混凝土自动加料机控制系统毕业设计.doc

吉林化工学院毕业设计说明书混凝土自动加料机控制系统毕业设计目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景及研究的目的与意义11.2 混凝土加料机的发展状况11.3 本文需要研究的问题2第2章 自动加料机系统设计思路42.1 自动加料机设计图42.2 控制系统硬件的组成52.2.1 单片机52.2.2 传感器62.2.3 存储器扩展电路72.2.4 LED显示电路82.2.5 键盘输入电路82.2.6 继电器电路92.2.7 看门狗电路102.3 控制系统总方框图11第3章 系统硬件介绍123.1 AT89C51123.1.1 AT89C51的芯片123.1.2 AT89C51的引脚133.1.3 AT89C51的CPU143.1.4 AT89C51的存储器和并行I/O端口143.1.5 AT89C51振荡器特性和芯片擦除特性143.1.6 AT89C51与AT89S51的区别及优点153.2 外扩电路163.2.1 2864A芯片163.2.2 74LS373芯片183.3 LED电路203.3.1 74LS377203.3.2 MC14511B译码器223.4 键盘接入芯片8255A243.4.1 8255A引脚243.4.2 8255A引脚功能253.5 继电器电路273.6 看门狗MAX813L电路283.6.1 MAX813L引脚283.6.2 MAX813L引脚功能28第4章 软件设计流程30第5章 系统抗干扰以及可靠性31结 论32参考文献33附录A 硬件电路图34附录B 主程序流程图35附录C 程序中断流程图36附录D 程序编程扫描流程图37附录E 调试程序38致 谢56- 55 -第1章 绪论1.1 课题背景及研究的目的与意义随着电子制造业的快速发展，工业设计的要求也越来越高端，企业为了减少人工成本和人为因素产生的错误，对机器设备的智能化、自动化的需求也更加迫切。所以在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起着愈来愈重要的作用，并且随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动地按照预定的规律运行，这样就减少了人工操作并提高了企业效率，使产品和服务在同行竞争中更加具有竞争力。传统的建筑行业因为工作繁琐，甚至有的要求高强度的体力劳动，不仅工作效率低下同时还存在着高危的风险。为了提高工作环境的舒适度以及提升工作效率，企业就需要引进大量半自动化及全自动化的操作设备来改善员工的工作环境。当今社会已经朝着智能化的方向发展迅速，若不赶上时代潮流则很容易被市场化运作所淘汰。混凝土是建筑工程中应用最广泛的建筑材料之一，它的技术以及经济指标对整个建筑工程的质量和成本控制都起着举足轻重的作用，同时质量不合格的混凝土不能应用在建筑工程中，其所产生的恶劣影响危及施工人员和住户的性命安全。但是混凝土质量是否安全却不能被即刻检测出来，而且质量一旦不合格也不能再返厂重新混合，所以在混凝土生产过程中对各组成成分的加料控制是至关重要的。因为商品混凝土的高成本，它比现场搅拌的混凝土成本大约高出30%，所以在我国建筑工程中所使用的混凝土大多是在施工现场加料搅拌的。为了取代以往人工搅拌混凝土的低效性和经验论对搅拌的局限性，本文设计的混凝土自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现混凝土进料搅拌的功能，通过单片机编程使系统进行智能操作，这样就大大提高了工作的效率，使整个工作过程又快又稳并且保证了操作人员的人身安全。这样人性化的系统设计会是今后工业设计的主流方向，使得企业在大数据和愈加市场经济化的国际环境中得以稳步发展。1.2 混凝土加料机的发展状况19世纪40年代，在德、美、俄等国家出现了以蒸气机为动力源的自落式搅拌机，其搅拌腔由多面体状的木制筒构成。直到19世纪80年代，才开始用铁或钢件代替木板，但形状仍然为多面体。1888年，法国申请登记了第一个用于修筑战前公路的混凝土搅拌机专利。20世纪初，圆柱形的拌筒自落式搅拌机才开始普及。形状的改进避免了混凝土在拌筒内壁上的凝固沉积，提高了搅拌质量和效率。1903年，德国在斯太尔伯格建造了世界上第一座水泥混凝土的预拌工厂。1908年，美国出现了第一台内燃机驱动的搅拌机，随后电动机则成为主要动力源。从1913年开始，美国开始大量生产预拌混凝土。1950年，亚洲大陆的日本开始用搅拌机生产预拌混凝土。在这期间，仍然以各种有叶片或无叶片的自落式搅拌机的发明与应用为主。自落式搅拌机依靠被拌筒提升到一定高度的物料的自落完成搅拌。综观而言，混凝土加料系统主要使用单片机、PLC、WinCC这三种方式来进行编程，因为单片机在工业领域的应用时间以及广泛性都比较有优势，它的发展正迅速渗透各行各业，其迅猛和普及之势是许多人始料不及的。单片机解放了人类的智力, 提高了人类的能力和工作效率。又随着现代工业生产规模的日益扩大和相关工艺的复杂性, 使得自动化和先进控制方法成为可能。当今因为计算机的微型化、网络化、性能价格比的上升和软件的功能日益强大， 单片机控制系统不再是一种昂贵的系统，它几乎可以出现在任何的场合，如实时控制、监控、数据采集、信息处理等，所以单片机在工业领域正成为不可缺少和不可替代的强有力的控制工具。对于混凝土搅拌而言，目前国内通常使用的后台加料形式一般有旋臂拉铲式、链式加料式和装载机加料式等几种。国内使用的装载机加砂石料具有良好的发展前景，其优点主要体现在：（1） 使用灵活方便 在总体结构上一般采用组合装载式，整体性好、运输转移和快速安装都灵活方便，所以这种形式特别适合城市建设、公路建设等混凝土工程施工。（2） 制造使用经济装载机加料形式结构简单，加工方便。从成本而言只是其余两种加料机的30%50%左右；从使用方面来看，装载机在生产中可对其他设备进行散料的堆积工作，提高了装载机加料的机械利用率。（3） 拌料利用率高采用装载机能一次性将砂石料装入搅拌仓，同时可将场地现场清理干净。1.3 本文需要研究的问题控制系统的控制器由单片机和扩展电路组成，单片机控制继电器，继电器控制交流接触器。本控制系统可以根据送料工艺的需要，设置两条生产线的输送、排料、满料、空料等参数值，并且能够检测到满料状态，避免工作误差的产生。根据加料工艺要求，其工作原理是：先将真空管关闭，启动电机，用低真空气流将塑料树脂粒子送入真空管，电机停转，再将粒子排入料斗，如此循环。由单片机AT89C51控制的混凝土自动加料控制系统，可用一个电机控制两个加料生产线，由电磁阀来切换。两个生产线既可单独运行，也可同时运行。假如两者同时运行，当一个生产线输送结束后，判断到另一个生产线排料已经结束，那么，电机不停转而方向阀换向，从而为另一个生产线送料。这样可以发挥控制系统和电机的效率，从而实现供料自动化。本文对自动加料机的设计，主要把单片机控制芯片应用于此系统，需要研究的主要问题有：1）能检测到满料状态，并显示出输送、排料、满料时间；2）时间误差：0.1秒；3）具有抗干扰能力。第2章 自动加料机系统设计思路2.1 自动加料机设计图混凝土自动加料机整体设计图如下图2-1所示。 图2-1 混凝土自动加料机整体设计图加料斗中装着混凝土所需的物料，水、沙子、石子、水泥、外加剂等原料。通过电机运转，使传送带牵动加料斗往上传输，到搅拌机进料口后电机停转，加料斗卡槽处开始往搅拌机里送料。然后电机反转，使加料机下降，接着往搅拌机里送料。整个过程的满料、送料的时间通过显示器可以观测出。通过单片机系统的控制，使这整个过程实现自动化，使得效率大大提高。2.2 控制系统硬件的组成2.2.1 单片机生产应用中使用的单片机品种繁多，但是在我国使用最多的是Intel公司的MCS-51系列单片机及其增强型、扩展型的衍生机型。8051单片机最早是由Intel公司将80C51内核使用权，以专利互换或者出让转给了世界许多著名IC制造厂商，如ATMEL、NEC、AMD、PHILIPS、DALLAS、ANALOG DEVICES等。这些公司在保持与80C51单片机兼容的基础上，也加上了自身优势，扩展了针对满足不同测控对象要求的外围电路，准确来说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而常采用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机。它们对8051一般都作了一些补充，更具有特点，这些单片机的功能和市场竞争力也更强。如满足模拟量输入的A/D、满足伺服驱动的PWM、满足高速输入/输出的控制的HSL/HSO、满足串行扩展总线的I2C、保证程序可靠运行的WDT、引入使用方便廉价的Flash ROM等，开发出上百种功能各异的新品种。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分为以下几种：1.基本型典型产品：8031/8051/8751。2.增强型典型产品：8032/8052/8752。3.低功耗型代表产品：80C31/87C51/80C51。4.专用型：Intel公司的8044/8744。5.超8位型：PHILIPS公司的80C552/87C552/83C552。6.片内闪烁存储器型：AT89C51。在众多MCS-51单片机及其各种增强型、扩展型等衍生品种的兼容机中，PHILIPS公司生产的80C552/87C552/83C552系列单片机和ATMEL公司的AT89C51单片机在我国使用较多。尤其是ATMEL首推的AT89C51单片机。它是一个低功耗、高性能的含有4KB闪烁存储器的8位CMOS单片机，始终频率高达20MHz，与MCS-51的指令系统和引脚完全兼容。闪烁存储器允许在线（+5V）电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。此外，89C51还支持由软件选择的2种掉电工作方式，非常适合电池供电或其它要求低功耗的场合。由于片内带EPROM的87C51价格偏高，而89C51芯片内的4KB闪烁存储器可在线编程或使用编程器重复编程，并且价格较低，因此89C51受到了应用设计者的欢迎1。 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的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128B的随机存取数据存储器（ROM），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。功能强大的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。本文就采用AT89C51。2.2.2 传感器为检测到混凝土搅拌机的满料状态，需要采用传感器来感知，并把这种信号采集传给加料机，使它停止进料。因为搅拌机每次搅拌时有可能存在少量搅拌的情况，而且在进料的过程中，骨料和水的添加顺序也是根据搅拌机的工作方式而变化。所以采用物料传感器可能需要同时使用检测料位和界位的传感器，务必会使用更多的接口，使成本增加，导致硬件布局繁琐。因而，使用压力传感器就能够简化这个问题。能够检测压力值并提供远传信号的装着称为压力传感器。压力传感器是压力检测仪表的重要组成部分，它可以满足自动化系统集中检测与控制的要求，在工业生产中得到广泛使用。压力传感器的结构形式多种多样，常见的有应变式、压阻式、压电式、电容式、振频式压力传感器等。此外还有光电式、光纤式、超声式压力传感器等。以下是几种常见的压力传感器：1. 应变式压力传感器各种应变元件和弹性元件配用，组成应变式压力传感器。应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械形变时，其电阻值将发生变化。它所用的弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型号，常见的有元膜片、弹性梁、应变筒等。2. 压阻式压力传感器压阻式压力传感器是基于半导体的压阻效应。它不同于应变式压力传感器所用的体型应变元件，而是采用集成电路的、工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻。硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特征，当硅片受压时，膜片是变形使扩散电阻的阻值发生变化。3. 电容式压力传感器电容式压力传感器的测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化。4. 振频式压力传感器振频式压力传感器利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系，通过测量频率信号的变化来检测压力。这种传感器有振筒、振弦、振膜、石英谐振等多种型式。这种传感器体积小，精确度高，适用于气体检测。5. 压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的，不适用于受温度响应的场合。考虑到成本和市场使用的广泛性，论文中选用抗冲击拉压力传感器。拉压力传感器又叫电阻应变式传感器，隶属于称重传感器系列，是一种将物理信号转变为可测量的电信号输出的装置。广泛运用在工业称重系统、平台秤、电子秤、吊钩秤、配料秤等测力场合23。2.2.3 存储器扩展电路MCS-51单片机内集成了各种存储器和I/O功能部件，但有时候根据应用系统的功能需要，片内的资源还不能满足需要，还需要外扩存储器和I/O功能部件（也称I/O接口部件），这就是通常所说的MCS-51单片机的系统外扩。系统扩展是以MCS-51单片机为核心进行的，扩展内容包括扩展程序存储器ROM、数据存储器RAM、I/O接口部件及I/O设备等。E2PROM是电可擦除可编程只读存储器，其突出优点是能够在线擦除和改写，无需像EPROM那样必须用紫外线照射才能擦除。较新的E2PROM产品在写入时能够自动完成擦除，且不在需要专用的编程电源，可以直接使用单片机系统的+5V电源。E2PROM用于单片机系统中，既可以扩展为片外EPROM，也可以扩展为片外RAM。它使单片机系统的设计，特别是调试试验更为方便、灵活。在调试程序时，用E2PROM代替仿真EPROM，既可以方便地修改程序，又能够保存调试好的程序。当然，与RAM芯片相比，E2PROM写操作速度是很慢的。另外，它的擦除/写入是有寿命限制的，虽有1万次之多，但也不宜用在数据频率更新的场合。因此应注意均衡使用各单元，不然有些芯片会提前结束寿命。E2PROM既具有ROM的非易失性的优点，又能像RAM一样随时地读/写，每个单元保留信息的时间长达20年，不存在EPROM在日光下信息缓慢流失的问题。因此，论文中选用E2PROM芯片来外扩存储器。其中常用的E2PROM芯片有2816/2816A，2817/2817A，2864A等3。2.2.4 LED显示电路自动加料机在运行时需要显示满料、进料以及出料时间，所以输出采用成本低廉但配置灵活的LED显示器。LED( Lighting Emitting Diode )是发光二极管英文名字缩写。常用的LED显示器8段（或7段，8段比7段多了1个小数点“dp”段）。每一段对应一个发光二极管。这种显示器有共阳极和共阴极2种。由N个LED显示块可拼成N位的LED显示器。N个LED显示块有N位位选线和8N根断码线。段码线控制显示字符的字型，而位码线为各个LED显示块中各段的公共端，它控制该LED显示位的亮或暗。LED显示器有静态显示和动态显示2种显示方式。1. LED静态显示方式LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或+5V）；每位的段码线（adp）分别为1个8位的锁存器输出相连。之所以称为静态显示，是因为各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器锁存的段码输出将维持不变，直到送入另一个字符的段码为止。正应为如此，静态显示器的亮度都较高。系统在每一次显示输出后，能保持显示不变，仅仅在待显示数字需要改变时，才更新其数字显示器中锁存的内容，这种显示占用CPU时间少，显示稳定可靠。缺点是：当显示位数较多时，就占用较多的I/O接口。2. LED动态显示方式在多位LED显示时，为简化硬件电路，通常将所有位的段码线并联在一起，由1个8位I/O口控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。CPU需定时地对每位LED显示器进行扫描，每位LED显示器分时轮流工作，每次只能使一位LED显示，但由于人眼视觉暂留现象，仍感觉所有的LED显示器都同时显示。这种显示的优点是使用硬件少，占用 I/O少。缺点是：占用CPU时间长，只要不执行显示程序，就立刻停止显示。本论文所设计的混凝土自动加料机控制系统因为所选的搅拌机型号或应用场所的不同，可选用的LED片数也会不同。根据不同型号的混凝土搅拌机而言，搅拌的混凝土每次用时大约615min，所以采用2片静态显示方式的LED即可满足基本需求14。2.2.5 键盘输入电路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工预单片机的主要手段。常用的键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘接口。1.独立式键盘接口独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个键被按下。在按键数目较多时，独立式键盘电路需要较多的输入口，且电路结构繁杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。中断方式的独立式键盘工作电路，只要有一个键按下，与门的输出即为低电平，向8031发出中断请求，在中断服务程序下，对按下的键进行识别。查询方式的独立式键盘工作电路，按键直接与8031的I/O口线相接，通过读I/O口，判断各I/O口线电平状态，即可以识别出按下的键。同时也可用扩展的I/O口作为独立式键盘接口电路，采用8255A扩展I/O口，也有用三态缓冲器扩展的I/O口。这两种接口电路都是把按键当作外部RAM某一工作单元的位来对待，通过读片外RAM的方法识别按键状态。2.行列式键盘接口行列式（也称矩阵式）键盘用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交点上。一个33的行列结构可以构成一个有9个按键的键盘。同理，一个44的行列结构可以构成一个16键的键盘，很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。按键设置在行列线交点上，行列线分别接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平，列线电平如果为高电平，则行线电平为高电平。这是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行列线为多键公用，各按键均影响该键所在行列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来比做适当的处理，才能确定闭合键的位置。本论文设计的自动加料机中需要最少的按键有：运送加料斗生产线的启动键和停止键，分秒选择键、时间设置加和时间设置减键，显示生产线状态的切换键、时间设置键、时间切换键这8个按键。此外，还要有8个用于显示控制状态的发光二极管4。所以，论文中采用8255A来扩展并行口。2.2.6 继电器电路继电器(Relay)，也称电驿，是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。在电气控制领域或产品中，凡是需要逻辑控制的场合，几乎都需要使用继电器，从家用电器到工农业应用，甚至国民经济各个部门，可谓无所不见。继电器是一种利用各种物理量的变化，将电量或非电量信号转化为电磁力（有触头式）或使输出状态发生阶跃变化（无触头式），从而通过其触头或突变量促使在同一电路或另一电路中的其它器件或装置动作的一种控制元件。根据转化的物理量的不同，可以构成各种各样的不同功能的继电器，以用于各种控制电路中进行信号传递、放大、转换、联锁等，从而控制主电路和辅助电路中的器件或设备按预定的动作程序进行工作，实现自动控制和保护的目的。自动加料机将混凝土骨料以及水通过电机运转的带动，牵引到搅拌机进料口，此时电机停止转动，加料斗的小门打开开始给搅拌机送料。论文中用到2个继电器控制交流接触器，采用4123无极性交流继电器，并利用光耦合元件P521使它与单片机隔开。AT89C51的P1初始值是0FFH，还要再加上一个74LS04反相器使得继电器在初始时不会闭合，用MC1413作为无源驱动器以及IN4007构成继电器的续流二极管。2.2.7 看门狗电路MCS-51PC受到干扰而失控，引起程序乱飞，可能会使程序陷入死循环。指令冗余和软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱死循环的困扰，则系统会完全瘫痪。此时若是有操作人员在场，可按下人工复位键来强制使系统复位。但是操作人员不可能一直呆守在监控系统画面前，即使是时刻对着电脑不眨眼，也往往是在引起不良反应后才进行处理。看门狗技术就是使用一种计数器开不断的技术，监视着程序使它循环运行。若发生时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，此时计数器溢出，然后强迫系统复位，在复位入口0000H处安排一段出错处理程序，使程序运行进入轨道。另外，在单片机系统运行时，有可能会发生电源掉电的意外情况，一些重要的数据也随时遭受流失。这就要求系统应首先检测到电源的变化，然后通过切换电路把备用电池接入到系统中以保护RAM中的数据不丢失。日前，看门狗电路和掉电保护电路，都已经集成在一片微处理器监控器芯片中。所以，MCS-51只需扩展一片微处理器监控器芯片即可。这类芯片集成化程度较高，功能齐全，具有广阔的应用前景。而在单片机中应用这种芯片，就可大大提高系统的抗干扰能力以及可靠性。因此，论文中选用MAX813L芯片4。2.3 控制系统总方框图 综上所述，系统的大体方框图如下图2-2所示。图2-2 加料机控制系统的方框图第3章 系统硬件介绍3.1 AT89C51AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。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， 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。3.1.1 AT89C51的芯片AT89C51引脚图如图3-1所示。图3-1 AT89C51引脚图3.1.2 AT89C51的引脚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位I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51各个引脚简介如下：1. 电源引脚电源引脚接入单片机的工作电源。（1） Vcc（40引脚）：供电电压，接+5V。（2） Vss（20引脚）：接地。2. 时钟引脚2个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。2个时钟引脚也可以外接独立的晶体振荡器。（1） XTAL1（19引脚）：接外部晶体的1个引脚。该引脚内部是1个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（2） XTAL2（18引脚）：外接晶体的另一端，在该引脚内部接至内部方向放大器的输出端。3. 控制引脚此类引脚提供控制引脚，有的引脚还具有复用功能。（1） RST/Vpd（9引脚）：RST（RESET）是复位信号输入端，高电平有效。Vpd是本引脚的第二功能，即备用电源的输入端。PROG （2） ALE/PROG (30引脚) ：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，此引脚不断输出正脉冲信号。为本引脚的第二功能，在对片内单片机（EPROM型）编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。PROG（3） （29引脚）：程序存储器允许输出控制端。EA/VppEA（4）（31引脚）：功能为内外程序存储器选择控制端。Vpp为本引脚的第二功能。对于89C51而言，加在Vpp引脚的编程电源电压为+12V或+5V。4. I/O口引脚（1） P0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，可驱动8个LS型TTL负载。（2） P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个TTL负载。（3） P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。（4） P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。3.1.3 AT89C51的CPU1. 运算器运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。主要包括算术逻辑运算单元ALU、累加器A、位处理器、程序状态字寄存器PSW以及BCD码修正电路等。2. 控制器 控制器是单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。3.1.4 AT89C51的存储器和并行I/O端口 MCS-51单片机采用的是哈佛结构，即程序存储器空间和数据存储器空间是各自独立的。这种结构对于单片机“面向控制”的实际应用极为方便。它的存储空间可划分为5类：程序存储器、内部数据存储器、特殊功能存储器、位地址空间和外部数据寄存器。 AT89C51共有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0P3，共有32根口线，端口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。P0P3的端口寄存器属于特殊功能寄存器，这4个端口除了按字节寻址之外，还可按位寻找。由于它们在结构上有一些差异，故各端口的性质和功能会有一些差异。3.1.5 AT89C51振荡器特性和芯片擦除特性 1. 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。2. 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。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.1.6 AT89C51与AT89S51的区别及优点AT89S51 是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K Bytes ISP(In-System Programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统供给高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，8K Bytes Flash片内程序存储器，128 Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5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，AT89S52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，以适应不一样产品的需求。AT89S51与AT89C51相比，外型引脚完全相同，AT89C51的HEX程序无须任何转换可直接在AT89S51运行，结果一样。AT89S51比AT89C51还新增了一些功能，支持在线编程和看门狗是其中主要特点。它们之间主要区别在于以下几点：1. 引脚功能：管脚几乎相同,变化的有,在AT89S51中P1.5、P1.6、P1.7具有第二功能，即这3个引脚的第二功能组成了串行ISP编程的接口。2. 编程功能：AT89C51仅支持并行编程，而AT89S51不但支持并行编程还支持ISP再线编程。在编程电压方面,AT89C51的编程电压除正常工作的5V外，另Vpp需要12V,而AT89S51仅仅需要4-5V即可。3. 烧写次数更高：AT89S51标称烧写次数是1000次，实为1000-10000次，这样更有利开始学习者反复烧写，降低学习成本。4. 工作频率更高：AT89C51极限工作频率是24MHZ，而AT89S51最高工作频率是33MHz，(AT89S51芯片有两中型号，支持最高工作频率分别为24MHz和33MHz)从而具有更快的计算速度。5. 电源范围更宽：AT89S51工作电压范围，达45.5V，而AT89C51在底于4.8V和高于5.3V的时候则无法正常工作。6.抗干扰性更强：AT89S51内部集成看门狗计时器(Watchdog Timer)，而AT89C51需外接看门狗计时器电路，或者用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干扰。虽然现在AT89S51因为它的优点正得到大力推广使用，但是AT89C51具有指令简单，易学易懂，外围电路简单，硬件设计方便，I/O口操作简单，无方向寄存器，资源丰富的优点，一般的设计足够用在简单控制系统中。并且它的价格便宜、容易购买，网上或者书面资料丰富容易查到，程序烧写的过程也比较简单。所以选用AT89C51作为论文的单片机芯片56。3.2 外扩电路论文选用的E2PROM芯片是2864A。3.2.1 2864A芯片2864A引脚图如图所示。图3-2 2864A E2PROM引脚图2864A的主要性能如下表3-1所示7。表3-1 2864A主要性能参数参数值读取时间/ns250读操作电压/V5写/擦操作电压/V5字节擦除时间/ms10写入时间/ms10容量/B8K8封装DIP28兼容6264A2864A的工作方式见下表3-2所示。表3-2 2864A的工作方式CEOEWE 输入/输出 引脚号（20）（22）（27）（1113,1519）待机VIH任意任意高阻读VILVILVIHDOUT写VILVIH负脉冲DINDATA查询VILVILVINDOUT由上表3-2可知，2864A的工作方式有4种：1. 维持方式当为高电平时，2864A进入低耗维持方式。此时，输出线呈高阻态，芯片的电流从140mA降至维持电流60mA。2. 读方式当和均为低电平而为高电平时，内部的数据缓冲器被打开，数据送上总线，此时，可进行读操作。3. 写方式2864A提供了两种数据方式：页写入和字节写入。（1） 页写入：2864A片内设置了16字节的“页缓冲器”，并将整个存储器阵列划分成512页，每页16个字节。页的区分可由地址的高9位来确定，地址线的低4位用以选择页缓冲器中的16个地址单元之一。写方式时，为低电平，在下降沿，地址码A0A12被片内锁存器锁存，在上升时数据被锁存。片内还有一个字节装载限时定时器，只要时间未到，数据可以随机地写入页缓冲器。在连续向页缓冲器写入数据的过程中，不用担心限时定时器会益处，因为每当下降沿时，限时定时器自动被复位并重新启动计时。（2） 字节写入：字节写入的过程与页写入的过程类似，不同之处是仅写入一个字节，限时定时器就溢出。4. 数据查询方式数据查询是指用软件来检测写操作中的页存储周期是否完成。在页存储期间，如对2864A执行读操作，那么读出的是最后写入的字节，若芯片的转储工作未完成，则读出数据的最高位是原来写入字节最高位的反码。据此，CPU可判断 的编程是否结束。如果读出的数据与写入的数据相同，表示芯片已完成编程，CPU可继续向2864A装载下一页数据。3.2.2 74LS373芯片2864A与单片机接口时，2864A的片选端与高地址线P2.7连接，P2.7=0才能选中2864A，这种线选法决定了2864A对应多组地址空间，即：0000H1FFFFH，2000H3FFFH，4000H5FFFH，6000H7FFFH。这8K字节存储器可作为数据存储器使用，但掉电后数据不丢失。2864A与AT89C51接口电路如图：单片机由于受引脚数的限制，数据线和地址线是复用的，由P0口兼用。为了将它们分离出来，以便同单片机片外的扩展芯片正确的连接，需要在单片机外部增加地址锁存器。论文中使用74LS373。 74LS373是带有三态门的八D锁存器。芯片引脚图如下图3-3所示。图3-3 74LS373引脚图当使能信号线OE为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q-8Q输出到OUT1-OUT8；当OE端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT1-OUT8处于浮空状态。G是数据输入锁存选通信号，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号OE为低电平，这时，当G端输入端为高电平时，锁存器输出（1Q-8Q）状态和输入端（1D-8D）状态相同；当G端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（1D-8D）的数据锁入1Q-8Q的八位锁存器中。当用74LS373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。引脚说明如下：D0D7：锁存器8位数据输入线。Q0Q7：锁存器8位数据输出线。GND：接地引脚。Vcc：电源引脚，5V有效。OE ：片选信号引脚。G：锁存控制信号输入引脚。综上所述，存储器外扩电路连线图如下图3-4所示。图3-4 存储器外扩电路3.3 LED电路LED显示电路采用74LS377驱动器和MC14511B译码器来控制LED数码管。3.3.1 74LS37774LS377是一种八D边沿触发器。当允许控制端EN为低电平，在时钟端CP脉冲上升沿作用下，输出端Q与数据段D相一致。当CP为高电平或低电平，D对Q没影响。其引出端符号如下：EN：允许控制端（低电平有效）；CP：时钟输入端（上升沿有效）；1D8D：数据输入端；1Q8Q：输出端。74LS377的主要电特性的典型值如下表3-3所示：表3-3 74LS377的电特性型号fmPDCT74LS37740MHz80mW74LS377的极限值见下表所示：表3-4 74LS377的极限值条件极限值电源电压7V输入电压7V工作环境温度070贮存环境-6515074LS377功能表如下表所示：表3-5 74LS377的功能表输入输出ENCPDQHXXQ0LHHLLLXLXQ0各字符所表示的意义如下所示：H：高电平；L：低电平；：低到高电平跳变；X：任意；Q0：规定的稳态输入条件建立前Q的电平8。74LS377的引脚图如下图3-5所示。图3-5 74LS377引脚图3.3.2 MC14511B译码器该器件包含保护电路，以保护输入以免受到损害。它内部具有一个高阻抗电路，用来避免电压值超过额定最大电压。MC14511B是 BCD七段锁存器/解码器/驱动器，它拥有具有互补MOS（CMOS）增强模式结构以及具有一个NPN双极型的输出驱动器。它还提供了1个4Bit的存储单元。应用范围包括仪器（例如，计数器，DVM等）显示；用以驱动程序，如计算机/计算器显示驱动器，座舱显示驱动器；充当各种时钟信号和定时器的用途8。 它的引脚图如下所示。图3-6 MC14511B引脚图MC14511B的真值表如下表3-6所示9。表3-6 MC14511B的真值表输入输出LEBILTDCBAabcdefg显示01111118010000000空白01100001111110001100010110000101100101111001201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000空白01110110000000空白01111000000000空白01111010000000空白01111100000000空白01111110000000空白111*MC14511B引脚说明如下：Vdd：电源引脚。ag：连接显示器的七位段码，7个信号输出端。Vss：接地。AD：4个信号输入端。LED显示电路连线图如下图3-7所示。图3-7 LED电路图3.4 键盘接入芯片8255A8255A是一种可编程的I/O接口芯片，可以与MCS-51系统单片机以及外设直接相连，广泛用作外部并行I/O扩展接口。3.4.1 8255A引脚8255A引脚图如下图3-8所示。图3-8 8255A引脚图3.4.2 8255A引脚功能引脚介绍如下：D0D7：8位双向数据总线。PA0PA7：端口A的I/O引线。PB0PB7：端口B的I/O引线。PC0PC3：端口C的低4位I/O引线。PC4PC7：端口C的高4位I/O引线。A0、A1：地址引线，用于选中PA、PB、PC口和控制寄存器中哪一个工作。RESET：复位线，高电平有效。 CS：片选线，低电平有效。 RD、WR：RD为读命令线，WR为写命令线，皆为低电平有效。Vcc：+5V电源输入。GND：接地。8255A中有3个I/O端口，其内部还有一个控制字寄存器，用地址总线A0、A1寻址4个端口，A0、A1和RD、WR及CS组合可实现的功能如下表3-7所示。表3-7 8255A引脚组合功能A1A0操 作001010000111000A端口数据总线B端口数据总线C端口数据总线数据总线A端口数据总线B端口数据总线C端口数据总线控制端口数据总线为高阻态非法状态数据总线为高阻态00110101111100000000x1xx1xx01x11100CS为“1”或者RD、WR同时为“1”，所有数据口为高阻状态。在连接键盘电路采用8255A为扩展I/O口时，要在中间加入一个74LS373，74LS373可以作为AT89C51外部的一个扩展输入口，接口电路的工作原理是当外设把数据准备好后，发出一个控制信号加到74LS373的G端，即锁存端，使输入数据在74LS373中锁存，同时信号加到AT89C51单片机的中断