【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 種型號(hào)來滿足不同層次的應(yīng)用要求。就實(shí)際而言，不同的應(yīng)用對(duì)單片機(jī)功能和資源的需求也是不同的。比如，一個(gè)摩托車的點(diǎn)火器需要一個(gè)I/O較少、RAM及程序存儲(chǔ)空間不大、可靠性較高的小型單片機(jī)，投資大不說，使用起來也不方便。PIC系列單片機(jī)從低到高有幾十種型號(hào)，可以滿足很多需求。其中，PIC12C508單片機(jī)僅有8個(gè)引腳，是世界上最小的單片機(jī)。（2）精簡(jiǎn)指令使其執(zhí)行效率大為提高。PIC系列8位CMOS單片機(jī)具有獨(dú)特的RISC結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線（Harvard）結(jié)構(gòu)，使指令具有單字長(zhǎng)的特性，且允許指令碼的位數(shù)可以多于8位的數(shù)據(jù)位數(shù)，這與傳統(tǒng)的采用CISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)相比，可以達(dá)到2:1的代碼壓縮，速度提高4倍。（3）產(chǎn)品上市零等待。采用PIC的低價(jià)OTP型芯片，可使單片機(jī)在其應(yīng)用程序開發(fā)完成后立刻使該產(chǎn)品上市。（4）PIC有優(yōu)越開發(fā)環(huán)境。OTP單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是一個(gè)重要的指標(biāo)，像普通的51單片機(jī)的開發(fā)系統(tǒng)大都采用高檔型號(hào)仿真低檔型號(hào)，其實(shí)時(shí)性不盡理想。PIC在推出一款新型號(hào)的同時(shí)推出相應(yīng)的仿真芯片，所有的開發(fā)系統(tǒng)由專用的仿真芯片支持，實(shí)時(shí)性非常好。（5）其引腳具有防瞬態(tài)能力。通過限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無需光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來極大的方便。（6）徹底的保密性。PIC以保密熔絲來保護(hù)代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復(fù)熔絲。目前，PIC采用熔絲深埋工藝，恢復(fù)熔絲的可能性極小。（7）自帶看門狗定時(shí)器，可以提高程序運(yùn)行的可靠性。（8）睡眠和低功耗模式。雖然PIC在這方面不能和新型的TIMSP430相比，但在大部分應(yīng)用場(chǎng)合還是能滿足需要的。 單片機(jī)現(xiàn)階段的發(fā)展方向是以8位為主32位為輔，目標(biāo)是高性能、高可靠性、低電壓、低功耗、低噪聲和低成本。STC89C58是一款在工業(yè)控制過程中使用較多的單片機(jī)，也是電子設(shè)計(jì)工程師認(rèn)證實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)箱采用的單片機(jī)型號(hào)。STC89C58單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速和低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。它的特點(diǎn)如下：（1）增強(qiáng)型6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12時(shí)鐘/機(jī)器周期 8051 CPU；（2）工作電壓：—（5V單片機(jī)）；（3）工作頻率范圍：0—40MHz，相當(dāng)于普通8051的0—80MHz實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz；（4）用戶可用程序空間32K；（5）片上集成1280字節(jié)RAM；（6）通用I/O口32個(gè)，復(fù)位后：P0/P1/P2/P3是準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），P0口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上上拉電阻；（7）EEPROM功能，看門狗功能；（8）外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷；（9）共3個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0可當(dāng)成2個(gè)8位定時(shí)器使用；空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。[10] PIC系列單片機(jī)的功能強(qiáng)大，但是軟件編程相對(duì)于51系列單片機(jī)比較難。51單片機(jī)發(fā)展起步較早，一些簡(jiǎn)單的硬件電路設(shè)計(jì)技術(shù)不管是硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)都比較容易，簡(jiǎn)單易懂，適合大眾化的使用。針對(duì)本次設(shè)計(jì)內(nèi)容，兩個(gè)單片機(jī)基本都能實(shí)現(xiàn)控制功能，鑒于對(duì)51單片機(jī)的熟悉，所以選擇STC89C58型號(hào)的單片機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的控制芯片。圖32為兩種單片機(jī)的I/O口對(duì)比圖。 圖32 兩種單片機(jī)I/O口對(duì)比圖從上圖可以明顯看出兩種單片機(jī)I/O口分布的區(qū)別，從而也決定了它們功能的區(qū)別。接觸過單片機(jī)的人都時(shí)常聽別人提到“最小系統(tǒng)”這個(gè)詞。那到底什么是最小系統(tǒng)，怎樣的設(shè)計(jì)才稱得上“最小”呢？其實(shí)單片機(jī)最小系統(tǒng)也稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)于51系列單片機(jī)來說，單片機(jī)+晶振電路+復(fù)位電路，就組成了一個(gè)最小系統(tǒng)。圖33為單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖，在這里簡(jiǎn)單介紹一些核心器件。（1） 振蕩器：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)正常工作的保證，如果振蕩器不起振，系統(tǒng)將會(huì)不能工作；假如震蕩器運(yùn)行不規(guī)律，系統(tǒng)執(zhí)行程序的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)時(shí)間上的誤差，這在通信中會(huì)體現(xiàn)的很明顯，電路將無法通信。它是由一個(gè)晶振和兩個(gè)瓷片電容組成，兩端與單片機(jī)的119引腳連接，晶振和瓷片電容是沒有正負(fù)的，注意兩個(gè)瓷片電容相連的那一端一定要接地。（2）復(fù)位端：復(fù)位電路給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)（一個(gè)一定時(shí)間的低電平）使程序從頭開始執(zhí)行；一般有兩種復(fù)位方式：上電復(fù)位，在系統(tǒng)一上電時(shí)利用電容兩端電壓不能突變的原理給系統(tǒng)一個(gè)短時(shí)的低電平；手動(dòng)復(fù)位，同時(shí)按鈕接通低電平給系統(tǒng)復(fù)位，這時(shí)如果手按著一直不放，系統(tǒng)將一直復(fù)位，不能正常工作。通常如果買的小按鈕有問題，那就導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作了，用的時(shí)候要檢查清楚。 圖33 STC89C58型單片機(jī)最小系統(tǒng)圖把這些器件組合起來就能很好的使用單片機(jī)，它們都是為了使單片機(jī)更好的工作而設(shè)立的。 溫度采集電路“溫度”是一個(gè)重要的熱學(xué)物理量，它不僅和我們的生活環(huán)境密切相關(guān)，在科研及生產(chǎn)過程中，溫度的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)的結(jié)果至關(guān)重要，所以溫度傳感器應(yīng)用廣泛。溫度傳感器是利用一些金屬、半導(dǎo)體等材料與溫度相關(guān)的特性制成的。溫度信號(hào)的采集在設(shè)計(jì)中是最重要的部分之一，其可以采用鉑電阻電橋組成的溫度檢測(cè)電路，也可以使用溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。（PT系列）鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時(shí)自身電阻值也隨之改變的特性來測(cè)量溫度的，顯示儀表將會(huì)指示出鉑電阻的電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)，所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。鉑電阻溫度傳感器是用來測(cè)量空氣、土壤和水等物體的溫度傳感器。該傳感器由精密級(jí)鉑熱電阻元件和經(jīng)特殊工藝處理的防護(hù)套組成，并用四芯屏蔽信號(hào)電纜線從敏感元件引出用于測(cè)量，通?？梢圆捎盟木€測(cè)量法測(cè)量，以減少導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差。鉑電阻溫度傳感器具有極佳的可互換性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于氣象和環(huán)保等部門。廣泛的溫度測(cè)量范圍：由于鉑的特性穩(wěn)定，不會(huì)因高低溫而引起物理或化學(xué)的變化。鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻與溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器。由于鉑電阻的特性曲線是非線性的，標(biāo)準(zhǔn)的電阻與溫度關(guān)系是以分度表的形式給出的，同時(shí)用電阻—溫度多項(xiàng)式函數(shù)R（t）表示。但在實(shí)際測(cè)量中，使用溫度—電阻函數(shù)T（r）更便于測(cè)量與計(jì)算。介紹了一種使用三次基本樣條曲線擬合，獲得溫度—電阻多項(xiàng)式函數(shù)T（r）的方法。實(shí)際使用表明，此方法的計(jì)算速度快，產(chǎn)生的誤差較小，可以很好地提高溫度測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行速度和控制精度。鉑電阻傳感器有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)位：在400℃時(shí)持續(xù)300小時(shí)，0℃℃。鉑電阻溫度傳感器在防護(hù)設(shè)備里經(jīng)常用到。為了盡量避免誤差，常用以下措施來解決。(1)減少鉑電阻溫度傳感器保護(hù)管的輻射系數(shù)；(2)增加被測(cè)介質(zhì)的循環(huán)，在工作壓力許可的情況下，盡量使鉑電阻與被測(cè)介質(zhì)間的對(duì)流傳熱增加；(3)盡可能減少鉑電阻保護(hù)管的外徑；(4)增加鉑電阻的插入深度，使其受熱部分加長(zhǎng)；(5)對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求不高的，可盡量采用熱傳導(dǎo)系數(shù)較小的材料做保護(hù)管；(6)對(duì)熱響應(yīng)時(shí)間要求比較高的，則盡可能選用熱傳導(dǎo)系數(shù)大的保護(hù)管，依實(shí)際使用情況加以取舍。除上述外，在使用鉑電阻溫度傳感器時(shí)，還應(yīng)注意感溫元件之間（雙支結(jié)構(gòu)）和感溫元件與大地之間應(yīng)各有良好的絕緣，不然會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至?xí)绊懙絻x表的正常運(yùn)行。總之，在應(yīng)用鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，首先必須正確選型，合理的安裝和使用，盡可能的設(shè)法消除各種外界影響，減少附加誤差，達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量、簡(jiǎn)便耐用的目的。[11]LM35是美國NS公司生產(chǎn)的精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。因此，LM35比按絕對(duì)溫標(biāo)校準(zhǔn)的線性溫度傳感器優(yōu)越感多。LM35系列傳感器生產(chǎn)制作時(shí)已經(jīng)過校準(zhǔn)，輸出電壓與攝氏溫度一一對(duì)應(yīng)，使用極為方便?！妫妗妫ī?5℃至﹢150℃溫度范圍內(nèi)），重復(fù)性好，低輸出阻抗，線性輸出和內(nèi)部精密校準(zhǔn)使其與讀出或控制電路接口簡(jiǎn)單和方便，可單電源和正負(fù)電源工作。LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器，由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從0℃開始。LM35有多種不同封裝型式，在常溫下，LM35不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到177。1/4℃的準(zhǔn)確率。其電源供應(yīng)模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種，正負(fù)雙電源的供電模式可提供負(fù)溫度的測(cè)量；兩種接法的靜止電流—溫度關(guān)系，℃，單電源模式在25℃下靜止電流約50uA，工作電壓較寬，可在4—20V的供電電壓范圍內(nèi)正常工作非常省電。工作電壓4—30V，在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（約50uA），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。這么小的電流也使得該芯片在某些應(yīng)用中特別適合，比如在電池供電的場(chǎng)合中，輸出可以由第三個(gè)引腳取出，根本無需校準(zhǔn)。目前，已有兩種型號(hào)的LM35可以提供使用。LM35DZ輸出為0℃—100℃，而LM35CZ輸出可覆蓋﹣40℃—110℃，且精度更高，兩種芯片的精度都比LM35高，不過價(jià)格也稍高。計(jì)算公式： Vout_LM35(T)=10mV/℃T℃ （31）特性：(1)在攝氏溫度下直接校準(zhǔn)(2)﹢℃的線性刻度系數(shù)(3)℃的精度（在25℃）(4)額定溫度范圍為﹣55℃至150℃(5)適合于遠(yuǎn)程應(yīng)用(6)工作電壓范圍寬，4V至30V(7)低功耗，小于60uA(8)在靜止空氣中，自然效應(yīng)低，℃的自熱(9)非線性僅為177。1/4℃(10)輸出阻抗，(11)引腳說明：電源負(fù)GND，電源正VCC，信號(hào)輸出S[12] 圖34 LM35引腳分布圖圖35 LM35與單片機(jī)的接線圖上圖是利用LM35對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)的電路，LM35測(cè)得的模擬信號(hào)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送給單片機(jī)。LM35的使用比較簡(jiǎn)單，除了電源與接地端，剩下輸出端接A/D轉(zhuǎn)換的芯片即可。 外圍設(shè)備保護(hù)電路外圍設(shè)備主要是包括風(fēng)扇和潛油泵，為了冷卻工作的順利進(jìn)行，同時(shí)也為了保護(hù)兩者的正常使用，特設(shè)計(jì)了油流繼電器狀態(tài)采集電路和風(fēng)扇電流采集電路來監(jiān)測(cè)它們的工作狀態(tài)。油流繼電器：也可以叫做氣體繼電器。是一種用于保護(hù)油浸式變壓器的重要裝置，它聯(lián)結(jié)著變壓器和儲(chǔ)油柜，利用變壓器內(nèi)部故障時(shí)產(chǎn)生的氣體而發(fā)出相應(yīng)動(dòng)作的一種繼電器，可以達(dá)到保護(hù)變壓器的作用。氣體繼電器可以做壓力控制、壓力報(bào)警、壓力保護(hù)等用途。 對(duì)油流繼電器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是為了掌握油泵的工作狀態(tài)是否正常。下圖36是油流繼電器輸出信號(hào)采集電路圖。 圖36 油流繼電器輸出信號(hào)采集電路圖油流繼電器安裝在冷卻器和油泵之間的聯(lián)管上，它將擋板伸入到聯(lián)管中。當(dāng)聯(lián)管中油速到一定值時(shí)，擋板被沖動(dòng)。傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，其上磁鐵帶動(dòng)著隔板的另一磁鐵而轉(zhuǎn)動(dòng)，微動(dòng)開關(guān)的常閉接點(diǎn)打開，常開接點(diǎn)閉合，發(fā)出正常工作信號(hào)。反之，當(dāng)油速減小到一定值時(shí)，擋板借彈簧作用返回，微動(dòng)開關(guān)發(fā)出故障信號(hào)，通過光電隔離器件，電平轉(zhuǎn)換，把開關(guān)變量的狀態(tài)送到MCU。 風(fēng)扇是冷卻裝置最主要的組成，它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)才是變壓器溫度的穩(wěn)定保障。所以監(jiān)控風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)，通過檢測(cè)風(fēng)扇的工作電流，通過判斷電流有無、大小以及方向可以判斷風(fēng)扇是否工作正常。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，特設(shè)計(jì)下面的風(fēng)扇電流采集電路。通過它，來保護(hù)冷卻裝置中五個(gè)風(fēng)扇的正常運(yùn)行。由于備用風(fēng)扇平時(shí)處于不工作狀態(tài)，所以采集電路中沒有設(shè)計(jì)第五個(gè)風(fēng)扇電流的采集。在將來如果需要滿足更高的冷卻要求或者增加風(fēng)扇數(shù)量時(shí)，進(jìn)行適量的增加，這里只設(shè)計(jì)四個(gè)風(fēng)扇的。圖37 風(fēng)扇電流采集電路 因?yàn)轱L(fēng)扇的工作電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單片機(jī)可以處理的范圍，所以用SCT254小型電流互感器將大電流變?yōu)樾‰娏鳎?jīng)過信號(hào)調(diào)理電路（電容、放大器等組成的電路）處理后送到多路選擇開關(guān)CD4051進(jìn)行選通，然后經(jīng)過采樣保持器LF398后送到A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832中，將系統(tǒng)檢測(cè)到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)接口輸入單片機(jī)。、多路選擇開關(guān)、采樣保持器以及A/D轉(zhuǎn)換這四部分部分聯(lián)系在一起，就構(gòu)成了風(fēng)扇電路采集電路。 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路，亦稱“模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器”，簡(jiǎn)稱“模數(shù)轉(zhuǎn)換器”。將模擬量或連續(xù)變化的量進(jìn)行量化（離散化），轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量的電路。A/D轉(zhuǎn)換包括三個(gè)部分：抽樣、量化和編碼。一般情況下，量化和編碼是同時(shí)完成的。抽樣是將模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化的過程；量化是將模擬信號(hào)在幅度上離散化的過程；編碼是指將每個(gè)量化后的樣值用一定的二進(jìn)制代碼來表示。數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的位權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其位權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換，這就是組成D/A轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想，反之，則構(gòu)成了A/D轉(zhuǎn)換。隨著數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，在現(xiàn)代控制、通訊及檢測(cè)等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別，處理這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；而經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析，處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起到橋梁作用的電路—模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器