中国农业大学学士论文 硬件系统总体方案设计
第二章 硬件系统总体方案设计
本次毕业设计以 51系列单片机为核心对温度进行控制，使被控对象的温度稳定在某一指定数值上，允许有1℃的误差（不包括元件本身的制造引起的误差），键盘输入设定温度值，LED数码管显示温度值（实际的或设定的）。基于上述要求，提出以下两种方案，下文是对两种方案的具体论述。
2.1硬件系统总体设计方案一
方案一如图2-1所示，此方案选用DS18B20芯片进行温度采集及模拟量与数字量之间的转换，并直接输出数字量，无需信号放大，且只占用一根口线，然后将其送数码管显示。4X4矩阵式键盘，首先要对其进行键盘扫描，判断是否有键按下，如有键按下，要判断是那个键按下，确定键值，然后对其进行输入，把最后设定的温度值送给数码管进行显示。如果对一个温度值已经设定完毕后，无需再按任何键即有效，如果温度值设定得不合理，可对温度进行重新设定，温度的上下限可由软件编程设定，这样就完成了对温度的总体设置。对于数码管显示模块，采用了动态显示的方法，在程序的设计中也相应的采用动态显示方法对其进行编写。首先把设定的（或采集到）数据的十进制数进行字节拆分，分别求出要显示个位数、十位数、百位数（显示实际温度时，还要求出十分位），然后将其送至数码管显示。显示设定值还是实际值，可由按键进行切换。对于温度控制模块，首先是把采集的数据和设定的温度上下限进行比较，如低于下限值或高于上限值，蜂鸣器警报，再把实际温度和设定的温度比较，决定加热与否以及加热时间的控制。 单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制，不需要向外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。信号的传递路线短，可以提高系统精度。
图2-1 方案一框图
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2.2硬件系统总体设计方案二
方案二如图2-2所示，采用 AT89C51作为控制核心,以使用最为普遍的器件 ADC0809作模数转换,控制上使用电阻丝进行加热。此方案简易可行,器件的价格便宜,且 ADC0809是 8位的模数转换,测温范围是 0-800℃，误差为 0.5%,即分辨率为 1/200，而 ADC0809的分辨率为 1/256，故能满足本题目的精度要求。系统要有温度设定部分，由于 8051的接口不够的问题，所以对其进行接口扩展，采用最常用的 8255并行接口芯片对其扩展，采用 4×4矩阵式键盘接在 8255的 A口和 B口，键盘中有 0到 15之间十六个数字键，对温度的显示采用三个数码管对其进行显示，分别是百位、十位、个位。且系统设置报警装置，使用户能够实时知道温度是否在所设定所的范围内。控制电路部分采用MOC3041控制可控硅的通断以实现对温室温度的控制。
图2-2 方案二框图
2.3硬件系统的方案选择
两种方案的区别在于温度的采集部分，由上可知，DS18B20相对于AD590在此系统的优势相当明显，节约单片机的I/O口线，数据传送路径短，精确度高，节约成本，故选用方案一。此方案以单片机为该系统的控制核心。温度的检测部分使用了DS18B20、AT89C51单片机及数码管的硬件电路完成对室温的实时检测与显示，通过4×4键盘设定温室的温度，比较温度的设定值与实测值的大小，然后由单片机发出信号，控制光电耦合器和双向可控硅导通与否，由此控制PTC加热器的通断，实现对温室温度的恒温控制。因为温室的温度波动比较小，故不必采用软件滤波
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对温度进行平滑控制。报警部分采用一个3V的有源蜂鸣器，发出危险警报。此单片机温度控制系统具有微型化、低功耗、高性能、易配微处理器等优点，可以进行多点测温，DS18B20可以直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS18B20都有唯一的产品号，可以一并存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上连接多个DS18B20芯片，当然一个I/O口能挂接多少片DS18B20，因单片机的不同而异。从DS18B20读出或写入DS18B20信息仅需要一根口线，其读写及温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所连接的DS18B20供电，不需要外部电源，同时DS18B20能提供9-12位温度读数，出厂默认是12位，无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。
单片机具体实现的功能如下：
1、连续测量温室的温度值，控制数码管显示温室的实际温度；
2、控制键盘设定温室的温度值，并用数码管显示。设定范围为室温至125℃；实现温室的恒温控制，比如设定值为50℃，则应使实际值与50℃相接近。
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第三章 控制系统硬件设计
基于上章的分析，我选择了方案一，方案一的原理图如图3-1所示。本章主要介绍介绍控制系统中所使用到的各种元器件。
图3-1 系统原理图
3.1单片机
将运算器、控制器、存储器和各种输入／输出接口等计算机的主要部件集成在一块芯片上，就能得到一个单芯片的微型计算机。它虽然只是一个芯片，但在组成和功能上已经具有了计算机系统的特点，因此称之为单片微型计算机(Single-ChipMicrocomputer)，简称单片机。因为其体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。本次毕业设计所采用的是AT89C51。以下简述本次毕业设计所用到的与其相关的知识。
1、主要特性： （1）与MCS-51兼容
（2）4K字节可编程闪烁存储器，寿命为1000次写/擦循环，数据可保留时间为10年
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（3）全静态工作：0Hz-24Hz （4）三级程序存储器锁定 （5）128X8位内部RAM
（6）4个I/O口，共32根可编程口线 （7）两个16位定时器/计数器 （8）5个中断源 （9）可编程串行通道
（10）低功耗的闲置和掉电模式 （11）片内振荡器和时钟电路 2、管脚说明：
AT89C51的管脚布置如图3-2所示 VCC：供电电压。 GND：接地。 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/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH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口作为低八位地址接收。
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。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚备选功能
P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1）
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