基于MSC-51的水质检测仪控制系统设计完整论文

1、摘 要水质检测是水资源管理与保护的重要基础，是保护水环境的重要手段。针对我国水质检测系统存在的问题，本论文设计了基于单片机的水质实时检测系统。在此设计电路完成后，它可实现检验五种参数是否达标。本设计的系统编程采用C语言，用单片机AT89S52作系统核心，主要完成对显示电路设计、键盘电路设计等功能。应选用的传感器分别为温度、PH值、电导率、浑浊度和溶解氧。本设计不足在于除温度传感器容易买到外，由于其它四种传感器价格较贵采用模拟检验。整个系统分为复位电路、单片机控制单元电路、AD转换电路、输入输出电路、LED显示电路、电源电路。主要的设计是几种传感器所采集的数据通过多路开关，传送到A/D转换器再传

2、送到单片机中进行检测。在接通电源的条件下，本系统能够显示检验水质的各种参数，并通过报警电路进行异常情况报警。关键词： AT89S52； DS18B20 ；LED显示；C语言ABSTRACTThe testing of water resources is the important foundation of management and protection of detection. It is also one of the most important means of protecting water environment. Aiming at problems of water

3、quality inspection system, this paper designs the real-time detection based on single-chip water system. In the circuit design, it can test five parameters.The design uses C language on system programming in AT89S52 single-chip microcomputer. This system mainly realize the display circuit design, th

4、e keyboard circuit design and so on. Sensors for temperature, PH value, conductivity, turbidity and oxygen are used in this design. Except for temperature sensor is easy to buy, the other four sensors are too expensive to get, so it used a simulated test in this design. The whole system is divided i

5、nto reset circuit, single-chip microcomputer control circuit, A/D circuit, input/output circuit, LED display circuit and the power circuit. The main design is to deal with signal comes from several kinds of sensors, and then transfer it to A/D converter to teleport to chip in. When turning on the po

6、wer, this system can display the various parameters and quality inspection as well as alarm circuit abnormalities in alarm.Key Words：AT89S52; DS18B20; Led display; C language目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc264029927 1引言 PAGEREF _Toc264029927 h 1 HYPERLINK l _Toc264029928 2系统概述 PAGEREF _Toc264029

7、928 h 3 HYPERLINK l _Toc264029929 2.1 系统总体设计目标 PAGEREF _Toc264029929 h 3 HYPERLINK l _Toc264029930 2.2 系统总体设计方案 PAGEREF _Toc264029930 h 4 HYPERLINK l _Toc264029931 2.2.1系统工作原理 PAGEREF _Toc264029931 h 4 HYPERLINK l _Toc264029932 2.2.2系统设计方案 PAGEREF _Toc264029932 h 4 HYPERLINK l _Toc264029933 2.2.3系统结

8、构框图 PAGEREF _Toc264029933 h 13 HYPERLINK l _Toc264029934 3系统硬件电路设计 PAGEREF _Toc264029934 h 14 HYPERLINK l _Toc264029935 3.1 系统硬件电路 PAGEREF _Toc264029935 h 14 HYPERLINK l _Toc264029936 3.2 设计方案的介绍 PAGEREF _Toc264029936 h 14 HYPERLINK l _Toc264029937 3.2.1 单片机的最小系统电路设计 PAGEREF _Toc264029937 h 14 HYPER

9、LINK l _Toc264029938 3.2.2 系统显示电路 PAGEREF _Toc264029938 h 15 HYPERLINK l _Toc264029939 3.2.3 键盘电路设计 PAGEREF _Toc264029939 h 17 HYPERLINK l _Toc264029940 3.2.4 稳压电源设计 PAGEREF _Toc264029940 h 18 HYPERLINK l _Toc264029941 3.3 系统实现的关键技术 PAGEREF _Toc264029941 h 18 HYPERLINK l _Toc264029942 3.3.1 抗干扰技术 PA

10、GEREF _Toc264029942 h 18 HYPERLINK l _Toc264029943 3.4 AT89S52芯片介绍 PAGEREF _Toc264029943 h 20 HYPERLINK l _Toc264029944 3.4.1 引脚功能说明 PAGEREF _Toc264029944 h 21 HYPERLINK l _Toc264029945 3.4.2 振荡器特征 PAGEREF _Toc264029945 h 23 HYPERLINK l _Toc264029946 3.4.3 波特率发生器 PAGEREF _Toc264029946 h 24 HYPERLINK

11、 l _Toc264029947 3.4.4 掉电模式 PAGEREF _Toc264029947 h 25 HYPERLINK l _Toc264029948 3.4.5 Flash闪速存储器的编程 PAGEREF _Toc264029948 h 25 HYPERLINK l _Toc264029949 3.4.6 空闲模式 PAGEREF _Toc264029949 h 26 HYPERLINK l _Toc264029950 3.4.7 程序存储器的加密位 PAGEREF _Toc264029950 h 26 HYPERLINK l _Toc264029951 4系统的软件设计 PAGE

12、REF _Toc264029951 h 27 HYPERLINK l _Toc264029952 4.1 C语言程序设计 PAGEREF _Toc264029952 h 27 HYPERLINK l _Toc264029953 4.1.1 C语言简介 PAGEREF _Toc264029953 h 27 HYPERLINK l _Toc264029954 4.1.2 C语言的特点 PAGEREF _Toc264029954 h 27 HYPERLINK l _Toc264029955 4.1.3 C源程序的结构特点 PAGEREF _Toc264029955 h 27 HYPERLINK l

13、_Toc264029956 4.2系统程序的设计 PAGEREF _Toc264029956 h 28 HYPERLINK l _Toc264029957 4.2.1程序设计步骤 PAGEREF _Toc264029957 h 28 HYPERLINK l _Toc264029958 4.2.2系统程序编制思想 PAGEREF _Toc264029958 h 28 HYPERLINK l _Toc264029959 4.3系统主程序 PAGEREF _Toc264029959 h 28 HYPERLINK l _Toc264029960 4.3.1系统主程序流程图 PAGEREF _Toc26

14、4029960 h 29 HYPERLINK l _Toc264029961 4.3.2系统各模块的设计 PAGEREF _Toc264029961 h 29 HYPERLINK l _Toc264029962 5系统调试 PAGEREF _Toc264029962 h 30 HYPERLINK l _Toc264029963 5.1 硬件调试 PAGEREF _Toc264029963 h 30 HYPERLINK l _Toc264029964 5.2 软件调试 PAGEREF _Toc264029964 h 30 HYPERLINK l _Toc264029965 5.3 联机调试 PA

15、GEREF _Toc264029965 h 31 HYPERLINK l _Toc264029966 5.4 调试中遇到的问题及解决方法 PAGEREF _Toc264029966 h 31 HYPERLINK l _Toc264029967 结 论 PAGEREF _Toc264029967 h 32 HYPERLINK l _Toc264029968 参考文献 PAGEREF _Toc264029968 h 33 HYPERLINK l _Toc264029969 附录一：主电路原理图 PAGEREF _Toc264029969 h 34 HYPERLINK l _Toc264029970

16、 附录二：模块程序设计 PAGEREF _Toc264029970 h 35 HYPERLINK l _Toc264029971 致 谢 PAGEREF _Toc264029971 h 40第二章 MACROBUTTON AcceptAllChangesInDoc XXXX. 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业设计PAGE 51引言水是生命之源，它不仅蕴育了生命，而且是任何生命体得以维持的最基本的物质基础。水与人体健康息息相关，它是消化食物、传送养分、体液循环、体温调节、润滑组织器官等所必需的，同时，水也是为人体获得各种营养物质的重要途径之一。由于人们对水质的检测越来越关注，所以我选择设

17、计水质监测仪。因为MSC-511系列单片机具有性能稳定、工作可靠、价格低廉等特点，因此其应用相当广泛。一个MSC-51系列的单片机（如ATMEL89cxx）内部包含有RAM、FLASH ROM、两个或者三个16位的定时器/计数器等多种资源。但即便如此，在一些相对复杂的单片机应用系统中，仅仅一个单片机资源还是不够的，因此常常需要扩充I/O接口、定时器/计数器、串行通信接口、RAM、ROM等。本设计将温度传感器、PH值传感器、溶解氧传感器、浑浊度传感器、电导率传感器通过多路开关，传送到A/D转换器再传送到单片机中进行检测，在接通电源的条件下，通过报警系统以及显示检验水质的各种参数。下面分别介绍一下

18、关于在水中的PH值、溶解氧、浑浊度、电导率的影响。水的酸碱性均用PH值表示，水是由H2O组成。在一般情况下，水可以发生微弱的电离。在纯水中，由于氢离子过剩水呈现酸性，水越纯越偏酸。溶解氧（Dissolved Oxygen）是指溶解于水中分子状态的氧，即水中的O2，用DO表示。溶解氧是水生生物生存不可缺少的条件。溶解氧的一个来源是水中溶解氧未饱和时，大气中的氧气向水体渗入；另一个来源是水中植物通过光合作用释放出的氧。溶解氧随着温度、气压、盐分的变化而变化，一般说来，温度越高，溶解的盐分越大，水中的溶解氧越低；气压越高，水中的溶解氧越高。溶解氧除了被通常水中硫化物、亚硝酸根、亚铁离子等还原性物质所

19、消耗外，也被水中微生物的呼吸作用以及水中有机物质被好氧微生物的氧化分解所消耗。所以说溶解氧是水体的资本，是水体自净能力的表示。浑浊度为水样光学性质的一种表达语，是由于水中存在不溶性物质引起的，它使光散射和吸收，而不是直线透过水样。它是反映天然水和饮用水的物理性状的一项指标，用以表示水的清澈或浑浊程度，是衡量水质良好程度的重要指标之一，与悬浮物的质量浓度、颗粒的大小、形状、折射指数等有关。水的电导率与其所含无机酸、碱、盐的量有一定关系。不同类型的水有不同的电导率。一般水质电导率是表示水传导电流能力，导电度与水中离子总浓度、移动性、价数、相对浓度及水温等有关。通常导电度愈高，表示水中电解质含量较多

20、。由于大部分盐类都可电离，因此导电度也可表示水中总溶解固体的多寡。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点。因此在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视。特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。ATMEL89S522单片机以其可靠

21、性高、体积小、价格低、功能全等优点，广泛地应用于各种智能仪器中，这些智能仪器的操作在进行仪器校核以及测量过程的控制中，达到了自动化，传统仪器面板上的开关和旋钮被键盘所代替，测试人员在测量时只需按需要的键，省掉很多烦琐的人工调节，智能仪器通常能自动选择量程，自动校准。有的还能自动调整测试点，这样不仅方便了操作，也提高了测试精度。虽然单片机的引入使控制系统大大“软化”，但与其它计算机应用问题相比，单片机控制应用中的硬件内容仍然较多，所以说单片机控制应用有软硬件相结合的特点。为此，在单片机的应用设计中需要软、硬件统筹考虑，设计者不但要熟练掌握汇编语言等编程技术，而且还要具备较扎实的单片机硬件方面的理

22、论和实践知识。天津职业技术师范大学2010届本科生毕业设计系统概述2.1 系统总体设计目标从简单、实用及满足功能要求的角度考虑，本设计的CPU选用ATMEL公司的AT89S52单片机，原因是AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器、该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造、兼容标准MSC-513指令系统及80C51引脚结构。片内集成了通用的8位中央处理器和ISP Flash存储单元，可为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高性价比的解决方案。本设计的水

23、质监测系统,需要对几个有代表性参量进行监测,选用的传感器分别为温度、PH值、电导率、浑浊度和溶解氧传感器。温度传感器，其测量范围是- 5050,精度为士0.1；工作电压: 1036V。PH值的测量方法有两种：玻璃电极法和比色法。其中玻璃电极法基本上不受溶液颜色，浊度，胶体物质，氧化剂和还原剂以及含盐量的干扰。因此，本设计采用玻璃复合电极测量范围为014PH，精度可达0. 1PH，具有温度补偿功能。PH传感器大部分采用1036VDC电源。电导率的测量范围是：0500F，精度为1%；工作电压： 12VDC。浊度计的形式主要有：透射光浊度计、散射光浊度计、透射散射光浊度计和表面散射浊度计。其测量范围

24、: 0200NTU，精度为土1%。上述传感器均有线性的420mA输出，满足设计。溶解氧就是指溶解于水中的分子状态的氧，即水中的O2 ，以DO表示。溶解氧是水生生物不可缺少的条件。测量范围: 0100% ，精度为0. 5%；工作电压: 1036VDC。MSC-51单片机系列是Intel公司推出的产品，AT89S524具有如下特点：40个引脚，8KBFLASH片内程序存储器，256bytes的随机存取存储器(RAM)，32个外部双向输入输出(IO)口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，片内振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并

25、可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM数据，停止芯片其它工作直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装，以适应于不同产品的需求。整套系统使用性较强，具有较为广阔的市场前景。2.2 系统总体设计方案2.2.1系统工作原理MSC-51单片机通过按键选择通道，选择其中的一个传感器通道，则该通道传感器采集数据通过A/D5转换将模拟信号转换为数字信号并送至单片机中，单片机在内部进行数据处理，比较所测的数据与该项数据的阈值，检测是否超标。如果超标则有报警声，同时显示数据。2.

26、2.2系统设计方案由于MSC-516系列单片机具有性能稳定、工作可靠、价格低廉等特点，因此其应用相当广泛。一个MSC-51系列的单片机（如ATMEL89cxx）内部包含有RAM、FLASH ROM、两个或者三个16位的定时器/计数器，所以此设计采用AT89S52作为主单片机。以下分别介绍关于温度传感器，PH值传感器原理，溶解氧传感器原理，浑浊度传感器原理，电导率传感器原理，数码管，A/D转换器和7447译码器的选择。1温度传感器的介绍温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，

27、精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。DS18B20的主要特征：(1)全数字温度转换及输出。 (2)先进的单总线数据通信。 (3)最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。 (4)12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。 (5)可选择寄生工作方式。 (6)检测温度范围为55C +125C (67F +257F)。 (7)内置EEPROM，限温报警功能。 (8)64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。 (9)多样封装形式，适应不同硬件系统。 DS18B20工作原理及应用： DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其中一个工作周期可分为两个

28、部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是： ROM 只读存储器，用于存放DS18B20编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM。 RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。

29、在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。 RAM及EEPROM结构图：图2-1 RAM及EEPROM结构图控制器对DS18B20操作流程： （1）复位：首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480us低电平信号

30、。当18B20接到此复位信号后则会在1560us回发一个芯片的存在脉冲。 （2）存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在1560us后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60240us低电平信号。至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与DS18B20间的数据通信。如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。 （3）控制器发送ROM指令：双方打完了招呼之后将要进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。ROM指令为8位长

31、度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个DS18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。（4）控制器发送存储器操作指令：在ROM指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。存储器操作指令

32、的功能是命令DS18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。 （5）执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待DS18B20执行其指令，一般转换时间为500us如执行数据读写指令则需要严格遵循DS18B20的读写时序来操作。数据的读写方法将有下文有详细介绍。若要读出当前的温度数据我们需要执行两次工作周期，第一个周期为复位、跳过ROM指令、执行温度转换存储器操作指令、等待500us温度转换时间。紧接着执行第二个周期为复位、跳过ROM指令、执行读RAM的存储器操作指令、读数据（最多为9个字节，中

33、途可停止，只读简单温度值则读前2个字节即可）。其它的操作流程也大同小异，在此不多介绍。 DS18B20只需要接到控制器（单片机）的一个I/O口上，由于单总线为开漏所以需要外接一个4.7K的上拉电阻。如要采用寄生工作方式，只要将VDD电源引脚与单总线并联即可。但在程序设计中，寄生工作方式将会对总线的状态有一些特殊的要求。下图为DS18B20的程序流程图图2-2 DS18B20初始化程序流程图2PH电极原理PH电极采用直接电位法，也称离子选择性电极法，是利用膜电极（专用的指示电极）把被测离子的浓度表现为电极电位值，通过测定电极电位来确定溶液中离子浓度的方法。其基本原理是将指示电极、参比电极插入待测

34、溶液中组成原电池。参比电极是电极电位已知并恒定的电极，指示电极电位与待测离子的浓度之间服从能斯特方程，将所购成的原电池连接于测量设备，求出指示电极的电位，即可按能斯特方程确定待测离子的浓度。能斯特方程：E=E0+（2.303RT/Zf）A 式（2-1）E在试样中指示电极和参比电极之间产生的电动势E0标准电动势。其值决定于指示电极传感膜的各种构造、参比电极的种类，与试样中待测离子浓度无关。2.303RT/Zf能斯特常数，又称电极斜率。A离子浓度。3溶解氧传感器原理传感器定标：传感器本身输出的是毫伏级信号，若自行设计显示仪器或传感器使用一段时间后需要进行定标，方法如下：在500毫升烧杯中注入500

35、毫升蒸馏水，常温下在空气中平衡3小时，将传感器与另外的精密温度计放入水中，待示值稳定后记录传感器仪器的示值和温度值，同时取样烧杯中的蒸馏水，按照GB7489的方法测定此时蒸馏水中的含氧量，二者比为DOS（%），按照下式计算示值误差。DO=（DOA-DOS）*100% 式（2-2）式中：DO溶解氧示值误差， DOA仪器示值，示值误差应符合标准要求。溶解氧传感器的原理主要有：（1）极谱分析法的氧分压原理（2）电位分析原理溶解氧传感器的特性：（1）耗氧型，水溶液要有相对流动；牺牲阴极补偿阳极。（2）电解液中的浓度变化影响测量；（3）选择膜的均匀影响测量；（4）阴极表面光滑程度影响测量；（5）气密性、

36、防水性能影响性能。4浑浊度传感器原理浊度是由水中的悬浮颗粒引起的，悬浮颗粒会反射入射光，通常采用90度方向的散射光作为测试信号，这样测试出来的单位称为NTU。用Formazin标准液标定后的仪器测试出来的单位称为FNU。该方法适于测试低到中等量程，从0.01到4000FNU的范围。依据EN27027和ISO7027标准，采用860nm的红外光作为光源，可不受样品色度的干扰。传感器上有一个超声波发生器，只要传感器连到系统中，就有高频超声波信号产生，使光学镜片一直在振动，振幅为几个微米。在镜片中央，振幅最大。这样可防止任何形态的污染物堆积在镜片上，保证了连续可靠运行。某些钙盐时间久了还是会附着在传

37、感器上，形成即使用刷子或其它清洗剂都难以消除的污垢，只能用酸洗来清除。超声波振动还可防止气泡堆积在测试区内干扰测试，因为气泡也会散射一部分光。5电导率传感器原理它是通过测量溶液的电导值来间接测量离子浓度的流程仪表（一体化传感器），可在线连续检测工业过程中水溶液的电导率。由于电解质溶液有与金属导体一样的电的良导体，因此电流流过电解质溶液时必有电阻作用，且符合欧姆定律。但液体的电阻温度特性与金属导体相反，具有负向温度特性。为区别于金属导体，电解质溶液的导电能力用电导（电阻的倒数）或电导率（电阻率的倒数）来表示。当两个互相绝缘的电极组成电导池时，若在其中间放置待测溶液，并通以恒压交变电流，就形成了电

38、流回路。如果将电压大小和电极尺寸固定，则回路电流与电导率就存在一定的函数关系。这样，测了待测溶液中流过的电流，就能测出待测溶液的电导率。6. 驱动数码管的设计思路方案一：静态驱动7也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每个段码都由一个单片机的IO端口进行驱动，或者使用如BCD码二十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用IO端口多。例如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根IO端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 方案二：动态扫描就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行的同名行共用一套驱动器，每列有一个列驱动器，把

39、所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阳极连在一起，由列译码器给出的列选通信号，从第一列开始，按顺序依次对各列进行扫描(把该列与电源的一端接通)。根据各列锁存的数据，确定相应的行驱动器是否将该行与电源的另一端接通。接通的行，就在该行该列点亮相应的LED；未接通的行所对应的LED熄灭。当一列的扫描持续时间结束后，该列燃亮的LED也就熄灭；下一列又以同样的方法进行显示。全部各列都扫过一遍之后(一个扫描周期)，又从第一列开始下一个周期的扫描。只要一个扫描轮回的速度足够快（每秒24次以上），就不容易感觉出闪烁现象，给人的印象就是一组稳定的显示数据。而且动态扫描方式功耗低，硬件成本低，

40、每个LED都不是连续工作，因而还有利于延长LED的使用寿命，同时能够节省大量的IO端口。方案的比较：方案一虽然现实效果好，但是功耗太大，浪费单片机的I/O口，往往不采用此设计方案；方案二虽然显示效果没有方案一的理想，只要LED显示屏快速周而复始的快速逐列点亮，人眼的暂留视觉效应就可以形成一个全屏的图形，为了增强显示效果，可以把图形设置成多种显示模式，又因为方案二功耗低、成本低、使用寿命长等优点，因此本设计采用方案二“动态扫描显示方法”。下图为程序流程图：图2-3 LED显示流程图7. AD转换器的介绍本设计采用ADC0809转换器。ADC0809转换器是CMOS单片机型八位逐次逼近式AD转换器

41、。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。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A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能：IN0IN7：8路模拟量输入端。（ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。）D7D0：8位数字量输出端。ADDA、

42、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。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A， B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。图2-4 ADC0809的内部结构通道选择表如下表2-1所示：START： AD转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD转换结束信号，当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。CLK：时钟脉冲输

43、入端。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，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2-1通道选择表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809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 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据

44、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。ADC0809 应用说明：（1）ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与AT89S52 单片机直接相连。（2）初始化时，使ST 和OE信号全为低电平。（3）传送要转换的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。（4）在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。（5）是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。（6）当EOC变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。87447译码器7447译码器必须使用共阳极七段显示器。在正常操作时，当输入DCBA=0010时，则输

45、出abcdefg=0010010。故显示器显示“2”。当输入DCBA=0110时，输出abcdefg=1100000，显示器显示“6”。在7447中有LT、RBI与BIRBO控制脚。下面介绍一些关于它们的功能：该电路是由与非门、输入缓冲器和7个与或门组成的BCD-7译码器驱动器。通常是低电平有效，高的灌入电流的输出可直接驱动显示器。7个 与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的BCD数据及其补码至7个与或非译码门。剩下的与非门和3个输入缓冲器作为试灯输入（LT）端、灭灯输入动态灭灯输出（BIRBO）端及动态灭灯输入（RBI）端。该电路受4位二进制编码-十进制数（BCD）输入并借助于辅助输入端状

46、态将输入数据译码后去驱动一个七段显示器。输出的结构设计能承受7段显示器所需要的相当高的电压。驱动显示器各段所需的高达24mA可以由其高性能的输出晶体管来直接提供。BCD输入计数9以上的显示图案是鉴定输入条件的唯一信号。该电路有自动前、后沿灭零控制（RBI和RBO），试灯（LT）可在端出在高电平的任何时刻去进行，该电路还含有一个灭灯输入（BI），它用来控制灯的亮度或禁止输出。2.2.3系统结构框图图2-5 系统结构框图在接通电源的条件下，通过按键选择其中一个传感器通道，则该通道传感器采集数据通过A/D转换将模拟信号转换为数字信号并送至单片机中，单片机在内部进行数据处理，比较所测的数据与该项数据的

47、阈值，检测是否超标。如果超标则有报警声，同时显示数据。第三章 MACROBUTTON AcceptAllChangesInDoc XXXX. 天津职业技术师范大学2010届本科生毕业设计系统硬件电路设计3.1 系统硬件电路系统硬件电路图见附录一。3.2设计方案的介绍3.2.1 单片机的最小系统电路设计单片机最小系统是利用最少的外围器件而使单片机工作的电路组织形式。最小系统只包含单片机、振荡器、复位电路和电源。如图3-1为最小系统电路图。 时钟信号：单片机的XTAL2和XTAL1接晶振，这种结构通过晶振电容C1、C2与单片机内部结构组成一个时钟信号源，晶振的频率决定系统的时钟频率。对于时间要求不

48、是很高的系统，只要按图进行设计就能使系统可靠起振并稳定运行。但由于图中的电容C1、C2起系统时钟频率微调和稳定的作用。因此，在实际应用中一定要注意正确选择参数（3010PF），并保证对称性（尽可能匹配）。图3-1主电路图复位电路：最简单的复位电路就是在RST与VCC之间连接一个10UF电解电容，当通电时，RST维持一段很短的高电平状态，使单片机复位，很快电容充电满后，RST电平被拉低。单片机进入正常工作中。一般应复位电路有手动或上电复位电路。复位电路的实现通常有两种方式：1）RC复位电路；2）专用P监控电路。前者实现简单，成本低，但复位可靠性相对较低；后者成本较高，但复位可靠性高，尤其是高可靠

49、重复复位。对于复位要求高并对电源电压进行监视的场合，大多采用这种方式。（1）RC复位电路本系统采用的是这种复位方式。RC复位电路的实质是一阶充放电电路。系统上电时该电路提供有效的复位信号RST（高电平）直至系统电源稳定后撤销复位信号（低电平）。理论上说，51系列单片机复位引脚只要外加2个机器周期的有效信号即可复位，即只要保证tRC2M（机器周期）便可，但实际设计中，通常取C3为10F以上，R2通常取10K左右。实践发现R2如果取值太小，例如1K，则会导致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。 外部程序存储器访问控制端:由于没有使用外部程序存储器拓展,所以在这里接高电平。（2）专用P监控电

50、路专用P监控电路又称电源监视电路，具有上电时可靠产生复位信号和电源电压跌落到“门槛值”时可靠产生复位信号功能。按有效电平分，有高电平输出、低电平输出两种；按功能分，有简单的电源监视复位电路、带“看门狗”定时器（WATCH DOG，又简称“WDT”）的监控电路、和WDTEEPROM的监控电路等多种类型。比较常见的生产厂家有MAXIM、PHILIPS、IMP以及DALLS等，51系列微处理器中常用的型号有MAX813L、MAX809、X25043/5等。3.2.2系统显示电路为了直观地显示出数字系统的运行状态以及工作数据，在这些系统中普遍的使用了数码管显示器件。单片机系统中比较常用的显示器有发光二

51、极管显示器LED8，液晶显示器LCD两种，前者价格便宜，配置简单，与单片机接口简单。LED数码显示器是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的点或线段发光，将这些二极管排成一定图形，控制不同组合的二极管导通，就可以显示出不同的字形。单片机应用系统中常用的LED显示器为七段显示器，再加上有一个小数点，因此也可把它称为八段显示器。结构形式有共阴极和共阳极两种，它的结构图如图3-2(a)和(b)所示。共阴极是把所有发光二极管的阴极连起来，通常接地，通过控制每一只发光二极管的阳极电平来使其发光或熄灭。阳极为高电平时发光，为低电平时熄灭；共阳极是把所有发光二极管的阳极连起来，通常为高电平(如

52、+5v)，通过控制每一只发光二极管的阴极电平来使其发光或熄灭，阴极为低电平发光，为高电平熄灭。图3-2(c)当中的com端在应用时作为位选端，8只发光二极管被分成两组，所以有两个com端，在使用时把它们并联起来。必须注意的是，在图中的电阻并非是数码管内部就有的电阻，它们是需外接的限流电阻，如果不限流将造成发光二极管的烧毁。限流电阻的取值一般使流经发光二极管的电流在1020mA，由于高亮度数码管的使用，电流还可以取得小一些。(a) 共阴极 (b) 共阳极 (c) 封装图图3-2 数码管结构图通常的7段显示块中共有8个发光二极管，其中7个发光二极管构成七笔字形“8”，1个发光二极管构成小数点。7段

53、显示块与单片机接口非常容易。只要将一个8位并行输出与显示块的发光二极管引脚相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。共阳极与共阴极的段选码互为补数。LED9显示器动态接口的基本原理是利用人眼的“视觉暂留”效应。由于数码在断电瞬间，还有余光留在数码管的LED上，所以通过快速的切换显示的数码管位数（一般有4位的，2位的，1位的）,人眼看上去感觉就想四个都同时亮了。本设计中LED显示采用共阳极连接，即把七个发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接正。每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端连接，阴极端输入低电平时，发光

54、二极管点亮，输入高电平时则不亮。动态扫描的好处是节约开发成本，前提是单片机的IO接口充足的情况下使用。电路板中共有4位数码管，都采用共阳极，使用共同的I/O数据口，再加上4个I/O分别控制4位数码管的正极电源的通断（单片机输出低电平时有效的）。到底点亮那一只数码管，就取决与单片机控制哪一只数码管的阳极为高电平接入。D1D8 是数据I/O ，可以连接到单片机的其中一组I/O上。数码管的字符码设置：根据电路设计，数码管的A-H引脚分别接到P00 到P07上。结合数码管的各个引脚的位置，为数码管编辑用于显示数字的字型码，该字型码使用十六进制，并且存放在定义好的字符数组中。uchar codeseg7

55、code=0 xF0,0 xF1,0 xF2,0 xF3,0 xF4,0 xF5,0 xF6,0 xF7,0 xF8,0 xF9; /显示段码 /为了保护各段不受损坏，在显示器和单片机之间加入10K的限流电阻。3.2.3键盘电路设计键盘按结构的不同可分为独立式按键键盘和行列式键盘两类，每类按译码方式的不同又分为编码式和非编码式两种。单片机中一般使用的都是用软件来识别和产生键代码的非编码键盘。行列式键盘的编码方式有静态和动态两种。静态接口主要由一个行编码器和一个列编码器构成；动态接口可用计数器、译码器和数据选择器来构成。一般在小型仪器仪表和控制系统中，使用较多的是行列式和独立式的非编码键盘；如果

56、系统要求实现多键同时按下的处理，则用非编码独立方式较为合适。（1）行列式键盘的基本结构行列式键盘中的键实际上就是一个机械开关，位于行线和列线的交点处，当键被按下时，其交点的行线和列线接通，使相应行线或列线上的电平发生变化，根据电平变化情况确定被按下的键。（2）键盘接口方式选择通常把键盘上被按下的键称为闭合键。为了识别闭合键，即判定键盘上有没有键被按下以及哪个键被按下，常有的键识别方法有：行扫描法、线翻转法和利用8279键盘接口的中断法。前两种方法相当于查询法，需要反复查询按键的状态，会占用大量的CPU时间；后一种方法在有键按下时向CPU申请中断，平时并不需要占用CPU时间。在本系统中，采用的是

57、行扫描法。本系统的键盘扫描是由软件实现的。软件方法键盘扫描是在扫描程序驱动下进行的，所以扫描过程也就是扫描程序的执行过程。开始前，通过程序反复不断地进行闭合键查找，即看看键盘中是否有闭合键，为此，应先使行线输出口输出全为0，再读回列线状态。因为当有键被按下时，由于行线与列线在闭合键交点处接通，使穿过闭合键的那条列线变为低电平。发现闭合键后才接着进行键盘扫描，判定闭合的是哪个键；若无闭合键，就返回去重复进行闭合键的查找。在键盘扫描过程中还有去抖动的问题。每当确认有按键被按下后，都应当进行去抖动处理。因为键在被按下是，由于机械触点的弹性以及电压突跳等原因，在触点闭合及释放的瞬间将出现电压抖动。为了

58、保证键扫描的正确性，每当扫描到有闭合键时，都要进行去抖动处理。去抖动处理有软件和硬件两种方法。在本系统中采用软件方法，见附录程序各模块设计的键盘扫描程序。3.2.4稳压电源设计如图3-3为稳压电源设计电路：图3-3稳压电源设计电路220V交流电源经过变压器整流桥电路变为12V，经电容滤波到L7805。L7805是一个稳压三极管，它可以支持5V到12V 的电源输入，经过降压后，稳定输出5V 的直流电压。一般在输入电源的正负级之间并上一个无极性电容和一个1000UF的有极性电容，起到对电源滤波的作用。由于本设计使用220V交流电供电。单片机要求在稳定的电源下才能正常工作，本身单片机工作在晶震12M

59、下，产生的干扰信号也是大的。所以需要提供一个稳定的直流电源给单片机，这样能保证单片机稳定的工作。3.3 系统实现的关键技术3.3.1 抗干扰技术在工业控制中，经常采用单片机，单片机干扰措施提到重要议事日程上来。单片机抗干扰措施不解决，其它工作也是白费劲。要解决单片机抗干扰措施，必须先找出干扰源，然后采用单片机软、硬件技术来解决。干扰源:主要来自外部电源、内部电源、印制板自身干扰，空中、周围电磁场干扰，外部干扰通过I/O口输入等。为了查出是否外部电源干扰源，可切换为电池供电。为叙述方便，我们分硬件、软件抗干扰措施来讲：1、硬件抗干扰措施（1）交流程稳压：使电网电压稳定。（2）交流端用电感电容滤波

60、：去掉高频低频干扰脉冲。（3）变压器双隔离措施：变压器初级输入端串接电容，初、次级线圈间屏蔽层与初级间电容中心接点接大地，次级外屏蔽层接印制板地，这是硬件抗干扰的关键手段。（4）次级加低通滤波器：吸收变压器产生的浪涌电压。（5）采用集成式直流稳压电源：因为有过流、过压、过热等保护。（6） I/O口光电、磁电、继电器隔离：去掉公共地。（7）通讯线用双绞线：排除平行互感。（8） 防雷电用光纤隔离最为有效。（9）A/D转换，用隔离放大器或采用现场转换：减少误差。（10） 外壳接大地：解决人身安全及防外界电磁场干扰。（11） 加复位电压检测电路：防止复位不充分CPU就工作，尤其有EEPROM的器件，复