【正文】 第 3章 自動控制系統(tǒng)主要硬件的設(shè)計 單片機(jī)是一種集成電路芯片。其 誕生于 20世紀(jì) 70 年代末， 主要 經(jīng)歷了 SCM、 MCU、SOC三大階段。 “ 創(chuàng)新模式 ” 獲得成功，奠定了 SCM 與通用計算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。 2） MCU 即微控制器（ Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。從這一角度來看， Intel 逐漸淡出 MCU的發(fā)展也有其客觀因素。 Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將 MCS51 從單片微型計算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、 EDA 工具的發(fā)展，基于 SOC 的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。 （ 1） CMOS 化 近年，由于 CHMOS 技術(shù)的進(jìn) 步 ，大大 地促進(jìn)了單片機(jī)的 CMOS 化。因為單片機(jī)芯片多數(shù)是采用 CMOS（金屬柵氧化物）半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的 TTL 電路速度快，但功耗和芯片面積較大。 CHMOS 和HMOS工藝的結(jié)合。 因而，在單片機(jī)領(lǐng)域 CMOS正在逐漸取代 TTL 電 路。采用精簡指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運行速度。這類單片機(jī)的運算速度比標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)高出 10 倍以上。 （ 3）低噪聲與高可靠性 為提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片廠家在單片機(jī)內(nèi)部電路中都采用了新的技術(shù)措施。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化 （ 5） 大容量化 以往單片機(jī)內(nèi)的 ROM 為 1KB 至 4KB， RAM 為 64B至 128B。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域 的要求，須運用新的工藝，使片內(nèi)存儲器大容量化。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3至 6V 范圍內(nèi)工作。目前 供電的單片機(jī)已經(jīng)問世。在單片機(jī)家族中， 80C51 系列是其中的佼佼者，加之 Intel 公司將其 MCS – 51 系 列中的 80C51內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名 IC 制造廠商，如 Philips、 NEC、Atmel、 AMD、華邦等，這些公司都在保持與 80C51 單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了 80C51 的許多特性。 80C51 系列 單片機(jī)已成為單片機(jī)發(fā)展的主流。 本設(shè)計采用 美國 ATMEL公司 生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī) AT89S51。它集 Flash程序存儲器，既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中 ,ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價 AT89S51 單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 傳感器選型及電路 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。 光度傳感 器 光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、 光敏電阻 、 光敏三極管 、太陽能電池、 紅外線傳感器 、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、 CCD和 CMOS圖 像傳感器等。 其中最簡單的光敏傳感器是光敏電阻，本設(shè)計中采用光敏電阻與驅(qū)動電路來構(gòu)成光敏傳感電路。 + 5 V1 M R R 1R 2光 敏 電 阻AP 2 . 1 圖 31 光敏傳感器驅(qū)動電路 圖 31中 ，當(dāng)外界環(huán)境光照強(qiáng)時，光敏電阻 R2阻值較小，則 A點電平較低；當(dāng)外界環(huán)境光照弱時，光敏電阻 R2阻值較大，則 A點電平較高，將此電平送到單片機(jī)，由程序控制是否驅(qū)動電機(jī)開關(guān)窗。風(fēng)速傳感器種類有采用畢托管測風(fēng)速、熱線熱膜測風(fēng)速、機(jī)械式傳感器測風(fēng)速、超聲波測風(fēng)速和三杯式風(fēng)速傳感器測風(fēng)速 。 圖 32 YH12X風(fēng)速傳感器 YH12X風(fēng)速傳感器工作原理：當(dāng)風(fēng)杯隨著氣流的運動而轉(zhuǎn)動時，風(fēng)速軸帶動碼盤與風(fēng)杯成正比地轉(zhuǎn)動，從而輸出電脈沖信號，將機(jī)械轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)風(fēng)向標(biāo)隨著氣流的運動而轉(zhuǎn)動時，風(fēng)向軸帶動格雷碼盤同時轉(zhuǎn)動 ,從而輸出七位格雷碼信號，將機(jī)械位 置信號轉(zhuǎn)換成光電脈沖信號，通過微處理器 CPU 記 錄每秒種的產(chǎn)生的光電脈沖的個數(shù)， 快速運算處理后即可的出氣流的運動速度。 YH42X風(fēng)速顯示器工作原理：風(fēng)速顯示器對接收到的風(fēng)速信息進(jìn)行處理 ,換算轉(zhuǎn)化成實際風(fēng)速風(fēng)級顯示到對應(yīng)的顯示器中 ,風(fēng)速顯示器還可以針對預(yù)先設(shè)定的報警參數(shù) ,當(dāng)風(fēng)速超過其參數(shù)時 觸發(fā)關(guān)窗信號，單片機(jī)接到信號處理后，通過驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)，完成關(guān)窗動作。線形放大電壓輸出，驅(qū)動電流 200 微安，器件一致性好 [3]。2 ％ RH，極好的線形輸出 （ 5） 5VDC恒壓供電， （ 6）低功耗設(shè)計 200 微安 驅(qū)動電流 （ 7）激光修正互換性 （ 8）快 速響應(yīng) 15秒 （ 9）穩(wěn)定性好，低溫 漂 ，抗化學(xué)腐蝕性能 其引腳如圖 32所示： + 5 VH I H 3 6 1 0V o u t 圖 32 HIH3610引腳圖 有害氣體傳感 器 MY1000系列電化學(xué)式一氧化碳?xì)怏w傳感器是由廣州市中敏儀器有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品 ,它是一種定電位電解式電流型傳感器。其性能和可靠性達(dá)到國內(nèi)或國外同類產(chǎn)品的水平，屬于氣體傳感器整機(jī) 的核心部件。 當(dāng)一氧化碳接觸到工作電極時，即發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳和氫離子，并產(chǎn)生電子，氫離子發(fā)生離子遷移，在對電極上接受電子，并與氧氣發(fā)生還原發(fā)應(yīng)，生成水。 工作電極： CO+H2O→ CO2+2H++2e－ 對電極： 1/2O2+2H++2e－ → H2O 總反應(yīng)： 2 CO＋ O2→ 2 CO2 由反應(yīng)式可知產(chǎn)生的電流大 小與一氧化碳的濃度成正比，因此可以通過測量產(chǎn)生的電流的大小就可以檢測出一氧化碳的濃度。 5％ 壓力范圍 86106 Kappa 先好衰減 %2/月 溫度系數(shù) % 相對濕度 %30至 95% 響應(yīng)時間 ≤ 10s 零點漂移 5ppm （ 3）原理電路圖： + 5 VLM 324LM 324CEWEREOUT78+78+78+222SensorLM 324圖 33 氣敏傳感器放大電路 人體熱釋紅外傳感器 （ 1）熱釋電紅外傳感裝置工作原理 人體具有約 37℃的恒定體溫，所以會發(fā)出波長約 10μ m左右的紅外線。熱釋電紅外傳感器是一種新型敏感元件。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。實際使用中，熱釋電紅外人體感應(yīng)器前面必須安裝菲涅爾透鏡。它可以產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測元件要求信號不斷變化的特性。 A/D轉(zhuǎn)換器型號不同，轉(zhuǎn)換速度差別很大。由于本系統(tǒng)的控制時間允許，可選 8 位逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器。要求精度為 %。用它可直接將 8 個單端模擬信號輸入，分時進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，在多點巡回監(jiān)測、過程控制等領(lǐng)域中使用非常廣泛 ,所以本設(shè)計中選用該芯片作為 A/D 轉(zhuǎn)換電路的核心。把以一 定時間間隔 T逐點采集連續(xù)的模擬信號，并保持一個時間 t，使被采集的信號變成時間上離散、幅值等于采樣時刻該信號瞬時值的一組方波序列信號，即采樣信號。實際中采樣 保持是做成一個電路。還要把每個樣值脈沖轉(zhuǎn)換成與它幅值成正比的數(shù)字量。 8 路轉(zhuǎn)換開關(guān)能直接連通 8個單端模擬信號中的任何一個。 8路模擬開關(guān)控 制 電 路S A R樹 狀 開 關(guān)2 5 6 電 阻 階 梯三態(tài)輸出鎖存器比 較 器地 址 鎖 存與 譯 碼 器2 62 72 8123452 52 42 32 271 791 1 1 3 1 2 1 6I N 0I N 1I N 2I N 3I N 4I N 5I N 6I N 7A D D AA D D BA D D CA L EV C CG N D V R E F ( + )V R E F ( )O EE O C2 _ 12 _ 22 _ 32 _ 42 _ 52 _ 62 _ 72 _ 86 1 0S T A R TC L O C KV i nV s t1 41 581 81 92 02 1 圖 36 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ADC0809 主要性能： （ 1）逐次比較型 （ 2） CMOS 工藝制造 （ 3）單電源供電 （ 4）無需零點和滿刻度調(diào)整 （ 5）具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與 TTL兼容 （ 6）易與各種微控制器接口 （ 7）具有鎖存控制的 8路模擬開關(guān) （ 8）分辨率： 8位 （ 9）功耗： 15mW （ 10）最大不可調(diào)誤差小于 177。典型時鐘頻率為 640kHz 3. 引腳排列及各引腳的功能，引腳排列如圖 37 所示。 D0～ D7： 8位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。 A、 B、 C：通道選擇端。 ALE：地址鎖存信號輸入端。 START：啟動轉(zhuǎn)換信號輸入端。脈沖寬度應(yīng)不小于 100～ 200ns。啟動 A/D 轉(zhuǎn)換時它自動變?yōu)榈碗娖健? CLK：時鐘輸入端。 REF()、 REF(+)：參考電壓輸入端。 VCC、 GND：供電電源端。 當(dāng) ALE 為高電平時，通道地址 輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并譯碼。在 START 下降沿后 10us 左右，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號變?yōu)榈碗娖剑?EOC 為低電平時，表示正在轉(zhuǎn)換，為高電平時，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。 ADC0809 與 8051 單片機(jī)的硬件接口有 3 種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時等待方式，本設(shè)計中選用中斷接口方式 。 ALE 引腳得脈沖頻率是 8051時鐘頻率的 1/6。由于 ADC0809 內(nèi)部設(shè)通道基本地址為 0000H～ 0007H。有地址鎖存器，所以通道地址由 P0 口的低 3 位直接與ADC0809 的 A、 B、 C相連。由于 ALE和 START 連在一起，因此 ADC0809在鎖存通道地址的同時也啟動轉(zhuǎn)換。其接口電路如 圖 38 所示。電路內(nèi)部由振蕩器、語音存儲單元、前置放大器、自動增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成。 特性： （ 1） 使用簡單的單片錄放音電路 （ 2） 高保真語音 /音頻處理 （ 3） 開關(guān)接口放音可以是脈沖觸發(fā)或電平觸發(fā) （ 4） 錄放周期為 16和 20 秒 （ 5） 自動功率節(jié)約模式 （ 6） 當(dāng)一個錄音或放音周期結(jié)束后自動進(jìn)入掉電狀態(tài) （ 7） 掉電狀態(tài)的典型電流為 （ 8） 零功率存儲 （ 9） 不需要電池備份電路 （ 10） 處理復(fù)雜信息可使用地址操作 （ 11） 100 年信息保存典型 （ 12） 片上時鐘 （ 13） 不需要編程器和開發(fā)系統(tǒng) （ 14） +5V 供電 （ 15） 提供裸片 DIP SOIC 封裝 （ 16） 提供工業(yè)級別溫度型號（ 40 到 85） 系統(tǒng)的語 音錄放電路如圖 39 所示。在設(shè)計電路時 ISD1420 的所有地址端、控制端必須可靠接高電平或低電平而不能懸空，否則可能出現(xiàn)停止播放的情況。要特別注意的是 ISD1420 芯片的SP+、 SP端一定不要直接接地，只能接揚聲器或者懸空。 P 1 . 0 1P 3 . 0 A 01A 23A 12A 34A 45A 56N C8A 69A 71 0N C1 1V S S D1 2V S S A1 3S P +1 4N C7V C C DR E CX C L K A G CM I CV C C AS P 2 8 2 6 2 7 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 9 1 8 1 7 1 6 1 5 2 5R E C L E DP L A Y EP L A Y LA N A O U T A N A I N M I C R E F N CP 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3 2 3 4 5P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 3 . 1P 3 . 2P 3 . 3P 3 . 4 6 7 8R S T 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4P 3 . 5P 3 . 6P 3 . 7 G N D 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 X T A L 2 X T A L 1P 0 . 0