【文章內(nèi)容簡介】 第 9 頁 3 系統(tǒng)硬件電路的設計 經(jīng)過上面的總體方案和實施措施的討論后可以著手硬件系統(tǒng)的設計，硬件系統(tǒng)是應用系統(tǒng)的基礎、軟件系統(tǒng)設計的依據(jù)。 相關元器件的選擇 元器件的選擇，必須考慮到功能的實現(xiàn)、器件的適時性、價格和通用性等幾個方面。在電路的設計中，在實現(xiàn)所要求功能的基礎上，盡量使電路簡單。電子器件的種類繁多，且不同的器件有著不同的性能 和不同的使用方法、使用范圍。本節(jié)主要對單片機、溫濕度傳感器、模數(shù)轉換 A/D和顯示器系統(tǒng)進行選擇，并在其中做了比較。 單片機的選擇 目前單片機己被廣泛地應用于家電、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化、儀器儀表設計、醫(yī)療設備、工業(yè)生產(chǎn)自動化、航空航天等領域。比較流行的單片機種類主要有 Atmel 公司、 Intel 公司、 Philip公司的 51 系列單片機， Intel 公司的 MCS96 系列單片機 ,Motorola 公司的 M6800 系列單片機等。各系列的單片機在處理速度、穩(wěn)定性、 I/O 能力、功耗、功能、價格等方面各有優(yōu)劣，這些單片機中， 用戶可根據(jù)自己的需要靈活的選擇。雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以 MCS51為核心的單片機占主流，兼容其結構和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品， ATMEL公司的產(chǎn)品和中國臺灣的 WinBond 系列單片機。根據(jù)總體功能和性價比及其運行速度等因素的考慮，選用 MCS51 系列的 89C51 為主機，滿足上面的要求而且設計方便，不需要再存儲擴展。它是一種低功耗、低價格，高性能的 8位微處理器。 濕度傳感器的選擇 濕度的檢測方法，一般采用濕敏元件檢測，除電阻式、電容式濕敏元件之外，常見的還有光強型、電解質 離子型、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的抗污染性以及線性度較差，在檢測作業(yè)環(huán)境濕度時，濕敏元件需要長期運作在待測環(huán)境中，很容易受到環(huán)境影響而降低其測量精度及影響其長期穩(wěn)定性。濕敏電阻的種類多，靈敏度高，但是線性度和產(chǎn)品的互換性差。濕敏電容靈敏度高，產(chǎn)品互換性高，響應速度快，偏于實現(xiàn)產(chǎn)品小型化和集成化，但是精度一般比濕敏電阻要低一些。濕度檢測還可以采用集成模擬傳感器，集成濕度傳感器HIH3610，該傳感器采用熱固聚酯電容式傳感頭，并且在芯片內(nèi)部集成了能夠進行信號處理功能的電路，因此該傳感器可以將環(huán)境中的相對濕度 轉換成電容值，然后將此電容值轉換成電壓輸出，該傳感器轉換高精度、響應速度快、穩(wěn)定性好、低溫漂、抗化學腐蝕等。綜合考慮本設計選用濕度傳感器 HIH3610。 皖西學院本科畢業(yè) 論文（設計） 第 10 頁 溫度傳感器的選擇 溫度檢測一般采用熱電偶、熱敏電阻以及集成溫度傳感器等。熱電偶的工作原理是建立在導體的熱效應上， 兩種不同性質的導體兩端經(jīng)焊接，組成閉合回路，直接測溫端叫熱端 ，接線端叫冷端，也稱自由端。當熱端和冷端的溫度不同，存在溫差時，就會在回路中產(chǎn)生熱電動勢；這兩種不同材料的導體在相互接觸的時候，由于其內(nèi)部電子密度的不同，會產(chǎn)生電子 擴散，進而形成電位差，此電位差稱為接觸電動勢。接上測試儀表，就會指示出熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢和接觸電動勢的對應溫度值。熱電偶應用廣泛，價格便宜而且耐用。種類多，能夠覆蓋非常寬的溫度范圍，最高溫度可以到達 2020℃。但是其響應速度慢、精度中等、靈敏度低、穩(wěn)定性低、高溫下容易老化和有線性漂移，并且測量需要參考量。熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而成非線性急劇變化，一般具有負的溫度系數(shù)，其阻值隨溫度升高而急劇減小，只有少數(shù)具有正的溫度系數(shù)。熱敏電阻主要用于 200 到 500℃溫度范圍內(nèi)的溫度測量。其溫度系數(shù)要大而且需要穩(wěn) 定的溫度源，反應速度快，工藝好，價格低，測溫環(huán)境穩(wěn)定。集成溫度傳感器實質上是一種半導體集成電路，它是利用晶體管的 be 結壓降的不飽和值 Vbe 與熱力學溫度 T 和通過發(fā)射極電流 I的關系實現(xiàn)對溫度的檢測。其線性度好、精確度適中、靈敏度高、響應速度快、封裝體積小、使用方便、價格較低，具有長期穩(wěn)定性等特點，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應用，而且它可以和信號處理電路及邏輯控制電路集成在一起。熱電偶和熱敏電阻的測量精度都比較高，成本比較低，而且測量的范圍也比較寬，但是它容易受到測量場所以及所測環(huán)境的限制，高溫或長期使用會使 其性能下降，需要定期的維護檢查與更換，給現(xiàn)實應用帶來了不便。故本設計決定采用 AD590 集成溫度傳感器。 本系統(tǒng)也可以采用數(shù)字式傳感器，如 DS18B20 和 SHT10 作為溫度和濕度測量元件， SHT10包含相對濕度傳感器、溫度傳感器，集溫濕度檢測的一個整體。 SHT10 作為典型的溫濕度傳感器，在測量過程中可對相對溫濕度進行自動校準，準確的測量溫濕度，產(chǎn)品互換性好，響應速度快，抗干擾性強，不需要外部參考源和外部器件，且設計出的電路結構簡單。但是由于本課題要求設計出模數(shù)轉換電路，故排除此類數(shù)字式傳感器。 AD590 集成溫度傳感器和濕度傳感器 HIH3610 輸出均為模擬量，在接入電路中，都需要通過 A/D 轉換器，把模擬信號轉換成單片機能夠接收的數(shù)字信號從而使單片機存儲采集和處理的數(shù)據(jù)。若模擬信號太弱，還需經(jīng)過運算放大器放大信號。 顯示器的選擇 方案一：數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段多一個小數(shù)點的 led，但其使用原理均是一樣的。數(shù)碼管的驅動方式可以分為靜態(tài)驅動和動態(tài)驅動，靜態(tài)驅動編程簡單，顯示亮度高但是占用 I/O 端口多，在實際應用時必須增加譯碼 皖西學院本科畢業(yè) 論文（設計） 第 11 頁 器驅動進行驅動，增加了硬件 電路的復雜性。動態(tài)電路是最廣泛的顯示方式之一，其能夠節(jié)省大量的 I/O端口，而且功耗低，電路設計、編程方法簡單。 方案二： LCD1602 液晶顯示，具有字符發(fā)生器，可顯示 192種字符，具有 64 個字節(jié)的自定義字符 RAM，可自定義字符。具有標準的外接端口特性，適用于 M6800 系列控制機的操作時序。結構緊湊、芯片輕巧、裝配容易，像素尺寸小，分辨率高，但編程等較復雜。 綜上，選擇 LED作為本次系統(tǒng)設計的顯示元件 。 模數(shù)轉換 A/D 的選擇 A/D 轉換器的主要功能是將模擬電壓或電流轉換成數(shù)字量。實現(xiàn) A/D 轉換的方法 很多，常用的有雙積分式 A/D 轉換器、逐次逼近式 A/D 轉換器和并行比較式 A/D 轉換器等。雙積分 A/D 轉換器的特點是轉換精度高、靈敏度高、抑制干擾信號的能力強，價格低廉，可廣泛用于數(shù)字儀表和低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。另外，這類轉換器的輸出數(shù)據(jù)常以 BCD 碼或二進 制碼格 式 輸 出， 所 以數(shù) 字 顯示 方 便。 常 用的 雙 積分 式 A/D 轉 換 器 集成 器 件 有ICL7106/7107/7109/713 MC14433 等。逐次逼近式 A/D 轉換器是一種轉換速度較快，轉換精度較高的轉換器。一次轉換時間在數(shù)微秒到百微秒范圍內(nèi)，廣泛應用于中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 在線自動檢測系統(tǒng)、動態(tài)測控系統(tǒng)等領域中。目前常用的逐次逼近式 A/D 轉換器集成芯片 有 ADC0808/080 AD574A、 AD167 ADC1210/1211 等。并行比較式 A/D 轉換器是一種轉換速度最快的轉換器，它最適合應用在數(shù)字通信技術和高速數(shù)據(jù)采集技術中。缺點是電路復雜，價格高。 由于本設計用于檢測顯示溫 濕 度信號，而溫 濕 度信號變化比較緩慢， 且采集的信號較多，ADC0809 有 8 路模擬量輸入通道， 所以選擇逐次逼近式 A/D 轉換器 ADC0809。 硬件電路的設計 主要芯片 89C51 的功能 89C51是 Intel公司于 80年代初推出的 8位嵌入式微控制器（內(nèi)外部數(shù)據(jù)總線均為 8位），具有性能高、功能全、售價低廉、使用方便等優(yōu)點。由于大的高度集成化已把許多常用的輸入檢測輸出控制通道都制作在同一塊硅片上，大大地靈活了外部連線，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，非常適合于工業(yè)環(huán)境下的安裝使用。 89C51 單片機引腳采用 40 腳雙列直插式封裝結構。 8951系統(tǒng)的 CPU 的主要特色是體積小，重量輕，抗干擾能力強，售價低，使用方便。 89C51 工作時所需的時鐘可通過其 XTAL 輸入引腳由外部輸入，也可采用芯片內(nèi)部的振蕩器。其工作 頻率為 6～ 12MHz。在本系統(tǒng)中采用 12MHz 頻率。 皖西學院本科畢業(yè) 論文（設計） 第 12 頁 芯片 89C51 共有 40 個引腳，其中電源引腳有 4個，控制引腳有 4個，并行的 I/O 接口有32 個，分成 4個 8位口。相關引腳功能介紹可查閱相關資料。 單片機外圍電路設計 在本系統(tǒng)中單片機的外圍電路可分為：復位電路和晶振電路 (1)復位電路 工業(yè)控制系統(tǒng)在運行時，經(jīng)常都會遇到各種各樣的環(huán)境干擾與電路干擾，在系統(tǒng)不能正常工作時需要有一個復位開關來使系統(tǒng)重新啟動運行。 本設計單片機開關復位電路包含了上電復位電路。其電路圖如圖 所示： 圖 開關復位電路 (2)晶振電路 在單片機電路中晶振結合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必需的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在由晶振產(chǎn)生的振蕩的基礎上，不同的指令有不同的指令周期。 晶振利用一種特殊的晶體，在電能和機械能之間相互轉化產(chǎn)生共振，提供穩(wěn)定精確的單頻振蕩，為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。 C C2為負載電容， X1 為晶振， 12MHz。設計中晶振電路如圖 。 圖 晶振電路 電源電路 采用全橋整流電路將交流電壓轉化為直流電壓 ,系統(tǒng)硬件電路要求電源額定電壓為 5 V ,單片機系統(tǒng)要求電源電壓的紋波系數(shù)盡可能小 ,基于以上要求 ,選用固定輸出線形穩(wěn)壓集成器LM78H05。該穩(wěn)壓器的輸入電壓 VIN 在 7 V～ 35 V 的范圍變化 ,輸出電壓可保證為 5 V 輸出和A/D轉換芯片 ADC0809的電源電壓。該穩(wěn)壓器還具有過熱保護和過壓保護功能 ,線性穩(wěn)壓結構可使電源紋波系數(shù)降低。電源電路原理圖如圖 ： 皖西學院本科畢業(yè) 論文（設計） 第 13 頁