课程设计（论文）基于MCS51系列单片机的数字温度监测装置设计

1、1课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书基于 mcs-51 系列单片机的数字温度监测装置设计 学生班级：学生班级： 学生姓名：学生姓名： 起止日期：起止日期： 指导教师：指导教师： 2目目 录录一、一、引言引言 4 41. 本次课程设计的重要意义 4 4 2. 温度传感器的发展 4 4二、设计内容及性能指标二、设计内容及性能指标 5 5 三、三、系统方案总体概述系统方案总体概述 5 5四、系统主要器件选择四、系统主要器件选择 6 6（一）单片机的选择（一）单片机的选择 6 61.主要性能参数 6 62.功能特性概述 7 73.引脚功能说明 8 84.端口引脚 第二功能 9（二）温度传感器的选

2、择 10101.总述 10102.温度传感器的选择 1111 2.1 ds18b20 简介 1111 2.2 ds18b20 内部结构 1111 2.3 ds18b20 测温原理 1515五、系统整体设计五、系统整体设计 1717（一）系统硬件电路设计 17171.硬件电路设计总体概述 17172.cpu 机器基本外围电路设计 1818 2.1 单片机电路 1818 2.2 晶振控制电路 1818 2.3 继电器电路 1919 2.4 锁存器 74ls373 引脚功能及工作原理 1919 2.4.1 74ls373 引脚功能 2020 2.4.2 74ls373 工作原理 2020 2.4.3

3、 intel2764 引脚功能 23233.前向通道设计 2323 3.1 温度检测电路 2323 3.2 电源输入部分电路 24244.后向通道设计及人机通道设计 2525 4.1 后向通道设计 2525 4.1.1 led 显示电路 2525 4.1.1.1 led 显示器的结构 2525 4.1.1.2 led 显示器的工作原理 2626 4.1.1.3 led 显示设计方案 2727 4.2 键盘 27273 4.3 温度报警电路 2828 4.4 复位电路 28285.抗干扰措施 2929 5.1 干扰产生的后果 2929 5.2 抗干扰设计的基本原则 3030 5.3 硬件抗干扰设

4、计 3131 5.4 软件的抗干扰设计 3232（二）系统软件设计 3333 1.概述 33332.主程序模块 33333. 部分程序清单 3434 3.1 温度传感器的驱动程序 3434 3.2 led 共阳极显示子程序 3636六、附录六、附录 3636七、致谢七、致谢 3737 参考文献参考文献4一、引言一、引言1. 本次课程设计的重要意义本次课程设计的重要意义随着我国经济的快速增长，电力需求量日益增加，如何保障电力的持续供应是电力运行中的一道难题。根据对各类电力事故的分析，由于电力设备温度过高而引发的火灾占相当大的比例。大多数电气设备，如开关柜、电缆沟、带电间隔等采用封闭式结构，空间狭

5、小，热积累量大，散热效果差，并长期处于高电压、大电流、满负荷的条件下运行，极易发生火灾。这种火灾一旦发生，将导致大量电网设备被烧毁，变电站停运甚至电网崩溃等恶劣后果，国民生产无法进行，导致巨大损失。引起火灾的直接原因就是线路接头温度过高，长期运行而烧穿绝缘，点燃周围电缆等可燃物，引发火灾。在设备长期运行过程中，各接头触点、母线排接处等部位因绝缘老化或接触电阻过大而急剧发热，而这些发热部位工作人员不易接近，手工测温困难，如果能够有效的自动监测各接头的温度，一旦出现温度异常情况，立刻上传报警，通知维护人员及时采取措施排除隐患，把故障消除在萌芽状态，从而达到安全供电的目的。因此，电气设备温度在线监测

6、问题已成为电力系统安全运行所急需解决的实际问题，是提高电力系统运行可靠性的迫切需求，对保障电力系统安全稳定运行有极其重要的意义。2. 温度传感器的发展温度传感器的发展测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器模拟集成温度传感器智能集成温度传感器。目前的智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ate)的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(mcu)。社会的发展使人们对5传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向

7、智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展，本文将介绍智能集成温度传感器ds18b20的结构特征及控制方法，并对以此传感器，89s51单片机为控制器构成的数字温度测量装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍。与传统的温度计相比，其具有读数方便，测温范围广，测温准确，输出温度采用数字显示，主要用于对测温要求比较准确的场所，或科研实验室使用。该设计控制器使用atmel公司的at89s51单片机，测温传感器使用dallas公司ds18b20，用液晶来实现温度显示。二、设计内容及性能指标二、设计内容

8、及性能指标 本设计主要是单片机控制下的温度检测系统，详细介绍了其硬件和软件设计，并对其各功能模块做了详细介绍，其主要功能和指标如下：利用温度传感器（ds18b20）测量某一点环境温度测量范围为-5599，精度为0.5用液晶进行实际温度值显示能够根据需要方便设定上下限报警温度三、系统三、系统总体设计原理总体设计原理 该系统主要由温度测量和数据采集两部分电路组成。 该系统利用at89s51芯片控制温度传感器ds18b20进行实时温度检测并显示，能够实现快速测量环境温度，并可以根据需要设定上下限报警温度。利用键盘来进行调时和温度查询，获得的数据可以通过max232芯片与计算机的rs232接口进行串口

9、通信，方便的采集和整理时间温度数据。 6 系统框图如下图所示at89s51cpudsp18b20温度芯片键盘电路led 显示报警电路加热继电器制冷继电器pc 机电源ds18b20温度测温系统框图 本设计以at89s51芯片为核心, at89s51芯片的外围扩展了 数据锁存器74l373和74ls138，同时具有led（发光二极管）显示器、复位功能等。四、系统主要器件选择四、系统主要器件选择（一）单片机的选择（一）单片机的选择对于单片机的选择，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。at89s51是美国atmel公司生产的低功耗，高

10、性能cmos8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的flash只读程序存储器,器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集flash程序存储器既可在线编程（isp）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，atmel公司的功能强大，价格低廉，可灵活应用于各种控制领域。1.主要性能参数主要性能参数：与mcs-51产品指令系统完全兼容4k字节在系统编程（isp）flash闪速存储器1000次擦写周期74.05.5v的工作电压范围全静态工作模式：0hz33mhz三级程序加密锁1288字节内部ram32个可编程io口线2个16位定时计数

11、器6个中断源全双工串行uart通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模唤醒系统看门狗（wdt）及双数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在系统编程（isp字节或页写模式）2.功能特性概述功能特性概述：at89s51 提供以下标准功能：4k 字节flash 闪速存储器，128字节内部ram，32个io 口线，看门狗（wdt），两个数据指针，两个16 位定时计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89s51可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu的工作，但允许ram，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方

12、式保存ram 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。8at89s51方框图方框图3.引脚功能说明引脚功能说明vcc：电源电压gnd：地p0口口：p0口是一组8位漏极开路型双向i0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个ttl逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在f1ash编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。9p1口口：pl 是一个带内部上拉电阻的8位双向io口，pl的输出缓冲级可

13、驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。flash编程和程序校验期间，pl接收低8位地址。端口引脚 第二功能p1.5 mosi（用于isp犏程）p1.6 miso（用于isp犏程）p1.7 sck （用于isp犏程）p2 口口：p2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向io 口，p2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在

14、上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行movxdptr指令）时，p2口送出高8位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行movxri 指令）时，p2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（sfr）区中p2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。flash编程或校验时，p2亦接收高位地址和其它控制信号。p3 口口：p3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向i0 口。p3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个ttl逻辑门电路。对p3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低

15、的p3口将用上拉电阻输出电流（iil）。p3口除了作为一般的i0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：p3口还接收一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。4.端口引脚端口引脚 第二功能第二功能p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）10p3.2 int0（外中断0）p3.3 int1（外中断1）p3.4 t0（定时计数器0外部输入）p3.5 t1（定时计数器1外部输入）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）rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。wdt 溢出将使该引脚

16、输出高电平，设置sfr auxr的disrt0 位（地址8eh）可打开或关闭该功能。disrt0位缺省为reset输出高电平打开状态。aleprog：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ale 仍以时钟振荡频率的16 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对f1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh 单元的d0 位置位，可禁止ale 操作。该位置位后，只有一条m0v

17、x和m0vc指令ale才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale无效。psen：程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89s51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次psen有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的psen信号。eavpp：外部访问允许。欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000hffffh），ea端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部程序存储器中的指令。11f1ash存储器编程时，该引

18、脚加上+12v的编程电压vpp。xtall：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端。（二）温度传感器的选择（二）温度传感器的选择1.1.总述总述温度的测量是从金属(物质)的热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它的缺点是只能近距离观测，而且水银有毒，玻璃管易碎。代替水银的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低，只能作为一个概略指示。不过在居民住宅中使用已可满足要求。在工业生产和实验研究中为了配合远传仪表指示，出现了许多不同的温度检测方法，常用的有电阻式、热电偶式、pn 结型、辐射型、光纤式及石英谐振型等。它们

19、都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值，热电势等)的变化的原理。随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器。2.2.温度传感器的选择温度传感器的选择由于本次系统的温度偏高，在设计系统的时候我们首先考虑的是热电偶，但是其转化电路较为麻烦，增加了电路的制作成本。在比较了大量的测温方案后，我们决定采用集成温度测量芯片 ds18b20。芯片 ds18b20 转换速度快，转换精度高，终于微处理器的接口简单，给硬件设计工作带来了极大的方便，能有效的降低成本，缩短开发周期。本系统使用的温度芯片顺应了这一趋势。简化电路的同时增加了系统的可靠性。2.12.1 ds18b20ds18b20

20、简介简介dallas 最新单线数字温度传感器 ds18b20 是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。dallas 半导体公司的数字化温度传感器 ds18b20 是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55+125 摄氏度，可编程为 9 位12 位转换精度，测温分辨率可达 0.0625 摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在 eeprom 中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个12ds18b20 可以并联到 3 根或 2 根线上

21、，cpu 只需一根端口线就能与诸多ds18b20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。2.22.2 ds18b20ds18b20内部结构内部结构 ds1820 的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64 位激光 rom 单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式 ram） ，用于存储用户设定的温度上下限值的 th 和 tl 触发器存储与控制逻辑、8 位循环冗余校验码（crc）发生器等七部分。 ds18b20 采用 3 脚 pr35 封装或 8 脚 soic 封装，其内部

22、结构框图如图 2.1 所示图 2.1 ds18b20内部结构框图64 b 闪速 rom 的结构如下：出13 开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48 位，最后8位是前面56 位的crc 检验码，这也是多个ds18b20 可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。主机操作rom的命令有五种，如表所列指 令说 明读rom（33h）读ds1820的序列号匹配rom（55h）继读完64位序列号的一个命令，用于多个ds1820时定位跳过rom（cch）此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有ds1820搜rom（f0h）识别总线上各器件的编码，为操作

23、各器件作好准备报警搜索（ech）仅温度越限的器件对此命令作出响应ds18b20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存和一个非易失性的可电擦除的eeram。高速暂存ram 的结构为字节的存储器，结构如图 2.2所示。 图 2.2 高速暂存ram结构图14 前 2 个字节包含测得的温度信息，第 3 和第 4 字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第 5 个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。ds18b20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。温度低位温度高位thtl配置保留保留保留8 位crclsb msb 当 ds18b20 接收到温度转换命令后，

24、开始启动转换。转换完成后的温度值就以 16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第 1，2 字节。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，数据格式以0.062 5 /lsb 形式表示。温度值格式如下：出这是 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。图中，s 表示位。对应的温度计算：当符号位 s

25、=0 时，表示测得的温度植为正值，直接将二进制位转换为十进制；当 s=1 时，表示测得的温度植为负值，先将补码变换为原码，再计算十进制值。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 温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以 0.0625lsb 形式表示。表 2 是部分温度值对应的二进制温度表示数据。出15表 2 部分温度值 ds18b20 完成温度转换后，就把测得的温度值与 ram 中的 th、tl 字节内容作比较，若 t

26、th 或 ttl,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只 ds18b20 同时测量温度并进行告警搜索。 在 64 位 rom 的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（crc）。主机根据rom 的前 56 位来计算 crc 值，并和存入 ds18b20 中的 crc 值做比较，以判断主机收到的 rom 数 据是否正确。2.32.3 ds18b20ds18b20 测温原理测温原理 每一片 dsl8b20 在其 rom 中都存有其唯一的 48 位序列号，在出厂前已写入片内 rom 中。主机在进入操作程序前必须用读 rom(33h)命令将该dsl8b20 的序列号

27、读出。程序可以先跳过 rom，启动所有 dsl8b20 进行温度变换，之后通过匹配 rom，再逐一地读回每个 dsl8b20 的温度数据。ds18b20 的测温原理如图 2.4 所示，图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震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入，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

28、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16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.。表 31 rom 操作命令指令约定代码功 能读 rom33h读

29、 ds18b20 rom 中的编码符合 rom55h发出此命令之后，接着发出 64 位 rom 编码，访问单线总线上与该编码相对应的 ds18b20 使之作出响应，为下一步对该 ds18b20 的读写作准备搜索 rom0f0h用于确定挂接在同一总线上 ds18b20 的个数和识别 64位 rom 地址，为操作各器件作好准备跳过 rom0cch忽略 64 位 rom 地址，直接向 ds18b20 发温度变换命令，适用于单片工作。告警搜索命 令0ech执行后，只有温度超过设定值上限或者下限的片子才做出响应温度变换44h启动 ds18b20 进行温度转换，转换时间最长为 500ms，结果存入内部 9

30、 字节 ram 中读暂存器0beh读内部 ram 中 9 字节的内容写暂存器4eh发出向内部 ram 的第 3，4 字节写上、下限温度数据命令，紧跟读命令之后，是传送两字节的数据复制暂存器48h将 e2pram 中第 3，4 字节内容复制到 e2pram 中17重调e2pram0bbh将 e2pram 中内容恢复到 ram 中的第 3，4 字节读 供 电方 式0b4h读 ds18b20 的供电模式，寄生供电时 ds18b20 发送“0” ，外接电源供电 ds18b20 发送“1”续 另外，由于 ds18b20 单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对 ds18b

31、20 的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化 ds18b20（发复位脉冲）发 rom 功能命令发存储器操作命令处理数据。减法计数器斜坡累加器减到 0减法计数器预 置低温度系数振 荡 器高温度系数振 荡 器计数比较器预 置温度寄存器减到 0测温原理内部装置五、五、 系统整体设计系统整体设计（一）系统硬件电路设计（一）系统硬件电路设计1.硬件电路设计总体概述硬件电路设计总体概述 温度计电路设计原理图如图5.1所示,控制器使用单片机at89c2051,温度计传感器使用ds18b20,用液晶实现温度显示。18 本温度计大体分三个工作过程。首先，由ds18820温度传感器芯片测量当前的温度，并将结

32、果送入单片机。然后，通过89c205i单片机芯片对送来的测量温度读数进行计算和转换，井将此结果送入液晶显示模块。最后，smc1602a芯片将送来的值显示于显示屏上。 由图1可看到，本电路主要由dsl8820温度传感器芯片、smcl602a液晶显示模块芯片和89c2051单片机芯片组成。其中，dsi8b20温度传感器芯片采用“一线制”与单片机相连，它独立地完成温度测量以及将温度测量结果送到单片机的工作。图 5.1 电路设计原理图2.cpu 机器基本外围电路设计机器基本外围电路设计2.1 单片机电路单片机电路对于 at89s51 的简介在本文的第四部分19 单片机电路引脚图2.2 晶振控制电路晶振

33、控制电路 at89c51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 xtal1和 xtal2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 外接石英晶体或陶瓷谐振器及电容 c1、c2 接在放大器的反馈回路中构成并联写真电路。对外接电容 c!、c2 虽然没有十分严格的要求，当电容容量的大小会轻微影响振荡器频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性。晶振控制电路图2.3 继电器电路继电器电路图中 p1.1 引脚控制加热器继电器。给.p1.1 低电平，三极管导通，电磁铁触头放下来开始工作. 20继电器电路图2.4

34、锁存器锁存器 74ls373 引脚功能及工作原理引脚功能及工作原理2.4.1 74ls373 引脚功能引脚功能 d0d7 为 8 个输入端 q1q7 为 8 个输出端le 是数据锁存控制端；当 le=1 时，锁存器输出端同输入端；当 le 由 1 变为0 时，数据输入锁存器中。oe 为输出允许端；当 oe=0 时，三态门打开：当oe=1 时，三态门关闭，输出呈高阻状态。2.4.2 74ls373 工作原理工作原理输入端 d0d7 接于单片机 p0 口，输出端提供的是低 8 位地址，le 端接至单片21机的地址锁存允许信号 ale。输出允许端接地，以保持输出长通。le 端与oe8031 单片机的

35、 ale 端口连接，当 le=1 时（ale 高电平持续时间） ，74ls473的输出 q0q7 随其输入 d0d7 的状态变化，即 p0 口送出低 8 位地址信号一旦输出即传输到 2764 芯片，5264 芯片的地址输入端口 a0a7，实现输入输出隔离。74ls138 为 3 线8 线译码器，共有 54/74s138 和 54/74ls138 两种线路结构型式，其工作原理如下： 当一个选通端（g1）为高电平，另两个选通端（/(g2a)和/(g2b)）为低电平时，可将地址端（a、b、c）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 利用 g1、/(g2a)和/(g2b)可级联扩展成 24 线译

36、码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时，74ls138 还可作数据分配器用与非门组成的 3 线-8 线译码器 74ls1383 线-8 线译码器 74ls138 的功能表22无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到 74ls138 的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平 1芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平 0，其余 7 个输出引脚全为高电平 1。如果出现两个输出引脚同时为 0 的情况，说明该芯片已经损坏。当附加控制门的输出为高电平（s1）时，可由逻辑图写出由上式可以看出，同时又是这三个变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小

37、项译码器。2371ls138 有三个附加的控制端、和。当、时，输出为高电平（s1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如表 3.3.5所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。在图 3.3.8 电路中如果把作 为“数据”输入端（同时），而将作为“地址”输入端，那么从送来的数据只能通过所指定的一根输出线送出去。这就不难理解为什么把叫做地址输入了。例如 当101 时，门的输入端除了接至输出端的一个以外全是高电平，因此的数据以反码的形式从输出，而不会被送到其他任何一个输出

38、端上。2.4.3 intel 2764 的引脚和功能表242764 eprom 存储容量为 64k 位，结构为 8k8：13 个地址线 a12a0，8 个数据线 o7o0。2764 eprom 的控制信号有一个片选引脚和一个输出控制引脚，低电平有效时，分别选中芯片和允许芯片输出数据。2764 eprom 的编程由编程控制引脚以及编程电源 vpp 控制。在编程时，对引脚加较宽的负脉冲；在正常读出时，引脚应该无效。intel 2764 有 8 种工作方式，前 4 种为正常状态，要求 vpp 接5v；后 4 种为编程状态，要求 vpp 接25v 作为编程高电压。新型 eprom 芯片已经没有 vpp

39、引脚，但编程仍然需要高电压，这种芯片内部设计有电压提升电路。3.前向通道设计前向通道设计3.1 温度检测电路温度检测电路 ds18b20 最大的特点是单总线数据传输方式，ds18b20 的数据i/o 均由同一条线来完成。ds18b20 的电源供电方式有2 种: 外部供电方式和寄生电源方式。工作于寄生电源方式时, vdd 和gnd 均接地, 他在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用, 原理是当1 w ire 总线的信号线dq 为高电平时, 窃取信号能量给ds18b20 供电, 同时一部分能量给内部电容充电, 当dq为低电平时释放能量为ds18b20 供电。但寄生电源方式需要强上拉电路, 软件

40、控制变得复杂(特别是在完成温度转换和拷贝数据到e2prom 时) , 同时芯片的性能也有25所降低。因此, 在条件允许的场合, 尽量采用外供电方式。无论是内部寄生电源还是外部供电，i/o口线要接5k左右的上拉电。在这里采用前者方式供电。ds18b20与芯片连接电路如图所示：ds18b20与单片机的连接 外部电源供电方式是ds18b20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。在外接电源方式下，可以充分发挥ds18b20宽电源电压范围的优点，即使电源电压vcc 降到3v 时，依然能够保证温度量精度。由于ds18b20 只有一根数据线，因

41、此它和主机（单片机）通信是需要串行通信，而at89s51 有两个串行端口，所以可以不用软件来模拟实现。经过单线接口访问dc18b20 必须遵循如下协议：初始化、rom 操作命令、存储器操命令和控制操作。3.23.2电源输入部分电路电源输入部分电路 控制系统主控制部分电源需要用5v直流电源供电，其电路如图5.1所示，把频率为50hz、有效值为220v的单相交流电压转换为幅值稳定的5v直流电压。其主要原理是把单相交流电经 过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。由于输入电压为电网电压，一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而电源变压器的作用显现出来起到降

42、压作用。降压后还是交流电压，所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。由于经整流电路整流后的电压含有较大的交流分量，会影响到负载电路的正常工作。需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得稳定性足够高的直流电压。本26电路使用集成稳压芯片7805解决了电源稳压问题。d1t1220ufc5220ufc80.1ufc60.1ufc77805123出220v出出5v出出出出5v470r3res2d2vcc出出出出图 3.8 电源部分连线图4.后向通道设计及人机通道设计后向通道设计及人机通道设计 在工业控制系统中，单片机在从前

43、向通道接受信息、作出处理之后，通常还需要通过前向通道对控制对象实现控制操作，因此，在这样的系统中要有后向通道。后向通道时计算机实现控制运算处理后，对控制对象的输出通道接口和对控制对象实现控制操作的输出通道，它的结构与特点和控制对象与任务密切相关。4.1 后向通道设计后向通道设计 本设计后向通道采用功率驱动电路，实现对单片机输出信号进行功率放大，是数码管能够准确显示。此驱动电路由四个三极管和四个定值电阻工程，根据三极管的放大功能实现对信号的功率驱动4.1.1 显示电路显示电路4.1.1.1 led 显示器的结构显示器的结构显示电路采用了 7 段共阴数码管扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序

44、的编写。常用的 led 显示器为 8 段。每段对应一个发光二极管。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极 led 显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常吃公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极 led 显示器的发光二极管的阴极接低电27平时，发光二极管被点亮相应的段被显示。本设计采用共阳极，如下图显示电路图4.1.1.2 led 显示器的工作原理显示器的工作原理 由 n 个 led 显示块可以拼接成 n 位的 led 显示器。n 个 led 显示块有 n 根位选线和 8*n 根段码线。段码线控制显示字符的字型，而位选线为各个 led 显示

45、块中的隔断的公共端，它控制该 led 显示为的亮或者暗。led 显示器有静态显示和动态显示两种显示方式，本次设计主要采用动态显示方式：led 显示时，将所有位的段码线并联在一起，有一个 8 位 i/o 口控制，而各位的共阳极或共阴极由相应的 i/o 线控制，形成各位的分时选通。上图中为一个 4 位 8 段 led 动态显示器电路。其中段码线占用一个 8 位的 i/o 口，二为选为占用一个 4 位 i/o 口。由于各位的段码线并联，8 位的 i/o 口输出的段码对各个显示位来说都是相同的。因此，在同一时刻，如果各位的位选线都处于选通状态的话，4 位 led 将显示相同的字符。若要各位 led 能

46、够同时显示出于本位相应的显示字符，就必须采用动态显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段码线上输出相应位要显示的支付的段码。这样，在同一时刻，4 位 led 中只有选通的哪一位显示出字符，而其他三位则是熄灭的。同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，二其他各位的位选线处于关闭状态，在段码线上输出将28要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位则是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符时在不同时刻出现的，而在同一时刻，就只有一位显示，其他各位则是熄灭的。如此循环下去，就可以使

47、各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，就只有一位显示，其他各位熄灭，但是由于 led 显示器的余晖和人眼的“视觉暂留”作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。4.1.1.3 led 显示设计方案显示设计方案本方案采用 led 共阳极动态显示原理，共使用了四个数码管显示，这样对cpu 本身的影响很小，同时节省了器件。因为用不到 dp 显示，所以只用了abcdefg 这 7 条线路与芯片的 p1.0p1.6 口相连，同时四个数码管分别由芯片的p3.0p3.3 口进行控制，已达到显示效果。在芯片工作时，p1.0p1.6 口输出显

48、示数据，p3.0p3.3 口分别控制四位数码管的显示时序。4.24.2 键盘键盘键盘的结构形式一般有两种：独立式键盘与矩阵式（行列式）键盘。 独立式键盘的电路配置灵活，软件简单。但每个按键要占用一根 i/o 接口线，在按键数量较多时，i/o 接口线浪费很大，故本次课程设计选用矩阵式键盘。 矩阵式键盘又叫行列式键盘。用 i/o 接口线组成行、列结构，键位设置在行、列的交点上。例如 4*4 的行、列结构可组成 16 个键的键盘，比一个键位用一根 i/o 接口线的独立式键盘少了一半的 i/o 接口线。而且键位越多，情况越明显。因此，在按键数量较多时，往往采用矩阵式键盘。29 矩阵式键盘的连接方法有多

49、种，可直接连接于单片机的 i/o 接口线；可利用扩展的并行 i/o 接口连接；也可利用可编程的键盘、显示接口芯片进行连接等。按键设置在行、列线的交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接+5v，平时没有键位按下时，被钳位在高电平状态。矩阵式键盘的按钮识别办法矩阵式键盘的按钮识别办法（1）判断键盘中有无键按下：将全部列线 y0-y3 置“0” ，然后检测行线的状态。只要有一行的电平为“0” ，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与 4 根行线相交叉的 4 个按钮之中。若所有列线均为“1” ，则键盘中无键按下。 （2）判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确

50、定具体闭合键的过程。其办法是：依次将列线 y0-y3 置为“0” ，即在置某根列线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根列线位置为低电平后，再逐行检测各行线的电平状态。若某行为低，则该行线与置为低电平的列线交叉处的按钮就是闭合的按钮。4.34.3 温度报警电路温度报警电路 本设计采软件处理报警，利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。当所测温度超过获低于所预设的温度时，数据口相应拉高电平，报警输出。（也可采用发光二级管报警电路，如果需要报警，则只需将相应位置1，当参数判断完毕后，再看报警模型单元alarm 的内容是否与预设一样，如不一样，则发光报警）报警电路硬件连接下图。蜂鸣器电路连接图4.

51、4 复位电路复位电路30本设计中采用按键与芯片的 rst 端连接，并与+5v 电源相连，当按键被按下时，可以对芯片进行复位。 复位电路图5.5.抗干扰措施抗干扰措施 随着单片微机在各个领域中的应用越来越广泛，对其可靠性要求也越来越高。单片机系统的可靠性由多种因素决定，其中系统抗干扰性能是可靠性的重要指标。形成干扰的基本要素有三个 ： （1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下： du/dt ， di/dt 大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源。 （2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传 播路径是通过导

52、线的传导和空间的辐射。 （3）敏感器件，指容易被干扰的对象。如： a/d 、 d/a 变换器，单片机等。 5.1 干扰产生的后果：干扰产生的后果：(1)数据采集误差的加大。当干扰侵入单片机系统的前向通道叠加在信号上，会使数据采集误差增大。(2)程序运行失常。干扰的加入使输出误差加大，造成逻辑状态改变，导致控制失常；造成程序计数器 pc 值的改变，破坏程序正常运行。(3)系统被控对象误操作。单片机内部程序指针错乱，运行了错误的程序； 31ram 中的某些数据出错，使程序计算出错误的结果；中断误触发，使系统进行错误的中断处理。(4)定时不准。单片机内部程序指针错乱，使中断程序运行超出定时时间； r

53、am 中计时数据被冲乱，使程序计算出错误的结果。(5)数据发生变化。在干扰的侵入下，ram 中数据有可能发生改变；虽然 rom 能避免干扰破坏，但单片机片内 ram 以及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受干扰而变化，甚至 eerom 中的数据也可能误读写，使程序计算出错误的结果。5.2 抗干扰设计的基本原则是抗干扰设计的基本原则是 ： 抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的 抗干扰性能。 1、按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。 所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和 有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰 噪声的传播，有时也

54、可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大， 要特别注意处理。 所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。 一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。2、切断干扰传播路径的常用措施如下 ： （1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感 , 要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成 形滤波电路，当然条件要求不高时也可用 100 电阻代替磁珠。 （2）如果单片机的 i/o 口用来控制电机等噪声器件，在 i/o 口与噪声源之间应加隔离（增加 形滤

55、波电路） 。 控制电机等噪声器件，在 i/o 口与噪声源之间应加隔离（增加 形滤波电路） 。 （3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。 （4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。 （5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接32于电源地。 a/d 、 d/a 芯片布线也以此为原则，厂家分配 a/d 、 d/a 芯片 引脚排列时已考虑此要求。 （6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。 大功率器件尽可能放在电路板

56、边缘。 （7）在单片机 i/o 口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。5.3硬件抗干扰设计硬件抗干扰设计1. 选择抗干扰性能强的cpu单片机和单片机抗干扰能力是不一样的。单片机的选择不光考虑硬件配置、存储容量等，更要选择抗干扰性能较强的单片机，如果是工作在干扰比较大的环境，可以试试选用不同品牌的单片机。在实践的过程中，觉得摩托罗拉、avr系列的单片机的抗干扰性能还可以。外时钟是高频的噪声源，对系统的内外都能产生干扰，因此在满足需要的前提下，选用频率低的单片机是明智之举。2. 隔离与屏蔽信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源和

57、易受干扰的部分隔离出来，使监控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。对数字信号的隔离，通常采用光电荆合器，输人、输出信号加光电耦合器隔离，可以将单片机部分和前向、后向通道及其它部分切断电路的联系，可有效地防正干扰进人主机系统对于模拟信号。图1为一种光电耦合隔离电路。3.接地单片机系统设备的抗干扰与系统的接地方式有很大关系，接地技术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统内部噪音耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。设备的金属外壳等要

58、安全接地；屏33蔽用的导体必须良好接地。为单片机系统提供良好的地线对提高系统的抗干扰能力极为有益。特别是对有防雷击要求的系统，良好的接地至关重要。如果系统不接地，或虽有地线但接地电阻过大，则抗干扰元件就不能正常发挥作用。单片机供电的电源的地俗称逻辑地，它们和大地的地的关系可以相通、浮空、或接电阻。不能把地线随便接在暖气管子上。绝对不能把接地线与动力线的火线、零线中的零线混淆。单片机系统通常既有模拟电路又有数字电路，因此数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连，如果两者不分，则会互相干扰。5.4 软件的抗干扰设计软件的抗干扰设计1。数据采集误差的软件对策算术平均值法。对一个点的数据连续采样多次，然

59、后计算其平均值，以其平均值作为该点的结果，这种方法可减小系统的随机干扰对采集结果的影响。一般取 35 次平均即可。比较取舍法。测量的结果中可能会出现偏差较大的数据，如测量数据是有一定变化规律的，就可以根据变化规律将个别偏差大的数据舍去。函数法。用一个特定的函数对采集的数据进行处理，使测量结果中的干扰值的影响作用减小。2.控制状态失常的处理方法软件冗余。对于条件控制系统，可以把控制条件的一次采样和处理控制输出改为循环采样和处理控制输出。这种方法对惯性较大的控制系统具有良好的抗偶然因素干扰作用。设置输出状态寄存单元。根据单片机系统对数据处理后的输出结果，设置相应的输出状态寄存单元，如果干扰侵入输出通道将输出状态破坏时，系统在定时查询寄存单元的输出状态信息时，就会发现错误，从而及时纠正输出状态。设置自检程序。在计算机内的特定位置或某些内存单元中设置状态标志，在开机后或有自检中断请求时，系统将首先运行自检测试程序，对整个系统或关键环节进行模拟测试，并将测试结果通过某种方式显示出来，这样就可以保证系统中信息存储、传输、运算的高可靠性。3.程序运行失常的软件对策使用程序监视跟踪定时器程序监视跟踪定时器即 watch dog 在单片机抗干扰设34计中使用非常广泛，各大器件生产商提供了不同的功能的芯片，如