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2系统硬件电路设计
2.1系统硬件框图
本设计中所选用的温度传感器DS18B20可以被编程,所以箭头是双向的,CPU(89S51)首先写入命令给DS18B20,然后DS18B20开始转换数据,转换后通过89S51来处理数据。
数据处理后的结果用液晶显示屏显示出来。
利用键盘进行人工设定温度范围,当温度传感器测出水温在所设定的范围内时,继电器释放并显示当前温度。
当水温不在设定范围内蜂鸣器发出声音,此时继电器会吸合以便使加热装置开始工作,最终选定的整体系统硬件框图如图2.1。
图2.1系统硬件框图
2.2主控模块
2.2.1主控模块功能分析
在本系统中,主控模块居于非常重要的地位。
它是整个系统的中枢,系统运行所需的每个操作指令都要由其发出。
它一方面控制着测温模块进行温度信息的采集,另一方面也控制着显示模块的工作。
最重要的是,由测温模块所采集到的温度信息必须经由主控模块的处理才能在显示模块上显示,从而使整个系统进行正常的运转和工作。
针对以上分析本系统主控模块中的单片机芯片采用了AT89S51芯片,此芯片功能强大,能够完全满足系统运行的需求。
2.2.2单片机AT89S51芯片的功能特性
MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品,与MCS-48单片机相比,它的结构更先进,功能更强,在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条,MCS-51单片机可以算是相当成功的产品,一直到现在,MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品,各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。
目前AT89S51已取代AT89C51.89S51是89C51的升级产品,AT89S51显著的特点是加入了在系统编程(ISP)功能。
其主要功能如下:
1:
8位CPU(中央处理器)中央处理器是单片机内部最核心的部分,是单片机的大脑和心脏,主要完成运算和控制功能。
8051型的单片机的CPU是一个字长为8位的中央处理单元,即它对数据的处理是按字节为单位进行的。
2:
内部程序存储器(内部ROM)8051型单片机共有4KB掩膜ROM,用于存放程序,原始数据等
3:
内部数据存储器(RAM)。
8051型单片机共有256个RAM单元,但其中能作为寄存器供用户使用的仅有前面128个,后128个被专用寄存器占用。
4:
并行I/O口。
8051型单片机共有4个8位的I/O口(P0、P1、P2、P3),可以实现数据的并行输入、输出。
111条指令,大部分为单字节指令
5:
21个专用寄存器
6:
2个16位的可编程定时/计数器
7:
5个中断源,
8:
2个优先级一个全双工串行通信口外部数据存储器寻址空间为64kB外部程序存储器寻址空间为64kB逻辑操作位寻址功能
9:
时钟电路。
8051型单片机内部有时钟电路,但晶振和微调电容需要外接。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。
1单片机AT89S51引脚功能
图2.289S51引脚图
单片机89S51共有40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类:
电源、时钟、控制线和I/O引脚。
⒈电源:
⑴VCC-芯片电源,接+5V;
⑵VSS-接地端;
2.时钟:
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
3.控制线:
控制线共有4根,
⑴ALE/PROG:
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
①ALE功能:
用来锁存P0口送出的低8位地址
②PROG功能:
片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,此引脚输入编程脉冲。
⑵PSEN:
外ROM读选通信号。
⑶RST/VPD:
复位/备用电源。
①RST(Reset)功能:
复位信号输入端。
②VPD功能:
在Vcc掉电情况下,接备用电源。
⑷EA/Vpp:
内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
①EA功能:
内外ROM选择端。
②Vpp功能:
片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,施加编程电源Vpp。
4.I/O线
80S51共有4个8位并行I/O端口:
P0、P1、P2、P3口,共32个引脚。
P3口还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)
5.P3口第二功能
P30RXD串行输入口
P31TXD串行输出口
P32INT0外部中断0(低电平有效)
P33INT1外部中断1(低电平有效)
P34T0定时计数器0
P35T1定时计数器1
P36WR外部数据存储器写选通(低电平有效)
P37RD外部数据存储器读选通(低电平有效)
2芯片可擦除性
AT89S51单片机还具有芯片擦除性,整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89S51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
2.2.3单片机的复位电路
单片机复位时RESET需要保持96个晶振周期的高电平(即需8个机器周期)。
复位以后P0─P3口输出高电平,堆栈指针SP指向07H,其他特殊功能寄存器和程序计数器PC清零。
只要RESET保持高电平,AT89S51就会循环复位。
RESET当由高电平变为低电平后,单片机从程序存储器0地址开始执行程序。
但单片机复位不影响内部RAM的状态,包括工作寄存器R0─R7。
常见的复位电路有:
上电复位电路和上电按钮复位电路,在本设计中均采用上电复位电路,对于微型单片机而言,复位是一项很重要的归零调整操作。
该复位就是将高电平加到RESET引脚上,并保持时间超过两个机器周期以上,也就是2μS如图2.3所示。
图2.3复位电路
2.2.4单片机的晶振电路
所谓的晶振电路即指单片机的时钟电路。
该电路通常有内部时钟电路和外部时钟电路。
一般选用前者。
单片机芯片内部有一个反相放大器构成的振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2,把XTAL1和XTAL2与外部石英晶体及两个电容连接起来可构成一个石英晶体振荡器如图2.4所示。
时钟发生器是一个2分频电路。
它把晶体振荡器的频率2分频后供给片内其他电路。
一般电容C1和C2起到稳定振荡频率、快速起振的作用。
C1晶振
C2
图2.4晶振电路
2.3水温测量电路
2.3.1测温模块
本设计的测温元件采用的是DS18B20测温元件,DS18B20是由DALLAS(达拉斯)公司生产的一种温度传感器。
超小的体积,超低的硬件开消,抗干扰能力强,精度高,附加功能强,使得DS18B20很受欢迎。
这是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
DS18B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数,指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出,因此从单片机到DS18B20仅需一条线连接即可。
它可在1秒钟(典型值)内把温度变换成数字。
DS18B20产品的特点
只要求一个端口即可实现微处理器与DS18B20双向通信。
在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
测量温度范围在-55。
C到+125。
C之间。
数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
内部有温度上、下限告警设置。
支持多点组网功能。
使用数据线供电电压范围+3.0~+5.5V
负压特性、电源极性接反时温度计不会因发热烧毁,但不能正常工作。
10:
精确度高抗干扰能力强,工作稳定可靠。
11:
内置EEPROM,限温报警功能。
DS18B20引脚及封装结构图如图2.3所示
图2.5引脚和封装结构
表2.1引脚说明
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。
2.3.2温度传感器工作原理
温度传感器的类型很多,常见的温度传感器有模拟集成传感器(AD590),单总线数字温度传感器(DS18B20),标准总线式智能温度传感器(DS1629)等。
本例采用单总线数字温度传感器(DS18B20)。
在温度测量系统中,单总线数字温度传感器因其体积小,构成的系统结构简单等优点,应用越来越广泛。
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上,从而抗干力更强。
一个工作周期可分为两个部分,即温度检测和数据处理。
18B20共有三种形态的存储器资源,分别是:
ROM只读存储器,用于存放DS18B20ID编码,其前8位是单线系列编码(DS18B20的编码是19H),后面48位是芯片唯一的序列号,最后8位是以上56的位的CRC码(冗余校验)。
数据在出产时设置不由用户更改。
DS18B20共64位ROM,RAM数据暂存器,用于内部计算和数据存取,数据在掉电后丢失,DS18B20共9个字节RAM,每个字节为8位。
第1、2个字节是温度转换后的数据值信息,第3、4个字节是用户EEPROM(常用于温度报警值储存)的镜像。
在上电复位时其值将被刷新。
第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。
第6、7、8个字节为计数寄存器,是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的,同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。
第9个字节为前8个字节的CRC码。
EEPROM非易失性记忆体,用于存放长期需要保存的数据,上下限温度报警值和校验数据,DS18B20共3位EEPROM,并在RAM都存在镜像,以方便用户操作。
我们在每一次读温度之前都必须进行复杂的且精准时序的处理,因为DS18B20的硬件简单结果就会导致软件的巨大开消。
2.4LCD液晶显示模块
2.4.1液晶显示器的工作原理
液晶显示器的英文缩写为LCD(LiquidCrystalDisplay),它是一种数字显示技术,内部有LCD面板、驱动和控制电路组合而成,可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源,在平面面板上产生图像。
液晶是一种呈液体状的化学物质,像磁场中的金属一样,当受到外界电场影响时,其分子会产生精确有序的排列。
如果对分子的排列进行适当的控制,光线就可以穿越液晶分子。
位于最后面得一层是由荧光物质组成的可以发射光线的背光层。
当LCD中的电极产生电场时,液晶分子就会产生扭曲,从而将穿越其中的光线进行有规则的折射,然后通过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。
在单片机应用系统中,液晶显示器主要分为段位式LCD,字符式LCD,和点阵式LCD。
而本设计用的是字符式LCD只能显示字符和数字。
字符式LCD模块是由字符LCD显示器和专用的行列驱动器、控制器及必要的连接、结构件装配而成,可以显示数字和英文字符,这种字符LCD模块本身具有字符发生器,显示容量大,功能丰富,常用16字×
2行。
2.4.2LCD1602液晶显示屏
(1)LCD1602液晶显示屏主要技术参数
显示容量
16X2个字符
芯片工作电压
4.5~5.5V
工作电流
2.0mA(5.0V)
最佳工作电压
5.0V
字符尺寸
2.95X4.35(WXH)mm
表2.2主要参数
(2)LCD1602液晶显示屏引脚说明
SMC1602A是LCD1602中的一种,它共有16个引脚,各引脚接口信号说明如下。
表2.3引脚说明
编号
符号
引脚说明
VSS
电源地
9
D2
Data1/0
电源正极
10
D3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
4
RS
数据/命令选择端
12
D5
5
R/W
读/写选择端
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光LED正端
8
D1
16
BLK
背光LED负端
状态字说明
表2.4SMC1602A状态字说明表
STA7
D7
STA6
D6
STA5
D5
STA4
D4
STA3
D3
STA2
D2
STA1
D1
STA0
D0
表2.5SMC1602状态字功能表
STD0-6
当前数据地址指针的数值
读写操作使能
1:
禁止0:
允许
其基本操作时序共有4个状态分别是:
1读状态:
输入:
RS=L,RW=H,E=H输出:
D0~D7=状态字
BF
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
2写指令:
RS=L,RW=L,D0~D7=指令码,E=高脉冲输出:
无
3读数据:
RS=H,RW=H,E=H输出:
D0~D7=数据
4写数据:
RS=H,RW=L,D0~D7=数据,E=高脉冲输出:
无
2.5键盘电路
键盘接口电路在单片机应用系统中的作用是用户为了对应用系统进行干预以及了解应用系统运行状态所设置的人机对话通道。
键盘是单片机不可缺少的输入设备,是实现人机对话的纽带。
键盘结构形式分为非编码键盘和编码键盘。
在单片机中使用的是非编码键盘,因为非编码键盘结构简单、成本低廉。
非编码键盘的类型很多,常用的有独立式键盘、行列式键盘等。
本设计用的是独立式键盘,独立式键盘是将每个按键按一对一的方式直接连接到I/O输入线上所构成的键盘。
键盘接口中使用多少根I/O线、键盘中就有几个按键。
按键说明
S0调小给定温度值,每按一下给定温度值减一;
S1调大给定温度值,每按一下给定温度值加一;
S2切换温度范围,每按一下切换一次,默认为(20℃~60℃);
S3闭合则启动温度自动控制,断开则扫描按键。
单片机上的P25口接S0
P26口接S1
P27口接S2
P28口接S3.
图2.6键盘电路图
2.6继电器模块
2.6.1继电器简介
继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
1、电磁继电器的工作原理
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压,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导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;
处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
2.6.2HK4100F继电器驱动电路原理
HK4100F继电器驱动电路原理图如下图2.7所示,三极管Q1的基极B接到单片机的P3.6,三极管的集电极极C接到继电器线圈的一端,线圈的另一端接到+5V电源VCC上;
继电器线圈两端并接一个二极管IN4148,用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势,防止反向电势击穿三极管Q1及干扰其他电路;
R6和发光二极管LED1组成一个继电器状态指示电路,当继电器吸合的时候,LED1点亮,这样就可以直观的看到继电器状态了。
图2.7HK4100F继电器驱动电路图
(1)当STC89S51单片机的P2.6引脚输出低电平时,三极管Q1饱和导通,+5V电源加到继电器线圈两端,继电器吸合,同时状态指示的发光二极管也点亮,继电器的常开触点闭合,相当于开关闭合。
(2)当STC89S51单片机的P2.6引脚输出低电平时,三极管Q1截止,继电器线圈两端没有电位差,继电器衔铁释放,同时状态指示的发光二极管也熄灭,继电器的常开触点释放,相当于开关断开。
注:
在三极管截止的瞬间,由于线圈中的电流不能突变为零,继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势,线圈产生的感应电动势则可以通过二极管IN4148释放,从而保护了三极管免被击穿,也消除了感应电动势对其他电路的干扰,这就是二极管D1的保护作用。
3系统软件设计
3.1主控程序设计
当接通电源开始工作后,单片机中的程序开始运行,将对DS18B20进行初始化,以便单片机芯片和DS18B20达成通信协议。
完成初始化后,由于本系统只有一个测温元件,单片机会向其发出跳过ROM指令,接下来便可向其发送操作指令,设定温度上下限,启动测温程序当所测温度在设定范围内时通过测温模块把所测温度在液晶显示屏上显示出来。
当所测温度不在设定范围内时首先蜂鸣器发出报警声音,当水温低于下限值时控制开关继电器吸合使加热电路导通对水进行加热。
然而当水温超过人工设定上限值时继电器释放,加热电路停止加热。
测温过程完成后,发出温度转换指令,从而便可将温度转化成数字模式进行显示读取。
图3.1系统运行流程图
3.2DS18B20传感器采集温度
通过DS18B20单线总线的所有执行处理都从一个初始化序列开始。
初始化序列包括一个由总线控制器发出的复位脉冲和随后由从机发出的存在脉冲:
1、复位:
首先我们必须对DS18B20芯片进行复位,复位就是由控制器(单片机)给DS18B20单总线至少480uS的低电平信号。
当18B20接到此复位信号后则会在15~60uS后回发一个芯片的存在脉冲。
2、存在脉冲:
在复位电平结束之后,控制器应该将数据单总线拉高,以便于在15~60uS后接收存在脉冲,存在脉冲为一个60~240uS的低电平信号。
至此,通信双方已经达成了基本的协议,接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。
3、控制器发送ROM指令:
双方打完了招呼之后最要将进行交流了,ROM指令共有5条,每一个工作周期只能发一条,ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。
各自功能如下:
ReadROM(读ROM)[33H](方括号中的为16进制的命令字)这个命令允许总线控制器读到DS18B20的64位ROM。
只有当总线上只存在一个DS18B20的时候才可以使用此指令。
MatchROM(指定匹配芯片)[55H]这个指令后面紧跟着由控制器发出了64位序列号,当总线上有多只DS18B20时,只有与控制发出的序列号相同的芯片才能做出反应,其它芯片将等
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