【文章內(nèi)容簡介】 第 6 頁 3 單元模塊設(shè)計 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計 單片機最小系統(tǒng) 圖 單片機最小系 統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)包括單片機、電源電路、時鐘電路和復位電路。 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作時候所必須的時鐘信號，單片機在時鐘信號的節(jié)拍下逐條地執(zhí)行指令。單片機有兩種時鐘信號產(chǎn)生方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。外部時鐘方式是把已有的時鐘信號從 XTAL1 或 XTAL2 送入單片，一般用于有多個單片機的情況，所以本設(shè)計中時鐘電路采用內(nèi)部時鐘方式，選用 12M 的晶振和兩個 30pF 的電容與片內(nèi)的高增益反相放大器構(gòu)成一個自激振蕩器。 第 7 頁 電源電路后面的模塊中會單獨提到，用 5V 的直流電源。下面著重論述一下復位電路。 圖 上電 +手動復位電路 單片機的復位主要有上電復位和手動復位，之所以要進行復位，目的就是為了讓單片機進入初始狀態(tài)，比如讓 PC 指向 0000H，這樣單片機才能從頭運行程序。因此上電的時候就要讓單片機復位一次；在運行過程中，如果程序出錯，也需要進行手動復位。 本設(shè)計中的復位電路就是上電 +手動復位電路，復位時要讓 STC89C52RC 的 RST引腳得到 2 個機器周期以上的高電平。先說說上電復位的工作原理，當單片機上電時，電源 +5V 的 Vcc 通過 10K 的電阻對 10uF 的電容進行充電。剛上電時，有較大的電流從Vcc 經(jīng)電容、電阻流向 GND，由于電容兩端的電壓不可突變，因此仍然為 0V，于是電阻的兩端分得 5V 的電壓，即 RST 引腳此時的電勢為 5V。隨著充電的繼續(xù)進行，電流會逐漸減小，電阻兩端的電壓 UR=IR 也逐漸減小，即 RST 引腳的電勢逐漸減小。過了一定時間， RST 引腳兩端的電壓下降到不再是高電平，只要這個充電的時間大于單片機兩個機器周期，就能使單片機復位。 程序運行過程中如果跑飛了、 程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時 ，就需要用到手動復位。手動復位就是在上電復位電路的電容兩邊并聯(lián)一個微動開關(guān)，需要 第 8 頁 手動復位時將其 按下，使之接通， RST 獲得高電平，而且人按動按鈕的時間肯定是超過兩個機器周期的，于是單片機復位。 液晶顯示模塊 測量到的溫濕度值將顯示到液晶屏 LCD1602 上，它可以顯示 2 行，每行 16 個字符。LCD1602 共有三個存儲器，它們是 CGROM、 CGRAM 和 DDRAM。 CGROM 用來保存LCD1602 內(nèi)部固化的一些字符的字模，比如英文的 26 個字母的大小寫； CGRAM 用來保存用戶自己取的字模，比如，如果要顯示漢字，就必須自己去漢字字模，在這里我們都用英語字母，故不用 CGRAM； DDRAM 用來存儲要顯示的 字符的字模，它和屏幕上的位置是對應的，第一行為 00H 到 0FH，第二行為 40H 到 4FH。在這里需要注意的是，在向 LCD1602 寫入顯示數(shù)據(jù)存儲器地址時，根據(jù)控制指令的格式，最高位 D7 為 1，所以寫入的數(shù)據(jù)為，第一行 80H 到 8FH，第二行 C0H 到 CFH。 它與單片機的接口電路如下圖所示： 圖 LCD1602 與單片機的接口電路 溫濕度傳感器模塊 溫濕度傳感器選用瑞士 Sensirion 公司生產(chǎn)的 SHT10。 SHT1X 系列共有三個型號：SHT SHT1 SHT15，他們 都是 SMD 貼片封裝的，他們依次性能越來越好，其中SHT10 屬于經(jīng)濟型的溫濕度傳感器。三者的溫濕度性能如下圖所示。 第 9 頁 圖 SHT1X 系列各型號傳感器的濕度、溫度最大誤差 從曲線中可以看出，無論是濕度還是溫度， SHT10 的誤差都是最大的， SHT15 誤差最小，但是它們的價格也相差很大， SHT10 多為二三十元一個，而 SHT15 價格上百。因此，從滿足大棚溫濕度監(jiān)測的要求來看， SHT10 已經(jīng)足夠，故選用 SHT10。 SHT10 與單片機的接口電路如下所示： 圖 SHT10 與單片機的接口電路 SHT10 采 用類似于 I2C 的兩線制串行總線，一根是時鐘線，一根是數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線要通過一個上拉電阻接到 VCC，目的是避免信號沖突，使單片機的引腳只提供低電平，要得到高電平則使該引腳懸空，由上拉電阻提供高電平。 報警電路的設(shè)計 當大棚內(nèi)的溫濕度超過上下限時，除了需要啟動溫濕度調(diào)節(jié)器之外，還需要進行報警，這里用到的是蜂鳴器。蜂鳴器為一種采用一體化結(jié)構(gòu)的電子器件， 采用了直流電壓來供電，廣泛的應用到了計算機、報警器、復印機、電子玩具、電話機、汽車電子設(shè)備、定時器等電子產(chǎn)品之中用作發(fā)聲器。 第 10 頁 蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無 源蜂鳴器。有源蜂鳴器由于內(nèi)部集成了振蕩源，所以使用直流電壓就可以驅(qū)動它鳴叫；無源蜂鳴器內(nèi)部沒有振蕩源，因此一般使用 2K～ 5K 方波來驅(qū)動。本設(shè)計中使用的是有源蜂鳴器，在它兩端加載 5V 的直流電壓就可以使之鳴叫。 報警電路設(shè)計如下圖： 圖 報警電路圖 蜂鳴器工作電流一般為 10mA，而單片機的 I/O 口只能承受幾毫安的電流，因此需要加三極管進行驅(qū)動。如上圖所示，單片機的 I/O 口中的 接 PNP 型三極管的基極，當 為低電平時，三極管導通， 5V 的電壓加載到蜂鳴器兩端，于是蜂鳴器鳴叫；當 高 電平時，三極管截至，蜂鳴器不鳴叫。 輸出電路設(shè)計 當溫濕度超出限定值后，單片機將輸出控制信號，啟動加熱、制冷、加濕、除濕設(shè)備。弱電控制強電，首先要用到繼電器來控制這些大功率的設(shè)備，而且為了進一步加強弱電和強電的電氣隔離，減少強電設(shè)備對單片機控制系統(tǒng)的干擾，需要在前一級加光耦進行隔離。光耦的驅(qū)動能力有限，一般電流只能達到 30mA 左右，不足以驅(qū)動繼電器，因此再加一個三極管放大電流。 原理如圖 所示： 第 11 頁 圖 控制電路 輸出電路有四組，每一組由一個光耦、一個三極管、一個繼電器組成。這四組輸出電路分別控制加濕、除濕、加熱、制冷的設(shè)備。 光耦選用 TLP5214，它是 Toshiba 公司生產(chǎn)的四路光耦，由單片機直接驅(qū)動。 51單片機 P0 口所能承受的灌電流最大，可以達到 26mA。輸出系統(tǒng)中的繼電器最多同時有兩個工作，控制溫度的一個，控制濕度的一個。如果設(shè)置光耦的發(fā)光二極管的電流為10mA，那么兩個發(fā)光二極管同時導通時單片機的灌電流為 20mA，小于 26mA，符合要求。所以把 P0 口的引腳接到光耦 TLP5214 輸入測的發(fā)光二極管陰極。 繼電器選用 5V 的，驅(qū)動繼電器需要大約 100mA 的電流，也就是說驅(qū)動繼電器 的三極管的集電極電流為 Ic=100mA。三極管選用直流放大系數(shù)為 100 的 9013，根據(jù) Ic=β Ib，可計算得三極管基極電流 Ib=1mA，而 Vbe=，又由于光耦中的光電三極管的集電極、發(fā)射極飽和壓降 Vces= ，所以基極的限流電阻上的壓降為（ 5VcesVbe)=4V， 4V/=4KΩ，由于沒有標稱值為 4KΩ 的電阻，所以選擇 的。 還應該注意到的一點是，光耦有一個參數(shù)叫電流傳輸比（ CTR）， CTR=Io/IF，及輸出端電流的最大值比上輸入端的電流，體現(xiàn)了光耦輸出電流的能力。如 果輸入端的電流為 20mA，電流傳輸比為 50%的話，那么輸入端電流 Io 最大只能為 10mA。在這里，TLP5214 的電流傳輸比為 50%，輸出端我們剛才算出的電流 Io=Ib=1mA，所以輸入端電流 IF 最小為 2mA，由于電流很小時光耦處于死區(qū)，因此要選大點，這里選擇 IF=10mA。于是，光耦輸入端陽極上的限流電阻為 R=()/=430Ω，這里選擇標稱值為470Ω 的電阻。 第 12 頁 此外，這里用的繼電器是普通的電磁繼電器。通過對電磁繼電器和固態(tài)繼電器進行比較，雖然固態(tài)繼電器具有無觸電、動作速度快、使用壽 命長等特點，但是本設(shè)計中的繼電器只在溫濕度超過限定值時才動作，動作頻率低，而且固態(tài)繼電器的價格比電磁繼電器高得多，所以綜合考慮選擇電磁繼電器 SRD 一 05VDC 一 SLC。 電源的設(shè)計 圖 電源 電路 電源電路是整個系統(tǒng) 中非常重要的一部分， 本 設(shè)計 中主要用到直流 5V 電源。 要得到 5V 的直流電源，要經(jīng)過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)。 由于最后的穩(wěn)壓環(huán)節(jié)， LM7805 要得到 5V的直流輸出，輸入與輸出要有一定的壓差，根據(jù) LM7805 的數(shù)據(jù)手冊，需要有 10V 的輸入，因此在降壓環(huán)節(jié)把 220V 的電壓 降為 10V。 然后用橋式整流電路把交流電整流為直流電，此時的直流電只是方向不變，但仍按正弦方式變化，是脈動的直流電。 因此需要濾波電路將紋波濾掉。 C8 和 C2 都用來濾波，但是作用是不一樣的。 C8是大電容，用電解電容，它的作用是低頻濾波，通過充電放電，從而削峰填谷，使電壓的脈動成分減少，電壓基本保持穩(wěn)定。而 C2 是小電容，所以對于高頻信號容抗很小，相當于短路，從而濾掉高頻信號。 需要注意的是， 470uF 的大電容可以濾低頻，為什么不能濾高頻，還要單獨加一個 第 13 頁 的小電容來濾高頻？從理論上來說大電容應該高頻、低 頻都可以，但是由于制造工藝的原因，電解電容的容值做得很大時，它就不再是一個單純的電容了，它等效于一個電容串聯(lián)一個電感。在頻率較低時，電感 L=jwl 較小，可以忽略不計，但是當頻率很高時，感抗就很大，相當于斷路，所以此時這個 470uF 的大電容不能濾掉高頻信號，必須單獨加一個小電容。小電容容值小，因此就不存在感抗的問題。 濾波完以后，電壓的脈動成分已經(jīng)下降了很多，但是仍有起伏，所以最后還需加上一個三端集成穩(wěn)壓器，這里選用 LM7805，它能將電壓穩(wěn)定在 5V。并聯(lián)在 LM7805 兩端的二極管起保護作用，避免在短路等情況 下 LM7805 輸出端的電壓比輸入端高，從而燒壞 LM7805。三端集成穩(wěn)壓器后面又接了一大一小兩個電容，再次進行濾波，使電壓更穩(wěn)定。 按鍵電路設(shè)計 圖 按鍵 電路圖 鍵盤分為編碼式和非編碼式鍵盤。其中，非編碼式鍵盤又包括矩陣式鍵盤和獨立式鍵盤。矩陣式鍵盤較為復雜，一般用于按鍵數(shù)目較多，而單片機可用的 I/O 口又比較有限時。本控制系統(tǒng)中只需要用到 5 個按鍵，數(shù)目較少，并且可用的 I/O 口充足，故采用獨立式鍵盤，一個按鍵對應一個單片機的 I/O 口管腳。 本設(shè)計中總共用到 5 個 按鍵式開關(guān)，他們用來改變設(shè)定的溫濕度上下限數(shù)值。從 第 14 頁 S0 到 S4，分別控制進入溫度上下限設(shè)置、進入濕度上下限設(shè)置、數(shù)值加、數(shù)值減、確認并退出。 本設(shè)計中的鍵盤是低電平有效。未按鍵時，上拉電阻保證了單片機的 I/O 口是確定的高電平；當某個鍵按下時， I/O 口變?yōu)榈碗娖健? 串口通信電路 串口通信可分為同步通信和異步通信，在單片機的應用系統(tǒng)中，主要是采用異步串行通信。在設(shè)計通信接口時，應該采用標準接口，這樣