基于单片机板材强度测定仪的设计

沈阳理工大学毕业设计（论文）题目基于单片机板材强度测定仪的设计系别信息与控制学院专业测控技术与仪器学生姓名闫圣坤指导教师王保华2011年6月15日摘要天然生长的木材即使同一树种，也可能因生长条件的变化而影响其结构上量的变化，这样就使得各株甚至于同株内的不同位置材性的变化可能很大。这些因素都给木材选材工作带来了一定的困难。本论文主要针对智能化板材强度在线实时检测线形成一套界面友好、功能齐全、使用方便、实时性强、准确率高、专业化程度较高的数控软件。本文主要介绍了板材强度自动检测线的工作流程，使用STC12C5A60S2作为单片机主控芯片，该芯片就有A/D转换功能，我们用此功能对板材的弯折度与压力值进行检测，然后显示在数码管上，在测量被测木板时，分别使用到位移传感器与压力传感器，其中压力传感器使用差分运算，对其进行放大后输入给单片机，通过记录检测值来判断板材的强度，具有一定的判断效果，在不损坏板材的前提下，达到测量的效果。研究木材强度数控检测线为木材强度检测的工业化生产奠定了良好的基础，它摆脱了传统的木材强度取样检测的局限，并且不破坏被检测木材，能实现木材强度自动分级的连续化生产，对我国木材分级技术有一定的促进作用。关键词单片机STC12C5A60S2；位移传感器；压力传感器；A/D转换ABSTRACTEVENIFNATURALGROWTHLUMBERIDENTICALTREESEED，ALSOPOSSIBLETOAFFECTINITSSTRUCTUREBECAUSEOFYIELDCONDITIONSCHANGETHEQUANTITYCHANGE，LIKETHISCAUSESEACHPOSSIBLYTOBEVERYEVENBIGWITHINDIFFERENTPOSITIONMATERIALCHANGETHESEFACTORSGAVETHELUMBERSELECTIONWORKTOBRINGCERTAINDIFFICULTYTHETHESISMAINLYAIMSATTHEINTELLECTUALIZEDPLATEINTENSITYONLINEREALTIMEEXAMINATIONLINEARTOBECOMESETOFCONTACTSURFACESTOBEFRIENDLY，THEFUNCTIONISCOMPLETE，THEEASYTOOPERATE，TIMELINESSARESTRONG，THERATEOFACCURACYISHIGH，SPECIALIZEDDEGREEHIGHNUMERICALCONTROLSOFTWARETHISARTICLEMAINLYINTRODUCEDTHEPLATEINTENSITYEXAMINESTHESURVEYLINEAUTOMATICALLYTHEWORKFLOW，USESSTC12C5A60S2TOTAKETHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITMASTERCONTROLCHIP，THISCHIPHASA/DTRANSFORMATIONFUNCTION，WEUSETHISFUNCTIONTOCARRYONTHEEXAMINATIONTOTHEPLATEBENDWITHTHEVALUEOFPRESSURE，THENDEMONSTRATIONONNIXIETUBE，WHENTHESURVEYISMEASUREDTHETEMPLATE，USESTHEPOSITIONTRANSMITTERANDTHEPRESSURETRANSMITTERSEPARATELY，ANDTHEPRESSURETRANSMITTERUSEDIFFERENCEOPERATION，CARRIESONTHEENLARGEMENTAFTERITINPUTSGIVESTHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUIT，JUDGESTHEPLATETHROUGHTHERECORDEXAMINATIONVALUETHEINTENSITY，HASCERTAINJUDGMENTEFFECT，INDOESNOTDAMAGETHEPLATEUNDERTHEPREMISE，ACHIEVESTHESURVEYTHEEFFECTTHERESEARCHSTRENGTHOFWOODNUMERICALCONTROLEXAMINEDTHESURVEYLINETOLAYTHEGOODFOUNDATIONFORTHESTRENGTHOFWOODEXAMINATIONINDUSTRIALIZATIONPRODUCTION，ITGOTRIDOFTHETRADITIONALSTRENGTHOFWOODSAMPLEEXAMINATIONLIMITATION，ANDDIDNOTDESTROYISEXAMINEDTHELUMBER，COULDREALIZETHESTRENGTHOFWOODAUTOMATICGRADINGCONTINUOUSPRODUCTION，HADCERTAINPROMOTERACTIONTOOURCOUNTRYLUMBERGRADUATIONTECHNOLOGYKEYWORDSMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSTC12C5A60S2；POSITIONTRANSMITTER；PRESSURETRANSMITTER；A/DTRANSFORMATION目录1引言111板材强度检测系统现状分析1111国内板材强度检测设备的现状分析1112国外板材强度理论研究和弹性模量检测设备的发展趋势212板材强度检测系统研发目的及意义313板材强度数控检测线的市场预测与产品的效益分析42系统总体设计521总方案选取522传感器选取623系统实现的功能介绍724系统总体框图83系统硬件设计931单片机的发展趋势与介绍9311AT89C51功能特性描述9312单片机最小系统的设计1433显示电路设计1633按键部分的电路设计18331键盘的分类18332键盘的工作方式2034电源部分的设计203517805与7905芯片介绍2135角度仪的电路设计2236压力传感器的电路设计2337运算放大电路2437A/D转换电路接口254软件部分的设计27结论34致谢35参考文献36附录A英文文献37附录B中文翻译41附录C电路图44附录D程序清单451引言11板材强度检测系统现状分析木材的弹性模量与强度和刚度有着密切的关系，它是木材强度重要的分等依据，根据木材弹性模量的数值范围就可以确定木材强度的等级。本文的木材强度数控检测线是通过纵向振动法获取弹性模量，通过弹性模量实现木材强度分等。所以木材强度检测线检测的关键是木材的弹性模量，同时也可称为木材弹性模量检测线。111国内板材强度检测设备的现状分析我国传统的木材弹性模量的检测方法通常是采用静态测试法的小试件3点弯曲试验法，即抽取一定比例的成品板截成小试件进行破坏性试验。目前静态法基本都是采用木材万能实验机、专用卡具、游标卡尺、干分尺等工具用破坏试件的方法来测量弹性模量。相对于其它方法来说，静态法的主要优点是测量精确，但是工时费用较高，工作过程复杂、耗时长，检测结果不能及时反馈到生产线，只能用于单件小批量检测。这些测量方法多为破坏性测量，劳动生产率低。就我国的情况而言，惯用的做法是依据标准从一批产品中随机抽取01不得少于L张的样板进行测试。中密度纤维板的售价不高，一般企业均采用一张板进行测试。破坏性检验增加了成本，并且随机抽取不能保证每张板的质量合格，远不能满足现在大规模应用人造板的要求。为了满足工业化生产的需求，国内正不断的对板材弹性模量的动态测试法进行研究。木材的弹性模量与强度和刚度有着密切的关系，木材按机械的强度等级区分的方法有测量木材变形推测强度的方法和测量木材振动特性推测强度的方法。我国从80年代初开始了木材无损检测技术的应用基础研究19801985年陈嘉宝利用超声仪对11种木材超声弹性模量和强度关系进行了研究；1985年刘一星等利用超声波检测系统测试分析木材的顺纹、横纹的超声波检测值与强度之间的关系；1988年赵学增、刘一星等利用快速傅利叶变换分析技术和计算机技术开发了一种关于木材弹性模量E和刚性系数G的快速测量方法。90年代以来国内也有些木材无损检测分级方面的文献报道，但都处于实验室规模的研究阶段，我国自主开发的木材强度分级无损检测线尚未问世，其主要原因在于无损检测线的实用性开发高科技技术含量高，难度大，需要木材科学、机械设计、电气自动化、计算机控制等多个专业的技术人员合作才有可能成功1。在我国进入世界贸易组织的形势下，国内木材加工业均面临参与国际贸易竞争的风险和挑战。国际市场对木材及林工产品的质量和强度分级有着很严格的要求，同时经过规范检测的高品质等级产品也能通过高销售价格获取明显的利润，这无疑在接受风险挑战的同时，也给我们带来了新的发展机遇。而作为活力木蓄积量居全国第一位的黑龙江省，正是出于风险最大，机遇也最多的地位。所以，如果我们通过应用高新技术的改革和创新，开发研制出具有自主知识产权和高性价比优势，适合我国、我省实际情况和需求木材木质材料强度分级无损检测线并迅速推广，就能够在进入WT0中再提高木材和木制品质量控制水平获取价格利润和检测线本身的推广销售利润两个方面获得巨大的经济效益。因此，前景十分广阔。112国外板材强度理论研究和弹性模量检测设备的发展趋势国外对木材及木质材料的无损检测技术研究较早，20世纪60年代，英国、美国、南非等国研究出第一代木材分等机械；采用重量法结合人工目测的方法对木材进行分等。70年代末80年代初，英国、芬兰研究出第二代木材应力分等机，采用非破坏性的实验方法对木材进行分等。90年代以来，利用纵向应力波测定木材弹性模量和抗拉强度的研究取得了较大的进展，并可用有限元模型来表示非均质锯材的动态特性。目前，国外已适用于木材加工企业的木材强度分级检测线的主流产品是美国METRIGARD公司和德国有关公司的应力分级机。日本的中国木材公司、河合木业公司与机械、电气公司联合研制的应力分级检测线也应用在自厂的生产，但国际市场销售的分级检测线价格昂贵，高达300万800万元人民币，不能被国内木材加工企业所接受，但本研究拟开发研制的检测线形成工业化产品后的预期价格不高于35万元人民币。国外木材弹性模量检测设备的研究发展以在线NDT无损检测设备为主。NDT是在不破坏物质原有材质和形状情况下，对材料的某些特性进行检测。采取在线NDT方法，可将检测结果及时反馈到生产线，及时调整工艺参数，保证每一块板的质量符合要求。NDT的最大优点是既不破坏材料的原有特性，而且能在短时间内获得结果，以便操作人员做出判断，有利于生产的连续性和生产效率的提高。由于人造板等板材在生产生活中的大规模运用，对在线检测提出了更高的要求，弹性模量检测技术将向应用于生产实际，节约原材料，保证产品安全可靠，实现质量控制，提高劳动生产率，向全自动化方向发展。随着电子技术、计算机技术及NDT技术等科学技术的发展，作为木材力学强度NDT基础的木材弹性模量的研究也将会更加深入。弹性模量的检测会与电子技术及计算机等技术更加紧密的结合来满足生产要求，提高检测水平，不断缩小动态检测和静态检测结果的差异性，使动态检测的结果更加接近板材实际弹性模量，更加的准确。以后的板材弹性模量检测技术会将更多的数学方法引入到NDT中来，会与有限元、小波分析和人工神经网络等结合的越来越多。总之，板材弹性模量检测设备将不断在探索中与更新更好的技术相结合来完善检测的理论和实践，我国的板材弹性模量检测线必然向着在线检测、NDT和全自动化检测的方向发展。而板材弹性模量数控检测线由于自动化程度高、测量方便和准确等特点将会是未来弹性模量检测技术发展的一个重要方向。12板材强度检测系统研发目的及意义研制采用计算机数控智能化技术，能对木材成材、人造板、家具部件材的力学强度等级在生产线上实行快速无损检测的成套设备，形成高效的自动化检测线。研究木材弹性模量数控检测线为木材弹性模量检测的工业化生产奠定基础，它摆脱了传统的木材弹性模量检测取样检测的局限，并且不破坏被检测木材，能实现木材强度自动分级的连续化生产，对我国木材分级技术有一定的促进。目前国际市场销售的木材分级检测线价格昂贵，不能被国内的木材加工企业所接受。研究木材弹性模量数控检测线也是为了研究一种价格低廉，更符合我国国情的弹性模量检测机。成材和人造板等木质材料的在线无损检测及应力分等，能改变传统分等方法的分等效率低，分等误差大等缺陷，能快速准确地对木材和人造板等木质材料按应力或强度水平进行区分、划等，是物尽其材、提高材料的利用水平，同时也避免了因分等不准造成的材料的超载使用所带来的事故隐患，特别是对于强度这种原本必须用破坏方法才能检测的材料性质，本研究的预期成果将更加显现其优越性。由原来抽样破坏检测即浪费材料和工时，也难以保证整批产品质量的情况，变为最大程度的保证产品质量、杜绝浪费。我省活力木蓄积量居全国之首。拟研制的木材和木质材料实时无损检测线可以提高成材和人造板的质量控制水平，规范产品质量控制体系、防止木材和人造板的人为浪费、合理保护资源、提高木材资源的综合利用率、提高生产效率和产品价值、具有显著的经济效益和社会效益。我国即将进入WTO，国际市场对木材及林工产品的质量和强度应力分级有着很严格的要求，同时经过规范检测的高品质等级产品也能够通过高销售价格获取明显的利润。所以，我们只有通过应用高新技术改革和创新才能更好地迎接入世之后带来的挑战和机遇。13板材强度数控检测线的市场预测与产品的效益分析目前由于木材的发展导致对板材检测设备需求增加，而传统的检测方式往往不能满足时代发展的需求。比如传统对刨花板和中密度纤维板的静曲强度和弹性模量的测定，基本都是通过手工取点然后向工件加载压力，最后破坏工件的方式来测绘出弹性模量。这样不仅成本高，而且测量的效率低，无法满足对大批量木材弹性模量检测的要求。采用振动法无损检测弹性模量的方法，虽然比传统手工检测的方法节约了成本，但是需要用胶粘剂把传感器和工件连在一起，用手动小锤敲击的方法收集信号FUFFT分析仪检测弹性模量。这样检测效率低，仍然满足不了市场需求。采用超声波速及波形测试法因为测试结果受到测试件与超声波发射器及接受器的耦合程度的影响较大，除了用油性耦合剂外，亦有用水性耦合剂进行各种实验，耦合剂对试件的渗透很快，而耦合剂渗透造成的污染无法避免与消除。这就使超声波波速及波形测试法难于在工业生产实际中应用。最近二三十年也有应用电测法测量弹性模量，电测法能够精确测量木材的弹性常数，是一种比较合适的应变检测手段，测试结果可靠，实验时间短而且可以同时测出木材试件在三个主方向上的应变。但是电测法费用较高，主要是由于电阻应变片仅能一次性使用。同样不适合工业在线检测。所以现在必须摆脱取样检测的局限，直接在工件上进行材料弹性模量的高精度检测已势在必行。在线无损检测设备一定有很广阔的市场。在线无损检测应该满足的基本要求1检测过程自动控制2数据处理智能化3适时显示检测结果和保存。木材数控检测设备能够满足市场需求，实现对木材的在线无损自动化的检测的要求。在检测过程中，工件将自动通过滚台，传送到测量台，机器会自动下压木板一定的角度，根据这个设定好的角度，后在根部产生一个压力，通过单片机测量这个压力值与角度值，来判断木板的强度情况。数控检测设备将记录下其高度、厚度及长度，然后由推板器推到电子秤上称重并被小锤敲击通过木材声音频率来确定静弹性模量，由喷漆筒对不同弹性模量的木材喷不同颜色的油漆，最后经传送链传到出料滚台，工件检测完毕。整个过程耗时短，检测自动化程度高，并且直接测。此设备的研制对我国木材分级技术也有一定的促进，价格方面也比较符合我国国情。所以一定具有良好的市场前景。能在木材的检测中广泛的应用。2系统总体设计本设计是基于单片机的板材强度测定仪的设计，测定仪的主要任务是完成对木板等规则型木材的强度进行测量，测量时将木材弯折一定的角度，然后测量在此种弯折角度下的压力值与位移值，位移值即弯折的角度越大偏离水平面的位移值越大，通过位移值与压力值的结合，判断出木材强度的大小。21总方案选取方案一使用传统的51单片机芯片作为主控芯片，使用A/D转换芯片进行对位移值与压力值的转换，设计框图如图21所示，图中使用单片机为89C52，使用A/D转换芯片为ADC0832，具有两路A/D转换，压力传感器的输出信号经过放大后接入第一路A/D转换入口，而位移传感器返回的信号直接接入A/D转换芯片的输入第二通道，这样一个A/D转换芯片就同时完成了两路A/D转换信号的提取。图21方案一总体框图方案二单片机A/D转换运算放大位移传感器压力传感器使用自带A/D转换的单片机芯片，基于此设计题目，我们使用具有A/D转换功能的型号为STC12C5A60作为主控单片机芯片，该芯片具有A/D转换功能，并且最大转换频率为300KHZ，最大可以进行7路A/D信号的转换，这样的设计更有利于单片机的集成化设计，减少硬件设计的难度，加快了A/D程序的速度，使用自带的A/D转换的速度更快，并且成本更低，方案二的硬件设计框图如图22所示。图22方案二硬件设计框图综上所示，我们可以看出，使用方案二进行硬件的设计，不仅减少硬件的设计复杂性，而且还有利于硬件的集成化，成本低，并且转换速度快，所以我们选用方案二作为主要的设计思路。22传感器选取在此设计中我们需要用到位移传感器、压力传感器，还会用到运算放大电路，每个部分的选取与每个部分的应用，都要考虑到性价比与方案的可行性，对于位移传感器，要精确的测量出，木板的位移度，而对于压力传感器，要能够测量出木板弯折的时候的位移值，要求转换的精确度高，并且具有一定的可行性，对于传感器的选取方案如下（1）位移传感器单片机运放电路位移传感器压力传感器A/D转换1A/D转换2方案一、使用外购的角度传感器，直接进行安装，对返回电压信号进行A/D采集后转换出数字量，然后进行计算后，显示在数码管上，使用这种方法，虽然安装简单，但是由于本设计比较新颖，很难找到配套使用的传感器，并且位移传感器的价格昂贵，这样会大大提高设计的成本。方案二、使用自制位移传感器，利用电位器的旋转，电位器旋转引起电压的变化，电压值输入到单片机进行A/D转换，对转换后的数字量进行显示，设计如图23所示，图中固定架为固定测量木板，可以通过平衡杠与固定架来调整木板的弯折的角度，有弯折度时，平衡杠就会带动电位器旋转，然后产生一个电压信号，这个电压值输入到单片机单片机，经过单片机处理后转换为数字信号，经过计算后进行显示。图23传感器在设计中的布局示意图（2）压力传感器压力传感器使用电子秤上专用的传感器，使用40KG的重量压力传感器，将其固定在平衡杠弹簧下面，当平衡杠向下移动时，压下弹簧，弹簧压下重力传感器，重力传感器将压力差压值经过比例运算放大器放大后输入单片机，经过单片机A/D转换后，将数字量处理后显示在数码管上。23系统实现的功能介绍在第一章中介绍了各种测量板材强度的方式、方法，从总体来看，国内外在研究板材强度的测定时，对板材本身都有一定的损坏，要做到无损检查是现在研制此课题的重点内容，基于此点，我们设计的课题需要具有如下功能自动化控制功能在整个设计中要到达木材的全自动化控制与测量。压力施加台电机螺旋杆压力传感器位移传感器强度与位移设定由于本次设计使用的测量方法为位移压力测量法，所以我们必须对位移与压力进行一定的设置，当超出此设置值时产生报警，这样更能够确保无损的检查。强度与位移监测能够对木板弯折点的压力进行测量，能够对木板偏离水平面的位移进行测量。显示界面能够将测量的压力与位移信息显示在数码显示管上。报警功能当测量值大于设置值时，产生报警。系统测量系统的外观框图，其中木板放置在控制台上，被紧固夹夹紧，紧固夹为一个可以活动的压紧器件，另一端如图右端所示，主要的压力测量需要通过压力台施加一定的压力，而压力台施加压力的大小需要手动人为的控制，通过点击带动螺旋杆旋转，则螺旋杆将会上下旋转，当向下旋转时，将会把木板压下，同时位移传感器测量被压下的水平距离，压力杆下面安装压力传感器，这样在下压时，就可以测量被压下点的压力值大小，然后将压力值与位移值出送给单片机，通过计算后显示在数码管上。系统工作框图如图25所示，电机开关通过手动由人控制，电机通电后，带动螺旋杆旋转，然后将木板下压，通过位移传感器判断螺旋杆下旋的位移，通过压力传感器对压力值进行测量，压力传感器与位移传感器返回的都为模拟量，使用单片机自带的A/D转换功能将其转换为数字量，然后进行计算与处理后，显示在数码显示管上，完成模拟量到数字量的转换。图24传感器系统工作框图电机开关电机螺旋杆位移传感器压力传感器单片机单片机键盘输入报警器压力检测位移检测显示电路放大电路A/D转换按键检测显示刷新控制信号A/D转换24系统总体框图系统总体框图如图25所示。图25系统总体框图3系统硬件设计31单片机的发展趋势与介绍现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。311AT89C51功能特性描述AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOSS位单片机，片内含K4BYTES的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和128BYTES的随机存取数据存储器RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS一51指令系统，片内置通用8位央处理器CPU和FLASH存储单元。AT89C51提供以下标准功能32个1/0口线，两个16位定时计数器，一个5向量级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至OHZ的静态逻辑操作，并支持两种软件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，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM的内容，但振荡器停工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位3。1、内部主要模块介绍（1）中断与堆栈MCS51有5个中断源，分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的，它的堆栈位置也是可编程的，堆栈深度可达128字节。MCS51子系列有2个16位的定时/计数器，通过编程可以实现四种工作模式。MCS52子系列有3个16位的定时/计数器。MCS51在内部RAM中开设了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的要求。（2）指令系统MCS51是一个功能很强的指令系统，主要表现在MCS51的指令系统中增添了减法、乘法、除法、比较、堆栈操作和多种位操作指令5。当振荡器频率接最高12MHZ时，大部分指令执行时间为1S，少部分为2S，乘除指令的执行时间也只有4S。（3）布尔处理器特别值得一提的是MCS51的布尔处理器。它实际上是一个完整的一个微计算机，这个一位的微机有自己的CPU，位寄存器、I/O口和指令集。把八位微机和一位微机结合在一起，是微机技术上的一个突破。一位机在开关决策、逻辑电路仿真和实时测控方面非常有效，而八位机在运算处理、智能仪表常用的数据采集方面有明显的长处。在MCS51系列单片机中八位机和一位机（布尔处理器）的硬件资源是复合在一起的，二者相辅相成，这是MCS51在设计上的精美之处，也是一般微机所不具备的。2、89C51的引脚介绍掌握MCS51单片机，应首先了解MCS51的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能。MCS51系列中各种芯片的移交是互相兼容的。制造工艺为HMOS的MCS51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装DIP方式。目前大多树为此类封装方式。制造工艺为CHMOS的8031/89C51/87C51除采用DIP封装方式以外，还采用方行封装方式，为44只引脚（其中4只是无用的引脚）如图32所示40只引脚按其功能来分，可分为如下4类（1）电源引脚VCC、VSS；（2）时钟引脚XTAL1、XTAL2。（3）控制引脚/PSEN、ALE、/EA、RESET。（4）I/O口引脚；P0、P1、P2、P3、为4个8位I/O口的外部引脚。下面结合图31来介绍各引脚的功能。电源及时钟引脚1电源引脚电源引脚接入单片机的工作电源（1）VCC40引脚接5V电源。（2）VSS20引脚接地2时钟引脚2个时钟引脚XTAL1，XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个振荡器，它为单片机提供了时钟信号。2个时钟引脚也可以外接独立的晶体振荡器。XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHZ，时钟频率就为6MHZ。晶振的频率可以在1MHZ24MHZ内选择。电容取30PF左右。型号同样为AT89C51的芯片，在其后面还有频率编号，有12，16，20，24MHZ可选。大家在购买和选用时要注意了。如AT89C5124PC就是最高振荡频率为24MHZ，40P6封装的普通商用芯片。根据综上分析，此次设计中的最小系统的设计采用89C51芯片作为最小系统芯片是最佳选择。（1）XTAL1（19引脚）接外部晶体的1个引脚。该引脚内部是1个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器/如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（2）XTAL2（18引脚）接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。3控制引脚此类引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。（1）RST/VPD9引脚RST（RESET）是复位信号输入断，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平时候，就可以完成复位操作。在单片机正常工作时，此引脚应为05V低电平；VPD为本引脚的第二功能，即备用电源的输入断。当主电源VCC发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将5V电源自动接入RST端，为内部RAM提供备用电源，以保证片内RAM中的信息不丢失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。（2）ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲号输出，此频率为时钟振荡频率的1/6。如果有脉冲信号输出，则单片机基本上是完好的；应该注意的是，每当MCS51访问外部数据存储器时，在2个机器周期中ALE只出现1次，即丢失1个ALE脉冲。因此，严格来说，用户不宜用ALE做精确的时钟源或定时信号。ALE端可以驱动8个LS型TTL负载；/PROG为本引脚的第二功能。在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端4。（3）/PSEN程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚外接部程序存储器的/OE端。/PSEN端可以驱动8个LS型TTL负载。如果检查一个MCS51单片机应用系统上电后，CPU能否正常到外部程序存储器读取指令码，可用示波器查/PSEN端有无脉冲输出。（4）/EA/VPP（ENABLEADDRESS/VOLTAGEPULSEOFPROGRAMING，31脚）/EA功能为内外程序存储器选择控制端。当/EA引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时，即超出片内程序存储器的4KB地址范围，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当/EA引脚为低电平时，单片机则只访问外部程序存储器，不论是否有内部程序存储器。对于8031来说，因其无内部程序存储器，所以该引脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器。VPP为本引脚的第二功能。在对EPROM型单片机8751内EPROM固化编程时，用于施加叫高的编程电压10。对于89C51，则加在VPP引脚的编程电压为12V或5V。4I/O口引脚（1）P0口双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。（2）P1口8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。（3）P2口8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。（4）P3口8位准双星I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。这里要特别注意准双向与双向三态口的差别。P1口，P2口，P3口是3个8位双向的I/O口，各口线在片内均有固定的上拉电阻。当这3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写1，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。其引脚图如图32所示。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/AD01P11/AD12P12/AD23P13/AD34P14/AD45P15/AD56P16/AD67P17/AD78P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20U1STC12C5A60S2图3189C51引脚图312单片机最小系统的设计单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对本次设计使用单片机来说，最小系统一般应该包括单片机、晶振电路、复位电路，下面给出一个51单片机的最小系统电路图，如图32所示。复位电路由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变“的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C取10U，R取82K当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍7。晶振电路典型的晶振取110592MHZ因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合/12MHZ产生精确的US级时歇，方便定时操作单片机STC12C5A60S2或其他51系列兼容单片机。特别注意对于31脚EA/VPP，当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行这一点是初学者容易忽略的复位电路一、复位电路的用途单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。单片机复位电路如图32所示。二、复位电路的工作原理在书本上有介绍，51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续就可以US2实现，那这个过程是如何实现的呢在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。开机的时候为什么为复位在电路图中，电容的的大小是，电阻的大小是10K。所以根据公式，可以算UF10出电容充电到电源电压的07倍（单片机的电源是5V，所以充电到07倍即为35V），需要的时间是SUFK10也就是说在电脑启动的01S内，电容两端的电压时在035V增加。这个时候10K电阻两端的电压为从515V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。所以在01S内，RST引脚所接收到的电压是5V15V。在5V正常工作的51单片机中小于15V的电压信号为低电平信号，而大于15V的电压信号为高电平信号。所以在开机01S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为01S左右）。按键按下的时候为什么会复位在单片机启动01S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在01S内，从5V释放到变为了15V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为35V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20U189C51C122UFC222UFY112MHZC310UFR110KVCCP11P12P13P14P15P16P17P18P21P22P23P24P25P26P27P28S19P01P02P03P04P05P06P07P08P31P32P33P34P35P36P37P38位位位位位位位位图3289C51最小系统33显示电路设计LED数码管的结构及工作原理LED数码管（LEDSEGMENTDISPLAYS）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图33是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。下面将介绍常用LED数码管内部引脚图片图33LED内部电路图每一笔划都是对应一个字母表示DP是小数点。LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。A、静态显示驱动静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O埠来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O埠才32个呢。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。B、动态显示驱动数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“A，B，C，D，E，F，G，DP“的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为12MS，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。电路图如图34所示，本次设计使用的显示位LED数码管，使用动态扫描的方式，由于单片机STC12C5A60S2的驱动能力不足以将数码管点亮，所以我们需要使用外部的驱动芯片，由于74HC573芯片为具有锁存作用的驱动芯片，同时该芯片的布局非常合理，属于一一对应的关系，所以我们使用该芯片作为驱动芯片，使用单片机的P0口作为数码管的段码口，P2口为数码管的位选口，通过控制到导通与截止时间来控制亮度。图34显示电路图33按键部分的电路设计331键盘的分类常用的键盘一般分为两种行列式按键键盘与独立式按键键盘；例如我们常用的电脑键盘，家用计算器键盘都属于行列式键盘，行列式键盘的优点就是使用单片机的I/O口较少，而且连接电路简单；而独立式按键每一个按键需要占用一个独立的I/O口，使用于按键较少的硬件电路中，综上说述，我们采用行列式键盘来实现电风扇的OC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12VCC20GND10U274HC5735V5V5VOC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12VCC20GND10U374HC573PA01PA02PA03PA04PA05PA06PA07PA08A1HF2H3HBEDDPCGLEDS13LEDA1HF2H3HBEDDPCGLEDS23LEDPA21PA22PA23PA24PA25PA26PA27PA28分分分分按键功能；1、行列式键盘接口行列式（也称矩阵式）键盘用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，如图34所示，1个33的行、列结构可以构成1个具有9个按键的键盘。同理1个44的行、列结构可以构成1个16个按键的键盘等等。如图所示。很明显，在按键数目较多的场合，行列式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。S1S2S3S4S5S6S7S8R4151KR4251KP10P11P14P15P16P17位位位位位5V图3524键盘2、行列式键盘工作原理按键设置在行、列线交点上，行、列分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到5V上。无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。列线的电平如果为低，则行线电平为低；列线的电平如果为高，则行线电平亦为高。这一点是识别行列式键盘是否按下的关键所在。由于行列式键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作是的处理，才能确定闭合键的位置，下面以图中3号键被按下为例，来说明此键是如何用扫描法被识别出来的。当3号键被按下时，与3号键相两的行线电平将由与此键相连的列线电平决定，而行线电平在无按键按下时处于高电平状态。如果让所有的列线处于低电平，很明显，按键所在的行电平将被接成低电平，根据此行电平的变化，便能判定此行一定有按键被按下。但还不能确定是键3被按下，以为如果键3不被按下，而同一行的键2、1或0之一被按下，均回产生同样的效果。所以，行线处于低电平只能得出某行有按键被按下的结论。为进一步判定到底是哪一列的按键被按下，可采用扫描法来识别。即在某一时刻只让1条列线处于低电平，其余所有列线处于高电平。当第一列为低电平，其余各列为高电平时，以为是键3被按下，所以1行仍处于高电平状态；而当第二列为低电平，其余各列为高电平时，同样我们会发现第1行仍处于高电平状态；直到让第4列为低电平，其余各列为高电平时，以为瓷实号键被按下，所以第一行的电平将由高电平转换到第4列所处的低电平，据此可以判断第1行第4列的交叉点处的按键，即3号键被按下。根据上面的分析，很容易想到识别键盘有无键盘被按下的方法，此方法分2步进行第1步，识别键盘有无键被按下；第2步，如有键盘被按下，识别出具体的按键。分别介绍如下首先把所有的列线均置为低电平，检查各行线是否有变化，如果有变化，则说明有键被按下，如果没有变化，则说明无键被按下。上述识别具体按键的方法也称为扫描法，即先把某一列置低电平，其余各列置为高电平，检查各行线电平的变化，如果某行线为低电平，则可确定次行此列交叉点处的按键被按下。332键盘的工作方式在此设计中我们使用编程扫描方式，这种方式就是只有当单片机空闲时，才调用键盘扫描子程序，反复的扫描键盘，等待用户从键盘上输入命令或数据，来响应键盘的输入请求。图为1个24矩阵键盘与89C51单片机的P1口相连的原理图，键盘采用编程扫描方式工作，P1口高2位输出逐行扫描信号，在由P1口输入8位列信号，均为低电有效。首先P1口高2位拉低状态，置全0来扫描行，若P1低四位输出全1，则说明键盘无键按下；若不完全为1，则说明键盘有可能有键按下。其次用软件延时10MS来消除按键抖动的影响。确实有按键按下时，进行下一步。再次发逐行扫描，即先将第一行置0扫描，然后判断是否有列被置0，如果有则在这一行有按键按下，则将P1的键值返回，然后进行查表；如果没有按键按下，则扫描下一行，如果没有按键按下则返回值为0，也就是没有按键动作；最后等待按键释放后，在进行按键功能的处理操作。34电源部分的设计本设计中采用7805与7905外接正负12V变压器来组成双5V电源，对单片机进行供电，使用7805供电的优点是，工作输入电压在735伏范围内能准确输出5V电压，并且外接电路简单可靠，性价比高；电源部分的硬件电路如图37所示图36电源电路图3517805与7905芯片介绍三端稳压集成电路7805外形如图38所示，从做到右引脚排列依次为1、2、3引脚，引脚功能为输入端，2为公共接地端，3为输出端，输入电压值在7V35V之间，但是当输入电压值大于17V时应为7805加上散热片，否则容易由于过热而导致烧坏。图377805外形图电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。故名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出132VVGNDINOUTU1278L05123VVGNDOUTINU1379055V5VVCCVCCC21104C22104C23104C24104C21470UFC22470UFC23470UFC24470UF分分分分，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO220的标准封装，也有9013样子的TO92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。78/79系列三端稳压IC有很多电子厂家生产，80年代就有了，通常前缀为生产厂家的代号，如TA7805是东芝的产品，AN7909是松下的产品。有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24，用来区别输出电流和封装形式等，其中78L调系列的最大输出电流为100MA，78M系列最