【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 據(jù)。 —： ～，作為溫度傳感器的選通信號(hào)。 —： TTL輸出，輸出數(shù)據(jù)/地址總線的高八位；并產(chǎn)生控制信號(hào)送GAL16V8選通FM1808, AD574，8279。由于本系統(tǒng)不需要外部程序存儲(chǔ)器，故31腳(內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器選擇線)接高電平。地址0000H～0FFFH空間為內(nèi)部ROM。 CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生MCS51單片機(jī)工作時(shí)所必需的時(shí)鐘控制信號(hào)。MCS51單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種方式為外部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式：MCS51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。外部時(shí)鐘方式：使用外部振蕩脈沖信號(hào)。外部時(shí)鐘源直接接至輸入端XTAL2端，通過XTAL2端輸入到片內(nèi)的時(shí)鐘發(fā)生器上。由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，～10KΩ的上拉電阻。 （a） 內(nèi)部時(shí)鐘方式 (b) 外部時(shí)鐘方式圖36 AT89C51的時(shí)鐘電路方式 在本系統(tǒng)中采用內(nèi)部振蕩方式，其電路如圖37所示。采用芯片內(nèi)部反相器和電阻組成的振蕩電路，在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時(shí)組件，如晶振和電容組成的并聯(lián)諧振回路,則在內(nèi)部可產(chǎn)生與外接晶振同頻率的振蕩時(shí)鐘。該系統(tǒng)晶振為12MHz，電容C1，C2取30pF，對(duì)時(shí)鐘起微調(diào)作用。 看門狗復(fù)位電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用了一個(gè)硬件看門狗來監(jiān)視程序的運(yùn)行。美信公司的MAX813L具有“看門狗”、主電源檢測(cè)的功能。單片機(jī)通過I/O腳加給WDI(看門狗輸入)腳正脈沖，則(看門狗輸出)腳一直為高電平，說明微機(jī)程序執(zhí)行正常。，“看門狗”便使引腳變?yōu)榈碗娖剑瑢⒛_與相連，可使RESET腳(與單片機(jī)的RST相連)產(chǎn)生高電平的復(fù)位脈沖，使程序能從頭重新開始執(zhí)行，起到監(jiān)視程序運(yùn)行的作用，其電路如下圖所示 圖37 時(shí)鐘電路 圖38 看門狗復(fù)位電路 單片機(jī)系統(tǒng)主板各功能模塊設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集處理模塊本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理電路主要由采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。其相關(guān)電路圖參見單片機(jī)系統(tǒng)原理圖。(1)采樣保持器采樣保持器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常用來為A/D轉(zhuǎn)換器提供固定的采樣值，它位于模擬信號(hào)源與A/D轉(zhuǎn)換器之間。本系統(tǒng)采用美國National Semiconductor公司生產(chǎn)的LF398。 LF398是由雙極性絕緣場(chǎng)效應(yīng)管組成的單片采樣/保持電路，由Al, A2兩個(gè)運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、三級(jí)管D1, D2構(gòu)成的保護(hù)電路等組成，其原理圖如圖39所示。是反饋型采樣/保持器，具有采樣速度高、捕捉信號(hào)快及保持電壓下降速率慢等特點(diǎn)。當(dāng)8端為高電平，處于跟蹤狀態(tài)，當(dāng)UK負(fù)跳變（由“1”到“0” ）則LF398轉(zhuǎn)向保持狀態(tài)[6]。(2) A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器把采集到的采樣模擬信號(hào)量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸出。本系統(tǒng)采用12位逐次逼近式的轉(zhuǎn)換器AD574，它的突出特點(diǎn)是芯片內(nèi)部包含微機(jī)接口控制邏輯電路和三態(tài)輸出緩沖器，可以直接與8位、12位或16位微處理器的數(shù)據(jù)總線相連。它由模擬芯片和數(shù)字芯片兩部分組成，除了包含D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式寄存器SAR、比較器等基本結(jié)構(gòu)外，還有時(shí)鐘、控制邏輯、基準(zhǔn)電壓和三態(tài)輸出緩沖器等部分組成，其原理如圖310所示。其芯片引腳功能如下：DB0—DB11：12位數(shù)據(jù)輸出。12/8：數(shù)據(jù)模式選擇，此線為“1”時(shí)，12條輸出線均有效。此線為“0”時(shí)，12位輸出線分成高8位和低4位兩次輸出。本系統(tǒng)此腳為低電平。A0/SC：字節(jié)地址/短周期。在讀數(shù)狀態(tài)，如果2腳為低電平，當(dāng)A0=0時(shí)，則輸出高8位數(shù)。當(dāng)A0=1時(shí)，則輸出低4位數(shù)，禁止高8位輸出；當(dāng)2腳為高電平，此腳的狀態(tài)不起作用。另一功能是控制轉(zhuǎn)換周期，在轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)A0=0時(shí)，產(chǎn)生12位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期為25μs，反之產(chǎn)生8位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期為16μs。：此腳為0時(shí)，芯片被選中。R/：此腳為1，讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；為0時(shí)允許啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。CE：芯片允許。REFout：基準(zhǔn)電壓輸出。REFin：基準(zhǔn)電壓輸入。BPLROF：雙極性補(bǔ)償。若輸入模擬信號(hào)為雙極性，要同時(shí)使用此腳。此腳還可用于調(diào)零點(diǎn)。圖圖39 LF398原理圖 圖310 AD574原理圖本檢測(cè)系統(tǒng)采用雙極性輸入方式，可對(duì)5～+5V的輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于AD574輸出12位數(shù)據(jù)，因此單片機(jī)分兩次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。故本系統(tǒng)設(shè)置12/腳為低電平，此時(shí)由A0的狀態(tài)決定控制高、低位數(shù)據(jù)的讀取。，采用查詢的轉(zhuǎn)換方式。當(dāng)STS為高電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器處于轉(zhuǎn)換周期；為低電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)采集包括記錄和存貯數(shù)據(jù)，更重要的是能在失去電源的情況下，不丟失任何資料。在數(shù)據(jù)采集的過程中，數(shù)據(jù)需要不斷高速寫入，EEPROM的寫入壽命和速度往往不能滿足要求。傳統(tǒng)半導(dǎo)體記憶體有兩大體系：易失性存儲(chǔ)(volatile memory)和非易失性存儲(chǔ)器(nonvolatile memory)。易失性記憶體如SRAM和DRAM在沒有電源的情況下都不能保存數(shù)據(jù)，但這種存貯器具有高性能和易用等優(yōu)點(diǎn)。非易失性記憶體如EPROM，EEPROM和FLASH能在斷電后仍保存資料，但由于所有這些記憶體均起源自只讀存貯器(ROM)技術(shù)，所以，不難想到它們都有不易寫入的缺點(diǎn)，如寫入緩慢、有限寫入次數(shù)、寫入時(shí)需要特大功耗等，且需要后備電源?？梢妭鹘y(tǒng)的存儲(chǔ)器不能滿足本系統(tǒng)的要求。而FRAM1808則能較好地克服以上缺點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)如下： (1)速度快 可以跟隨總線速度(bus speed)寫入。串口總線的FRAM的CLK的頻率高達(dá)20M，并且沒有10ms的寫等待，周期并口的訪問速度為70ns。(2)擦寫次數(shù)多 近乎無限次寫入，5V供電的FRAM的擦寫次數(shù)可達(dá)100億次。(3)超低功耗 靜態(tài)電流小于l0μA,讀寫電流小于150μA。EEPROM的慢速和高電流寫入令它需要高出FRAM 2500倍的能量去寫入每個(gè)字節(jié)。 (4)非易失性 掉電后數(shù)據(jù)能保存10年，所有產(chǎn)品都是工業(yè)級(jí)[7]。由于鐵電存貯器涵蓋RAM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)擁有ROM技術(shù)的非易失性特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用鐵電存儲(chǔ)器FM1808。它具有32K內(nèi)存，完全能滿足系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的需要，其管腳描述表及真值表分別見表33, 34。 它的讀允許線和寫允許線分別與單片機(jī)的和腳相連，由單片機(jī)控制它的讀寫狀態(tài)。本系統(tǒng)電路利用單片機(jī)的ALE信號(hào)與譯碼電路產(chǎn)生的片選信號(hào)經(jīng)過或門產(chǎn)生帶有下降沿的FM1808片選信號(hào)，復(fù)位信號(hào)用于系統(tǒng)復(fù)位時(shí)封鎖FM1808的片選，增加芯片使用的可靠性。其接線圖參見單片機(jī)系統(tǒng)原理圖。表33 FM1808管腳描述表管腳名稱類 型功 能A0A14IN地址：15位地址線選擇內(nèi)存的某一字節(jié)，地址值在/CE被鎖存DQ0DQ7I/O數(shù)據(jù)：訪問FRAM內(nèi)存的雙向8位數(shù)據(jù)總線/CEIN 芯片使能：當(dāng)為低電平時(shí)選中芯片，在/CE沿時(shí)地址被內(nèi)部鎖存，在下一個(gè)下降沿來臨前，在/CE平時(shí)地址值的改變被忽略/OEIN輸出使能：低電平有效，在讀周期中允許輸出緩沖區(qū)輸出，使/OE電平后將使DQ轉(zhuǎn)變?yōu)槿龖B(tài)狀態(tài)/WEIN輸入使能：低電平時(shí)，允許將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入在的下降沿時(shí)鎖存的地址單元VDDSupply電源：5VVSSSupply電源：地表34 FM1808真值表/CE/WE功 能高X保持/預(yù)充電X鎖存地址（如果/WE為低，開始寫）低高讀低 寫 譯碼器在該系統(tǒng)烘干爐溫度檢測(cè)系統(tǒng)中采用可編程邏輯陣列芯片GAL16V8作譯碼器，主要完成對(duì)AD57鐵電存儲(chǔ)器FM180以及8279的選通信號(hào)的邏輯轉(zhuǎn)換。由于FM180AD578279的啟動(dòng)地址分別為：8000H，4000H，7000H，其邏輯方程如下： 式中，—是高八位地址；是鐵電存儲(chǔ)器FM1808的選通信號(hào)；是A/D轉(zhuǎn)換器AD574的片選信號(hào)CS；是8279芯片的片選信號(hào)CS。按照上述邏輯關(guān)系生成的PLD文件經(jīng)FM軟件編譯后，產(chǎn)生熔絲文件*.JED，然后通過編程器寫入GAL16V8即可。 串行通訊模塊為了將來能對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，特增設(shè)了串行通訊接口，方便與上位機(jī)進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)采用美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA制定的串行總線的物理接口標(biāo)準(zhǔn)RS232C，它早期是為了促進(jìn)數(shù)據(jù)通信在公用電話網(wǎng)上的應(yīng)用，主要是為連接計(jì)算機(jī)主機(jī)與CRT終端之間通信，后來也用于計(jì)算機(jī)之間的通信。其邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱的，采用負(fù)邏輯。完全與TTL、MOS電平不同。邏輯0電平規(guī)定為+5～+15V之間，邏輯1規(guī)定為5～15V之間，因此RS232C驅(qū)動(dòng)器與TTL電平連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。該標(biāo)準(zhǔn)最大傳輸率是20Kb/s，最大傳輸距離為15m[8]。一個(gè)完整的RS232C接口有22根線，采用標(biāo)準(zhǔn)的DB25插頭插座，PC機(jī)常用其中的9根線，DB9插頭插座。在大多數(shù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中和智能單元之間只需使用3～5根信號(hào)線即可工作。由于本系統(tǒng)在發(fā)送與接收端之間已“協(xié)議”好了發(fā)送時(shí)間，且均在規(guī)定時(shí)間到來之前做好相應(yīng)準(zhǔn)備，故所有的聯(lián)絡(luò)信號(hào)都不需要，只需發(fā)送線TXD、接收線RXD和地線GND。本系統(tǒng)采用MAX232CPE芯片進(jìn)行RS232C和TTL之間的電平轉(zhuǎn)換。MAX232CPE線路驅(qū)動(dòng)器接收器適用于噪聲嚴(yán)重環(huán)境下的RS232通信，它有2個(gè)驅(qū)動(dòng)器和2個(gè)接收器，每個(gè)發(fā)送器的輸入和接收器的輸入無需封閉均可抗177。15kV的靜電放電沖擊。通訊電路RS232電平轉(zhuǎn)換器如系統(tǒng)原理圖相關(guān)部分所示。其“R1OUT”和“T1IN”分別接在AT89C51的RXD(10)和TXD (11)腳上。 人機(jī)交互接口電路設(shè)計(jì)所謂人機(jī)交互接口，是指人與計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設(shè)備的接口。這些輸入/輸出設(shè)備主要有鍵盤、顯示器和打印機(jī)等。它們是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中不可少的輸入、輸出設(shè)備，是控制系統(tǒng)與操作人員之間交互的窗口。一個(gè)安全可靠的控制系統(tǒng)必須具有方便的交互功能。操作人員可以通過系統(tǒng)顯示的內(nèi)容，及時(shí)掌握生產(chǎn)情況，并可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)，傳遞命令，對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)，使其隨時(shí)能按照操作人員的意圖工作。鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備。鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。前者能自動(dòng)識(shí)別按下的鍵并產(chǎn)生相應(yīng)代碼，以并行或串行方式發(fā)送給CPU。它使用方便，接口簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但需要專用的硬件電路。后者則通過軟件來確定按鍵并計(jì)算鍵值。這種方法雖然沒有編碼鍵盤速度快，但它不需要專用的硬件支持，因此得到了廣泛的應(yīng)用。在鍵盤設(shè)計(jì)中需要解決的幾個(gè)問題：1. 按鍵的確認(rèn)鍵盤實(shí)際上是一組按鍵開關(guān)的集合，其中每一個(gè)按鍵就是一個(gè)開關(guān)量輸入裝置。鍵的閉合與否，取決于機(jī)械彈性開關(guān)的通、斷狀態(tài)。反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，若高電平表示斷開，則低電平表示鍵閉合。所以，通過電平狀態(tài)的檢測(cè)，便可確定相應(yīng)按鍵是否已被按下。2. 重鍵與連擊的處理實(shí)際按鍵操作中，若無意中同時(shí)或先后按下兩個(gè)以上的鍵，系統(tǒng)確認(rèn)哪個(gè)鍵操作是有效的，完全由設(shè)計(jì)者意志決定。如視按下時(shí)間最長(zhǎng)者為有效鍵，或認(rèn)為最先按下的鍵為當(dāng)前按鍵，也可以將最后釋放的鍵看成是輸入鍵。不過微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)畢竟資源有限，交互能力不強(qiáng)，通常總是采用單鍵按下有效，多鍵同時(shí)按下無效的原則。有時(shí)，由于操作人員按鍵動(dòng)作不夠熟練，會(huì)使一次按鍵產(chǎn)生多次擊鍵的效果，即重鍵的情形。為排除重鍵的影響，編制程序時(shí)，可以將鍵的釋放作為按鍵的結(jié)束。等鍵釋放電平后再轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的功能程序，以防止一次擊鍵多次執(zhí)行的錯(cuò)誤發(fā)生。3. 按鍵防抖動(dòng)技術(shù)鍵盤，作為向系統(tǒng)提供操作人員的干預(yù)命令的接口，以其按特定的按鍵序列代表著各種確定的操作命令。所以，準(zhǔn)確無誤地辨認(rèn)每個(gè)鍵的動(dòng)作及其所處的狀態(tài)，是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機(jī)械彈性開關(guān)。一個(gè)電信號(hào)通過機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過程，完成高、低電平的切換。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合及斷開的瞬間必然伴隨有一連串的抖動(dòng)。其波形如下圖所示。抖動(dòng)過程的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為10~20ms。為了使CPU對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次，必須排除抖動(dòng)的影響，按鍵防抖技術(shù)包括硬件及軟件防抖技術(shù)。 圖311 按鍵抖動(dòng)信號(hào)波形Intel 公司的8279芯片是一種通用可編程鍵盤/顯示器接口芯片,它能完成監(jiān)視鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。8279是雙列直插芯片，其中部分可用做通用鍵盤輸入接口，部分可用做LED顯示器的輸出接口，而另一部分給出兩個(gè)接口在芯片內(nèi)部及外部掃描用的分時(shí)時(shí)序脈沖。采用8279可使CPU從鍵盤和顯示掃描的過程中解脫出來。8279內(nèi)部包含數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及輸入、輸出控制器、控制寄存器、定時(shí)寄存器、掃描寄計(jì)數(shù)器。8279的鍵盤輸入部分可編程于掃描鍵盤方式，能對(duì)64個(gè)按鍵陣列不斷掃描，自動(dòng)消抖，自動(dòng)識(shí)別出閉合的鍵并得到鍵號(hào)，能對(duì)雙鍵或N鍵同時(shí)按下進(jìn)行處理。顯示部分為L(zhǎng)ED或其它顯示器提供了按掃描方式工作的顯示接口，可顯示多達(dá)16位的字符或數(shù)字。8279的顯示輸出部分設(shè)有168位顯示RAM，CPU可先指定顯示RAM地址，再對(duì)其寫入或讀出。該RAM地址也可自動(dòng)加1，供CPU依次寫入或讀出。另外，顯示RAM按掃描時(shí)序循環(huán)送出字形編碼到顯示寄存器中。顯