单片机的电冰箱控制系统硬件设计.doc

系统的硬件设计 硬件是指单片机本身及其外围设备，是单片机控制系统的物质基础，其结构的合理与否，直接影响整个系统的性能，必须慎重选择电冰箱控制器的主要任务就是控制压缩机、化霜加热等来保持箱内食品的最佳温度，达到食品保鲜的目的，即保证所储存的食品在经过冷冻或冷藏之后，保持色、味、水分、营养基本不变用LED将设定温度或实际温度显示出来基于51单片机的电冰箱控制系统的硬件结构（如图1-1所示）采用了模块结构设计，主要包括：A/D转换电路、温度采集电路、除霜电路、键盘电路、LED显示电路、制冷压缩机和除霜电热丝启﹑停控制电路、电源电压检测电路、语音输出报警电路、直流电源供电电路、晶体振荡电路等模块冷藏室温度传感器冷冻室温度传感器霜厚传感器放大器放大器放大器欠电压保护压缩机加热丝键盘电路显示器A/D转换器功放AT89C51单片机直流电源供电电路晶体振荡电路报警电路图1-1　系统硬件结构图1.单片机的选择单片机是整个测控系统的核心部件,它直接影响到整个系统的软硬件设计,并对系统的功能、性价比以及研制周期起决定性作用本控制系统的单片机采用美国ATMEL公司生产的8位单片机AT89C51,它是80C51微控制器系统的派生。

AT89C51芯片采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，而且价格低，是目前性能比较高的单片机之一该芯片完全满足系统需要，不需要再外扩程序存储器和数据存储器，可以大大简化系统的硬件电路此外，AT89C51单片机在市场上的货源充足，技术比较成熟，同时也具有较好的开发环境1.1 AT89C51的特点 AT89C51具有以下特点：（1）与MCS-51 兼容该芯片具有MCS-51系列单片机的所有特性，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容2）CMOS制造工艺，功耗低，成本低廉全静态工作时0Hz-24Hz，正常运行电压5V，速度可达33MHZ片内有4K字节可编程闪烁存储器，128字节的RAM存储器和4字节的EPROM存储器，不扩展存储器可满足系统需要，采用低功耗的闲置和掉电模式可降低成本且提高系统抗干扰能力3）可靠性高芯片本身按工业测控环境要求设计，抗噪声干扰强；运行温度范围宽(-40℃-60℃)；允许电源波动范围大(5V±20%)，芯片内有振荡器和时钟电路。

4）扩展性能好具有4个8位I/O口，通过芯片外引脚构成三总线结构（地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB）RAM可扩展到64K字节，另外具有片内FLASH程序存储器，同时含有2个外部中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，5个中断源AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以编程5）稳定性好寿命可达1000写/擦循环，数据保留时间可达10年1.2 管脚说明AT89C51芯片引脚排列如图1-2所示引脚按功能可分为：电源和时钟引线、I/O口线、控制口线三部分 1.电源和时钟引线：VCC：供电电压VSS：接地XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入XTAL2：来自反向振荡器的输出2.I/O口线：P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高     P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收      P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流这是由于内部上拉的缘故P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3口：P3口（第二功能如表2-1）管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故3）控制口线：RST：复位输入当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用另外，该引脚被略微拉高如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效 ：外部程序存储器的选通信号在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现    /VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当，端保持高电平时，此间内部程序存储器在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）表1-1 P3口第二功能I/O引脚第二功能注释P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7串行数据输入口串行数据输出口外部中断0请求外部中断1请求定时器/计数器0外部输入定时器/计数器1外部输入外部数据存储器写选通外部数据存储器读选通图1-2 AT89C51芯片引脚列图1.3 振荡器特性和时钟电路1.振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器石晶振荡和陶瓷振荡均可采用如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度2.复位电路及时钟电路：单片机应该是一个最小应用系统，但在这个最小系统中，仍有一些功能器件如晶体振荡器、复位电路等无法集成到芯片内部，因而需要在片外接相应的电路89C51通常采用电自动复位和开关复位两种方式，本系统选用上电复位电路，复位电路如图1-3 （a）所示，在RC电路的充电过程中，RESET端出现正脉冲，RESET端保持10以上的高电平，单片机可有效复位系统单片机的时钟电路如图1-3（b）所示：在XTAL1、XTAL2引脚上外接石英晶体和微调电容组成并联谐振回路，外接两个30Pf的谐振电容，选用6MHz的晶振图1-3（a） 复位电路 图1-3（b）时钟电路1.4 芯片擦除整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式在闲置模式下，CPU停止工作但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止 2. A/D转换电路A/D转换电路[1][15]采用逐次逼近式8位ADC0809芯片0809共有8路模拟输入通道,本系统只用了其中4个通道IN0~IN3其中IN0作为冷冻室温度检测通道,IN1作为冷藏室温度检测通道,IN2作为除霜检测通道,IN3作为电源电压检测通道2.1 ADC0809介绍ADC0809是一种比较典型的8位逐次逼近式A/D转换器CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右，采用双排28引脚封装，可以和微机直接接口1.内部结构：ADC0809 由一个8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成多路开关可选通8 个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

ADC0809内部逻辑结构如图1-4所示：图1-4 ADC0809内部逻辑结构图中，八路模拟量开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用1个A/D转换器进行转换地址锁存与译码电路完成对ADDA、ADDB、ADDC三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于8路模拟通道的选择8位A/D转换器是逐次逼近式，三态输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量2. 主要特征：（1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位；　　（2）具有转换起停控制端； 　　（3）转换时间为100μs；　　（4）单个＋5V电源供电； 　　（5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准； 　　（6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度； 　　（7）低功耗，约15mW3.主要技术指标：（1）分辨率：分辨率是衡量A/D转换芯片能分辩出的输入模拟量最小变化程度的技术指标分辨率取决于A/D转换器的位数，ADC0809的分辨率为8位，即它输出数据可用28个二进制进行量化用百分率表示为： 1/2N×100%=1/28×100%=1/256×100%=0.391%（2）量化误差：图1-5 A/D转换量化误差量化误差（如图2-5所示）是由于A/D转换器有限字长的数字量对输入模拟量进行离散取样而引起的误差，其大小在理论上为一个单位的分辨率。

该量表示A/D转换器所能辨认的最小数字量，量化误差和分辨率是统一的，提高分辨率可以减少量化误差3）转换率与转换时间：转换率是指A/D转换器在每秒钟所能完成的转换次数这个指标也可以表述为转换时间，即A/D转换器从启动到得到转换结果所需要的时间，两者互为倒数ADC0809的转换时间为100ｕｓ4）转换精度：转换精度反映实际A/D转换器与理想A/D转换器在量上的差值一般用绝对误差与相对误差表示由于理想A/D转换器也存在着量。