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基于单片机的乳化物干燥过程控制系统设计毕业设计 目 录 1 绪论 . 错误未定义书签。1 1.1本课题研究的对象、背景、现状及意义 . 错误未定义书签。1 1.1.1背景及意义 . 错误未定义书签。1 1.1.2现状 . 错误未定义书签。1 1.1.3最新研究动态 . 错误未定义书签。1 1.1.4发展趋势 . 2 1.1.5被控对象的介绍 . 3 1.1.6单片机的发展及温度控制系统 . 3 2系统的总体方案设计 . 6 2.1系统的总体设计 . 6 2.2乳化物的干燥过程及温度的设定 . 7 2.2.1原料 . 7 2.2.2预热杀菌 . 8 2.2.3真空浓缩 . 8 2.2.4冷却 . 8 3硬件设计 . 9 3.1单片机选型原则 . 9 3.2单片机的选择 . 10 3.374HC245芯片的选定 . 16 3.4温度采集硬件的选择 . 17 3.4.1技术性能描述 . 18 3.4.2 应用范围 . 19 3.4.3接线说明 . 19 3.5显示硬件的选择 . 22 3.6按键的选择 . 22 3.7通信部分 . 22 3.8报警加热部分 . 23本页完 第 4 页 共 53 页 3.9Proteus软件的介绍 . 24 3.10总体电路原理图 . 25 4软件设计 . 26 4.1Keil C51软件的介绍 . 26 4.2设计思路、流程图 . 26 4.2.1温度采集模块 . 27 4.2.2数据处理模块 . 28 4.2.3键盘模块 . 29 4.2.4加热报警模块 . 30 4.2.5编写程序所需要的总流程图 . 31 4.2.6本设计的源程序代码 . 32 5单片机控制温度的说明及PID控制 . 33 5.1温控制的说明 . 33 5.2PID控制原理及算法 . 33 5.2.1控制原理 . 33 5.2.2控制规律及对系统稳定性的影响 . 34 6仿真 . 35 6.1下面是仿真的结果和分析 . 35 7总结 . 36 附录 . 37 附录 . 38 参考文献 . 47 致谢 . 49 本页完 第 5 页 共 53 页 1 绪论 1.1 本课题研究的对象、背景、现状及意义 1.1.1 背景及意义 干燥在化工生产中应用非常广泛因为绝大多数的固化工产品都有一定的含湿量要求。例如聚氯乙烯的含水量须低于0.3%否则在其制品中将有气泡生成抗菌素含水量太高会影响其使用期限不经干燥的染料在包装桶中贮藏时湿物料会沉降分层使各层中染料含量不同这会给使用厂家带来许多不必要的麻烦。所以干燥的意义是使物料便于加工、运输、驻藏和使用。 1.1.2 现状 几乎所有工业领域都有热力干燥这一环节涉及的材料超过6万种。物料干燥属于高能耗行业据不完全统计全球1025的能源用于工业热力干燥在我国干燥所用能源占国民经济总能耗的12左右。目前干燥学术研发活动地位低下存在咀下问题 1)很多干燥的实际过程过于复杂有时甚至无法总结归纳其采用的干燥原理 2)不少干燥的理论研究与工业应用脱节陷人了“理论研究一发表论文一再研艚发表论文”的怪圈昂终失去应用价值 3)一砦新的干燥理念在小试或巾试后由于技术风险性高和扩大生产的条件限制只有少部分成为有活力并可在商业上应用的创新技术4)多数干燥设备的使用寿命过长在优化设计方面无创新阻碍了创新的快速发展。如目前术材干燥行业巾尚尤突破性的技术取代常规蒸汽干燥5)大多数工业干燥生产习惯于采用简单的、无正规设计的土法干燥设施1 。 1.1.3最新研究动态 1干燥创新技术举例 1)干燥模型 近年来一些学者采用了神经网络模型和考虑物料收缩的孔道网络等温干燥楼型以及计算流体动力学模型(配有CFD商用计算软件)L7一等。 2)过热蒸汽干燥 用过热蒸汽作干燥介质町以减少传质阻力明显增强传热系数。 3)联合干燥是符合国际干燥技术的创新发展趋势的干燥方式。因为每一种干燥 第 6 页 共 53 页 方法都有各自的优点和适用范围联合干燥IE是取其优点而避其缺点。 4)生物干燥原理是利用堆积的生物材料巾微生物氧化分解有机物所产生的能量来实现干燥过程。特点是不需要消耗常规能源干燥成本低且使用安全。生物干燥的速度常与生物材料的含水率、温度及通气量有关。该技术可用于干燥纸浆混和物在技术上和经济E都星可行的。 5)超临界干燥 超临界流体是一种温度和压力处于临界点以上无汽液柏界面区别而兼有液体性质和气体性质的物质相态。超临界干燥过程实际上就是利用超临界流体超强的溶解能力使被干燥液体达到超临界状态并溶解在超临界流体中。 1.1.4发展趋势 未来干燥技术的发展总趋势是在同等能耗下提高产品的产量和质量在同等产品产量和质量下降低能耗;各种干燥技术组合和优化以降低干燥过程对环境危害,促进可持续发展。 1推进干燥技术的创新 1)将沉积的创新技术转变为可持续发展的创新技术否则失去干燥技术研发的意义 2)干燥模型必须可预测转递现象和制定质量参数使之更具有普遍性、精确性和实用性 3)提高干燥效率不单是热质传递问题还要考虑整个十燥系统的优化联合干燥技术就属一例 4)真空一过热蒸汽干燥是一项颇具发展潜力的干燥技术可叫显提高十燥速度且改善干燥质量 2推广常规干燥的节能和排气热能回收技术 目前在世界各国的干燥设备中常规干燥仍占主导地位在我囤木材的常规蒸汽干燥占80以上。常规干燥能耗高的主要原因之一是排气热能损失大如能有效回收排气热能则可显著减少能耗和烟尘对大气的污染。同收排气热能的方法很多比较成熟的有用除湿机和热管换热器回收。除湿干燥与常规蒸汽干燥联合与蒸汽干燥相比其节能率在40以上。用热管换热器回收排气热能其热能回收率略低于除湿机但由于投有运动部件本身不消耗能量且易于操作管理因此有较好的推广应用前景2。本页完 第 7 页 共 53 页 1.1.5被控对象的介绍 在工业生产上被干燥物料的性质、对产品的要求以及生产能力的大小各不相同操作上间歇或连续两种方式加热方法有对流、传导或辐射等方式为了适应这些千差万别的特点干燥的形式、种类必然是多种多样的。 生产中的几种常见的干燥设备有以下几种下面作简要说明。 1.盘架式干燥器 典型的间歇式常压干燥设备。 2.转筒干燥器 直接加热热空气逆流操作的干燥器。 3.气流干燥器 使物料悬浮在热气流中被热气流带走一边干燥一边向上输送从干燥管顶部经旋风分离器把干燥好的物料回收废气经除尘器后放空。 4.喷雾干燥器 它是一种处理液体物料的干燥器它可使乳浊液、悬浮液、糊状液的有机物料、无机物料、生化制品等转化为粒度均匀的产品。它干燥速率快、效率高、产品质量好适用于石油、化工、建筑、冶金、食品、医药、陶瓷、生化等行业。 5.滚筒干燥器 一种间接加热连续的干燥器其热量的传递是通过器壁以传导方式进行的。 6.沸腾床干燥器 它也叫流化床干燥器它利用物料在硫化状态下与热气进行传热玉传质而达到干燥目的的。 7冷冻干燥 在低温、低压条件下利用水的升华性能而进行的一种干燥方法。 1.1.6单片机的发展及温度控制系统 单片机作为微型计算机的一个重要分支应用面很广发展很快。自单片机诞生至今已发展为上百种系列的近千个机种。目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。单片机诞生于20世纪70年代末经历了SCM、MCU、SOC三大阶段3。 1SCM即单片微型计算机Single Chip Microcomputer阶段主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上Intel公司功不可没。本页完 第 8 页 共 53 页 2MCU即微控制器Micro Controller Unit阶段主要的技术发展方向是不断扩展满足嵌入式应用时对象系统要求的各种外围电路与接口电路突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关因此发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此当我们回顾嵌入式系统发展道路时不要忘记Intel和Philips的历史功绩。 3单片机是嵌入式系统的独立发展之路向MCU阶段发展的重要因素就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决因此专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 随着半导体集成工艺的不断发展单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中80C51系列是其中的佼佼者加之Intel公司将其MCS 51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族现统称为80C51系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为虽然世界上的MCU品种繁多功能各异开发装置也互不兼容但是客观发展表明80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。 基于单片机的温度控制主要运用单片机技术微机接口技术传感器与信号处理技术来实现。用传感器感知温度并转换成电压的输出单片机的外围电路芯片把模拟信号转换成数字信号输入到单片机中。包括系统的硬件设计和软件设计。 硬件方面有8155接口电路A/D转换电路温度传感器进行设计然后把它们整合成为一个整体完成对温度进行控制的硬件部分。在软件设计方面对主程序中断服务程序采样子程序数字滤波程序进行编写4。 用单线数字温度传感器采集温度数据,打破了传统的热电阻、热电偶再通过A/D 转换采集温度的思路。用单片机对数字进行处理和控制,通过RS - 232串口传到 第 9 页 共 53 页 PC机对温度进行监视与报警,设置温度的上限和下限。其优势是结构简单编程不需要用专用的编程器,只需点击电脑鼠标就可以把编好的程序写到单片机中,很方便且调试、修改和升级很容易。 本页完 第 10 页 共 53 页 2 系统的总体方案设计 2.1系统的总体设计 温度自动控制系统以单片机为核心主要采用AT89C51单片机为中央处理器结合高精度数字温度传感器及其控制电路实现高精度、高可靠性。数据传输的速度及准确性是控制系统的关键采用传感器传输温度测量信号通过单片机控制乳化物干燥设备的工作过程实现控制系统的智能化达到更好的干燥效果。系统的设计原理图如图2.1 图2-1 单片机该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心6。 温度信号采集与传感器本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号本设计采用的是数字温度传感器以上过程都在温度传感器内部完成。 串口通信为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信便于进行温度数据统计为将来系统功能的扩展做好基础工作。 单片机 温度采集模板 键盘显示模板 加热报警模板板 驱动控制模板 串口通信 PC本页完 第 11 页 共 53 页 加热报警采集的温度通过转换成单片机能处理的数字信号与设定的温度值相比较采集的温度高于设定值是就报警低于就加热这样能更好的、稳定的控制干燥器内的空气温度达到更好的干燥效果。 驱动器单片机负载过多会导致不好的影响驱动器正好能解决和放大要传给显示器的数字信号。 键盘本部分主要是控制温度的输出从而更好的控制被控对象的温度。 2.2乳化物的干燥过程及温度的设定 2.2.1原料 用于生产乳粉的牛乳必须在一级品以上酸度超过20T会严重影响乳粉的溶解度在保藏过程中容易发生酸败。乳粉在复水后应还原到鲜乳状态因此原料乳需标准化到鲜乳国标要求。 2.2.2预热杀菌 由于乳粉在常温的保藏期长脂肪酶、蛋白酶、过氧化物酶的残留会对产品的风味、色泽造成严重影响必须加以钝化此外产品中不得有致病菌检出大肠杆菌和杂菌数也有严格标准。对原料乳的杀菌可以达到以下目的 杀灭存在于牛乳中的全部病源微生物和绝大部分其他微生物使产品中微生物残存量达到国家卫生标准的要求成为安全食品破坏牛乳中各种酶的活性尤其要破坏脂酶和过氧化物酶的活性以延长乳粉的保存期提高牛乳的热稳定性提高浓缩过程中牛乳的进料温度使牛乳的进料温度超过浓缩锅内相应牛乳的沸点杀菌乳进入浓缩锅后即自行蒸发从而提高了浓缩设备的生产能力牛乳的进料温度等于浓缩锅内牛乳的沸点也同样可提高设备的生产能力并可减少浓缩设备加热器表面的结垢现象高温杀菌可提高乳粉的香味同时因分解含硫氨基酸而产生活性巯基提高乳粉的抗氧性延长乳粉的保存期。 因此乳粉原料奶的杀菌条件比较激烈一般有中温长时间杀菌法7275保持15分钟高温短时间杀菌法8590保温35分钟超高温瞬时杀菌法120140保温12秒钟。实践证明无论从乳粉的卫生及其他质量指标来看高温短时加杀菌效果良好因此目前乳粉生产上多采用高温短时间杀菌法。超高温瞬时杀菌不但是牛乳经杀菌后处于无菌状况而且保持牛乳原有的营养成分但由于设备成本高未能得到广泛的应用7。本页完 第 12 页 共 53 页 2.2.3真空浓缩 牛乳的87以上都是水未经浓缩直接干燥的乳粉有许多缺点通过浓缩可达到如下目的 提高产品的色、香、味、形浓缩后干燥的乳粉色泽奶黄到淡黄而直接干燥的乳粉灰白暗淡经浓缩的乳粉乳香浓郁、滋味充足未经浓缩的乳粉乳香淡薄缺乏乳粉滋味经过真空浓缩的乳粉颗粒直径大分散性、冲调性好反之则性能相反节约能源和设备喷雾干燥时蒸发1Kg水需耗用2.83.2Kg蒸汽真空浓缩只需11.2Kg未浓缩乳喷干需要的干燥室体积比正常的大三分之一设备投资高便于包装直接干燥乳粉因颗粒小、密度低包装过程中容易发生粉尘飞扬和粘滞包装材料也需多耗10。 真空浓缩的工艺条件为单效浓缩真空度为表压0.080.0895MPa,乳温5156多效浓缩的末效真空度0.080.092MPa,末效温度4045加热蒸汽压力0.10.15MPa;浓缩终点全脂乳粉为11.513波美度相当于含固形物3842。真空度是浓缩过程的关键之一真空度过低乳温必然上升乳蛋白变性加剧真空度过高乳的沸点过低飞腾面就低将影响蒸发效率。 2.2.4冷却 干燥后乳粉的温度通常都在6072温度的高低是根据颗粒大小与在干燥室中滞留位置及工艺条件而定。如不及时对乳粉实施冷却容易引起蛋白质变性脂肪球因处于超熔点状态容易破裂而使游离脂肪量增多尤其在包装过程中经撞击与摩擦使乳粉中的脂肪渗出到表面再保藏阶段容易发生氧化。传统的冷却方法是将乳粉放入专用的不锈钢箱内在室温下自然冷却数小时之后筛粉更先进的是通过干燥室内附带的冷却装置冷却或使乳粉在卸粉过程中通过自动筛网并用符合食品卫生要求的冷风进行冷却使乳粉温度降至2530低于脂肪熔点8。 因此为了更好的干燥乳化物本设计在选定控制温度时最好把温度控制在90-95 这样才能更好的实现对乳化物的干燥。 本页完 第 13 页 共 53 页 3 硬件设计 3.1单片机选型原则 1. 性能是最重要的参数要求要根据设计任务的复杂程度和设计的对象来决定要完成什么养的任务只选型的重要标准。 2. 存储器是专门用来存放程序和数据的有掩膜ROMOTPROM,EPROM,FlashROM等类型。采用EPROM的单片机具有可以灵活修改程序的优点但存在需要紫外线擦除缴费时间的缺点。Flash单片机可以电写入、电擦除使得修改程序很方便可以提高开发速度本课题需要多次调试和针对不同车型对程序稍加修改所以选择Flash单片机。 3. 运行速度单片机的运行速度首先看时钟频率一般情况对于同一种结构的单片机时钟频率越高越快速其次看单片机的CPU结构采用CISC集中指令集结构比采用RISC精简指令接的速度要慢。但是要根据需要选择速度不要片面追求高速单片机的稳定性、抗干扰性等基本参数跟速度成反比而且速度越快功耗越大。 4. I/O口需要根据实际确定输入输出口的数量同时还要考虑输入输出口的驱动能力驱动能力大的单片机可以简化外围电路51单片机下拉时驱动电流大但上拉时驱动电流很小。本课题事宜选用4个端口的单片机以能够满足要求。 5. 定时器/计数器大部分单片机提供23个定时/计数器还具有输入捕获、输出比较和PWM功能有的单片机还有专门的可编程计数阵列模块和输入捕获/输出比较/PWM模块 6. 模拟电路功能现在不少单片机提供A/D转换器输出电压比较强也有少量的单片机提供D/A转换器。本课题由于无需数模转换所以不需要此类功能单片机。 7. 工作电压、功耗单片机的工作电压最低可以达到1.8V,最高6V,单片机的功耗参数主要是指正常模式、空闲模式、掉电模式下的工作电流用电池供电的系统要选择小电流的产品同时要考虑单片机的掉电模式 8. 封装形式常见的封装形式有DIP双列直插PLCC对应插座QFP(四侧引脚扁平封装),SOP(双列小外形贴片封装)等。根据本课题考虑的单片机的工作环境比较不稳定事宜选用DIP双列直插单片机。本页完 第 14 页 共 53 页 9. 抗干扰性能、保密性首要考虑这些因素特别是在比较大的工业环境中的尤其应该如此单片机加密后的保密性能也要好这样可以保证知识产权不容易被侵犯9。 3.2单片机的选择 单片机AT89C51的实物图如下 图3-1 AT89C51的实物图 AT89C51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。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它的主要特性如下 与MCS-51 兼容 32可编程I/O线 4K字节可编程FLASH存储器 两个16位定时器/计数器 寿命1000写/擦循环 5个中断源 全静态工作0Hz-24MHz 可编程串行通道 三级程序存储器锁定 本页完 第 15 页 共 53 页 它的外形及引脚排列如图所示 图3-2 AT89C51的管脚图 管脚说明 VCC供电电压。 GND接地。 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P0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 第 16 页 共 53 页 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口也可作为AT89C51的一些特殊功能口如下表所示口管脚备选功能: 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。 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10。 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MOVXMOVC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。 本页完 第 17 页 共 53 页 /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。 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。 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。 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SCONTCONTMODSCON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 = 0x99;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 第 18 页 共 53 页 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。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、SM2、REN 、TB8 、RB8、TI、RI 、SM0、SM1。 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11。 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=0RB8 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 第 19 页 共 53 页 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89C52 系列芯片才有的12。 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960010960 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252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2SMOD32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/(256TH1) 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 第 20 页 共 53 页 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2SMOD 设为1分别看看那所要求的TH1 为何值代入公式 9600(232)(11.0592M/12)/(256-TH1) TH1250 9600(232)(12M/12)/(256-TH1) TH1249.49 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 的值只能取整数这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的9600 波特率。当然一定的误差是可以在使用中被接受的就算使用11.0592M 的晶体振荡器也会因晶体本身所存在的误差使波特率产生误差但晶体本身的误差对波特率的影响是十分之小的可以忽略不计13。 所以选用AT89C51单片机是很好的选择。 3.3 74HC245芯片的选定 74HC245是总线驱动器典型的TTL型三态缓冲门电路。 由于单片机等CPU的数据地址控制总线端口都有一定的负载能力如果负载超过其负载能力一般应加驱动器。双向数据8位总线接口加强驱动能力。另外也可以使用74HC244等其他电路74HC244比74HC245多了锁存器。 它的实物图如下 图3-3 芯片74HC245实物图 74HC2