第二章控制器硬件设计
第二章控制器硬件设计
控制器的硬件电路的设计，必须首先决定主控制器采用的芯片，然后将控制算法编制成相应的控制程序，实现对被控对象的控制。究竟选择哪一种单片机，取决于系统对速度的要求和该应用系统的复杂性，在本设计中选用通用数字单片机，其它器件的选择遵循控制系统的精度要求，同时满足体积小、耗电少、可靠性高的要求，因此尽可能选用功耗小，性能稳定的集成电路芯片。
在众多单片机产品中，MCS-51系列单片机在我国使用最为广泛，有关该系列单片机的技术资料和能够兼容的外围芯片也比较多。特别是ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列单片机，其典型产品AT89S51单片机内部自带看门狗，集成4K字节可重擦写Flash闪速存储器，具有1000次擦写周期，三级加密程序存储器，128KB字节内部RAM，32个可编程I/0口线，2个16位定时/计数器，6个中断源，低功耗空闲和掉电模式，支持ISP(在系统编程)功能，这对软件调试及以后软件的升级带来很大的方便，并由于其具有较高的性能价格比，受到用户的欢迎。因此本课题主控制芯片选用AT89S51单片机作为控制单元的核心部件。
2.1 单片机外围电路总体方案
AT98S51单片机及外围电路的总体设计如下图2.1所示，主要由输入采集部分、输出控制部分和控制决策部分组成。系统中采用一片AT89S51单片处理器作为控制器的核心芯片，前项通道为数据采集部分，后项通道为控制部分，通过按键和LED显示进行人机交互，并预设了串口通信接口。
数据采集电路测量模拟量电路A/D转换控制接口电路执行机构D/A转换
单片机AT89S51存储器键盘LED显示超限报警串口通讯
图2.1 单片机外围电路设计框图
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输入采集部分主要采集本系统的参数即pH值。当pH参数的监测值超出设定的上限、下限参数时，扬声器发出声音进行报警，提醒工作人员检查原因并采取相应措施解决问题；
控制输出部分是把控制器输出的控制量作用于执行机构，实现对pH值的控制；
控制决策部分由通用数字单片机AT89S51来实现，该部分是根据系统的工况、测量内容、显示方式等要求设计的，是硬件电路设计的核心部分；
键盘输入部分可以设定报警的上限和下限值，并通过键盘保存键值。键盘一般是在系统调试、定期或不定期检查中时使用，方便人机交互；
显示部分用于显示设定的pH值及采样所得的pH值。
下面就分别对基于AT89S51单片机的pH控制器各部分电路进行介绍。
2.2 单片机及其外围电路的设计
2.2.1 AT89S51单片机简介
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器 既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 1、主要性能参数
与单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。 2、AT89S51芯片内部结构简介
1）中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
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2）数据存储器用于存放变化的数据。AT89S51中数据存储器的地址空间为256个RAM单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。
3）程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。通常采用只读存储器，且其又多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。AT89S51内部配置了4KB闪存。
4）定时/计数器用于实现定时和计数功能。AT89S51共有2个16位定时/计数器。
5）8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。每个口都由1个锁存器和一个驱动器组成。它们主要用于实现与外部设备中数据的并行输入与输出，有些I/O口还有其他功能。
6）A89S51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
7）时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。 8）中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。AT89S51共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。
图2.2 AT89S51的功能结构图
2.2.2 AT89S51单片机最小系统简介
AT89S51，先以主震荡频率为基准发出CPU时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的操作，用来协调单片机内部各功能部件之间的数据传输，数据运算等操作。 单片机最小系统由震荡电路、复位电路及一片单片机构成,是单片机正常工作的最基本组成。其最小系统如下图4.3所示。
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图2.3 AT89S51单片机最小系统简介
1. 复位电路:
复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，当为可靠起见电源稳定后还要经一定的延时直至系统电源稳定后才撤销，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
AT89S51单片机的复位信号是从RST脚输入到片内触发器中的复位电路。当系统处于正常工作状态，且振荡器工作稳定后，如在RST引脚上有从低电平上升到高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使引脚保持10ms以上的高电平。只要RST保持高电平，单片机就循环复位。当RST从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。
在本系统中采用手动复位电路,即在系统带电情况下进行手动复位,使用灵活方便,其中R14为10k? ,C10为1?F。
2. 时钟电路：
AT89S51单片机的CPU时钟源可以通过内部振荡器和外部振荡器来产生。XTAL1和XTAL2两引脚分别为单级片内反相放大器的输入端和输出端，其频率
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范围为0-33MHz。当选用片内振荡器时，需外接晶体振荡器，并外接两个小电容后接地。外接电容
C1＝
C2＝30?10pF；当选用外部振荡器时，则外部振荡器输出
信号接XTAL1引脚，而XTAL2引脚浮空不用。
在本设计中采用片内振荡器，在AT98S51单片机的XTAL1和XTAL2两引脚之间连接一个晶体振荡器，并接两个小电容后接地。晶体的振荡频率为12MHz，电容为30pF。在设计电路板时，晶体和电容尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，使振荡器稳定可靠地工作。 2.2.3 数据采集电路
在数据采集过程中，把pH值传感器采集的非电量被测信号转换成相应的模拟电信号，模拟信号在输入到计算机之前必须经过模拟量到数字量的转换。因此模数转换器（A/D）是必不可少的功能部件，在本电路设计中是采用ADC0804芯片。
本设计中ADC0804是以程序查询方式进行数据采集。ADC0804是用8位全CMOS集成工艺制成的逐次比较型A/D转换芯片。分辨率8位，转换时间100?s，输入电压范围为0～5V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为 5V。ADC0804片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接接口。单通道输入,转换时间大约为100?s。ADC0804 转换时序是：当CS＝0 许可进行A/D 转换。WR由低到高时，A/D开始转换，一次转换一共需要66－73 个时钟周期。CS与WR同时有效时启动A/D转换，转换结束产生INTR 信号（低电平有效），可供查询。当CS=0和RD=0 时将数据取出存入存储器中并读取数据结果。数据采集电路中ADC0804芯片外引脚以及外设电路如图2.4所示。
图2.4 数据采集电路
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