智能化油井流量显示仪

I 摘摘 要要 本文主要结合油田的实际生产情况，对油井流量进行监测方面的研究，主要针对 油井的流量通过传感器检测并经 89C51 处理实现自动控制。 本系统用 MCS-51 单片机进行数据处理和检测的系统，是以 89C51 单片机为微处理 器的智能化油井流量显示仪。采用一片 8279 实现智能仪表键盘/显示器的最小化硬件 设计技术。通过传感器经信号处理电路输入 CPU，在程序的控制下实现实时显示及报 警，完成油井开采中的流量的在线测量。并可将数据由 MAX232 口向上位机进行数据传 输。该设计采用单片机开发计量二次仪表，具有计量精度高，功耗低，稳定可靠，成 本低等特点。 本系统只用一片微处理机实现控制键盘，并可实现实时的检测、计算、显示、打 印、报警、通信等功能。该系统对于现实生活生产有着重要意义，前景广阔。 关键词：关键词： 89C51 流量 传感器 II AbstractAbstract In this paper, combined with the actual oil production, oil well flow monitoring of research,mainly for the oil flow through the sensor to detect and deal with the realization by the 89C51 control. The MCS-51 microcontroller systems for data processing and detection systems, based on 89C51 microcontroller microprocessor intelligent wells flow indicator.Intelligent instrument with a 8279 keyboard/display to minimize hardware design.Through the sensor input by the signal processing circuit CPU, a program under the control of real-time display and alarm, to complete the flow of oil exploitation in the online measurement.I can up the data from the MAX232-bit machine for data transfer.The design uses a microcontroller development of secondary instrument measurement with high measurement accuracy, low power consumption, reliable and low cost. This system only uses a piece of microprocessor realization control keyboard，and may realize the real-time examination，the computation，the demonstration，the printing， reports to the police and other functions. This system has the vital significance regarding the real life production，the prospect is broad. KeywordKeyword 89C51 flow sensor III 目目 录录 第第 1 1 章章 绪绪 论论.1 1.1 题目背景 .1 1.2 发展趋势 .1 1.3 系统设计及原则 .2 1.4 系统结构及配置说明 .3 1.5 系统要求 .3 1.6 系统技术指标 .4 1.7 本章小结 .4 第第 2 2 章章 总体方案总体方案.5 2.1 智能流量显示过程概述 .5 2.2 智能流量测控技术 .5 2.2.1 测量原理.5 2.2.2 智能控制.7 2.2.3 电机驱动电路.7 2.2.4 实验与评估.8 2.3 方案论证 .8 2.4 方案设计 .10 2.5 本章小结 .11 第第 3 3 章章 芯片介绍芯片介绍.12 3.1 主芯片 AT89C51 的介绍 .12 3.1.1 引脚定义及功能：.13 3.1.2 存储器.14 3.1.3 输入输出端口的功能.17 3.1.4 空闲节电模式.18 3.1.5 掉电模式.19 3.1.6 中断.19 3.1.7 片内 Flash 闪速存储器的编程.20 3.1.8 数据查询.20 3.2 可编程多功能接口 8155.21 IV 3.2.1 8155 的组成与接口信号 .21 3.2.2 8155 与 MCS51 单片机的连接 .24 3.3 芯片 8279 的介绍 .25 3.3.1 引脚介绍.26 3.3.2 8279 中与键盘/显示器扫描有关的基本功能部件如下 .27 3.3.3 8279 的操作 .28 3.4 传感器介绍 .32 3.4.1 涡轮传感器的功能、用途.32 3.4.2 涡轮传感器适用的范围.32 3.4.3 涡轮传感器的工作环境条件.32 3.4.4 涡轮传感器的工作原理.32 3.4.4 涡轮传感器的工作条件.33 3.4.5 涡轮传感器的安装要求.34 3.4.6 涡轮传感器的使用和维护.34 3.5 本章小结 .35 第第 4 4 章章 硬件设计硬件设计.36 4.1 系统硬件原理框图 .36 4.2 前向通道的设计 .37 4.2.1 放大整形电路.37 4.2.2 模拟量输入通道：.38 4.3 8279 键盘、显示器接口.40 4.3.1 8279 键盘 .40 4.3.2 TPMP-40A 微型打印机接口电路 .42 4.4 上位机通讯 .43 4.5 报警电路设计 .44 4.6 本章小结 .45 第第 5 5 章章 软件设计软件设计.47 5.1 系统流程图及程序 .47 5.2 本章小结 .51 致致 谢谢.52 参考文献参考文献.53 附录附录 1 1： 硬件电路图硬件电路图 .55 附录附录 2:2: 程序清单程序清单 .56 V 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 题目背景题目背景 上世纪九十年代中后期掀起的信息浪潮，极大地推动了人类社会各行各业技术革 新的迅猛发展。随着石油科技的发展，石油工业正在向智能化和信息化过渡， “企业E 化” 、 “管控一体化”已成为实现“降本增效，提高管理水平”这一油田改革目标中的 一个重要课题。 在油田系统中逐渐使用智能仪表来计量油井的出油量，计量仪表精确度的高低， 直接影响着企业的经济效益。然而，在低流速或小口径的液流量测量方面，仍存在很 大的缺陷。一些现场因素，如流体的粘度值、管径的大小等等，都将影响测量精度。 因此选择一套信息完整、性能可靠、实用性强的油井流量监控系统是非常必要的。 1.21.2 发展趋势发展趋势 目前国内各油田采用的油井产量计量方法主要有玻璃管量油孔板测气、翻斗量油 孔板测气、两相分离密度法和三相分离计量方法等。随着技术的进步，油田越来越需 要功能强、自动化程度高的油井计量设备以提高劳动生产率和油田的管理水平。 1. 向自动化发展。自动化技术的发展降低了劳动强度并且提高劳动生产率。同时，为 了实现油井准确、快速，可靠的测量，须采用自动化的测量方法。三相分离计量、两 相分离计量和不分离计量的研究和应用将会得到越来越广泛地重视与应用。 2. 向快速化发展。为了及时准确掌握油井的生产状况，需要缩短油井计量周期，并对 油井进行更加频繁与及时的测量，因此需要提高油井计量速度。 3. 向高精度发展。油田需要准确及时的了解油井的生产状况，为生产管理提供真实 2 可信的数据并对油田状况做及时分析，所以对油井计量精度的要求也越来越高。 4. 向仪表化发展。由于科技的发展及各种气体和液体流量计的广泛应用，油田生产的 计量过程中必然越来越多地使用操作方便、读数清晰的流量计。如：用于气体计量的 旋进旋涡流量计、涡街流量计等。 5. 向智能化发展。由于油田生产中对生产工人要求不可能全部一致，所以提高系统的 智能化，使工人在操作方面上可以达到简单、快速，精确。所以在智能化方向上发展 具有十分重要的生产意义。 6. 向小型化发展。随着科技发展，油田生产线上的高科技设备越来越多，各种仪器的 小型化发展成了必然的趋势，不但可以节省空间，还可以达到方便拆卸修理的目的。 1.31.3 系统设计及原则系统设计及原则 本次设计对于准确、快速的实现实时显示及报警有十分重要的意义。 流量监测系 统通常由流量测量（又称一次仪表）和流量显示（又称二次仪表）两大部分组成，流 量显示部分随着科技的发展，由机械发展到现在的电子表头，电子表头的种类很多， 其中由单片机开发出来的，具有多项功能，软件调节非线性误差的智能流量显示仪， 是一次流量测量仪表相配套的二次仪表，由于由单片机开发的智能系统，所以具有如 下特点： 1. 采用了微处理技术，准确性、稳定性精确性高； 2. 可实时显示累积流量和瞬时流量； 3. 可以存储流量； 4. 耗电量低。 它的技术性能如下： 1. 输入信号：流量测量仪表的频率输入。与流量传感器相接，经检测、放大得被 测介质的流量，信号频率为（01000）HZ 的脉冲信号。传感器连接电缆高度小于 1000 米，要求导线电容小于 0.1f 电感小于 10mH 智能流量显示放在计量间里， 每个计量间可容纳 30 个； 2. 输出信号：数码显示； 3. 准确度：无修正时 1.5%左右； 3 4. 环境温度:(-2070)；5. 相对湿度:85%； 6. 抗干扰： 10kW17kW 电机转动显示不变化； 7. 电源：（45）V 直流； 8. 总耗电：5.0MW。 本设计是用仪表测量技术，对油井流量进行监控。而且综合自动化以计算机智能 监控为主，常规控制为辅的设计思想进行总体的设计和系统的配置，使计算机在 整个系统中达到一个新的水平。且从安全性和经济性的角度实现系统各个部分的 功能。及时性好，人机接口功能强，操作方便。 1.41.4 系统结构及配置说明系统结构及配置说明 主计算机对整个监控系统的运行进行控制。即流量的记录、调节，阀门的控 制，历史数据的保存，数据表格的打印及报警功能等。 输入/输出设备键盘，鼠标，打印机，磁盘等。是计算机与外部联系并交换信 息的设备。 传感器液位传感器，温度传感器等。经过放大整形电路将数据上传给 89C51 微处理器。 技术人员进行人机对话，设置各种实验参数。 1.1.5 5 系统要求系统要求 可靠性和时效性提高元器件的可靠性，提高印刷电路板的质量，对供电电源 采用抗干扰措施，输入/输出通道采取抗干扰措施。 自诊断功能当系统正常运行时，定时对各模块进行自诊断，并对外界出现的 异常情况做出快速应变处理，对于出现无法解决的情况，应能及时切换后备装置投入 工作，或及时报警，以提醒人工干预。 分布式系统上的每个节点都可安装与本节点应用的数据库以及有关的控制和 执行程序。对于系统而言，节点功能，资源相对独立而且有便于共享，同时为了便 4 于分期投运，为今后扩充提供了较大的方便。完全满足式的三个特征即自治性，模块 性，并行性。上一代监控系统常用的分层分布模式，一般都有一个主计算机（或称上 位机） ，系统的全部数据集中在主计算机中，数据库不分布，自治性不够好。这样的缺 点是：一旦上位机出现故障，系统数据库全部丢失，系统功能如监视，控制功能也随 之丢失。所谓全分布是指数据库，控制功能分布。图形工作站不依赖于任何一台主计 算机，可直接读写数据库，直接实现全系统监视和控制。 1.61.6 系统技术指标系统技术指标 流量范围：20Kg/h200Kg/h 装置精度优于：2% 装置流量的稳定度优于：2% 1.71.7 本章小结本章小结 本章在广泛调研研究的基础上，说明了设计的研究背景，介绍了流量监测技术在 国内外发展现状及技术发展趋势，并概括描述了设计的原则、系统要求，系统技术指 标等涉及的主要内容。 5 第第 2 2 章章 总体方案总体方案 2.12.1 智能流量显示过程概述智能流量显示过程概述 智能流量显示的过程大致为：流量传感器将采集的流量信号经过放大电路上传给 AT89C51 微处理器，经过 AT89C51 的数据处理及运算再把信号通过 8279 实现显示和 键盘控制，报警及打印的具体功能。 2.22.2 智能流量测控技术智能流量测控技术 .1 测量原理测量原理 在容积式液流量计中，量斗内的一定容积空间里充满液体，连续不断地向出口流 去，液体流量被量斗连续计量。相当于量斗的计量空间是在固定的外壳与内部可动部 件间形成的，可动部件由于液体的压力而转动，因此将一定体积的液体吸入并向出口 送出，这种动作的次数与体积流量成比例。然而，由于容积式流量计的转子和外壳之 间存在液体泄露，因此测量精度受到影响，同时液体粘度也成为精度的影响因数之一。 为了减小误差，必须使转子与壳体更好地接触，但这样却增加了转子转动的阻力，当 流量较小或液体粘度较大时，液体就难以使转子旋转。 智能化液流量计采用活塞式线性定量泵作为“量斗”，并对其施加附加驱动力。 这个驱动力在自动调节系统的控制下随液流而变化，并采用微电脑智能电路使液流量 计能按需求供给液体。因此，该流量计不仅能更精确地测量液流，还能较好地排除被 测液体粘度的影响，同时又能根据需要来设置压力损失，其设定值可处于很大范围内， 包括零和负值。 累计流量是用容积法计量的，它将流过管路的液流量，以一定容积的“斗”连续、 6 反复地进行测量。图1中的活塞式线性定量泵在步进电机的控制下充放液体。液体的通 过体积V如式下所示的那样，为体积流量的累计值。 V =tQdt (式2-1) 式中，V 时间内流量的通过体积 Q 体积流量 定量泵的输出管道连接在一个由波纹管做成的缓冲容器上，容器的大小由仪器的 量程决定。流量的瞬时信号由霍尔变换器提供，该信号取决于波纹管端面的位置。当 波纹管内压力下降时，波纹管的长度缩短，霍尔元件将输出一个与供液率成比例的信 号，经霍尔变换器转换成恰当幅度范围的电压电平，该电压经A D和D F 变换器转换为 一定频率的脉冲，驱动步进电机的运转。这样，在由定量泵、波纹管、霍尔变换器、 AD和DF变换器及电机所组成的闭环系统中，流量测量转化成了压力定值比例调节。根 据自动控制原理，这是一个有差调节系统。耗液率、波纹管端面的变化、霍尔变换器 输出与电机转速将相互成正比，即： Q = C1$L (式2-2) $L = C2$E (式2-3) $E = C3n (式2-4) 式中，C1、C2、C3比例系数 $L波纹管端面的位移 $E霍尔变换器输出压差 n步进电机角速度 由上述数学关系可得： $E = (1 C1C2) 3 Q = (1 C1C2) 3 (dV dt) (式2-5) V =tQ dt=tC1C2C3ndt =CN (式2-6) 由此可见，霍尔变换器的输出可以表示出该系统在动态平衡中液耗的瞬时速度， 而耗液量的累计值则正比于步进电机的旋转角度。 7 所以，从原理上看，在定量泵本身满足精度要求，逆止阀正常工作的条件下，该 系 统可以精密地测量流动液体的通过体积。 .2 智能控制智能控制 在遵循上述原理工作的液流量测控系统中，智能控制器不仅完成从电压到频率信 号的转换，以及对步进电脉冲分配，而且具有以下功能： 生成并记忆给定的液流量变化规律； 生成并记忆当前液流量变化规律，获得专家经验或知识； 可由操作者选择输入参数，以确定供液规律。 当内存容量不够时，可以进行扩充。数据库中存放给定的事实数据，包括作为经 验和知识的数据，以及实时获取的受控对象的状态参数。生成规则以“IFTHEN”的形 式保存在规则库中。参考机械将规则库中的规则匹配数据库中的不同状态。过程方法 库提供两类功能程序，一类功能程序输出随不同规律变化的元序列数据信息；另一类 功能程序用于对多个元序列信息进行组合，以获得新的序列数字信息。规则集包含一 般控制规则子集和元序列的组合规则子集，前者用于实现按给定规律进行的控制，后 者支持对不同元序列数字信息的组合。 当参考机械经匹配后选中某个一般控制规则，过程方法库中的前一类功能程序将被运行，DoF 电路即按某个相应的给定规律产生脉冲信号；而当某个元序列组合规则被选中，后一类功能程序 将被运行，这样DF电路将按某个新的控制规则产生脉冲序列。 .3 电机驱动电路电机驱动电路 步进电机驱动电路用带细分功能的两相混合式步进电机驱动模块SH20302AB。该模 块适合于追求小体积、高定位精度等的应用，如泵流量控制和粘度计无级调速等。 该模块采用高精度DoA技术、电流传感与噪声抑制技术，以及独立开发的混合续流 技术，保证了电流的高精度控制、大幅度提高了细分后的单步精度。选用该模块对提 高液流量测量精度十分有利。 8 .4 实验与评估实验与评估 在由定量泵、波纹管、霍尔变换器、VF转换器和电机及驱动电路组成的实验闭环 系统中，活塞式线性定量泵连续进入吸入液体，排出流体和瞬时静止三个工作阶段。 当吸入液流时，输入换向阀门打开，输出换向阀门关闭; 当排出液流时，输入换向阀 门关闭，输出换向阀门打开。 当管道出口阀门打开时，波纹管内液压降低，弹簧发生形变使预压力大于液压， 导致波纹管端面位置下降。此时，磁铁与霍尔元件间的距离增大，霍尔元件感应磁场 强度减小，霍尔感应电压与预设电压的差值增大。这个电压差经VF转换和电机驱动电 路后，控制电机增大转速，带动活塞式线性泵加快吸入和排出液体的工作，增大液流 量来补充波纹管的液压损失；当管道出口阀门关闭时，波纹管预压力小于液压，弹簧 发生形变使波纹管端面下降。此时霍尔元件感应磁场强度增大，霍尔元件输出一反向 电压信号，这个电压信号导致驱动电路控制电机停止工作。 在该系统中，液流量处于一动态平衡状况中，亦即，当管道出口阀门状态不变时， 波纹管端面位置不发生变化，液流量恒定不变。但当出口阀门状态一发生变化，波纹 管就能迅速改变端面位置，及时控制电机调节流量。 该仪器的优点是：测量精度高(可达0. 5% )；液体粘度及密度对测量精度影响小； 安装方便，对管路亦无特殊要求。 缺点是：制造装配要求较高；表前需装消气容器及过滤器；过载能力较差，不能 在量程外运行。高精度的容积式流量计广泛地用于需要精确测量流量的地方。本仪器 亦可以应用于许多新领域。如应用于汽车领域时，它将能满足从微型车到重型车对油 耗的检测要求。若与速度表配合，将能从一个侧面反映出发动机的工作状态，从而避 免汽车的带病运行。同时，由于本设计增加了驱动力，故可以大大降低对其中线性定 量泵的精度要求，从而降低生产成本。 2.32.3 方案论证方案论证 在本次设计中，是通过微型计算机来实现自动控制。采用的单片机为性价比比较 9 高的 AT89C51。之所以选用 AT89C51 单片机而不选用常用的 Intel 生产的 MCS-51 单片 机是因为：8031 片内不带程序存储器 ROM，在使用时用户需外扩 EPROM 芯片。用户若 到 EPROM 中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可 写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。8051 在 8031 基础上， 片内又集成 4K ROM，无须外扩 EPROM 芯片，更能体现“单片”的特点。但是编写的程 序用户无法将其写入其 ROM 中，只有将程序交芯片厂代为烧写，并是一次性的，今后 芯片厂都不能改写其内容。8751 在 8031 基础上，片内增加了 4K 的 EPROM，它可构成 一个程序小于 4KB 的小系统，并且用户可以将自己编写的程序写入单片机的 EPROM 中 进行现场实验与应用。但是 8751 的价格相对于 8031 来说较贵，8031 外扩一片 4K 的 EPROM 就相当于 8751，同样它的片内 EPROM 的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间 擦除后再烧写。 由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。后来很 多芯片厂商以各种方式与 Intel 公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片 机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片 机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换，统称这些 与 8051 内核相同的单片机为“51 系列单片机” 。 相对于 Intel 公司的 51 系列单片机来说，AT89C51 单片机就没有上述的种种顾虑。 AT89C51 单片机具有损耗低、性能高的特点，而且片内还有 4K 字节可重复编程快擦快 写的程序存储器，能重复写入擦除 1000 次，数据可保存 10 年时间。它与 51 系列单片 机在指令系统和引脚上完全兼容，不只能完全替代 51 系列单片机，还有许多其没有的 功能。AT89C51 可构成真正的单片机最小应用系统，对于简化本系统、为系统增加可 靠性是别的单片机无法替代的。这种单片机对开发设备要求不高，开发的周期也有了 减少，对于写入其内的程序还可进行三级加密，这很好的保护了劳动成果。虽然网上 有人说 AT89C51 可以解密，但花费的代价均需万元左右！况且所有的单片机均可解密， 只是费用多少的问题。在价格上，AT89C51 比同类单片机要便宜得多，市场供应也很 充足。 经过以上分析，得出在本次设计中将选用 AT89C51 作为系统的主芯片的结论。 对于系统的键盘显示部分我选择的是8279，它是可编程的键盘和显示接口芯片。 10 它既具有按键处理功能，又具有自动显示功能，在单片机系统中应用很广泛。8279内 部有键盘FIFO（先进先出堆栈）/传感器，双重功能的88=64B RAM，键盘控制部分可 控制88=64个按键或88阵列方式的传感器。该芯片能自动消抖并具有双键锁定保护 功能。显示RAM容量为168，即显示器最大配置可达16位LED数码显示。8279与89C51 数据总线直接联接，不占用CPU时间，自动完成扫描显示，编程方便，以减轻CPU的工 作量。 2.42.4 方案设计方案设计 本次设计是通过微机监控来实现系统自动控制的，采用微机监控的油井流量显示 仪具有操作方便，检测精度高，控制灵活，自动化程度高及所占空间少等优点，可完 全实现自动化。 在本次设计中，系统要求实现自动控制，其中包括稳压场的建立和测量过程中稳 压场的稳定，自动完成被测油表的标定，可根据被测油表的要求通过人工设定或修改 流量；系统可实时显示瞬时流量、累计流量、压力、液位等物理量，并能打印，对液 位、压力超限等故障能发出报警。 微机流量监控系统是怎样构成的，这是本次设计的关键问题。本次设计采用了 AT89C51 单片机及其外围扩展电路构成了简单的微机监控系统，它对测量的过程进行 自动控制，通过人机对话给定测量的参数，并可以显示和打印测量的结果。由于系统 的需要，本设计要求模拟量和数字量之间进行相互转换。通过 A/D 模拟量输入模块和 相应的传感器可完成对稳压器中的气压，液位，输入流量，被检管线中的流量等参数 的进行检测，其检测精度与传感器精度相关。通过 D/A 模拟量输出模块和 PID 控制模 块，调节流量，还将通过 D/A 模块用 P 或 PI 算法控制同步倒相阀，调节被检管线的液 体流量。通过开关量输出模块，对换相器的切换，计时开始和停止，液位测量以及阀 门进行控制。 在测量方法方面，采用定时检测液位（即测体积）或定液位，测时间两种方法进 行。前一种方法，测液位用液位传感器来完成，后一种方法是液位由液位检测开关完 成，时间的检测由微机内部计量，精度可达 0.001S 以上。 测量过程中，微机可完成对阀门的控制，以及对换相器切换时间，被检管线流量， 11 被检表流量的检测，所有检测到的参数，都将通过接口，送入微机，由微机对数 据进行处理并打印测量结果。对各种不正常情况，如液位不足或超限，微机都将通过 报警装置发出报警，并采取措施切断故障源，除此以外，微机还显示管线的压力，液 位，流量温度的数值以及被测过程的时间。 上述内容为本次设计的大致方案，可以看出智能流量监控系统的操作过程简单， 通过键盘操作即可向微机输入启动、停止以及各种参数的测试，很适合开发及研究。 2.52.5 本章小结本章小结 本章节主要讲述了方案论证和方案设计对所设计的系统有了进一步的了解。并做 出了芯片的选择如下。 12 第第 3 3 章章 芯片介绍芯片介绍 1. 单片机系统的扩展部分设计，它包括存储器扩展和接口扩展。 2. 各功能模块的设计，如信号测量模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、 通讯功能模块等，根据系统功能要求配置相应的 A/D、D/A、键盘、显示器、打印机等 外围设备。所以这一章将对硬件部分展开介绍。 3.13.1 主芯片主芯片 AT89C51AT89C51 的介绍的介绍 AT89C51 片内带有 4KB 可重复编程闪速存储器（Flash Programmable and Erasable ROM） ，为许多嵌入式控制应用提供了灵活廉价的方案。本系统中所用到的 AT89C51 是一种与工业标准的 MCS-51 产品、指令集相兼容的低功耗、高性能的 8 位 COMS 微处理器芯片。 AT89C51单片机共有四个8位并行I/O口，但这些I/O口并不能完全提供给用户使用， 只有对片内RAM/EPROM的单片机8051/8751，在不使用外部扩展时，才允许这四个I/O口 作为用户I/O口使用。因此AT89C51都不可避免地要进行I/O口的扩展。AT89C51引脚图 如下： 图3-1 AT89C51引脚图 13 .1 引脚定义及功能：引脚定义及功能： 主电源引脚 Vcc 和 GND，Vcc（40 引脚）接+5V 电源，GND（20 引脚）接地。 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2。 XTAL1（19）：接外部晶体的一端，在片内是内部振荡器的 T2 相放大器的输入端。 在使用外部时钟工作时，此脚接地。 XTAL2（18）：振荡器的内部方式工作时，此引脚接晶振的另一端，用外部时钟工 作时，此引脚为外部信号的输入端。 控制信号的引脚，RST/VPD ALE/PROG PSEN 及 EA/VPP RST/VPD（9）：此引脚用于单片机的上电复位或掉电保护。在此引脚与 Vcc 之间 有一个 20F 的电容并通过 10k 的下位电阻接地，即可作到上电复位，若在单片机 工作时复位，此引脚需加持续时间为两个机器周期（24 个时钟周期）的高电平。 在 GND 掉电周期，此引脚可接入备用电源以保存内部 RAM 的信息。当 Vcc 下降到 低于规定的电压。且 Vdd 接入备用电源时，Vpd 即可向内部 RAM 供电。 ALE/PROG（30）：ALE 为地址锁存允许信号，在双向片外存储器时，ALE 用于锁存 出现在 P0 口的低 8 位地址信号。在不做外部 RAM 读/写操作时，ALE 可用于定时。对 于 EPROM 型单片机，在 EPROM 编程时，此引脚用于输入编程脉冲。 PSEN（29）：在访问外部程序锁存器时，该引脚输出负脉冲作为程序存储器的读 选通信号。CPU 在向外程序存储器读取指令期间，PSEN 信号在每个机器周期两次有效。 在访问外部数据存储器时，PSEN 信号将不在出现。 EA/Vpp（31）：在 8031 中此脚必须接地或接低电平。 对于内部有程序存储器的机型，EA 应接高电平，当 EA 为高电平时，单片机访问 该片内程序存储器（低 4KB 地址） ，若超出 4KB 地址时，单片机自动转去执行外部程序 存储器中的程序。 对于片内有 WPROM 的单片机，在对 EPROM 编程时，此引脚用于接编程电源。 输入/输出引脚 P0，P1，P2，P3。 P0.0P0.7（3932）：称为 P0 口，在访问外部存储器时，为地址数据复用口，它 分时提供 8 位地址线和 8 位的双向数据线，在 EPROM 编程时，从 P0 口输入指令字节， 在检验程序时，刚输出指令字节，P0 口驱动 8 个 TTL 电路。 14 P1.0P1.7（18）：称为 P1 口，对 EPROM 编程和进行程序验证时，P1 口接低 8 位地址，在 8052/8032 中 P1.0 相当于定时器的外部控制端，P0 口可以驱动 4 个 TTL 电路。 P2.0P2.7（2128）：P2 口，它是从系统扩展时作高八位地址线用。不扩展外部 存储器时，P 口也可以作为用户 I/O 口线使用，P2 口也是准双向口。P2 口可驱动 4 个 TTL 电路。 P3.0P3.7（1017）：称为 P3 口，P3 口为双功能口。该口每一位均可独立地 定义为第一 I/O 功能或第二 I/O 功能。作为第一功能使用时操作同 P1 口。P3 口的第 二功能如下： P3.0 为 RXD串行口输入。 P3.1 为 TXD串行口输出。 P3.2 为 INT0外部中断 0 输入端。 P3.3 为 INT1外部中断 1 输入端。 P3.4 为 T0定时器 0 外部输入端。 P3.5 为 T1定时器 1 外部输入端。 P3.6 为 WR外部数据存储器写选通控制输入。 P3.7为RD外部数据存储器读取通控制输出7。 .2 存储器存储器 AT89C51 单片机内集成有一定容量的程序存储器和数据存储器，8031 单片机则无 程序存储器。 在硬件结构上，AT89C51 单片机有 4 个存储器：片内数据存储器，对于程序存储 器，最大寻址范围为 64K 字节，片内片外统一寻址，内部数据存储器的存储空间为 256 字节或 384 字节。对于片外数据存储器的最大寻址范围为 64K 字节。 1. 程序存储器 程序存储器用于存放用户程序和表格常数，对于有内部程序存储器的机型在正常 工作时，EA 脚接高电平，程序从 0000H 单元开始执行，当程序计数器的值超出内部程 序存储器的容量时，单片机自动转向片外程序，存储器继续执行片外程序调试，调试 15 程序放在与内部程序存储器地址相重叠的外部存储器内部无程序存储器的机型。EA 始 终接低电平，单片机工作时直接执行外部程序存储器中存放的程序。 在程序存储器中，有七个具有特殊功能的单元，其中 0000H 单元为程序计数器的 起始地址。系统复位后程序计数器指针自动指向这一单元，用户须在 0000H 单元中存 放一条绝对跳转指令，从跳转地址开始存放用户的程序，其中 6 个特殊单元分别对应 于 6 个中断源的中断服务程序入口地址。 这些入口地址处须存入绝对跳转指令，中断服务子程序从这些转移地址存放。 2. 内部数据存放器 内部数据存放器分为 3 个不同的块：由 00HFFH 共 128 个单元组成低 128 字节的 RAM 块， （仅在 8032/8052 中有这些 RAM 块） 。128 个字节的多用寄存器其它单元没有定 义。 在片内 RAM 中，00H1FH 为 4 个工作寄存器区，每个区有 8 位寄存器。 AT89C51 单片机对工作寄存器和数据存储器统一编址，程序使用哪个寄存器区， 由程序状态字 PSW 中的 RS0，RS1 即 PSW 中第 3，4 位确定。CPU 通过修改 RS0，RS1 即 可任选一区作为工作寄存器区。从而使单片机具有快速保护现场的功能，这种处理方 式有利于提高程序的运行效率和提高中断的响应速度，如果不需要全部使用 4 组工作 寄存器，则剩下的工作寄存器区可作为一般的数据 RAM。通过堆栈指针 SP，可以在 RAM 中设置堆栈但堆栈范围只限于内部 RAM2。 3. 寄存器 在 AT89C51 中有 21 个专用寄存器，其中 5 个为 8032/8052 专用有，5 个双字节寄 存器，PC 寄存器不属于内部数据存储器，除 PC 寄存器外，其余 22 个寄存器都属于内 部数据存储器，共占 26 个字节。 （1）程序计数器 PC，用于安装放下一条要执行的指令的地址，它是一个十六位的专 用寄存器，寻址范围 64K。 （2）累加器 Acc，是最常用的专用寄存器，大部分单操作数指令的操作数及双操作数 指令中的一个操作部分都取自累加器 Acc，算术运算的运算结果存放在 Acc 或 B 寄存 器中，在指令系统中用 A 作为累加器 Acc 的助记符。 （3）B 寄存器，B 寄存器用在乘除指令中的两个操作数中的一个取自于 A，另一个取 自于 B，运算结果放在 AB 寄存器之中，对于除法指令，被除数取自 A，除数取自 B， 商存 A 中，余数存放在 B 中，如不需要做乘除运算，B 寄存器可做 RAM 中的一个单元 16 使用。 （4）程序状态字 PSW，T2 映了程序的状态 PSW 中各位状况如下表： 表 3-1 状态 PSW 各位状况表 CY 进 位标志，可由硬件或软件置位复位，在进行位处理时，CY 作为位累加器使用。F0 由用 户定义的状态标志，F0 可用软件置位或复位，也可以靠软件测试后的状态以控制程序 的执行顺序。 RS1 RS0 工作寄存器区选择控制位后，使用软件可对 RS1 RS0 做不同的置位。以 确认工作寄存器 R0-R7 的工作区。 OV 溢出标志，再执行算术运算指令时，由硬件置位或复位。在使用 ADD 和 SUBB 指令对带符号数做加减运算时。若运算结果超出了目的寄存器 A 所能表示的带符号数 的范围（-128+127）时 OV=1，否则为 0。在执行除法指令时，如除法为 0，OV=1 否则 OV=0。 （5）堆栈指针 SP，堆栈指针是一个 8 位专用寄存器，用于指示栈顶在内部 RAM 中的 位置系统复位后，SP 为 07H 堆栈的实际位置从 08H 开始。由于 08H1FH 单元为工作寄 存器区的 13 区在需要使用堆栈时，最好将其设置在 1FH 以上，SP 的一方面可由软件 来直接设置，另一方面在执行亚栈，弹出子程序调用，子程序返回和中断返回等指令 时，SP 的指令将随之自动改变。 （6）数据指针 DPTR，DPTR 是一个 16 位的专用寄存器，用于保存 16 位地址，在访问 外部数据存储器及访问程序存储器时，将 DPTR 作为地址寄存器使用。 （7）端口寄存器，对于 I/