电力设备无线巡检系统的设计.doc

电力设备无线巡检系统的设计电力设备无线巡检系统的设计 【摘要】本设计阐述了一种新型电力设备巡检系统的结构和设计。该系统基于一体化手持巡检器和计 算机网络技术，前端采用手持机，后台采用基于浏览器，服务器结构的管理系统，可实现线路巡检的信 息化和智能化管理。其中一体化手持巡检器基于单片机模块，并采用复杂可编程逻辑芯片进行硬件逻辑 控制，与基于掌上电脑的手持机相比，专用性更强，性价比更高。我以微机原理与接口技术课程中所学 知识为基础，设计了电力设备巡检系统。本系统以 8031 单片机最小系统为核心，能够实现 8 路设备检 测。该系统通过手持机检测电力设备，经 AD 转换器将采集到的数据转换为数字量，在单片机的控制下 存入外部的数据存储器中。 【关键词】 8031 单片机；外围电路；电力设备巡检。 目录目录 引言 .3 1.概述 .4 1.1 电力设备无线巡检系统设计要求.4 1.2 国内外发展概况.4 1.3 设计目标.5 2.系统总体设计 .6 2.1 总体设计框图.6 2.2 总体设计流程图.9 2.3 总体设计说明.11 3 系统硬件设计 .13 3.1 电力设备巡检系统组成结构.13 3.2 硬件功能描述.16 3.3 存储器扩展电路设计.20 3.4 数据采集电路设计.21 3.5 其它器件设计.22 4 系统软件设计 .28 4.1 软件总体设计.28 4.2 各设计模块.33 4.2.1 键盘扫描模块. .33 4.2.2 显示模块. .36 4.2.3 BCD 码转换模块 .43 5 系统调试.45 5.1 硬件电路调试 .45 5.2 程序调试 .45 致谢 .47 参考文献 .48 英文文献.49 引言 单片机由于其微小的体积和极低的成本，广泛的应用于家用电器、工业控制等领域 中。在电力生产过程中，各种电力设备都可以成为被控参数。单片机电力设备巡检系统， 是利用单片机作为系统的主控制器，测量电力设备数据反馈信号经 A/D 变换后，送入单 片机中进行处理，再由单片机对其数据进行存储或显示。本设计采用 8031 单片机,该单 片机具有集成度高，运算快速快，体积小、运行可靠，价值低廉的特点，适宜于各种等 过程控制。鉴于这样的重要性,我打算设计一种基于单片机电力设备巡检系统,实现对不 同设备数据变化的控制与监测。 1.概述 1.1 电力设备无线巡检系统设计要求电力设备无线巡检系统设计要求 本次设计的巡检系统可以对多达 8 路的通道进行实时检测，采用 8031 单片机进行 数据的采集和控制，并在巡回检测的过程中将采集到的数据存入外部的数据存储器中。 系统测得数据的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流 等模拟信号，再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应数据。本文采用恒 流源做为信号获取电路的方案，恒流源通过电阻值的变化，从引起电压的变化，放大后 经 AD 采用后，送由单片机处理，换算出相应数据。 1.2 国内外发展概况国内外发展概况 电力设备主要包括以发电设备和供电设备两大类，发电设备主要是电站锅炉、蒸汽 轮机、燃气轮机、水轮机、发电机、变压器等等，供电设备主要是各种电压等级的输电 线路、互感器、接触器等等。电力设备巡检管理是有效保证电力设备安全稳定运行的一 项基础工作。传统的巡检监督管理方法难以有效监督巡检人员，导致经常出现由于巡检 不到位、处理不及时而引发的设备事故。因此，现场迫切需要一种实用、方便、有效的 巡检管理系统 。近年来出现一些比较先进和智能化的电力设备巡检系统。它们通过在 设备上安装信息钮、信息螺栓或条形码等自动识别器件，后台采用计算机进行集中管理， 以有效杜绝人为因素影响，有利于及时、客观地考核巡检人员的工作。但仍存在以下局 限性： 安装较为复杂，而且长期暴露在野外，容易遭到损坏。 填写缺陷票仍由巡检人 员现场手工完成，费时、费力且缺陷票填写内容不规范。单片机的一体化手持巡检器 （简称手持机）和基于网络技术的后台管理系统组成的智能电力设备巡检管理系统的原 理、结构和设计方案。本系统可有效克服上述系统的局限性，实现巡线管理的信息化、 网络化和智能化，提高巡检工作效率，保障设备安全运行。进入 21 世纪后，智能电力设 备巡检系统正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟巡检控 制器和网络巡检控制器、研制单片巡检系统等高科技的方向迅速发展。最早的智能巡检 系统，采用的是 8 位 A/D 转换器，其精度较低。目前，国外已相继推出多种高精度、高 分辨力的智能巡检传感器，所用的是 912 位 A/D 转换器，分辨力相当高。为了提高多通 道智能巡检控制器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式 A/D 转换器。新型智能 巡检控制器的测试功能也在不断增强。例如，采用 DS1629 型单线智能传感器增加了实时 日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624 还增加了存储功能，利用芯片内部 256 字 节的 E2PROM 存储器，可存储用户的短信息。另外，智能控制器正从单通道向多通道的方 向发展，这就为研制和开发多路巡检测控系统创造了良好条件。目前，智能控制器的传 感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C 总线、SMBus 总线和 spI 总线。采用的传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通 信。传统的 A/D 转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混 叠噪声及量化噪声的能力比较差。新型智能控制器普遍采用了高性能的 式 A 转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利 用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。 式 AD 转换器不仅能 滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低；由于采用了数字反馈方式，因此比较器 的失调电压及零点漂移都不会影响数据的转换精度。这种智能电力设备巡检控制器兼有 抑制串模块抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。 1.31.3 设计目标设计目标 在本次毕业设计中，主要完成以下几方面的设计目标： 1）简要综述单片机技术发展的国内外现状及在电力设备巡检或其它巡检系统的应用 情况； 2）掌握 MCS-51 系列某种产品（例如 8031）的最小电路及外围扩展电路的设计方法； 3）了解单片机电力设备巡检系统的功能及工作过程； 4）完成主要功能模块的硬件电路设计及必要的参数确定； 5）用一种计算机绘图软件完成原理电路的绘制； 6）完成系统设计说明书 2.系统总体设计 2.12.1 总体设计框图总体设计框图 该电力设备巡检系统主要有三部分组成： 1）8031 单片机基本电路部分； 2）8031 单片机外部程序与数据存储器扩展部分； 3）数据检测及数据采集部分； 相应框图如图 2.1 所示。 图 2.1 总体设计方案功能结构框图 在该系统中，8031 单片机基本电路包括复位电路、晶振电路和锁存电路等部分；存 储器扩展电路主要包括程序存储器（2764）和数据存储器（6116）扩展；数据检测电路 主要由 AD 转换器（0809）和数据检测元件构成。 单片机的工作过程：单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程 序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作 用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应 着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类 的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决 的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令） ，这一 系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器 中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一 样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被 分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地 址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单 元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。 程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执 行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的 地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在 CPU 中） ，在开始执行程序时，给 PC 赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC 在中的内容 就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2 或 3，以指向下一条指令 的起始地址，保证指令顺序执行。 现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本 经济带入到知识经济时代。在电子世界领域，从20 世纪中的无线电时代也进入到 21 世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。现代电子系统的基本核心是 嵌入式计算机系统 (简称嵌入式系统 )，而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式 系统。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能 化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点， 广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿 度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采 用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电 路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪） 。 在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能 化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、 电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不 在。 在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计 算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现 了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列 车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，对讲机等。 单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪， 超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而 不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电 子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信 号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM） ，由微控制器读出，转化为模拟音乐电 信号（类似于声卡）。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、 错误率，也方便于更换。 单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN 总线的汽车发动机智能电子控制器， GPS 导航系统， abs 防抱死系统，制动系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛 的用途。单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一 条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式 写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作； 单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令 系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列 指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令） ，这一系列指令的集合就成 为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存 储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这 些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房 间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的 地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令 就可以被取出，然后再被执行。 程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执 行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的 地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在 CPU 中） ，在开始执行程序时，给 PC 赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC 在中的内容 就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2 或 3，以指向下一条指令 的起始地址，保证指令顺序执行。 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微 控制器，常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单 片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设 备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成复杂的而对体积要求严 格的控制设备当中。 INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后， 单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可 靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。 基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高， 开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后 随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960 系列特 别是后来的 ARM 系列的广泛应用， 32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位， 并且进入主流市场。而传统的8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前，高端的32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1 美元，最高端 的型号也 只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌 入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的 高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows 和 Linux 操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实 上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产 品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及 鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在 工作。汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单 片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC 机和其他计算 机的总和，甚至比人 类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算 机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少 了 I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便 宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理 与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和 硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多， 不过价钱也是低的，一般不超过10 元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的 工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD 等等的家电里面都可 以看到它的身影！它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干 扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其 是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大 力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50 年代开发的 74 系列，或 者 60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB 板！但是 如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为 单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言， 它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高 级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有 家用计算机那样的 CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编 写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K 的尺寸！对于家用 PC 的硬盘 来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率 必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算 机上的操作系统和应用软件拿到家用PC 上来运行，家用 PC 的也是承受不了的。 2 2. .2 2 总总体体设设计计流流程程图图 #01H(R4 ) 开始 是否有键按下？ 子程序返回 N 是否9? Y N 是否清零？ Y Y 调用清零程序 调用功能程序 R4=0？ Y N (61H)=#0ffH ? N Y (R4)-1(R4) （60H）（61H） （A） （60H） #00H（62H） 、 （63H） 调用显示子程序 #0FFH（61H ） N #00H（61H） 图 2.2 总体设计流程图 进入 21 世纪后，智能电力设备巡检系统正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可 靠性及安全性、开发虚拟巡检控制器和网络巡检控制器、研制单片巡检系统等高科技的 方向迅速发展。最早的智能巡检系统，采用的是 8 位 A/D 转换器，其精度较低。目前， 国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能巡检传感器，所用的是 912 位 A/D 转换器， 分辨力相当高。为了提高多通道智能巡检控制器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次 逼近式 A/D 转换器。新型智能巡检控制器的测试功能也在不断增强。例如，采用 DS1629 型单线智能传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624 还增加了存 储功能，利用芯片内部 256 字节的 E2PROM 存储器，可存储用户的短信息。另外，智能控 制器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路巡检测控系统创造了良好 条件。目前，智能控制器的传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线 主要有单线(1-Wire)总线、I2C 总线、SMBus 总线和 spI 总线。采用的传感器作为从机可 通过专用总线接口与主机进行通信。传统的 A/D 转换器大多采用积分式或逐次比较式转 换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。新型智能控制器普遍 采用了高性能的 式 A转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将 模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨 力。 式 AD 转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低；由于采 用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响数据的转换精度。这 种智能电力设备巡检控制器兼有抑制串模块抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本 低等优点。 2.32.3 电力设备巡检系统简介电力设备巡检系统简介 本系统应用于电力设备巡检工作，主要分为基准定位和日常巡检两大工作流程。前 端手持机和后台管理系统相互配合，可有效完成这两大流程所要求的全部工作。本设备 巡检是以 MCS-51 系列 8031 单片机为核心构成的多路电力设备巡检系统。该系统通过单 片机控制，实现对 8 路设备检测点进行实时的数据检测，并把检测数据存储下来。整个 电力设备巡检系统的工作过程为：首先通过传感器将各种设备的状态值转化为模拟电压， 模拟电压经 AD 转换器 AD0809 转变成数字量并送入单片机，单片机则对所转换的数据进 行储存与相应处理。整个系统可分为三个主要功能模块：功能模块一，主要任务是将实 际检测点的状态值先转化为电信号，再通过单片机控制 AD 转换器将模拟电信号转化成数 字信号，完成数据采集；功能模块二，该模块是以 8031 为核心的单片机设备检测控制单 元，完成对所采集的信号进行相应处理；功能模块三，对于 8031 单片机来说，需要外接 程序存储器和数据存储器，分别用来存放单片机控制程序和数据，为此，功能模块三实 际上是由单片机系统的外部程序存储与数据存储扩展电路构成。这三部分相辅相成构成 了电力设备巡检系统的三个部分。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 图 2.3 系统结构框图 设备 1巡检员 A 手持机管理机 设备 n巡检员 X 手持机管理机 WE B 服 务 器 数 据 库 服 务 器 内部网浏 览 3 系统硬件设计 3.13.1 电力设备巡检系统组成结构电力设备巡检系统组成结构 根据前一章中电力设备巡检系统的简介可知，该电力设备巡检系统主要有三部分组 成，分别是 8031 单片机基本电路部分；8031 单片机外部程序与数据存储器扩展部分；数 据检测及数据采集部分。 相应示意图图如图 3.1 所示。 图 3.1 单片机控制多路输出显示示意图 在该系统中，8031 单片机基本电路包括复位电路、晶振电路和锁存电路等部分；存 储器扩展电路主要包括程序存储器（2764）和数据存储器（6116）扩展；数据检测电路 主要由 AD 转换器（0809）和数据检测元件构成。 单片机的工作过程：单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程 序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作 用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应 着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类 的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决 的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令） ，这一 系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器 中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一 样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被 分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地 址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单 元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。 程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在 执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在 的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在 CPU 中） ，在开始执行程序时，给 PC 赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC 在中的内容 就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2 或 3，以指向下一条指令 的起始地址，保证指令顺序执行。 单片机介绍 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit） ，常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片 机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备 和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严 格的控制设备当中。 INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后， 单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可 靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。 基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高， 开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后 随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960 系列特 别是后来的 ARM 系列的广泛应用， 32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位， 并且进入主流市场。而传统的8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前，高端的32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1 美元，最高端的型号也 只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌 入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的 高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows 和 Linux 操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实 上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产 品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及 鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在 工作。汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单 片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC 机和其他计算的总和，甚至比人类的 数量还要多。 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算 机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少 了 I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便 宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理 与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和 硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多， 不过价钱也是低的，一般不超过10 元即可.用它来做一些控制电器一类不是很 复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD 等等的家电里 面都可以看到它的身影！ .它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干 扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别 。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特 殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气 也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50 年代开发的 74 系列，或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB 板！但是如 果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单 片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言， 它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高 级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有 家用计算机那样的 CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编 写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K 的尺寸！对于家用 PC 的硬盘 来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率 必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算 机上的操作系统和应用软件拿到家用PC 上来运行，家用 PC 的也是承受不了的。 可以说，二十世纪跨越了三个 “电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进 入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC 机。它由主机、 键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把 智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器） 。顾名思义，这种计算机的只用了一片 集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚 子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪 了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、 导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功 效，常在产品名称前冠以形容词 “智能型” ，如智能型洗衣机等。现在有些工厂 的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太 简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件 上。 3.23.2 硬件功能描述硬件功能描述 本设计采用的是 51 系列单片机。 51 单片机是对目前所有兼容 Intel 8031 指令系统 的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel 的 8031 单片机，后来随着 Flash rom 技术的发展， 8031 单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8 位单片 机之一，其代表型号是 ATMEL 公司的 AT89 系列，它广泛应用于工业测控系统之中。 目前很多公司都有 51 系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占 有大量市场。 51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注 意的是 52 系列的单片机一般不具备自编程能力 。当前常用的 51 系列单片机主要产 品有： *Intel 的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52 等； *ATMEL 的：89C51、89C52、89C2051 等； *Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产 品。 MCS51 是指由美国 INTEL 公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括 了好些品种，如 8031，8051，8751，8032，8052，8752 等，其中 8051 是最早最典型 的产品，该系列其它单片机都是在 8051 的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以 人们习惯于用 8051 来称呼 MCS51 系列单片机，而 8031 是前些年在我国最流行的单片 机，所以很多场合会看到 8031 的名称。INTEL 公司将 MCS51 的核心技术授权给了很多 其它公司，所以有很多公司在做以 8051 为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变， 以满足不同的需求，其中 89C51 就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国 ATMEL 公司开发生产的。 MCS-51 系列单片机已有十多种产品，可分为两大系列：51 子系列和 52 子系列。51 子系列主要有 8031、8051、8751 三种机型。它们的指令系统与 芯片引脚完全兼容。它们的差别仅在于片内有无 ROM 或 EPROM。52 子系列主要有 8032、8052、8752 三种机型。52 子系列与 51 子系列的不同之处在于：片内数据存储器 增至 256 字节；片内程序存储器增至 8 KB (8032 无)；有 3 个 16 位定时/计数器，6 个中 断源。其它性能均与 51 子系列相同。 MCS-51 系列单片机的内部结构框图如图 3.3 所示。从图 3.3 中可看出，MCS-51 单片 机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4 个 I/O 口、串行口、定时器/计数器、 中断系统、振荡器等功能部件。图中 SP 是堆栈指针寄存器，PC 是程序计数器，PSW 是程 序状态字寄存器，DPTR 是数据指针寄存器。 图 3.2 内部结构框图 8 位 CPU4kbytes 程序存储器 (ROM) (52 为 8K) 256bytes 的数据存储器 (RAM) （52 有 384bytes 的 RAM） 32 条 I/O 口线111 条指令，大部分为单字节指令 21 个专用寄存器 2 个可编程定时 /计数器5 个中断源， 2 个优先级（ 52 有 6 个） 一个全双工串行通信口 外部数据存储器寻址空间为 64kB 外部程序存储器寻址空间为 64kB 逻辑操作位寻址功能 双列直插 40PinDIP 封装 单一+5V 电源供电 CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄 存器； RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示 的数据； ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格； I/O 口：四个 8 位并行 I/O 口，既可用作输入，也可用作输出； T/C：两个定时 /记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式； 五个中断源的中断控制系统； 一个全双工 UART（通用异步接收发送器）的串行I/O 口，用于实现单片机 之间或单片机与微机之间的串行通信； 片内振荡器和时 钟产生电路，石英晶体和 微调电容需要外接。最高 振荡频率为 12M。 所谓总线，就是连接系 统中各扩展器件的一组公共 信号线。按照功能，通常把 系统总线分为三组，即地址 总线、数据总线和控制总线。 MCS-51 系列单片 机片外引脚可以构成三总线 结构，所有的外围芯片都通 过这三机处理总线进行扩展。 1）地址总线（Address Bus,AB） 地址总线用于传送单片机送出的地址信号，以便进行存储单元和 I/O 端口的选择。 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 VSS P1.0 RST/VPD RXD/P3.0 TXD/P3.1 INT0/P3.2 INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 8031 8051 8751 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 21 22 23 24 VCC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/Vpp ALE/PRO G PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 VSS P1.0 RST/VPD RXD/P3.0 TXD/P3.1 INT0/P3.2 INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 8031 8051 8751 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 21 22 23 24 VCC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/Vpp ALE/PRO G PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0VSS P1.0 RST/VPD RXD/P3.0 TXD/P3.1 INT0/P3.2INT0/P3.2 INT1/P3.3INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6WR/P3.6 RD/P3.7RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 8031 8051 8751 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 21 22 23 24 VCC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/VppEA/Vpp ALE/PRO G ALE/PRO G PSENPSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 图 3.3 MCS-51 单片机引脚图 地址总线是单向的，只能由单片机向外发送信息。地址总线的数目决定了可直接访问的 存储单元的数目。如有 n 位地址可以产生 2n个连续地址编码，因此，可访问 2n个存储单 元，即通常所说的寻址范围为 2n个地址单元。MCS-51 单片机存储器扩展最多可达 64KB，即 216个地址单元，因此，最多需 16 位地址。 2）数据总线（Data Bus,DB） 数据总线用于单片机与存储器之间或 I/O 端口之间传送数据。数据总线的位数与单 片数据的字长一致。MCS-51 单片机是 8 位字长，所以，数据总线的位数也是 8 位。数据 总线是双向的，可以进行两个方向的数据传送。 外部引脚说明： 1) 主电源引脚 VCC(40 脚)：接+5 V 电源正端。 VSS(20 脚)：接+5 V 电源地端。 2)外接晶体引脚 XTAL1(19 脚)：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输 入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该引脚接 地；对于 CHMOS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。 3)输入 / 输出引脚 P0 口(39-32 脚)：P0.0-P0.7 统称为 P0 口。在不接片外存储器与不扩展 I/O 口时， 可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展 I/O 口时，P0 口分时复用为低 8 位 地址总线和双向数据总线。 P1 口(1-8 脚)：P1.0-P1.7 统称为 P1 口，可作为准双向 I/O 口使用。对于 52 子系列， P1.0 与 P1.1 还有第二功能：P1.0 可用作定时器/计数器 2 的计数脉冲输入端 T2，P1.1 可用作定时器/计数器 2 的外部控制端 T2EX。 P2 口(21-28 脚)：P2.0-P2.7 统称为 P2 口，一般可作为准双向 I/O 口使用；在接有 片外存储器或扩展 I/O 口且寻址范围超过 256 字节时，P2 口用作高 8 位地址总线。 P3 口(10-17 脚)：P3.0-P3.7 统称为 P3 口。除作为准双向 I/O 口使用外，还可以将 每一位用于第二功能，而且 P3 口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第 二功能。 以下为控制线： 1) ALE/PROG(30 脚)：地址锁存有效信号输出端。ALE 在每个机器周期内输出两个 脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存 P0 输出的低 8 位地址；在不访 问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意，在访 问片外数据存储器期间，ALE 脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了对于片内含有 E