【文章內(nèi)容簡介】 表 單片機(jī) 管腳含義 ALE/PROG 地址鎖存控制信號： 在訪問片外程序存儲器的時候，每機(jī)器周期這個信號出現(xiàn)兩次，它的下降沿用來控制鎖存 P0口輸出的低 8位地址。就算不在訪問片外程序存儲器的時候，這個信號也以振蕩頻率的 1/6 出現(xiàn)，因此可以用來作為對外輸出的時鐘脈沖。但是在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器的時候， ALE 脈沖會跳空一個，那此時作為時鐘輸出就不合適了。 /PSEN 外部程序存儲器讀選通信號： 在向片外程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間，每個機(jī)器周期這個信號（低電平）兩次有效，以通過數(shù) 據(jù)總線 P0 口讀回指令或常數(shù)。但是在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器的時候， /PSEN 信號將不會出現(xiàn)。 /EA/VDD 訪問 程 序存儲器控制信號 ： 這個引腳有效（低電平）的時候只能選用片外程序存儲器，不然計算機(jī)上電或者復(fù)位后先選用片內(nèi)程序存儲器。但是對于內(nèi)部含 有 可擦除可編程只讀寄存器 的 機(jī)型，我們在編程的時候，這個引腳用作 21V 編程電源 VDD 的輸入端。 RST 復(fù)位信號： 在單片機(jī)的振蕩器工作的時候，這個引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機(jī)器周期的高電平就能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)位的操作，從而使得單片機(jī)回復(fù)到初始的狀態(tài)。 上電時，我們考慮到振蕩器有一定的起振時 間，這個引腳上高電平必須持續(xù) 10ms以上的時間才能夠保證有效復(fù)位。 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。 VCC： 接 +5V 電源正端 。 VSS： 接 +5V 電源地端。 硬件電路設(shè)計概述 基于單片機(jī)的 恒溫控制系統(tǒng) 其硬件電路方框圖 如圖 所示： 由 圖可知，硬件電路由 8部分組成，即 按鍵輸入電路、 時鐘電路、復(fù)位電路 、溫度采集電路、引腳 第 2 功能 RXD（串行口輸入端） TXD（串行口輸出端） INT0（ 外部 中斷 0 請求輸入端，低電平有效） INT1（ 外部 中斷 1 請求輸入端，低電平有效） T0（ 定 時器 /計數(shù)器 0 計數(shù)脈沖端） T1（ 定 時器 /計數(shù)器 1 計 數(shù)脈沖端） WR（ 外 部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效） RD（ 外 部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效） 9 數(shù)碼管顯示 電路 、 蜂鳴器報警電路、繼電器控制加熱和制冷電路等。 圖 硬件電路方框圖 下面具體介紹各個電路模塊的基本原理及電路圖 原理 、主要實現(xiàn)的功能和 在應(yīng)用過程中應(yīng)當(dāng)注意的問題。 單片機(jī)最小系統(tǒng)是保證單片機(jī)能夠正常工作的最基本的硬件電路，時鐘電路、復(fù)位電路都屬于單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)工作的時間基準(zhǔn)是由 時鐘電路提供的。在單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2 管腳，按圖 所示接上晶振和電容就構(gòu)成了單片機(jī)的時鐘電路： 圖 時鐘電路 圖中電容 C C3 對晶振頻率有微調(diào)的作用，通常的取值范圍為 2040pf，C C3 的典型值為 30pF。石英晶體選擇 12MHz，選擇不同的石英晶體，其結(jié)果只是機(jī)器周期不 相 同 [5]。 此電路大約延遲 10ms 后振蕩器起振，在 XTAL2 引腳產(chǎn)生幅度為 3V 左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶體的頻率確定。電路中兩個電容 CC3的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。 按鍵輸入電路 時鐘電路 復(fù)位電路 溫度采集電路 單 片 機(jī) 數(shù)碼管顯示電路 蜂鳴器報警電路 繼電器控制加熱電路 繼電器控制制冷電路 10 單片機(jī)工作時，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期，其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，時鐘信號頻率常用 fosc 表示。圖中時鐘頻率為 12MHz，即 fosc=12MHz，則時鐘周期為 1/12μs 。 復(fù)位電路設(shè)計 單片機(jī)的第 9 腳 RST 為硬件復(fù)位電路，只要在該 引腳 加上持續(xù) 4 個機(jī)器周期的高電平即可實現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位后單片機(jī)的各個狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài) 。 單片機(jī)的復(fù)位方式有上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種 。 本設(shè)計系統(tǒng)采用上電自動復(fù)位和手動復(fù)位組合電路，如圖 ： 圖 復(fù)位電路 圖 中由按鍵 S 電阻 R1 以及 電容 C1 構(gòu)成上電復(fù)位及手動 復(fù)位 電路。由于單片機(jī)是高電平復(fù)位，所以 當(dāng) 上電復(fù)位 的時候 ，接通電源 就可以了 ， 在 上電以后 ，電容 C1 開始 緩慢 充電， 由圖我們可以看到 電路由電源到電容和地之間形成一個通 路，由于在 電阻 R1 上產(chǎn)生 了 電壓降， 那么 單片機(jī)的 RST 腳 為高電平，經(jīng)過一段時間后電容的電充滿，此時 電容 C1 處可視為斷路，單片機(jī) RST 腳處電壓逐漸降為 0V，即處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)， 這時 單片機(jī) 就 完成 了 上電復(fù)位，程序從 0000H 開始執(zhí)行。手動復(fù)位時，按一下圖中的 按鍵 S1 就可以了 ，當(dāng)按鍵按下的時候，單片機(jī)的 RST 腳處于高電平，此時單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)。 按鍵 輸入 電路設(shè)計 基于單片機(jī)的 恒溫 控制系統(tǒng)工作時應(yīng)具備以下功能：一、 可以調(diào)節(jié)溫度上下限 ； 二、 可以切換顯示實時溫度和溫度上下限的值 。要 具備 這些功能，可以通過按鍵 輸入電路 來實現(xiàn) 。 鍵盤結(jié)構(gòu)可分為 矩陣式 鍵盤 和 獨立式鍵盤 兩類，由于本系統(tǒng)只采用 5 個按鍵，因此 選用獨立式按鍵。 按鍵輸入 電路 由 四個按鍵組成，按鍵采用輕觸開關(guān) ，如圖 所示 ： 11 圖 按鍵 輸入 電路 各個按鍵的功能為： S2 用來切換數(shù)碼管顯示界面，當(dāng)數(shù)碼管界面顯示的是溫度上下限時通過按鍵 S3 可以調(diào)節(jié)要調(diào)整的溫度上下限的整數(shù)位和小數(shù)位 ； 當(dāng)數(shù)碼管界面顯示為某一位閃動時通過按鍵 S S5 調(diào)節(jié)閃動位的數(shù)值。 整數(shù)位 的數(shù)值變化范圍為 099之間 ， 小數(shù)位的數(shù)值變化范圍 為 09之間 。 按鍵 S4加數(shù)值 ，按鍵 S5 減數(shù)值 [6]。 蜂鳴器報警電路設(shè)計 根據(jù) 設(shè)計 的 要求，當(dāng)溫度 高于上限 或 低于下限時，應(yīng) 當(dāng) 具有報警功能。這樣我們 就可以用一只蜂鳴器作為三極管的集電極負(fù)載，當(dāng) 三極管 導(dǎo)通時，蜂鳴器發(fā)出 蜂鳴 聲；當(dāng) 三極管 截止時，蜂鳴器不發(fā)聲。 圖 ： 12 圖 蜂鳴器驅(qū)動電路 由圖可以看出 ： 單片機(jī)的 管腳 通過 三極管的基極連接到 蜂鳴器 。 當(dāng) 單片機(jī)控制端 =1時， 給三極管 Q1 基極一個高電平， 三極管 Q1 導(dǎo)通， 蜂鳴器的兩個管腳間獲得 接近 5V 的直流電壓，蜂鳴器中有電流通 過，從而 產(chǎn)生蜂鳴聲；當(dāng) 單片機(jī)控制端 =0 時， 給三極管 Q1 基極一個低電平， 三極管Q1截止，蜂鳴器的兩個管腳間的直流電壓接近于 0，蜂鳴器不產(chǎn)生蜂鳴聲 ， 其中R2=1kΩ 為限流電阻 [7]。 繼電器控制加熱電路設(shè)計 按照本次設(shè)計的設(shè)計要求，當(dāng)環(huán)境溫度低于所設(shè)定的 下限溫度時，需要通過繼電器驅(qū)動加熱裝置來進(jìn)行升溫 。常用的室內(nèi)升溫裝置有空調(diào)、電熱毯、電爐等。對于一些簡易的電熱裝置，其主要部件是 電阻加熱器 。 繼電器控制加熱電路 如 下圖 ： 由圖可知 單片機(jī)的 CTL0， 端口 接 CTL1， 端口 控制一個 雙 刀雙擲繼電器 RL2， 端口控制一個雙刀雙擲繼電器 RL1。 當(dāng)測量 的溫度低于設(shè)定的溫度下限時， 單片機(jī)控制端 給三極管 Q7基級一個高電平， 單片機(jī)控制端 給三極管 Q6基極一個 高 電平 ，三極管 Q6 和 Q7均 導(dǎo)通， 發(fā)光二級管 D2和 D4 發(fā)紅光， 兩個 線圈 都 有電流流過，繼電器 RL1和 RL2 均 閉合 ，此時 OVEN 裝置兩端加上正向電壓，裝置開始加熱 。 加熱一段時間后，當(dāng)溫度重新回到溫度下限 以 上時，單片機(jī)控制端 給三極管 Q7 基極一個 低 電平，三極管 Q7 截止， 發(fā)光二級管 D4 不發(fā)光， 繼電器 RL2的 線圈無電流流過，繼電器 RL2 斷開， 而單片機(jī)控制端 依然給三極管 Q6基級一個高電平，但是三極管 Q6 集電極未接電源，三極管 Q6 也截止，發(fā)光二極 13 管 D2 和 D5均不發(fā)光，繼電器 RL1 的線圈也沒有電流流過，繼電器 RL1 斷開， 加熱裝置停止工作 [8]。 圖 繼電器控制加熱電路 注意：在繼電器 RL1 和 RL2 線圈兩端 都 必須反接一個二極管。這個二極管 很重要，當(dāng)使用電磁繼 電器 的時候 必須連接。其原因為： 當(dāng)線圈通電正常工作的時候 ，二極管對電路不起作用，當(dāng)繼電器 在斷電的一瞬間會產(chǎn)生一個很強(qiáng)的反向電動勢，在繼電 器線圈兩端反向并聯(lián) 一個二極管用來消耗這個反向電動勢 ，通常這個二極管叫做消耗二極管， 假如 不加這個消耗二極管，反向電動勢會直接作用在驅(qū)動三極管上，很容易將三極管損壞 [8]。 繼電器控制制冷電路設(shè)計 按照本次設(shè)計的設(shè)計要求，當(dāng)環(huán)境溫度 高 于所設(shè)定的 上限溫度時，需要通過繼電器驅(qū)動制冷裝置來進(jìn)行降溫。 實際中常用的制冷裝置主要有空調(diào)、冷藏柜、冷庫等 [9]。 繼電器控制 制冷 電路 如 下圖 ： 由圖可知 單片機(jī)的 CTL0， 端口 接 CTL1， 端口 控制一個 雙 刀雙擲繼電器 RL2， 端口 控制一個 14 雙刀雙擲繼電器 RL1。 當(dāng)測量 的溫度 高于 設(shè)定的溫度 上 限時，單片機(jī)控制端 給三極管 Q7基級一個高電平，單片機(jī)控制端 給三極管 Q6基極一個 低 電平 ，三極管 Q7 導(dǎo)通， 三極管 Q6 截止， 發(fā)光二級管 D4發(fā)紅光， 發(fā)光二極管 D5發(fā)綠光，繼電器 RL1 的 線圈有電流流過 ， 繼電器 RL1 閉合， 而繼電器 RL2 繼續(xù)保持?jǐn)嚅_，此時 OVEN 裝置兩端加上 反向 電壓，裝置開始 制冷 。 制冷 一段時間后，當(dāng)溫度重新回到溫度 上限 以 下 時，單片機(jī)控制端 給三極管 Q7 基極一個 低 電平， 單片機(jī)控制端 依然 給三極管 Q6 基級一個低電平， 三極 管 Q6 和 Q7均 截止， 發(fā)光二級管 D D4和 D5都 不發(fā)光， 兩個線圈都沒有 電流流過，繼電器 RL1 和 RL2 均 斷開， 制冷 裝置停止工作 。 圖 繼電器控制制冷電路 溫度采集電路設(shè)計 本設(shè)計采用 ADC0808 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 作為溫度采集電路核心部件。在介紹溫度采集電路之前先詳細(xì)介紹一下 ADC0808 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 。 ADC0808 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 是采樣分辨率為 8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。 它的 內(nèi)部有一個 8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號， 15 只選通 8 路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 它的轉(zhuǎn)換原理就是把輸入電壓 Vi 和一組從參考電壓分層得到的量化電壓進(jìn)行比較，比較從最大的量化電壓開始，由粗到細(xì)逐次進(jìn)行，通過每次比較的結(jié)果來確定相應(yīng)的位是 0還是 1。經(jīng)過不斷地比較，不斷地逼近，直到二者的差別小于某一誤差范圍時就完成了一次轉(zhuǎn)換 [10]。 本設(shè)計的溫度采集電路如圖 所示： 圖 溫度采集 電路 示意圖 工作過程：把電熱爐的輸出通過電阻分壓轉(zhuǎn)換成 0～ 5V 的模擬信號輸入到IN0 引腳，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，數(shù)字信號從 D0～ D7 引腳輸出送給單片機(jī)，單片機(jī)再對信號進(jìn)行相應(yīng)處理。 各引腳的功能如下： （ 1） IN0～ IN7： 8 通道模擬量輸入端 ； （ 2） D0～ D7：結(jié)果數(shù)據(jù)輸出端 ； （ 3） START：啟動轉(zhuǎn)換命令輸入端。在該引腳上加高電平，就開始轉(zhuǎn)換 ； （ 4） EOC：轉(zhuǎn)換介紹指示腳。在平時它為高電平，在轉(zhuǎn)換開始后和轉(zhuǎn)換過程中為低電平，轉(zhuǎn)換一結(jié)束，它又變回了高電平 ； （ 5） ALE：地址鎖存允許信號 ； 16 （ 6） OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，這個引腳加高電平，即打開輸出緩沖器三態(tài)門，讀出數(shù)據(jù) ； （ 7） CLK：時鐘脈沖輸入端。 ADC0808 典型的時鐘頻率為 640kHz，轉(zhuǎn)換時間是 100us； （ 8） A， B和 C：三位地址輸 入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路 ； （ 9） REF(+)， REF()：參考電壓輸入端 [11]。 LED 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計 在 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常都需要進(jìn)行人機(jī)對話，這包括人對應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)與數(shù)據(jù)輸入以及應(yīng)用系統(tǒng)向人們顯示運行狀態(tài)與運行結(jié)果等 [12]。 LED 數(shù)碼管顯示器由 8 個發(fā)光二極管中的 7個長條發(fā)光二極管按 a、 b、 c、 d、e、 f、 g 順序組成 “8” 字形，另一個點形的發(fā)光二極管放在右下方，用來顯示小數(shù)點。數(shù)碼管按內(nèi)部連接方式又分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。若內(nèi)部 8 個發(fā)光二極管的陽極 連在一起接電源正極，就稱為共陽極數(shù)碼管；若 8個發(fā)光二極管的陰極連在一起接地，則稱為共陰極數(shù)碼管。 LED 顯示電路由 位驅(qū)動電路 和 段驅(qū)動電路 組成。 因為 單片機(jī)的并行口不能驅(qū)動 LED 顯示器， 所以 必須采用