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- i - 基于单片机的温度控制系统的设计基于单片机的温度控制系统的设计基于单片机的温度控制系统的设计基于单片机的温度控制系统的设计 摘要摘要摘要摘要 粮食是人类生存的必需品，而温度是存储好粮食的先决条件之一。我国是 一个农业大国，目前，中国粮食年产量近 5 亿吨，粮食库存量 2.65 亿吨，占产 量的 53.8。如何降低储粮损失，已越来越受到重视。本文设计了一套适合我 国中小型粮库温度监控系统。此系统将对安全储粮起到非常重要的保障作用。 它主要由四部分组成：温度传感器、测量模块、信号转换器及 rs-485 总线和以 机为核心的上位机。其中测量模块是以 at89c51 单片机为核心进行设计 的，这里充分利用了单片机的数据处理及实时检测能力，对粮仓内的温度信号 进行实时检测。粮食温度信号是由美国 ad 公司最新推出的 ad590 数字式温度 传感器提供的。通过测量模块处理后的信号，由上位机选通后经过信号转换器 及 rs-485 总线传输个上位机。上位机采用单片机语言进行编程，将其所接受的 信号转换成直观的曲线、表格，清楚明了地显示出仓内粮食的温度状况，使操 作人员的工作方式得到改进，提高了粮仓的管理水平。 关键词关键词关键词关键词at89c51；ad590 温度传感器；温度采集；粮仓温度； 哈尔滨理工大学学士学位论文 - ii - granarygranarygranarygranary temperaturetemperaturetemperaturetemperature controllingcontrollingcontrollingcontrolling systemsystemsystemsystem abstractabstractabstractabstract the grain is the human survival essential item, but the temperature saves one of good grain preconditions. our country is a large agricultural nation, at present, the chinese grain annual output nearly 500 million tons, the grain reserve 265 million tons, account for the output 53.8%. how reduces stores the grain to lose, has more and more received takes. this article designed a set to suit our country middle and small scale grain storage temperature supervisory system. this system to safely will store the grain to play the count for much safeguard role. it mainly is composed by four parts: temperature sensor, survey module, signal shifter and rs-485 main line and take p c machine as core on position machine. survey module is carries on the design take the at89c51 monolithic integrated circuit as the core, here has fully used the monolithic integrated circuit data processing and the real-time examination ability, carries on the real-time examination to in the granary temperature signal. the grain temperaturesignalisdigitaltemperaturesensorprovidesbyamericanad corporation newest promoted ad590. after the survey module processing signal, elects after on position machine to pass the process signal shifter and a rs-485 main line transmission on position machine. on the position machine uses the monolithic integrated circuit language to carry on the programming, the signal which its accepts transforms the direct-viewing curve, the form, clear was bright had demonstrated in the warehouse the grain temperature condition, enable operators work way to obtain the improvement, raised the granary management level. keywordskeywordskeywordskeywords at89c51；ad590；temperature gathering；granary temperature； 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iii - 目录目录目录目录 摘要.i abstractii 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景. 1 1.2 系统的总体结构. 1 1.2.1 系统硬件的总体设计 1 1.2.2 系统总体结构的原理 3 1.2.3 系统功能及特性 3 第 2 章 系统的硬件结构 4 2.1ad590 的功能及特性5 2.2ad590 的工作原理5 2.3 数字显示温度计的设计. 7 2.3.1 测温电路的设计 8 2.3.2ad 转换和显示电路的设计.8 2.4 t89c51 单片机 10 2.4.1at89c51 单片机的特点.10 2.4.2at89c51 单片机的功能描述.11 2.4.3at89c51 单片机的管脚功能.11 2.4.4at89c51 单片机的操作方式.13 2.5 8155 和 led 数码显示器14 2.5.1 8155 的工作方式与基本操作 16 2.5.2 led 数码显示器.17 2.6 振荡电路、复位电路和报警电路的设计. 18 2.7watchdog 技术19 2.8 显示电路的设计. 20 2.9 粮仓温度检测系统的上位机部分. 20 2.10 本章小结. 20 第 3 章 系统的通讯 21 3.1 通讯部分组成. 21 3.2 rs-232 总线.21 3.3 rs-485 总线.22 3.4 信号转换器的选择. 23 3.4.1 max-485.23 3.4.2 max-490.23 3.5 本章小结. 25 第 4 章 系统软件设计 26 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iv - 4.1 单片机与上位机通讯的工作过程和流程图. 26 4.2 显示的工作过程和流程图. 27 4.3 标度变换. 28 4.4 本章小结. 32 结论 33 致谢 34 参考文献 35 附录 a.37 附录 b.43 at89c51at89c51at89c51at89c51 单片机的性能简介单片机的性能简介单片机的性能简介单片机的性能简介.43 及及及及其省电工作方式其省电工作方式其省电工作方式其省电工作方式 43 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题背景课题背景课题背景课题背景 随着粮食产量的增加，储粮设备尤其是大型设备也逐年增加，传统的人工 查看粮温的方法，已逐步被电子检测设备所代替。小的粮仓设备一般采用小型 测温仪检测粮温，大型储粮设备已逐步配备微机测温系统。前一种方式多数采 用由操作者拨动手动开关逐点查看粮温的方法，也有些采用自动巡检方式并配 备小型打印机记录粮温数据。后一种方式则可在微机机房检测粮温情况并能对 粮温数据进行分析对比1。微机测温系统如图 1-1 。 温温 度度 传传 感感 器器 模模 拟拟 开开 关关 信信 号号 放放 大大 a a a a / / / /d d d d 转转 换换 器器 微微 机机 图 1-1 微机测温系统框图 该系统一般由模拟开关构成开关电路板置于仓上，远处仓的温度信号需跨 仓传输。各储粮仓上信号线、传递温度信号控制线、选择测温点及电源线连在 一起，构成一个庞大的树状网。在通常情况下，这种测温方式可以正常工作， 但在储粮仓多，各仓相距较远，特别是在电磁干扰较强的地方，该系统难以正 常工作，这使得系统的可靠性严重下降。 为克服由于储粮仓群系统庞大对测温精度和系统可靠性的影响，我们设计 了一套以 at89c51 单片机为核心、新型数字式温度传感器 ad590 为前沿设备 进行温度数据采集，构成了适于在大型粮仓中应用的分布式微机测温系统，并 能利用温度传感器送回的温度数据进行粮情监测2。 1.21.21.21.2 系统的总体结构系统的总体结构系统的总体结构系统的总体结构 1.2.11.2.11.2.11.2.1 系统硬件的总体设计系统硬件的总体设计系统硬件的总体设计系统硬件的总体设计 整个系统由上位级和下位级两大部分组成。上位级由上位管理机（host） 、 max-490 转换器和多个智能节点组成。下位级主要由温度传感器、测量模块和 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 信号转换器 max-485 组成。测量模块是以 at89c51 单片机为控制器的，外接 通讯电路、报警器、led 数码显示管、温度传感器等部分。下位机通过信号转 换器 max-485 和 rs-485 总线与上位机进行通讯的，上位机通过信号转换器 max-490 和 rs-485 总线与下位机通讯的。 该系统是对粮仓温度监测的，粮仓的不同位置、不同高度，其温度高低也 是不同的，因此需要进行多点温度检测。一个温度采集点就需要一个温度传感 器，一个单片机上可连接 8 个温度传感器，一个主机（上位机）可以连接 128 个从机（下位机） ，为了设计的方便，本文只设计了 8 个温度传感器与一个单片 机的连接3。 系统结构图如图 1-2 所示。 主 机 （p c机） m a x-4 9 0 信 号 转 换 器 m a x-485 m a x-4 8 5m a x-4 8 5 1号 单 片 机 2号 单 片 机 n号 单 片 机 l e d 报 警 器 a d5 9 0a d5 9 0 测 温 点 测 温 点 1 2 0 r s-4 8 5 图 1-2 系统的结构图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 1.2.21.2.21.2.21.2.2 系统总体结构的原理系统总体结构的原理系统总体结构的原理系统总体结构的原理 本系统采用 pc 机作为上位管理机，通过 rs-485 总线通讯协议带多台以 at89c51 单片机为 cpu 的前置机，每台前置机是一个独立的智能检测系统， 通过 ad590 可检测 8 个温度点。 上位管理机主要完成整个监测网络的参数设定、粮仓的状态查询、数据处 理、粮情分析、报表打印等功能。 下位机不仅要实时监测本粮仓的各个测试点的温度，超限实时报警，保存 和显示结果等职能，还要负责接收上位管理机的命令，根据上位机的要求上传 数据。 max-490 转换器负责将上位机通过串口输出的命令装换成 rs-485 总线数 据格式后，再下传到 rs-485 总线；或者将下位机通过 rs-485 总线上传的数据 转换成 usb 数据格式后，再送到 pc 机。 max-485 转换器负责将下位机输出的数据转换成 rs-485 总线数据格式 后，再上传到 rs-485 总线；或者将上位机通过 rs-485 总线下传的数据或命令 转换成单片机所接受的格式后，再传进单片机4。 1.2.31.2.31.2.31.2.3 系统功能及特性系统功能及特性系统功能及特性系统功能及特性 该系统具有以下功能及特点 ： （1） 一台主机可以管理 128 个分机，一台分机可以测 8 个点的温度。可 用于一个粮仓多部位的测试，也可以用于多粮仓多部位测试。稍加 改动，就可扩展到近千路测试点。 （2） 测温范围：-55+125，其中在-10+85的范围内精确度为 0.5。 （3） 主机和分机之间的最大通讯距离可达 1.2 公里。 （4） 主机采用菜单方式实现人机对话，以汉字，图形，数字方式显示 温度值，即可以显示温度平面图，又可以保存数据和打印数据。 （5） 当温度过限时，系统可自动进行声光报警，并在数码显示管上显示 “h”字母，再打印结果中标出过限路号。 （6） 粮仓管理人员可以直接与现场的各个分机进行人机对话，也可以 连续监测本仓中各点的温度值，又可以随机抽检任意点的温度值， 同时可查看本仓中的最高温度和最低温度及其位置。 （7） 系统设有故障自检功能，便于维护人员的检修。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 系统的硬件结构系统的硬件结构系统的硬件结构系统的硬件结构 粮仓温度检测系统的下位机部分是整个系统的核心。它由 at89c51 单片 机、数字温度传感器 ad590、数码显示管 led 和声光报警器等组成。下位机的 电路连接图如图 2-1 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 02 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 p 1.0 p 1.7 r st rxd p3 .0 txd p3.1 in t0 p 3 .2 in t1 p 3 .3 t0 p 3.4 t1 p 3.5 wr p3.6 rd p3 .7 xtal1 xtal2 g n d v cc p 0.0 (a d0) p 0.1 (a d1) p 0.2 (a d2) p 0.3 (a d3) p 0.4 (a d4) p 0.5 (a d5) p 0.6 (a d6) p 0.7 (a d7) e a/v pp a l e/prog pse n p 2 .7 p 2 .6 p 2 .5 p 2 .4 p 2 .3 p 2 .2 p 2 .1 p 2.0 (a 8 ) p 1.1 p 1.2 p 1.3 p 1 .4 p 1 .5 p 1 .6 at89c51 + 5 v 2 2 f+ 123123123 + 5v 6m h z 4 0p f 2001 k 200 + 5v + 5v 300 a d590a d590a d590 12 8 . . . 1 2 3 4 输 入 输 出 控 制 m a x-485 8 7 + 5 v 6 5 4 .7 k 5 v abcdefgh p a0 p a1 p a2 a d0 a d1 a d2 a d3 a d4 a d5 a d6 a d7 a l e w r r d c e i o/m p b0 . . . . 4 .7 k 4.7k . . . . . . . . . . 4 0p f p b1 p b2 p b3 p b4 p b5 p b6 p b7 8155h . 图 2-1 系统的电路连接图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 下面分别介绍各组成部分的基本情况和作用； ad590 是 ad 公司利用 pn 结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两 端温度传感器。实际上，中国也开发出了同类型的产品 sg590。这种器件在被 测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精 度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在 515v 之间变化，其电流只是 在 1a 以下作微小变化。 2.12.12.12.1 ad590ad590ad590ad590 的功能及特性的功能及特性的功能及特性的功能及特性 ad590 是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。 根据特性分挡，ad590 的后缀以 i、j、l、m 表示。ad590l，ad590m 一般用 于精密温度测量电路，其电路外形如图 1 所示，它采用金属壳 3 脚封装，其中 1 脚为电源正端 v；2 脚为电流输出端 i0；3 脚为管壳，一般不用。集成温度 传感器的电路符号如图 2-2 所示。 图 2-2ad590 外形（图 1）及电路符号（图 2） ad590 的主特性参数如下： 工作电压：430v； 工作温度：55150； 保存温度：65175； 正向电压：44v； 反向电压：20v； 焊接温度（10 秒） ：300； 灵敏度：1ak。 2.22.22.22.2 ad590ad590ad590ad590 的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 在被测温度一定时，ad590 相当于一个恒流源，把它和 530v 的直流电 源相连，并在输出端串接一个 1k的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将 和被测温度成正比，此时电阻两端将会有 1mvk 的电压信号。其基本电路如 图 2-3 所示。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - - - - - + + + + t 4 t 3 r u b e t2 t1 电 源 e s i 1 i 2 输 出 r l 1 i 图 2-3ad590 内部核心电路 图 2-3 是利用ube 特性的集成 pn 结传感器的感温部分核心电路。其中 t1、t2 起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流 i1 和 i2 相等；t3、t4 是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但 t3 实质上是由 n 个晶体 管并联而成，因而其结面积是 t4 的 n 倍。t3 和 t4 的发射结电压 ube3 和 ube4 经反极性串联后加在电阻 r 上，所以 r 上端电压为ube。因此，电流 i1 为： i1uber（ktq） （lnn）r(2-1) 对于 ad590，n8，这样，电路的总电流将与热力学温度 t 成正比，将此 电流引至负载电阻 rl上便可得到与 t 成正比的输出电压。由于利用了恒流特 性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图 2-3 中的电阻 r 是在硅 板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可 得到 1ak 的 i 值。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - r r r r1 1 1 1 2 6 02 6 02 6 02 6 0 r r r r2 2 2 2 1 1 1 1. . . .0 40 40 40 4k k k k t t t t1 1 1 1 t t t t2 2 2 2 t t t t6 6 6 6 t t t t1 01 01 01 0 t t t t9 9 9 9 t t t t8 8 8 8 t t t t7 7 7 7 t t t t5 5 5 5 t t t t3 3 3 3 t t t t1 21 21 21 2 c c c c1 1 1 1 t t t t1 11 11 11 1 t t t t4 4 4 4 r r r r3 3 3 3 r r r r4 4 4 4 1 11 11 11 1k k k k 2 62 62 62 6 p fp fp fp f 1 1 1 1 8 2 08 2 08 2 08 2 0 5 5 5 5k k k k 1 4 61 4 61 4 61 4 6 v v v v- - - - v v v v+ + + + r r r r5 5 5 5 图 2-4ad590 内部电路 图 2-4 所示是 ad590 的内部电路，图中的 t1t4 相当于图 3 中的 t1、 t2，而 t9，t11 相当于图 3 中的 t3、t4、r5、r6 是薄膜工艺制成的低温度系 数电阻，供出厂前调整之用。t7、t8、t10 为对称的 wilson 电路，用来提高阻 抗。t5、t12 和 t10 为启动电路，其中 t5 为恒定偏置二极管。t6 可用来防止 电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。r1，r2 为发射极反馈电 阻，可用于进一步提高阻抗。t1t4 是为热效应而设计的连接方式。而 c1 和 r4 则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得 t9、t10、t11 三者的发射极电 流相等，并同为整个电路总电流 i 的 13。t9 和 t11 的发射结面积比为 8： 1，t10 和 t11 的发射结面积相等。t9 和 t11 的发射结电压互相反极性串联后 加在电阻 r5 和 r6 上，因此可以写出： ube（r62 r5）i3(2-2) r6 上只有 t9 的发射极电流，而 r5 上除了来自 t10 的发射极电流外，还有来 自 t11 的发射极电流，所以 r5 上的压降是 r5 的 23。根据上式不难看出，要 想改变ube，可以在调整 r5 后再调整 r6，而增大 r5 的效果和减小 r6 是一 样的，其结果都会使ube 减小，不过，改变 r5 对ube 的影响更为显著，因 为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正 r5 以进行粗调，修正 r6 以实 现细调，最终使其在 250之下使总电流 i 达到 1ak。 2.32.32.32.3 数字显示温度计的设计数字显示温度计的设计数字显示温度计的设计数字显示温度计的设计 ad590 具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干 扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。可广泛应用于各种冰箱、空调 器、粮仓、冰库、工业仪器配套和各种温度的测量和控制等领域。下面给出用 ad590 构成数字显示温度计的设计过程。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 2.3.12.3.12.3.12.3.1 测温电路的设计测温电路的设计测温电路的设计测温电路的设计 在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于 ad590 为电流输出元 件，它的温度每升高 1k，电流就增加 1a。当 ad590 的电流通过一个 10k的 电阻时，这个电阻上的压降为 10mv，即转换成 10mvk，为了使此电阻精确 （01） ，可用一个 96k的电阻与一个 1k电位器串联，然后通过调节电 位器来获得精确的 10k。图 2-5 所示是一个电流电压和绝对摄氏温标的转 换电路，其中运算放大器 a1 被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。 而运放 a2 的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给 a2 的同相输入端输入一个 恒定的电压（如 1235v） ，然后将此电压放大到 273v。这样，a1 与 a2 输 出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。 - + + + + a1 - + + + + a2 +9v a d5 9 0 5 0 05 0 05 0 05 0 0k k k k r r r r2 2 2 2 c c c c 1 0 01 0 01 0 01 0 0m vm vm vm v/ / / /c c c c r pr pr pr p2 2 2 2 3 0 03 0 03 0 03 0 0 r r r r4 4 4 4 1 1 1 1k k k k 1 01 01 01 0f f f f/ / / /2 52 52 52 5v v v v c wc wc wc w3 8 53 8 53 8 53 8 5 1 01 01 01 0 m vm vm vm v/ / / /k k k k r pr pr pr p1 1 1 1 1 1 1 1k k k k r r r r1 1 1 1 9 9 9 9. . . .6 6 6 6k k k k 1 1 1 1. . . .2 3 52 3 52 3 52 3 5v v v v - - - - + + + + 1 1 1 1k k k k r r r r3 3 3 3 图 2-5ad590 应用电路 将 ad590 放入 0的冰水混合溶液中，a1 同相输入端的电压应为 2 73v，同样使 a2 的输出电压也为 273v，因此 a1 与 a2 两输出端之间的电 压：2732730v 即对应于 0。 2.3.22.3.22.3.22.3.2 a a a ad d d d 转换和显示电路的设计转换和显示电路的设计转换和显示电路的设计转换和显示电路的设计 设计 ad 转换和显示电路具有两种方案。分述如下： （1）用 ad 转换器 mc14433 实现 2 端来控制“”、“”温度的显示。当 ds11，q21 时，显首先将 ad590 的输出电流转换成电压，由于此信号为模拟信号，因此，要进行数码显 示，还需将此信号转换成数字信号。采用 mc14433 的转换电路如图 2-6 所示。 此电路的作用是通过 ad 转换器 mc14433 将模拟信号转换成数字信号，以控 制显示电路。其中 mc14511 为译码锁存驱动电路，它的输入为 bcd 码， 输出为七段译码。led 数码显示由 mc14433 的位选信号 ds1ds4 通过达林 顿阵列 mc1413 来驱动，并由 mc14433 的 ds1、q 示为正；q20 时，显示为 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 负。 v v a d s1 -vref e o c d u v b 1 4 q0 q1 q2 q3 v ss o r v 3 d s4 c1k0 d s3d s2 87654 2.0 0 0v 2 9 1 r1/c c o1 r1 c1c o2 c1k1 参 考 电 压 1 0 2 3 2 2 2 1 1 1 2 0 a 3 0 0k 1 91 81 7 2 4 1 5 1 3 1 6 6 2 1 v ss e c d b a g 7 f e d c b a 4 8 5 m c 1 4 5 1 1 d c b 1 3 1 2 5 6 0 +5v 显 示 器 d p1 g f e 3 2 1 1 4 1 5 9 1 0 1 1 （3.8） 6 5 4 7 1 4 1 6 1 5 1.2k 1 1 1 2 1 3 4 7 0k m c1413 m c1413 5 6 0 m c14433 0.1f0.1f 图 2-6a/d 转换和数码显示电路框图 （2）用 icl7106 来实现 采用 icl7106 的 ad 转换及 lcd 显示电路框图如图 2-7 所示。其中， icl7106 是 3 位半显示的 ad 转换电路，它内含液晶显示驱动电路，可用来 进行 ad 转换和 lcd 显示驱动。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - - - - -5 5 5 5v v v v in tin tin tin t r e flr e flr e flr e fl o s co s co s co s c1 1 1 1 o s co s co s co s c2 2 2 2 o s co s co s co s c3 3 3 3 i ni ni ni n+ + + + c o mc o mc o mc o m i ni ni ni n- - - - r e f hr e f hr e f hr e f h a a a a/ / / /z z z z bu ffbu ffbu ffbu ff 2 2 2 2- - - -2 02 02 02 0 2 02 02 02 0- - - -2 52 52 52 5 d pd pd pd p1 1 1 1 l c dl c dl c dl c d v v v v- - - - + + + +crefcrefcrefcref - - - -crefcrefcrefcref v v v v+ + + + b pb pb pb p 0 0 0 0. . . .1 1 1 1f f f f ic lic lic lic l7106710671067106 c c c c5 5 5 5 + + + +5 5 5 5v v v v 输 入输 入r r r r1 1 1 1 c c c c2 2 2 2 1 1 1 1mmmm r r r r2 2 2 2 1 0 01 0 01 0 01 0 0p fp fp fp f 0 0 0 0. . . .0 10 10 10 1f f f f c c c c1 1 1 1 参 考 电 压参 考 电 压 + + + +5 5 5 5v v v v c c c c4 4 4 4 0 0 0 0. . . .2 22 22 22 2f f f f r r r r3 3 3 3 0 0 0 0. . . .4 74 74 74 7f f f fc c c c4 4 4 4 4 74 74 74 7k k k k r r r r4 4 4 4 3 93 93 93 9k k k k r r r r5 5 5 5 r pr pr pr p3 3 3 3 2 02 02 02 0k k k k 1 01 01 01 0k k k k 1 0 01 0 01 0 01 0 0k k k k 图 2-7a/d 转换和 lcd 显示 2.42.42.42.4 t89c51t89c51t89c51t89c51 单片机单片机单片机单片机 at89c51 单片机是由北京集成电路设计中心在mcs-51单片机的基础上精 心设计，由美国atmel公司生产的至今为止是世界上最新型的高性能八位单片 机。 2.4.12.4.12.4.12.4.1 at89c51at89c51at89c51at89c51 单片机的特点单片机的特点单片机的特点单片机的特点 1. at89b51 与 mcs-51 系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容。 2. 片内有 4k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器。 3. 全静态工作，工作频率范围 ：0hz24hz。 4. 三级程序存储器加密。 5. 1288 位内部 ram。 6. 32 位双向输入输出线。 7. 两个十六位定时器/计数器。 8. 五个中断源，两级中断优先级。 9. 一个全双工的异步串行口。 10. 间歇和掉电工作方式。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 2.4.22.4.22.4.22.4.2 at89c51at89c51at89c51at89c51 单片机的功能描述单片机的功能描述单片机的功能描述单片机的功能描述 at89c51 是一种低损耗、高性能、cmos 八位微处理器，片内有 4k 字节 的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除解 1000 次，数据保 存时间为十年。它与 mcs-51 系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅 可完全代替 mcs-51 系列单片机，而且能使系统具有许多 mcs-51 系列产品没 有的功能5。 at89c51 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的 可靠性，降低了成本。只要程序长度小于 4k，四个 i/o 口全部提供给用户。可 用 5 伏电压编程，而且擦写时间仅需 10 毫秒，仅为 8751/87c51 的擦除时间的 百分之一，与 8751/87c51 的 12 伏电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电 源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽 2.76v，全静态工作，工作频率宽，在 0hz24hz 内，比 8751/87c51 等 51 系列的 6hz12hz 更具有灵活性，系统能快能慢。at89c51 芯片提供三级程 序存储器加密，提供了方便灵活而且可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系 统不被仿制6。 另外，at89c51 还具有 mcs-51 系列单片机的所有优点。1288 位内部 ram。32 位双向输入输出线。两个十六位定时/计数器。5 个中断源，两级中断 优先级，一个全双工异步串行扣及时钟发生器等。 2.4.32.4.32.4.32.4.3 at89c51at89c51at89c51at89c51 单片机的管脚功能单片机的管脚功能单片机的管脚功能单片机的管脚功能 at89c51 单片机位 40 引脚的芯片，如图 2-8 所示7。 （1）i/o 口线：p0、p1、p2、p3 共四个八位口 p0 口是三态双向口，统称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部 储器的读/写操作。p0 口也可以用以输出外部存储器的低 8 位地址。由于是分时 输出，故应在外部家加存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用 ale。 p1 口是专门供用户使用的 i/o 口，是准双向口。 p2 口是从系统扩展时作高 8 位地址线用。不扩展外部存储器时，p2 口也可 以作为用户 i/o 口线使用，p2 也是准双向口。 p3 口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一 i/o 功能或第二 i/o 功能。作为第一功能使用时操作同 p1 口。p3 口的第二功能如表 2-1 所示 表 2-1 p3 口的第二功能 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - p3.0 p3.1 p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7 第一功能标记第 二 功 能 r x d t x d n t0 n t1 t0 t1 w d r d 串 行 输 入 口 串 行 输 出 口 外 部 中 断0输 出 外 部 中 断1输 出 定 时/计 数 器0外 部 输 入 定 时/计 数 器1外 部 输 入 外部数据存储器写选通 外部数据存储器读选通 （2）控制口线：psen（片外取控制） 、ale（地址锁存控制） 、ea（片外 存储器选择） 、reset（复位控制） ； （3）电源及时钟：vcc、vss、xtal1、xtal2 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 02 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 a t8 9c5 1 p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 r s t rxd p3.0 txd p3.1 in t0 p3.2 in t1 p3.3 t0 p3.4 t1 p3.5 w r p3.6 rd p3.7 x ta l2 x ta l1 g n dp2.0 (a8) p2.1 (a9) p2.2 (a1 0) p2.3 (a1 1) p2.4 (a1 2) p2.5 (a1 3) p2.6 (a1 4) p2.7 (a1 5) p s e n ale / pr o g ea / v p p v c c p0.0 (a d0) p0.1 (a d1) p0.2 (a d2) p0.3 (a d3) p0.4 (a d4) p0.5 (a d5) p0.6 (a d6) p0.7 (a d7) 图 2-8at89c51 芯片 2.4.42.4.42.4.42.4.4 at89c51at89c51at89c51at89c51 单片机的操作方式单片机的操作方式单片机的操作方式单片机的操作方式 （1）程序存储器加密8 at89c51 芯片程序存储器有三级硬件加密，能够有效地保证系统不被仿制 和软件不被复制，加密等级设置表读表 2-2。 （2）工作模式 at89c51 有间歇和掉电两种工作模式。 间歇模式是由软件来设置的，当外围器件仍然处于工作状态时，cpu 可根 据工作情况适时地进入睡眠状态，内部 ram 和所有特殊的寄存器值将保持不 变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 表 2-2at89c51 芯片加密等级设置表 程 序 存 储 器 加 密 l b1 l b2 l b3 1 u u u 2 u u u 3 u u u 4 u u u 加 密 类 型 程 序 存 储 器 不 加 密 mo v c 指 令 可 以 执 行 外 部 存 储 器 代 码 ，但禁 止 从 内 部 存 储 器 读 出 代 码 ， 禁 止 再 次 刷 新 mo v c指 令 可 以 执 行 外 部 程 序 存 储 器 代 码 ， 但 禁 止 从 内 部 存 储 器 读 出 代 码 ， 禁 止 再 次 刷 新 ， 而 且 禁 止 效 验 mo v c指 令 可 以 执 行 外 部 程 序 存 储 器 代 码 ， 但 禁 止 从 内 部 存 储 器 读 出 代 码 ， 禁 止 再 次 刷 新 ， 而 且 禁 止 效 验 ， 禁 止 执 行 外 部 指 令 掉电模式是 vcc 电压低于电源下限，振荡器停振，cpu 停止执行命令。 该芯片内 ram 和特殊功能寄存器值保持不变，直到掉电模式被终止。只有 vcc 电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定震荡后，通过硬件复位掉电模 式可被终止。 2.52.52.52.5 8155815581558155 和和和和 ledledledled 数码显示器数码显示器数码显示器数码显示器 输入输出接口是单片机系统中的不可缺少的组成部分，而 8031 单片机有 3 个并行接口，故设计应用系统时一般需要在片外扩展 i/o 接口，扩展方式主要 有总线扩展法和串行口扩展法9。 在本系统中，我们采用可编程接口电路。所谓可编程接口电路是指其功能 可由微处理机的指令来加以改变的接口芯片。可编程接口程序芯片利用编程序 的方法，可使一个接口芯片执行多种不同的接口功能，因此使用十分灵活，用 它来连接微处理机和外设时，不需要或只需要很少的外加硬件。本监控系统采 用的是 intel8080/8085 微型机系列的外围接口芯片 8155。由于 mcs-51 单片 机直接连接使用。下面介绍一下本系统使用的 8155 可编程接口芯片。8155 芯 片的结构框图及引脚如图 2-9 所示。 由上图可知，intel8155 是具有 40 条引脚的双列直插式的 ram/io/ctc 扩展期间9。它含有：256 个字节的 ram 存储器，二个 8 位可编程的输入/输出 转接口，一个 6 位可编程的输入/输出转接口，还包含一个 14 位可编程的计数 器/定时器。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 19 - 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 8 9 1 0 7 1 1 6 3 45 2 1 3 9 3 8 3 7 3 6 3 5 3 4 3 3 3 2 3 1 3 0 2 9 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1a d0 a d1 a d2 a d3 a d4 a d5 a d6 a d7 c e r d w r i o/m a l e tmr out tm r in reset p c0 p c1 p c2 p c3 p c4 p c5 p b0 p b1 p b2 p b3 p b4 p b5 p b6 p b7 p a0 p a1 p a2 p a3 p a4 p a5 p a6 p a7 8155h 图 2-9 8155h 芯片结构 其引脚的一些功能说明如下： reset：复位信号输入端，高电平有效。当 reset 端点加上 5s 左右宽的 正脉冲时，8155 开始复位，把 3 个输入/输出转接口都初始化成输入方式。 ad0ad7地址/数据线：它采用分时区分地址及数据信息，通常与单片 机 mcs-51 的低八位地址/数据线相连。其地址码可以是 8155 中 ram 单元地址 或 i/o 转接口地址。ad0-ad7 上的地址信息由 ale 的下降沿锁存到 8155 内部 的地址锁存器中，与 rd/wr 信号相配合，传送输入/输出数据。 ce： 片选信号线，低电平有效。它与地址信息一起由 ale 信号的下降沿 锁存到 8155 内部的锁存器中。 io/m：ram 存储器和 i/o 口选择线。io/m=0 时，选择片内 ram，ad0- ad7 上的地址信息为 8155 中的 ram 单元地址。io/m=1 时，选择输入/输出转 接口，ad0-ad7 上的地址信息为 i/o 口地址码。它利用 ale 信号的下降沿将 此信息锁存到片内锁存器。 rd：读信号，低电平有效。当 ce=0，rd=0 时，将 8155 片内的 ram 单 元或 i/o 口中的内容传到 ad0-ad7 总线上去。 wr：写信号，低电平有效。当 ce=0，wr=0 时，将 cpu 输出到 ad0- 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 20 - ad7 总线上的信息写到片内 ram 单元或 i/o 口中。 ale：允许地址锁存信号。ale 信号的下降沿将 ad0-ad7 总线上的地址 信息和 ce 及 io/m 信号都锁存到 8155 内部锁存器中。 vss：接地端。 vcc：接-5v 电源。 timerin：记时器输入端，它是片内定时器/计数器的脉冲信号输入端。 timeout：计数器输出端，它可以是矩形波输出或脉冲信号输入，这取决 于所用方式。 pa0-pa7：a 口通用的输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来规定输 入/输出。 pb0-pb7：b 口通用的输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来规定输 入/输出。 pc0-pc5：可用编程的方法来决定 c 口用作通用的输入/输出线或 a 口，b 口数据传输的控制应答联络线。 2.5.12.5.12.5.12.5.1 8155815581558155 的工作方式与基本操作的工作方式与基本操作的工作方式与基本操作的工作方式与基本操作 8155 可作为通用 i/o 口，也可作为片外 256 字节 ram 及定时/计数器使 用，在各种不同种类下使用时的基本操作叙述如下： 作为片外 256 字节 ram，在使用这种工作状态时，将 io/m 引脚置于低电 平，这时pa、pb、pc 口的口地址低八位分别为 1、2、3。 8155 的 i/o 口工作方式的选择是通过对 8155 内部的寄存器送命令字来实现 的。命令寄存器由 8 位锁存器组成，只能写入不能读出。8155 工作状态由状态 寄存器指出，于命令寄存器属于同一地址，只能读出不