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1、1绪论1.1 本课题国内外发展现状随着微型计算机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，仓库的温度和湿度自动监测控制方面的研究有了明显的进展。美国、日本的仓库监测设施近20年来发展很快，他们结合本国条件做出了具有创新特色的成就，其中仓库环境调控技术均有较高水平，但其监控设备价格昂贵。我国近年引进了多达16个国家和地区的仓库环境控制系统，对吸收国外先进经验、 推动仓库温度湿度自动检测产生了积极的作用，但多因能耗过大，造价高，品种未能配套，未能达到很好的效果。中国的仓库环境综合控制系统必须走适合中国国情的发展道路，在引进、消化、 吸收国内外先进技术和科学管理的基础上， 进行总结提高、集
2、成创新、超前示范，既开发适宜我国经济发展水平，又能满足不同气候条件，接近或达到世界先进水平的智能化仓库监测系统。在专用品种、综合配套技术、贮运营销上，应该研制具有中国知识产权的产品和技术。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制仓库环境。控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。先编制出仓库存放粮食最优环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正各仓库的参数，并给终端控制系统指令。终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现粮食仓库的环境调节。该种系统可以达到自动控制降温、除湿、通风。根
3、据需要，通过键盘将信息输入中央管理室，根据情况可随时调节仓库温度。1.2 选题背景及意义温度和湿度的测量和控制是许多行业的重要工作目标之一，不论是粮食仓库、中药材仓库，还是图书保存，都需要有规定的温度和湿度，然而温度和湿度却是最不易保障的指标，针对这一情况，研制可靠且实用的温度和湿度检测与控制系统就显得非常重要。随着工业的发展，需要对温湿度控制的场合越来越多。对粮仓而言，温湿度的高低对粮食的质量影响很大，温湿度过高会使粮食变质，湿度过大会使霉菌和害虫滋生。由于温湿度的检测控制不当，可能使我们导致无法估计的经济损失。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强粮仓内温度与湿度的监测工作，但传统的方法
4、是用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。1.3 本次设计的主要内容及参数要求1.3.1 基本功能 主要实现检测温度、湿度的检测，将温度湿度信号通过传感器进行信号的采集并转换成电信号，再运用单片机进行数据的分析和处理。为显示和报警电路提供信号。1.3.2 主要技术参数 温度检测范围 ： -30-+100 测量精度 ： 0.5 湿度检测范围 ： 1%-100%RH 检测精度 ：
5、 1%RH2 系统方案的设计和比较本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，以单片机为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、温度检测、湿度检测、显示、系统软件等部分的设计。多路开关A/D转换多路开关湿度检测显示电路报警电路单片机温度检测图2-1 系统总体框图 本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。 信号采集 由温度传感器、湿度传感器及多路开关组成； 信号分析 由A/D转换器、单片机基本系统组成； 信号处理 由串行口LED显示器和报警系统等组成。2.1 系统总体方案的选择方案1：基于MCS-51系列单片机嵌
6、入式系统的温湿度检测控制系统该系统由温度传感器、湿度传感器、8031嵌入式系统、加热设备、加湿设备几部分组成。结构原理框图如图2-2所示。通过温度传感器和湿度传感器测量温室内的温湿度经过AD转换送入8031进行处理，测量结果通过显示电路进行显示。 现 场传感器传感器特 定 接 口输 入 / 输 出电 源RAM处理单元键盘显示电路A/D转换图2-2 系统结构原理图方案2：基于MSP430F1232单片机的温湿度检测系统设计本方案采用分别设计温度和湿度采样电路如图2-3所示，将集成温度传感器采集得到的电流信号和湿度传感器采集到的电压信号转换为给定范围内的电压信号。然后由MSP430F1232单片机
7、的AD采样端口将该电压信号读入，如果温度小于门限值或者湿度大于门限值就给出报警信号，门限值可以通过按键进行设定。传感器传感器信号调理电路MSP430F1232EPROM键盘和LED显示正常或告警指示电路通讯模块图2-3 系统总体结构图方案1 MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令, MCS-51具有比较大的寻址空间，地址线宽达16条，同时具备对I/O口的访问能力。由于MCS-51集成了几乎完善的8位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给应用提供了极
8、大的便利。并且MCS-51的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，介绍其功能特性书籍和开发软件随处可取，在众多的单片机品种中，C51的环境资源是最丰富的。作为MCS-51单片机一个型号的8031片内没有程序存储器，外部扩展一片或多片含用户程序的EPROM后，就相当于一片8751，因而使用方便灵活，加之价格低廉，目前是应用最广的机型。方案2温湿度检测电路比较繁琐实现起来比较困难，并且MSP430F1232系列单片机成本比较高，实现比较困难。综合比较方案1系统工作稳定，性能良好，基本符合设计要求。2.2传感器的选择方案2.2.1温度传感器的选择方案1：采用热电阻温度传感器。热电阻传感器的电阻与温度之
9、间具有优异的线性和稳定性。这类传感器主要用于要求高精度、经久耐用和长斯稳定性的工业环境中。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻，铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。方案2：采用AD590温度传感器，它的测温范围在-55+150之间，而且精度高。M档在测温范围内非线形误差为0.3。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单
10、。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力，AD590的测量信号可远传百余米。综合比较方案1与方案2，方案2更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。2.2.2 湿度传感器的选择方案1：采用HOS-201湿敏传感器。HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ1KHZ，测量湿度范围为0100%RH，工作温度范围为050，阻抗在75%RH（25）时为1M。这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效
11、地利用其线性特性。方案2：采用HM1500湿度传感器。线性电压输出式集成湿度传感器HM1500采用获得专利的湿敏电容HS1101设计制造，其湿度测量范围为599(相对湿度)；相对湿度精度为3；工作温度为-30+60；工作湿度范围为0100(相对湿度)；供电电压为5V(最大电压DC16V)；可输出DC电压为14 V；响应时间为5s，适用于工业级场合。方案3：采用HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速，专门设计的固态聚合物结构，由顶端接触（H
12、S1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在1%-100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/，可见精度是较高的。综合比较方案一，方案二和方案三，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，其工作电压为交流1V以下，实现叫困难，而且还不能在系统要求的温度条件下工作，方案二测量精度不符合设计系统要求。因此，我们选择方案三来作为本设计的湿度传感器。2.3 信号采集通道的选择 在本设计系统
13、中，温度输入信号为多路的模拟信号，这就需要多通道结构。方案1、采用多路并行模拟量输入通道这种结构的模拟量通道特点为：(1) 可以根据各输入量测量的要求选择不同性能档次的器件。(2) 硬件复杂，故障率高。(3) 软件简单，各通道可以独立编程。方案2、采用多路分时的模拟量输入通道这种结构的模拟量通道特点为：(1) 对信号保持和A/D转换器要求较高。(2) 处理速度慢。(3) 硬件简单，成本低。(4) 软件比较复杂。综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于模拟量输入的要求，比较其框图，方案二更具备硬件简单的突出优点，所以选择方案二作为信号的输入通道。信号调理电路采样保持器A/D转换器接
14、口信号调理电路采样保持器A/D转换器接口信号调理电路采样保持器A/D转换器接口. .CPU图 2-4 多路并行模拟量输入通道信号调理电路信号调理电路信号调理电路. . 多路切换器信号保持器A/D转换器接口CPU图2-5 多路分时的模拟量输入通道3 系统硬件设计3.1 信号采集电路的设计3.1.1 温度信号采集3.1.1.1 温度传感器主要特性AD590温度传感器是电流型温度传感器，通过对温度的测量可得到所需要的电流值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V；2脚为电流输出端I0；3脚
15、为管壳，一般不用。1、流过器件的电流（）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：式中： 流过器件（AD590）的电流，单位。T热力学温度，单位K。2、 AD590的测温范围-55+150。3、 AD590的电源电压范围为4V-30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流变化1，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。4、输出电阻为710M。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线形误差0.3。3.1.1.2 温度测量电路图3-1是AD590用于测量热力学温度的基本电路。在被测温
16、度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530V的直流电源相连，并在输出端串接一个40k的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。因为流过传感器的电流与热力学温度成正比，当电阻和电位器的电阻之和为40k时，输出电压随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器，使=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只保证在0或25附近有较高的精度。 图3-1 AD590应用电路如图3-1所示，电位器用于调整零点，用于调整运放LF355的增益
17、。调整方法如下：在0时调整，使输出=0，然后在100时调整使=100mV。如此反复调整多次，直至0时，=0mV，100时=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25，那么应为25mV。冰水混合物是0环境，沸水为100环境。3.1.1.3 温度多路检测信号的实现本设计系统为八路的温度信号采集，而MC14433仅为一路输入，故采用CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3-2所示图3-2八路分时的模拟量信号采集电路硬件接口3.1.2 湿度信号的采集3.1.2.1 湿度传感器的主要特性HS1100/HS1101电容传感器具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间
18、快速的特点，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。其测量的范围相对湿度在1%-100%RH内，电容量由16pF变到200pF，其误差不大于2%RH，响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/。可见精度是较高的。3.1.2.2 湿度测量电路HS1100/HS1101电容传感器在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电
19、容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。频率输出的555测量振荡电路如图3-3所示。集成定时器555芯片外接电阻、与湿敏电容C，构成了对湿敏电容C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对湿敏电容C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，是防止输出短路的保护电阻，用于平衡温度系数。图3-3频率输出的555振荡电路该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Vcc通过、向湿敏电容C充电，经充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过放电，经放电时间后，Uc下
20、降到比较器的低触发电平，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为 =C(+)ln2 =Cln2因而，输出的方波频率为f=1/( +)=1/C(+2)ln2可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表3-1给出了其中的一组典型测试值。湿度频率频率湿度%RH%RHHZHZ010203040507351722471006976685367286600646863306168603360708090100表3-1、空气湿度与电压频率的典型值3.1.2.3 湿度多路检测信号的实现本设计系统为八路的湿度信号采集，故采用CD4051组成多路分
21、时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3-4所示图3-4 八路分时的模拟量信号采集电路硬件接口3.1.3 多路开关CD4051多路开关，又称“多路模拟转换器”。多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输出端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。反之，当模拟信号有公共输出端输入时 ，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件。在本设计中，由于采用了温湿度双量控制，所以在信号采集中将有两个模拟量被提取，这时选用多路开关就是很必要的。设计中选用的是CD4051多路开关，它是一种单片、CMO
22、S、8通道开关。该芯片由DTL/TTL- CMOS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关组成。CD4051的内部原理框图如图3-5所示。图3-5 CD4051的内部原理框图图中功能如下：通道线IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：该组引脚作为输入时，可实现8选1功能，作为输出时，可实现1分8功能。XCOM（3）：该引脚作为输出时，则为公共输出端；作为输入时，则为输入端。A、B、C（11、10、9）：地址引脚INH（6）：禁止输入引脚。若INH为高电平，则为禁止各通道和输出端OUT/IN接至；若INH为低电平，则允许各通道按表3-2关系和输
23、出段OUT/IN接通。VDD（16）和VSS（8）：VDD为正电源输入端，极限值为17V；VSS为负电源输入端，极限值为-17V。VGG（7）；电平转换器电源，通常接+5V或-5V。CD4051作为8选1功能时，若A、B、C均为逻辑“0”（INH=0），则地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。其它情况下，输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下 表 3-2输入状态接通通道输入状态接通通道INHCBAINHCBA000000101500011011060010201117001131XXX均不显示010043.2 信号分析与处理电路的设计3.2.1 A/D转
24、换3.2.1.1 A/D转换器的特点为了把温度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理，本系统选用了双积分A/D转换器MC14433，它精度高，分辨率达1/1999。由于MC14433只有一路输入，而本系统检测的多路温度与湿度信号输入，故选用多路选择电子开关，可输入多路模拟量。由于双积分方法二次积分时间比较长，所以A/D转换速度慢，但精度可以做得比较高；对周期信号变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。目前，国内外双积分A/D转换器集成电路芯片很多，大部分是用于数字测量仪器上。常用的有3.5位双积分A/D装换器MC14433和4.5位双积分A/D转换器ICL7135。3.2.1
25、.2 MC14433A/D转换器件简介MC14433是三位半双积分型的A/D转换器，具有精度高，抗干扰性能好的优点，其缺点是转换速率低，约110次/秒。在不要求高速转换的场合，例如，在低速数据采集系统中，被广泛采用。MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全相同，可以互换。MC14433A/D转换器的被转换电压量程为199.9mV或1.999V。转换完的数据以BCD码的形式分四次送出（最高位输出内容特殊，详见表3-3）。 图3-6 MC14433引脚图MC14433引脚（图3-6）功能说明各引脚的功能如下：电源及共地端VAG：模拟地端。VSS：数字地端。VR：基准电压。外界电阻及电
26、容端RIN：积分电阻输入端，VX=2V时，R1=470K；VX=200Mv时，R1=27K。CIN： 积分电容输入端。C一般为0.1F。CO1、CO2：外界补偿电容端，电容取值约0.1F。R1/C1N：R1 与C1的公共端。CLKI、CLKO ：外界振荡器时钟调节电阻Rc，Rc一般取 470 K左右。转换启动/结束信号端EOC：转换结束信号输出端，正脉冲有效。DU：启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换结束后，自动启动新的转换。过量程信号输出端OR ：当|Vx|VR，过量程/OR 输出低电平。位选通控制线DS4-DS1：选择个、十、百、千位，正脉冲有效。DS1 对应千位，DS4 对应
27、个位。每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。BCD码输出线Q0-Q3：BCD码输出线。其中Q0为最低位，Q3 为最高位。当DS2、DS3和DS4选通期间，输出三位完整的BCD码数，但在DS1选通期间，输出端Q0-Q3 除了表示个位的0或1外，还表示了转化值的正负极性和欠量程还是过量程其含意见表3-3Q3Q2Q1Q01XXXXXXXX0XX10XX01000011表示结果千位数为0千位数为1结果为正结果为负输入过量程输入欠量程表3-3、DS1选通时Q3Q0表示的结果由表可知Q3 表示1/2位，Q3=“0”对应1，反之对应0。 Q2 表示极性，Q2=“1”为正极性，
28、反之为负极性。Q0=“1”表示超量程：当Q3=“0”时，表示过量程；当Q3=“1”时，表示欠量程；3.2.1.3 MC14433与8031单片机的接口设计由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，Q0Q3HE DS1DS4都不是总线式的。因此，MCS-51单片机只能通过并行I/O接口或扩展I/O接口与其相连。对于8031单片机的应用系统来说，MC14433可以直接和其P1口或扩展I/O口8155/8255相连。下面是MC14433与8031单片机P1口直接相连的硬件接口，接口电路如图3-7所示图3-7 MC14433与8031单片机P1口直接相连的硬件接口3.2.2 单片机8
29、031 为了设计此系统，本设计采用了8031单片机作为控制芯片，在前向通道中是一个非电信号的电量采集过程。它由传感器采集非电信号，从传感器出来经过功率放大过程，使信号放大，再经过模/数转换成为计算机能识别的数字信号，再送入计算机系统的相应端口。由于8031中无片内ROM，且数据存储器也不能满足要求，经扩展2762和6264来达到存储器的要求。3.2.2.1 8031的片内结构8031是有8个部件组成，即CPU，时钟电路，数据存储器，并行口（P0P3）串行口，定时计数器和中断系统，它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上，即组成了单片微型计算机，数据存储器程序存储器定时计数器8031单片机
30、时钟数据总线地址总线控制总线并行I/O口串行通信口中断系统图 3-8 8031基本组成CPU中央处理器：中央处理器是8031的核心，它的功能是产生控制信号，把数据从存储器或输入口送到CPU或CPU数据写入存储器或送到输出端口。还可以对数据进行逻辑和算术的运算。时钟电路：8031内部有一个频率最大为12MHZ的时钟电路，它为单片机产生时钟序列，需要外接石英晶体做振荡器和微调电容。内存：内部存储器可分做程序存储器和数据存储器，但在8031中无片内程序存储器 。定时/计数器：8031有两个16位的定时/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数
31、结果对计算机进行控制。并行I/O口：MCS-51有四个8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以实现数据的并行输出。串行口：它有一个全双工的串行口，它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间的通信，该并行口功能较强，可以做为全双工异步通讯的收发器也可以作为同步移位器用。 中断控制系统：8031有五个中断源，既外部中断两个，定时计数中断两个，串行中断一个，全部的中断分为高和低的两个输出级。3.2.2.2 8031的引脚介绍3-9 8031引脚图8031采用40管脚双列直插DIP封装，引脚说明如下：X1（19引脚），它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的震荡器，可以提供单片机的时钟信号
32、，该引脚也是可以接外部的晶振的一个引脚，如采用外部振荡器时，对于8031而言此引脚应该接地。X2（18引脚），接至上述振荡器的反向输入端，当采用外部振荡器时， 对MCS51系列该引脚接收外部震荡信号，即把该信号直接接到内部时钟的输入端。RESET（9引脚）在振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的电平将单片机复位，复位后应使此引脚电平保持不高于0.5V的低电平以保证8031正常工作。在掉电时，此引脚接备用电源VDD，以保持RAM数据不丢失，当VCC低于规定的值时，而VPD在其规定的电压范围内时，VPD就向内部数据存储器提供备用电源。ALE/PROG（30引脚）当8031访问外部存储器时，包括数
33、据存储器和程序存储器，ALE9地址锁存允许0输入的脉冲的下沿用于锁存16位地址的低8位，在不访问外部存储器的时候，ALE仍有两个周期的正脉冲输出，其频率为振荡器的频率的1/6，在访问外存储器的是候，在两个周期中，ALE只出现一次，ALE断可驱动8个LS TTL负载，对于有片内EPROM的而言，在EPROM编程期间，此脚用于输入编程脉冲PROG。（29引脚）此脚输出为 单片机内访问外部程序存储器的读选通信号，在读取外部指令期间， PSEN非有两次在每个周期有效，在此期间，每当访问外部存储器时，两个有效的PSEN非将不再出现，同样这个引脚可驱动8个LSTTL负载。/VPP（31引脚）当保持高电平时
34、，单片机访问内部存储器，当PC值超过0FFFH时，将自动转向片外存储器。当保持低电平时，则只访问外部程序存储器，对8031而言，此脚必须接地。P0，P1，P2，P3：8031有四个并行口，在这四个并行口中，可以在任何一个输出数据，又可以从它们那得到数据，故它们都是双向的，每一个I/O口内部都有一个8位数据输出锁存器和一个8位数据输入缓冲器，各成为SFR中的一个，因此CPU数据从并行I/O口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲，但他们在功能和用途上的差异很大，P0和P2口内部均有个受控制器控制的二选一选择电路，故它们除可以用做通用I/O口以外还具有特殊的功能，P0口通常用做通用I/O口为C
35、PU传送数据，P2口除了可以用做通用口以外，还具有第一功能，除P0口以外其余三个都是准双向口。8031有一个全双工串行口，这个串行口既可以在程序下把CPU的8位并行数据变成串行数据一位一位的从发送数据线发送出去，也可以把串行数据接受进来变成并行数据给CPU，而且这种串行发送和接收可以单独进行也可以同时进行。8031的串行发送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3.1做串行数据接收线，串行接口的电路结构还包括了串行口控制寄存器SCON，电源及波特率选择寄存器PCON和串行缓冲寄存器SBUF，他们都属于SFR，PCON和SCON用于设置串行口工作方式和确定数据发送和接收，SBUF用于存放欲发送的数
36、据起到缓冲的作用。3.2.2.3 8031程序存储器MCS-51系列单片机的内部ROM是不同的，8051有4K的ROM，而8751则是4K光可擦写EPROM，而我们所采用的8031则没有片内的ROM，但是无论那种型号的芯片都可以在片外扩展多达64K的片外程序存储器，外部程序存储器扩展的大小以满足系统要求即可，或有特殊要求或为了以后升级方便采用大容量的片外程序存储器。当外接程序存储器的时候，单片机通过P2口和P0口输出16位的地址，即可寻址的外部程序存储器单元的地址，使用ALE作为低8位地址锁存器信号，再由P0口读回指令的代码，用PSEN非作为外部程序存储器的选通信号。单片机有一个程序计数器PC
37、，它始终存着CPU要读取的机器码的所在地址，单片机工作时，PC自动加一，此时程序开始顺序执行，因为单片机程序 访问空间是64K，故需要16条地址线，当接“0”则8031在片外程序存储器中读取指令，此时片外程序存储器从0000H开始编址，因为8031无片内程序存储器，故在此系统中必须接地使CPU到外部ROM中去寻址。在程序存储器中有六个单元有特定的含义：0000H单元：单片机复位后，PC=0000H即从此处开始执行指令。0003H单元：外部中断0入口地址。000BH单元：定时器0溢出中断入口地址。0013H单元：外部中断1入口地址。001BH单元：定时器溢出中断入口地址。0023H单元：串行口中
38、断入口地址。使用时常在这些入口外安放一条绝对跳转指令，使程序跳转到拥护安排的中断处理程序的起始地址，或从0000H外执行一跳转指令，跳转到用户设计的初始程序入口。3.2.2.4 8031数据存储器数据存储器用于存放运算中间的结果、数据暂存、缓冲、标志位、待测程序等功能。片内的128B的RAM地址为00H7FH，供用户做RAM用，但是在这中间的前32单元，00H1FH即引用地址寻址做用户RAM用，常常做工作寄存器区，分做四组，每组由8个单元组成通用寄存器R0R7，任何时候都由其中一组作为当前工作寄存器，通过RS0，RS1的内容来决定选择哪一个工作寄存器。低128字节中的20H2FH共16字节可用
39、位寻址方式访问各位，共128个位地址，30H7FH共80个单元为用户RAM区，作堆栈或数据缓冲用，片内RAM不够用时，须扩展片外数据存储器。此时单片机通过P2口和P0口选出6位地址，使用ALE作低8位的锁存信号，再由P0口写入或读出数据。写时用，读时用做外部数据存储器的选通信号。3.2.2.5 工作方式它的工作方式可以分做复位，掉电和低功耗方式等。3.2.2.5.1 复位方式当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和
40、按键手动复位。上电自动复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电自动复位电路如图 (3-10a)中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源+5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电自动复位的操作功能，如图 (3-10a)中所示。上电自动复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的按键手动复位电路如图 (3-10b)所示。上电后，由于电容C1的充电的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上
41、电或开关复位的操作。 根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。 (a) 上电自动复位图 (b) 按键手动复位图图3-10 单片机的复位电路图图(3-13a)中：Cl22uF，R11k图(3-13b)中：C122uF，Rll k，R22003.2.2.5.2 掉电和低功耗方式人们往往在程序运行中系统发生掉电的故障，使RAM和寄存器中的数据内容丢失，使人们丢失珍贵的数据而束手无策，8031有掉电保护，是先把有用的数据保存，再用备用电源进行供电。3.2.3 存储器的设计在8031芯片的外围电路中必须对其进行程序存储器的扩展，和根据系统的需要对其进行数据存储器的扩展。8031对程
42、序存储器和数据存储器均可进行0000HFFFFH的64K字节地址内容的有效寻址。在前面我们已经讲过8031外扩展存储器时，P2作高位的地址输出，P0作低位地址输出和数据线。3.2.3.1 程序存储器的扩展 由于8031无内部ROM ，故扩展的程序存储器地址为0000HFFFFH，考虑系统的需要，我们将8031的程序存储器扩展为4K EPROM，采用2764作为ROM芯片。程序存储器扩展的容量大于256字节，故EPROM片内地址线除了由P0口经地址存储器提供低8位地址外，还需要由P2口提供若干条地址线，我们选用8K的2764 EPROM，故地址线应该是13条，因为系统中只扩展一片EPROM，所以
43、不用片选信号，即EPROM 的接地。在程序扩展中，我们选用的地址锁存器是74LS373。当三态门的为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q端输出，否则为高电平，输出为三态门断开，输出端对外电路呈高阻态，所以在这里为低电平，这时当G端为高电平时，锁存器输出和输入的状态是相同的，当G由高电平下落为低电平时，输入端1D8D的数据锁入1Q8Q中。当2764处于读方式下和均为低电平有效。当VPP=+5V时，EPROM处于读工作方式：这时由给定地址信号决定被选中存储器单元信息。被读出到数据输出端D0D7上。维持方式：当为高电平时，VPP为+5V，EPROM处于低功耗方式，输出端均为高阻态，这与输入无关。编程
44、方式：在VPP加上+25V编程电源并在和地端跨接一个0.1uf的电容以干扰电压的瞬间对2764进入编程方式，被编程的8位数据以并行方式送到数据输出断编程校验。2764与8031的连接如图3-11所示图3-11 程序存储器的扩展图在选用芯片扩展的同时要考虑满足系统的要求的前提下，使电路简化，尽量选择大容量的芯片，以减少芯片组合的数量，在芯片型号的选择上选用满足应用环境要求的芯片型号。3.2.3.2 数据存储器的扩展在单片机中有128 字节的数据存储器。但往往在系统的要求下片内RAM不能满足要求，用户只有选择扩展片外的数据存储器，以进行存储系统采集的数据。根据系统对数据采集的要求。我们采用8K静态
45、RAM6264进行扩展。与动态RAM相比，静态RAM无须考虑保持数据而刷新电路，所以扩展电路较为简单且能满足系统的要求。6264是8K*8位的静态随机存储器芯片。它采用CMOS工艺制作，单一的+5V电源供电，额定功耗是200mW，典型存取时间200ms，为28线双列直插封装。数据存储器的扩展与程序存储器的扩展类似，读写控制信号与8031的和相连。P0口通过74LS373与A0A7相连，P2.0P2.4与A8A12相连，P2.7与相连，P0口与D0D7相连作为数据线，同时CE2接+5V电源，GND接地。如图3-12所示： 图3-12数据存储器的扩展图3.2.4 系统时钟的设计时钟电路是用来产生8
46、031单片机工作时所必须的时钟信号，8031本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，8031在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作 ，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。本系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。8031内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。晶振频率为在1.2MHZ12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。为了提高稳定性我们采用温度
