綜合實(shí)例多功能數(shù)字溫度計

綜合實(shí)例多功能數(shù)字溫度計第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.1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(jī)、溫度傳感器、顯示設(shè)備、鍵盤輸入幾部分組成。第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.1.1多功能數(shù)字溫度計功能分析在本章設(shè)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(dāng)前的環(huán)境溫度；時鐘功能：能夠作為時鐘使用，顯示當(dāng)前時間；鬧鈴功能：能夠在設(shè)定時間時候，作為鬧鈴發(fā)聲；時鐘設(shè)置功能：能夠設(shè)定時鐘，修改當(dāng)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，編輯于2023年，星期一11.1.2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(jī)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，編輯于2023年，星期一11.2DS1620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(xì)介紹DS1620溫度傳感器的使用。第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.2.1DS1620的性能指標(biāo)DS1620溫度傳感器的主要性能指標(biāo)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(shè)定報警限值；9Bit溫度數(shù)據(jù)格式。第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.2.2DS1620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，編輯于2023年，星期一11.2.3DS1620的溫度格式DS1620采用的9位的溫度數(shù)據(jù)格式，負(fù)溫度數(shù)據(jù)用補(bǔ)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，編輯于2023年，星期一11.2.4DS1620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(fù)位）；CLK（時鐘）；DQ（數(shù)據(jù)）。第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.2.5DS1620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，編輯于2023年，星期一11.2.6DS1620的操作字要對DS1620進(jìn)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(shí)現(xiàn)開始轉(zhuǎn)換溫度、對DS1620的寄存器進(jìn)行讀寫、讀取溫度數(shù)據(jù)、設(shè)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，編輯于2023年，星期一11.2.7DS1620的單獨(dú)工作模式DS1620可以工作在無單片機(jī)控制的系統(tǒng)中，稱為DS1620的單獨(dú)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(jìn)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(shè)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(biāo)志位必須設(shè)為“0”。第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.2.8DS1620的單片機(jī)接口電路當(dāng)使用AT89S51控制DS1620進(jìn)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(jìn)行通訊即可，其電路如圖所示。第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.3MAX7219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(jī)極少的引腳實(shí)現(xiàn)多個數(shù)碼管的顯示驅(qū)動。第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.3.1MAX7219的性能指標(biāo)MAX7219的主要性能指標(biāo)如下。10Mhz的串行接口；獨(dú)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(qiáng)度；工作溫度范圍：-40°C～85°C；第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.3.2MAX7219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，編輯于2023年，星期一11.3.3MAX7219的串行數(shù)據(jù)通訊單片機(jī)需要通過D0～D15的16位串行通訊對MAX7219進(jìn)行控制，第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.3.4MAX7219的內(nèi)部寄存器地址要實(shí)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(jìn)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，編輯于2023年，星期一11.3.5MAX7219的數(shù)字位寄存器數(shù)字位寄存器的地址為01H～08H，其對應(yīng)了每個數(shù)碼管的現(xiàn)實(shí)內(nèi)容，在沒有進(jìn)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(yīng)方式如圖所示。第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.3.6MAX7219的停機(jī)寄存器停機(jī)寄存器用于關(guān)閉MAX7219，如圖所示，當(dāng)D0=0時，MAX721處于停機(jī)狀態(tài)；當(dāng)D0=1時，處于正常工作狀態(tài)。第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.3.7MAX7219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(dāng)D0=0時，MAX7219按設(shè)定模式正常工作；當(dāng)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，編輯于2023年，星期一11.3.8MAX7219的亮度寄存器數(shù)碼管的現(xiàn)實(shí)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，編輯于2023年，星期一11.3.9MAX7219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(dāng)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(shè)定值為0～7H，設(shè)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，編輯于2023年，星期一11.3.10MAX7219的譯碼寄存器該寄存器的8位二進(jìn)制數(shù)的各位分別控制8個LED顯示器的譯碼方式。當(dāng)高電平時，選擇BCD-B譯碼模式，當(dāng)?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(yīng)的實(shí)例如圖所示。第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.3.11MAX7219驅(qū)動電路設(shè)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，編輯于2023年，星期一11.4其他硬件電路設(shè)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(shè)計，包括單片機(jī)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，編輯于2023年，星期一11.4.1AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路在該設(shè)計中采用了AT89S51單片機(jī)作為核心處理器，因此在電路中首先需要設(shè)計的是AT89S51的最小系統(tǒng)。AT89S51單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路包含以下幾個部分：單片機(jī)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(luò)標(biāo)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(fù)位電路：復(fù)位電路是單片機(jī)正常運(yùn)行的一個必要部分，復(fù)位電路應(yīng)該保證單片機(jī)在上電的瞬間進(jìn)行一次有效的復(fù)位，在單片機(jī)正常工作時將RST引腳置低。此外通過一個按鍵進(jìn)行手動復(fù)位，在單片機(jī)運(yùn)行不正常時使用。第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.4.2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(shè)置時鐘的按鍵輸入設(shè)備，在本章案例中采用了4個上拉的按鍵作為輸入設(shè)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(shè)計細(xì)節(jié)請參考本書第7章。第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.4.3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(guān)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(dǎo)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，編輯于2023年，星期一11.4.4多功能數(shù)字溫度計的硬件電路通過11.2.1～11.2.5小節(jié)的設(shè)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，編輯于2023年，星期一11.5多功能數(shù)字溫度計軟件設(shè)計本節(jié)講解多功能溫度計的軟件設(shè)計，軟件要實(shí)現(xiàn)的功能包括實(shí)時溫度測量顯示、時鐘顯示、時鐘設(shè)置、鬧鈴設(shè)置、鬧鈴等功能。下面詳細(xì)講解軟件的設(shè)計過程。第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.5.1軟件結(jié)構(gòu)分析一個嵌入式系統(tǒng)軟件總是由復(fù)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，編輯于2023年，星期一11.5.2DS1620驅(qū)動程序設(shè)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，編輯于2023年，星期一11.5.3MAX7219驅(qū)動程序設(shè)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，編輯于2023年，星期一11.5.4鍵盤接口程序設(shè)計鍵盤接口程序的功能是對按下的按鍵進(jìn)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，編輯于2023年，星期一11.5.5蜂鳴器驅(qū)動程序設(shè)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(dǎo)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，編輯于2023年，星期一11.5.6定時器時鐘基準(zhǔn)設(shè)計定時器時鐘基準(zhǔn)的目的是產(chǎn)生以一秒為周期的時鐘基準(zhǔn)，這樣就可作為時鐘的驅(qū)動基準(zhǔn)。利用定時器T0可以產(chǎn)生2ms的中斷脈沖，500個2ms技術(shù)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11.5.6.2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，編輯于2023年，星期一11.5.7時鐘顯示程序設(shè)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(jìn)行顯示，具體函數(shù)代碼如下。第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.5.8鬧鈴程序設(shè)計鬧鈴程序?qū)崿F(xiàn)的功能是，當(dāng)當(dāng)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，編輯于2023年，星期一11.5.9按鍵操作程序設(shè)計用戶要通過鍵盤操作進(jìn)行鬧鈴和時鐘的設(shè)置，因此按鍵操作函數(shù)比較復(fù)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，編輯于2023年，星期一11.5.10顯示溫度程序設(shè)計顯示溫度程序的功能是在溫度計上實(shí)時顯示當(dāng)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，編輯于2023年，星期一11.5.11主程序在所有函數(shù)和分支程序都設(shè)計完成后，主程序的設(shè)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(yùn)行各個子分支程序，第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.6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(jìn)行統(tǒng)一的編譯與調(diào)試。第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期一11.6.1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，編輯于2023年，星期一11.6.2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，編輯于2023年，星期一11.6.3DS16