基于SC89F516單片機(jī)的熱源自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

1.方案設(shè)計(jì)、比較與論證

1.1傳感器的選擇

方案一：為了達(dá)到實(shí)現(xiàn)跟蹤熱源的功能，使用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度采集，在通過(guò)51單片機(jī)進(jìn)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(jìn)行比較。超過(guò)單片機(jī)就執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作。該方案具有硬件電路簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但是成本很高，而且程序編寫(xiě)復(fù)雜，DS18B20的極限溫度為125度非常容易燒壞，無(wú)法實(shí)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(jìn)行熱源的跟蹤。通過(guò)熱敏電阻變化導(dǎo)致電壓變化，AD芯片將電壓模擬量裝換為數(shù)字量，通過(guò)單片機(jī)讀取數(shù)字量從而執(zhí)行相關(guān)的程序，控制步進(jìn)電機(jī)。該方案雖然可行，可是AD之前的電信號(hào)處理電路相對(duì)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(jìn)行電信號(hào)的采集處理，通過(guò)SC89F516單片機(jī)進(jìn)行高低電平的判斷，通過(guò)編程控制廉價(jià)、低功耗、驅(qū)動(dòng)電流大的芯片ULN2803實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)熱源的自動(dòng)搜索。該方案具有成本低、功耗小、結(jié)構(gòu)架設(shè)簡(jiǎn)單、程序編寫(xiě)方便等優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過(guò)多方面的測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)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(jī)，STC89C52單片機(jī)是由ST公司推出的8位單片機(jī)。該單片機(jī)具有程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)器。但是其內(nèi)存太小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較大程序的運(yùn)行。本項(xiàng)目要求程序的加密，該單片機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。故不予采用。

方案二：采用STM32C8T6單片機(jī)，STM32C8T6單片機(jī)是目前較為高端的單片機(jī)，該單片機(jī)具有強(qiáng)大的功能，內(nèi)設(shè)豐富，是一款32位的單片機(jī)，采用cortex M3內(nèi)核，時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，在同類(lèi)的32位機(jī)中功耗是最小的。由于功能強(qiáng)大其編程也相對(duì)的復(fù)雜。而且成本相對(duì)較高，很難實(shí)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(jī)，該單片機(jī)是一款高速高效的8位單片機(jī)，該單片機(jī)兼容了傳統(tǒng)51單片機(jī)的所有優(yōu)勢(shì)，單片機(jī)內(nèi)含有ADC、SPI模塊等。是一款性?xún)r(jià)比相當(dāng)高的單片機(jī)。該單片機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)程序的防破解堵漏洞的功能。也是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)所在。

經(jīng)過(guò)比較方案三是最佳選擇。

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊組成，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的功能。



2.2模塊電路的說(shuō)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(gè)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(jìn)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(jìn)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(cè)距離，方便硬件調(diào)試。

B.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：該電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用了ULN2803，該芯片內(nèi)部集成了8個(gè)達(dá)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(jī)進(jìn)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(shí)可以使用外部的大電流。使系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。



C.單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊：



SC89F51單片機(jī)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(jī)工作的最基本方式。我們?cè)倬幊虝r(shí)采用外部晶振，有方便替換的有點(diǎn)。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(xiě)。

3.相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

由于要使熱敏電阻的靈敏度達(dá)到最大，就必須計(jì)算出其最佳的串聯(lián)電阻。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式當(dāng)固值電阻R=時(shí)其功率最大。（其R1為熱電阻熱R2為冷電阻）。經(jīng)過(guò)多次的測(cè)量得到熱敏電阻在常溫下阻值平均為10K，在37度時(shí)為平均為9K，計(jì)算得到R=9.5K.

步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(yùn)行方式。步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱(chēng)整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱(chēng)半步）。這兩個(gè)概念清楚后，我們?cè)賮?lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，以基本步距角1.8°的步進(jìn)電機(jī)為例（現(xiàn)在市場(chǎng)上常規(guī)的二、四相混合式步進(jìn)電機(jī)基本步距角都是1.8°），四相八拍運(yùn)行方式下，每接收一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)過(guò)0.9°，如果每秒鐘接收400個(gè)脈沖，那么轉(zhuǎn)速為每秒400*0.9°=360°，相當(dāng)與每秒鐘轉(zhuǎn)一圈，每分鐘60轉(zhuǎn)。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1程序流程圖



4.2程序流程圖的說(shuō)明

該流程圖設(shè)計(jì)是按照，項(xiàng)目所需的功能實(shí)現(xiàn)的，其中有邏輯電平的判斷以及電機(jī)執(zhí)行機(jī)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(cè)試結(jié)果

5.1測(cè)試儀器：萬(wàn)用表、數(shù)字示波器

5.2測(cè)試方法：

首先進(jìn)行的是傳感器模塊的測(cè)試，在靠近熱源時(shí)，測(cè)量LM393的引腳電平的高低。在測(cè)試時(shí)如果未能達(dá)到相應(yīng)引腳電平的變化那么就必須通過(guò)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(cè)量結(jié)果如下：



6.總結(jié)

由測(cè)試結(jié)果知道，本設(shè)計(jì)完成了該項(xiàng)目所需的全部基本要求。