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仓库温湿度的监测系统（毕业论文）第一章绪论1. 1选题背景防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。它干脆影响到储备物资的运用寿命和工作牢靠性。为保证日常工作的顺当进行，仃要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金屈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劲、效率低，且测试的温度与湿度误差大，随机性大。因此我们须要一种造价低廉、运用便利且测量精确的温湿度测量仪。2. 2设计过程与工艺要求一、基本功能检测温度、湿度显示温度、湿度过限报警二、主要技术参数温度检测范围：-30'C50C测量精度：0.5C湿度检测范围：1O%-1OO%RH检测精度：1%RH显示方式：温度：四位显示湿度：四位显示报警方式：三极管驱动的蜂鸣音报警其次章方案的比较和论证当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计第机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何精确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对限制条件的监察也是不行缺少的环节。传感器是实现测量与限制的首要环节，是测控系统的关键部件，假如没有传感器对原始被测信号进行精确牢靠的捕获和转换，一切精确的测量和限制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和限制，几乎主要依鸵各种传感器来检测和限制生产过程中的各种参生，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。21温度传感器的选择方案：采纳热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变更的特性制成的测温元件。现应用较多的有的、铜、银等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。伯的物理、化学性能极稳定，耐氧化实力强，易提纯，豆制性好，工业性好，电阻率较高，因此，销电阻用于工业检测中高精密测温柔温度标准。缺点是价格贸，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。按IEC标准测温范围-200650T,百度电阻比W(100)=1.3850时,RO为100C和IOQ,其允许的测量误差A级为土(0.15,C+0.002t),B级为士(0.3,C+0.005It).铜电阻的温度系数比的电阻大，价格低，也易于提纯和加工：但其电阻率小，在腐蚀性介质中运用稳定性差。在工业中用于-50180C测温。方案二：采纳AD590,它的测温范围在-55C+150C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。运用牢靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以运用也特别便利，借口也很简洁。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实力。AD590的测量信号可远传百余米。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温度传感器的选择。3. 2湿度传感器的选择测量空气湿度的方式许多，其原理是依据某种物质从其四周的空气汲取水分后引起的物理或化学性质的变更，间接地获得该物质的吸水量与四周空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是依据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积版之发生变更而进行湿度测量的。方案：采纳HoS-201湿敏传感器。HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的作电压为沟通IY以下，频率为50HZ-IKIIZ,测量湿度范围为0100%RH,工作温度范围为050C,阻抗在75%RH(254C)时为IMQ。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，主要用于推断规定值以上或以卜的湿度电平。然而，这种传感器只限于肯定范围内运用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。方案二：采纳HSuOo/HS1.101湿度传感器。HSuOO/HS1.1.O1.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。不需校准的完全互换性，高牢靠性和长期稳定性，快速响应时间,专利设计的固态聚合物结构,由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HSI1.O1）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，相宜于制造流水线上的自动插件和自幼装配过程等。相对湿度在战-1001.RH范围内：电容量由16pF变到200pF,其误差不大于±2即山响应时间小于5S：温度系数为0.04p1.o可见精度是较高的。综合比较方案一与方案二，方案一虽然满意精度与测量湿度范围的要求，但其只限于肯定范围内运用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。而且还不具备在本设计系统中对温度3050C的要求，因此，我们选择方案二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中，温度输入信号为8路的模拟信号，这就须要多通道结构。方案一、采纳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） 可以依据各输入量测殳的饿要求选择不同性能档次的器件。总体成本可以作得较低。（2） 硬件困难，故障率高。（3） 软件简洁，各通道可以独立编程。方案二、采纳多路分时的模拟量:输入通道。这种结构的模拟量通道特点为：（1）对ADC、S/H要求高。(2)处理速度慢。(3) 硬件简洁，成本低。<4)软件比较困难。综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于木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洁的突出优点，所以选择方案二作为信号的输入通道。图2-1多路并行模拟量输入通道图2-2多路分时的模拟量输入通道第三章系统总体设计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，我设计了以8031基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、豆位电路、温度检测、湿度检测、键盘与显示、报警电路、系统软件等部分的设计。图3T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。(一)信号采集由AD590、HS1.1.oo与多路开关OMo51组成：(一)信号分析由A/D转换器MCI4433、单片机8031基本系统组成：(三)信号处理由串行口1.ED显示器和报警系统等组成。3.1信号采集3.1.1温度传感器集成温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。,主要特性D590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所须要的温度值。依据特性分挡，AD590的后缀以1.J,K,1.,M表示。AD5901.,AD59OM一般用于精密温度测量:电路，其电路外形如图3-2所示，它采纳金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V+；2脚为电流输出端10：3脚为管克，般不用。集成温度传感器的电路符号如图3-2所示。图3-2AD590外形（图1）与电路符号（图2）1、流过器件的电流（UA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：ITT=1UA/K式中：IT流过器件（AD590）的电流，单位nA。T一一热力学温度，单位K。2、AD590的测温范围-55*C-+I5O*C°3、AD590的电源电压范围为4V-30V。电源电压可在4V-6V范围变更，电流IT变更1A,相当于温度变更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710MQ.5、精度高。AD590共有I、J、K、1.、M五档，其中M档精度最而在-55C+150七范围内，非线形误差±0.3C°2 AD590的工作原理在被测温度肯定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530Y的直流电源相连，并在输出端串接一个IkQ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ImY/K的电压信号。其基本电路如图3-3所示。图3-3D590内部核心电路图3-3是利用UBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1.T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1.和12相等：T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的放射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为UBE0因此，电流I1.为：I1.=1.BER=(KTq)(Inn)/R对于AD590,n=8,这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻R1.上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1口A/K的I值。图3-4D590内部电路图3-4所示是AD590的内部电路,图中的T1-T4相当于图3-3中的TkT2,而T9,T1.1.相当于图3-3中的T3、T4°R5,R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻,供出厂前调整之用。T7、T8,T1.O为对称的WiISOn电路，用来提高阻抗。T5、T12和T1.o为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称°R1.,R2为放射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1-T4是为热效应而设计的连接防式。而C1.和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9,T1.O,T1.1.三者的放射极电流相等,并同为整个电路总电流I的1/3。T9和TH的放射结面积比为8：1,T1.O和TI1.的放射结面积相等。T9和T1.1.的放射结电压相互反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出:UBE=(R6-2R5)I/3R6上只有T9的放射极电流,而R5上除了来自T1.O的放射极电流外,还有来自TI1.的放射极电流，所以R5上的压降是R5的2/3。依据上式不难看出，要想变更AUBE,可以在调整R5后再调整R6,而增大R5的效果和减小R6是样的，其结果都会使UBE减小，不过，变更R5对AUBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。事实上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250C之下使总电流I达到1.AK.二.基本应用电路图3-8是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1.和电位器R2的电阻之和为IkC时,输出电压Vo随温度的变更为ImV/K。但由于加590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R2,使V0=273.2+25=298.2(mV)但这样调整只保证在OC或25C旁边有较高的精度。图3-5AD590应用电路三.摄氏温度测量电路如图3-5所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放1.F355的增益。调整方法如F：在OC时调整R2,使输出V0-0,然后在100C时调整R4使YO=100mV。如此反复调整多次,直至OC时，VO=OmV,Io(TC时VO=100mV为止。最终在室温卜.进行校验。例如，若室温为25*C,那么VO应为25m1.冰水混合物是OC环境，沸水为IO(TC环境。四.多路检测信号的实现木设计系统为八路的温度信号采集，而MCI4433仅为一路输入，故采纳CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3-6所示图3-6八路分时的模拟量信号采集电路硬件接口3 .1.2湿度传感器测量空气湿度的方式许多，其原理是依据某种物质从其四周的空气汲取水分后引起的物理或化学性质的变更，间接地获得该物质的吸水：S与四周空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是依据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变更而进行湿度测量的。下面介绍HSuoo/HSUO1.湿度传感器与其应用。一、特点不需校准的完全互换性，高牢靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触(IIS1100)和侧面接触(IIS1101)两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，相宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。图3-7a为湿敏电容工作的海、湿度范围。图3-71）为湿度-电容响应曲线。图3-7a、湿做电容工作的温、湿度范围图3-7b、湿度-电容响应曲线,>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0.04pF*C0可见精度是较高的。二、湿度测量电路HS1100/I1S1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容求随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变更量精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运方与租蓉组成的桥式振荡电路中，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，将电容值的变更转为与之成反比的电压频率信号，可干脆被计算机所采集频率输出的555测量振荡电路如图3-7所示。集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C,构成了对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，便成为个典型的多谐振荡器，即方波发生器.另外，R3是防止输出短路的爱护电阻，RI用于平衡温度系数。图3-7、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VS通过R4、R2向C充电，经t充电时间后，UC达到芯片内比较器的高触发电平,约0.67Vs,此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经I放电时间后，Uc卜降到比较器的低触发电平,约0.33VS此时输出，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t充电=C(R4+R2)1.n2t放电=CR21.n2因而，输出的方波频率为f=1.(t放电+t充电)=1C(R4+R2)1.n2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。表3-1、空气湿度与电压频率的典型值三、多路检测信号的实现木设计系统为八路的湿度信号采集，故采纳CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3-8所示图3-8八路分时的模拟量信号采集电路硬件接口3. 1.3多路开关多路开关，有称“多路模拟转换器，多路开关通常有n个模拟量输入通道和个公共的模拟输入端，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，作为信号分别器，实现了1线到n线的分别功能。因此，多路开关通常是一种具有双向实力的器件。在本设计中，由于采纳了温湿度双量限制，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。我选用的是CD4051多路开关，它是种单片、COVS、8通道开关。该芯片由DT1./TT1.-C0MS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上限制的8个COMS模拟开关TG组成,CD4051的内部原理框图如图3-9所不O图3-9、0)4051的内部原理框图图中功能如下：通道线IN/0UT(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：禁止输入引脚。若INH为高电平，则为禁止各通道和输出端0UT/IN接至；若INH为低电平，则允许各通道按表3-2关系和输出段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T7V。VGG(7)：电平转换器电源，通常接+5V或51.CD4051作为8选1功能时,若A、B、C均为逻辑m0m(INH=O),则地址码OOOI3经译码后使输出端OUI7IN和通道0接通。其它状况下,输出端O1.T/IN输出端OIT/IN和各通道的接通关系如F表3-2输入状态接通输入状态接通INHCBA通道INHCBA通道OOOOOO1O15OOO11O11O6OO1O2O1117OO1131XXX均不显示O1OO43.2信号分析与处理3.2.1A/D转换一.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CPI处理.，本系统选用了双积分A/D转换港MC14433,它精度高，辨别率达1/1999。由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。MC14433D转换器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；对周期信号变更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许多，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D转换器IC1.7135二.MC1.4433A/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1一10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，被广泛采纳。MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全相同，可以互换。MC1.4433A/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BeD码的形式分四次送出（最高位输出内容特殊，详见表3-3）。图370MC14433A/D转换器的内部逻辑框图图3-11MC14433引脚图MC14433的框图（图3TO）和引脚（图3TD功能说明各引脚的功能如下：电源与共地端VDD：主工作电源+5V。VEE:模拟部分的负电源端，接-5V。VAG：模拟地端。VSS：数字地端。VR：基准电压。外界电阻与电容端RI：积分电阻输入端,YX=2V时，R1=470?：VX=200Mv时,R1.=27K7C1：积分电容输入端。C1.一般为0JF.C01.C02：外界补偿电容端，电容取值约0.1禺"R1./C1.：RI与C1.的公共端。C1.KkC1.KO:外界振荡器时钟调整电阻Re,Rc一般取470K?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/0R：当IYX|?YR,过量程/0R输出低电平。位选通限制线DS4一一DS1：选择个、十、百、千位，正脉冲有效。DS1.对应千位，DS4对应个位。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。图3T2MCI4433选通脉冲时序图BCD码输出线QO-Q3：BCD眄输出线。其中QO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QOQ3除了表示个位的0或1夕卜，还表示了转化值的正负极性和欠量:程还是过量程其含看法表3-3表3-3、DS1.选通时Q3Q0表示的结果由表可知Q3表示"2位，Q3="0”对应1.反之对应0。Q2表示极性，Q2="1.”为正极性，反之为负极性。Qo="1”表示超量程：当Q3="0”时，表示过量程：当Q3="1.''时，表示欠量程；-.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,Q0Q3HEDS1.DS4都不是总线式的。因此，MeS-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可以干脆和其P1.口或扩展I/O口8155/8255相连。下面是MC14433与8031单片机P1.口干腌相连的硬件接口，接口电路如图373所示图3-13MC14433与8031单片机P1.干脆相连的硬件接口3.2.2单片机8031为了设计此系统，我们采纳8031单片机作为限制芯片，在前向通道中是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湍口.由于8031中无片内KOM,且数据存储器也不能满意要求，经犷展2762和6264米达到存储器的要求，其结果通过显示器来进行显示输出。3.2.2.18031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块半导体芯片上，即组成了单片微型计算机，8031就是MCS-51系列单片机中的一种。图3-148031基本组成CPU中心处理器：中心处理器是8031的核心，它的功能是产生限制信号，把数据从存储器或输入口送到CPU或CP1.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内部有个频率最大为12MHZ的时钟电路,它为单片机产生时钟寿列，须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，以定时或计数结果对计算机进行限制。并行I/O口：MCS-51有四个8位的并行I/O口，PO,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。中断限制系统：8031有五个中断源，既外部中断两个，定时汁数中断两个，串行中断一个,全部的中断分为高和低的两个输出级.3.2.2.28031的引脚图3-158031引脚图8031的制作工艺为HMOS,采纳40管脚双列直插DIP封装,引脚说明如下:VCC（40引脚）正常运行时供应电源。VSS（20引脚接地。XTA1.1.（19引脚）在单片机内部，它是个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的震荡器，可以供应单片机的时钟信号，该引脚也是可以接外部的晶振的个引脚，如采纳外部振荡器时，对于8031而言此引脚应当接地。XTA1.2（18引脚）在内部，接至上述振荡器的反向输入端，当采纳外部振荡器时，对MCS51系列该引脚接收外部震荡信号，即把该信号干脆接到内部时钟的输入端。RST/YPD（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曳位,复位后应使此引脚电平保持不高于05丫的低电平以保证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BVCC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供应备用电源。A1.E/PROG（30引脚）当8031访问外部存储器时,包括数据存储器和程序存储器，A1.E9地址锁存允许O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，A1.E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，A1.E只出现一次,A1.E断可驱动8个1.STT1.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PROGo（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1.STT1.负载。/VPP（31引脚）当保持高电平常，单片机访问内部存储器，当PC值超过OFFFH时,将自动转向片外存储器。当保持低电平常,则只访问外部程序存储器，对8031而言，此脚必需接地。PO.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中的个，因此CPU数据从并行I/O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，PO和P2内部均有个受限制器限制的二选选择电路，故它们除可以用做通用I/O以外还具有特殊的功能，PO通常用做通用"0为CPU传送数据，P2口除了可以用做通用口以外，还具有第功能，除Po口以外其余三个都是准双向口。8031有个全双工串行口,这个串行口既可以在程序F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口的其次功能，利用P3.1做事行数据接收线，串行接口的电路结构还包括串行口限制寄存器SCON,电源与波特率选择寄存器PCON和中行缓冲寄存髭SBUF,他们都屈于SFR,PCoN和SCON用于设置串行工作方式和确定数据发送和接收，SBUF用于存放欲发送的数据起到缓冲的作用。3.2.2.38031程序存储器3.2.2.5特殊功能寄存器SFR8031有21个专用寄存器，他们是用来管理CPU和I/O以与内部逻辑部件的，在指令中专用寄存器是以存储单元方式被读写的，专用寄存器虽出名称，但寻址时都做专用寄存器用，它们的地址是与片内RAM的地址相连的。卜面就专用寄存器作以简洁的介绍：累加器A：在绝大多数状况下它参加运算的一方并存放运算的结果。寄存器B：进行乘除运算时，寄存器B有特定的用途，在乘时存放个乘数以与积的最高位，A中存放另一个乘数以与积的低位。除法时，B中存放除数与余数，而在A中存放被除数和商，其他状况可作为一般寄存器用。堆栈指针SP：在子程序调用或中断时，用来暂存数据和地址，它按先进后出的原则存储数据，它是个八位寄存器它指出堆栈顶部在片内RAv中的位置，系统曳位后，SP变成07H,使堆栈从00胞元起先。：数据指针DPTR:由两个字节组成,DPH字地址由83H,DP1.由82H,存放一个16位的二进制数做地址用。程序状态字PSM七位用来表征各种标记，另位无意义。CACFORS1.RSOOV-PC：进位标记位，用于表示加减运第时最高位有无进位和借位，在加法运算中，若累加器最高位有进位则CY=I,否则CY=O.在减法时则有借位CY=I,否则Cy0,在执行算术逻辑运匏时可以被硬件或软件置位或清除，CPU在进行移位操作也会影响该位。AC：当进行加法或减法运算时并产生由低四位向高四位的进位或借位时，AC置1,否则清0。若AC=O时则在加减过程中A3没有向A4进位或借位，否则正好相反。1.0:FO常不是由机器来指令执行中形成的，而是用户依据程序的须要进行设置的，这个位经确定就可通过软件测试来确定用户程序的流向。RSI,RSO：8031有四个8位工作寄存器R0R7,用户可以变更RS1.和RSo的状态来确定ROR7的物理地址。0V：用以指示运算是否发生溢出，由机器执行指令自动形成，若机器在执行指令过程中累加器A超过8位，则OV=I否则为0。P：用来来表示累加器A中的值为1的二进制位的奇偶数，若T'的个数为奇数P-I,为偶数P=0.在申行通信中常用奇偶校验数据传输结果的正确性。3.2.2.6工作方式它的工作方式可以分做豆位，掉电和低功耗方式等。一、复位方式当MCS51系列单片机的红位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平常，单片机就执行发位操作。假如RST持续为高电平，单片机就处于循环豆位状态。依据应用的要求，及位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关豆位。上电更位要求接通电源后，自动实现豆位操作。常用的上电更位电路如图(3T5a)中左图所示。图中电容C1.和电阻R1.对电源十5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平常间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1.,也能达到上电曳位的操作功能，如图(3T5a)中所示。上电或开关第位要求电源接通后，单片机自动发位，并旦在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机身位。常用的上电或开关豆位电路如图(3T5b)所示。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按卜.复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关熨位的操作。依据实际操作的阅历，下面给出这两种红位电路的电容、电阻参考值。图3-16单片机的复位电路图(3T6a)中:C1.=10-30u1.R1.=IkO图(3T6b)中:C：=IuF,R1.=IkO,R2=IOkO二、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，使人们丢失宝贵的数据而手足无措，8031有掉电爱护，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需对其进行程序存储器的扩展，和依据系统的须要对其进行数据存储器的扩展。8031对程序存储器和数据存储器均可进行OOOoHFFFFH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作而位的地址输出，PO作低位地址输出和数据线。一、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OoOoHFFFFH,考虑系统的须要，我们将8031的程序存储器扩展为4KEPROV,采纳2764作为RoM芯片。程序存储器扩展的容量大于256字节，故EPROM片内地址线除由PO口经地址存储器供应低8位地址外，还须要由P2口供应若干条地址线，我们选用8K的2764EPROM,故地址线应当是13条,因为系统中只扩展一片EPROM,所以不用片选信号，即EPROM的接地。在程序扩展中,我们选用的地址锁存器是741.S373当三态门的为低电平常，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瑞为高电平常，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常，输入端1D-8D的数据锁入1Q8Q中。当2764处于读方式卜和均为低电平有效。当YPP=+5V时，EPRoM处于读一匚作方式：这时由给定地址信号确定被选中存储器单元信息.:被读出到数据输出端M)D7上。维持方式：当为高电平常，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。编程方式：在VPP加上+25Y编程电源并在和地端跨接个OjUf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3-17所示图376程序存储器的扩展在选用芯片扩展的同时要考虑满意系统的要求的前提下，使电路简化，尽量选择大容量的芯片，以削减芯片组合的数量，在芯片型号的选择上选用满意应用环境要求的芯片型号.二、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卜片内RAM不能满意要求，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，依据系统对数据采集的要求。我们采纳8K静态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洁且能满意系统的要求。6264是8K*8位的静态随机存储器芯片。它采纳CMOS工艺制作，单一的+5V电源供电,额定功耗是20OmW,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，读写限制信号与8031的和相连。PO口通过741.S373与A0A7相连，P2.0P2.4与A8-A12相连,P2.7与相连,PO口与D0D7相连作为数据线,同时CE2接+5V电源,GND接地。如图3-18:所示:图3T8数据存储器的扩展3.2.4数据存储器的掉电爱护单片机系统内的RAM数据是特别简洁丢失的,特殊是些宝贵的科研数据，一旦丢失后果不行思议，因此掉电爱护是必须要做的，一旦电源发生掉电现象，在掉电的瞬间系统能自动爱护RAM中的数据和系统的运行状态，当电源夏原正常供电后能更原到掉电前的【:作状态。3.2.5系统时钟的设计时钟电路是用来产生8031唯片机I：作时所必需的时钟信号，8031本身就是个困难的同步时序电路，为保证工作方式的实现，8031在唯一的时钟信号的限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。我们系统采纳内部时钟方式来为系统供应时钟信号。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XTA1.1.和XTA1.2,它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成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纳温度稳定性好的NPO电容，采纳的晶振频率为12MHZ。图3-19系统时钟3.3显示与报警的设计3.3.1显示电路在单片机应用系统设计中，般都是把键盘和显示痣放在起考虑。本设计是利用8031的串行口实现键盘/显示器接口。当8031的串行口未作它用时,运用8031的事行口来外扩键盘/显示器.应用8031的串行口方式0的输出方式,在串行口外接移位寄存器741.S164,构成键盘/显示器接口，其硬件接口电路如图3-20所示：图3-20键盘与显示与主机的极j件接口图中下边的8个741.S164：741.S164(0)-741.S164(7)作为8位段码输出口，741.S138的YO作为键输入线，Y2作为同步脉冲输出限制线。这种静态显示方式亮度大，很简洁作到显示不闪耀。静态显示的优点是CPU不必常见的为品示服务，因而主程序可不必扫描显示器，软件设计比较简洁，从而使单片机有更多的时间处理其他事务。3.3.2报警电路在微型计尊机限制系统中，为了平安生产，对于些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提示操作人员留意，或实行紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字波波，标