【文章內容簡介】 線型及工控型 /基于單片機的溫濕檢測系統(tǒng)的設計 8 家電型。 （ 1） 通用型 /專用型 這是按單片機適用范圍來區(qū)分的。例如， 80C51是通用型單片機，它不是為某種專用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成 ADC接口 等功能的溫度測量控制電路。 （ 2） 總線型 /非總線型 這是按單片機是否提供并行總線來區(qū)分的?？偩€型單片機普遍設置有并行地址總線、數據總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內，因此在許多情況下可以不要并行擴展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。 （ 3） 控制型 /家電型 這是按照單片機大致應用的領域進行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封 裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。 顯然，上述分類并不是惟一的和嚴格的。例如， 80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。 單片機的特點和應用 1） 單片機的特點 （ 1） 有優(yōu)異的性能價格比。 單片機的這種高性能，低價格是它最顯著的一個特點。單片機盡可能把應用所需要的存儲器，各種功能的 I/O 口都繼承在一塊芯片內，使之成為名副其實的單片機。有的單片機為了提高速度和執(zhí)行效率，可是采用了 RISC 流水線和 DSP 的設計技術，使單片機的性能明顯優(yōu)于同類型微處理器，有的單片機片內的 ROM 可 達 64KB（式中的 ‘B’ 表示為字節(jié)），片內 RAM 可達 2KB，單片機的尋址已突破 64KB 的限制，八位和十六位單片機尋址可達 1MB和 16MB。 單片機另一個顯著特點是量大面廣，因此世界上個大公司提高單片機性能的同時，進一步降低價格，性能 /價格之比是各公司競爭的主要策略 （ 2） 集成度高、體積小、有很高的可靠性。 單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。 （ 3） 控制功 能強。 基于單片機的溫濕檢測系統(tǒng)的設計 9 為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉移指令、 I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。 單片機是電子計算機這個龐大家族中的一個特殊品種，體積雖小，但 “ 五臟俱全 ” ，它非常適用于專門的控制用途。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉移指令、 I/O 口的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次微型計算機。 （ 4） 低功耗、低電壓，便于生產便攜式產品。 單片機大量應用于攜帶式產品和家用消費類產品，低 電壓和低功耗的特性尤為重要。許多單片機已可在 V 的電壓下運行，有的已能在 V 或 V 下工作；功耗降至為 μA 級，一粒紐扣電池就可以長期使用。 (5) 集成度及可靠性高 單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。 單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。 外部總線增加了 I C（ InterIntegrated Circuit）及 SPI（ Serial Peripheral Interface）等串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結構。 2） 單片機的應用 單片機的應用范圍很廣，可以說覆蓋了所有領域。 其主要在智能儀器和控制中的應用。 (1) 單片機在智能儀表中的應用 單片機廣泛地用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，并可以提高測量的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結構，提高其性能價格比。 (2) 單片機在機電一體化中的應用 機電一體化是械工業(yè)發(fā)展的方向。機電一體化產品是指集成機械技術、微電子技術、計算機技術于一體，具有智能化特征的機電產 品，例如微機控制的車床、鉆床等。單片機作為產品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強等優(yōu)點，可大大提高機器的自動化、智能化程度。 (3) 單片機在實時控制中的應用 單片機廣泛地用于各種實時控制系統(tǒng)中。例如，在工業(yè)測控、航空航天、尖端武器、機器人等各種實時控制系統(tǒng)中，都可以用單片機作為控制器。單片機的實時數基于單片機的溫濕檢測系統(tǒng)的設計 10 據處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產品質量。 (3) 單片機在分布式多機系統(tǒng)中的應用 在比較復雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機系統(tǒng)。多機系統(tǒng)一般由若干臺功 能各異的單片機組成，各自完成特定的任務，它們通過串行通信相互聯系、協(xié)調工作。單片機在這種系統(tǒng)中往往作為一個終端機，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點上，對現場信息進行實時的測量和控制。單片機的高可靠性和強抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。 (4) 單片機在人類生活中的應用 自從單片機誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機、電冰箱、電子玩具、收錄機等家用電器配上單片機后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛。單片機將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。 綜合所述，單片機已成為計算機發(fā)展和應 用的一個重要方面。另一方面，單片機應用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分功能，現在已能用單片機通過軟件方法來實現了。這種軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是傳統(tǒng)控制技術的一次革命。 單片機應用系統(tǒng)的設計 [10] 單片機應用系統(tǒng)的設計（開發(fā)）的最終目的是能把它應用到實時控制系統(tǒng)以及儀器儀表、家用電器、汽車制造、醫(yī)療器械等各個領域。由于它的應用領域很廣，技術要求各不相同，因此應用系統(tǒng)的硬件設計可以是各種各樣的，但總體設計 方法和研制步驟基本相同。有關單片機應用系統(tǒng)的一般開發(fā)、研制方法論述如下： 1） 組成單片機應用系統(tǒng)的基本方法 用單片機組成應用系統(tǒng)時，實際問題的領域很寬，要求各不相同，組成的方案也千差萬別，很難有一個固定的模式適應一切問題，但考慮問題的基本方法大體相似。對一般的應用系統(tǒng)，大都要經歷如下步驟： ① 提出問題，了解現場，明確指標。無論是制作智能儀表還是研制工業(yè)控制系統(tǒng)都要對應用對象的工作過程進行深入調查和分析，了解課題的目的要求、信號的種類和數量、應用的環(huán)境等等，要把課題最終的指標 明確下來。 ② 進行可行性論證，提出初步方案。分析所接受任務的技術關鍵，論證能否用計算機來解決，有沒有別的途徑，用計算機合算與否，用什么計算機等等。如果可行，應對接受的課題提出初步方案，劃分軟、硬件各分課題的任務。 ③ 提出各分課題的設計方案。軟、硬件所承擔的任務明確之后，則可以分別設計出軟、硬件各自的功能及實現的方案。 基于單片機的溫濕檢測系統(tǒng)的設計 11 ④ 完成總體設計，完成各分課題的任務，組成計算機應用系統(tǒng)。 ⑤ 對系 統(tǒng)進行調試、修改、完善。 2） 應用系統(tǒng)研制進程 所謂應用系統(tǒng)，就是利用單片機為某應用目的而設計的單片機專用系統(tǒng)（在調試過程中通常稱為目標系統(tǒng)）。 單片機的應用系統(tǒng)和一般的計算機應用系統(tǒng)一樣，也是由硬件和軟件所組成。硬件指單片機、擴展的存儲器、輸入輸出設備、控制設備、執(zhí)行部件等組成的系統(tǒng)，軟件是各種控制程序的總稱。硬件和軟件只有緊密相結合，協(xié)調一致，才能組成高性能的單片機應用系統(tǒng)。在系統(tǒng)的研制過程中，軟硬件的功能總是在不斷地調整，以便相互適應，相互配合，以達到最佳性能價格比。 單片機應用系統(tǒng)的研制過程包括總 體設計、硬件設計、軟件設計、在線仿真調試、程序固化等幾個階段。各個階段所完成的主要工作概述如下： 總體設計主要包括確定技術指標，機型及器件選擇，軟、硬功能劃分等。硬件設計主要包括程序存儲器和數據存儲器芯片的選擇和設計； I/O 電路、 A/D、 D/A 及有關外圍電路的設計；系統(tǒng)地址譯碼電路、總線驅動器等的設計等。軟件的主要任務是定義系統(tǒng)功能，軟件的結構設計，畫出程序結構框圖及各功能的程序框圖，逐個編寫程序。一般采用匯編語言編程較為適合。也可采用高級語言編程。 軟件設計完成后，進行在線仿真調試，也即查找程序中的錯誤。 軟件調試完成后再進行軟、硬聯機調試直至最后生成可用的軟、硬件系統(tǒng)。 軟件和硬件聯調完成以后，反復運行正常則可將用戶系統(tǒng)程序固化到 EPROM 中，插入用戶樣機，用戶系統(tǒng)即可脫離開發(fā)系統(tǒng)獨立工作。詳細的開發(fā)過程可以參閱有關的資料。 本章主要分析了國內外溫度測試的發(fā)展現狀及其趨勢，系統(tǒng)的介紹了本課題主要用到單片機。在回顧了單片機發(fā)展歷史，分析了其分類和特點之后，重點介紹了單片機應用系統(tǒng)設計，為下一步課題設計做了充分的準備。 單片機應用系統(tǒng)的研制過程 [14] 單片機又稱單片微控制器 ,它不是完成某一個邏輯功能 的芯片 ,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機了解計算機原理與結構的最佳選擇。 選擇器件時應考慮其性能是否滿足設計需求，是否具有良好的技 術支持和文檔支持，是否具有良好的性價比等，其核心是單片機的選型。在大多情況下，基于單片機的溫濕檢測系統(tǒng)的設計 12 理應選擇性價比高的單片機及其它器件，但在某些特殊場合，當性能成為決定因素時，應以性能優(yōu)先原則選擇所需的單片機或其它器件。單片機一般分為 51系列和 52系列，本次設計用到的是 52系列 即 8051單片機。 單片機應用系統(tǒng)的研制過程如圖所示 21 ： 圖 接受設計任務 明確任務、歸并要求 選 機，劃 分 軟 硬 件 硬件設計 軟件設計 聯 機 仿 真 調 試 排 除 故 障，修 改 程 序 固 化 程 序 應 用 系 統(tǒng) 獨 立 運 行 研 制 完 成 基于單片機的溫濕檢測系統(tǒng)的設計 13 第 2 章 基于單片機的溫濕度檢測系統(tǒng)的總體設計 課題主要內容 在掌握《傳感器與傳感器技術》和《單片機原理與應用》等教材內容和教學要求的基礎上，分析國內外濕溫度的發(fā)展情況，研究分析測溫測濕的一些基本方法，確定單片機的硬件設計，制定檢測溫濕的基本檢測設計方案，確定硬件并寫出 程序藍本。再在軟件上模擬實現要求的功能，調試出結果。本文介紹了該測量儀的研制，包括溫度傳感器、濕度傳感器、單片機接口及其應用軟件， 其主要內容如下 : 簡單介紹了國內溫濕度的檢測方法及其未來發(fā)展方向。 根據實際測量要求制定出一次儀表一傳感器的選擇、使用和安裝方案。 根據實際使用要求設計了相應的單片機硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現數據采集、溫濕度值的實時顯示和存儲等。 對該儀器的功能進行了初步認定，從原理和實際意義上分析了該儀器的測量誤差。 介紹本儀器的優(yōu)點及不足，并對未來的發(fā)展提出了展望。 系統(tǒng)功能 根據設計要求，系統(tǒng)的主要內容（功能）如下： （ 1） 根據要求 設計時鐘并 顯示； （ 2） 自動檢測 溫濕度并顯示； （ 3） 用 LED顯示方式； （ 4） 溫度以℃為單位； 系統(tǒng)總體設計方案 將集成傳感器因外部溫濕度的狀況產生的模擬信號經過 A/D轉換之后，其值由 8751處理，最后將其顯示在 D4， D3， D2， D1共四個七段顯示器。其中包含了時鐘顯示電路。該測量儀可以實現溫濕度的測量，數據的顯示、儲存以及日歷時間的顯示。 在微機控制系統(tǒng)中，工業(yè)生產過程的被測控參數，如溫度、壓力、流量、液位、成份 、速度等都是連續(xù)變化的量，習慣上稱為模擬量，而計算機所需要的則是離散的數字量。因此，在過程控制及微機進行數據處理的系統(tǒng)中，必須首先把模擬量變成數字量。基于單片機的溫濕檢測系統(tǒng)的設計 14 這樣才能送到微機進行處理和運算，然后顯示打印結果，或通過控制電路對現場進行控制。單片機控制的一般模式如圖 圖 22單片機用于測量控制系統(tǒng)原理示意圖 需測 量現場 傳感器 放大 多路開關 轉換 采樣保持 A/D 單片機 系統(tǒng) 顯示打印 控制 基于單片機的溫濕檢測系統(tǒng)的設計 15 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設計 系統(tǒng)總體原理框圖 系統(tǒng)總體原理框 圖如圖 31所示： 圖