单片机控制的多功能窗户.doc

摘 要本文详细介绍了国内多功能窗的发展现状，发展中所面临的问题。从产品质量、性能及应用方面看多功能窗的差距；整个行业看多功能窗所存在的问题以及它的发展趋势。同时也详尽的介绍了此次设计中最重要的组成部件单片机的概念、工作原理及设备总体结构，其中包括MCS-51的发展历程，选型依据。设计了一种基于单片机MCS-51的多功能窗的设计，介绍了所选用的8031、8255等单片机。关键词：多功能窗，单片机，传感器AbstractThis article introduced in detail the domestic multi-purpose windows development present situation, in the development faces question. From the product quality, the performance and the application aspect look at the multi-purpose windows the disparities; The entire profession looked the multi-purpose windows exist question as well as its trend of development. Simultaneously also in exhaustive introduction this design most important building block monolithic integrated circuits concept, principle of work and equipment gross structure, including MCS-51 the development process, shaping basis. Has designed one kind based on the monolithic integrated circuit MCS-51 multi-purpose window designs, introduced selects 8031, 8255 and so on monolithic integrated circuits. key word: Multi-purpose windows, monolithic integrated circuit, sensor目录第1章 绪论. 11.1窗户的发展概述. 11.2 总体方案确定.2第2章 系统硬件设计.42.1 MCS51单片机主要应用特性. 42.2 控制原理图.62.3 微型处理器.82.3.1 8031性能特点. 82.3.2 8031硬件结构及引脚功能. 82.4 系统扩展 .112.4.1 I/O接口的扩展 . 112.4.1.1 8255A内部结构和引脚功能. .112.4.1.2 8255A方式控制字. 142.4.1.3 8255A的工作方式. 162.4.1.4 8255A与CPU8031的接口 162.4.2 存储功能扩展 .172.4.2.1 锁存器74LS373的引脚及功能.172.4.2.2 2764 EPROM.182.5 输入/输出接口系统设计. 202.5.1 键盘系统设计. .202.5.2 显示系统设计. 212.5.2.1 LED数码管的结构及显示原理 . 212.5.2.2 74LS138结构及功能 . 212.5.2.3 74LS377结构及功能 . 222.5.3 显示电路 . .222.6 传感器选择与设计. 232.6.1 光电开关的原理. 232.6.2 气体传感器. 242.7 电机控制电路设计. 242.7.1 固态继电器介绍. 252.7.2 电机控制电路原理. 262.8 电源. 26第3章 系统软件设计. 283.1 主程序. 283.2 显示子程序流程图. 303.3 输入给定值中断服务程序. 31第4章 结论. 32参考文献.33致谢.34第1章 绪论随着我国建筑行业规模的不断发展，窗户呈现出种类数目不断增多、丰富的局面。尤其是窗户的生产质量的不断提高，对窗户的生产技术提出了更高的要求，特别是对窗户多功能性提出了更新更高的要求。在当前各种多功能逐渐进入各企业的情况下，我们有必要对国产窗户多功能性的应用现状及发展作进一步探讨。1.1 窗户的发展概述窗户是是建筑的眼睛，它在建筑与环境、户内与户外既沟通又分离起到多重实用功能。从人类家居历史上看，窗框架经历了由木窗、钢窗、铝合金窗、塑钢窗到现在的节能断桥铝塑复合窗的一个发展过程。从这个过程中我们能看到，随着新材料和新技术的不断涌现，窗框架的功能也从简单保温隔热到环保节能美观。就正如一个身怀绝技的武林高手一般，不断的习武不断的历练，最TodayHot终天下无敌。 传统材料的木窗由于容易腐蚀现在已经很少做为室内外的分界窗，由于它本身木纹质感强，容易做各种造型和图案所以现在常做为室内装饰窗。进入现代钢窗由于其强度好，不易变形的特点被开始被广泛使用，随后铝合金窗和塑钢窗相继开始涌现，近些年来,中国铝合金型材行业发展很快,形成了正规的行业体系,企业的产品、技术档次、销售服务有了很大的提高，出口方面全球最多，产量世界第一。从未来几年来看,铝合金型材、尤其是节能环保铝合金型材市场还将前景广阔。塑钢窗一出现，其时尚的外观，良好的性价比很快就赢得了人们的青睐，由于其装饰性强、手感好，开启灵活，清洁方便，良好的密封性和隔热性，经久耐用。短短几年时间就抢占了铝合金窗的“半壁江山”。有资料表明这种内含钢衬的塑料门窗在欧美等发达国家也非常风光，市场占有率很高，如：德国占52，英国占38%，美国占30%以上，一向对产品品质非常挑剔的发达国家也对塑钢窗如此垂青，自然有其原因。第五代新型节能门窗型材全新的铝塑铝复合门窗型材为外面两侧是铝合金型材，中间隔热体是改性多腔PVC型材。其优点是既有铝合金的高强度、重量轻、美观、耐腐、加工简单，又有塑钢型材隔热的特点，具有非常好的隔热节能效果。现在被很多建筑广泛采用。 在当今能源日益紧缺的严峻形势下，生产节能、环保的产品已成为各行各业的发展方向。所以节能环保材质的窗框架必将大行其道。1.2 总体方案确定根据“多功能”这一目的要求，做如下设计安排：1.防有害气体泄漏：自动检测室内煤气、烟雾、酒精等有害气体浓度,达到设定阈值后自动开窗,并启动排风扇或空调等通风;2.防盗报警：由热释电人体红外探头检测从窗外靠近的人体,及时关窗上锁并发出报警讯号;3.防潮湿：当下雨或浓雾,空气湿度大时自动关窗;4.天色黑暗时自动关窗(可设置为ON或OFF);5.定时开关：按设定时间打开或关闭窗子。图1-1 控制原理图如图1-1所示，单片机采用中断查询工作方式。气敏传感器的信号经IC4A放大,使IC4B翻转,经光耦隔离向N3和N1输入的高电平,反相后N3触发中断0,单片机查到P31为低电平后,向P10、P11输出开窗指令,经隔离后,Q1Q4驱动电机M1打开窗子;P2口由高转低,Q5导通,J1常开触点吸合,启动排风扇或空调等。C2可消除一定的干扰,以免误触发。为简化电路,图中只画出了一路传感器输入。P34、P35、P37分别接受来自热释电、湿敏、光敏探头的信号。SW2为多功能按钮,不按SW1时,SW2为手动开/关窗键;按一下SW1,触发中断1,进入设定时间方式,每按一下SW2设定时间增加半小时,停止按键30秒后设置结束,定时器开始工作;防盗报警被触发后,按一下SW2,可终止讯响器SPEAKER的鸣叫。K1、K2为窗子开闭到位检测开关,J2为窗锁电磁铁线圈,关窗到位后为窗子上锁。LED作多功能指示：上电后LED亮,指示处于初始延时(由于传感器的初始不稳定性,必须有较长时间的延时);设定时间时,每按一下SW2,LED闪烁一次,确认键输入有效;当气体检测动作后LED也点亮,其余时间均熄灭。图中N1等都为三极管,N3为五只二极管和1只三极管构成的或非门,4只传感器信号的放大比较由两块四运放完成。为了工作稳定,单片机与外围电路完全隔离,单独供电。整个电路安装在铝合金窗框内,在窗框外侧为传感器开检测孔,气敏探头另一根线引出安装在需检测的位置。M1连同机械传动机构安装在活动窗叶上,通过特殊方式与驱动电路连接(整个机械传动部分已申报专利)。为了防止M1因机械部分的阻滞而烧毁,程序需对开、关窗过程进行检测,当活动窗叶发生卡阻时可自动回退并再次尝试。三次尝试仍不能正常开关时,停止动作并发出报警信号。在RST端加有强制复位键。第2章 系统硬件设计2.1 MCS51单片机主要应用特性MCS-51单片机是美国Intel公司于1980年推出的窗户,与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的窗户，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流窗户，各高校及专业学校的培训教材仍用MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的设计。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用窗户，其主要功能如下：8位CPU4kbytes 程序存储器(ROM)128bytes的数据存储器(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MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其它单片机的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了MCS-51单片机，像PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的半导体公司都推出了兼容MCS-51的单片机窗户，就连我国的台湾WINBOND公司也发展了兼容MCS-51的单片机品种。近年来MCS-51获得了飞速的发展，MCS-51的发源公司Intel由于忙于开发PC及高端微处理器而无精力继续发展自己的单片机，而由其它厂商将其发展，最典型的是PHILIPS和ATMEL公司，PHILIPS公司主要是改善其性能，在原来的基础上发展了高速I/O口，A/D转换器，PWM(脉宽调制)、WDT等增强功能，并在低电压、微功耗、扩展串行总线(I2C)和控制网络总线(CAN)等功能加以完善。ATMEL公司推出的AT89Cxx系列兼容MCS-51的单片机，完美地将Flash(非易失闪存技术)EPROM与80C51内核结合起来，仍采用MCS-51的总体结构和指令系统，Flash的可反擦写程序存储器能有效地降低开发费用，并能使单片机作多次重复使用。8051是MCS-51系列单片机中的代表窗户，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4kB的程序存储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。MCS-51采用模块式结构，MCS-51系列中各种加强型单片机都是以8051为核心加上一定的新的功能部件后组成的，从而使它们完全兼容。表2-1为MCS-51系列单片机常用窗户特性。表2-1 MCS-51系列单片机常用窗户特性型号片内存储器I/O线定时器/计数器片外寻址空间（KB）程序数据程序数据80514K ROM128322个16位646487514K EPROM128322个16位64648031无128322个16位646480C514K ROM128322个16位646487C514K EPROM128322个16位646480C31无128322个16位646480524K ROM256323个16位646487524K EPROM256323个16位64648032无256323个16位6464MCS-51具有比较大的寻址空间，地址线宽达16条，即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达216=64kB，这作为单片机控制来说已是比较大的，这同时具备对I/O口的访问能力。此外，MCS-51采用模块化结构，可方便地增删一个模块就可使引脚和指令兼容的新窗户，从而容易使窗户形成系列化。由于MCS-51集成了几乎完善的8位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。MCS-51的指令系统近乎完善，指令系统中包含了全面的数据传送指令、完善的算术和逻辑运算指令、方便的逻辑操作和控制指令、对于编程来说，是相当灵活和方便的。MCS-51单片机的工作频率为2-12MHz，当振荡频率为12MHz时，一个机器周期为1us,这个速度应该说是比较快的。MCS-51把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。因此，在工业测控系统中，使用单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。鉴于MCS-51的以上特点，本文的设计就是基于MCS-51的8031型号单片机来设计的多功能窗控制系统。2.2 控制原理图图2-2 控制原理图在本系统设计的自动装箱系统中，采用8031单片机设计一个最小系统，为了读键盘给定值及完成检测和控制，系统中扩展一片8255A可编程接口及程序存储器EPROM 2764其原理图如图2-2所示。2.3 微型处理器8031单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM外，其余特性与MCS-51单片机基本一样。2.3.1 8031性能特点8031的主要性能包括:（1）与MCS-51位控制器窗户系列兼容。（2）宽工作电压范围，VCC可为2.7V6V。（3）全静态工作，可从0Hz 至16Hz。（4）1288位内部RAM。（5）32条可编程I/O线。（6）两个16位定时器/计数器。（7）中断结构具有5个中断源和2个优先级。2.3.2 8031硬件结构及引脚功能8031的内部硬件结构如图2-3所示：图2-3 8031引脚图在图2-3中所示，8031单片机采用40引脚双列直插封装(DIP)形式。采用方形封装工艺。由于受到引脚数目的限制，所以有一些引脚具有第二功能。在单片机的40条引脚中，有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制和其它电源复用的引脚，32条输入/输出引脚。下面分别说明这些引脚的名称和功能。（1）主电源引脚Vcc和GNDVcc：芯片主电源，正常工作时接+5V电源。GND：接电源地。（2）时钟振荡引脚XTAL1和XTAL2XTAL1: 接外部晶体的一端。在单片内部，它是反相放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。在测外部时钟电路时，对于HMOS单片机，此引脚必须接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2: 接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至上述振荡器的反相放大器的输出端，振荡器的频率是晶体振荡频率。若采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬空（3）控制信号引脚RST/Vpd、ALE/ 、和/Vpp。ALE/: 地址锁存使能输出/编程脉冲输入端。在扩展系统时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低8位地址和数据的隔离，P0口作为数据地址复用口线。当访问单片机外部程序或数据存储器或外接I/O口时，ALE输出脉冲的下降沿用低8位地址的锁存信号；即使不访问单片机外部程序或数据存储器或外接I/O口，ALE端仍以晶振频率的1/6输出脉冲信号，因此可以作为外部时钟或外部定时信号使用。但应注意，此时不能访问单片机外部程序、数据存储器或外设I/O接口。: 片外程序存储器读选通信号。在CPU向片外程序存储器读取指令和常数时，每个机器周期两次低电平有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器或I/O接口时无效出现。/Vpp: 访问程序存储器控制信号/编程电源输入端。当端输入高电平时，单片机访问片内的程序存储器，在低4KB地址时，将自动转向执行外部程序存储器的程序。当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。在对8751EPROM编程时，此引脚接+21V的编程电压VPP。RST/Vpd: 复位/掉电保护信号输入端。单片机上电后，只要在该引脚上输入24个振荡周期2个机器周期0宽度以上的高电平就会使单片机复位；若在RST与Vcc之间接一个10F的电容，则可实现单片机上电自动复位。RST/Vpd具有复位功能，在主电源Vcc掉电期间，该引脚可接上+5V的备用电源。当Vcc掉到低于规定的电平，而Vpd在其规定的电压范围内时，+5V就向片内RAM 提供备用电源，以保持片内RAM中的数据不丢失，复位后能继续正常运行。（4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）P0.0P0.7: P0口是一个8位双向I/O端口。在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和作8位双向数据总线。在EPROM编程时，从P0口输入指令字节；在验证程序时，则输出指令字节(验证时要外接上拉电阻)。P0口能一吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。P1.0P1.7: P1口是8位准双向I/O端口。在EPROM编程和程序验证时，它输入低8位址。P1口能驱动4个LSTTL负载。P2.0P2.7: P2口是8位准双向I/O端口。在CPU访问外部存储器时，它输出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证时，它输出高8位地址。P2口可驱动4个LSTTL负载。P3.0P3.7: P3口是8位准双I/O端口。它是一个复用功能口。作为第一功能使用时，为普通I/O口，其功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时,各引脚的定义如表2-2所示。P3口的每一引脚均可独立定义第一功能的输入输出或第二功能。P3口能驱动4个LSTTL负载。表2-2 各口线的第二功能定义口线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）P3.212（外部中断0）P3.313（外部中断1）P3.414T0（定时器0外部输入）P3.515T1（定时器1外部输入）P3.616（外部数据存储器写脉冲）P3.717（外部数据存储器读脉冲）2.4 系统扩展 8031数据存储器I/O接口程序存储器8031具有很强的扩展功能，允许扩展各种外围电路以补充片内资源不足，适应特定应用的需要，扩展内容包括数据存储器、程序存储器、I/O接口等扩展结构如图2-4所示：图2-4 8031系统扩展结构图2.4.1 I/O接口的扩展由于我们采集的数据量较多，因此CPU的I/O口线不够用，所以我们使用8255A来扩展I/O口，以满足系统的要求。8255A是Intel公司生产的通用可编程并行I/O接口芯片。8031和8255A相连可为外设提供三个8位I/O端口，允许采用同步、异步和中断方式传送I/O数据。2.4.1.1 8255A内部结构和引脚功能（1）内部结构8255A内部由四部分电路组成。它们是A口、B口和C口，A组控制器和B控制器，数据缓冲器及读写控制逻辑，如图2-5所示。A口、B口和C口。A口、B口和C口均为8位I/O数据口，但结构上略有差别。A口由一个8位的数据输出缓冲/锁存器和一个8位的数据输入缓冲/锁存器组成。B口由一个8位的数据输出缓冲/锁存器和一个8位的数据输入缓冲器组成。三个端口都可以和外设相连，分别传送外设的输入/输出数据或控制信息。 A、B组控制电路。这是两组根据CPU的命令字控制8255工作方式的电路。A组控制A口及C口的高4位，B组控制B口及C口的低4位。数据总线缓冲器。它是一个8位的双向三态驱动器，用于与单片机的数据总线相连，传送数据或控制信息。读/写控制逻辑。这部分电路接收MCS-51送来的读/写命令和选口地址，用于控制对8255A的读/写。图2-5 8255A芯片的内部结构图（2）引脚功能8255A有40条引脚，采用双列直插式封装。如图2-6所示。图2-6 8255A引脚图数据总线（8条）：D0D7:三态双向数据总线，8255A与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。控制总线（6条）：RESET: 复位信号，输入高电平有效。一般和单片机的复位相连，复位后，8255A所有内部寄存器清0，所有口都为输入方式。:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时有效，表示芯片被选中，允许8255A与CPU进行通讯。:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255A通过数据总线向CPU发送数据或状态字。:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写入8255A。A0、A1：地址输入线。当=0，芯片被选中时，这两位的4种组合00、01、10、11分别用于选择A、B、C口和控制寄存器。其组合如表2-3。表2-3 8255A控制信号功能表A1A2端口地址端口功能0000100 HA口读A口0001000 HA口写A口0010101HB口读B口0011001HB口写B口0100102HC口写C口0101002HC口读C口0111003H控制口写控制字1总线高阻并行I/O总线（24条）：这些总线用于和外设相连，分别与A、B、C口相对应，用于8255A和外设之间传送数据，共分三组：PA0PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。电源线（2条）：VCC为5V电源线，允许变化10%；GND为地线。2.4.1.2 8255A方式控制字8255A有两个控制字：方式控制字和C口单一置复位控制字。用户通过程序可以把这两个控制字送到8255A的控制寄存器（A1A011B），以设定8255A的工作方式和C口各位状态。这两个控制字以D7位状态作为标志。8255A各端口工作于什么方式和是输入还是输出方式，是由方式控制字决定的。方式控制字格式如图2-7所示。D7为控制字标志位，若D7=1,则本控制字为方式控制字，若D70，则本控制字为C口单一置复位控制字。D6D3为A组控制位。其中，D6和D5位A组方式选择位：若D6D500，则A组设定为方式0；若D6D501，则A组设定为方式1：若D6D51（为任意），则A组设定为方式2。D4为A口输入/输出控制位：若D40，则PA0PA7，用于输出数据；若D40，则PA0PA7用于输入数据。D3位C口高4位输入/输出控制位：若D30，则PC4PC7为输出数据方式；若D31，则PC4PC7为输入方式。图2-7 方式控制字D2D0为B组控制位，其作用和D6D3类似。其中，D2为方式选择位，若D20，则B组设定为方式0，若D21，则B组设定为方式1。D1为B口输入/输出控制位，D10，则PB0PB7用于输出数据，若D11，则PB0PB7用于输入数据。D0为C口低4位输入/输出控制位，若D00，则PC0PC3用于输出数据，若D01，则PC0PC3用于输入数据。如图2-8所示：图2-8 置位控制字2.4.1.3 8255A的工作方式8255A有三种工作方式：方式0（Mode0）、方式1（Mode1）和方式2(Mode2)。正确的选用方式控制字，并把它通过程序送给8255A的控制字寄存器就可设定8255A的工作方式。方式0（基本输入/输出方式）：这种方式不需要任何选通信号。A口、B口及C口的两个4位口中的任何一个端口都可以被设定为输入或输出。输出锁存，输入不锁存。根据控制字D4、D3、D1、D0位的变化，方式0有16种不同的输入、输出组合方式。方式1（选通输入/输出方式）：这种方式下，A口、B口、C口分为两组。A组包括A口和C口的高4位，A口可由编程设定为输入口或输出口，C口的高四位则用来作为输入/输出操作的控制和同步信号；B组包括B口和C口的低4位，B口可由编程设定为输入口或输出口，C口的低四位则用来作为输入/输出操作的控制和同步信号。A口和B口的输入输出数据都被锁存。方式2（双向总线方式）：这种方式下，A口为8位双向总线口，C口的PC3PC7用来作为输入/输出操作的控制和同步信号；B口和C口的PC0PC2则可编程为方式0或方式1工作。2.4.1.4 8255A与CPU 8031的接口8255A与CPU 8031的接口连线如图2-9所示。图2-9 8255A与CPU8031的接线图8255A与单片机间有3组连线：D7D8根数据线依次与P0口的P0.7P0.0一一对应连接：、RESET等3根控制线与单片机的同名引脚互连；片选端则与P2口相连；A1、A0两根地址线与单片机的两个I/O引脚连接。2.4.2 存储功能扩展由于我们需要保存一定的数据，而8031片内没有程序存储功能，因此，EA管脚总是接低电平。根据保存的数据量需要，我们选用了EPROM 2764为外扩的数据存储器。2.4.2.1 锁存器74LS373的引脚及功能如图2-10所示，74LS373是带三态缓冲输出的8D锁存器，由于单片机的三总线结构中，数据线与地址线的低8位共用P0口，因此必须用地址锁存器将地址信号和数据信号区分开。74LS373的锁存控制端直接与单片机的锁存控制信号ALE相连，在ALE的下降沿锁存低8位地址。其中，D0D7为数据输入端；Q0Q7为数据输出端；OE为三态允许控制端（低电平有效）；LE为锁存允许端。 图2-10 74LS373 引脚该片如何工作由功能表2-4决定，表中L为低电平、H为高电平、Z为高阻抗（相当开路）X为任意电平，一般将OE接低电平，LE接ALE就能正常工作。表2-4 74LS373真值表LEDnQnLHHHLHLLLLLLLLHHHXXZ2.4.2.2 2764 EPROM紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM是国内用得较多的程序存储器。EPROM芯片上有一个玻璃窗口，在紫外线照射下，存储器中的各位信息均变1，即处于擦除状态。擦除干净的EPROM可以通过编程器将应用程序固化到芯片中。本次设计所选用的是2764 EPROM。（1）2764的概述这是一种可以擦去重写的只读存储器。通常用紫外线对其窗口进行照射，即可把它所存储的内容擦去。之后，又可以对其重新进行编程，写入新的内容。一旦写入，其存储的内容可以长期（几十年）地保存，即使去掉电源电压，也不会影响它所存储的内容。图2-11为通用的EPROM 2764的引脚图，它的容量为8 K8bit。8 K表示有81024个存储单元，8位表示每个单元存储数据的宽度是8位。前者确定了地址线的位数是12位（A0A12），后者确定了数据线的位数是8位（D0D7）。目前，除了串行存储器之外，一般情况下，我们使用的都是8位数据存储器。单一+5 V供电，工作电流为75 mA，维持电流为35 mA，读出时间最大为250 ns，DIP28封装。2764VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GNDVccPGMN.CA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D327648K EPROM图2-11 2764引脚图（2）引脚功能其中，A0A12为地址线；D0D7为数据线； 为片选线；是读线；是编程输入；Vpp为编程电源。 除了12条地址线和8条数据线之外， 为片选线，低电平有效。也就是说，只有当为低电平时，2764才被选中，否则，2764不工作。 （3）EPROM 2764和锁存器74LS373与8031组成最小系统8031单片机扩展一片2764程序存储器电路如图2-12所示。 地址线。单片机扩展片外存储器时，地址是由P0和P2口提供的。图2-11中，2764的13条地址线（A0A12）中，低8位A0A7通过锁存器74LS373与P0口连接，高4位A8A12直接与P2口的P2.0P2.3连接，P2口本身有锁存功能。注意，锁存器的锁存使能端LE必须和单片机的ALE管脚相连。图2-12 8031扩展2764 EPROM硬件接线图 数据线。2764的8位数据线直接与单片机的P0口相连。因此，P0口是一个分时复用的地址/数据线。 控制线。CPU执行2764中存放的程序指令时，取指阶段就是对2764行读操作。注意，CPU对EPROM只能进行读操作，不能进行写操作。CPU对2764的读操作控制都是通过控制线实现的。2764控制线的连接有以下几条：直接P2.5。：接8031的读选通信号端。在访问片外程序存储器时，只要端出现负脉冲，即可从2764中读出程序。2.5 输入/输出接口系统设计输入/输出接口系统就是指人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备接口，就是人机交互接口。这些输入/输出设备主要有键盘和显示器等。它们是系统中必不可少的输入、输出设备，是控制系统与操作人员之间交互的窗口。2.5.1 键盘系统设计键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备。键盘可以分为编码键盘和非编码键盘两种类型。前者能自动识别按下的按键并且能产生相应的代码，以并行或串行的方式发送给CPU。它使用方便，接口简单，响应速度快，但是需要专用的硬件电路。本次设计中所采用的就是编码键盘。如图2-2中所示，8255A为给定值输入接口。为了使系统简单，设计了一个由二极管矩阵组成的编码键盘，如图2-13所示：图2-13 编码键盘原理图键盘输出信号D，C，B，A（BCD码）分别接到8255A的A口PA3-PA0，键选通信号KEYSTROBE（高电平有效），经反向器接到8031的INT0管脚。当按下某一个按键时，KEYSTROBE为高电平，经过反相后的下降沿向8031申请中断。8031响应后，读入BCD码值，作为定值，并送显示。本次设计只有3位显示，所以最多只能给定999。输入顺序为从最高位（百位数）开始。当按键未按下时，所有输出端口均为高电平。当有按键按下以后该按键的BCD码将会出现在输出线上。2.5.2 显示系统设计为了使操作人员及时掌握生产情况，在一般的微型计算机控制系统或者智能仪器当中，都配有显示程序。本次设计采用LED数码显示。2.5.2.1 LED数码管的结构及显示原理常用的显示器件有：显示和记录仪表，CRT显示终端，LED或者LCD显示器，大屏幕显示器。本次设计所采用的是LED数码管。LED数码管具有结构简单，体积小，功耗低，响应速度快，易于匹配，寿命长，可靠性高等优点。LED数码管是由发光二极管组成，由于材料的不同，可以发出各种单色光线。发光二极管可以有多种组成形式，其中7段数码管应用最多，根据发光二极管内部的连接方式不同，又有共阴极或共阳极两种形式。如图2-14所示图2-14 LED数码管结构2.5.2.2 74LS138结构及功能74LS138为3线到8线译码器，当一个选通端（G1）为高电平，另外2个选通端2A和2B为低电平时可以将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。利用G1、2A和2B可以级联扩展成24线译码器引脚结构如图2-15所示。图2-15 74LS138引脚图其引脚功能为：A、B、C为译码地址输入端；G1为选通端；2A、2B为选通端（低电平有效）；Y0Y7为译码输出端（低电平有效）。2.5.2.3 74LS377结构及功能74LS377是一种8D触发器，它的E端是控制端、CLK端是时钟端，当它的E端为低电平时只要在CLK端产生一个正跳变，D1D7将被锁存到Q0Q7端输出，在其他情况下Q0Q7端的输出保持不变。其引脚图和功能表如图2-16所示。图2-16 74LS377引脚及功能2.6 传感器选择与设计2.6.1 光电开关的原理光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。光电开关具有如下特点:输出回路和输入回路是电隔离的(即电绝缘)，体积小、精度高、检测距离远，防水、防腐蚀、防震动，抗光、电、磁等干扰。所以它可以在冶金、纺织、烟草、造纸、化工、电力、保安等各种行业得到应用。光电开关(光电传感器)利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理如图2-18所示。图2-18 光电传感器工作原理光电开关在一般情况下由三部分构成，它们分别为发送器、接收器和检测电路.光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化:利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化;利用光束来反射物体;使光束发射经过长距离后瞬间返回。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管(LED)和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间断地运行。接收器由光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光栏等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。光电开关的种类也很多，根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。2.6.2 气体传感器TGS202气敏元件采用半导体敏感材料制造，其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能，均达到国内先进水平。用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置，可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭。主要特点：1)灵敏度高、功耗低，输出信号强。2)选择性好、对被检测的气体非常敏感，而对干扰气体则灵敏度很低。3)稳定性、可靠性强4)具有抗高温、抗高湿性能。5)元件不含任何贵金属催化剂，具有抗中毒及抗饱和性能。但由于气体传感器是使用半导体材料来制作，不可避免的是有温度漂移问题，如何处理好气体传感器温度补偿问题是报警器设计的关键。以前的一般做法是把报警器的报警阀值电压作补偿，这样的电路会简单一些，但温度补偿的效果不太理想，主要是在低温环境里，气体传感器的表面温度降低导致气体传感器的性能变差，解决的方法是在低温环境里提高气体传感器的加热功率，使气体传感器的表面温度维持相对恒定，达到使气体传感器稳定工作的目的。 图2-19 TGS202 2.7 电机控制电路设计为了提高抗干扰能力，系统采用了光电隔离技术。电机可以采用多种方法控制，如固态继电器（SSR）、可控硅（SCR）及大功率场效应管等，本设计采用固态继电器（SSR）。2.7.1 固态继电器介绍固态继电器（Solid State Relay）简称SSR，它是用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体，因此固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。根据结构形式，固态继电器有直流型固态继电器和交流型固态继电器。本设计采用的是交流型固态继电器。1 直流型SSR直流型SSR的原理电路如图2-20所示。图2-20 直流型SSR的原理电路直流型SSR主要用于带直流负载的场合，如直流电机控制。直流步进电机控制和电磁阀等。2交流型SSR交流型SSR又可分为过零型和移向型两类。它采用双向可控硅作为开关器件，用于交流大功率场合，如交流电机、交流电磁阀控制等。其原理电路，如图2-21所示。图2-21 交流型SSR的原理电路过零型必须在负载电源电压接近零且输入控制信号有效时。输入端负载电源才导通，只在流过双向可控硅负载电流为零时才关断。2.7.2 电机控制电路原理电机控制电路如图2-22所示。图2-22 电机控制电路2.8 电源除了220V的电源，我们还选择了LM7805三端稳压器产生一个5V的电源。其电路如图2-23所示。图2-23 +5V电源电路三端固定输出集成稳压器，它是一种串连调整式稳压器。它将全部电路集成在单块硅片上，整个集成稳压电路只有输入、输出和公共三个引出端，使用非常方便。典型的有78正电压输出系列，79负电压输出系列。当输入的电压VI、输出电流IO或温度变化时，输出电压VO可保持不变；另外，当输出短路。可使输出电流IO限制为一定值；若稳压器过热，则它就停止工作，以免稳压器遭到损坏。三端固定输出电压集成稳压器，因内部有过热、过流保护电路，因此它的性能优良、可靠性高。有因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，所以我们选用了这种芯片。第3章 系统软件设计主程序单元清零设8255A工作方式清显示单元，指示灯设中断方式开中断启动电机1停止电机1，启动电机2，计数单元清零计数单元加1送显示加1给定值参数输入完吗？到位了吗？是否进入？检测到了吗？收起NNNNYYYY3.1 主程序3.2 显示子程序流程图显示子程序显示缓冲区首地址指向最左边一位8255A口地址取出要显示的数据求待显示数据的显示码送显示码到82553位数显示完了吗？返回求下一个位选码修改显示缓冲地址NY中断服务程序读入键值存入给定单元送显示计算下一个显示单元保护显示地址求下一位给定值单元地址输入计数器加1返回3.3输入给定值中断服务程序第4章 结论为期一学期的毕业设计结束了，在这短短的几个月当中，我们不仅巩固了以前学到的专业知识，更重要的是我们学到