温湿度控制系统

温湿度控制系统 摘要 随着工业控制自动化技术的不断深入 许多设备都实现了无人镇守或不间断运行 为了保证设备的 正常运转 需要值班人员经常巡查各项参数是否正常 而温度和湿度都是各种设备常用的被控参数 如果能利用单 片机系统对上述参数进行智能监测 对于设备正常稳定运行具有重要意义 本文设计的温湿度数据进行实时监测和 分析 并及时做出判断 实现了温湿度控制的自动化和智能化 同时 在设备出现故障的情况下 语音报警和数显 电路的结合 能更好地是值班人员了解到当前温湿度的具体数值 并提醒维护人员及时采取相应措施 关键字 单片机 温湿度控制 A D 转换 Temperature and Humidity Control System Author Wang Qiaoyan Grade 08 Class 1 Major comper contor technology electricial engineering Dept Shaanxi University of technology Hanzhong 723003 Shaani Tutor Wang Chunxia Abstract With the industrial automation control technology unceasingly thoroughly Many devices are realized the unmanned central or uninterrupted operation in order to guarantee the normal operation of equipment attendants often patrolled need various parameters are normal And temperature and humidity is all sorts of equipment commonly used controlled parameter if can use the above parameters SCM system for intelligent monitoring equipment normal and stable operation has important significance This paper designs the temperature and humidity of the real time data monitoring and analysis and make timely judge realized the automation and intelligent temperature and humidity control Meanwhile in equipment malfunction case voice alarm and digital circuit combination To better is to understand the current temperature and humidity night shift workers the specific numerical value and remind maintenance staff promptly adopt corresponding measures Key words Single chip microcomputer temperature and humidity control A D conversion 目目 录录 绪论 1 1 基于 51 单片机温湿度控制系统硬件设计方案 3 1 1 设计任务 3 1 2 设计方案 3 1 2 1 设计方案论证 3 1 2 2 系统设计方案的最终确定 3 1 2 3 方案设计思想 4 1 3 总体框图的设计 4 1 4 主控电路设计 4 1 4 1 单片机的发展状况 5 1 4 2 单片机的基本结构 5 1 4 3 单片机的封装引脚 7 1 4 4 AT89C51 单片机的时钟的设计 10 1 4 5 AT89C51 单片机的复位的设计 11 1 5 ADC0809 引脚图与接口电路及功能介绍 12 1 5 1 A D 转换器芯片 ADC0809 简介 12 1 5 2 ADC0809 的内部结构 12 1 5 3 信号引脚 12 1 5 4 AT89C51 单片机与 ADC0809 的接口 13 1 5 5 转换数据的传送 15 1 6 LCD1602 引脚图与接口电路及功能介绍 16 1 6 1 LCD1602 简介 16 1 6 2 管脚功能 16 1 6 3 液晶显示器的操作控制 16 1 6 4 本毕业设计字符型 LCD 与单片机的接口电路 19 1 7 声光报警电路设计 19 1 8 总电路设计 20 1 9 系统流程图 20 2 软件实现 23 2 1 编程 KEIL 环境介绍 23 3 调试 24 3 1 软件调试 24 3 2 硬件调试 25 4 总结 27 致谢 28 参考文献 29 附录 A 元器件清单 30 附录 B 仿真实物图 31 附录 C 源程序 32 附录 D 实物图的连接 36 英文文献及中文翻译 第 0 页 共 39 页 绪论 西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早 1949 年 借助于工程技术的发展 美国建 成了第一个植物人工气候室 开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的应用研究 20 世纪 60 年代 生产型的高级温室开始应用于农业生产 奥地利首先建成了番茄生产工厂 70 年代后荷兰 日本 美国 英国 以色列等国家的温室园艺迅猛发展 温室设施广泛应用于园艺作物生产 畜牧 业和水产养殖业 随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展 近百年来 温室大棚作为设施农 业的重要组成部分 其自动控制和管理技术不断得以提高 在世界各地都得到了长足的发展 特别 是二十世纪 70 年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现 更使温室大棚环境控制技术产生了 革命性的变化 80 年代 随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降 以及对温室控制要 求的提高 以微机为核心的温室综合环境控制系统 在欧美得到了长足的发展 并迈入了网络化 智能化阶段 目前 国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度 并形成了一定的标准 温室内 的各环境因子大多由计算机集中控制 检测传感器也较为齐全 如温室内外的温度 湿度 光照度 二氧化碳浓度 营养液浓度等 由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制 如无 级调节的天窗通风系统 湿帘与风扇配套的降温系统 由热水锅炉或热风机组成的加温系统 可定 时喷灌或滴灌的灌溉系统 二氧化碳施肥系统 以及适用于温室作业的农业机械等 计算机对这些 系统的控制己经不是简单的 独立的 静态的直接数字控制 而是基于环境模型上的监督控制 以 及基于专家系统上的人工智能控制 一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化 无人化 的方向发展 我国现代温室技术起步较晚 70 年代以来 政府大力发展以塑料大棚 节能日光温室为主的 设施农业 促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾 与此同时 从 1979 年至 1994 年 从欧美 日本等国家引进了一系列现代化温室进行实验研究 引进的温室与我国传统温室比较 其 空间大 便于进行机械作业 生产率与资源利用率比较高 为我国温室的发展提供了借鉴作用 但 这些温室也存在着许多不足之处 主要表现在 1 价格昂贵 国内农业生产目前难以接受 2 缺乏与我国气候特点相适应的温室测控软件 目前我国引进温室的测控系统大多投资大 运 行费用过高 并且测控系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾 3 控制方式 比较简单 软件实现模式固定 不能进行功能扩展 随后在我国出现了一些新的产品 如江苏工学院研制的 温室环境测控系统 主要用于无土栽 培实验温室 造价仍较高 且处于实验阶段 吉林工业大学研制的 温室环境自动检测系统 仅实现 了温湿度的自动测试 智能型温室环境控制器 仅实现了温室内的喷水自动控制等 以上产品均没 有面向我国广大农村现有的 1000 万亩传统温室的改造工程 所以 传统的方法 人们主要还是采 用温度计 湿度计来采集温度值和湿度值 通过人工操作加热 加湿 通风和降温来控制温湿度 因此 以上产品的推广使用价值仍然不大 我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距 而我国综合 环境测控技术的研究刚刚起步 目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段 而实际 上 温室内的光照度 温度 湿度等环境因素 都是在相互影响 相互制约的状态中对作物的生长 产生影响 环境要素的空间变化 时间变化都很复杂 因此 我们应该根据我国的国情研制出适合 我国农业的发展的仪器仪表 并在农业设施中广泛推广 改革开放以来 人们的生活质量显著提高 对美丽的植被和花卉的需求急剧升高 这对以种植 植被为设计的园林工人是一个机遇 同时也对传统的手工植被种植是一个挑战 而基于单片机的温 湿度控制系统对解决这些问题有着非常重要的意义 以前种植植被一般都用温室栽培 为了充分的利用好温室栽培这一高效技术 就必须有一套科 学的 先进的管理方法 用以对不同植被生长的各个时期所需要的温度计湿度等进行的监控 温湿 度控制对于单片机的应用具有一定的实际意义 他代表了一类自动控制的方法 而且其应用十分的 广泛 第 1 页 共 39 页 AT89C51单片机是常用于控制的芯片 在智能仪器仪表 工业监测控制 机电一体化等方面取 得了令人瞩目的成果 用其作为温湿度控制系统的实例也很多 使用AT89C51单片机能够实现温湿 度全程的自动控制 而且AT89C51单片机易于学习 掌握 性价比高 使用AT89C51单片机设计温湿度控制系统 可以及时 精确的反映温室的温度以及湿度的变化 完成诸如升温到特定温度 降温到特定温度 在湿度上下范围内保持恒温等多种控制方式 在温湿 度控制方面也是如此 将此系统应用到温室当中无疑为植被的生长提供了更加适宜的环境 第 2 页 共 39 页 1 基于 51 单片机温湿度控制系统硬件设计方案 1 11 1 设计任务设计任务 了解温湿度控制系统的发展史及发展趋势 对温湿度控制系统进行系统性的阐述及论文研究的 目的和意义进行深入的了解 基于 AT89C51 单片机的温湿度控制系统的设计 根据论文的要求分析论文的主要任务 继而 概括出整个设计的主要思想和确定出设计方案 系统硬件设计 在对整个系统的把握 主要从它的 主控电路 AT89C51 单片机的复位电路 时钟电路 的设计和外围电路 声光报警电路 A D 转 换电路 的设计来具体介绍 软件设计 熟悉了解整个程序设计的运行环境keil 还有程序的编写过程 对程序做了相应的 注释 硬软件的调试 在运行环境中调试的步骤以及在运行中出现的问题的处理 1 21 2 设计方案设计方案 1 2 11 2 1 设计方案论证设计方案论证 单片机的选择方案及论证 方案一 采用 8031 芯片 其内部没有程序存储器 需要进行外部扩展 这给电路增加了复杂 度 方案二 本方案的 CPU 模块采用 2051 芯片 其内部有 2KB 单元的程序存储器 不需外部扩 展程序存储器 但由于系统用到较多的 I O 口 因此此芯片资源不够用 方案三 采用 AT89C51 单片机 其内部有 8KB 单元的程序存储器 不需外部扩展程序存储器 而且它的 I O 口也足够本次设计的要求 比较这 3 种方案 综合考虑单片机的各部分资源 因此此次设计选用方案三 显示模块的选择方案 方案一 LCD1604 字符型液晶显示模块是专门用于显示字母 数字 符号等的点阵型液晶显 示模块 可显示 4 行 每行 16 个字符 分 4 位和 8 位数据传输方式 提供 5X7 点阵 光标和 5X10 点阵 光标的显示模式 提供显示数据缓冲区 DDRAM 字符发生器 CGROM 和字符发生器 CGRAM 可以使用 CGRAM 来存储自己定义的最多 8 个 5X8 点阵的图形字符的字模数据 提供了 丰富的指令设置 清显示 光标回原点 显示开 关 光标开 关 显示字符闪烁 光标移位 显示 移位等 方案二 1602 采用并口传输 速度比 LCD1604 串口快 1602 内部集成有显示芯片 可以识别 英文字母好和阿拉伯数字 上行起始位置 80H 下行 40H 需要先输地址后输数据 直接 0 x30 数据 就能显示数据了 对于本次设计对显示内容的需求 方案一方案二都能实现 但是由于显示的内容比较简单 如 果使用 LCD1604 是对资源的浪费 再加 LCD1604 显示面体积大 功耗比较大 所以本次设计显示 模块最终选择了 LCD1602 ADC0809 的时钟信号的选择方案 启动 ADC0809 只需要给 START 引脚送一个下降沿的脉冲信号转换才能开始 因此需要产生 一个频率为 600KHz 的方波信号 方案一 AD9851 高速 DD5 内核可接收 32 位的频率控制字输入 在 180MHz 的系统时钟下可 输出的频率小于为 180MHz 以数字控制振荡器 DCO 的形式产生频率 相位可变的正弦波 经过 内部 10 位的高速数 模转换输出模拟信号 片内高速比较器可以将模拟正弦波信号转变为稳定的 TTL CMOS 兼容的方波输出 AD9851 内部华提供了一个高速比较器 内部 D A 转换器输出的正弦 波可以通过它转换为方波输出 方案二 时钟脉冲由单片机中的定时器产生一个的方波脉冲信号 整个过程是在单片机中通过 软件来实现的 在实际电路中方案一连接比复杂 对芯片 AD9851 了解比较少 方案二简单 方便 易于操作 综合实际情况选择采用方案二 第 3 页 共 39 页 1 2 21 2 2 系统设计方案的最终确定系统设计方案的最终确定 综合上各方案所述 对此次系统的方案选定 采用 AT89C51 作为主控制系统 液晶显示模块 LCD1602 作为本次系统的显示 用电位器代替传感器作为本次系统温度和湿度的信息采集 蜂鸣 器作为报警电路的主要元器件 通过论证拟采用的设计方案内容包括以下几点 选择 AT89C51 单片机作为整个系统的核心器件 发送并时时处理系统信息 数据采集是实现测量与控制的首要环节 是测控系统的关键部件 如果没有对原始被测信号进 行准确可靠的捕捉和转换 一切准确的测量和控制都将无法实现 在这个系统的设计中我们选用的 电位器作为温湿度数据采集 信号采集通道的选择 本设计中用到的是电位器 输出的是模拟量 需要进行模数转化在本 设计系统中 显示电路的设计 这里采用液晶 LCD 1602 进行显示 报警电路的设计 在微型计算机控制系统中 为了安全生产 对于一些重要的参数或系统部位 都设有紧急状态报警系统 以便提醒操作人员注意 或采取紧急措施 其方法就是把计算机采集的 数据或记过计算机进行数据处理 标度变换 这些已经在软件程序里边处理过 所以显示温湿度即 为外界采集的温湿度 和设定的值比较 如果高于上限值 或低于下限值 则进行报警 否则就作 为采样的正常值 进行显示和控制 本设计采用声光报警电路 温度和湿度任何一个超过设定范围 蜂鸣器均报警 这里我们选用 两只二极管来显示温度或者湿度其中之一过限 用来显示 这样便于观察 可以更加直接的确定是 要控制那个因素 给工作人员减少了工作量 蜂鸣器报警电路是通过 AT89C51 的 1 根口线经驱动 器驱动蜂鸣音发声 温度控制主程序的设计应考虑以下问题 a 温度显示 b 温湿度采样 c 越限报警和处理 d 温 度标度转换 1 2 31 2 3 方案设计思想方案设计思想 本设计是针对于单片机原理及其应用展开的 其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识 运用我们所学的电路知识 单片机技术去设计基于单片机的温湿度系统 AT89C51 单片机好比一 个桥梁 联系着电位器和报警电路设置 通过旋转电位器可以采集不同的温湿度数值 通过 A D 转换后输入给单片机 这里我们选择单片机的 P2 0 为输入方式 接收到信号的单片机会由 P1 0 作 为实际温湿度的输出显示在 LCD 屏上 同时 若采集温湿度达到软件设置的上限值 直接启动报 警电路 此时 发光二极管点亮 蜂鸣器响 1 31 3 总体框图总体框图的设计的设计 温湿度控制系统是由单片机 数据采集系统 A D 转换 警报装置以及具有其它辅助功能组成 的温湿度系统 在温湿度控制系统中 手动产生的温湿度信号称为系统采集温湿度信号 主要报 警装置是发光二极管和蜂鸣器 系统硬件框图如图 1 1 所示 ADC0809进行 模拟与数字信 号之间的 系统采集温湿 度信号 单片机进行 数据判断 在LCD上进 行显示 启动报警装 置 图1 1 系统硬件框图 1 41 4 主控电路设计主控电路设计 第 4 页 共 39 页 硬件设计中最核心的器件是单片机 AT89C51 它一方面控制 A D 转换器实现模拟信号到数 字信号的转换 另一方面 将采集到的数字电压值经过计算机处理得到相应的二进制代码 与设定 的值作比较 整个系统的软件编程就是通过 C 语言对单片机 AT89C51 实现其控制功能 1 4 11 4 1 单片机的发展状况单片机的发展状况 单片机也被称作 单片微型计算机 微控制器 嵌入式微控制器 单片机一词最初是源于 Single Chip Microcomputer 简称 SCM 随着 SCM 在技术上 体系结构上不断扩展其控制功能 单片机已不能用 单片微型计算机 来表达其内涵 国际上逐渐采用 MCU Micro Controller Unit 来 代替 形成了单片机界公认的 最终统一的名词 为了与国际接轨 以后应将中文 单片机 一词和 MCU 唯一对应解释 在国内因为 单片机 一词已约定俗成 故而可继续沿用 如果将 8 位单片机的推出作为起点 那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段 第一阶段 1976 1978 单片机的探索阶段 以 Intel 公司的 MCS 48 为代表 MCS 48 的推 出是在工控领域的探索 参与这一探索的公司还有 Motorola Zilog 等 都取得了满意的效果 这 就是 SCM 的诞生年代 单片机 一词即由此而来 第二阶段 1978 1982 单片机的完善阶段 Intel 公司在 MCS 48 基础上推出了完善的 典 型的单片机系列 MCS 51 它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构 完善的外部总线 MCS 51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构 包括 8 位数据总线 16 位地 址总线 控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口 CPU 外围功能单元的集中管理模式 体现工控特性的地址空间及位操作方式 指令系统趋于丰富和完善 并且增加了许多突出控制功能的指令 第三阶段 1982 1990 8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段 也是单片机向 微控制器发展的阶段 Intel 公司推出的 MCS 96 系列单片机 将一些用于测控系统的模数转换器 程序运行监视器 脉宽调制器等纳入片中 体现了单片机的微控制器特征 第四阶段 1990 以后 微控制器的全面发展阶段 随着单片机在各个领域全面 深入地发 展和应用 出现了高速 大寻址范围 强运算能力的 8 位 16 位 32 位通用型单片机 以及小型廉价 的专用型单片机 目前 单片机正朝着高性能和多品种方向发展 今后单片机的发展趋势将是进一步向着 CMOS 化 低功耗化 低电压化 低噪声与高可靠性 大容量化 高性能化 小容量 低价格化 外围电路内装化和串行扩展技术 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 将更小单片机的特点 1 4 21 4 2 单片机的基本结构单片机的基本结构 单片机主要有如下特点 有优异的性能价格比 集成度高 体积小 有很高的可靠性 单片机把各功能部件集成在一块芯片上 内部采用总线 结构 减少了各芯片之间的连线 大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力 另外 其体积小 对 于强磁场环境易于采取屏蔽措施 适合在恶劣环境下工作 制功能强 为了满足工业控制的要求 一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令 I O 口的逻辑操作以及位处理功能 单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机 低功耗 低电压 便于生产便携式产品 外部总线增加了 I2C Inter Integrated Circuit 及 SPI Serial Peripheral Interface 等串行总线方式 进一步缩小了体积 简化了结构 单片机的系统扩展和系统配置较典型 规范 容易构成各种规模的应用系统 单片机的应用 由于单片机具有显著的优点 它已成为科技领域的有力工具 人类生活的得力助手 它的应用遍及 各 个领域 主要表现在以下几个方面 1 单片机在智能仪表中的应用 2 单片机在机电一体化中的应 用 3 单片机在实时控制中的应用 4 单片机在分布式多机系统中的应用 5 单片机在人类生活中的 第 5 页 共 39 页 应用 单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面 另一方面 单片机应用的重要意义还在于 它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法 从前必须由模拟电路或数字电路实现的大 部分功能 现在已能通过单片机来实现了 这种用软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术 是 对传统控制技术的一次革命 A 由单片机组成控制器的结构和特点 单片微型计算机是微型计算机发展中的一个重要分支 是把构成一台微型计算机的主要部件如 中央处理器 CPU 存储器 RAM ROM 和各种功能 I O 接口集成在一块芯片上的单芯片微型计算机 Single Chip Micro Computer 简称单片机 由于它的结构与指令功能都是按工业控制要求设计的 且近 年来单片机着力扩展了各种控制功能如 A D PWM 等 因此我们更多时候称其为一个单片形态的微 控制器 Single Chip Micro Controller 或直接称其为微控制器 Micro Controller B 用单片机组成的微机控制系统具有以下特点 a 受集成度限制 片内存储器容量较小 一般片内 ROM 小于 4 8K 字节 片内 RAM 小于 256 字 节 但可在外部进行扩展 如 MCS 51 系列单片机的片外可擦可编程只读存储器 EPROM 静态随 机存储器 SRAM 可分别扩展至 64K 字节 b 可靠性高 单片机芯片本身是按工业控制环境要求设计的 其抗工业噪声的能力优于一般通用 CPU 程序指令及其常数 表格固化在 ROM 中不易破坏 常用信号通道均在一个芯片内 故可靠性高 c 易扩展 片内具有计算机正常运行所必须的部件 芯片外部有许多供扩展用的总线及并行 串 行输入 输出端口 很容易构成各种规模的微机控制系统 d 控制功能强 为了满足工业控制要求 单片机的指令系统中有极丰富的条件分支转移指令 I O 口的逻辑操作以及位处理功能 一般来说 单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的 微处理器 e 一般的单片机内无监控程序或系统管理软件 软件开发工作量大 但近年来已开始出现了片内 固化有 BASIC 解释程序及 FROTH 操作系统的单片机 使单片机系统的开发提高了一个新水平 此外 单片机成本低 集成度高 控制功能多 可灵活地组装成各种智能控制装置 并能有针对性 设计成专用系统 解决从简单到复杂的各种需要 实现最佳的性价比 特别是单片机与传统机械产品 相结合 使原有机械产品的结构简化 控制智能化 如数控机床就是典型实例 近年来 单片机发展 极快 其产量占微机产量的 70 以上 目前 至少有 50 个系列 400 余种机型 性能和结构各不相同 INTEL MOTOROLA ZILCG 等公司都有系列单片微型计算机 国内普及的几乎都是 INTEL 公司 的产品 我们本次毕业设计所应用到的单片机的型号为 AT89C51 其组成结构中包含运算器 控制器 片内存储器 4 个并行 I O 口 串行口 定时器 计数器 中断系统 振荡器等功能部件 图中 SP 是堆栈指针寄存器 PC 是程序计数器 PSW 是程序状态字寄存器 DPTR 是数据指针寄存器 AT89C51 单片机的内部结构框图如图 1 2 所示 第 6 页 共 39 页 RAM地址 寄存器 寄存器B 暂存器2 ALU PSW P1锁存器P3锁存器 P1锁存器P3锁存器 中断 串行口及 特殊功能寄存器 PC PC增量器 P0驱动器P2驱动器 P0锁存器P2锁存器 ROM EPRO M FLASH SP DPTR 缓冲器 程序地址 寄存器 ACC 指令寄 存器 定时及 控制 暂存器1 RAM P0 0 p0 7P2 0 p2 7 P1 0 P1 7P3 0 P3 7 PSEN ALE EA RESET XTAL1XTAL2 Vcc Vss 图 1 2 AT89C51 单片机内部结构框图 1 4 31 4 3 单片机的封装引脚单片机的封装引脚 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能的 CMOS8 位单片机片内 4Kbytes 的可反 复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 128bytes 的随机存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司 的高密度 非易失存储技术生产 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 AT89C51 单片机可为你提供许多高性价的应用场合 可灵 活的应用于各种控制领域 硬件设计中最核心的器件是单片机 AT89C51 它一方面控制 A D 转换 器实现模拟信号到数字信号的转换 另一方面 将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二 进制代码 与设定的值作比较 引脚图如图 1 3 所示 主要性能参数 与 MCS 51 产品指令系统的全兼容 4k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 1000 次可擦写周期 全静态操作 0Hz 24MHz 三级加密程序存储器 128 8 字节内部 RAM 32 个可编程 I O 口线 2 个 16 位定时 计数器 第 7 页 共 39 页 1 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19 18 20 2 3 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 P1 0 P1 2 P1 3 P1 1 P2 3 P2 2 P2 1 P1 7 P2 0 P1 6 P1 5 P1 4 P2 5 P2 6 P2 7 P2 4 P3 0 P3 3 P3 2 P3 1 P3 6 P3 5 P3 4 P0 0 P3 7 P0 6 P0 7 P0 5 P0 3 P0 4 P0 2 P0 1 vcc EA VPP ALE PROG PSEN RST Vpd RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD XTAL2 XTAL1 Vss AT89C51 图 1 3 AT89C51 引脚 AT89C51 功能特性描述 硬件设计中最核心的器件是单片机 AT89C51 它一方面控制 A D 转换器 实现模拟信号到数字信号的转换 另一方面 将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进 制代码 与设定的值作比较 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 个 I O 口线 两个 16 位定时 计数器 一个 5 向量中断结构 一个全双工串行通信口 片内震荡器及时钟电路 同时 AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作 并支持两种软件的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 窜行通信口及中断系统继续工作 掉电方式保存 RAM 中的内容 但震荡器停止工作并禁止所有部件工作直到下一个硬件复位 1 AT89C51 引脚功能说明 Vcc 电源电压 GND 地 P0 口 PO 口是一组 8 位漏极开路行双向 I O 口 也既地址 数据总线复用口 可作为输出口使用时 每位可吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑电路 对端口写 1 可作为高阻抗输入端用 在访问外 部数据存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活内部上 拉电阻 在 Flash 编程时 PO 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校验时 要 求接上拉电阻 P1 口 P1 口是一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输入缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输出口 作输入口时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流 I Flash 编 程和程序校验期间 P1 口接收 8 位地址 P2 口 P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输入缓冲极可以驱动 输入或输出 电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时和作为 输出口 作输出口时 因为存在内部上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 在访问外部存储器或 1 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 口送 出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如执行 MOVX RI 指令 时 P2 口 线的内容 也既特殊功能寄存器 SFR 区中 R2 寄存器的内容 在整个访问期间不改变 Flash 编程或校验时 P2 亦接收高地址和其他控制信号 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输入缓冲级可驱动 吸收或输出 电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口 作 输出端口时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 P3 口除可作为一般的 I O 口线外 更重 第 8 页 共 39 页 要的用途是它的第二功能 如表 1 1 所示 P3 口还接收一些用于 Flas 闪速存储器编程和程序校验 的控制信号 表 1 1 P3 第二功能 端口引脚第二功能 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 定时器 0 P3 5 T1 定时器 1 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器都选通 RST 复位输出 当震荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平使机器复位 ALE 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输出脉冲用于PROG 锁存地址的低 8 位字节 即使不访问外部字节 ALE 仍时钟震荡频率的 1 6 输出固定的正脉冲信号 因此它可对外输出时钟脉冲或用于定时目的 要注意的是 每次访问外部存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 Flash 存储器编程期间 该引脚还要输入编程脉冲 如有必要 可通过对特殊 PROG 功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 D0 位置位 可禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令可激活 此外 此引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应该置 ALE 无效 PSEN 程序存入允许 输出的是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C51 由外部 PSEN 程序取指令 或数据 时 每个机器周期两次有效 既输出两个脉冲 在此期间 当访问 PSEN 外部数据存储器 这两次有效的信号不出现 PSEN EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端 必须保持低电平 接地 要注意的是 如果加密位 LB1 被编程 复位时内部会锁存 EA 端状态 Flash 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是该器件是使用 12V 的编 程电压 Vpp XTAL1 震荡器反向放大器及内部时钟的输入端 XAAL2 震荡器反向放大器的输出端 时钟震荡器 AT89C51 中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端 这个放大器与作为反馈元件的片外石英或陶瓷震荡器 一起构成自激震荡器震荡电路如图 外接石英晶体 或陶瓷震荡器 及电容 C1 C2 接在放大器的 震荡回路中构成并联震荡电路 对外接电容 C1 C2 虽然没有非常严格的要求 但电容的大小会轻 微影响震荡频率的高低 震荡工作的稳定性 起震的难易程序及温度稳定性 如果使用石英晶体 推荐使用 30pF 10pF 而如果使用陶瓷谐振器建议选择 40pF 10pF 用户还可以采用外部时钟 采 用外部时钟如图所示 在这种情况下 外部时钟脉冲接到 XTAL1 端 既内部时钟发生器的输入端 XTAL2 悬空 时钟的占空比没有特殊要求 但最小高电平持续的时间和最大低电平持续的时间应 符合产品技术条件的要求 Flash 闪速存储器的编程 AT89C51 单片机内部有 4K 字节的 Flash PEROM 这个 Flash 存储存 储阵列出厂时已处于擦除状态 既所有存储单元的内容均为 FFH 用户随时可对其进行编程 程 序接收高电压 12V 或低电压 Vcc 的允许编程信号 低电压编程模式 适用与用户在线编程 系统 而高电平模式可与通用 EPROM 编程程序兼容 编程方法 编程前需设置好地址 数据及控制信号 编程单元的地址就 加在 P1 口和 P2 口的 第 9 页 共 39 页 P2 0 P2 3 位地址范围为 0000H 0FFFH 数据从 P0 口输入 引脚 P2 6 P2 7 和 P3 6 P3 7 的电 平设 PSEN 为低电平 RST 保持高电平 EA Vp 引脚是编程电源的输入端 按要求加上编程电压 ALE PROG 引脚输入编程脉冲 负脉冲 编程时可采用 4 20MHz 的时钟震荡器 AT89C51 的编程 1 在数据线上加上要写入的数据字节 2 激活相应的控制信号 3 在高电压编程时 将 EA Vpp 端加上 1V 编程电压 4 每对 Flash 存储阵列写入一个字节 加上一个 ALE PROG 编程脉冲 AT89C51 控制信号 RST VPD 9 脚 复位信号时钟电路工作后 在引脚上出现两个机器周期的高电平 芯片内部 进行初始复位 复位后片内存储器的状态如表所示 P1 P3 口输出高电平 初始值 07H 写入堆栈 指针 SP 清 0 程序计数器 PC 和其余特殊功能寄存器 但始终不影响片内 RAM 状态 只要该引脚 保持高电平 AT89C51 将循环复位 RAT VPD 从高电平到低电平单片机将从 0 号单元开始执行 程序 另外该引脚还具有复用功能 只要将 VPD 接 5V 备用电源 一旦 Vcc 电位突然降低或断电 能保护片内 RAM 中的信息不丢失 恢复电后能正常工作 AT89C51 通常采用上电自动复位和开关手动复位 我们采用的是手动复位开关 手动开关未按下之前 电容正极处于充电状态 当按键按下去后 VCC 与 GND 导通 电容放电 从而实现放电 1 4 41 4 4 AT89C51AT89C51 单片机的时钟单片机的时钟的设计的设计 AT89C51内部有一个高增益反相放大器 用于构成振荡器 但要形成时钟脉冲 外部还需附 加电路 AT89C51的时钟产生的方法 利用芯片内部的振荡器 然后在引脚 XTALl 和 XTAL2 两端跨接晶体振荡器 简称晶振 就 构成了稳定的自激振荡器 发出的脉冲直接送入内部时钟电路 如下图 1 4 所示 外接晶振时 Cl 和 C2 的值通常选择为 30pF 左右 Cl C2 对频率有微调作用 晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在 1 2MHz 12MHz 之间选择 为了减小寄生电容 更好地保证振荡器稳定 可靠地工作 振荡器和 电容应尽可能安装得与单片机引脚 XTALl 和 XTAL2 靠近 如下图 1 5 所示 X2 X1 AT89C51 C1 C2 图 1 4 AT89C51 内部时钟电路接线方法 OUT 时钟源 AT89C51 XTAL2 XTAL1 19 18 图 1 5 AT89C51 外部时钟电路接线方法 此方式是利用外部振荡脉冲接入 XTALl 或 XTAL2 HMOS 和 CHMOS 单片信号不同 如表 1 2 所 第 10 页 共 39 页 示 表 1 2 AT89C51 单片机外部时钟接入方法 接线方法芯片类型芯片类型 XTAL1XTAL2 HMOS 接地接片外时钟脉输入端 引脚需接上拉电 阻 CHMOS 接片外时钟脉冲输入端悬空 1 4 51 4 5 AT89C51AT89C51 单片机的复位单片机的复位的设计的设计 在整个报警系统中 要进行实验 必须对整个系统先复位 复位是单片机的初始化操作 单片 机系统在上电启动运行时 都需要先复位 其作用是使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的 初始状态 并从这个状态开始工作 因而 复位是一个很重要的操作方式 但单片机本身是不能自 动进行复位的 必须配合相应的外部复位电路才能实现 复位电路设计 单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种 我们在设计单片机复位时 选用上电复位 AT89C51 的复位方式可以是自动复位 也可以是手动复位 此外 RESET 还是一复用脚 Vcc 掉电其间 此脚可接上备用电源 以保证单片机内部 RAM 的数据不丢失 如图 1 6 所示 AT89C51 RESET 5V 200 1K 30uF 图 1 6 按键复位电路 初始复位不改变 RAM 包括工作寄存器 R0 R7 的状态 复位后 AT89C51 片内各特殊功能寄存 器的状态如表所示 表中 x 为不定数 上电复位利用电容器的充电实现 AT89C51单片机的上电复位电路 图中给出了复位电路参数 AT89C51单片机的上电 按键复位电路 如表1 3所示 表 1 3 复位后的内部特殊功能寄存器状态 寄存器复位状态寄存器复位状态 PC0000HTMOD00H ACC00HTCON00H B00HTH000H BSW00HTL000H SP07HTH100H DPTR0000HTL000H P0 P3FFHSCON00H IPxx000000BSBUFxxxxxxxxB IE0 x000000BPCON0 xxx0000B 第 11 页 共 39 页 复位时 ALE 和 PSEN 变成输入状态 即 ALE PSEN 1 片内 RAM 不受复位影响 复位后 P0 P3 口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态 并将 07H 写入堆栈指针 SP 同时将 PC 和 其余专用寄存器清 0 此时 单片机从起始地址 0000H 开始重新执行程序 所以 单片机运行出错 或进入死循环时 可使其复位后重新运行 1 51 5 ADC0809ADC0809 引脚图与接口电路及功能介绍引脚图与接口电路及功能介绍 1 5 11 5 1 A DA D 转换器芯片转换器芯片 ADC0809ADC0809 简介简介 8路模拟信号的分时采集 片内有8路模拟选通开关 以及相应的通道抵制锁存用译码电路 其 转换时间为100 s 左右 1 5 21 5 2 ADC0809ADC0809 的内部结构的内部结构 ADC0809的内部逻辑结构图如图1 7所示 8位 A D 转换 器 8位 模 拟 开 关 地址 锁存 与译 码 三态 输出 锁存 缓冲 器 ADC0809 Vref IN0 ADDA ADDB ADDC ALE 26 28 27 1 2 3 4 5 25 24 23 22 1216 6109 21 20 19 18 8 15 14 17 OE Msb D7 Vcc GND Vref 11 13 7 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 图1 7 ADC0809内部逻辑结构 图中多路开关可选通8个模拟通道 允许8路模拟量分时输入 共用一个 A D 转换器进行转换 这是一种经济的多路数据采集方法 地址锁存与译码电路完成对 A B C 3个地址位进行锁存和译 码 其译码输出用于通道选择 其转换结果通过三态输出锁存器存放 输出 因此可以直接与系统 数据总线相连 表1 4为通道选择表 表 1 4 通道选择表 ADDA ADDB ADDC选通的通道 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 1 5 31 5 3 信号引脚信号引脚 ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装 其引脚排列见图1 8所示 第 12 页 共 39 页 1 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415 16 17 19 18 20 3 27 28 2 26 25 24 23 22 21 IN3 IN4 D2 IN7 IN6 IN5 D4 IN0 D5 VREF EOC OE D3 CLOCK IN2 VCC ALE ADDB ADDA ADDC IN1 D0 D7 START VREF GND D1 D6 ADC0809 图 1 8 ACD0809 的引脚图 对 ADC0809主要信号引脚的功能说明如下 IN7 IN0 模拟量输入通道 ALE 地址锁存允许信号 对应 ALE 上跳沿 A B C 地址状态送入地址锁存器中 START 转换启动信号 START 上升沿时 复位 ADC0809 START 下降沿时启动芯片 开始 进行 A D 转换 在 A D 转换期间 START 应保持 低电平 本信号有时简写为 ST A B C 地址线 通道端口选择线 A 为低地址 C 为高地址 引脚图中为 ADDA ADDB 和 ADDC 其地址状态与通道对应关系见表9 1 CLK 时钟信号 ADC0809的内部没有时钟电路 所需时钟信号由外界提供 因此有时钟信号引 脚 通常使用频率为600KHz 的时钟信号 EOC 转换结束信号 EOC 0 正在进行转换 EOC 1 转换结束 使用中该状态信号即可作为查 询的状态标志 又可作为中断请求信号使用 D7 D0 数据输出线 为三态缓冲输出形式 可以和单片机的数据线直接相连 D0为最低位 D7为最高 OE 输出允许信号 用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 OE 0 输出数据 线呈高阻 OE 1 输出转换得到的数据 Vcc 5V 电源 Vref 参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较 作为逐次逼近的基准 其典型值为 5V Vref 5V Vref 5V 1 5 41 5 4 AT89C51AT89C51 单片机与单片机与 ADC0809ADC0809 的接口的接口 ADC0809与 AT89C51单片机的连接如图9 10所示 电路连接主要涉及两个问题 一是8路模拟信号通道的选择 二是 A D 转换完成后转换数据的 传送 下图1 9为 ADC0809与 AT89C51的连接图 第 13 页 共 39 页