【文章內(nèi)容簡介】 本部分主要介紹單片機最小系統(tǒng)的設計。單片機系統(tǒng)的擴展，一般是以基本最小系統(tǒng)為基礎的。所謂最小系統(tǒng)，是指一個真正可用的 單片機最小配置系統(tǒng)，對于片內(nèi)帶有程序存儲器的單片機，只要在芯片外接時鐘電路和復位電路就是一個小系統(tǒng)了。小系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基石。本電路的小系統(tǒng)主要由三部分組成，一塊 AT89C52芯片、復位電路及時鐘電路。 AT89C52單片機： AT89C52是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8位單片機，器件采用 ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 8051指令系統(tǒng)及引腳。 4K 字節(jié)可系統(tǒng)編程的 Flash 程序存儲器， 128字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32個 I/O口線，看門狗(WDT)，兩個數(shù)據(jù)指針，兩 個 16位定時 /計數(shù)器，一個 5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路 [12]。同時， AT89C52停 止 CPU的工作，但允許 RAM、定時 /計數(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，但振蕩器停止工作，并禁止其它所有部件工作，直到下一個硬件復位。 AT89C52 單片機的 引腳說明 [13] VCC：供電電壓； GND：接地。 P0是一個 8位雙向 I/O端口，端口置 1時作高阻抗輸入端，作為輸出口時能驅(qū)動 8個 TTL電平。對內(nèi)部 Flash程序存儲器編程時，接收指令字節(jié)；校驗程序 時輸出指令字節(jié)，需要接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時， P0口是分時轉(zhuǎn)換的地址 (低 8位 )/數(shù)據(jù)總線，訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 7 P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向 I/0端口。輸出時可驅(qū)動 4個 TTL電平。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部 Flash程序存儲器編程時，接收低 8位地址信息。 P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位準雙向 I/0端口。輸出時可驅(qū)動 4個 TTL電平。端口置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部 Flash程序存儲器編程時，接收高 8位地址和控制 信息。在訪問外部程序和 16位外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口送出高 8位地址。而在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。 P3 口 ： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 STC89C52 的一些特殊功能口，如下所示： /RXD（串行輸入口）； /TXD（串行輸出口）； /INT0（外部中斷 0）； /INT1（外部中斷 1）； T0（記時器 0 外部輸入）； T1（記時器 1 外部輸入）； /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）； /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）； P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以 不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 8 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取值期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時 EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應不接。有 余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 本設計 STC89C52 單片機的 P1 P1 P1 P17 口接的是四位按鍵， 口和 口接 LED 顯示 ， X1 和 X2 接的是晶振電路， RESET 接復位電路。 復位電路 計算機在啟動運行的時候都需要復位，使中央處理器 CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并且從這個初始狀態(tài)開始工作。單片機的復位是靠外部電路實現(xiàn)的，MCS51 單片機有一個復位引腳 RST，高電平有效。 MCS51 單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種。復位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時， RC 電路充電， RST 引腳出現(xiàn)正脈沖，提供復位信號直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號，為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時，才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。RC 復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能 [4]。調(diào)整 RC 常數(shù)會令對驅(qū)動能力產(chǎn)生影響。 復位電路如下圖 24 所示： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 9 圖 24 復位電路圖 時鐘電路 時鐘電路提供單片機的時鐘控制信號，單片機時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。 最常用的是內(nèi)部時鐘方式是采用外接晶振和電容組成的。 時鐘振蕩電路如圖 25所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 17 Ju n 20 11 S he e t of F i l e : F : \設計 \畢業(yè)設計 \設計 \ 99 原理圖 \ x d D B D r a w n B y :C730 P FC630 P FY111 .05 9 2M H ZJ1J2J1J2 圖 25 時鐘振蕩電路 單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTAL1 和引腳 XTAL2分別是反相放大器的輸入端和輸出端，由這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個自己振蕩器，這種方式形成的時鐘信號稱為內(nèi)部時鐘方式。系統(tǒng)的時鐘電路設計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為 12MHz，時鐘頻率就為 6MHz。晶振的頻率可以在 1MHz24MHz內(nèi)選擇。電容取 30PF 左右。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值為 30μF。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。 XTAL1 是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端， XTAL2 則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 10 溫度采集與傳感器 圖 26 熱電偶傳感器 溫度檢測是本次設計前向通道的重要組成部分，它的精確程度將直接影響到控制效果。因此 ，我們首先要選擇合適的測溫元件，對溫度進行準確的測量。 熱電偶的冷鍛溫度補償有四種方法： 補償導線法 ； 冷端補償法 ； 計算修正法 ； 電橋補償法 [14]。 補償導線法： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 11 圖 27 補償導線法的連接圖 冷端補償法 ： （ 1）將熱電偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端溫度保持 0℃ 不變的方法稱為冰浴法。采用這種方法可以消除冷端溫 度 t0不等于 0℃ 而引起的誤差。由于冰融化比較快，因而一般只適合在實驗室中使用。 （ 2）將熱電偶的冷端置于電熱恒溫器中，恒溫器的溫度要略高于環(huán)境溫度的上限。 （ 3）將熱電偶的冷端置于恒溫的空調(diào) 房間中，使冷端溫度保持恒定。 計算修正法： 當熱電偶的冷端溫度 t0 ?0?C 時，由于熱端與冷端的溫差隨冷端的變化而變化，所以測得的熱電勢 EAB（ t， t0）與冷端為 0 ?C 時所測得的熱電勢 EAB（ t， 0?C）不等。若冷端溫度高于 0 ?C，則 EAB（ t， t0） EAB（ t， 0 ?C）。可以利用下式計算并修正測量誤差： EAB（ t,0?C） = EAB（ t,t0） + EAB（ t0,0?C） 電橋補償法： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 12 圖 28 電橋補償法的接線圖 本次設計采用計算修正法。 放大電路 運算放大器使所有的線性電路中最 重要的基本構(gòu)件。他在如飲品功率放大器、定時器、穩(wěn)壓器、傳感測試電路等領域具有廣泛的應用 [15]。 運算放大器這一術語最早應用于在模擬計算機中執(zhí)行默寫數(shù)學運算的下限頻率為零赫茲的高增益放大器。這種高增益放大器現(xiàn)在已廣泛用于各個方面，即使不再涉及數(shù)學運算，但通常仍成為運算放大器或 opamp[15]。早期的運算放大器使用分立元件，但現(xiàn)在使用集成電路就更為方便了。電路設計者對集成電路內(nèi)部元件不感興趣，而只關心作為一個整體的單元性能。因此，圖 29 所示的符號用來表示運算放大器。由圖可以看出，運算放大器有 2個輸入端， 一個輸出和連接正、負電源線端子。 +同向輸入端反向輸入端輸出正電源負電源1243 6578 圖 29 運算放大器的符號 圖 210 運算放大器的封裝 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 13 溫度傳感器的選擇 傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，其主要作用是將感知的被測非電量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一量值輸出，通常是電信號。也就是說， 傳感器是借檢測元件（敏感元件）將被測對象的一種信息按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成另一種信息的器件或裝置。傳感器所獲取的信息通常有物理量、化學量和生物量等，而經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的信息多數(shù)為電量，如電阻、電容、電感、電壓、電流及頻率與相位的變化等， 它是實現(xiàn)自動化檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié) [4]。 傳感器將被測信息如溫度、壓力、流量等轉(zhuǎn)換成電信號輸出，一般稱為一次變換。 一般情況下經(jīng)過 一次變換后的信息具有以下特點： （ 1） 輸出電信號通常為模擬量； （ 2） 輸出電信號一般較微弱； （ 3） 輸出電信號的信號噪聲比較小，甚至有用信號淹沒在噪聲之中； （ 4） 傳感器的輸入輸出特性通常存在一定的非線性，并易受環(huán)境溫度及周圍 電磁 干擾的影響； （ 5） 傳感器的輸出特性與電源的定性等有關，通常要求恒壓或恒流供電 。 本部分主要是論證溫度傳感器的選型。傳感器的選擇受到很多因素的影響，首先是各種溫度傳感器自身的優(yōu)缺 點，其次是各種不同的環(huán)境因素，還有就是系統(tǒng)所要求實現(xiàn)的精度等，所以在不同的設計當中溫度傳感器的選擇也將不同 [16]。 方案一：熱電偶傳感器 熱電偶傳感的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化。它是利用兩種不同材料的金屬連接在一起，構(gòu)成的具有熱電效應原理的一種感溫元件。其優(yōu)點為精確度高、測量范圍廣、構(gòu)造簡單、使用方便，型號種類比較多且技術成熟等。目前廣泛應用于工業(yè)與民用產(chǎn)品中。熱電偶傳感器的種類很多，在選擇時必須考慮其靈敏度、精確度、可靠性、穩(wěn)定性等條件。 方案二：熱電阻傳感器 熱電阻傳感器的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電 阻值的變化。熱電阻傳感器是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點是：測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的，不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制作成標準的基準儀。從熱電阻的測溫原理可以知道，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來表現(xiàn)的。因此，熱電阻的內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 14 引出線的電阻的變化會給測溫帶來影響。為消除引線電阻的影響，一般采用三線制或四線制。熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導線、顯示儀表組成。 方案三：半導體集成模擬溫度傳感器 半導體 IC溫度傳感器是利用半導體 PN 結(jié)的電流、電壓與溫度變換關系來測溫 的一種感溫元件。這種傳感器輸出線性好、精度高，而且可以把傳感器驅(qū)動電路、信號處理電路等，與溫度傳感器部分集成在同一硅片上，體積小，使用方便，應用比較廣泛的有 AD590等。 IC溫度傳感器在微型計算機控制系統(tǒng)中，通常用于室溫或環(huán)境溫度的檢測，以便微型計算機對溫度測量值進行補償。 方案四：半導體集成數(shù)字溫度傳