【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程，包括繪圖、編程、仿真和焊接實(shí)物。 第 2章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件總體設(shè)計(jì) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分三個(gè)層次： (1)單片機(jī)：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機(jī)，即所選擇的單片機(jī)器件。 (2)單片機(jī)系統(tǒng)：指按照單片機(jī)的技術(shù)要求和嵌入對(duì)象的資源要求而構(gòu)成的基本系統(tǒng)，如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展存儲(chǔ)器等與單片機(jī)構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。 (3)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：能滿足嵌入對(duì)象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上面向?qū)ο蟮慕?口電路，如前向通道、后向通道、人機(jī)交互通道 (鍵盤、顯示器、打印機(jī)等 )和串行通行口 (RS232)以及應(yīng)用程序等。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系如 圖 21： 圖 21 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系 以此理解，一氧化碳報(bào)警器同樣具有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的三個(gè)層次。其中以 AT89C51 單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。為了更好的理清設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)系統(tǒng)細(xì)分為三部分加以設(shè)計(jì)說(shuō)明。整個(gè)報(bào)警器由三個(gè)部分組成，分為三大模塊：濃度檢測(cè)模塊、主控模塊和報(bào)警模塊。在本次設(shè)計(jì)中 ，使用的核心器件是單片機(jī)和一氧化碳燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 6 傳感器。為了保重整個(gè)系統(tǒng)可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)中必須明確三大部分的實(shí)際聯(lián)系：以單片機(jī)為中心，其他各大模塊一一展開。其中，濃度檢測(cè)及顯示模塊所實(shí)現(xiàn)的功能是將房間中的一氧化碳濃度值轉(zhuǎn)換成為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，并且濃度值顯示出來(lái)：主控模塊以單片機(jī)為主，對(duì)其他模塊的運(yùn)行進(jìn)行控制；報(bào)警模塊是此系統(tǒng)的外部電路，它的功能是實(shí)現(xiàn)報(bào)警。系統(tǒng)框圖如 圖 22 所示。 圖 22 系統(tǒng)框圖 下面就對(duì)各個(gè)模塊的功能和實(shí)現(xiàn)形式做簡(jiǎn)單介紹 (1)氣體濃度檢測(cè)模塊 一氧化碳報(bào)警器主要采用高穩(wěn) 定一氧化碳?xì)怏w傳感器 MQ7 檢測(cè)房間氣體濃度，檢測(cè)結(jié)果送入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，將得到的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理。 (2)主控模塊 主控模塊即單片機(jī)最小系統(tǒng)。用的是 MCS51 單片機(jī)， MCS51 單片機(jī)是美國(guó) Intel 公司 1980 年推出的一種高性能 8 為單片微型計(jì)算機(jī)。內(nèi)帶 4K字節(jié)的內(nèi)存和程序保護(hù)系統(tǒng)，使用于程序的調(diào)試修改和保密。它的主要功能既是將經(jīng)過(guò) ADC0809 處理后的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果決定是否報(bào)警，若報(bào)警，則驅(qū)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)工作。 (3)報(bào)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(guò)大，超過(guò)安全單片機(jī)AD 轉(zhuǎn)換傳感器 1傳感器 2傳感器 3傳感器 3顯示報(bào)警聲音報(bào)警第 2章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 值時(shí)，蜂鳴器工作，提供聲音報(bào)警服務(wù)；同時(shí)，數(shù)碼管顯示報(bào)警的傳感器號(hào)。 至此，本系統(tǒng)的三大模塊功能和設(shè)計(jì)思路已經(jīng)確立，下文將介紹整個(gè)硬件系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。并且給出設(shè)計(jì)電路。 單片機(jī)的最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如下： 圖 23 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 單片機(jī)的最小系統(tǒng)是由組成單片機(jī)系統(tǒng)必需的一些元件構(gòu)成的，除了單片機(jī)之外，還需要包括電源供電電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 (單片機(jī)電源和地沒(méi)有標(biāo)出 )如圖 22 所示。 單片機(jī)簡(jiǎn)介 本課題所用單片機(jī) 采用 8051 核的 ISP(In System Programming)在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時(shí)鐘頻率為 80MHz，片內(nèi)含 4K Bytes 的可反復(fù)擦寫 1000次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng) ，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，具有在系統(tǒng)可編程 (ISP)特性，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，省去了購(gòu)買通用編程器，而且速度更快。 STC89C52RC 系列單片機(jī)是單時(shí)鐘 機(jī)器周期 (1T)的兼容 8051 內(nèi)核單片機(jī)，是高速 低功耗的新一代 8051 單片機(jī)，全新的流水線 精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu) ,內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路。 主要特性有： (1)增強(qiáng)型 1T 流水線 精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu) 8051 CPU (2)工作電壓： (5V 單片機(jī) ) (3V 單片機(jī) (3)工作頻率范圍： 0 35 MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 作頻率可達(dá) 48MHz. (4)用戶應(yīng)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(gè) )，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 弱上拉 (普通 8051 傳統(tǒng)IO 口 )可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 弱上拉，推挽 強(qiáng)上拉，僅為輸入 高阻，開漏每個(gè) IO 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不得超過(guò)55mA (7)ISP(在系統(tǒng)可編程 )IAP(在應(yīng)用可編程 )，無(wú)需專用編程器可通過(guò)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(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路 (外部晶體 20M 以下時(shí)，可 省外部復(fù)位電路 ) (11)時(shí)鐘源：外部高精度晶體 時(shí)鐘，內(nèi)部 RC 振蕩器。用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部 RC 振蕩器還是外部晶體 時(shí)鐘。常溫下內(nèi)部RC 振蕩器頻率為： ～ 。精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，因?yàn)橛袦仄?，?qǐng)選 4MHz ～ 8MHz (12)有 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 計(jì)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(jì)數(shù)器陣列 )，也可用 來(lái)再實(shí)現(xiàn) 4 個(gè)定時(shí)第 2章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 器或 4 個(gè)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(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 [1] 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路的原理如下： 1)時(shí)鐘電路 圖 24 時(shí)鐘電路原理圖 單片機(jī)工作時(shí)，從取指令到譯碼再進(jìn)行微操作，必須在時(shí)鐘信號(hào)控制下才能有序地進(jìn)行，時(shí)鐘電路就是為單片機(jī)工作提供基本時(shí)鐘的。單片機(jī)的時(shí)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 10 鐘信號(hào)通常有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 本課題采用 內(nèi)部時(shí)鐘方式。 在單片機(jī) XTAL1 和 XTAL2 引腳上跨接上一個(gè)晶振和兩個(gè)穩(wěn)頻電容，可以與單片機(jī)片內(nèi)的電路構(gòu)成一個(gè)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(duì)振蕩器進(jìn)行頻率微調(diào)，使振蕩信號(hào)頻率與晶振頻率一致，同時(shí)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(jī)最小系統(tǒng)的 振蕩周期 =1(12MHz)=112us，時(shí)鐘周期 =16us，機(jī)器周期 =1us。 2)復(fù)位電路 圖 25 復(fù)位電路原理圖 無(wú)論是在單片機(jī)剛開始接上電源時(shí)，還是運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障都需要復(fù)位。復(fù)位電路用于將單片機(jī)內(nèi)部 各電路的狀態(tài)恢復(fù)到一個(gè)確定的初始值，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。 單片機(jī)的復(fù)位條件：必須使其 RST 引腳上持續(xù)出現(xiàn)兩個(gè) (或以上 )機(jī)器周期的高電平。 單片機(jī)的復(fù)位形式：上電復(fù)位、按鍵復(fù)位。 本課題采用按鍵復(fù)位。 在單片機(jī)啟動(dòng) 后，電容 C 兩端的電壓持續(xù)充電為 5V，這是時(shí)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(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過(guò)程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在 內(nèi)，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(shè)計(jì) 11 路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)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(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。 AD 轉(zhuǎn)換電路 AD 轉(zhuǎn)換電路原理圖如下： 圖 26 AD轉(zhuǎn)換 模塊原理圖 本 AD 轉(zhuǎn)換電路 以 ADC0809 芯片為核心，該芯片在單片機(jī)的控制下 把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 (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(hào)通過(guò) IN0~IM3 通道進(jìn)入 ADC0809,， ADC0809的數(shù)據(jù)輸 出接單片機(jī)的 P0 口，從低位到高位一次對(duì)應(yīng) ~。各個(gè)控制端口接到單片機(jī)的 P2 口 。根據(jù) ADC0809 的工作過(guò)程，通過(guò)軟件控制ADC0809 工作。 ADC0809 主要特性 (1)8 路輸入通道， 8 位 AD 轉(zhuǎn)換器，即分辨率為 8 位。 (2)具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 12 (3)轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μs(時(shí)鐘為 640kHz 時(shí) )， 130μs(時(shí)鐘為 500kHz 時(shí) )。 (4)單個(gè) +5V 電源供電 。 (5)模擬輸入電壓范圍 0～ +5V，不需零點(diǎn)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。 ADC0809 引腳功能說(shuō)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(hào)，輸入，高電平有效 ， 對(duì)應(yīng) ALE 上跳沿， A、B、 C 地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 START： AD 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，輸入高電平有效 ， START 上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809； START 下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開始進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換；在 AD 轉(zhuǎn)換期間， START 應(yīng)保持 低電平。本信號(hào)有時(shí)簡(jiǎn)寫為 ST.。 EOC： AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng) AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平 (轉(zhuǎn)換期間一直為低電平 )。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng) AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)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(jī)輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ， EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換； EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號(hào)即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。 REF(+)、 REF()：基準(zhǔn)電壓 ，本課題中分別為 +5V、 0V。 Vcc：電源，單一＋ 5V。 GND：地。 ADC0809 工作過(guò)程 電路連接： ADC0809 輸出接單片機(jī)的 P0 口，各個(gè)控制引腳及單片機(jī)的第 2章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(guò)程如下： 首先，在程序的控制下，利用單片機(jī)的定時(shí)器 T0 以及中斷服務(wù)程序在 輸出一個(gè)方波信號(hào)，作為 ADC0809 工作的時(shí)鐘信號(hào)。并對(duì)其他控制引腳進(jìn)行初始化。 然后，單片機(jī)向 ADC0809 的 A、 B 引腳循環(huán)輸出地址編號(hào)， C 引腳接地 (因?yàn)楸菊n題僅用四個(gè) 模擬通道 )；每輸入一個(gè)地址編號(hào)后， START 和 ALE變高電平，復(fù)位 ADC0809 并將地址鎖存，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)后， START 和ALE 變低電平，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換； 接 EOC 引腳，當(dāng)收到高電平時(shí)，說(shuō)明模數(shù)轉(zhuǎn)換完