桥梁安全状态信息采集系统设计毕业论文.doc

桥梁安全状态信息采集系统设计毕业论文目录摘要Abstract第一章 绪论11.1 桥梁检测的内容112系统的设计背景113课题研究现状2131桥梁检测技术现状2132国外桥梁检测技术发展动向214系统的功能及优势31.4.1系统的功能31.4.2系统的优势315设计任务3第二章系统的总体设计方案及工作原理521总体设计方案论证52.1.1方案一52.1.2 方案二52.1.3 方案三72.2确定系统的总体设计方案72.3设计思路8第三章 系统的硬件设计93.1单片机模块93.1.1单片机的选型93.1.2 键盘设计153.1.3晶振163.2 传感器213.2.1 传感器的选型213.2.2温度传感器253.2.3振动传感器263.2.4应力传感器263.3放大电路273.4 ADC0809313.4.1 主要特性313.4.2 内部结构313.4.3 外部特性（引脚功能）323.4.4 ADC0809的工作过程323.5 LCD1602液晶显示343.6 RS232串口413.6.1 RS232串口通讯接口413.6.2 MAX232电平转换433.7 存储器453.8电源模块48第四章软件设计494.1主程序流程图504.2数据读取中断流程图514.3中断采样子程序流程图524.4 LCD1602子程序流程图53第五章 总结55参考文献56外文资料57中文翻译61致谢64附录65兰州理工大学毕业设计第一章 绪论1.1 桥梁检测的内容需要进行检测的桥梁原因多种多样，需要检测的桥梁类型也不尽相同。桥梁检测的对象有很大部分是旧桥，许多旧桥难以适应新的使用要求，需要进行桥梁健康和使用安全性检测；对于现行建造的桥梁，由于新工艺、新材料的使用，同时桥梁规模也越来越大，因此大部分新桥也要求做检测工作。我国传统的桥梁检测内容较多，主要是包括外观检查和动静载试验。其中外观检查按桥梁的构件分为：桥面系的外观检查、桥梁上部结构检查、支座的检查、墩台的检查、墩台基础的检查；按检测对象分为：裂缝的检查、混凝土碳化深度的检查、混凝土强度的检查、钢筋锈蚀的检查、混凝土保护层厚度的检查以及钢筋的分布等。桥梁评估是利用特定信息，分析既有桥梁可靠性并为使桥梁保持一定水平的可靠性而做出相应工程决策的过程。在实际评估过程中，对中小桥梁与大型桥梁采取不同的评价方法，桥梁评估的方法大致可分为两大类，一类是以承载能力评价为主的方法，一类是以状态评价为主的综合评价方法。在大型桥梁评估研究中经常采用的一种方法是在桥上建立结构状态监测系统，对反映桥梁结构状态的特性参数进行部分或全面监测，然后以监测数据与人工检测数据为基础，采用综合评价的方法对大型桥梁的安全性做出科学的评价。中小桥梁由于数量多、分布广，一般通过定期或不定期的检测手段，对桥梁的承载能力做出评价。12系统的设计背景桥梁结构的使用性能及耐久年限,主要由设计、施工和所用材料的质量等诸多因素共同确定。由于设计、施工和材料可能存在某些缺陷,而这些缺陷会使桥梁结构先天存在着某些薄弱之处。此外,桥梁在营运使用中又会受到不可避免的人为损伤及各种大自然侵蚀,带来后天病害。先天缺陷和后天病害的不利影响往往会结合在一起,如果再遇上荷载和外力的临界组合,则很容易使桥梁发生不可预见的损坏。桥梁结构中的一处或某几处局部的损坏又可能产生连锁反应,波及到更多的位置,发展成更大的损坏,乃至危及桥梁的安全。所以,确保建成的桥梁保持良好的运营状态和正常的使用功能,当务之急是及时发现早期病害,在尚未出现更大的损伤之前采取维修养护措施,以控制病害发展或把病害清除，而要达到此目的就必须对桥梁进行检查。桥梁结构的检查是保证桥梁正常使用、进行维修加固的重要依据。根据检查的重要程度不同以及时间间隔的长短,桥梁检查工作又可分为一般检查和定期检查。一般检查也叫经常性的检查,可每个月或几个月一次,属于一般性的巡视检查,在我国通常由养护道班来完成。定期检查也叫详细检查,可几年一次(一至三年),或周期更长一些(五至七年)一次。定期检查一般检查要较为详细地检查桥梁结构各个部位的使用状况,必须采取接触检查,就是对结构损坏部位进行接触量测、标记、安设检测仪器的检查,需要动用特殊的机械设备与测量仪器。对于桥梁的管理、评价或修复计划来说,“一般检查”所收集的信息太概括、太主观、太定性。为了及时掌握桥梁的安全状态,有必要对桥梁结构有关运行参数进行连续监测。本设计采用电子技术、传感器技术、计算机技术、信息技术等，研究并设计桥梁安全状态数据采集系统，为桥梁安全评判提供准确的桥梁运行数据，以便掌握桥梁运行状态。13课题研究现状131桥梁检测技术现状(1)桥梁无损伤检测技术传统的桥梁检测方法主要依赖于动静载试验和检测人员的现场目测，辅以混凝土硬度实验、超声波探测、腐蚀作用实验等多种检测手段。进入20世纪90年代，随着现代传感与通信技术的发展，无损检测技术更是出现了前所未有的发展势态，先后涌现出一大批新的检测方法和检测手段，使无损检测技术向着智能化、快速化、系统化的方向发展。近年来，致力于桥梁检测的研究人员提出了许多成功的方法对桥梁进行非破坏性评估。一些新的方法被广泛应用于桥梁检测，如利用相干激光雷达测试桥梁下部结构的挠度，利用全息干涉仪和激光斑纹测量桥体表面的变形状态，利用双波长远红外成像检测桥梁混凝土层的损伤，利用磁漏摄动检测钢索、钢梁和混凝土内部的钢筋等。随着振动实验模态分析技术的发展，运用振动测试数据进行结构动力模型修正理论得到了充分的发展，为桥梁结构的安全检测开辟了新的途径一。基于振动模态分析技术，人们研究发现结构的动力响应是整体状态的一种度量，当结构的质量、刚度和阻尼特性发生变化时，选用结构振动模态作为权数，对结构损伤前后的模态变化量进行加权处理，从而实现对单元损伤的识别和有效定位。响应是整体状态的一种度量，当结构的质量、刚度和阻尼特性发生变化时，选用结构振动模态作为权数，对结构损伤前后的模态变化量进行加权处理，从而实现对单元损伤的识别和有效定位。(2)桥梁结构损伤识别技术小波分析损伤识别法由于小波分析适合分析非平稳信号，因此可作为损伤识别中信号处理的较理想的工具，用它来构造损伤识别中所需要的特征因子，或直接提取对损伤有用的信息。神经网络损伤识别法神经网络在损伤识别中的基本思路是：首先，用无损伤系统的振动测量数据来构造网络，用适当的学习方法确定网络的参数；然后，将系统的输入数据送入网络，网络就有对应的输出，如果输入过程是成功的，当系统特性无变化时，系统的输出和网络的输出应该吻合；相反，当系统有损伤时，系统的输出和网络的输出就有一个差异，这个差异就是损伤的一种测度。132国外桥梁检测技术发展动向(1)已启动的研究程序先进的桥面板检测系统包括双带远红外热成像系统、地面渗透雷达等。先进的桥梁测试和健康监测系统包括全桥监测系统的无线电发送、精确的差分式全球定位系统测量桥梁变形、应用钢传感器对桥梁超载进行监测。先进的疲劳裂纹探测和评估系统包括测桥梁裂纹的新型超声波和磁分析仪系统、热成像系统、便携式声发射系统、无线应变测量系统、微波探测和定量分析、无源疲劳荷载测量设备和电磁声发射传感器等。先进的锈蚀探测和评估技术包括磁漏探测技术、探测先张法压浆空隙的冲击一反射系统、埋入式锈蚀微传感器以及以磁为基础的测量系统。用强迫振动响应法定量评估桥梁下部结构、用激光振动计测量斜拉索索力以及量化的无损检测方法与桥梁管理系统结合的课题。(2)探索性的研究项目：声发射技术的基础性研究，发展一种改进的宽带E探测器，它有能力产生(信号)并探测不同受力模式下的疲劳裂纹。磁力控制传感器的研究。用微波技术对疲劳裂纹进行探测和定量分析。光纤和其他微传感器14系统的功能及优势该系统利用AT89C51单片机，通过温度，振动，应力传感器，对桥梁的安全状况信息进行采集，经过放大电路对采集到的桥梁信息进行放大,传送到ADC0809 AD转换电路进行数模转换,然后通过LY625128存储器扩展,记录一段时间内采集到的数据,并显示到LCD1608液晶显示屏上,然后通过RS232通讯端口,对采集到的数据进行传输.1.4.1系统的功能1实现桥梁温度参数实时采集；2实现桥梁振动参数实时采集；3实现桥梁应力参数实时采集；4实现数据采集、数据滤波、数据处理、数据存储，数据通信等。1.4.2系统的优势1.系统能对采集到的数据进行存储2.对采集到的数据能够进行显示3.工作人员可以对数据通过端口定时传输15设计任务1、掌握反映桥梁安全的物理参数、研究检测方法和测量技术；2、根据测量参数要求，依据先进性、可靠性、经济性的设计原则，通过分析、方案比较，确定数据采集系统；3、控制系统硬件设计： 1）检测电路设计； 2）采集电路设计； 3）接口电路设计； 4）采集系统。4、采集系统软件设计（数据采集、数据滤波、数据处理、数据存储，数据通信等）；5、撰写设计说明书（毕业论文），绘制采集系统原理图（1图纸1张），检测点分布图（2图纸1张），完成系统软件流程图1张；6、完成相关外文文献阅读和翻译不少于5000字。第二章系统的总体设计方案及工作原理21总体设计方案论证2.1.1方案一1. 基于工控机的桥梁采集系统的设计工业控制计算机(以下简称工控机)是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。传统意义上将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，它包括计算机和过程输入、输出通道2部分。但今天的工控机的内涵已经远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制。因此，工控机是应用在国民经济发展和国防建设的各个领域、具有恶劣环境适应能力、能长期稳定工作的加固计算机。 工控机（IPC）是一种具备特殊性能的计算机，能在恶劣的产业生产环境下,保证系统的连续稳定运行,并能承受环境中的高（低）温、冲击、振动、电磁干扰、湿润、粉尘等不利因素。考虑到本系统的特殊性，我们选择了使用方便的产业便携机，型号为REPC-815。2、工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点： 1） 机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。 2） 机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。 3） 机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。 4） 要求具有连续长时间工作能力。 5) 一般采用便于安装的标准机箱（4U标准机箱较为常见） 注：除了以上的特点外，其余基本相同。另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机偏贵，但一般不会相差太多。 目前工控机的劣势 ： 尽管工控机与普通的商用计算机机相比，具有得天独厚的优势，但其劣势也是非常明显的-数据处理能力差，具体如下： 1) 配置硬盘容量小； 2) 数据安全性低； 3) 存储选择性小。 4）价格较高2.1.2 方案二1.基于PLC的桥梁安全状况采集系统可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机， 其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： （1）、电源 可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 （2）、中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 （3）、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 （4）、输入输出接口电路 1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。 2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 （5）、功能模块 如计数、定位等功能模块。 （6）、通信模块 2、系统根据设备的功能划分为3 个层次:数据采集层、PLC 控制与显示层 、数据传输层。1) 数据采集层涉及温度、振动、应力传感器,通过在PLC 通信控制设备中嵌入式编程,实现对各传感器的数据采集,传感器等待PLC 设备的数据垂询命令并做出响应。2) PLC 控制与显示层涉及PLC 控制设备ADAM25510E/ TCP 和显示屏,ADAM25510E/ TCP通过ADAM25510 Series Utility 软件平台与工作主机通信,实现嵌入式编程。采用串口1 接口与显示屏连接,通过ADAM 输入/ 输出模块和串口2 控制各传感器,采用RJ245 网络口与上位机通信并存储数据信息。3) 数据传输层通过RJ245 接口,采用UDP/ IP通信协议,将PLC 采集的数据信息实时传输到上位机数据库服务器中。2.1.3 方案三1.基于单片机AT89C51的桥梁安全状况采集系统单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。2单片机具有的特点（1）、系统结构简单，使用方便，实现模块化； （2）、单片机可靠性高，可工作到106 107小时无故障； （3）、处理功能强，速度快。 （4）、低电压，低功耗，便于生产便携式产品 （5）、控制功能强 （6）、环境适应能力强3. 系统结构框图 单片机 AT89C51LCD显示 A/D转换 ADC0809温度传感器键盘振动传感器电源RS232通讯端口应力传感器LY625128存储器图2.5 系统结构框图2.2确定系统的总体设计方案 方案一采用工控机，具有在恶劣条件下工作的优点，但其缺点是数据处理能力差，具体如下： 1) 配置硬盘容量小； 2) 数据安全性低； 3) 存储选择性小。 4）价格较高方案二采用PLC方式，具有系统构成灵活，使用方便，编程简单，能适应各种恶劣的运行环境但其缺点是存储能力差，方案三采用单片机，具有经济，简单，易维护等特点，根据设计任务要求，方案一和方案二在控制成本，设计标准方面不符合任务要求，在此， 我们选择方案三2.3设计思路本设计的基本思路是：根据设计指标，首先从整体上规划好整个系统的功能和性能，然后再对系统进行划分，将比较复杂的系统分解为多个相对独立的子系统，特别注意对各个子系统与系统、子系统与子系统之间的接口关系进行精心设计以及技术指标的合理分解。然后再由子系统到部件、部件到具体元器件的选择和调试。各部件或子系统各自完成后再进行系统联调，直到完成总体目标。第三章 系统的硬件设计本系统主要由单片机、传感器、模数转换器、LCD显示、键盘、存储器等几部分组成。下面将具体介绍各个主要组成部分的功能、选型以及具体连接方式。3.1单片机模块3.1.1单片机的选型单片机（SCM）是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称。它是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及输入输出适配器都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部。但存储量小，输入输出适配器简单，功能较低。目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用，早已深深地融入人们的生活中。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存 、内部和外部总线系统。单片机是将中央处理器，随机存储器。只读存储器，定时器芯片和I/O接口电路集成于一个芯片上的微控制器。单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTELI960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板，但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。单片机的设计目标主要是增强控制能力，满足实时控制（就是快速反应）方面的需要。它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特长之一就是具有非常有效地控制功能。因此，又常常被业界称为微控制器。单片机控制系统和工业对象组成，如图3-1所示。单片机系统由硬件和软件两部分组成。硬件是指单片机本身及外围设备实体，软件是指单片机的程序以及过程控制的应用程序。工业对象包括被控对象、测量变送、执行机构和电器开关等装置。图3.1 单片机控制系统的组成51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。51单片机的主要功能：1、8位CPU4kbytes 程序存储器(ROM) (52为8K);2、256bytes的数据存储器(RAM) (52有384bytes的RAM);3、32条I/O口线，111条指令，大部分为单字节指令;4、21个专用寄存器;5、2个可编程定时/计数器，5个中断源，2个优先级(52有6个);6、一个全双工串行通信口7、外部数据存储器寻址空间为64kB;8、外部程序存储器寻址空间为64kB;9、逻辑操作位寻址功能，双列直插40PinDIP封装;10、单一+5V电源供电;CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器;RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据;ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格;I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出;T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式;五个中断源的中断控制系统;一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口，用于实现单片机之间或51单片机与微机之间的串行通信;片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。51单片机具有如下的一些特点：1)集成度高;2)系统结构简单;3)系统扩展方便;4)可靠性高;5)处理功能强、速度高;6)容易产品化。由于“51系列单片机”有许多的优点，并且在课堂上也学习过“51系列单片机”，故对其由很好的认识和了解，可以在设计系统中能准确的使用。故综合考虑本系统决定采用Atmel公司所生产的MCS51系列中的AT89C51单片机。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。单片机AT89C51的功能特性AT89C51提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。引脚描述VCC：电源电压 GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。当“1”被写入P0口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。P0口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。P0口在闪烁编程时，P0口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。图3.2 AT89C51引脚图P1口：P1口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁编程时和程序校验时，P1口接收低8位地址。P2口：P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，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时，P2口线上的内容在整个运行期间不变。闪烁编程或校验时，P2口接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲故可驱动4个TTL电路。对P3口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉低的P3口将用电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：端口引脚 第二功能P3.0 RXDP3.1 TXDP3.2 INT0P3.3 INT1P3.4 T0P3.5 T1P3.6 WRP3.7 RDP3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当震荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。ALE/ ：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE以时钟震荡频率的1/16输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号不出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电压VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。AT89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，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晶体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器。 外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30PF10PF，而如果使用陶瓷振荡器建议选择40PF10PF。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。 图3.3 内部振荡电路 图3.4 外部振荡电路AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是闲散模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON中的PD和IDL位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是闲散等待方式，当IDL=1，激活闲散工作状态，单片机进入睡眠状态。如需要同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。在闲散工作模式状态，中央处理器CPU保持睡眠状态，而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内随机存取数据存储器和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。闲散模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止闲散工作模式的方法有两种，一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL被硬件清除，即刻终止闲散工作模式。程序会首先影响中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序，并紧随RETI指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入闲散工作模式，那条指令后面的一条指令。二是通过硬件复位也可将闲散工作模式终止。需要注意的是：当由硬件复位来终止闲散工作模式时，中央处理器CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期有效，在这种情况下，内部禁止中央处理器CPU访问片内RAM，而允许访问其他端口，为了避免可能对端口产生的意外写入：激活闲散模式的那条指令后面的一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在中指掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将从新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效切必须保持一定时间以使振荡器从新启动并稳定工作。闲散和掉电模式外部引脚状态。模式 程序存储器 ALE P0 P1 P2 P3闲散模式 内部 1 1 数据 数据 数据 数据闲散模式 内部 1 1 浮空 数据 地址 数据掉电模式 外部 0 0 数据 数据 数据 数据掉电模式 外部 0 0 数据 数据 数据 数据AT89C51可使用对芯片上的三个加密位LB1，LB2，LB3进行编程（P）或不编程（U）得到如下表所示的功能：程序加密位 保护类型1 U U U 没有程序保护功能2 P U U 禁止从外部程序存储器中执行MOVC指令读取内部程序存储器的内容3 P P U 除上表功能外，还禁止程序校验4 P P P 除以上功能外，同时禁止外部执行当LB1被编程时，在复位期间，EA端的电平被锁存，如果单片机上电后一直没有复位，锁存起来的初始值是一个不确定数，这个不确定数会一直保存到真正复位位置。为了使单片机正常工作，被锁存的EA电平与这个引脚当前辑电平一致。机密位只能通过整片擦除的方法清除。3.1.2 键盘设计 键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。键盘分两大类：编码键盘和非编码键盘。编码键盘：由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况，采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。 非编码键盘：只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等仅靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。有：独立式按键结构、矩阵式按键结构。 首先，确定键盘编码方案：采用编码键盘或非编码键盘。随后，确定键盘工作方式：采用中断或查询方式输入键操作信息。然后，设计硬件电路。非编码键盘系统中，键闭合和键释放的信息的获取，键抖动的消除，键值查找及一些保护措施的实施等任务，均由软件来完成。1.消除抖动影响。键盘按键所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。由于机械触点的的弹性作用，一个按键开关在闭合和断开的瞬间均有一连串的抖动，波形如下：抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为510ms，这是一个很重要的参数。抖动过程引起电平信号的波动，有可能令CPU误解为多次按键操作，从而引起误处理。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。按键的消抖，通常有软件，硬件两种消除方法。 这种方法只适用于键的数目较少的情况。软件消抖：如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，常采用软件消抖。通常采用软件延时的方法：在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后，再确认电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，进行相应处理工作，消除了抖动的影响。（这种消除抖动影响的软件措施是切实可行的。）2.采取串键保护措施。串键：是指同时有一个以上的键按下，串键会引起CPU错误响应。通常采取的策略：单键按下有效，多键同时按下无效。1. 处理连击。连击：是一次按键产生多次击键的效果。要有对按键释放的处理，为了消除连击，使得一次按键只产生一次键功能的执行（不管一次按键持续的时间多长，仅采样一个数据）。否则的话，键功能程序的执行次数将是不可预知，由按键时间决定。连击是可以利用的。连击对于用计数法设计的多功能键特别有效。键盘工作方式 单片及应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU忙于各项任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。考虑仪表系统中CPU任务的份量，来确定键盘的工作方式。 键盘的工作方式选取的原则是：既要保证能及时响应按键的操作，又不过多的占用CPU的工作时间。 键盘的工作方式有：查询方式（编程扫描，定时扫描方式）、中断扫描方式3.1.3晶振晶振有着不同使用要求及特点，通分为以下几类：普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。在测试和使用时所供直流电源应没有足以影响其准确度的纹波含量，交流电压应无瞬变过程。测试仪器应有足够的精度，连线合理布置，将测试及外围电路对晶振指标的影响降至最低。以下内容将逐项为您解答有关晶振的相关知识。晶振全称为晶体振荡器（英文Crystal Oscillators），其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率 经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。 晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。 晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。 晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。 表3.1晶振的主要参数参数基本描述频率准确度在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度（25）以及其他条件保持不变，晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差，即（fmax-fmin）/f0；温度稳定度其他条件保持不变，在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即（fmax-fmin）/（fmax+fmin）；频率调节范围通过调节晶振的某可变元件改变输出频率的范围。调频（压控）特性包括调频频偏、调频灵敏度、调频线性度。 调频频偏：压控晶体振荡器控制电压由标称的最大值变化到最小值时输出频率差。 调频灵敏度：压控晶体振荡器变化单位外加控制电压所引起的输出频率的变化量。 调频线性度：是一种与理想直线（最小二乘法）相比较的调制系统传输特性的量度。负载特性其他条件保持不变，负载在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏。电压特性其他条件保持不变，电源电压在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称电源电压下的输出频率的最大允许频偏。杂波输出信号中与主频无谐波（副谐波除外）关系的离散频谱分量与主频的功率比，用dBc表示。谐波谐波分量功率Pi与载波功率P0之比，用dBc表示。频率老化在规定的环境条件下，由于元件（主要是石英谐振器）老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程。通常用某一时间间隔内的频差来量度。对于高稳定晶振，由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移，往往用老化率（单位时间内的相对频率变化）来量度。日波动指振荡器经过规定的预热时间后，每隔一小时测量一次，连续测量24小时，将测试数据按S=（fmax-fmin）/f0式计算，得到日波动。开机特性在规定的预热时间内，振荡器频率值的最大变化，用V=（fmax-fmin）/f0表示。相位噪声短期稳定度的频域量度。用单边带噪声与载波噪声之比£（f）表示，£（f）与噪声起伏的频谱密度S（f）和频率起伏的频谱密度Sy（f）直接相关，由下式表示： f2S（f）=f02Sy（f）=2f2£（f） f傅立叶频率或偏离载波频率；f0载波频率。晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号 自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的。振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数：谐振电阻（RR），谐振器没有电阻要求。RR的大小直接影响电路的性能，因此这是各商家竞争的一个重要参数。 计算机都有个计时电路，尽管一般使用“时钟”这个词来表示这 些设备，但它们实际上并不是通常意义的时钟，把它们称为计时器(timer)可能更恰当一点。计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体，石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡，这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。有两个寄存器与每个石英晶体相关联，一个计数器(counter)和一个保持寄存器(holdingregister)。石英晶体的每次振荡使计数器减1。当计数器减为0时，产生一个中断，计数器从保持计数器中重新装入初始值。这种方法使得对一个计时器进行编程，令其每秒产生60次中断(或者以任何其它希望的频率产生中断)成为可能。每次中断称为一个时钟嘀嗒(clocktick)。 晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等 效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一 个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。 晶振在应用具体起到的作用，微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；RC（电阻、电容）振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置 ，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。RC振荡器能够快速启动，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真