【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，運(yùn)行速度更快，可靠性更高，抗干擾能力更強(qiáng)。由于屬于芯片化的微型計(jì)算機(jī)，各功能部件在芯片中的布局和結(jié)構(gòu)達(dá)最優(yōu)化，工作亦相對(duì)穩(wěn)定。單片機(jī)屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，它是低端控制系統(tǒng)的最佳器件。MCS 系列單片機(jī)集成了幾乎完善的中央處理單元，處理功能強(qiáng)，中央處理單元中集成了方便靈活的專(zhuān)用寄存器，硬件的加、減、乘、除法器和布爾處理機(jī)及各種邏輯運(yùn)算和轉(zhuǎn)移指令。并且單片機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，開(kāi)發(fā)工具和語(yǔ)言也大大簡(jiǎn)化 [3]。 設(shè)計(jì)任務(wù)前面已經(jīng)介紹了太陽(yáng)能供電現(xiàn)在已經(jīng)是一種趨勢(shì)，而太陽(yáng)能供電是用太陽(yáng)板把接收到的太陽(yáng)光光能轉(zhuǎn)化成電能送到蓄電池儲(chǔ)能供用戶(hù)使用。但是太陽(yáng)每天都是東升西落的，為了提高太陽(yáng)板的效率，故在太陽(yáng)板上加一個(gè)電動(dòng)機(jī)，使太陽(yáng)板每天能隨著太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。故提出設(shè)計(jì)要求：太陽(yáng)板每天上午九點(diǎn)到下午五點(diǎn)，每過(guò)一個(gè)小時(shí)，太陽(yáng)板轉(zhuǎn)動(dòng)向右 4 秒，在下午六點(diǎn)的時(shí)候太陽(yáng)板又反轉(zhuǎn)回到原位，如此循環(huán)。2 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案 系統(tǒng)總體模塊圖根據(jù)單片機(jī)的工作特點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)其硬件電路可以劃為五個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、電源模塊、鍵盤(pán)模塊、定時(shí)模塊和 LED 顯示模塊。各模塊的功能獨(dú)立，可擴(kuò)充性強(qiáng)，具有再次開(kāi)發(fā)的潛力 。本方案既滿足系統(tǒng)功能要求，又減少了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。各模塊之間的關(guān)系如圖 1 所示 [4]。控制 模塊定時(shí)模塊鍵盤(pán)模塊顯示模塊電源模塊 輸出模塊圖 1 系統(tǒng)模塊圖 控制芯片方案方案一 采用 FPGA 控制優(yōu)點(diǎn)：FPGA 的引腳數(shù)較多，功能也更強(qiáng)大，程序控制也比較方便。缺點(diǎn)：FPGA 芯片比較昂貴，外圍電路連接比較復(fù)雜，用 FPGA 來(lái)控制電動(dòng)機(jī)，性?xún)r(jià)比不高。方案二 用 AT89S52 單片機(jī)控制AT89S52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，具有低功耗空閑和掉電模式并支持軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。同時(shí)本設(shè)計(jì)的外圍器件簡(jiǎn)單，故采用靈活價(jià)格便宜的 52 單片機(jī)。 定時(shí)模塊方案由前面的設(shè)計(jì)要求可知電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況是受時(shí)間控制的，因此需要一個(gè)定時(shí)模塊產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。常用的定時(shí)模塊有晶體振蕩器和 555 定時(shí)器。但是 555 所定時(shí)的精度不高，而且在本設(shè)計(jì)中如果用 555 定時(shí)那么必增大了硬件的復(fù)雜性和增加了成本。由于在本設(shè)計(jì)中控制芯片采用的是 AT89S52。而AT89S52 自身帶有三個(gè)定時(shí)器，而且其采用的是外部晶振定時(shí)，其精度也很高。故在本設(shè)計(jì)中的定時(shí)模塊就采用 52 單片機(jī)本身的定時(shí)器。 顯示模塊及電源模塊由于 52 單片機(jī)及相關(guān)器件的工作電壓是 5V。而本設(shè)計(jì)的電源電壓為12V。因此這里還需要采用 LM7805 將 12V 電壓轉(zhuǎn)換成 5V 電源供單片機(jī)和相關(guān)器件使用。其電路圖如下圖所示。 [5]IN12OUT3GDMC7805V+()uF4圖 2 12V 轉(zhuǎn) 5V 電路圖 在本設(shè)計(jì)中還需要將實(shí)時(shí)時(shí)間顯示出來(lái)，以便于調(diào)節(jié)。顯示器有很多，常用的有數(shù)碼管顯示、字符液晶顯示、支持漢字的液晶顯示、點(diǎn)陣顯示等等。從顯示的美觀上采用液晶顯示，而從成本上要求是盡量降低成本，綜合考慮在本設(shè)計(jì)中采用了 1602 字符顯示。這樣即美觀又降低了成本。 鍵盤(pán)模塊鍵盤(pán)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的一種常用部件，通過(guò)它向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令，是人給應(yīng)用系統(tǒng)輸入信息的主要手段。單片機(jī)常用的鍵盤(pán)有全編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)兩種。全編碼鍵盤(pán)由硬件邏輯自動(dòng)提供與被按鍵對(duì)應(yīng)的編碼，如 BCD 碼鍵盤(pán)、 ASCII 碼鍵盤(pán)等，價(jià)格較貴，一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)較少采用；非編碼鍵盤(pán)分為獨(dú)立式鍵盤(pán)和矩陣鍵盤(pán)，硬件上只提供通、斷兩種狀態(tài)，其他工作都靠軟件來(lái)完成，經(jīng)濟(jì)適用，目前單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中多采用這種方法。獨(dú)立鍵式鍵盤(pán)是指直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占用一根 I/O 口線，每根 I/O 口線的工作狀態(tài)不會(huì)影響其他 I/O 口得工作狀態(tài)，這是一種簡(jiǎn)單的鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)。獨(dú)立式鍵盤(pán)電路的每個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)占用一根 I/O 口線，當(dāng)按鍵較多時(shí)，要占用較多 I/O 口線。當(dāng)按鍵數(shù)大于 8 時(shí)，通常采用矩陣式鍵盤(pán)電路。在矩陣式鍵盤(pán)中，每條水平線與垂直線的交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)加以連接。這樣一個(gè)端口就可以構(gòu)成 44=16 個(gè)按鍵的鍵盤(pán)電路 [6]。本設(shè)計(jì)要求用三個(gè)鍵盤(pán)來(lái)校對(duì)時(shí)間，用兩個(gè)鍵盤(pán)來(lái)調(diào)整太陽(yáng)板的位置。因此在本設(shè)計(jì)中的鍵盤(pán)僅僅是調(diào)節(jié)功能且鍵盤(pán)個(gè)數(shù)較少，故采用簡(jiǎn)單的獨(dú)立式鍵盤(pán)。 輸出模塊 本設(shè)計(jì)主要是控制電動(dòng)機(jī)按要求轉(zhuǎn)動(dòng)，故還需要有電源輸出給電動(dòng)機(jī)供電。在本設(shè)計(jì)中采用四個(gè)繼電器。將四個(gè)繼電器分成兩組。將這兩組的公共端交叉接在一起，作為電源的正負(fù)極，將其常開(kāi)觸點(diǎn)分別并接在一起作為電源輸出接到電機(jī)的兩端。繼電器的吸合由單片機(jī)控制。 單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路 單片機(jī)的基本組成ATC51 系列單片機(jī)的基本功能結(jié)構(gòu)如圖 3 所示 [7]。圖 3 ATC51 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1)一個(gè) 8 位的微處理器 CPU。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM（128B／256B ） 。存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及顯示的數(shù)據(jù)等。(2) 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 ROM 和 EPROM（4KB） 。它用來(lái)存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。但也有一些單片機(jī)內(nèi)部不帶 ROM／EPROM，如 8031，8032，80C3l等單片機(jī)。(3) 4 個(gè) 8 位并行 I／O（輸入輸出）接口 P0P3 口。每個(gè)口既可用作輸入，也可以用作輸出。(4) 兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。每個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用來(lái)對(duì)外部事件計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。(5) 5 個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)。(6) 一個(gè)全雙工 UART（通用異步通信接口） ，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)或其他微機(jī)之間的串行通信。(7) 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接，最高允許以上各部分通過(guò)內(nèi)部總線相連接，本設(shè)計(jì)中用到 AT89S52 單片機(jī)。 89S52 單片機(jī)引腳及其功能圖 4 89S52 管腳圖1. 主電源引腳? VCC：接 +5V 電源? VSS：接電源地2. 時(shí)鐘電路引腳? XTAL2：接外部晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是反相放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。在采用外部時(shí)鐘電路試，對(duì)于 HMOS 單片機(jī)，此引腳必須接地；對(duì) CHMOS 單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。? XTAL2：接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是反相放大器的輸出端。若采用外部時(shí)鐘電路時(shí)，對(duì)于 HMOS 單片機(jī)，該引腳輸入外部時(shí)鐘脈沖；對(duì)于 CHMOS 單片機(jī)，此引腳應(yīng)懸空。3. 控制信號(hào)引腳? RST/VPD：復(fù)位、備用電源輸入腳。單片機(jī)上電后，只要在該引腳上輸入24 個(gè)振蕩周期（2 個(gè)機(jī)器周期）寬度以上的高電平就會(huì)時(shí)單片機(jī)復(fù)位。RST/VPD 具有復(fù)用功能，可接上 +5V 備用電源。當(dāng) VCC 下掉到低于規(guī)定的電平，而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時(shí)，VPD 就向片內(nèi) RAM 提供備用電源，以保持片內(nèi) RAM 中的信息不丟失 [7]。? ALE（Address Latch Enable）：低 8 位地址鎖存使能輸出端。當(dāng) CPU 訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 可向低 8 位地址鎖存器輸