毕业设计-基于单片机控制的风光互补发电系统设计.doc

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书目 录引言1 第一章 概述21.1 课题来源21.2 系统简述3第二章 8031单片机系统简介7 2.1 8031引脚描述72.2 存储器配置92.3 中央处理器102.4 复位状态及复位电路112.5 系统的地址译码 112.6 定时器/计数器122.7 中断系统13第三章 8031单片机最小应用系统的设计163.1 eprom（2764）163.2 ram（6264）163.3 adc0809逐次逼近式8位a/d转换器163.4 8255a可编程并行接口193.5 74ls138译码器243.6 74ls373八d锁存器253.7 74ls123再触发单稳态多谐振荡器263.8 555定时器27第四章 8031单片机的扩展294.1 程序存储器的扩展 294.2 数据存储器的扩展304.3 并行i/o口的扩展304.4 显示接口电路32第五章 部分硬件电路的设计345.1 “看门狗”电路345.2 分频电路355.3 模拟量输入电路365.4 精密电源 365.5 光电隔离工作电路375.6 时钟产生电路38第六章 抗干扰问题39第七章 软件设计407.1 程序流程图417.2 程序46结 论54参考文献55附 录56谢 辞57引 言电力在现实生活中占主导地位，但是受客观环境的限制，有些地区根本无法实现电业的发展和建设。为了弥补传统电力的不足，我们设计了风光互补发电系统。此系统就是利用风和光两种自然能源相互补充发电，由太阳能电池板与风力发电机发电，经蓄电池充电，给负载供电的一种新型能源。它既不消耗任何矿物燃料，又完成了对自然能源的合理利用。此系统可以应用于微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路、无电扇区、村庄、海岛的电力提供。而且为了适应偏远地区不便利的地理环境。风光互补发电控制系统几乎完成了智能化，免维护。尤其适合在内蒙古风力大的偏远山区。本次设计就是对风光互补发电系统的详细介绍。设计中对整个发电系统作了简要介绍，但对系统所用的单片机、其他芯片及附加电路作了详细介绍。并介绍了系统中的抗干扰措施。最后介绍了系统的软件设计。由于我所学知识和时间有限，设计中有不少漏洞和不足，敬请老师给与批评和指正。谢谢。第一章 概 述在我们的日常生活中，所用电力几乎都是由传统的电力提供的，但是受到外界环境限制，它并不能遍及每一个用电领域。于是我们需要开发新的独立的供电系统。1.1 课题来源在当今世界，电已经成为人们生活中最常用的动力来源，随着人们生活水平的不断提高和技术进步，人们对电的依赖越来越强。无论是农业、工业还是新型的第三产业，用电量都在逐年增加，几乎可以说，没有电能，人民的生活将陷入高度的无秩序状态。也正是因为电力在人们的生活中占的比重越来越大，才使得人们生活的地区差异表现的越来越明显。因为我们知道，传统的电力行业以消耗煤等矿物燃料为主，生产过程中科学技术的要求也比较高，随之带来的环境污染也比较严重。这就使得有些根本不具备发展传统电力的条件。比如说，我们知道我国的能源分布具有很大的不均衡性，有些偏远地区，如农牧区、山区、沿海以及岛屿等地，部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站，都需要低成本、高可靠性的独立电源系统，但是因为地方上根本就没有矿物燃料的存储，甚至因为地区偏远，对于燃料的运输都几乎不可能；而还有些地区，则由于人力资源不丰富，长时间以来也一直很难建设自己的电力事业，也就限制和制约了许多用电行业的的发展；当然越来越严重的环境污染问题，也不由得让我们在电力的建设发展上小心又谨慎。这种种情况造成了我国许多地方的人民，在日常生活中长期承受着电力缺少的困难。从这些客观的条件中我们可以看出，在远离电网的地区，建立独立供电系统成为人们最需要的电源。哪种独立电源最合理，这是人们一直在研究和探讨的问题。如今我们发现风和光等自然能源，在部分地区很丰富，而且这些能源清洁无污染，取之不尽，用之不竭，对它们的合利用既可以节省矿物燃料，又能给人们带来很大方便，是理想的能源。于是智能化风光互补发电控制系统就应用而生了。风光互补发电控制系统就是利用风和光两种自然能源相互补充发电，在不消耗任何矿物燃料的情况下提供可靠的免费电力，为农牧区、山区、沿海以及岛屿等边远地区的人民解决缺少电力的困境。它的工作原理很简单，就是永磁交流发电机，利用风能发出三项交流电；光电池板则在太阳能的照射下，自动的将太阳能转化为电能。二者所发的电共同为蓄电池供电。其间微机控制系统是整个发电系统的核心部件，它完成对系统的监测、报警、信号传输以及问题处理、自动维护等工作，也就是让整个系统几乎实现了智能化。1.2 系统简述风光互补发电系统的硬件设计中，为了实现智能化，为了保证蓄电池既不过充，也不过放，系统设置了蓄电池电压控制系统；对于继电器在指令执行后，是否按要求动作，系统设置了继电器动作检测，并且对故障状态设置了报警显示电路，为了让单片机8031在执行程序后能正常复位，系统设置了看门狗电路，等等。不只在电路设计上这样，在参数选择上也有讲究，比如说，在系统设置经济合理，简单明了的前提下，系统选择了6q90型号的蓄电池，因为它重量轻，体积小，而且充放电循环次数多，也就是说电池的使用寿命长；继电器选择jtx1型的小型继电器，大大减少了系统总重量和占地面积。下面对系统作简要介绍。系统的原理方框图如下图1-1风光互补发电系统原理图从图中我们可以看出，它的主要组成设备有：（1）风力发电机：采用200w永磁交流发电机 风机特点：（a）具有特别适合大多内陆地区低风速、时发电特性好、发电量大的特点。（b）具有机械、电子刹车装置，可以确保在高风速时，风机转速稳定控制在安全可靠的范围内，使最高输出电压成为安全可控的电压。（2）太阳能光电池板：采用100w/14v 0.6的硅光电池，它能将太阳能转化为电能，属于一种半导体元件，它的特点如下：（a）它是转换效率高达15%的单晶硅太阳能电池板。（b）具有抗风、防潮、工作稳定、无需维护等特点。其结构图如下：图1-2 光电池板结构图它实质上是一个大面积的半导体pn结，用单晶硅制成，分为zcr和zdr两种类型。其中zcr硅光电池以n型单晶硅制造，zdr以p型单晶硅制造，其工作原理是光生伏特效应，即在热平衡条件下pn结能够弯曲，在热势垒区内电场的方向由n指向p。当有光照时，可以把自己的能量传给价带中的电子，使得电子获得足够的能量，从价带中跳到导带，即从束缚状态变为自由状态，与此同时，在价带中产生空穴，在结的势垒区内产生光生电子、空穴时，它们会被结电场拉开：电子被推到n区，空穴被推到p区，由于电子和空穴在n区和p区积累，n区和p区两端就产生了电动势，即产生电流。（3）铅酸蓄电池： 规格：90安时 12伏 蓄电池的选择要求：重量轻、体积小、能量转换率高、自放电慢、充放电循次数多（即使用寿命长）等。其次，还有些特殊要求如低温时能大电流放电、维护简单或无需维护、自放电（析氢）特别慢等。图1-3 蓄电池型号本系统选择6q90型铅酸蓄电池两块串联，该电池用直流电源充电，因而风力发电机发出的交流三相电应该经过整流后供给电池。为了避免蓄电池过充过放将蓄电池的电压控制在202428v之间。（4）微机控制系统微机控制系统是整个设计的核心内容。它是整个系统安全运行的基本保证。另外本系统受应用环境的要求，本身就要求实现免维护。所以无论从硬件系统还是软件系统都要对系统有保护作用。例如在本系统硬件设计中有蓄电池电压控制，因为直流充电的蓄电池，要求电压控制在202428v之间，才能安全使用，不至于被烧坏。所以电压控制用来保证其既不过充又不过放；继电器工作要求是：在接受到指令后，要按指令要求来动作。而且一旦出错就要有报警显示。为了实现继电器正常工作，系统设有继电器动作检测，并对故障状态设有报警显示；为了保证整个系统工作的正常，执行动作正确，系统对adc0809的转换也设有转换结果正确与否的检测，并在adc0809不正常工作时报警显示；由于8031芯片执行eprom内程序时，为保证程序在故障死机后，能使8031正常复位，系统又设有“看门狗”电路等等。整个系统是一个严密完整的智能化系统，使用起来方便。由系统框图可以看出，风力发电与太阳能光电池板发电，共同给蓄电池供电（为直流）。此时风力发电机、太阳能电池板和蓄电池又共同为直流负载供电（风力发电机发出的电经过三相整流后便为直流）。微型单片机系统对蓄电池两端电压进行检测：若蓄电池过充，则使继电器1c动作，接通泄载电路，不再为蓄电池供电；若检测结果是蓄电池过放，则使继电器2c动作，断开负载电路，不再为负载供电，而给蓄电池充电。为保护人为地误操作给系统带来不利，我们又增加了二极管d1、d2和d3，它们的作用如下：d1的作用是三相整流的二极管组。因为蓄电池供电要求直流电压。而风力发电机所发的是三相交流电。为了把交流电能转换为直流电能，增设的三相整流二极管组。d2的作用是防止泄载时蓄电池也在泄电流。d3的作用是防止在光电板内产生倒向电流，使得光电板遭到破坏。综上所述，系统的整体结构是非常合理的，因此也就决定了它有很多特点，比方说： 独立供电 安装方便 无人值守 维护量少 搬迁方便 一次性投资，免交电费 无污染，属于环保能源这些都使得它比同样的发电系统有了很大优势，同时智能化风光互补发电控制的使用范围也很广，例如： 适应于偏远地区无法供电的场所。 适用于无人职守用电设备的供电。 适用于中小型供电场所（100w200w）。 在有电池房的条件下，可以工作在零上40度、零下40度，湿度可达095%，瞬间承受风力达12级。 在中小型供电时与普通拉线方式相比有着明显的优势。 本系统为纯绿色能源系统。太阳能电池组件与风力发电机有机地组配成一个系统，可充分发挥各自的特性和优势，最大限度的利用好大自然赐予的风能和太阳能。对于用电量大、用电要求高，而风能资源和太阳能资源又较丰富的地区，风光互补供电无疑是一种最佳选择。这些优点正是传统电力所无法满足的要求，所以说智能化风光互补发电控制系统是一种补充传统电力不足的理想发电系统。接下来的文章中，我们对系统的工作原理、硬件组成及各自工作情况、软件设计等方面作详细的介绍。第二章 8031单片机系统简介单片机是一种高度集成的芯片，它的内容是一台完整的微型计算机。由于体积小，使得它在计算机外部设备，过程及工业控制设备等领域应用广泛。单片机是按工业标准设计的，所以它有很好的环境适应能力和抗干扰能力。有很好的可靠性。目前世界上常用的单片机有8051、mc6805、和mpd7811系列。本设计主要采用8031单片机作为微机控制的核心。2.1 8031单片机的组成8031型号的单片机属于单片机mcs-51系列，为cmos芯片。它的内部只有128字节的数据存储器（ram），而无程序存储器（rom）。8031单片机是在一块芯片上集中了cpu、ram，定时器/计数器和多功能的i/o线等计算机所需要的基本功能部件。他们都是通过片内单一总线连接而成。其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有了很大的变化。采用了特殊功能寄存器（sfr）的集中控制方法。8031单片机包含下列部件：(1)一个微处理器（cpu）(2)一个片内震荡器 (3)128字节ram数据存储器(4)两个16位定时器/计数器(5)特殊寄存器(6)32条可编程的i/o端口(7)一个可编程的全双工的串行口(8)具有五个中断两个优先级嵌套中断结构8031是标准的40脚双列直插式集成电路芯片，有些引脚具有两种功能。下面介绍8031的引脚功能和p3口的第二功能。下图为8031的引脚分布图：图2-1 8031引脚分布图引脚功能如下：p0口（3932）：双向i/o口，既可以做地址/数据总线口，也可以作普通i/o口用（此时为准双向口）。p1口（18）：准双向通用i/o口。p2口（2128）：既可做地址总线口输出地址高8位，也可以作普通i/o口用（此时为准双向口）。p3口（1017）：双功能口，既可以作普通i/o口（此时为准双向口），也可以按每位的定义实现第二功能操作。如表（2-1）所示：（30）：ale是地址锁存允许信号。它的基本作用是把cpu从p0口分时送出的地址低8位字节锁存在一个外加的锁存器中。此外由于ale是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲（在不访问外存时也这样），可以做系统中其它芯片的时钟源。rst/vpd（9）：rst为复位信号。当输入的复位信号延续2个机器周期以上的高电平即可完成单片机的复位初始化的操作。第二功能vpd为掉电保护备用电源的输入端。当电源发生故障，电压降到下限时，备用电源经此端向内部ram提供电压，以保护内ram中的信息不丢失。（31）：为内部和外部程序存储器选择线。=0时，访问外部rom0000hffffh；=1时，地址0000h0fffh空间访问内部rom，地址1000hffffh空间访问外部rom。（29）：外部程序存储器读选通信号，低电平有效。xtal1（19）和xtal2（18）：使用内部振荡电路时，用来外接石英晶体和电容；使用外部时钟时，xtal2接外部振荡信号输入端，xtal1接地。vcc（40）：电源+5v。vss（20）：接电源地。表2-1 p3口的第二功能口线第二功能信号名称p3.0rxd串行输入口p3.1txd串行输出口p3.2外部中断0输入p3.3外部中断1输入p3.4t0定时/计数器0外部输入p3.5t1定时/计数器1外部输入p3.6外部数据存储器写选通p3.7外部数据存储器读选通2.2 8031单片机的存储器单片机的存储器有程序存储器（ram）与数据存储器（rom），在使用时是严格区分的，不得混用。程序存储器存放指令及常数、表格等；数据存储器则存放缓冲数据。（1）程序存储器8031的内部没有程序存储器，地址从0000hffffh都是外部程序存储器空间。应始终接低电平，使程序只从外部存储器中取指。程序存储器的操作完全是由程序计数器（pc）控制。pc值指向程序操作码单元，则程序执行该指令操作；pc值指向常数、表格单元，则实现取数、查表工作。因此，程序存储器的操作为程序运行与查表操作两类。8031单片机在系统复位后，pc值为0000h，故从0000h单元开始取值，以执行程序，所以系统起始地址为0000h，一般在0000h0002h单元安排一条转移指令，指向用户主程序。其原因是在0003h开始的地址区规定为8031的5个中断源的中断服务程序入口。 （2）数据存储器数据存储器用以存放和读取数据，它不能存放和执行程序指令。数据存储器在物理上和都可分为两个地址空间：内部数据存储器和外部数据存储器。内部数据存储器（ram）的地址空间为00h7fh，128b。外部数据存储器的地址空间为0000hffffh，64kb。由于片内外存储器由不同的指令来访问，故地址重叠不会造成操作的混乱。访问内部ram用mov类指令，访问外部ram用movx类指令。2.3 8031单片机的中央处理器mcs-51单片机内的cpu与其它微处理器一样，是单片机的指挥和执行部件，完成运算和控制功能。在逻辑上它是由8位算术逻辑单元、定时控制部件及专用寄存器组成。（1）算术逻辑单元alumcs-51 的alu具有对8位二进制信息进行加、减、乘、除、比较等算术运算；“与”、“或”、“异货”等逻辑运算及取反、清零、置1等逻辑操作功能，并具有很强的调用、转移、判断操作和很强的数据传送功能。（2）内部寄存器mcs-51片内包括以下寄存器：（1） 工作寄存器组：mcs-51指定内部数据存储器中四组8个字节存储单元为工作寄存器，并编号r0、r1r7。每组的地址分别为00h07h，08h0fh，10h17和18h1fh，具体使用哪一组工作寄存器是由软件对程序状态字的设计来决定的。（2） 寄存器a、b：寄存器a即累加器。算术运算中用于存放操作数和运算结果；在逻辑操作、数据传送等操作中作为源操作数或目的操作数。寄存器b主要用于和累加器配合以执行乘除运算，存放第二个操作数。b也可以作为一般的寄存器使用。（3） 数据指针dptr：这是一个16位寄存器，可以分成两个字节：高字节dph和低字节dpl。其功能是存放16位地址，以指示数据存储器的任何单元。在指令中常用作间接寄存器和基址寄存器。2.4 8031单片机的复位状态及复位电路单片机应用系统工作时，会经常进入复位状态。单片机的复位都是靠外部电路实现的。在时钟电路工作后，只要在reset引脚上出现10ms以上的高电平时，单片机便实现复位。（1）寄存器的复位状态单片机在reset引脚有效电平控制下，程序计数器pc和特殊功能寄存器的复位状态如下表。单片机的复位状态不影响片内ram状态，只要reset引脚端保持高电平，单片机将循环复位。在复位的有效期间，ale、输出高电平。表2-2 寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态pc0000htmod00hacc00htcon00hb00hth000hpsw00hth100hsp07htl000hdptr0000htl100hp0p3ffhscpm00hip（*00000）sbuf（*）ie（0*0000）pcon（0*0000）2.5 8031单片机应用系统的地址译码在单片机应用系统中，所有的外围芯片都是通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。片内有多个字节单元时，还要进行片内地址选择。地址译码规则为：（1）程序存储器与数据存储器地址重叠使用；（2）外围扩展芯片与数据存储器统一编址。它不仅占用数据存储器地址单元，而且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。（3）地址总线宽度为16位，片外程序存储器与数据存储器可直接寻址范围各为64k字节。p2口提供高8位地址（a8a15），p0口经外部锁存后提供低8位地址（a0a7）。由于外围芯片与数据存储器统一编址，因此，单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码方法。本设计中采用的是译码法。译码法是通过对几根高位地址线进行译码，由译码器的输出去控制各外围芯片的片选端。这种译码方式可以将地址空间划分成连续的若干块，分别对应各外围芯片，充分利用了存储空间。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的优点是硬件电路结构简单，但由于所用的片选线都是高地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。2.6 8031单片机的定时器/计数器mcs-51单片机内部设有两个16位可编程的定时器/计数器，即定时器/计数器1和0，分别用t0、t1表示。它由两个特殊功能寄存器tmod和tcon及t0、t1组成。其中tmod为模式控制寄存器，主要用来设置定时器/计数器的操作模式；tcon为控制寄存器，主要用来控制定时器的启动与停止。两个16位的定时器/计数器t0和t1均可以分成2个独立的8位计数器即th0、tl0、th1、tl1，它们用于存定时或计数的初值。它们是一个加1的计数器。tmod：定时器/计数器模式控制寄存器图2-2 方式控制寄存器格式及功能说明图gate：门控位，用来控制定时器启动操作方式。 当gate=0时，定时器只由软件控制位tr0或tr1来控制启停。tri位为1，定时器启动开始工作；为0时，定时器停止工作。 当gate=1时，定时器的启动要由外部中断引脚和tri位共同控制。只有当外部中断引脚或为高时，tr0或tr1置1才能启动定时器工作。：功能选择位。当=0时设置为定时器工作方式；计数脉冲由内部提供，计数周期等于机器周期。当=1设置为计数器工作方式，计数脉冲为外部引脚t0或t1引入的外部脉冲信号。m0 m1：操作模式控制位，2位可形成4种编码，对应于4种操作模式。4种模式定义如下表：表2-3 操作模式控制表m1 m0操 作 模 式0 0模式0，tlx中低5位和thx中8位构成13位计数器，tlx相当于一个5位定时器0 1模式1，tlx和thx构成16位计数器，操作模式同上 但是无定时器1 0模式2，8位自动重装载的定时器/计数器，每当计数器tlx溢出时，thx的内容重新装入tlx1 1模式3，对于定时器0，它分成2个8位计数器；对于定时器1，则停止计数tf1和tf0：分别为定时器1和定时器0溢出标志。当定时器计满产生溢出时，由硬件自动置“1”，并可申请中断。进入中断服务程序后，由硬件自动清0。这两位也可作为程序查询的标志位，在查询方式下应由软件来清0。tr1和tr0：为定时器1和定时器0的启动控制位。当由软件使tri清0而停止定时器的工作。定时器启动时该位应置“1”。ie1和ie0：为外部中断1和外部中断0的中断请求标志位。it1和it0：为外部中断1和外部中断0的触发方式选择位。iti设置为“0”时为电平触发方式；设置为“1”时为边沿触发方式。2.7 8031单片机的中断8031中断系统包括中断源、中断允许寄存器ie、中断优先级寄存器ip、中断矢量等。mcs-51有5个中断源，包括两个外部中断源和三个内部中断源。分别为：外部中断请求0（int0）、外部中断请求1（int1）、内部定时器0（t0）、内部定时器1（t1）和内部串行口。它们可以分为2个优先级，其中每一个中断源的优先级都可用程序排定。5个中断源能否得到响应，受允许中断寄存器ie中各位控制；它们的优先级分别由中断优先级寄存器ip的各位确定；统一优先级内的各中断源同时要求中断时，还要靠内部的查询逻辑来确定响应的次序。不同的中断源有不同的中断矢量。(1) ie (中断允许寄存器) 控制字ie在特殊功能寄存器中的地址为a8h。它的格式以及各位的功能说明如下：图2-3 中断控制寄存器ie格式及功能说明图（2）ip（中断优先寄存器）控制字图2-4 中断优先寄存器 ip格式及功能说明图(3) 同级中断优先级 中断源 中断优先级 1) 外部中断 0 最高 2) 定时器/计数器 t0中断 3) 外部中断 1 4) 定时器/计数器 t1中断 5) 串行口中断 6) 定时器/计数器 t2中断 最低各中断源对应中断服务程序首地址如下：中断源入口地址外中断0 0003ht0中断 000bh外中断1 0013ht1中断 001bh 第三章 8031单片机最小应用系统设计3.1 eprom27648031是片内无程序存储器的供应状态芯片，因此，其最小应用系统必须在片外扩展存储器。本设计使用的片外存储器为eprom。外接程序存储器的地址线a8a15由p2口提供，a0a7由p0口通过地址锁存器提供。地址锁存器的锁存信号为ale。指令数据由p0口读入。程序存储器的取指信号为。3.2 ram62646264是8kb的静态随机存储器芯片。采用cmos工艺制造，单一+5v供电，为28脚双列直插式封装。外接数据存储器的地址线a8a15由p2口提供，a0a7由p0口通过地址锁存器提供。3.3 adc0809逐次逼近式8位a/d转换器adc0809是8路模拟输入的8位模数转换器，逐次逼近式cmos芯片，28线双列直插式封装。芯片的主要部分是一个8位逐次比较式a/d转换器和8位模拟转换电路。转换器以8个时钟周期的时间完成一位转换值，在64个脉冲后完成8位的转换，时钟由外电路提供，典型频率为640khz，8路模拟开关由3位二进制信息控制，以完成对某一路模拟信号转换。转换得到的数字信号锁存在内部的输出锁存器中，由输出允许信号选通锁存器即可在输出线上得到转换结果数据。1 主要特性电源电压 5v分辨率 8位 时钟频率 640khz转换时间 100未经调整误差 1/2lsb和1lsb模拟量输入电压范围 05v功耗 15mw2内部结构 图3-1adc0809内部结构框图adc0809是cmos单片型逐次逼近式ad转换器，内部结构如图3-1所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型da转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，adc0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与ttl兼容。 3外部特性（引脚功能） adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-2所示。下面说明各引脚功能。 in0in7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。adda、addb、addc：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 start： ad转换启动信号，输入，高电平有效。 eoc： ad转换结束信号，输出，当ad转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 oe：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当ad转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。图3-2 adc0809引脚图 clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：基准电压。 vcc：电源，单一5v。 gnd：地。 表3-1 adc 0809地址译码与通道的关系地址cba选通的模拟通道0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1通道0通道1通道2通道3通道4通道5通道6通道7adc 0809通过引脚in0, in1, in7可输入8路单边模拟输入电压。ale将3位地址线adda,addb,addc进行锁存,然后由译码器选通8路中的一路进行a/d转换。地址译码与对应通道的关系如表(3-1)所示。adc0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 ad转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到ad转换完成，eoc变为高电平，指示ad转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当oe输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。4.adc0809与系统总线的连接8031通过74ls138译码器的输出端和读、写控制线来控制转换器的模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。adc 0809的时钟频率为640khz，转换时间为100，微机的时钟频率5mhz或更高一些，因此系统时钟必须经分频器分频后接到adc 0809芯片的clock引脚上。另外，adc 0809的eoc端可在转换结束时发中断请求脉冲，若用中断输入数据的方式则可利用eoc引线。图3-3 adc 0809与系统总线的连接3.4 可编程并行接口8255a8255a是intel86系列微处理机的配套并行接口芯片，它可为86系列cpu与外部设备之间提供并行输入/输出的通道。由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式。所以，用8255a连接外部设备时，通常不用再附加外部电路，给使用者带来很大方便。8255a由以下几部分组成：1.并行输入/输出断口a，b，c8255a芯片内部包含3个8位端口，其中：端口a包含一个8位数据输出锁存/缓冲存储器和一个8位数据输入锁存器；端口b包含一个8位数据输入/输出、锁存/缓冲存储器和一个8位数据输入缓冲存储器；端口c包含一个输入锁存/缓冲存储器和一个输入缓冲存储器。必要时端口c可分为2个4位端口，分别与端口a和端口b配合工作，通常将端口a和端口b定义位输入/输出的数据端口，而端口c可作为状态或控制信息的传送端口。2.a组和b组控制部件端口a与端口c的高4位（pc7pc4）构成a组，由a组控制部件实现控制功能，端口b与端口c的低4位（pc3pc0），由b组部件实现控制功能。他们各有一个控制单元，可接收来自读/写控制部件的命令和cpu通过数据总线（d7d0）送来的控制字，并根据他们来定义各个端口的操作方式。3.数据总线缓冲存储器这是一个三态双向8位数据缓冲存储器，它是8255a与cpu之间的数据接口。cpu执行输出命令时，可将控制字或数据通过数据总线缓冲存储器传送给8255a。cpu执行输入命令时，8255a可将状态信息或数据通过数据总线缓冲存储器向cpu输入。因此它时cpu与8255a之间交换信息的必经之路。4读/写控制部件这是8255a内部完成读/写控制功能的部件，它能接收cpu的控制命令，并根据它们向片内各功能部件发出操作命令。可接收的控制命令如下：（1）片选信号。由cpu输入，通常由端口的高位地址码（a15a2）译码得到，有效，表示该8255a被选中。（2），读、写控制信号。由cpu输入，有效，表示cpu读8255a，应由8255a向cpu传送数据或状态信息。有效，表示cpu写8255a，应由cpu将控制字或数据写入8255a。（3）reset复位信号。由cpu输入。reset有效时，清除8255a中所有控制字寄存器内容，并将各端口置成输入方式。（4）a1和a0端口选择信号。a1a0=00，选择端口a；a1a0=01，选择端口b；a1a0=10，选择端口c；a1a0=11，选择控制字寄存器。由端口地址a1a0和相应的控制信号组合起来可定义各端口的操作方式如下表所示。表3-2 8255a的读写操作控制a1a0操作00010端口acpu01010端口bcpu10010端口c cpu 00100cpu 端口a01100cpu 端口b10100cpu 端口c11100cpu 控制寄存器11010非法操作110数据总线浮空1未选该8255a，数据总线浮空5 8255a芯片的控制字及其工作方式8255a中各端口可有三种基本工作方式：方式0基本输入/输出方式；方式1选通输入/输出方式；方式2双向传送方式。端口a可处于3种工作方式（方式0，1，2），端口b只可处于两种方式（方式0和方式1），端口c常常被分成高4位和低4位两部分，可分别用来传送数据或控制信息。用户可用软件来分别定义3个端口的工作方式，可使用的控制字由定义工作方式控制字和置位/复位控制字。a控制字（1）定义工作方式控制字；格式如图所示。通过定义工作方式控制字可将3个端口分别定义为3种不同方式的组合，当将端口a定义为方式1或方式2或将端口b定义为方式1时，要求使用端口c的某些位作控制用，这时需要使用一个专门的置位/复位控制字来对控制端口c的各位分别进行置位/复位操作。图3-4 8255a工作方式控制字格式（2）置位/复位控制字：只对端口c有效，其使用格式如下图所示。图3-5 8255a置位/复位控制字格式b工作方式（1）工作方式0：这是8255a中各端口的基本输入/输出方式。适用于无条件传送和查询方式的接口电路。它只完成简单的并行输入/输出操作，cpu可从指定端口输入信息，也可向指定端口输出信息。如果3个端口均处于工作方式0，则可由工作方式控制字定义16种工作方式的组合，这种情况下，工作方式控制字的具体格式应如下图所示。图3-6 8255a定义工作方式0控制字格式由控制字中d4d3d1d04位的不同取值可定义方式0的16种工作方式的组合，如表所示。 表3-3 方式0的工作状态组合序号控 制 字d7，d0端 口 a端 口 c高 4 位（pc7pc4）端 口 b端 口 c低 4 位（pc3pc0）11 0 0 0 0 0 0 0输出输出输出输出21 0 0 0 0 0 0 1输出输出输出输入31 0 0 0 0 0 1 0输出输出输入输出41 0 0 0 0 0 1 1输出输出输入输入51 0 0 0 1 0 0 0输出输入输出输出61 0 0 0 1 0 0 1输出输入输出输入71 0 0 0 1 0 1 0输出输入输入输出81 0 0 0 1 0 1 1输出输入输入输入91 0 0 1 0 0 0 0输入输出输出输出101 0 0 1 0 0 0 1输入输出输出输入111 0 0 1 0 0 1 0输入输出输入输出121 0 0 1 0 0 1 1输入输出输入输入131 0 0 1 1 0 0 0输入输入输出输出141 0 0 1 1 0 0 1输入输入输出输入151 0 0 1 1 0 1 0输入输入输入输出161 0 0 1 1 0 1 1输入输入输入输入这种情况下，端口c被分成2个4位端口，它们可分别被定义为输入或输出端口，cpu与3个端口之间交换数据可直接由cpu执行in和out指令来完成，而不提供任何“握手”信息，适于用在各种同步并行传送系统中。3.5 译码器74ls138通过对8031单片机的p2.5，p2.6，p2.7三位地址译码，由74ls138的输出来控制各片选信号。图3-7 74ls138引脚分布图图3-8 74ls138的引脚图 表3-4 3线-8线译码器74ls138的功能表3.6 八d锁存器74ls373系统设计中需要有一个芯片完成对外部程序存储器低位字节的存储，我们选用74ls373来做这个地址锁存器。它的外部引脚和内部功能框图如下图3-9 74ls373外部引脚排列图 图3-10 74ls373工作原理框图图3-11 74ls373引脚图74ls373八所储器是透明的d型锁存器，即当允许端（）是高电平时，q输出跟随数据d输入，当允许端（）为低电平时，输出端将被锁存在已经建立起的数据电平上。在正常逻辑状态（高电平或低电平）或高阻状态，一个被缓冲的输出控制输入端，能用来置8个输出端为一个通常的逻辑状态（高或低逻辑电平）或者一个高阻抗状态，在高阻抗状态下输出既不能加载于总线，也不能驱动总线。真值表如下：表3-5 741b373的真值表3.7 再触发单稳态多谐振荡器74ls123它是d-c触发的多谐振荡器，其特点是有三种方法控制输出脉冲的宽度，基本脉冲时间通过选择外部定时器电阻和电容值来确定，一旦触发，基本脉冲宽度可通过对门控低电平作用（a）或高电平作用（b）的输入端的触发使之延长，或直接清除方法使之缩小。在系统设计中，它与555定时器共同构成“看门狗”电路，延长高电平作用，使得系统正常复位，具体结构和原理在后面介绍。下面是74ls123的引脚排列图和真值表：图3-12 74ls123外部引脚排列图表3-6 74ls123译码表3.8 555定时器555定时器是一种多用途的单片集成电路，利用它能极方便的接成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中得到了应用。图3-13 555定时器工作原理图它由比较器c1和c2基本rs触发器以及集电极开路输出的泄放三极管td三部分组成。是置零输入端。只要在端加上低电平，输出端便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使处于高电平。第四章 8031单片机的扩展通常情况下，采用8031的最小应用系统最能发挥单片机体积小、成本低的优点。但在许多情况下，构成一个工业测、控系统时，考虑到传感器接口、伺服控制接口以及人机对话接口等的需要，最小系统常常不能满足需要，因此，系统扩展是单片机应用系统硬件设计中的重要部分。单片机是系统扩展有程序存储器的扩展、数据存储器的扩展、i/o口扩展、定时器/计数器扩展、中断系统扩展以及其他特殊功能扩展。4.1 8031单片机的程序存储器扩展8031单片机与外部程序存储器之间的连线包括：地址总线、数据总线和控制总线。单片机的p0口和p2的16根i/o线输出地址信号。其中，p2口与eprom高8位地址线连接，直接作为高8位地址a8a15，p0口作为分时复用的 低8位地址/数据线，通过锁存器输出低8位a0a7。单片机的端接地，端与外部程序存储器的输出允许oe连接，ale端与锁存器clk端连接。单片机访问外部存储器时，使用两个控制信号：ale和图4-1 8031与2764连接图ale用于低8位地址锁存信号，在ale的下降沿将地址锁存于外接的锁存器，从而形成低8位地址线。为外部程序存储器读选通信号，用以控制外部存储芯片的输出允许引脚。ea信号是用以控制读片内程序存储器或是读片外程序存储器的。对8031而言，应接低电平，因为它没有内部程序存储器。本设计扩展的外部程序存储器应用的是两片2764eprom。1#2764由74ls138的输出来控制片选信号：其地址为0000h1fffh。2#2764由74ls138的输出来控制片选信号：其地址为2000h3fffh。4.2 8031单片机的数据存储器扩展数据存储器在扩展时，其地址信号与扩展程序存储器是一样的，高八位地址由p2口提供，低八位地址由p0口经锁存器提供。读和写分别由单片机的和信号控制本设计扩展的外部数据存储器应用的是两片6264eprom。1#6264由74ls138的输出来控制片选信号：其地址为4000h5fffh。2#6264由74ls138的输出来控制片选信号：其地址为6000h7fffh。图4-2 8031与6264连接图4.3 8031并行i/o口的扩展对8031芯片而言，因为内部没有程序存储器而需外接存储器芯片，这就占用了p0口和p2口，以作为数据和地址总线。剩下的i/o线就往往不能完全满足要求。所以，在应用系统中经常还需要扩展片外i/o通道。本设计采用8255可编程并行i/o扩展接口接键盘扫描电路。单片机应用系统中，键盘扫描只是cpu的工作内容之一，cpu在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。键盘工作方式的选择应取决实际应用系统中cpu工作的忙、闲情况而定。其原则是既要保证能及时响应按键操作，又要不过多占用cpu的工作时间。通常，键盘工作方式有三种，即：编程扫描、定时扫描和中断扫描。本设计采用编程扫描。cpu对键盘的扫描采取程序控制方式，一旦进入键盘扫描状态，则反复地扫描键盘，等待用户从键盘上输入命令或数据。而在执行键入命令或处理键入数据过程中，cpu将不在响应键入要求，直到cpu返回重新扫描键盘为止。图中为一个4 4矩阵键盘通过8255a扩展i/o口与8031的接口电路原理图，键盘采用编程扫描方式工作，8255a的pc口低4位输出逐行扫描信号，pa口输入4位列信号，均为低电平有效。8255a的a0，a1端分别接与地址线a0，a1上，与p2.7相接，、分别与8031的和相连。8255a的口地址