基于SC89F516單片機的熱源自動跟蹤系統(tǒng)分析

1.方案設(shè)計、比較與論證

1.1傳感器的選擇

方案一：為了達到實現(xiàn)跟蹤熱源的功能，使用溫度傳感器DS18B20進行實時的溫度采集，在通過51單片機進行讀取內(nèi)部寄存器的值，將讀出的溫度與設(shè)定的溫度進行比較。超過單片機就執(zhí)行相關(guān)的動作。該方案具有硬件電路簡單的優(yōu)勢，但是成本很高，而且程序編寫復(fù)雜，DS18B20的極限溫度為125度非常容易燒壞，無法實現(xiàn)相關(guān)的功能。

方案二：采用熱敏電阻與及AD轉(zhuǎn)換芯片進行熱源的跟蹤。通過熱敏電阻變化導致電壓變化，AD芯片將電壓模擬量裝換為數(shù)字量，通過單片機讀取數(shù)字量從而執(zhí)行相關(guān)的程序，控制步進電機。該方案雖然可行，可是AD之前的電信號處理電路相對較復(fù)雜，而且成本較高。所以放棄使用該方案。

方案三：使用熱敏電阻以及雙電壓比較器LM393進行電信號的采集處理，通過SC89F516單片機進行高低電平的判斷，通過編程控制廉價、低功耗、驅(qū)動電流大的芯片ULN2803實現(xiàn)對步進電機的控制，從而實現(xiàn)熱源的自動搜索。該方案具有成本低、功耗小、結(jié)構(gòu)架設(shè)簡單、程序編寫方便等優(yōu)勢。

經(jīng)過多方面的測試以及實驗我們采用方案三作為最終方案。

1.2主控制芯片的選擇

方案一：采用STC89C52單片機，STC89C52單片機是由ST公司推出的8位單片機。該單片機具有程序編寫簡單價格低廉等優(yōu)勢，內(nèi)有高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。但是其內(nèi)存太小，無法實現(xiàn)較大程序的運行。本項目要求程序的加密，該單片機無法實現(xiàn)。故不予采用。

方案二：采用STM32C8T6單片機，STM32C8T6單片機是目前較為高端的單片機，該單片機具有強大的功能，內(nèi)設(shè)豐富，是一款32位的單片機，采用cortex M3內(nèi)核，時鐘頻率達到72MHz，在同類的32位機中功耗是最小的。由于功能強大其編程也相對的復(fù)雜。而且成本相對較高，很難實現(xiàn)程序防破解、堵漏洞的功能。

方案三：采用深圳華聯(lián)公司生產(chǎn)的SC89F516單片機，該單片機是一款高速高效的8位單片機，該單片機兼容了傳統(tǒng)51單片機的所有優(yōu)勢，單片機內(nèi)含有ADC、SPI模塊等。是一款性價比相當高的單片機。該單片機最大的優(yōu)勢在于實現(xiàn)程序的防破解堵漏洞的功能。也是本項目設(shè)計的亮點所在。

經(jīng)過比較方案三是最佳選擇。

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1總體構(gòu)架框圖如下

總體模塊由熱敏電阻模塊、LM393模塊、電機驅(qū)動模塊、單片機最小系統(tǒng)模塊組成，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的功能。

2.2模塊電路的說明如下：

A.比較器模塊：

該模塊采用了通用電壓比較器LM393，由于其線性度好。是由兩個集成的高精度電壓比較器。失調(diào)電壓最低為2.0mv，具有低功耗的特性?？梢詼p少由于溫漂引起的失調(diào)電壓。輸入共模電壓接近地電平。模塊中熱敏電阻與固值電阻進行串聯(lián)分壓，將其電壓加到比較器的反向輸入端。其同向輸入端由電位器進行分壓，采用該方式的好處是系統(tǒng)傳感部分的靈敏度可調(diào)?？梢愿淖儌鞲衅鞯奶綔y距離，方便硬件調(diào)試。

B.電機驅(qū)動模塊：該電機驅(qū)動模塊采用了ULN2803，該芯片內(nèi)部集成了8個達林頓管，可以承載較大的電壓、電流。芯片非常適合邏輯電平接口電路，故我們使用單片機進行邏輯電平的輸出是較理想的。模塊預(yù)留了外部供電的端口，必要時可以使用外部的大電流。使系統(tǒng)穩(wěn)定的運行。

C.單片機最小系統(tǒng)模塊：

SC89F51單片機最小系統(tǒng)由主控芯片、復(fù)位電路、晶振電路組成。這三種電路是單片機工作的最基本方式。我們再編程時采用外部晶振，有方便替換的有點。使用上電復(fù)位目的是為了使用方便。我們將串行發(fā)送口RXD以及串行接收口TXD端口引出，其目的在于方便程序的燒寫。

3.相關(guān)參數(shù)的計算

由于要使熱敏電阻的靈敏度達到最大，就必須計算出其最佳的串聯(lián)電阻。依據(jù)經(jīng)驗公式當固值電阻R=時其功率最大。(其R1為熱電阻熱R2為冷電阻)。經(jīng)過多次的測量得到熱敏電阻在常溫下阻值平均為10K，在37度時為平均為9K，計算得到R=9.5K.

步進電機旋轉(zhuǎn)角度的計算。由于步進電機的轉(zhuǎn)動時靠電平一步一步執(zhí)行的。其工作方式有A-B-C-D和A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A等幾種節(jié)拍的運行方式。步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度(轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù))，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/(50*4)=1.8度(俗稱整步)，八拍運行時步距角為θ=360度/(50*8)=0.9度(俗稱半步)。這兩個概念清楚后，我們再來計算轉(zhuǎn)速，以基本步距角1.8°的步進電機為例(現(xiàn)在市場上常規(guī)的二、四相混合式步進電機基本步距角都是1.8°)，四相八拍運行方式下，每接收一個脈沖信號，轉(zhuǎn)過0.9°，如果每秒鐘接收400個脈沖，那么轉(zhuǎn)速為每秒400*0.9°=360°，相當與每秒鐘轉(zhuǎn)一圈，每分鐘60轉(zhuǎn)。

4.軟件設(shè)計

4.1程序流程圖

4.2程序流程圖的說明

該流程圖設(shè)計是按照，項目所需的功能實現(xiàn)的，其中有邏輯電平的判斷以及電機執(zhí)行機構(gòu)的電平輸出。全面考慮了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的疏漏。在防破解方面也作出了許多方面的算法考慮。

5.系統(tǒng)測試結(jié)果

5.1測試儀器：萬用表、數(shù)字示波器

5.2測試方法：

首先進行的是傳感器模塊的測試，在靠近熱源時，測量LM393的引腳電平的高低。在測試時如果未能達到相應(yīng)引腳電平的變化那么就必須通過調(diào)節(jié)電位器，使LM393同向端與反向端的電壓最靠近。是系統(tǒng)的靈敏度最高。

測量結(jié)果如下：

6.總結(jié)

由測試結(jié)果知道，本設(shè)計完成了該項目所需的全部基本要求。