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采用单片机控制的风光互补发电系统毕业设计,毕业设计

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微软用户 甠o?u7b 3 nts nts ntsXX内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 摘 要 能源与环境成为当今世界所面临的两大重要课题。人类正在努力寻求清洁，高效，可以再生的能源来代替对石油，煤炭等常规能源的依赖。太阳能，风能是洁净资源，对环境不产生污染。所以，开发利用再生能源成为本世纪能源发展战略的基本选择。小型风光互补发电系统就是利用自然能源，解决位于远离电网的地方（草原、边防海岛、山区、牧区等）没有比较稳定电源的问题。 风光互补发电控制系统是为了弥补传统电力的不足而设计的独立发电设备。 它是由太阳能电池组件与风力发电机配合而成的一个系统，通过微型计算机的远程控制，基本实现了免维护。因 为系统中设有单片机工作状态检测、数模转换结果正确与否监测、继电器是否按指令要求动作检测，并对所有检测结果都设有错误报警显示。系统中的一切设施可以保证蓄电池安全的工作，既不会过充也不会过放。系统设置中软硬件结合，既发挥了硬件运算快的优点，又利用了软件使用方便的优势。 关键词：风光互补； 单片机 ；风力发电。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 1 引 言 电力在现实生活中占主导地位，但是受客观环境的限制，有些地区根本无法实现电业的发展和建设。为了弥补传统电力的不足，我们设计了风光互补发电系统。 此系统就是利用风和光两种自然能源相互补充发电，由太阳能电池板与风力发电机发电，经蓄电池充电，给负载供电的一种新型能源。它既不消耗任何矿物燃料，又完成了对自然能源的合理利用。此系统可以应用于微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路、无电扇区、村庄、海岛的电力提供。而且为了适应偏远地区不便利的地理环境。风光互补发电控制系统几乎完成了智能化，免维护。尤其适合在内 蒙古风力大的偏远山区。 本次设计就是对风光互补发电系统的详细介绍。设计中对整个发电系统作了简要介绍，但对系统所用的单片机、其他芯片及附加电路作了详细介绍。并介绍了系统中的抗干扰措施。最后介绍了系统的软件设计。 由于我所学知识和时间有限，设计中有不少漏洞和不足，敬请老师给与批评和指正。谢谢。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 2 第一章 概 述 在我们的日常生活中，所用电力几乎都是由传统的电力提供的，但是受到外界环境限制，它并不能遍及每一个用电领域。于是我们需要开发新的独立的供电系统。 1.1 课题来源 在当 今世界，电已经成为人 们生活中最常用的动力来源，随着人们生活水平的不断提高和技术进步 ，人们对电的依赖越来越强。无论是农业、工业还是新型的第三产业，用电量都在逐年增加，几乎可以说，没有电能，人民的生活将陷入高度的无秩序状态。 也正是因为电力在人们的生活中占的比重越来越大，才使得人们生活的地区差异表现的越来越明显。因为我们知道，传统的电力行业以消耗煤等矿物燃料为主，生产过程中科学技术的要求也比较高，随之带来的环境污染也比较严重。这就使得有些根本不具备发展传统电力的条件。比如说，我们知道我国的能源分布具有很大的不均 衡性，有些偏远地区，如农牧区、山区、沿海以及岛屿等地，部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站，都需要低成本、高可靠性的独立电源系统，但是因为地方上根本就没有矿物燃料的存储，甚至因为地区偏远，对于燃料的运输都几乎不可能；而还有些地区，则由于人力资源不丰富，长时间以来也一直很难建设自己的电力事业，也就限制和制约了许多用电行业的的发展；当然越来越严重的环境污染问题，也不由得让我们在电力的建设发展上小心又谨慎。这种种情况造成了我国许多地方的人民，在日常生活中长期承受着电力缺 少的困难。 从这些客观的条件中我们可以看出，在远离电网的地区，建立独立供电系统成为人们最需要的电源。哪种独立电源最合理，这是人们一直在研究和探讨的问题。如今我们发现风和光等自然能源，在部分地区很丰 富，而且这些能源清洁无污染，取之不尽，用之不竭，对它们的合利用既 可以节省矿物燃料，又能给人们带来很大方便，是理想的能源。于是智能化风光互补发电控制系统就应用而生了。 风光互补发电控制系统就是利用风和光两种自然能源相互补充发电，在不消耗任何矿物燃料的情况下提供可靠的免费电力，为农牧区、山区、沿海以及岛屿等边远地区 的人 民解决缺少电力的困境。它的工作原理很简单，就是永磁 交流发电机，利用风能发出三项交流电；光电池板则在太阳能的照射下，自动的将太阳能转化为电能。二者所发的电共同为蓄电池供电。其间微机控制系统是整个发电系统的核心部件，它完nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 3 成对系统的监测、报警、信号传输以及问题处理、自动维护等工作，也就是让整个系统几乎实现了智能化。 1.2 系统简述 风光互补发电系统的硬件设计中，为了实现智能化，为了保证蓄电池既不过充，也不过放，系统设置了蓄电池电压控制系统；对于继电器在指令执行后，是否按要求动作，系统设置了继电器动作检测，并且 对故障状态设置了报警显示电路，为了让单片机 8031 在执行程序后能正常复位，系统设置了看门狗电路，等等。不只在电路设计上这样，在参数选择上也有讲究，比如说，在系统设置经济合理，简单明了的前提下，系统选择了 6 Q 90 型号的蓄电池，因为它重量轻，体积小，而且充放电循环次数多，也就是说电池的使用寿命长；继电器选择 JTX 1 型的小型继电器，大大减少了系统总重量和占地面积。下面对系统作简要介绍。系统的原理方框图如下 图 1-1风光互补发电系统原理图 从图中我们可以看出，它的主要组成设备有： （ 1）风力发电机 ： 采用 200W 永磁 交流发电机 风机特点： （ A） 具有特别适合大多内陆地区低风速、时发电特性好、发电量大的特点。 （ B） 具有机械、电子刹车装置，可以确保在高风速时，风机转速稳定控制在安全可靠的范围内，使最高输出电压成为安全可控的电压。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 4 （ 2）太阳能光电池板：采用 100W/14V 0.6的硅光电池，它能将太阳能转化为电能，属于一种半导体元件，它的特点如下： （ A）它是转换效率高达 15%的单晶硅太阳能电池板。 （ B）具有抗风、防潮、工作稳定、无需维护等特点。 其结构图如下： 图 1-2 光电池板结构图 它实质上是一个大面积的半导体 PN 结，用单晶硅制成，分为 ZCR 和 ZDR 两种类型。其中 ZCR硅光电池以 N型单晶硅制造， ZDR以 P型单晶硅制造，其工作原理是光生伏特效应，即在热平衡条件下 PN 结能够弯曲，在热势垒区内电场的方向由 N 指向P。当有光照时，可以把自己的能量传给价带中的电子，使得电子获得足够的能量，从价带中跳到导带，即从束缚状态变为自由状态，与此同时，在价带中产生空穴，在结的势垒区内产生光生电子、空穴时，它们会被结电场拉开：电子被推到 N区，空穴被推到 P区，由于电子和空穴在 N区和 P区积累， N区和 P区两端就产 生了电动势，即产生电流。 （ 3）铅酸蓄电池： 规格： 90安时 12伏 蓄电池的选择要求：重量轻、体积小、能量转换率高、自放电慢、充放电循次数多（即使用寿命长）等。其次，还有些特殊要求如低温时能大电流放电、维护简单nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 5 或无需维护、自放电（析氢）特别慢等。 图 1-3 蓄电池型号 本系统选择 6 Q 90 型 铅酸蓄电池 两块串联 ，该电池用直流电源充电，因而风力发电机发出的交流三相电应该经过整流后供给电池。 为了避免蓄电池过充过放将蓄电池的电压控制在 20 24 28V之间。 （ 4）微机控制系 统 微机控制系统是整个设计的核心内容。它是整个系统安全运行的基本保证。另外本系统受应用环境的要求，本身就要求实现免维护。所以无论从硬件系统还是软件系统都要对系统有保护作用。例如在本系统硬件设计中有蓄电池电压控制，因为直流充电的蓄电池，要求电压控制在 20 24 28V 之间，才能安全使用，不至于被烧坏。所以电压控制用来保证其既不过充又不过放；继电器工作要求是：在接受到指令后，要按指令要求来动作。而且一旦出错就要有报警显示。为了实现继电器正常工作，系统设有继电器动作检测，并对故障状态设有报警显示；为了保证整个系统 工作的正常，执行动作正确，系统对 ADC0809的转换也设有转换结果正确与否的检测，并在 ADC0809不正常工作时报警显示；由于 8031 芯片执行 EPROM 内程序时，为保证程序在故障死机 后，能使 8031 正常复位，系统又设有“看门狗 ” 电路等等。整个系统是一个严密完整的智能化系统，使用起来方便。 由系统框图可以看出，风力发电与太阳能光电池板发电，共同给蓄电池供电（为直流）。此时风力发电机、太阳能电池板和蓄电池又共同为直流负载供电（风力发电机发出的电经过三相整流后便为直流）。微型单片机系统对蓄电池两端电压进行检测：若 蓄电池过充，则使继电器 1C 动作，接通泄载电路，不再为蓄电池供电；若检测结果是蓄电池过放，则使继电器 2C 动作，断开负载电路，不再为负载供电，而给蓄电池充电。为保护人为地误操作给系统带来不利，我们又增加了二极管 D1、 D2和 D3，它们的作用如下： nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 6 D1 的作用是三相整流的二极管组。因为蓄电池供电要求直流电压。而风力发电机所发的是三相交流电。为了把交流电能转换为直流电能，增设的三相整流二极管组。 D2的作用是防止泄载时蓄电池也在泄电流。 D3的作用是防止在光电板内产生倒向电流，使得光电板遭到破坏。 综上所述，系统的整 体结构是非常合理的，因此也就决定了它有很多特点，比方说： 独立供电 安装方便 无人值守 维护量少 搬迁方便 一次性投资，免交电费 无污染，属于环保能源 这些都使得它比同样的发电系统有了很大优势，同时智能化风光互补发电控制的使用范围也很广，例如： 适应于偏远地区无法供电的场所。 适用于无人职守用电设备的供电。 适用于中小型供电场所（ 100W 200W）。 在有电池房的条件下，可以工作在零上 40度、零下 40度，湿度可达 0 95%，瞬间承受风力达 12 级。 在中小型供 电时与普通拉线方式相比有着明显的优势。 本系统为纯绿色能源系统。 太阳能电池组件与风力发电机有机地组配成一个系统，可充分发挥各自的特性和优势，最大限度的利用好大自然赐予的风能和太阳能。对于用电量大、用电要求高，而风能资源和太阳能资源又较丰富的地区，风光互补供电无疑是一种最佳选择。这些优点正是传统电力所无法满足的要求，所以说智能化风光互补发电控制系统是一种补充传统电力不足的理想发电系统。接下来的文章中，我们对系统的工作原理、硬件组成及各自工作情况、软件设计等方面作详细的介绍。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 7 第二章 8031 单 片机系统简介 单片机是一种高度集成的芯片，它的内容是一台完整的微型计算机。由于体积小，使得它在计算机外部设备，过程及工业控制设备等领域应用广泛。 单片机是按工业标准设计的，所以它有很好的环境适应能力和抗干扰能力。有很好的可靠性。 目前世界上常用的单片机有 8051、 MC6805、和 MPD7811 系列。本设计主要采用 8031 单片机作为微机控制的核心。 2.1 8031 单片机的组成 8031 型号的单片机属于单片机 MCS-51 系列，为 CMOS 芯片。它的内部只有 128字节的数据存储器（ RAM），而无程序存储器（ ROM）。 8031 单片机是在一块芯片上集中了 CPU、 RAM，定时器 /计数器和多功能的 I/O线等计算机所需要的基本功能部件。他们都是通过片内单一总线连接而成。其基本结构依然是通用 CPU 加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上却有了很大的变化。采用了特殊功能寄存器（ SFR）的集中控制方法。 8031 单片机包含下列部件： (1)一个微处理器（ CPU） (2)一个片内震荡器 (3)128 字节 RAM 数据存储器 (4)两个 16 位定时器 /计数器 (5)特殊寄存器 (6)32 条可编程的 I/O 端口 (7)一个可编程的全双 工的串行口 (8)具有五个中断两个优先级嵌套中断结构 8031 是标准的 40 脚双列直插式集成电路芯片，有些引脚具有两种功能。 下面介绍 8031 的引脚功能和 P3 口的第二功能。 下图为 8031 的引脚分布图： nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 8 图 2-1 8031 引脚分布图 引脚功能如下： P0 口（ 39 32）：双向 I/O 口，既可以做地址 /数据总线口，也可以作普通 I/O 口用（此时为准双向口）。 P1口（ 1 8）：准双向通用 I/O口。 P2口（ 21 28）：既可做地址总线口输出地址高 8位，也可以作普 通 I/O口用（此时为准双向口）。 P3 口（ 10 17）：双功能口，既可以作普通 I/O 口（此时为准双向口），也可以按每位的定义实现第二功能操作。如表（ 2-1）所示： A L E / P R O G （ 30）： ALE 是地址锁存允许信号。它的基本作用是把 CPU 从 P0 口分时送出的地址低 8 位字节锁存在一个外加的锁存器中。此外由于 ALE 是以晶振 1/6的固定频率输出的正脉冲（在不访问外存时也这样），可以做系统中其它芯片的时钟源。 RST/VPD（ 9）： RST 为复位信号。当输入的复位信号延续 2 个机器周 期以上的高电平即可完成单片机的复位初始化的操作。第二功能 VPD 为掉电保护备用电源的输入端。当电源发生故障，电压降到下限时，备用电源经此端向内部 RAM 提供电压，以保护内 RAM 中的信息不丢失。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 9 EA/Vpp （ 31）： EA 为内部和外部程序存储器选择线。 EA =0 时，访问外部 ROM0000HFFFFH； EA =1时，地址 0000H 0FFFH空间访问内部 ROM，地址 1000H FFFFH空间访问外部 ROM。 PSEN （ 29）：外部程序存储器读选通信号，低电平有效。 XTAL1（ 19）和 XTAL2（ 18）：使用内部振荡电路时，用来外接石英晶体和电容；使用外部时钟时， XTAL2 接外部振荡信号输入端， XTAL1接地。 VCC（ 40）：电源 +5V。 VSS（ 20）：接电源地。 表 2-1 P3 口的第二功能 口线 第二功能 信号名称 P3.0 RXD 串行输入口 P3.1 TXD 串行输 出口 P3.2 0INT 外部中断 0 输入 P3.3 1INT 外部中断 1 输入 P3.4 T0 定时 /计数器 0 外部输入 P3.5 T1 定时 /计数器 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 2.2 8031 单片机的存储器 单片机的存储器有程序存储器（ RAM）与数据存储 器（ ROM），在使用时是严格区分的，不得混用。程序存储器存放指令及常数、表格等；数据存储器则存放缓冲数据。 （ 1）程序存储器 8031 的内部没有程序存储器，地址从 0000H FFFFH都是外部程序存储器空间。EA 应始终接低电平，使程序只从外部存储器中取指。 程序存储器的操作完全是由程序计数器（ PC）控制。 PC 值指向程序操作码单元，nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 10 则程序执行该指令操作； PC 值指向常数、表格单元，则实现取数、查表工作。因此，程序存储器的操作为程序运行与查表操作两类。 8031 单 片机在系统复位后， PC 值为 0000H，故从 0000H 单元开始取值，以执行程序，所以系统起始地址为 0000H，一般在 0000H 0002H 单元安排一条转移指令，指向用户主程序。其原因是在 0003H 开始的地址区规定为 8031 的 5 个中断源的中断服务程序入口。 （ 2） 数据存储器 数据存储器用以存放和读取数据，它不能存放和执行程序指令。数据存储器在物理上和都可分为两个地址空间：内部数据存储器和外部数据存储器。 内部数据存储器（ RAM）的地址空间为 00H 7FH， 128B。外部数据存储器的地址空间为 0000H FFFFH，64KB。由于片内外存储器由不同的指令来访问，故地址重叠不会造成操作的混乱。访问内部 RAM用 MOV类指令，访问外部 RAM用 MOVX类指令。 2.3 8031 单片机的中央处理器 MCS-51 单片机内的 CPU 与其它微处理器一样，是单片机的指挥和执行部件，完成运算和控制功能。在逻辑上它是由 8位算术逻辑单元、定时控制部件及专用寄存器组成。 （ 1） 算术逻辑单元 ALU MCS-51 的 ALU具有对 8位二进制信息进行加、减、乘、除、比较等算术运算；“与”、“或”、“异货”等逻辑运算及取反、清零、置 1等逻辑操作功能， 并具有很强的调用、转移、判断操作和很强的数据传送功能。 （ 2） 内部寄存器 MCS-51片内包括以下寄存器： （ 1） 工作寄存器组： MCS-51 指定内部数据存储器中四组 8 个字节存储单元为工作寄存器，并编号 R0、 R1 R7。每组的地址分别为 00H 07H， 08H 0FH， 10H17 和 18H 1FH，具体使用哪一组工作寄存器是由软件对程序状态字的设计来决定的。 （ 2） 寄存器 A、 B：寄存器 A 即累加器。算术运算中用于存放操作数和运算结果；在逻辑操作、数据传送等操作中作为源操作数或目的操作数。寄存器 B主要用于和累加器配合以执行乘除 运算，存放第二个操作数。 B也可以作为一般的寄存器使用。 （ 3） 数据指针 DPTR：这是一个 16位寄存器，可以分成两个字节：高字节 DPH和低nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 11 字节 DPL。其功能是存放 16 位地址，以指示数据存储器的任何单元。在指令中常用作间接寄存器和基址寄存器。 2.4 8031 单片机的复位状态及复位电路 单片机应用系统工作时，会经常进入复位状态。单片机的复位都是靠外部电路实现的。在时钟电路工作后，只要在 RESET 引脚上出现 10ms 以上的高电平时，单片机便实现复位。 （ 1）寄存器的复位状态 单片机在 RESET 引脚有效电平控制下，程序计 数器 PC 和特殊功能寄存器的复位状态如下表。单片机的复位状态不影响片内 RAM 状态，只要 RESET 引脚端保持高电平，单片机将循环复位。在复位的有效期间， ALE、 PSEN 输出高电平。 表 2-2 寄存器的复位状态 寄存器 复位状态 寄存器 复位状态 PC 0000H TMOD 00H ACC 00H TCON 00H B 00H TH0 00H PSW 00H TH1 00H SP 07H TL0 00H DPTR 0000H TL1 00H P0 P3 FFH SCPM 00H IP （ *00000） SBUF （ *） IE （ 0*0000） PCON （ 0*0000） 2.5 8031 单片机应用系统的地址译码 在单片机应用系统中，所有的外围芯片都是通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。片内有多个字节单元时，还要进行片内地址选择。地址译码规则为： （ 1） 程序存储器与数据存储器地址重叠使用； （ 2） 外围扩展芯片与数据存储器统一编址。它不仅占用数据存储器地址单元，而且使用数据 存储器的读 /写控制信号与读 /写指令。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 12 （ 3） 地址总线宽度为 16 位，片外程序存储器与数据存储器可直接寻址范围各为 64K字节。 P2 口提供高 8 位地址（ A8 A15）， P0 口经外部锁存后提供低 8 位地址（ A0A7）。 由于外围芯片与数据存储器统一编址，因此，单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码方法。本设计中采用的是译码法。译码法是通过对几根高位地址线进行译码，由译码器的输出去控制各外围芯片的片选端。这种译码方式可以将地址空间划分成连续的若干块，分别对应各外围芯片，充分 利用了存储空间。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的优点是硬件电路结构简单，但由于所用的片选线都是高地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。 2.6 8031 单片机的定时器 /计数器 MCS-51 单片机内部设有两个 16 位可编程的定时器 /计数器，即定时器 /计数器 1和 0，分别用 T0、 T1 表示。它由两个特殊功能寄存器 TMOD 和 TCON 及 T0、 T1 组成。其中 TMOD 为模式 控制寄存器，主要用来设置定时器 /计数器的操作模式； TCON为控制寄 存器，主要用来控制定时器的启动与停止。两个 16 位的定时器 /计数器 T0和 T1均可以分成 2 个独立的 8位计数器即 TH0、 TL0、 TH1、 TL1，它们用于存定时或计数的初值。它们是一个加 1的计数器。 TMOD：定时器 /计数器模式控制寄存器 图 2-2 方式控制寄存器格式及功能说明图 GATE：门控位，用来控制定时器启动操作方式。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 13 当 GATE=0时，定时器只由软件控制位 TR0 或 TR1来控制启停。 Tri位为 1，定时器启动开始工作；为 0时，定时器停止工作。 当 GATE=1时，定时器的启动要由外部中断 引脚和 Tri位共同控制。只有当外部中断引脚 INTO 或 1INT 为高时， TR0或 TR1置 1才能启动定时器工作。 /CT ：功能选择位。当 /CT=0时设置为定时器工作方式；计数脉冲由内部提供，计数周期等于机器周期。当 /CT=1设置为计数器工作方式，计数脉冲为外部引脚 T0或 T1引入的 外部脉冲信号。 M0 M1：操作模式控制位， 2位可形成 4种编码，对应于 4种操作模式。 4种模式定义如下 表 ： 表 2-3 操作模式控制表 M1 M0 操 作 模 式 0 0 模式 0， TLx 中低 5 位和 THx 中 8 位构成 13 位 计数器， TLx 相当于一个 5 位定时器 0 1 模式 1， TLx 和 THx 构成 16 位计数器，操作 模式同上 但是无定时器 1 0 模式 2， 8 位自动重装载的定时器 /计数器，每当 计数器 TLx 溢出时， THx 的内容重新装入 TLx 1 1 模式 3，对于定时器 0，它分成 2 个 8 位计数器； 对于 定时器 1，则停止计数 TF1和 TF0：分别为定时器 1和定时器 0溢出标志。 当定时器计满产生溢出时，由硬件自动置“ 1”，并可申请中断。进入中断服务程序后，由硬件自动清 0。这两位也可作为程序查询的标志位，在查询方式下应由软件来清 0。 TR1 和 TR0：为定时器 1 和定时器 0 的启动控制位。当由软件使 Tri 清 0 而停止定时器的工作。定时器启动时该位应置“ 1”。 IE1和 IE0：为外部中断 1 1INT 和外部中断 0 0INT 的中断请求标志位。 IT1和 IT0：为外部中断 1和外部中断 0的触发方式选择位。 ITi设置为“ 0”时为电平触发方式；设置为“ 1”时为边沿触发方式。 2.7 8031 单片机的中断 8031 中断系统包括中断源、中断允许寄存器 IE、中断优先级寄存器 IP、中断矢量等。 MCS-51 有 5 个中断源，包括两个外部中断源和三个内部中断源。分别为：外部中断请求 0（ INT0）、外部中断请求 1（ INT1）、内部定时器 0（ T0）、内部定时器 1nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 14 （ T1）和内部串行口。它们可以分为 2 个优先级，其中每一个中断源的优先级都可用程 序排定。 5 个中断源能否得到响应，受允许中断寄存器 IE 中各位控制；它们的优先级分别由中断优先级寄存器 IP 的各位确定；统一优先级内的各中断源同时要求中断时，还要靠内部的查询逻辑来确定响应的次序。不同的中断源有不同的中断矢量。 (1) IE (中断允许寄存器 ) 控制字 IE 在特殊功能寄存器中的地址为 A8H。它的格式以及各位的功能说明如下： 图 2-3 中断控制寄存器 IE格式及功能说明图 （ 2） IP（中断优先寄存器）控制字 图 2-4 中断优先寄存器 IP格式及功能说明图 (3) 同级中断优先级 中断源 中断优先级 1) 外部中断 0 最高 2) 定时器 /计数器 T0 中断 3) 外部中断 1 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 15 4) 定时器 /计数器 T1 中断 5) 串行口中断 6) 定时器 /计数器 T2 中断 最低 各中断源对应中断服务程序首地址如下： 中断源 入口地址 外中断 0 0003H T0 中断 000BH 外中断 1 0013H T1 中断 001BH nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 16 第 三章 8031 单片机最小应用系统设计 3.1 EPROM2764 8031 是片内无程序存储器的供应状态芯片，因此，其最小应用系统必须在片外扩展存储器。本设计使用的片外存储器为 EPROM。 外接程序存储器的地址线 A8 A15 由 P2 口提供， A0 A7由 P0 口通过地址锁存器提供。 地址锁存器的锁存信号为 ALE。指令数据由 P0口读入。 程序存储器的取指信号为 PSEN 。 3.2 RAM6264 6264 是 8KB 的静态随机存储器芯片。采用 CMOS 工艺制造，单一 +5V 供电，为28 脚双列直插式封装。 外接数据存储器的地址线 A8 A15 由 P2 口提供， A0 A7由 P0 口通过地址锁存器提供。 3.3 ADC0809 逐次逼近式 8 位 A/D 转换器 ADC0809 是 8 路模拟输入的 8 位模数转换器，逐次逼近式 CMOS 芯片， 28 线双列直插式封装。 芯片的主要部分是一个 8位逐次比较式 A/D转换器和 8位模拟转换电路。转换器以 8 个时钟周期的时间完成一位转换值，在 64 个脉冲后完成 8 位的转换，时钟由外电路提供，典型频率为 640KHz， 8路模拟开关由 3位二进制信息控制，以完成对某一路模拟信号转换。转换得到的数字信号锁存在内部的输出锁存器中，由输出允许信号选通锁存器即可在输出线上得到转换结果数据。 1 主要特性 电源电压 5V 分辨率 8位 时钟频率 640kHz 转换时间 100 未经调整误差 1/2LSB和 1LSB 模拟量输入电压范围 0 5V 功耗 15Mw nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 17 2内部结构 图 3-1 ADC0809 内部结构框图 ADC0809是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D转换器，内部结构如图 3-1所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 8位开关树型 D A转换器、逐次逼近 寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此， ADC0809可处理 8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与 TTL兼容。 3外部特性（引脚功能） ADC0809芯片有 28条引脚，采用双列直插式封装，如图 3-2所示。下面说明各引脚功能。 IN0 IN7： 8路模拟量输入端。 2-1 2-8： 8位数字量输出端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址输入线，用于选通 8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A D转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： A D转换结束信号，输出，当 A D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A D转换结束时 ，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 18 图 3-2 ADC0809 引脚图 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ -）：基准 电压。 Vcc：电源，单一 5V。 GND：地。 表 3-1 ADC 0809地址译码与通道的关系 地址 CBA 选通的模拟通道 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 通道 0 通道 1 通道 2 通道 3 通道 4 通道 5 通道 6 通道 7 ADC 0809通过引脚 IN0, IN1, , IN7可输入 8路单边模拟输入电压。 ALE将 3位地址线 ADDA,ADDB,ADDC 进行锁存 ,然后由译码器选通 8路中的一路进行 A/D转换。地址译码与对应通道的关系如表 (3-1)所示。 ADC0809的工作过程是：首先输入 3位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8路模拟输入之一到比较器。 START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A D转换，之后 EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 19 A D转换完成， EOC 变为高电平，指示 A D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 4.ADC0809与系统总线的连接 8031通 过 74LS138 译码器的输出端 5Y 和读、写控制线来控制转换器的模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。 ADC 0809 的时钟频率为 640kHz，转换时间为 100，微机的时钟频率 5MHz或更高一些，因此系统时钟必须经分频器分频后接到 ADC 0809 芯片的 CLOCK 引脚上。 另外， ADC 0809 的 EOC 端可在转换结束时发中断请求脉冲，若用中断输入数据的方式则可利用 EOC 引线。 图 3-3 ADC 0809 与系统总线的连接 3.4 可编程并行接口 8255A 8255A 是 Intel86 系列微处理机的配套并行接口芯片，它可为 86 系列 CPU 与外部设备之间提供并行输入 /输出的通道。由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式。所以，用 8255A 连接外部设备时，通常不用再附加外部电路，给使用者带来很大方便。 8255A 由以下几部分组成： nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 20 1.并行输入 /输出断口 A， B， C 8255A 芯片内部包含 3 个 8 位端口，其中：端口 A 包含一个 8 位数据输出锁存 /缓冲存储器和一个 8 位数据输入锁存器；端口 B 包含一个 8 位数据输入 /输出、锁存 /缓冲存储器和一个 8 位数据输入缓冲存储器；端口 C 包含一个输入锁存 /缓冲存储器和一个输入缓冲存储器。必要时端口 C 可分为 2 个 4 位端口，分别与端口 A 和端口B 配合工作，通常将端口 A 和端口 B 定义位输入 /输出的数据端口，而端口 C 可作为状态或控制信息的传送端口。 2.A 组和 B 组控制部件 端口 A 与端口 C 的高 4 位（ PC7PC4）构成 A 组，由 A 组控制部件实现控制功能，端口 B 与端口 C 的低 4 位（ PC3PC0），由 B 组部件实现控制功能。他们各有一个控制单元，可接收来自读 /写控制部件的命令和 CPU 通过数据总线（ D7D0）送来的控制字，并根据他们来定义各个端口的操作方式。 3.数据总线缓冲存储器 这是一个三态双向 8 位数据缓冲存储器，它是 8255A 与 CPU 之间的数据接口。CPU 执行输出命令时，可将控制字或数据通过数据总线缓冲存储器传送给 8255A。CPU 执行输入命令时， 8255A 可将状态信息或数据通过数据总线缓冲存储器向 CPU输入。因此它时 CPU 与 8255A 之间交换信息的必经之路。 4 读 /写控制部件 这是 8255A 内部完成读 /写控制功能的部件，它能接收 CPU 的控制命令，并根据它们向片内各功能部件发出操作命令。可接收的控制命令如下： （ 1） CS 片选信号。由 CPU 输入，通常由端口的高位地址码（ A15A2）译码得到， CS 有效，表示该 8255A 被选中。 （ 2） RD ， WR 读、写控制信号。由 CPU 输入， RD 有效，表示 CPU 读 8255A，应由 8255A 向 CPU 传送数据或状态信息。 WR 有效，表示 CPU 写 8255A，应由 CPU将控制字或数据写 入 8255A。 （ 3） RESET 复位信号。由 CPU 输入。 RESET 有效时，清除 8255A 中所有控制字寄存器内容，并将各端口置成输入方式。 （ 4） A1 和 A0 端口选择信号。 A1A0=00，选择端口 A； A1A0=01，选择端口 B； A1A0=10，选择端口 C； nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 21 A1A0=11，选择控制字寄存器。 由端口地址 A1A0 和相应的控制信号组合起来可定义各端口的操作方式如下表所示。 表 3-2 8255A 的读写操作控制 A1 A0 RD WR CS 操作 0 0 0 1 0 端口 A CPU 0 1 0 1 0 端口 B CPU 1 0 0 1 0 端口 C CPU 0 0 1 0 0 CPU 端口 A 0 1 1 0 0 CPU 端口 B 1 0 1 0 0 CPU 端口 C 1 1 1 0 0 CPU 控制寄存器 1 1 0 1 0 非法操作 1 1 0 数据总线浮空 1 未选该 8255A，数据总线浮空 5 8255A 芯片的控制字及其工作方式 8255A 中各端口可有三种基本工作方式：方式 0 基本输入 /输出方式；方式 1 选通输入 /输出方式；方式 2 双向传送方式。端口 A 可处于 3 种工作方式（方式 0， 1， 2），端口 B 只可处于两种方式（方式 0 和方 式 1），端口 C 常常被分成高 4位和低 4 位两部分，可分别用来传送数据或控制信息。 用户可用软件来分别定义 3 个端口的工作方式，可使用的控制字由定义工作方式控制字和置位 /复位控制字。 A 控制字 （ 1）定义工作方式控制字；格式如图所示。通过定义工作方式控制字可将 3 个端口分别定义为 3 种不同方式的组合，当将端口 A 定义为方式 1 或方式 2 或将端口 B 定义为方式 1 时，要求使用端口 C 的某些位作控制用，这时需要使用一个专门的置位 /复位控制字来对控制端口 C 的各位分别进行置位 /复位操作。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 22 图 3-4 8255A 工作方式控制字格式 （ 2）置位 /复位控制字：只对端口 C 有效，其使用格式如下图所示。 图 3-5 8255A 置位 /复位控制字格式 B 工作方式 （ 1）工作方式 0：这是 8255A 中各端口的基本输入 /输出方式。适用于无条件传送和查询方式的接口电路。它只完成简单的并行输入 /输出操作， CPU 可从指定端口输入信息，也可向指定端口输出信息。如果 3 个端口均处于工作方式 0，则可由工作方式控制字定义 16 种工作方式的组合，这种情况下，工作方式控制字的具体格式应如下图所示。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 23 图 3-6 8255A 定义工作方式 0 控制字格式 由控制字中 D4D3D1D04 位的不同取值可定义方式 0 的 16 种工作方式的组合，如表所示。 表 3-3 方式 0 的工作状态组合 序 号 控 制 字 D7， ， D0 端 口 A 端 口 C 高 4 位 （ PC7 PC4） 端 口 B 端 口 C 低 4 位 （ PC3 PC0） 1 1 0 0 0 0 0 0 0 输出 输出 输出 输出 2 1 0 0 0 0 0 0 1 输出 输出 输出 输入 3 1 0 0 0 0 0 1 0 输出 输出 输入 输出 4 1 0 0 0 0 0 1 1 输出 输出 输入 输 入 5 1 0 0 0 1 0 0 0 输出 输入 输出 输出 6 1 0 0 0 1 0 0 1 输出 输入 输出 输入 7 1 0 0 0 1 0 1 0 输出 输入 输入 输出 8 1 0 0 0 1 0 1 1 输出 输入 输入 输入 9 1 0 0 1 0 0 0 0 输入 输出 输出 输出 10 1 0 0 1 0 0 0 1 输入 输出 输出 输入 11 1 0 0 1 0 0 1 0 输入 输出 输入 输出 12 1 0 0 1 0 0 1 1 输入 输出 输入 输入 13 1 0 0 1 1 0 0 0 输入 输入 输出 输出 14 1 0 0 1 1 0 0 1 输入 输入 输出 输入 15 1 0 0 1 1 0 1 0 输入 输入 输入 输出 16 1 0 0 1 1 0 1 1 输入 输入 输入 输入 这种情况下，端口 C 被分成 2 个 4 位端口，它们可分别被定义为输入或输出端口， CPU 与 3 个端口之间交换数据可直接由 CPU 执行 IN 和 OUT 指令来完成，而不nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 24 提供任何“握手”信息，适于用在各种同步并行传送系统中。 3.5 译码器 74LS138 通过对 8031单片机的 P2.5， P2.6， P2.7 三位地址译码，由 74LS138 的输出来控制各片选信号。 图 3-7 74LS138 引脚分布 图 图 3-8 74LS138 的引脚图 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 25 表 3-4 3线 -8线译码器 74LS138的功能表 3.6 八 D 锁存器 74LS373 系统设计中需要有一个芯片完成对外部程序存储器低位字节的存储，我们选用74LS373 来做这个地址锁存器。 它的外部引脚和内部功能框图如下 图 3-9 74LS373 外部引脚 排列图 图 3-10 74LS373 工作原理框图 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 26 图 3-11 74LS373 引脚图 74LS373 八所储器是透明的 D 型锁存器，即当允许端（ G ）是高电平时， Q 输出跟随数据 D 输入，当允许端（ G ）为低电平时，输出端将被锁存在已经建立起的数据电平上。在正常逻辑状态（高电平或低电平）或高阻状态，一个被缓冲的输出控制输入端，能用来置 8 个输出端为一个通常的逻辑状态（高或低逻辑电平） 或者一个高阻抗状态，在高阻抗状态下输出既不能加载于总线，也不能驱动总线。真值表如下： 表 3-5 741B373 的真值表 3.7 再触发单稳态多谐振荡器 74LS123 它是 D-C 触发的多谐振荡器，其特点是有三种方法控制输出脉冲的宽度，基本脉冲时间通过选择外部定时器电阻和电容值来确定，一旦触发，基本脉冲宽度可通过对门控低电平作用（ A）或高电平作用（ B）的输入端的触发使之延长，或直接清除方法使之缩小。在系统设计中，它与 555 定时器共同构成“看门狗”电路，延长高电平作用 ，使得系统正常复位，具体结构和原理在后面介绍。下面是 74LS123 的引脚排列图和真值表： nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 27 图 3-12 74LS123 外部引脚排列图 表 3-6 74LS123 译码表 3.8 555 定时器 555 定时器是一种多用途的单片集成电路，利用它能极方便的接成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以 555 定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中得到了应用。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 28 图 3-13 555定时器工作原理图 它由比较器 C1 和 C2 基本 RS 触发器以及集电极开路输出的泄放三极管 Td 三部分组成。 DR 是置零输入端。只要在 DR 端加上低电平，输出端 oV 便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使 DR 处于高电平。 nts内蒙古工业大学本科毕业设计 说明书 高校自动化网整理 29 第四章 8031 单片机的扩展 通常情况下，采用 8031 的最小应用系统最能发挥单片机体积小、成 本低的优点。但在许多情况下，构成一