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图2-6 180°旋转工作流程示意图
3 自动控制系统主要硬件的设计
3.1 单片机选型
3.1.1 单片机发展过程 单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路(I/O接口)集成在同一块芯片上，构成一个既小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。其诞生于20世纪70年代末，主要经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。
1）SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
2） MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
3)MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
4)单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统[4]。
3.1.2 单片机发展趋势 （1）CMOS化 近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
（2）高性能化 主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。
（3）低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
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（4）低功耗化 单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3至6V之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化
（5）大容量化 以往单片机内的ROM为1KB至4KB，RAM为64B至128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB
（6）低电压化 几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3至6V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1至2V。目前0.8V供电的单片机已经问世[5]。
3.1.3 AT89S51单片机简介 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能更强。在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS –51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51系列单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51系列可能最终形成事实上的标准MCU芯片[6]。
本设计采用美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机AT89S51。其片内含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。
主要性能参数：
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（2）4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器 （3）1000次擦写周期
（4）4.0-5.5V的工作电压范围 （5）全静态工作模式：0HZ-33MHZ （6）三级程序加密锁
（7）128*8字节内部RAM32个可编程I/O口线 （8）2个16位定时/计数器 （9）6个中断源
（10）全双工串行UART通道 （11）低功耗空闲和掉电模式 （12）中断可从空闲模式唤醒系统 （13）看门狗（WDT）及双数据指针 （14）掉电标示和快速编程特性
（15）灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式） 3.2 数据检测传感器的选择
3.2.1 数据检测传感模块组成 根据该设计的功能要求数据检测传感系统由四个部分组成： 1)光度传感电路； 2)风速传感电路；3）湿度传感电路；4)有害气体传感电路；5)红外防盗传感器。
3.2.2 传感器选型及电路 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节[9]。
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1、 光度传感器
光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫 外线波长。其中最简单的光敏传感器是光敏电阻，本设计中采用光敏电阻与驱动电路来构成光敏传感电路。电路图如图2-1所示。
+5V1MRR1AR2P2.1光敏电阻
图3-1 光敏传感器驱动电路
图3-1中，当外界环境光照强时，光敏电阻R2阻值较小，则A点电平较低；当外界环境光照弱时，光敏电阻R2阻值较大，则A点电平较高，将此电平送到单片机，由程序控制是否驱动电机开关窗。
2、风速传感器
风速传感器是将空气的流动速度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。风速传感器种类有采用毕托管测风速、热线热膜测风速、机械式传感器测风速、超声波测风速和三杯式风速传感器测风速。在本设计中采用风杯式—YH12X风速传感器，产品见图3-2。
图3-2 YH12X风速传感器
YH12X风速传感器工作原理：当风杯随着气流的运动而转动时，风速轴带动码盘与风杯成正比地转动，从而输出电脉冲信号，将机械转动信号转换成电信号。风向测量采用进口红外光电管,格雷码盘等器件。当风向标随着气流的运动而转动时，风向轴带动格雷码盘同时转动,从而输出七位格雷码信号，将机械位置信号转换成光电脉冲信号，通过微处理器CPU记录每秒种的产生的光电脉冲的个数，快速运算处理后即可的出气流的运动速度。计算原理如下：
每秒种产生光电脉冲的个数：n 齿轮的圆周半径 ： R (m) 齿轮的总个数： N
风杯轴承的传动系数：η
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风杯的线速度 : V1(m/s) 风速：V （m/s）
风速的计算公式为： V?V? (3-1)
2?R360n风杯的转动线速度： V1? (3-2)
N可通过转换处理将数据以其他形式输出，传递给其他智能设备。
YH42X风速显示器工作原理：风速显示器对接收到的风速信息进行处理,换算转化成实际风速风级显示到对应的显示器中,风速显示器还可以针对预先设定的报警参数,当风速超过其参数时触发关窗信号，单片机接到信号处理后，通过驱动电路驱动电机，完成关窗动作。
2、湿度传感器
Honeywell公司的HIH3610湿度传感器是为大批量OEM设计，具有湿度仪表级测量性能，低成本，SIP封装。线形放大电压输出，驱动电流200微安，器件一致性好[3]。
特点：湿度传感器HIH3610主要性能：
（1）热固性聚合物电容湿度传感器，带集成信号处理电路 （2）3针可焊塑封
（3）宽量程：0～100％RH非凝结，宽工作温度范围–40～85℃ （4）高精度：±2％RH，极好的线形输出
（5）5VDC恒压供电，0.8-3.9VDC放大线形电压输出 （6）低功耗设计200微安驱动电流 （7）激光修正互换性 （8）快速响应15秒
（9）稳定性好，低温漂，抗化学腐蚀性能 其引脚如图3-2所示：
HIH3610+5VVout
图3-2 HIH3610引脚图
3、有害气体传感器
MY1000系列电化学式一氧化碳气体传感器是由广州市中敏仪器有限公司生产的产品,它是一种定电位电解式电流型传感器。该产品具有结构紧凑，体积小，功耗低，测量精度高，稳定性好，寿命长等优点。其性能和可靠性达到国内或国外同类产品的水平，属于气体传感器整机的核心部件[3]。
（1）检测原理：
本传感器元件采用的是定电位电解原理，组成主要由三个电极组成，电极材料是贵金属催化剂，主要是铂黑，其中各电极的作用如下：工作电极（W）：一氧化碳气体的氧化，对电极（C）：氧气的还原，对电极（R）：为工作电极提供恒定电位。
当一氧化碳接触到工作电极时，即发生氧化反应，生成二氧化碳和氢离子，并产生电子，氢离子发生离子迁移，在对电极上接受电子，并与氧气发生还原发应，生成水。电极反应如下;
+－ +－
工作电极：CO+H2O→CO2+2H+2e对电极： 1/2O2+2H+2e→H2O 总反应： 2 CO＋O2→2 CO2
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由反应式可知产生的电流大小与一氧化碳的浓度成正比，因此可以通过测量产生的电流的大小就可以检测出一氧化碳的浓度。
（2）技术指标：
表3-1 MY1000技术性指标
范围 参数 检测范围 相对误差 压力范围 先好衰减 温度系数 相对湿度 响应时间 零点漂移 0至1000ppm ±5％ 86-106 Kappa <%2/月 1.5% 0至95% ≤10s <5ppm （3）原理电路图：[2] LM3242-+78RE+5VSensorLM32478LM324-+CEWE278-+2OUT图3-3 气敏传感器放大电路
4、人体热释红外传感器
（1）热释电红外传感装置工作原理
人体具有约37℃的恒定体温，所以会发出波长约10μm左右的红外线。热释电红外传感器PIS-209S就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。热释电红外传感器是一种新型敏感元件。制造热释电红外传感器的高热材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20μm。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。此滤波片只允许某些波长范围的红外光通过，而阻止灯光、阳光和其它红外光通过。实际使用中，热释电红外人体感应器前面必须安装菲涅尔透镜。菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外传感器上，从而提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。它可以产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应
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