【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 7 2 智能電冰箱 硬件模塊的選型 單片機(jī)的選型 單片機(jī)的型號(hào)有很多， 典型的 MCS51 系列 的 單片機(jī)為高性能系列，有 32 個(gè)并行口，具有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)， 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，帶有串行 I/O 口，片內(nèi)有 ROM、RAM 容量相對(duì)增大，尋址范圍可達(dá) 64K，并且 MCS51 單片機(jī) 具有 優(yōu)良的性能價(jià)格比，所以 本設(shè)計(jì)選擇 MCS51 系列 的 單片機(jī) 作 為最小控制系統(tǒng) 。 目前，可用于 MCS51 系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)的硬件越來(lái)越多，與其配套的各類開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善， 因此，可以極方便地利用現(xiàn)有資源，開(kāi)發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng)。 MCS51 系列產(chǎn)品有 805 803 875 80C5 80C31 等型號(hào) ， 它們的 結(jié)構(gòu)基本相同，其主要差別反映在寄存器的配置上有所不同 ，但是在 2020 年 C 系列的 51單片機(jī)已經(jīng)停產(chǎn)，取而代之的是 S 系列的單片機(jī)，其性能價(jià)格比要不 C 系列的更好，所以本設(shè)計(jì)采用的是 AT89S52 單片機(jī) [3]。 AT89S52 單片機(jī)是 一種低功耗高性能 的 CMOS 8 位微控制器，內(nèi)置 8KB 可在線編程閃存。該器件采用高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，其指令與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 80C51 指令集兼容。 AT89S52 目前 應(yīng)用范圍 很 廣 范，可用于解決復(fù)雜的控制問(wèn)題 [4]。 AT89S52 的芯片如圖 所示。 AT89S52 共有四個(gè) 8 位的并行 I/O 口： P0、 P PP3 端口，對(duì)應(yīng)的引腳分別是 ～ ， ～ ， ～ ， ～ ，共 32根 I/O 線。每根線可以單獨(dú)用作輸入或輸出。 圖 AT89S52 芯片引腳圖 沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 AT89S52 各 I/O 口的 功能如下： ○ 1 P0 端口 ， 該口是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。 在作為輸出口時(shí)，每根引腳可以帶動(dòng) 8 個(gè) TTL 輸入負(fù)載。當(dāng)把 “ 1” 寫入 P0 時(shí)，則它的引腳可用作高阻抗輸 入 。當(dāng)對(duì)外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P0 可用作多路復(fù)用的低字節(jié)地址 /數(shù)據(jù)總線，在該模式， P0 口擁有內(nèi)部上拉電阻。 在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)， P0 用于接收代碼字節(jié)；在校驗(yàn)時(shí)，則輸出代碼字節(jié) ，此時(shí)需要外加上拉電阻。 ○ 2 P1 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口， P1 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4 個(gè) TTL 輸入。對(duì)端口寫 “ 1” 時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉 到高電位，此時(shí)可用作輸入口。 P1 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址。另外， 與 可以配置成定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入端（ ）與定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入端（ ），如表 所示。 表 P1 口管腳復(fù)用功能 端口引腳 復(fù)用功能 T2（定時(shí)器 /計(jì)算器 2 的外部輸入端） T2EX（定時(shí)器 /計(jì)算器 2 的外部觸發(fā)端和雙向控制） MOSI（用于在線編程） MISO（用于在線編程） SCK（用于在線編程） ○ 3 P2 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口， P2 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4 個(gè) TTL 輸入。對(duì)端口寫 “ 1” 時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。 P2 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻 ，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 位的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口送出高 8 位地址，在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 時(shí)， P2 口引腳上的內(nèi)容，在整個(gè)訪 問(wèn)期間不會(huì)改變。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P2 口也接收高位地址或一些控制信號(hào)。 ○ 4 P3 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口， P3 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4 個(gè) TTL 輸入。對(duì)端口寫 “ 1” 時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。 P3 口作輸入口使用時(shí) ， 因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 在 AT89S52 中，同樣 P3 口還用于一些復(fù)用功能，如表 所列。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P3 口還接收一些控 制信號(hào)。 表 P3 端口引腳與復(fù)用功能表 端口引腳 復(fù)用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） 0INT （外部中斷 0） 1INT （外部中斷 1） T0（定時(shí)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí)器 1 的外部輸入） WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） AT89S52 其它 引腳的功能 如下 [5]： ○ 1 RST 復(fù)位輸入端。 在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期（ 24 個(gè)振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此管腳時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個(gè)管腳保持高電平， 51 芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后 P0~P3 口均置 1，管腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片為 ROM 的 00H 處開(kāi)始運(yùn)行程序。 ○ 2 ALE/ PROG 地址鎖存允許信號(hào)。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，這個(gè)輸出信號(hào)用于鎖存低字節(jié)地址。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳用于輸入編程脈沖 PROG 。一般情況下， ALE 是振蕩器頻率的 6 分頻信號(hào)，可用于外部定時(shí)或時(shí)鐘。但是，在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器每次存取中，會(huì)跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。在需要時(shí)，可以把地址 8EH 中的 SFR寄存器的 0 位置為 “ 1” ，從而屏蔽 ALE 的工作；而只有在 MOVX 或 MOVC 指令執(zhí)行時(shí) ALE 才被激活。在單片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時(shí)，對(duì) ALE 屏蔽位置 “ 1” 并不起作用。 ○ 3 PSEN 程序存儲(chǔ)器允許信號(hào)。它用于讀外部程序存儲(chǔ)器。當(dāng) AT89S52 在執(zhí)行來(lái)自外部存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每一個(gè)機(jī)器周期 PSEN 被激活 2 次。在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的每次存取中， PSEN 的 2 次激活會(huì)被跳過(guò)。 沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 ○ 4 EA /Vpp 外部存取允許信號(hào)。為了確保單片機(jī)從地址為 0000H～ FFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器中讀取代碼，故要把 EA 接到 GND 端，即地端。但是，如果鎖定位 1 被編程，則 EA 在復(fù)位時(shí)被鎖存。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部程序時(shí)， EA 應(yīng)接到 Vcc。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳接收 12V編程電壓 Vpp。 ○ 5 XTAL1 振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 ○ 6 XTAL2 振蕩 器的反相放大器輸出。 溫度傳感器 的選型 AD590 是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。 AD590是一種電壓輸入 、 電流輸出型集成溫度傳感器 ， 測(cè)溫范圍為 55℃ ～ 150℃ ， 非線性誤差在 177。0. 30℃ ，其輸出電流與絕對(duì)溫度成正比 ， 溫度每升高 1K（ K為開(kāi)爾文溫度 ） [6,7]。 輸出電流就增加1μA。 AD590具有線性優(yōu)良、性能穩(wěn)定、靈敏度高、無(wú)需補(bǔ)償、熱容量小、抗干擾能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)距離測(cè)溫且使用方便等優(yōu)點(diǎn)。可廣泛應(yīng)用于各種冰箱、空調(diào)器、糧倉(cāng)、冰庫(kù)、工業(yè)儀器配套和各種溫度的測(cè)量和控制等領(lǐng)域 [8]。 其精度，測(cè)溫范圍都能符合 本設(shè)計(jì)的 要求 ，所以選用 AD590作為本設(shè)計(jì)的溫度傳感器。 AD590的封裝形式如圖 。 圖 AD590的封裝形式 AD590的主要特性如下： ○ 1 流過(guò)器件的電流（ mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾 文）度數(shù)， mA/K。 式中： Ir— 流過(guò)器件（ AD590）的電流，單位為 mA， T— 熱力學(xué)溫度 ，單位為 K。 ○ 2 AD590 的測(cè)溫范圍為 55℃ ～ +150℃ 。 ○ 3 AD590 的電源電壓范圍為 4V～ 30V。電源電壓可在 4V～ 6V 范圍變化，電流變1IrT?沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 化 1mA，相當(dāng)于溫度變化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。 ○ 4 精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M 五檔，其中 M 檔精度最高，在 55℃ ～+150℃ 范圍內(nèi)，非線性誤差為 177?！?。 數(shù)模轉(zhuǎn)換 電路的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器是模擬信號(hào)源與數(shù)字設(shè)備、數(shù)字計(jì)算機(jī)或其他數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間聯(lián)系的橋梁，它的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)以便 于數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、控制和顯示。在工業(yè)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集以及許多其他領(lǐng)域中 ， A/D 轉(zhuǎn)換部件常常是不可缺少的重要部件。逐次逼近型是目前廣泛應(yīng)用的 A/D 轉(zhuǎn)換器，其分辨率從8 位到 16 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間從 100μs 到幾微秒，精度有不同等級(jí) ， 有的轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還帶有多路模擬開(kāi)關(guān)。該類轉(zhuǎn)換器具有較快的轉(zhuǎn)換速度、與微機(jī)接口方便等主要優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)快速連續(xù)變化的物理量進(jìn)行跟蹤采集和記錄等應(yīng)用場(chǎng)合。 ADC0809 是逐次逼近型 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)有 8 路模擬開(kāi)關(guān)，可以同時(shí)連接8 路模擬量，單極性，量程為 0～ 5V，典型的轉(zhuǎn)換速度為 100μs，片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器，可直接與 CPU 總線連接。該芯片有較高的性能價(jià)格比，適用于對(duì)精度和采樣速度要求不高的場(chǎng)合或一般的工業(yè)控制領(lǐng)域。 完全可以 滿足本設(shè)計(jì)的要求而且價(jià)格低廉，所以本設(shè)計(jì)采用 ADC0809 芯片 進(jìn)行 數(shù)模的轉(zhuǎn)換 。 ADC0809 引腳 如圖 所示。 圖 ADC0809 芯片 沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 ADC0809 主要功能如下 [9]： ○ 1 分辨率為 8 位 ； ○ 2 最大不可調(diào)誤差小于 177。1LSB； ○ 3 單一 +5V供電，模擬輸入范圍為 0~5V； ○ 4 具有鎖存控制的 8 路模擬開(kāi)關(guān) ； ○ 5 具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與 TTL 兼容 ； ○ 6 功耗為 15mw； ○ 7 不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整 ； ○ 8 轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率范圍 為 10~1280KHz。 ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 如圖 所示。 圖 ADC0809 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 由圖 可知， ADC0809 由 一個(gè) 8 路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通 8 個(gè)模擬通道，允許 8 路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 ADC0809 各引腳的功能 如下： ○ 1 IN0~IN1： 8 路模擬信號(hào)輸入端； 沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 ○ 2 D0~D7： 8 路數(shù)字量輸出端； ○ 3 START：?jiǎn)?dòng)控制輸入端，高電平有效，用于啟 動(dòng) ADC0809 內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程； ○ 4 ALE：地址鎖存控制輸入端。 ALE 端可以與 START 端連接在一起。通過(guò)軟件輸入一個(gè)正脈沖， 可立即啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換； ○ 5 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。 EOC=0 時(shí)表示 正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換； EOC=1 時(shí)表示 轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號(hào)即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。 ○ 6 OE：輸出允許控制端，用于打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器。當(dāng) OE 為高電平時(shí) ，打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到 數(shù)據(jù)總線上； ○ 7 CLK：始終信號(hào)輸入端； ○ 8 VCC：供電電源輸入端； ○ 9 GND：地； ○10 VREF（ +） ： 參考電壓正端； ○11 VREF（ ） ：參考電壓負(fù)端； ○12 A、 B、 C： 8 路模擬選通開(kāi)關(guān)的 3 位地址選通端入端 。 ADC0809 的轉(zhuǎn)換過(guò)程 如下 ： ○ 1 在 ALE信號(hào)的作用下，地址引腳 C～ A上的信號(hào)被地址鎖存 器鎖存并選擇相應(yīng)的模擬信號(hào)，隨后被選擇的模擬信號(hào)進(jìn)入 A/D轉(zhuǎn)換器。 ○ 2 在啟動(dòng)脈沖 START的作用下， A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 ○ 3 轉(zhuǎn)換完成后， EOC由低電平變?yōu)楦唠娖剑撔盘?hào)可以作為狀態(tài)信號(hào)由 CPU查詢，也可以作為中斷請(qǐng)求信號(hào)通知 CPU本次 A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。 ○ 4 CPU通過(guò)執(zhí)行讀 ADC0809數(shù)據(jù)端口指令，使 OE有效，打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器，使轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線進(jìn)入 CPU。 沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 3 智能電冰箱 硬件模塊設(shè)計(jì) 本設(shè) 計(jì) 硬件 模塊分為 八 個(gè)部分，分別為時(shí)鐘電路 、 復(fù)位電路、 溫度 檢測(cè) 電路 、 顯示