采用單片機(jī)控制的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1 目 錄 引言 1 第一章 概述 2 課題來(lái)源 2 系統(tǒng)簡(jiǎn)述 3 第二章 8031 單片機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 7 8031 引腳描述 7 存儲(chǔ)器配置 9 中央處理器 10 復(fù)位狀態(tài)及復(fù)位電路 11 系統(tǒng)的地址譯碼 11 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 12 中斷系統(tǒng) 13 第三章 8031 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 2764） 16 6264） 16 次逼近式 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 16 8255A 可編程并行接口 19 74碼器 24 74 D 鎖存器 25 74觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器 26 555 定時(shí)器 27 第四章 8031 單片機(jī)的擴(kuò)展 29 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 29 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 30 并行 I/O 口的擴(kuò)展 30 顯示接口電路 32 第五章 部分硬件電路的設(shè)計(jì) 34 “看門狗”電路 34 分頻電路 35 2 模擬 量輸入電路 36 精密電源 36 光電隔離工作電路 37 時(shí)鐘產(chǎn)生電路 38 第六章 抗干擾問(wèn)題 39 第七章 軟件設(shè)計(jì) 40 程序流程圖 41 程序 46 結(jié) 論 54 參考文獻(xiàn) 55 附 錄 56 謝 辭 57 摘 要 能源與環(huán)境成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。人類正在努力尋求清潔，高效，可以再生的能源來(lái)代替對(duì)石油，煤炭等常規(guī)能源的依賴。太陽(yáng)能，風(fēng)能是潔凈資源，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染。所以，開發(fā)利用再生能源成為本世紀(jì)能源發(fā)展戰(zhàn)略 的基本選擇。小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)就是利用自然能源，解決位于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地方（草原、邊防海島、山區(qū)、牧區(qū)等）沒(méi)有比較穩(wěn)定電源的問(wèn)題。 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)是為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)電力的不足而設(shè)計(jì)的獨(dú)立發(fā)電設(shè)備。它是由太陽(yáng)能電池組件與風(fēng)力發(fā)電機(jī)配合而成的一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)微型計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制，基本實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)。因?yàn)橄到y(tǒng)中設(shè)有單片機(jī)工作狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果正確與否監(jiān)測(cè)、繼電器是否按指令要求動(dòng)作檢測(cè)，并對(duì)所有檢測(cè)結(jié)果都設(shè)有錯(cuò)誤報(bào)警顯示。系統(tǒng)中的一切設(shè)施可以保證蓄電池安全的工作，既不會(huì)過(guò)充也不會(huì)過(guò)放。系統(tǒng)設(shè)置中軟硬件結(jié)合，既發(fā)揮了 硬件運(yùn)算快的優(yōu)點(diǎn)，又利用了軟件使用方便的優(yōu)勢(shì)。 關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)； 單片機(jī) ；風(fēng)力發(fā)電。 3 引 言 電力在現(xiàn)實(shí)生活中占主導(dǎo)地位，但是受客觀環(huán)境的限制，有些地區(qū)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)電業(yè)的發(fā)展和建設(shè)。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)電力的不足，我們?cè)O(shè)計(jì)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。 此系統(tǒng)就是利用風(fēng)和光兩種自然能源相互補(bǔ)充發(fā)電，由太陽(yáng)能電池板與風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)蓄電池充電，給負(fù)載供電的一種新型能源。它既不消耗任何礦物燃料，又完成了對(duì)自然能源的合理利用。此系統(tǒng)可以應(yīng)用于微波通訊、基站、電臺(tái)、野外活動(dòng)、高速公路、無(wú)電扇區(qū)、村莊、海島的電力提供。而且 為了適應(yīng)偏遠(yuǎn)地區(qū)不便利的地理環(huán)境。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)幾乎完成了智能化，免維護(hù)。尤其適合在內(nèi)蒙古風(fēng)力大的偏遠(yuǎn)山區(qū)。 本次設(shè)計(jì)就是對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的詳細(xì)介紹。設(shè)計(jì)中對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)作了簡(jiǎn)要介紹，但對(duì)系統(tǒng)所用的單片機(jī)、其他芯片及附加電路作了詳細(xì)介紹。并介紹了系統(tǒng)中的抗干擾措施。最后介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 由于我所學(xué)知識(shí)和時(shí)間有限，設(shè)計(jì)中有不少漏洞和不足，敬請(qǐng)老師給與批評(píng)和指正。謝謝。 4 第一章 概 述 在我們的日常生活中，所用電力幾乎都是由傳統(tǒng)的電力提供的，但是受到外界環(huán)境限制 ，它并不能遍及每一個(gè)用電領(lǐng)域。于是我們需要開發(fā)新的獨(dú)立的供電系統(tǒng)。 課題來(lái)源 在當(dāng)今世界，電已經(jīng)成為人 們生活中最常用的動(dòng)力來(lái)源，隨著人們生活水平的不斷提高和技術(shù)進(jìn)步 ，人們對(duì)電的依賴越來(lái)越強(qiáng)。無(wú)論是農(nóng)業(yè)、工業(yè)還是新型的第三產(chǎn)業(yè)，用電量都在逐年增加，幾乎可以說(shuō)，沒(méi)有電能，人民的生活將陷入高度的無(wú)秩序狀態(tài)。 也正是因?yàn)殡娏υ谌藗兊纳钪姓嫉谋戎卦絹?lái)越大，才使得人們生活的地區(qū)差異表現(xiàn)的越來(lái)越明顯。因?yàn)槲覀冎?，傳統(tǒng)的電力行業(yè)以消耗煤等礦物燃料為主，生產(chǎn)過(guò)程中科學(xué)技術(shù)的要求也比較高，隨之帶來(lái)的環(huán)境污染也比較 嚴(yán)重。這就使得有些根本不具備發(fā)展傳統(tǒng)電力的條件。比如說(shuō)，我們知道我國(guó)的能源分布具有很大的不均衡性，有些偏遠(yuǎn)地區(qū)，如農(nóng)牧區(qū)、山區(qū)、沿海以及島嶼等地，部隊(duì)的邊防哨所、郵電通訊的中繼站、公路和鐵路的信號(hào)站、地質(zhì)勘探和野外考察的工作站，都需要低成本、高可靠性的獨(dú)立電源系統(tǒng)，但是因?yàn)榈胤缴细揪蜎](méi)有礦物燃料的存儲(chǔ)，甚至因?yàn)榈貐^(qū)偏遠(yuǎn)，對(duì)于燃料的運(yùn)輸都幾乎不可能；而還有些地區(qū)，則由于人力資源不豐富，長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)也一直很難建設(shè)自己的電力事業(yè)，也就限制和制約了許多用電行業(yè)的的發(fā)展；當(dāng)然越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，也不由得讓我們?cè)?電力的建設(shè)發(fā)展上小心又謹(jǐn)慎。這種種情況造成了我國(guó)許多地方的人民，在日常生活中長(zhǎng)期承受著電力缺少的困難。 從這些客觀的條件中我們可以看出，在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)，建立獨(dú)立供電系統(tǒng)成為人們最需要的電源。哪種獨(dú)立電源最合理，這是人們一直在研究和探討的問(wèn)題。如今我們發(fā)現(xiàn)風(fēng)和光等自然能源，在部分地區(qū)很豐 富，而且這些能源清潔無(wú)污染，取之不盡，用之不竭，對(duì)它們的合利用既 可以節(jié)省礦物燃料，又能給人們帶來(lái)很大方便，是理想的能源。于是智能化風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)就應(yīng)用而生了。 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)就是利用風(fēng)和光兩種自然能源相互補(bǔ)充發(fā)電 ，在不消耗任何礦物燃料的情況下提供可靠的免費(fèi)電力，為農(nóng)牧區(qū)、山區(qū)、沿海以及島嶼等邊遠(yuǎn)地區(qū) 的人民解決缺少電力的困境。它的工作原理很簡(jiǎn)單，就是永磁 交流發(fā)電機(jī)，利用風(fēng)能發(fā)出三項(xiàng)交流電；光電池板則在太陽(yáng)能的照射下，自動(dòng)的將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。二者所發(fā)的電共同為蓄電池供電。其間微機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，它完5 成對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警、信號(hào)傳輸以及問(wèn)題處理、自動(dòng)維護(hù)等工作，也就是讓整個(gè)系統(tǒng)幾乎實(shí)現(xiàn)了智能化。 系統(tǒng)簡(jiǎn)述 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)智能化，為了保證蓄電池既不過(guò)充，也不過(guò)放，系統(tǒng)設(shè)置 了蓄電池電壓控制系統(tǒng)；對(duì)于繼電器在指令執(zhí)行后，是否按要求動(dòng)作，系統(tǒng)設(shè)置了繼電器動(dòng)作檢測(cè)，并且對(duì)故障狀態(tài)設(shè)置了報(bào)警顯示電路，為了讓單片機(jī) 8031 在執(zhí)行程序后能正常復(fù)位，系統(tǒng)設(shè)置了看門狗電路，等等。不只在電路設(shè)計(jì)上這樣，在參數(shù)選擇上也有講究，比如說(shuō)，在系統(tǒng)設(shè)置經(jīng)濟(jì)合理，簡(jiǎn)單明了的前提下，系統(tǒng)選擇了 6 Q 90 型號(hào)的蓄電池，因?yàn)樗亓枯p，體積小，而且充放電循環(huán)次數(shù)多，也就是說(shuō)電池的使用壽命長(zhǎng)；繼電器選擇 1 型的小型繼電器，大大減少了系統(tǒng)總重量和占地面積。下面對(duì)系統(tǒng)作簡(jiǎn)要介紹。系統(tǒng)的原理方框圖如下 圖 1從圖中我們可以看出，它的主要組成設(shè)備有： （ 1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)： 采用 200W 永磁 交流發(fā)電機(jī) 風(fēng)機(jī)特點(diǎn)： （ A） 具有特別適合大多內(nèi)陸地區(qū)低風(fēng)速、時(shí)發(fā)電特性好、發(fā)電量大的特點(diǎn)。 （ B） 具有機(jī)械、電子剎車裝置，可以確保在高風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在安全可靠的范圍內(nèi)，使最高輸出電壓成為安全可控的電壓。 6 （ 2）太陽(yáng)能光電池板：采用 100W/14V 硅光電池，它能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，屬于一種半導(dǎo)體元件，它的特點(diǎn)如下： （ A）它是轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 15%的單晶硅太陽(yáng)能電池板。 （ B）具有抗風(fēng)、防潮、工作穩(wěn)定、無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn)。 其結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 1電池板結(jié)構(gòu)圖 它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的半導(dǎo)體 ，用單晶硅制成，分為 種類型。其中 型單晶硅制造， 工作原理是光生伏特效應(yīng)，即在熱平衡條件下 能夠彎曲，在熱勢(shì)壘區(qū)內(nèi)電場(chǎng)的方向由 N 指向P。當(dāng)有光照時(shí)，可以把自己的能量傳給價(jià)帶中的電子，使得電子獲得足夠的能量，從價(jià)帶中跳到導(dǎo)帶，即從束縛狀態(tài)變?yōu)樽杂蔂顟B(tài)，與此同時(shí)，在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，在結(jié)的勢(shì)壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生光生電子、空穴時(shí)，它們會(huì)被結(jié) 電場(chǎng)拉開：電子被推到 穴被推到 于電子和空穴在 區(qū)積累， 區(qū)兩端就產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，即產(chǎn)生電流。 （ 3）鉛酸蓄電池： 規(guī)格： 90安時(shí) 12伏 蓄電池的選擇要求：重量輕、體積小、能量轉(zhuǎn)換率高、自放電慢、充放電循次數(shù)多（即使用壽命長(zhǎng)）等。其次，還有些特殊要求如低溫時(shí)能大電流放電、維護(hù)簡(jiǎn)單7 或無(wú)需維護(hù)、自放電（析氫）特別慢等。 圖 1蓄電池型號(hào) 本系統(tǒng)選擇 6 Q 90 型 鉛酸蓄電池 兩塊串聯(lián) ，該電池用直流電源充電，因而風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流三相電應(yīng)該經(jīng)過(guò)整流后供給 電池。 為了避免蓄電池過(guò)充過(guò)放將蓄電池的電壓控制在 20 24 28 （ 4）微機(jī)控制系統(tǒng) 微機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行的基本保證。另外本系統(tǒng)受應(yīng)用環(huán)境的要求，本身就要求實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。所以無(wú)論從硬件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)都要對(duì)系統(tǒng)有保護(hù)作用。例如在本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中有蓄電池電壓控制，因?yàn)橹绷鞒潆姷男铍姵?，要求電壓控制?20 24 28能安全使用，不至于被燒壞。所以電壓控制用來(lái)保證其既不過(guò)充又不過(guò)放；繼電器工作要求是：在接受到指令后，要按指令要求來(lái)動(dòng)作。而且一旦出錯(cuò)就要有報(bào)警顯示 。為了實(shí)現(xiàn)繼電器正常工作，系統(tǒng)設(shè)有繼電器動(dòng)作檢測(cè)，并對(duì)故障狀態(tài)設(shè)有報(bào)警顯示；為了保證整個(gè)系統(tǒng)工作的正常，執(zhí)行動(dòng)作正確，系統(tǒng)對(duì) 在 于 8031 芯片執(zhí)行 程序時(shí)，為保證程序在故障死機(jī) 后，能使 8031 正常復(fù)位，系統(tǒng)又設(shè)有“看門狗 ” 電路等等。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)嚴(yán)密完整的智能化系統(tǒng)，使用起來(lái)方便。 由系統(tǒng)框圖可以看出，風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能光電池板發(fā)電，共同給蓄電池供電（為直流）。此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板和蓄電池又共同為直流負(fù)載 供電（風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電經(jīng)過(guò)三相整流后便為直流）。微型單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)蓄電池兩端電壓進(jìn)行檢測(cè)：若蓄電池過(guò)充，則使繼電器 1C 動(dòng)作，接通泄載電路，不再為蓄電池供電；若檢測(cè)結(jié)果是蓄電池過(guò)放，則使繼電器 2C 動(dòng)作，斷開負(fù)載電路，不再為負(fù)載供電，而給蓄電池充電。為保護(hù)人為地誤操作給系統(tǒng)帶來(lái)不利，我們又增加了二極管 3，它們的作用如下： 8 作用是三相整流的二極管組。因?yàn)樾铍姵毓╇娨笾绷麟妷?。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)的是三相交流電。為了把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，增設(shè)的三相整流二極管組。 泄電流。 得光電板遭到破壞。 綜上所述，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)是非常合理的，因此也就決定了它有很多特點(diǎn)，比方說(shuō)： 獨(dú)立供電 安裝方便 無(wú)人值守 維護(hù)量少 搬遷方便 一次性投資，免交電費(fèi) 無(wú)污染，屬于環(huán)保能源 這些都使得它比同樣的發(fā)電系統(tǒng)有了很大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)智能化風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制的使用范圍也很廣，例如： 適應(yīng)于偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)法供電的場(chǎng)所。 適用于無(wú)人職守用電設(shè)備的供電。 適用于中小型供電場(chǎng)所（ 100W 200W）。 在有電池房的條件下， 可以工作在零上 40度、零下 40度，濕度可達(dá) 0 95%，瞬間承受風(fēng)力達(dá) 12級(jí)。 在中小型供電時(shí)與普通拉線方式相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)。 本系統(tǒng)為純綠色能源系統(tǒng)。 太陽(yáng)能電池組件與風(fēng)力發(fā)電機(jī)有機(jī)地組配成一個(gè)系統(tǒng)，可充分發(fā)揮各自的特性和優(yōu)勢(shì)，最大限度的利用好大自然賜予的風(fēng)能和太陽(yáng)能。對(duì)于用電量大、用電要求高，而風(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源又較豐富的地區(qū)，風(fēng)光互補(bǔ)供電無(wú)疑是一種最佳選擇。這些優(yōu)點(diǎn)正是傳統(tǒng)電力所無(wú)法滿足的要求，所以說(shuō)智能化風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)是一種補(bǔ)充傳統(tǒng)電力不足的理想發(fā)電系統(tǒng)。接下來(lái)的文章中，我們對(duì)系統(tǒng)的 工作原理、硬件組成及各自工作情況、軟件設(shè)計(jì)等方面作詳細(xì)的介紹。 9 第二章 8031 單片機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 單片機(jī)是一種高度集成的芯片，它的內(nèi)容是一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)。由于體積小，使得它在計(jì)算機(jī)外部設(shè)備，過(guò)程及工業(yè)控制設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 單片機(jī)是按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，所以它有很好的環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力。有很好的可靠性。 目前世界上常用的單片機(jī)有 8051、 列。本設(shè)計(jì)主要采用 8031 單片機(jī)作為微機(jī)控制的核心。 8031 單片機(jī)的組成 8031 型號(hào)的單片機(jī)屬于單片機(jī) 列，為 片。它的內(nèi)部只有 128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 而無(wú)程序存儲(chǔ)器（ 8031 單片機(jī)是在一塊芯片上集中了 時(shí)器 /計(jì)數(shù)器和多功能的 I/們都是通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成。其基本結(jié)構(gòu)依然是通用 上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上卻有了很大的變化。采用了特殊功能寄存器（ 集中控制方法。 8031 單片機(jī)包含下列部件： (1)一個(gè)微處理器（ (2)一個(gè)片內(nèi)震蕩器 (3)128 字節(jié) 據(jù)存儲(chǔ)器 (4)兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (5)特殊寄存器 (6)32 條可編程的 I/O 端口 (7)一個(gè)可編程的全雙工的串行口 (8)具有五個(gè)中斷兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu) 8031 是標(biāo)準(zhǔn)的 40 腳雙列直插式集成電路芯片，有些引腳具有兩種功能。 下面介紹 8031 的引腳功能和 的第二功能。 下圖為 8031 的引腳分布圖： 10 圖 2 8031 引腳分布圖 引腳功能如下： （ 39 32）：雙向 I/O 口，既可以做地址 /數(shù)據(jù)總線口，也可以作普通 I/O 口用（此時(shí)為準(zhǔn)雙向口）。 1 8）：準(zhǔn)雙向通用 I/ 21 28）：既可做地址總線口輸出地址高 8位，也可以作普通 I/O 口用（此時(shí)為準(zhǔn)雙向口）。 （ 10 17）：雙功能口，既可以作普通 I/O 口（此時(shí)為準(zhǔn)雙向口），也可以按每位的定義實(shí)現(xiàn)第二功能操作。如表（ 2示： A P R O G （ 30）： 地址鎖存允許信號(hào)。它的基本作用是把 分時(shí)送出的地址低 8 位字節(jié)鎖存在一個(gè)外加的鎖存器中。此外由于 以晶振 1/6的固定頻率輸出的正脈沖（在不訪問(wèn)外存時(shí)也這樣），可以做系統(tǒng) 中其它芯片的時(shí)鐘源。 9）： 復(fù)位信號(hào)。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平即可完成單片機(jī)的復(fù)位初始化的操作。第二功能 掉電保護(hù)備用電源的輸入端。當(dāng)電源發(fā)生故障，電壓降到下限時(shí)，備用電源經(jīng)此端向內(nèi)部 供電壓，以保護(hù)內(nèi) 的信息不丟失。 11 31）： 內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器選擇線。 0 時(shí)，訪問(wèn)外部 1時(shí)，地址 0000H 0址 1000H 間訪問(wèn)外部 29）：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效。 19）和 18）：使用內(nèi)部振蕩電路時(shí)，用來(lái)外接石英晶體和電容；使用外部時(shí)鐘時(shí)， 地。 40）：電源 +5V。 20）：接電源地。 表 2的第二 功能 口線 第二功能 信號(hào)名稱 行輸入口 行輸出口 外部中斷 0 輸入 外部中斷 1 輸入 0 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 外部輸入 1 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 外部輸入 R 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 D 外部 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 031 單片機(jī)的存儲(chǔ)器 單片機(jī)的存儲(chǔ)器有程序存儲(chǔ)器（ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 在使用時(shí)是嚴(yán)格區(qū)分的，不得混用。程序存儲(chǔ)器存放指令及常數(shù)、表格等；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器則存放緩沖數(shù)據(jù)。 （ 1）程序存儲(chǔ)器 8031 的內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，地址從 0000H A 應(yīng)始終接低電平，使程序只從外部存儲(chǔ)器中取指。 程序存儲(chǔ)器的操作完全是由程序計(jì)數(shù)器（ 制。 指向程序操作碼單元，12 則程序執(zhí)行該指令操作； 指向常數(shù)、 表格單元，則實(shí)現(xiàn)取數(shù)、查表工作。因此，程序存儲(chǔ)器的操作為程序運(yùn)行與查表操作兩類。 8031 單片機(jī)在系統(tǒng)復(fù)位后， 為 0000H，故從 0000H 單元開始取值，以執(zhí)行程序，所以系統(tǒng)起始地址為 0000H，一般在 0000H 0002H 單元安排一條轉(zhuǎn)移指令，指向用戶主程序。其原因是在 0003H 開始的地址區(qū)規(guī)定為 8031 的 5 個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序入口。 （ 2） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用以存放和讀取數(shù)據(jù)，它不能存放和執(zhí)行程序指令。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理上和都可分為兩個(gè)地址空間：內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 地址空間為 00H 7128B。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間為 0000H 4于片內(nèi)外存儲(chǔ)器由不同的指令來(lái)訪問(wèn)，故地址重疊不會(huì)造成操作的混亂。訪問(wèn)內(nèi)部 問(wèn)外部 指令。 8031 單片機(jī)的中央處理器 片機(jī)內(nèi)的 其它微處理器一樣，是單片機(jī)的指揮和執(zhí)行部件，完成運(yùn)算和控制功能。在邏輯上它是由 8位算術(shù)邏輯單元、定時(shí)控制部件及專用寄存器組成。 （ 1） 算術(shù)邏輯單元 位二進(jìn)制信息進(jìn)行加、減、 乘、除、比較等算術(shù)運(yùn)算；“與”、“或”、“異貨”等邏輯運(yùn)算及取反、清零、置 1 等邏輯操作功能，并具有很強(qiáng)的調(diào)用、轉(zhuǎn)移、判斷操作和很強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳送功能。 （ 2） 內(nèi)部寄存器 （ 1） 工作寄存器組： 定內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中四組 8 個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)單元為工作寄存器，并編號(hào) 組的地址分別為 00H 07H， 08H 010H17 和 18H 1體使用哪一組工作寄存器是由軟件對(duì)程序狀態(tài)字的設(shè)計(jì)來(lái)決定的。 （ 2） 寄存器 A、 B：寄存器 A 即累加器。算術(shù)運(yùn)算中用于存放操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果；在邏輯操作、數(shù)據(jù)傳送等操作中作為源操作數(shù)或目的操作數(shù)。寄存器 放第二個(gè)操作數(shù)。 （ 3） 數(shù)據(jù)指針 是一個(gè) 16位寄存器，可以分成兩個(gè)字節(jié)：高字節(jié) 節(jié) 功能是存放 16 位地址，以指示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的任何單元。在指令中常用作間接寄存器和基址寄存器。 8031 單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)及復(fù)位電路 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，會(huì)經(jīng)常進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。在時(shí)鐘電路工作后，只要在 腳上出現(xiàn) 10上的高電平 時(shí)，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)復(fù)位。 （ 1）寄存器的復(fù)位狀態(tài) 單片機(jī)在 腳有效電平控制下，程序計(jì)數(shù)器 特殊功能寄存器的復(fù)位狀態(tài)如下表。單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)不影響片內(nèi) 態(tài)，只要 腳端保持高電平，單片機(jī)將循環(huán)復(fù)位。在復(fù)位的有效期間， 出高電平。 表 2存器的復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 000H 0H 0H 0H B 00H 0H 0H 0H 7H 0H 000H 0H 0H *00000） *） 0*0000） 0*0000） 8031 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的地址譯碼 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有的外圍芯片都是通過(guò)總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。片內(nèi)有多個(gè)字節(jié)單元時(shí)，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。地址譯碼規(guī)則為： （ 1） 程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址重 疊使用； （ 2） 外圍擴(kuò)展芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。它不僅占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址單元，而且使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀 /寫控制信號(hào)與讀 /寫指令。 14 （ 3） 地址總線寬度為 16 位，片外程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可直接尋址范圍各為 64提供高 8 位地址（ 經(jīng)外部鎖存后提供低 8 位地址（ 7）。 由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，因此，單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜。可采用線選法和全地址譯碼方法。本設(shè)計(jì)中采用的是譯碼法。譯碼法是通過(guò)對(duì)幾根高位地址線進(jìn)行譯碼，由譯碼器的輸出去控 制各外圍芯片的片選端。這種譯碼方式可以將地址空間劃分成連續(xù)的若干塊，分別對(duì)應(yīng)各外圍芯片，充分利用了存儲(chǔ)空間。線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的優(yōu)點(diǎn)是硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于所用的片選線都是高地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒(méi)有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。 031 單片機(jī)的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片機(jī)內(nèi)部設(shè)有兩個(gè) 16 位可編程的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，即定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1和 0，分別用 示。它由兩個(gè)特殊功能寄存器 成。其中 模式 控制寄存器，主要用來(lái)設(shè)置定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的操作模式； 要用來(lái)控制定時(shí)器的啟動(dòng)與停止。兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1均可以分成 2個(gè)獨(dú)立的 8位計(jì)數(shù)器即 們用于存定時(shí)或計(jì)數(shù)的初值。它們是一個(gè)加 1的計(jì)數(shù)器。 時(shí)器 /計(jì)數(shù)器模式控制寄存器 圖 2方式控制寄存器格式及功能說(shuō)明圖 控位，用來(lái)控制定時(shí)器啟動(dòng)操作方式。 15 當(dāng) 時(shí)，定時(shí)器只由軟件控制位 ，定時(shí)器啟動(dòng)開始工作；為 0時(shí)，定時(shí)器停止工作。 當(dāng) 時(shí)，定時(shí)器的啟動(dòng)要由外部中斷引腳和 有當(dāng)外部中斷引腳 1高時(shí)， 才能啟動(dòng)定時(shí)器工作。 /功能選擇位。當(dāng) /時(shí)設(shè)置為定時(shí)器工作方式；計(jì)數(shù)脈沖由內(nèi)部提供，計(jì)數(shù)周期等于機(jī)器周期。當(dāng) /設(shè)置為計(jì)數(shù)器工作方式，計(jì)數(shù)脈沖為外部引腳 1引入的外部脈沖信號(hào)。 作模式控制位， 2位可形成 4種編碼，對(duì)應(yīng)于 4種操作模式。 4種模式定義如下 表 ： 表 2作模式控制表 0 操 作 模 式 0 0 模式 0， 低 5 位和 8 位構(gòu)成 13 位 計(jì)數(shù)器， 當(dāng)于一個(gè) 5 位定時(shí)器 0 1 模式 1， 成 16 位計(jì)數(shù)器，操作 模式同上 但是無(wú)定時(shí)器 1 0 模式 2， 8 位自動(dòng)重裝載的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，每當(dāng) 計(jì)數(shù)器 出時(shí)， 內(nèi)容重新裝入 1 模式 3，對(duì)于定時(shí)器 0，它分成 2 個(gè) 8 位計(jì)數(shù)器； 對(duì)于 定時(shí)器 1，則停止計(jì)數(shù) 別為定時(shí)器 1和定時(shí)器 0溢出標(biāo)志。 當(dāng)定時(shí)器計(jì)滿產(chǎn)生溢出時(shí)，由硬件自動(dòng)置“ 1”，并可申請(qǐng)中斷。進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，由硬件自動(dòng)清 0。這兩位也可作為程序查詢的標(biāo)志位，在查詢方式下應(yīng)由軟件來(lái)清 0。 定時(shí)器 1 和定時(shí)器 0 的啟動(dòng)控制位。當(dāng)由軟件使 0 而停止定時(shí)器的工作。定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)該位應(yīng)置“ 1”。 外部中斷 1 1外部中斷 0 0中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。 外部中斷 1和外部中斷 0的觸發(fā)方式選擇位。 0”時(shí)為電平觸發(fā)方式；設(shè)置為“ 1”時(shí)為邊沿觸發(fā)方式。 8031 單片機(jī)的中斷 8031 中斷系統(tǒng)包括中斷源、中斷允許寄存器 斷優(yōu)先級(jí)寄存器 斷矢量等。 5 個(gè)中斷源，包括兩個(gè)外部中斷源和三個(gè)內(nèi)部中斷源。分別為：外部中斷請(qǐng)求 0（ 外部中斷請(qǐng)求 1（ 內(nèi)部定時(shí)器 0（ 、內(nèi)部定時(shí)器 116 （ 內(nèi)部串行口。它們可以分為 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)，其中每一個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)都可用程序排定。 5 個(gè)中斷源能否得到響應(yīng)，受允許中斷寄存器 各位控制；它們的優(yōu)先級(jí)分別由中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 各位確定；統(tǒng)一優(yōu)先級(jí)內(nèi)的各中斷源同時(shí)要求中斷時(shí)，還要靠?jī)?nèi)部的查詢邏輯來(lái)確定響應(yīng)的次序。不同的中斷源有不同的中斷矢量。 (1) 中斷允許寄存器 ) 控制字 特殊功能寄存器中的地址為 的格式以及各位的功能說(shuō)明如下： 圖 2中斷控制寄存器 式及功能說(shuō)明圖 （ 2） 斷優(yōu)先寄存 器）控制字 圖 2中斷優(yōu)先寄存器 式及功能說(shuō)明圖 (3) 同級(jí)中斷優(yōu)先級(jí) 中斷源 中斷優(yōu)先級(jí) 1) 外部中斷 0 最高 2) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 斷 3) 外部中斷 1 17 4) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 斷 5) 串行口中斷 6) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 斷 最低 各中斷源對(duì)應(yīng)中斷服務(wù)程序首地址如下： 中斷源 入口地址 外中斷 0 0003H 斷 000中斷 1 0013H 斷 001 18 第 三章 8031 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 031 是片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ) 器的供應(yīng)狀態(tài)芯片，因此，其最小應(yīng)用系統(tǒng)必須在片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)使用的片外存儲(chǔ)器為 外接程序存儲(chǔ)器的地址線 提供， 0 口通過(guò)地址鎖存器提供。 地址鎖存器的鎖存信號(hào)為 令數(shù)據(jù)由 程序存儲(chǔ)器的取指信號(hào)為 264 是 8靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片。采用 藝制造，單一 +5V 供電，為28 腳雙列直插式封裝。 外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址線 提供， 0 口通過(guò)地址鎖存器提供。 次逼近式 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 8 路模擬輸入的 8 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，逐次逼近式 片， 28 線雙列直插式封裝。 芯片的主要部分是一個(gè) 8位逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器和 8位模擬轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換器以 8 個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間完成一位轉(zhuǎn)換值，在 64 個(gè)脈沖后完成 8 位的轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘由外電路提供，典型頻率為 6408路模擬開關(guān)由 3位二進(jìn)制信息控制，以完成對(duì)某一路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)鎖存在內(nèi)部的輸出鎖存器中，由輸出允許信號(hào)選通鎖存器即可在輸出線上得到轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù) 據(jù)。 1 主要特性 電源電壓 5V 分辨率 8位 時(shí)鐘頻率 640換時(shí)間 100 未經(jīng)調(diào)整誤差 1/2擬量輸入電壓范圍 0 5V 功耗 159 2內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 3片型逐次逼近式 A 部結(jié)構(gòu)如圖 3示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8 位開關(guān)樹型 D 次逼近 寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。因此， 路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單 獨(dú)工作。輸入輸出與 3外部特性（引腳功能） 8 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 3面說(shuō)明各引腳功能。 8路模擬量輸入端。 228位數(shù)字量輸出端。 3位地址輸入線，用于選通 8路模擬輸入中的一路。 址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 A 入，高電平有效。 A 出，當(dāng) A D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（ 轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng) A 端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 20 圖 3腳圖 鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于 640 +）、 -）：基準(zhǔn)電壓。 源，單一 5V。 。 表 3809地址譯碼與通道的關(guān)系 地址 通的模擬通道 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 通道 0 通道 1 通道 2 通道 3 通道 4 通道 5 通道 6 通道 7 809通過(guò)引腳 , 路單邊模擬輸入電 壓。 位地址線 行鎖存 ,然后由譯碼器選通 8路中的一路進(jìn)行 A/址譯碼與對(duì)應(yīng)通道的關(guān)系如表 (3示。 先輸入 3位地址，并使 ，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8路模擬輸入之一到比較器。 降沿啟動(dòng) A 后 示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到21 A 示 A 果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng) 出三 態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 8031通過(guò) 74碼器的輸出端 5Y 和讀、寫控制線來(lái)控制轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道地址鎖存、啟動(dòng)和輸出允許。 809 的時(shí)鐘頻率為 640換時(shí)間為 100，微機(jī)的時(shí)鐘頻率 5此系統(tǒng)時(shí)鐘必須經(jīng)分頻器分頻后接到 809 芯片的 腳上。 另外， 809 的 可在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)發(fā)中斷請(qǐng)求脈沖，若用中斷輸入數(shù)據(jù)的方式則可利用 線 。 圖 3809 與系統(tǒng)總線的連接 可編程并行接口 8255A 8255A 是 列微處理機(jī)的配套并行接口芯片，它可為 86 系列 外部設(shè)備之間提供并行輸入 /輸出的通道。由于它是可編程的，可以通過(guò)軟件來(lái)設(shè)置芯片的工作方式。所以，用 8255A 連接外部設(shè)備時(shí)，通常不用再附加外部電路，給使用者帶來(lái)很大方便。 8255A 由以下幾部分組成： 22 輸出斷口 A， B， C 8255A 芯片內(nèi)部包含 3 個(gè) 8 位端口，其中：端口 A 包含一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存 /緩沖存儲(chǔ)器和一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸入鎖 存器；端口 B 包含一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸入 /輸出、鎖存 /緩沖存儲(chǔ)器和一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸入緩沖存儲(chǔ)器；端口 C 包含一個(gè)輸入鎖存 /緩沖存儲(chǔ)器和一個(gè)輸入緩沖存儲(chǔ)器。必要時(shí)端口 C 可分為 2 個(gè) 4 位端口，分別與端口 A 和端口B 配合工作，通常將端口 A 和端口 B 定義位輸入 /輸出的數(shù)據(jù)端口，而端口 C 可作為狀態(tài)或控制信息的傳送端口。 和 B 組控制部件 端口 A 與端口 C 的高 4 位（ 成 A 組，由 A 組控制部件實(shí)現(xiàn)控制功能，端口 B 與端口 C 的低 4 位（ 由 B 組部件實(shí)現(xiàn)控制功能。他們各有一個(gè)控制單元，可接收來(lái)自讀 /寫控制部件的命 令和 過(guò)數(shù)據(jù)總線（ 0）送來(lái)的控制字，并根據(jù)他們來(lái)定義各個(gè)端口的操作方式。 這是一個(gè)三態(tài)雙向 8 位數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器，它是 8255A 與 間的數(shù)據(jù)接口。行輸出命令時(shí)，可將控制字或數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線緩沖存儲(chǔ)器傳送給 8255A。行輸入命令時(shí)， 8255A 可將狀態(tài)信息或數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線緩沖存儲(chǔ)器向 此它時(shí) 8255A 之間交換信息的必經(jīng)之路。 4 讀 /寫控制部件 這是 8255A 內(nèi)部完成讀 /寫控制功能的部件，它能接收 控制命令，并根據(jù)它們向片內(nèi)各功 能部件發(fā)出操作命令。可接收的控制命令如下： （ 1） 片選信號(hào)。由 入，通常由端口的高位地址碼（ 2）譯碼得到， 效，表示該 8255A 被選中。 （ 2） 讀、寫控制信號(hào)。由 入， 效，表示 8255A，應(yīng)由 8255A 向 送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息。 效，表示 8255A，應(yīng)由 255A。 （ 3） 復(fù)位信號(hào)。由 入。 效時(shí)，清除 8255A 中所有控制字寄存器內(nèi)容，并將各端口置成輸入方式。 （ 4） 端口選擇信號(hào)。 0，選擇端口 A； 1，選擇端口 B； 0，選擇端口 C； 23 1，選擇控制字寄存器。 由端口地址 相應(yīng)的控制信號(hào)組合起來(lái)可定義各端口的操作方式如下表所示。 表 38255A 的讀寫操作控制 0 操作 0 0 0 1 0 端口 A 1 0 1 0 端口 B 0 0 1 0 端口 C 0 0 1 0 0 端口 A 0 1 1 0 0 端口 B 1 0 1 0 0 端口 C 1 1 1 0 0 控制寄存器 1 1 0 1 0 非法操作 1 1 0 數(shù)據(jù)總線浮空 1 未選該 8255A，數(shù)據(jù)總線浮空 5 8255A 芯片的控制字及其工作方式 8255A 中各端口可有三種基本工作方式：方式 0 基本輸入 /輸出方式；方式 1 選通輸入 /輸出方式；方式 2 雙向傳送方式。端口 A 可處于 3 種工作方式（方式 0， 1， 2），端口 B 只可處于兩種方式（方式 0 和方式 1），端口 C 常常被分成高 4位和低 4 位兩部分，可分別用來(lái)傳送數(shù)據(jù)或控制信息。 用戶可用軟件來(lái)分別定義 3 個(gè)端口的工作方式，可使用的控制字由定義工作方式控制字和置位 /復(fù)位控制字。 A 控制字 （ 1）定義工作方式控制字；格式如圖所示。通過(guò)定義工作方式控制字可將 3 個(gè)端口分別定義為 3 種不同方式的組合，當(dāng)將端口 A 定義為方式 1 或方式 2