【正文】 到低于某值時(shí)接通電爐開始加熱，從而保持恒溫控制。本系統(tǒng)用單片機(jī)來(lái)控制溫度。 北 華 化航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 第 4 章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)思路 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可劃分為兩部分 : 一是與單片機(jī)直接接口的數(shù)字電路范圍的電路芯片的設(shè)計(jì)。如存儲(chǔ)器和并行接口的擴(kuò)展 , 定時(shí)系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)擴(kuò)展 , 一般的外部設(shè)備的 接口 , 甚至于 A/D、 D/A 芯片的接口。 二 是與模擬電路相關(guān)的電路設(shè)計(jì) , 包括信 號(hào)整形、變換、隔離和選用傳感器 。 輸出通道中的隔離和驅(qū)動(dòng)以及執(zhí)行元件的選用。 (1)從應(yīng)用系統(tǒng)的總線觀念出發(fā) , 各局部系統(tǒng)和通道接口設(shè)計(jì)與單片機(jī)要 做到全局一盤棋。例如 , 芯片間的時(shí)間是否匹配 , 電平是否兼容 , 能否實(shí)現(xiàn)總 線隔離緩沖等 , 避免“拼盤”戰(zhàn)術(shù)。 (2)盡可能選用符合單片機(jī)用法的典型電路。 (3)盡可能采用新技術(shù) , 選用新的元件及芯片。 (4)抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容 , 如看門狗電路、 去耦濾波、通道 隔離、合理的印制板布線等。 (5)當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展的各類接口芯片較多時(shí) , 要充分考慮到總線驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng) 負(fù)載超過允許范圍時(shí) , 為了保證系統(tǒng)可靠工作 , 必須加總線驅(qū)動(dòng)器。 (6)可用印制板輔助設(shè)計(jì)軟件 , 如 PROTEL 進(jìn)行印制板的設(shè)計(jì)。 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件電路包括主機(jī)、溫度檢測(cè)、溫度控制、人機(jī)對(duì)話（鍵盤 /顯示 /報(bào)警） 4 個(gè) 主要部分。圖 1 為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，圖 2為系統(tǒng)的硬件電路原理圖。 圖 41 電烤箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框 主機(jī)溫度顯示鍵盤聲音報(bào)警A / D 轉(zhuǎn)換器 變送器 熱電阻光耦 驅(qū)動(dòng)器 可控硅調(diào)功器電爐人 機(jī) 對(duì) 話部 分溫 度 檢 測(cè)部 分溫 度 控 制部 分北 華 化航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 8 圖 42電烤箱控制系統(tǒng)硬件電路原理 圖 主機(jī) 主機(jī)的選擇 由于系統(tǒng)的控制方案簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量不大，因此初步選用 MCS51 系列單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它將中央處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器（ ROM/RAM）、輸入輸出接口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等主要計(jì)算機(jī)部件集成在一片芯片上，因此單片機(jī)被稱為單片微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer）。目前單片機(jī)是計(jì)算機(jī)家族中重要的一員。單片機(jī)配上適當(dāng)?shù)耐鈬O(shè)備和軟件，便可構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)具有功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低和抗 干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。 北 華 化航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 MCS51系列單片機(jī)包括 805 8751 和 8031 三種產(chǎn)品，其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活。 因此 MSC51 單片機(jī)被譽(yù)為“控制領(lǐng)域中的最佳 8 位微型計(jì)算機(jī)”。 圖 43 MSC51單片機(jī)的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)框圖 從圖 3 中可以看出，在一小塊芯片上集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)部分：一個(gè) 8 位CPU， 4KB ROM， 128B RAM， 32 條 I/O 口線 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè)具有 5 個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先基的嵌 套中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙 I/O 串行口，一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。 8051 片內(nèi)有 4K的 ROM。用戶將已開發(fā)好的程序交給制造廠商，在制造芯片時(shí)用掩膜型工序?qū)⒂脩舫绦驅(qū)懭?ROM。顯然用戶本身是無(wú)法將自己的程序?qū)懭?8051 芯片的。程序一經(jīng)寫入片內(nèi) ROM，用戶也無(wú)法改變程序。所以 8051 用在批量較大時(shí)，經(jīng)濟(jì)上才合算。 8751 片內(nèi)有 4K 的 EPROM。用戶可以用高壓脈沖將用戶程序?qū)懭肫瑑?nèi) EPROM。所以當(dāng)用戶的程序不長(zhǎng)時(shí)使用這種芯片可簡(jiǎn)化電路，也可以作為開發(fā)系統(tǒng)片內(nèi) 8051ROM 單片機(jī)的代用芯片。由于 EPROM 可通過照射 紫外光線抹去原有程序進(jìn)行改寫，所以這類芯片也可以用于程序的開發(fā)工作。 8031 片內(nèi)無(wú) ROM 或 EPROM，使用時(shí)必須配置外部的程序存儲(chǔ)器 EPROM。如不使用 8051或 8751 芯片片內(nèi)的 ROM 或 EPROM 即可將其作為 8031 使用。這種引腳相容的產(chǎn)品均可尋址64KB 的外部程序存儲(chǔ)器和 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 北 華 化航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 綜合上述，選用 8031 作為控制系統(tǒng)的核心，其構(gòu)成的成本低及不需要特殊的開發(fā)手段。 8031 內(nèi)部沒有 ROM，外擴(kuò) EPROM27256 作為程序存儲(chǔ)器，它具有價(jià)格低，使用靈活的優(yōu)點(diǎn)。也可視具體情況換用 805 805 875 875 80C5 89C5 89C52 等。其中，805 805 875 8752 的各個(gè)引腳輸入 /輸出電平只與 TTL 電平兼容； 89C5 89C580C51 各引腳輸入 /輸出電平既與 TTL 電平兼容，也與 CMOS 電平兼容。 8031 的晶振頻率為 6 MHz。 MCS－ 51(8031)信號(hào)引腳介紹 8031MCS－ 51 單片機(jī)是標(biāo)準(zhǔn)的 40 引腳雙列直插封裝（ DIP）集成電路芯片，引腳排列見圖 4。 其中，在 40 條引腳中有兩條專用電源引腳， 2 條外接晶體的引腳， 4 條控制或其他電源復(fù) 用的引腳， 32 條 I/O 引腳。 40 條引腳說明如下： （ 1） 信號(hào)引腳介紹 40只引腳按其功能來(lái)分，可分為如下三類： 1）電源及時(shí)鐘引腳： Vcc、 Vss、 XTAL XTAL2 ① Vss (20 腳 )：接地。 ② Vcc (40 腳 ) ：正常操作、對(duì) EPROM 編程時(shí)，接 +5V。 ③ XTAL1 (19 腳 )、 XTAL2(18 腳 ) ：時(shí)鐘引腳， 兩個(gè)時(shí)鐘引腳 XTAL1 、 XTAL2外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)振蕩器，它為單片機(jī)提供了時(shí)鐘控制信號(hào)。 2個(gè)時(shí)鐘引腳也可外接 獨(dú)立的晶體振蕩器。 XTAL1(19 腳 ) ：芯片內(nèi)部振蕩電路 (單級(jí)反相放大器 )輸入端。 XTAL2(18 腳 ) ：芯片內(nèi)部振蕩電路 (單級(jí)反相放大器 )輸出端。 8031 的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 內(nèi)部時(shí)鐘方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路將自激振蕩?？梢杂檬静ㄆ饔^察到 XTAL2 輸出的波形。定時(shí)元件可用晶體振蕩器和電容組成并聯(lián)諧振回路， 北 華 化航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 11 圖 44 MCS51 8031引腳圖 圖 45 8031時(shí)鐘電路 外部振蕩器是使用現(xiàn)成的外部振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，常用于多片 MCS51 單片機(jī)的同時(shí)工作，以便于多片 MCS51 單片機(jī)之間的同步，一般為低于 12MHZ 的方波。 接線如圖 5即 （ a） 所示。晶體振蕩頻率可在 2— 12MHz 之間選擇， C0 C02 在5— 30PF 之間選擇，外部時(shí)鐘方式 XTAL1 接地， XTAL2 接外部振蕩源。 2）控制引腳： PSEN、 ALE、 EA、 RESET(即 RST)。 ① RST(9 腳 )：復(fù)位信號(hào)輸入 端。 當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期（ 24 個(gè)時(shí)鐘振蕩周期）以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。單片機(jī)正常工作時(shí)，此腳應(yīng)為小于或等北 華 化航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 12 于 的低電平。 在 8031 單片機(jī)的時(shí)鐘電路工作以后， RST 引腳上出現(xiàn) 24 個(gè)振蕩周期以上的高電平， 8031 單片機(jī)芯片內(nèi)部初始復(fù)位。復(fù)位后， P0— P3口輸出高電平，即 P0— P3 口的內(nèi)容為 FFH，初值 07H 寫入棧指針 SP，其余的特殊功能寄存器和程序計(jì)數(shù)器 PC 被清“ 0”。 RST從高電平變?yōu)榈碗娖胶螅?8031 單片機(jī)從 0地址開始執(zhí)行程序。 8031 單片機(jī)初始復(fù)位不影響內(nèi)部 RAM 的狀態(tài)，包括工作寄存器 R0— R7。 8031 單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鈕復(fù)位兩種，另外，該引腳還具有復(fù)用功能。 Vcc 掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)。 Vcc 下降到低于規(guī)定的電平，而 VPD在其規(guī)定的電平范圍內(nèi)， VPD 就向內(nèi)部 RAM 提供備用電源。 ② ALE（ 30腳）：地址所存允許信號(hào)。 在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)， ALE 用于控制把 P0 口輸出的低 8位地址鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。當(dāng)訪問外部存貯器時(shí)（外部程序存貯器或外部數(shù)據(jù)存貯器）， ALE的輸出用于鎖存地址的地位字節(jié)。 此外，由于即使不訪問外部存貯器時(shí)， ALE 是仍以晶振 1/6 的固定頻率輸出的正脈沖，因此，可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。 ALE 端可以驅(qū)動(dòng) 8個(gè) LSTTL 輸入。 ③ PSEN（ 29腳）：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部 ROM 時(shí)， PSEN 有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部 ROM 單元的讀操作 . 當(dāng) 8031單片機(jī)訪問外部程序存貯器時(shí) ,將 PC的 16位地址輸出到 P2口和 P0口外部地址寄存器后， PSEN 產(chǎn)生負(fù)脈沖選通外 部程序存貯器，相應(yīng)的存貯器單元的指令字節(jié)送到 P0 口，供 8031 讀取。 只要看 PSEN、 ALE 和 XTAL2 是否有信號(hào)輸出，就可以判斷出 8031 是否在工作。 ④ EA（ 31 腳） :內(nèi) /外程序存儲(chǔ)器選擇控制端。當(dāng) EA 信號(hào)為低電平時(shí)，單片機(jī)只訪問外部存儲(chǔ)器，不論是否有內(nèi)部存儲(chǔ)器，對(duì)于 8031，因其無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以 EA必須接地；當(dāng) EA 為高電平時(shí)，對(duì) 8051 和 8751 來(lái)說，內(nèi)部有 4K 字節(jié)的程序存貯器。開機(jī)后， CPU 首先訪問 4KB 內(nèi)部程序存貯器，然后再訪問外部程序存貯器。當(dāng) EA 接地，則不使用內(nèi)部程序存貯器， CPU 取指令時(shí)，總是訪問外部程序存貯器。因此，對(duì) 8051 和 8751，EA 要接高電平，對(duì) 8031 來(lái)說， EA必須接地。 3） I/O 口引腳 :P0、 P P P3,為 4個(gè) 8位 I/O 口的外部引腳。 ① P0 口： ～ （ 39～ 32腳） P 口是一個(gè)漏極開路的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。當(dāng) P0 口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向鎖存器（地址 80H）寫入全1，此時(shí) P0 口的全部管腳浮空，可作為高阻抗輸入。作輸入口使用時(shí)要先寫 1，這就是準(zhǔn)雙向的含義。 CPU 訪問片外存 儲(chǔ)器時(shí)， P0 口是分時(shí)提供低 8 位地址和 8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。在此期間， P0 口內(nèi)部上拉電阻有效。 北 華 化航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 13 ② P1 口： ～ （ 1～ 8 腳） P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 P1 口的每一位能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。在 P1 口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向 P1 口鎖存器（地址 90H）寫入全 1，此時(shí) P1 口管腳由內(nèi)部上拉電阻接成高電平。 ③ P2 口： ～ （ P21～ 28 腳） P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上接電阻的 8位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 P2 口的每一位能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 ④ P3 口： ～ （ P21～ 28 腳） P3 口是一個(gè)帶內(nèi)部上接電阻的 8位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 P3 口的每一位能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 P3 口與其他 I/O 端口有很大區(qū)別，它除了作為一般準(zhǔn)雙向 I/O口外，每個(gè)管腳還具有專門的功能。 （ 2） 某些信號(hào)引腳的第二功能 由于工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等原因，芯片的引腳功能是有限的。因此就出現(xiàn)了需要與可能的矛盾，“兼職”是唯一可行的辦法，即給一些信號(hào)引腳賦以雙重功能（第二功能）。 MCS51 某些引腳的第二功能如下： 1) P3 口的第二功能。 P3 口的 8條 口線都定義有第二功能。見表 41. 表 41 P3口各引腳于第二功能 引腳 第二功能 信號(hào)名稱 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 INT0 外部中斷 0申請(qǐng) INT1 外部中斷 1申請(qǐng) T0 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入 T1 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 的外部輸入 WR 外部 RAM 寫選通 RD 外部 RAM 讀選通 2) EPROM 存儲(chǔ)程序固化所需的信號(hào)。有內(nèi)部 EPROM 的單片機(jī)芯片為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編 程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳以第二功能的形式提供的，即： 編程脈沖： 30腳（ ALE/PROG）對(duì)于 EPROM 型單片機(jī)，在 EPROM 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 北 華 化航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 14 編程電壓（ 21V）： 31 腳（ EA/VPP）對(duì)于 EPROM 型單片機(jī)，在 EPROM 編程期間，此引腳應(yīng)施加 21V 的編程電源（ VPP）。 3）備用電源引入：由 9腳（ RST