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多路压力监测系统硬件设计毕业论文IAbstracti目录摘要IAbstractII1 绪论11.1课题的背景11.2课题的研究意义11.3压力监测技术的现状及发展趋势21.4 课题的主要内容及技术指标21.4.1课题的主要内容21.4.2课题的技术指标22 系统的要求及设计原则32.1系统的要求32.2系统的设计原则33 系统硬件电路设计43.1系统的组成43.2系统的工作原理43.3系统主要芯片简介53.3.1压力变送器53.3.2多路选择开关73.3.3I/V转换器83.3.4信号放大器93.3.5A/D转换器103.3.6单片机AT89C51123.3.7 8255153.3.8外部时钟DS12877173.3.9液晶显示电路183.3.10外部存储电路193.3.11报警电路213.3.12复位电路223.3.13串行口电路243.3.14电源电路264.系统电路板设计及调试284.1 Protel 简介284.2 PCB布局、布线基本原则284.2.1 元件布局基本规则284.2.2 元件布线规则294.3 系统调试295 结论31参考文献32致谢33毕业设计（论文）知识产权声明34毕业设计（论文）独创性声明35附录361绪论1 绪论1.1课题的背景在工业生产中，经常需要对压力信号进行监测。压力监测系统主要用于汽车轮胎、煤矿、油田、锅炉等许多领域。压力监测系统应用范围非常广泛，例如用于在汽车行驶时对轮胎气压进行自动监测，轮胎漏气和低气压是自动报警，以保证行车安全；还有用在供水管网上，通过对管道水压的实时监测，防止漏水等，在现实生活中，要实现智能化、自动化、机械化就必须做到对压力信号的及时采集与处理，压力信号就是一个常见的最基本的信号，所以目前国内外有好多关于压力方面的研究。尤其是其中的单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。由于压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用，因此有必要准确测量压力。由于在进行监测时往往需要对多处的信息进行测量和监控，因此，设计多路压力监测系统十分必要。1.2课题的研究意义随着电子技术、计算机技术、通信技术的迅速发展，工业测控领域采用先进的技术对现场的工业生产参数进行监测，监测是实现工业自动化的重要标志。据不完全统计，在工业生产中被监测最多的参数是压力、流量、温度这三大参数，无论在石油、化工、煤炭、水利等行业，还是电力、机械、航天、国防等部门，都离不开对这些参数的监测，当然除此之外，还有诸如液位、扭矩、密度、浓度、速度、位移、距离、电参量等众多物理参数的监测。压力测量的领域十分广泛，其实，不仅在工业领域，而且在民用领域、军用领域压力的测量随处可见。当然，不同的场合，对测压范围的要求不一，即使相同的测压范围，测量不同的对象，其测量的精度要求也不尽相同。当然，我们做任何一件物品，都是在满足要求的前提下，越简单越好，成本越低越好，作为工业、民用、军用等领域的测量，这个原则也不例外，但作为人类对客观事务的认识，从测量的角度，从误差的概念，从真值的理解来看，我们应该在一定的条件下尽量地将测量的精度提高。随着工、农业的发展，多路压力监测系统势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得十分重要。总之，不论在哪个应用领域中多路压力监测系统将直接影响工作效率和所取得的经济效益。因而，多路压力监测系统的研发有着广阔的前景和市场。1西安工业大学毕业设计（论文）1.3压力监测技术的现状及发展趋势压力是一般工业领域最容易碰到的监测参数，市场上专用的各类压力监测产品也比较丰富，国内外的压力监测仪器的发展水平主要体现在仪器的智能化水平、测量的压力范围、测量的精度以及仪器的功耗技术指标上，目前国内的压力测量，在精度上很少高于0.1%。在同一个行业，各个企业之间的现代化水平的差异也十分大，尽管目前的计算机技术和电子技术的发展水平都十分迅猛，但仍有一部分企业对压力的测量场合还停留在简单的测量工具上。近年来，信息化一词在自动化领域内十分叫响，它在一定程度上推动了自动化技术的发展，我们的许多厂矿企业，运用计算机的水平不再体现在办公室的管理上，而是深入到生产的各个环节，各种可能导致安全生产隐患的各个环节在可能的条件下均运用了先进的计算机监控。1.4 课题的主要内容及技术指标1.4.1课题的主要内容掌握压力监测的基本工作原理，利用单片机设计一个供水管网压力监测系统，要求能够对16路压力信号进行监测，如果压力超出设定阈值需给报警信号，同时要求测量结果能够较长时间存储，并可与上位机进行通信。1.4.2课题的技术指标 （1）压力监测范围0-6.5MPa； （2）压力监测通道16； （3）监测精度1%。02系统的要求及设计原则2 系统的要求及设计原则2.1系统的要求随着我国在水利、电力、风力等各方面的迅速发展，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运营的需要，采用准确可靠、经济实用的自动化系统是必然趋势。 本系统的构建需要满足能完成一些基本的远程数据采集和传输的要求，同时考虑满足市场发展及经济调度的需求，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： 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。外部时钟电路：可以显示时间和日期。看门狗电路：X25045的看门狗定时器对单片机提供独立的保护系统，保证了单片机可靠复位键盘和显示：键盘的作用可设定一些参数。而前面单片机处理的数据可由LCD进行显示。 报警功能：当压力高于某个值则系统就会报警。2.2系统的设计原则 该系统本着安全、精确、可靠、先进、实用、经济、合理的原则进行设计，在设计过程中应该把握以下系统设计原则：准确性：系统在数据采集、传输、存储等环节均应采取相应措施确保数据的准确性。具体包括量测值准确、数据时标准确、量纲准确。可靠性：系统的数据作为计量依据，必须具有高度的连续性和完整性，万一发生丢失也必须有弥补的手段。及时性：系统数据需要有一定的及时性，即在一个数据召唤周期内应能将所有数据传输一次，对于各种异常情况，能在短时间内解决。安全性：尽可能确保数据采集和处理中数据不被修改或删除。先进性：系统设计尽可能不以降低系统可靠性为代价，真正做到不仅具有当今先进技术，采用先进的概念、技术和方法，而且具有发展潜力。抗干扰性：是系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线等。03系统硬件电路设计3 系统硬件电路设计3.1系统的组成 压力监测系统的硬件电路主要由压力变送器、多路选择开关、电流电压转换器、信号放大器、A/D转换器、单片机，液晶显示电路，报警电路，看门狗电路，外部时钟电路，外部存储电路和串行口电路组成。系统硬件电路框图如图3.1示： 压力信号 串行口电路 外部存储电路 外部时钟电路 看门狗 报警电路 LCD显示电路 单 片 机 A/D转换器 信号放大器 I/V转换器多路选择开关 压力变送器 图3.1系统硬件电路框图3.2系统的工作原理系统的CPU选用AT89系列单片机AT89C51,测力敏感元件为压力变送器，将压力引起的微小变化转换为相应的电流信号变化,经多路选择开关选择信号通道送入I/V转换器转换为电压信号，该电压信号经放大电路放大、调零后送A/D转换器转换为相应的数字量送到单片机AT89C51，AT89C51读入数据并对其进行数据滤波、存储和送液晶显示器显示，当数据大于6.5MPa进行报警处理。0西安工业大学毕业设计（论文）3.3系统主要芯片简介3.3.1压力变送器LT-YG智能压力变送器如图3.2所示具有多种型号，多种量程，多种过程连接形式及材料。可广泛应用于石油、化工、电力、冶金、制药、食品等许多工业领域，可适应于工业测量的各种场合及介质，是传统压力表及传统变送器的理想升级换代产品，是工业自动化领域理想的压力测量仪表。 图3.2LT-YG智能压力变送器（1）LT-YG型压力变送器的特性：小型轻巧，有利于抗震；螺纹连接型：0.8kg；内藏大屏幕数字LCD，外型尺寸3636mm,字高为16mm，精度为1个字；分两行显示，上行显示单位，下行显示数据；（可选带背光的液晶显示器，是国内唯一的带背光的二线智能压力变送器。带背光的压力变送器显示非常直观，有利于现场人员在远距离或黑暗的情况下清晰读数。） 采用计算机数字自动调校；全开放的用户自设定界面；（支持变送输出值零点迁移，测量值零点与量程范围设定，输出方式设定。支持测量值增益放大功能，变送输出值增益放大功能。）可任意设定量程，提高量程变化的灵活性，能有效减少备品库存；故障自诊断功能；设定参数断电永久保留及参数密码锁定功能；无源标定功能；（该功能使用户在不使用压力源和校验仪的情况下进行量程迁移。）供电不分正负；（该仪表接线不分正负，任意接线均输出4-20mA。）Hart通讯功能；工作可靠，免维护。（2）LT-YG型压力变送器的技术指标如表3.1所示：表3.1LT-YG型压力变送器的技术指标参数名称说明过程连接G1/2外螺纹，1/2NPT内螺纹，M20C1.5外螺纹材质膜片 氧化铝陶瓷或SUS316L过程连接件 不锈钢 316L（美国标准） 1.4581（德国标准） lCr18N19Ti(中国标准) 哈氏合金C密封件 氟橡胶 丁腈橡胶 聚四氟乙烯外壳 铝合金外部环境温度范围-30- +70接触液体温度范围-40- +110防爆等级隔爆型Exd ll c T6 1区(不含乙炔)本安型号Exia lic T4 0区电气管道连接G1/2 内螺纹，1/2NPT内螺纹涂装丙烯烘漆，金属绿输出4-20mA DC 二线制Hart数字通讯供给电源11.5-30V DC说明：量程范围/测量范围/精度/最大工作电压：请参照 “标准量程表”外型尺寸如表3.2所示：表3.2外形尺寸过程接口型号L(mm)G1/2外螺纹G41341/2NPT内螺纹N4M20X1.5外螺纹PH标准量程表如表3.3所示：表3.3标准量程表测量方式量程范围测量范围订货代号精度最大工作压力表压40-800KPa0-800KPa10.21.6MPa0.1-2MPa0-2MPa20.24MPa0.5-10MPa0-10MPa30.220MPa1.25-25MPa1-25MPa40.260MPa绝压40-800KPa0-800KPa10.21.6MPa0.1-2MPa0-2MPa20.24MPa0.5-10MPa0-10MPa30.220MPa1.25-25MPa0-35MPa40.260MPa负压-35-3.5KPa-35-0KPa10.20.6MPa-100-10KPa-100-0KPa20.20.6MPa正负压复合9.8-100KPa-100-100KPa10.2200KPa4-400KPa-100-400KPa20.2800KPa0.2-2MPa0.1-2MPa30.24MPa1-10MPa-0.1-10MPa40.220MPa端子说明如表3.4a,3.4b，3.4c所示：表3.4a端子说明记号序号端子SUPPLY+3电源和输出信号+SUPPLY-2电源和输出信号-1接地表3.4b端子说明端口名称端子序号端子说明G200串行通讯口1电源+2USART同步时钟线3USART同步数据线4电源-表3.4c端子说明记号序号功能SET3设定键+2增加键-1减少键打开变送器后盖，可见端子，方为接线端子，序号由左至右为1-3，左侧为通讯端子，序号由上到下为1-4，详见表3.4a，表3.4b。打开变送器后盖，拧松键盘盖板锁定螺丝可取下键盘盖板，进行参数设置。键的序号由左至右为1-3。功能定义见表3.4。电气连接： 出线方式：具有180度双侧出线口，G1/2螺纹配标准的密封电缆接头。 防护等级：IP65负载特性：供给电源/负荷阻抗特性。3.3.2多路选择开关多路选择开关采用CD4067,CD4067的引脚图见图3.3。CD4067相当于一个单刀十六掷开关，具体接通哪一通道，由输入地址码ABCD来决定,其真值表如表3.5所示。 图3.3CD4067引脚图表3.5CD4067真值表DCBAINH接通通道000000000101001002001103010004010105011006011107100008100109101001010110111100012110101311100141111015XXXX1均不接通CD4067是模拟开关，数字电路中模拟开关是很有用的器件，用它来切换数字信号的传输是十分方便的。CD4067是单16路（单刀16位）模拟开关，各开关由外部输入二进制的地址码A、B、C、D来切换。其中脚10、11、13和14是地址码A、B、C、D的输入端；脚29和1623是开关的输入/输出端（开关位）；脚1是开关的输出/输入公共端（开关刀）；脚15为控制端，低电平有效（选通），高电平禁止（开关开路）。CD4067的4位二进制码A、B、C、D共有16种状态，所以可以控制16个开关的通断。3.3.3I/V转换器 I/V转换器采用ISO-A-P-O系列，其规格如表3.6所示：表3.6ISO-A-P-O系列I/V转换器规格输入额定电流辅助电源输出A1:0-1mAP1:24VDC01:4-20mAA2:0-10mAP2:12VDCO2:0-20mAA3:0-20mAP3:5VDCO4:0-5VA4:4-20mAP4:15VDCO5:0-10VA5:自定义P5:自定义O6:1-5VISO-A-P-O系列I/V转换器具有如下特性：低成本，精度等级：0.1级，0.2级，0.5级；输入:0-20mA/4-20mA等（阻抗250）标准电流信号；输出:0-10mA/0-20mA/4-20mA隔离变换的电流信号；0-5V/0-10V/1-5V等隔离变换的的电压信号；信号输入/输出/辅助电源：隔离电压3000VDC三隔离；全量程内很高的线性度（非线性度0.2%）；小体积12Pin SIP，符合UL94-0标准阻燃封装；工业级宽温度范围:-40C +85C ；ISO-A-P-O 系列直流电流信号隔离放大器是一种将电流信号转换成按比例输出的隔离电流或电压信号的混合集成电路。该IC内部含有一组高隔离的DC/DC电源和电流信号高效率耦合隔离变换电路等，可以将直流电流小信号进行隔离放大（I/I）输出或直接转换为直流电压（I/V）信号输出。很小的输入电阻（250）,较强的带负载能力（电流输出650,电压输出2K）能实现小信号远程无失真的传输。IC内部可采用陶瓷基板、印刷电阻全SMT的可靠工艺制作及使用新技术隔离措施，使器件能满足信号输入/输出/辅助电源之间3KV三隔离和工业级宽温度、潮湿震动等现场环境。要求外接200K的满度校正多圈电位器，可实现4-20mA/0-20mA/0-5V/0-10V/1-5V等信号隔离转换和一进二出、二进二出功能的变换。3.3.4信号放大器美国国家半导体公司(National Semiconductor Corporation)近日宣布推出一款偏置电流低于所有竞争产品的高精度放大器。这款型号为LMP7721的芯片无论在室温之下还是在摄氏-40度至125度的广阔温度范围内，其输入偏置电流保证只有20fA，因此可大幅提高光电二极管及高阻抗传感器的系统灵敏度及准确度。换言之，这款放大器可大幅提高便携式系统及电化传感器接口电路的灵敏度及准确度。LMP7721芯片是美国国家半导体高能源效率Powerwise系列的最新型号产品，该芯片仅用1.3mA电流就可提供高达17MHz的增益带宽。LMP7721芯片采用美国国家半导体专有VIP50 BiCMOS工艺技术制造，因此内置输入偏置电流消除电路可降低输入偏置电流。而其他竞争产品在高温区的输入偏置电流便远比LMP7721芯片高。以摄氏85度的温度为例来说，LMP7721芯片的输入偏置电流保证只有900fA，比最强劲的竞争对手还低50%。此外，美国国家半导体还为高精度系统提供一个完备的信号路径解决方案。（1）LMP7721高精度放大器的主要特色：LMP7721高精度放大器的输入偏置电流最低可达3fA，摄氏25度时输入偏置电流保证不超过20fA，摄氏85度时这个电流值保证不超过900fA，摄氏125度时则保证不超过5pA，而且在整个输入共模电压范围内输入偏置电流都能保持在极低的水平。此外，这款放大器芯片的增益带宽也极高，开环增益更高达120dB，因此可确保信号调整更为准确。此外，LMP7721输入电压噪声只有6.5nV/sqrtHz，摄氏25度时直流偏移电压不超过150uV，偏移电压温度系数只有1.5uV/C，上述优点对改善系统的灵敏度及准确度极有帮助。LMP7721芯片可在1.8V至5.5V的供电电压范围内操作。其采用的8引脚SOIC封装特别将放大器的供电输入与输出引脚相隔离。这种独特的设计可以避免印制电路板的漏电流流入输入引脚，进一步减少系统错误。系统设计工程师只要采用这款LMP7721芯片，便可取代放大器及分立式双输入MOSFET晶体管，为印制电路板节约约50%的空间。（2）LMP7721高精度放大器的技术指标如表3.7所示：表3.7LMP7721高精度放大器的技术指标25C输入偏置电流20fA85C输入偏置电流900fA失调电压26uV失调电压漂移-1.5uV/CDC开环增益120dBDC共模抑制比100dB输入电压噪声（在f=1kHz）6.5nV/sqrtHzTHD0.0007%电源电流1.3mA增益带宽积（GBW）17MHz压摆率（下降边沿）12.76V/us电源电压1.8V-5.5V工作温度范围-40C - +125C3.3.5A/D转换器AD574A 是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速 12 位逐次比较型 A/D 转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的 A/D 转换器。（1）AD574A主要功能特性如下：分辨率：12 位 非线性误差：小于1/2LBS 或1LBS转换速率：25us 模拟电压输入范围：010V和020V，05V和010V两档四种电源电压：15V和5V数据输出格式：12位/8位 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式（2）AD574A引脚说明如下：1pin1(+5V)+5V电源输入端；2pin2(12/8)数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出；3pin3(CS)片选端；4pin4(A0)字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是，12/8端TTL电平不能直接与+5V或0V连接；5pin5(R/C)读转换数据控制端；6pin6(CE)使能端； AD574A的CE、12/8、CS、R/C和A0对其工作状态的控制过程：在 CE=1,CS=0同时满足时,AD574A才会正常工作,在AD574A处于工作状态时,当R/C=0时A/D 转换,当R/C=1时进行数据读出。12/8和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0=0时,启动是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。当R/C =1,也即当 AD574A 处于数据状态时，A0和12/8控制数据输出状态的格式。当12/8=1时,数据以12位并行输出,当12/8=0 时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。其控制逻辑真值表如表3.8所示。表3.8AD574A控制逻辑真值表CECSR/C12/8A0工作状态0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换100X1启动8位转换101按+5VX12位并行输出有效101按0V0高8位并行输出有效101按0V1低4位并行输出有效7pin7(V+)正电源输入端，输入+15V电源；8pin8(REF OUT)10V基准电源电压输出端；9pin9(AGND)模拟地端；10pin10(REF IN)基准电源电压输入端；11pin11(V-)负电源输入端，输入-15V电源；12pin12(V+)正电源输入端，输入+15V 电源；13pin13(10V IN)10V量程模拟电压输入端；14pin14(20V IN)20V量程模拟电压输入端；15pin15(DGND)数字地端；16pin16pin27(DB0DB11)12条数据总线，通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据；17pin28(STS)工作状态指示信号端,当STS=1时,表示转换器正处于转换状态,当STS=0时,声明A/D转换结束,通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态,作为单片机的中断或查询信号之用；AD574A的工作模式：以上我们所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A 工作于单一模式,只需将CE、12/8端接至+5V电源端，CS和A0接至0V,仅用R/C 端来控制A/D转换的启动和数据输出。当R/C =0时,启动A/D转换器，经25us后STS=0,表明A/D转换结束,此时将R/C置1,即可从数据端读取数据。3.3.6单片机AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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，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。制造工艺为CMOS的AT89C51单片机采用的是40只引脚的双列直插封装（DIP）方式如图3.4所示，其片内的结构如图3.5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（E2PROM），I/O 口（P0口、P1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）。图3.4AT89C51引脚图图3.5AT89C51片内结构图（1）对各功能部件的说明： a、数据存储器（RAM）：片内为256个字节（单元），片外最多扩至64K字节。b、程序存储器（E2PROM）：AT89C51单片机含有8K字节的快擦写可编程/擦除只读存储器（E2PROM）,片内最多可扩至64K字节。c、中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。d、定时器/计数器:3个16位的定时器/计时器，具有四种工作方式。e、串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。f、P0 口、P1 口、P2 口、P3 口：为4个并行8 位I/O 口。g、特殊功能寄存器（SFR）：共有21个，用于对于片内各功能模块进行管理，控制监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区。h、微处理器（CPU）：为8位的CPU，且内含一个1位CPU（微处理器），不仅可处理字节数据，还可进行位变量的处理。（2）AT89C51芯片的特性： 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年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM32条可编程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）AT89C51芯片引脚功能： 1VCC：供电电压。2GND：接地。3P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL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FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。4P1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4个TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平时，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。5P2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，P2口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。6P3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，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.9所示：表3.9AT89C51P3口的特殊功能口口管脚备选功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2INT0外部中断0P3.3INT1外部中断1P3.4T0计时器0外部输入P3.5T1计时器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器读选通 I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚，读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器，只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心。 读引脚时也就是把端口作为外部输入线时首先要通过外部指令把端口锁存器置1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错。如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0，Q端为0，Q非为1加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入。由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口。AT89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。7RST：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。 8ALE/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低位字节。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指令时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。9PSEN：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。10EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间不管是否有内部程序存储器读外部程序存储器（0000H-FFFFH）。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，此间读内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。11XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。12XTAL2：来自反向振荡器的输出。（4）振荡器特性 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。3.3.7 8255单片机系统里常用的8255芯片是一个典型的可编程通用并行接口芯片,用来扩展单片机的端口，8255内部包括三个并行数据输入/输出端口，两个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和8位总线缓冲器。其引脚图如图3.6所示。图3.6 8255引脚图（1）8255引脚功能如下：RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。CS:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯。RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。WR: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8255。D0D7:三态双向数据总线，8255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。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。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。A1、A0:端口地址总线，8255中有端口A、B、C和一个内部控制字寄存器，共4个端口，由A0、A1输入地址信号来寻址。（2）8255各部分功能概括如下：端口A、B、CA口：是一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。B口：是一个8位数据输入/输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。C口：是一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器（输入不锁存）。通常A口、B口作为数据输入/输出端口，C口作为控制/状态信息端口，它在“方式控制字”的控制下可分为两个4位端口，每个端口有一个4位锁存器，分别与A口、B口配合使用，作为控制信号输出或状态信息输入端口。工作方式控制电路工作方式控制电路有两个，一个是A组控制电路，另一个是B组控制电路。这两组控制电路具有一个控制命令寄存器，用来接受中央处理器发来的控制字，以决定两组端口的工作方式，也可根据控制字的要求对C口按位清“0”或者按位置“1”。 A组控制电路用来控制A口和C口的上半部分（PC7-PC4）。B组控制电路用来控制B口和C口的下半部分（PC3-PC0）。总线数据缓冲器总线数据缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，作为8255与系统总线之间的接口，用来传送数据、指令、控制命令以及外部状态信息。读/写控制逻辑电路读/写控制逻辑电路接受CPU发来的控制信号RD、WR、RESET、地址信号A1-A0等，然后根据控制信号的要求，将端口数据读出，发往CPU，或者将CPU送来的数据写入端口。3.3.8外部时钟DS12877（1）DS12877时钟芯片特点：可作为IBM AT计算机的时钟和日历；与MC14681B和DS1287的管脚兼容；在没有外部电源的情况下可工作10年；自带晶体振荡器及电池；可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息并带闰年补偿；用二进制码或BCD码代表日历和闹钟信息；有12和24小时两种制式，12小时制时有AM和PM提示；可选用夏令时模式；可以应用于MOTOROLA和INTEL两种总线；数据/地址总线复用；内建128字节RAM，14字节时钟控制寄存器，114字节通用RAM；可编程方波输出；总线兼容中断（/IRQ）；三种可编程中断，时间性中断可产生每秒一次直到每天一次中断，周期性中断122ms到500ms，时钟更新结束中断。（2）DS12877引脚图如图3.7所示。 图3.7DS12877引脚图引脚说明如表3.10所示：表3.10DS12877引脚说明引脚名称功能1MOT总线类型选择端，高为Motorola型，低为Intel型。2，3NC保留4-11AD0-AD7地址、数据复用线12GND地13/CS片选输入，低电平有效14AS地址选通输入，高电平有效15R/WMot=1时，表明当前处于读周期（高）或写周期（低）；Mot=0时，R/W即为WR，低电平有效16NC保留17DS数据选通输入18/RESET复位输入，低电平有效19/IRQ中断请求输出，低电平有效20-22NC保留23SQW方波输出24VCC电源电压。+5V3.3.9液晶显示电路 （1）液晶显示电路简介 液晶显示模块在各类测量及控制仪表中由于其功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便等优点而被广泛的应用。其中字符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号的点阵式液晶显示模块。以HD44780(HITACHI)为主控制驱动电路及其扩展驱动电路HD44100的液晶显示模块是以若干个58或511点阵块组成的字符块集。该字符块集中的每一个字符块为一个字符位, 字符间的点距和行距均为一个点的宽度。它的内部具有字符发生器ROM 以及可显示192 种字符和64个字节的自定义字符RAM, 因而可自定义8个5 8 点阵字符或4 个5 11 点阵字符。而且模块的接口信号和操作指令具有广泛的兼容性,并能直接与单片机接口。另外,它还具有专用指令,可方便地实现各种不同的操作。 （2）HD44780点阵式LCD 的内部结构 HD44780 控制部分的时序发生电路主要用来产生计算机的响应时序、DDRAM和CGRAM的存取时序以及光标和闪烁的产生时序等,其时钟频率范围为125k350kHz,典型值为250kHz；地址指针计数器AC是DDRAM和CGRAM共用的地址指针计数器, 可用于指示当前DDRAM和CGRAM的地址；字符发生器包括CGROM已固化好的字模库(含有208 种58点阵和32种511点阵字符字模数据)和可随时定义的字模库；80个字节的显示存储器DDRAM,可用于存储当前所要显示的字符代码；其地址由AC提供,并可通过单片机直接对DDRAM进行读/写操作。HD44780有11条指令,单片机只需通过RS、R/ W、DB0DB7送入数据或指令便可显示其指定内容或显示方式。 （3）HD44780芯片引脚功能如表3.11所示表3.11HD44780引脚功能管脚号符号电平方向引脚含义说明1VSS电源地2VDD电源（+5V）3V0液晶驱动电源（05V）4RSH/L输入寄存器选择：1-数据寄存器；0-数据寄存器5R/WH/L输入读写操作选择:1-读操作；0-写操作6ENH/L,H-L输入使能信号：R/W=0,E下降沿有效； R/W=1,E=1有效710DB0DB3三态8位数据总线的低4位，若与MCU进行4位传送时，此四位不用1114DB4DB7三态8位数据总线的高4位，若与MCU进行4位传送时，只用此4位1516E1E2输入上下俩行使能信号，只用于一些特殊型号3.3.10外部存储电路美国Ramtron公司铁电存储器（FRAM）的核心技术是铁电晶体材料。这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取记忆体（RAM）和非易失性存储器的特性。铁电晶体的工作原理是：当在铁电晶体材料上加入电场，晶体中的中心原子会沿着电场方向运动，达到稳定状态。晶体中的每个自由浮动的中心原子只有2个稳定状态，一个记为逻辑中的0，另一个记为1。中心原子能在常温、没有电场的情况下，停留在此状态达100年以上。铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据。由于整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器有高速读写、超低功耗和无限次写入等特性。FM24C16是美国Ramtron公司以铁电晶体为材料生产的铁电存储器（FRAM），和一般的EEPROM比较，其具有无写延时、超低功耗、无限次写入等超级特性，特别适合在那些对写入时间和次数有较高要求的应用场合，而且其与单片机接口电路简单，应用方便。铁电存储器和E2PROM比较起来，主要有以下优点：FRAM可以以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待，而E2PROM在写入后一般要510 ms的等待数据写入时间；FRAM有近乎无限次写入寿命。一般E2PROM的寿命在十万到一百万次写入，而新一代的铁电存储器已经达到一亿个亿次的写入寿命。E2PROM的慢速和大电流写入使其需要高出FRAM 2500，由于FRAM有以上优点，其特别适合于那些对数据采集、写入时间要求很高的场合，而不会出现数据丢失，其可靠的存储能力也让我们可以放心的把一些重要资料存储于其中，其近乎无限次写入的使用寿命，使得他很适合担当重要系统里的暂存记忆体，用来在子系统之间传输各种数据，供各个子系统频繁读写。从FRAM问世以来，凭借其各种优点，已经被广泛应用于仪器仪表、航空航天、工业控制系统、网络设备、自动取款机等。FM24C16引脚图如图3.8所示，其引脚功能如表3.12所示： 图3.8FM24C16引脚图表3.12FM24C16引脚功能名称I/O功能SDAI/O串行数据/地址：在两线协议中，这是一个双向数据线，用来送串行数据和地址，它为开漏输出，在两线总线上可和其他装置线或需要加上拉电阻。SCL输入串行时钟：两线接口串行时钟输入，数据在SCL的下降沿输出，地址在SCL的上升沿输出，需要加上拉电阻。WP输入写保护：当WP为高电平时，物理地址A2=1时，存储器的上半部地址的数据被保护，数据禁止写入，当WP为低电平时，所有地址都能写入