德州学院 机电工程系2012届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计）
3 系统硬件设计
3.1单片机系统设计
经过上面的总体方案和实施措施的讨论后可以开始着手硬件系统的设计，硬件系统是应用系统的基础、软件系统设计的依据
根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，选用MCS-51系列的89C51为主机，满足上面的要求而且设计方便，不需要再存储扩展。 3.1.1 AT89C51单片机
MCS-51系列单片机主要包括基本型产品8031/8051/8751(对应的低功耗型80C31/80C51/87C51和增强型产品8032/8052/8752。虽然他们是8位的单片机，但是具有品种全、兼容性强性能价格比高等特点且软硬件应用设计资料丰富齐全，已为我国广大工程技术人员所熟悉和掌握。在20世纪80年代和90年代，MCS-51系列单片机是在我国应用最为广泛的单片机机型之一。
中央微处理器 AT89C51： AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89C51设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。AT89S51单片机综合了微型处理器的基本功能。按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的AT89C51单片机作为整个系统的控制器[3]。
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图3 AT89C51单片机实物图
XTAL数据存储器RAMP0P2程序存储器4KBFlash ROM特殊功能寄存器（SFR）XTALCPU运算器控制器看门狗定时器P1串行口定时器/计数器16位两个P3中断系统 图4 AT89C51 单片机的片内硬件组成结构
3.1.2 AT89C51引脚简单介绍
总线型 非总线型
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1
P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSS1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920 I 40393837363534333231302928 27 26 25 24 23 22 21 VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.080C51/89C51RST P3.0/RXDP3.1/TXD XTAL2XTAL1P3.2/INT0P3.3/INT1 P3.4/T0P3.5/T1GND1 2 3 4 5 6 7 8 9 10201918 17 16 15 14 13 12 11 VCCP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1/AIN1P1.0/AIN0P3.7注：类似的还有Philips公司的 87LPC64，20引脚 8XC748/750/（751），24引脚 8X749（752），28引脚 8XC754，28引脚 等等89C20516
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图5 89C51的引脚封装
40个引脚按其功能可分为如下3类：
电源及时钟引脚——VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。 控制引脚——PSEN、ALE/PROG、EA/VPP、RST。
I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚[4]。 3.1.3 时钟电路
AT89C51单片机各功能部件的运行都以时钟信号为准，有条不紊、一拍一拍地工作。因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。AT89C51单片机内部有一个用于构成震荡的高增益反相放大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体和微调电容，构成一个稳定的自己振荡器。外部时钟方式时外部时钟电源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空。
图6时钟电路
3.1.4 复位电路
复位是单片机的初始化操作，只需给AT89C51的复位引脚RST加上大雨2个机器周期（即24个时钟震荡周期）的高电平就可使AT89C51复位。复位电路通常采用上自动复位和按钮复位两种方式。上电复位是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，次信号随着VCC对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间。因此为保证系统能可靠地复位，EST引脚上的高电平必须维持足够长的时间。按键手动复位有电平和脉冲两种形式[5]。
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图7复位电路
3.2传感器的设计
3.2.1传感器的基本特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
传感器的动态特性：
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示[6]。 3.2.2 AM2301数字温湿度传感器
图8 数字温湿度传感器
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德州学院 机电工程系2012届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计） （1）AM2301产品概述
AM2301数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个AM2301传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。 （2）产品亮点
超低能耗、传输距离远、全部自动化校准、采用电容式湿敏元件、完全互换、标准数字单总线输出、卓越的长期稳定性、采用高精度测温元件。 （3）单总线接口定义
图10 AM2301引脚
引脚说明（VDD SDA GND）：
AM2301的供电电压范围为 3.5V - 5.5V,建议供电电压为 5V。数据线 SDA 引脚为三态结构，用于读/写传感器数据。详细见单总线的通信协议说明。 （4）接口说明
建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。
图10 AM2301典型接口电路
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