以单片机为核心的温室智能控制系统设计.doc

0 前言温室是通过人为的控制与管理，创造适宜作物生长的环境条件。根据作物对各个环境要素相互协调的关系，确定适合作物生长的条件范围，当某一要素发生变化，不在此范围内时，一些装置就要对该要素做出相应地调整，最终将要素恢复到所确定的范围内。这样可以提高作物的产量和质量，能带来可观的经济效益，所以现在温室技术被广泛普及。温室技术最早产生于第二次世界大战期间，当时主要用来解决驻守荒岛士兵的蔬菜等食品的补给问题。那时人们还没意识到温室技术的重要性，拥有温室的国家和温室的面积还都很少。但慢慢地由于温室给这些国家带来的丰厚利润和经济收益，使他们看到了建造更多温室的可行性，因而他们开始大力投入温室建造和温室技术的研发。在这方面荷兰做的是最好的，它的温室技术和温室建造面积方面，都可以说是数一数二的。而且荷兰是最早将计算机作为温室环境控制系统的核心部分出现在荷兰及世界市场上。我国作为一个农业大国，温室技术的发展缺比较晚与国外的技术相比有很大差距。这主要是我国温室技术兴起的比较晚的缘故。为了提高这方面的技术，在自70年代末起，我国先后从日本、美国、荷兰和保加利亚等国引进了不下40套的现代化温室成套设备，虽然引进的这些温室设备技术领先、设备先进，但在我国的使用过程中还存在着较为严重问题，主要是由于我国自然气候的特点和引进的设备不能相符合，导致设备不能发挥起作用，加上设备的可改动性不大，因而很难达到设备对温室内温度、湿度等因素的合理控制。经过多年来的研究和实验，我国的温室大棚技术发展到现在，已经形成了比较完整和全面的体系1。本设计是一种简单实用的温室智能控制系统设计，是以温室内的温度和湿度作为被控对象，采用单片机AT89C51作为温度和湿度控制系统的核心，能实现人工设定温度和湿度范围值，实时显示温度值和湿度值，自动控制温度和湿度等功能。1 概述1.1 系统的基本功能1）对温室内的温度和湿度进行控制，使温度和湿度稳定在设定的范围值内；2）利用开关的接通作为控制温度和湿度设定值的输入信号；3）能实时地显示当前的温度值和湿度值；4）利用继电器实现对增温装置、降温装置、增湿装置、降湿装置的控制，起到了由弱电控制强电，将强弱电隔离的保护作用。1.2 系统的主要技术参数1）温度检测范围：1040。2）湿度检测范围：1060。3）显示方式：温度：二位LED显示；湿度：二位LED显示。4）控制方式：继电器控制相应装置工作。1.3 本文的主要工作本文是针对单片机为核心的温室智能控制系统而展开的设计，设计工作主要集中在以下几个方面：1）说明本次选题的目的和意义，简要介绍一下国内外温室产业的状况；2）提出系统的基本方案，并对组成系统的各模块进行方案选择和论证；3）单元电路的设计；4）系统软件设计；5）系统的抗干扰措施；6）技术经济分析；7）结论。2 系统的组成及工作原理根据题目要求，系统的硬件组成可以分为以下几部分：信号采集，信号转换与处理，数码LED显示器，按键设置，继电器控制，电源。其中信号的采集部分又包括温度传感器的采集，湿度传感器的采集两个方面；信号转换与处理部分又包括模拟量与数字量的转换，单片机的控制与EEPROM存储器扩展。系统原理框图，如图2-1所示。温度信号A/D转换器单片机温度信号电源键盘设置LED显示继电器增温装置减温装置增湿装置减湿装置图2-1系统原理框图Fig.2-1 System block diagram首先对系统进行初始化，之后通过按键设定温度和湿度的范围值，这时该系统可以正常工作了。由温度传感器和湿度传感器采集到的信号经过处理，通入A/D转换器中转换成相应的数字量，送入单片机，经简单的I/O口扩展电路和CD4511驱动LED显示数值，之后单片机会根据内部的程序对送入的数值进行比较，如果送入的数值在设定的范围值内时，则系统从新开始执行以上的过程；若送入的数值不在设定的范围值内时，系统则通过继电器的导通来控制相应装置工作，最后让温度和湿度保持在设定的范围值内，再重新执行以上的过程。其中的增温装置可以采用加热器或暖风机等；减温装置可以采用通风窗等；增湿装置可以采用喷雾水泵等；降湿装置可以采用通风窗等。3 系统硬件电路的设计3.1 方案的选择和论证3.1.1 传感器的选择传感器是实现测量与控制的首要环节，是系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的采集，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。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。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，其允许误差为-50100。方案二：采用LM35。LM35是美国国家半导体公司(NSC)生产的3端子电压输出型单片精密集成电路温度传感器。其输出电压与摄氏温度线性成比例，因而LM35有优于开尔文标准的线性温度传感器。在常用的室温的条件下，LM35无需外部校准或微调就能到达1/4的准确率，在-55+150温度范围内为3/4，LM35的额定工作温度范围为-55+150。它具有功耗小、量程宽等优点2。综合比较方案一与方案二，本设计选择方案二更为适合。2）湿度传感器的选择方案一：采用电阻式湿度传感器MSC-2湿敏电阻。MSC-2湿敏电阻传感器是利用大气中含水蒸气量变化引起电阻值变化的原理，来检测大气中的湿度。在中湿度的范围4090RH，特别是在常温2515时，检测出8095RH范围里，MSC-2湿敏电阻传感器容易潮解变坏。由于传感器的电阻值随温度而变化，而且要有温度补偿措施。MSC-2湿敏电阻传感器一般在常温或温度变化不大的条件下使用，且价格较低。方案二：采用选用HM1500。在基于HS1101简单电容性湿度传感器的基础上，HM1500的测量值直接以线性电压的形式输出；工作温度范围为-3060；测量湿度范围为0100%RH，精度达到3%RH；供电电压为5V；可输出DC电压为14 V。采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度成比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，可靠性高，重复性好，抗污染能力强3。由于HM1500湿度传感器的精度较高，测量范围大，反应时间较快，温度依赖性比较低，长期稳定性能好，用户使用方便，价格实惠，是性价比极高的一款集成湿度传感器，所以本设计采用HM1500作为湿度测量传感器。3.1.2 单片机的选择目前，我国使用最多的单片机是Intel公司的MCS-51系列单片机和美国ATMEL公司的AT89C51单片机。其中，MCS-51系列单片机包括三个基本型8031、8051、8751。8031内部包括一个8位CPU、128个字节RAM，21个特殊功能寄存器(SFR)、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口、2个16位定时器/计数器，但片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。比较麻烦，不予采用。8051是在8031的基础上，片内集成有4K ROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。所以8051适合与应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。也不予采用。8751是在8031基础上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序不超过4KB的小系统。用户将程序固化在EPROM中，可以反复修改程序。但其价格相对8031较贵。8031外扩一片4KB EPROM的就相当与8751，它的最大优点是价格低。随着大规模集成电路技术的不断发展，能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的。也不予采用。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4KB的闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM-Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)和128B的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。因此，本设计的单片机采用AT89C51作为系统的控制核心。3.1.3 信号采集通道的选择 在本设计系统中，输入信号为2路的模拟信号，这就需要多通道结构。方案一：采用多路并行分时模拟量输入通道。如图3-1(a)所示，这种结构的模拟量通道特点为：1）可以根据控制各通道的选线来选择不同模拟输入通道。2）价格便宜，便于的连线。3）软件编程简单。方案二：采用多路分时的模拟量输入通道。如图3-1(b)所示，这种结构的模拟量通道特点为：1）对模拟量到数字量的转化速率和信号采样保持的要求较高。2）处理速度慢。3）使用硬件较多，软件编程也比较复杂。比较其框图如图3-1，方案一更具备硬件简单的突出优点。综合比较方案一与方案二，方案一更适合本系统对模拟量输入的要求。采集信号1采集信号2N通道分时并行模拟量输入A/D转换器CPU 采集信号11路模拟量输入A/D转换器CPU多路切换器采集信号2图3-1多路并行分时模拟量输入通道（a） 多路分时的模拟量输入通道(b)Fig.3-1 Parallel multi-channel analog input channel time-sharing (a) Time-sharing multiplexing the analog input channel (b) 3.2 系统单元电路的设计3.2.1 信号采集电路1）温度信号的采集a.温度传感器基于集成温度传感器的线性好、精度适中、灵敏度高、使用方便等特点，本系统采用 LM35集成温度传感器。它测量的温度误差小、价格低、响应速度较快、传输距离比较远、体积小、微功耗等，适合测温、控温，LM35 重要的特点是被测温度与输出电压的线性关系很好，不需要进行非线性校准，而且它内部电路已校准，在精度、反应时间、线性方面均满足系统要求。 b.LM35芯片的特点：LM35是美国国家半导体公司(NSC)生产的电压输出型单片集成精密温度传感器。此芯片的特点有：测温范围为-55C+150C；在-55C+150C 内，LM35的精度为0.4C0.8C，非线性误差0.15C0.3C；温度系数 10mV/，输出电压直接校准在；低功耗，静态电流小于 60A；低阻抗输出，通过 1mA电流时，输出阻抗仅为 0.1 欧姆；适合远距离测量4。LM35输出电压与摄氏温标呈线性关系，当0 时输出为0mV，每升高1，输出电压增加10mV。LM35 有多种不同封装型式，外观如图3-2所示。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到1/4的准确率。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其接脚如图3-3所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静止电流温度关系如图3-4所示，单电源模式在25C下静止电流约50A，工作电压较宽，可在420V的供电电压范围内正常工作非常省电。输出电压与温度的公式：(3-1)+VsGNDVout LM 35 图3-2 LM35塑料封装图 (a)Fig.3-2 Plastic package diagram (a) LM35管脚图 (b) LM35 pin diagram (b) 图3-3点电源模式 (a) 正负双电源模式 (b) Fig.3-3 Power-point model (a) Positive and negative dual power supply mode (b) 单电源模式 (a) 正负双电源模式(b) Single-supply mode (a) Positive and negative dual power supply mode (b)图3-4电流温度关系Fig.3-4 Current - temperature relationshipc.信号的传输和放大电路微弱信号检测，精密模拟运算中，一般采用运放 OP07。其特点是超低失调和超低漂移，高增益，高输入阻抗，性能极为优越稳定，而且价格便宜，市场货源充足。本设计为实现信号的有效传输和放大采取了OP07的两种典型接法，即电压跟随器和运算放大电路。 接法一：OP07组成电压跟随器。图3-6为OP07构成的电压跟随器的接法。电压跟随器的特点是：输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗能达到几兆欧姆；输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电压跟随器一般做隔离级。如图3-5所示，如果直接将负载RL并联在R2上，则电阻RL的接入将会影响电压Uo的大小；同时从负载RL的角度来看，有一部分信号会损耗在R2上。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行隔离。电压跟随器的输入阻抗高，输出阻抗低，于是就可以看作：当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，即输出电压不受后级电路阻抗RL的影响，保证Uo的值不变；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，也就不存在信号损耗在R2上了。这样就使前、后级电路之间互不影响，从而保证了信号的有效可靠传输。 图3-5电压跟随器的隔离作用Fig.3-5 Isolation voltage follower role电压跟随器引入了电压串联负反馈，且反馈系数为1，也就是说电压跟随器的电压放大倍数近似为1，这就避免了因接入电压跟随器而对运算放大电路的放大倍数造成影响。图3-6 OP07构成电压跟随器Fig.3-6 OP07 constitute a voltage follower接法二：OP07 组成运算放大电路。如图3-7为OP07构成的运算放大器的接法。由于温度传感器LM35输出的电压范围为0V1V，虽然该电压范围在A/D转换器的输入允许电压范围内，但该电压信号较弱，如果不进行放大直接进行A/D转换则会导致转换成的数字量太小、精度太低。所以系统中选用OP07对电压信号进行幅度放大。OP07芯片采用正负15V直流电压供电，有 8 个引出脚，其中引脚3和2为两个信号输入端，引脚6为输出端，Rf为滑动变阻器，用来调节运算放大器的放大倍数的。此电路采用同相放大电路，其放大倍数为A=(Rf+R1)/R1，本次设计的放大倍数选用了5倍，即Rf=4K时，基本符合AD芯片的工作电压范围。 图3-7 OP07构成的运算放大器Fig.3-7 OP07 operational amplifier图3-8为温度信号经温度传感器LM35，经电压跟随器，再经运算放大器构成的信号采集电路图。 图3-8温度信号的采集电路图Fig.3-8 Temperature signal acquisition circuit2）湿度信号的采集湿度传感器选用是HM1500。HM1500是法国Humirel公司于2002年推出的一种基于硬质封装的HS1101湿敏电容的电压输出式集成湿度传感器。它将侧面接触式湿敏电容与湿度信号调理器集成在一个模块中，集成度高，有很小的易于安装的接头，因此不需要外围元件，使用非常方便。其主要特点是采用恒压供电，输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，对温度的依赖性非常低，可靠性与长期稳定性高，互换性好，专利的固态聚合物结构，浸水无影响，长时间处于饱和状态后能快速脱湿，抗污染能力强。因为HM1500内部包含湿敏电容与湿度信号调理器，集成度很高，因此不需要外围元件，直接与A/D转换器相连。a.HM1500的性能特点：内部包含由湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能输出与相对湿度成线性关系的直流电压信号，输出阻抗为70。HM1500属于通用型湿敏传感器，测量范围是0100%RH，输出电压范围是+1V+4V。相对湿度为55%时的标称输出电压为2.48V。测量精度为3%RH，灵敏度为+25mV/RH，温度系数为0.1%RH/，湿度迟滞为1.5%RH，响应时间为5s5。产品的互换性好，抗腐蚀性强。不受水凝结的影响，长期稳定性指标为0.5%RH/年。采用+5V电源（允许范围是+4.75V+5.25V），工作电流为0.4mA（典型值），漏电流300A。工作温度范围是-30+60。b.HM1500的工作原理Vout放大器低通滤波器HM 1500桥式振荡电路图3-9 HM1500工作原理Fig.3-9 HM1500 working principlec.HM1500模拟电压输出表及曲线（Vs=5V时）表3-1 HM1500模拟电压输出表Tab.3-1 HM1500 analog voltage output tableRH%Vout /mVRH%Vout /mVRH%Vout /mV101330402120702860151475452235752980201610502360803115251740552480853250301850602600903390351995652730953530HM1500的输出电压与相对湿度的影响曲线，如图3-10所示：HM1500特别适用于在10%95%RH精确测量的环境。超过范围（小于10%，大于95%包括饱和）不会影响可靠性。如果需要，可以用如下的关系式做补偿。温度效应补偿：（Ta23）(3-2)(3-3)其中：Uo是HM1500输出电压，单位为V。图3-10 HM1500的输出电压与相对湿度的响应曲线Fig.3-10 HM1500 and the output voltage response curves of relative humidity3.2.2 信号转换与处理电路1）A/D转换器ADC0809A/D转换器(ADC)的作用就是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换器芯片应运用而生。ADC0809是National半导体公司生产CMOS材料的A/D转换器。它是具有8个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，得到8位二进制的数字量。它是一种逐次逼近式A/D转换器6。 a.ADC0809内部结构及转换原理ADC0809的内部原理框图如下图3-11所示。片内有8路模拟开关、模拟开关的地址锁存与译码电路、比较器、DAC、逐次逼近寄存器SAR、三态输出锁存缓冲寄存器、控制与时序电路等。ADC0809是采用逐次逼近法进行A/D转换的。其工作原理是将一路模拟信号Vin与一个推测信号Vst相比较，根据推测信号大于还是小于输入信号Vin来决定增大还是减小这个推测信号，逐次向模拟信号逼近，最后通过三态锁存缓冲器输出转换后的数字量。这种A/D转换方式的特点是转换速度快。ADC0809的主要技术指标如下表3-2所示。表3-2 ADC0809的主要技术指标Tab.3-2 ADC0809 of the major technical indicators电源电压分辨率时钟频率转化时间未经调整误差模拟量输入电压范围功耗5V8位640kHz100A1/2LSB和1LSB05V15mWLSB：数字信号最低有效位。图3-11 ADC0809原理框图Fig.3-11 Block diagram of ADC0809ADC0809可对05V的模拟信号进行A/D转换。其工作过程如下：ADC0809通过引脚IN0IN7可以输入8路单边模拟输入电压；ALE将3位地址线ADDA、ADDB、ADDC进行锁存，然后由三位地址线来选择8路模拟通道中的一路进行A/D转换；接着向ADC0809的START（启动信号）送一启动脉冲，ADC0809在时钟频率下开始转换；当转换结束时，由EOC送出一高电平，它送人单片机，单片机接到此信号向OE(Enable)送一脉冲作为输出允许，ACD0809得到此信号就打开芯片内部的三态门，数字信号由D0D7通过单片机的数据线输出到单片机中；则单片机就可以读出转换后的数字量。b.ADC0809引脚及功能ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟量输入、8位数字量输出的A/D转换器。其引脚图如下图3-12所示。ADC0809是28引脚，采用双列直插式封装的芯片。其主要引脚功能如下：IN0IN7：是8路模拟信号输入端，输入电压范围为05V。D7D0：8位数字量输出端。ADD-A、ADD-B、ADD-C：8路模拟信号输入通道地址选择线，其8位编码分别对应IN0IN7，用以选择对应的8路模拟输入通道。地址译码器与对应通道关系如表3-3所示。图3-12 ADC0809芯片引脚示意图Fig.3-12 ADC0809 chip pin diagram表3-3 ADC0809 地址译码与通道的关系Tab.3-3 ADC0809 addresses the relationship between decoding and channel ADD-C ADD-B ADD-C 选通的模拟通道 000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7强调说明一点：ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。ALE：地址锁存允许信号输入端，由低至高电平的正跳变将通道地址锁存至地址锁存器中。OE(enable)：为输出允许控制端，在此端加上一个高电平信号，则打开三态输出锁存器，将A/D转换的结果输出。START：A/D转换启动信号正脉冲有效，此信号要求保持在200ns以上。其上升沿将内部寄存器清0，下降沿起动A/D转换。EOC：A/D转换结束信号输出端，EOC=0，表示A/D正在转换中；EOC=1，表示A/D转化结束，可作中断请求信号或供CPU查询。CLOCK：为时钟脉冲输入，脉冲频率允许范围10kHz1.2MHz。典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100s，转换速度相当快。时钟频率降低，转换速度下降。Ref(+)和ref(-)：为参考电压输入端。Vcc：芯片工作电压，接+5V。GND：接地端。c.ADC0809与AT89C51的接口设计在讨论MCS-51与ADC0809的接口设计之前，先来讨论单片机如何来控制ADC的问题。单片机一般采用3种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取。方式一：程序查询方式。这种方式的思想就是在启动A/D转换器工作以后，程序不断读取A/D转换结束信号，如果转换结束信号EOC有效，则认为完成一次转换，因而用输入指令取数据。ADC0809与AT89C51单片机连接如图3-13所示。由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE经74LS74（双D触发器），二分频后获得，ALE脚的频率时AT89C51单片机时钟频率的1/6。如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE脚的输出频率为1MHz，再二分频后为500kHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0、A1、A2相连，以选通IN0IN7中的一个通路。以单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存信号ALE和转换启动信号START；以单片机的读信号和P2.7作为输出允许信号；以单片机的P1.7控制A/D转换结束的输出信号EOC，因此，用程序读取P1.7的值并进行判断，便可知A/D转换是否完成。当单片机向ADC0809执行一条输出指令时，和P2.7同时有效，地址锁存信号ALE将出现在数据线上的模拟通道地址锁入ADC0809的地址锁存器中，START信号启动芯片开始A/D转换。当单片机按上述芯片地址执行一条输入指令时，和P2.7同时有效，这时输出允许信号OE有效，ADC0809的输出三态门被打开，以转换好的数据就出现在数据线上。另外，在A/D转换启动以后，用输入指令不断的读取P1.7的数据，并进行测试，以及判断P1.7是否为1，如P1.7为1，则说明完成一次A/D转换，故单片机可以从P0口读取转换结果，否则继续进行查询。图3-13 ADC0809与单片机AT89C51接口单路（采用查询方式）Fig.3-13 ADC0809 interface with the AT89C51 single-chip single-channel (using query)方式二：中断方式。用这种方式时，把转换结束信号作为中断请求信号，向单片机发出中断请求。单片机响应此中断请求，进入中断服务子程序，读入转换数据，并进行必要的数据处理，然后返回到源程序。这种方法单片机无须进行转换时间的管理，CPU效率高，所以特别适用于变换时间较长的A/C转换。ADC0809与AT89C51单片机连接如图3-14所示。由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE经74LS74（双D触发器）二分频后获得，ALE脚的频率时AT89C51单片机时钟频率的1/6。如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE脚的输出频率为1MHz，再二分频后为500kHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。图3-14 ADC0809与单片机AT89C51接口单路（采用中断方式）Fig.3-14 ADC0809 interface with the AT89C51 single-chip single-channel (using interrupt mode)由于ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连，地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0、A1、A2相连，以选通IN0IN7中的一个通路。用单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动。由于ALE和START连在一起，因此ADC0809的锁存在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2.7经或非门后，产生的正脉冲作为输出允许信号OE，用以打开三态输出锁存器。转换结束信号EOC经非门与单片机AT89C51的相连。采用中断方式可大大节省CPU时间，当转换结束时，EOC发出一个脉冲向单片机提出中断申请，单片机响应中断请求，由外部中断1的中断服务子程序读A/D结果，并启动ADC0809的下一个转换。方式三：固定的延时程序方式。用这种方式时，要预先精确地知道完成一次A/D转换所需要的时间（ADC0809的转换时间为128A）。这样单片机发出启动命令后，执行一个固定的延时程序，此程序执行完时，A/D转换也刚好结束，于是单片机就可以读取数据了。如果A/D转换的时间比较长，或者有几件事情需要单片机处理，那么，用中断方式的效率比较高，因为用这种方式时，在A/D转换期间，单片机可以处理其它的事情。但是，如果A/D转换时间比较短，那么，中断方式就失去了优越性，因为响应中断、保留现场、恢复现场、退出中断这一系列环节多花去的时间和A/D转换的时间相当，所以此时可用2种非中断方式之一来实现转换数据的读取。根据本设计的要求，单片机采用中断方式和A/D转换器进行联络来实现转换数据的读取。2）控制电路核心器件介绍a.AT89C51主要性能参数与MCS-51产品指令系统完全兼容；4K字节可重擦写Flash闪速存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz24MHz；1288位内部RAM；32个可编程I/O 口线；2个16位定时/计数器；5个中断源（2个外部中输入断源和；2个片内定时器T0和T1的溢出中断源；1个片内串行口发送和接受中断源TI和RI）；可编程串行通道；低功耗7。b.AT89C51 内部结构P2P1P0TXDRXDP3PSENINT0INT1控制逻辑CPU中断控制时钟特殊功能寄存器串行口定时器并行I/O口T0128 byteT14KALEEARDWRRSTROMRAM图3-15 AT89C51单片机内部结构框图Fig.3-15 AT89C51 single-chip block diagram of the internal structurec.AT89C51 功能特性概述AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/0 口线，两个16位定时/计数器，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。d.AT89C51引脚及功能采用CMOS的工艺制造的AT89C51单片机有40个引脚，双列直插式封装，其逻辑符号及引脚排列如图3-16所示。由于制造工艺的限制，许多引脚都有第二功能。图3-16 AT89C51芯片的引脚图Fig.3-16 AT89C51 chip pin diagramAT89C51单片机的40个引脚按功能不同可分为4个部分。第一部分：主电源引脚Vcc、Vss。Vcc(40脚)：电源电压，接+5V电源端。Vss(20脚)：接地端。第二部分：外接晶体引脚XTAL1、XTAL2。XTAL1(19脚)：接外部晶振和微调电容的一端，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反向放大器的输入端。XTAL2(18脚)：接外部晶振和微调电容的另一端，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反向放大器的输出端。第三部分：控制信号引脚。RESET(9脚)：复位输入端。当振荡器工作时，RESET引脚连续保持两个机器周期以上的高电平时，即可有效地使单片机复位。ALE/(30脚)：地址所存允许信号。当CPU访问外部程序存储器或数据存储器时，若ALE（地址锁存允许）信号由高电平变为低电平（下降沿有效）锁存P0口输出的低8位字节。不访问外部存储器时，ALE端以1/6的振荡频率输出固定的正脉冲信号。因此ALE信号可以作为对外输出的时钟，可以利用ALE端来查看单片机的好坏，若该端有脉冲输出表示单片机基本是好的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。：编程脉冲输入端。对于片内具有EPROM的单片机，此端用来输入编程脉冲，低电平有效。如有必要，可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。(29脚)：外部程序存储器读选通信号，低电平有效。当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的信号不出现。(31脚)：外部程序存储器选择端。欲使CPU只访问外部程序存储器，端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存端状态；如端为高电平（接Vcc端），CPU则首先访问内部程序存储器并自动延至外部程序存储器。Vpp：编程电压输入端。与30脚的第二功能一起使用，为写入程序提供专门的编程电源和编程脉冲。对Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。第四部分：I/O端口引脚。P0口(P0.0P0.7)：PO口是一组8位双向I/O口，也既地址/数据总线复用口。可作为输出口使用时，每位可吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入输出用。在访问外部数据存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口：P1口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流(I)。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输入缓冲极可以驱动（输入或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时和作为输出口，作输出口时，因为存在内部上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部存储器或1位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线的内容，在整个访问期间不改变。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输出端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除可作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-4所示：P3口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表3-4 P3口的第二功能Tab.3-4 P3 of the second function P3口 引 脚 第 二 功 能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 （外部中断0请求输入端）P3.3 （外部中断1请求输入端）P3.4 T0（定时/计数器0计数脉冲输入端）P3.5 T1（定时/计数器1计数脉冲输入端）P3.6 （片外数据存储器写选通信号输出端）P3.7 （片外数据存储器读选通信号输出端）e.时钟电路时钟电路是用于产生单片机工作时所需的时钟信号的电路。AT89C51芯片的内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，其输入端和输出端分别为为芯片的引脚XTAL1和XTAL2。AT89C51的时钟可以由内部方式产生，也可以由外部方式产生。方式一：内部时钟电路。AT89C51芯片内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器。反向放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是AT89C51的19脚和18脚。在芯片外部的XTAL1和XTAL2引脚之间跨接一个石英晶体或陶瓷谐振器和微调电容，即而构成一个稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路，见图3-17。图3-17 AT89C51内部时钟电路Fig.3-17 AT89C51 internal clock circuit对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，则推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷振荡器建议选择40pF10F。振荡频率范围是0MHZ24MHZ。 方式二：AT89C51外部时钟电路图3-18 AT89C51外部时钟电路Fig.3-18 AT89C51 external clock circuit在这种情况下，AT89C51使用外部振荡脉冲信号直接接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。如图3-18所示。 f.AT89C51的复位电路复位是单片机的初始化操作，使单片机处于一个固定的初始状态，并从此状态开始运行。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。常见的复位电路的复位方式有上电自动复位和按键手动复位两种。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。上电复位的瞬间电容两端的电压不能发生突变，复位端为+5V，上电后电容通过RC电路放电，复位端的电压逐渐下降，直至低电平0V，适当选择R,C(R=1K,C=22F)的值，使复位端高电平维持2个机器周期以上即可完成复位，其电路图如图3-19(a)所示。按键手动复位与上电复位的原理相同，复位键按下后，复位端通过R2与Vcc电源接通，迅速放电，使RST引脚为高电平，复位键弹起后，电源Vcc通过R1对C1重新充电，复位端的电压逐渐下降，直至低电平0V，适当选择R1,R2,C(R2=200,R1=1K,C1=22F)的值，使复位端高电平维持2个机器周期以上即可完成复位，其电路图如图3-19(b)所示。 图3-19 上电自动复位电路(a) 按键手动复位电路(b)Figure 3-19 Automatic reset circuit on electricity (a) Button manually reset circuit（b）几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机上电时能可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致数据被修改；另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身的看门狗定时器(有些单片机无看门狗定时器)外，还需外加看门狗电路；除此以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生往往是根随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。MAXIM公司推出的MAX813L刚好能满足这些要求，下面具体介绍该芯片的性能特点及使用方法。图3-20 MAX813L芯片引脚图Fig.3-20 MAX813L chip pin diagramMAX813L有双列直插和贴片两种封装形式，其双列直插图如图3-20所示，引脚功能如下：(1脚)：手动复位输入端，低电平有效。当该输入低电平保持140ms以上，MAX 813L就输出复位信号。该输入端的最小输入脉冲宽要求可有效地消除开关抖动。与TTL或CMOS兼容。Vcc(2脚)：工作电源端。接+5V电源。GND(3脚)：电源接地端。接0V参考电平。PFI(4脚)：电源故障输入。当该端输入电压低于1.25V时，5脚输出端的信号由高电平变为低电平。PF0(5脚)：电源故障输出端。电源正常工作时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。WDI(6脚)：看门狗信号输入端。程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1.6s该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8脚由高电平变为低电平。RESET(7脚)：复位信号输出端。上电时，自动产生200ms的复位信号脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。(8脚)：看门狗信号输出端。正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。由图可知该芯片具有以下主要性能特点：系统上电、掉电以及供电电压降低时，7脚产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms，高电平有效，复位门限的典型值为4.65V；如果在1.6s内没有触发该电路(即6脚无脉冲输入)，则8脚输出一个低电平信号；手动复位输入，低电平有效，即1脚输入一个低电平，则7脚产生复位输出；1.25V门限值检测器，4脚为输入，5脚为输出。当4脚电压低于1.25V时，5脚输出一个低电平信号。 MAX813L的典型应用电路：图3-21 MAX 813L典型应用电路图Fig.3-21 MAX 813L typical application circuitMAX813L的典型应用电路如图3-21所示。图中单片机是AT89C51，MAX813L的1脚与8脚相连。7脚接单片机的复位脚(AT89C51的9脚)；6脚与单片机的P1.4相连。在软件设计中，P1.4不断输出脉冲信号，如果因某种原因单片机进入死循环，则P1.4无脉冲输出。于是1.6s后在MAX813L的8脚输出低电平，该低电平加到1脚，使MAX813L产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱死循环的困境。Vi为被检测电源，S为手动复位开关。另外，当电源电压低于门限值4.65V时，MAX813L也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，可有效防止因电源电压较低时单片机产生错误的动作。电源故障输入端PFI通过一个电阻分压器（R1和R2构成）检测未稳压的直流电源。当PFI低于1.25V时，电源故障输出端5脚变低，可引起AT89C51中断，进行电源故障处理，或将重要数据保存下来。把分压器接到未