倉庫溫度的監(jiān)測系統(tǒng).

1、www.sf-盛方單片機第一章 緒論1. 1 選題背景防爆是倉庫日常工作的重要內(nèi)容，是衡量倉庫管理質(zhì)量的重要指標。它直接影 響到儲備物資的使用壽命和工作可靠性。 為保證日常工作的順利進行，首要問題是加 強倉庫內(nèi)溫度的監(jiān)測工作。但傳統(tǒng)的方法是用雙金屬式測量計等測試器材，通過人工 進行檢測，對不符合溫度要求的庫房進行降溫等工作。這種人工測試方法費時費力、 效率低，且測試的溫度誤差大，隨機性大。因此我們需要一種造價低廉、使用方便且 測量準確的溫度測量儀。1. 2設計過程及工藝要求、基本功能檢測溫度顯示溫度過限報警、主要技術參數(shù)溫度檢測范圍：測量精度： 顯示方式 :報警方式：-30 C -+50C-0

2、5C四位顯示三極管驅(qū)動的蜂鳴音報警20第二章方案的比較和論證當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號懂得輸入通道，由計算機拾取 必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，如何準確獲得被測信號是其核心任務； 而對測 控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)， 是測控系統(tǒng)的關鍵部件，如果沒有傳感器 對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。 工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程 中的各種參量，使設備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。2. 1溫度傳感器

3、的選擇方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化的特性制 成的測溫元件?，F(xiàn)應用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量 范圍大、便于遠距離測量。鉑的物理、化學性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強，易提純，復制性好，工業(yè)性好，電 阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測中高精密測溫和溫度標準。缺點是價格貴，溫 度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按IEC標準測溫范圍-200 650C，百度電阻比 W (100) =1.3850時，R0為100Q和10Q，其允許的測量誤差 A 級為 ( 0.15 C +0.002 |t), B 級為 ( 0.3 C +0.005 |

4、t)。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在 腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于 -50180C測溫。方案二：采用AD590，它的測溫范圍在-55T+150T之間，而且精度高。M 檔在測溫范圍內(nèi)非線形誤差為土 03C。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向 電壓，因而器件反接也不會損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無 需進行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡單。作為電流輸出型傳感器的 一個特點是，和電壓輸出型相比，它有很強的抗外界干擾能力。AD590的測量信號可遠傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統(tǒng)對于溫度 傳

5、感器的選擇。2. 2信號采集通道的選擇在本設計系統(tǒng)中，溫度輸入信號為 8路的模擬信號，這就需要多通道結(jié)構(gòu)。 方案一、采用多路并行模擬量輸入通道。這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點為：(1) 可以根據(jù)各輸入量測量的餓要求選擇不同性能檔次的器件。總體成本可以作得較低。（2）硬件復雜，故障率高。（3）軟件簡單，各通道可以獨立編程。方案二、采用多路分時的模擬量輸入通道。這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點為：（1）對ADC、S/H要求高。（2）處理速度慢。（3）硬件簡單，成本低。（4）軟件比較復雜。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統(tǒng)對于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡單的突出優(yōu)點，所以選擇方

6、案二作為信號的輸入通道。圖2-1多路并行模擬量輸入通道圖2-2多路分時的模擬量輸入通道第三章 系統(tǒng)總體設計本設計是基于單片機對數(shù)字信號的高敏感和可控性、溫度傳感器可以產(chǎn)生模擬信 號，和A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設計了以 8031基本系統(tǒng)為核心的一套檢測 系統(tǒng)，其中包括A/D轉(zhuǎn)換、單片機、復位電路、溫度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、 系統(tǒng)軟件等部分的設計。HS1100濕度檢測圖3-1系統(tǒng)總體框圖本設計由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的（二）信號分析由AD590、HS1100及多路開關 CD4051組成;由A/D轉(zhuǎn)換器MC14433、單片機8031基本系統(tǒng)組成;（三）信號處理由串行口

7、 LED顯示器和報警系統(tǒng)等組成3. 1 信號采集3. 1 . 1溫度傳感器集成溫度傳感器AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源一主要特性AD590是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分擋，AD590的后綴以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M - 般用于精密溫度測量電路，其電路外形如圖 3-2所示，它采用金屬殼3腳封裝, 其中1腳為電源正端V +; 2腳為電流輸出端I。； 3腳為管殼，一般不用。集成 溫度傳感器的電路符號如圖3-2所示。圖3-2 AD590外形（圖1）及電路符號（圖2）1、流過器件的電流（卩A）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫

8、度（開爾文）度數(shù)， 即：I t/T=1 卩 A /K式中：It流過器件（AD590）的電流，單位卩A。T熱力學溫度，單位K。2、AD590 的測溫范圍-55 C - +150 C。3、AD590的電源電壓范圍為4V-30V。電源電壓可在4V-6V范圍變化，電流It 變化1卩A,相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因 而器件反接也不會損壞。4、輸出電阻為710MQ。5、精度高。AD590共有I、J、K L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55 C+150C范圍內(nèi)，非線形誤差土 0.3 C。2 AD590的工作原理在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，把它和

9、530V的直流電源相連, 并在輸出端串接一個1kQ的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成 正比，此時電阻兩端將會有1mWK的電壓信號。其基本電路如圖3-3所示。主；曙詔胚甘的樟匕電谿圖3-3 AD590內(nèi)部核心電路圖3-3是利用 UBe特性的集成PN結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中 T1、T2 起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流 11和12相等；T3、T4是感溫用的 晶體管，兩個管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3實質(zhì)上是由n個晶體管并聯(lián)而成，因 而其結(jié)面積是T4的n倍。T3和T4的發(fā)射結(jié)電壓UBe3和 UBe4經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻 R上，所以R上端電壓為 UBe。因此，電流

10、11為：I 1= A LBe/R=( KT/q) (Inn )/R對于AD59Q n = 8,這樣，電路的總電流將與熱力學溫度 T成正比，將此電流引 至負載電阻R上便可得到與T成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出 信號不受電源電壓和導線電阻的影響。圖3中的電阻R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到1卩A/K的I值。? 4 和嚴師心円J也誹圖3-4 AD590內(nèi)部電路圖3-4所示是AD590的內(nèi)部電路，圖中的T1T4相當于圖3-3中的T1、T2,而 T9, T11相當于圖3-3中的T3、T4。R5 R6是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻，供 出廠前

11、調(diào)整之用。T7、T8, T10為對稱的 Wils on電路，用來提高阻抗。T5、T12和 T10為啟動電路，其中T5為恒定偏置二極管。T6可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。R1, R2為發(fā)射極反饋電阻，可用于進一步提高阻抗。T1T4是為熱效應而設計的連接防式。而C1和R4則可用來防止寄生振蕩。該電路的設計使得 T9, T10, T11三者的發(fā)射極電 流相等，并同為整個電路總電流I的1/3。T9和T11的發(fā)射結(jié)面積比為8: 1, T10 和T11的發(fā)射結(jié)面積相等。T9和T11的發(fā)射結(jié)電壓互相反極性串聯(lián)后加在電阻 R5和R6上,因此可以寫出：A LBe=( Rs 2 R5)

12、I /3R6上只有T9的發(fā)射極電流，而R5上除了來自T10的發(fā)射極電流外，還有來自 T11的發(fā)射極電流，所以R5上的壓降是R5的2/3。根據(jù)上式不難看出，要想改變 UBe,可以在調(diào)整R5后再調(diào)整R6,而增大R5的 效果和減小R6是一樣的，其結(jié)果都會使 UBe減小，不過，改變R5對 UBe的影響更 為顯著，因為它前面的系數(shù)較大。實際上就是利用激光修正 R5以進行粗調(diào)，修正R6 以實現(xiàn)細調(diào)，最終使其在250C之下使總電流I達到1卩A/ K。二. 基本應用電路圖3-8是AD590用于測量熱力學溫度的基本應用電路。因為流過AD590的電流與 熱力學溫度成正比，當電阻 R和電位器F2的電阻之和為1kQ時

13、，輸出電壓V0隨溫度 的變化為1mV/K但由于AD590的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應對電路進行調(diào) 整，調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器R，使V0=273.2+25=298.2(mV。但這樣調(diào)整只保證在0C或25E附近有較高的精度。圖3-5AD590應用電路三. 攝氏溫度測量電路如圖3-5所示，電位器R用于調(diào)整零點，R用于調(diào)整運放LF355的增益。調(diào)整方 法如下：在0C時調(diào)整使輸出0=0,然后在100C時調(diào)整R使V0=100mV如此反 復調(diào)整多次，直至0C時，V0=0mV 100C時V=100m為止。最后在室溫下進行校驗。 例如，若室溫為25T，那么V應為25mV冰水

14、混合物是0C環(huán)境，沸水為100C環(huán) 境。四. 多路檢測信號的實現(xiàn)本設計系統(tǒng)為八路的溫度信號采集，而MC14433僅為一路輸入，故采用CD4051組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖3-6所示T JO - - II-|1 r-圖3-6八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口3. 1 . 2多路開關多路開關，有稱“多路模擬轉(zhuǎn)換器”。多路開關通常有n個模擬量輸入通道和一 個公共的模擬輸入端，并通過地址線上不同的地址信號把 n個通道中任一通道輸入的 模擬信號輸出，實現(xiàn)有n線到一線的接通功能。反之，當模擬信號有公共輸出端輸入 時，作為信號分離器，實現(xiàn)了 1線到n線的分離功能。因此，多路開關通常是

15、一種 具有雙向能力的器件。在本設計中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號采集中將有兩個模擬量被 提取，這時選用多路開關就是很必要的。我選用的是 CD4051多路開關，它是一種單片、 C0MS 8通道開關。該芯片由 DTL/TTL-COM電平轉(zhuǎn)換器，帶有禁止端的8選1譯碼器輸入，分別加上控制的 8個 COM模擬開關TG組成。CD405啲內(nèi)部原理框圖如圖3-9所示。圖3-9、CD405啲內(nèi)部原理框圖圖中功能如下:通道線IN/OUT (4、2、5、1、12、15、14、13):該組引腳作為輸入時，可實現(xiàn)8選1功能，作為輸出時，可實現(xiàn)1分8功能。XC0M3):該引腳作為輸出時，貝U為公共輸出端；作為

16、輸入時，貝U為輸入端。A B C (11、10、9):地址引腳INH (6):禁止輸入引腳。若INH為高電平，則為禁止各通道和輸出端 OUT/IN接至； 若INH為低電平，則允許各通道按表 3-2關系和輸出段OUT/IN接通。VDd (16)和Vss(8): VDd為正電源輸入端，極限值為17V; Vss為負電源輸入端，極限值為-17V。Vgg(7);電平轉(zhuǎn)換器電源，通常接+5V或-5V。CD4051作為8選1功能時，若A、B、C均為邏輯“ 0” (INH=0)，則地址碼00013 經(jīng)譯碼后使輸出端 OUT/IN和通道0接通。其它情況下，輸出端OUT/IN輸出端OUT/IN 和各通道的接通關系

17、如下表3-2輸入狀態(tài)接通輸入狀態(tài)接通INHCBA通道INHCBA通道000000101500011011060010201117001131xxx均不顯示010043. 2信號分析與處理3. 2. 1 A/D 轉(zhuǎn)換一. A/D轉(zhuǎn)換器的特點為了把溫度、濕度檢測電路測出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送CPU處理，本系統(tǒng)選用了雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433，它精度高，分辨率達1/1999。由于MC14433 只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測的多路溫度與濕度信號輸入， 故選用多路選擇電子開關， 可輸入多路模擬量。MC14433 A/D 轉(zhuǎn)換器由于雙積分方法二次積分時間比較長，所以A/D轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比

18、較高；對周期信號變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能也比較好。目前，國內(nèi)外雙積分A/D轉(zhuǎn)換器集成電路芯片很多，大部分是用于數(shù)字測量儀器上。 常用的有3.5位雙積分A/D裝換器MC14433和4.5位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135 二.MC14433A/D轉(zhuǎn)換器件簡介MC14433是三位半雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu)點，其 缺點是轉(zhuǎn)換速率低，約1 10次/秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場合，例如，在低速數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。MC14433A/D轉(zhuǎn)換器與國內(nèi)產(chǎn)品5G14433完全相同，可 以互換。MC14433A/D轉(zhuǎn)換器的被轉(zhuǎn)換電壓量程為199.9mV或1.999V。轉(zhuǎn)換

19、完的數(shù)據(jù)以BCD 碼的形式分四次送出（最高位輸出內(nèi)容特殊，詳見表3-3） oQ0 Q3DS1 DS4圖3-10 MC14433A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部邏輯框圖圖3-11MC14433引腳圖MC14433的框圖（圖3-10）和引腳（圖3-11）功能說明 各引腳的功能如下：電源及共地端VDD :主工作電源+5V oVEE:VAG :VSS:模擬部分的負電源端，接-5V。 模擬地端。數(shù)字地端。基準電壓。VR :外界電阻及電容端積分電阻輸入端，VX=2V 時，R仁470? ； VX=200Mv時，R仁27K?。 積分電容輸入端。C1 一般為0.1尸。RI:C1:C01、C02:外界補償電容端，電容取值約 0

20、.1尸。R1/C1:R1與C1的公共端。CLKI、CLKO :外界振蕩器時鐘調(diào)節(jié)電阻 Rc，Rc一般取470 K?左右。轉(zhuǎn)換啟動/結(jié)束信號端EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，正脈沖有效。DU :啟動新的轉(zhuǎn)換，若DU與EOC相連，每當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動啟動新的轉(zhuǎn) 換。過量程信號輸出端/OR :當|Vx|?VR過量程/OR輸出低電平。位選通控制線DS4-DS1 :選擇個、十、百、千位，正脈沖有效DS1對應千位，DS4對應個位。每個選通脈沖寬度為 18個時鐘周期，兩個相應脈沖 之間間隔為2個時鐘周期。1/2CLK周期16400個時鐘脈沖周期EOC （最高位）1/2位2個時鐘脈沖周期JLDS118個時鐘

21、脈沖周期DS2DS3最低位 DS4圖3-12 MC14433選通脈沖時序圖BCD碼輸出線Q0-Q3: BCD碼輸出線。其中Q0為最低位，Q3為最高位。當DS2 DS3和 DS4選通期間，輸出三位完整的 BCD碼數(shù)，但在DS1選通期間，輸出端 Q0Q3 除了表示個位的0或1夕卜，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負極性和欠量程還是過量程其含意見表3-3表3-3、DS1選通時Q3Q0表示的結(jié)果Q3Q2Q1Q0表示結(jié)果1XX0千位數(shù)為00XX0千位數(shù)為1X1X0結(jié)果為正X0X0結(jié)果為負0XX1輸入過量程1XX1輸入欠由表可知Q3表示1/2位，Q3= “0”對應1,反之對應0。Q2表示極性，Q2= “ 1”為正極性，

22、反之為負極性。Q0= “ 1”表示超量程：當Q3= “0”時，表示過量程；當 Q3= “ 1”時，表示 欠量程；一. MC14433與8031單片機的接口設計由于MC14433的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是動態(tài)分時輸出的 BCD碼，Q0Q3HE DS1 DS4都不是總線式的。因此，MCS-51單片機只能通過并行I/O接口或擴展I/O接口 與其相連。對于8031單片機的應用系統(tǒng)來說，MC14433可以直接和其P1 口或擴展 I/O 口 8155/8255相連。下面是 MC14433與8031單片機P1 口直接相連的硬件接口， 接口電路如圖3-13所示圖3-13 MC14433與8031單片機P1 口直接相連

23、的硬件接口3. 2. 2 單片機8031為了設計此系統(tǒng)，我們采用了 8031單片機作為控制芯片，在前向通道中是一個 非電信號的電量采集過程。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經(jīng)過功率放大過 程，使信號放大，再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為計算機能識別的數(shù)字信號，再送入計算機系 統(tǒng)的相應端口。由于8031中無片內(nèi)ROM，且數(shù)據(jù)存儲器也不能滿足要求，經(jīng)擴展2762和6264 來達到存儲器的要求，其結(jié)果通過顯示器來進行顯示輸出。3. 2. 2. 1 8031 的片內(nèi)結(jié)構(gòu)8031是有8個部件組成，即CPU，時鐘電路，數(shù)據(jù)存儲器，并行口（ P0P3） 串行口，定時計數(shù)器和中斷系統(tǒng)，它們均由單一總線連接并被集成在一

24、塊半導體芯片 上，即組成了單片微型計算機，8031就是MCS-51系列單片機中的一種。I程序存慵器I |數(shù)據(jù)存需器|定吋計數(shù)髀8031時鐘井行時0 口.串石通信口圖3-14 8031基本組成CPU中央處理器：中央處理器是8031的核心，它的功能是產(chǎn)生控制信號，把數(shù)據(jù)從存儲器或輸入 口送到CPU或CPU數(shù)據(jù)寫入存儲器或送到輸出端口。 還可以對數(shù)據(jù)進行邏輯和算術 的運算。時鐘電路：8031內(nèi)部有一個頻率最大為12MHZ的時鐘電路，它為單片機產(chǎn)生時鐘序列，需 要外接石英晶體做振蕩器和微調(diào)電容。內(nèi)存：內(nèi)部存儲器可分做程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，但在8031中無片內(nèi)程序存儲器。定時/計數(shù)器：8031有兩個1

25、6位的定時/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設置成定時的方式 和計數(shù)的方式，但只能用其中的一個功能，以定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。并行I/O 口:MCS-51有四個8位的并行I/O 口，PO, P1, P2, P3,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出 串行口：它有一個全雙工的串行口，它可以實現(xiàn)計算機間或單片機同其它外設之間的通 信,該并行口功能較強，可以做為全雙工異步通訊的收發(fā)器也可以作為同步移位器用。中斷控制系統(tǒng):8031有五個中斷源，既外部中斷兩個，定時計數(shù)中斷兩個，串行中斷一個，全 部的中斷分為高和低的兩個輸出級。3. 2. 2. 2 8031 的引腳圖i 7FT1rlo5 跡213-15 803

26、1引腳圖8031的制作工藝為HMOS，采用40管腳雙列直插DIP封裝，引腳說明如下：VCC（40引腳）正常運行時提供電源。VSS（20引腳）接地。XTAL1 （ 19引腳）在單片機內(nèi)部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大器構(gòu) 成了片內(nèi)的震蕩器，可以提供單片機的時鐘信號，該引腳也是可以接外部的晶振的一 個引腳，如采用外部振蕩器時，對于 8031而言此引腳應該接地。XTAL2（ 18引腳）在內(nèi)部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當采用外部振蕩器 時，對MCS51系列該引腳接收外部震蕩信號，即把該信號直接接到內(nèi)部時鐘的輸入 端。RST/VPD （9引腳）在振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的電平將單

27、片 機復位，復位后應使此引腳電平保持不高于 0.5V的低電平以保證8031正常工作。在 掉電時，此引腳接備用電源 VDD，以保持RAM數(shù)據(jù)不丟失，當BVCC低于規(guī)定的 值時，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時，VPD就向內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器提供備用電源。ALE/PROG（30引腳）當8031訪問外部存儲器時，包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲 器，ALE9地址鎖存允許0輸入的脈沖的下沿用于鎖存16位地址的低8位，在不訪 問外部存儲器的時候，ALE仍有兩個周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的頻率的 1/6,在訪問外存儲器的是候，在兩個周期中，ALE只出現(xiàn)一次，ALE斷可驅(qū)動8個LS TTL負載，對于有片內(nèi)EPROM的

28、而言，在EPROM編程期間，此腳用于輸入編 程脈沖PROG。（ 29引腳）此腳輸出為 單片機內(nèi)訪問外部程序存儲器的讀選通信號，在讀取外部指令期間，PSEN非有兩次在每個周期有效，在此期間，每當訪問外部存儲 器時，兩個有效的PSEN非將不再出現(xiàn)，同樣這個引腳可驅(qū)動 8個LSTTL負載。1 /VPP（ 31引腳）當I保持高電平時，單片機訪問內(nèi)部存儲器，當 PC值超過 0FFFH時，將自動轉(zhuǎn)向片外存儲器。當I保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器， 對8031而言，此腳必須接地。P0，P1，P2，P3： 8031有四個并行口，在這四個并行口中，可以在任何一個輸 出數(shù)據(jù)，又可以從它們那得到數(shù)據(jù)，故它們都

29、是雙向的，每一個I/O 口內(nèi)部都有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，各成為 SFR中的一個，因此CPU 數(shù)據(jù)從并行I/O 口輸出時可以得到鎖存，數(shù)據(jù)輸入時可以得到緩沖，但他們在功能和 用途上的差異很大，P0和P2 口內(nèi)部均有個受控制器控制的二選一選擇電路，故它們 除可以用做通用I/O 口以外還具有特殊的功能，P0 口通常用做通用I/O 口為CPU傳 送數(shù)據(jù)，P2 口除了可以用做通用口以外，還具有第一功能，除P0 口以外其余三個都是準雙向口。8031有一個全雙工串行口，這個串行口既可以在程序下把CPU的8位并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位的從發(fā)送數(shù)據(jù)線發(fā)送出去，也可以把串行數(shù)據(jù)接受進來

30、變成并行數(shù)據(jù)給CPU，而且這種串行發(fā)送和接收可以單獨進行也可以同時進行。8031的串行發(fā)送和接收利用了 P3 口的第二功能，利用P3.1做串行數(shù)據(jù)接收線， 串行接口的電路結(jié)構(gòu)還包括了串行口控制寄存器 SCON，電源及波特率選擇寄存器 PCON和串行緩沖寄存器SBUF，他們都屬于SFR，PCON和SCON用于設置串行口 工作方式和確定數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，SBUF用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)起到緩沖的作用。3. 2. 2. 3 8031程序存儲器MCS-51系列單片機的內(nèi)部 ROM是不同的，8051有4K的ROM，而8751則是 4K光可擦寫EPROM，而我們所采用的8031則沒有片內(nèi)的ROM，但是無論那種型

31、 號的芯片都可以在片外擴展多達 64K的片外程序存儲器，外部程序存儲器擴展的大 小以滿足系統(tǒng)要求即可，或有特殊要求或為了以后升級方便采用大容量的片外程序存 儲器。當外接程序存儲器的時候，單片機通過P2 口和P0 口輸出16位的地址，即可尋址的外部程序存儲器單元的地址，使用 ALE作為低8位地址鎖存器信號，再由P0 口讀回指令的代碼，用PSEN非作為外部程序存儲器的選通信號。單片機有一個程序計數(shù)器PC，它始終存著CPU要讀取的機器碼的所在地址，單 片機工作時，PC自動加一，此時程序開始順序執(zhí)行，因為單片機程序訪問空間是64K，故需要16條地址線，當接“0”則8031在片外程序存儲器中讀取指令，此

32、 時片外程序存儲器從0000H開始編址，因為8031無片內(nèi)程序存儲器，故在此系統(tǒng)中 必須接地使CPU到外部ROM中去尋址。在程序存儲器中有六個單元有特定的含義：0000H單元：單片機復位后，PC=0000H即從此處開始執(zhí)行指令。0003H單元：外部中斷0入口地址。000BH單元：定時器0溢出中斷入口地址。0013H單元：外部中斷1入口地址。001BH單元：定時器溢出中斷入口地址。0023H單元：串行口中斷入口地址。使用時常在這些入口外安放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令， 使程序跳轉(zhuǎn)到擁護安排的中斷處 理程序的起始地址，或從 0000H外執(zhí)行一跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到用戶設計的初始程序入 口。3. 2. 2. 4 8

33、031數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器用于存放運算中間的結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存、緩沖、標志位、待測程序等功 能。片內(nèi)的128B的RAM地址為00H7FH,供用戶做RAM用，但是在這中間的前 32單元，00H仆H即引用地址尋址做用戶 RAM用，常常做工作寄存器區(qū)，分做四 組，每組由8個單元組成通用寄存器R0R7,任何時候都由其中一組作為當前工作 寄存器，通過RS0, RS1的內(nèi)容來決定選擇哪一個工作寄存器。低128字節(jié)中的20H2FH共16字節(jié)可用位尋址方式訪問各位，共 128個位地 址，30H7FH共80個單元為用戶RAM區(qū)，作堆?；驍?shù)據(jù)緩沖用，片內(nèi) RAM不夠 用時，須擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。此時單片機通過 P2

34、口和P0 口選出6位地址，使用 ALE作低8位的鎖存信號，再由P0 口寫入或讀出數(shù)據(jù)。寫時用一，讀時用卜丄做外 部數(shù)據(jù)存儲器的選通信號3. 2. 2. 5特殊功能寄存器 SFR8031有21個專用寄存器，他們是用來管理CPU和I/O 口以及內(nèi)部邏輯部件的， 在指令中專用寄存器是以存儲單元方式被讀寫的，專用寄存器雖有名稱，但尋址時都做專用寄存器用，它們的地址是與片內(nèi) RAM的地址相連的。下面就專用寄存器作以 簡單的介紹：累加器A :在絕大多數(shù)情況下它參與運算的一方并存放運算的結(jié)果。寄存器B:進行乘除運算時，寄存器B有特定的用途，在乘時存放一個乘數(shù)以及 積的最高位，A中存放另一個乘數(shù)以及積的低位。

35、除法時， B中存放除數(shù)及余數(shù)，而 在A中存放被除數(shù)和商，其他情況可作為普通寄存器用。堆棧指針SP：在子程序調(diào)用或中斷時，用來暫存數(shù)據(jù)和地址，它按先進后出的 原則存儲數(shù)據(jù)，它是一個八位寄存器它指出堆棧頂部在片內(nèi)RAM中的位置，系統(tǒng)復位后，SP變成07H，使堆棧從00單元開始。；數(shù)據(jù)指針DPTR：由兩個字節(jié)組成，DPH字地址由83H，DPL由82H，存放一 個16位的二進制數(shù)做地址用。程序狀態(tài)字PSW：七位用來表征各種標志，另一位無意義。C AC FO RS1 RS0 OV - PC:進位標志位，用于表示加減運算時最高位有無進位和借位，在加法運算中， 若累加器最高位有進位則 CY=1，否則CY=0

36、，在減法時則有借位CY=1，否則CY=0， 在執(zhí)行算術邏輯運算時可以被硬件或軟件置位或清除，CPU在進行移位操作也會影響該位。AC :當進行加法或減法運算時并產(chǎn)生由低四位向高四位的進位或借位時，AC置1,否則清0。若AC=0時則在加減過程中A3沒有向A4進位或借位，否則正好相反。F0： F0常不是由機器來指令執(zhí)行中形成的，而是用戶根據(jù)程序的需要進行設置 的，這個位一經(jīng)確定就可通過軟件測試來決定用戶程序的流向。RS1，RS0: 8031有四個8位工作寄存器 R0R7,用戶可以改變 RS1和RS0的 狀態(tài)來決定R0R7的物理地址OV :用以指示運算是否發(fā)生溢出，由機器執(zhí)行指令自動形成，若機器在執(zhí)行

37、指 令過程中累加器A超過8位，則0V=1否則為0。P:用來來表示累加器 A中的值為1的二進制位的奇偶數(shù)，若 1的個數(shù)為奇 數(shù)P=1，為偶數(shù)P=0o在串行通信中常用奇偶校驗數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果的正確性。3. 2. 2. 6工作方式它的工作方式可以分做復位，掉電和低功耗方式等。一、復位方式當MCS-5I系列單片機的復位引腳 RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機器周期以上的高 電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。根據(jù)應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。 上電復位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復位操作。常用的上電復位電路如圖(3-15a)中左圖

38、所示。圖中電容 C1和電阻R1對電源十5V來說構(gòu)成微分電路。上電后，保持RST 一段高電平時間，由于單片機內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1,也能達到上電復位的操作功能，如圖(3-15a)中所示。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。常用的上電 或開關復位電路如圖(3-15b)所示。上電后，由于電容 C3的充電和反相門的作用， 使RST持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵K后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關復位的操作。電阻參考值。根據(jù)實際操作的經(jīng)驗，下面給出這兩種復位電路的電容、土電復墳電路

39、“e0R= 2血MTton(b)上電理幵JULti電路審片機的復位電歸圖3-16單片機的復位電路圖(3-16a)中：Cl = 10-30uF，R1= 1kO圖(3-16b)中：C:= 1uF，Rl = lkO，R2= 10kO、掉電和低功耗方式人們往往在程序運行中系統(tǒng)發(fā)生掉電的故障， 使RAM和寄存器中的數(shù)據(jù)內(nèi)容丟 失，使人們丟失珍貴的數(shù)據(jù)而束手無策，8031有掉電保護，是先把有用的數(shù)據(jù)保存， 再用備用電源進行供電。3. 2. 3 存儲器的設計在8031芯片的外圍電路中必須對其進行程序存儲器的擴展，和根據(jù)系統(tǒng)的需要 對其進行數(shù)據(jù)存儲器的擴展。8031對程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器均可進行0000HF

40、FFFH的64K字節(jié)地址內(nèi)容的有效尋址。在前面我們已經(jīng)講過8031外擴展存儲器時， P2作高位的地址輸出，P0作低位地址輸出和數(shù)據(jù)線。一、程序存儲器的擴展由于8031無內(nèi)部ROM ，故擴展的程序存儲器地址為0000HFFFFH，考慮系 統(tǒng)的需要，我們將8031的程序存儲器擴展為4K EPROM，采用2764作為ROM芯片。程序存儲器擴展的容量大于256字節(jié)，故EPROM片內(nèi)地址線除了由P0 口經(jīng)地 址存儲器提供低8位地址外，還需要由P2 口提供若干條地址線，我們選用8K的2764 EPROM,故地址線應該是13條，因為系統(tǒng)中只擴展一片EPROM，所以不用片選信 號，即EPROM的一接地。在程序

41、擴展中，我們選用的地址鎖存器是 74LS373當三態(tài)門的L二為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許Q端輸出，否則L二為高電 平，輸出為三態(tài)門斷開，輸出端對外電路呈高阻態(tài)，所以在這里 L二為低電平，這時當 G端為高電平時，鎖存器輸出和輸入的狀態(tài)是相同的，當 G由高電平下落為低電平 時，輸入端1D8D的數(shù)據(jù)鎖入1Q8Q中。當2764處于讀方式下L二和匚均為低電平有效。當 VPP=+5V時，EPROM處于讀 工作方式：這時由給定地址信號決定被選中存儲器單元信息。被讀出到數(shù)據(jù)輸出端 D0D7上。維持方式：當匚為高電平時，VPP為+5V，EPROM處于低功耗方式， 輸出端均為高阻態(tài)，這與L二輸入無關。編程

42、方式：在 VPP加上+25V編程電源并在5 和地端跨接一個0.1uf的電容以干擾電壓的瞬間對 2764進入編程方式，被編程的 8 位數(shù)據(jù)以并行方式送到數(shù)據(jù)輸出斷編程校驗。2764與8031的連接如圖3-17所示- 二丄二一圖3-16程序存儲器的擴展在選用芯片擴展的同時要考慮滿足系統(tǒng)的要求的前提下，使電路簡化，盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片組合的數(shù)量，在芯片型號的選擇上選用滿足應用環(huán)境要求 的芯片型號。二、數(shù)據(jù)存儲器的擴展在單片機中有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。但往往在系統(tǒng)的要求下片內(nèi) RAM不能滿 足要求，用戶只有選擇擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器，以進行存儲系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的要求。我們

43、采用 8K靜態(tài)RAM6264進行擴展。與動態(tài)RAM相比， 靜態(tài)RAM無須考慮保持數(shù)據(jù)而刷新電路，所以擴展電路較為簡單且能滿足系統(tǒng)的要 求。6264是8K*8位的靜態(tài)隨機存儲器芯片。它采用CMOS工藝制作，單一的+5V電源供電，額定功耗是200mW,典型存取 時間200ms,為28線雙列直插封裝。數(shù)據(jù)存儲器的擴展與程序存儲器的擴展類似，讀寫控制信號與8031的帀.和*相連。P0 口通過74LS373與A0A7相連，P2.0P2.4與A8A12相連，P2.7與一丄相連，P0 口與D0D7相連作為數(shù)據(jù)線，同時 CE2接+5V電源，GND接地。如圖3-18:所 示：www.sf-盛方單片機3 11 5

44、1 41 91 89P10P00P11P01P12P02P13P03P14P04P15P05,P16P06.P17P07INT 1P20INT 0P21P22,T1P23T0P24P25.EA/VPP26P27.X1,X2.RE SETRXDTXDRD-WRAL E/P_PSE N803 12921221 71 625761234563931 0384935334L S37 3I65427281 :仁A25242123T222726201011R?1 KD0Q0D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7OEL E1.A0D0,A1D1A2D2A3D3A4D4A5D5,A6D6,A

45、7D7A8,A9,A1 0,A1 1,A1 2,OE,WE,CS2.csT6 2641112131516171819v cc圖3-18數(shù)據(jù)存儲器的擴展3. 2. 4數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護單片機系統(tǒng)內(nèi)的RAM數(shù)據(jù)是非常容易丟失的，特別是一些珍貴的科研數(shù)據(jù)，一 旦丟失后果不堪設想，因此掉電保護是必須要做的，一旦電源發(fā)生掉電現(xiàn)象，在掉電 的瞬間系統(tǒng)能自動保護RAM中的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當電源恢復正常供電后能 恢復到掉電前的工作狀態(tài)。3. 2. 5 系統(tǒng)時鐘的設計時鐘電路是用來產(chǎn)生8031單片機工作時所必須的時鐘信號，8031本身就是一個 復雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現(xiàn)，8031在唯一的時

46、鐘信號的控制下嚴格的按時序執(zhí)行指令進行工作，時鐘的頻率影響單片機的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘 由于兩種形式：內(nèi)部時鐘和外部時鐘。我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號。 8031內(nèi)部有一個用于構(gòu)成 振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為 XTAL1和XTAL2，它們跨 接在晶體振蕩器和用于微調(diào)的電容，便構(gòu)成了一個自激勵振蕩器電路中的C1、C2的選擇在30PF左右，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性 和快速性。晶振頻率為在1.2MHZ12MHZ之間，頻率越高單片機的速度就越快， 但對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的NP0電容，采用的晶振頻率為12MHZ 0圖

47、3-19系統(tǒng)時鐘3. 3顯示與報警的設計3. 3. 1顯示電路在單片機應用系統(tǒng)設計中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。本設計是利 用8031的串行口實現(xiàn)鍵盤/顯示器接口。當8031的串行口未作它用時，使用8031的串行口來外擴鍵盤/顯示器。應用8031 的串行口方式0的輸出方式，在串行口外接移位寄存器 74LS164,構(gòu)成鍵盤/顯示器 接口，其硬件接口電路如圖3-20所示：圖3-20鍵盤及顯示與主機的硬件接口圖中下邊的8個74LS164: 74LS164 (0)74LS164 (7)作為8位段碼輸出口,74LS138的丫0作為鍵輸入線，丫2作為同步脈沖輸出控制線。這種靜態(tài)顯示方式亮度 大，很容易作到顯示不閃爍。靜態(tài)顯示的優(yōu)點是 CPU不必頻繁的為顯示服務，因而 主程序可不必掃描顯示器，軟件設計比較簡單，從而使單片機有更多的時間處理其他 事務。3. 3. 2報警電路在微型計算機控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都 設有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計 算機采集的數(shù)據(jù)或記過計算機進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進行報警，否則就作為采 樣的正常值，進行顯示和控制。本設計采用峰鳴音報警電路。峰鳴音