【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)工作后，冷凍室內(nèi)的溫度逐漸改變，當(dāng)冷凍室內(nèi)的溫度調(diào)整到規(guī)定范圍時，調(diào)整冷凍室的命令的自動解除，一個工作過程就算是這樣完成了。冷凍室傳感器接著等待進(jìn)入下一個工作過程。 . 硬件是指單片機(jī)本身及其外圍設(shè)備，是單片機(jī)控制系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)的合理與否，直接影響整個系統(tǒng)的性能，必須慎重選擇 [1][2][3] [5][6][10]。 6 電冰箱控制器的主要任務(wù)就是控制壓縮機(jī)、化霜加熱等來保持箱內(nèi)食品的最佳溫度，達(dá)到食品保鮮的目的，即保證所儲存的食品在經(jīng)過冷凍或冷藏之后，保持色、味、水分、營養(yǎng)基本不變。 用 LED 將設(shè)定溫度或?qū)嶋H溫度顯示出 來。 基于 51單片機(jī)的電冰箱控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（如圖 21 所示）采用了模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括： A/D 轉(zhuǎn)換電路、溫度采集電路、除霜電路、鍵盤電路、 LED 顯示電路、制冷壓縮機(jī)和除霜電熱絲啟﹑?？刂齐娐?、電源電壓檢測電路、語音輸出報警電路、直流電源供電電路、晶體振蕩電路等模塊。 圖 21 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 冷藏室溫度傳感器 冷凍室溫度傳感器 霜厚傳感器 放大器 放大器 放大器 欠電壓保護(hù) 壓縮機(jī) 加熱絲 鍵盤電路 顯示器 A/D 轉(zhuǎn)換器 功放 AT89C51單片機(jī) 直流電源供電電路 晶體振蕩電路 報警電路 7 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是整個測控系統(tǒng)的核心部件 ,它直接影響到整個系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計 ,并對系統(tǒng)的功能、性價比以及研制周 期起決定性作用。本控制系統(tǒng)的單片機(jī)采用美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 8 位單片機(jī) AT89C51,它是 80C51 微控制器系統(tǒng)的派生。 AT89C51芯片 采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 ，而且價格低，是目前性能比較高的單片機(jī)之一。該芯片完全滿足系統(tǒng)需要，不需要再外擴(kuò)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，可以大大簡化系統(tǒng)的硬件電路。此外， AT89C51 單片機(jī)在市場上的貨源充足，技術(shù) 比較成熟，同時也具有較好的開發(fā)環(huán)境 [4][9][13]。 AT89C51 的特點 AT89C51 具有以下特點： （ 1） 與 MCS51 兼容 。該芯片具有 MCS51系列單片機(jī)的所有特性， 與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 （ 2） CMOS 制造工藝，功耗低，成本低廉。 全靜態(tài)工作 時 0Hz24Hz， 正常運(yùn)行電壓 5V，速度可達(dá) 33MHZ。片內(nèi)有 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 ， 128字節(jié)的 RAM 存儲器和 4 字節(jié)的 EPROM 存儲器，不擴(kuò)展存儲器可滿足系統(tǒng)需要，采用 低功耗的閑置和掉電模式 可降低成本且提高系 統(tǒng)抗干擾能力。 （ 3）可靠性高。芯片本身按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計，抗噪聲干擾強(qiáng)；運(yùn)行溫度范圍寬 (40℃ 60℃ )；允許電源波動范圍大 (5V177。 20%)，芯片內(nèi)有振蕩器和時鐘電路。 （ 4）擴(kuò)展性能好。具有 4個 8 位 I/O 口，通過芯片外引腳構(gòu)成三總線結(jié)構(gòu)（地址總線 AB、數(shù)據(jù)總線 DB、控制總線 CB）。 RAM 可擴(kuò)展到 64K字節(jié)，另外具有片內(nèi) FLASH 程序存儲器，同時含有 2個外部中斷口， 2個 16 位可編程定時計數(shù)器， 2 個全雙工串行通信口， 5 個中斷源 。 AT89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。 （ 5）穩(wěn)定性好。 壽命 可達(dá) 1000 寫 /擦循環(huán) ， 數(shù)據(jù)保留時間 可達(dá) 10年 。 管腳說明 AT89C51 芯片引腳排列如圖 22 所示。引腳按功能可分為：電源和時 8 鐘引線、 I/O 口線、控制口線三部分。 ： VCC：供電電壓。 VSS：接地。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 ： P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以 被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FLASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FLASH 進(jìn)行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流， 當(dāng) P2 口被寫 “1” 時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1” 時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口： P3 口 （第二功能如表 21） 管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O 口，可接收輸出 4個 TTL 門電流 。當(dāng) P3 口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 （ 3）控制口線： RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 9 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是 ：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 PSEN ：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN 信號將不出現(xiàn)。 EA /VPP：當(dāng) EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1時， EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)， EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 表 21 P3 口第二功能 I/O 引腳 第二功能 注釋 RXD DXD 0INT 1INT 0T 1T WR RD 串行數(shù)據(jù)輸入口 串行數(shù)據(jù)輸出口 外部中斷 0 請求 外 部中斷 1 請求 定時器 /計數(shù)器 0 外部輸入 定時器 /計數(shù)器 1 外部輸入 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 10 振蕩器特性和時鐘電路 ： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 ： 單片 機(jī)應(yīng)該是一個最小應(yīng)用系統(tǒng)，但在這個最小系統(tǒng)中，仍有一些功能器件如晶體振蕩器、復(fù)位電路等無法集成到芯片內(nèi)部，因而需要在片外接相應(yīng)的電路。 89C51通常采用電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位兩種方式，本系統(tǒng)選用上電復(fù)位電路，復(fù)位電路如圖 23 （ a）所示，在 RC 電路的充電過程中，RESET 端出現(xiàn)正脈沖， RESET 端保持 10以上的高電平，單片機(jī)可有效復(fù)位。 系統(tǒng)單片機(jī)的時鐘電路如圖 23（ b）所示：在 XTAL XTAL2 引腳上外接石英晶體和微調(diào)電容組成并聯(lián)諧振回路，外接兩個 30Pf 的諧振電容，選用 6MHz 的晶振。 圖 22 AT89C51 芯片引腳列圖 11 芯片擦除 整個 EPROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1” 且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù) 位為止。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 [1][15]采用逐次逼近式 8 位 ADC0809 芯片。 0809 共有 8 路模擬輸入通道 ,本系統(tǒng)只用了其中 4 個通道 IN0~IN3。其中 IN0 作為冷凍室溫度檢測通道 ,IN1作為冷藏室溫度檢測通道 ,IN2作為除霜檢測通道 ,IN3作為電源電壓檢測通道。 圖 23（ a） 復(fù)位電路 圖 23（ b）時鐘電路 12 ADC0809 介紹 ADC0809 是一種比較典型的 8位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 CMOS 工藝，可實現(xiàn) 8 路模擬信號的分時采集，片內(nèi)有 8 路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為 100μs 左右，采用 雙排 28 引腳封裝 ，可以和微機(jī)直接接口。 ： ADC0809 由一個 8 路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器 、 一個 A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 ADC0809 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖 24 所示： 圖 24 ADC0809 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 圖中，八路模擬量開關(guān)可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 1 個 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對 ADDA、 ADDB、ADDC 三個地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于 8 路模擬通道的選擇。 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式，三態(tài)輸出鎖存器用于存放和輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量。 2. 主要特征： （ 1） 8路 8位 A／ D轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8位； （ 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?； （ 3）轉(zhuǎn)換時間為 100μ s； 13 （ 4）單個＋ 5V 電源供電； （ 5）模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)； （ 6）工作溫度范圍為 40～＋ 85 攝氏度； （ 7）低功耗，約 15mW。 ： （ 1）分辨率： 分辨率是衡量 A/D 轉(zhuǎn)換芯片能分辯出的輸入模擬量最小變化程度的技術(shù)指標(biāo)。分辨率取決于 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)， ADC0809 的分辨率為 8 位，即它輸出數(shù)據(jù)可用 28個二進(jìn)制進(jìn)行量化。用百分率表示為： 1/2N 100%=1/28 100%=1/256 100%=% （ 2）量化誤差： 量化誤差（如圖 25 所示）是由于 A/D 轉(zhuǎn)換器有限字長的數(shù)字量對輸入模擬量進(jìn)行離散取樣而引起的誤差，其大小在理論上為一個單位的分辨率。該量表示 A/D 轉(zhuǎn)換器所能辨認(rèn)的最小數(shù)字量，量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，提高分辨率可以減少量化誤差。 （ 3）轉(zhuǎn)換率與轉(zhuǎn)換時間： 轉(zhuǎn)換率是指 A/D 轉(zhuǎn)換器在每秒鐘所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。這個指標(biāo)也可圖 25 A/D 轉(zhuǎn)換量化誤差 14 以表述為轉(zhuǎn)換時間，即 A/D 轉(zhuǎn)換器從啟動到得到轉(zhuǎn)換結(jié)果所需要的時間，兩者互為倒數(shù)。 ADC080