【正文】 傳送到其他數(shù)據(jù)設(shè)備。 (2)采用適當(dāng)?shù)目刂品椒▽?shí)現(xiàn)當(dāng)設(shè)定溫度或環(huán)境溫度突變時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。 (3)溫度控制的靜態(tài)誤差 ? 。 3 2 系統(tǒng)框圖和方案論證 總體方案論證 本題目是設(shè)計(jì)制作一個(gè)具有語(yǔ)音播報(bào)功能的水溫控制系統(tǒng)。 要求能在 20℃40℃范圍內(nèi)設(shè)定控制水溫，并具有較好的快速性和較小的 超調(diào)，以及十進(jìn)制數(shù)碼管顯示等功能。根據(jù)題目要求，我們提出以下兩種方案： 方案 1： 采用凌陽(yáng)十六位單片機(jī) SPCE061A實(shí)現(xiàn)溫度控制，溫度信號(hào)由 PT1000和電壓放大電路提供。通過(guò) PID 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電爐功率和水溫控制。同時(shí)，具有溫度數(shù)字語(yǔ)音播報(bào)和顯示。 方案 2：采用單片機(jī) AT89C51 為核心。采用 DS18B20 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，芯片ISD4004 實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能。使用單片機(jī)具有編程靈活，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過(guò)軟件編程能實(shí)現(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)還具有控制精度高的特點(diǎn)。 比較上述兩種方 案， 雖然方案 1SPCE061A 單片機(jī)內(nèi)置 8路 ADC,2 路 DAC,且集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，配有很多語(yǔ)音播放函數(shù)，用 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放極為方便 ，但是由于凌陽(yáng)單片機(jī)與我們之前所學(xué)的 MCS5 系列單片機(jī)在結(jié)構(gòu)、性能及指令系統(tǒng)方面相差較大，另 PID 算法也不熟悉，學(xué)習(xí)使用起來(lái)較費(fèi)力。 方案 2 中使用的單片機(jī)及各芯已熟悉其結(jié)構(gòu)功能，并具有控制簡(jiǎn)單、控制溫度精度高的特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)電路采用方案 2。 系統(tǒng)框圖 圖 從功能模塊上來(lái)看，此系統(tǒng)電路可分為： 主機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤(pán) AT89C51 鍵盤(pán)設(shè)定 數(shù)據(jù)采集DS18B20 游泳池水 顯示電路 LED 語(yǔ)音播報(bào)ISD4004 報(bào)警電路 控制電路 水泵 4 顯示電路、語(yǔ)音播報(bào)電路、控制執(zhí)行電路以及報(bào)警電路。系統(tǒng)框圖如圖 。 各部分電路方案論證 現(xiàn)將各部分主要元件及電路做以下的論證： 數(shù)據(jù)采集部分 方案 1：采用溫度傳感器 AD590 和 ADC0809 芯片。 ADC0809 是一種 8 路模擬輸入的 8路逐次漸逼式 A/D 轉(zhuǎn)換器件，是 28引腳 DIP 封裝的芯片，其引腳排列圖如圖 所示。其內(nèi)部有 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換電路和 8 路模擬開(kāi)關(guān)，其作用可根據(jù)地址譯碼信號(hào)來(lái)選擇 8 路模擬輸入，使 8 路模擬輸入共用一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以直 接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。 圖 ADC 0809引腳排列圖 AD590 具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)量范圍在50℃ +150℃，滿刻度范圍誤差為177。 ℃，當(dāng)電源電壓在 5— 10V 之間，穩(wěn)定度為 1﹪時(shí)，誤差只有177。 ℃，其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。此外 AD590 是溫度 電流傳感器，對(duì)于提高系統(tǒng)抗干擾能力有很大的幫助。 5 方案 2：采用溫度傳感器 AD590 和 ADC0832 芯片。 ADC0832 是 NS(National Semiconductor)公司生產(chǎn)的具有 Microwire/Plus 串行接口的 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)三線接口與單片機(jī)連接，功耗低，性能價(jià)格比較高，適宜在袖珍式智能儀器中使用。圖 為 AT89C51 與 ADC0832 的 SPI 串行接口方式，將 DO和 DI分別接于 和 引腳。 圖 AT89C51與 ADC0832接口 方案 3：采用 DS18B20芯片。 DSB1820能夠直接讀出被測(cè)溫度，不需要任何外圍器件，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 可以分別在 93175 m s 和 750 m s 內(nèi)完成 9 位和 12 位的數(shù)字量 , 并且從DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根口線 (單線接口 ) 讀寫(xiě) , 溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線 , 總線本身也可以向所掛接的 DS18B20 供電 , 而無(wú)需額外電源。 比較這 3 種方案，方案 1 采用并行接口，轉(zhuǎn)換快，但考慮到此設(shè)計(jì)中所用外圍芯片較多， I/O 接口不足，雖然 ADC0832 與單片機(jī)只有三線接口，但方案 2 都需要外接器件 AD590 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 使用 DS18B20 比 AD590 精度低 （其 固有測(cè)溫分辨 率為 ℃，測(cè)量游泳池水溫已夠用 ），但比較圖 和圖 可知DS18B20 線路簡(jiǎn)單 ，不需要輔助電路 ，編程容易 。 DO DI CH0 CLK CS AT89C51 ADC0832 6 鍵盤(pán)顯示部分 控制與顯示電路是反映電路性能、外觀的最直觀部分，所以此部分電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響到電路的好壞。 方案 1：采用可編程控制器 8279 與數(shù)碼管及地址譯碼器 74LS138 組成，可圖 AD590、 ADC0832與單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)采集電路接口示意圖 圖 DS18B20 與單片機(jī)的接口示意圖 7 編程 /顯示器件 8279 實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的掃描、消除抖動(dòng)、提供 LED的顯示信號(hào)，并對(duì) LED 顯示控制。用 8279 和鍵盤(pán)組成的人機(jī)控制平臺(tái)，能夠方便的進(jìn)行控制單片機(jī)的輸出。 方 案 2：采用單片機(jī) AT89C51的 I/O口直接和按鍵連接，用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)，低電平有效。顯示采用 2位共陽(yáng) LED動(dòng)態(tài)顯示方式，顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個(gè)位。 2個(gè)數(shù)碼管共用同一個(gè)段碼輸出口，通過(guò)片選端口分時(shí)輪流通電。 對(duì)比兩種方案可知，方案 1 雖然也能很好的實(shí)現(xiàn)電路的要求，但考慮到電路設(shè)計(jì)的成本和電路整體的性能，我們采用方案 2。方案 2 接線簡(jiǎn)單，程序編寫(xiě)也容易。 8 3 AT89C51 單片機(jī) AT89C51 是美國(guó) ATMWEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片 機(jī)，片內(nèi)含 4K byes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMWEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89C51 單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用與各種控制領(lǐng)域。 其主要工作特性是： 內(nèi)含 4KB 的 Flash 存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)次數(shù) 1000 次； 內(nèi)含 128 字節(jié)的 RAM； 具有 32 根可編程 I/O 線； 具有 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器； 具有 6 個(gè)中斷源、 5 個(gè)中斷矢量、 2 級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)； 具有 1 個(gè)全雙工的可編程串行通信接口； 兩種低功耗工作模式，即空閑模式和掉電模式； 具有可編程的 3 級(jí)程序鎖定位； AT89C51 的工作電源電壓為 5（ 1177。 ） V 且典型值為 5V， AT89C51 的工作電源為 ～ 6V，是低電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)； AT89C51 最高工作頻率為 24MHz。 單片機(jī)的基本組成 單片機(jī)的基本組成如圖 所示。 中央處理器 單片機(jī)的中央處理器（ CPU）是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制操作。中央處理 器包括運(yùn)算器和控制器兩部分。 單片機(jī) CPU 和通用微處理器基本相同，只是增加了“面向控制”的處理功能，如位處理器、查表、多種跳轉(zhuǎn)等。 （ 1）運(yùn)算器 9 運(yùn)算器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)算術(shù)、邏輯運(yùn)算和位操作。其中包括算術(shù)和邏輯運(yùn)算單元 ALU、累加器 ACC、 B寄存器、程序控制字 PSW 和兩個(gè)暫存器等。 圖 AT89C51的基本組成 （ 2）控制器 控制器是識(shí)別指令并根據(jù)指令性質(zhì)協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)內(nèi)各組成單元進(jìn)行工作的部件?？刂破髦饕ǔ绦蛴?jì)數(shù)器 PC、 PC增量其、指令寄存器、指令譯碼器、定時(shí)及控制邏輯電路等。其功能是控制指令的讀入 、譯碼和執(zhí)行，并對(duì)指令執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行定時(shí)和邏輯控制。 存儲(chǔ)器 10 單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 程序存儲(chǔ)器主要用來(lái)存儲(chǔ)指令代碼和一些常數(shù)及表格。標(biāo)準(zhǔn)型 AT89 單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器采用 4 KB 的快速擦寫(xiě)存儲(chǔ)器 Flash Memory,編程和擦除完全是電氣實(shí)現(xiàn)。編程和擦除速度快，可以使用通用的編程器脫機(jī)編程，也可在線編程。 在單片機(jī)中，用隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 來(lái)存儲(chǔ)程序運(yùn)行期間的工作變量和數(shù)據(jù)，所以又稱(chēng)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。標(biāo)準(zhǔn)型 AT89 單片機(jī)含有 128 8位 RAM，采用單字節(jié)地址。實(shí)際上片內(nèi)的字節(jié)地址 空間是 26個(gè)（ 00H～ FFH），其中高 128字節(jié)地址（ 80H～FFH）被特殊功能寄存器 SFR 占用，用戶只能使用低 128 字節(jié)單元（ 00H～ 7FH）來(lái)存放可讀 /寫(xiě)的數(shù)據(jù)。 外圍接口電路 CPU 與外部設(shè)備的信息交換都要通過(guò)接口電路進(jìn)行。這主要是為了解決 CPU的高速處理能力和外部設(shè)備低速運(yùn)行之間的速度匹配問(wèn)題，并可以有效的提高CPU 的工作效率；同時(shí)也提高了 CPU 的對(duì)外驅(qū)動(dòng)能力。輸出接口電路具有鎖存器和驅(qū)動(dòng)器，輸入接口電路具有三態(tài)門(mén)控制，成為接口電路的基本特征。 AT89C51 單片機(jī)的外圍接口電路主要包括 ： 4 個(gè)可編程并行 I/O 口， 1個(gè)可編程串行口， 2 個(gè) 16 位的可編程定時(shí)器以及中斷系統(tǒng)等。 時(shí)鐘震蕩電路 時(shí)鐘振蕩電路是 CPU 所需要的各種定時(shí)控制信號(hào)的必備單元。 CPU 只有在時(shí)序信號(hào)和控制信號(hào)的協(xié)調(diào)工作下，才能執(zhí)行各種指令。 單片機(jī)芯片內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。 AT89C51的晶振頻率最高為 24MHz。 引腳排列及功能 AT89C51 單片機(jī)的封裝形式有 PDIP,TQFP 和 PLCC 等。圖 為 PDIP 封裝的引腳排列圖。 11 圖 AT89C51引腳排列（ PDIP） I/O 口線 P0口 8位，漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。 當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器及外擴(kuò) I/O 口時(shí)， P0口作為低字節(jié)地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用線。在編程時(shí)， P0 口可用于接收指令代碼字節(jié)；在程序校驗(yàn)是， P0 口可輸出指令字節(jié)（這時(shí)需要加外部上拉電阻）。 P0 口也可做通用 I/O 口使用，但需加上拉電阻，變?yōu)闇?zhǔn)雙向口。當(dāng)作為普通輸入時(shí)，應(yīng)將輸出鎖存器置 口可驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL 負(fù)載。 P1 口 8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電阻。 P1 口是為用戶準(zhǔn)備的 I/O 雙向口。在編程和校驗(yàn)時(shí)，可用做輸入低 8位地址。用做輸入時(shí) ，應(yīng)先將輸出鎖存器置 1。 P1 口可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL 負(fù)載。 P2 口 8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電阻。 當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器或外擴(kuò) I/O 口時(shí)， P2 口輸出高 8 位地址。在編程 /校驗(yàn)時(shí)，P2 口可接收高字節(jié)地址和某些控制信號(hào)。 12 P2 口也可做普通 I/O 口使用。用做輸入時(shí)，應(yīng)先將輸出鎖存器置 1。 P2 口也可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。 P3 口 8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電阻。 P3 口可做普通 I/O 口使用。用做輸入時(shí)，應(yīng)先將輸出鎖存器置 1。在編程 /校驗(yàn)時(shí)， P3 口接收某些控制信號(hào)。它可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL負(fù)載。 P3 口 還提供各種替代功能，如表 所列 。 表 31 P3口替代功能 引腳 替代功能 說(shuō)明 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 0INT 外部中斷 0 申請(qǐng) 1INT 外部中斷 1 申請(qǐng) T0 定時(shí)器 0外部事件計(jì)數(shù)輸入 T1 定時(shí)器 1外部事件計(jì)數(shù)輸入 WR 外部 RAM 寫(xiě)選通 RD 外部 RAM 讀選通 控制信號(hào)線 RST復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效。在振蕩器穩(wěn)定工作室，在 RST 腳施加兩個(gè)機(jī)器周期（即 24 個(gè)晶振周期）以上的高電平，將器件復(fù)位。 EA /VPP外部程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào) EA(External Access Enable)。 當(dāng) EA 信號(hào)接地時(shí)，對(duì) ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器，地址為 0000H～FFFFH；當(dāng) EA接 VCC 時(shí)，對(duì) ROM 的讀操作從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ)器。 在編程時(shí)，該引腳可接編程電壓（ AT89C51 的 VPP 為 5V 或 12V）。在編程校驗(yàn)時(shí)，該引腳可接 VCC。 13 PSEN 片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) PSEN(Program Store Enable),低電平有效。 在片外程序存儲(chǔ)器取指令期間，當(dāng) PSEN 有效時(shí)，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容別送至 P0口（數(shù)據(jù)總線）；在訪問(wèn)