基于单片机的瓦斯传感器毕业设计.doc

本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 基于单片机的瓦斯检测仪的设计基于单片机的瓦斯检测仪的设计 REVIVIFICATION OF GAS IN THE DESIGN OF IGNITION COIL 学院 部 电气与信息工程学院 专业班级 自动化 06 6 学生姓名 肖冰冰 指导老师 姜媛媛 年 月 日 安徽理工大学毕业设计 I 基于单片机的瓦斯检测仪的设计 摘要 随着我国经济的快速发展 各行各业对煤炭的需求急剧增加 而各种矿难事故的 发生 使得煤炭安全生产面临严峻的挑战 在这些矿难中绝大部分是由于瓦斯爆炸所 引起的 而瓦斯要达到爆炸极限的最重要条件是瓦斯浓度超限 所以能实时对瓦斯浓 度的监控可以大量减少矿难 但是现有的一些瓦斯传感器不仅价格昂贵而且结构复杂 而且对于井下瓦斯浓度的监测和报警存在一定的局限性 安全系数不高 因此开发智 能的瓦斯传感器是现在煤矿行业的迫切需求 瓦斯传感器是用于检测瓦斯浓度的主要仪器 本设计的瓦斯传感器其基于的思想 就是要开发精度高 可靠性强 同时易于控制并且要大大降低成本 因此对于矿井的 未来发展具有重要意义 该瓦斯传感器硬件部分以 AT87C552 单片机为核心 包括检测电路 报警电路 显示电路 电源电路和红外遥控电路等 通过对该传感器进行软件编程来实现对瓦斯 浓度的检测 报警 显示和控制 安全可靠 经久耐用 适合多种矿井瓦斯的监控 可以大大降低煤矿事故的发生 关键词 瓦斯 关键词 瓦斯 AT87C552AT87C552 变流瓦斯检测 变流瓦斯检测 安徽理工大学毕业设计 II REVIVIFICATION OF GAS IN THE DESIGN OF IGNITION COIL ABSTRACT With the rapid development of our economy the demand for coal sector has increased and all kinds of the ore difficult the accident the coal production safety was confronted with grim challenges in these mines in the explosion caused by gas and gas to the limit of the most important requirement is the gas saturation excesses so can of gas immediately in the concentration of monitoring can be a substantial reduction in the ore difficult But existing some gas sensors not only expensive and complicated in structure and for the gas and the concentration of the monitoring of certain limitations safety is not high so development of the gas is a coal industry is the urgent demand The gas is a test of strength for the gas main instruments the design of the sensor based on ideas of the gas is to develop high precision reliability strong and easy to control and will greatly reduce the cost so for the future development of great significance The gas sensors hardware parts at87c552 monolithic integrated circuits to the test including the circuit the circuit to show circuit power supply circuits and infrared remote control circuit it is the sensor for software programmers to achieve concentration of gas detection and alarm display and reliable control the safety and durability for the many mines gas monitoring of mining and can greatly reduce the accident KEYWARDS gas at87c552 variable current detection of mine methane using catalytic sensor 安徽理工大学毕业设计 i 目录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 系统简介 2 2 系统原理介绍 3 2 1 变流瓦斯检测方法的原理 3 2 1 1 变流瓦斯检测方法的基本思想 3 2 1 2 变流瓦斯检测方法的原理 4 2 2 变流瓦斯检测电路简介 6 2 2 1 恒温控制信号取样电路 6 2 2 2 锯齿波发生电路 8 2 2 3 电压比较电路 10 2 2 4 脉冲电压稳幅电路 10 3 整体硬件介绍 12 3 1 87C552 简介 12 3 1 1 87c552 概述 12 3 1 2 主要特性 13 3 1 3 管脚说明 13 3 1 4 单片机复位 15 3 1 5 振荡器特性 16 3 1 6 芯片擦除 17 3 2 显示电路简介 20 3 2 1 LCD 显示器工作原理 20 3 2 2 LCD 显示器概述及特点 21 3 2 4 液晶显示电路 22 3 3 其它部分元件简介 27 3 3 1 数据存储器 6264 28 3 3 2 程序存储器 2764 29 3 4 其它部分电路简介 30 安徽理工大学毕业设计 ii 3 4 1 声光报警电路 30 3 4 2 红外遥控电路 31 3 4 3 电源电路 33 4 软件设计 36 4 1 主流程图 36 4 2 各子流程图 38 附录 电气设备常用基本文字符号 42 总结 43 参考文献 44 致谢 45 安徽理工大学毕业设计 1 1 绪论 1 1 引言 随着我国国民经济的不断发展 对煤炭需求量也越来越大 这就使得煤矿的安全 生产面临着一个十分严峻的问题 煤矿矿难事故屡屡发生 造成的原因有很多 其中 不少是因为瓦斯爆炸引起的 为了防止瓦斯爆炸事故的发生 除了加强井下作业人员 的管理 改善井下的作业环境外 还需要精确可靠适用范围广的瓦斯传感器 煤矿瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称 有时也 单独指甲烷 瓦斯在空气的体积分数达到一定的程度 5 12 时 在一定条件下 可与空气中的氧气发生剧烈的化学反应而形成瓦斯爆炸 对煤矿安全构成严重威胁 我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂 从低水平到高水平的发展过程 从 新中国成立初期到 20 世纪 70 年代 煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪 风表等 携带式仪器检测井下环境参数 20 世纪 60 年代初期 我国开始研制载体催化元件 随 着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展 特别是大规模集成电路 微型计算机 的广泛应用 使监控技术进入了新的发展时期 20 世纪 70 年代瓦斯断电仪问世 装备 在采掘工作面 回风港道等井下固定地点 实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动 切断被控制设备的电源 随后 陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪 瓦斯报警矿 灯 1983 年至 1985 年 从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携 式仪器装备煤矿矿井 并相应地引进了部分监控系统 传感器和敏感元件制造技 由 此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展 1983 年以后 国内有多种型号矿井监控 系统通过了技术鉴定 逐步实现了对煤矿矿井安全 生产多种参数的连续监测 监控 数据存储和数据处理 近几年 随着计算机的发明和应用 特别是网络和信息化建设 的不断发展 给瓦斯治理提供了机遇条件 煤矿瓦斯监控网络系统应运而生 这些装 备和系统的推广与应用 丰富了我国煤矿安全监控 产品的市场 改善了煤矿安全技术 装备的面貌 缩小了我国与国外先进技术水平的差距 虽然现在在采煤方面科学技术和材料设备有了最大改进 但频繁发生诸如瓦斯爆 炸 煤与瓦斯突出 矿井突水等重特大事故 针对煤矿安全生产中的共性 关键性和 前瞻性的技术问题 以煤矿事故因素 瓦斯 粉尘 水灾 等为重点研究对象 加 强科技攻关 提高对煤矿主要灾害的识别能力 监测预警能力 防治与控制能力是当 前煤矿生产的首要任务 煤矿安全装备是防治煤矿事故的重要手段 在防治灾害事故 中发挥了重要作用 但目前仍有许多装备存在适应性不强 可靠性差的问题 由于现在井下常用瓦斯传感器有以下的缺点 1 触媒有寿命限界 不同的环境劣化程度不一样 寿命也不一定 但可推定其概略值 安徽理工大学毕业设计 2 2 触媒种类中有因水分引起急速劣化的 各厂商的产品不一样 要根据预定使用场所 做一番调查再决定 3 超过爆发上限 HEL 浓度的瓦斯无法燃烧而使输出减少 使用于此种地反易发生危 险要特别注意 给予目前现状考虑开发新型瓦斯传感器不仅有利于提高工作效率节约成本 更加有利 于保障了矿井安全 1 2 系统简介 本设计是基于单片机的瓦斯检测仪的设计 该系统以单片机 AT87C552 为核心 包含甲烷浓度采样器 把 220V 的交流电转换成 5V 的直流电源 红外遥控系统 存储 器的扩展 LCD 显示器和报警装置等组成 该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓 瓦斯 试用范围非常广泛 监测到的信息传输到单片机 经单片机处理后发出指令 如果瓦斯超过规定值 传感器可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯 浓度 该传感器可有效的降低瓦斯事故发生率 结构灵活 扩展性强 具有较高的性价 比 AT87C552 的应用实现了电子硬件设计的 软件化 大大的提高了系统的可靠性和 抗干扰能力 非常实用于各种大小煤矿井下瓦斯的监测监控 性能优良 经久耐用 可靠性高 安徽理工大学毕业设计 3 2 系统原理介绍 单单片片机机 存存储储器器 数数据据显显示示 红红外外遥遥控控 信信号号输输出出电电压压比比较较器器 瓦瓦斯斯检检测测电电路路 脉脉宽宽控控制制电电路路 锯锯齿齿波波发发生生器器 信信号号适适配配通通道道 稳稳幅幅电电路路 声声光光报报警警 图图 2 12 1 原理框图原理框图 2 1 变流瓦斯检测方法的原理 2 1 1 变流瓦斯检测方法的基本思想 为了解决上节所提到催化传感器存在的问题 就必须抛开连续电流供电的传统方 法 以保证测量元件与参比元件温度永远相等 设计出真正的恒温检测桥路 实现方法是通过一个硬件电路构成的闭环反馈系统 强迫检测元件与参比元件保 持在平衡状态 使测量元件工作在恒温状态下 该检测环路使测量元件的温度与参比 元件的温度进行比较 当环境中的 CH4 气体在测量元件表面燃烧时 测量元件的温度 将很快上升使电桥失去平衡 硬件电路构成的闭环反馈系统监测到偏移信号后 输出 控制脉冲信号 将已经偏移的桥路 矫正 回来 使回路周而复始地工作在偏移 校正 的振荡之中 测量元件的温度是以微小的锯齿波形状的轨迹在恒温区波动 如图 2 2 所示 安徽理工大学毕业设计 4 图图 2 22 2 传统的检测桥路与恒温桥路的浓度温度特性曲线传统的检测桥路与恒温桥路的浓度温度特性曲线 这个波动的温差很小 只有零点几度的差别 基本上可以认为参比元件和测量元 件的温度是相等的 这种方法保证了在任何 CH4 浓度下 测量元件的温度不变 彻底 有效地杜绝了高浓 CH4 的燃烧 大大延长了催化元件的使用寿命 也使仪器的零点稳 定性 精度稳定性得到了的提高 本研究所研制的脉冲供电检测桥路与传统的测量机理截然不同 检测元件工作于 间歇脉冲供电状态 不随 CH4 温度变化 反馈环路中的脉冲频率与 CH4 浓度呈正比关 系 从微观的角度上看 单片机检测的是测量元件上温度的上升速率 而传统方法则 是检测元件上的绝对温度 测量桥路是恒温的 无论检测多高浓度的瓦斯 检测元件 的温度都不变 所以它能够抗高浓冲击 能够拥有更长的寿命和极好的稳定性 2 1 2 变流瓦斯检测方法的原理 变流检测方法是一种使载体催化传感元件在检测瓦斯气体时保持恒温状态的新型 检测方法 它的基本原理是 在瓦斯浓度升高时 通过闭环反馈电路 使工作电流相 应减少 以保持催化元件的温度不变 利用电流的减少量和瓦斯含量间的对应关系 实现瓦斯含量的检测 载体催化元件的静态热平衡方程是 2 1 4 0 4 1014 2 ttBAttBCHrI 式中 I 载体催化元件的工作电流 r 载体催化元件的电阻 瓦斯氧化反应燃烧热系数 空气中瓦斯体积分数 4 CH 载体催化元件温度 1 t 环境温度 0 t 热传导系数 安徽理工大学毕业设计 5 B 元件面积 A 辐射系数 角系数 方程式左边是单位时间内工作电流所产生的热量和瓦斯气体在载体催化传感元件 表面发生氧化反应所产生的热量之和 后者与瓦斯体积分数成正比 方程式右边是催 化传感元件在单位时间内热传导和热辐射损失的热量之和 其中传导热是催化传感元 件通过导线和空气传递的热量之和 由于催化传感元件工作在一个半封闭的气罩内 其同空气的对流散热很小 可忽略不计 方程两边在催化传感元件达到热平衡时是相 等的 在变流瓦斯检测中 工作电流随着瓦斯浓度增加而减小 元件处于恒温状态 载 体催化元件工作温度和阻值保持不变 故在环境温度一定的情况下 方程式右边为一 常数 设 2 2 4 0 4 1010 ttBAttBK 对于该种检测方法 因保持不变 即当无瓦斯 时 当有瓦 1 t0 4 CH 0 2 0r KI 斯时 2 3 rIKCHrI 2 004 2 式中 I 分别为有瓦斯 无瓦斯的工作电流 即 0 I 2 4 4 2 0 CH r II 此式表明电流变化与瓦斯体积分数不是线性关系 因此 在设计检测电路时 为 使电流大小能反映瓦斯体积分数 不能采用一般的可控直流电源 而需采用宽度可调 的脉冲电流源 即脉冲电流的幅值恒定 但其宽度可由反馈信号调节 当瓦斯体积分 数增加时 减少脉冲的宽度 T 以减少通过元件的平均电流 由式 3 3 知 瓦斯体积分数为 2 5 22 04 I r I r CH 与电流平方成线性关系 脉冲电流有效值为 2 6 21 0 2 1 1 m T m I T T dtI T I mP I T T I 1 式中 T 为脉冲电流周期 为脉冲电流幅值 在一定的条件下与占空比的平方 m I m I 根成线性关系 即其平方与占空比成线性关系 又脉冲电流平均值为 与占TT 1 P I 空比成线性关系 故脉冲电流的平均值可以线性地反映瓦斯体积分数 即瓦斯浓度 安徽理工大学毕业设计 6 2 2 变流瓦斯检测电路简介 根据上节所述的变流瓦斯检测原理 设计了如图 2 3 所示的变流瓦斯检测电路 该电路主要由电桥不平衡信号取样电路 锯齿波发生电路 电压比较器和脉冲稳幅电 路四个部分组成 图图 2 32 3 变流检测电路变流检测电路 A 部分为电桥不平衡信号取样电路 用此信号去调节 C 部分电压比较器输出的脉 冲电压宽度 B 部分为锯齿波发生电路 由 555 构成的时基电路工作在自激状态 振 荡频率为 1kHz 即周期为 T 1ms 输出的锯齿波电压送到电压比较器的正端 C 部分 电压比较器的负端接受来自 A 部分的输出电压 Uo2 当锯齿波电压超过控制电压 Uo2 时 比较器输出电压为高电平 锯齿波回扫时 当其电压值低于 Uo2 时 比较器输出 为低电平 这样将形成一个矩形脉冲电压 在一系列锯齿波作用下 比较器就输出一 矩形脉冲电压系列 D 部分由高准确度可控稳压管 TL431 构成的脉冲稳幅电路 当通 过 TL431 的电流在 1 100 mA 范围内时 只要分压电阻的温度系数相同 则输出电压 有很高的稳定性 从而保证了在输入脉冲幅值变化时 输出脉冲的幅值恒定 为保证 有足够的电流通过载体催化元件 设置了由三极管组成的脉冲电流放大环节 下面将 详细讨论这四部分电路 2 2 1 恒温控制信号取样电路 图 2 4 为恒温控制信号取样电路 这里没有采用传统的惠斯通电桥来获取瓦斯 安徽理工大学毕业设计 7 图图 2 42 4 恒温控制信号取样电路恒温控制信号取样电路 与催化元件反应时产生的不平衡电压 而是用运放集成块组成运算电路 对电压 信号进行处理 这样做的好处是抑制共模信号的能力增强了 同时由于黑元件上催化 燃烧产生的电压只有毫伏级 不能直接与锯齿波信号进行比较 在 Uo1 的后面加入了 同相比例运算电路 对前面输出的电压进行放大 以使其能与锯齿波电压进行比较从 而输出所需的脉冲电压 当有瓦斯气体时 在黑元件上发生催化燃烧 黑元件温度上 升 其阻值也随之上升 它上面的电压升高 不难推出 2 7 2 2 0 0 21 4 iCHi RRRRRi RRi iRRRi UUU 白白黑黑黑 白黑 白白黑 式中 为无瓦斯时的阻值 为电流流经元件时温度上升产生 0 黑 R 0 白 R i R黑 i R白 的阻值 为瓦斯气体在元件上燃烧时温度上升产生的阻值 前面已经提及 所 4 CH R黑 谓的恒温是指温度在一个很小的范围内波动近似看成的 因此 的 i R黑 i R白 4 CH R黑 值都是非常小的 故 U 也很小 需要经过放大才能与锯齿波进行比较 在图 2 4 中有 2 8 2 12 1 3 1 U R R U f 则 2 9 2 12 1 14 2 1 14 2 3 14 2 1 14 2 5 1 1 1 U R R R R U R R U R R U R R U fff ff 安徽理工大学毕业设计 8 2 10 21 2 17 3 12 1 14 2 17 3 1 14 2 17 3 2 17 3 2 12 1 14 2 17 3 1 14 2 17 3 4 17 3 5 17 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 nUmU U R R R R R R R R U R R R R U R R U R R R R R R U R R R R U R R U R R U ffffff ffffff ff o 适当选取电阻值 使 m 1 n 2 这样便可获得瓦斯在黑元件上燃烧产生的电压 这里在实验室用 QJ23 单臂直流电桥对铂丝绕制的黑白元件的阻值进行了测定 当 环境温度为 16 19 时 测得的黑白元件的阻值分别为 8 236 和 8 227 实际上 这时黑白元件的温度已经大于 400 达到了工作状态 在检测瓦斯时需要将催化元 件加热到 500 左右 给黑白元件提供 3V 的恒定电压 发生催化燃烧时 假设温度上 升 10 这时候黑元件阻值变为 10 左右 电流大概是 150mA 则黑元件上产生的电 压大概为 0 265V 在图 2 4 中有 2 11 1 20 4 2 1 o f o U R R U 取为 14 左右 则可将瓦斯催化燃烧产生的电压放大到合适的幅值与锯齿波电压进 20 4 R Rf 行比较 2 2 2 锯齿波发生电路 555 定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路 该芯片使用灵活方便 只需外 接少量的阻容元件就可以构成单稳 多谐和施密特触发器 因而广泛用于信号的产生 变换 控制与检测 图 2 5 为 NE555 和 R2 R3 C1 组成的无稳态多谐振荡器 安徽理工大学毕业设计 9 图图 2 52 5 锯齿波发生电路锯齿波发生电路 振荡器的输出频率为 2 12 1 321 2 44 1 C RRR f 由此可算得输出频率为 1kHz C2 起正反馈作用 即在 Q1 射级跟随器输出锯齿波 的同时 正反馈至 R2 的上端 故在 C1 充电期间 R2 上的压降保持不变 即 C1 的充 电速率不变 因而极大地保证了锯齿波的线性 其非线性可控制在 1 以下 且温度稳 定性好 图中在 555 的电压控制端 5 脚外接了一个可调的控制电压 用以改变 555 内 部比较器的基准电压值 即比较电平 由此可改变锯齿波的振幅 这里通过调节 Rp1 使输出锯齿波的最大值为 4V 重要芯片 555 定时器简介 各脚主要功能 地 GND 触发 输出 复位 控制电压 门限 阈值 放电 电源电压 Vcc 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件 一般用双极性工艺 制作的称为 555 用 CMOS 工艺制作的称为 7555 除单定时器外 还有对应的双定 时器 556 7556 555 定时器的电源电压范围宽 可在 4 5V 16V 工作 7555 可在 3 18V 工作 输出驱动电流约为 200mA 因而其输出可与 TTL CMOS 或者模拟电 路电平兼容 555 定时器成本低 性能可靠 只需要外接几个电阻 电容 就可以实现多谐振 荡器 单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路 它也常作为定时器广泛 应用于仪器仪表 家用电器 电子测量及自动控制等方面 555 定时器它内部包括两 个电压比较器 三个等值串联电阻 一个 RS 触发器 一个放电管 T 及功率输出级 它提供两个基准电压 VCC 3 和 2VCC 3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定 两个比较器的输出电压控制 RS 触发 器和放电管的状态 在电源与地之间加上电压 当 5 脚悬空时 则电压比较器 C1 的 同相输入端的电压为 2VCC 3 C2 的反相输入端的电压为 VCC 3 若触发输入端 TR 的电压小于 VCC 3 则比较器 C2 的输出为 0 可使 RS 触发器置 1 使输出端 R 4 Q 3 D IS 7 T HR 6 C Volt 5 T RIG 2 VCC 8 GND 1 JP 4 HE A DE R 图图 2 62 6 555555 定时器定时器 安徽理工大学毕业设计 10 OUT 1 如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC 3 同时 TR 端的电压大于 VCC 3 则 C1 的输出为 0 C2 的输出为 1 可将 RS 触发器置 0 使输出为 0 电平 词名 555 timer 中文解释 555 定时器 2 2 3 电压比较电路 电压比较器可将模拟信号转换成二值信号 即只有高电平和低电平两种状态的离 散信号 因此可用电压比较器来产生脉冲方波电压信号 电路如图 2 7 所示 图图 2 72 7 电压比较器电路电压比较器电路 这里选用的电压比较器的型号为 AD790 它有同相和反相两个输入端 同相端接 锯齿波电压信号 反相端接瓦斯检测电路的输出电压 也就是脉冲电压宽度的控制信 号 比较器采用单电源供电 引脚 8 接逻辑电平 其取值决定于负载所需高电平 这 里接 5V 此时比较器输出高电平为 4 3V 引脚 5 为锁存控制端 当它为低电平时 锁存输出信号 图 2 7 中 C4 C5 均为去耦电容 用于滤去比较器输出产生变化时电源 电压的波动 R8 是输出高电平时的上拉电阻 2 2 4 脉冲电压稳幅电路 电路中选用 TL431 芯片对比较器输出的脉冲电压进行稳幅 电路如图 2 8 所示 安徽理工大学毕业设计 11 图图 2 82 8 脉冲稳压电路脉冲稳压电路 TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源 它的输出电压用两个电 阻就可以任意地设置到从 Vref 2 5V 到 36V 的任何值 工作电流范围为 1mA 100mA K A 脚两端输出电压为 2 13 10 102 5 2 R RR V p o 改变 Rp2 的阻值 就可以改变输出基准电压大小 这里通过调节 Rp2 使输出的脉 冲电压的幅值稳定在 3V 安徽理工大学毕业设计 12 3 整体硬件介绍 3 1 87c552 简介 本设计瓦斯传感器是以单片机为核心 所以对于单片机的选型决定了硬件的复杂 和简单 要想把变流瓦斯检测电路 声光报警电路 红外遥控电路和电源电路都融合 到单片机控制中 则要对相应的电路分配相应的单片机端口即 I O 口 如果使用 51 系 列单片机则由于此类单片机的 I O 口只有三个 所以要满足设计要求则必须对单片机 的 I O 口进行扩展 使其达到设计所需要的口数 而这样就要用到芯片 8155 进行扩展 这样不仅在硬件上显得繁琐 而且从性价比方面考虑成本也是比较高的 同时 51 系列 单片机内部不包括 A D 转换器 那么在硬件中还要加入此转换器才能把外部信号转换 成单片机能识别的数字信号 由于 87c552 单片机有 5 个外部双向 8 位输入 输出 I O 口 这样对于我们的设 计就在 I O 口数量方面满足了我们的要求 而且它内部还集成了 A D 转换装置 同时 还满足模数转换的需要 所以综合进行考虑我们首选 87c552 单片机 3 1 1 87c552 概述 87C552 单片机系统 87C552 具有如下特点 68 个引脚 8k 字节的片内程序存储器 可外部扩展 64k 字节 256 字节的随机存取数据存储器 RAM 5 个外部双向 8 位输入 输出 I O 口 4 个中断优先级 2 层中断嵌套中断 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个 全双工串行 通信口 看门狗 WDT 电路 片内时钟振荡器 此外 87C552 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式 空闲 模式 下 CPU 暂停工作 而 RAM 定时计数器 串行口 外中断系统可继续工作 掉 电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据 停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件 复 位 同时该芯片还具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需 求 安徽理工大学毕业设计 13 N C 35 V SS 36 V SS 37 N C 38 P2 0 A 08 39 P2 1 A 09 40 P2 2 A 10 41 P2 3 A 11 42 P2 4 A 12 43 P2 5 A 13 44 P2 6 A 14 45 P2 7 A 15 46 PSE N 47 A LE PR O G 48 E A Vp p 49 P0 7 A D7 50 P0 6 A D6 51 P0 5 A D5 52 P0 4 A D4 53 P0 3 A D3 54 P0 2 A D2 55 P0 1 A D1 56 P0 0 A D0 57 A Vref 58 A Vref 59 A VS S 60 A VD D 61 P5 7 A DC 7 62 P5 6 A DC 6 63 P5 5 A DC 5 64 P5 4 A DC 4 65 P5 3 A DC 3 66 P5 2 A DC 2 67 P5 1 A DC 1 68 P5 0 A DC 0 1 V DD 2 ST A DC 3 PW M 0 4 PW M 1 5 E W 6 P4 0 C M S R 0 7 P4 1 C M S R 1 8 P4 2 C M S R 2 9 P4 3 C M S R 3 10 P4 4 C M S R 4 11 P4 4 C M S R 5 12 P4 6 C M T 0 13 P4 7 C M T 1 14 R ST 15 P1 0 C T0 I 16 P1 1 C T1 I 17 P1 2 C T2 I 18 P1 3 C T3 I 19 P1 4 T 2 20 P1 5 R T2 21 P1 6 SC L 22 P1 7 SD A 23 P3 0 R xD 24 P3 1 T xD 25 P3 2 IN T 0 26 P3 3 IN T 1 27 P3 4 T 0 28 P3 5 T 1 29 P3 6 W R 30 P3 7 R D 31 N C 32 X TA L 2 33 X TA L 1 34 87C552 J 87 C 552 图图 3 13 1 87C55287C552 单片机单片机 3 1 2 主要特性 与 MCS 51 产品指令系统完全兼容 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 全静态工作 0Hz 24MHz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 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 3 1 3 管脚说明 VCC 供电电压 安徽理工大学毕业设计 14 GND 接地 STADC 启动 AD 操作 PWM0 脉宽调制 输出 0 低电平有效 PWM1 脉宽调制 输出 1 低电平有效 EW 看门狗使能 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 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 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 P4 口 8 位可编程的 I O 口 P5 口 8 位输入出口 ADC0 ADC7 可选功能 AD 的 8 位输入口路输入通道 安徽理工大学毕业设计 15 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出 AVdd 模拟电源 AVss 模拟地 AVREF AD 转换参考电阻 高端 AVREF AD 转换参考电阻 低端 VSS 数字地 3 1 4 单片机复位 复位电路 有两种方式可以实现复位 1 将复位脚保持至少两个机械周期高电平 2 通过 片内上电检测电路检测到 VCC 从 0 伏开始上升 为了保证上电复位的可靠 RST 保持高电平的时间至少为振荡器启动时间再加上 机械周期 RST 还可被看门狗定时器 T3 所激活的下拉晶体管内部拉低 T3 输出的脉 冲宽度为三个机械周期 这样的一个短的机械脉冲式必要的 可以尽可能快的使处理 器或系统从错误中恢复 需要注意的是 定时器 T3 输出地脉冲不能对上电复位电容放电 因此看门狗定时 器也用于外部器件时 RST 脚不能连接此电容 应当使用一个不同的电路来执行上电 安徽理工大学毕业设计 16 复位 定时器 T3 的溢出将对 87C552 产生一个强制复位 而与 RST 管脚无关 图图 3 23 2 上电复位上电复位 3 1 5 振荡器特性 时钟电路 在 MCS 51 芯片内部有一个高增益反相放大器 其输入端为芯片引脚 XTAL1 其 输出端为引脚 XTAL2 而在芯片的外部 XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微 调电容 从而构成一个稳定的自激振荡器 这就是单片机的时钟电路如下 时钟电路产生的震荡脉冲经过触发器进行二分频之后 才成为单片机的时钟脉冲 信号 一般的 电容 C1 和 C2 取 30uf 左右 晶体的振荡频率范围是 1 2MHZ 12MHZ 晶体振荡频率高 则系统的时钟频率也高 单片机运行速度也就快 安徽理工大学毕业设计 17 图图 3 33 3 时钟振荡电路时钟振荡电路 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为片 内振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不 接 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的脉宽 无任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 XTAL1 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 当采用外部振荡器时 对 HMOS 单片机 此引脚应接 地 对 CHMOS 单片机 此引脚作为驱动端 XTAL2 接外晶体的另一端 在单片机内部 接至上述振荡器的反相放大器的输出 端 采用外部振荡器时 对 HMOS 单片机 该引脚接外部振 3 1 6 芯片擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成 在芯片擦操作中 代码阵列全被写 1 且在任何非 空存储字节被重复编程以前 该操作必须被执行 串口通讯 单片机的结构和特殊寄存器 这是你编写软件的关键 至于串口通信需要用到那 些特殊功能寄存器呢 它们是 SCON TCON TMOD SCON 等 各代表什么含义呢 SBUF 数据缓冲寄存器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器 有朋友这样 问起过 为何在串行口收发中 都只是使用到同一个寄存器 SBUF 而不是收发各用一 个寄存器 实际上 SBUF 包含了两个独立的寄存器 一个是发送寄存 另一个是接收 寄存器 但它们都共同使用同一个寻址地址 99H CPU 在读 SBUF 时会指到接收寄 存器 在写时会指到发送寄存器 而且接收寄存器是双缓冲寄存器 这样可以避免接 收中断没有及时的被响应 数据没有被取走 下一帧数据已到来 而造成的数据重叠 问题 发送器则不需要用到双缓冲 一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送 中断去外理发送数据 操作 SBUF 寄存器的方法则很简单 只要把这个 99H 地址用关 键字 sfr 定义为一个变量就可以对其进行读写操作了 如 sfr SBUF 0 x99 当然你也可 以用其它的名称 通常在标准的 reg51 h 或 at89x51 h 等头文件中已对其做了定义 只 要用 include 引用就可以了 SCON 串行口控制寄存器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态 都会引 用到接口控制寄存器 SCON 就是 51 芯片的串行口控制寄存器 它的寻址地址是 98H 是一个可以位寻址的寄存器 作用就是监视和控制 51 芯片串行口的工作状态 安徽理工大学毕业设计 18 51 芯片的串口可以工作在几个不同的工作模式下 其工作模式的设置就是使用 SCON 寄存器 它的各个位的具体定义如下 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SM0 SM1 为串行口工作模式设置位 这样两位可以对应进行四种模式的设置 串行口工作模式设置 SM0 SM1 模式 功能 波特率 0 0 0 同步移位寄存器 fosc 12 0 1 1 8 位 UART 可变 1 0 2 9 位 UART fosc 32 或 fosc 64 1 1 3 9 位 UART 可变 在这里只说明最常用的模式 1 其它的模式也就一一略过 有兴趣的朋友可以找相 关的硬件资料查看 表中的 fosc 代表振荡器的频率 也就是晶振的频率 UART 为 Universal Asynchronous Receiver 的英文缩写 SM2 在模式 2 模式 3 中为多处理机通信使能位 在模式 0 中要求该位为 0 REM 为允许接收位 REM 置 1 时串口允许接收 置 0 时禁止接收 REM 是由软 件置位或清零 如果在一个电路中接收和发送引脚 P3 0 P3 1 都和上位机相连 在软件 上有串口中断处理程序 当要求在处理某个子程序时不允许串口被上位机来的控制字 符产生中断 那么可以在这个子程序的开始处加入 REM 0 来禁止接收 在子程序结束 处加入 REM 1 再次打开串口接收 大家也可以用上面的实际源码加入 REM 0 来进行 实验 TB8 发送数据位 8 在模式 2 和 3 是要发送的第 9 位 该位可以用软件根据需要置 位或清除 通常这位在通信协议中做奇偶位 在多处理机通信中这一位则用于表示是 地址帧还是数据帧 RB8 接收数据位 8 在模式 2 和 3 是已接收数据的第 9 位 该位可能是奇偶位 地址 数据标识位 在模式 0 中 RB8 为保留位没有被使用 在模式 1 中 当 SM2 0 RB8 是已接收数据的停止位 TI 发送中断标识位 在模式 0 发送完第 8 位数据时 由硬件置位 其它模式中 则是在发送停止位之初 由硬件置位 TI 置位后 申请中断 CPU 响应中断后 发送 下一帧数据 在任何模式下 TI 都必须由软件来清除 也就是说在数据写入到 SBUF 后 硬件发送数据 中断响应 如中断打开 这时 TI 1 表明发送已完成 TI 不会 由硬件清除 所以这时必须用软件对其清零 RI 接收中断标识位 在模式 0 接收第 8 位结束时 由硬件置位 其它模式中则 是在接收停止位的半中间 由硬件置位 RI 1 申请中断 要求 CPU 取走数据 但在 模式 1 中 SM2 1 时 当未收到有效的停止位 则不会对 RI 置位 同样 RI 也必须要 安徽理工大学毕业设计 19 靠软件清除 常用的串口模式 1 是传输 10 个位的 1 位起始位为 0 8 位数据位 低位 在先 1 位停止位为 1 它的波特率是可变的 其速率是取决于定时器 1 或定时器 2 的定时值 溢出速率 AT89C51 和 AT89C2051 等 51 系列芯片只有两个定时器 定 时器 0 和定时器 1 而定时器 2 是 89C552 系列芯片才有的 波特率在使用串口做通讯时 一个很重要的参数就是波特率 只有上下位机的波 特率一样时才可以进行正常通讯 波特率是指串行端口每秒内可以传输的波特位数 有一些初学的朋友认为波特率是指每秒传输的字节数 如标准 9600 会被误认为每秒种 可以传送 9600 个字节 而实际上它是指每秒可以传送 9600 个二进位 而一个字节要 8 个二进位 如用串口模式 1 来传输那么加上起始位和停止位 每个数据字节就要占 用 10 个二进位 9600 波特率用模式 1 传输时 每秒传输的字节数是 9600 10 960 字 节 51 芯片的串口工作模式 0 的波特率是固定的 为 fosc 12 以一个 12M 的晶振来 计算 那么它的波特率可以达到 1M 模式 2 的波特率是固定在 fosc 64 或 fosc 32 具 体用那一种就取决于 PCON 寄存器中的 SMOD 位 如 SMOD 为 0 波特率为 focs 64 SMOD 为 1 波特率为 focs 32 模式 1 和模式 3 的波特率是可变的 取决于定 时器 1 或 2 52 芯片 的溢出速率 那么我们怎么去计算这两个模 式的波特率设置时相关的寄存器的值呢 可以用以下的公式去计算 波特率 2SMOD 32 定时器 1 溢出速率 上式中如设置了 PCON 寄存器中的 SMOD 位为 1 时就可以把波特率提升 2 倍 通 常会使用定时器 1 工作在定时器工作模式 2 下 这时定时值中的 TL1 做为计数 TH1 做为自动重装值 这个定时模式下 定时器溢出后 TH1 的值会自动装载到 TL1 再 次开始计数 这样可以不用软件去干预 使得定时更准确 在这个定时模式 2 下定时 器 1 溢出速率的计算公式如下 溢出速率 计数速率 256 TH1 上式中的 计数速率 与所使用的晶体振荡器频率有关 在 51 芯片中定时器启动后 会在每一个机器周期使定时寄存器 TH 的值增加一 一个机器周期等于十二个振荡周 期 所以可以得知 51 芯片的计数速率为晶体振荡器频率的 1 12 一个 12M 的晶振用 在 51 芯片上 那么 51 的计数速率就为 1M 通常用 11 0592M 晶体是为了得到标准的 无误差的波特率 那么为何呢 计算一下就知道了 如我们要得到 9600 的波特率 晶 振为 11 0592M 和 12M 定时器 1 为模式 2 SMOD 设为 1 分别看看那所要求的 TH1 为何值 代入公式 11 0592M 9600 2 32 11 0592M 12 256 TH1 TH1 250 3 1 12M 安徽理工大学毕业设计 20 9600 2 32 12M 12 256 TH1 TH1 249 49 3 2 上面的计算可以看出使用 12M 晶体的时候计算出来的 TH1 不为整数 而 TH1 的 值只能取整数