本科生畢業(yè)論文第1章 緒論1.1課題研究背景和意義溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。在整個宇宙當(dāng)中，溫度無處不存在。無論在地球上還是在月球上，也無論是在熾熱的太陽上還是在陰冷的冥王星上，這一切無不由于空間位置的不同而存在著溫度的差別。濕度，表示大氣干燥程度的物理量。在一定的溫度下在一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕?？諝獾母蓾癯潭冉凶觥皾穸取?。在此意義下，常用絕對濕度、相對濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點等物理量來表示。濕度表示氣體中的水蒸汽含量,有絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度是一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質(zhì)量，一般其單位是克/立方米，絕對濕度的最大限度是飽和狀態(tài)下的最高濕度；相對濕度是絕對濕度與最高濕度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高1。溫度、濕度和人類的生產(chǎn)、生活有著密切的關(guān)系，同時也是工業(yè)生產(chǎn)中最常見最基本的工藝參數(shù)，例如機械、電子、石油、化工等各類工業(yè)中廣泛需要對溫度、濕度的檢測與控制。并且隨著人們生活水平的提高，人們對自己的生存環(huán)境越來越關(guān)注，而空氣中溫濕度的變化與人體的舒適度和情緒都有直接的影響，所以對溫度、濕度的檢測及控制就非常有必要了。溫度、濕度是工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的因素，但傳統(tǒng)的方法是用溫度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進行檢測，對不符合溫度和濕度要求的庫房進行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費時費力、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大。含有微型計算機或微處理器的測量儀器，由于它擁有對數(shù)據(jù)存儲，運算邏輯判斷及自動化的功能，有著智能作用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，一個低成本和具有較高精度的溫度濕度測量儀在許多領(lǐng)域會代替人工操作，自動控制各種儀器調(diào)整環(huán)境溫度濕度。目前市場上普遍存在的溫濕度檢測儀器大都是單點測量，而且溫濕度信息傳遞不及時，精度達不到要求，不利于控制者根據(jù)溫度、濕度變化及時做出決定，為此，本設(shè)計開發(fā)了一種能夠同時測量多點，并實時性高、精度高，能夠綜合處理多點溫濕度信息，并能進行溫濕度控制的測控產(chǎn)品?？傊?，環(huán)境溫濕度的檢測與調(diào)節(jié)儀器的設(shè)計和開發(fā)具有非常大的市場前景和實用價值。1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1 溫度傳感器集成溫度傳感器是目前應(yīng)用范圍最廣、使用最普及的一種全集成化傳感器。其種類很多，大致可分為以下5類：1、模擬集成溫度傳感器；2、模擬集成溫度控制器；3、智能溫度傳感器；4、通用智能溫度控制器；5、微機散熱保護專用的智能溫度控制器。集成溫度傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域有以下3個方面：1.溫度測量：可以構(gòu)成數(shù)字溫度計、溫度變送器、溫度巡回檢測儀、智能化溫度檢測系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化測溫系統(tǒng)。2.溫度控制：適用于智能化溫度測控系統(tǒng)、工業(yè)過程控制、現(xiàn)場可編程溫度控制系統(tǒng)、環(huán)境溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)、中央空調(diào)、風(fēng)扇溫控電路、微處理器及微機系統(tǒng)的過熱保護裝置、現(xiàn)代辦公設(shè)備、電信設(shè)備、服務(wù)器中的溫度測控系統(tǒng)、電池充電器的過熱保護電路、音頻功率放大器的過熱保護電路及家用電器。3.特殊應(yīng)用：例如，熱電偶冷端溫度補償、測量溫差、測量平均溫度、測量溫度場、電子密碼鎖（僅對內(nèi)含64位ROM的單線總線智能溫度傳感器而言）及液晶顯示器表面溫度監(jiān)測等2。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。它是目前在國內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。 智能溫度傳感器（亦稱數(shù)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(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器（或寄存器）和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。進入21世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。在20世紀90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到1。目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是912位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達0.50.0625。由美國DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數(shù)據(jù)，其分辨力高達0.03125，測溫精度為0.2。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉(zhuǎn)換時間分別僅為27s、9s。 新型智能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘（RTC），使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲器，可存儲用戶的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標(biāo)準化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線總線、I2C總線、SMBus總線和SPI總線3。1.2.2 濕度傳感器濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量屬于90年代興起的行業(yè)。濕度傳感器主要分為電阻式和電容式兩種，產(chǎn)品的基本形式都是在基片上涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝皆诟袧癫牧仙虾?，元件的阻抗、介質(zhì)常數(shù)發(fā)生很大的變化，從而制成濕敏元件。近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了較大的發(fā)展。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展。國內(nèi)外各廠家的濕度傳感器產(chǎn)品水平不一，質(zhì)量價格都相差較大，用戶如何選擇性能價格比最優(yōu)的理想產(chǎn)品確有一定難度，需要在這方面作深入的了解?，F(xiàn)在國內(nèi)市場上出現(xiàn)了不少國內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品，電容式濕敏元件較為多見，感濕材料種類主要為高分子聚合物，氯化鋰和金屬氧化物。近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要分為電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化特濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產(chǎn)品的互換性差。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產(chǎn)濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產(chǎn)的SH1100型濕敏電容為例，其測量范圍是（1%99%）RH，在55%RH時的電容量為180pF（典型值）。當(dāng)相對濕度從0變化到100%時，電容量的變化范圍是163pF202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/，濕度滯后量為1.5%，響應(yīng)時間為5s。除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、重量型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來改變振蕩頻率）、光強型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。目前，國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。這些產(chǎn)品可分成以下三種類型：(1)線性電壓輸出式集成濕度傳感器；典型產(chǎn)品有 HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗污染能力強。(2)線性頻率輸出集成濕度傳感器；典型產(chǎn)品為HF3223型。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在55%RH時的輸出頻率為8750Hz（型值），當(dāng)上對濕度從10%變化到95%時，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強、便于配數(shù)字電路或單片機、價格低等優(yōu)點。(3)頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器；典型產(chǎn)品為HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，還增加了溫度信號輸出端，利用負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，其電阻值也相應(yīng)改變并且從NTC端引出，配上二次儀表即可測量出溫度值。2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、 SHT15型智能化溫度/溫度傳感器，其外形尺寸僅為7.6（mm）5(mm)2.5（mm），體積與火柴頭相近。出廠前，每只傳感器都在溫度室中做過精密標(biāo)準，標(biāo)準系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準存儲器中，在測量過程中可對相對濕度進行自動校準。它們不僅能準確測量相對溫度，還能測量溫度和露點。測量相對溫度的范圍是0100%，分辨力達0.03%RH，最高精度為2%RH。測量溫度的范圍是-40 123.8，分辨力為0.01。測量露點的精度4。1.3本文的主要工作和結(jié)構(gòu)安排本設(shè)計以STC89C52單片機為核心來對多點溫濕度進行實時巡檢。各檢測單元(從機)能獨立完成各自功能，同時能根據(jù)主控機的指令對溫濕度進行時時采集。并將采集來的信息通過液晶屏顯示清晰的呈現(xiàn)給用戶，如果采集的信息超出了預(yù)設(shè)范圍，閃爍燈和蜂鳴器都將給出報警示意用戶，以便做出及時決定。本系統(tǒng)能夠同時檢測多路溫濕度，檢測溫度范圍-55+95。根據(jù)實際需要，檢測點數(shù)可以擴展。系統(tǒng)采用CHR-01濕敏電阻，使用模擬電路，將濕度信號變?yōu)殡妷盒盘栞敵?，傳輸給單片機進行分析、處理和控制顯示。濕度檢測范圍為2090RH，其檢測精度為5。此外，本系統(tǒng)還具有報警模塊，可設(shè)定溫度濕度報警上下限，當(dāng)檢測到任何溫度濕度超過溫度濕度報警上下限就進行報警。本文結(jié)構(gòu)安排如下：第1章 緒論，介紹了溫濕度對人們生活、生產(chǎn)、工作的影響，溫濕度測量儀的應(yīng)用和發(fā)展，以及溫濕度測量儀的核心器件溫度傳感器、濕度傳感器的結(jié)構(gòu)、型號、發(fā)展前景。第2章 方案比較和論證，介紹了溫度傳感器、濕度傳感器、控制芯片、輸出顯示設(shè)備的方案比較和選擇。第3章 系統(tǒng)整體設(shè)計，介紹了測量儀信號采集、分析、處理的工作過程和在這些過程中設(shè)計的模塊電路原理、特性、應(yīng)用。第4章 軟件設(shè)計，介紹了軟件編程的主流程圖和測量溫度子程序流程圖、測量濕度子程序流程圖。44第2章方案比較和論證當(dāng)將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號懂得輸入通道，由計算機拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，如何準確獲得被測信號是其核心任務(wù)；而對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。2.1溫度傳感器的選擇方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠距離測量。鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測中高精密測溫和溫度標(biāo)準。缺點是價格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按IEC標(biāo)準測溫范圍-200650，百度電阻比W（100）=1.3850時，R0為100和10，其允許的測量誤差A(yù)級為（0.15+0.002 |t|），B級為（0.3+0.005 |t|）。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于-50180測溫。方案二：采用DS18B20，溫度測量范圍從-55+125，-10+85時測量精度為0.5，測量分辨率為0.0625，電源電壓范圍從3.35V 。它支持“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，可組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。而且，無需進行線性校正，使用非常方便，接口簡單，成本低廉。與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化9位和12位的數(shù)字量。它具有體積小、接口方便、傳輸距離遠等特點，內(nèi)含寄生電源。 系統(tǒng)有如下特點： (1)不需要備份電源，可通過信號線供電；(2)送串行數(shù)據(jù)，不需要外部元件；(3)零功耗等待；(4)系統(tǒng)的抗干擾性好，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如環(huán)境控制、設(shè)備過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。綜合比較方案一與方案二，成本相差不多，方案二具有更高的抗干擾能力和精度，電路結(jié)構(gòu)簡單，選擇方案二作為本設(shè)計的溫度傳感器。2.2 濕度傳感器的選擇測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。方案一：采用CHR-01濕敏電阻。CHR-01濕敏電阻適用于阻抗型高分子濕度傳感器，它的工作電壓為交流1V，頻率為50Hz2kHz，測量濕度范圍為20%90%RH，測量精度5%，工作溫度范圍為0+85，最高使用溫度120，阻抗在60%RH（25）時為30（2140.5）K。采用555時基或RC振蕩電路，將濕度傳感器等效為阻抗值，測量振蕩頻率輸出，振蕩頻率在1k Hz左右。方案二：采用HF3223/HTF3223濕度傳感器。HF3223/HTF3223采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，相對濕度在0%99%RH范圍內(nèi)，精度為5%，測量指標(biāo)和精度高，不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程，HTF3223在HF3223的基礎(chǔ)上多了一個溫度傳感器。HF3223濕度傳感模塊將濕度信息轉(zhuǎn)化為頻率信號，傳輸給單片機進行分析、處理和控制顯示。綜合比較方案一與方案二，方案二雖然精度及測量濕度范圍都比方案一高，但成本高了許多，方案一成本低廉且能滿足測量需求，且調(diào)試電路簡單，因此，在能達到指標(biāo)要求下，為減少成本支出，我們選擇方案一來作為本設(shè)計的濕度傳感器。2.3 控制芯片的的選擇2.3.1 單片機在多數(shù)電子設(shè)計當(dāng)中，基于性價比的考慮，8位單片機仍是首選。目前，8位單片機在國內(nèi)外仍占有重要地位。在8位單片機中又以MCS51系列單片機及其兼容機所占的份額最大。MCS51的硬件結(jié)構(gòu)決定了其指令系統(tǒng)不會發(fā)生變化，設(shè)計人員可以很容易的對不同公司的單片機產(chǎn)品進行選型，他們只需將重點放在芯片內(nèi)部資源的比較上。方案一：采用AT89C51芯片作為硬件核心，采用Flash ROM，內(nèi)部具有4KB ROM存儲空間,能于3V的超低壓工作,而且與MCS-51系列單片機完全兼容,但是運用于電路設(shè)計中時由于不具備ISP在線編程技術(shù), 當(dāng)在對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，對芯片的多次拔插會對芯片造成一定的損壞。方案二：采用AT89S52,片內(nèi)ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底壓工作；同時也與MCS-51系列單片機完全該芯片內(nèi)部存儲器為8KB ROM 存儲空間，同樣具有89C51的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)，當(dāng)在對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，不需要對芯片多次拔插，所以不會對芯片造成損壞。方案三：STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。方案一是多年前的的產(chǎn)品，因自身設(shè)計缺陷，已經(jīng)很少被人使用。方案二和方案三使用差別不大，但方案二需要專有下載線，方案三使用串口下載即可。因此選擇方案三。2.3.2 FPGAFPGA是英文FieldProgrammable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。FPGA的基本特點主要有：(1)采用FPGA設(shè)計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。(2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。(3)FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。(4)FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。(5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。FPGA甚至包含單片機和DSP軟核,并且IO數(shù)僅受FPGA自身IO限制,所以,FPGA又是單片機和DSP的超集,也就是說,單片機和DSP能實現(xiàn)的功能,FPGA一般都能實現(xiàn)?？梢哉f，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA與MCS51單片機比較(1)FPGA運行速度快 FPGA內(nèi)部集成鎖項環(huán),可以把外部時鐘倍頻,核心頻率可以到幾百M,而單片機運行速度低的多.在高速場合,單片機無法代替FPGA (2)FPGA管腳多,容易實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng) 單片機IO口有限,而FPGA動輒數(shù)百IO,可以方便連接外設(shè).比如一個系統(tǒng)有多路AD,DA,單片機要進行仔細的資源分配,總線隔離,而FPGA由于豐富的IO資源,可以很容易用不同IO連接各外設(shè) (3)FPGA內(nèi)部程序并行運行,有處理更復(fù)雜功能的能力 單片機程序是串行執(zhí)行的,執(zhí)行完一條才能執(zhí)行下一條,在處理突發(fā)事件時只能調(diào)用有限的中斷資源;而FPGA不同邏輯可以并行執(zhí)行,可以同時處理不同任務(wù),這就導(dǎo)致了FPGA工作更有效率 (4)FPGA有大量軟核,可以方便進行二次開發(fā) FPGA功能遠遠高于MCS51單片機的功能，但成本也高出不少，本設(shè)計不需要過多的IO口，普通運行速度即可，使用MCS51單片機系列完全可以實現(xiàn)產(chǎn)品要求的指標(biāo)，電路簡單，調(diào)試容易，所以本設(shè)計采用MCS51單片機。2.4 輸出顯示設(shè)備選擇電子設(shè)計中常用的輸出顯示設(shè)備有兩種：數(shù)碼管和LCD。方案一：數(shù)碼管是現(xiàn)在電子設(shè)計中使用相當(dāng)普遍的一種顯示設(shè)備，每個數(shù)碼管由7個發(fā)光二極管按照一定的排列結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)七個發(fā)光二極管的正負極連接不同，又分為共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管兩種，選擇的數(shù)碼管不同，程序設(shè)計上也有一定的差別。數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容比較直觀，通常顯示從0到F中的任意一個數(shù)字，一個數(shù)碼管可以顯示一位，多個數(shù)碼管就可以顯示多位，在顯示位數(shù)比較少的電路中，程序編寫，外圍電路設(shè)計都十分簡單，但是當(dāng)要顯示的位數(shù)相對多的時候，數(shù)碼管操作起來十分煩瑣，顯示的速度受到限制。并且當(dāng)硬件電路設(shè)計好之后，系統(tǒng)顯示能力基本也被確定，系統(tǒng)顯示能力的擴展受到了限制。方案二：而液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動手設(shè)計的圖案。當(dāng)需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時候，它的優(yōu)點就突現(xiàn)出來了，并且當(dāng)硬件設(shè)計完成時，可以通過軟件的修改來不斷擴展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅(qū)動電路設(shè)計比較簡單，顯示能力的擴展將不會涉及到硬件電路的修改，可擴展性很強。字符型液晶顯示屏已經(jīng)成為了單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件之一。不足之處在于其價格比較昂貴，驅(qū)動程序編寫比較復(fù)雜。本設(shè)計需要顯示溫度值和濕度值，還可顯示設(shè)置溫濕度數(shù)值報警數(shù)值的上下限，顯示數(shù)字較多，因此選用方案二液晶頻做輸出設(shè)備。2.5 本章小結(jié)本章主要介紹溫濕度測量儀用到的主要芯片的選擇，如溫度傳感器、濕度傳感器、控制處理芯片、顯示輸出設(shè)備等。對比考慮各器件性能、特點、使用難易度、成本等因素，選擇適合本產(chǎn)品指標(biāo)的元器件。第3章 系統(tǒng)整體設(shè)計本方案以STC89C52單片機系統(tǒng)為核心來對溫度、濕度進行實時控制和巡檢。各檢測單元能獨立完成各自功能，并根據(jù)主控機的指令對溫濕度進行實時采集。主控機負責(zé)控制指令的發(fā)送，并控制各個檢測單元進行溫度采集，收集測量數(shù)據(jù)，同時對測量結(jié)果進行整理和顯示。其中包括單片機、復(fù)位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計。圖3.1 系統(tǒng)總方框圖本設(shè)計由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。(1)信號采集 由溫度傳感器模塊和濕度傳感器模塊組成；(2)信號分析 由單片機STC89C52組成；(3)信號處理 由液晶顯示模塊、繼電器模塊和蜂鳴器模塊組成。3.1信號采集3.1.1 溫度傳感器Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。新一代的“DS18B20”體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。圖3.2 DS18B20DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如下: DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。圖3.3 DS18B20方框圖DS18B20依靠一個單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進行存儲器和控制操作。因此，控制操作必須首先提供下面5個ROM操作指令之一：(1)讀ROM,(2)匹配ROM, (3)搜索ROM, (4)跳過ROM, (5)報警搜索。這些指令操作作用在沒有一個器件的64位光刻ROM序列號，可以在掛在一線上多個器件選定某一個器件，同時，總線也可以知道總線上掛有有多少，什么樣的設(shè)備。若指令成功地使DS18B20完成溫度測量，數(shù)據(jù)存儲在DS18B20的存儲器。一個控制功能指揮指示DS18B20的演出測溫。測量結(jié)果將被放置在DS18B20內(nèi)存中，并可以讓閱讀發(fā)出記憶功能的指揮，閱讀內(nèi)容的片上存儲器。溫度報警觸發(fā)器TH和TL都有一字節(jié)EEPROM 的數(shù)據(jù)。如果DS18B20不使用報警檢查指令，這些寄存器可作為一般的用戶記憶用途。在片上還載有配置字節(jié)以理想的解決溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換。寫TH,TL指令以及配置字節(jié)利用一個記憶功能的指令完成。通過緩存器讀寄存器。所有數(shù)據(jù)的讀寫都是從最低位開始5。1、DS18B20主要特性DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 -55C+125C，在-10+85C范圍內(nèi),精度為0.5C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等，支持3V5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。DS18B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為0.5C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價格比也非常出色！2、DS18B20工作原理DS18B20的測溫原理如圖3.4所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1計數(shù)器1 的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)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，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值10。圖3.4 DS18B20原理圖3、DS18B20基本應(yīng)用電路DS18B20測溫系統(tǒng)具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點。下面就是DS18B20幾個不同應(yīng)用方式下的測溫電路圖：(1) DS18B20寄生電源供電方式電路圖如下面圖3.5所示，在寄生電源供電方式下，DS18B20從單線信號線上汲取能量：在信號線DQ處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。圖3.5 DS18B20寄生電源供電方式電路圖獨特的寄生電源方式有三個好處：1，進行遠距離測溫時，無需本地電源；2，可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取ROM；3，電路更加簡潔，僅用一根I/O口實現(xiàn)測溫；要想使DS18B20進行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達到1mA，當(dāng)幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進行多點測溫時，只靠4.7K上拉電阻就無法提供足夠的 能量，會造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。因此，此電路只適應(yīng)于單一溫度傳感器測溫情況下使用，不適宜采用電池供電系統(tǒng)中。并且工作電源VCC必須保證在5V，當(dāng)電源電壓下降時，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會使溫度誤差變大。改進的寄生電源供電方式如下面圖3.5所示，為了使DS18B20在動態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)，當(dāng)進行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到 E2存儲器操作時，用MOSFET把I/O線直接拉到VCC就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到E2存儲器或啟動溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最 多10S內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強上拉狀態(tài)。在強上拉方式下可以解決電流供應(yīng)不走的問題，因此也適合于多點測溫應(yīng)用，缺點就是要多占用一根I/O口線進行強上拉切換。圖3.6 DS18B20寄生電源強上拉供電方式電路圖(2) DS18B20的外部電源供電方式電路圖在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空 ，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85。圖3.7 溫度傳感器模塊電路圖外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。因此本設(shè)計采用外部供電方式，。因為本設(shè)計只用于測量環(huán)境溫度，所以只顯示0+85。3.1.2 濕度傳感器測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。1.濕度的概念濕度是表示空氣中水蒸氣含量多少的尺度。在物理學(xué)和氣象學(xué)中，大氣濕度的表示方法是多種多樣的，而且都有各自的物理量和相應(yīng)單位。在諸多方法中，習(xí)慣使用的是絕對濕度和相對濕度。(1)絕對濕度：絕對濕度定義為在每立方米濕空氣中，在標(biāo)準狀態(tài)下所含水蒸汽的質(zhì)量，以字符表示，單位。再由氣體狀態(tài)方程式 （3.1）可得 （3.2）式中為空氣中水蒸氣的分壓力(帕)；T為空氣中的干球絕對溫度(K)；t為空氣中干球的攝氏溫度()；為水蒸氣的氣體常數(shù)， =461。(2)相對濕度:相對濕度是指空氣中水蒸氣分壓力與同溫度下飽和水蒸汽壓力之比值。用r表示相對濕度為： （3.3）式中和的單位采用毫巴(mb)時，由馬格奴斯經(jīng)驗公式計算飽和水蒸氣壓力: （3.4）式中=6.1mb?？諝庵兴魵夥謮毫Π聪铝泄接嬎悖?（3.5）式中：為濕球溫度時飽和水蒸汽壓力；為干球溫度()；為濕球溫度()；P為大氣壓力(mb)；A是與風(fēng)速v有關(guān)，通常按下列公式計算： （3.6）可知，相對濕度為干球溫度、濕球溫度、風(fēng)速、大氣壓力的函數(shù)，當(dāng)大氣壓力變化不大時，對給定的檢測條件V不變，那么只要測得t ，t 即可得相對濕度2。2. CHR-01濕敏元件簡介電阻型濕度傳感器可分為兩類：電子導(dǎo)電型和離子導(dǎo)電型。電子導(dǎo)電型濕度傳感器，也稱為“漲縮型濕度傳感器”，它通過將導(dǎo)電體粉末（金屬、石墨等）分散于膨脹性吸濕高分子中制成濕敏膜。隨濕度變化，膜發(fā)生膨脹或收縮，從而使導(dǎo)電粉末間距變化，電阻隨之改變。但是這類傳感器長期穩(wěn)定性差，且難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，所以應(yīng)用較少。離子導(dǎo)電型濕度傳感器，它是高分子濕敏膜吸濕后，在水分子作用下，離子相互作用減弱，遷移率增加；同時吸附的水分子電離使離子載體增多，膜電導(dǎo)隨濕度增加而增加，由電導(dǎo)的變化可測知環(huán)境濕度。本設(shè)計選用阻抗型高分子濕度電阻，型號CHR-01，其外型尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖3.8所示。圖3.8 CHR-01CHR-01型高分子濕度電阻的工作原理：由于水附在有極性基的高分子膜上，在低濕度下，因吸附量少，不能產(chǎn)生荷電離子，電阻值較高。當(dāng)相對濕度增加時，吸附量也增加，吸附水就成為導(dǎo)電通道，高分子電解質(zhì)的正負離子主要起到載流子作用，另外，由吸附水自身離解出的質(zhì)子、水和氫離子也起電荷載流子作用，使高分子濕敏電阻的電阻值下降。它的工作電壓為交流1V，頻率為50Hz2kHz，測量濕度范圍為20%90%RH，測量精度5%，工作溫度范圍為0+85，最高使用溫度120，阻抗在60%RH（25）時為30（2140.5）k12。圖3.9為0-60下CHR-01的阻抗特性曲線，由下圖可知，在對精度要求不高的情況下，可以將其近似為線性關(guān)系。圖3.9 0+60阻抗特性圖3. CHR-01濕敏元件應(yīng)用電路在實際工作環(huán)境中，溫度不是一個恒值，隨著環(huán)境的變化而變化，變化的范圍很寬。而濕敏元件受溫度的影響不能忽略。濕敏元件的濕度溫度系數(shù)就是表示器件的感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數(shù)。環(huán)境的溫度變化越大，由感濕特征量表示的環(huán)境相對濕度與實際的相對濕度之間的誤差就越大。另外，一切電阻式濕度傳感器都必須使用交流電源，否則性能會劣化甚至失效。電解質(zhì)濕度傳感器的電導(dǎo)是靠離子的移動實現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負離子必然向電源兩極運動，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞；在交流電源作用下，正負離子往返運動，不會產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會被破壞。交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正、負離子定向積累情況下盡可能低一些。但加交流電壓后會產(chǎn)生一定的熱量，所以，交流電壓值不能過高，要有一定的限度，在高頻情況下，測試引線的容抗明顯下降，會把濕敏電阻短路。另外，濕敏膜在高頻下也會產(chǎn)生集膚效應(yīng)，阻值發(fā)生變化，影響到測濕靈敏度和準確性。除此之外，響應(yīng)時間、濕滯回線、濕滯回差等也不容忽略。響應(yīng)時間越短，表明濕敏元件的吸濕過程和脫濕過程越快，濕滯回差越小，濕敏元件的性能越好。故采用振蕩電路作為濕敏元件的測試電路11。圖3.10 濕度傳感器模塊電路在濕度檢測電路中，以5V交流電作為濕敏電阻的工作電壓。多諧振蕩器只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。假設(shè)當(dāng)電源接通后，電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C上電壓略低于，輸出高電平，截止，電源通過給電容C充電。隨著充電的進行逐漸增高，但只要，輸出電壓就一直保持高電平不變，這就是第一個暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電容C上的電壓略微超過時，RS觸發(fā)器置 0，使輸出電壓從原來的高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，即，導(dǎo)通飽和，此時電容C通過和放電。隨著電容C放電，下降，但只要，就一直保持低電平不變，這就是第二個暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)UC下降到略微低于時，RS觸發(fā)器置 1，電路輸出又變?yōu)?1，截止，電容C再次充電，又重復(fù)上述過程，電路輸出便得到周期性的矩形脈沖14。諧振蕩器的振蕩周期為兩個暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，。求得電容C的充電時間和放電時間各為 （3.7） （3.8）因此，振蕩周期 （3.9）通過頻率值轉(zhuǎn)換為所對應(yīng)的濕度值，就得到了所測的濕度值。3.2信號分析單片機專業(yè)名稱Micro Controller Unit(微控制器件)它是由INTEL公司發(fā)明的，最早的系列是MCS-48后來有了MCS-51我們經(jīng)常說的51系列單片機就是MCS-51micro controller system，它是一種8位的單片機。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中，單片機是整個設(shè)計的核心，因此選擇合適的單片機型號很重要。根據(jù)實現(xiàn)系統(tǒng)功能需要的單片機硬件資源，在性能指標(biāo)滿足的情況下，該系統(tǒng)的單片機型號選擇8051系列的STC89C52芯片。本系統(tǒng)中，選擇STC89C52單片機為該系統(tǒng)的總控芯片，STC89C52單片機可把由溫度、濕度檢測電路檢測出的信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示模塊，實現(xiàn)溫度、濕度的顯示；通過鍵盤設(shè)定溫濕度報警值，超過溫度、濕度上下限由蜂鳴器實現(xiàn)溫度、濕度的報警。3.2.1 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)STC89C52系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，指令碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇13。STC89C52具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇，可以滿足系統(tǒng)在各個子模塊程序之間的切換；STC89C52的運算速度可滿足一般的設(shè)計要求；而且STC系列單片機支持ISP在線編程功能，可以不用昂貴的編程器6。8051系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是各種邏輯單元及其之間的互連構(gòu)成的。主要包含中央處理器（CPU）、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，8051系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架示意圖，如圖3.11所示。圖3.11 8051系類單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖1.主要性能參數(shù)：(1) 與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容(2) 8k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲器(3) 1000次擦寫周期(4) 4.0-5.5V的工作電壓范圍(5) 全靜態(tài)工作模式：0Hz-33MHz(6) 三級程序加密鎖(7) 128*8字節(jié)內(nèi)部RAM(8) 32個可編程I/O口線(9) 2個16位定時/計數(shù)器(10)6個中斷源(11)全雙工串行UART通道(12)低功耗空閑和掉電模式(13)中斷可從空閑摸喚醒系統(tǒng)(14)看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針7中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，51系列單片機是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，它能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼。CPU主要由算術(shù)邏輯部件，控制器和專用寄存器三部分電路組成。它負責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：數(shù)據(jù)存取器（RAM）可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個。程序存儲器(ROM)：程序存取器（ROM）用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格等。8051共有4096個8位掩膜ROM。 定時/計數(shù)器：定時/計數(shù)器用于硬件的定時或計數(shù)。8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，也可產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(I/O)口：單片機的并行輸入輸出（I/O）口主要用于和外部設(shè)備進行通信，以便于處理外部的輸入和將運算結(jié)果反饋到外部設(shè)備。8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：全雙工串行口主要用于與其他設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送。8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用中斷系統(tǒng)：8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。時鐘電路：8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容8。2.管腳說明：8051系列單片機采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，它們的引腳配置如圖3-2所示，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。圖3.12 8051系類單片機管腳圖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4TTL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)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(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：P3.0 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）P3.7 /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。3.2.2 單片機最小系統(tǒng)單片機系統(tǒng)的擴展是以基本最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，故應(yīng)首先熟悉應(yīng)用應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。單片機最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復(fù)位電路，其電路圖如圖3.13所示。圖3.13 單片機最小系統(tǒng)1.復(fù)位電路單片機復(fù)位的原理是在時鐘電路開始工作后，在單片機的RST引腳施加24個時鐘振蕩脈沖（即兩個機器周期）以上的高電平，單片機便可以實現(xiàn)復(fù)位。在復(fù)位期間，單片機的ALE引腳和PSEN引腳均輸出高電平。當(dāng)RST引腳從高電平跳變?yōu)榈碗娖胶?，單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實際應(yīng)用中，一般采用既可以手動復(fù)位，又可以上電復(fù)位的電路，這樣可以人工復(fù)位單片機系統(tǒng)，這種電路如圖3.13復(fù)位部分所示。上電復(fù)位電路部分的原理也是RC電路的充放電效應(yīng)。除了系統(tǒng)上電的時候可以給RST引腳一個短暫的高電平信號外，當(dāng)按下按鍵開關(guān)的時候，VCC通過一個高電阻連接到RST引腳，給RST一個高電平，按鍵松開的時候，RST引腳恢復(fù)為低電平，復(fù)位完成。2.晶振電路時鐘電路是用于產(chǎn)生單片機正常工作時所需要的時鐘信號。STC89C52單片機內(nèi)部包含有一個振蕩器，可以用于CPU的時鐘源。另外也可以采用外部振蕩器，由外部振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號來供內(nèi)部CPU運行使用。(1)內(nèi)部時鐘模式內(nèi)部時鐘模式是采用單片機內(nèi)部振蕩器來工作的模式。51系列單片機內(nèi)部包含有一個高增益的單級反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別為片內(nèi)放大器的輸入端口和輸出端口,其工作頻率為033MHz。當(dāng)單片機工作于內(nèi)部時鐘模式的時候，只需在XTAL1引腳和XTAL2引腳連接一個晶體振蕩器或陶瓷振蕩器，并聯(lián)兩個電容后接地即可，如圖3-6所示。使用時對于電容的選擇有一定得要求，具體如下：A 當(dāng)外接晶體振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=3010pF；B 當(dāng)外接陶瓷振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=4010pF。在實際電路設(shè)計時，盡量保證外接的振蕩器和電容盡可能接近單片機的XTAL1和XTAL2引腳，這樣可以減少寄生電容的影響，使振蕩器能夠穩(wěn)定可靠地為單片機CPU提供時鐘信號。(2)外部時鐘模式外部時鐘模式是采用外部振蕩器產(chǎn)生時鐘信號，直接提供給單片機使用。對于不同的結(jié)構(gòu)的單片機，外部時鐘信號接入的方式有所不同。對于普通的8051單片機，外部時鐘信號由XTAL2引腳接入后直接送到單片機內(nèi)部的時鐘信號發(fā)生器，而引腳XTAL1則應(yīng)直接接地。這里需要注意，由于XTAL2引腳的邏輯電平不是TTL信號，因此外接一個上拉電阻。對于CMOS型的80C51,80C52,AT89S52等單片機，和普通的8051不同的是其內(nèi)部的時鐘信號取自于反相放大器的輸入端。因此外部的時鐘信號應(yīng)該接到單片機的XTAL1引腳，而XTAL2引腳懸空即可。根據(jù)實際應(yīng)用，我們選擇內(nèi)部時鐘電路，外接頻率12.000MHz的晶體振蕩器，選擇兩個電容值為30pF的陶瓷電容。3.2.3 RS232串口模塊串行接口是單片機與外部設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)通信的主要途徑。51系類單片機提供了功能強大的全雙工串行通信接口，可以方便的實現(xiàn)多機通信或單片機與主機之間的通信。串行通信是指數(shù)據(jù)的各個二進制位按照順序一位一位地進行傳輸。這種通信方式的優(yōu)點是所需的數(shù)據(jù)線少，節(jié)省硬件成本及單片機的引腳資源，并且抗干擾能力強，適合于遠距離數(shù)據(jù)傳輸，缺點是每次發(fā)送一個比特，導(dǎo)致傳輸速度慢，效率低。1.串行通信簡介單片機的串行通信是將數(shù)據(jù)的二進制位，按照一定的順序進行逐位發(fā)送，接收方則按照對應(yīng)的順序逐位接收，并將數(shù)據(jù)恢復(fù)出來。單片機的串行通信有異步通信和同步通信兩種基本方式。下面分別介紹。(1)異步通信方式異步通信是一種利用數(shù)字或字符的再同步技術(shù)的通信方式，其全稱為Asynchronous Communication。在異步通信過程中，數(shù)據(jù)通常是以幀為單位進行傳送的，每個幀為一個字符或一個字節(jié)。發(fā)送方將字符幀一位一位地發(fā)送出去，接收方則一位一位地接收該字符幀。發(fā)送方和接收方各自有一個控制發(fā)送和接收的時鐘，這兩個時鐘不同，相互獨立。一個字符幀按順序一般可以分為4部分，即起始位，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗位和停止位。在異步通信的過程中，數(shù)據(jù)幀在傳輸線上的傳送一般是不連續(xù)的，即傳輸時，字符間隔不固定，各個字符幀可以是連續(xù)發(fā)送，也可以是間斷發(fā)送，在間斷發(fā)送時，停止位之后，傳輸線路上自動保持高電平。異步串行通信的優(yōu)點是不需要進行時鐘同步，字符幀的長度不受限制，使用起來比較方便，應(yīng)用范圍廣；其缺點是傳送每個字符都要有起始位，奇偶校驗位和停止位，這樣便降低了有效地數(shù)據(jù)傳輸速率。(2)同步通信方式同步通信方式是一種連續(xù)的串行傳輸數(shù)據(jù)的通信方式，其全稱為Synchronous Communication。同步串行通信的一次通信過程只傳送一幀的信息。同步通信由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗字符三部分組成。同步通信吧要發(fā)送的數(shù)據(jù)按順序連接成一個數(shù)據(jù)塊，在數(shù)據(jù)塊的開頭附加同步字符，在數(shù)據(jù)塊的末尾附加差錯校驗字符。在數(shù)據(jù)塊的內(nèi)部，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間沒有間隔。在進行同步串行通信時，發(fā)送方首先發(fā)送同步字符，數(shù)據(jù)則緊跟其后發(fā)送。接收方檢測到同步字符后，開始逐個接收數(shù)據(jù)，直到所有數(shù)據(jù)接收完畢，然后按照雙方規(guī)定的的長度恢復(fù)成一個一個的數(shù)據(jù)字節(jié)，最后進行校驗，如果無傳輸錯誤，則可以結(jié)束一幀的傳輸。同步串行通信的優(yōu)點是不用單獨發(fā)送每個字符，其傳輸速率高，一般用于高速率的數(shù)據(jù)通信場合；缺點是需要進行發(fā)送方和接收方之間的時鐘同步，整個系統(tǒng)設(shè)計比較復(fù)雜。2.串口通信電路串口通信電路如圖3.14所示。圖中，51單片機的串行數(shù)據(jù)輸出端口TXD連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸入端口T1 IN，用于向PC發(fā)送數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)輸入端口RXD連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸出端口R1 OUT，用于接收PC串行輸入的數(shù)據(jù)。PC的串行數(shù)據(jù)輸入端口RXIN連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸出端口T1 OUT,用于接收單片機發(fā)送的串行數(shù)據(jù)，PC的串行數(shù)據(jù)輸出端口R1IN連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸入端口