綜合實例多功能數(shù)字溫度計

綜合實例多功能數(shù)字溫度計第一頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分析本章介紹的多功能數(shù)字溫度計具備溫度計和時鐘的功能，該系統(tǒng)由以下幾個部分組成：單片機、溫度傳感器、顯示設備、鍵盤輸入幾部分組成。第二頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.1.1多功能數(shù)字溫度計功能分析在本章設計的多功能溫度計，需要具備以下的功能。溫度測量：能夠?qū)崟r顯示當前的環(huán)境溫度；時鐘功能：能夠作為時鐘使用，顯示當前時間；鬧鈴功能：能夠在設定時間時候，作為鬧鈴發(fā)聲；時鐘設置功能：能夠設定時鐘，修改當前時間；電池或者直流穩(wěn)壓電源9V供電；第三頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.1.2多功能數(shù)字溫度計系統(tǒng)分析多功能數(shù)字溫度計的原理十分簡單，即通過溫度傳感器測量溫度，通過單片機采集后在LED數(shù)碼管上顯示出來，同時，該溫度計還兼有時鐘的功能。第四頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.2DS1620溫度傳感器電路DS1620是Maxim-Dallas公司生產(chǎn)的一款高性能、寬測溫范圍的串行數(shù)字接口溫度傳感器。下面詳細介紹DS1620溫度傳感器的使用。第五頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.2.1DS1620的性能指標DS1620溫度傳感器的主要性能指標如下。供電電壓：2.7V～5.5V；測量溫度范圍：-55°C～+125°C；測量溫度精度：0.5°C；轉(zhuǎn)換時間：50ms；接口：三線串行接口；可設定報警限值；9Bit溫度數(shù)據(jù)格式。第六頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.2.2DS1620的引腳定義DS1620具有8-Pin的SOIC封裝和DIP雙列直插封裝，其引腳分布如圖所示。第七頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.2.3DS1620的溫度格式DS1620采用的9位的溫度數(shù)據(jù)格式，負溫度數(shù)據(jù)用補碼表示，最低位表示0.5℃，因此需要兩個8位寄存器存儲溫度值，如圖所示為溫度為-25°C的數(shù)據(jù)值。第八頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.2.4DS1620的三線數(shù)據(jù)串行接口DS1620的三線數(shù)據(jù)串行接口由一下三個信號線組成。RST（復位）；CLK（時鐘）；DQ（數(shù)據(jù)）。第九頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.2.5DS1620的控制寄存器DS1620具有一個8位的控制寄存器，用于控制溫度傳感器的所有操作，其寄存器各位分布如圖所示。第十頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.2.6DS1620的操作字要對DS1620進行需要的操作，就需要執(zhí)行DS1620的操作字，如圖11.8時序圖中的Protocol部分就是操作字的代碼，跟隨Protocol后的是操作字的參數(shù)或者讀取值。DS1620共有如下的9個不同的操作字，通過不同的操作字可以實現(xiàn)開始轉(zhuǎn)換溫度、對DS1620的寄存器進行讀寫、讀取溫度數(shù)據(jù)、設置TH和TL等操作。AAH：讀取轉(zhuǎn)換好的溫度數(shù)據(jù)，從指令輸入后的第9個時鐘脈沖開始，將輸出溫度寄存器中的數(shù)據(jù)；01H：給高溫臨界寄存器寫入TH數(shù)據(jù)；02H：給低溫臨界寄存器寫入TL數(shù)據(jù)；A1H：讀高溫臨界寄存器中的TH數(shù)據(jù)；A2H：讀低溫臨界寄存器中的TL數(shù)據(jù)；EEH：開始轉(zhuǎn)換溫度數(shù)據(jù)；22H：停止轉(zhuǎn)換溫度數(shù)據(jù)；0CH：寫控制寄存器；ACH：讀控制寄存器。第十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.2.7DS1620的單獨工作模式DS1620可以工作在無單片機控制的系統(tǒng)中，稱為DS1620的單獨工作模式，在這種工作模式下，主要是依靠DS1620的三個溫度限制輸出引腳進行控制，作為熱繼電器使用。使用該工作模式必須寫入控制寄存器操作模式和TH、TL寄存器的溫度設定值，使用CLK/~CONV用作轉(zhuǎn)換開始控制端。這種工作模式下，控制寄存器的CPU標志位必須設為“0”。第十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.2.8DS1620的單片機接口電路當使用AT89S51控制DS1620進行溫度測量時，只需要使用AT89S51的三個引腳和DS1620的串行接口按照通訊協(xié)議進行通訊即可，其電路如圖所示。第十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3MAX7219數(shù)碼管驅(qū)動電路MAX7219是Maxim公司生產(chǎn)的一款高性能8位共陰極數(shù)碼管驅(qū)動芯片，通過MAX7219可以使用單片機極少的引腳實現(xiàn)多個數(shù)碼管的顯示驅(qū)動。第十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3.1MAX7219的性能指標MAX7219的主要性能指標如下。10Mhz的串行接口；獨立的LED數(shù)碼管段控制；可以使用內(nèi)部BCD數(shù)碼管解碼；150uA的Shut-Down電流；可以調(diào)節(jié)數(shù)碼管發(fā)光強度；工作溫度范圍：-40°C～85°C；第十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3.2MAX7219的引腳定義如圖所示，MAX7219具有24引腳的SO貼片與DIP雙列直插兩種不同的封裝。第十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3.3MAX7219的串行數(shù)據(jù)通訊單片機需要通過D0～D15的16位串行通訊對MAX7219進行控制，第十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3.4MAX7219的內(nèi)部寄存器地址要實現(xiàn)數(shù)碼管的不同模式、不同形式下的驅(qū)動，就需要對MAX7219的內(nèi)部寄存器進行操作，寄存器的地址為數(shù)據(jù)D8～D11位，如圖所示。第十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3.5MAX7219的數(shù)字位寄存器數(shù)字位寄存器的地址為01H～08H，其對應了每個數(shù)碼管的現(xiàn)實內(nèi)容，在沒有進行使用解碼模式時，其存儲數(shù)據(jù)與數(shù)碼管顯示的對應方式如圖所示。第十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3.6MAX7219的停機寄存器停機寄存器用于關閉MAX7219，如圖所示，當D0=0時，MAX721處于停機狀態(tài)；當D0=1時，處于正常工作狀態(tài)。第二十頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3.7MAX7219的測試寄存器測試寄存器用于測試數(shù)碼管和MAX7219十分正常工作，如圖所示，當D0=0時，MAX7219按設定模式正常工作；當D0=1時，處于測試狀態(tài)。在測試狀態(tài)下，無論MAX7219處于什么模式，全部LED將按最大亮度顯示。第二十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3.8MAX7219的亮度寄存器數(shù)碼管的現(xiàn)實亮度可以用硬件和軟件兩種方法調(diào)節(jié)，亮度寄存器中的D0～D3位可以控制LED顯示器的亮度，如圖所示，通過改變亮度寄存器的值，可以調(diào)整MAX7210驅(qū)動數(shù)碼管的有效循環(huán)時間，從而改變數(shù)碼管顯示的亮度。第二十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3.9MAX7219的掃描界限寄存器MAX7219的掃描界限寄存器用于限定MAX7219的掃描數(shù)碼管的個數(shù)，這個主要是用于當MAX7219被用于驅(qū)動不到8個數(shù)碼管的情況下，例如本章的數(shù)碼溫度計只使用了6個數(shù)碼管，就可以限制掃描數(shù)碼管的個數(shù)為6。如圖所示，該寄存器中D0～D3位數(shù)據(jù)設定值為0～7H，設定值表示顯示器動態(tài)掃描個數(shù)為1～8。第二十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3.10MAX7219的譯碼寄存器該寄存器的8位二進制數(shù)的各位分別控制8個LED顯示器的譯碼方式。當高電平時，選擇BCD-B譯碼模式，當?shù)碗娖綍r選擇不譯碼模式，而使用送來數(shù)據(jù)為字型碼，其具體對應的實例如圖所示。第二十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.3.11MAX7219驅(qū)動電路設計如圖所示為官方推薦的MAX7219常用驅(qū)動電路連接圖，圖中ISET引腳連接的是硬件調(diào)節(jié)數(shù)碼管亮度的電阻，可以通過更改外接電阻值改變數(shù)碼管的亮度。DIG0～DIG7引腳分別與8位數(shù)碼管的共陰極相連，SEGA～G及其DP引腳分別與每個數(shù)碼管的A～G與GP段相連，A～G以及DP各段的定義請參考圖第二十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.4其他硬件電路設計除了溫度傳感器電路和數(shù)碼管驅(qū)動電路，在本節(jié)中繼續(xù)介紹多功能溫度計其余的硬件電路設計，包括單片機最小系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、按鍵輸入等部分。第二十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.4.1AT89S51單片機最小系統(tǒng)電路在該設計中采用了AT89S51單片機作為核心處理器，因此在電路中首先需要設計的是AT89S51的最小系統(tǒng)。AT89S51單片機的最小系統(tǒng)電路包含以下幾個部分：單片機供電電路：AT89S51需要具有可靠的5V供電，在電路圖中的VCC和GND為供電網(wǎng)絡標識符；振蕩電路：AT89S51需要一個穩(wěn)定的振蕩電路才能夠正常工作，在該電路采用了24Mhz的晶振作為AT89S51的時鐘源；復位電路：復位電路是單片機正常運行的一個必要部分，復位電路應該保證單片機在上電的瞬間進行一次有效的復位，在單片機正常工作時將RST引腳置低。此外通過一個按鍵進行手動復位，在單片機運行不正常時使用。第二十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.4.2鍵盤輸入電路由于多功能數(shù)字溫度計具備時鐘的功能，因此需要具有設置時鐘的按鍵輸入設備，在本章案例中采用了4個上拉的按鍵作為輸入設備，與AT89S51的P1_0～P1_3相連，其電路如圖所示。鍵盤輸入的具體設計細節(jié)請參考本書第7章。第二十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.4.3電源電路為了降低成本，該多功能數(shù)字溫度計采用了MC7805作為電源芯片，MC7805是使用最為廣泛的一種電源穩(wěn)壓芯片，各大芯片公司都有生產(chǎn)或具有兼容產(chǎn)品。從芯片的手冊上可知，MC7805能夠?qū)?～30V的輸入電壓穩(wěn)壓至5V輸出，但是由于MC7805不是開關電源，而是線性穩(wěn)壓電源，因此多余的電壓都將轉(zhuǎn)換為熱能被消耗，導致芯片發(fā)熱，因此MC7805的輸入電壓不宜太高。采用MC7805作為電源的電路，其中BAT是電池電源輸入端，一般為9V。第二十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.4.4多功能數(shù)字溫度計的硬件電路通過～小節(jié)的設計分析，可以得到該多功能數(shù)字溫度計的硬件電路圖如圖所示，其中P2為電源輸入接口，蜂鳴器使用P2_7引腳驅(qū)動。第三十頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5多功能數(shù)字溫度計軟件設計本節(jié)講解多功能溫度計的軟件設計，軟件要實現(xiàn)的功能包括實時溫度測量顯示、時鐘顯示、時鐘設置、鬧鈴設置、鬧鈴等功能。下面詳細講解軟件的設計過程。第三十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5.1軟件結(jié)構(gòu)分析一個嵌入式系統(tǒng)軟件總是由復雜的程序構(gòu)成的，一般來說，一個完整的嵌入式程序分為兩個主要的層次，功能軟件和底層驅(qū)動。第三十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5.2DS1620驅(qū)動程序設計DS1620的驅(qū)動程序由以下幾部分組成。DS1620寫字節(jié)函數(shù)；DS1620讀字節(jié)函數(shù)；DS1620寫控制寄存器函數(shù)；DS1620讀控制寄存器函數(shù)；DS1620讀取溫度值函數(shù)；DS1620啟動轉(zhuǎn)換函數(shù)；DS1620初始化函數(shù)；11.5.2.1宏定義11.5.2.2DS1620寫字節(jié)函數(shù)11.5.2.3DS1620讀字節(jié)函數(shù)11.5.2.4DS1620寫控制寄存器函數(shù)11.5.2.5DS1620讀控制寄存器函數(shù)11.5.2.6DS1620讀溫度值函數(shù)11.5.2.7DS1620啟動溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)11.5.2.8DS1620初始化函數(shù)第三十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5.3MAX7219驅(qū)動程序設計MAX7219的驅(qū)動程序由以下幾部分組成。MAX7219寫控制函數(shù)；MAX7219初始化函數(shù)；11.5.3.1宏定義11.5.3.2MAX7219寫控制函數(shù)11.5.3.3MAX7219初始化函數(shù)第三十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5.4鍵盤接口程序設計鍵盤接口程序的功能是對按下的按鍵進行識別，為程序提供按鍵碼，為執(zhí)行下一步程序提供來自用戶的反饋。鍵盤接口程序比較簡單，就是使用P1口讀取按鍵的值，然后返回按鍵值，具體的按鍵輸入程序過程請讀者參考本書第七章。11.5.4.1宏定義11.5.4.2鍵盤接口程序第三十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5.5蜂鳴器驅(qū)動程序設計驅(qū)動蜂鳴器就是靠AT89S51的P2_7引腳，驅(qū)動蜂鳴器就是通過P2_7輸出一個低電平，將三極管導通，從而驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。11.5.5.1宏定義11.5.5.2蜂鳴器驅(qū)動第三十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5.6定時器時鐘基準設計定時器時鐘基準的目的是產(chǎn)生以一秒為周期的時鐘基準，這樣就可作為時鐘的驅(qū)動基準。利用定時器T0可以產(chǎn)生2ms的中斷脈沖，500個2ms技術即為1s。在使用24MHz晶振時，產(chǎn)生2ms需要的計數(shù)器初值為：#defineTH0_VALUE0x06#defineTL0_VALUE0x0011.5.6.1定時器時鐘中斷.2定時器初始化函數(shù)11.5.6.3定時器啟動函數(shù)第三十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5.7時鐘顯示程序設計時鐘顯示程序的功能是每隔一分鐘更新一次顯示的時鐘值，時鐘值按照24小時的格式進行顯示，具體函數(shù)代碼如下。第三十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5.8鬧鈴程序設計鬧鈴程序?qū)崿F(xiàn)的功能是，當當前時間和鬧鈴時間一致時，鬧鈴開始發(fā)聲報警，第三十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5.9按鍵操作程序設計用戶要通過鍵盤操作進行鬧鈴和時鐘的設置，因此按鍵操作函數(shù)比較復雜，在函數(shù)中調(diào)用了鍵盤接口函數(shù)，第四十頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5.10顯示溫度程序設計顯示溫度程序的功能是在溫度計上實時顯示當前所測量的溫度值，程序調(diào)用了DS1620讀溫度函數(shù)，具體代碼如下。第四十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.5.11主程序在所有函數(shù)和分支程序都設計完成后，主程序的設計變得十分簡單，主程序的工作是初始化各個部件，并在無限循環(huán)內(nèi)不斷運行各個子分支程序，第四十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.6多功能數(shù)字溫度計工程文件與之前章節(jié)介紹的小程序不同，在本章的案例中，對于這樣一個較大的工程，為了使得所有的函數(shù)和分支程序能夠統(tǒng)一編譯，需要在KeilC51里統(tǒng)一建立一個工程文件，進行統(tǒng)一的編譯與調(diào)試。第四十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.6.1主函數(shù)Main.C為整個工程的主體文件，包含了工程的入口函數(shù)main()。(具體內(nèi)容請參照本書)第四十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.6.2溫度傳感器DS1620函數(shù)庫DS1620.C包含了所有對溫度傳感器DS1620的操作函數(shù)，具體代碼如下所示。(具體內(nèi)容請參照本書)第四十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日11.6.3DS16