基于STC89C52的电子温度计的设计论文说明书

PAGE目录1绪论 11.1选题背景及意义 11.2国内温度调节系统的的发展 11.3国外温度调节系统的发展 21.4设计研究内容 21.5本文的内容与结构 3HYPERLINK\l"_Toc295750432"2总体方案设计 42.1温度传感器的分类 42.2方案比较 52.3方案论证与选择 83各单元模块设计 93.1单片机系统电路 93.2温度采集电路 0438\h113.3显示电路 113.4报警电路 123.5继电器电路 13HYPERLINK\l"_Toc295750442"4特殊芯片介绍 154.1STC89C52单片机 154.1.1主要功能特性 154.1.2管脚说明 164.2DS18B20数字温度传感器 184.2.1DS18B20功能特性 184.2.2DS18B20的内部结构 204.2.3工作原理 214.2.4使用方法 224.3报警器 PAGEREF_Toc295750451\h235软件设计 255.1软件设计工具的介绍 255.1.1Keil编程软件 255.1.2Proteus仿真软件 265.1.3Protel99se电路原理图设计软件 285.2系统调试步骤 305.3系统程序设计 305.3.1主程序流程图 315.3.2温度转换子程序 32HYPERLINK\l"_Toc295750461"5.3.3读温度子程序流程图 325.3.4显示报警程序流程图 336总结 357致谢 368参考文献 37附录 38附录1：电路原理图 38附录2：印制版PCB图 39附录3：电路仿真图 40附录4：程序代码 41附录5：外文资料翻译 44实用电子温度计的设计摘要：本系统采用STC89C52单片机和温度传感器为核心，设计电子温度计。实现对温度的采集、监视和报警。在温度采集的实现中，使用了STC89C52单片机和数字温度传感器DS18B20，温度显示部分利用动态驱动4位LED数码管，实现温度的显示。温度的测度范围-55℃～+125℃，通过按键设置上下限报警温度。此外，正文还介绍了集成温度传感器DS18B20的测温原理，STC89C52单片机功能和应用，给出了硬件系统各个子模块电路及相关程序的程序流程图等。关键词：电子温度计，单片机，温度传感器DS18B20，LED数码管显示Abstract:ThesystemusesSTC89C52coreSingleChipMicrocomputerandtemperaturesensors,designofelectronicthermometer.Toachievethecollectionoftemperature,monitoring,andalarm.Collectionintemperature,theuseoftheSTC89C52microcontrolleranddigitaltemperaturesensorDS18B20,temperaturedisplaysomedynamicdrivefourLEDdigitaltube,toachievethetemperatureofthedisplay.Measurethetemperaturerangeof-55℃～+125℃,throughtheupperandloweralarmtemperaturesettingbuttons.Inaddition,thetextalsodescribestheintegratedtemperaturesensortothankthetemperaturemeasurementdeviceDS18B20principle,STC89C52SCMfeaturesandapplications,giventhehardwarecircuitandeachmoduleoftheprogramflowchartandotherrelatedprocedures.Keywords:Electronicthermometer,SingleChipMicrocomputer,temperaturesensorDS18B20,LightEmittingDiodedigitaldisplay第PAGE44页1绪论1.1选题背景及意义温度是一种最基本的环境参数，人们的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，在医学中经常需要对人体体温进行测量，因此研究温度的测量方法和装置具有十分重要的意义。随着电子技术的发展，现在的温度控制系统功能越来越强，可靠性和准确性的要求也越来越高。以前温度控制系统大部分都是基于数字电路组成的，其功能较为单一，使用起来也不够方便，制作过程复杂，而且准确性与可靠性不高，成品面积大，安装、维护困难。由于近年来单片机发展迅速，逐渐出现用单片机制作的温度显示及控制系统，制作过程简单，而且安装、维护简单。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，仍然有着较大折差距。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及加入世界贸易组织WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研究开发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。目前，温度控制器产品从模拟、集成温度控制器发展到智能数码温度控制器。智能温控器（数字温控器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结合，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种控制器，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平，现阶段正朝着高精度高质量的方向发展，相信以我国的实力，温控技术在不久的将来一定会位于世界前列！因此，在这样的背下，设计出一种用普遍用于工业和生活中的新型高精度电子温度计，且数字温度计能快速准确的显示读数、携带方便和不会造成环境污染等特点。它在稳定性方面比传统的温度计有着显著的优势，精度要求也能和传统的温度计相媲美。1.2国内温度调节系统的的发展目前，我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表面在以下几个方面：(1)行业内企业的规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约了技术的发展。(2)商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。(3)仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外相对滞后。例如：在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自设定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。我们所存在着的差距，必须努力克服。1.3国外温度调节系统的发展因为温度控制器环节已经被纳入分布式控制系统（DCS），个人电脑（PC）和可编程逻辑控制器（PLC）。工业电子温度控制器全球市场的增长率在2003年为3.6%,2004年为3.5%，2005年为2.5%。预计2006年全球市场的增长率为仅为1.2%，而预测2010年的综合年度增长率仅为0.7%。欧洲和北美工业电子温度控制器市场受到这一趋势的影响最大。这两个较大地区的市场预计将在2010年出现负增长。然而，亚太市场，较小的美洲和其他地区的市场预计仍将保持增长。中国作为一个主要的制造中心和工业电子温度控制器市场的崛起是这一增长的驱动因素。OEM厂商以及众多的终端工业厂商已经开始转移到中国大陆，以获得低成本的劳动力和原料优势。日本经济的复苏同样推动该地区走出停滞发展时期。OEM厂家和主要终端工业公司将制造业务向中国的转移，以及温度控制器价格的下降，是欧洲和北美工业电子温度控制器市场预测下降的主要原因。此外，许多位于欧洲和北美的工业电子温度控制器供应商已经表明一旦准备充分，他们将很快在中国展开他们的制造工业电子温度控制器业务。通过在中国生产电子温度控制器，供应商不但可以获得更便宜的劳动力和原料的竞争优势，而且他们这样更能接近主要的发展市场。1.4设计研究内容温度自动控制系统主要由温度采集系统、显示系统、扬声器警报系统三部分组成。本文重点对点系统的硬件、软件进行分析设计。在硬件上对各部分电路一一进行了理论分析与方案论证进行了设计，介绍了DS18B20数字温度传感器在单片机下的硬件连接、显示电路的连接等，最终设计完成了该系统的硬件连接。在软件设计上根据硬件电路和温度采集系统所需要实现的功能，经过反复的模拟运行、调试、修改，最终完成了系统的软件设计。通过硬件与软件的密切配合，最终设计完成达到了题目所要求的功能。本设计采用的是STC89C52单片机，对温度进行采集。通过集成温度传感器DS18B20将温度值转换为电量输出。通过按键设置温度的最大值，当温度高于设定的上限值时，单片机发出报警，同时点高红色发光二极管，当温度在设定的范围内，则点亮绿色发光二极管。在软件上进行主程序和子程序的编程，使该温度控制系统实现智能化发展，精度更高。1.5本文的内容与结构本文的内容共分为六章。第一章是绪论，概括了国内外温度控制系统发展情况概述、所面临的问题，本课题研究的背景与系统要求；第二章介绍了关于本设计的方案的选择与论证，主要是针对温度传感器的选择，分别阐述了各自所具有的优缺点；第三章是各个单元模块电路的介绍，其中包括晶体时钟电路、复位电路、报警电路、显示电路、温度检测电路和单片机系统电路，并给出了对应的硬件电路连接图。第四章概述了单片机STC89C52的功能引脚及特性，DS18B20数字温度感器的引脚说明、读写时序、测温原理等特点；第五章控制系统软件的实现，着重介绍了软件实验平台的结构、软件实现、各个子模块的程序流程图；第六章结论，对本次设计的工作进行总结，并对今后系统的发展与展望提出建议。2总体方案设计本次设计采用STC89C52单片机为核心，通过一片STC89C52单片机控制外围电路，使得系统实现实时温度测量与显示功能。根据系统要求，本设计可分为四个模块，分别为温度采集模块、STC89C52单片机控制模块、数码管显示模块和报警模块。而针对温度的采集有很多的温度传感器可供选择，如采用热敏电阻、热电偶、温度传感器，其具体采用何种温度传感器对温度进行采集，在后面的方案比较和方案论证中得到具体的分析。下面我们首先来了解温度传感器的分类。2.1温度传感器的分类温度传感器按不同的方法分，就有不同的类别。下面将从被测对象温度、使用方式、温度的高低来进行分类。1、按照被测对象温度的不同分类可以将被测对象温度分为超低温、低温、中温、高温和超高温温度测量。超低温一般是指0.10K，低温指10.800K，中温指800K—1900K，高温指1900K—2800K的温度，2800K以上被认为是超高温。2、按照传感器的使用方式分类根据温度传感器的使用方式，通常分为直接接触测温法与非直接接触式测温法两类，其特性如下表2.1所示。表2.1两种测温法的特性项目直接接触测温法非直接接触测温法特点测量热容量小的物体有困难，测量移动物体有困难，可测量任何部位的温度，便于多点集中测量和自动控制不改变被测介质温场，可测量移动物件的温度，通常测量表面温度测量条件测量元件与被测对象很好的接触，接触元件不要使被测对象的温度变化由被测对象发出的辐射能充分照射到检测元件，被测对象的有效发射率要准确知道，或者具有重视的可能性测温范围容易测量1000℃以下的温度，测量1200以上的温度有困难测量1000℃以上的温度较准确，测量1000℃以下的温度误差较大准确定通常为0，依据测量条件可达0.5%—1%通常为20℃左右，条件好可达5—10℃响应速度通常较慢，约为1-3min通常较快，约2-3S，即使迟缓的也在10S内3、按温度的高低分类通常可以分为低温测量、中温测量、中高温测量。(1)低温测量利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻传感器，按热电阻的性质可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称为热电阻，后者称为热敏电阻。电阻温度传感器广泛用于中、低温范围内温度测量，电阻温度传感器的主要优点是：1)测量精度高，对非温度量不敏感；2)有较大的测量范围，灵敏度高；3)线性度好，便于自动测量。(2)中低温测量集成温度传感器常用来进行中低温度的测量，尤其适用于室温环境中。(3)中高温测量热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，在工业用温度传感器中占有极其重要的地位，具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远距离传输等特点，而且自身能产生电压，不需要外加驱动电源。2.2方案比较上面对温度传感器的分类作了详细介绍，按不同方式分类得到不同类型的温度传感器，下文将对本次设计所用温度传感器的选择作阐述与分析。方案一：采用LM35温度传感器LM35是NationalSemiconductor公司生产的集成温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。LM35有多种不同封装型式，如：TO-46金属罐形封装、TO-220塑料封装、TO-92封装、SO-8IC式封装。本方案中LM35集成温度传感器采用的是TO-92封装，运用LM35DZ温度进行采集。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到

±1/4℃本方案主要采用LM35DZ温度传感器对温度进行检测，将检测到的温度模拟信号经放大电路部分放大，再由A/D转换器（模数转换）将其放大后的温度模拟信号转换成为数字信号，经处理后由单片机控制进行温度的显示。其设计框图如2.1所示：图2.1LM35的设计框图方案二：热敏电阻热敏电阻是利用半导体的阻值随温度变化这一特性而制成的，分为NTC（负温度系数）热敏电阻、PTC(正温度系数)热敏电阻两大类。PTC热敏电阻电阻值随温度的升高而增大，NTC热敏电阻电阻值随温度的升高而降低。正温度系数热敏电阻其电阻值随着PTC热敏电阻本体温度的升高呈现出阶跃性的增加，温度越高，电阻值越大。负温度系数热敏电阻其电阻值随着NTC热敏电阻本体温度的升高呈现出阶跃性的减小，温度越高，电阻值越小。NTC是NegativeTemperatureCoefficient的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件。通常我们提到的NTC是指负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻。PTC是PositiveTemperatureCoefficient的缩写，意思是正的温度系数，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻。采用热敏电阻来对温度进行采集，它主要根据热敏电阻的阻值与温度的关系为：RT=R0e-B(1/T0-1/T)，其中RT—NTC在热力学温度为T时的电阻值，R0—NTC在热力学温度为T0时的电阻值，多数厂商将T0设定在298.15K（25℃），B是热敏电阻的常数，它代表的是热敏电阻的灵敏度（即对温度的敏感程度），与热敏电阻的制造材料有很大的关系。热敏电阻隔R0与常数B的关系如下表2.2表2.2热敏电阻R0与常数B的关系使用温度范围标准电阻值R0标准常数B-50℃～6（T0=0℃33900℃～30（0℃345050℃～3（100℃3894100℃～0.55（200℃4300150℃～4（200℃5133250℃～8（200℃5559本方案的设计框图如图2.2所示：图2.2热敏电阻设计框图该方案主要是利用热敏电阻对温度进行感应，然后通过公式计算出当前的温度值，再到显示部分显示当前温度值，同时检测该温度值是否超出预设温度的范围，若超过了其规定的范围，则启动报警系统进行报警提示，最后启动控制电路进动作；否则准备下一次的温度测量。方案三：DS18B20数字温度传感器DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。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。其具体电路连接如图2.3所示：图2.3DS18B20设计框图在温度检测模块中，由于DS18B20的芯片的测温是数字集成温度测量，它的外接电路非常简单，只有三只管脚，一根电源Vcc，一根接地，另外一根接STC89C52的T0端（P3.4），它的温度测量数字转换及单片机的控制，是通过复杂的编程实现的。2.3方案论证与选择综合上述三种方案，均可实现温度的采集与温度处理。针对第一种方案采用LM35温度传感器，在进行温度检测后需经放大电路将模拟信号放大，再经A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，最终传送到显示电路部分进行温度的显示。该方案在硬件设计上较为复杂，需要的电路部分较多，而且LM35传感器的一个缺点是无法指示低至零的温度。第二种方案利用热敏电阻，但其精度、重复性、可靠性较差，测温范围较窄、互换性差等。第三种方案采用数字温度传感器DS18B20，它具有线性好、精度高、灵敏度高、体积小、使用方便，且电路设计简单等特点。因此，通过比较本次设计选择采用第三种方案来实现系统功能。对于系统的显示部分，在方案的设计中没有对显示模块具体的分析，采用LCD液晶显示还是采用数码管显示温度。液晶显示器(LCD)是现在十分普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。液晶显示器（LCD）的原理与阴极射线管显示器（CRT）大不相同。LCD是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。但液晶显示的亮度不够，比较模糊；数码管不仅价格便宜而且容易驱动，亮度好且比较稳定。因此，比较分析考虑选择利用数码管进行显示，具体的详细介绍将在第三章中说明。3各单元模块设计本设计的整体电路是由单片机系统模块、晶振时钟电路模块、复位电路模块、温度检测系统模块、显示电路模块、报警系统模块、键盘控制模块和电源电路模块组成。各部分电路共同作用，完成系统的温度检测及显示。3.1单片机系统电路MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种方式为外部时钟方式。1、内部时钟方式MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益的反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XATL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，图3.1是MCS-51内部时钟方式的振荡器电路。图3.1内部时钟方式电路电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF左右。对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHz～12MHz之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求也就相对高，对印制电路板（也称印刷电路板）的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小；晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的电容。MCS-51常选择振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，现在某些高速单片机芯片的时钟频率已达40MHz。实际应用中通常采用外接晶振的内部时钟方式，晶振的频率高一些时可以提高指令的执行速度，但相应的功耗和噪声也会增加，在满足系统功能的前提下，应选择低一些的晶振频率。当系统要与PC机通信时，应选择11.0592MHz的晶振，这样便于将波特率设定为标称值。2、复位电路MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。单片机的工作就是从复位开始的。当89C52的RST引脚加高电平复位信号（保持2个以上机器周期）时，单片机内部就执行复位操作。复位信号变低时，单片机开始执行程序。复位电路通常采用两种基本形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位，如图3.2所示。本系统电路设计中采用的上电与按键复位电路。图3.2单片机复位电路上电自动复位是通过外部复位电路的电容来实现的。当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电位。当时钟频率选用6MHz时，C取22uF，R取1K。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。通常实际运用中大都采用的是按键与上电复位电路，电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。在单片机运行期间，还可以利用按键完成复位操作。实际应用中如果单片机断电后，有可能在较短的时间内再次加电，可以在R1上并接一个放电二极管，这样可以有效的提高此种情况下复位的可能性。3.2温度采集电路图3.3温度采集电路温度传感器DS18B20芯片的数据端连接到单片机的P3_4端，向单片机传送温度信号，它的1引脚接地，3引脚和数据端之间接一个电阻后接电源VCC，这样实现对温度的检测。3.3显示电路系统采用4个八段数码管对温度进行显示。4个数码管拼接成4位的LED数码管显示器，它们有公共的段选线（a,b,c,d,e,f,g,dp），每一位数码管有各一个位选线，控制该LED显示位的亮与暗。具体的显示电路如图3.4所示。由下图可知，4位LED数码管的段选线是由STC89C52的P0口控制，又因为LED显示段码时至少需要20mA，所以在段选线与单片机引脚之间加上拉电阻驱动数码管的段。同时，LED显示器的位选线是由PNP三极管来控制，其中三极管充当的是开关作用，它主要是工作在饱和区和截止区。三极管的基极接到单片机的I/O口，集电极连接数码管的位选端，基极接Vcc。图3.4显示电路3.4报警电路系统设定有一定的温度范围，当系统检测到的温度不在预设的范围时，则需要发出警报，警报系统由PNP三极管和扬声器组成。虽然扬声器的控制和LED的控制对于单片机是一样的，但是在外围硬件电路上却有所不同，因为扬声器是一个感性负载，一般不建议用单片机的I/O口直接对它进行操作，所以最好加一个驱动三极管，在要求较高的场合还会加上反相保护二极管，在本设计中对扬声器的要求并不高，所以没有加反相的二极管保护，硬件电路原理如图3.5所示。图3.5报警电路由上图可知，电路中三极管采用的是PNP型，我们选用常用的低功率三极管9012，如图所示，要让扬声器发出警报只要给单片机的P1.0置电平，三极管集电极正偏，发射极反偏，三极管导通，从而驱动扬声器使其发出警报，在使用时可以给扬声器一定频率的脉冲使其发同一定的频率的警报。3.5继电器电路在各种自动控制设备中，都存在一个低压的自动控制电路与高压电气电路的互相连接问题，一方面要使低压的电子电路的控制信号能够控制高压电气电路的执行元件，如电动机、电磁体、电灯等；另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电隔离，以保护电子电路和人身的安全，电磁式继电器便能完成这一桥梁作用。电磁继电器是在输入电路内电流的作用下，由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器。它包括直流电磁继电器、交流电磁继电器、磁保持继电器、极化继电器、舌簧继电器，节能功率继电器。直流电磁继电器：输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。交流电磁继电器：输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器。磁保持继电器：将磁钢引入磁回路，继电器线圈断电后，继电器的衔铁仍能保持在线圈通电时的状态，具有两个稳定状态。极化继电器：状态的改变取决于输入激励量极性的一种直流继电器。舌簧继电器：利用密封在管内，具有触点簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧的动作来开、闭或转换电路的继电器。节能功率继电器：输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器，但它的电流一般为30-100A，体积小，具有节电功能。电磁式继电器一般由控制线圈、铁芯、衔铁、触点簧片等组成，控制线圈和接点组之间是相互绝缘的，因此，能够为控制电路起到良好的电气隔离作用。当我们在继电器的线圈两头加上其线圈额定的电压时，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会议在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的接通、切断的开关目的。在本系统中，采用的是直流电磁式继电器，由PNP三极管驱动继电器，继电器的动作由单片机的P1.3端控制。具体的继电器电路图如3.6所示：图3.6继电器电路4特殊芯片介绍本次设计主要采用STC89C52单片机芯片、DS18B20数字温度传感器芯片和八段数码管，下面对它们进行详细的介绍。4.1STC89C52单片机图4.1STC89C52引脚图STC89C52是采用可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。STC89C52内置8位中央处理单元、8KFlash闪速存储器、512个字节内部数据存储器RAM、8K片内程序存储器（ROM）、32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外STC89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其他功能。STC89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。4.1.1主要功能特性标准MCS-51内核和指令系统32个双向I/O口片内8KROM(可扩充64KB外部存储器)3个16位可编程定时/计数器向上或向下定时计数器256×8bit内部RAM(可扩充64K外部存储器)时钟频率3.5～12/24/33MHz6个中断源全双工串行通信口布尔处理器4层优先级中断结构兼容TTL和CMOS逻辑电平看门狗WDT2KE2PROM存储器空闲和掉电节省模式PDIP(40)和PLCC(44)封装形式加密性强、低功耗、高速、高可靠、强抗静电、磁强干扰4.1.2管脚说明P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这也是由于上拉的缘故。P3口作为89C52的一些特殊功能口，管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器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(9引脚)：RST（RESET）复位信号输入端，高电平有效。当单片运行时，在此引脚加上持续时间大于2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。在单片机正常工作时，此引脚应为≤0.5V低电平。ALE/PROG（AddressLatchEnable/PROGramming，30引脚）：ALE引脚出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率fosc1/6。如果想初步判断单片机芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有正脉冲信号输出。如果有脉冲信号输出，则单片机基本上是好的。应当注意的是，每当MCS-51访问外部数据存储器时（即执行的是MOVX类指令），在1个机器周期中ALE只出现1次，即丢失1个ALE脉冲。因此严格来说，用户不宜用ALE作精确的时钟源或定时信号。ALE端可以驱动8个LS型TTL负载。PROG为本引脚的第二功能。在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。/PSEN(ProgramStrobeEnable，29引脚)：程序存储器允许输出控制。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的/OE(输出允许)端。/PSEN端可以驱动8个LS型TTL负载。如果要检查一个MCS-51单片机应用系统上电后，CPU能否正常到外部程序存储器读取指令码，可用于示波器检查/PSEN端有无脉冲输出。/EA/VPP(ProgramStrobeEnable，31引脚)：/EA功能为内外程序存储器选择控制端。当/EA引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过OFFFH，即超出片内程序存储器的4KB地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当/EA引脚为低电平时，单片机则只访问外部程序存储器，不论是否有内部程序存储器。Vpp为本引脚的第二功能。在对EPROM型单片机8751片内EPROM固化编程时，用于施加较高的编程电压。XTAL1(19引脚)：接外部晶体的1个引脚。该引脚内部是1个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2(18脚)：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。4.2DS18B20数字温度传感器DS18B20是美国DALLAS公司生产的全新单线（1-wire）数字式温度传感器，不需要另外再接A/D转换器。它采用单线技术，与单片机通信只需一个引脚2（地址、命令、数据输入或输出引脚）。独特的单线接口方式，DS18B20在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。数字温度传感器DS18B20有两种封装方式：分别是TO-92封装和8脚SOIC封装，如图4.2所示，图的上方是DS18B20的TO-92封装，图的下方是DS18B20的8脚SOIC封装，本设计采用的是第一种DS18B20T0-92封装形式。图4.2引脚封装图4.2.1DS18B20功能特性DS18B20的引脚：1：GND（地）2：DQ（地址、命令、数据输入或输出）3：VDD（可选的+5V电源）DS18B20的温度检测范围是：－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。在-10～85℃范围内误差为±0.5℃。工作电源:3.0～5.5V/DC。测量结果以9～12位数字量方式串行传送，适用于DN15～25,DN40～DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温，温度传感器可编程的分辨率为9～12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒DS18B20的数字温度计提供9至12位可编程设备温度读数。信息从DS18B20通过1线接口，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。并且同一根信息线上可挂多个DS18B20而互不影响，因为每个DS18B20有惟一的63位序号，该序号存放在各自的ROM里面。温度与数据的关系如下表4.1所示：表4.1温度与数据的关系温度℃数据输出（二进制）数据输出（十六进制）+125000000001111101000FA+2500000000001100100032+1/200000000000000010001000000000000000000000-1/21111111111111111FFFF-251111111111001110FFCE-551111111110010010FF92温度的读取：DS18B20在出厂时以配置为12位，读取温度时共读取16位，所以把后11位的二进制转化为10进制后在乘以0.0625便为所测得的温度，还需要判断其正负。前5个数字为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。16位数字摆放是从低位到高位，DS18B20有两个字节的RAM用于存储检测温度数值（以补码的形式存储），其格式如下表4.2所示：表4.2存储温度数值的格式高8位数据低8位数据符号位检测温度整数检测温度小数SSSSS262524232221202-12-22-32-4当检测到正温度时S为0，当检测到负温度时S为1。在默认情况下，DS18B20的分辨率为2-4。例如读取DS18B20的数据为0000001110111010（03BAH）则实际检测到的温度为正温度（因符号位为0），数值=01110111010=0×26+1×25+1×24+1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3+0×2-4=59.375℃。4.2.2DS18B20的内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器，如图4.3所示。64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接下来是每一个器件的惟一序号，总共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以连接到一根数据线上进行通信的原因。温度报警触发器TH（保存上限值）和TL（保存下限值），可通过软件写入报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存器RAM和一个非易失性的电可擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，其结构如表4.3所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL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工作时寄存器器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位定义如表4.4所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20在出厂时就被设置为0，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。图4.3DS18B20内部结构图表4.3高速暂存器RAM的结构表4.4DS18B20的字节定义温度LSB温度MSBTH用户字节1TL有户字节2配置寄存器保留保留保留CRCTMR1R0111114.2.3工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率的不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20温度传感器的低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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的温度值。DS18B20温度传感器中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。测温原理图如图4.4所示：图4.4测温原理图4.2.4使用方法由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备，而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。DS18B20的复位时序如图4.5所示：图4.5DS18B20的复位时序DS18B20的读时序，如图4.6所示对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。图4.6DS18B20的读时序DS18B20的写时序，如图4.7所示：对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少需要60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样I/O总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。图4.7DS18B20的写时序4.3报警器蜂鸣器是一种一体化的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。1、蜂鸣器的结构原理压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5～15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。2、蜂鸣器驱动模块在单片机应用设计中，很多设计方案都会用到蜂鸣器，通常都是使用蜂鸣器来做提示或是报警，例如：按键按下、开始工作、结束工作、播放音乐或是故障等等。这里对单片机在蜂鸣器驱动上的应用作一下简单的描述。由于自激蜂