自動(dòng)加料機(jī)控制系統(tǒng)(單片機(jī)類)

自動(dòng)加料機(jī)控制系統(tǒng)(單片機(jī)類),自動(dòng),加料,控制系統(tǒng),單片機(jī) www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 盛方單片機(jī) 第一章 緒論 1. 1 選題背景 防潮、防霉、防腐、防爆是倉(cāng)庫(kù)日常工作的重要內(nèi)容，是衡量倉(cāng)庫(kù)管理質(zhì)量的重要指標(biāo)。它直接影響到儲(chǔ)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(jìn)行，首要問(wèn)題是加強(qiáng)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)溫度與濕度的監(jiān)測(cè)工作。但傳統(tǒng)的方法是用與濕度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測(cè)量計(jì)和濕度試紙等測(cè)試器材，通過(guò)人工進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不符合溫度和濕度要求的庫(kù)房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低，且測(cè)試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大。因此我們需要一種造價(jià)低廉、使用方便且測(cè)量準(zhǔn)確的溫濕度測(cè)量?jī)x。 1．2 設(shè)計(jì)過(guò)程及工藝要求 一、基本功能 ~ 檢測(cè)溫度、濕度 ~ 顯示溫度、濕度 ~ 過(guò)限報(bào)警 二、 主要技術(shù)參數(shù) ~ 溫度檢測(cè)范圍 ： -30℃-+50℃ ~ 測(cè)量精度 ： 0.5℃ ~ 濕度檢測(cè)范圍 ： 10%-100%RH ~ 檢測(cè)精度 ： 1%RH ~ 顯示方式 ： 溫度：四位顯示 濕度：四位顯示 ~ 報(bào)警方式 ： 三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴音報(bào)警 第二章 方案的比較和論證 當(dāng)將單片機(jī)用作測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)總要有被測(cè)信號(hào)懂得輸入通道，由計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確獲得被測(cè)信號(hào)是其核心任務(wù)；而對(duì)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)講，對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試和對(duì)控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。 傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始被測(cè)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測(cè)量和控制都將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化測(cè)量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來(lái)檢測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)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溫度傳感器的選擇 方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測(cè)溫元件?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點(diǎn)為精度高、測(cè)量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測(cè)量。 鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強(qiáng)，易提純，復(fù)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(cè)中高精密測(cè)溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價(jià)格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場(chǎng)影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按IEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫范圍-200～650℃，百度電阻比W（100）=1.3850時(shí)，R0為100Ω和10Ω，其允許的測(cè)量誤差A(yù)級(jí)為±（0.15℃+0.002 |t|），B級(jí)為±（0.3℃+0.005 |t|）。 銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價(jià)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-50～180℃測(cè)溫。 方案二：采用AD590，它的測(cè)溫范圍在-55℃～+150℃之間，而且精度高。M檔在測(cè)溫范圍內(nèi)非線形誤差為±0.3℃。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(huì)損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無(wú)需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡(jiǎn)單。作為電流輸出型傳感器的一個(gè)特點(diǎn)是，和電壓輸出型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。AD590的測(cè)量信號(hào)可遠(yuǎn)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(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于溫度傳感器的選擇。 2. 2 濕度傳感器的選擇 測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。 方案一：采用HOS-201濕敏傳感器。HOS-201濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流1V以下，頻率為50HZ～1KHZ，測(cè)量濕度范圍為0～100%RH，工作溫度范圍為0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）時(shí)為1MΩ。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測(cè)濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。 方案二：采用HS1100/HS1101濕度傳感器。HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。 相對(duì)濕度在1%---100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5S；溫度系數(shù)為0.04 pF/℃?？梢?jiàn)精度是較高的。 綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測(cè)量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對(duì)溫度-30～50℃的要求，因此，我們選擇方案二來(lái)作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。 2. 3 信號(hào)采集通道的選擇 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，溫度輸入信號(hào)為8路的模擬信號(hào)，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(diǎn)為： （1） 可以根據(jù)各輸入量測(cè)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(fù)雜，故障率高。 （3） 軟件簡(jiǎn)單，各通道可以獨(dú)立編程。 方案二、采用多路分時(shí)的模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為： （1） 對(duì)ADC、S/H要求高。 （2） 處理速度慢。 （3） 硬件簡(jiǎn)單，成本低。 （4） 軟件比較復(fù)雜。 綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡(jiǎn)單的突出優(yōu)點(diǎn)，所以選擇方案二作為信號(hào)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(shí)的模擬量輸入通道 第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號(hào)，和A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計(jì)了以8031基本系統(tǒng)為核心的一套檢測(cè)系統(tǒng)，其中包括A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。 圖3-1 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計(jì)由信號(hào)采集、信號(hào)分析和信號(hào)處理三個(gè)部分組成的。 （一） 信號(hào)采集 由AD590、HS1100及多路開關(guān)CD4051組成； （二） 信號(hào)分析 由A/D轉(zhuǎn)換器MC14433、單片機(jī)8031基本系統(tǒng)組成； （三） 信號(hào)處理 由串行口LED顯示器和報(bào)警系統(tǒng)等組成。 3．1 信號(hào)采集 3．1．1 溫度傳感器 集成溫度傳感器AD590 是美國(guó)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(guò)對(duì)電流的測(cè)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一般用于精密溫度測(cè)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I0；3腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號(hào)如圖3-2所示。 圖3-2 AD590外形（圖1）及電路符號(hào)（圖2） 1、流過(guò)器件的電流（μA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即： I T/T=1μA /K 式中：IT—— 流過(guò)器件（AD590）的電流，單位μA。 T——熱力學(xué)溫度，單位K。 2、 AD590的測(cè)溫范圍-55℃- +150℃。 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1μA，相當(dāng)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(huì)損壞。 4、輸出電阻為710MΩ。 5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線形誤差±0.3℃。 2 AD590的工作原理 　　在被測(cè)溫度一定時(shí)，AD590相當(dāng)于一個(gè)恒流源，把它和5～30V的直流電源相連，并在輸出端串接一個(gè)1kΩ的恒值電阻，那么，此電阻上流過(guò)的電流將和被測(cè)溫度成正比，此時(shí)電阻兩端將會(huì)有1mV／K的電壓信號(hào)。其基本電路如圖3-3所示。 圖3-3 AD590內(nèi)部核心電路 　　圖3-3是利用ΔUBE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I1和I2相等；T3、T4是感溫用的晶體管，兩個(gè)管的材質(zhì)和工藝完全相同，但T3實(shí)質(zhì)上是由n個(gè)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ΔUBE。因此，電流I1為： ?? ? I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R 　　對(duì)于AD590，n＝8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度T成正比，將此電流引至負(fù)載電阻RL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(hào)不受電源電壓和導(dǎo)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(zhǔn)溫度下可得到1μA／K的I值。 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T1～T4相當(dāng)于圖3-3中的T1、T2，而T9，T11相當(dāng)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，供出廠前調(diào)整之用。T7、T8，T10為對(duì)稱的Wilson電路，用來(lái)提高阻抗。T5、T12和T10為啟動(dòng)電路，其中T5為恒定偏置二極管。 　　T6可用來(lái)防止電源反接時(shí)損壞電路，同時(shí)也可使左右兩支路對(duì)稱。R1，R2為發(fā)射極反饋電阻，可用于進(jìn)一步提高阻抗。T1～T4是為熱效應(yīng)而設(shè)計(jì)的連接防式。而C1和R4則可用來(lái)防止寄生振蕩。該電路的設(shè)計(jì)使得T9，T10，T11三者的發(fā)射極電流相等，并同為整個(gè)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： ??? ΔUBE＝（R6－2 R5）I／3 　　R6上只有T9的發(fā)射極電流，而R5上除了來(lái)自T10的發(fā)射極電流外，還有來(lái)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?chǔ)BE，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(huì)使ΔUBE減小，不過(guò)，改變R5對(duì)ΔUBE的影響更為顯著，因?yàn)樗懊娴南禂?shù)較大。實(shí)際上就是利用激光修正R5以進(jìn)行粗調(diào)，修正R6以實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，最終使其在250℃之下使總電流I達(dá)到1μA／K。 二． 基本應(yīng)用電路 圖3-8是AD590用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^(guò)AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R2的電阻之和為1kΩ時(shí)，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(yīng)對(duì)電路進(jìn)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R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調(diào)整只保證在0℃或25℃附近有較高的精度。 圖3-5 　AD590應(yīng)用電路 三． 攝氏溫度測(cè)量電路 如圖3-5所示，電位器R2用于調(diào)整零點(diǎn)，R4用于調(diào)整運(yùn)放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0℃時(shí)調(diào)整R2，使輸出V0=0，然后在100℃時(shí)調(diào)整R4使V0=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0℃時(shí)，V0=0mV，100℃時(shí)V0=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為25℃，那么V0應(yīng)為25mV。冰水混合物是0℃環(huán)境，沸水為100℃環(huán)境。 四.多路檢測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為八路的溫度信號(hào)采集，而MC14433僅為一路輸入，故采用CD4051組成多路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路，其硬件接口如圖3-6所示 圖3-6八路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路硬件接口 3. 1. 2 濕度傳感器 測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。下面 介紹HS1100/HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。 一、特點(diǎn) 不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。 圖3-7a為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖3-7b為濕度-電容響應(yīng)曲線。 圖3-7a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍 圖3-7b、濕度-電容響應(yīng)曲線。 相對(duì)濕度在1%---100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5S；溫度系數(shù)為0.04 pF/℃?？梢?jiàn)精度是較高的。 二、濕度測(cè)量電路 HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)方與租蓉組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集 頻率輸出的555測(cè)量振蕩電路如圖3-7所示。集成定時(shí)器555芯片外接電阻R4、R2與濕敏電容C，構(gòu)成了對(duì)C的充電回路。7端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R3 是防止輸出短路的保護(hù)電阻，R1 用于平衡溫度系數(shù)。 圖3-7、頻率輸出的555振蕩電路 該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源Vs通過(guò)R4、R2 向C充電，經(jīng)t充電時(shí)間后，Uc達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約0.67Vs，此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò)R2放電，經(jīng)t放電時(shí)間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33Vs 此時(shí)輸出，此時(shí)輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此翻來(lái)覆去，形成方波輸出。其中，充放電時(shí)間為 t充電=C（R4+R2）Ln2 t放電=CR2 Ln2 因而，輸出的方波頻率為 f=1/(t放電+t充電)=1/[ C（R4+R2）Ln2] 可見(jiàn)，空氣濕度通過(guò)555測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)，表3-1給出了其中的一組典型測(cè)試值。 表3-1、空氣濕度與電壓頻率的典型值 三、多路檢測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為八路的濕度信號(hào)采集，故采用CD4051組成多路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路，其硬件接口如圖3-8所示 圖3-8八路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路硬件接口 3．1．3 多路開關(guān) 多路開關(guān)，有稱“多路模擬轉(zhuǎn)換器”。多路開關(guān)通常有n個(gè)模擬量輸入通道和一個(gè)公共的模擬輸入端，并通過(guò)地址線上不同的地址信號(hào)把n個(gè)通道中任一通道輸入的模擬信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)有n線到一線的接通功能。反之，當(dāng)模擬信號(hào)有公共輸出端輸入時(shí) ，作為信號(hào)分離器，實(shí)現(xiàn)了1線到n線的分離功能。因此，多路開關(guān)通常是一種具有雙向能力的器件。 在本設(shè)計(jì)中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號(hào)采集中將有兩個(gè)模擬量被提取，這時(shí)選用多路開關(guān)就是很必要的。 我選用的是CD4051多路開關(guān)，它是一種單片、COMS、8通道開關(guān)。該芯片由DTL/TTL-COMS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(gè)COMS模擬開關(guān)TG組成。CD4051的內(nèi)部原理框圖如圖3-9所示。 圖3-9、CD4051的內(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(shí)，可實(shí)現(xiàn)8選1功能，作為輸出時(shí)，可實(shí)現(xiàn)1分8功能。 XCOM（3）：該引腳作為輸出時(shí)，則為公共輸出端；作為輸入時(shí)，則為輸入端。 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(guān)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(fù)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(shí)，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(guān)系如下 表 3-2 輸入狀態(tài) 接通 通道 輸入狀態(tài) 接通 通道 INH C B A INH C B A 0 0 0 0 0 0 1 0 1 5 0 0 0 1 1 0 1 1 0 6 0 0 1 0 2 0 1 1 1 7 0 0 1 1 3 1 x x x 均不顯示 0 1 0 0 4 3．2 信號(hào)分析與處理 3．2．1 A/D轉(zhuǎn)換 一．A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn) 為了把溫度、濕度檢測(cè)電路測(cè)出的模擬信號(hào)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(dá)1/1999。由于MC14433只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測(cè)的多路溫度與濕度信號(hào)輸入，故選用多路選擇電子開關(guān)，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(shí)間比較長(zhǎng)，所以A/D轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對(duì)周期信號(hào)變化的干擾信號(hào)積分為零，抗干擾性能也比較好。 目前，國(guó)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(cè)量?jī)x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(jiǎn)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(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率低，約1—10次/秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)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(guó)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(jiàn)表3-3）。 圖3-10 MC14433A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部邏輯框圖 圖3-11 MC14433引腳圖 MC14433 的框圖（圖3-10）和引腳（圖3-11）功能說(shuō)明 各引腳的功能如下： 電源及共地端 VDD： 主工作電源+5V。 VEE: 模擬部分的負(fù)電源端，接-5V。 VAG： 模擬地端。 VSS： 數(shù)字地端。 VR： 基準(zhǔn)電壓。 外界電阻及電容端 RI： 積分電阻輸入端，VX=2V時(shí)，R1=470?；VX=200Mv時(shí)，R1=27K?。 C1： 積分電容輸入端。C1 一般為0.1μF。 C01、C02： 外界補(bǔ)償電容端，電容取值約0.1μF。 R1/C1： R1 與C1的公共端。 CLKI、CLKO ： 外界振蕩器時(shí)鐘調(diào)節(jié)電阻Rc，Rc一般取 470 K?左右。 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)/結(jié)束信號(hào)端 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，正脈沖有效。 DU： 啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換，若DU與EOC相連，每當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動(dòng)啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換。 過(guò)量程信號(hào)輸出端 /OR ： 當(dāng)|Vx|?VR，過(guò)量程/OR 輸出低電平。 位選通控制線 DS4----DS1： 選擇個(gè)、十、百、千位，正脈沖有效。 DS1 對(duì)應(yīng)千位，DS4 對(duì)應(yīng)個(gè)位。每個(gè)選通脈沖寬度為18個(gè)時(shí)鐘周期，兩個(gè)相應(yīng)脈沖之間間隔為2個(gè)時(shí)鐘周期。 圖3-12 MC14433選通脈沖時(shí)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(dāng)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Q0-------Q3 除了表示個(gè)位的0或1外，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負(fù)極性和欠量程還是過(guò)量程其含意見(jiàn)表3-3 表3-3、DS1選通時(shí)Q3～Q0表示的結(jié)果 由表可知Q3 表示1/2位，Q3=“0”對(duì)應(yīng)1，反之對(duì)應(yīng)0。 Q2 表示極性，Q2=“1”為正極性，反之為負(fù)極性。 Q0=“1”表示超量程：當(dāng)Q3=“0”時(shí)，表示過(guò)量程；當(dāng)Q3=“1”時(shí)，表示欠量程； 一． MC14433與8031單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) 由于MC14433的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出的BCD碼，Q0～Q3HE DS1～DS4都不是總線式的。因此，MCS-51單片機(jī)只能通過(guò)并行I/O接口或擴(kuò)展I/O接口與其相連。對(duì)于8031單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，MC14433可以直接和其P1口或擴(kuò)展I/O口8155/8255相連。下面是MC14433與8031單片機(jī)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(jī)P1口直接相連的硬件接口 3. 2. 2單片機(jī)8031 為了設(shè)計(jì)此系統(tǒng)，我們采用了8031單片機(jī)作為控制芯片，在前向通道中是一個(gè)非電信號(hào)的電量采集過(guò)程。它由傳感器采集非電信號(hào)，從傳感器出來(lái)經(jīng)過(guò)功率放大過(guò)程，使信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)端口。 由于8031中無(wú)片內(nèi)ROM，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也不能滿足要求，，經(jīng)擴(kuò)展2762和6264來(lái)達(dá)到存儲(chǔ)器的要求，其結(jié)果通過(guò)顯示器來(lái)進(jìn)行顯示輸出。 3. 2. 2. 1 8031的片內(nèi)結(jié)構(gòu) 8031是有8個(gè)部件組成，即CPU，時(shí)鐘電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并行口（P0～P3）串行口，定時(shí)計(jì)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塊半導(dǎo)體芯片上，即組成了單片微型計(jì)算機(jī)， 8031就是MCS-51系列單片機(jī)中的一種。 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(hào)，把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器或輸入口送到CPU或CPU數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器或送到輸出端口。還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯和算術(shù)的運(yùn)算。 時(shí)鐘電路： 8031內(nèi)部有一個(gè)頻率最大為12MHZ的時(shí)鐘電路，它為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)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(chǔ)器可分做程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，但在8031中無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 。 定時(shí)/計(jì)數(shù)器： 8031有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成定時(shí)的方式和計(jì)數(shù)的方式，但只能用其中的一個(gè)功能，以定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 并行I/O口： MCS-51有四個(gè)8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出。 串行口： 它有一個(gè)全雙工的串行口，它可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)間或單片機(jī)同其它外設(shè)之間的通信，該并行口功能較強(qiáng)，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(gè)中斷源，既外部中斷兩個(gè)，定時(shí)計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，串行中斷一個(gè)，全部的中斷分為高和低的兩個(gè)輸出級(jí)。 3. 2. 2. 2 8031的引腳圖 3-15 8031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(shuō)明如下： VCC（40引腳）正常運(yùn)行時(shí)提供電源。 VSS（20引腳）接地。 XTAL1（19引腳）在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)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(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，該引腳也是可以接外部的晶振的一個(gè)引腳，如采用外部振蕩器時(shí)，對(duì)于8031而言此引腳應(yīng)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(dāng)采用外部振蕩器時(shí)， 對(duì)MCS51系列該引腳接收外部震蕩信號(hào)，即把該信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘的輸入端。 RST/VPD（9引腳）在振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器周期的電平將單片機(jī)復(fù)位，復(fù)位后應(yīng)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(shí)，此引腳接備用電源VDD，以保持RAM數(shù)據(jù)不丟失，當(dāng)BVCC低于規(guī)定的值時(shí)，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時(shí)，VPD就向內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器提供備用電源。 ALE/PROG（30引腳）當(dāng)8031訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)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(wèn)外部存儲(chǔ)器的時(shí)候，ALE仍有兩個(gè)周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的頻率的1/6，在訪問(wèn)外存儲(chǔ)器的是候，在兩個(gè)周期中，ALE只出現(xiàn)一次，ALE斷可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS TTL負(fù)載，對(duì)于有片內(nèi)EPROM的而言，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(jī)內(nèi)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，在讀取外部指令期間， PSEN非有兩次在每個(gè)周期有效，在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，兩個(gè)有效的PSEN非將不再出現(xiàn)，同樣這個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。 /VPP（31引腳）當(dāng)保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器，當(dāng)PC值超過(guò)0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外存儲(chǔ)器。當(dāng)保持低電平時(shí)，則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，對(duì)8031而言，此腳必須接地。 P0，P1，P2，P3：8031有四個(gè)并行口，在這四個(gè)并行口中，可以在任何一個(gè)輸出數(shù)據(jù)，又可以從它們那得到數(shù)據(jù)，故它們都是雙向的，每一個(gè)I/O口內(nèi)部都有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，各成為SFR中的一個(gè)，因此CPU數(shù)據(jù)從并行I/O口輸出時(shí)可以得到鎖存，數(shù)據(jù)輸入時(shí)可以得到緩沖，但他們?cè)诠δ芎陀猛旧系牟町惡艽螅琍0和P2口內(nèi)部均有個(gè)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(gè)都是準(zhǔn)雙向口。 8031有一個(gè)全雙工串行口，這個(gè)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(jìn)來(lái)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(dú)進(jìn)行也可以同時(shí)進(jìn)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(shè)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(chǔ)器 MCS-51系列單片機(jī)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(méi)有片內(nèi)的ROM，但是無(wú)論那種型號(hào)的芯片都可以在片外擴(kuò)展多達(dá)64K的片外程序存儲(chǔ)器，外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展的大小以滿足系統(tǒng)要求即可，或有特殊要求或?yàn)榱艘院笊?jí)方便采用大容量的片外程序存儲(chǔ)器。當(dāng)外接程序存儲(chǔ)器的時(shí)候，單片機(jī)通過(guò)P2口和P0口輸出16位的地址，即可尋址的外部程序存儲(chǔ)器單元的地址，使用ALE作為低8位地址鎖存器信號(hào)，再由P0口讀回指令的代碼，用PSEN非作為外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 單片機(jī)有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器PC，它始終存著CPU要讀取的機(jī)器碼的所在地址，單片機(jī)工作時(shí)，PC自動(dòng)加一，此時(shí)程序開始順序執(zhí)行，因?yàn)閱纹瑱C(jī)程序 訪問(wèn)空間是64K，故需要16條地址線，當(dāng)接“0”則8031在片外程序存儲(chǔ)器中讀取指令，此時(shí)片外程序存儲(chǔ)器從0000H開始編址，因?yàn)?031無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)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(chǔ)器中有六個(gè)單元有特定的含義： 0000H單元：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)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(shí)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(shí)器溢出中斷入口地址。 0023H單元：串行口中斷入口地址。 使用時(shí)常在這些入口外安放一條絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到擁護(hù)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(shè)計(jì)的初始程序入口。 3. 2. 2. 4 8031數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放運(yùn)算中間的結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存、緩沖、標(biāo)志位、待測(cè)程序等功能。 片內(nèi)的128B的RAM地址為00H～7FH，供用戶做RAM用，但是在這中間的前32單元，00H～1FH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(gè)單元組成通用寄存器R0～R7，任何時(shí)候都由其中一組作為當(dāng)前工作寄存器，通過(guò)RS0，RS1的內(nèi)容來(lái)決定選擇哪一個(gè)工作寄存器。 低128字節(jié)中的20H～2FH共16字節(jié)可用位尋址方式訪問(wèn)各位，共128個(gè)位地址，30H～7FH共80個(gè)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(shí)，須擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。此時(shí)單片機(jī)通過(guò)P2口和P0口選出6位地址，使用ALE作低8位的鎖存信號(hào)，再由P0口寫入或讀出數(shù)據(jù)。寫時(shí)用，讀時(shí)用做外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選通信號(hào) 3. 2. 2. 5 特殊功能寄存器SFR 8031有21個(gè)專用寄存器，他們是用來(lái)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(chǔ)單元方式被讀寫的，專用寄存器雖有名稱，但尋址時(shí)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(jiǎn)單的介紹： 累加器A：在絕大多數(shù)情況下它參與運(yùn)算的一方并存放運(yùn)算的結(jié)果。 寄存器B：進(jìn)行乘除運(yùn)算時(shí)，寄存器B有特定的用途，在乘時(shí)存放一個(gè)乘數(shù)以及積的最高位，A中存放另一個(gè)乘數(shù)以及積的低位。除法時(shí)，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(shí)，用來(lái)暫存數(shù)據(jù)和地址，它按先進(jìn)后出的原則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它是一個(gè)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(fù)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(gè)字節(jié)組成，DPH字地址由83H，DPL由82H，存放一個(gè)16位的二進(jìn)制數(shù)做地址用。 程序狀態(tài)字PSW：七位用來(lái)表征各種標(biāo)志，另一位無(wú)意義。 C AC FO RS1 RS0 OV -- P C：進(jìn)位標(biāo)志位，用于表示加減運(yùn)算時(shí)最高位有無(wú)進(jìn)位和借位，在加法運(yùn)算中，若累加器最高位有進(jìn)位則CY=1，否則CY=0，在減法時(shí)則有借位CY=1，否則CY=0，在執(zhí)行算術(shù)邏輯運(yùn)算時(shí)可以被硬件或軟件置位或清除，CPU在進(jìn)行移位操作也會(huì)影響該位。 AC：當(dāng)進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時(shí)并產(chǎn)生由低四位向高四位的進(jìn)位或借位時(shí)，AC置1，否則清0。若AC=0時(shí)則在加減過(guò)程中A3沒(méi)有向A4進(jìn)位或借位，否則正好相反。 F0：F0常不是由機(jī)器來(lái)指令執(zhí)行中形成的，而是用戶根據(jù)程序的需要進(jìn)行設(shè)置的，這個(gè)位一經(jīng)確定就可通過(guò)軟件測(cè)試來(lái)決定用戶程序的流向。 RS1，RS0：8031有四個(gè)8位工作寄存器R0～R7，用戶可以改變RS1和RS0的狀態(tài)來(lái)決定R0～R7的物理地址。 OV：用以指示運(yùn)算是否發(fā)生溢出，由機(jī)器執(zhí)行指令自動(dòng)形成，若機(jī)器在執(zhí)行指令過(guò)程中累加器A超過(guò)8位，則OV=1否則為0。 P：用來(lái)來(lái)表示累加器A中的值為1的二進(jìn)制位的奇偶數(shù)，若‘1’的個(gè)數(shù)為奇數(shù)P=1，為偶數(shù)P=0。在串行通信中常用奇偶校驗(yàn)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(fù)位，掉電和低功耗方式等。 一、 復(fù)位方式 當(dāng)MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。 根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。常用的上電復(fù)位電路如圖 (3-15a)中左圖所示。圖中電容C1和電阻R1對(duì)電源十5V來(lái)說(shuō)構(gòu)成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時(shí)間，由于單片機(jī)內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1，也能達(dá)到上電復(fù)位的操作功能，如圖 (3-15a)中所示。上電或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，并且在單片機(jī)運(yùn)行期間，用開關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。常用的上電或開關(guān)復(fù)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(shí)間的高電平。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵K后松開，也能使RST為一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作。 根據(jù)實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)，下面給出這兩種復(fù)位電路的電容、電阻參考值。 圖3-16 單片機(jī)的復(fù)位電路 圖(3-16a)中：Cl＝10-30uF，R1＝1kO 圖(3-16b)中：C：＝1uF，Rl＝lkO，R2＝10kO 二、掉電和低功耗方式 人們往往在程序運(yùn)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(wú)策，8031有掉電保護(hù)，是先把有用的數(shù)據(jù)保存，再用備用電源進(jìn)行供電。 3. 2. 3存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì) 在8031芯片的外圍電路中必須對(duì)其進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，和根據(jù)系統(tǒng)的需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。8031對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均可進(jìn)行0000H～FFFFH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(guò)8031外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，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(chǔ)器的擴(kuò)展 由于8031無(wú)內(nèi)部ROM ，故擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器地址為0000H～FFFFH，考慮系統(tǒng)的需要，我們將8031的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為4K EPROM，采用2764作為ROM芯片。 程序存儲(chǔ)器擴(kuò)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(chǔ)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(yīng)該是13條，因?yàn)橄到y(tǒng)中只擴(kuò)展一片EPROM，所以不用片選信號(hào)，即EPROM 的接地。在程序擴(kuò)展中，我們選用的地址鎖存器是74LS373 當(dāng)三態(tài)門的為低電平時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許Q端輸出，否則為高電平，輸出為三態(tài)門斷開，輸出端對(duì)外電路呈高阻態(tài)，所以在這里為低電平，這時(shí)當(dāng)G端為高電平時(shí)，鎖存器輸出和輸入的狀態(tài)是相同的，當(dāng)G由高電平下落為低電平時(shí)，輸入端1D～8D的數(shù)據(jù)鎖入1Q～8Q中。 當(dāng)2764處于讀方式下和均為低電平有效。當(dāng)VPP=+5V時(shí)，EPROM處于讀工作方式：這時(shí)由給定地址信號(hào)決定被選中存儲(chǔ)器單元信息。被讀出到數(shù)據(jù)輸出端D0～D7上。維持方式：當(dāng)為高電平時(shí)，VPP為+5V，EPROM處于低功耗方式，輸出端均為高阻態(tài)，這與輸入無(wú)關(guān)。編程方式：在VPP加上+25V編程電源并在和地端跨接一個(gè)0.1uf的電容以干擾電壓的瞬間對(duì)2764進(jìn)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(yàn)。 2764與8031的連接如圖3-17所示 圖3-16 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 在選用芯片擴(kuò)展的同時(shí)要考慮滿足系統(tǒng)的要求的前提下，使電路簡(jiǎn)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(hào)的選擇上選用滿足應(yīng)用環(huán)境要求的芯片型號(hào)。二、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 在單片機(jī)中有128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以進(jìn)行存儲(chǔ)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求。我們采用8K靜態(tài)RAM6264進(jìn)行擴(kuò)展。與動(dòng)態(tài)RAM相比，靜態(tài)RAM無(wú)須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而刷新電路，所以擴(kuò)展電路較為簡(jiǎn)單且能滿足系統(tǒng)的要求。 6264是8K*8位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(shí)間200ms，為28線雙列直插封裝。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展與程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展類似，讀寫控制信號(hào)與8031的和相連。P0口通過(guò)74LS373與A0～A7相連，P2.0～P2.4與A8～A12相連，P2.7與相連，P0口與D0～D7相連作為數(shù)據(jù)線，同時(shí)CE2接+5V電源，GND接地。如圖3-18:所示： 圖3-18數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 3. 2. 4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的掉電保護(hù) 單片機(jī)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(shè)想，因此掉電保護(hù)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(dòng)保護(hù)RAM中的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)電源恢復(fù)正常供電后能恢復(fù)到掉電前的工作狀態(tài)。 3. 2. 5系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路是用來(lái)產(chǎn)生8031單片機(jī)工作時(shí)所必須的時(shí)鐘信號(hào)，8031本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為保證工作方式的實(shí)現(xiàn)，8031在唯一的時(shí)鐘信號(hào)的控制下嚴(yán)格的按時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作 ，時(shí)鐘的頻率影響單片機(jī)的速度和穩(wěn)定性。通常時(shí)鐘由于兩種形式：內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘。 我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式來(lái)為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)。8031內(nèi)部有一個(gè)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(gè)自激勵(lì)振蕩器 電路中的C1、C2的選擇在30PF左右，但電容太小會(huì)影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率為在1.2MHZ～12MHZ之間，頻率越高單片機(jī)的速度就越快，但對(duì)存儲(chǔ)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NPO電容，采用的晶振頻率為12MHZ。 圖3-19系統(tǒng)時(shí)鐘 3. 3 顯示與報(bào)警的設(shè)計(jì) 3. 3. 1 顯示電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。本設(shè)計(jì)是利用8031的串行口實(shí)現(xiàn)鍵盤/顯示器接口。 當(dāng)8031的串行口未作它用時(shí)，使用8031的串行口來(lái)外擴(kuò)鍵盤/顯示器。應(yīng)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(jī)的硬件接口 圖中下邊的8個(gè)74LS164：74LS164（0）～74LS164（7）作為8位段碼輸出口，74LS138的Y0作為鍵輸入線，Y2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(diǎn)是CPU不必頻繁的為顯示服務(wù)，因而主程序可不必掃描顯示器，軟件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，從而使單片機(jī)有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)。 3. 3. 2 報(bào)警電路 在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對(duì)于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報(bào)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(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)或記過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示和控制。 本設(shè)計(jì)采用峰鳴音報(bào)警電路。峰鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購(gòu)買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過(guò)MCS-51的1根口線經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動(dòng)，也可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)。在圖中，P3.2接晶體管基極輸入端。當(dāng)P3.2輸出高電平“1”時(shí)，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫；當(dāng)P3.2輸出低電平“0”時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。 圖3-21是一個(gè)簡(jiǎn)單的使用三極管驅(qū)動(dòng)的峰鳴音報(bào)警電路： 圖3-21 三極管驅(qū)動(dòng)的峰鳴音報(bào)警電路 本設(shè)計(jì)是為在溫濕度測(cè)量中對(duì)溫濕度的上下限超出是的提示報(bào)警，接口位于單片機(jī)AT89C51的P3.2口，但溫濕度過(guò)限時(shí)，P3.2口被置0，本系統(tǒng)開始工作。 第四章 軟件設(shè)計(jì) 溫度控制主程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下問(wèn)題：（1）鍵盤掃描、鍵碼識(shí)別和溫度顯示；（2）溫濕度采樣，數(shù)字濾波；（3）越限報(bào)警和處理；（5）溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換。通常，符合上述功能的溫度控制程序由主程序和T0中斷服務(wù)程序兩部分組成。 這里所需要注意的是標(biāo)度變換，下面簡(jiǎn)單的介紹一下標(biāo)度變換： 標(biāo)度變換： 目的是要把實(shí)際采樣的二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換成BCD形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區(qū)34H-3BH。對(duì)一般線性儀表來(lái)說(shuō)，標(biāo)度變換公式為： 式中：A0為一次測(cè)量?jī)x表的下限；Am為一次測(cè)量?jī)x表的上限；AX為實(shí)際測(cè)量值； N0為儀表下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；Nm為儀表上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；NX為測(cè)量所得數(shù)字量。 主程序流程圖： T0中斷流程圖： 溫度采樣子程序流程圖： 鍵掃描程序流程圖： 報(bào)警子程序流程圖： 結(jié)束語(yǔ) 參考文獻(xiàn) 1 張琳娜，劉武發(fā)．傳感檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用．中國(guó)計(jì)量出版社，1999 2 沈德金，陳粵初．MCS-51系列單片機(jī)接口電路與應(yīng)用程序?qū)嵗本┖娇蘸教齑髮W(xué)出版社,1990 3 胡漢才.單片機(jī)原理及接口技術(shù).清華大學(xué)出版社,1996 4 李志全等.智能儀表設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用.國(guó)防工業(yè)出版社,1998.6 5 何立民．MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京航空航天大學(xué)出版社，1990．1 6 李建民.單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.江漢大學(xué)學(xué)報(bào),1996.6 7 張毅剛、彭喜元、姜守達(dá)、喬立巖．新編MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)．哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.6 8 潘其光.常用測(cè)溫儀表技術(shù)問(wèn)答.國(guó)防工業(yè)出版社,1989 9 楊世成.信號(hào)放大電路.電子工業(yè)出版社,1995 10 高光天.儀表放大器應(yīng)用.科學(xué)出版社,1995 11 潘立民,王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).人民郵電出版社,1990 12 邵敏權(quán),劉剛.單片機(jī)原理實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用.吉林科學(xué)技術(shù)出版社,1995.1 13 陳汝全.實(shí)用微機(jī)與單片機(jī)控制技術(shù).電子科技大學(xué)出版社,1995.7 14 王森.儀表使用數(shù)據(jù)手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社,1998.7 15 李華. MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版,1993 16 何希才,虹敏.傳感器應(yīng)用接口電路.機(jī)械工業(yè)出版社,1997年 17 楊中華、汪蕙、劉潤(rùn)生.模擬集成電路的自動(dòng)綜合方法.科學(xué)出版，1999 18 ＜美＞M考夫曼、AH塞德.電子計(jì)算手冊(cè).國(guó)防工業(yè)出版社，1985 19劉篤仁、韓保君.傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)。機(jī)械工業(yè)出版社，2003.8 20 于微波、林曉梅、劉俊萍.微型機(jī)算計(jì)控制系統(tǒng).吉林人民出版社，2002.5 21 童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)。高等教育出版社，2001 22 楊振江等.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社，2001.12 23 周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社，1991.8 24王毅.單片機(jī)器件應(yīng)用手冊(cè).人民郵電出版社,1994 25 ＜美＞M考夫曼、AH塞德.電子計(jì)算手冊(cè).國(guó)防工業(yè)出版社，1985 26 楊振江等.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社，2001.12 附錄A 程序清單 主程序 34