【文章內容簡介】 設計的實施過程，包括繪圖、編程、仿真和焊接實物。 第 2章 硬件系統(tǒng)設計 5 第 2 章 硬件系統(tǒng)設計 硬件總體設計 單片機應用系統(tǒng)的結構分三個層次： (1)單片機：通常指應用系統(tǒng)主處理機，即所選擇的單片機器件。 (2)單片機系統(tǒng)：指按照單片機的技術要求和嵌入對象的資源要求而構成的基本系統(tǒng)，如時鐘電路、復位電路和擴展存儲器等與單片機構成了單片機系統(tǒng)。 (3)單片機應用系統(tǒng)：能滿足嵌入對象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機系統(tǒng)的基礎上加上面向對象的接 口電路，如前向通道、后向通道、人機交互通道 (鍵盤、顯示器、打印機等 )和串行通行口 (RS232)以及應用程序等。 單片機應用系統(tǒng)三個層次的關系如 圖 21： 圖 21 單片機應用系統(tǒng)三個層次的關系 以此理解，一氧化碳報警器同樣具有單片機應用系統(tǒng)的三個層次。其中以 AT89C51 單片機為核心構成單片機系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測信號進入單片機進行運算處理。為了更好的理清設計思路，將整個系統(tǒng)細分為三部分加以設計說明。整個報警器由三個部分組成，分為三大模塊：濃度檢測模塊、主控模塊和報警模塊。在本次設計中 ，使用的核心器件是單片機和一氧化碳燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文 ） 6 傳感器。為了保重整個系統(tǒng)可靠的運行，設計中必須明確三大部分的實際聯(lián)系：以單片機為中心，其他各大模塊一一展開。其中，濃度檢測及顯示模塊所實現(xiàn)的功能是將房間中的一氧化碳濃度值轉換成為單片機能夠處理的數(shù)字信號，并且濃度值顯示出來：主控模塊以單片機為主，對其他模塊的運行進行控制；報警模塊是此系統(tǒng)的外部電路，它的功能是實現(xiàn)報警。系統(tǒng)框圖如 圖 22 所示。 圖 22 系統(tǒng)框圖 下面就對各個模塊的功能和實現(xiàn)形式做簡單介紹 (1)氣體濃度檢測模塊 一氧化碳報警器主要采用高穩(wěn) 定一氧化碳氣體傳感器 MQ7 檢測房間氣體濃度，檢測結果送入模數(shù)轉換芯片 ADC0809 中進行轉換后，將得到的數(shù)字信號送入單片機進行分析處理。 (2)主控模塊 主控模塊即單片機最小系統(tǒng)。用的是 MCS51 單片機， MCS51 單片機是美國 Intel 公司 1980 年推出的一種高性能 8 為單片微型計算機。內帶 4K字節(jié)的內存和程序保護系統(tǒng)，使用于程序的調試修改和保密。它的主要功能既是將經(jīng)過 ADC0809 處理后的檢測結果進行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果決定是否報警，若報警，則驅動報警系統(tǒng)工作。 (3)報警模塊 此模塊主要有蜂鳴 器、 LED 數(shù)碼管組成，在氣體濃度過大，超過安全單片機AD 轉換傳感器 1傳感器 2傳感器 3傳感器 3顯示報警聲音報警第 2章 硬件系統(tǒng)設計 7 值時，蜂鳴器工作，提供聲音報警服務；同時，數(shù)碼管顯示報警的傳感器號。 至此，本系統(tǒng)的三大模塊功能和設計思路已經(jīng)確立，下文將介紹整個硬件系統(tǒng)的詳細設計過程。并且給出設計電路。 單片機的最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)原理圖如下： 圖 23 單片機最小系統(tǒng)原理圖 單片機的最小系統(tǒng)是由組成單片機系統(tǒng)必需的一些元件構成的，除了單片機之外，還需要包括電源供電電路、時鐘電路、復位電路。單片機最小系統(tǒng)電路 (單片機電源和地沒有標出 )如圖 22 所示。 單片機簡介 本課題所用單片機 采用 8051 核的 ISP(In System Programming)在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時鐘頻率為 80MHz，片內含 4K Bytes 的可反復擦寫 1000次的 Flash 只讀程序存儲器，器件兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng) ，芯片內集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程 (ISP)特性，燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文 ） 8 配合 PC 端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。 STC89C52RC 系列單片機是單時鐘 機器周期 (1T)的兼容 8051 內核單片機，是高速 低功耗的新一代 8051 單片機，全新的流水線 精簡指令集結構 ,內部集成 MAX810 專用復位電路。 主要特性有： (1)增強型 1T 流水線 精簡指令集結構 8051 CPU (2)工作電壓： (5V 單片機 ) (3V 單片機 (3)工作頻率范圍： 0 35 MHz，相當于普通 8051 的 0～ 作頻率可達 48MHz. (4)用戶應用程序空間 12K 10K 8K 6K 4K 2K 字節(jié) (5)片上集成 512 字節(jié) RAM (6)通用 IO 口 (2723 個 )，復位后為：準雙向口 弱上拉 (普通 8051 傳統(tǒng)IO 口 )可設置成四種模式：準雙向口 弱上拉，推挽 強上拉，僅為輸入 高阻，開漏每個 IO 口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不得超過55mA (7)ISP(在系統(tǒng)可編程 )IAP(在應用可編程 )，無需專用編程器可通過串口()直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 (8)EEPROM 功能 (9)看門狗 (10)內部集成 MAX810 專用復位電路 (外部晶體 20M 以下時，可 省外部復位電路 ) (11)時鐘源：外部高精度晶體 時鐘，內部 RC 振蕩器。用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部 RC 振蕩器還是外部晶體 時鐘。常溫下內部RC 振蕩器頻率為： ～ 。精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，因為有溫漂，請選 4MHz ～ 8MHz (12)有 2 個 16 位定時器 計數(shù)器 (13)外部中斷 2 路 ,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ,Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 (14)PWM( 4 路 ) P C A(可編程計數(shù)器陣列 )，也可用 來再實現(xiàn) 4 個定時第 2章 硬件系統(tǒng)設計 9 器或 4 個外部中斷 (上升沿中斷 下降沿中斷均可支持 ) (15)STC89Cc516AD 具有 ADC 功能。 10 位精度 ADC，共 8 路 (16)通用異步串行口 (UART) (17)SPI 同步通信口，主模式 從模式 (18)工作溫度范圍： 0 75℃ 40 +85℃ (19)封裝： PDIP28， SOP28， PDIP20， SOP20， PLCC32,TSSOP20(超小封狀，定貨 ) 振蕩器特性 :： 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動器件， XTAL2 應不接。有余輸入至內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。 [1] 時鐘電路和復位電路 時鐘電路和復位電路的原理如下： 1)時鐘電路 圖 24 時鐘電路原理圖 單片機工作時，從取指令到譯碼再進行微操作，必須在時鐘信號控制下才能有序地進行，時鐘電路就是為單片機工作提供基本時鐘的。單片機的時燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文 ） 10 鐘信號通常有兩種產(chǎn)生方式：內部時鐘方式和外部時鐘方式。 本課題采用 內部時鐘方式。 在單片機 XTAL1 和 XTAL2 引腳上跨接上一個晶振和兩個穩(wěn)頻電容，可以與單片機片內的電路構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振頻率 取 12 MHz。外接電容的作用是對振蕩器進行頻率微調，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩(wěn)定頻率的作用， 本課題選用 33pF 的 電容。 易知：本單片機最小系統(tǒng)的 振蕩周期 =1(12MHz)=112us，時鐘周期 =16us，機器周期 =1us。 2)復位電路 圖 25 復位電路原理圖 無論是在單片機剛開始接上電源時，還是運行過程中發(fā)生故障都需要復位。復位電路用于將單片機內部 各電路的狀態(tài)恢復到一個確定的初始值，并從這個狀態(tài)開始工作。 單片機的復位條件：必須使其 RST 引腳上持續(xù)出現(xiàn)兩個 (或以上 )機器周期的高電平。 單片機的復位形式：上電復位、按鍵復位。 本課題采用按鍵復位。 在單片機啟動 后，電容 C 兩端的電壓持續(xù)充電為 5V，這是時候 10K電阻兩端的電壓接近于 0V， RST 處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當按鍵按下的時候，開關導通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在 內，從 5V 釋放到變?yōu)?了 ，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電第 2章 硬件系統(tǒng)設計 11 路電壓為各處之和，這個時候 10K 電阻兩端的電壓為 ，甚至更大，所以 RST 引腳又接收到高電平。單片機系統(tǒng)自動復位。 AD 轉換電路 AD 轉換電路原理圖如下： 圖 26 AD轉換 模塊原理圖 本 AD 轉換電路 以 ADC0809 芯片為核心，該芯片在單片機的控制下 把模擬信號轉化為數(shù)字信號。 (由于 Proteus 軟件不能仿真 ADC0809，所以用ADC0808 代替。 ) 傳感器的模擬電壓信號通過 IN0~IM3 通道進入 ADC0809,， ADC0809的數(shù)據(jù)輸 出接單片機的 P0 口，從低位到高位一次對應 ~。各個控制端口接到單片機的 P2 口 。根據(jù) ADC0809 的工作過程，通過軟件控制ADC0809 工作。 ADC0809 主要特性 (1)8 路輸入通道， 8 位 AD 轉換器，即分辨率為 8 位。 (2)具有轉換起停控制端。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文 ） 12 (3)轉換時間為 100μs(時鐘為 640kHz 時 )， 130μs(時鐘為 500kHz 時 )。 (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。 (6)工作溫度范圍為 40～ +85 攝氏度 。 (7)低功耗，約 15mW。 ADC0809 引腳功能說明 IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入端。 D0~D7： 8 位數(shù)字量輸出端。 A、 B、 C： 3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路 。 ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效 ， 對應 ALE 上跳沿， A、B、 C 地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 START： AD 轉換啟動信號，輸入高電平有效 ， START 上升沿時，復位ADC0809； START 下降沿時啟動芯片，開始進行 AD 轉換；在 AD 轉換期間， START 應保持 低電平。本信號有時簡寫為 ST.。 EOC： AD 轉換結束信號，輸出，當 AD 轉換結束時，此端輸出一個高電平 (轉換期間一直為低電平 )。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當 AD 轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量 ， 用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。 OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻； OE=1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于 640KHZ， EOC=0,正在進行轉換； EOC=1,轉換結束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。 REF(+)、 REF()：基準電壓 ，本課題中分別為 +5V、 0V。 Vcc：電源，單一＋ 5V。 GND：地。 ADC0809 工作過程 電路連接： ADC0809 輸出接單片機的 P0 口，各個控制引腳及單片機的第 2章 硬件系統(tǒng)設計 13 P2 口，參考電壓 REF(+)、 REF()分別接 +5V電源和地，引腳 START 和 ALE相連。 具體工作過程如下： 首先，在程序的控制下，利用單片機的定時器 T0 以及中斷服務程序在 輸出一個方波信號，作為 ADC0809 工作的時鐘信號。并對其他控制引腳進行初始化。 然后，單片機向 ADC0809 的 A、 B 引腳循環(huán)輸出地址編號， C 引腳接地 (因為本課題僅用四個 模擬通道 )；每輸入一個地址編號后， START 和 ALE變高電平，復位 ADC0809 并將地址鎖存，經(jīng)過適當?shù)难訒r后， START 和ALE 變低電平，開始模數(shù)轉換； 接 EOC 引腳，當收到高電平時，說明模數(shù)轉換完