基于STC89C51和LCD12864以及DS12C887的温湿度检测时间显示系统(

2013届 光信息科学与技术专业 毕业设计（论文）

小型气象站温湿度测量系统的设计

摘要

随着科学技术的日新月异，人类社会取得了长足的进步！在居家生活、工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境中的温度和湿度惊醒测量及控制。所以准确的测量出温湿度关乎着生活和生产中的各个领域。(不顺，再改改)

本次设计是（去掉）采用MSC-51系列单片机中的AT89C51和DHT21温湿度传感器构成的低成本的温湿度的检测系统。单片机AT89C51是一款低消耗、高性能的CMOS8位单片机，由于它强大的功能和低价位，因此在很多领域都是用它。DHT21温湿度传感器是一款含有已校准数字输出的温湿度复合传感器，传感器包括一个电阻式感湿原件和一个NTC测温元件，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点[1]。本设计主要包括硬件电路的设计和系统软件的设计。硬件电路主要包括单片机、温湿度传感器、显示模块、时钟模块、数据存储模块等5部分；软件部分包括了主程序、显示子程序、测温湿度子程序、时钟程序、数据存储程序。

本设计最终能够准确测量温湿度值，数据精确到小数点后一位，同时可以实时的显示到12864液晶上方便观测，还可以将数据以TXT格式存入U盘方便后续数据分析。但是仍有不足之处，部分电路接触不良影响显示效果。

关键词：AT89C51；DHT21温湿度传感器

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Abstract

With the new science and technology increasingly, our society has made great progress! In the industrial and agricultural production, meteorology, environmental, national defense, scientific research, aerospace, and other departments, it is usually necessarily to measure and control the environmental temperature and humidity. So accurately measure the temperature and humidity is about the life and production fields.

Microcontroller AT89C51 is a low consumption, high performance CMOS8 bit microcontroller. Because of its powerful features and low price, it is used in many areas.DHT21 temperature and humidity sensor is a temperature and humidity combined sensor contains a calibrated digital output, the sensor consists of a resistor in the original sense of wet and a NTC temperature measurement devices. The product has many advantages, such as excellent quality, fast response strong anti-jamming capability[1]. This design is from by the AT89C51 in MSC-51 Series and DHT21 constitute which is a low-cost temperature and humidity measurement and control system. The design includes the design of hardware circuit design and system software. The hardware has five modules. They are a microcontroller, temperature real time clock module and humidity sensors, display module, and data module equipment. The software part includes the main program, the display routines, temperature and humidity subroutine.

This design can eventually accurate measurement of temperature and humidity values, the data is accurate to one decimal place, as well as real-time to 12864 LCD shown above for the observer to observe, and can be real-time data in TXT format in the U disk. But there are still shortcomings, part of the circuit contact bad display effect.

Key words：Temperature and Humidity measurement ；DHT21；AT89C51

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目 录

第1章 前言 ............................................................................................................................................... 1 1.1本文研究的背景及意义 ................................................................................................................... 1 1.2研究现状 ........................................................................................................................................... 2 1.3本文研究的主要内容 ....................................................................................................................... 3 第2章 设计任务分析及方案论证 ........................................................................................................... 5 2.1设计过程及其工艺要求设计 ........................................................................................................... 5 2.2设计总体方案及其论证 ................................................................................................................... 5 2.3温湿度传感器DHT21的选定 ......................................................................................................... 6

2.3.1温湿度传感器介绍 ..................................................................................................... 7

2.3.3电气特性 ................................................................................................................... 10 2.3.4性能说明 ................................................................................................................... 10 2.3.5引脚说明 ................................................................................................................... 11 2.3.6应用信息 ................................................................................................................... 11 2.3.7 封装信息 .................................................................................................................. 11

2.4 AT89C51单片机选定..................................................................................................................... 12

2.4.1单片机介绍 ............................................................................................................... 12 2.4.2引脚说明 ................................................................................................................... 13

2.5显示部分：LCD的选定 ................................................................................................................ 16

2.5.1 LCD12864液晶简介 ................................................................................................ 16 2.5.2 LCD12864主要技术参数 ........................................................................................ 17 2.5.3引脚功能说明 ........................................................................................................... 17 2.5.4 LCD12864的RAM地址映射及标准字库表 ...................................................... 18 2.5.5指令说明 ................................................................................................................... 19

2.6时钟芯片的选定 ............................................................................................................................. 20

2.6.1时钟芯片介绍 ........................................................................................................... 20

2.6.2 DS12C887特性描述 ................................................................................................ 21 2.6.3 DS12C887引脚功能说明......................................................................................... 22

2.7中断系统 ......................................................................................................................................... 23

2.7.1中断 ........................................................................................................................... 23

2.7.2产生中断 ................................................................................................................... 23 2.7.3中断系统有以下4个特殊功能寄存器 ................................................................... 24

2.8复位电路 ......................................................................................................................................... 24 2.9时钟电路 ......................................................................................................................................... 25 2.10本章小结 ....................................................................................................................................... 25 第3章 硬件设计 ..................................................................................................................................... 26 3.1最小系统电路 ................................................................................................................................. 26

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3.1.1振荡器 ....................................................................................................................... 27 3.1.2复位端 ....................................................................................................................... 28

3.2主要模块的电路 ............................................................................................................................. 29

3.2.1系统USB供电电路 ................................................................................................. 29

3.2.2串口下载电路 ........................................................................................................... 30 3.2.3 时钟设置（按键）电路 .......................................................................................... 31 3.2.4液晶显示电路 ........................................................................................................... 32 3.2.5传感器电路 ............................................................................................................... 33 3.2.6时钟模块电路 ........................................................................................................... 34 3.2.7数据存储模块电路 ................................................................................................... 34

3.3设备运行 ......................................................................................................................................... 35 3.4本章小结 ......................................................................................................................................... 36 第4章 软件设计 ................................................................................................................................... 37 4.1单片机编程语言概述及特点 ........................................................................................................ 37 4.2系统流程图 ..................................................................................................................................... 39 4.3 软件设计思想 ............................................................................................................................... 40 4.4 本章小结 ....................................................................................................................................... 40 第五章 调试过程中的问题及解决方案 ................................................................................................. 41 5.1 硬件焊制时的问题及解决方案 .................................................................................................... 41 5.2 软件编程的问题及解决方案 ........................................................................................................ 42 5.3 本章小结 ........................................................................................................................................ 43 结 论 ....................................................................................................................................................... 45 参考文献 ................................................................................................................................................... 46 附 录 ....................................................................................................................................................... 49

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第1章 前言

1.1本文研究的背景及意义（行间距太宽了吧，按照标准该）

随着人们的生活及其生产水平的不断提高，对生活环境和生产环境的要求就显的尤为重要,温湿度的测量就是一个典型的例子，因此温湿度检测系统就是现代生产生活中应运而生的一种智能、快捷、方便可靠的检测系统，特别是在工业生产中如果检测得不准确就会发生许多的生产事故。如化工生产中对温度的检测不当就会导致生产效率的降低和产品质量的下降。

温湿度测量系统的应用领域非常广泛，主要用于食品储运、博物馆文物、档案管理、建材实验、农业、林业及畜牧业的应用、建筑验收、重要医卫场所、管路维护等。例如粮库已经被广泛的使用，也是存储粮食的一个重要方式。粮库由粮食部门统一管理，担负着国家粮食的接收、保管和调运输送等粮食流通诸环节。在不同季节内，尤其是不利于存储食物的季节内进行的一种保护措施。而这一切环节的重要保证就是温湿度的测量与控制，这样才能够保证在最有利于粮食存储的温湿度下存储。同时在畜牧业上温湿度也有着非常重要的作用，有些养殖的动物对温湿度特别敏感，温湿度的不同有可能影响其正常的生长，甚至在一些动物的养殖过程中，温湿度一旦不符合动物正常生长的温湿度时会造成动物死亡的可能。所以在养殖时对温湿度的实时测量也是非常重要的。在林业方面，温湿度的测量也非常的重要，当温度高于一定值时森林火灾的发生可能性将大大提高。所以只有实时准确的测量到温湿度才可以有效的提前采取措施防治森林大火。在食品储藏时温湿度的要求也是非常严格，如果温湿度不能达到所需的值有可能导致食品的变质。博物馆的文物对温湿度的要求也非常高，尤其是一些字画，要是湿度过大有可能使其损毁，或者保存时间缩短。无论是在哪一个应用领域温湿度的实时测量都非常的重要[2]。

而现在所使用的温湿度检测系统通常都是精度为1℃或0.1℃的水银、煤油或酒精温度计进行的温度检测和用传统的物理模拟量的方法进行的湿度检测。这些温湿度检测计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，并且很难读准，使用非常不方便。因此为了给现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施，对现有的温

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湿度测量系统的设计、改良有着很大的现实意义.要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计是以51单片机为核心，配合温湿度传感器，以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接收所测环境的温度和湿度信号，检测人员可以通过液晶显示的数据，实时监控环境的温度和湿度情况。相比较常见的温湿度测量器，本系统包括系统硬件和软件设计,可靠性高，结构简单，操作简单，智能化程度高，在测量范围和精准度等方面都有了一定改良。

我国地大物博，各个地区的气候都有所差异，所以各个地区的食物储存、农业、工业、畜牧业等对温湿度值的要求也不尽相同，只有实时精确地测量温湿度的值才能够实时地调节控制使其在合适的数值保持住，这样也就有利于实物储藏、动植物生长、工业安全等问题的解决。温湿度检测的应用非常广泛，因此研究温湿度的检测非常有意义[3]。

1.2研究现状

随着信息产业的发展及工业化的进步，温度湿度不仅仅表现在以上几个方面直接或间接影响着人类的基本生活条件，还表现在对生物制品、医药卫生、科学研究、国防建设等方面的影响。国内外对温湿度检测的研究，从复杂的模拟量检测到现在的数字智能化、小型化、低功耗的方向发展。在发展过程中，以单片机为核心的温湿度测量系统发展为体积小、操作简单、量程宽、性能稳定、测量精度高，等诸多优点在生产生活的各个方面实现着至关重要的作用。

随着现代集成电子、通信、计算机等技术的快速发展，传感器也向着集成化，数字化发展，这样大大降低了成本，提高了测量准确性和精度。温湿度传感器的研发得到了国内外的高度重视，很多国内外的政府和公司投入了大量的人力、物力和财力。如美国“国家纳米技术”（National Nanotechnology Initiative）计划，还有AD、MAXIM、Sensiron等知名芯片制造商。它们的典型产品有MAX6625/6626温湿度传感器，SHT1X/SHT7X温湿度传感器，这些传感器采用数字化技术，以数字化形式直接输出测量值。国内的一些公司也已经开始了在这些方面的研究，并取得了一些重要成果，如JUCSAN公司，它的JCJ200Y产品耐温高达600℃，已成功应用在印染行业纱锭自动烘干系统、食品自动烘烤系统。近年来，温湿度测量系统的研究发展迅速，先进的测控技术、自动化技术、PLC技术、现场总线技术、传感器技术以及数字信息技术的发展都为温湿度测控系统的研发提供了条件。

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西方发达国家在温湿度测量控制方面起步较早，1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，最早的温湿度测量系统应用于其中。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业，温湿度测量控制系统开始在荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的迅猛发展，我国的温湿度测量的技术起步较晚，70年代以来政府大力发展塑料大棚，从而促使温湿度测量系统的快速发展。与此同时，从1979年至1994年，从欧美、日本等国家引进了一系列的技术进行研究借鉴。

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足的进步。湿敏传感器从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测量系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT10型智能化温湿度传感器，体积与火柴头相近。他们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0～100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为±2%RH。测量温度的范围是-40℃～+123.8℃，分辨力为0.01℃。测量露点的精度<±1℃。在测量温湿度是A/D转换器的位数分别可达12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。该产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，适配各种单片机，可广泛用于温湿度测量系统中[4]。

1.3本文研究的主要内容

第一，学习强化单片机知识。单片机在现实生活中的应用非常广泛，几乎和每个人的生活息息相关，单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到那个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械。因此单片机的学习非常重要，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。根据课程安排，曾经在大三下半学期开设单片机课程，但由于课时短所以仅仅只学习了一部分相关知识。如果想对单片机有更深的了解，想具有一定的开发设计能力必须在之前所学的知识基础上更深层次的学习单片机，而学习单片机的最好方法就是自己动手做东西，这样在实践的过程中发现问题解决问题，从而较快的学习和掌握单片机的相关知识。

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第二，掌握智能温湿度检测系统，提出硬件电路设计方案。该内容可根据该设计说要实现的功能，将电路的设计模块化。根据每个模块的具体功能以及特性将每个模块合理的分布在板子上面。然后就要进行电路的设计，电路设计非常重要，电路设计的不合理有可能导致该设计的失败。每个芯片与单片机连接时尽量选择合适的I/O口，能不重复使用就尽量不重复使用。在设计过程中可以将一些管脚多的芯片优先使用I/O口，最后将一些管脚较少的芯片接到剩下的部分中。

第三，画出原理图（能不能不要这么白话）。原理图的绘制首先必须熟练使用AD软件，其次是根据自己所设计的硬件电路绘制出原理图。通过自己动手绘制原理图会发现很多问题，例如许多元件在软件自带的库里面找不到，这就必须自己建立自己的元件库，这也是每一个初学者应该注意的。不要一旦找不到自己想要的元件就去网上搜一些别人建好的库，初学者可以自己建立一个自己的库，这样既能使初学者更加熟练使用该软件同时也可以保证在以后的学习和工作中可以方便快捷的使用到自己想用的元件。

第四，编写单片机控制程序。编写单片机的程序是所有环节中最重要的一个环节同时也是工作量最大的一个环节，程序的编写直接关系到整个系统能否正常工作实现应该实现的功能。在编写程序时应该注意要做到程序的功能模块化，这样既能使得编写过程思路清晰、不容易出错，也可以在编写完每个模块之后依次进行各个模块的调试。只有这样才可以有效的编写每个模块的程序最终实现整个系统的功能，同时也能及时发现各个模块中是否存在硬件焊接上的问题，及时发现及时改正。

第五，完成系统整体功能调试。这一步骤是最后一个环节，是整个系统能否正常工作所要经受的最后一个考验。在开始调试时我所编写的时钟模块显示正常，调节时间的独立按键也工作正常，但是程序跑几天之后问题就出现了，时间开始跑乱日期、星期出现问题，这些都是之前没有想到的。但程序应该没有问题，在几番查看之后发现电路板某些地方的接触不是很好，有时候接触不好可能导致程序的跑乱，再重新焊接好那些问题电路时问题得到了解决。还有在调试过程中还遇到了按键反应过快或者过慢的情况，这些均和延时的长短有关，在调节好合适的时间后按键将会操作正常。

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第2章 设计任务分析及方案论证

本章详细介绍了本次设计的主要任务，以及对于所要实现的内容加以分析，同时详细的介绍了主要元器件的选择，以及各自的特性。

2.1设计过程及其工艺要求设计

一个以单片机为核心的温湿度检测系统，需要实现的功能为：

①能够准确的显示当前的温度以及湿度。温度检测的范围0℃-60℃，测温精度：±2℃；湿度检测范围20%-100%RH,测湿精度:±5％RH。

②在显示当前温湿度的前提下准确显示当前的时间。并且所显示时间可以利用独立按键对其进行调整。

③在显示模块中所用到的液晶12864直观的显示四行数据，分别为日期、时间、温度、湿度。

④数据存储模块中要求将所采集的温湿度数据实时记录在U盘中，方便后期处理和使用。

2.2设计总体方案及其论证

本设计要实现的功能是：实时显示当前环境的温湿度，以及当前的准确时间信息，同时将数据实时记录在U盘中，系统正常运行下工作指示灯亮。

（1）温度显示：对温室温度进行测量并反映在显示器上。 （2）湿度显示：对温室湿度进行测量反映在显示器上。

（3）显 示：LCD就地显示此时此刻温湿度值以及当前日期时间信息，

摆放在测量现场用于显示当前的温湿度。

依据功能设定，本系统主要分为以下四个模块： （1）时钟模块 （2）温湿度采集模块 （3）液晶显示模块 （4）数据存储模块

其中时钟模块主要由按键、12864点阵液晶、DS12C887时钟芯片构成。其中按键用于用户设定日期时间准确值，12864用于数据显示，DS12C887用于设计精

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确的时钟。

其中温湿度采集模块使用的是DHT21数字温湿度传感器，它使用单总线方式，接口简单，而且无需另外校准。分辨率为8bit，完全能够满足日常环境温湿度的检测要求[5]。

液晶显示模块是选用12864型号液晶，该模块是配合以上两种模块共同工作完成预期的效果，简单来说就是起到显示时间温湿度的作用。

数据存储模块使用的是AT89C51单片机，其完成温湿度数据的采集、运算和逻辑控制的功能，然后将准确的时间以及温湿度信息存储到U盘中。

外界环境 温湿度传感器 液晶显示模块 AT89C51单片机 时钟模块 数据存储模块 图2-2-1 温湿度检测系统框图

单片机作为主控制器，主要负责处理由温湿度传感器送来数据，并把处理好的数据送向显示器模块，数据温湿度传感器主要用来采集周围的环境参数，并把所采集到得数据送向单片机，最终存入U盘中，时钟电路主要设计精确的时钟，显示电路主要用来显示当前的温湿度。

2.3温湿度传感器DHT21的选定

将单片机用作测量系统时，总要有被测信号输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，其核心任务是怎么样获得准确的被测信号；而对测量系统来说，不可缺少的环节是对条件的监测和对被控对象状态的测试，传感器是实现测量与控制的第一环节，是测控系统的关键部分，一切准确的测量都将在传感器对于原始信号的准确可靠的转换和捕捉，工业生产过程的自动化测量，基本主要依赖各种传感器来检测生产过程中的各种量，使系统和设备在最佳状态正常运行，从而保证生产的高质量和高效率。

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2.3.1温湿度传感器介绍

图2-3-1DHT21实物图

DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的温湿度传感和数字模块采集技术，具有很高的稳定性和可靠性，DHT21传感器内含一个NTC测温和一个电阻式感湿元件，并与一个8位的高性能单片机相连接，在精确的湿度校验室中DHT21传感器进行过校准，以程序的形式校准系数储存在0TP内存中，检测信号的时候，在处理过程中传感器内部要调用这些校准系数，采用单线制的串行接口，使系统集成可以有较低的功耗，而且更加简单快速，信号传输距离超过20米，作为一个数字温湿度传感器DHT21具有响应快速、抗干扰强、性价比高等优点，它的性能指标如下：湿度测量范围为20％～90％RH；湿度测量精度为±5％RH；温度测量范围为0～50 ℃，温度测量精度为±2℃，工作电压3．0～5．5 V，相应时间<5S，DHT2l采用4针单排引脚封装, 传感器通电后，需要等待1s，这是因为要越过不稳定的状态，在此期间不需发送指令,电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波[5]。

四条引角中有两条是电源引脚，有两条是输出数据的引脚，你只需要给他供上额定电压，然后再他的输出引脚采集信号就可以了，输出信号如果是模拟量的话，通过A/D芯片，将模拟量转换为数字信号，然后传送给单片机。DHT21是数字传感器，所以不需要进行模数的转换。 （1）DHT21温湿度传感器产品参数： 相对湿度 分 辨 率：16Bit 重 复 性：±1%RH 精 度：25°C ±5%RH 互 换 性：可完全互换

响应时间：1/e（63%）25°C 6s 1m/s 空气 6s

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迟 滞：＜±0.3%RH 长期稳定性：＜±0.5%RH/yr 温度

分 辨 率：16Bit 重 复 性：±0.2°C 量程范围：25°C ±2°C 响应时间：1/e(63%) 10s 电气特征

供 电：DC 3.5-5.5V

供电电流：测量0.3mA 待机60μA 采样周期：次大于2秒 引脚说明

（1）VDD 供电3.5-5.5V （2）DATA 串行数据，单总线 （3）NC 空脚

（4）GND 接地，电源负极

温度传感器是各种传感器中最常用的一种，早期使用的是模拟温度传感器，如热敏电阻，随着温度环境的变化，它的阻值也发生线性变化，用处理器采集电阻两端的电压，然后根据某个公式就可以计算出当前环境温度。随着科技进步，现代的温度传感器已经走向了数字化，外形小，接口简单，广泛应用在生产实践各个领域，为我们的生活提供了便利。美国DALLAS半导体公司推出的数字化温度传感器DS18B20采用单总线协议，既与单片机接口仅占用一个I/O口，无需任何外部元件，直接将环境温度转换成数字信号。

DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OPT内存中，传感器内部在检测信号的

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处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

温湿度传感器AW3485Y性能长期稳定，自带显示屏，温度量程在-20℃～+70℃，准确度在±0.3℃，湿度量程0～99.9%RH，响应时间静止空气8s。但是价格较贵。

综上所述，相比这几种温湿度传感器，DHT21为最佳选择。首先它把温度湿度传感器集合为一个传感器件，在应用时比较方便。仅有三个管脚，应用简单，且体积小。从价格方面考虑DHT21也具有一定优势，相比AW3485Y价格，仅为其八分之一。同时DHT21原理简单，较容易学习。通过如上的比较，无论是从性能上、价格上、封装上面来讲，选择DHT21是最佳选择[6]。

2.3.2串行接口(单线双向)

DATA 用于微处理器与 DHT21之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:一次完整的数据传输为40bit,高位先出。

数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。

数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。

用户MCU发送一次开始信号后,DHT21从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.如果没有接收到主机发送开始信号,DHT21不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。

总线空闲状态为高电平的时候主机把总线拉低等待DHT21响应, DHT21能检测到起始信号，主机必须把总线拉低，至少大于18ms。DHT21一旦接收到主机的开始信号，接着就等待开始信号的结束,然后发送80us的低电平响应信号，要读取DHT21的响应信号,必须等待开始信号的结束，并延时等待20-40us后才能够接受，主机发送开始信号后,这时候就可输出高电平或切换到输入模式,接着总线由上拉电阻拉高[14]。

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DHT21发送响应信号的时候总线为低电平 ,DHT21把总线拉高80us之前,必须等到响应信号发送，准备发送数据时,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,数据位是0或1是由高电平的长或短来决定。假如响应信号的读取为高电平,但是DHT21无响应响应,这时候说明路线可能连接不正常，当最后一bit数据传送结束后，DHT11把总线拉低50us,接着总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。

2.3.3电气特性

VDD=5V，T = 25℃

表2-3-3电气特性(注：采样周期间隔不得低于1秒钟) 参数 供电 供电电流 条件 DC 测量 平均 待机 采样周期 秒 min 3 0.5 0.2 100 1 typ 5 max 5.5 2.5 1 150 单位 V Ma Ma Ua 次 2.3.4性能说明

表2-3-4 性能说明 参数 分辨率 条件 Min 1 精度 重复性 温度 温度 量程范围 0℃ 50℃ 25℃ 长期稳定性 迟滞 互换性 分辨率 8 1 重复性 典型值 30 20 20 ±1 ±1 可完全互换 8 1 ±1 8 1 Bit ℃ ℃ 25℃ 0-50℃ Typ 8 1 ±4 ±1 90 80 90 %RH %RH %RH %RH/yr ℃ Max ± 1 ±5 单位 Bit %RH %RH %RH %RH 10

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响应时间 量程范围 精度 1/e(63%) 6 0 ±1 30 50 ±2 S ℃ ℃ 2.3.5引脚说明

表2-3-5 DHT21引脚说明 pin 1 2 3 4 名称 VDD DATA NC GND 注释 供电3－5.5V 串行数据，单总线 空脚，悬空 接地，电源负极

注意 引脚2在接单片机时，同时要在数据线接一上拉电阻，接到电源上。

2.3.6应用信息

电阻式温、湿度传感器暴露在化学物质中会受到干扰，导致灵敏度下降，当处于极限状态时，传感器可以通过程序处理，回复到初试的校准状态，在不符合规范的范围内使用传感器，不仅会导致几乎3%的临时漂移信号，而且会加速产品的老化，转为正常的使用范围后，会渐渐恢复校准状态；温度是影响气体相对湿度的关键，因此测量时最好让湿度传感器工作温度相同。

2.3.7 封装信息

图2-3-7 DHT21的封装信息

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2.4 AT89C51单片机选定 2.4.1单片机介绍

常用的八位单片机有三种，分别为51系列、PIC系列、51系列。然而应用最为广泛的是51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。世界许多著名的芯片公司购买了51芯片的核心专利技术，并在其基础上进行了性能上的扩充，使得芯片得到了进一步的完善，形成了一个庞大的体系，直到现在仍在不断翻新。有的单片机并不能直接对RAM单元中的位进行操作，如AVR系列单片机。51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器[9]。他的处理对象不是字或者字节而是位。他不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H-2FH，它既可作字节处理，也可作位处理。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序运行中遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中需要对有关标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。51系列的另一个优点就是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令，商为八位，精度不够。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求。很多八位单片机不具有乘法功能，做乘法时还得编上一段程序调用，十分不便。在51系列中，还有一条二进制-十进制调整指令DA，能够将二进制变成BCD码，这对于十进制的计量十分方便。而在其他的单片机中，则也需调用专用的子程序才行[5]。

51系列的单片机也是我们在第一次接触单片机课程时所接触的系列，后面的学习一直以来都是对其进行应用和学习，相比其他系列的单片机，51系列对于我个人来说上手更快，因为有之前的课程作为基础。同时我手中的资料基本上是关于51系列的单片机，方便后期的应用参考。所以在选择单片机时我选择了我自己更熟悉、更容易操作的51系列单片机。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 的8位单片机，片内含4K的可编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器

[8]

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既可在线编程(ISP)，也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，低价位AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制的领域。AT89C51提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，2个16位定时/计数器，32个I/O口， 1个串行通信口，1个5向量两级中断结构，另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式，闲散方式停止中央处理器的工作，可允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位,使AT89C51性能有了较大提升，它的价格甚至更低，AT89C51的工作频率更高，ISP在线编程功能的优越性在于它不必要将芯片从工作状态下分离，特别是在改写存储器内的程序，这是一个相当方便简单的功能，它完全兼容51全部字系列产品[8]。

图2-4-1 AT89C51引脚图

2.4.2引脚说明

VCC：电源电压输入端。 GND：电源地

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入

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口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P0口在访问外部存储器时，P0口既是一个真正的双向数据总线口，又是输出8位地址口。它包括一个输出锁存器，两个三态缓冲器，一个输出驱动电路和一个输出控制电路

P0口：P0口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高电平，可用作输入。P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。专门为用户使用的I/O口，是准双向口，P1口为8位准双向口，每一位均可单独定义为输入或输出口。在编程校验期间，用做输入低位字节地址。P1口可以驱动4个TTL负载。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。P2口也是双向口。它是供系统扩展时输出高8位地址。如果没有系统扩展时，也可以作为用户的I/O口使用。P2口作为外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高8位输出口AB8-AB15，P0口由ALE选通作为地址总线的低8位输出口AB0-AB7。外部的程序存储器由PSEN信号选通，数据存储器则由WR和RD读写信号选通，因为2=64K，所以AT89C51最大可外接64KB的程序存储器和数据存储器。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：

表2-5-2 P3口的第二功能

端口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 功能特性 串行输入口（RXD） 串行输出口（TXD） 外中断0（INTO） 外中断1（INT1） 14

2013届 光信息科学与技术专业 毕业设计（论文） P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 定时/计数器0的外部输入口（T0） 定时/计数器1的外部输入口（T1） 外部数据存储器写选通（WR） 外部数据存储器读选通（RD） RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个

机器周期的高电平时间。

ALE/ PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/ PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/ PSEN信号将不出现。

EA/VPP：外部程序存储器访问允许。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。 XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。

现在已经对四个8位双向并行I/O口有了初步的了解。根据以上的内容可知只有P1口是标准的I/O口，所以我们选用P1口作为数据端口, P1口可逐位分别定义各口线为输入或输出线[9]。

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2.5显示部分：LCD的选定 2.5.1 LCD12864液晶简介

图2-5-1-1 12864字符型液晶显示器实物图

液晶是是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，广泛应用与轻薄的显示器上。液晶的型号有很多种，通常是按照显示字符的行数或液晶点阵的行列数来命名的。例如：1602的意思是每行显示16个字符，一共两行；类似的还有0801、0802、1601等，这类事字符型的液晶只能显示ASCII码字符，如数字、大小写字母、各种符号等。12232液晶属于图形型液晶，意思是有122列32行组成，既共有122×32个点来显示各种图形，我们可以通过程序控制这122×32个中的任意一个点显示或不显示。类似的还有12864,19264,192128,320240等[8]。

液晶体积小、功耗低、显示操作简单，但是有一个致命的缺点，其使用的温度范围很窄，通用型液晶正常工作温度范围为0℃～+55℃，存储温度范围为-20℃～+60℃，即使是宽温级液晶，其正常工作范围也仅为-20℃～+70℃，存储温度范围为-30℃～+80℃，因此我们再选用时得注意根据实际情况选用合适的液晶。

本次温湿度测量系统设计液晶显示需要三行，分别为时间、温度、湿度，并且液晶正常工作的温度范围要大，故综合所有因素选用宽温级的12864液晶作为显示模块。

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图2-5-1-2 LCD12864规格

2.5.2 LCD12864主要技术参数

表2-5-2 12864的主要技术参数

工作电压: 容量 最佳工作电压 工作电流 4.5—5.5V 16×8个点阵字符 5.0V 2.0mA 字符尺寸 2.95×4.35(W×H)mm

2.5.3引脚功能说明

12864液晶模块的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

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表2-5-3 引脚接口说明表

2.5.4 LCD12864的RAM地址映射及标准字库表

液晶显示模块是一个比较慢的显示器件，因此在执行指令之前要首先确认模块的忙标志处于低电平，表示空闲，不然此指令失效，输入显示字符地址后会显示字符，图是12864的内部显示地址。

表2-5-4 LCD12864内部显示地址

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2.5.5指令说明

表2-5-4-1 LCD12864指令表1

表2-5-4-2 LCD12864指令表2

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2.6时钟芯片的选定

2.6.1时钟芯片介绍

图2-6-1 时钟芯片DS12C887实物图

时钟芯片是美国公司生产的一种芯片。多种功能模块电路封装在芯片的内部,组成一个加厚的集成电路模块。电路通电时,其充电电路模块便自动对充电电池充电,充足一次电可供芯片运行半年之久,其内部有专门的接口电路,外部电路时序要求简单,其内部有个时钟控制寄存器,包括个时标寄存器,个状态寄存器和作掉电保护用的低功耗。通过读的内部时标寄存器得到当前的时间和日历,也可通过选择二进制或码初始化芯片的个时标寄存器,其个状态寄存器用来控制和指出的当前工作状态,非易失性静态可在掉电时保存一些重要数据。具有以下主要特点具有完备的时钟、闹钟及到年的日历功能,可选择小时制和小时制,有和、星期等操作和闰年自动补偿等功能具有可编程选择的周期性中断方式。一般的时钟芯片在系统掉电时,时钟芯片的数据要丢失。因此,需要提供备用电池。时钟芯片克服了上述一般时钟芯片的缺点,系统掉电数据不丢失,在测量和控制系统中得到

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了广泛的应用。

DS12C887时钟芯片能够自动产生实际、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部都有世纪寄存器，从而利用硬件电路解决“千年”问题。DS12C887中自带锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持十年之久。对于每天的计时有十二小时、二十四小时制两种，芯片内部的存储方式也有两种，一种二进制表示一种BCD码表示。带有128B RAM，分别为11B RAM用来存储时间信息；4B RAM用来存储控制信息，被称为控制存储器；113B通用RAM供用户使用。此外，用户还可以对该芯片进行编程以实现多种方波的输出，并可对其内部的三路中段通过软件进行屏蔽。该芯片内部有一个精密的温度补偿电路用来监视VCC的状态，如果检测到主电源故障，该器件可以自动切换到备用的电源供电[8]。

2.6.2 DS12C887特性描述

? 为充电电池或超级电容提供涓流充电。

? RTC计算秒、分、时、星期、年、月、日信息，具有润年补偿，有效期至2099

年。

? 用二进制数或BCD码表示时间。

? 具有AM,PM标示的12小时或24小时模式。 ? 夏时制选择

? 可选择Intel或Motorola总时序。 ? 三路中断可分别通过软件屏蔽和检测。 ? 闹钟可设置为每秒一次和每星期一次。 ? 周期可设置在122us~500us之间。 ? 时钟终止刷新周期标志。 ? 可编程的方波输出信号。 ? 自动电源失效检测和切换电路。 ? 可选的工业级温度范围。

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2.6.3 DS12C887引脚功能说明

图2-6-2 时钟芯片DS12C887引脚图

GND、VCC直流电源其中VCC接+5V输入GND接地当VCC输入为+5V时用 户

可以访问DS12C887内RAM中的数据并可对其进行读、写操作当VCC 的输入小于+4.25V时禁止用户对内部RAM进行读、写操作此时用户不能正确获取芯片内的时间信息当VCC的输入小于+3V时DS12C887会自动将电源发换到内部自带的锂电池上以保证内部的电路能够正常工作。

MOT模式选择脚DS12C887 有两种工作模式即Motorola模式和Intel模式当 MOT接VCC时选用的工作模式是Motorola模式当MOT接GND时选用的是 Intel 模式，本文主要讨论 Intel 模式。

SQW方波输出脚当供电电压VCC大于 4.25V 时SQW 脚可进行方波输出此时用户可以通过对控制寄存器编程来得到13种方波信号的输出。

AD0

AD7复用地址数据总线，该总线采用时分复用技术，在总线周期的前

AD7上的是地址信息可用以选通DS12C887内的RAM总线周

半部分出现在AD0

期的后半部分出 现在AD0~AD7上的数据信息。

AS地址选通输入脚在进行读写操作时AS 的上升沿将AD0~AD7上出现的地址信 息锁存到DS12C887上而下一个下降沿清除AD0~AD7上的地址信息不论是否有效DS12C887都将执行该操作。

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DS/RD数据选择或读输入脚该引脚有两种工作模式当MOT接VCC时选用 Motorola工作模式在这种工作模式中每个总线周期的后一部分的 DS 为高电平被称为数 据选通。在读操作中DS的上升沿使DS12C887将内部数据送往总线 AD0~AD7 上以供外部读取。在写操作中DS 的下降沿将使总线 AD0~AD7 上的数据锁存在DS12C887中当MOT接GND时选用Intel工作模式在该模式中该引脚是读允许输入脚即Read Enable。

R/W读/写输入端该管脚也有2种工作模式当MOT接VCC时R/W工作在 Motorola 模式。此时该引脚的作用是区分进行的是读操作还是写操作当 R/W 为高电平时 为读操作R/W为低电平时为写操作当MOT 接GND 时该脚工作在 Intel模式此时该作为写允许输入即 Write Enable。

CS片选输入低电平有效。 IRQ中断请求输入低电平有效该脚有效对DS12C887内的时钟、日历和RAM中的内容没有任何影响仅对内部的控制寄存器有影响在典型的应用中RESET可以直接接 VCC这样可以保证 DS12C887 在掉电时其内部控制寄存器不受影响[15]。

2.7中断系统

2.7.1中断

程序执行过程中，允许外部或内部事件通过硬件打断程序的执行，使

其转向为处理内部事件的中断服务程序中去；完成中断服务的程序后，CPU继续原来被打断的程序，这样的过程称为中断过程。

2.7.2产生中断

能产生中断的外部和内部事件。AT89C51有5个中断源： (1)INT0：外部中断0请求，低电平有效。通过P3.2引脚输入。 (2)INT1：外部中断1请求，低电平有效。通过P3.3引脚输入。 (3)T0：定时器/计数器0溢出中断请求。 (4)TI：定时器/计数器1溢出中断请求。

(5)TXD/RXD：串行口中断请求。当串行口完成一帧数据的发送或接收时，便请求中断。每一个中断源都对应一个中断请求标志位，它们设置在特殊功能寄存

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器TCON和SCON中。当这些中断源请求中断时，相应的标志分别有TCON和SCON中的相应位来锁存。

2.7.3中断系统有以下4个特殊功能寄存器

（1）定时器控制寄存器TCON（用6位）； （2）串行口控制寄存器SCON（用2位）； （3）中断允许寄存器IE； （4）中断优先级寄存器IP。

其中，TCON和SCON只有一部分用于中断控制。通过对以上各特殊功能寄存器的各位进行置位或复位等操作，可实现各种中断控制功能。

2.8复位电路

复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如下图所示。

表2-8 复位操作对寄存器的影响

寄存器 PC ACC PSW SP DPTR P0-P3 IP IE TMOD 复位状态 0000H 00H 00H 07H 0000H FFH XX000000B 0X000000B OOH 寄存器 TCON TL0 THO TL1 TH1 SCON SBUF PCON 复位状态 00H 00H 00H 00H 00H 00H 不定 OXXXOOOOB

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为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。单片机的复位分为上电自动复位、按键手动复位两种和看门狗强制复位三种等。上电复位通常利用电容的充放电来实现，按键复位则可分为按键脉冲复位和按键电平复位两种，看门狗复位则通过外接看门狗电路或软件看门狗程序实现。常见的有上电复位和按键复位电路。

2.9时钟电路

时钟电路可以简单定义如下：1.就是产生象时钟一样准确的振荡电路；2.任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路一般由晶体震荡器、晶震控制芯片和电容组成。时钟电路应用十分广泛，如电脑的时钟电路、电子表的时钟电路以及MP3、MP4的时钟电路。

时钟电路用于产生单片机的基本时钟信号，是用来配合外部晶体实现振荡的电路，这样可以为单片机提供运行时钟，如果运行时钟为0 的话，单片机就不工作，当然超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作。时钟电路是微型计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，CPU就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能的。MCS-51的时钟信号可以由两种方式：一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，产生时钟信号：另一种为外部方式，时钟信号由外部引入。如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，单片机是无法工作的。AT89C51的时钟信号可由内部振荡器产生，也可由外部电路直接提供。

内部振荡器的输入和输出脚分别为XTAL1和XATL2，由XTAL2给单片机内部电路提供时钟信号。当时钟信号由外部电路提供时，外部时钟引入XTAL2，而XTAL1脚接地。

2.10本章小结

本章节主要有三部分，第一部分主要介绍了总体方案的设计及论证，第二部分主要介绍了设计的总体思路，以及元器件的选择，并加以详细介绍。第三部分主要进行了相关知识点的补充说明。

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第3章 硬件设计

单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能,硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起,这种设计方法可以降低系统设计的复杂性，本系统主要硬件设计包括电源电路、数据存储电路、晶振电路、LCD显示电路以及温湿度传感器电路。

3.1最小系统电路

本次硬件的核心就是AT89C51，其他的外围电路都是围绕它所设计的。数字温湿度传感器的DHT21的DATA口连接单片机AT89C51的P2.0口。显示电路就是把LCD12864和单片机的P0口分别相连，为了增加单片机的输出能力，增加单片机的输出电流，故使用排阻来完。本系统采用的是上电复位，上电之后，RST被拉至高电平，单片机进入工作状态。

AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器构成自激振荡器，他们与电容C1，C2接在放大器的反馈电路中构成并联震荡电路，虽然电容没有一个严格的要求，但是电容的大小会轻微影响振荡频率的高低、温度稳定性以及振荡器工作的稳定性[18]。

应用89C51单片机设计并制作一个单片机最小系统，要达到如下基本要求： 1、具有上电复位和手动复位功能。 2、使用单片机内程序存储器。

3、具有基本的人机互接口。按键输入、LED显示功能。

4、具有一定的可扩展性，单片机I/O口可方便地与其他电路板连接。

对于51单片机来说，单片机+晶振电路+复位电路，组成了一个最小系统但是一般我们在设计中总喜欢把按键输入、显示输出加到上述电路成为最小系统。

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图3-1最小系统原理图

3.1.1振荡器

图3-1-1 振荡器原理图

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单片机系统都有晶振，在单片机系统中晶振的作用非常大，全称叫做晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生所需时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机的运行速度就会越快，单片机的一切指令执行都是建立在单片机晶振所提供的时钟频率。在通常的工作条件下，普通的晶振频率的绝对精度可以达到百万分之五十，高级晶振精度更高，有些晶振还可以由外加的电压在一定范围内调整频率，称为压榨振荡器，在共振的状态下晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

单片机晶振的作用是为系统提供及本周的时钟信号，通常一个系统共用一个晶振，以便于各部分保持同步，有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而是通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率，可以用于同一个晶振项链的不同锁相环来提供的。

3.1.2复位端

图3-1-2 复位电路原理图

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到了环境的干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序就自动从头开始运行。

给单片机一个复位信号（一个一定时间的低电平）是程序从头开始执行，一般两种复位方式：上电复位，在系统一上电时利用电容两端电压不能突变的原理给系统一个短时间的低电平，手动复位，同时按钮接通低电平给系统复位，这时如果手按着一直不放，系统将一直复位，不能正常工作，在这里需要注意用的电容是电解电容，是有正负极的，如果接反了，有可能就会爆炸。

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3.2主要模块的电路

3.2.1系统USB供电电路

图3-2-1-1 USB供电电路实物图

图3-2-1-2 USB供电电路原理图

USB接口四个触点，分别是电源+5V、数据-、数据+、电源地，USB设备与计算机通过“数据+”和“数据-”通道进行数据传输，“+5V”、“电源地”具有为外部设备供电的能力。单本系统中USB只用到其供电功能，故只用到四个触点的两侧两个触点。中间两个触点为数据传输时要用，故予以悬空。

在硬件设计中应注意该电路提供整个电路中的电源，在搭硬件的时候应该注意布局，还要注意接口应朝向板子的外侧并且接口尽量靠近板子边缘。

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3.2.2串口下载电路

图3-2-2-1 串口下载电路实物图

图3-2-1-2 串口下载电路原理图

该串口下载电路实现数据的传输过程如下：MAX232的11脚接单片机TXD端P3.1口，TTL电平从单片机的TXD端发出，经过MAX232转换为RS-232电平后从MAX232的14脚T1out发出，再接到实验板上串口座的第3脚，再经过交叉串口线后，连接至PC机的串口座的第2脚RXD端，至此计算机接收到数据。PC机发送数据时从PC机串口座第3脚TXD端发出数据，再逆向流向单片机的RXD端P3.0接收数据。

这里需要注意的是，MAX232与串口座连接时，无论是数据输出端，还是数据输入端，连接串口座的第2引脚都可以，选用不同的连接方法时，单片机与计

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算机之间的串口线都要谨慎选择，是选择平行串口线还是交叉串口线、是选择母头对母头串口线还是母头对公头串口线这些都非常注意，每种选择都有对应的电路，但无论是哪种搭配方式，必须明白在单片机与计算机之间必须要有一条数据能互相传输的回路[13]。

3.2.3 时钟设置（按键）电路

图3-2-3-1 按键实物图

图3-2-3-2 按键电路原理图

本次设计中在时钟设置时使用了三个独立按键，三个按键的功能分别为光标移动、增加、减少，这三个按键足以准确设置时钟。独立按键有四个管脚，四个管脚中两个管脚为常开两个为常闭，故在焊接时要使用万用表测量以区别常开常闭的管脚。本设计中使用的是两个常开管脚，即在按下按键是按键闭合发送一个信号。

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3.2.4液晶显示电路

图3-2-4-1 液晶显示电路

图3-2-4-2 液晶显示电路

在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生，它已作为很多电子产品的通过器件，比方在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。显示模块选用12864字符型液晶模块，它是目前工控系统中使用最广泛的液晶屏之一，由于它显示的质量高，电路图如图3-2-4-2所示，12864字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经过编程后显

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示内容多样化，并且可以直观的观察到实验结果。

注意在设计时要选择适合于本设计的液晶，例如12864液晶有正常工作电压3V和5V的，本设计中电路板中的电压均为5V，故选择5V的液晶。如果选择不当的话有能出现不能正常显示或者烧坏液晶的可能。同时还应注意的是选用合适的电位计，当硬件搭好后测试该模块时要通过调节电位计的大小调节合适的对比度。方便后期实验现象的观察。

3.2.5传感器电路

图3-2-5 传感器电路

DHT21是数字型温湿度传感器，可直接以数字方式传输所采集的当前环境温湿度，DHT21采用的是单总线通信，因此只需将单片机的一个I／O端口与DHT21的通信接口连接就可以实现数据的采集和传送，相对于其他电路来说比较简单。在硬件焊接时应注意接地端和电源端的区别。

要注意的是在硬件设计时建议在连接线短于20米时用5K的上拉电阻，如图3-2-5所示，当连接线大于20米时可根据实际情况选择使用合适的上拉电阻。该传感器暴露在太阳光下或者较强的紫外线下性能会降低。气体的相对湿度在很大程度上依赖于温度，因此在测量的电子元件公用一个线路板时，在安装时尽可能的将DHT21远离发热的电子元件，并安装在热源的下方，并且保持外壳的良好通风[19]。

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3.2.6时钟模块电路

图3-2-6-1 时钟模块原理图

本设计中时钟模块选用时钟芯片DS12C887，在硬件设计上仅仅只需一个该芯片与单片机的连接便可完成时钟模块的设计，故在硬件的实现时也没有太大困难，只需将每个管脚按照原理图准确连接。

3.2.7数据存储模块电路

图3-2-7-1 数据存储模块实物图

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图3-2-7-2 数据存储模块原理图

CH376存储模块在本次设计中记录测量数据，要求不高，只需会利用其将数据存储进去，由于其为一个已经集成好的模块，使用时相当于一个20管脚的芯片一样，在硬件设计方面难度不大，故不作过多说明。

3.3设备运行

本次设计主要是能够实时显示出当前确切的温湿度，并且在测量的同时能够实时的存储所测量的数据方便后期处理和分析。一旦接通电源，工作指示灯常亮，表示系统正常运行。接着LCD初始化，采用八位的数据端口，死行显示，其中第一行年、月、日、星期，根据键盘我们可以加减数值进行准确的调节使其显示正确日期，第二行显示的是准确的时间信息，包括时、分、秒。也是可以通过独立按键进行调节，最终显示正确的时间信息。第三行显示实时测量的温度值，第四行显示的是实时的湿度值。

按键说明：左起第一个按键是减小键，每按一次相应的数值会减一；第二个按键是移动光标键，每按一次光标会自动转移，可分别进行时、分、秒、年、月、

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日、星期的设置，每当光标移动一个轮回时自动跳出设置功能；第三个按键是增加键，可以对相应的数值进行加一操作。

在本次设计中通过时钟芯片来设计精确的时钟，利用温湿度传感器进行温湿度的采集，利用CH376数据存储模块进行数据的存储，最终将时间信息，温湿度数值直观的显示在12864液晶模块上。在设备的运行中每个模块都进行读取数据写入数据的过程，所以在程序的运行中时序问题很重要，要着重解决此问题。设备正常运行如图3-3-1。

图3-3 设备正常运行实物图

3.4本章小结

本章节主要介绍了硬件设计的总思路及其各部分电路的主要设计方法，详细的给出了各个模块（USB供电电路，最小系统电路，液晶显示电路，按键电路，传感器电路，串口下载电路）的电路设计。初步连接构造硬件，较细致的介绍了硬件运行。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m5e.html