第三章 系统硬件电路及原理图设计
以下将介绍整个系统设计电路的原理以及设计中所用的器件,本章将围绕图3.1对于各部分电路的具体设计进行诠释。
温度采集
湿度采集 复位电路 时钟电路 显示 单片机 报警 图3.1 电路原理图
3.1 中心系统设计
3.1.1复位电路
单片机的复位功能是十分重要的，复位就是将单片机内部的各个寄存器的值重新回到初始状态的操作。单片机复位首先将中央处理器以及其他的作用组件都置于一种明确的原始形态，然后再从这种情况下开始运转。
51系列单片机在时钟电路工作之后，在RST端接连不断地给两个个机器周期的高电平便能够实现复位了（一般情况下此时的正脉冲的宽度比10ms大）。单片机复位分为上电复位和外部复位2种类型。
如图3.2(a)的电位就是上电复位，它的实现方式为电容充电。在接上电的那刻，RESET引脚和VCC两者的电位相同，RESET电位随着充电电流的减少而下降。只需要保证RESET是高电平的时间不小于两个机器周期，就可以正常的复位了。
VCCVCCVCC22 ?FMCS-51RESET1 k?VSSR222 ?FRESETR1200 ?VCCMCS-51RESETVSS(a)(b)
图3.2 单片机常见的复位电路
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按键复位电路如图3.2(b)所示：电路不仅能够实现上电复位功能，只需要按下RESET键即可完成这个功能。这个时候，因为电源VCC在通过电阻R1和R2的分压，所以RESET端就会出现一个复位高电平。
在上电的那一瞬间，电源VCC端和复位端有着相同的电压，同时RST端的电位会因为电容上电压的渐渐上升而慢慢降低。振荡器振荡建立时间加2个机器周期是上电复位需要的最短时间。复位电路的电阻和电容一般情况下是可以做实验而得出来的。 3.1.2时钟电路
单片机里面的每个组件与组件之间有条有理的相互协作运行，它在一种基本的节奏下按一定的时间规律顺序会发出信号，这些控制信号在时间上面的互相关系即中央处理器时序。一般发出这样的电路就是时钟电路。
AT89C51单片机里面有一个单级反相放大器，作用就是组成振荡器，如图3.3所示。
内部时钟电路D1R1XTAL1D2Q1PDQ3Q4RfXTAL2VCCQ2GND图3.3 AT89C51内部振荡器电路图
下图中，反相器的输入端跟输出端即是XTAL1，XTAL2。如果我们在放大器两个引脚上连接一个晶体和电容一起构成的并联谐振电路，然后作为反馈组件的时候，就成为了一个自激振荡器，如图3.4所示。
VCCPDRfR1GNDXTAL1内部时钟电路XTAL2石英晶体或陶瓷振荡器(外部)C1C2
图3.4 内部振荡器等效电路图
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单片机也能利用外部振荡器然后向内部时钟电路输入一个频率固定的时钟源数据信号。这个时候，外部信号被接到了XTAL1端口，然后输入给了内部时钟电路，那么XTAL2端悬空就行了，如图3.5所示。
AT89C51NC外部振荡器信号1XTAL2XTAL1GND
图3.5 内部时钟和外部时钟
3.2液晶显示电路设计
在平时的生活里，液晶显示器对大家来说都是十分熟悉普遍的，作为众多电子物品的显示部件，被普遍用在电脑、电视机、空调以及许多其他的电子产品里面，主要显示是各种数字、英文字母、数学符号等一些专用特殊符号和图形。这次设计中我们采用的显示电路可以同时显示温度和湿度，使用此系统的相关人员都可以直接在液晶屏上观察到温度、湿度数值。
液晶显示电路系统如图3.6所示。
图3.6 液晶显示电路
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3.3温湿度监测系统的电路设计
3.3.1温度测控系统电路设计
将单片机的P3.4接口和DS18B20的DQ端两者连接，用作单独一数据线。此次测控系统的设计即使只用了一个传感器DS18B20，但是因为不用考虑温度测量和子单片机两者之间相隔距离的问题，为了节省成本一切从简，选择从外面供电的方式，图示如下图3.7。
图3.7 DS18B20电路
3.3.2湿度测控系统电路设计
HS1101型电容传感器，在电路里面相当于一个电容元件，它的电容会跟着测量区域里空气的湿度的变化一起变化。对于怎样把电容的变化量然后准确的转化为计算机信号，一般经常使用的方法有2个:一种是把HS1101传感器放在运 放与阻 容组成的桥 式振 荡电路中，然后把由此产生的正弦波电压信号经过整流、直流放大，再通过A/D转换成数字信号;除此之外，还有一个方法是把HS1101传感器放在555振荡电路里面，把电容转化成和它成反相的电压频率变化信号，然后变化的周期在示波器上面显示出来，最后通过公式可以算出湿度值。本设计采用后一种方案。
NE555电路的功能为:当6端和2端同时为“1”时,3端输出为“0”；当6端和2端同时为“0”时,3端输出为“1”。在这个电路里面,555定时器就是因为这一点可以把频率数据输出来的。
接上电源的时候,因为6和2两端的输入都是“O”,那么定时 器3的输出就是“1”；又因为C1两边是0电压,所以C1被CCV经过R2以及R3进行充电,当C1的两端电压达到2CCV/3时,定时电路翻转，6和2两端的输入为“1”, 3端输出变为“O”。这个时候555定时器的内部放 电，双极结型晶体管的基极电压为“1”,放电双极结型晶体管导通,这样让C1经过R3和内部放电双极结型晶体管进行放电,当C1两边的电压下降到
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CCV/3的时候,定时器就会翻转,让3端的输出又变成了“1”,内部放电双极结型晶体管截止,VCC又会经过R2和R3对C1充电,反复循环,这样实现振荡。为让输出脉冲的占空比例差不多在二分之一左右,那样R3就应该要远远大于R2。如果受监测区域环境的湿度产生变化了,HS1101两边的电容会由此也产生一定的变化,所以定时电路的输出频率也由此产生了一定变化。那么，也就是只要把555的输出频率测量出来,然后我们会发现输出频率和湿度会有一定的关系,根据这种关系我们就能间接的推出湿度的数值了。
图3.8 HS1101电路
3.4 键盘电路设计
这次系统里面的键盘电路的设计我们采取的设计方式是独立式查询接口方式，使用这个设计方案是因为此种电路相对来说不是很复杂，其中查询的程序也是较简单易懂的，在稳定性这一方面上很好，容易控制。这次设计，我们可以先设置出温度的上下阀值，然后在液晶屏上显示出来，这样对于温度报警的功能就实现出来了。这样可以使所设计的系统适应更多的场合。此次键盘电路设计里面有三个按键，即K1，K2，K3。其中K1按键是温度参数设置按键，而 K2、K3则是温度参数大小调节按键。开关K1、K2 、K3分别与单片机的P2.4、P2.5、P2.6口相连。在程序的查询模式下，经过I/O端读入按键的状态，如果按键被按下的话，和按键对应的I/O端口的电平就会从高变低。这样通过K2、K3按键就能调节温度的预设值大小了,同时也能液晶屏上显示出调节过的预设值。
键盘电路设计如图3.9所示。
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