【文章內容簡介】 處理器的研制成功不久，就出現了單片的微型計算機即單片機，但最早出現的單片機是一位的， 1976 年 Intel 公司推出了 8 位的 MCS48 系列單片機，它以體積小、控制功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應用和好評，為單片機的發(fā)展奠定了堅實的基礎，成為重慶郵電大學移通學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 單片機發(fā)展史上一個重要階段，其后，在 MCS48 成功的刺激下，許多半導體芯片在生產廠商競相研制和發(fā)展自己的單片機系列。 80 年代末，世界各 地已相繼研制出大約 50 個系列 300 多個品種的單片機產品，其中包括 Motorola 公司的 6801， 6802， Zilog 公司的 Z8 系列， Rockwell 公司的 6501， 6502 等，此外，日本的 NEC 公司，日立公司等也不甘落后，相繼推出了各自的單片機品種。盡管目前單片機的品種很多，但是我過使用最多的是 Intel 公司的 MCS51 單片機系列。 MCS51 系列是在 MCS48 的基礎上于 20 世紀 80 年代初發(fā)展起來的，雖然它是 8 位的單片機，但其功能較MCS48 有很大的增強。此外，它還具有品種全，兼容性強，軟硬件資料豐 富等特點，因此應用愈加廣泛，成為比 MCS48 更重要的單片機品種，直到現在， MCS51 仍不失為單片機的主流系列。繼 8 位單片機之后，又出現了 16 位單片機， 1983 年 Intel 公司推出的 MCS96 系列單片機就是其中的典型代表。與 MCS51 相比， MCS96 不但字長增加一倍，而且在其他性能方面也有很大的提高，特別是芯片內還增加了一個 4 路或 8 路的 10 位 A/D 轉換器，使其具有 A/D 轉換的功能?？v觀單片機 近 30 年的發(fā)展歷程，單片機今后將向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價格、外圍電路簡單化以及片內存儲器 容量增加的方向發(fā)展。但其位數不一定會繼續(xù)增加，盡管現在已經有了 32 位單片機，但使用的并不多 [1]。 第二節(jié) 單片機 未來的發(fā)展 自單片機出現至今，單片機技術已走過了近 20 年的發(fā)展路程。縱觀 20 年來單片機發(fā)展里程可以看出，單片機技術的發(fā)展以微處理器（ MPU）技術及超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展為先導，以廣泛的應用領域拉動，表現出較微處理器更具個性的發(fā)展趨勢。 可以預言，今后的單片機將是功能更強，集成度和可靠性更高而功耗更低，以及使用更方便等特點。此外，專用化也是單片機的一個發(fā)展方向，針對單一用途的專用單 片機將會越來越多?，F在單片機的應用已經很廣泛：工業(yè)自動化方面自動化能使工業(yè)系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，提高經濟效益，改善產品質量和減輕勞動強度。因此，自動化技術廣泛應用于機械、電子、電力、石油、化工、紡織、食品等輕重工業(yè)領域中，而在工業(yè)自動化技術中，無論是過程控制技術，數據采集和測控技術，還是生產線上的機器人技術，都需要要有單片機的參與 [1]。 重慶郵電大學移通學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 第二章 系統(tǒng)的總體設計方案 第一節(jié) 設計內容及基本要求 一、設計內容 本次設計分為兩個內容：硬件部份和軟件部份。 硬件以單片機為核心，配以濕度模塊電路、按鍵電路、顯 示電路、報警電路、電磁閥驅動電路和時鐘電路。主要實現以下功能： ① 通過濕度模塊電路對土壤進行的濕度進行數據采集； ② 通過單片機對采集的數據進行處理； ③ 當土壤的濕度低于或高于設置的溫度時啟動報警。 濕度檢測系統(tǒng)是一個智能化的系統(tǒng)，它的軟件主要實現功能： ① 單片機能夠控制濕度模塊對土壤進行采樣； ② 把采集來的數據通過單片機處理，再以十進制的形顯示出來； ③ 按鍵和顯示電路可對設置的定時時間進行更改，并通過顯示電路顯示出來。 二、基本要求 對本次設計的主要要求有以下幾點： ① 熟悉單片機的編程語言和相關傳感器的使 用； ② 完成自動澆水控制系統(tǒng)的軟硬件設計； ③ 系統(tǒng)能夠實現基本的定時澆水功能 ； ④ 設置相應按鍵能夠調整定時時間。 第 二 節(jié) 系統(tǒng)框圖 本次設計的系統(tǒng)框圖見圖 1。解析：單片機控制傳感器模塊對土壤的濕度進行檢測并通過單片機進行處理用 LCD 顯示出來，鍵盤電路可設置報警的上下限， 當土壤的濕度低于或高重慶郵電大學移通學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 于設置的濕度時啟動報警，即蜂鳴器響。 A T 8 9 C 5 1 單 片 機 控 制模 塊顯 示 模 塊時 鐘 和 復 位 模 塊按 鍵 模 塊傳 感 器 模 塊報 警 電 路 模 塊驅 動 電 路電 磁 閥電 源 模 塊 圖 系統(tǒng)總體設計方框圖 第 三 節(jié) 系統(tǒng)設計方案 本系統(tǒng)主要由電源模塊、單片機控制模塊、時鐘模塊、電磁閥驅動模塊、土壤濕度采集模塊和按鍵顯示模塊六大模 塊組成。整體的設計思想是：由電源模塊為整個系統(tǒng)提供電源，由時鐘模塊提供具體土壤濕度檢測時間，通過土壤濕度測量模塊測量當前土壤的濕度，其中時鐘模塊外部可調，當前時間由顯示模塊 LCD 顯示，通過結合考慮所測得的土壤的濕度和花卉及植物喜濕性差異，來決定是否對它們進行澆水及澆水量的控制。通過數據采集模塊對土壤濕度進行采集，經信號調理電路處理后輸入單片機。當土壤濕度滿足設定的澆水標準，單片機通過電磁閥驅動電路來驅動電磁閥工作，從而對花卉、植物進行澆水作業(yè)，澆水量達到設定要求時，電磁閥關閉，停止?jié)菜?。當濕度不滿足設定的澆 水標準電磁閥保持關閉狀態(tài)（即不澆水狀態(tài)），進而使土壤濕度達到適宜花卉、植物生長需要的最佳狀態(tài) [2]。 重慶郵電大學移通學院本科畢業(yè)設計（論文） 6 第 四 節(jié) 系統(tǒng)完成的技術指標 本系統(tǒng)需要完成以下 5 點基本技術指示： ① 實時顯示絕對濕度，系統(tǒng)的精度為 10mg/L； ② 采用 LCD 燈進行濕度顯示； ③ 顯示報警上限值為 80mg/L,下限值為 20mg/L； ④ 濕度超過上下限濕度時進行報警并用 LED 燈顯示； ⑤ 傳感器要求達到的技術指標： 濕度測量范圍 ： 0 to 100％ RH； 濕度測量精度： 177。3 ％ RH（ 20到 80％ RH）； 濕度測量復現 性 ： 177。％ RH； 濕度測量分辨率 ： ％ RH； 溫度測量范圍： 40～ +℃ ； 溫度測量精度 ： 177?！?在 25℃ 時； 溫度響應時間 ： ≤20秒； 溫度測量重復性 ： 177。℃ ； 溫度測量分辨率 ： ℃ 。 第 五 節(jié) 系統(tǒng)設計原則 要求單片機系統(tǒng)應具有可靠性高、操作維護方便、性價比高等特點。 一、可靠性 高可靠性是單片機系統(tǒng)應用的前提，在系統(tǒng)設計的每一個環(huán)節(jié)，都應該將可靠性作為首要的設計準則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個方面考慮：使用可靠性高的元器件；設計電路板時布線和接地要合理；對 供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診判斷功能等。 二、操作維護方便 重慶郵電大學移通學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 在系統(tǒng)的軟硬件設計時，應從操作者的角度考慮操作和維護方便，盡量減少對操作人員專用知識的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設計時，要盡可能減少人機交換接口，多采用操作內置或簡化的方法。同時系統(tǒng)應配有現場故障自動診斷程序，一旦發(fā)生故障能保證有效地對故障進行定位，以便進行維修。 三、性價比 單片機除體積小、功耗低等特點外，最大的優(yōu)勢在于高性能價格比。一個單片機應用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性價比是其中一個關鍵因素。因 此，再設計時，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能使用軟件功能取代硬件功能等 [3]。 重慶郵電大學移通學院本科畢業(yè)設計（論文） 8 第三章 硬件電路設計 基于土壤定時檢測的家庭自動澆花系統(tǒng)設計由 AT89C51 單片機以及相應的振蕩、復位等外圍電路模塊和按鍵設置、報警電路與 LCD1602 液晶顯示電路構成整個系統(tǒng)的核心。 第一節(jié) 控制電路模塊 一、單片機的基本概念 單片機 是把微型計算機中的微處理器、存儲器、 I/O 接口、定時器 /計數器、串行接口、中斷系統(tǒng)等電路集成到一片集 成電路芯片上形成的微型計算機。因而被稱為單片微型計算機，簡稱單片機。 單片機 按照用途可分為通用型和專用型兩大類。 ① 通用型單片機的內部資源豐富，性能全面，適應能力強。用戶可以根據不同的需要設計各種不同的應用系統(tǒng)。 ② 專用型單片機是針對各種特殊場合專門設計的芯片。這種單片機的針對性強，設計時根據需要來設計部件。因此，它能實現系統(tǒng)的最簡化和資源的最優(yōu)化，可靠性高、成本低，在應用中有很明顯的優(yōu)勢。 在單片機使用上注意以下幾個既有相同點也有區(qū)別的概念。 ① 單板機：將微處理器（ CPU）、存儲器、 I/O 接口以及 簡單的輸入 /輸出設備組裝在一塊電路板上的微型計算機，稱為單板機。 ② 單片機：將微處理器（ CPU）、存儲器、 I/O 接口和相應的控制部件集成在一塊芯片上形成的微型計算機，稱為單片機。 ③ 多板機：在計算機組成中，如果組成計算機的各個功能部件是由多塊電路板連接而成的，那么這樣的計算機稱為多板機 [4]。 二、 MS51 單片機內部結構 內部結構框圖如圖 所示： 重慶郵電大學移通學院本科畢業(yè)設計（論文） 9 C P U時 鐘 電 路P 0P 3 P 2 P 1T X DR X DI N T 0I N T 1并 行 接 口串 行 接 口中 斷 系 統(tǒng)定 時 / 計 數 器R A M R O MT 0T 1 圖 內部結構框圖 三、 MS51 單片機的引腳及功能 P0 口： P0 口是一個三態(tài)雙向口，可作為地址 /數據分時復用接口，也可作為通用的 I/O 接口。 P1 口： P1 口是準雙向口，它只能作通用的 I/O 口使用。 P2 口： P2 口也是準雙向口，它的用途有兩個：通用 I/O 接口和高 8 位地址線。 P3 口： P3 口是準雙向口以外每個口都還具有第二種功能，如表 所示。 表 P3 口功能引腳 RXD 串行輸入端 TXD 串行輸出地 INT0 外部中斷 0 低電平有效 INT1 外部中斷 1 低電平有效 T0 定時計數器 0 外輸入端 T1 定時計數器 1 輸入端 WR 外部存儲器寫信號 0 有效 RD 外部存儲器讀信號 0 有效 ALE：地址鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴展時， ALE 用控制把 P0 口輸出的低 8 位址鎖存，以 現低住地址和數據的隔離。 PSEN： 外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部 ROM 時，有效 (低電平 )，以實現外 ROM 重慶郵電大學移通學院本科畢業(yè)設計（論文） 10 單元的操作。 EA ： 訪問程序存儲控制信號。當信號為低電平時 ，對 ROM 的讀操作限定在外部程序存 儲器；當信號為高電平時，對 ROM 的讀操作是從內部程序存儲器開始，并可延至外部程序 存儲器。 RST：復位信號。當輸入的復位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以 完成單片機的復位初始化操作。 VSS： 地線。 VCC： +5 V 電源 [5]。 四、 AT89C51 芯片引腳圖 圖 AT89C51 芯片引腳圖 第二節(jié) 振蕩電路及復位電路 一、振蕩電路設計 重慶郵電大學移通學院本科畢業(yè)設計（論文） 11 AT89C51 單片機各功能部件的運行都以時鐘控制信號為基準，有條不紊、一拍一拍地工作。 因此時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。 其中 XTAL1 是片內振蕩器的反相放大器輸入端， XTAL2 則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。內部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為 12MHz，時鐘頻率就為 6MHz。晶振的頻率可以 1MHz24MH 電平時，芯片為 ROM 的 00H 處開始運 z 內選擇。電容取 30PF 左右。本系統(tǒng)采用內部方式，串行通信采用波特率 9600，晶振選用 。電路圖如圖 所示。 在振蕩器運行時，有兩個機器周期（ 24 個振蕩周期）以上的高電平出現在此引腳時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，芯片便循環(huán)復位。復位后 P0－ P3 口均置 1 引腳表現為高電平，程序計數器和特殊功。能寄存器 SFR 全部清零。當復位腳由高電平變低芯片為ROM 的 00H 處開始運行程序 [6]。 圖 AT89C51 時鐘振蕩電路圖 二、復位電路設計 復