【文章內(nèi)容簡介】 及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案分析 目前， STC 單片機(jī)的開發(fā)主要用到兩種語言： C語 言和匯編語言。而與匯編語言相比， C 語言具有以下兩個(gè)特點(diǎn)： (1) 具有結(jié)構(gòu)化控制語句 結(jié)構(gòu)化控制語句的顯著特征是將程序的代碼和數(shù)據(jù)的功能，即程序交流各部分除必要的相互獨(dú)立。這樣的方法可以使程序結(jié)構(gòu)清晰明了，易于使用，維護(hù)和調(diào)試。 (2) 適用的范圍大簡、潔和可移植性好 與其他高級語言 C語言和不依賴于具體的 CUP，源程序具有很好的可移植性。代碼簡單易懂，易于工程?，F(xiàn)在主流的 CPU 和普通單片機(jī)開發(fā)的 C編譯器。軟件設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境的是 KEIL 編譯器生成的代碼效率高，因此，選擇使用 C 語言開發(fā)本系統(tǒng)的軟件。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 5 3 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選擇與其性能分析 單片機(jī)概述 Intel 公司推出的 8位單片機(jī)： 1976 年推出的 MCS48 系列： 8039， 8048 等。 1980 年推出了 MCS51 系列： 8031， 8051， 8751， 8052 等。其中 8054 成為重要的品種，應(yīng)用和普及得非常廣泛。 Atmel、 Maxim、 Philips、 Siemens、 ADI、 DALLAS、 ANALOG 等半導(dǎo)體公司，也能生產(chǎn)出與 8054 相兼容的低功耗、高性能的產(chǎn)品。 ATMEL公司的 89C54系 列產(chǎn)品是近年來在我國非常流行的單片機(jī)。 單 片機(jī)是采用 STC89C54 芯片，該芯片是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS8 位微控制器采用 STC 公司生產(chǎn)的，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。采用經(jīng)典的MCS51 內(nèi)核 STC89C54，但做了很多的改進(jìn)使得與傳統(tǒng)的 51單片機(jī)芯片不具備的功能。在單個(gè)芯片上，擁有 8 位 CPU 與在系統(tǒng)可編程 Flash，靈活性高的 STC89C54提供解決方案，為許多嵌入式控制應(yīng)用，效率高。 具有如表 功能： 表 容 MCS51指令系統(tǒng) 8K字節(jié)程序存儲(chǔ)空間 32個(gè)雙向 I/O口 ～ 三個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 內(nèi)帶 4K字節(jié) EEPROM存儲(chǔ)空間 可直接使用串口下載 5個(gè)中斷源 壽命 1000寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間 10年 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 本設(shè)計(jì)中只是讓單片機(jī)能夠工作并未設(shè)計(jì)復(fù)位電路，只有晶振電路，為保證晶振起振將對地并聯(lián)兩個(gè)電容都為 30pF。 單片機(jī) STC89C54 的介紹 MCS51系列單片機(jī)的代表性產(chǎn)品為 STC89C54， STC89C54 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)。 STC89C54 具有軟硬件相結(jié)合，體積小，可以 很容易嵌入進(jìn)各種應(yīng)用系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)。因此，以單片機(jī)為核心的嵌入式控制系統(tǒng)在下述的各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，其中片內(nèi)含有 64KB 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，單片機(jī)就是一片半導(dǎo)體硅片上集成了中央處理器單元，存儲(chǔ)器（ ROM、 RAM）、并行 I/O 口、串行 I/O 口、 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 6 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘電路及系統(tǒng)總線的微型單片機(jī)?？商峁┰S多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活上午應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 STC89C54 單片機(jī)基本組成包括有 : ? 一個(gè) 8位的微處理器； ? 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 有 128B， 21 個(gè)特殊功能寄存器 SFR； ? 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 Flash ROM 有 4KB；可尋址片內(nèi)外統(tǒng)一編址的 64KB 的ROM， ? 可尋址片外 64KB 的 RAM； ? 4個(gè) 8位并行 I/O接口（ P0— P3）； ? 一個(gè)全雙工通用異步串行接口 UART； ? 兩個(gè) 16位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； ? 五個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)； ? 具有位操作功能的布爾處理機(jī)及位尋址功能； ? 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路。 STC89C54 的管腳圖如下 所示 圖 STC89C54管腳圖 各引腳功能簡單介紹如下： (1)電源引腳 : Vcc（ 40 腳）：電源 端，接 +5V電源。 Vss（ 20 腳）：接地端，接 +5V電源地端。 (2)時(shí)鐘振蕩器外接晶體引腳： XTAL1 和 XTAL2 STC89C54 內(nèi)部有一個(gè)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路。 XTAL1（ 19腳）：片內(nèi)振蕩電路反相放大器輸入 。 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 7 XTAL2（ 18腳）：片內(nèi)振蕩電路反相放大器輸出。 (3) 控制信號引腳： RST、 ALE、 PSEN、 EA RST (9 腳 )：復(fù)位信號輸入端，高電平有效。保持兩個(gè)機(jī)器周期高電平時(shí) ,完成復(fù)位操作。 ALE/PROG (30 腳 )： 地址鎖存 石通過 使能脈沖編程輸出 /輸入， 石英 晶振頻率的連續(xù)輸出 1 / 6 脈沖信號。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器：可作為低 8 位地址鎖存 P0控制信號。 對 89C54 片內(nèi) ROM 編程寫入時(shí)：作為編程脈沖輸入端。 PSEN (29 腳 ): 外部程序存儲(chǔ)器的選通信號。是由外部程序存儲(chǔ)器取址期間，每個(gè)機(jī)器周期 PSEN是兩次有效。但是在訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號是不會(huì)出現(xiàn)； EA/ PPV (31 腳 )：外部程序存儲(chǔ)器的地址使能輸 入 /編程電壓輸入端。 平常接 “1” 時(shí)， CPU 訪問片內(nèi) 4KB 的 ROM，當(dāng)訪問地址超過 4KB時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外 ROM 中的程序。 當(dāng)接 “0” 時(shí)， CPU 只訪問片外 ROM。 第 2 功能 Vpp 對 8751 編程時(shí)，編程電壓輸入端。 (4)輸入 /輸出端口引腳 P0、 P P P3 4 個(gè) 8 位的并行輸入 /輸出端口，共 32 個(gè)引腳。作為通用輸入 /輸出端口，P0、 P2 和 P3 端口又各自有第 2 功能。 ① 通用輸入 /輸出端口 準(zhǔn)雙向口 : 作輸入時(shí)要先對鎖存器寫 “1” 。 P0 端口（ — ，第 39— 32 腳）： 漏極開路的準(zhǔn)雙向口 ,輸出能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) 74LS 類型的負(fù)載。 P1 端口（ — ，第 1— 8 腳）： 內(nèi)部帶上拉電阻的準(zhǔn)雙向口 ,輸出能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) 74LS 負(fù)載。 P2 端口（ — ，第 21— 28 腳）： 內(nèi)部帶上拉電阻的準(zhǔn)雙向口 ,輸出能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) 74LS 負(fù)載。 P3 端口（ — ，第 10— 17 腳）： 內(nèi)部帶上拉電阻的準(zhǔn)雙向口 ,輸出能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) 74LS 負(fù)載。 ② P0、 P P3 端口的第二功能 P0 端口：是 8 位并行端口具有雙功能， P0 端 口 I/O 作為一種通用的，在外接上拉電阻，因此 P0端口不存在高阻抗（懸?。顟B(tài)，所以它是一個(gè)準(zhǔn)雙向口。P0 口提供低 8 位讀取地址 (A0A7)和 8 位數(shù)據(jù)讀取 (D0D7)總線。然而就需要一個(gè) 8 位鎖存器 ,利用 ALE(地址鎖存允許 )來鎖存 P0口低 8位的地址信號。 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 8 P2 端口：在 CPU 訪問外部存儲(chǔ)器或者 I/O 接口時(shí)， P2口提供的高 8位地址(A8A15)的總線信號。 P3 端口：在 CPU 訪問外部存儲(chǔ)器或 I/O 接口時(shí)， P3 口提供讀、寫控制總線信號。還提供串行通信、外部中斷、計(jì)數(shù)器的外部計(jì)數(shù)輸入信號等。如表 所示。 表 P3口的第二功能 口 線 信 號 功 能 RXD 串行口數(shù)據(jù)輸入（接收數(shù)據(jù)） TXD 串行口數(shù)據(jù)輸出（發(fā)送數(shù)據(jù)） INT0 外部中斷 0輸入 INT1 外部中斷 1輸入 T0 定時(shí)器 0的外部輸入（計(jì)數(shù)輸入） T1 定時(shí)器 1的外部輸入（計(jì)數(shù)輸入） WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通控制輸出 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通輸出控制 開關(guān)電源散熱器設(shè)計(jì)方法 單片開關(guān)電源集成電路的功率損耗主要由內(nèi)部功 率開關(guān)管（ MOSFET）產(chǎn)生的。因?yàn)殚_關(guān)電源的功率開關(guān)管（ MOSFET）工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，功耗 DP 在開關(guān)周期中是不斷的變化的，很難準(zhǔn)確計(jì)算出 DP 值。開關(guān)電源的功耗主要分為量部分：傳輸損耗和開關(guān)損耗。傳輸損耗是由 MOSFET 的通態(tài)電阻 )(ONDSR 而引起的，通態(tài)電阻越小傳輸就越低。開關(guān)損耗是 MOSFET 的漏極電容 DC 造成 的，通常傳輸損耗遠(yuǎn)大于開關(guān)損耗，開關(guān)損耗即可忽略不計(jì)。在大功率電源中，開關(guān)管發(fā)熱程度很大，該設(shè)計(jì)是讓傳感器靠近開關(guān)附近，通過測試開關(guān)管環(huán)境的溫度，進(jìn)而去控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，加速環(huán)境空氣的流通，通過物理方法進(jìn)行降溫。需要指出的是在對點(diǎn)片開關(guān)電源集成電路進(jìn)行熱參數(shù)計(jì)算，只需要考慮元件件本身的損耗。 單片機(jī)晶振電路 單片機(jī)系統(tǒng)里都有 晶振 ， 在本文介紹的晶振為 12MHZ，如圖 （下圖的左邊圖為內(nèi)部振蕩方式，右圖為外部振蕩方式） 在單片機(jī)系統(tǒng) 中 晶振作用 就如同人的心臟 ， 沒有晶振的啟振，單片機(jī)就沒有辦法工作。名稱 叫晶體振蕩器， 它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生 STC89C54 所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振 所 提供的時(shí)鐘頻率越高 則 單片機(jī) （ STC89C54） 運(yùn)行速度就越快，單片 機(jī)接收到 的一切指令的執(zhí) 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 9 行都是 通過 建立在單片機(jī) 石英 晶振提供的時(shí)鐘頻率。 圖 當(dāng)石英晶振在正常的工作條件下，晶振所產(chǎn)生的頻率絕對精度可達(dá)到百萬分之五十。更先進(jìn)的以達(dá)到更高的精度。一些晶體也可以在 一定范圍之內(nèi)調(diào)整所施加的電壓的頻率，這種稱為壓控振蕩器（ VCO）。晶振是一種通過共振狀態(tài)將機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的單頻振蕩，準(zhǔn)確。 單片機(jī)晶振的作用是為 本 系統(tǒng)提供 所需要 的時(shí)鐘信號。通常一個(gè)系統(tǒng) 是可以共用一個(gè)晶振， 以此 便于各部分保持同步。 但是 通訊系統(tǒng)的基頻和射頻 中 使用不同的晶振， 就可以 通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。 當(dāng)采用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí) ,片外連接的石英晶體和微調(diào)電容 C C3接在放大器中反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容 C C3 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。雖然沒有十分嚴(yán)格的要求但是電容容量的大小 會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩工作的穩(wěn)定性、及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦使用 30pf177。10pf，在本設(shè)計(jì)中晶振的微調(diào)電容選擇獨(dú)石電容 22pf，根據(jù)查資料得知使用陶瓷振蕩器最好選擇 40pf177。 10pf，產(chǎn)生原始的振蕩脈沖信號。仿真如圖 所示。 圖 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 10 單片機(jī)復(fù)位電路 復(fù)位操作是所有單片機(jī)的都有初始化操作。在單片機(jī)運(yùn)行工作時(shí)都需要復(fù)位，其作用是在判斷一個(gè)確定的初始狀態(tài)，使單片機(jī)和其他系統(tǒng)組件，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。 單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn) 。 當(dāng) STC89C54 單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST 有 2個(gè)高電平周期比平時(shí)多，其將執(zhí)行復(fù)位操作。 如果 復(fù)位一直 持續(xù)為高電平 ， 單片機(jī)就 將 處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。 根據(jù) 在應(yīng)中用 的要求，復(fù)位操作 有 兩種基本形式 ： 上電復(fù)位和 手動(dòng) 復(fù)位。 開機(jī) 上電復(fù)位： 在 上電 的 瞬間， 電解 電容充電 的 電流最大， 電解 電容相當(dāng)于短路， 復(fù)位端（ RST） 端為高電平 就 自動(dòng)復(fù)位； 電解 電容兩端的電壓達(dá)到電源電壓時(shí)， 電解 電容充電電流為零， 電解 電容 就 相當(dāng)于 是 開路， 復(fù)位端（ RST） 端為低電平， 則 程序 就 正常運(yùn)行。 圖 Protues仿真復(fù)位圖 傳感器的選擇與 其性能分析 方案論證： 方 案一 由于本模塊是測溫電路，可以用紅外測溫，就是利用紅外測溫傳感器。通過對開關(guān)管（ MOSFET）的節(jié)點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)的采集，再進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以交給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，然后在數(shù)碼管顯示，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計(jì)需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，就要用到 A/D 芯片，考慮到電路交復(fù)雜，程序不是很容易寫出來，其中還涉及到紅外解碼與編碼，電路受干擾比較大。而且在對采集的信號進(jìn)行放大時(shí)容易受溫度的影響出現(xiàn)較大的偏差。 方案二 為了考慮到溫度傳感器，通過單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中， 一般采用的傳感器，它可 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 11 以使用 DS18B20 溫度傳感器，該傳感器可以直接讀取被測溫度值，轉(zhuǎn)換，電路簡單，精度高，軟件和硬件實(shí)現(xiàn)容易，然后用接口芯片的系統(tǒng)，滿足設(shè)計(jì)要求。 從以上兩種方案，很容易得出結(jié)論，應(yīng)該采用方案二，電路比較簡單、易實(shí)現(xiàn)、成本低、可靠性高、程序設(shè)計(jì)也比較簡單，所以采用了方案二。 DS18B20 的主要特征： ? 全數(shù)字溫