论文部分内容阅读
摘要： 以AT89C51单片机为控制核心，配合一系列模拟、数字电路，提供一个良好的人机控制界面，实现对当前温度的查看、保存、语音播报，并根据温度设定对外围电器进行智能化控制。
关键词： AT89C51；温度监测；智能化
中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0110032－02
0 引言
随着科学技术的进步，检测技术发展迅速，除了检测项目和内容不断扩大，更重要的是检测愈来愈科学化、智能化、人性化，主要表现在检测过程及检测结果由微处理器监控和显示。本文主要介绍基于ATMEL公司的AT89C51单片机的智能温度控制系统的硬件模块设计，具体包括外界温度采集和控制、LCD数据显示、数据存储以及语音数据播报等功能。硬件设计采用模块化的思想，系统集成度较高。
1 智能温度控制系统硬件设计
1.1 原理及结构
本系统设计以89C51最小系统为CPU，由A/D模数转换模块、EEPROM数据存储模块、LCD液晶显示模块、语音录放模块、PC串口通讯模块、电器控制模块、键盘输入模块等功能模块组成。整个系统通过对前置温度传感器输入信号的采集和处理，以实现对当前温度的显示、语音播报温度、多组温度记录、与PC通讯、根据温度范围对电器的智能化控制等一系列功能。系统硬件结构框图如图1所示。
图1系统硬件结构框图
1.2 CPU的选择及最小系统的设计
本系统采用ATMEL公司的89C51单片机作为整个控制系统的核心，其功能是负责对前级AD输入的电压数字量进行数据处理，通过软件运算将0-255的电压数字变化量转化为25℃-90℃的温度变化量，并根据用户对温度的设置情况，对继电器、液晶显示器、语音播报模块等输出设备进行智能化和人性化控制。
89C51片内集成1个8位CPU、128B数据存储器、4K程序存储器、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口、2个16位定时器/计数器和5个中断源。89C51采用CHMOS制作工艺的DIP封装方式，+5V电源供电，频率12M外部的晶振为内部总线提供频率1M的时钟控制信号，其配合外部复位电路构成最小系统。最小系统硬件电路设计如图2所示。
1.3 A/D模数转换模块
本系统A/D模数转换模块采用逐次比较型的A/D集成芯片ADC0809，其功能是将温度传感器反馈回来的DC0-5V模拟电压信号等比例转化为0-255的数字电压信号，从而将数字变化量输入给CPU进行数据处理。
图2最小系统硬件电路设计
ADC0809的时钟频率为500KHz，利用CPU控制其OE、START、ALE等控制端，P0口并行读取转换数据，精确实现模数转换功能。
ADC0809是一种逐次比较型8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器，由单+5V电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的编码来决定所选的通道（IN0-IN7）。1个转换周期为100uS，输出具有TTL三态锁存缓冲器。通过适当的外围电路，ADC0809可对0-5V的模拟信号进行模数转换。
分频器采用双D触发器集成芯片CD4013来实现，即将D触发器D端与Q非端相连，CLK输入两个脉冲时，D触发器Q端输出一个脉冲，达到2分频的目的。频率为2MHz的CPU的ALE信号经4分频后为500KHz，符合ADC0809对时钟频率的要求。
由于数据源有限，本系统只开通模拟输入IN0（即CBA=000），采用CPU查询方式对ADC0809转换结束信号EOC进行监控。A/D硬件电路设计如图3所示。
1.4 LCD液晶显示模块
系统人机界面采用分辨率为128*64的串行液晶显示屏，人性化设计的简体中文界面便于用户使用，用户可通过显示屏了解实时温度检测值、用户温度设置的上下限、异常提示、系统版本信息等重要数据。
液晶显示屏大大提高的系统的可操作性行和智能化。串行通信节约I/O口，3V的低功耗设计节约能源，高亮度的背景灯使得在夜间也能正常工作，而且十分美观。
1.5 EEPROM数据存储模块
系统外部数据存储器采用串行电可擦除及可编程存储器24C04，实时地对用户温度控制范围的设置进行存储，及时系统断电后数据也不会丢失。
24C04存储空间为4096bit，即512个字节。其工作电压范围为2.7V-5.5V，低功耗，兼容100KHz（2.7v）和400KHz（5v）时钟信号，输入脚经施密特触发器滤波抑制噪声，允许100万次擦写，数据可保持100年。
图3A/D转换硬件电路设计
1.6 语音录放模块
语音录放模块采用美国ISD公司的语音录放芯片ISD1420为核心，实现对当前温度检测结果及温度控制范围设定值的真人语音播报功能，即使是盲人利用此功能也可以对系统进行操作。
ISD1420外围配以麦克风、喇叭、按键和少数阻容元件构成。ISD1420由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。采用直接模拟存储技术（DASTTM）实现零功率信息存储。利用这种技术，语音和音频信号以其原本的模拟形式被直接存储到EEPROM存储器里。直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。不仅语音质量优胜，而且具有断电语音保护功能。
ISD1420可以实现连续长达20秒的音频录音，并具有分段录音功能。采用单+5V电源供电，最大工作电流30mA，静态电流0.5μA。采用高保真功放TDA2822对ISD1420还原输出的音频信号进行功率放大，输出功率最大可达2W。语音模块硬件电路设计如图4所示。
图4语音模块硬件电路设计
1.7 电器控制模块
电器控制模块选用工作电压为12V，驱动电流约为80mA的直流电磁式继电器作为主要控制元件，采用晶体管8550（PNP）与8050（NPN）所组成的复合管来驱动直流继电器吸合和断开，从而达到控制外部电器的目的。所采用的复合管可以提供350mA的驱动电流，即满足直流继电器对驱动电流的要求，又满足单片机I/O口低电平有效的控制方式。
继电器两端并联二极管的作用是保护驱动管。因为当继电器由吸合转为断开时，继电器线圈产生的感生电动势会在其两端产生较高且极性上负下正的感应电压，通过反接的二极管感应电流得以释放，从而避免因感应电压过高而造成的驱动管被击穿现象。8050的基极对地下拉一个1K电阻的作用是防止干扰。控制模块硬件电路设计如图5所图5控制模块硬件电路设计
1.8 电源模块
本系统采用固定式三端稳压电源7812和7805分别提供+12V和+5V的直流电压，最大负载电流可达1.5A。输入端并联电容滤波，输出端也接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路的稳定性很好，滤波电容最好采用漏电流较小的钽电容，如果采用电解电容，则电容量要比钽电容的容量增加10倍。电源模块硬件电路设计如图6所示。
图6电源模块硬件电路设计
1.9 键盘输入模块
本系统采用3*3的矩阵键盘实现按键的输入功能，9个按键分别位于3条行线和3条列线的交叉点上，利用软件端口扫描方式大大节约了I/O口线。
2 结论
本系统利用89C51丰富的内部资源，通过软件编程实现了对温度进行智能化电器控制。特别是采用了汉字液晶屏和语音播报模块的人性化设计大大提高了系统的实用性和可操作性。在智能家居及环境检测领域具有较高的实用价值。
参考文献：
[1]张毅刚，单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2004，1.
[2]郝红伟、潘潮，单片机与嵌入式系统应用，2002，4.
[3]鲍超，信息检测技术[M].浙江：浙江大学出版社，2002，9.
[4]钱浚霞、郑坚立，光电检测技术[M].北京：机械工业出版社，1993，151-214.
[5]单成祥，传感器的理论与设计基础及其应用[M].北京：国防工业出版社，1999，414.
[6]吴兴惠、王彩君，传感器与信号处理[M].北京：电子工业出版社，1998，167-171.
作者简介：
冯晓江（1957-），高级工程师，黑龙江省佳木斯职教集团；冯时（1983-），
助理工程师，福建省厦门市蒙发利电子有限公司。
关键词： AT89C51；温度监测；智能化
中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0110032－02
0 引言
随着科学技术的进步，检测技术发展迅速，除了检测项目和内容不断扩大，更重要的是检测愈来愈科学化、智能化、人性化，主要表现在检测过程及检测结果由微处理器监控和显示。本文主要介绍基于ATMEL公司的AT89C51单片机的智能温度控制系统的硬件模块设计，具体包括外界温度采集和控制、LCD数据显示、数据存储以及语音数据播报等功能。硬件设计采用模块化的思想，系统集成度较高。
1 智能温度控制系统硬件设计
1.1 原理及结构
本系统设计以89C51最小系统为CPU，由A/D模数转换模块、EEPROM数据存储模块、LCD液晶显示模块、语音录放模块、PC串口通讯模块、电器控制模块、键盘输入模块等功能模块组成。整个系统通过对前置温度传感器输入信号的采集和处理，以实现对当前温度的显示、语音播报温度、多组温度记录、与PC通讯、根据温度范围对电器的智能化控制等一系列功能。系统硬件结构框图如图1所示。
图1系统硬件结构框图
1.2 CPU的选择及最小系统的设计
本系统采用ATMEL公司的89C51单片机作为整个控制系统的核心，其功能是负责对前级AD输入的电压数字量进行数据处理，通过软件运算将0-255的电压数字变化量转化为25℃-90℃的温度变化量，并根据用户对温度的设置情况，对继电器、液晶显示器、语音播报模块等输出设备进行智能化和人性化控制。
89C51片内集成1个8位CPU、128B数据存储器、4K程序存储器、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口、2个16位定时器/计数器和5个中断源。89C51采用CHMOS制作工艺的DIP封装方式，+5V电源供电，频率12M外部的晶振为内部总线提供频率1M的时钟控制信号，其配合外部复位电路构成最小系统。最小系统硬件电路设计如图2所示。
1.3 A/D模数转换模块
本系统A/D模数转换模块采用逐次比较型的A/D集成芯片ADC0809，其功能是将温度传感器反馈回来的DC0-5V模拟电压信号等比例转化为0-255的数字电压信号，从而将数字变化量输入给CPU进行数据处理。
图2最小系统硬件电路设计
ADC0809的时钟频率为500KHz，利用CPU控制其OE、START、ALE等控制端，P0口并行读取转换数据，精确实现模数转换功能。
ADC0809是一种逐次比较型8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器，由单+5V电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的编码来决定所选的通道（IN0-IN7）。1个转换周期为100uS，输出具有TTL三态锁存缓冲器。通过适当的外围电路，ADC0809可对0-5V的模拟信号进行模数转换。
分频器采用双D触发器集成芯片CD4013来实现，即将D触发器D端与Q非端相连，CLK输入两个脉冲时，D触发器Q端输出一个脉冲，达到2分频的目的。频率为2MHz的CPU的ALE信号经4分频后为500KHz，符合ADC0809对时钟频率的要求。
由于数据源有限，本系统只开通模拟输入IN0（即CBA=000），采用CPU查询方式对ADC0809转换结束信号EOC进行监控。A/D硬件电路设计如图3所示。
1.4 LCD液晶显示模块
系统人机界面采用分辨率为128*64的串行液晶显示屏，人性化设计的简体中文界面便于用户使用，用户可通过显示屏了解实时温度检测值、用户温度设置的上下限、异常提示、系统版本信息等重要数据。
液晶显示屏大大提高的系统的可操作性行和智能化。串行通信节约I/O口，3V的低功耗设计节约能源，高亮度的背景灯使得在夜间也能正常工作，而且十分美观。
1.5 EEPROM数据存储模块
系统外部数据存储器采用串行电可擦除及可编程存储器24C04，实时地对用户温度控制范围的设置进行存储，及时系统断电后数据也不会丢失。
24C04存储空间为4096bit，即512个字节。其工作电压范围为2.7V-5.5V，低功耗，兼容100KHz（2.7v）和400KHz（5v）时钟信号，输入脚经施密特触发器滤波抑制噪声，允许100万次擦写，数据可保持100年。
图3A/D转换硬件电路设计
1.6 语音录放模块
语音录放模块采用美国ISD公司的语音录放芯片ISD1420为核心，实现对当前温度检测结果及温度控制范围设定值的真人语音播报功能，即使是盲人利用此功能也可以对系统进行操作。
ISD1420外围配以麦克风、喇叭、按键和少数阻容元件构成。ISD1420由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。采用直接模拟存储技术（DASTTM）实现零功率信息存储。利用这种技术，语音和音频信号以其原本的模拟形式被直接存储到EEPROM存储器里。直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。不仅语音质量优胜，而且具有断电语音保护功能。
ISD1420可以实现连续长达20秒的音频录音，并具有分段录音功能。采用单+5V电源供电，最大工作电流30mA，静态电流0.5μA。采用高保真功放TDA2822对ISD1420还原输出的音频信号进行功率放大，输出功率最大可达2W。语音模块硬件电路设计如图4所示。
图4语音模块硬件电路设计
1.7 电器控制模块
电器控制模块选用工作电压为12V，驱动电流约为80mA的直流电磁式继电器作为主要控制元件，采用晶体管8550（PNP）与8050（NPN）所组成的复合管来驱动直流继电器吸合和断开，从而达到控制外部电器的目的。所采用的复合管可以提供350mA的驱动电流，即满足直流继电器对驱动电流的要求，又满足单片机I/O口低电平有效的控制方式。
继电器两端并联二极管的作用是保护驱动管。因为当继电器由吸合转为断开时，继电器线圈产生的感生电动势会在其两端产生较高且极性上负下正的感应电压，通过反接的二极管感应电流得以释放，从而避免因感应电压过高而造成的驱动管被击穿现象。8050的基极对地下拉一个1K电阻的作用是防止干扰。控制模块硬件电路设计如图5所图5控制模块硬件电路设计
1.8 电源模块
本系统采用固定式三端稳压电源7812和7805分别提供+12V和+5V的直流电压，最大负载电流可达1.5A。输入端并联电容滤波，输出端也接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路的稳定性很好，滤波电容最好采用漏电流较小的钽电容，如果采用电解电容，则电容量要比钽电容的容量增加10倍。电源模块硬件电路设计如图6所示。
图6电源模块硬件电路设计
1.9 键盘输入模块
本系统采用3*3的矩阵键盘实现按键的输入功能，9个按键分别位于3条行线和3条列线的交叉点上，利用软件端口扫描方式大大节约了I/O口线。
2 结论
本系统利用89C51丰富的内部资源，通过软件编程实现了对温度进行智能化电器控制。特别是采用了汉字液晶屏和语音播报模块的人性化设计大大提高了系统的实用性和可操作性。在智能家居及环境检测领域具有较高的实用价值。
参考文献：
[1]张毅刚，单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2004，1.
[2]郝红伟、潘潮，单片机与嵌入式系统应用，2002，4.
[3]鲍超，信息检测技术[M].浙江：浙江大学出版社，2002，9.
[4]钱浚霞、郑坚立，光电检测技术[M].北京：机械工业出版社，1993，151-214.
[5]单成祥，传感器的理论与设计基础及其应用[M].北京：国防工业出版社，1999，414.
[6]吴兴惠、王彩君，传感器与信号处理[M].北京：电子工业出版社，1998，167-171.
作者简介：
冯晓江（1957-），高级工程师，黑龙江省佳木斯职教集团；冯时（1983-），
助理工程师，福建省厦门市蒙发利电子有限公司。