航天大

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