電熱水暖恒溫自動控制系統(tǒng)的設計,電熱,水暖,恒溫,自動控制系統(tǒng),設計 浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）I目 錄第一章.硬件電路設計方法及原則 ..........................................................................- 1 -1.1 硬件電路設計單片機的發(fā)展和應用 .........................................................- 1 -1.2 單片機應用系統(tǒng)硬件電路的組成及設計原則 .........................................- 2 -1.2.1 單片機硬件電路的組成 ....................................................................- 2 -1.2.2 單片機硬件設計的原則 ....................................................................- 2 -1.3 單片機應用系統(tǒng)的可靠性設計 ..........................................................- 3 -第二章 單片機系統(tǒng)設計方案與分析 .....................................................................- 5 -2.1 硬件電路的整機結構 ..................................................................................- 5 -2.2 系統(tǒng)設計中用到的元器件介紹 ..................................................................- 6 -2.2.1 8031 單片機 .......................................................................................- 6 -2.2.2 A/D 轉換器的選擇 ............................................................................- 7 -2.2.3 地址鎖存器的選擇 ............................................................................- 9 -2.2.4 2864A 芯片 ......................................................................................- 10 -2.2.5 8155 可編程接口芯片 .....................................................................- 10 -2.2.6 X25045 芯片簡介 ............................................................................- 12 -2.2.7 DAC0832 轉換器 .............................................................................- 14 -2.3 5V 直流穩(wěn)壓電源電路設計 ......................................................................- 15 -2.4 單片機系統(tǒng)設計 .......................................................................................- 16 -2.4.1 看門狗電路設計 .............................................................................- 16 -2.4.1.1 看們狗電路簡介 ..........................................................................- 16 -2.4.1.2 X25045 看門狗電路設計 .............................................................- 17 -2.4.2 ADC0809 與 8031 的接口 ...............................................................- 20 -2.4.2.1 以查詢方式實現(xiàn)與 8031 的接口 .................................................- 20 -2.4.2.2 以中斷方式與 8031 單片機的接口 .............................................- 21 -2.4.3 DAC0832 與 8031 的接口電路 .......................................................- 21 -2.4.4 LED 動態(tài)顯示電路 .........................................................................- 23 -2.4.5 獨立式按鍵電路 .............................................................................- 24 -第三章 溫度檢測與控制系統(tǒng)設計方案 ...............................................................- 25 -3.1 系統(tǒng)所用到的元器件介紹 .......................................................................- 25 -3.1.1 固態(tài)繼電器 ...................................................................................- 25 -3.1.2 BT102 發(fā)光二級管 .....................................................................- 27 -3.1.3 溫度傳感器 PT100..........................................................................- 27 -3.2 溫度檢測電路設計 ...................................................................................- 29 -3.3 溫度控制電路設計 ...................................................................................- 33 -3.4 報警電路設計 ...........................................................................................- 34 -3.5 硬件電路圖及工作原理 ...........................................................................- 35 -第四章.系統(tǒng)軟件程序控制 ....................................................................................- 39 -4.1 軟件可靠性設計 ........................................................................................- 39 -浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）II4.1.1 數(shù)字濾波技術 .................................................................................- 39 -4.1.2 CPU 的抗干擾方法 .........................................................................- 40 -4.2 系統(tǒng)軟件程序設計 ...................................................................................- 41 -4.2.1 軟件程序流程圖 ..............................................................................- 41 -4.2.2 溫度控制程序 .................................................................................- 42 -4.2.3 PID 計算子程序清單 .......................................................................- 43 -4.2.4 ADC0809 與 8031 的接口程序 .......................................................- 49 -4.2.5 DAC0832 與 8031 的接口程序 .......................................................- 51 -4.2.6 與單片機接口的聲音報警電路程序 .............................................- 53 -4.2.7 看門狗電路程序設計 .....................................................................- 54 -4.2.8 6 位動態(tài) LED 顯示程序 ..............................................................- 59 -4.2.9 獨立式按鍵的軟件實現(xiàn) .................................................................- 61 -4.3.0 系統(tǒng)程序流程總圖 .........................................................................- 63 -第五章.單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試 ............................................................................- 64 -5.1 單片機應用系統(tǒng)中常見的故障 ...............................................................- 64 -5.1.1 單片機應用系統(tǒng)常見的硬件故障 .................................................- 64 -5.1.2 單片機應用系統(tǒng)中常見軟件的錯誤類型 .....................................- 65 -5.2 單片機應用系統(tǒng)的仿真調(diào)試 ...................................................................- 65 -參考文獻 .................................................................................................................- 67 -設計總結 .................................................................................................................- 68 -致謝 .........................................................................................................................- 69 -浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 1 -第一章.硬件電路設計方法及原則1.1 硬件電路設計單片機的發(fā)展和應用單片機在電熱水暖控制中應用的歷史并不長。因為單片機本身出現(xiàn)的歷史就不長，如果將 8 位單片機的推出作為起點，那么單片機的發(fā)展歷史可以分為三個階段:第一階段(1976~1978 年):初級單片機階段。以 Intel 公司的 MCS-48 為代表。這個系列的單片機片內(nèi)集成有 8 位 CPU,并行 I/O 口、8 位定時/計數(shù)器，尋址范圍小大于 4K,并且無串行口。第二階段(1978 年~):高性能單片機階段。在這一階段推出的單片機普遍帶有串行 I/O 口，有多級中斷處理系統(tǒng)、16 位定時/計數(shù)器。片內(nèi) RAM 、ROM 容量加大，并且尋址范圍可達到 64K 字節(jié)，有的片內(nèi)還帶有 A/D 轉換接口。這類單片機有 Intel 公司的 MCS-51, Motorola 公司的 6801 和 Zlog 公司的 Z8 等。第三階段(1982 ):8 位單片機鞏固發(fā)展以及 16 位單片機推出階段。這一階段的主要特征是一方面發(fā)展 16 位單片機及專用單片機:另一方而同時不斷完善高檔 8 位單片機，改善其結構，以滿足小同的用戶需求。單片機是把微型計算機主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機，它的結構與指令都是按照工業(yè)控制要求設計的，因此利用它很容易構成專用計算機應用系統(tǒng)，又山于其成本低，應用領域涉及到智能產(chǎn)品、價格便宜，所以一經(jīng)出現(xiàn)就得到了廣泛的應用。其能儀表、測控系統(tǒng)、數(shù)控控制機、智能接口等等。浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 2 -1.2 單片機應用系統(tǒng)硬件電路的組成及設計原則1.2.1 單片機硬件電路的組成單片機的硬件主要由單片機的最小系統(tǒng)及相關的功能模塊組成，最小系統(tǒng)包括單片機、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、晶振電路、復位電路、電源及 I/O 接口等各部分；各功能模塊的多少要視具體的系統(tǒng)而定，常用的功能模塊有：用于單片機本身進行控制的人機通道模塊，它包括鍵盤輸入模塊、顯示器模塊及打印機模塊等，用于與測控對象進行信息交流的輸入輸出通道，它包括用于采樣的傳感器模塊和 A/D 轉換模塊、用于完成控制任務的 D/A 轉換模塊和執(zhí)行機構模塊，另外還有用于與它計算機系統(tǒng)交換信息的通信接口模塊等。1.2.2 單片機硬件設計的原則一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計應包括兩部分內(nèi)容:一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如 ROM 、 RAM、 I/O 口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量小能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。-是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)的功能要求配置外圍設各，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D 、D/A 轉換器等。用于工業(yè)測、控的單片機應用系統(tǒng)一般應具備有用于測、控目的的前向傳感器通道、后向伺服控制通道以及基本的人機對話手段。系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置設計應該遵循下列原則:(1)盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打好基礎。(2)系統(tǒng)的擴展和外圍設備配置的水平應該充分滿足應用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當?shù)挠嗟兀员氵M行進一步的開發(fā)。(3 )硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是:軟件能實現(xiàn)的功能盡量由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件結構，但同時必須要考慮由軟件實現(xiàn)的硬件功能時的運行速度問題。(4)整個系統(tǒng)中相關的器件要盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率和存儲器的存取時間的關系。( 5)可靠性和抗干擾性設計是硬件系統(tǒng)設計小可缺少的一部分。(6)單片機外接電路時，必須考慮其驅動能力。浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 3 -1.3 單片機應用系統(tǒng)的可靠性設計隨著單片機的應用深入到各個領域，對單片機應用系統(tǒng)的可靠性也提出了越來越高的要求。特別是對于工業(yè)控制、交通管理等實時控制系統(tǒng)來說，最基本最重要的指標是系統(tǒng)的可靠性。因為這些系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，將可能造成嚴重的后果。單片機應用系統(tǒng)的可靠性通常是指在規(guī)定的條件下（如溫度、振動、電磁干擾等）及規(guī)定的時間內(nèi)單片機應完成規(guī)定功能的能力。提高系統(tǒng)的可靠性的主要措施有：（1）精選元器件，提高元器件的質量。（2）采用抗干擾措施，提高系統(tǒng)對惡劣環(huán)境的適應能力。（3）采用容錯技術，使系統(tǒng)能及時地自動地恢復或發(fā)出報警。（4）采用冗余技術，以確保系統(tǒng)的正常運行。硬件可靠性設計：1.提高元器件的可靠性（1）精選元器件，選用合格的電子元件，并進行嚴格的測試、篩選和老化處理。（2）選用優(yōu)質的接插件，設計合理的工藝結構。（3）設計系統(tǒng)技術參數(shù)時（如負載能力）要留有一定的余地。（4）提高印刷電路板和系統(tǒng)組裝的質量。2.硬件抗干擾措施用于工業(yè)過程控制的單片機應用系統(tǒng)，由于其工作環(huán)境較惡劣、易受干擾，從而影響系統(tǒng)的可靠性和正確性，甚至使得系統(tǒng)控制失靈，故在系統(tǒng)設計中必須考慮抗干擾方面的設計。常用的硬件抗干擾措施有：（1）電源抗干擾技術。電源本身就是單片機系統(tǒng)中一個主要的干擾源。一方面電網(wǎng)電壓和頻率的波動會引入一些干擾信號；另一方面在單片機控制系統(tǒng)中，大量的數(shù)字信號是工作在高頻狀態(tài)下的，這又很容易誘發(fā)電源內(nèi)部的干擾信號；同時電源也是系統(tǒng)內(nèi)各種干擾成分相互耦合的一個重要途徑，因此消除因電源而帶來的干擾也是消除單片機系統(tǒng)干擾的一個主要方面。要消除因電源而帶來的干擾，首先要選擇一個紋波小，穩(wěn)壓性能好且高頻特性良好的電源電路。（2）配備合適的接地系統(tǒng)。常用的接地類型有：數(shù)字地、模擬地、機殼地、屏蔽地；對于工作頻率小于 1MHz 單片機系統(tǒng)電路可采用單點接地技術，對頻率大于 10MHz 單片機系統(tǒng)電路則宜采用多點接地技術。（3）安裝濾波器。對電網(wǎng)中的高次諧波成份可安裝低通濾波器，對系統(tǒng)中的分布電容、電感，一方面可盡量避免走平行線，另一方面要盡量縮短走線距離。（4）接入去耦電容。在電路中接入一些去耦電容可減少因電源耦合的干擾。常用的方法是在電源輸入端跨接 10-100uF 的電解電容，也可以在電路中適當?shù)奈恢脤Φ亻g接入 0.01uF 的陶瓷電容器。如遇印刷電路板空隙小裝不下時，可每4-10 個芯片安裝一個 1-10uF 的限噪聲電容器，這種電容器的高頻阻抗特別小，浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 4 -在 500KHz-20MHz 范圍內(nèi)的阻抗小于 1 歐姆，而且漏電流很?。?.5uA 以下） 。3.I/O 通道中接入干擾的抑制措施I/O 通道是連接單片機和外部設備之間的一個橋梁，也是引入干擾的一個重要途徑。抑制 I/O 通道中干擾的主要措施有：隔離技術、雙絞線傳輸及阻抗匹配等。（1）隔離技術。目前常用的方法是對 A/D、D/A 變換前后的模擬信號進行隔離。方案之一，是采用隔離型放大器來完成對模擬信號的隔離。但所選用的隔離型放大器必須滿足 A/D、D/A 變換精度和線性度的要求，故這種方法對隔離型放大器的精度要求較高，由此帶來的問題是成本的提高；方案之二，在 I/O接口與 A/D、D/A 轉換器之間進行隔離，也就是俗稱數(shù)字隔離。常用的方法是在I/O 接口與 A/D、D/A 之間增設鎖存器，對 I/O 信號進行隔離，換言之，無論是單片機輸入信號還是輸出信號均須經(jīng)過鎖存器才能與外設接通，鎖存器在這里起到了隔離的作用，這種方法的優(yōu)點是方便、可靠、廉價且不影響 A/D、D/A 轉換的精度和線性度，最大的缺點是工作速度較低；方案之三，在 I/O 接口與A/D、D/A 之間接入廉價的光電耦合隔離器件，這種方式的隔離效果較好，是一種應用較為廣泛的隔離方法，其最大轉換速度約為每秒 3000-5000 個點，對于一般的工業(yè)測控對象（如溫度、濕度、壓力等）已能滿足要求。（2）遠距離傳輸時引入干擾的抑制?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)中，被測控的對象與單片機控制系統(tǒng)之間往往有較長的距離，要克服由于遠距離傳輸帶來的電磁場干擾主要可從以下幾個方面采取措施：首先一定要把模擬信號線、數(shù)字信號線以及電源線分開，盡量避免并行敷設，若無法分開時也要保持一定的距離；其次信號線要盡量采用雙絞線或屏蔽線，而且一定要把屏蔽層良好地接地；第三，信號線的敷設要盡量遠離大功率的設備、大容量的變壓器，以防止電磁干擾的侵入；第四，對長距離傳輸線，為了減少信號失真，還要注意阻抗的匹配問題；在總線傳輸系統(tǒng)中，為了把單片機系統(tǒng)與現(xiàn)場隔離，以抑制干擾的影響，也可采用光電隔離的 I/O 接口技術。（3）WatchDog 電路。在單片機系統(tǒng)程序的執(zhí)行過程中，經(jīng)常會由于各種干擾因素而導致單片機的“死機”現(xiàn)象，直接按下系統(tǒng)的復位按鈕是最簡單的克服“死機”的方法；但對于無人在現(xiàn)場的場合， “看門狗”技術為克服這種現(xiàn)象提供了強有力的手段。WatchDog（看門狗）電路的核心器件是一個計數(shù)器，當單片機處于正常工作狀態(tài)下時，單片機會定時地對計數(shù)器發(fā)出清零命令，從而使計數(shù)器始終不會計滿，也就沒有復位脈沖輸出，保證單片機不會進入復位狀態(tài)。當單片機處于非正常工作狀態(tài)下時，單片機對計數(shù)器的清零命令也同時消失了，于是計數(shù)器計滿后會向單片機的復位端發(fā)出一個復位脈沖，使得單片機進入復位狀態(tài)，從而克服了“死機”現(xiàn)象。通常為計數(shù)器設置的延時時間為10ms 左右。4.其他的抗干擾措施（1）掉電保護措施。除上面講到的單片機系統(tǒng)外部的抗干擾措施外，在單片機內(nèi)部也可以采取一些抗干擾措施。采用掉電保護措施可避免因突然掉電而使單片機系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)的丟失。通?？捎昧姵刈鳛橄到y(tǒng) RAM 的掉電保護備用電源。（2）軟件抗干擾措施。軟件抗干擾是單片機系統(tǒng)自身的防御措施。（3）采用設備冗余技術。對某些特別重要的場合，可采用兩套設備同時投入，一套處于正常工作狀態(tài)，另一套處于備用工作狀態(tài)。當前一套設備發(fā)生浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 5 -故障時，第二套設備自動地投入運行，從而保證系統(tǒng)的可靠工作。第二章 單片機系統(tǒng)設計方案與分析2.1 硬件電路的整機結構控制器電路主要分為顯示和按鈕輸入電路，溫度采樣轉換電路、加熱電路，看門狗及 E’PROM 讀寫電路，開關兩輸入電路。控制器以 MCS-51 系列的 8031 單片機為核心構成系統(tǒng)，8031 是內(nèi)部無ROM，但包含 128B 的 RAM、21 個特殊功能寄存器、4 個 8 位并行口、一個全雙工串行口、兩個 16 位定時器/記數(shù)器以及一個處理功能很強的中央處理器，需要外接 EPROM 作為程序存儲器，而構成完整計算機。圖 2.1 硬件電路整機結構浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 6 -2.2 系統(tǒng)設計中用到的元器件介紹2.2.1 8031 單片機圖 2.2 8031 引腳圖下面將這 40 條引腳按功能分為四部分敘述其功能。（1）主電源引腳 VCC 和 VSSVCC（40 腳）：接+5V 電壓VSS（20 腳）：接地（2）外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2XTAL1（19 腳）：接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成了片內(nèi)振蕩器。當采用外部振蕩器時，對HMOS 單片機，此引腳應接地；對 CHMOS 單片機，此引腳作為驅動端。XTAL2（18 腳）：接外部晶體管的另一個引腳。在單片機內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部振蕩器時，對于 HMOS 單片機，此引腳應接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端；對于 CHMOS 單片機，此引腳應懸浮。 （3）控制或其他電源復用引腳 RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/VPPRST/VPD（9 腳）：振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 7 -使單片機復位。建議在此引腳與 VSS 之間連接一個約 8.2 千歐的下拉電阻，與VCC 引腳之間連接一個約 10uF 的電容，以保證可靠的復位。VCC 掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。ALE/PROG（30 引腳）：當訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 端仍然以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器的 1/6。因此，它可以用作對外輸出的時鐘，或用于定時。然而要注意的是，每當訪問外部存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。ALE 端可以驅動（吸收或輸出電流）8 個 LS 型的 TTL 輸入電路。PSEN（29 腳）：此引腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期 PSEN 二次有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這二次 PSEN 有效信號將不出現(xiàn)，PSEN 同樣可以驅動（吸收或輸出電流）8 個 LS 型的 TTL 輸入電路。EA/VPP（31 腳）：EA 端口必須保持低電平時，才能訪問外部程序存儲器。（4）輸入/輸出（I/O）引腳 P0、P1、P2、P3（共 32 根）P0 口（39 腳-32 腳）：是雙向 8 位三態(tài) I/O 口，在外接存儲器時，與地址總線的低 8 位及數(shù)據(jù)總線復用，能以吸收電流的方式驅動 8 個 LS 型的 TTL 輸入負載。P1 口（1 腳-8 腳）：是準雙向 8 位 I/O 口。由于這種接口沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向 I/O。P1 口可以驅動（吸收或輸出電流）4 個 LS 型的 TTL 負載。P2 口（21 腳-17 腳）：是準雙向 8 位 I/O 口。在訪問外部程序存儲器時，它可以作為擴展電路高 8 位地址總線送出高 8 位地址。在對 EPROM 編程和程序驗證期間，它接收高 8 位地址。P2 口可以驅動（吸收或輸出電流）4 個 LS 型的TTL 輸入負載。P3 口（10 腳-17 腳）：是雙線 8 位 I/O 口，這 8 個引腳還用于專門功能，是復用雙功能口。P3 口可以驅動（吸收或輸出電流）4 個 LS 型的 TTL 輸入負載。作為第一功能使用時，為普通 I/O 口，但它也可以作為第二功能用。2.2.2 A/D 轉換器的選擇A/D 轉換器我們這里選擇 ADC0809 轉換器，ADC0809 是 8 路模擬量輸入 8為數(shù)字量輸出的、逐次逼近型 A/D 轉換芯片，采用 CMOS 工藝。ADC0809 是由+5V 電源供電；片內(nèi)帶有鎖存功能及 8 路模擬多路開關，可對 8 路 0~5V 的輸入電壓信號分時進行轉換，完成一次轉換約 100us；片內(nèi)具有多路開關的地址譯碼器和鎖存電路、高阻抗斬波器以及穩(wěn)定的比較器，256R 電阻 T 型網(wǎng)絡和樹狀電子開關以及逐次逼近寄存器。輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，可直接接到單片機數(shù)據(jù)總線上；通過適當?shù)耐饨与娐?，ADC0809 可對 0~5V 的雙極性模擬信號進行轉換。ADC0809 轉換器（如圖）浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 8 -圖 2.3 ADC0809 引腳各引腳功能如下：D0-D7：8 位數(shù)字量輸出引腳，通常接單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線。IN0-IN7：8 路模擬輸入引腳，通常接被測模擬電壓，電壓范圍 0-5V。對變化速度較快的模擬量，輸入前應增加采樣保持電路。VCC：電源端。GND：接地端。Ref(+): 參考電壓正端。Ref(-)：參考電壓負端。START：A/D 轉換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端，對應 ALE 上升沿將 A、B、C 的地址狀態(tài)鎖進鎖存器中。EOC：轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，以便向單片機輸出轉換結果，OE=0 時輸出數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)。OE：輸出允許信號，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，以便向單片機輸出轉換結果。OE=0 時輸出數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)，OE=1 時輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。CLK：時鐘信號輸入端，通常使用頻率為 500KHz 的時鐘信號。A、B、C 地址輸入線，經(jīng)譯碼后可選通 IN0-IN7 的 8 個通道中的 1 個通道進行 A/D 轉換。A、B、C 的輸入與被選通的通道的關系見下表。浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 9 -表 1C B C 被選中的通道0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN20 1 1 IN31 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN72.2.3 地址鎖存器的選擇MCS-51 單片機的 P0 口是地址線/數(shù)據(jù)線分時復用的，實現(xiàn)這一功能需要引入地址鎖存器。常用的地址鎖存器一般為 2 類：一類是 8D 觸發(fā)器，比如74LS273、747LS377 等，另一類是位鎖存器，比如 74LS373、8282 等。74LS273 內(nèi)部由 8 個邊沿觸發(fā)的 D 觸發(fā)器組成，在時鐘信號的正跳變完成對輸入信號的鎖存。但 MCS-51 單片機中的 ALE 是高電平有效，而在 ALE 的后沿應完成地址的鎖存，因此應將 ALE 通過反向器再加到鎖存器的時鐘端。注意74LS273 是帶清除端的，用作地址鎖存時，應將清除端 CLR 接高電平。（74LS273 和 74LS373S 引腳基本相同，將 74LS373 的 端和 G 端分別換成OECLR 和 CLK 端，便是一個 74LS273 芯片）74LS373 是高電平觸發(fā)選通，當使能端 G 有效時，輸出直接跟隨輸入變化，當使能端由高變低時，才能輸入狀態(tài)鎖存直到下一次使能信號變高為止。因此在選用 74LS373 作單片機地址鎖存時，可直接將單片機的 ALE 信號加到它們的使能端。74LS373 地址鎖存器（如圖）浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 10 -圖 2.4 74LS373 引腳2.2.4 2864A 芯片是電可擦除、可編程的半導體存儲器。在+5V 電壓下就可進行讀寫操作，對編程脈沖寬度一般也沒有特殊的要求，也不需要專門的擦除器。所以它實際上是一種特殊的可讀可寫的存儲器，它既可做程序存儲器使用，也可作數(shù)據(jù)存儲器使用。引腳如圖：圖 2.5 2864A 引腳引腳功能介紹：A0-A12：地址輸入線。D0-D7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)輸入輸出線。WE：寫選通信號輸入端，低電平有效。CE：片選端，低電平有效。OE：讀選通信號輸入端，低電平有效。VCC：電源端。GND：接地端。浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 11 -2.2.5 8155 可編程接口芯片（1）8155 的結構和引腳Intel8155 是一種多功能的可編程接口芯片，它具有 3 個可編程 I/O 端口（A 口和 B 口是 8 位，C 口是 16 位） 、1 個可編程 14 位定時器/計數(shù)器和 256B的 RAM，能方便地進行 I/O 擴展和 RAM 擴展，其組成框圖及引腳如圖所示。浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 12 -256B靜 態(tài)RAM14位定 時 器計 數(shù) 器圖 2.6 8155 引腳及內(nèi)部結構8155 為 40 腳雙列直插式封裝，其引腳的功能及特點說明如下：RESET：復位端，高電平有效。當 RESET 端加入 5us 左右寬的正脈沖時，8155 初始化復位，把 A 口、B 口、C 口均初始化為輸入方式。AD0-AD7：三態(tài)地址數(shù)據(jù)總線。采用分時方法區(qū)分地址及數(shù)據(jù)信息。通常與 MCS-51 單片機的 P0 口相連。其地址碼可以是 8155 中 RAM 單元地址或 I/O 地址。地址信息由 ALE 的下降沿鎖存到 8155 的地址鎖存器中，與 RD 和 WR 信號配合輸入或輸出數(shù)據(jù)。CE：片選信號端，低電平有效。它與地址信息一起由 ALE 信號的下降沿鎖存到 8155 的鎖存器中。IO/M：RAM 和 I/O 接口選擇端。IO/M=0 時，選中 8155 的片內(nèi) RAM，AD0-AD7 為 RAM 地址（00H-FFH） ；IO/M=1 時，選中 8155 片內(nèi) 3 個 I/O 接口以及命令/狀態(tài)寄存器和定時器/計數(shù)器。AD0-AD7 為 I/O 接口地址，見下表表 2AD0-AD7A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0選中的寄存器X X X X X 0 0 0 命令/狀態(tài)寄存器X X X X X 0 0 1 A 口（PA0-PA7）X X X X X 0 1 0 B 口（PB0-PB7）X X X X X 0 1 1 C 口（PC0-PC7）X X X X X 1 0 0 定時器/計數(shù)器低 8 位寄存器X X X X X 1 0 1 定時器/計數(shù)器高 6 位寄存器及輸出波形方式（2 位）浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 13 -RD：讀選通信號端，低電平有效。當 CE=0、RD=0 時，將 8155 片內(nèi) RAM 單元或I/O 接口的內(nèi)容傳送到 AD0-AD7 總線上。WR：寫選通信號端，低電平有效。當 CE=0、WR=0 時，將 CPU 輸出送到AD0-AD7 總線上的信息寫到片內(nèi) RAM 單元或 I/O 接口中。ALE：地址鎖存允許信號端。ALE 信號的下降沿將 AD0-AD7 總線上的地址信息和 CE 及 IO/M 的狀態(tài)信息都鎖存到 8155 內(nèi)部鎖存器中。PA7-PA0：A 口通用輸入/輸出線。它由命令寄存器中的控制字來決定輸入/輸出。PB7-PB0：B 口通用輸入/輸出線。它由命令寄存器中的控制字來決定輸入/輸出。PC5-PC0：可用編程的方法來決定 C 口作為通用輸入/輸出線或作 A 口、B 口數(shù)據(jù)傳送的控制應答聯(lián)絡線。TIMER IN：定時器/計數(shù)器脈沖輸入端。TIME OUT：定時器/計數(shù)器矩形脈沖或方波輸出端（取決于工作方式） 。VCC：+5V 電源端。2.2.6 X25045 芯片簡介X25045 是美國 Xicor 公司的生產(chǎn)的標準化 8 腳集成電路，它將 EEPROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內(nèi)，大大簡化了硬件設計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機外圍芯片。X25045 引腳如圖 1 所示。圖 2.7 X25045 引腳其引腳功能如下。CS：片選擇輸入；SO：串行輸出，數(shù)據(jù)由此引腳逐位輸出；SI：串行輸入，數(shù)據(jù)或命令由此引腳逐位寫入 X25045；SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出；WP：寫保護輸入。當它低電平時，寫操作被禁止；Vss：地；Vcc：電源電壓；浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 14 -RESET：復位輸出。X25045 在讀寫操作之前，需要先向它發(fā)出指令，指令名及指令格式如表 1 所示。表 3 X25045指令及其含義表指令名 指令格式 操作WREN 00000110 設置寫使能鎖存器（允許寫操作）WRDI 00000100 復位寫使能鎖存器（禁止寫操作）RDSR 00000101 讀狀態(tài)寄存器WRSR 00000001 寫狀態(tài)寄存器READ 0000A8011 把開始于所選地址的存儲器中的數(shù)據(jù)讀出WRITE 0000A8010 把數(shù)據(jù)寫人開始于所選地址的存儲器浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 15 -2.2.7 DAC0832 轉換器圖 2.8 DAC0832 引腳DAC0832 引腳如圖所示，各引腳功能如下：DI0-DI7：8 位數(shù)據(jù)輸入端。ILE：輸入數(shù)據(jù)鎖存器的鎖存允許信號，高電平有效。CS：片選輸入信號，低電平有效。WR1：數(shù)據(jù)輸入寄存器的寫選通信號，當 CS、ILE、WR1 同時有效時，DI0-DI7 的數(shù)據(jù)被送至輸入寄存器。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號，低電平有效。WR2：8 位 DAC 寄存器的寫選通信號，XFER、WR2 同時有效時寄存器中的數(shù)據(jù)送至 D/A 轉換器進行 D/A 轉換。Vref：基準電源輸入端，-10-- +10V 之間。Rfb：反饋信號輸入端，反饋電阻在芯片內(nèi)部。Iout1、Iout2：轉換電流輸出端。電流 Iout1 和 Iout2 之和為常數(shù)，Iout1、Iout2 隨 DAC 寄存器的內(nèi)容作線性變化。VCC：電源輸入端。AGND：模擬信號地。DGND：數(shù)字信號地。浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 16 -2.3 5V 直流穩(wěn)壓電源電路設計 mAs I0x圖 2.9 固定輸出的穩(wěn)壓電路采用三端式固定輸出集成穩(wěn)壓器，其采用恒流源偏置以外，內(nèi)部還具有限流、短路和安全工作區(qū)保護及過熱保護電路結構?，F(xiàn)需為單片機配置+5 的直流穩(wěn)壓電源，流過三端式集成穩(wěn)壓器的電流為300mA?，F(xiàn)用三端式集成穩(wěn)壓器構成之，并確定橋式整流二極管參數(shù)、濾波電容參數(shù)和電源變壓器的容量。設交流電源的頻率為 50Hz，小容量變壓器效率nt=0.6固定輸出的穩(wěn)壓電路如硬件圖所示，下面對其參數(shù)計算：1. 確定穩(wěn)壓器型號、輸入電壓和輸入電流根據(jù)要求 U0=+5V，故選用 W7805 型號；穩(wěn)壓器壓差為 U1-U0≥2V，現(xiàn)取3V。故輸入電壓 U1=5+3=8V；穩(wěn)壓器的輸入電流即為整流濾波電路的負載電流I′0=I0 （max）+IQ=300+8=308mA.為確定整流二極管和濾波電容參數(shù)需要，先確定電源變壓器的副邊電壓有效值 U2 和整流濾波電路的等效負載 R′LU2=U1/1.2=8/1.2V=6.7V現(xiàn)取 U2=7VR′L =1.2U2/ I′0= （1.2×7）/308 歐姆=27.3 歐姆2. 橋式整流二極管參數(shù)要求正向平均電流：If≥Id=（1/2）I′0=（1/2）×308mA=154mA最大反向電壓：Urm≥Ur(max)=根號 2U2=根號 2×7V=10V3. 濾波電容浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 17 -C≥{[ （3~5）/2] ×0.02}/27.3=0.001~0.00183F=1000~1830uf取 C=1000uf電容器耐壓：Ucm≥根號 2U2=10V取 Ucm≥25V ，故電容器參數(shù)為 C：1000uf/25V。4. 電源變壓器容量副邊電流有效值：I2=（1.5~2）I′0=（1.5~2 ）×308mA=462~616mA取 I2 為 500mA副邊容量：P2=U2I2=7×0.5VA=3.5VA原邊容量：因 nr=0.6，故 P1=P2/nr=3.5/0.6VA=5.8VA故平均容量為：P=（P1+P2）/2=（3.5+5.8 ）/2VA=4.65VA取 P=5VA。為使集成穩(wěn)壓器具有一定散熱條件，散熱器可取大于規(guī)定面積 100×100×4 立方毫米（為 I0=1.5A） 。因為三端式集成穩(wěn)壓器的最大輸出電流為 1.5A。不能滿足系統(tǒng)要求，為此需進一步擴大輸出電流。如圖所示，Rs、T2 為短路保護環(huán)節(jié)。正常負載下，Ic1×Rs 小于 T2 的閾值電壓 Uon2，T2 截止。則 Io=Ioxx+Ic1.當過載或短路時，Ic1×Rs 值大于 T2 的 Uon2，T2 導通，則 Uce2=Ic1×Ube1。由于 Ic1 也增大，使 Uce2 減小，致使 Ube1 減小，限制了 T1 管的電流。當負載較輕時，T1 處于截止狀態(tài)，Ic1=0,T2 也截止。這時，I0=I0xx 也較小。設 IQ+I0（min）=100mA。如果 Uon1=0.3V，則取 R=0.3V/100mA=.歐姆。當 I0 需要擴大時，會使 IR 增加，在 UR 大到一定程度，即為 T1 提供導通所需偏置電壓，使 T1 導通，用 Ic1 來補充 I0。這里設計出補充的 Ic1=1.5V。即電路所輸出的電流為 3A，滿足系統(tǒng)要求。2.4 單片機系統(tǒng)設計2.4.1 看門狗電路設計浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 18 -2.4.1.1 看們狗電路簡介看門狗(Watchdog)電路是嵌入式系統(tǒng)需要的抗干擾措施之一。本設計用X25045 芯片設計了一種新的看門狗電路，具有體積小、占用 I/O 口線少和編程方便的特點，可廣泛應用于儀器儀表和各種工控系統(tǒng)中。工控系統(tǒng)在運行時，通常都會遇到各種各樣的現(xiàn)場干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個重要指標?？撮T狗(Watchdog)電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運行的重要保證，幾乎所有的工控系統(tǒng)都包含看門狗電路。在 8096 系列單片機和增強型 8031 系列單片機中，該系統(tǒng)已經(jīng)做在芯片內(nèi)部，用戶只要用軟件開放它就可以，使用很方便。但目前工控系統(tǒng)仍在使用廉價的普通型 8031 系列單片機，則看門狗電路必須由用戶自己建立?？撮T狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運行不正常，可能導致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”，如計數(shù)型的看門狗電路通常由 555 多諧振蕩器、計數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復雜，運行不夠可靠。2.4.1.2 X25045 看門狗電路設計X25045 硬件連接圖如圖 2 所示。X25045 芯片內(nèi)包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。在看門狗定時器預置的時間內(nèi)若沒有總線活動，則 X25045 將從 RESET 輸出一個高電平信號，經(jīng)過微分電路 C2、R3 輸出一個正脈沖，使 CPU 復位。圖 2 電路中，CPU 的復位信號共有 3 個：上電復位(C1、R2)，人工復位(S、R1、R2)和 Watchdog 復位(C2、R3)，通過或門綜合后加到 RESET 端。C2、R3 的時間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因為這時 CPU的振蕩器已經(jīng)在工作。圖 2.30 看門狗電路看門狗定時器的預置時間是通過 X25045 的狀態(tài)寄存器的相應位來設定的。如表 2 所示，X25045 狀態(tài)寄存器共有 6 位有含義，其中 WD1、WD0 和看門狗電路有關，其余位和 EEPROM 的工作設置有關。浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 19 -表 4 X25045狀態(tài)寄存器D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0X X WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP其中，WD1、WD0 是看門狗定時時間設置位；BL1、BL0 是存儲單元寫保護區(qū)設置位；WEL 是只讀標志，1 表明寫使能開關打開；WIP 也是只讀標志，1 代表芯片內(nèi)部正處于寫周期。電復位時，各位都被清零。X25045 芯片功能包括以下 4 種：（1）上電復位控制。在對 X25045 通電時，ERSET 引腳輸出有效的復位信號，并保持至少 200ms，使 CPU 有效復位。（2）電源電壓監(jiān)控。當檢測到電源電壓低于內(nèi)部門檻電壓 VTRIP 時，RESET 輸出復位信號，直至電源電壓高于 VTRIP 并保持至少 200ms，復位信號才被撤消。VTRIP 的出廠值根據(jù)芯片型號不同共有 5 個級別的電壓范圍。對于需要電源電壓精確監(jiān)控的應用，用戶可以搭建編程電路，對芯片內(nèi) VTRIP 電壓進行微調(diào)。（3）看門狗定時器。芯片內(nèi)部狀態(tài)寄存器的 WD1、WD0 是看門狗定時設置位，通過狀態(tài)寄存器寫指令 WRSR 修改這 2 個標志位，就能在 3 種定時間隔中進行選擇或關閉定時器。對看門狗的復位由 CS 輸入電平的下降沿完成。表 2 是WD1、WD0 組合的含義。表 5WD1 WD0 看門狗定時值0 0 1.4s0 1 600ms1 0 200ms1 1 禁止看門狗工作（4）串行 E2PROM。芯片內(nèi)含 512 字節(jié)存儲單元，10 萬次可靠寫，數(shù)據(jù)保持時間 100 年。XICOR 設計了 3 種保護方式防止誤寫。包括：WP 寫保護引腳，當引腳被拉低時，內(nèi)部存儲單元狀態(tài)寄存器都禁止寫入；存儲區(qū)域寫保護模式，通過對狀態(tài)寄存器的 BL1、BL0 位的設置，可以選擇對不同的存儲區(qū)域進行寫保護；在進行任何寫操作前都必須打開寫使能開關，而且在上電初始化寫操作完成時，寫使能開關自動關閉。顯然，在幾方面的保護之下，產(chǎn)生誤寫的可能性極小，表 3 是 BL1、BL0 組合的含義。浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文）- 20 -表 6 BL1 BL0 寫保護的單元地址0 0 沒有保護0 1 180H～1FFH1 0 100H～1FFH1 1 000H～1FFH對 X25045 的操作是通過 4 根口線 CS、SCK、SI 和 SO 進行同步串行通信來完成的。SCK 是外部輸入的同步時鐘信號。在對芯片定改指令或數(shù)據(jù)時，時鐘前沿將 SI 引腳信號輸入；在讀郵數(shù)據(jù)時，時鐘后沿將數(shù)據(jù)位輸出到 SO 引腳上。數(shù)據(jù)的輸入/輸出都是高位在先。芯片內(nèi)部共有 6 條指令，如表 4 所列。表 7命令名稱 命令格式 內(nèi) 容WREN 0000 0110 打開寫使能開關WRDI 0000 0100 關閉寫使能開關RDSR 0000 0101 讀狀態(tài)寄存器WRSR 0000 0001 寫狀態(tài)寄存器READ 0000 A8011 讀存儲單元WRITE 0000 A8010 寫存儲單元WRITE 0000 A8010 寫存儲單元（1）WREN 和 WRDI 是寫使能開關的開/關指令。它們都是單字節(jié)指令。（2）RDSR 和 WRSR 是狀態(tài)寄存器的讀/寫指令。在從 SI 輸入指令后，RDSR 的執(zhí)行結果，即狀態(tài)寄存器內(nèi)容須從 SO 讀出；而 WRSR 需要緊接著輸入修改數(shù)據(jù)。（3）READ 和 WEITE 是存儲單元的讀/寫指令。輸入指令后（指令碼第三代表存儲單元地址的最高位），接著輸入低八位地址，最后就可以連續(xù)讀出或寫入數(shù)據(jù)。其中，讀指針和寫指針的工作方式完全不同，讀指針的全部 8 位用來計數(shù)，0FFH 溢出后變成 00H；寫指針只用最低兩位計數(shù)，XXXXXX11B 溢出后變成 XXXX XX00B，所以連續(xù)寫的實際結果是在 4 個單元中反復寫入。另外，由于 E2P