基于51單片機(jī)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 2

1、摘 要 21世紀(jì)是信息化時代，電子產(chǎn)品如雨后春筍般迅猛發(fā)展，電子測量設(shè)備也逐漸豐富起來。模擬產(chǎn)品逐漸被數(shù)字化產(chǎn)品取代，并且使用變得越來越方便。雖然現(xiàn)今市面上有很多環(huán)境測試儀，但針對人們學(xué)習(xí)生活需要的環(huán)境測試儀卻很少，因此設(shè)計出一個簡單實(shí)用的環(huán)境測試儀是很有意義的。 本環(huán)境測試儀由溫度采集電路，濕度采集電路，光強(qiáng)度采集電路，多路開關(guān)電路，a/d轉(zhuǎn)換電路，lcd動態(tài)顯示電路，時鐘電路，復(fù)位電路及處理器單片機(jī)組成，基于單片機(jī)對數(shù)字信號的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號，和a/d模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，設(shè)計了以8051基本系統(tǒng)為核心的一套檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)由信號采集、信號分析和信號處理三個部分

2、組成的。 （一） 信號采集 由ad590、hm1500、gl5537及多路開關(guān)cd4051組成； （二） 信號分析 由a/d轉(zhuǎn)換器mc14433、adc0804、單片機(jī)8051基本系統(tǒng)組成； （三） 信號處理 由lcd12864顯示等組成通過硬件的焊接、靜態(tài)和動態(tài)調(diào)試和程序的編寫和修改，作品最終很好地實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)任務(wù)和要求。關(guān)鍵詞：單片機(jī)8051；ad轉(zhuǎn)換；采集； 12864顯示 目 錄1. 課題的任務(wù)與要求 1.1 任務(wù).3 1.2 任務(wù)目標(biāo).3 1.3 課題要求.32. 系統(tǒng)概述2.1 方案的比較和論證.4 2.1.1 溫度傳感器的選擇.4 2.1.2 濕度傳感器的選擇.5 2. 1. 3

3、光電傳感器的選擇.6 2.1.4 信號采集通道的選擇.73. 系統(tǒng)的總體設(shè)計 3.1.1 溫度采集電路設(shè)計.8 3.1.2 濕度采集電路設(shè)計.10 3.1.3 光電采集電路設(shè)計.12 3.1.4 多路開關(guān)電路設(shè)計.13 3.2.1 ad轉(zhuǎn)換.13 3.2.2 單片機(jī)mcs-51 .14 3.3 顯示.184. 程序及設(shè)計.195. 參考文獻(xiàn).24第一部分 課題的任務(wù)和要求1.1任務(wù):設(shè)計出一個簡單實(shí)用的環(huán)境測試儀。1.2任務(wù)目標(biāo)1、鞏固所學(xué)的知識，學(xué)會通過各種途徑查找資料；2、理論知識聯(lián)系實(shí)際，解決實(shí)際問題；3、通過實(shí)物制作，掌握相關(guān)芯片的功能，鍛煉動手能力及分析思考能力。1.3課題要求本設(shè)計

4、利用mcs-51系列單片機(jī)，配合傳感器，設(shè)計出一款人性化環(huán)境測試儀，可以檢測周圍環(huán)境的溫度、濕度和光線強(qiáng)弱，通過lcd以簡單直觀的方式顯示出來。溫度、濕度和光線強(qiáng)弱依次輪流顯示（每5秒左右刷新一次）或同時顯示，測量的誤差不超過1%。第二部分 系統(tǒng)概述2.1方案的比較和論證當(dāng)將單片機(jī)用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號懂得輸入通道，由計算機(jī)拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確獲得被測信號是其核心任務(wù)；而對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。傳感器是實(shí)現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切

5、準(zhǔn)確的測量和控制都將無法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，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. 1.1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溫元件。現(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、測量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測量。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)檢測中高精密測溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按iec標(biāo)準(zhǔn)測溫范圍-200

6、650，百度電阻比w（100）=1.3850時，r0為100和10，其允許的測量誤差a級為（0.15+0.002 |t|），b級為（0.3+0.005 |t|）。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，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-50180測溫。 方案二：采用ad590，它的測溫范圍在-55+150之間，而且精度高。m檔在測溫范圍內(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損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點(diǎn)是，和電

7、壓輸出型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。ad590的測量信號可遠(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)計系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。 2. 1.2 濕度傳感器的選擇測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關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流1v以下，頻率為50hz1khz，測量濕度范圍為0100%rh，工作溫度

8、范圍為050，阻抗在75%rh（25）時為1m。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，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)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計的固態(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

9、動插件和自動裝配過程等。相對濕度在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)時間小于5s；溫度系數(shù)為0.04 pf/?？梢娋仁禽^高的。綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計系統(tǒng)中對溫度-3050的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設(shè)計的濕度傳感器。2.1.3溫度傳感器的選用方案一：采用光敏電阻、二極管和555定時器構(gòu)成多諧振蕩電路，利用多諧振蕩電路的兩個暫穩(wěn)態(tài)輸出由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號。而光敏電阻阻值會隨著光照強(qiáng)度的變化而發(fā)生變化，進(jìn)而使得

10、多諧振蕩電路的周期變化，其輸出波形頻率也隨之改變。將其輸出模擬信號波形輸入到一個簡易數(shù)字式頻率計通過兩位數(shù)碼管顯示出來，數(shù)字式頻率計主要由時基電路、閘門電路計數(shù)器、鎖存器、譯碼顯示電路和邏輯控制電路組成。 本方案采用性能穩(wěn)定且便宜的光敏電阻作為光照傳感器，通過光敏電阻值變化影響多諧振蕩電路的周期而檢測光強(qiáng)，性能較穩(wěn)定一些，靈敏度也較高，但是電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所用元器件種類較多，實(shí)現(xiàn)和調(diào)試工作會比較困難，造價也較高，雖然能滿足穩(wěn)定性和靈敏度的要求，但不宜采用。方案二：采用三路光敏電阻支路并聯(lián)檢測光照強(qiáng)度，通過每一路可以得到一個模擬采樣電壓，將這三路電壓通過cd4051單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)

11、循環(huán)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc0804將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將數(shù)字信號通過通信模塊輸送給mcs-51單片機(jī)，通過比較后得出最大值，將最大值輸出并利用lcd顯示出來。對于光強(qiáng)的方位，則通過控制lcd的顯示出來。至此，可以將光照的強(qiáng)度以及光照的方位通過lcd顯示出來，完成了本設(shè)計選題的任務(wù)及要求。 本方案采用性能穩(wěn)定且便宜的光敏電阻作為光照傳感器，mcs-51單片機(jī)作為主控制器。性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，不易受外界環(huán)境溫度等因素影響，靈敏度也較高，但是由于光照傳感器采用光敏電阻且為三條支路并聯(lián)采集模擬電壓信號，會存在一定的誤差?？傮w上來說，本方案電路結(jié)構(gòu)簡單、所用元器件供給充足、成本造價低、性能穩(wěn)定

12、且誤差范圍也在設(shè)計選題的要求之內(nèi)，能在簡單低成本的基礎(chǔ)上很好的完成設(shè)計選題的任務(wù)，故實(shí)驗(yàn)中采用本方案。2. 1.4信號采集通道的選擇 在本設(shè)計系統(tǒng)中，溫度輸入信號為8路的模擬信號，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)各輸入量測量的餓要求選擇不同性能檔次的器件。總體成本可以作得較低。（2） 硬件復(fù)雜，故障率高。（3） 軟件簡單，各通道可以獨(dú)立編程。方案二、采用多路分時的模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為：（1） 對adc、s/h要求高。（2） 處理速度慢。（3） 硬件簡單，成本低。（4） 軟件比較復(fù)雜。綜合比較方案一與方案

13、二，方案二更為適合于本設(shè)計系統(tǒng)對于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡單的突出優(yōu)點(diǎn)，所以選擇方案二作為信號的輸入通道。圖2-1多路并行模擬量輸入通道圖2-2多路分時的模擬量輸入通道第三部分系統(tǒng)總體設(shè)計本設(shè)計是基于單片機(jī)對數(shù)字信號的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號，和a/d模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計了以8051基本系統(tǒng)為核心的一套檢測系統(tǒng)，其中包括a/d轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計。單片機(jī)lcd顯示ad590溫度傳感器mc1443cd405hs1100濕度傳感器cd4051光敏電阻adc0804cd4015圖3

14、-1 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。 （一） 信號采集 由ad590、hs1100及多路開關(guān)cd4051組成； （二） 信號分析 由a/d轉(zhuǎn)換器mc14433、單片機(jī)mcs-51（8051）基本系統(tǒng)組成； （三） 信號處理 由串行口lcd顯示。31 信號采集3.1.1 溫度傳感器集成溫度傳感器ad590 是美國模擬器件公司生產(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，通過對電流的測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量電路，其電路外形如圖3-2所示，

15、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如圖3-2所示。 1、流過器件的電流（a）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即：i t/t=1a /k式中：it 流過器件（ad590）的電流，單位a。t熱力學(xué)溫度，單位k。 2、 ad590的測溫范圍-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1a，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損壞。 4、輸出電阻為710m。 5、精度高。ad590共有i、j、k

16、、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的工作原理在被測溫度一定時，ad590相當(dāng)于一個恒流源，把它和530v的直流電源相連，并在輸出端串接一個1k的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1mvk的電壓信號。二 基本應(yīng)用電路圖3-8是ad590用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^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1k時，輸出電壓v0隨溫度的變化為1mv/k。但由于ad590的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應(yīng)對電路進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方法為：把a(bǔ)d590放于冰水混合物中，調(diào)整電

17、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 攝氏溫度測量電路如圖3-5所示，電位器r2用于調(diào)整零點(diǎn)，r4用于調(diào)整運(yùn)放lf355的增益。調(diào)整方法如下：在0時調(diào)整r2，使輸出v0=0，然后在100時調(diào)整r4使v0=100mv。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0時，v0=0mv，100時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。3.1.2 濕度傳感器測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

18、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，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計的固態(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插件和自動裝配過程等。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。 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

19、。相對濕度在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)時間小于5s；溫度系數(shù)為0.04 pf/?？梢娋仁禽^高的。二、濕度測量電路hs1100/hs1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測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)橛嬎銠C(jī)易于接受的信號，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經(jīng)整流、直流放大、再a/d轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；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，可直接被計算機(jī)所采集頻率輸出的555測量振蕩電路如圖

20、3-7所示。集成定時器555芯片外接電阻r4、r2與濕敏電容c，構(gòu)成了對c的充電回路。7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對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暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源vs通過r4、r2 向c充電，經(jīng)t充電時間后，uc達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約0.67vs，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過r2放電，經(jīng)t放電時間后，uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33vs此時輸出，此時輸出引腳3端

21、又由低電平突降為高電平，如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為 t充電=c（r4+r2）ln2 t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，空氣濕度通過555測量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表3-1給出了其中的一組典型測試值。表3-1、空氣濕度與電壓頻率的典型值3.1.3 光電采集(1) 用途: 根據(jù)光電控制的原理,隨著外界光線的變化,對產(chǎn)品的 工作狀態(tài)進(jìn)行自動控制. (2) 性能: a環(huán)氧樹脂 b反應(yīng)速度快 c靈敏度高 d體積小 e可靠性好 f光譜特性好 (3) 型號: gl5537-1 (4) 主材組成：cds c

22、dse 環(huán)氧樹脂 陶瓷基片 鍍錫銅線 2 電氣特性 產(chǎn)品 型號 part no 亮電阻light resistance 10lux (k) 2856k 暗電阻 dark resistance 最小值 (m) y10 gamma 最小值 最大功耗 power dissispstion 25(m w ) 最大電壓 impressed voltage dc (v ) 溫度 tamp () 工作 operation 存儲 storage gl5537-1 1 20-30 0 2 0.6 100 150 -30+70 -30+80 3.1.4多路開關(guān) 本設(shè)計系統(tǒng)為八路的濕度信號采集，故采用cd4051組

23、成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖3-8所示圖3-8八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口 多路開關(guān)，有稱“多路模擬轉(zhuǎn)換器”。多路開關(guān)通常有n個模擬量輸入通道和一個公共的模擬輸入端，并通過地址線上不同的地址信號把n個通道中任一通道輸入的模擬信號輸出，實(shí)現(xiàn)有n線到一線的接通功能。反之，當(dāng)模擬信號有公共輸出端輸入時 ，作為信號分離器，實(shí)現(xiàn)了1線到n線的分離功能。因此，多路開關(guān)通常是一種具有雙向能力的器件。在本設(shè)計中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號采集中將有兩個模擬量被提取，這時選用多路開關(guān)就是很必要的。我選用的是cd4051多路開關(guān)，它是一種單片、coms、8通道開關(guān)。該芯片由dt

24、l/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coms模擬開關(guān)tg組成。cd4051的內(nèi)部原理框圖如圖3-9所示。圖3-9、cd4051的內(nèi)部原理框圖 cd4051作為8選1功能時，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。3.2 信號分析與處理3.2.1 a/d轉(zhuǎn)換一a/d轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)為了把溫度、濕度檢測電路測出的模擬信號轉(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)檢測的多路溫度與濕度信號輸入，故選用

25、多路選擇電子開關(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間比較長，所以a/d轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對周期信號變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能也比較好。目前，國內(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)字測量儀器上。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110次/秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場合，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

26、器與國內(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，詳見表3-3）。圖3-10 mc14433a/d轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部邏輯框圖mc14433與8051單片機(jī)的接口設(shè)計由于mc14433的a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果是動態(tài)分時輸出的bcd碼，q0q3he ds1ds4都不是總線式的。因此，mcs-51單片機(jī)只能通過并行i/o接口或擴(kuò)展i/o接口與其相連。對于8051單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來說，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8051單片

27、機(jī)p1口直接相連的硬件接口，接口電路如圖3-13所示圖3-13 mc14433與8051單片機(jī)p1口直接相連的硬件接口3. 2. 2單片機(jī)mcs51 為了設(shè)計此系統(tǒng)，我們采用了8051單片機(jī)作為控制芯片，在前向通道中是一個非電信號的電量采集過程。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經(jīng)過功率放大過程，使信號放大，再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為計算機(jī)能識別的數(shù)字信號，再送入計算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)端口。3. 2. 2.1 8051的引腳圖 3-15 8051引腳圖8031的制作工藝為hmos，采用40管腳雙列直插dip封裝，引腳說明如下：vcc（40引腳）正常運(yùn)行時提供電源。vss（20引腳）接地。xtal1（19

28、引腳）在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個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)的時鐘信號，該引腳也是可以接外部的晶振的一個引腳，如采用外部振蕩器時，對于8051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， 對mcs51系列該引腳接收外部震蕩信號，即把該信號直接接到內(nèi)部時鐘的輸入端。rst/vpd（9引腳）在振蕩器運(yùn)行時，在此引腳加上兩個機(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8051正常工作。在掉電時，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，而vpd在其規(guī)

29、定的電壓范圍內(nèi)時，vpd就向內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器提供備用電源。ale/prog（30引腳）當(dāng)8051訪問外部存儲器時，包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，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，在不訪問外部存儲器的時候，ale仍有兩個周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的頻率的1/6，在訪問外存儲器的是候，在兩個周期中，ale只出現(xiàn)一次，ale斷可驅(qū)動8個ls ttl負(fù)載，對于有片內(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)訪問外部程序存儲器的讀選通信號，在讀取外部指令期間， psen非有兩次在每個周期有效，在此期間，每當(dāng)訪問

30、外部存儲器時，兩個有效的psen非將不再出現(xiàn)，同樣這個引腳可驅(qū)動8個lsttl負(fù)載。/vpp（31引腳）當(dāng)保持高電平時，單片機(jī)訪問內(nèi)部存儲器，當(dāng)pc值超過0fffh時，將自動轉(zhuǎn)向片外存儲器。當(dāng)保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，對8031而言，此腳必須接地。p0，p1，p2，p3：8051有四個并行口，在這四個并行口中，可以在任何一個輸出數(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i/o口內(nèi)部都有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，各成為sfr中的一個，因此cpu數(shù)據(jù)從并行i/o口輸出時可以得到鎖存，數(shù)據(jù)輸入時可以得到緩沖，但他們在功能和用途上的差異很大，p0和p2口內(nèi)

31、部均有個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口以外其余三個都是準(zhǔn)雙向口。8051有一個全雙工串行口，這個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)行也可以同時進(jìn)行。8051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

32、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. 2 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個機(jī)器周期以上的高電平時，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)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實(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對電源十5v來說構(gòu)成微分

33、電路。上電后，保持rst一段高電平時間，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。上電或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)自動復(fù)位，并且在單片機(jī)運(yùn)行期間，用開關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。常用的上電或開關(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)一段時間的高電平。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行當(dāng)中時，按下復(fù)位鍵k后松開，也能使rst為一段時間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電或開關(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(3-16a)中：cl10-30uf，r11ko 圖(3-16b

34、)中：c：1uf，rllko，r210ko3. 2. 3數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護(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. 4系統(tǒng)時鐘的設(shè)計時鐘電路是用來產(chǎn)生8031單片機(jī)工作時所必須的時鐘信號，8031本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證工作方式的實(shí)現(xiàn)，8031在唯一的時鐘信號的控制下嚴(yán)格的按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作 ，時鐘的頻率影響單片機(jī)的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘由于兩種形式：內(nèi)部時鐘和外部時鐘。我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式