【文章內(nèi)容簡介】 且有全雙工傳輸信號UART；（7） 5個中斷源，且具有兩級（高\(yùn)低）優(yōu)先權(quán)順序的中段結(jié)構(gòu)；（8） 芯片內(nèi)有4KB的程序存儲器(ROM)；（9） 芯片內(nèi)有時鐘（clock）震蕩電路；（10） 程序存儲器可擴(kuò)展至64KB(ROM)，數(shù)據(jù)存儲器可擴(kuò)展至64KB(RAM)；AT89C51單片機(jī)的接口電路有MCM2814和AD57DAC7521等芯片。MCM2814作為AT89C51的掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能，AD574作為溫度檢測電路的輸入接口，DAC7521是模數(shù)轉(zhuǎn)換接口。16 第11頁 共 49頁圖23 AT89C51引腳及功能本系統(tǒng)需要的存儲容量不大，且要求存儲器要具有掉電不丟失的特點(diǎn)，增加外部存儲器既增加系統(tǒng)的體積，又增大系統(tǒng)的功耗，所以最好能用一片高速的串行存儲器來存儲數(shù)據(jù)。綜合以上因素，對比國內(nèi)市場土的非易失性存儲器，而24C08EEPROM存儲器芯片以其優(yōu)越的表現(xiàn)進(jìn)入我們的視線。24C08存儲器具有容量較大、功耗低、體積小的突出優(yōu)點(diǎn)，而且其性價很高，因此我們決定選用24C08 EEPROM存儲器芯片作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器。由于液晶顯示和USB芯片需要大量的IO口，所以采用一片8255來進(jìn)行IO17 第12頁 共 49頁 口擴(kuò)展。8255是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛采用的可編程外部IO口，擴(kuò)展芯片。它有3個8位并行IO口，每個口可以有3種工作方式。其中的WR\是寫信號輸入端，RD\是讀信號輸入端，A1A0用于決定端口的地址。單片機(jī)系統(tǒng)及外部存儲器電路如圖14所示。圖24 單片機(jī)系統(tǒng)電路圖采用溫度傳感器 DS18B20 美國 DALLAS 公司的產(chǎn)品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度信 號的采集,有很多優(yōu)點(diǎn):如直接輸出數(shù)字信號,故省去了后繼的信號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換部分, 外圍電路簡單,成本低。單總線接口,只有一根信號線作為單總線與 CPU 連接,且每一只 都有自己唯一的 64 位系列號存儲在其內(nèi)部的 ROM 存儲器中,故在一根信號線上可以掛接 多個 DS18820,便于多點(diǎn)測量且易于擴(kuò)展. DS 18 B2 0 的測溫范圍較大,集成度較高,但需要串口來模擬其時序才能使用,故沒 有選用此方案 第13頁 共 49頁19 第14頁 共 49頁 硬件設(shè)計 硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分：從功能模塊上來分有：主 機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、溫度傳感器信號采集放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路。主機(jī)電路的設(shè)計 主機(jī)選用 ATMEL 公司的 51 系列單片機(jī) AT89S51 來實(shí)現(xiàn),利用單片機(jī)軟件編程靈 活、自由度大的特點(diǎn),力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的 AT89S51 芯片時鐘可達(dá) 12MHz,運(yùn)算速度快,控制功能完善。其內(nèi)部具有 128 字節(jié) RAM,而且內(nèi)部含有 4KB 的 flash ROM 不需要外擴(kuò)展存儲器,可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更 為簡單、實(shí)用。 I／0 通道的硬件電路的設(shè)計就本系統(tǒng)來說,需要實(shí)時采集水溫數(shù)據(jù),然后經(jīng)過 A／D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,送入單 片機(jī)中的特定單元,然后一部分送去顯示。另一部分與設(shè)定值進(jìn)行比較,通過 PID 算法得到控制量并經(jīng)由單片機(jī)輸出去控制電熱鍋爐加熱或降溫。 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計 數(shù)據(jù)采集電路主要由 AD590, 0P07,74LS373,AD574A 等組成。由于控制精度要求 為 度,而考慮到測量 第15頁 共 40頁干擾和數(shù)據(jù)處理誤差,則溫度傳感器和 AD 轉(zhuǎn)化器的精 度應(yīng)更高才能保證控制精度的實(shí)現(xiàn), 22 第16頁 共 40頁這個精度可處粗略定為 度。故溫度傳感 器需要能夠區(qū)分 度。而對于 AD 轉(zhuǎn)換器,由于測量范圍為 4090 度,以 度 作為響應(yīng)的 AD 區(qū)分度要求,則 AD 需要區(qū)分(9040)/=500 個數(shù)字量,顯然需 要 10 位以上的 AD 轉(zhuǎn)換器。為此,選用高精度的 12 位 AD574A。 為了達(dá)到測量高精度的要求,選用溫度傳感器 AD590,AD590 具有較高精度和重復(fù) 性(重復(fù)性優(yōu)于 0．1℃,其良好的非線形可以保證優(yōu)于 0．1℃ 的測量精度,利用 其重復(fù)性較好的特點(diǎn),通過非線形補(bǔ)償,可以達(dá)到 ℃測量精度.)超低溫漂移 高精度運(yùn)算放大器 0P07 將溫度一電壓信號進(jìn)行放大,便于 A／D 進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以提高 溫度采集電路的可靠性。模擬電路硬件部分見圖2. 電控制執(zhí)行電路的設(shè)計 由輸出來控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模 型。其傳遞函數(shù)形式為：可控硅可以認(rèn)為是線形環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對水溫的控制。單片機(jī)輸出與電爐功率分別屬于弱電與強(qiáng)電部分,需要進(jìn)行隔離處理,這里采用光耦元件 TLP521 在控制部分進(jìn) 行光電隔離,此外采用變壓器隔離實(shí)現(xiàn)弱強(qiáng)電的電源隔離。 單片機(jī) PWM 輸出電平為 0 時,光耦元件導(dǎo)通,從而使三極管形成有效偏置而導(dǎo)通, 通過整流橋的電壓經(jīng)過集電極電阻以及射集反向偏壓,有 7V 左右的電壓加在雙 向可控硅控制端,從而使可控硅導(dǎo)通,交流通路形成,電阻爐工作。反之單片機(jī)輸 出電平為 0 時,光耦元件不能導(dǎo)通,三極管不能形成有效偏置而截止,可控硅控 制端電壓幾乎為零,可控硅截止從而截斷交流通路,電爐停止工作。此外,還有越 限報警,當(dāng)溫度低于下限時發(fā)光二極管亮。高上限時蜂鳴器叫。控制執(zhí)行部分的硬 件電路如下圖。 第17頁 共40頁當(dāng)受控對象溫度發(fā)生變化時，鉑電阻的阻值隨之發(fā)生變化。在電路中表現(xiàn)為鉑電阻兩端的電壓發(fā)生變化。因此，我們只需采集鉑電阻兩端的電壓變化情況即可推算出溫度的變化。但由于鉑電阻的溫度系數(shù)比較小，鉑電阻兩端的電壓變化情況不會很明顯。所以在電路中我們使用放大電路鉑電阻兩端電壓放大后進(jìn)行處理。溫度傳感器信號采集放大電路如110所示。圖29 信號放大電路圖24 第18頁 共40頁電路中，鉑電阻兩端的電壓 （32）把公式（27）代入得:25 第19頁 共40頁26 第20頁 共40頁 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計ADC0809與單片機(jī)接口模塊此系統(tǒng)中，利用74LS165將ADC0809輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，然后經(jīng)單片機(jī)的串口輸入。這樣節(jié)省了單片機(jī)有限的端口資源，方便今后的擴(kuò)展。ADC0809有11條數(shù)字量輸出及控制線：ST為轉(zhuǎn)換啟動信號，當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零，下跳沿時，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在過行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號。當(dāng)OE=1時，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE=0時，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)。D7至D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘多輸入信號。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須外界提供，通常使用頻率為500KHZ。這個脈沖既可以通過中斷實(shí)現(xiàn)，也可以通過硬件進(jìn)行分頻得到。為了簡化程序，設(shè)計中采用了硬件分頻的方法，使用雙D觸發(fā)器對單片機(jī)的ALE端進(jìn)行兩次分頻得到。具體電路如下：CLRDCLKQ／QDCLKCLR/PREPRE500KHZ2MHZ圖210 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)八路模擬量開關(guān)IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN8地址鎖存器與譯碼器ABCALE三態(tài)輸出鎖存器八路A/D轉(zhuǎn)換器STCLKVREF（+）VREF（—）OED0D7EOC由上圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。27 第20頁 共40頁3 第21頁 共40頁圖211ADC0809的A/D采樣部分電路圖28 第21頁 共40頁3 第22頁 共40頁圖212ADC0809與單片機(jī)AT89C52的接口電路理論計算與分析由于ADC0809的參考電壓VREF=，所以轉(zhuǎn)換后要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，在數(shù)碼管上顯示電壓值。實(shí)際顯示的電壓值為D/256VREF=D/51。，ADC0809輸出為255（FFH）；。若需要精度則113位的A/D轉(zhuǎn)換。3． 鍵盤及顯示的設(shè)計 鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計,低電平有效。圖 3 中按鍵 AN1,AN2,AN3,AN4, AN5 的功能定義如表 1 所示。按鍵 AN3 與 相連,采用外部中斷方式,并且優(yōu)先級定為最高。按鍵 AN5 和 AN4 分別與 和 相連,采用軟件查詢的方式。AN1 則為硬件復(fù)位鍵,與 R、C 構(gòu) 成復(fù)位電路。表 1 按鍵功能按鍵AN1 AN2 鍵名復(fù)位鍵運(yùn)行鍵功能使系統(tǒng)復(fù)位使系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)采集按鍵按下(D1 亮)時,顯 示溫度設(shè)定值。按鍵升 起(D1 不亮)時,顯示前溫度值設(shè)定溫度漸次加一 設(shè)定溫度漸次減一AN3 AN4 AN5功能轉(zhuǎn)換鍵加一鍵減一鍵。顯示采用 3 位共陽 LED 靜態(tài)顯示方式,顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個位及小數(shù)點(diǎn) 后一位,這樣可以只用 (RXD)口來輸出顯示數(shù)據(jù),從而節(jié)省了單片機(jī)端口資 源,在 口和 (TXD)的控制下通過 74LS164 來實(shí)現(xiàn) 3 位靜態(tài)顯示。 數(shù)字電 路硬件部分見圖29 第22頁 共40頁 圖213 顯示接口電路30 第23頁 共40頁 看門狗電路設(shè)計在工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),由于壞境惡劣,常 有