【文章內(nèi)容簡介】 。 執(zhí)行機構(gòu) 在系統(tǒng)中，控制對象為冷水管和熱水管的進水量，為了準(zhǔn)確的控制進水量，使用步進電機，這種電機是一步一步轉(zhuǎn)動的，不同型號的步進電機的步進角不同，但它們都能精確定位。 6 系統(tǒng)的硬件框圖 通過對系統(tǒng)進行選型， 確定 電源模塊主要是 +5V 和 +36V 的兩個電源，溫度采集模塊是DS18B20，鍵盤輸入是 4*4 矩陣鍵盤，溫度顯示是數(shù)碼管，執(zhí)行單元是步進電機。 系統(tǒng)硬件框圖如圖 3所示： 圖 3 系統(tǒng)硬件框圖 7 第三章 硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn) 80C51 簡介 80C51 的引腳圖如圖 4 所示 圖 4 80C51引腳圖 現(xiàn)就各個引腳功能簡要介紹如下： (1)電源引腳 ： ccV (40):接 +5V 電源； ssV （ 20）：接地。 (2)I/O 總線 ： ~（ P0口） ： 8 位漏極開路型雙向并行 I/O 口； ~（ P1口） ：具有內(nèi)部上拉電阻的 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口； ~（ P2口） ： 8 位具有內(nèi)部上拉電阻的準(zhǔn)雙向 I/O 口； 8 ~（ P3 口） ： 8 位具有內(nèi)部上拉電阻的準(zhǔn)雙向 I/O 口，每一位又具有特殊功能。具體功能見表 1。 表 1 P3口各位的第二功能 P3 口管腳 第二功能 RXD（串行輸入端） TXD（串行輸出端） INT0（外部中斷 0 輸入端，低電平有效） INT1（外部中斷 1 輸入端，低電平有效） T0（定時器 /計數(shù)器 0外部事件計數(shù)輸入端） T1（定時器 /計數(shù)器 1外部事件計數(shù)輸入端） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號，低電平有效） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號，低電平有效） (3)時鐘 ： XTAL1（ 19） ：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端。 XTAL2（ 18） ：片內(nèi)振蕩器反相器的輸出端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 (4)控制總線 ： RST/VPD（ 9） ：復(fù)位輸入信號，當(dāng)該引腳上出現(xiàn) 2 個機器周期以上的高電平時，可實現(xiàn)復(fù)位操作。當(dāng)引腳為掉電保護后備電源之輸入引腳。 ALE/PROG （ 30） ：地址鎖存允許 /編程信號線。當(dāng) CPU 訪問外部存儲器時， ALE 用來鎖存 P0 輸出的地址信號的低 8 位。它的頻率為振蕩器頻率的 1/6。 PSEN （ 29） ：外接程序存儲器讀選通信號。 EA /ppV （ 31） ：訪問內(nèi)部程序存儲器的控制 信號。當(dāng)EA =1 時， CPU 從片內(nèi) ROM 讀取指令； EA =0 時， CPU 從片外 ROM 讀取指令。 (4)復(fù)位電路和晶振電路 ： 為了保證單片機正常工作，必須給單片機系統(tǒng)接上復(fù)位電路和晶振電路。 復(fù)位電路 復(fù)位電路是當(dāng)系統(tǒng)需要重新啟動時，使程序從頭開始執(zhí)行。復(fù)位電路接在 80C51 單片機的 9號引腳（ RST/VPD），具體接線如圖 5所示： 9 圖 5 復(fù)位電路 晶振電路 晶振電路是給系統(tǒng)提供時鐘頻率，晶振頻率 越 高 ，系統(tǒng)的運行速度越快。單片機的晶振輸入端可以有兩種輸入方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式如圖 6 所示。外部時鐘方式用得很少，當(dāng)要使用時，將 XTAL1 接地， XTAL2 接外部振蕩器就行。這種接法對外部振蕩信號無特殊要求，人們一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號。在本系統(tǒng)中使用的晶振頻率為 12MHz，這對于處理的數(shù)據(jù)不是太多的系統(tǒng)來講，已經(jīng)夠用了。電容為兩個 30pf 瓷片電容。 圖 6 晶振電路 80C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 該單片機是在一塊芯片中集成了 CPU、 RAM、 ROM、定時器 /計數(shù)器和多功能 I/O 口等一臺計算機所需要的基本功能部件。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 7所示，包括： 10 可 編 程串 行 口2 個 1 6 位 定 時器 / 計 數(shù) 器1 2 8 字 節(jié) R A M可 編 程 I / O 口4 K 字 節(jié) R O M6 4 K 總 線 擴 展控 制8 0 C 5 1 C P U振 蕩 器 及定 時 電 路 圖 7 80C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 一個 8位 CPU； 4KB ROM 或 EPROM； 128 字節(jié) RAM 數(shù)據(jù)存儲器； 21個特殊功能寄存器 SFR； 4個 8位并行 I/O 口，其中 P0、 P2為地址 /數(shù)據(jù)線，可尋址 64KB ROM 和 64KB RAM； 一個可編程全雙工串行口； 具有 5個中斷源，兩個優(yōu)先級，嵌套中斷結(jié)構(gòu)； 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器； 一個片 內(nèi)振蕩器及時鐘電路。 I/O 口介紹： P0、 P P P3 P0口（ ）是一個 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，在訪問外部存儲器時，它是分時傳送的低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)總線， P0 口能以吸收電流的方式驅(qū)動八個 LSTTL 負載。 P1口（ ）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，能驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )四個 LSTTL 負載。 P2口（ ）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口，在訪問外部存 11 儲器時，它輸出高 8位地址。 P2 口可以驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )四個 LSTTL負載。 P3口（ ）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，能驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )四個 LSTTL 負載 [3]。 鍵盤接線和按鍵功能分配 根據(jù)前一章的分析可知，采用 44 的矩陣式鍵盤是最有效的。不但節(jié)省單片機的 I/O口資源，而且價格便宜，操作簡單，實用美觀，其具體接線如圖 8所示。 圖 8 按鍵連線圖 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，我們將鍵盤分配為數(shù)字鍵（ 0、 9）、功能鍵（開始、關(guān)閉）和待定鍵 四 個 。數(shù)字鍵用于輸入設(shè)定的淋浴溫度，功能鍵用于系統(tǒng)的輸入設(shè)定溫度后的確認和 關(guān)閉 。 鍵盤的掃描原理 識別按鍵的方法很多，其中，最常見的方法是掃描法。 行掃描法 行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法 ，介紹過程如下。 判斷鍵盤中有無鍵按下 將全部行線置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與 4 根行線相交叉的 4 個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。 12 判斷閉合 鍵所在 的位置 在確認有鍵按下后，即 可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。 鍵盤的工作方式 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是 CPU 的工作內(nèi)容之一。 CPU 對鍵盤的響應(yīng)取決于鍵盤的工作方式，鍵盤的工作方式應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)中 CPU 的工作狀況而定，其選取的原則是既要保證 CPU能及時響應(yīng)按鍵操作，又不要過多占用 CPU 的工作時間。通常，鍵盤的工作方式有三種 ，即編程掃描、定時掃描和中斷掃描。 1） 編程掃描方式 編程掃描方式是利用 CPU 完成其它工作的空余調(diào)用鍵盤掃描子程序來響應(yīng)鍵盤輸入的要求。在執(zhí)行鍵功能程序時， CPU 不再響應(yīng)鍵輸入要求，直到 CPU 重新掃描鍵盤為止。 鍵盤掃描程序一般應(yīng)包括以下內(nèi)容： （ 1）判別有無鍵按下。 （ 2）鍵盤掃描取得閉合鍵的行、列值。 （ 3）用計算法或查表法得到鍵值。 （ 4）判斷閉合鍵是否釋放，如沒釋放則繼續(xù)等待。 （ 5）將閉合鍵鍵號保存，同時轉(zhuǎn)去執(zhí)行該閉合鍵的功能。 2） 定時掃描方式 : 定時掃描 方式就是每隔一段時間對鍵盤掃描一次，它利用單片機內(nèi)部的定時器產(chǎn)生一定時間（例如 10ms）的定時，當(dāng)定時時間到就產(chǎn)生定時器溢出中斷， CPU 響應(yīng)中斷后對鍵盤進行掃描，并在有鍵按下時識別出該鍵，再執(zhí)行該鍵的功能程序。 3）中斷掃描方式 采用上述兩種鍵盤掃描方式時，無論是否按鍵， CPU 都要定時掃描鍵盤，而單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作時，并非經(jīng)常需要鍵盤輸入，因此， CPU 經(jīng)常處于空掃描狀態(tài)，為提高 CPU 工作效率，可采用中斷掃描工作方式。其工作過程如下：當(dāng)無鍵按下時， CPU 處理自己的工作，當(dāng)有鍵按下時，產(chǎn)生中斷請求， CPU 轉(zhuǎn)去執(zhí) 行鍵盤掃描子程序，并識別鍵號。 13 顯示模塊要完成設(shè)定溫度和溫水溫度的顯示，并且溫水的溫度要實時顯示出來。為此我們選擇動態(tài)顯示模式， LED 選擇共陽的 7段數(shù)碼管，并且使用單片機的串口 （ RXD）和 （ TXD）進行顯示。基于這種顯示方式，我們需要選擇串行數(shù)據(jù)輸入、并行數(shù)據(jù)輸出的驅(qū)動芯片 74LS164 來驅(qū)動 LED。 LED 顯示原理 LED 顯示器由 7條發(fā)光二極管組成顯示字段，有的還帶有一個小數(shù)點 Dp。將 7 段發(fā)光二極管陰極連在一起，稱為共陰接法，當(dāng)某個字段的陽極為 高電平時，對應(yīng)的字段就點亮，如圖 9所示。 點亮 LED 顯示器有兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。 所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止，這種方式，每一顯示位都需要一個 8位的輸出口控制，占用的硬件資源較多，一般僅用于顯示位數(shù)校少的場合。 所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點亮各位顯示器。對每一位顯示器而言，每隔一段時間點亮一次。顯示位的亮度跟導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點亮?xí)r間與間隔時間的比例有關(guān)。 為了顯示字符，要給 LED 顯示器提供顯示段碼（或字型代碼），段碼位對應(yīng)關(guān)系如下： 表 2 段碼位對應(yīng)表 段碼位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 顯示位 Dp g f e d c b a 下表為十六進制數(shù)、 H、 P、 U和 的顯示段碼： 表 3 段碼顯示對應(yīng)表 字型 共陽極段碼 共陰極段碼 字型 共陽極段碼 共陰極段碼 0 C0 3F A 88 77 1 F9 06 B 83 7C 2 A4 5B C C6 39 3 B0 4F D A1 5E 4 99 66 E 86 79 14 5 92 6D F 8E 71 6 82 7D H 89 76 7 F8 07 P 8C 73 8 80 7F U C1 3E 9 90 6F BF 40 串行顯示電路和 74LS164 簡介 串行顯示電路由 4 個共陽的 7段數(shù)碼管和 4片 74LS164 芯片組成。其工作原理 基本情況 如下：單片機的 引腳不斷地發(fā)出時鐘脈沖，存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū) SBUF 里的數(shù)據(jù)從 口一位一位的移出，只要來一個脈沖，就輸出一位數(shù)據(jù)，并且對于單片機，串行移位輸出的方式是從低位開始，即先移出低位數(shù)據(jù) D0，最后移出高位數(shù)據(jù) D7。為了實時顯示設(shè)定溫度和溫水溫度，使用 1S 顯示一次數(shù)據(jù)的方式。 共陽數(shù)碼管串行顯示電路如圖 9 所示 。 圖 9 共陽管串行顯示 74LS164 介紹： 74LS164 為 8 位數(shù)據(jù)串行輸入、并行輸出移位寄存器，采用 DIP14 引腳封裝。其引腳圖如 圖 10 所示，功能表如 表 4 所示。引腳 A、 B接在一起作為數(shù)據(jù)輸入端，移位脈沖接 8號引腳 Clock， AQ 到 HQ 分別接數(shù)碼管的 a到 dp。當(dāng)需要顯示多位數(shù)據(jù)時，將下一位的數(shù)據(jù)輸入端接上一 個 芯片的 HQ 。 15 表 4 74LS164 對應(yīng)表 輸入 輸出 清除 時鐘 A B AQ BQ ?? HQ L X X X L L ?? L H L X X 0AQ 0BQ ?? 0HQ H ↑ H H H AnQ ?? GnQ H ↑ L X L AnQ ?? GnQ H ↑ X L L AnQ ?? GnQ 9654320171 01 11 21 31 4V c c C L O C KC L E A NQ A Q B Q CQ DQ EQ FQ GQ HA 1A 2G N D 圖 10 74LS164引腳圖 在設(shè)計中，有三處的溫度需要進行快 速采集：冷水進水管處、熱水進水管處和溫水出水管處。日常生活中人們淋浴的溫度大約為 20℃ 到 50℃ ，在設(shè)計系統(tǒng)時，設(shè)計溫度范圍為 0℃ 到 99℃ 。經(jīng)過前一章分析，這個模塊中要使用 DS18B20 進行溫度采集，交給單片機 16 處理。 具體模擬如圖 11。 圖 11 DS18B20仿真連接圖 步進電機簡介 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機 就 轉(zhuǎn)過一個步距角 。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、