DZ018紅外線測溫儀（重用）√,DZ018,紅外線,測溫,重用 第 46 頁 共 46 頁 引言 隨著“信息時(shí)代”的到來，作為獲取信息的手段——傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。 為了提高對傳感器的認(rèn)識和了解，尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了紅外抄表系統(tǒng)。文中把傳感器理論與單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)地講述了利用溫度傳感器DS18B20測量環(huán)境溫度，以及實(shí)現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，只要對電路部分稍加改裝，就可以實(shí)現(xiàn)抄讀其它的數(shù)字儀表設(shè)備：如數(shù)字電度表，數(shù)字水表等等。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。 其主要功能和指標(biāo)如下： 1、利用溫度傳感器（DS18B20）測量某一點(diǎn)環(huán)境溫度； 2、測量范圍為－55℃～＋99℃，精度為±0.5℃； 3、用4位數(shù)碼管進(jìn)行顯示實(shí)際溫度值顯示； 4、手持端通過紅外發(fā)射管發(fā)射測溫信號； 5、測溫端通過紅外發(fā)射管發(fā)送到手持端； 6、手持端可以隨時(shí)查看指定待測物體的溫度值。 設(shè)計(jì)的核心是環(huán)境溫度的測量以及紅外數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收，和溫度的顯示。文中對每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)地介紹。 1 方案選擇 該系統(tǒng)主要由溫度測量和數(shù)據(jù)采集和發(fā)送三部分組成。下面列舉兩種實(shí)現(xiàn)方案： 方案一：溫度檢測可以使用低溫?zé)崤蓟蜚K電阻，數(shù)據(jù)采集部分則使用帶有A/D通道的單片機(jī)?？紤]到一般的A/D輸入通道都只能接收大信號，所以還要設(shè)計(jì)相應(yīng)的放大電路。而模擬信號在長距離傳輸過程中，抗電磁干擾是令人傷腦筋的問題。此方案的軟件簡單，但硬件復(fù)雜，且檢測點(diǎn)數(shù)追加時(shí)，各敏感元件參數(shù)的不一致性，都將會導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，難以完全清除，而且成本會有較大增長幅度。 方案二：使用單片機(jī)和數(shù)字式單總線溫度傳感器構(gòu)成。其具有下列特點(diǎn)：①具有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；②抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；③信號易于處理、傳送和自動控制；④便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀；⑤安裝方便，維護(hù)簡單，工作可靠性高。單總線溫度傳感器可以采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20系列，這類溫度傳感器直接輸出數(shù)字信號，且多路溫度傳感器可以掛在1條總線上，共同占用單片機(jī)的1個(gè)I/O口即可實(shí)現(xiàn)。在提升單片機(jī)I/O口驅(qū)動能力的前提下，理論上可以任意擴(kuò)充檢測的溫度點(diǎn)數(shù)。 比較兩個(gè)方案后可以發(fā)現(xiàn)，方案二更適合于用作本系統(tǒng)的實(shí)施方案。盡管方案二不需要A/D，但考慮到系統(tǒng)擴(kuò)充等因素，單片機(jī)可以選用AT98C2051。 2 硬件部分 采用方案二的硬件設(shè)計(jì)比較簡單，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。 數(shù)碼管 紅外發(fā)射 AT89C51 DS18B20 紅外接收 紅外發(fā)射 數(shù)碼管 AT89C51 圖 1溫度測試系統(tǒng)和手持接收系統(tǒng)組成框圖 2.1 DS18B20介紹 DA 按鍵 LLAS公司的DS18B20單總線數(shù)字傳感器工作溫度 紅外接收 范圍是-55℃～125℃，在-30℃～85℃范圍內(nèi)溫度測量精度為±0.5℃；具有溫度報(bào)警功能，用戶可設(shè)置最高和最低報(bào)警溫度，且設(shè)置值掉電不丟失；采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議，只用一條數(shù)據(jù)線就可實(shí)現(xiàn)與MCU的通信；此外，DS18B20能夠直接從數(shù)據(jù)線獲得電源，無需外部電池供電。 DS18B20通過使用在板（on_board）溫度測量專利技術(shù)來測量溫度。其溫度測量電路是通過計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期來實(shí)現(xiàn)的，DS18B20有兩個(gè)溫度系數(shù)振蕩器，溫度測量時(shí)對高溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門開同期內(nèi)，低溫度系數(shù)振蕩器經(jīng)歷的時(shí)鐘周期的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)而得到的。 DS18B20數(shù)字溫度傳感器提供9位（二進(jìn)制）溫度讀數(shù)，指示器件溫度，所以無需A/D轉(zhuǎn)換。信息經(jīng)過單線接口送入DS18B20 或從DS18B20送出，因此從主機(jī)CPU到DS18B20僅需一條線連接，而且DS18B20的電源可由數(shù)據(jù)線本身提供（相對于外部電源，轉(zhuǎn)換時(shí)間要延長）。因此每一個(gè)DS18B20在出廠時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號因此從理論上說任意多個(gè)DS18B20可以連接在一條單線總線上。DS18B20的測量范圍從-55℃到+125℃，增量為0.5℃（最高精度可達(dá)0.1℃），轉(zhuǎn)換速度小于1s（典型值）。 AT89C51 DS18B20 而在本遙測系統(tǒng)中采用外部電源供電溫度測量工作方式，其中電阻R是上拉電阻，使得單線總線的空閑狀態(tài)是高電平。它與CPU（AT89C51）的接法如圖2。 5 V R 地 圖 2 DS18B20與單片機(jī)的連接 由于DS18B20只有一根數(shù)據(jù)線。因此它和主機(jī)（單片機(jī)）通信是需要串行通信，而AT89C51有兩個(gè)串行端口，所以可以不用軟件來模擬實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過單線接口訪問DC18B20必須遵循如下協(xié)議：初始化、ROM操作命令、存儲器操作命令和控制操作。要使傳感器工作，一切處理均從序列開始。 主機(jī)發(fā)送（Tx）--復(fù)位脈沖（最短為480μs的低電平信號）。接著主機(jī)便釋放此線并進(jìn)入接收方式（Rx）。總線經(jīng)過4.7K的上拉電阻被拉至高電平狀態(tài)。在檢測到I/O引腳上的上升沿之后，DS18B20等待15-60μs,并且接著發(fā)送脈沖（60-240μs的低電平信號）。然后以存在復(fù)位脈沖表示DS18B20已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送或接收，然后給出正確的ROM命令和存儲操作命令的數(shù)據(jù)。DS18B20通過使用時(shí)間片來讀出和寫入數(shù)據(jù)，時(shí)間片用于處理數(shù)據(jù)位和進(jìn)行何種指定操作的命令。它有寫時(shí)間片和讀時(shí)間片兩種。 寫時(shí)間片：當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉至邏輯低電平時(shí)，產(chǎn)生寫時(shí)間片。有兩種類型的寫時(shí)間片：寫1時(shí)間片和寫0時(shí)間片。所有時(shí)間片必須有60微秒的持續(xù)期，在各寫周期之間必須有最短為1微秒的恢復(fù)時(shí)間。 讀時(shí)間片：從DS18B20讀數(shù)據(jù)時(shí)，使用讀時(shí)間片。當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉至邏輯低電平時(shí)產(chǎn)生讀時(shí)間片。數(shù)據(jù)線在邏輯低電平必須保持至少1微秒；來自DS18B20的輸出數(shù)據(jù)在時(shí)間下降沿之后的15微秒內(nèi)有效。為了讀出從讀時(shí)間片開始算起15微秒的狀態(tài)，主機(jī)必須停止把引腳驅(qū)動拉至低電平。在時(shí)間片結(jié)束時(shí)，I/O引腳經(jīng)過外部的上拉電阻拉回高電平，所有讀時(shí)間片的最短持續(xù)期為60微秒，包括兩個(gè)讀周期間至少1μs的恢復(fù)時(shí)間。 一旦主機(jī)檢測到DS18B20的存在，它便可以發(fā)送一個(gè)器件ROM操作命令。所有ROM操作命令均為8位長。 DS18B20的引腳定義和封裝形式如圖3所示。DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接電源。 DS18B20的光刻ROM中存有64位序列號，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20擁有惟一的地址序列碼，以確保在一根總線上掛接多個(gè)DS18B20。 所有的串行通訊，讀寫每一個(gè)bit位數(shù)據(jù)都必須嚴(yán)格遵守器件的時(shí)序邏輯來編程，同時(shí)還必須遵守總線命令序列，對單總線的DS18B20芯片來說，訪問每個(gè)器件都要遵守下列命令序列：首先是初始化；其次執(zhí)行ROM命令；最后就是執(zhí)行功能命令(ROM命令和功能命令后面以表格形式給出)。??? 如果出現(xiàn)序列混亂，則單總線器件不會響應(yīng)主機(jī)。當(dāng)然，搜索ROM命令和報(bào)警搜索命令，在執(zhí)行兩者中任何一條命令之后，要返回初始化。??? 基于單總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，初始化過程由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和從機(jī)響應(yīng)的應(yīng)答脈沖組成。應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道，總線上有從機(jī)，且準(zhǔn)備就緒。 在主機(jī)檢測到應(yīng)答脈沖后，就可以發(fā)出ROM命令。這些命令與各個(gè)從機(jī)設(shè)備的唯一64 位ROM代碼相關(guān)。在主機(jī)發(fā)出ROM命令，以訪問某個(gè)指定的DS18B20，接著就可以發(fā)出DS18B20支持的某個(gè)功能命令。這些命令允許主機(jī)寫入或讀出DS18B20便箋式RAM、啟動溫度轉(zhuǎn)換。軟件實(shí)現(xiàn)DS18B20的工作嚴(yán)格遵守單總線協(xié)議： (1)主機(jī)首先發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖，信號線上的DS18B20器件被復(fù)位。 (2)接著主機(jī)發(fā)送ROM命令，程序開始讀取單個(gè)在線的芯片ROM編碼并保存在單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲器中，把用到的DS18B20的ROM編碼離線讀出，最后用一個(gè)二維數(shù)組保存ROM編碼，數(shù)據(jù)保存在X25043中。 (3)系統(tǒng)工作時(shí)，把讀取了編碼的DS18B20掛在總線上。發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令，再總線復(fù)位。 (4)然后就可以從剛才的二維數(shù)組匹配在線的溫度傳感器，隨后發(fā)溫度讀取命令就可以獲得對應(yīng)的溫度值了。 在主機(jī)初始化過程，主機(jī)通過拉低單總線至少480us，來產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著，主機(jī)釋放總線，并進(jìn)入接收模式。當(dāng)總線被釋放后，上拉電阻將單總線拉高。在單總線器件檢測到上升沿后，延時(shí)15～60us，接著通過拉低總線60-240us，以產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。 寫時(shí)序均起始于主機(jī)拉低總線，產(chǎn)生寫1時(shí)序的方式：主機(jī)在拉低總線后，接著必須在15us之內(nèi)釋放總線。產(chǎn)生寫0時(shí)序的方式：在主機(jī)拉低總線后，只需在整個(gè)時(shí)序期間保持低電平即可(至少60us)。 在寫字節(jié)程序中的寫一個(gè)bit位的時(shí)候，沒有按照通常的分別寫0時(shí)序和寫1時(shí)序，而是把兩者結(jié)合起來，當(dāng)主機(jī)拉低總線后在15us之內(nèi)將要寫的位c給DO：如果c是高電平滿足15us內(nèi)釋放總線的要求，如果c是低電平，則DO ＝c這條語句仍然是把總線拉在低電平，最后都通過延時(shí)58us完成一個(gè)寫時(shí)序(寫時(shí)序0或?qū)憰r(shí)序1)過程。 每個(gè)讀時(shí)隙都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線1us，在主機(jī)發(fā)起讀時(shí)序之后，單總線器件才開始在總線上發(fā)送0或1。所有讀時(shí)序至少需要60us。 單片機(jī)通過命令實(shí)現(xiàn)對DS18B20的控制，其支持的主要命令如表1所示。 表 1 DS18B20主要命令及其功能說明 命令碼 功能說明 命令碼 功能說明 33H 讀ROM中的64位地址序列碼 BEH 讀9字節(jié)暫存寄存器 55H 只有地址碼匹配的DS18B2才能接收后續(xù)的命令 4EH 寫入溫度上/下限，緊隨其后是2字節(jié)數(shù)據(jù)，對應(yīng)上限和下限值 F0H 鎖定總線上DS18B20的個(gè)數(shù)和識別其ROM中的64位地址序列碼 48H 將9字節(jié)暫存寄存器的第3和4字節(jié)復(fù)制到EEPROM中 ECH 只有溫度超過上限或下限的DS18B20才做出響應(yīng) B8H 將EEPROM的內(nèi)容恢復(fù)到暫存寄存器的第3和4字節(jié) 44H 啟動DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，結(jié)果存入9字節(jié)的暫存寄存器 B4H 讀供電模式，寄生供電時(shí)DS18B20發(fā)送0，外接電源時(shí)DS18B20發(fā)送1 CCH 忽略地址序列碼，適合單片DS18B20 2.2 單片機(jī)的選擇 (1)AT89C51的特性及引腳說明 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) ·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 ·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz ·三級程序存儲器鎖定 ·128*8位內(nèi)部RAM ·32可編程I/O線 ·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ·5個(gè)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(shí)鐘電路 AT89C51的引腳功能，圖4所示: 圖 4 AT89C51的引腳功能圖 ②管腳說明 —VCC：供電電壓。 —GND：接地。 —P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每個(gè)管腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳寫“1”時(shí)，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FLASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FLASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部電位必須被拉高。 —P1口：P1口是一個(gè)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，電位被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 —P2口：P2口為一個(gè)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(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳電位被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。作為輸入時(shí)，P2口的管腳電位被外部拉低，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(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉的優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，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(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。 —P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)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。作為輸入時(shí)，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)，也是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 (外部中斷0) P3.3 (外部中斷1) P3.4 T0(記時(shí)器0外部輸入) P3.5 T1(記時(shí)器1外部輸入) P3.6 (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)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(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 —：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，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(shí)，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(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時(shí)ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 —：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取址期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。 —：當(dāng)保持低電平時(shí)，訪問外部ROM；注意加密方式1時(shí)，將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)端保持高電平時(shí)，訪問內(nèi)部ROM。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(shí)鐘工作電路的輸入。 —XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 ③內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。 圖5 AT89C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 (2)AT89C51的基本操作 如圖6所示，在X1和X2之間接一只石英振蕩晶體構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路，它還有另一種接法，是把外部振蕩器的信號直接連接到XTAL1端，XTAL2端懸空不用。 AT89C51復(fù)位引腳RST/VP通過片內(nèi)一個(gè)施密特觸發(fā)器(抑制噪聲作用)與片內(nèi)復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器的輸出在每一個(gè)機(jī)器周期由復(fù)位電路采樣一次。當(dāng)振蕩電路工作，并且在RST引腳上加一個(gè)至少保持2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，就能使AT89C51完成一次復(fù)位。 復(fù)位不影響RAM的內(nèi)容。 復(fù)位后，PC指向0000H單元，使單片機(jī)從起始地址0000H單元開始重新執(zhí)行程序。所以，當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行出錯(cuò)或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，可按復(fù)位鍵重新啟動。 MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種復(fù)位方式。上電復(fù)位利用電容器充電來實(shí)現(xiàn)。按鈕復(fù)位又分為按鈕電平復(fù)位和按鈕脈沖復(fù)位。前者將復(fù)位端通過電阻與Vcc相接；后者利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位目的。復(fù)位電路參數(shù)的選擇應(yīng)能保證復(fù)位高電平持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期。本系統(tǒng)采用的是按鍵脈沖復(fù)位，具體電路和原理將在下面的章節(jié)介紹。 圖 6 AT89C51基本操作電路 振蕩器特性： XTAL1、XTAL2為片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端?？刹捎檬⒕w或陶瓷振蕩器組成時(shí)鐘振蕩器，如需從外部輸入時(shí)鐘AT89C51，時(shí)鐘信號從XTAL1輸入，XTAL2應(yīng)懸空。由于輸入到內(nèi)部電路是經(jīng)過一個(gè)2分頻觸發(fā)器，所以輸入的外部時(shí)鐘信號無需特殊要求，但它必須符合電平的最大和最小值及時(shí)序規(guī)范。 2.3 其它元器件的選擇 除了測溫芯片DS18B20以及單片機(jī)AT89C51以外，在電源輸入部分還選用了L7805CV穩(wěn)壓芯片和濾波電容，以及用于紅外部分的4011四與非門邏輯芯片，當(dāng)然還有紅外發(fā)射和接收管，這里接收管采用TO-92三腳封裝的一體化接收頭，顯示不分采用了12PIN的數(shù)碼管LDS-5461AH,總共可以顯示四位數(shù)據(jù)和小數(shù)點(diǎn)，其位選部分使用了NPN三極管來進(jìn)行位掃描。具體功能及細(xì)節(jié)詳見電路原理部分。 2.4 電路設(shè)計(jì) 由于是基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，硬件電路就相對簡單很多，只需要設(shè)計(jì)一下電源穩(wěn)壓電路、鍵盤電路、顯示電路、測溫電路、紅外發(fā)射和接收電路以及它們與單片機(jī)的連接即可。 (1)單片機(jī)工作部分 由圖6已知AT89C51的基本操作電路。但其中的一些參數(shù)還得依據(jù)具體要求來設(shè)計(jì)。具體接幾兆晶體是基于機(jī)器周期考慮。一個(gè)機(jī)器周期由6個(gè)狀態(tài)(S1－S6)組成，每個(gè)狀態(tài)又持續(xù)兩個(gè)振蕩周期(分為P1和P2)。這樣，一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩周期組成，由S1P1(狀態(tài)1節(jié)拍1)到S6P2(狀態(tài)6節(jié)拍2)。若是采用12MHz的晶體振蕩器，則每個(gè)周期恰好為1us，如此對于編程而言相對容易些。因而選擇12MHz的晶體振蕩器。 此外在兩引腳之間加入一個(gè)20pF的小電容是為了使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免雜音干擾而關(guān)機(jī)。 (2)電源部分 如圖7所示，電源接入采用5V的直流電對整個(gè)系統(tǒng)供電，使用了L7805CV芯片來對輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，在芯片旁邊設(shè)計(jì)了三個(gè)電容，它們的目的是慮除外界對電路的干擾，使電路得到一個(gè)穩(wěn)定線性的直流電壓。為了確認(rèn)電路進(jìn)入工作狀態(tài)，還在設(shè)計(jì)時(shí)加入了一個(gè)發(fā)光二極管，用于顯示電源是否正常工作，如果電路處于接電狀態(tài)，二極管就會導(dǎo)通而發(fā)光。 圖 7 電源接入部分 (3)顯示部分的設(shè)計(jì) 由LED組成的7段發(fā)光管顯示器是不太復(fù)雜的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用外部設(shè)備之一，在這里我們就選用一個(gè)4數(shù)碼管一體化來顯示溫度值，當(dāng)測得的溫度是大于零時(shí)（正溫度）顯示兩位整數(shù)和兩位小數(shù)，當(dāng)溫度是小于零時(shí)（零下）第一位自動顯示“-”號，后三位顯示兩位整數(shù)和一位小數(shù)。 ①7段發(fā)光管顯示器由7段發(fā)光線段組成，并按“日”字形排列，每一段都是一個(gè)發(fā)光二極管，如圖8所示。圖中將7個(gè)LED的陰極連在一起，稱之為共陰極接法。反之為共陽極接法。 ②如果將公共陰極接地，而在a～g各段的陽極加上不同的電壓，就會使各段的發(fā)光情況不同，形成不同的發(fā)光字符。加在7段陽極上的電壓可以用數(shù)字量表示，如果某一段的陽極為數(shù)字量1，則這個(gè)段就發(fā)光；如為0，則不發(fā)光。數(shù)字量與段的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。 表2 七段LED字形碼 顯示字符 共陽極 字符碼 共陰極 字符碼 0 3FH C0H 1 06H F9H 2 5BH A4H 3 4FH B0H 4 66H 99H 5 6DH 92H 6 7DH 82H 7 07H F8H 8 7FH 80H 9 6FH 90H 圖 8 七段結(jié)構(gòu)及外形圖 在這次電子日歷時(shí)鐘的設(shè)計(jì)中使用了四個(gè)7段LED顯示器，而多位顯示器連用有兩種方法。 其一，每一位都用各自的8位輸出口控制，在顯示某字符時(shí)，相應(yīng)的段恒定發(fā)光或不發(fā)光。這種顯示方法屬于靜態(tài)顯示。顯然，靜態(tài)顯示需占用較多的I/O口線。 其二，是動態(tài)顯示。即將多個(gè)7段LED的段選端復(fù)接在一起，只用一個(gè)8位輸出口控制段選，段選碼同時(shí)加到各個(gè)7段LED顯示器上，通過控制各個(gè)顯示器公共陽極輪流接高電平的辦法，逐一輪流地啟動各個(gè)LED。在這種方法中，只要恰當(dāng)?shù)剡x擇點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間，就會給人以這樣一種假相：似乎各位LED是“同時(shí)”顯示的。動態(tài)顯示法是目前各種單片機(jī)采用的流行方法。其優(yōu)點(diǎn)是硬件簡單，“動態(tài)”由軟件實(shí)現(xiàn)。因而我選用動態(tài)顯示的方法。 (4)LED驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) LED是電流控制的顯示器件，若想使LED發(fā)光則必須保證有足夠大的電流流過LED的各段。流過LED的電流大時(shí)，LED發(fā)光亮度高；流過LED的電流小時(shí)，LED發(fā)光亮度就低，為了使LED 能夠長期可靠地工作應(yīng)使流過LED的電流為其額定電流。為LED顯示器提供電流的電路稱為LED的驅(qū)動電路。由于顯示部分選擇了動態(tài)顯示，因此驅(qū)動電路也選擇動態(tài)驅(qū)動。 動態(tài)顯示電路的驅(qū)動電路分為段驅(qū)動電路和位驅(qū)動電路兩種。段驅(qū)動電路考慮到所有的段電流均流過位選線，因此位驅(qū)動電路的驅(qū)動能力應(yīng)為段驅(qū)動能力的8倍(最嚴(yán)重情況八段全亮)。 圖9為動態(tài)顯示時(shí)的驅(qū)動電路原理圖，圖中采用了達(dá)林頓復(fù)合驅(qū)動電路。 驅(qū)動電路可采用分立元件電路，也可采用集成驅(qū)動電路，此外有些硬件譯碼電路本身包括驅(qū)動電路。由于這里采用動態(tài)輸出，且單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了數(shù)碼管可以直接由單片機(jī)驅(qū)動。因此采用分立元件的顯示驅(qū)動電路也很簡單，如圖10所示。 限流電阻 段碼a~g 段驅(qū)動電路 位選線 位驅(qū)動電路 圖 9 動態(tài)驅(qū)動電路 圖 10 位選控制電路 具體顯示部分電路如圖11所示。它是4位LED動態(tài)顯示接口電路。LED顯示器為共陽極，字段線并聯(lián)，共用AT89C51的P0口(輸出字段碼)，每位LED的公共端由89C51的P2口控制，即由P2口輸出位碼，經(jīng)過開關(guān)三極管控制位選。顯然圖中各顯示位不可能同時(shí)顯示不同的數(shù)字或符號，只有采用動態(tài)的方法輪流使每位顯示器顯示，并保留一段時(shí)間，通常保留時(shí)間為10ms。由于LED具有余輝性以及人眼視覺的惰性，雖然每位顯示器的顯示是分時(shí)段性，但只要適當(dāng)選取掃描頻率，人眼的視覺就是連續(xù)的。 圖 11 四位動態(tài)LED顯示器接口電路 (5)鍵盤電路的設(shè)計(jì) 這里設(shè)計(jì)鍵盤的功能是清零，啟動和單片機(jī)復(fù)位鍵，所以手持端只需三個(gè)鍵測溫端只需一個(gè)鍵即可完成。 單片機(jī)系統(tǒng)所用的鍵盤有編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。 ①編碼鍵盤本身除了按鍵之外，還包括產(chǎn)生鍵碼的硬件電路。只要按下編碼鍵盤的某一個(gè)鍵，它就能產(chǎn)生這個(gè)鍵的代碼，并稱為鍵碼，與此同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，以通知CPU接收鍵碼，編碼鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是使用比較方便，亦不需要編寫太復(fù)雜的程序。其缺點(diǎn)是使用的硬件較復(fù)雜。 ②非編碼鍵盤的按鍵是排列成行、列矩陣形式的。按鍵的作用只是簡單地實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)的接通或斷開，因此必須有一套相應(yīng)的程序與之配合，才能產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼，非編碼鍵盤幾乎不需要附加什么硬件電路。因此為了簡潔電路，我使用非編碼鍵盤。但使用非編碼鍵盤需要通過軟件來解決按鍵的識別、防抖動以及如何產(chǎn)生鍵碼的問題。 基于鍵數(shù)少的原因我采用獨(dú)立式鍵盤接口與單片機(jī)相連接，因?yàn)樗加玫腎/O口不多。圖中每個(gè)按鍵占用一個(gè)口，彼此獨(dú)立，互不影響。上拉電阻保證按鍵沒被按下時(shí)，I/O口輸入高電平。 獨(dú)立式鍵盤可工作在查詢方式下，通過I/O口讀入鍵狀態(tài)，當(dāng)有鍵被按下時(shí)I/O口變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的鍵對應(yīng)為高電平，這樣通過讀電平狀態(tài)可判斷是否有鍵按下和哪個(gè)鍵被按下。 (6)紅外發(fā)射與接收 利用單片機(jī)異步通訊口，用紅外光發(fā)射管和一體化接收管來實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送點(diǎn)信號的功能。通訊距離約3-10米，異步通訊波特率1200。 圖 12 紅外發(fā)射和接收電路 電路原理：紅外發(fā)送電路由4011MOS與非門和38KHz振蕩器組成，串口發(fā)送控制門電路和紅外光發(fā)射管驅(qū)動輸出電路組成。單片機(jī)串口發(fā)送TXD端為‘0’時(shí)，紅外光發(fā)射管發(fā)出38KHz調(diào)制紅外光線。TXD端為‘1’時(shí),發(fā)射管就不發(fā)光。見上圖12。紅外接收電路為紅外接收專門集成電路，當(dāng)收到38KHz調(diào)制紅外光線時(shí)，輸出端為‘0’，平時(shí)為‘1’。正可與單片機(jī)串口發(fā)送接收端RXD配接。 （7）實(shí)際電路 最終通過Protel 99 SE軟件將以上各個(gè)部分電路及元器件組合在一起，得到一個(gè)完整的電路圖，如圖13和圖14。然后對各個(gè)元器件進(jìn)行合理的封裝，對封裝后的PCB進(jìn)行排版以得到最好的布局，為接下來焊接元器件有一定的幫助，而且合理的布局也能使完成后的實(shí)物更美觀。 由于本設(shè)計(jì)兩部分電路都有紅外發(fā)射和接收部分，而區(qū)別在于遠(yuǎn)端有一個(gè)測溫電路而手持端沒有，所以在設(shè)計(jì)電路圖時(shí)將兩部分設(shè)計(jì)成一樣的結(jié)構(gòu)，即在手持端也有設(shè)計(jì)了測溫芯片的接口，只要對手持端的程序稍加修改也能實(shí)現(xiàn)測溫的功能。這樣在后期制作時(shí)便于對電路的安裝與調(diào)試，而且也有利于電路的功能擴(kuò)展。 下面給出了兩部分的電路圖。 圖 13 測溫端電路圖 圖 14 手持端電路圖 3 軟件部分 軟件用C語言進(jìn)行編程，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。 開始 開始 發(fā)送信號 接收信號 接收數(shù)據(jù) 測溫 顯示 顯示 發(fā)送數(shù)據(jù) 圖 15 手持端與測溫端的框圖 3.1 軟件模塊的劃分 該系統(tǒng)的控制軟件主要可以分為測溫和紅外兩個(gè)大的部分，其中具體有單片機(jī)初始化程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序、DS18B20接口程序、紅外發(fā)射編碼和紅外接收解碼程序等模塊。 3.1.1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器應(yīng)用 (1)定時(shí)/計(jì)數(shù)器功能簡介 AT89C51單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)16位可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，簡稱定時(shí)器0和定時(shí)器1，分別用T0和T1表示。其功能同一般定時(shí)計(jì)數(shù)器，主要作用是：第一，作為一段特定時(shí)間長短的定時(shí)；第二，可以計(jì)算由T1或T0引腳輸入的脈沖數(shù)，前者在應(yīng)用上可以產(chǎn)生正確的時(shí)間延遲及定時(shí)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，而后者則是計(jì)數(shù)器或者計(jì)頻器的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中這兩種作用都用到了。 這兩個(gè)定時(shí)器本身有四種工作模式可供使用，如表3所示。 表3 四種工作模式 M1 MO 工作方式 功能說明 0 0 模式0 13位計(jì)數(shù)器 0 1 模式1 16位計(jì)數(shù)器 1 0 模式2 8位自動重裝計(jì)數(shù)器 1 1 模式3 定時(shí)器0：分成兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器 定時(shí)器1：停止計(jì)數(shù) (2)定時(shí)器相關(guān)的控制寄存器 TMOD為模式控制寄存器，主要用來設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器的操作模式；TCON為控制寄存器，主要用來控制定時(shí)器的啟動與停止。兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1均可以分成2個(gè)獨(dú)立的8位計(jì)數(shù)器即TH0、TL0、TH1、TL1，它們用于存定時(shí)或計(jì)數(shù)的初值。 ①模式控制寄存器--TMOD TMOD是一個(gè)專用寄存器，用于控制T1和T0的操作模式及工作方式，其各位定義如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C/ M1 M0 GATE C/ M1 M0 定時(shí)器1 定時(shí)器0 · GATE：門控位。當(dāng)GATE＝0，定時(shí)器只由軟件控制位TR0或TR1來控制啟停。位為1，定時(shí)器啟動開始工作；為0時(shí)，定時(shí)器停止工作。當(dāng)GATE＝1時(shí)，定時(shí)器的啟動要由外部中斷引腳和位共同控制。只有當(dāng)外部中斷引腳或?yàn)楦邥r(shí)，置1才能啟動定時(shí)器工作。 ·C/：功能選擇位。當(dāng)C/＝O時(shí)設(shè)置為定時(shí)器工作方式；計(jì)數(shù)脈沖由內(nèi)部提供，計(jì)數(shù)周期等于機(jī)器周期。當(dāng)C/＝1時(shí)設(shè)置為計(jì)數(shù)器工作方式，計(jì)數(shù)脈沖為外部引腳T0或T1的引入的外部脈沖信號。 ·M1、M0：操作模式控制位，2位可形成4種編碼，對應(yīng)于4種操作模式。 TMOD模式控制寄存器不能進(jìn)行位尋址，只能用字節(jié)傳送指令設(shè)置定時(shí)器的工作方式及操作模式，低4位用于定義定時(shí)器0，高4位用于定義定時(shí)器1。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)TMOD所有位均為0。 模式控制字的設(shè)置舉例： 若設(shè)置定時(shí)器1為定時(shí)器工作方式，由軟件啟動，選擇操作模式2；定時(shí)器0為計(jì)數(shù)方式，由軟件啟動，選擇操作模式1。則TMOD各位設(shè)置為： 0 0 l 0 0 1 O l 25H 用MOV TMOD，＃25H指令寫入TMOD中。 ②控制寄存器--TCON TCON的作用是用于控制定時(shí)器的啟動、停止及定時(shí)器的溢出標(biāo)志和外部中斷觸發(fā)方式等。 各位定義如下： 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 ·TF1和TF0；分別為定時(shí)器1和定時(shí)器0溢出標(biāo)志。當(dāng)定時(shí)器計(jì)滿產(chǎn)生溢出時(shí)，由硬件自動置“1”，并可申請中斷。進(jìn)人中斷服務(wù)程序后，由硬件自動清0。這兩位也可作為程序查詢的標(biāo)志位，在查詢方式下應(yīng)由軟件來清0。 ·TR1和TR0：為定時(shí)器1和定時(shí)器0的啟動控制位。當(dāng)由軟件使清0而停止定時(shí)器的工作。定時(shí)器啟動時(shí)該位應(yīng)置“1”。 定時(shí)器的啟動與門控位和外部中斷引腳有關(guān)。當(dāng)GATE設(shè)置為0，定時(shí)器的啟動由＝1控制；而當(dāng)GATE設(shè)置為1時(shí)，定時(shí)器啟動除了＝1外，還要求外部中斷引腳＝1時(shí)定時(shí)器方可啟動工作。 ·IE1和IE0：為外部中斷1和外部0的中斷請求標(biāo)志位。當(dāng)外部中斷源有請求時(shí)其對應(yīng)的中斷標(biāo)志位置“1”。其復(fù)位由觸發(fā)方式來設(shè)置。 ·IT1和IT0：為外部中斷1和外部中斷0的觸發(fā)方式選擇位。設(shè)置為“0”時(shí)為電平觸發(fā)方式；設(shè)置為“1”時(shí)為邊沿觸發(fā)方式。 TCON中低4位是與外部中斷有關(guān)的位，高4位為定時(shí)器控制位。它是一個(gè)可以進(jìn)行位尋址的寄存器。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)所有位均為0。若要啟動定時(shí)器可以使用位操作指令SETB 來啟動。 (3)定時(shí)計(jì)數(shù)器的操作模式 ①模式0 模式0是一個(gè)13位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，16位的寄存器只用了高8位()和低5位(的D4－D0位)，的高3位未用。 計(jì)時(shí)工作脈沖 定時(shí)器的工作時(shí)鐘可以由內(nèi)部或是外部來提供，由C/位來決定，當(dāng)C/＝1時(shí)，由外部引腳T0來供給，作為計(jì)數(shù)器使用，當(dāng)C/＝0時(shí)，則由內(nèi)部時(shí)鐘來提供，作為一般的定時(shí)器使用，而定時(shí)器的時(shí)鐘為系統(tǒng)工作時(shí)鐘除以12，在AT89C51中，石英振蕩晶體使用11.0592MHz，所以定時(shí)器每一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)間脈沖寬為： 12/11.0592MHz＝1.085us （3.1.1） 若石英振蕩晶體改為12MHz，定時(shí)器每一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)間脈沖寬為： 12/12MHz＝1.0us （3.1.2） 激活定時(shí)器 定時(shí)器動作的必要條件有： ·GATE=0時(shí)，TR0＝1，定時(shí)器0就會工作； ·GATE＝1時(shí)，除了TR0＝1，INT0還須是高電平。 若使用定時(shí)器內(nèi)部時(shí)鐘工作C/＝0，GATE=0，在模式0操作下，用命令： MOV TMOD,#00H 便可設(shè)置定時(shí)器0 于模式0做計(jì)時(shí)工作，將TR0設(shè)為1，定時(shí)器便會開始工作了。 定時(shí)時(shí)間長短設(shè)置 在模式0 工作下，計(jì)數(shù)器最多可計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為M=＝8192，由0到8192便產(chǎn)生溢出而引發(fā)中斷信號，引起定時(shí)器0的中斷(TF0＝1)?？赡苤灰?jì)數(shù)100個(gè)脈沖便產(chǎn)生中斷，只要將初值8092(8192-100)加載計(jì)數(shù)器即可，一旦激活計(jì)數(shù)器后，計(jì)數(shù)變?yōu)?093、8094、……一直到8192則產(chǎn)生中斷，這樣就計(jì)數(shù)100次了，而時(shí)間長度為： 1.085us*100＝108.5us （3.1.3） 也就是經(jīng)過108.5us后就產(chǎn)生中斷了。 在定時(shí)器0中，加載定時(shí)器的初值，匯編語言指令為： TL0=(8192-C).MOD.32 （3.1.4） TH0=(8192-C)/32 （3.1.5） 其中C為所要計(jì)數(shù)的值，“MOD”為取余數(shù)的運(yùn)算，除以32后取余數(shù)部分?！?”為除法運(yùn)算，在做完除法后取整數(shù)部分。 計(jì)時(shí)溢出 當(dāng)計(jì)時(shí)終了產(chǎn)生溢出，定時(shí)器應(yīng)用兩種方法可知道系統(tǒng)產(chǎn)生定時(shí)器中斷了： ·檢查其中斷控制寄存器TCON中的TF0及TF1，若為1則表示產(chǎn)生計(jì)時(shí)溢出了。 ·執(zhí)行對應(yīng)的中斷服務(wù)程序。 ②模式1 在模式1 工作下，計(jì)數(shù)器最多可計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為 M＝＝65536，計(jì)時(shí)時(shí)間最長為 1.085us*65536＝72ms （3.1.6） 而計(jì)數(shù)初值的加載方法為： TL0＝(65536-C).MOD.256 （3.1.7） TH0＝(65536-C)/256 （3.1.8） 其中C為所要計(jì)數(shù)的值，計(jì)數(shù)時(shí)間長度為： 1.085us*C （3.1.9） ③模式2 模式2有自動重新加載初值的功能，使定時(shí)器做更精確的計(jì)時(shí)。在模式2 工作下，計(jì)數(shù)器最多可計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為M＝＝256，計(jì)時(shí)時(shí)間最長為： 1.085us*256＝0.28ms （3.1.10） 而計(jì)數(shù)初值的加載方法為： TH0＝256-C （3.1.11） 其中C為所要計(jì)數(shù)的值，計(jì)數(shù)時(shí)間長度為： 1.085us*C （3.1.12） ④模式3 在模式3中，定時(shí)器1停止計(jì)時(shí)工作，而定時(shí)器0分為兩個(gè)獨(dú)立的8位定時(shí)器。其計(jì)數(shù)初值加載方法同模式2。 3.1.2 中斷控制應(yīng)用 (1)中斷源 AT89C51單片機(jī)的中斷源：2個(gè)外部輸人中斷源(P3.2)和(P3.3)；3個(gè)內(nèi)部中斷源T0和T1的溢出中斷源及串行口發(fā)送/接收中斷源。在本系統(tǒng)中只使用了3個(gè)內(nèi)部中斷源： TF0和TF1：定時(shí)器0和定時(shí)器1的溢出中斷。當(dāng)T0或T1計(jì)數(shù)器加1，計(jì)數(shù)產(chǎn)生溢出時(shí)，則將TCON中的TF0或TF1置1，向CPU申請中斷。 RI和TF1：串行口的接收和發(fā)送中斷。當(dāng)串行口接收或發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)時(shí)，將TCON中的RI或TI位置1，向CPU申請中斷。 當(dāng)某中斷源的中斷請求被CPU響應(yīng)之后，CPU將自動把此中斷源的中斷入口地址(又稱中斷矢量地址)裝入PC，中斷服務(wù)程序即從此地址開始執(zhí)行。因此一般在此地址單元中存放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令，可以跳至用戶安排的中斷服務(wù)程序的入口處。AT89C51單片機(jī)各中斷源的矢量地址是固定的。見表4。 表4 單片機(jī)中斷源的矢量地址表 中斷源 矢量地址 自然優(yōu)先級 外部中斷0中斷 0003H 最高 最低 T0定時(shí)器0中斷 000BH 外部中斷1中斷 0013H T1定時(shí)器1中斷 002BH R1或T1串行口中斷 0023H (2)中斷請求標(biāo)志 SCON的中斷標(biāo)志 串行口的中斷請求標(biāo)志由串行口控制寄存器SCON的D0和D1位來設(shè)置。RI(SCON.0)為接收中斷標(biāo)志位；TI(SCON.1)為發(fā)送中斷標(biāo)志位。其中斷申請信號的產(chǎn)生過程為： 發(fā)送過程：當(dāng)CPU將一個(gè)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF時(shí)，就啟動發(fā)送。每發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)。由硬件自動將TI位置1。但CPU響應(yīng)中斷時(shí)，并不能清除TI位，所以必須由軟件清除。 接收過程：在串行口允許接收時(shí)．即可串行接收數(shù)據(jù)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完畢，由硬件自動將RI位置1。同樣CPU響應(yīng)中斷時(shí)不能清除RI位，必須由軟件清除。 AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位后，TCON和SCON中各位均清0，應(yīng)用時(shí)要注意各位的初始狀態(tài)。 (3)中斷允許控制 ①中斷的開放和屏蔽 AT89C51單片機(jī)中的專用寄存器IE稱為中斷允許寄存器，其作用是用來對各中斷源進(jìn)行開放或屏蔽的控制。其各位的定義如下： AFH AEH ADH ACH ABH AAH A9H A8H EA — ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 —IE.7：EA0。CPU中斷允許位。EA＝1，CPU開放中斷；EA＝0,CPU屏蔽所有中斷請求。 —IE.4：ES0。串行中斷允許位。ES＝1,允許串行口中斷；ES＝0，禁止串行口中斷。 —IE.3：ET1。T1中斷允許位。ET1=1,允許T1中斷；ET1=0,禁止T1中斷。 —IE.2：EX1。外部中斷1允許位。EX1＝1,允許外部中斷1中斷；EX1＝0,禁止外部中斷1中斷。 —IE.1：ET0。T0中斷允許位。ET0＝1,允許T0中斷；ET0＝0,禁止T0中斷。 —IE.0：EX0。外部中斷0允許位。EX0＝1,允許外部中斷0中斷；EX0＝0,禁止外部中斷0 中斷。 系統(tǒng)復(fù)位后，IE中各中斷允許位均被清零，即禁止所有中斷。 ②中斷源優(yōu)先級結(jié)構(gòu) 靠設(shè)置IP寄存器把各中斷源的優(yōu)先級分為高低2級，它遵循2條基本原則： ·低優(yōu)級中斷可以較高優(yōu)先級中斷所中斷，反之不能。 ·一種中斷(不管什么優(yōu)先級)一旦得到響應(yīng)，與它同級的中斷不能再中斷它。 為了實(shí)現(xiàn)這2條規(guī)則，中斷系統(tǒng)內(nèi)部包含2個(gè)不可尋址的“優(yōu)先級激活”觸發(fā)器。其中一個(gè)指示某高優(yōu)級的中斷正在得到服務(wù)，所有后來的中斷都被阻斷。另一個(gè)觸發(fā)器指示某低優(yōu)先級的中斷正在得到服務(wù)，所有同級的中斷都被阻斷，但不阻斷高優(yōu)先級的中斷。 當(dāng)CPU同時(shí)收到幾個(gè)同一優(yōu)先級的中斷請求時(shí)，根據(jù)內(nèi)部的硬件查詢順序，CPU將按自然優(yōu)先級順序確定該響應(yīng)哪個(gè)中斷請求。其自然優(yōu)先級由硬件形成，排列如表： 表5 自然優(yōu)先級 中斷源 同級自然優(yōu)先級 外部中斷0 最高級 最低級 定時(shí)器0中斷 外部中斷1 定時(shí)器1中斷 串行口中斷 定時(shí)器2中斷 最低級(52系列單片機(jī)中) 在每一個(gè)機(jī)器周期中，CPU對所有中斷源都順序地檢查一遍，這樣到任一機(jī)器周期的S6狀態(tài)，可找到所有已激活的中斷請求，并排好了優(yōu)先級。在下一個(gè)機(jī)器周期的S1狀態(tài)，只要不受阻斷就開始響應(yīng)其中最高優(yōu)先級的中斷請求。若發(fā)生下列情況，中斷響應(yīng)會受到阻斷： ·同級或高優(yōu)先級的中斷正在進(jìn)行中； ·現(xiàn)在的機(jī)器周期還不是執(zhí)行指令的最后一個(gè)機(jī)器周期，即正在執(zhí)行的指令還沒完成前不響應(yīng)任何中斷； ·正在執(zhí)行的是中斷返回指令RETI或是訪問專用寄存器IE或IP的指令，換而言之，在RETI或者讀寫IE或IP之后，不會馬上響應(yīng)中斷請求，至少要在執(zhí)行其它一條指令之后才會響應(yīng)。 若存在上述任一種情況，中斷查詢結(jié)果就被取消。否則，在緊接著的下一個(gè)機(jī)器周期，中斷查詢結(jié)果變?yōu)橛行А? (4)中斷處理過程 中斷處理過程可分為三個(gè)階段：即中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回。由于各計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的中斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)不同，中斷響應(yīng)的方式就有所不同。 ①中斷響應(yīng) 中斷響應(yīng)條件 CPU響應(yīng)中斷的條件有： ·有中斷源發(fā)出中斷請求； ·中斷總允許位EA＝1，即CPU開中斷； ·申請中斷的中斷源的中斷允許位為1，即沒有被屏蔽。 以上條件滿足，一般CPU會響應(yīng)中斷，但在上一節(jié)中所述的中斷受阻斷的情況下，本次的中斷請求CPU不會響應(yīng)。 如果中斷響應(yīng)條件滿足，而且不存在中斷受阻的情況下，則CPU將響應(yīng)中斷。在此情況下，CPU首先使被響應(yīng)中斷的相應(yīng)“優(yōu)先級激活”觸發(fā)器置位，以阻斷同級和低級的中斷。然后，根據(jù)中斷源的類別，在硬件的控制下內(nèi)部自動形成長調(diào)用指令(LCALL)，此指令的作用將自動把斷點(diǎn)壓入堆棧，但不自動保存PSW的內(nèi)容。然后將對應(yīng)的中斷源的矢量地址裝入程序計(jì)數(shù)器PC，使程序轉(zhuǎn)向該中斷的矢量地址，以轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序?qū)?yīng)的入口地址。 在使用時(shí)，通常在這些地址單元中存放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令，使程序轉(zhuǎn)移到用戶安排的中斷服務(wù)程序入口處。 ②中斷處理 中斷處理包括兩部分內(nèi)容：一是保護(hù)現(xiàn)場，二是中斷服務(wù)。 現(xiàn)場通常有PSW、工作寄存器、專用寄存器等。如果在中斷服務(wù)程序中要用這些寄存器，則在進(jìn)入中斷服務(wù)之前應(yīng)將它們的內(nèi)容保護(hù)起來稱為保護(hù)現(xiàn)場；同時(shí)在中斷結(jié)束，執(zhí)行RETI指令之前應(yīng)恢復(fù)現(xiàn)場。 編寫中斷服務(wù)程序時(shí)需注意到： ·各中斷源的入口矢量地址之間，只相隔8個(gè)單元，一般中斷服務(wù)程序是容納不下的，最常用的解決方法是在中斷人口矢量地址單元處存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，而轉(zhuǎn)至存儲器其它的任何空間去。 ·若要在執(zhí)行當(dāng)前中斷程序時(shí)禁止更高優(yōu)先級中斷，應(yīng)用軟件關(guān)閉CPU中斷，或屏蔽更高級中斷源的中斷，在中斷返回前再開放中斷。 ·在保護(hù)現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場時(shí)，為了不使現(xiàn)場信息受到破壞或造成混亂，在此情況下，應(yīng)關(guān)CPU中斷，使CPU暫不響應(yīng)新的中斷請求。這樣就要求在編寫中斷服務(wù)程序時(shí)，注意在保護(hù)現(xiàn)場之前要關(guān)中斷，在保護(hù)現(xiàn)場之后若允許高優(yōu)先級中斷打斷它，則應(yīng)開中斷。同樣在恢復(fù)現(xiàn)場之前應(yīng)關(guān)中斷，恢復(fù)之后再開中斷。 ③中斷返回 中斷處理程序的最后一條指令是中斷返回指令RET1。它的功能是將斷點(diǎn)彈出送回PC中，使程序能返回到原來被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。 AT89C51的RETI指令除了彈出斷點(diǎn)之外，它還通知中斷系統(tǒng)已完成中斷處理，并將“優(yōu)先級激活”觸發(fā)器清除(該觸發(fā)器在響應(yīng)中斷時(shí)置1)。 3.1.3 測溫部分 單片機(jī)初始化程序由主函數(shù)實(shí)現(xiàn)，主要完成定時(shí)器T0、T1的初始化、中斷系統(tǒng)的初始化等功能。定時(shí)器T0中斷函數(shù)每隔5ms執(zhí)行1次；定時(shí)器T1中斷函數(shù)每隔50ms中斷1次，每中斷20次（1秒）即讀取DS18B20的溫度代碼，轉(zhuǎn)換為溫度值，再拆分成單個(gè)數(shù)碼后送入顯示緩沖區(qū)。 DS18B20接口程序主要由復(fù)位函數(shù)、讀位函數(shù)、讀字節(jié)函數(shù)、寫位函數(shù)、寫字節(jié)函數(shù)、讀溫度函數(shù)等組成。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)自主啟動寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。 圖 13 DS18B20的復(fù)位時(shí)序 DS18B20的讀時(shí)序： 對于DS18B20的讀時(shí)序分為讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過程，圖14。 對于DS18B20的讀時(shí)序是從主機(jī)把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個(gè)讀時(shí)序過程，至少需要60us才能完成。 圖 14主CPU讀0、1時(shí)序 DS18B20的寫時(shí)序: 對于DS18B20的寫時(shí)序仍然分為寫0時(shí)序和寫1時(shí)序兩個(gè)過程。 對于DS18B20寫0時(shí)序和寫1時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫0時(shí)序時(shí)，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當(dāng)要寫1時(shí)序時(shí)，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。 圖 15主CPU寫0、1時(shí)序 3.1.4 紅外發(fā)送和接收 由于通用紅外遙控系統(tǒng)發(fā)射和接收實(shí)際是兩個(gè)相反的過程，所以在這里只給出了發(fā)射部分原理和設(shè)計(jì)，接收部分原理與其相同只要做一個(gè)逆反過程便可得到相應(yīng)的結(jié)果。 考慮到紅外光反射的原因，發(fā)送的信號也可能會被本身接收，因此紅外通信需采用異步半雙工方式，即通信的某一方發(fā)送和接收是交替進(jìn)行的。這里設(shè)置單片機(jī)的串行口采用方式3通信；通信的數(shù)據(jù)格式為每幀11位，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗(yàn)位和1位停止位；片內(nèi)定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器，選擇傳送的波特率為1200bps，則定時(shí)器T1的初值應(yīng)設(shè)置為TL1=TH1=E8H，另外應(yīng)禁止定時(shí)器T1中斷，以免因定時(shí)器T1溢出而產(chǎn)生不必要的中斷。 進(jìn)行紅外通信之前，通信雙方首先要根據(jù)系統(tǒng)的功能要求制訂某種特定的通信協(xié)議，然后才能編寫相應(yīng)的通信程序。紅外抄表系統(tǒng)中，紅外通信的一方是測溫端，另一方是手持抄表器，雙方遵循表6格式的通信協(xié)議。 在紅外通信過程中，手持抄表器是通信的發(fā)起者，其發(fā)送和接收都是主動的。它的具體工作過程為：CPU不斷掃描鍵盤，若發(fā)現(xiàn)有命令鍵按下，則調(diào)用發(fā)送子程序發(fā)送相應(yīng)的操作命令；發(fā)送結(jié)束后即啟動接收子程序，以接收測溫端回送的信息，然后對接收到的信息進(jìn)行后續(xù)處理，在數(shù)碼管上顯示出來。 表 6 抄表系統(tǒng)的通信協(xié)議 格式操作 操作碼 地址碼 數(shù)? 據(jù) 結(jié)束符 讀取表數(shù) AAH 3字節(jié)BCD碼 3字節(jié)BCD碼 EDH 設(shè)置表號 BBH - 3字節(jié)BCD碼 EDH 設(shè)置表底數(shù) CCH 3字節(jié)BCD碼 3字節(jié)BCD碼 EDH 開/關(guān)表設(shè)備 DDH 3字節(jié)BCD碼 A0H/B0H EDH 校驗(yàn)出錯(cuò) EEH 3字節(jié)BCD碼 - EDH 大概有以下兩種編碼格式（Format）。第一種格式為1913、9012、1621 格式；第二種為3010 格式。其中尤以第一種格式用得最多。 第一種格式以1621 為例，當(dāng)按下遙控器上的某個(gè)按鍵時(shí)，遙控器將發(fā)射出一幀數(shù)據(jù)，幀數(shù)據(jù)的編碼格式由三部分組成：引導(dǎo)碼（Lead code）、客戶碼(Custom code)和數(shù)據(jù)碼（Data code），見圖 16。 圖 16 1621格式幀格式 遙控編