仓库温湿度的检测系统的设计-生产过程自动化技术毕业论文

毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题目题目 仓库温湿度检测系统的设计仓库温湿度检测系统的设计 院院别别电气工程学院电气工程学院 专专业业生产过程自动化技术生产过程自动化技术 班班级级过控过控 11-111-1 班班 姓姓名名宋正丽宋正丽 学学号号201102102125201102102125 指导教师（职称）指导教师（职称）张维玲张维玲（副教授）（副教授） 日日期期20142014 年年 3 3 月月 毕业设计（论文）任务书 电气工程 学院 2014 届 生产过程自动化技术 专业 毕业设计（论文）题目仓库温湿度的检测系统的设计 校内（外）指导教师职称工作单位及部门联系方式 张维玲副教授电气工程学一、题目说明（目的和意义）： 防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。 因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。题目含概电子技术、非电 量的检测技术、单片机及接口和电气控制技术等知识，可加强学生对综合电路的开发设计能 力，有利于引导学生向复合型人才方向发展。通过此题可以激发学生潜力、提高他们的科技创 新能力。 二、设计（论文）要求（工作量、内容）： 1.1.设计任务设计任务 设计以 51 系列单片机为核心的一套检测系统，实现对仓库温度、湿度的实时监测，如果 温湿度超出设定的上下限范围时，可通过空调、加热器、排气扇、水雾化器等执行机构调节温 湿度，构成自动温湿度调节系统，制造一个局部范围内的人造小气候环境。 2.2.技术指标技术指标 1）温度检测范围 ：-30-+50 2）测量精度 ： 0.5 3）湿度检测范围 ：10%-100%RH 4）检测精度 ： 1%RH 5）显示方式 ：温度：四位显示湿度：四位显示 3. .设计内容设计内容 本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成。要求系统具备以下基本功能： （1）检测温度、湿度 （2）显示温度、湿度 （3）过限报警 4 4. .设计成果设计成果 （1）毕业设计报告字数 11.5 万字； （2）A3 设计图纸 2 张，一张为硬件电路原理图、一张为系统总体控制流程图； （3）有传感器参数选择的定性分析和定量计算； 三、进度表 日期内容 20132014 学年秋 第十五周 第十六周 第十七周 第十八周 第十九周 第二十周 20132014 学年春 第一周 第二周 查阅、消化资料 元器件、仪表选型及确定总体设计方案 单元电路设计 总体硬件电路设计 确定软件设计思想，并画出软件流程框图 撰写论文 答辩 答辩 完成日期2014 年月日 答辩日期2014 年月日月日 四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量： 1. 郁有文. 传感器原理及工程应用.西安：西安电子科技大学出版社，2003 2. 张建民. 传感器与检测技术. 北京：机械工业出版社，1997 3. 何立民. MCS-51 单片机应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社，1992 4. 胡汉才. 单片机原理及其接口技术. 北京：清华大学出版社，2004 5. 李贵山. 检测与控制技术. 西安：西安电子科技大学出版社，2006 6. 王福瑞. 单片微机测控系统设计大全. 北京：北京航空航天大学出版社，1998 实习地点：待定 翻译工作量：对设计论文的摘要翻译为英文 教研室意见： 教研室主任（签字）： 20年月日 系审核意见： 系主任（签字）： 20年月日 注：本任务书要求一式两份，一份打印稿交教研室，一份打印稿交学生，电子稿交系办。 兰州工业学院毕业论文 I 摘摘要要 本设计控制系统采用 AT89C51 单片机为控制核心，利用 DS185B20 温度传感器对温 度进行采集，经过单片机对信号的分析处理，实现对温度的检测和控制。利用 HS1100/HS1101 湿度传感器对湿度进行采集，经过 555 振荡器将采集到的信号直接送入 单片机，经过单片机的分析处理实现对湿度的检测和控制。利用键盘设置温度和湿度 的预设值及实现选择复位等功能。通过 LCD1602 显示电路能显示当前的温湿度和预设 温湿度。同时用蜂鸣音电路报警, 如果温湿度超出预设值的上下限,蜂鸣音报警电路就 会实现报警功能,从而采取相应的解决措施，本系统特别适合于仓库等无人监控等场 所。 关键词：单片机；传感器；温度检测；湿度检测 兰州工业学院毕业论文 II Abstract ThisarticlefromboththehardwareandsoftwareaspectsoftheAT89C51 microcontroller based temperature and humidity automatic measuring system design. System hardware consists of data acquisition circuit for control circuitry, temperature, humidity, acquisition, keyboard and LED display circuit. Starting from design, software system, software design diagrams, analyse each module implementation program algorithm, and eventually you end up meeting the needs of mission programs. Temperature and humidity detection and alarm system basically meets the requirements with a small overshoot, basically the same sample value and set value, simple operation and so on. Keywords: single chip; sensor; temperature survey; humidity survey 兰州工业学院毕业论文 III 目录 摘摘要要. I I AbstractAbstract. IIII 1 1 绪绪论论. 1 1 1.1 选题背景.1 1.2 国内外发展现状.1 1.2.1 温度测量方面.1 1.2.2 湿度测量方面.2 2 2 总体方案的设计总体方案的设计. 3 3 2.1 系统总体框图.3 2.2 传感器的选择.3 2.2.1 温度传感器的选择.4 2.2.2 湿度传感器的选择.4 3 3 硬件电路的设计硬件电路的设计. 6 6 3.1 温度测量电路.6 3.2 湿度测量电路.8 3.3 信号调理电路.11 3.4 A/D 转换电路.11 3.5 单片机 AT89C51 的概述.11 3.5.1 电源电路.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.5.2 AT89C51 最小系统.14 3.5.3 8155 扩展芯片.15 3.6 控制电路.15 3.7 人机接口电路.15 3.7.1 键盘电路.15 3.7.2 LED 显示电路.17 3.7.3 报警电路.18 4 4 软件设计软件设计. 2020 4.1 软件设计的思路.20 4.2 程序流程图.20 5 5 总结总结. 2828 致致谢谢. 2929 参考文献参考文献. 3030 附录附录 A A 硬件接线图硬件接线图. 3131 附录附录 B B 软件流程图软件流程图. 3232 兰州工业学院毕业论文 1 1 绪论 1.1 选题背景 随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电 子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被 更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水 平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学 实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。 同时传感器技术作为新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路 先锋，也是当代科学技术发展的一个重要标志。传感器技术、通信技术、计算机技 术、分别对应信息技术中的采集、传输和处理。如果说计算机是人类大脑的扩展，那 么传感器就是人类五官的延伸。当集成电路、计算机技术飞速发展时，电脑的运算速 度和信息处理能力得以成倍的提高，这时人们才逐步认识到信息摄取装置：传感器没 跟上信息技术的发展，因而惊呼“大脑发达、五官不灵”。世界上技术发达的国家对 传感器技术开发都十分重视。这些技术的发展也为仓库的温湿度监测系统的发展提供 了科学依据。 防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重 要指标。它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进 行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。但传统的方法是用与湿度表、毛 发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温 度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效 率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方 便且测量准确的温湿度测量仪。 1.2 国内外发展现状 目前温湿度检测技术和物品智能去湿干燥系统的研究已具备温湿度检测、超温报 警、自动生成各种报表、自动存储历史数据并据此自动生成温湿度变化曲线等功能， 供仓储管理人员查询分析之用。 1.2.1 温度测量方面 兰州工业学院毕业论文 2 温度是一个重要的物理量，其检测方法有多种，常用的有电阻式、热电偶式、PN 结型温度传感器、石英谐振型温度传感器以及光线传感器等。 目前国外在温度超高精度测量中，大都使用标准铂电阻温度传感器。例如:美国国 家实验室(NSIT)采用标准铂电阻温度传感器对纳米测试装置的工作腔进行测试，其测 试精度为 0.001。 国内方面，清华大学以石英晶体传感器作为测温元件，将温度变化的模拟量转化 为石英晶体振荡频率的数字量，通过测量频率可以计算出温度值，它可以测出 0.001 的温度变化量。 1.2.2 湿度测量方面 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的 湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，将湿度测量技术提高到新 的水平。 湿度传感器的种类很多，大体上可以分为三类:电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿 度传感器以及有机高分子聚合物湿度传感器。 (1)电解质湿度传感器，如氯化铿湿度传感器，灵敏度高，但在高湿环境中容易产 生解，从而影响原的，缩短使用寿命。 (2)半导体陶瓷湿度传感器，如铬酸镁一二氧化钦湿敏传感器以及钒酸狸一二氧化 钦湿敏传感器。它们主要利用陶瓷烧结体微结晶表面在吸湿和脱湿过程中电极之间电 阻的变化来检测相对湿度。这类传感器适合于高温和高湿领域中使用。 (3)高分子材料湿敏传感器，如聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸胺等材料制成的传感 器，响应速度快、精度高，但是耐老化和抗污染能力不如陶瓷传感器。 国外在湿度传感器研制方面起步较早，目前日本、德国、美国处于国际领先地 位，测量范围可实现全湿范围测量，且精度可达到士 2%RH。国内湿度传感器研制与生 产方面，开始于二十世纪八十年代，且研究单位多于生产厂家，多数从事电解质、陶 瓷类以及高分子类传感器的研发。 兰州工业学院毕业论文 3 2 总体方案的设计 2.1 系统总体框图 本设计测量的是仓库的温湿度，用温度传感器采集温度信号，通过 A/D 转换，将 所测量的模拟信号转换为数字信号和键盘所设定温度值一起送入单片机中，用湿度传 感器采集湿度信号，直接送入单片机，通过单片机对温湿度进行监测和控制，并通过 报 警 装 置 对 超 过 规 定 值 进 行 报 警 ， 系 统 的 总 体 框 图 如 图 2 所 示 。 信号采集 AT89C51 人机接口 输出通道 显示 键盘 报警 温度传感器器 存储 湿度传感器器 信号调理 图 2 系统总体框图 2.2 传感器的选择 当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号进入输入通道，由计算机拾取 必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测 控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的检测也是不可缺少的环节。 传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器 对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。 工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程 中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质 量。 兰州工业学院毕业论文 4 2.2.1 温度传感器的选择 方 案 一 :采用热电阻温度传感器。 热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多的有 铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。 铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好电 阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温 度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。按 IEC 标准测温范围- 200650，电阻比W（100）=1.3850 时，R0为 100和 10，其允许的测量误差A 级为 （0.15+0.002|t|），B 级为（0.3+0.005|t|）。铜电阻的温度系数比铂电 阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。 在工业中用于-50180测温。 方 案 二 :采用DS18B20 温度传感器。 DALLAS 最新单线数字温度传感器 DS18B20“一线总线器件”体积小、适用电压 宽、经济。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰 性，适合于恶劣环境的现场温度测控，支持 35.5V 的电压范围。 DS18B20 具有如下特点： （1）独特的单线接口只需 1 个接口引脚即可通信。 （2）在 DS18B20 中的每一个器件上都有独一无二的序列号可实现多点测量。 （3）不需要外部元件即可实现测温。 （4）由数据线供电，不需外接电源。 （5）测量范围从-55 至+125，在-10+85范围内保证 0.5的精度。 （6）用户可以从 9 位到 12 位选择数字温度计的分辨率。 （7）内部有温度上、下限告警设置。 （8）用户可定义的非易失性的温度告警设置 综合比较方案一与方案二，方案二更适合于本设计系统对温度传感器的选择。 2.2.2 湿度传感器的选择 测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引 起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容 兰州工业学院毕业论文 5 式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和 体积随之发生变化而进行湿度测量的。 方案一：采用 HOS-201 湿度传感。 HOS-201 湿度传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流 1V 以下，频率为 50HZ1KHZ，测量湿度范围为 0100%RH，工作温度范围为 050，阻抗在 75%RH （25）时为 1M。这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿 度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。然而，这种传感器只限于一 定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。 方案二：采用 HS1100/HS1101 湿度传感器。 HS1100/HS1101 电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所 测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响 应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101） 两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自 动插件和自动装配过程等。相对湿度在 1%-100%RH 范围内；电容量由 16pF 变到 200pF，其误差不大于2%RH；响应时间小于 5S；温度系数为 0.04pF/。可见精度是 较高的。 综合比较方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只 限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。而且还不具备在 本设计系统中对温度-3050的要求，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传 感器。 兰州工业学院毕业论文 6 3 硬件电路的设计 3.1 温度测量电路 DALLAS 最新单线数字温度传感器 DS18B20“一线总线器件”体积小、适用电压 宽、经济。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰 性，适合于恶劣环境的现场温度测控，支持 35.5V 的电压范围。 图 3：是 TO-92 封装和 SSOP 封装的 DS18B20 的外部结构图。 图 3：DS18B20 外观 DS18B20 引脚功能描述如下： DQ：数据输入/输出引脚。开漏单总线引脚。当被用在寄生电源下，可向器件供电。 VDD：电源引脚，可选择使用。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 NC：空引脚。 DS18B20 内部结构主要由六部分组成：电源电路、64 位光刻 ROM 及 1wire 接 口、温度传感器、非易失的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器和 CRC 校验码产生 器。 64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码 兰州工业学院毕业论文 7 （CRC=X8+X5+X4+1）。DS18B20 高速存储器包含了 9 个连续字节，前两个字节是测得的 温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个 和第四个字节是 TH、TL 的易失性拷贝，第五个字节是配置寄存器的易失性拷贝，这三 个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九 个字节是冗余校验字节。其中，配置寄存器的内容如下：“TM R1 R0 1 1 1 1 1”低 5 位一直都是 1，TM 是测试模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不要去改动。R1 和 R0 用来设置分辨率，如下表 1 所示：（DS18B20 出厂时被设置为 12 位） 表表 1 1 分辨率设置表分辨率设置表 R1R0分辨率温度最大转换时 间 009 位93.75ms 0110 位187.5ms 1011 位375ms 1112 位750ms DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例:用 16 位符号扩 展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB 形式表达，S 为符号位。如下表 2 所 示。 这是 12 位转化后得到的 12 位数据，存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中，二进制 中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再 乘于 0.0625 即可得到实际温度。 表表 2 2 1212 位的温度转化形式表位的温度转化形式表 兰州工业学院毕业论文 8 DS18B20 依靠一个单线接口通信。在单线接口情况下，必须先建立 ROM 操作协议， 才能使用存贮器和控制操作。因此，控制器必须首先提供五种 ROM 操作命令之一： （1）ReadROM(读 ROM)；（2）Match ROM(匹配 ROM)；（3）Search ROM(搜索 ROM)； （4）Skip ROM(跳过 ROM)；（5）Alarm Search(告警搜索)。这些命令对每一器件的 64 位光刻 ROM 部分进行操作。如果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定的 器件并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型。在成功地执行了 ROM 操作序列之 后可，使用存贮器和控制操作，然后控制器可以提供六种存贮器和控制操作命令之 一。 3.2 湿度测量电路 测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引 起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、 电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积 随之发生变化而进行湿度测量的，下面介绍 HS1100/HS1101 湿度传感器及其应用。 （1）特点 电容式湿度传感器 HS1101，它是基于独特工艺设计的电容元件，固态聚合物结构， 精度高达2RH；极好的线性输出；199RH 湿度量程；-40100C 0 的温度工作范 围，响应时间 5 秒；湿度输出受温度影响极小，防腐蚀性气体；常温使用无需温度补 偿，无需校准；具有最突出的优点是长期稳定性极强。稳定性强是产品具备良好的线性 度、精密度、一致性、长期稳定性的可靠保证。HS1101 的主要特性如下： 全互换性在标准环境下不需校正 长时间饱和下快速脱湿 高可靠性与长时间稳定性 专利的固态聚合物结构 兰州工业学院毕业论文 9 可用于线性电压或频率输出 快速反应时间 HS1101 的特性参数如表 3.1 所示。 表 3.1 HS1101 的特性参数 特征参数符号MinTypMax单位 湿度测量范围RH1995 供电电压Vs510V 标称电容55%RHC117180183PF 温度效应Tcc0.04 CPF/0 平均灵（33%75%RH）C/%R0.34PF/%RH 漏电流Ix1nA 恢复时间tr10s 迟滞5 . 1% 长时间稳定性0.5%RH/yr 反应时间ta5s 曲线精度（1090）2%RH （2）湿度测量电路 本系统采用的是将 HS1101 接入 555 定时器组成的振荡器电路中，输出一定频率的 方波信号。这种方法具有结构简单，使用方便。具体的测量电路如图 3.3 所示： 兰州工业学院毕业论文 10 图 3.3 湿度测量电路 本文选用的是 NE555 芯片，它内部含有两个 NE555 定时器。其中 R1，R2，C1，C2和 NE555 构成多谐振荡器，外接电阻 R1，R2与湿敏电容 C1构成了对电容 C1的充电回路，7 端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对 C1的放电回路，并将引脚 2,6 端相连引 入到片内比较器。该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源 Ucc 通过 R1，R2 向 C2充电，经 t1充电时间后，UC2充至芯片内比较器的高触发电平，约 2/3Ucc，此时输 出引脚 3 端由高电平突降为低电平，然后通过 R2放电，经 t2放电时间后，UC2下降到比 较器的低触发电平，约 1/3UCC，此时输出引脚 3 端又由低电平跃升为高电平。最终形成 方波输出。其中充放电时间为 2ln)(t 2111 RRC 2lnt 212 RC 因而，输出的方波频率为 Hz502ln)R2R(/C1)tt ( / 1f 21121 只要改变定时元件 1 R或 2 R即可改变脉冲的 。从多谐振荡器出来的信号又接入到 单稳态触发器。单稳态触发器它有两个输出状态，一个稳定状态，一个暂稳态状态， 在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳定状态，而暂稳定状态维持一段 时间后，在自动地返回到稳定状态，且暂稳定状态持续地时间长短完全取决于电路本 身的参数。图中, 3 R， 3 C和传感器 HS1101 是外接地定时元件，触发脉冲 i u由 5 端输 兰州工业学院毕业论文 11 出，由 8 端输入，下降沿有效，从 9 端输出一个幅度、宽度都一定的矩形波信号，输 出的脉冲宽度为 p t： 3ln)(t 23pX cCR 为了减少外界对信号的干扰，采用低通滤波器，过滤掉高频信号的干扰，直接用 单片机的定时计数器 0 T来测量 P t的脉宽。通过脉宽值，可以得到相应的传感器的电容 值。其误差不大于RH%2；响应时间小于；温度系数为CPH 0 /04. 0。 电容值和湿度值的近似关系为： 39. 0/ )163( X CRH 前面我们已经通过测量 NE555 定时器的输出脉宽，求出了相应的电容值，然后， 我们可以根据上面的式子，由电容值，求得相应的湿度值。 3.3 储存电路 3.4 多路模拟开关 3.5 单片机 AT89C51 的概述 89C51 是 Intel公司于 80 年代初推出的 8 位嵌入式微控制器（内部数据总线为 8 位，外部数总线为 8 位），它与 MCS-96 系统中的其它芯片相比，具有性能高、功能 全、售价低廉、使用方便（48PINDIP）等优点。89C51 在工业应用方面有许多明显的特 点，它具有灵活方便的 8 位总线外围支持器扩展功能，而在数据处理方面又有 8 位微 机的快速功能。由于大的高度集成化已把许多常驻用的输入检测输出控制通道都制作 在同一块硅片上，大大地灵活了外部连线，增强了系统的稳定性并且速度快（时钟 12MHz），非常适合于工业环境下安装使用，因此本系统 CPU 选用 89C51 芯片。 89C51 单片机引脚采用 40 双列直插式封装结构。89C51 系统 CPU 中的主要组件 有：高速寄存器阵列、特殊功能寄存器（SFR）、寄存器控制器和算术逻辑单元 （RALU）。它与外部通讯是通过特殊功能寄存器 SFR 或存储器，控制器进行的。8051 系统的 CPU 的主要特色是体积小，重量轻，抗干扰能力强，售价低，使用方便。此 外，通过SFR 还可以直接控制 I/O、A/D、PWM、串行口等部件的有效运行。CPU 内部的 一个控制单元和两条总线寄存器阵列和 EALU 连接起来。这两条总线是：16 位地址总 兰州工业学院毕业论文 12 线（A-BUS） 和 8 位数据总线（D-BUS）。数据总线仅在 RALU与寄存器阵列或 SFR 之间传 送数据，地址总线用作上述数据传送的地址总线或用作与寄存器控制器连接的多路复 用地址/数据总线。CPU 对片内 RAM 访问是直接访问和通过寄存器 R0,R1 间接访问 的。 89C51 工作时所需的时钟可通过其 XT A L L输入引脚由外部输入，也可采用芯片内部的 振荡器。其工作频率为 612MHz。在本系统中采用 11.0592MHz频率。 89C51 采用 40 管脚双列直插 DIP 封装，单片机 AT89C51 引脚如图 3.6。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 (RXD)P3.0 (TXD)P3.1 INT0)P3.2 (T0)P3.4 (T1)P3.5 (WR)P3.6 (RD)P3.7 XTAL2 XTA GND P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7/(A15 P2.6/(A14) P2.5/(A13) P2.4/(A12) P2.3/(A11) P2.2/(A10) P2.1/(A9) P2.0/(A8) VCC P0.0/(AD0) P0.1/(AD1) P0.2/(AD2) P0.3/(AD3) P0.4/(AD4) P0.7/(AD7) 40 39 38 37 36 35 34 33 32 AT89C51 (INT1)P3.3 P0.6/(AD6) P0.5/(AD5) 图 3.6 AT89C51 引脚图 1.主要特性： 与 MCS-51 兼容； 4K 字节可编程闪烁存储器； 寿命：1000 写/擦循环； 数据保留时间：10 年； 兰州工业学院毕业论文 13 全静态工作：0Hz-24Hz； 三级程序存储器锁定； 1288 位内部 RAM； 32 可编程 I/OI线； 两个 16 位定时器/计数器； 5 个中断源； 可编程串行通道； 低功耗的闲置和掉电模式； 片内振荡器和时钟电路。 2.引脚功能说明： VCC：电源电压 VND：接地 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口 的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以 被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行 校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为 低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作 为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并 因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址 的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器 进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高 八位地址信号和控制信号。 兰州工业学院毕业论文 14 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电 流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于 外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口同时为闪烁 编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时 间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周 期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用 于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时，ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令 是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁 止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周 期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出 现。 /EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不 管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保 持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程 电源 （VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输。 3.5.1 AT89C51 最小系统 1.复位电路 复位无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。 复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开 始工作。51 复位就是在满足其他工作条件下，让 RST 管脚保持高电平（通常 0.7Vcc 以 上电压）维持至少两个机器时钟，以引导单片机复位，之后 RST 管脚恢复为低电平。 兰州工业学院毕业论文 15 单片机的复位条件：必须使其 RST 引脚上持续出现两个（或以上）机器周期的高 电平。 单片机的复位形式：上电复位、按键复位。本设计所选择的是按键复位电路，电 路图如 3.8 所示： 图 3.8 复位电路 2. 时钟电路 单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。时钟电路就是振荡电路，向单片 机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。AT89C51 单片机时钟频率范 围：0-33MHz。时钟电路如图 3.9 所示 图 3.9 时钟电路 3.5.2 3.6 控制电路 3.7 人机接口电路 3.7.1 键盘电路 兰州工业学院毕业论文 16 一般来说，按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开 关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键 等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。 按键按照接口原理又可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别 是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编 码键盘主要是由软件来实现键盘的识别。本次设计选用编码式键盘如图 3.14 所示 图 3.14 编码式键盘 各功能键作用分配: 数字键: 选择所需设定的数值分别设为 0 到 9 的数字； 功能键：选择修改温湿度设定值、上限值、下限值、显示温湿度； 位选键：选择修改百位、十位、个位、十分位这四位的标志； 加 1 键：每按一次键，位选标志所指的当前位的值加 1； 减 1 键：每按一次键，位选标志所指的当前位的值减 1； 复位键: 确保每次操作清零到初始值； 确定键：保存设置值并返回到显示温度状态； 扩展芯片 8155 与键盘连接的单元电路如图 3.15 所示 兰州工业学院毕业论文 17 图 3.15 与键盘连接电路 3.7.2 LD 显示电路 兰州工业学院毕业论文 18 下图为显示电路与扩展芯片 8155 连接的单元电路如图 3.18 所示。 图 3.18 显示电路 3.7.3 报警电路 在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都 设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计 算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上 下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采 样的正常值，进行显示和控制。 本设计采用峰鸣音报警电路。峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式 蜂鸣器，然后通过 MCS-51 的 1 根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需 10mA 的驱动电流，可以使用 TTL 系列集成电路 7406 或 7407 低电平驱动，也可以用一 个晶体三极管驱动。在图中，P2.3 接晶体管基极输入端。当 P2.3 输出高电平“1” 时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V 电压而鸣叫；当 P2.3 输出低电平“0” 时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。图 3.19 是一个简单的使用三极