单片机压力巡回检测仪的设计及GPRS远程监测的研究.doc

摘 要随着计算机技术的发展，嵌入式控制系统再不断的更新和完善, 智能监控技术也得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，了解并掌握智能监控技术的工作原理及特性显得非常重要，因此，单片机作为微控制器，因其体积小、质量轻、价格低在嵌入式系统中得到广泛的应用。系统中BLR_1压力传感器把应变片作为敏感元件来测量应变以外的物理量，把应变片粘贴到传感器的受力结构(弹性元件)上，使该应变片上的应变与被测量成比例，从而实现压力检测，并应用AD624的电路作为应变片传感器的放大电路，以便A/D转换器进行数据转换。系统模拟输入为0V-5V，最高压力100KPa，控制精度0.05KPa，分辨率为4096。为达到这样的目标，采用了AD574A来做为系统的A/D转换器。利用89C51的串行口实现键盘/显示器接口，应用8031的串行口方式0的输出方式，与串行口外接移位寄存器74LS164，构成键盘/显示器接口。GPRS作为第二代移动通信向第三代过渡的技术，在基于有线和无线局域网的监控系统和数据传输系统取得得到了广泛的应用。系统正是采用此技术实现了远程通信，通过串口通信方式将检测仪采集的数据实时发到指定的手机上。系统总体实现了压力数据采集、信号调理、数码管显示、压力超限报警、串口通信以及GPRS模块短信收发功能。系统性能稳定、性价比高、运行可靠，应用前景十分广阔。关键词：单片机；压力检测；GPRS；远程通信Abstract With the development of computer technology, embedded control systems are updated and improved, intelligent monitoring technology has had a significant progress and its applications are more and more widely, to understand and master the intelligent monitoring technology how to work is very important Therefore, as a single-chip microcontroller is widely used in embedded systemsfor its small size, light weight and low cost . BLR_1 pressure sensor takes the strain gauge as a sensor to measure the strain beyond the physical in the system, the strain gauge is pasted to the sensors force structure (elastic component), so that the strain gauge on the strain is in proportion as what is measured to achieve the strain detection andApplicating AD624 circuit as a amplifier circuit of the strain gauge sensor so that A / D converter converting data . System analog input is for the 0V-5V, the maximum pressure is 100KPa, control accuracy is 0.05KPa, and the resolution is 4096,To achieve this goal, using the AD574A to do this design as my A / D converter. Using the serial port of 89C51 achieving keyboard / display interface, the application of the 8031 serial port mode 0 output and shift register 74LS164 external to serial port, constitute the keyboard / display interface. GPRS as the mobile communication technology which subjects to the transition of second generation to the third generation has been widely achievedbased on wired and wireless LAN monitoring system and data transmission system.The design implements telecommunications,use GPRS technology,send data collected by real-time detector to the specified mobile phone through a serial communication. System achieves the pressure data acquisition, signal conditioning, digital display, the pressure limit alarm, serial communications, and messaging functionality GPRS module.The system is stable, cost-effective, reliable and it has a very broad application prospect.Keywords: microcontroller; pressure detection; GPRS; remote communication目 录摘 要IAbstractII第1章 引言11.1课题研究的目的和意义11.2国内外发展现状21.3课题研究的主要任务及目标31.3.1课题主要任务31.3.2预期目标3第2章 系统分析42.1 系统需求分析42.2系统可行性分析42.2.1 硬件电路可行性42.2.2 软件系统可行性5第3章 系统总体设计63.1系统硬件总体设计63.2系统软件总体设计7第4章 单片机压力检测仪详细设计94.1 硬件电路设计94.2单片机压力检测仪模块主要芯片介绍104.2.1 单片机AT89C51104.2.2 BLR_1压力传感器144.2.3 AD574A174.3模块单元电路184.3.1 I/O端口电路184.3.2 复位电路204.3.3内部时钟方式电路224.3.4多路选择开关模拟通道电路234.3.5 LED数码管显示电路25第5章 GPRS远程通信模块详细设计305.1 硬件电路设计305.2 GPRS远程通信模块主要芯片介绍305.2.1 STC12C5A60S2305.2.2 MAX809/MAX810325.3 TC35开发板335.3.1.TC35开发板简介335.3.2 AT命令集355.3.3 GPRS模块发短信子程序37第6章 串口通信设计386.1 串口应用简介386.2串口硬件电路介绍386.3通信方式386.3.1 并行通信386.3.1 串行通信386.3.3 异步通信396.4 串口工作方式396.5 波特率的计算406.6 串口初始化40第7章 系统调试与系统测试427.1系统调试427.1.1硬件测试427.1.2软件调试437.2系统测试447.2.1 硬件测试环境447.2.2 单片机压力检测仪串口数据测试457.2.3 GPRS远程通信模块串口数据测试45第8章 结论46参考文献47致 谢48第1章 引言1.1课题研究的目的和意义单片机由于具备集成度高、系统结构简单、系统扩展方便、体积及功耗小、价格便宜等优点，作为微控制器在检测控制系统中得到广泛应用。在科研、生产和日常生活中，人们对测量和控制温度、压力、流量等模拟物理量的要求越来越高，而这些物理量中压力监测的应用很广泛，将压力通过传感器变成电信号，再经过处理转换成计算机识别的的数字量，输入到计算机，计算机将采样到的数字量分居不同场合进行不同处理，然后在显示器货打印机打印出来，并进行实时监控。与pc机连接，甚至可能与互联网连接，以实现远程监测，控制和访问数字化，智能化的传感器1。 随着科技的飞速发展和人类需求的不断增加，监测系统在人们生产和生活中扮演着越来越重要的角色。目前的监测系统主要是基于有线通讯方式，但是对于地处偏远和分布分散的监测目标采用有线方式显然不经济。GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是一种新的分组数据承载业务。作为第二代移动通信向第三代过渡的技术，GPRS与现有的GSM语音系统最根本的区别是，GSM是一种电路交换系统，而GPRS是一种分组交换系统。因此，GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。随着计算机和网络技术的迅速发展，基于有线和无限局域网的监控系统和数据传输系统取得了很大的发展，但如何实现距离从数十米到数千公里的远程设备之间的自由通信，实现真正的所见即所得，监控无所不在，成为研究的热点。GPRS无限通信技术和单片机技术相结合，提出适应于工业生产监控的GPRS无限远程监控系统方案。通过编程设计一种基于西门子GPRS模块MCS-52单片机的远程无限智能终端。智能终端与现场工业设备通过串口相连，在单片机内实现简化的ppp协议，并用单片机驱动GPRS模块，使其经过GPRS无线网络连接到Internet，最后于Internet上的监控中心电脑建立连接，利用Socket技术实现网络通讯，从而实现工业现场设备与监控中心间的可靠数据无线通信。1.2国内外发展现状我国开始使用单片机是在1982年，短短五年时间里发展极为迅速。1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的单片机与嵌入式系统应用杂志现以风靡电子界，在2003年7月，91(91猎头网)在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。一块小小的片子，为何有这样的魔力？我们首先从它的构成说起：单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机2-3。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机(单片机)在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达13亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。1.3课题研究的主要任务及目标1.3.1课题主要任务(1) 能够实现8路通道压力巡回检测。(2) 用8位数码管显示数据。(3) 利用实时时钟电路进行实时控制。(4) 设计压力超限报警模块。(5) 采用单片机AT89C51进行系统设计。(6) 利用GPRS实现远程监控。1.3.2预期目标(1) 实现系统所有功能。(2) 系统(软硬件)调试通过。第2章 系统分析2.1 系统需求分析随着我国在水力、电力、风力各方面的迅速发展，实行以经济手段为基础的商业化管理模式和加强动态监视管理已迫在眉睫。传统的计量方式不能满足商业化的需要，采用准确可靠、经济实用的自动化系统4-5是必然趋势。系统的构建需要满足能完成一些基本的数据采集和传输的要求，同时考虑市场发展及经济调度的要求，具备一些开关量的输入输出控制功能和抗干扰能力。根据系统需求，系统需要提供的功能如下。(1) 采集功能：对经过传感器转变的标准电压或电流信号。进行A/D转换，变成数字化的数据，这些数据可以通过单片机进行处理，并送到显示器显示。(2) 外部时钟电路：可以显示时间和日期。(3) 复位电路：对单片机进行独立的保护，保证可靠的复位。(4) 键盘和显示：键盘的作用可设定一些参数。而前面单片机处理的数据可以通过数码管显示。(5) 报警功能：当压力高于某个值则系统就会报警。(6) GPRS模块收发短信：通过串口通信方式将检测仪传来的数据以短信的形式发到指定的手机上。2.2系统可行性分析2.2.1 硬件电路可行性(1) AT89C516是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROMFlash Programmabl and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。(2)电阻应变传感器是将被测量的力(压力、荷重、扭力等)通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。电阻应变传感器由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应用最广的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片。金属电阻应变片虽然有很多优点，但却存在一大弱点，即灵敏系数低(约为2.03.6)。它的优点线性度高适合测量较大应变，在50年代中期出现了半导体应变片，其灵敏系数比金属电阻的约高50倍，但它的主要缺点是温度稳定性差和灵敏系数非线性大，适合测量微小应变。经过以上两个方面分析，我在毕业设计中压力测量选用电阻丝的应变片。2.2.2 软件系统可行性(1) Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件7，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。因此，采用该软件很容易实现系统所需电路图。(2) KEIL C51 可以用C语言形式，Keil C51 特点如下全功能的源代码编辑器；器件库用来配置开发工具设置；目管理器用来创建和维护用户的项目；集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用；所有开发工具的设置都是对话框形式的；真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器；高级GDI(AGDI)接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51可以看出Keil C51能实现对单片机程序的编写，简易方便。 第3章 系统总体设计3.1系统硬件总体设计系统由电阻应变传感器、移位寄存器、LED数码管等部件以及实时时钟控制电路构成，具体结构如图3-1所示。 压力信号压力传感器多路选择开关信号放大器A/D转换器显示电路报警电路外部时钟电路存储电路GPRS模块单片机天线图3-1 系统总体设计方案该系统将压力值信号通过电阻应变传感器变成电信号，经过放大后接至A/D转换器。通过单片机串口将测量值送至移位寄存器74LS164，实现压力值LED数码显示。DS1302提供的实时时钟信号由单片机P1.1、P1.2口接收。 嵌入式GPRS无线通信设计，具体实现过程如下。通过AT指令初始化GPRS无线模块，使之附着在GPSR网络上。 复用P1.2和P1.3，也就是串口1分别和GPRS模块的TXD0和RXD0连接，P1口的其他6个端口分别接到GPRS模块对应的剩余RS232通信口，通过软件置位控制GPRS模块接收从单片机串口传过来的数据，并将数据以字符的形式通过发短信的方式发到指定的手机上。3.2系统软件总体设计系统软件如图3-2所示。初始化选择通道0开始结束打开多路模拟开关调用AD574A采集子程序计算压力值送LED显示器延时200ms调整通道号GPRS远程通信选择通道0报警压力值上限通道号=8?YNYN图3-2 软件主程序流程图系统打开多路模拟开关，初始选择通道0，调用AD574A采集子程序，计算压力值送LED数码管显示。如果压力值超过系统所允许的上限则报警，若没有，延时一段时间，选择下一个通道，一直到通道7为止将8个通道的数据通过GPRS模块以短信的方式发到指定的手机上。之后重新选择通道号0最终实现8路压力巡回检测。第4章 单片机压力检测仪详细设计4.1 硬件电路设计(1) 单片机压力检测仪实现将压力传感器传来的压力信号数据通过A/D转换器转换成十进制数据并送到LED数码管显示，并将采集到的数据发送到串口，以实现单片机检测仪与GPRS模块远程通信，单片机硬件电路如图4-1所示。图4-1单片机电路设计图(2) 系统实现8路压力巡回检测，故采用多路开关模拟通道，硬件电路如图4-2所示。图4-2模拟通道电路图4.2单片机压力检测仪模块主要芯片介绍4.2.1 单片机AT89C51(1) AT89C51 的结构单片机AT89C51的片内结构如图4-3所示。如果按功能划分，它由8个部件组成，即微处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROMEPROM)、I/O口(P0口、Pl口、P2口、P3口)、串行口、定时器计数器、中断系统及特殊功能寄存器(SFR)。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依然是采用CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器(SFR)的集中控制方式。图43中的程序存储器部件如为ROM，则为8051单片机；如为EPROM，则为875l单片机；如无程序存储器，则为8031单片机8。图4-3 单片机AT89C51片内结构下面对各功能部件作进一步的说明。 数据存储器(RAM)：片内为128个字节(单元)，片外最多可外扩至64K字节。 程序存储器(ROMEPROM)：803l无此部件；8051为4KROM；8751则为4EPROM。片外最多可外扩至64K字节。 中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。 定时器计数器：2个16位的定时器计数器，具有四种工作方式。 串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。 P1口、P2口、P3口、Po口：为4个并行8位I/O口。 特殊功能寄存器(SFR)：共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区。 微处理器(CPU)：为8位的CPU，且内含一个1位CPU(位处理器)，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。(2) 电源及时钟引脚 电源引脚。电源引脚接人单片机的工作电源。Vcc(40脚)：接十5V电源；Vss(20脚)：接地。 时钟引脚XTAL1、XTAL2时钟引脚外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。XTAL1(19脚)：接外部晶体的一个引脚。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。XTAL2(18脚)：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器输入端。图4-4 AT89C51的引脚(3) 控制引脚此类引脚提供控制信号，有的还具有复用功能。 RSTVPD(9脚)：当振荡器运行时，在此引脚外加上两个机器周期的高电平将使单片机复位(RST)。推荐此引脚与Vss引脚之间连接一个约8.2K的下拉电阻，与引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠的复位。在单片机正常工作时，此脚应为=0.5V低电平。掉电期间，此引脚可接上备用电源(VPD)，以保持内部RAM的数据，当Vcc下掉到低于规定的值，而VPD在其规定的电压范围内(50.5V)时，VPD就向内部RAM提供备用电源。 ALEPROG(30脚)：当访问单片机外部存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲的负跳沿用于16位地址的低8位的锁存信号。即使不访问外部锁存器，AI，E端仍有正脉冲信号输出，此频率约为时钟振荡器频率的l6。但是，每当访问外部数据存储器时(即从程序存储器取来MOVX类指令)，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。因此，严格来说，用户不能用ALE做时钟源或定时。ALE端可以驱动(吸收或输出电流)8个TTL负载。对于EPROM型单片机(8751)，在EPROM编程期间，此引脚用来输入编程脉冲(PROG)。 PSEN(29脚)：此脚的输出是单片机访问外部程序存储器的读选通信号。在由外部程序存储器取指令(或常数)期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时(即从程序存储器取来的指令是MOVX类指令)，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN可以驱动(吸收或输出电流)8个LSTTL负载。 EA/VPP(31脚)：当EA端保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC(程序计数器)值超过0FFFH时(对于8051、875l来说)，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于803l来说，因其无内部程序存储器，所以该脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器。对于EPROM型单片机(8751)，在EPROM编程期间，此引脚用于施加十21伏的编程电源(VPP)，对于89C51则VPP编程电压为十12V或十5V。(4) I/O引脚 PO口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线(低8位)及数据总线分时复用口(见图23)，可带8个LSTTL负载。 P1口：8位准双向I/O口，可带4个LSTTL负载。 P2口：8位准双向I/O口，与地址总线(高8位)复用，可带4个LSTTL负载。 P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口。P1口、P2口、P3口各I/O口线片内均有固定的上拉电阻，故称为准双向I/O口。P0口线内无固定上拉电阻，由两个MOS管串接，即可开漏输出，又可处于高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。(5) 运算部件单片机AT89C51运算部件包括算术逻辑部件ALU、位处理器、累加器A、寄存器B(见图2-1)、暂存器以及程序状态字PSw寄存器等。该模块的功能是实现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。ALU的功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补和清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。ALU还具有一般的微机ALU所不具备的功能，即位处理操作，它可对位(blt)变量进行位处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。累加器A是一个8位的累加器。从功能上看，A的进位标志Cy是特殊的，因为它同时又是位处理器的一位累加器。寄存器B是为执行乘法和除法操作设置的，在不执行乘、除法操作的一般情况下可把它当作一个普通寄存器使用。AT89C51的程序状态寄存器PSW，是一个8位可读写的寄存器，它的不同位包含了程序状态的不同信息，掌握并牢记PSW各位的含义是十分重要的，因为在程序设计中，经常会与PSW的各个位打交道。PSW各位的定义如图4-5所示。图4-5 PSW各位定义其中PSW1是保留位，末用。 Cy(PSW7)进位标志位，在执行算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清除，在位处理器中，它是位累加器。 AC(PSw6)辅助进位标志位，当进行加法或减法操作而产生由低4位数(十进制中的一个数字)向高4位进位或借位时，AC将被硬件置1，否则就被清除。AC被用于十进位调整，同DA指令结合起来用。 F0(PSW5)标志位，它是由用户使用的一个状态标志位，可用软件来使它置位或清除，也可以靠软件测试四以控制程序的流向。编程时，该标志位特别有用。 RSl、RS0(PSW4、PSW3)寄存器区选择控制位1和0，这两位用来选择4组工作寄存器区(4组寄存器在单片机内的RAM区中，将在本章稍后介绍)，它们与4组工作寄存器区的对应关系如下。RSl RSo软件写入 0 0 区0(选择内部RAM寄存器地址00H一07H)软件写入 0 1 区l(选择内部RAM寄存器地址08H一0FH)软件写入 1 0 区2(选择内部RAM寄存器地址10H一17H)软件写入 1 1 区3(选择内部RAM寄存器地址18HlFH) OV(PSW2)溢出标志位。当执行算术指令时，由硬件置1或清o，以指示溢出状态。各种算术运算对该位的影响情况较为复杂，将在第三章详细说明。 P(PSW0)奇偶标志位。每个指令周期都由硬件来置位或清除，以表示累加器A中值为l的位数的奇偶数。若为奇数，则Pl，否则P0。此标志位对串行口通讯中的数据传输有重要的意义，常用奇偶检验的方法来检验数据传输的可靠性。4.2.2 BLR_1压力传感器电阻应变传感器是把应变片作为敏感元件来测量应变以外的物理量，如力、扭矩、加速度和压力等。把应变片粘贴到传感器的受力结构(弹性元件)上，使该应变片上的应变与被测量成比例，从而实现检测。图4-6是BLR-1型传感器的结构图。弹性元件是圆管形的，在它上面纵向和横向各粘贴有四片应变片，每两片同方向的串联组成一个桥臂，八片应变片组成全桥。弹性元件用40Cr钢制成，经热处理，外圆和内孔部分都经磨削加工。这种传感器有16种额定载荷的分型号，最小的103N，最大的106N。随着载荷量增加，传感器尺寸增大。技术数据如下。1、螺钉 2、铭牌 3、壳体 4、应变筒 5、球面螺钉 6、内压环7、盖 8、膜片 9、密封垫圈 10、插头 11、接线环图4-6 BLR-1型拉力传感器(1) 非线性、迟滞、重复性误差均小于额定载荷的0.5%。(2) 工作电压最高为6V。(3) 输出灵敏度104N以下和以上的分型号分别为1mV/V，1.5mV/V。(4) 工作温度范围为-10+50；(5) 温度零漂值为0.04%/。(6) 电桥调零，调零电路如图4-7。图4-7 应变电桥调零电路(7) 四臂都是应变片测量电路 ，电路如图4-8所示。四臂都是应变片Rv的最大值定于R1与R2的偏差加上R3与R4的偏差。图4-8 四臂都是应变片测量电路(8) 应用AD624的电路作为应变片传感器的放大电路如图4-9所示。图4-9 应用AD624的电路作为应变片传感器的放大电路AD624放大倍数可调，改变RG2的连接方式即可改变放大倍数，因此可以改变测量系统的灵敏度。为了提高系统的稳定性，应变片电桥供电电压达到高精度稳压。电流，电压恒定。电桥供电的电流用恒流源用AD707组成。AD707接收AD584的恒压输出，改变桥路的恒流源电流。4.2.3 AD574AAD574A是一种高性能的12位逐次逼进式A/D转换器，它同ADC0809一样是常用的A/D转换器。图4-10 AD574A引脚转换时间为25s，线性误差为1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。AD574A由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，10V基准电压源四部分构成。(1) 12位A/D转换器可以单极性也可以双极性的。单极性应用时，BIPOFF接0V，双极性时接10V。量程可以是10V也可以是20V。输入信号在10V范围内变化时，将输入信号接至10V(IN);输入信号在20V范围内变化时，将输入信号接至20V(IN);所以量化单位相应的就是10V/(212)和20V/(212)(2) 三态输出锁存缓冲器用于存放12位转换结果D(D=0212-1)。D的输出方式有两种，引脚12/8=1时(8的上面有一横杠)，D的D(11)D(0)并行输出；引脚12/8=0时(8的上面有一横杠)，D的高8位与低4位分时输出。(3) 逻辑控制任务包括：启动转换，控制转换过程和控制转换结果D的输出。CE CS(即CS上面一横杠) R/C(C上一横杠) 12/8(8的上面有一横杠) A(0) 操作功能1 0 0 X 0 启动12位转换；1 0 0 0 0 启动8位转换；1 0 1 1 X 输出12位数字；1 0 1 0 0 输出高8位数字；1 0 1 0 1 输出低4位数字； 0 X X X X 无操作；X 1 X X X 无操作9-11。 (4) AT89C51与AD574A接口电路如图4-11所示。 图4-11 AT89C51与AD574A接口电路4.3模块单元电路4.3.1 I/O端口电路AT89C51有4个双向的8位并行I/O口：P0P3，每一个口都有一个8位的锁存器，复位后它们的初态为全“1”。PO口是三态双向口，称为数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读写数据操作。P0口还用以输出外部存储器的低8位地址。由于是分时使用，先输出外部存储器的低8位地址，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。然后，闭口才作为数据口使用。P1口是专门供用户使用的I/O口，是准双向口。P2口也是准双向口。它是供系统扩展时输出高8位地址。如果没有系统扩展，口线使用。例如使用80518751单片机不扩展外部存储器时，门口也可以作为用户I/OP3口是双功能口，也是难双向口。该口的每一位均可独立地定义为第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与门口相同。I/O口的每一位结构如图4-12所示，每一位均由锁存器(即I/O口的SFR)、输出驱动器和输入缓冲器组成。图中的上拉电阻实际上是由场效应管构成的，并不是线性电阻。I/O口的每一位锁存器均由D触发器组成。在CPU的“写锁存器”信号驱动下，将内部总线上的数据写入锁存器中，锁存器的输出端Q反馈到内部总线上，以响应来自CPU的“读锁存器”信号，把锁存器内容读人内部总线上，送CPU处理。而在响应CPU的“读引脚”信号时，则将I/O端口引脚上的信息读至内部总线，送CPU处理。因此，对某些I/O口指令可读取锁存器内容，而另外一些指令则是读取引脚上的信息，两者有区别，应加以注意。P0口和P2口在对外部存储器进行读写时要进行地址数据的切换，故在PO、P2口的结构中设有多路转换器，分别切换到地址数据或内部地址总线上，如图4-12(a)、(c)所示。多路转换器的切换由内部控制信号控制。P3口作为第一功能使用时，第二功能输出控制线应为高电平，如图4-12(d)所示，这时，与非门的输出取决于口锁存器状态。这时，P3口的结构、操作与Pl口相同。P3口作第二功能使用时，相应的口锁存器必须为1状态，此时，与非门的输出状态由第二功能输出控制线的状态确定，反映了第二功能输出电平状态。Pl、P2、P3口均有内部上拉电阻，如图4-12(b)、(c)、(d)所示。当它们用作输入方式时，各口对应的锁存器必须先置1，由此关断输出驱动器(场效应管)。这时P1、P2、P3口相应引脚内部的上拉电阻可将电平上拉成高电平，然后进行输入操作；当输人为低电平时，它能拉低为低电平输入。P0口内部没有上拉电阻。图4-12(a)中驱动器上方的场效应管仅用于外部存储器读写时，作为地址数据总线用。其它情况下，场效应管被开路，因而P0口具有开漏输出。如果再给锁存器置人“1，状态，使输出的二个场效应管均关断，使引脚处于“浮空”，成为高阻状态。由于Pl、P2、P3口内部均有固定的上拉电阻。故皆为准双向口。”准双向”的含义是其引脚具有内部拉高电阻，这种口的结构允许其引脚可用作输入，也可用作输出。在作输入时，可用一般方法由任何一种TTL或MOS电路所驱动，而不要外加上拉电阻。准双向口的特点是：当外部维持在低电平时，准双向口输入要能提供源电流，而外部低电平消失时，又会自动地使自己拉向高电平12-13。(a)P0口的位结构 (b)P1口的位结构 (c)P2口的位结构 (d)P3口的位结构图4-12 P0-P3口的内部位结构4.3.2 复位电路AT89C51的复位输入引脚RST(即RESET)为AT89C51提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。在AT89C51的时钟电路工作后，只要在RST引脚上出现10mS以上的高电平时，单片机内部则初始复位。只要RST保持高电平，则AT89C51循环复位。只有当RST由高电平变低电平以后，AT89C51才从0000H地址开始执行程序。(1) 复位电路各寄存器的状态AT89C51复位状态作以进一步的说明。 复位后PC值为0000H，故复位后的程序人口地址为0000H； 复位后PSW00H，使片内存储器中选择0区工作寄存器，用户标志位F0为0状态； 复位后SP07H，设定堆栈栈底为07H； TH1、TL1、TH0、TL0都为00H，表明定时计数器复位后皆清零； TMOD00H都处于方式0工作状态，并设定T1、T0为内部定时器方式，定时器不受外部引脚控制； TCON00H，禁止计数器计数，并表明定时计数器无溢出中断请求，并禁止外部中断源的中断请求，外部中断源的中断请求为电平触发方式； SCON00H使串行口工作在移位寄存器方式(方式0)，并且设定允许串行移位接收或发送；(2) 复位电路最简单的上电复位电路如图4-13所示。工作原理为：上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地复位。当时钟频率选用6MHz比时，C取22F，R取1K。当时钟频率选用6MHz时，C取22F，RS约为200，RK约为1K。在实际的应用系统设计中，若有外部扩展的I/O接口电路也需初始复位，这时复位屯路中的R、C参数要统一考虑以保证可靠的复位。如果单片机AT89C51与外围I/O接口电路的复位电路和复位时间不完全一致，外围I/O接口电路的复位也可以不和AT89C51复位端相连，仅采用独立的上电复位电路。若RC上电复位电路接斯密特电路输入端，斯密特电路输出接AT89C51和外围电路复位端，则能使系统可靠地同步复位。为保证系统可靠复位，在初始化程序中应安排一定的延迟时间。图4-13 上电复位电路 图4-14 上电与按钮复位电路4.3.3内部时钟方式电路图4-15是AT89C51内部时钟方式的电路。外接晶体(在频率稳定性要求不高，而尽可能要求廉价时，可选用陶瓷谐振器)以及电容CX1和CX2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。晶体可在1.2MHz-12MHz之间任选，电容CX1和CX2的典型值在20PF一100PF之间选择，但在60pF-70pF时振荡器有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30PF左右(这时对应的时钟频率为12MHz)。外接陶瓷谐振器时，CX1和CX2的典型值约为47pF。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。为提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。图4-15 内部时钟方式的电路4.3.4多路选择开关模拟通道电路(1) CC4051的介绍用两CC4051构成16路模拟通道14，模拟输入0-5V。CC4051输出端X共线接一个放大器，放大两倍变为0-10V给AD574A的13脚10V输入端。AT89C51P1口的P10-P12接路选控制线A、B、C。P13接第一片CC4051禁止选通线INH。P14接第二片CC4051禁止选通线INH。CC4051是一种单片、CMOS、8通道模拟开关。该芯片由DTL/TTL-CMOS电平转换器、带有禁止端的8选1译码器以及译码器输出分别加以控制的8个CMOS模拟开关TG组成。CC4051的内部原理框图如图4-16所示图4-16中各引脚定义如下。通道线IN/OUT(4，2，5，1，12，15，14，13)：该组引脚作为输入时，可实现8选1功能；作为输出时，可实现1分8功能。OUT/IN(3)：该引脚作为输出时，为公共输出端；作为输入时，为输入端A、B、C(11，10，9)：地址引脚。INH(6)：禁止输入引脚。若INH为高电平，则为禁止各通道和输出端OUT/IN接通；若INH为低电平，则允许各通道按表5-1中的关系分别和输出端OUT/IN接通。VDD(16)和VSS(8)：VDD为正电源输入端，极限值为+17V；VSS为负电源输入端，极限值为17V。VEE(7)：电平转换器电源，通常接+5V或5V。图4-16 CC4051功能框图CC4051完成8选1功能时，若A、B、C均为逻辑“0”(INH=0时)，则地址码000B经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。(2) 模拟通道开关系统P1口的P1.7接CC4051禁止选通控制线INH，P1.6-P1.4分别接C、B、A。P1口=0000XXXXB-0111XXXXB分别选择CC4051的第0路至第7路。系统工作时.7必须为低电平(数字0)即INH=0，当INH=1电路停止工作，即当P1口=1000XXXX路停止工作。如图4-17所示是巡回检测仪模拟开关部分。该设计选用模拟数字转换器为AD574A，它的模拟输入端(13脚)要求输入电压10V，使用INA114构成2倍放大电路，把0-5放大到0-10V。巡回检测模拟通道选择方法。 P1=P1+10H。 判别P1的高4位是否为8(P1.7=1即INH=1)。 若不是8则执行1)。 P1口的高4位若是8执行5)。 清0P1口的高4位执行1)。图4-17 巡回检测仪模拟开关部分4.3.5 LED数码管显示电路在单片机系统中，通常用LED数码显示器来显示各种数字或符号，由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。(1) 数码管引脚介绍小时候玩过的“火柴棒游戏”，几根火柴棒组合起来，可以拼成各种各样的图形，LED显示器实际就是利用这个原理做成的，外形和引脚见图4-18所示。 图4-18 LED数码管引脚八段LED显示器由8个发光二极管组成。其中7个长条形的发光管排列成一个“日”字形，另一个圆点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LED显示器有两种不同的连接形式；一种是8个发光二极管的正极连在一起，称之为共阳极LED显示器，见图4-18(c)共阳极结构；另一种是8个发光二极管的负极连在一起，称之为共阴极LED显示器，见图4-18(b)共阴极结构。由图4-18可以看出，共阳和共阴结构的LED显示器各