基于单片机的粉尘检测仪控制电路

PAGEIVPAGEIII基于单片机的粉尘检测仪控制电路摘要随着现代工业的发展，工业化水平的提高，人们的生活和工作有了很多便利。然而我们的环境污染越来越严重，尤其是空气质量日益下降。除废气、废水外，颗粒状粉尘、烟尘向大气排放所造成的污染已成为一个十分突出的问题。粉尘是空气质量的重要指标，粉尘的检测就愈重要。粉尘检测仪主要用于检测环境中的粉尘浓度，适用于工矿企业劳动部门生产现场粉尘浓度的测定、环境环保监测部门大气飘尘检测和污染源调查等。本课题以光散射原理为基础，围绕单片机为核心，完成检测仪数据采集、显示等电路的设计。开发完整的具有成本低、运行稳定可靠、开发周期短等优点的高性能控制系统，并熟练掌握单片机系统及其相关的软件调试工具的使用。关键词：粉尘，光散射，空气采样，A/D转换，显示

TheDustDetectorBasedonSingleChipControlCircuitABSTRACTWithmodernindustrialdevelopment,industrializationlevel,people'slifeandworkhavealotofconvenience.However,wemoreandmoreseriousenvironmentalpollution,especiallyairqualityhasdeclined.Inadditiontoemissions,wastewater,theparticlesofdust,smokeanddustemissionstotheairpollutionhasbecomeaveryprominentissue.Dustisanimportantindicatorofairquality,dust,themoreimportanttest.Dustdetectorismainlyusedfordetectionofdustconcentrationintheenvironment,thelabordepartmentforindustrialandminingproductionsitedeterminationofdustconcentration,theenvironmentdepartmentofenvironmentalmonitoringofairborneparticulatepollutiondetectionandinvestigation.Thetopicstolightscatteringtheory,basedaroundtheMCUcore,completedetectordataacquisitionanddisplaycircuit.Developmentofacompletelowcost,stableandreliableoperation,theadvantagesofshortdevelopmentcycle,high-performancecontrolsystems,andmastermicrocontrollersystemandrelatedsoftwaredebuggingtools.Keywords:dust,lightscattering,airsampling,A/Dconverter,display

目录摘要 I

ABSTRACT II

1绪论 1

1.1前言 1

1.2选题背景及研究意义 1

1.2.1选题背景 1

1.2.2研究意义 1

1.3国内外相关发展情况 2

1.3.1粉尘测量方法 2

1.3.2粉尘检测仪的性能与优点 3

1.4本文主要研究内容 3

1.4.1硬件电路 3

1.4.2系统联调 4

2基于单片机的粉尘检测仪硬件设计 5

2.1系统的功能和技术指标 5

2.1.1系统功能功能 5

2.1.2主要技术指标 5

2.2粉尘检测原理 5

HYPERLINK2.3系统硬件设计框图 6

2.4软件程序流图 7

2.5工作原理 7

3粉尘测试仪硬件设计 9

3.1单片机部分 9

3.1.1系统CPU器件选择 9

3.1.2单片机引脚分配及连接 12

3.2信号采集电路 13

3.2.1敏感元件 13

3.2.2A/D转换电路 14

3.2.3ADC0809的主要特性 14

3.2.4ADC0809芯片的引脚图及引脚功能 15

3.2.5ADC0809对输入模拟量要求及通道选择 16

3.2.6ADC0809的应用说明 17

3.2.7ADC0809数据采集时序图 17

3.2.8ADC0809与AT89C51单片机的接口设计 17

3.2.974LS74 18

3.2.1074LS373 20

3.2.1174LS02介绍 22

3.2.1274LS04介绍 23

HYPERLINK3.3数码管显示部分 24

3.3.1LED数码管概述 24

3.3.2LED数码管动态显示方式 26

3.3.3显示接口设计 28

3.4键盘电路设计 29

3.5报警电路设计（蜂鸣器） 30

3.6看门狗部分的设计 30

4联调结果及仿真 32

4.1设计软件Proteus 32

4.1.1Proteus功能特点 32

4.1.2功能模块 32

4.2系统概述 33

4.3keil与Proteus联调 34

5结论 36

致谢 37

参考文献 38

附录1电路图 39

附录2PCB图 41PAGE40PAGE411绪论1.1前言随着现代工业的发展，工业化水平的提高，人们的生活和工作有了很多便利。然而人们享有方便生活和工作的同时，不得不面对，由于对自然的不合理开发，对自然环境的污染等，使生态环境遭到严重破坏，生存环境越来越差的现实。人类必须采取相应的措施，合理利用开发自然资源，与自然和谐共生。我们的环境污染越来越严重，尤其是空气质量日益下降。维护生态环境质量越来越成为社会的迫切要求。除废气、废水外，颗粒状粉尘、烟尘向大气排放所造成的污染已成为一个十分突出的问题。粉尘是空气质量的重要指标，粉尘的检测就愈重要。已有研究表明，大气中的可吸入颗粒物对人体健康和生态环境有很大的影响。我国空气质量超标的城市中68%都存在可吸入颗粒物的问题。我们必须要做到“知己知彼”，既要做到监控和额检测。知道病灶所在才能对症下药，从而药到病除。因此市面上出现了各种各样形形色色的环境测试仪。1.2选题背景及研究意义1.2.1选题背景粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒，是保持地球温度的主要因素之一，大气中过多或过少的粉尘都将对环境产生灾难性的影响。但在生活和工作中，生产性粉尘是人类健康的天敌，是诱发多种疾病的主要原因之一，特别是煤矿粉尘，一方面严重危害工人的身体健康，致使工人患尘肺病；另一方面粉尘浓度过高还潜伏着爆炸的危险。每年因为粉尘灾害而造成的人员伤亡数量极大，也给国家造成了巨大的经济损失。粉尘又称可以入颗粒物（inharableparticularmatter），粉尘作为病菌的载体，一同散入空气中，极易传播疾病。生产中许多及其工作环境对粉尘浓度也有要求。目前，国家环保部和煤矿安全监察局对粉尘危害非常重视，对作业场所的粉尘排放浓度制订了相关标准，严格控制粉尘浓度，以减少粉尘危害。因此，及时有效地对作业场所的粉尘浓度进行监测，能更好地掌握粉尘浓度状况，进行有效的除尘和降尘，对确保人身安全和提高环境质量发挥着极其重要的作用。由此可以看出粉尘对人类健康和生产危害十分严重。因此，粉尘浓度测试仪意义很重大[8]。1.2.2研究意义粉尘检测仪主要用于检测环境中的粉尘浓度，适用于工矿企业劳动部门生产现场粉尘浓度的测定、环境环保监测部门大气飘尘检测和污染源调查等【9】。1.3国内外相关发展情况国内外有很多种粉尘检测仪。粉尘检测仪主要由信号采集，信号处理，数字显示以及对参数的控制和设置等几部分构成。以89S52单片机为主控制器，对粉尘传感器检测到的粉尘数据进行处理后并显示同时与PC机进行数据通信，PC机可更改用户参数完成不同情况测量同时可输出存储的数据测量方法也各不相同。

目前，世界各国对粉尘浓度的测量技术都做了大量研究，研制了一系列粉尘监测仪器，如粉尘采样器、直读式测尘仪、粉尘浓度传感器等。特别是粉尘浓度传感器的出现，解决了粉尘采样器、直读式测尘仪不能实时监测作业场所粉尘浓度的问题[8]。国外有代表性的产品为英国的Simslin系列监测仪以及其升级产品OSIRIS粉尘传感器和计算机粉尘监测系统；德国丁达尔公司生产的TM系列粉尘仪；俄国研制的Ⅱ-101型自动测尘仪；日本柴田LV一5E、P5系列微电脑粉尘仪；美国研制的RAM系列实时粉尘监测仪、粉尘雷达和Auburn公司生产的3400型粉尘监测仪。其中Simslin系列监测仪、TM系列粉尘仪、LV-5E、P5系列微电脑粉尘仪采用光散射法，Ⅱ-101型自动测尘仪采用光吸收法，3400型粉尘监测仪采用摩擦电法测量粉尘浓度。

国内粉尘浓度在线监测技术的发展较晚，主要以采样器、直读式测尘仪为主，但最近几年，随着信息技术的发展及光电子技术、计算机技术的提高，煤炭科学研究总院重庆研究院最先在国内开发出了GCG500型粉尘浓度传感器。国内其他厂家也陆续引进、开发出了粉尘浓度传感器，其生产厂家有郑州光力科技股份有限公司、江苏三恒科技集团、南京富邺科技股份有限公司等。国内外粉尘浓度在线监测技术大多采用光散射法原理，但在其测量误差、测量范围和工作电流上有所差别。国外仪器大多采用分段方式测量，而且工作电流较小，除Simslin-Ⅱ之外，其他测尘仪的测量准确度较高，但粉尘浓度测量范围偏小。国内仪器测量范围宽、准确度低、工作电流大，其中GC1000型粉尘浓度传感器测量误差达到了25%。通过现场调查和查阅相关资料，国内粉尘浓度传感器主要是煤炭科学研究总院重庆研究院生产的GCG500型粉尘浓度传感器在市场上的应用较多，先后在安徽、山东、山西、甘肃、贵州、河南、辽宁、内蒙等多个省份使用。同时以该传感器为核心部件的ZPA-63S型粉尘浓度超限喷雾降尘装置，可根据作业场所粉尘浓度大小进行设限喷雾：当作业场所粉尘浓度高于设定值时开始喷雾，低于设定值时停止喷雾，从而实现了高效的喷雾降尘，节约了水、电。1.3.1粉尘测量方法国外对粉尘浓度在线监测技术研究较早，主要有电容法、β射线法、光散射法、光单，但电容测量值与浓度之间并非一一对应的线性关系，电容的测量值易受相分布及流型变化的影响，导致较大的测量误差[1]；β射线法虽然测量准确，但需要对粉尘进行采样后对比测量，很难实现粉尘浓度的在线监测；超声波法、微波法测量粉尘浓度还处于试验研究阶段，市场上成型产品较少。目前市场上主要采用光散射法、光吸收法、摩擦电法进行粉尘浓度在线监测，形成的产品较多，并成功地应用于烟道粉尘浓度测量和煤矿井下粉尘浓度测量上。按照粉尘测量方法的不同，粉尘测量方法主要有光学法、采样称重法和静电法三种。采样称重法不适合于在线测量。静电法易受干扰,国内技术并不成熟。光学法又进一步分为浊度法和散射法,而浊度法是目前国外普遍采用的用来测量烟尘(粉尘)浓度的方法,这种国外仪器在国内许多单位也都得到了成功应用。光学法测量的缺点是需要保持光学镜头的相对清洁。对于烟道中烟尘的测量,实践证明,通过微正压的清洁保护风,就可实现对光学镜头的可靠保护。粉尘检测仪的性能与优点1）智能采样与去噪数字滤波算法相结合,测量和信号处理灵活性强,因而在一套装置可以进行不同变量和浓度的测量,可排除个别的不正常值,同步计算平均值。2）采用嵌入式单片机内核技术,将计算机嵌入到烟尘粉尘测量对象中,实现智能化控制,依据烟尘粉尘测量环境要求,充分考虑了物理环境(小型)、电气/气氛、环境(可靠)、成本(价廉)的要求;充分考虑了最小软、硬件配置和相应的接口电路。采用内核技术,提供了一个裸设备与应用程序间的抽象层,可以在更高的层次上读写磁盘;允许多个程序看起来在同时运行,将处理器在其间共享。3）可选用GPRS网络技术,以智能烟尘粉尘测量仪软件为平台,通过中文短信的方式,用自动群呼和列队接收办法,形成了崭新的环保监测网络。4）可远程进行参数设置及数据传输,通过中心控制软件,方便地输入用户参数、校准仪器,并可输出存储的测量数据。1.4本文主要研究内容1.4.1硬件电路该粉尘测试仪是以采集5V的模拟信号并通过ADC0809转换成数字信号，再将比较过的数字信号动态显示在LCD上，若超过最高时报警。通过键盘来设定最高值。同时将市电转换成5V给各器件供电。我主要完成硬件电路的设计，只检测、显示分成的浓度。1.4.2系统联调实现Protues和Keil的联调。在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。目标代码文件：*.HEX由Keil编译生成。最终模拟出显示结果。

2基于单片机的粉尘检测仪硬件设计2.1系统的功能和技术指标2.1.1系统功能功能1）数字显示当前浓度2）超过最大值报警（实际中启动换气装置）2.1.2主要技术指标环境温度：～70测量精度：±5%电压输入范围：0V～5V2.2粉尘检测原理吸收法、摩擦电法、超声波法、微波法等粉尘浓度在线测量方法。电容法的测量原理检测尘原理是用粉尘采样器或呼吸性粉尘采样器抽取采集一定体积的含尘空气，含尘空气通过滤膜时，粉尘被捕集在滤膜上，再利用光学原理测得粒径[10]。光学测粉尘用到两个原理，朗伯特-比尔（Lambert-Beer）定律和米（Mie）理论。本设计检测原理用基于光学检测法中的浊度法。基于朗伯特-比尔定律测量光透过被测物质后，由于散射吸收而使光强减弱，通过测定光束通过被测介质前后的光强比之来定量粉尘浓度。一束强度为I0的单色平行光照射在含有粉尘的检测区，由于粉尘对光的吸收和散射，出射光强便会衰减。根据朗伯特-比尔定律，对均匀分布的粉尘，入射光强与出射光强有关：(2-1)式中：Q为消光系数，它与入射光波长λ、粉尘粒子直径d、粉尘物质折射率m有关，可按Mie理论和专用算法程序计算。N为粉尘密度，A是直径为d的粉尘粒子的截面积，W为粉尘的质量浓度；ρ为粉尘的质量密度。若设某种分布的粉尘尘粒直径为d1浓度为w1，则：(2-2)式中：,对于某种粉尘的测量系统而言，C是一常数；M为测量时粉尘粒子按粒径的分档数。由公式2-2得:(2-3)式③是在单色入射光情况下得到的。采用多波长入射时，对每一波长λi,都有对应的一个式③，故得方程：(2-4)式中：为消光列向量，可以通过实测各个波长对应的及测得：(2-5)其中：T称为消光系数矩阵。T中个元素，可由计算机预先算出。为粉尘总的质量浓度分布列向量。求解式④便可求得W及粉尘的总质量浓度。不难看出，多波长消光测尘中，是通过测得各种粒径粉尘的质量浓度得到总的粉尘浓度的，因而能实时地反应粉尘分布的影响，为粉尘浓度的高精度测量提供了可能。再者，测量粉尘浓度的同时，还能测粉尘的粒度分布（分散度）。根据粉尘离子的散射特性，确定最小粒径前置输出端的信号幅值U，然后每个0.1μm定义直径档，并预先设定好各档甄别电平，用其中一种标准粒子输入粉尘测试仪。2.3系统硬件设计框图本系统主要由单片机构成主控部分，进行主要的信息处理，接收外部操作指令形成各种控制信号，完成各种信息的记录。外围电路有：A/D转换、键盘输入、LCD显示电路。如2-1图所示。图2-1模块化注释：模拟信号采集单元：敏感元件、小信号放大电路、A/D转换电路。敏感元件测得粉尘浓度、粒度的模拟信号；由于信号比较小，所以添加信号放大电路；ADC0809将两路5V的模拟信号转换成数字信号，输入到单片机中。显示:显示数字化粉尘浓度。看门狗电路：使系统因故死机后能自动恢复正常。键盘电路：输入最大浓度值，当浓度超过时报警。因为环境对浓度、粒度的要求不同，可以多次输入，设置不同的值。报警电路：报警电路是为了模拟当粉尘超出限定值时启动换气装置或启动喷雾已将及粉尘浓度。图2-1硬件电路结构框图2.4软件程序流图由硬件的设计可以画出各模块框图和流程图，如图2-2、2-3所示。图2-2各模块框图系统编程分四个部分：a）信号采集程序；b）LCD显示程序；c）按键输入程序；d）看门狗复位程序；e）主控程序。2.5工作原理将电源开关打开后，当给一个0V～5V的信号（模拟检测到的粉尘浓度信号）时，通过ADC0809将模拟信号转换成数字信号，传输给单片机。上电后根据环境要求的不同，从键盘输入设定的最高粉尘浓度值。单片机将检测到的数字信号显示在LCD，并与输入设定值进行比较，当检测到的值大于设定值时单片机驱动蜂鸣器报警。蜂鸣器在实际中是步进电机驱动换气装置，但在本设计中简化为蜂鸣器报警。图2-3软件流程图

3粉尘测试仪硬件设计3.1单片机部分3.1.1系统CPU器件选择CPU是粉尘检测器的核心[1]，完成数据采集、处理、输出、显示等功能,是整个仪器正常工作的基础，它的选择直接关系到整个系统的工作。选择通用性强、功耗小、性能稳定良好的8位CMOS微处理器芯片AT89S52以低廉的价格、强大的功能,完全符合经济的原则并且满足本系统的要求。所以,在本系统中我们选用AT89S52作为CPU芯片。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，具有越低功耗、强大的LCD驱动能力等功能力，实践证明，它具有性能价格比高、外围扩展器件少、系统功耗低。使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。1）AT89S52功能特性：AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2）部分引脚功能：XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应接地。XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。RST:复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/：ALE表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器(如74LS373)，将端口P0的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生信号。P0：P0口(P0.0～P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，内部没有上拉电阻，所以端口要外接八个上拉电阻。当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。P1：P1口(P1.0～P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。P2：P2口(P2.0～P2.7)是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。P3：P3口(P3.0～P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：P3.0RXD串行通信输入 P3.1TXD串行通信输出P3.2外部中断0输入,低电平有效P3.3外部中断1输入,低电平有效P3.4T0计数器0外部事件计数输入端P3.5T1计数器1外部事件计数输入端P3.6外部随机存储器的写选通，低电平有效P3.7外部随机存储器的读选通，低电平有效引脚如图3-1所示：图3-189S52单片机引脚3)89S52单片机的基本结构如图4-2所示它由8个部件组成，即中央处理器（CPU），片内数据存储器（RAM）内部程序存储器，输入输出接口（Input/Output,简称I/O口，分为P0口、P1口、P2口、P3口）可编程串口，定时/计数器，中断系统及特殊功能寄存器（SFR），各部分通过内部总线相连。基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上，却采用了特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方法。如图3-2所示：图3-2单片机内部结构3.1.2单片机引脚分配及连接1）振荡器电路89S52单片机它采用外部振荡器时XTAL1引脚应接地，XTAL2引脚接外部振荡信号的输入。如图3-3所示。晶振范围在0～24MHZ，本设计选择12MHZ，与值为30pF，与可稳定频率并对振荡频率有微调作用。为了减少寄生电容振荡器和电容尽可能安装得与单片机芯片靠近。图3-3振荡器电路2）复位电路复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现，在时钟电路工作后，只要单片机的RESRT引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机就能实现复位。简单复位电路有上电复位、按键电平复位、按键脉冲复位，本设计采用按键电平复位。如图3-4所示。图3-4复位电路I/O口功能分配：～将经A/D转换器的8位数字信号传入单片机～完成数码管的段选～完成数码管的位选～连接键盘电路口主要完成外围电路的控制3.2信号采集电路3.2.1敏感元件粉尘浓度传感器的结构特征如图3-5所示，外部空气在抽风机的吸力下通过迷宫式进气口进入传感器暗室。空气中的浮游粉尘在暗室内受到激光发生器发出的平行光照射时，粉尘的散射光强度正比于质量浓度，该散射光经过光电转换器转换成光电流，经主控板的光电流积分电路转换成与散射光强成正比的光电脉冲数。计算脉冲数即可测出粉尘的相对质量浓度，通过标定在设置键盘上预设K值，工作时便可直接在数码显示屏上显示空气中的粉尘质量浓度（mg/m³）。在本设计中利用可变电阻滑动时不同的电压模拟粉尘浓度传感器。如图3-6所示。图3-5粉尘浓度传感器图3-6模拟粉尘浓度3.2.2A/D转换电路因为单片机不能直接接收模拟量信号，所以电压测量信号，必须通过A/D转换后方可以输入单片机进行处理。A/D转换器芯片有很多种,在此选择比较熟悉的ADC0809。ADC0809是8路8位逐次逼近行A/D转换CMOS器件，能对多路模拟信号进行分时采集和A/D转换，输出数字信号通过三态缓冲器，可直接与微处理器的数据总线相连接。3.2.3ADC0809的主要特性ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3-7是ADC089的内部结构。ADC0809的主要特性如下。分辨率为8位a）最大不可调误差小于±ULSBb）可锁存三态输出，能与8位微处理器接口c）输出与TTL兼容d）不必进行零点和满度调整e）单电源供电，供电电压为+5Vf）转换速率取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围是：10～1280KHZ，当时钟频率为500KHZ时，对应的转换时间为125us。图3-7ADC0809内部结构3.2.4ADC0809芯片的引脚图及引脚功能ADC0809引脚功能说明如图3-8所示。图3-8ADC0809引脚IN0～IN7：8路模拟信号输入端D0～D7：8位数字量输出端START：启动控制输入端，高电平有效，用于启动ADC0809内部的A/D转换过程ALE：地址锁存控制输入端。ALE端可与START端连接在一起，通过软件输入一个正脉冲，可立即启动A/D转换。EOC：转换结束信号输出端，开始A/D转换时为低电平，转换结束时输出高电平。OE：输出允许控制端，用于打开三态输出锁存器。当OE为高电平时，打开三台数据输出锁存器，将转换后的数据量输送到数据总线上。CLK：时钟信号输入端。ADDA（ADDB、ADDC）：8路模拟选通开关的3位地址选通输入端。VREF+：参考电压正端。VREF-：参考电压负端。VCC：+5V工作电压。

GND：地。3.2.5ADC0809对输入模拟量要求及通道选择信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。数字量输出及控制线：11条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ表3-1ADC0809通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN73.2.6ADC0809的应用说明（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S52单片机直接相连。（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。3.2.7ADC0809数据采集时序图ADC0809数据采集及输出控制信号时序如图3-9所示：图3-9ADC0809时序图3.2.8ADC0809与AT89C51单片机的接口设计ADC0809与AT89C51的硬件接口[11]方式有：查询方式、中断方式和等待延时方式。采用中断方式不浪费CPU的等待时间，但如果A/D转换时间较短，也可采用程序查询方式和等待延时方式。在此采用中断方式，接口电路如图3-10所示。74LS373为地址锁存器，控制选通那路输入本设计用IN3输入信号。P2.6与WR相或非，产生启动信号START和地址锁存控制信号ALE；P2.6与RD相或非产生输出允许控制信号OE。OE为高电平时，打开三态数据输出锁存器，将转换后的数据量输送到数据总线上。图3-10ADC0809与AT89C51的接口电路单片机ALE为表示允许地址锁存的信号。当为0时74LS373选通，此时P0.0～P0.2设置为011，以确保ADC0809选IN3为输入信号端。当ALE为1时74LS373为保持状态，此时地址锁存，ADC0809将转换后的8位数字信号传给单片机。START：启动控制输入端，高电平有效，用于启动ADC0809内部的A/D转换过程ADC0809的ALE为地址锁存控制输入端。ALE端可与START端连接在一起，通过软件输入一个正脉冲，可立即启动A/D转换。所以要使ADC0809启动必须要和P2.7必须为0。当ADC0809完成转换后EOC由0变为1，告诉单片机接收准转换结束的信号，单片机开始使由1变为0使得ADC0809的OE（输出允许控制端）变为1启动ADC0809输出8位数据。3.2.974LS74因为ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。本设计中用74LS74来提供500KHZ的时钟信号。单片机提供信号为1MHZ，将此信号分频。74LS74[6]是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发d触发器电路。电路结构:该触发器由6个与非门组成，其中G1和G2构成基本RS触发器。边沿D触发器:负跳沿触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。边沿D触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。工作原理:SD和RD接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器置1；当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。我们设它们均已加入了高电平，不影响电路的工作。工作过程如下：1）CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。2）当CP由0变1时触发器翻转。这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。3）触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用,故该反馈线称为置0维持线,置1阻塞线。Q4为0时，将G3和G6封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。Q4输出端至G6反馈线起到使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线；Q4输出至G3输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用,称为置0阻塞线。因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。总之，该触发器是在CP正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。与主从触发器相比,同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。74LS74的内部结构如图3-11所示：图3-1174LS74内部结构引脚说明：1CP、2CP时钟输入端1D、2D数据输入端1Q、2Q、1Q、2Q输出端CLR1、CLR2直接复位端（低电平有效）PR1、PR2直接置位端(低电平有效)74LS74功能表如表3-2所示。表3-274LS74功能表输入输出PRCLRCLKDLHXXHLHLXXLHLLXXHHHH↑HHLHH↑LLHHHLX由SN74LS74连接成的2分频电路如图3-12。图3-122分频电路图3.2.1074LS37374LS373[6]是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74LS373芯片。373为三态输出的八D透明锁存器,共有54/74S373和54/74LS373两种线路结构型式。373为三态输出的8D透明锁存器,373的输出端O0-O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0-O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0-O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。373引出端符号：D0～D7数据输入端

OE三态允许控制端（低电平有效）LE锁存允许端

Q0-Q7输出端74LS373内部结构图如图3-13所示。图3-1374LS373内部结构74LS373引脚如图3-14所示。图3-1474ls373引脚1)1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);2)当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态。锁存端LE由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到LE端再次有效。当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0-Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0-Q7状态与输入端D1~D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0~D7数据锁入Q0-Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。74LS373与单片机接口：1D-8D为8个输入端。1Q-8Q为8个输出端。G是数据锁存控制端；当G=1时，锁存器输出端同输入端；当G由“1”变为“0OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。其中输入端1D~8D接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。在不同方式下控制引脚电平的状态如表3-3所示。表3-374ls373状态表I/O引脚模式电源HXX高阻状态未选备用LHH高阻状态输出禁止激活LLHDout读激活LXLDin写激活74LS373锁存器功能如表3-4所示。表3-474LS373锁存器功能OEC功能00直通Qi=Di01保持（Qi保持不变）1X输出高阻3.2.1174LS02介绍74LS02【6】为四组2输入或非门（正逻辑），内部结构如图3-15所示，引出端符号：1A～4A输入端1B～4B输入端1Y～4Y输出端图3-1574LS02内部结构功能：，功能表如表3-5所示。表3-574LS02功能表输入输出ABYLLHLHLHLLHHL3.2.1274LS04介绍74LS04[6]为六组反相器，内部结构如图3-16所示引出端符号：1A～6A输入端1Y～6Y输出端图3-1674LS04内部结构功能：，功能表如表3-6所示。表3-674LS04功能表输入输出AYLHHL3.3数码管显示部分对于人机交互式单片机系统来说，不仅需要响应用户输入，同时也需要将一些测控信息输出显示。这些显示信息可以提供实时的数据或图形结果，以便于掌握系统的状态并进行分析处理。目前，在单片机中最常用的是LED数码管显示。其成本低廉、使用简便，可以显示数字或几个特定的字符。3.3.1LED数码管概述LED数码管是由若干个发光二极管组成的显示字段的显示器件，一般简称为数码管。当数码管中的某个发光二极管导通的时候，相应的一个字段便发光，不导通的则不发光。LED数码管可以根据控制不同组合的二极管导通，来显示各种数据和字符。LED显示器又称为数码管，LED显示器由8个发光二极管组成。中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，即把8个发光二极管阴极连在一起。这时如果需要点亮a到g中的任何一盏灯，只需要在相应的端口输入高电平即可；输入低电平则截止。称之为共阴极LED显示器。如图3-17所示。图3-17共阴与共阳极LED显示器共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7D6D5D4D3D2D1D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为0111011时，显示器显示"P"字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。表3-7列出了共阳极与共阴极LED显示器显示数字、字母与显示代码之间的对应关系。表3-7代码对应表显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码03FHC087FH80H106HF996FH90H25BHA4A77H88H34FHB0B7CH83H466H99HC39HC6H56DH92HD5EHA1H67DH82HE79H86H707HF8HF71H8EH本设计用如图3-18所示的4联共阳LED数码管显示，P1口接段选，P2.0～P2.3接位选。采用动态显示方式。图3-184联共阳LED数码管3.3.2LED数码管动态显示方式点亮LED显示器有两种方式：一是静态显示；二是动态显示。在本次设计中，采用的是静态显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。这种电路的优点在于：在同一时间可以显示不同的字符；但缺点就是占用端口资源较