【文章內(nèi)容簡介】 6 180176。旋轉(zhuǎn)工作流程示意圖 窗戶開閉狀態(tài)圖 拿下防護罩狀態(tài)圖 齒輪與齒條離合狀態(tài)圖 旋轉(zhuǎn)后狀態(tài)圖 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 8 3 自動控制系統(tǒng)主要硬件的設(shè)計 單片機選型 單片機發(fā)展過程 單片機是一種集成電路芯片。它采用超大規(guī)模技術(shù)將具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器 (CPU)、存儲器（含程序存儲器 ROM 和數(shù)據(jù)存儲器 RAM）、輸入、輸出接口電路 (I/O 接口 )集成在同一塊芯片上，構(gòu)成一個既小巧又很完善的計算機硬件 系統(tǒng)，在單片機程序的控制下能準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。其 誕生于 20 世紀(jì) 70 年代末， 主要 經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SOC 三大階段。 1） SCM 即單片微型計算機（ Single Chip Microputer）階段，主要是尋求最佳的單片形嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。 “ 創(chuàng)新模式 ” 獲得成功，奠定了 SCM 與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上， Intel公司功不可沒。 2） MCU 即微控制器（ Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M 足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。 3)MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看， Intel逐漸淡出 MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展 MCU方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù) Philips公司。 Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將 MCS51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。 4)單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向 MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了 SOC 化趨勢。隨著微電子 技術(shù)、IC 設(shè)計、 EDA 工具的發(fā)展，基于 SOC的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單 片應(yīng)用系統(tǒng) [4]。 單片機發(fā)展趨勢 （ 1） CMOS化 近年，由于 CHMOS技術(shù)的進 步 ，大大地促進了單片機的 CMOS 化。 CMOS 芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機可以工作在功耗精細管理狀態(tài)。因為單片機芯片多數(shù)是采用 CMOS（金屬柵氧化物）半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。 CMOS電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的 TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS 工藝。 CHMOS 和 HMOS 工藝的結(jié)合。目前生產(chǎn)的 CHMOS 電路已達到 LSTTL 的速度，傳輸延遲時間小于 2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于 TTL 電路。因而，在單片機領(lǐng)域 CMOS 正在逐漸取代 TTL電 路。 （ 2）高性能化 主要是指進一步改進 CPU 的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運行速度?，F(xiàn)指令速度最高者已達 100MIPS（ Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加強了位處理功能、中斷和定時控制功能。這類單片機的運算速度比標(biāo)準(zhǔn)的單片機高出 10 倍以上。由于這類單片機有極高的指令速度，就可以用軟件模擬其 I/O功能，由此引入了虛擬外設(shè)的新概念 。 （ 3）低噪聲與高可靠性 為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片廠家在單片機內(nèi)部電路中都采用了新的技術(shù)措施。 （ 4） 低功耗化 單片機的功耗已從 Ma 級，甚至 1uA以下；使用電壓在 3至 6V 之間，完全適應(yīng) 電池工作。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化 （ 5） 大容量化 以往單片機內(nèi)的 ROM 為 1KB 至 4KB， RAM 為 64B至 128B。但在需要復(fù)雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，須運用新的工藝，使片內(nèi)存儲器大容量化。目前，單片機內(nèi) ROM最大可達 64KB， RAM最大為 2KB （ 6） 低電壓化 幾乎所有的單片機都有 WAIT、 STOP 等省電運行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3至 6V范圍內(nèi)工作。低電壓供電的單片機電源下限已 可達 1至 2V。目前 [5]。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 9 AT89S51 單片機簡介 隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機的集成度將更高、體積將更小、功能 更強 。在單片機家族中， 80C51 系列是其中的佼佼者，加之 Intel 公司將其MCS – 51 系列中的 80C51內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名 IC制造廠商，如 Philips、 NEC、 Atmel、 AMD、華邦等，這些公司都在保持與 80C51 單片機兼容的基礎(chǔ)上改善了 80C51 的許多特性。這樣， 80C51 就變成有眾多制造廠商支持的 、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為 80C51 系列。 80C51 系列 單片機已成為單片機發(fā)展的主流。專家認為，雖然世界上的 MCU 品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明， 80C51 系列 可能最終形成事實上的標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯片 [6]。 本設(shè)計采用 美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機 AT89S51。其 片內(nèi)含4K bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash程序存儲器，既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中 ,ATMEL 公司的功能強大，低價AT89S51單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 主要性能參數(shù)： （ 1）與 MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 （ 2） 4K字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash閃速存儲器 （ 3） 1000次擦寫周期 （ 4） 的工作電壓范圍 （ 5）全靜態(tài)工作模式： 0HZ33MHZ （ 6）三級程序加密鎖 （ 7） 128*8字節(jié)內(nèi)部 RAM32個可編程 I/O口線 （ 8） 2個 16 位定時 /計數(shù)器 （ 9） 6個中 斷源 （ 10）全雙工串行 UART通道 （ 11）低功耗空閑和掉電模式 （ 12）中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) （ 13）看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 （ 14）掉電標(biāo)示和快速編程特性 （ 15）靈活的在系統(tǒng)編程（ ISP字節(jié)或頁寫模式） 數(shù)據(jù)檢測傳感器的選擇 數(shù)據(jù)檢測傳感模塊組成 根據(jù)該設(shè)計的功能要求 數(shù)據(jù)檢測傳感 系統(tǒng) 由四個部分組成 ： 1)光度 傳感電路 ； 2)風(fēng)速傳感電路； 3） 濕度傳感電路 ； 4)有害氣體傳感電路 ； 5)紅外防盜傳感 器。 傳感器選型及電路 傳感器是一種檢測裝置， 能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié) [9]。 光度傳感器 光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、 光敏電阻 、 光敏三極管 、太陽能電池、 紅外線傳感器 、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、 CCD和 CMOS圖像傳感器等。它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫 外線波長。 其中最簡單的光敏傳感器是光敏電阻，本設(shè)計中采用光敏電阻與驅(qū)動電路來構(gòu)成光敏傳感電路。電路圖如圖 21所示 。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 10 + 5 V1 M R R 1R 2光 敏 電 阻AP 2 . 1 圖 31 光敏傳感器驅(qū)動電路 圖 31中 ，當(dāng)外界環(huán)境光照強時，光敏電阻 R2阻值較小，則 A點電平較低；當(dāng)外界環(huán)境光照弱時，光敏電阻 R2阻值較大，則 A點電平較高，將此電平送到單片機，由程序控制是否驅(qū)動電機開關(guān)窗。 風(fēng)速傳感器 風(fēng)速傳感器是 將空氣的流動速度變量轉(zhuǎn)換成有一定對應(yīng)關(guān)系的輸出信號的裝置。風(fēng)速 傳感器種類 有采用畢托管測風(fēng)速、熱線熱膜測風(fēng)速、機械式傳感器測風(fēng)速、超聲波測風(fēng)速和三杯式風(fēng)速傳感器 測風(fēng)速 。在本設(shè)計中采用風(fēng)杯式 — YH12X風(fēng)速傳感器 ，產(chǎn)品見圖 32。 圖 32 YH12X風(fēng) 速傳感器 YH12X風(fēng)速傳感器工作原理 ：當(dāng)風(fēng)杯隨著氣流的運動而轉(zhuǎn)動時，風(fēng)速軸帶動碼盤與風(fēng)杯成正比地轉(zhuǎn)動，從而輸出電脈沖信號，將機械轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)換成電信號。風(fēng)向測量采用進口紅外光電管 ,格雷碼盤等器件。當(dāng)風(fēng)向標(biāo)隨著氣流的運動而轉(zhuǎn)動時，風(fēng)向軸帶動格雷碼盤同時轉(zhuǎn)動 ,從而輸出七位格雷碼信號，將機械位置信號轉(zhuǎn)換成光電脈沖信號，通過微處理器 CPU 記錄每秒種的產(chǎn)生的光電脈沖的個數(shù)，快速運算處理后即可的出氣流的運動速度。計算原理如下： 每秒種產(chǎn)生光電脈沖的個數(shù)： n 齒輪的圓周半徑 ： R (m) 齒輪的總個數(shù)： N 風(fēng)杯軸承的傳動系數(shù)： η 風(fēng)杯的線速度 : V1(m/s) 風(fēng)速： V （ m/s） 風(fēng)速的計算公式為： ?VV? (31) 風(fēng)杯的轉(zhuǎn)動線速度： N nRV 36021 ?? (32) 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 11 可通過轉(zhuǎn)換處理將數(shù)據(jù)以其他形式輸出，傳遞給其他智能設(shè)備。 YH42X風(fēng)速顯示器工作原理： 風(fēng)速顯示器對接收到的風(fēng)速信息進行處理 ,換算轉(zhuǎn)化成實際風(fēng)速風(fēng)級顯示到對應(yīng)的顯示器中 ,風(fēng)速顯示器還可以針對預(yù)先設(shè)定的報警參數(shù) ,當(dāng)風(fēng)速超過其參數(shù)時 觸發(fā)關(guān)窗信號，單片機接到信號處理后，通過驅(qū)動電路驅(qū)動電機，完成關(guān)窗動作。 濕度傳感器 Honeywell公司的 HIH3610 濕度傳感器是為大批量 OEM 設(shè)計，具有濕度儀表級測量性能，低成本， SIP封裝。線形放大電壓輸出，驅(qū)動電流 200 微安，器件一致性好 [3]。 特點： 濕度傳感器 HIH3610主要性能： （ 1）熱固性聚合物電容濕度傳感 器，帶集成信號處理電路 （ 2） 3針可焊塑封 （ 3）寬量程： 0～ 100％ RH 非凝結(jié)，寬工作溫度范圍 – 40～ 85℃ （ 4）高精度： 177。2 ％ RH，極好的線形輸出 （ 5） 5VDC恒壓供電， （ 6）低功耗設(shè)計 200 微安 驅(qū)動電流 （ 7）激光修正互換性 （ 8）快速響應(yīng) 15秒 （ 9）穩(wěn)定性好，低溫 漂 ，抗化學(xué)腐蝕性能 其引腳如圖 32所示： + 5 VH I H 3 6 1 0V o u t 圖 32 HIH3610引腳圖 有害氣體傳感器 MY1000系列電化學(xué)式一氧化 碳氣體傳感器是由廣州市中敏儀器有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品 ,它是一種定電位電解式電流型傳感器。該產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，功耗低，測量精度高，穩(wěn)定性好，壽命長等優(yōu)點。其性能和可靠性達到國內(nèi)或國外同類產(chǎn)品的水平，屬于氣體傳感器整機的核心部件 [3]。 （ 1）檢測原理： 本傳感器元件采用的是定電位電解原理，組成主要由三個電極組成，電極材料是貴金屬催化劑，主要是鉑黑，其中各電極的作用如下：工作電極（ W）：一氧化碳氣體的氧化，對電極（ C）：氧氣的還原，對電極（ R）：為工作電極提供恒定電位。 當(dāng)一氧化碳接觸到工作電極時，即發(fā)生氧 化反應(yīng)，生成二氧化碳和氫離子，并產(chǎn)生電子，氫離子發(fā)生離子遷移，在對電極上接受電子，并與氧氣發(fā)生還原發(fā)應(yīng)，生成水。電極反應(yīng)如下 。 工作電極： CO+H2O→ CO2+2H++2e－ 對電極： 1/2O2+2H++2e－ → H2O 總反應(yīng)： 2 CO＋ O2→ 2 CO2 由反應(yīng)式可知產(chǎn)生的電流大小與一氧化碳的濃度成正比，因此可以通過測量產(chǎn)生的電流的大小就可以檢測出一氧化碳的濃度。 （ 2）技術(shù)指標(biāo)： 表 31 MY1000技術(shù)性指標(biāo) 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 12 范 圍 參數(shù) 檢測范圍 0至 1000ppm 相對誤差 177。 5％ 壓力范圍 86106 Kappa 先好衰減 %2/月 溫度系數(shù) % 相對濕度 %30至 95% 響應(yīng)時間 ≤ 10s 零點漂移 5ppm （ 3）原理電路圖： [2] + 5 VLM 324LM 324CEWEREOUT78+78+78+222SensorLM 324圖 33 氣敏傳感器放大電路 人體熱釋紅外傳感器 （ 1）熱釋電紅外傳感裝置工作原理 人體具有約 37℃的恒定體溫，所以會發(fā)出波長約 10μ m 左右的紅外線。熱釋電紅外傳感器 PIS209S就是靠探測人 體發(fā)射的 10μ