DZ217單片機(jī)溫度傳感器

DZ217單片機(jī)溫度傳感器,dz217,單片機(jī),溫度傳感器 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1第一章 緒論1. 1 選題背景防潮、防霉、防腐、防爆是倉(cāng)庫(kù)日常工作的重要內(nèi)容，是衡量倉(cāng)庫(kù)管理質(zhì)量的重要指標(biāo)。它直接影響到儲(chǔ)備物資的使用壽命和工作可靠性。為保證日常工作的順利進(jìn)行，首要問(wèn)題是加強(qiáng)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)溫度與濕度的監(jiān)測(cè)工作。但傳統(tǒng)的方法是用與濕度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測(cè)量計(jì)和濕度試紙等測(cè)試器材，通過(guò)人工進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不符合溫度和濕度要求的庫(kù)房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低，且測(cè)試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大。因此我們需要一種造價(jià)低廉、使用方便且測(cè)量準(zhǔn)確的溫濕度測(cè)量?jī)x。1．2 設(shè)計(jì)過(guò)程及工藝要求一、基本功能~ 檢測(cè)溫度、濕度~ 顯示溫度、濕度~ 過(guò)限報(bào)警二、主要技術(shù)參數(shù) ~ 溫度檢測(cè)范圍 ： -30℃-+50 ℃~ 測(cè)量精度 ： 0.5℃?~ 濕度檢測(cè)范圍 ： 10%-100%RH~ 檢測(cè)精度 ： 1%RH~ 顯示方式 ： 溫度：四位顯示 濕度：四位顯示~ 報(bào)警方式 ： 三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴音報(bào)警長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2第二章 方案的比較和論證當(dāng)將單片機(jī)用作測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)總要有被測(cè)信號(hào)懂得輸入通道，由計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確獲得被測(cè)信號(hào)是其核心任務(wù)；而對(duì)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)講，對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試和對(duì)控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始被測(cè)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測(cè)量和控制都將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化測(cè)量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來(lái)檢測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。2. 1 溫度傳感器的選擇方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測(cè)溫元件?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點(diǎn)為精度高、測(cè)量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測(cè)量。鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強(qiáng)，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測(cè)中高精密測(cè)溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價(jià)格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場(chǎng)影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按 IEC 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫范圍-200～650℃，百度電阻比 W（100）=1.3850 時(shí)，R0 為 100Ω 和 10Ω，其允許的測(cè)量誤差 A 級(jí)為±（0.15℃+0.002 |t| ） ，B 級(jí)為±（0.3℃ +0.005 |t|） 。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價(jià)格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于-50～180℃測(cè)溫。方案二：采用 AD590，它的測(cè)溫范圍在-55℃～+150℃之間，而且精度高。M檔在測(cè)溫范圍內(nèi)非線形誤差為±0.3℃。AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無(wú)需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡(jiǎn)單。作為電流輸出型傳感器的一個(gè)特點(diǎn)是，和電壓輸出型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。AD590 的測(cè)量信號(hào)可遠(yuǎn)傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于溫度傳感器的選擇。2. 2 濕度傳感器的選擇測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。方案一：采用 HOS-201 濕敏傳感器。HOS-201 濕敏傳感器為高濕度開(kāi)關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流 1V 以下，頻率為 50HZ～1KHZ，測(cè)量濕度范圍為 0～100%RH，工作溫度范圍為 0～50℃，阻抗在 75%RH（25℃）時(shí)為 1MΩ。這種傳感器原是用于開(kāi)關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測(cè)濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。方案二：采用 HS1100/HS1101 濕度傳感器。HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。相對(duì)濕度在 1%---100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于 5S；溫度系數(shù)為 0.04 pF/℃?？梢?jiàn)精度是較高的。綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測(cè)量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對(duì)溫度-30～50℃的要求，因此，我們選擇方案二來(lái)作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。2. 3 信號(hào)采集通道的選擇 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，溫度輸入信號(hào)為 8 路的模擬信號(hào)，這就需要多通道結(jié)構(gòu)。方案一、采用多路并行模擬量輸入通道。這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為：（1） 可以根據(jù)各輸入量測(cè)量的餓要求選擇不同性能檔次的器件?？傮w成本可以作得較低。（2） 硬件復(fù)雜，故障率高。（3） 軟件簡(jiǎn)單，各通道可以獨(dú)立編程。方案二、采用多路分時(shí)的模擬量輸入通道。這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為：（1） 對(duì) ADC、S/H 要求高。（2） 處理速度慢。（3） 硬件簡(jiǎn)單，成本低。（4） 軟件比較復(fù)雜。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡(jiǎn)單的突出優(yōu)點(diǎn)，所以選擇方案二作為信號(hào)的輸入通道。信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路采樣 /保持器采樣 /保持器采樣 /保持器A / D 轉(zhuǎn)換器A / D 轉(zhuǎn)換器A / D 轉(zhuǎn)換器接口接口接口C P U圖 2-1 多路并行模擬量輸入通道信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路采樣 /保持器A / D 轉(zhuǎn)換器接口C P U多路切換器圖 2-2 多路分時(shí)的模擬量輸入通道第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號(hào)，和 A/D 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計(jì)了以 8031 基本系統(tǒng)為核心的一套檢測(cè)系統(tǒng)，其中包括 A/D 轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。A D 5 9 0溫度檢測(cè)C D4 0 5 1多路開(kāi)關(guān)H S 1 1 0 0濕度檢測(cè)M C 1 4 4 3 3A / D 轉(zhuǎn)換單片機(jī)串行口L E D 顯示報(bào)警電路C D4 0 5 1多路開(kāi)關(guān)圖3-1 系統(tǒng)總體框圖 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5本設(shè)計(jì)由信號(hào)采集、信號(hào)分析和信號(hào)處理三個(gè)部分組成的。（一） 信號(hào)采集 由 AD590、HS1100 及多路開(kāi)關(guān) CD4051 組成； （二） 信號(hào)分析 由 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433、單片機(jī) 8031 基本系統(tǒng)組成；（三） 信號(hào)處理 由串行口 LED 顯示器和報(bào)警系統(tǒng)等組成。3．1 信號(hào)采集3．1．1 溫度傳感器集成溫度傳感器 AD590 是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源。一．主要特性AD590 是電流型溫度傳感器，通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分擋，AD590 的后綴以 I，J，K，L，M 表示。AD590L，AD590M 一般用于精密溫度測(cè)量電路，其電路外形如圖 3-2 所示，它采用金屬殼 3 腳封裝，其中 1 腳為電源正端 V＋；2 腳為電流輸出端 I0； 3 腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號(hào)如圖 3-2 所示。圖 3-2 AD590 外形（圖 1）及電路符號(hào)（圖 2）1、流過(guò)器件的電流（μA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)，即：I T/T=1μA /K式中：I T—— 流過(guò)器件（AD590）的電流，單位 μA 。T——熱力學(xué)溫度，單位 K。2、 AD590 的測(cè)溫范圍-55℃- +150℃。3、 AD590 的電源電壓范圍為 4V-30V。電源電壓可在 4V-6V 范圍變化，電流IT變化 1μA，相當(dāng)于溫度變化 1K。AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)損壞。4、輸出電阻為 710MΩ。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）65、精度高。AD590 共有 I、J、K、L、M 五檔，其中 M 檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線形誤差±0.3℃。2 AD590 的工作原理在被測(cè)溫度一定時(shí)，AD590 相當(dāng)于一個(gè)恒流源，把它和 5～30V 的直流電源相連，并在輸出端串接一個(gè) 1kΩ 的恒值電阻，那么，此電阻上流過(guò)的電流將和被測(cè)溫度成正比，此時(shí)電阻兩端將會(huì)有 1mV／K 的電壓信號(hào)。其基本電路如圖 3-3 所示。圖 3-3 AD590 內(nèi)部核心電路圖 3-3 是利用 ΔU BE特性的集成 PN 結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中 T1、T2起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流 I1 和 I2 相等；T3、T4 是感溫用的晶體管，兩個(gè)管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3 實(shí)質(zhì)上是由 n 個(gè)晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是 T4 的 n 倍。T3 和 T4 的發(fā)射結(jié)電壓 UBE3和 UBE4經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻 R 上，所以 R 上端電壓為 ΔU BE。因此，電流 I1 為：I1＝ΔU BE／R＝（KT／q） （lnn）／R對(duì)于 AD590，n＝8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度 T 成正比，將此電流引至負(fù)載電阻 RL上便可得到與 T 成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號(hào)不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。圖 3 中的電阻 R 是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準(zhǔn)溫度下可得到 1μA／K 的 I 值。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7圖 3-4 AD590 內(nèi)部電路圖 3-4 所示是 AD590 的內(nèi)部電路，圖中的 T1～T4 相當(dāng)于圖 3-3 中的 T1、T2，而 T9，T11 相當(dāng)于圖 3-3 中的 T3、T4。R5、R6 是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻，供出廠前調(diào)整之用。T7、T8，T10 為對(duì)稱的 Wilson 電路，用來(lái)提高阻抗。T5、T12和 T10 為啟動(dòng)電路，其中 T5 為恒定偏置二極管。T6 可用來(lái)防止電源反接時(shí)損壞電路，同時(shí)也可使左右兩支路對(duì)稱。R1，R2 為發(fā)射極反饋電阻，可用于進(jìn)一步提高阻抗。T1～T4 是為熱效應(yīng)而設(shè)計(jì)的連接防式。而C1 和 R4 則可用來(lái)防止寄生振蕩。該電路的設(shè)計(jì)使得 T9，T10，T11 三者的發(fā)射極電流相等，并同為整個(gè)電路總電流 I 的 1／3。T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積比為 8：1，T10和 T11 的發(fā)射結(jié)面積相等。T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)電壓互相反極性串聯(lián)后加在電阻 R5 和 R6 上，因此可以寫出：ΔU BE＝（R 6－2 R 5）I／3R6 上只有 T9 的發(fā)射極電流，而 R5 上除了來(lái)自 T10 的發(fā)射極電流外，還有來(lái)自T11 的發(fā)射極電流，所以 R5 上的壓降是 R5 的 2／3。根據(jù)上式不難看出，要想改變 ΔU BE，可以在調(diào)整 R5 后再調(diào)整 R6，而增大 R5的效果和減小 R6 是一樣的，其結(jié)果都會(huì)使 ΔU BE減小，不過(guò)，改變 R5 對(duì) ΔU BE的影響更為顯著，因?yàn)樗懊娴南禂?shù)較大。實(shí)際上就是利用激光修正 R5 以進(jìn)行粗調(diào)，修正 R6 以實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，最終使其在 250℃之下使總電流 I 達(dá)到 1μA／K。二． 基本應(yīng)用電路圖 3-8 是 AD590 用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^(guò) AD590 的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻 R1和電位器 R2的電阻之和為 1kΩ 時(shí)，輸出電壓 V0隨長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8溫度的變化為 1mV/K。但由于 AD590 的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方法為：把 AD590 放于冰水混合物中，調(diào)整電位器 R2，使V0=273.2+25=298.2（mV） 。但這樣調(diào)整只保證在 0℃或 25℃附近有較高的精度。圖 3-5 　AD590 應(yīng)用電路三． 攝氏溫度測(cè)量電路如圖 3-5 所示，電位器 R2用于調(diào)整零點(diǎn)，R 4用于調(diào)整運(yùn)放 LF355 的增益。調(diào)整方法如下：在 0℃時(shí)調(diào)整 R2，使輸出 V0=0，然后在 100℃時(shí)調(diào)整 R4使 V0=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至 0℃時(shí)，V 0=0mV，100℃時(shí) V0=100mV 為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為 25℃，那么 V0應(yīng)為 25mV。冰水混合物是 0℃環(huán)境，沸水為100℃環(huán)境。四.多路檢測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為八路的溫度信號(hào)采集，而 MC14433 僅為一路輸入，故采用 CD4051組成多路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路，其硬件接口如圖 3-6 所示長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9圖 3-6 八路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路硬件接口3. 1. 2 濕度傳感器測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。下面 介紹 HS1100/HS1101 濕度傳感器及其應(yīng)用。一、特點(diǎn)不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。圖 3-7a 為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖 3-7b 為濕度-電容響應(yīng)曲線。1 0 07 55 02 50- 2 00 2 0- 4 04 06 08 0 1 0 0溫度 / ℃長(zhǎng)期穩(wěn)定正常工作區(qū)區(qū)非正常區(qū)02 0 4 06 0 8 01 7 01 6 01 8 01 9 02 0 0相對(duì)濕度 / % R H圖 3-7a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍 圖 3-7b、濕度-電容響應(yīng)曲線。相對(duì)濕度在 1%---100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于 5S；溫度系數(shù)為 0.04 pF/℃。可見(jiàn)精度是較高的。二、濕度測(cè)量電路HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)方與租蓉組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于 555 振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集頻率輸出的 555 測(cè)量振蕩電路如圖 3-7 所示。集成定時(shí)器 555 芯片外接電阻R4、R2 與濕敏電容 C，構(gòu)成了對(duì) C 的充電回路。7 端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì) C 的放電回路，并將引腳 2、6 端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R3 是防止輸出短路的保護(hù)電阻，R1 用于平衡溫度系數(shù)。圖 3-7、頻率輸出的 555 振蕩電路該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源 Vs 通過(guò) R4、R2 向 C 充電，經(jīng) t 充電時(shí)間后，Uc 達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約 0.67Vs，此時(shí)輸出引腳 3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò) R2 放電，經(jīng) t 放電時(shí)間后，Uc 下降到比較器的低觸發(fā)電平，約 0.33Vs此時(shí)輸出，此時(shí)輸出引腳 3 端又由低電平突降為高電平，如此翻來(lái)覆去，形成方波輸出。其中，充放電時(shí)間為t 充電=C（R4+R2）Ln2t 放電=CR2 Ln2因而，輸出的方波頻率為f=1/(t 放電+t 充電)=1/[ C（R4+R2）Ln2]可見(jiàn)，空氣濕度通過(guò) 555 測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)，表 3-1 給出了其中的一組典型測(cè)試值。表 3-1、空氣濕度與電壓頻率的典型值長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1107 3 5 16 06 6 0 01 07 2 2 47 06 4 6 82 07 1 0 0 8 06 3 3 03 06 9 7 69 06 1 6 84 06 8 5 3 1 0 0 6 0 3 35 0 6 7 2 8頻率濕度頻率濕度% R HH Z% R H H Z三、多路檢測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為八路的濕度信號(hào)采集，故采用 CD4051 組成多路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路，其硬件接口如圖 3-8 所示圖 3-8 八路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路硬件接口 3．1．3 多路開(kāi)關(guān)多路開(kāi)關(guān)，有稱“多路模擬轉(zhuǎn)換器” 。多路開(kāi)關(guān)通常有 n 個(gè)模擬量輸入通道和一個(gè)公共的模擬輸入端，并通過(guò)地址線上不同的地址信號(hào)把 n 個(gè)通道中任一通道輸入的模擬信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)有 n 線到一線的接通功能。反之，當(dāng)模擬信號(hào)有公共輸出端輸入時(shí) ，作為信號(hào)分離器，實(shí)現(xiàn)了 1 線到 n 線的分離功能。因此，多路開(kāi)關(guān)通常是一種具有雙向能力的器件。在本設(shè)計(jì)中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號(hào)采集中將有兩個(gè)模擬量被提取，這時(shí)選用多路開(kāi)關(guān)就是很必要的。我選用的是 CD4051 多路開(kāi)關(guān)，它是一種單片、COMS、8 通道開(kāi)關(guān)。該芯片由DTL/TTL-COMS 電平轉(zhuǎn)換器，帶有禁止端的 8 選 1 譯碼器輸入，分別加上控制的 8 個(gè)COMS 模擬開(kāi)關(guān) TG 組成。CD4051 的內(nèi)部原理框圖如圖 3-9 所示。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12圖 3-9、CD4051 的內(nèi)部原理框圖 　　　 圖中功能如下：通道線 IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：該組引腳作為輸入時(shí)，可實(shí)現(xiàn) 8 選 1 功能，作為輸出時(shí)，可實(shí)現(xiàn) 1 分 8 功能。XCOM（3）：該引腳作為輸出時(shí)，則為公共輸出端；作為輸入時(shí)，則為輸入端。A、B、C（11、10、9）：地址引腳INH（6）：禁止輸入引腳。若 INH 為高電平，則為禁止各通道和輸出端 OUT/IN 接至；若 INH 為低電平，則允許各通道按表 3-2 關(guān)系和輸出段 OUT/IN 接通。V DD（16）和VSS（8）：V DD為正電源輸入端，極限值為 17V；V SS為負(fù)電源輸入端，極限值為-17V。VGG（7） ；電平轉(zhuǎn)換器電源，通常接+5V 或-5V。CD4051 作為 8 選 1 功能時(shí)，若 A、B、C 均為邏輯“0” （INH=0） ，則地址碼00013 經(jīng)譯碼后使輸出端 OUT/IN 和通道 0 接通。其它情況下，輸出端 OUT/IN 輸出端 OUT/IN 和各通道的接通關(guān)系如下表 3-2輸入狀態(tài) 輸入狀態(tài)INH C B A接通通道INH C B A接通通道0 0 0 0 0 0 1 0 1 50 0 0 1 1 0 1 1 0 60 0 1 0 2 0 1 1 1 70 0 1 1 3 1 x x x 均不顯示長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）130 1 0 0 43．2 信號(hào)分析與處理3．2．1 A/D 轉(zhuǎn)換一．A/D 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)為了把溫度、濕度檢測(cè)電路測(cè)出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送 CPU 處理，本系統(tǒng)選用了雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433，它精度高，分辨率達(dá) 1/1999。由于 MC14433只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測(cè)的多路溫度與濕度信號(hào)輸入，故選用多路選擇電子開(kāi)關(guān)，可輸入多路模擬量。MC14433 A/D 轉(zhuǎn)換器由于雙積分方法二次積分時(shí)間比較長(zhǎng)，所以 A/D 轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對(duì)周期信號(hào)變化的干擾信號(hào)積分為零，抗干擾性能也比較好。目前，國(guó)內(nèi)外雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器集成電路芯片很多，大部分是用于數(shù)字測(cè)量?jī)x器上。常用的有 3.5 位雙積分 A/D 裝換器 MC14433 和 4.5 位雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7135二．MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器件簡(jiǎn)介MC14433 是三位半雙積分型的 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率低，約 1—10 次/秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，例如，在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品 5G14433 完全相同，可以互換。MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器的被轉(zhuǎn)換電壓量程為 199.9mV 或 1.999V。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)以BCD 碼的形式分四次送出（最高位輸出內(nèi)容特殊，詳見(jiàn)表 3-3） 。多路選擇開(kāi)關(guān)鎖存器個(gè)位 十位 百位 千位極性判別溢出控制電路 C M O S 線性電路時(shí)鐘/ O R 過(guò)量程V R 基準(zhǔn)電壓V A G 模擬地V X 被測(cè)電壓D UE O C R 1R 1 / C 1C 1C 0 1C 0 2Q 0 ～ Q 3 D S 1 ～ D S 4實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)換周期長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14圖 3-10 MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部邏輯框圖圖 3-11 MC14433 引腳圖MC14433 的框圖（圖 3-10）和引腳（圖 3-11）功能說(shuō)明各引腳的功能如下：電源及共地端VDD： 主工作電源+5V。VEE: 模擬部分的負(fù)電源端，接-5V。VAG： 模擬地端。VSS： 數(shù)字地端。VR： 基準(zhǔn)電壓。外界電阻及電容端RI： 積分電阻輸入端，VX=2V 時(shí)，R1=470?；VX=200Mv 時(shí)，R1=27K? 。C1： 積分電容輸入端。C1 一般為 0.1μF。 C01、 C02： 外界補(bǔ)償電容端，電容取值約 0.1μF。 R1/C1： R1 與 C1 的公共端。CLKI、 CLKO ： 外界振蕩器時(shí)鐘調(diào)節(jié)電阻 Rc，Rc 一般取 470 K? 左右。轉(zhuǎn)換啟動(dòng)/結(jié)束信號(hào)端EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，正脈沖有效。DU： 啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換，若 DU 與 EOC 相連，每當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動(dòng)啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換。過(guò)量程信號(hào)輸出端/OR ： 當(dāng)|Vx|?VR，過(guò)量程/OR 輸出低電平。位選通控制線DS4----DS1： 選擇個(gè)、十、百、千位，正脈沖有效。DS1 對(duì)應(yīng)千位，DS4 對(duì)應(yīng)個(gè)位。每個(gè)選通脈沖寬度為 18 個(gè)時(shí)鐘周期，兩個(gè)相應(yīng)脈沖之間間隔為 2 個(gè)時(shí)鐘周期。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15～～～～～～1 / 2 C L K 周期1 6 4 0 0 個(gè)時(shí)鐘脈沖周期1 8 個(gè)時(shí)鐘脈沖周期E O CD S 1D S 2D S 3D S 4( 最高位 ) 1 / 2 位 2 個(gè)時(shí)鐘脈沖周期最低位圖 3-12 MC14433 選通脈沖時(shí)序圖BCD 碼輸出線Q0---Q3： BCD 碼輸出線。其中 Q0 為最低位，Q3 為最高位。當(dāng) DS2、DS3 和 DS4 選通期間，輸出三位完整的 BCD 碼數(shù)，但在 DS1 選通期間，輸出端 Q0-------Q3 除了表示個(gè)位的 0 或 1 外，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負(fù)極性和欠量程還是過(guò)量程其含意見(jiàn)表3-3表 3-3、 DS1 選通時(shí) Q3～Q0 表示的結(jié)果Q 2Q 1Q 0×× 0×10×××××××00011表示結(jié)果千位數(shù)為 0千位數(shù)為 1結(jié)果為正結(jié)果為負(fù)輸入過(guò)量程輸入欠Q 310××01由表可知 Q3 表示 1/2 位，Q3=“0”對(duì)應(yīng) 1，反之對(duì)應(yīng) 0。Q2 表示極性，Q2=“1”為正極性，反之為負(fù)極性。Q0=“1”表示超量程：當(dāng) Q3=“0”時(shí)，表示過(guò)量程；當(dāng) Q3=“1”時(shí)，表示欠量程；一． MC14433 與 8031 單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)由于 MC14433 的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出的 BCD 碼，Q0～Q3HE DS1～DS4 都不是總線式的。因此，MCS-51 單片機(jī)只能通過(guò)并行 I/O 接口或擴(kuò)展I/O 接口與其相連。對(duì)于 8031 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，MC14433 可以直接和其 P1口或擴(kuò)展 I/O 口 8155/8255 相連。下面是 MC14433 與 8031 單片機(jī) P1 口直接相連的硬件接口，接口電路如圖 3-13 所示長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16圖 3-13 MC14433 與 8031 單片機(jī) P1 口直接相連的硬件接口3. 2. 2 單片機(jī) 8031 為了設(shè)計(jì)此系統(tǒng)，我們采用了 8031 單片機(jī)作為控制芯片，在前向通道中是一個(gè)非電信號(hào)的電量采集過(guò)程。它由傳感器采集非電信號(hào)，從傳感器出來(lái)經(jīng)過(guò)功率放大過(guò)程，使信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)端口。由于 8031 中無(wú)片內(nèi) ROM，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也不能滿足要求， ，經(jīng)擴(kuò)展 2762 和6264 來(lái)達(dá)到存儲(chǔ)器的要求，其結(jié)果通過(guò)顯示器來(lái)進(jìn)行顯示輸出。3. 2. 2. 1 8031 的片內(nèi)結(jié)構(gòu)8031 是有 8 個(gè)部件組成，即 CPU，時(shí)鐘電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并行口（P0～P3 ）串行口，定時(shí)計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)，它們均由單一總線連接并被集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，即組成了單片微型計(jì)算機(jī)，8031 就是 MCS-51 系列單片機(jī)中的一種。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17圖 3-14 8031 基本組成CPU 中央處理器：中央處理器是 8031 的核心，它的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器或輸入口送到 CPU 或 CPU 數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器或送到輸出端口。還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯和算術(shù)的運(yùn)算。 時(shí)鐘電路：8031 內(nèi)部有一個(gè)頻率最大為 12MHZ 的時(shí)鐘電路，它為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘序列，需要外接石英晶體做振蕩器和微調(diào)電容。內(nèi)存：內(nèi)部存儲(chǔ)器可分做程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，但在 8031 中無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 。定時(shí)/計(jì)數(shù)器：8031 有兩個(gè) 16 位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成定時(shí)的方式和計(jì)數(shù)的方式，但只能用其中的一個(gè)功能，以定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。并行 I/O 口：MCS-51 有四個(gè) 8 位的并行 I/O 口，P0 ，P1，P2，P3，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出。串行口：它有一個(gè)全雙工的串行口，它可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)間或單片機(jī)同其它外設(shè)之間的通信，該并行口功能較強(qiáng)，可以做為全雙工異步通訊的收發(fā)器也可以作為同步移位器用。中斷控制系統(tǒng)：8031 有五個(gè)中斷源，既外部中斷兩個(gè)，定時(shí)計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，串行中斷一個(gè)，全部的中斷分為高和低的兩個(gè)輸出級(jí)。3. 2. 2. 2 8031 的引腳圖長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）183-15 8031 引腳圖8031 的制作工藝為 HMOS，采用 40 管腳雙列直插 DIP 封裝，引腳說(shuō)明如下：VCC（40 引腳）正常運(yùn)行時(shí)提供電源。VSS（20 引腳）接地。XTAL1（19 引腳）在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反向放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)的震蕩器，可以提供單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，該引腳也是可以接外部的晶振的一個(gè)引腳，如采用外部振蕩器時(shí)，對(duì)于 8031 而言此引腳應(yīng)該接地。XTAL2（18 引腳）在內(nèi)部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)， 對(duì) MCS51 系列該引腳接收外部震蕩信號(hào)，即把該信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘的輸入端。RST/VPD（9 引腳）在振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器周期的電平將單片機(jī)復(fù)位，復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平保持不高于 0.5V 的低電平以保證 8031 正常工作。在掉電時(shí)，此引腳接備用電源 VDD，以保持 RAM 數(shù)據(jù)不丟失，當(dāng) BVCC 低于規(guī)定的值時(shí)，而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時(shí)，VPD 就向內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器提供備用電源。ALE/PROG（30 引腳）當(dāng) 8031 訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，ALE9 地址鎖存允許 0 輸入的脈沖的下沿用于鎖存 16 位地址的低 8 位，在不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的時(shí)候，ALE 仍有兩個(gè)周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的頻率的 1/6，在訪問(wèn)外存儲(chǔ)器的是候，在兩個(gè)周期中， ALE 只出現(xiàn)一次，ALE 斷可驅(qū)動(dòng)8 個(gè) LS TTL 負(fù)載，對(duì)于有片內(nèi) EPROM 的而言，在 EPROM 編程期間，此腳用于輸入編程脈沖 PROG。（29 引腳）此腳輸出為 單片機(jī)內(nèi)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，在讀取外部指令期間， PSEN 非有兩次在每個(gè)周期有效，在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，兩個(gè)有效的 PSEN 非將不再出現(xiàn)，同樣這個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。/VPP（31 引腳）當(dāng) 保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器，當(dāng) PC 值超過(guò) 0FFFH 時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外存儲(chǔ)器。當(dāng) 保持低電平時(shí)，則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，對(duì) 8031 而言，此腳必須接地。P0，P1，P2，P3：8031 有四個(gè)并行口，在這四個(gè)并行口中，可以在任何一個(gè)輸長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19出數(shù)據(jù)，又可以從它們那得到數(shù)據(jù)，故它們都是雙向的，每一個(gè) I/O 口內(nèi)部都有一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，各成為 SFR 中的一個(gè)，因此CPU 數(shù)據(jù)從并行 I/O 口輸出時(shí)可以得到鎖存，數(shù)據(jù)輸入時(shí)可以得到緩沖，但他們?cè)诠δ芎陀猛旧系牟町惡艽?，P0 和 P2 口內(nèi)部均有個(gè)受控制器控制的二選一選擇電路，故它們除可以用做通用 I/O 口以外還具有特殊的功能，P0 口通常用做通用 I/O 口為CPU 傳送數(shù)據(jù)，P2 口除了可以用做通用口以外，還具有第一功能，除 P0 口以外其余三個(gè)都是準(zhǔn)雙向口。8031 有一個(gè)全雙工串行口，這個(gè)串行口既可以在程序下把 CPU 的 8 位并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位的從發(fā)送數(shù)據(jù)線發(fā)送出去，也可以把串行數(shù)據(jù)接受進(jìn)來(lái)變成并行數(shù)據(jù)給 CPU，而且這種串行發(fā)送和接收可以單獨(dú)進(jìn)行也可以同時(shí)進(jìn)行。8031 的 串行發(fā)送和接收利用了 P3 口的第二功能，利用 P3.1 做串行數(shù)據(jù)接收線，串行接口的電路結(jié)構(gòu)還包括了串行口控制寄存器 SCON，電源及波特率選擇寄存器PCON 和串行緩沖寄存器 SBUF，他們都屬于 SFR，PCON 和 SCON 用于設(shè)置串行口工作方式和確定數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，SBUF 用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)起到緩沖的作用。3. 2. 2. 3 8031 程序存儲(chǔ)器MCS-51 系列單片機(jī)的內(nèi)部 ROM 是不同的，8051 有 4K 的 ROM，而 8751 則是4K 光可擦寫 EPROM，而我們所采用的 8031 則沒(méi)有片內(nèi)的 ROM，但是無(wú)論那種型號(hào)的芯片都可以在片外擴(kuò)展多達(dá) 64K 的片外程序存儲(chǔ)器，外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展的大小以滿足系統(tǒng)要求即可，或有特殊要求或?yàn)榱艘院笊?jí)方便采用大容量的片外程序存儲(chǔ)器。當(dāng)外接程序存儲(chǔ)器的時(shí)候，單片機(jī)通過(guò) P2 口和 P0 口輸出 16 位的地址，即可尋址的外部程序存儲(chǔ)器單元的地址，使用 ALE 作為低 8 位地址鎖存器信號(hào)，再由P0 口讀回指令的代碼，用 PSEN 非作為外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。單片機(jī)有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器 PC，它始終存著 CPU 要讀取的機(jī)器碼的所在地址，單片機(jī)工作時(shí)，PC 自動(dòng)加一，此時(shí)程序開(kāi)始順序執(zhí)行，因?yàn)閱纹瑱C(jī)程序 訪問(wèn)空間是 64K，故需要 16 條地址線，當(dāng) 接“0”則 8031 在片外程序存儲(chǔ)器中讀取指令，此時(shí)片外程序存儲(chǔ)器從 0000H 開(kāi)始編址，因?yàn)?8031 無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，故在此系統(tǒng)中 必須接地使 CPU 到外部 ROM 中去尋址。在程序存儲(chǔ)器中有六個(gè)單元有特定的含義：0000H 單元：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位后，PC=0000H 即從此處開(kāi)始執(zhí)行指令。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）200003H 單元：外部中斷 0 入口地址。000BH 單元：定時(shí)器 0 溢出中斷入口地址。0013H 單元：外部中斷 1 入口地址。001BH 單元：定時(shí)器溢出中斷入口地址。0023H 單元：串行口中斷入口地址。使用時(shí)常在這些入口外安放一條絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到擁護(hù)安排的中斷處理程序的起始地址，或從 0000H 外執(zhí)行一跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到用戶設(shè)計(jì)的初始程序入口。3. 2. 2. 4 8031 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放運(yùn)算中間的結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存、緩沖、標(biāo)志位、待測(cè)程序等功能。片內(nèi)的 128B 的 RAM 地址為 00H～7FH ，供用戶做 RAM 用，但是在這中間的前 32 單元，00H～1FH 即引用地址尋址做用戶 RAM 用，常常做工作寄存器區(qū)，分做四組，每組由 8 個(gè)單元組成通用寄存器 R0～R7，任何時(shí)候都由其中一組作為當(dāng)前工作寄存器，通過(guò) RS0， RS1 的內(nèi)容來(lái)決定選擇哪一個(gè)工作寄存器。低 128 字節(jié)中的 20H～2FH 共 16 字節(jié)可用位尋址方式訪問(wèn)各位，共 128 個(gè)位地址，30H～7FH 共 80 個(gè)單元為用戶 RAM 區(qū)，作堆棧或數(shù)據(jù)緩沖用，片內(nèi) RAM 不夠用時(shí)，須擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。此時(shí)單片機(jī)通過(guò) P2 口和 P0 口選出 6 位地址，使用 ALE 作低 8 位的鎖存信號(hào)，再由 P0 口寫入或讀出數(shù)據(jù)。寫時(shí)用 ，讀時(shí)用 做外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選通信號(hào)3. 2. 2. 5 特殊功能寄存器 SFR8031 有 21 個(gè)專用寄存器，他們是用來(lái)管理 CPU 和 I/O 口以及內(nèi)部邏輯部件的，在指令中專用寄存器是以存儲(chǔ)單元方式被讀寫的，專用寄存器雖有名稱，但尋址時(shí)都做專用寄存器用，它們的地址是與片內(nèi) RAM 的地址相連的。下面就專用寄存器作以簡(jiǎn)單的介紹：累加器 A：在絕大多數(shù)情況下它參與運(yùn)算的一方并存放運(yùn)算的結(jié)果。寄存器 B：進(jìn)行乘除運(yùn)算時(shí)，寄存器 B 有特定的用途，在乘時(shí)存放一個(gè)乘數(shù)以及積的最高位，A 中存放另一個(gè)乘數(shù)以及積的低位。除法時(shí)， B 中存放除數(shù)及余數(shù)，而在 A 中存放被除數(shù)和商，其他情況可作為普通寄存器用。堆棧指針 SP：在子程序調(diào)用或中斷時(shí)，用來(lái)暫存數(shù)據(jù)和地址，它按先進(jìn)后出的長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21原則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它是一個(gè)八位寄存器它指出堆棧頂部在片內(nèi) RAM 中的位置，系統(tǒng)復(fù)位后，SP 變成 07H，使堆棧從 00 單元開(kāi)始。 ；數(shù)據(jù)指針 DPTR：由兩個(gè)字節(jié)組成， DPH 字地址由 83H，DPL 由 82H，存放一個(gè) 16 位的二進(jìn)制數(shù)做地址用。程序狀態(tài)字 PSW：七位用來(lái)表征各種標(biāo)志，另一位無(wú)意義。C AC FO RS1 RS0 OV -- PC：進(jìn)位標(biāo)志位，用于表示加減運(yùn)算時(shí)最高位有無(wú)進(jìn)位和借位，在加法運(yùn)算中，若累加器最高位有進(jìn)位則 CY=1，否則 CY=0，在減法時(shí)則有借位 CY=1，否則CY=0，在執(zhí)行算術(shù)邏輯運(yùn)算時(shí)可以被硬件或軟件置位或清除，CPU 在進(jìn)行移位操作也會(huì)影響該位。AC：當(dāng)進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時(shí)并產(chǎn)生由低四位向高四位的進(jìn)位或借位時(shí)，AC置 1，否則清 0。若 AC=0 時(shí)則在加減過(guò)程中 A3 沒(méi)有向 A4 進(jìn)位或借位，否則正好相反。F0：F0 常不是由機(jī)器來(lái)指令執(zhí)行中形成的，而是用戶根據(jù)程序的需要進(jìn)行設(shè)置的，這個(gè)位一經(jīng)確定就可通過(guò)軟件測(cè)試來(lái)決定用戶程序的流向。RS1，RS0 ：8031 有四個(gè) 8 位工作寄存器 R0～R7，用戶可以改變 RS1 和 RS0的狀態(tài)來(lái)決定 R0～R7 的物理地址。OV：用以指示運(yùn)算是否發(fā)生溢出，由機(jī)器執(zhí)行指令自動(dòng)形成，若機(jī)器在執(zhí)行指令過(guò)程中累加器 A 超過(guò) 8 位，則 OV=1 否則為 0。P：用來(lái)來(lái)表示累加器 A 中的值為 1 的二進(jìn)制位的奇偶數(shù)，若‘1’的個(gè)數(shù)為奇數(shù) P=1，為偶數(shù) P=0。在串行通信中常用奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果的正確性。3. 2. 2. 6 工作方式它的工作方式可以分做復(fù)位，掉電和低功耗方式等。一、復(fù)位方式當(dāng) MCS-5l 系列單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST(全稱 RESET)出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果 RST 持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。常用的上電復(fù)位電路如圖 (3-15a)中左圖所示。圖中電容 C1 和電阻 R1 對(duì)電源十 5V 來(lái)說(shuō)構(gòu)成微分電路。上電后，保持長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22RST 一段高電平時(shí)間，由于單片機(jī)內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻 R1，也能達(dá)到上電復(fù)位的操作功能，如圖 (3-15a)中所示。上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，并且在單片機(jī)運(yùn)行期間，用開(kāi)關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。常用的上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位電路如圖 (3-15b)所示。上電后，由于電容 C3 的充電和反相門的作用，使 RST 持續(xù)一段時(shí)間的高電平。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵 K 后松開(kāi)，也能使 RST 為一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位的操作。根據(jù)實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)，下面給出這兩種復(fù)位電路的電容、電阻參考值。 圖 3-16 單片機(jī)的復(fù)位電路圖(3-16a)中：Cl＝10-30uF，R1＝1kO圖(3-16b)中：C：＝1uF，Rl＝lkO，R2＝10kO二、掉電和低功耗方式人們往往在程序運(yùn)行中系統(tǒng)發(fā)生掉電的故障，使 RAM 和寄存器中的數(shù)據(jù)內(nèi)容丟失，使人們丟失珍貴的數(shù)據(jù)而束手無(wú)策，8031 有掉電保護(hù)，是先把有用的數(shù)據(jù)保存，再用備用電源進(jìn)行供電。3. 2. 3 存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)在 8031 芯片的外圍電路中必須對(duì)其進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，和根據(jù)系統(tǒng)的需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。8031 對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均可進(jìn)行0000H～FFFFH 的 64K 字節(jié)地址內(nèi)容的有效尋址。在前面我們已經(jīng)講過(guò) 8031 外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，P2 作高位的地址輸出， P0 作低位地址輸出和數(shù)據(jù)線。一、程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于 8031 無(wú)內(nèi)部 ROM ，故擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器地址為 0000H～FFFFH，考慮系統(tǒng)的需要，我們將 8031 的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為 4K EPROM，采用 2764 作為 ROM芯片。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展的容量大于 256 字節(jié)，故 EPROM 片內(nèi)地址線除了由 P0 口經(jīng)地址存儲(chǔ)器提供低 8 位地址外，還需要由 P2 口提供若干條地址線，我們選用 8K 的長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）232764 EPROM，故地址線應(yīng)該是 13 條，因?yàn)橄到y(tǒng)中只擴(kuò)展一片 EPROM，所以不用片選信號(hào)，即 EPROM 的 接地。在程序擴(kuò)展中，我們選用的地址鎖存器是74LS373當(dāng)三態(tài)門的 為低電平時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許 Q 端輸出，否則 為高電平，輸出為三態(tài)門斷開(kāi)，輸出端對(duì)外電路呈高阻態(tài)，所以在這里 為低電平，這時(shí)當(dāng) G 端為高電平時(shí)，鎖存器輸出和輸入的狀態(tài)是相同的，當(dāng) G 由高電平下落為低電平時(shí)，輸入端 1D～8D 的數(shù)據(jù)鎖入 1Q～8Q 中。當(dāng) 2764 處于讀方式下 和 均為低電平有效。當(dāng) VPP=+5V 時(shí)，EPROM 處于讀工作方式：這時(shí)由給定地址信號(hào)決定被選中存儲(chǔ)器單元信息。被讀出到數(shù)據(jù)輸出端 D0～D7 上。維持方式：當(dāng) 為高電平時(shí)，VPP 為+5V，EPROM 處于低功耗方式，輸出端均為高阻態(tài)，這與 輸入無(wú)關(guān)。編程方式：在 VPP 加上+25V 編程電源并在和地端跨接一個(gè) 0.1uf 的電容以干擾電壓的瞬間對(duì) 2764 進(jìn)入編程方式，被編程的8 位數(shù)據(jù)以并行方式送到數(shù)據(jù)輸出斷編程校驗(yàn)。2764 與 8031 的連接如圖 3-17 所示圖 3-16 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展在選用芯片擴(kuò)展的同時(shí)要考慮滿足系統(tǒng)的要求的前提下，使電路簡(jiǎn)化，盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片組合的數(shù)量，在芯片型號(hào)的選擇上選用滿足應(yīng)用環(huán)境要求的芯片型號(hào)。二、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展在單片機(jī)中有 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但往往在系統(tǒng)的要求下片內(nèi) RAM 不能滿足要求，用戶只有選擇擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以進(jìn)行存儲(chǔ)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求。我們采用 8K 靜態(tài) RAM6264 進(jìn)行擴(kuò)展。與動(dòng)態(tài) RAM 相比，靜態(tài) RAM 無(wú)須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而刷新電路，所以擴(kuò)展電路較為簡(jiǎn)單且能滿足系統(tǒng)的要求。6264 是 8K*8 位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24它采用 CMOS 工藝制作，單一的+5V 電源供電，額定功耗是 200mW，典型存取時(shí)間 200ms，為 28 線雙列直插封裝。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展與程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展類似，讀寫控制信號(hào)與 8031 的 和 相連。P0 口通過(guò) 74LS373 與 A0～A7 相連，P2.0 ～P2.4 與 A8～A12 相連，P2.7 與 相連，P0 口與 D0～D7 相連作為數(shù)據(jù)線，同時(shí) CE2 接+5V 電源，GND 接地。如圖 3-18:所示： 圖 3-18 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 108031D03 Q0 2D14 Q1 5D27 Q2 6D38 Q3 9D413 Q4 12D514 Q5 15D617 Q6 16D718 Q7 19OE1 LE11U?74LS373GNDA010 A19A28 A37A46 A55A64 A73A825 A924A1021 A1123A122CS120 CS226 WE27OE22D0 11D1 12D2 13D3 15D4 16D5 17D6 18D7 19U?6264R?1Kvcc3. 2. 4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的掉電保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的 RAM 數(shù)據(jù)是非常容易丟失的，特別是一些珍貴的科研數(shù)據(jù)，一旦丟失后果不堪設(shè)想，因此掉電保護(hù)是必須要做的，一旦電源發(fā)生掉電現(xiàn)象，在掉電的瞬間系統(tǒng)能自動(dòng)保護(hù) RAM 中的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)電源恢復(fù)正常供電后能恢復(fù)到掉電前的工作狀態(tài)。3. 2. 5 系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路是用來(lái)產(chǎn)生 8031 單片機(jī)工作時(shí)所必須的時(shí)鐘信號(hào)，8031 本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為保證工作方式的實(shí)現(xiàn)，8031 在唯一的時(shí)鐘信號(hào)的控制下嚴(yán)格的按時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作 ，時(shí)鐘的頻率影響單片機(jī)的速度和穩(wěn)定性。通常時(shí)鐘由于兩種形式：內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘。我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式來(lái)為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)。8031 內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為 XTAL1 和 XTAL2，它們長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）25跨接在晶體振蕩器和用于微調(diào)的電容，便構(gòu)成了一個(gè)自激勵(lì)振蕩器電路中的 C1、C2 的選擇在 30PF 左右，但電容太小會(huì)影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率為在 1.2MHZ～12MHZ 之間，頻率越高單片機(jī)的速度就越快，但對(duì)存儲(chǔ)器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的 NPO 電容，采用的晶振頻率為 12MHZ。圖 3-19 系統(tǒng)時(shí)鐘3. 3 顯示與報(bào)警的設(shè)計(jì)3. 3. 1 顯示電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。本設(shè)計(jì)是利用 8031 的串行口實(shí)現(xiàn)鍵盤/顯示器接口。當(dāng) 8031 的串行口未作它用時(shí)，使用 8031 的串行口來(lái)外擴(kuò)鍵盤/顯示器。應(yīng)用8031 的串行口方式 0 的輸出方式，在串行口外接移位寄存器 74LS164，構(gòu)成鍵盤/顯示器接口，其硬件接口電路如圖 3-20 所示：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）26圖 3-20 鍵盤及顯示與主機(jī)的硬件接口圖中下邊的 8 個(gè) 74LS164：74LS164（0）～74LS164（7）作為 8 位段碼輸出口，74LS138 的 Y0 作為鍵輸入線，Y2 作為同步脈沖輸出控制線。這種靜態(tài)顯示方式亮度大，很容易作到顯示不閃爍。靜態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)是 CPU 不必頻繁的為顯示服務(wù)，因而主程序可不必掃描顯示器，軟件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，從而使單片機(jī)有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)。3. 3. 2 報(bào)警電路在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對(duì)于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)或記過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示和控制。本設(shè)計(jì)采用峰鳴音報(bào)警電路。峰鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購(gòu)買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過(guò) MCS-51 的 1 根口線經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需 10mA 的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用 TTL 系列集成電路 7406 或 7407 低電平驅(qū)動(dòng)，也可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)。在圖中，P3.2 接晶體管基極輸入端。當(dāng) P3.2 輸出高電平“1”時(shí)，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V 電壓而鳴叫；當(dāng) P3.2 輸出低電平“0”時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。圖 3-21 是一個(gè)簡(jiǎn)單的使用三極管驅(qū)動(dòng)的峰鳴音報(bào)警電路： 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）27圖 3-21 三極管驅(qū)動(dòng)的峰鳴音報(bào)警電路本設(shè)計(jì)是為在溫濕度測(cè)量中對(duì)溫濕度的上下限超出是的提示報(bào)警，接口位于單片機(jī) AT89C51 的 P3.2 口，但溫濕度過(guò)限時(shí)， P3.2 口被置 0，本系統(tǒng)開(kāi)始工作。第四章 軟件設(shè)計(jì)溫度控制主程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下問(wèn)題：（1）鍵盤掃描、鍵碼識(shí)別和溫度顯示；（2）溫濕度采樣，數(shù)字濾波；（3）越限報(bào)警和處理；（5）溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換。通常，符合上述功能的溫度控制程序由主程序和 T0 中斷服務(wù)程序兩部分組成。這里所需要注意的是標(biāo)度變換，下面簡(jiǎn)單的介紹一下標(biāo)度變換：標(biāo)度變換：目的是要把實(shí)際采樣的二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換成 BCD 形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區(qū) 34H-3BH。對(duì)一般線性儀表來(lái)說(shuō)，標(biāo)度變換公式為：式中：A0 為一次測(cè)量?jī)x表的下限；Am 為一次測(cè)量?jī)x表的上限；A X為實(shí)際測(cè)量值；N0 為儀表下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；Nm 為儀表上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；N X 為測(cè)量所得數(shù)字量。000)(AmXX???長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）28主程序流程圖：清標(biāo)志開(kāi)始設(shè)堆棧清顯示清暫存T 0 初始化C P U 開(kāi)中斷溫度采樣顯示串行口初始化掃描鍵盤長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）29T0 中斷流程圖：T 0 中斷恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)是否越限 ?顯示重裝時(shí)間常數(shù)報(bào)警程序保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定 1 s 時(shí)間計(jì)數(shù)是否到 1 s ?返回 NNYY標(biāo)度變換濕度數(shù)據(jù)采樣長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）30溫度采樣子程序流程圖：返回送采樣數(shù)據(jù)地址送出通道號(hào)送通道號(hào)初值啟動(dòng) A / D讀 A / D 數(shù)據(jù)修改地址及通道號(hào)采樣程序各通道都采樣一次NY長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）31鍵掃描程序流程圖：開(kāi)始掃描鍵盤判斷是否有鍵按下 ？判斷是否真的有鍵按下 ？延時(shí) 2 0 m S開(kāi)始鍵 ？ 啟動(dòng)系統(tǒng)工作YYNNY結(jié)束鍵N長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）32報(bào)警子程序流程圖：返回報(bào)警置位報(bào)警 標(biāo)志啟動(dòng)報(bào) 警報(bào) 警持續(xù) 計(jì) 數(shù)器置 初值長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）33結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)為倉(cāng)庫(kù)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)。眾所周知，倉(cāng)庫(kù)是儲(chǔ)備物資的關(guān)鍵設(shè)備。它的溫濕度要求精度高，檢測(cè)頻率高。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我設(shè)計(jì)了該溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)。 基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號(hào)，和 A/D 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計(jì)了以 8031 基本系統(tǒng)為核心的一套檢測(cè)系統(tǒng)，其中包括電源系統(tǒng)、A/D 轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫濕度檢測(cè)、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)分離，節(jié)省人力物力，且本設(shè)計(jì)造價(jià)低，可控性強(qiáng)，比較理想的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我學(xué)得了許多新的知識(shí)，同時(shí)也是對(duì)大學(xué)四年