【文章內(nèi)容簡介】 第二章 方案的比較和論證 6 2 . 7 單片機(jī)選型及程序流程 啟動（開始向前） 初始化程序 I/O 口 掃描 I/O 口是否有變化 進(jìn)入判斷程序，輸出相應(yīng)的信號控制電機(jī) 終止 N Y 第三章 硬件設(shè)計(jì) 7 第 三 章 硬件設(shè)計(jì) 信號采集 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對數(shù)字信號的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號，和 A/D 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計(jì)了以 8031 基本系統(tǒng)為核心的一套檢測系統(tǒng)，其中包括 A/D 轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、系 統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。 A D 5 9 0溫 度 檢 測C D4 0 5 1多 路開 關(guān)H S 1 1 0 0濕 度 檢 測 M C 1 4 4 3 3A / D 轉(zhuǎn) 換單 片 機(jī)串 行 口L E D 顯 示報(bào) 警 電 路C D4 0 5 1多 路開 關(guān) 圖 31 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計(jì)由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。 （一） 信號采集 由 AD590、 HS1100 及多路開關(guān) CD4051 組成； （二） 信號分析 由 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC1443單片機(jī) 8031 基本系統(tǒng)組成； （三） 信號處理 由串行口 LED 顯示器和報(bào)警系統(tǒng)等組成。 溫度傳感器 集成溫度傳感器 AD590 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源 。主要特性 AD590 是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分擋， AD590 的后綴以 I， J， K， L， M 表示。 AD590L， AD590M 一般用于精密溫度測量電路，其電路外形如圖 32 所示，它采用金屬殼 3腳封裝，其中 1 腳為電源正端 V＋； 2腳為電流輸出端 I0； 3腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號如圖 32所示。 第三章 硬件設(shè)計(jì) 8 圖 32 AD590 外形（圖 1）及電路符號（圖 2） AD590 的工作原理 在被測溫度一定時， AD590 相當(dāng)于一個恒流源，把它和 5～ 30V的直流電源相連，并在輸出端 串接一個 1kΩ的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有 1mV／ K的電壓信號。其基本電路如圖 33 所示。 圖 33 AD590 內(nèi)部核心電路 濕度傳感器 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣 的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測量的。下面 介紹 HS1100/HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。 一、特點(diǎn) 第三章 硬件設(shè)計(jì) 9 不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（ HS1100）和側(cè)面接觸（ HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。 圖 37a 為濕敏電容工作的溫 、 濕度范圍。圖 37b 為濕度 電容響應(yīng)曲線。 1 0 07 55 02 50 2 002 0 4 04 06 08 01 0 0溫 度 /℃長 期 穩(wěn) 定正常工作區(qū)區(qū)非正常區(qū) 02 0 4 06 08 01 7 01 6 01 8 01 9 02 0 0相 對 濕 度/ % R H 圖 37a、濕敏電容工作的溫 、 濕度范圍 圖 37b、濕度 電容響應(yīng)曲線。 相對濕度在 1%100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于177。 2%RH；響應(yīng)時間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃ ?？梢娋仁禽^高的。 多路開關(guān) 兩個 多路開關(guān)，有稱“多路模擬轉(zhuǎn)換器”。多路開關(guān)通常有 n個模擬量輸入通道 和一個公共的模擬輸入端，并通過地址線上不同的 地址信號把 n個通道中任一通道輸入的模擬信號輸出，實(shí)現(xiàn)有 n線到一線的接通功能。反之，當(dāng)模擬信號有公共輸出端輸入時 ，作為信號分離器，實(shí)現(xiàn)了 1 線到 n 線的分離功能。因此，多路開關(guān)通常是一種具有雙向能力的器件。 在本設(shè)計(jì)中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號采集中將有模擬量被提取，這時選用多路開關(guān)就是很必要的。 我選用的是 CD4051 多路開關(guān)，它是一種單片、 COMS、 8 通道開關(guān)。該芯片由DTL/TTLCOMS 電平轉(zhuǎn)換器，帶有禁止端的 8 選 1 譯碼器輸入，分別加上控制的 8個 COMS 模擬開關(guān) TG 組成。 CD4051 的內(nèi)部 原理框圖如圖 39所示 。 A/D轉(zhuǎn)換 第三章 硬件設(shè)計(jì) 10 一． A/D 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn) 為了把溫度、濕度檢測電路測出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送 CPU 處理，本系統(tǒng)選用擬了雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器 MC14433，它精度高，分辨率達(dá) 1/1999。由于 MC14433只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測的多路溫度與濕度信號輸入，故選用多路選擇電子開關(guān)，可輸入多路模量。 MC14433 A/D 轉(zhuǎn)換器 由于雙積分方法二次積分時間比較長，所以 A/D 轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對周期信號變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能也比較好。 圖 311 MC14433 引腳圖 MC14433 的框圖（圖 310）和引腳（圖 311）功能說明 各引腳的功能如下： 電源及共地端 VDD： 主工作電源 +5V。 VEE: 模擬部分的負(fù)電源端，接 5V。 VAG： 模擬地端。 VSS： 數(shù)字地端。 VR： 基準(zhǔn)電壓。 外界電阻及電容端 RI： 積分電阻輸入端， VX=2V 時， R1=470?； VX=200Mv 時， R1=27K?。 C1： 積分電容輸入端。 C1 一般為 。 第三章 硬件設(shè)計(jì) 11 C0 C02： 外界補(bǔ)償電容端，電容取值約 。 R1/C1： R1 與 C1 的公共端。 CLKI、 CLKO ： 外界振蕩器時鐘調(diào)節(jié)電阻 Rc， Rc 一般取 470 K?左右。 轉(zhuǎn)換啟動 /結(jié)束信號端 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，正脈沖有效。 DU： 啟動新的轉(zhuǎn)換，若 DU 與 EOC 相連，每當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動啟動新的轉(zhuǎn)換。 過量程信號輸出端 /OR ： 當(dāng) |Vx|?VR，過量程 /OR 輸出低電平。 位選通控制線 DS4DS1： 選擇個 、 十 、 百 、 千位，正脈沖有效。 Q0Q3： BCD碼輸出線。其中 Q0 為最低位， Q3 為最高位。當(dāng) DS DS3 和DS4 選通期間，輸出三位完整的 BCD 碼數(shù)，但在 DS1 選通期間，輸出端 Q0Q3 除了表示個位的 0或 1外，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負(fù)極性和欠量程還是過量程。 MC14433 與 8031 單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) 由于 MC14433 的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果是動態(tài)分時輸出的 BCD 碼， Q0～ Q3HE DS1～DS4 都不是總線式的。因此， MCS51 單片機(jī)只能通過并行 I/O接口或擴(kuò)展 I/O 接口與其相 連。對于 8031 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來說， MC14433 可以直接和其 P1 口或擴(kuò)展 I/O 口 8155/8255 相連。下面是 MC14433 與 8031 單片機(jī) P1 口直接相連的硬件接口，接口電路如圖 313所示 圖 313 MC14433 與 8031 單片機(jī) P1 口直接相連的硬件接口 單片機(jī) 8031 為了設(shè)計(jì)此系統(tǒng)，我們采用了 8031 單片機(jī)作為控制芯片，在前向通道中是第三章 硬件設(shè)計(jì) 12 一個非電信號的電量采集過程。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經(jīng)過功率放大過程，使信號放大，再經(jīng)過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號，再送入計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)的相應(yīng)端口。 由于 8031中無片內(nèi) ROM，且數(shù)據(jù)存儲器也不能滿足要求，經(jīng)擴(kuò)展 2762 和 6264 來達(dá)到存儲器的要求，其結(jié)果通過顯示器來進(jìn)行顯示輸出。 8031 的片內(nèi)結(jié)構(gòu) 8031 是有 8 個部件組成，即 CPU，時鐘電路，數(shù)據(jù)存儲器，并行口（ P0～ P3）串行口，定時計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)，它們均由單一總線連接并被集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，即組成了單片微型計(jì)算機(jī)， 8031 就是 MCS51 系列單片機(jī)中的一種。 圖 314 8031 基本組成 CPU 中央 處理器： 中央處理器是 8031 的核心，它的功能是產(chǎn)生控制信號，把數(shù)據(jù)從存儲器或輸入口送到 CPU 或 CPU 數(shù)據(jù)寫入存儲器或送到輸出端口。還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯和算術(shù)的運(yùn)算。 時鐘電路： 8031 內(nèi)部有一個頻率最大為 12MHZ 的時鐘電路，它為單片機(jī)產(chǎn)生時鐘序列，需要外接石英晶體做振蕩器和微調(diào)電容。 內(nèi)存： 內(nèi)部存儲器可分做程序存儲器和數(shù)據(jù)