[優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]基于51單片機(jī)的倉庫溫濕度檢測儀表的設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)(論文)題目： 倉庫溫濕度檢測儀表的設(shè)計(jì) 目 錄摘要abstract第1章 引言1 1.1選題的目的和意義1 1.2國內(nèi)的發(fā)展情況1 1.3發(fā)著趨勢2第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及原則32.1設(shè)計(jì)過程及工藝要求32.2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則32.3本章小結(jié)3第3章方案的比較和論證 43.1溫度傳感器的選擇 43.2濕度傳感器的選擇43.3信號采集通道的選擇53.4本章小結(jié)6第4章系統(tǒng)總設(shè)計(jì)74.1 信號采集 74.2 信號處理與分析144.3 存儲器的設(shè)計(jì)224.4 數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護(hù)244.5 系統(tǒng)時鐘的設(shè)計(jì)244.6 顯示與報警的設(shè)計(jì)254.7 報警電路284.8 本章小結(jié)28第5章軟件設(shè)計(jì)295.

2、1溫濕度監(jiān)測儀表軟件的總體設(shè)計(jì)295.2t0中斷流程圖305.3報警子流程圖31參考文獻(xiàn)32附錄33致謝45基于51單片機(jī)的倉庫溫濕度檢測儀表的設(shè)計(jì)摘 要溫濕度的檢測與控制是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中比較典型的應(yīng)用，本課題研究的是倉庫溫濕度的檢測，本文首先對溫濕度的意義，影響，以及目前國內(nèi)的研究狀況進(jìn)行了介紹。本文采樣數(shù)字溫度度傳感器sh1100來設(shè)計(jì)倉庫檢測系統(tǒng)，以達(dá)到簡化軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然后介紹了sh1100的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，接口電路和工作時序文中給出了系統(tǒng)硬件原理圖及軟件流程圖。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)布線簡單，結(jié)構(gòu)緊湊體積小，在大型倉庫和工廠具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞；sh1100，硬件原理圖；布線簡單。51 m

3、cu-based warehouse design temperature and humidity instrumentationabstracttemperature and humidity measurement and control of modern industrial processes typical application, the research is that storage temperature and humidity testing, this paper the significance of temperature and humidity, impac

4、t, and the current status of domestic research was introduced. digital temperature sensor in this sample to design the warehouse sh1100 detection system, to simplify hardware and software system design. then introduced the sh1100s structural features, interface circuit and the work is given in the p

5、reface of the system hardware and software flow chart diagram. the system wiring is simple, compact structure, small size, in large warehouses and factories have broad application prospectskey words：sh1100；compact structure；simple wiring第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及原則系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和論證是整個設(shè)計(jì)的重中之重，是開始進(jìn)行設(shè)計(jì)的工作框架，是如何進(jìn)行設(shè)計(jì)的基本思路。是保證

6、設(shè)計(jì)順利進(jìn)行的必要措施，是設(shè)計(jì)具體化的中心環(huán)節(jié)，是設(shè)計(jì)成果質(zhì)量的重要保證，有利于畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成。2.1設(shè)計(jì)過程及工藝要求、基本功能 檢測溫度、濕度 顯示溫度、濕度 過限報警二、主要技術(shù)參數(shù) 溫度檢測范圍 ：0-+100 測量精度 ： 1 濕度檢測范圍 ：10%-100%rh 檢測精度 ： 2%rh 顯示方式 ： 四位顯示 報警方式 ： 三極管驅(qū)動的蜂鳴音報警2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則1、可靠性高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常以以下幾個方面考慮：使用可靠性高的元器件；設(shè)計(jì)電路板時布線和接地要合理；對供電電源采用抗干擾措施；

7、輸入輸出通道抗干擾措施；進(jìn)行軟硬件過濾等。2、操作維護(hù)方便在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)方便，盡量減少對操作人員專用知識的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。3、性價比單片機(jī)出體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢在與高性能價格比。一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性價比是其中一個關(guān)鍵因素。2.3 本章小結(jié)本章對系統(tǒng)進(jìn)行了總體的設(shè)計(jì)，首先對系統(tǒng)功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要對設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行了分析，要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了介紹；然后對設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行了介紹；最后對系統(tǒng)的組成和工作原理進(jìn)行了介紹，并繪出總體的結(jié)構(gòu)框圖。第3章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(jì)算

8、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3.1 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?，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

9、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-200650，百度電阻比 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

10、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(jì)系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。3.2 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

11、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/

12、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(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/。可見精度是較高的。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

13、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)中對溫度01000的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。3. 3 信號采集通道的選擇在本設(shè)計(jì)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)

14、雜。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 3-1 多路并行模擬量輸入通道圖 3-2 多路分時的模擬量輸入通道3.4本章小結(jié)本章對設(shè)計(jì)主要硬件進(jìn)行了選擇分析比較。確定性能較好，價格較為便宜的元件。第四章系統(tǒng)總設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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(jì)了以 51 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(jì)。4-1系

15、統(tǒng)總體框圖本設(shè)計(jì)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) 51基本系統(tǒng)組成；（三） 信號處理 由串行口 led 顯示器和報警系統(tǒng)等組成。41 信號采集411 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

16、-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如圖 4-2 所示。圖 4-2 ad590 外形（圖 1）及電路符號（圖 2）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

17、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、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。二 .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。其基本電路如圖 4-3 所示。圖 4-3 ad590 內(nèi)部核心電路圖 4-3 是利用 ube 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

18、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，兩個管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 t3 實(shí)質(zhì)上是由 n 個晶體管并聯(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 ube。因此，電流 i1 為：i1uber（ktq）（lnn）r對于 ad590，n8，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

19、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 1ak 的 i 值。圖 4-4 ad590 內(nèi)部電路圖 4-4 所示是 ad590 的內(nèi)部電路，圖中的 t1t4 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 為對稱的 wilson 電路，用來提高阻抗。t5、t12 和t10 為啟動電路，其中 t5 為恒定偏置二極管。t6 可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。r1，r2 為發(fā)射極反饋電阻，可用于進(jìn)一步提高阻抗。t1t4 是為熱效應(yīng)而設(shè)計(jì)的連接防式。而

20、c1 和 r4 則可用來防止寄生振蕩。該電路的設(shè)計(jì)使得 t9，t10，t11 三者的發(fā)射極電流相等，并同為整個電路總電流 i 的 13。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： ube（r62 r5）i3r6 上只有 t9 的發(fā)射極電流，而 r5 上除了來自 t10 的發(fā)射極電流外，還有來自t11 的發(fā)射極電流，所以 r5 上的壓降是 r5 的 23。根據(jù)上式不難看出，要想改變 ube，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

21、結(jié)果都會使 ube 減小，不過，改變 r5 對 ube 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 1ak。三 基本應(yīng)用電路圖4-5ad590應(yīng)用電路圖 4-5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 ad590 放于冰水混合物中，調(diào)整電位器 r2，使 v0=

22、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。四 攝氏溫度測量電路如圖 4-5 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。五.多路檢測信號的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為八路的溫度信號采集，而 mc14433 僅為一路輸入，故采用 cd4051組成

23、多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖4-6 所示圖4-6 八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口4.1.2 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(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

24、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。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?jì)算機(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(jì)算機(jī)所采集頻率輸出的 555 測量振蕩電路如圖 4-7 所示。集成定時器 555 芯片外接電阻 r4、r2 與濕

25、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 4-7、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

26、3 端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）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，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 4-1 給出了其中的一組典型測試值。表 4-1、空氣濕度與電壓頻率的典型值s濕度頻率濕度頻率%rhhz%rhhz073516066001072247064682071008063303069769061684068531006033506728三、多路檢測信號的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為八路的濕度信號采集，故采用 cd405

27、1 組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖 4-8 所示圖 4-8 八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口4.1.3多路開關(guān)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(jì)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

28、開關(guān)，它是一種單片、coms、8 通道開關(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coms 模擬開關(guān) tg 組成。cd4051 的內(nèi)部原理框圖如圖 4-9 所示。圖 4-9、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，可實(shí)現(xiàn)8 選 1 功能，作為輸出時，可實(shí)現(xiàn) 1 分 8 功能。xcom（3）：該引腳作為輸出時，則為公共輸出端；作為輸入時，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

29、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。vdd（16）和 vss（8）：vdd 為正電源輸入端，極限值為 17v；vss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，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4-2輸入狀態(tài)接通通道輸入狀態(tài)接通通道inccbainccba000000115

30、000110110600121117001131xxx均不顯示010044.2信號處理與分析4.2.1 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，故選用多路選擇電子開關(guān)，可輸入多路模擬量。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

31、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。圖 4-10 mc14433a/d 轉(zhuǎn)換器

32、的內(nèi)部邏輯框圖圖4-11mc14433 引腳圖mc14433 的框圖（圖 4-10）和引腳（圖 4-11）功能說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。主工作電源+5v。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，r1=470；vx=200mv 時，r1=27k。c1：積分電容輸入端。c1 一般為 0.1f。c01、c02：外界補(bǔ)償電容端，電容取值約 0.1f。r1/c1：r1 與 c1 的公共端。clki、clko ： 外界振蕩器時鐘調(diào)節(jié)電阻 rc，rc 一般取 470 k

33、 左右。轉(zhuǎn)換啟動/結(jié)束信號端eoc：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，正脈沖有效。du： 啟動新的轉(zhuǎn)換，若 du 與 eoc 相連，每當(dāng) a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動啟動新的轉(zhuǎn)換。過量程信號輸出端/or ：當(dāng)|vx|vr，過量程/or 輸出低電平。位選通控制線ds4-ds1：選擇個、十、百、千位，正脈沖有效。ds1 對應(yīng)千位，ds4 對應(yīng)個位。每個選通脈沖寬度為 18 個時鐘周期，兩個相應(yīng)脈沖之間間隔為 2 個時鐘周期。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

34、-q3 除了表示個位的 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量程其含意見表4-3 表4-3ds1 選通時 q3q0 表示的結(jié)果q3q2q1q0表示結(jié)果1xx0千位數(shù)為00xx0千位數(shù)為0x1x0結(jié)果為正x0x0結(jié)果為負(fù)0xx1輸入過量1xx1輸入欠由表可知 q3 表示 1/2 位，q3=“0”對應(yīng) 1，反之對應(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，表示過量程；當(dāng) q3=“1”時，表示欠量程；三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)果是動態(tài)分時輸出的 bcd 碼，q0

35、q3heds1ds4 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 8031 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 8031 單片機(jī) p1 口直接相連的硬件接口，接口電路如圖 4-12 所示圖4-12 mc14433 與 8031 單片機(jī) p1 口直接相連的硬件接口4.2.2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

36、號放大，再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號，再送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)端口。由于 8031 中無片內(nèi) rom，且數(shù)據(jù)存儲器也不能滿足要求，經(jīng)擴(kuò)展 2762 和 6264來達(dá)到存儲器的要求，其結(jié)果通過顯示器來進(jìn)行顯示輸出。4 .2.38031的片內(nèi)結(jié)構(gòu)8031 是有 8 個部件組成，即 cpu，時鐘電路，數(shù)據(jù)存儲器，并行口（p0p3）串行口，定時計(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。圖4-13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

37、制信號，把數(shù)據(jù)從存儲器或輸入口送到 cpu 或 cpu 數(shù)據(jù)寫入存儲器或送到輸出端口。還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯和算術(shù)的運(yùn)算。時鐘電路：8031 內(nèi)部有一個頻率最大為 12mhz 的時鐘電路，它為單片機(jī)產(chǎn)生時鐘序列，需要外接石英晶體做振蕩器和微調(diào)電容。內(nèi)存：內(nèi)部存儲器可分做程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，但在 8031 中無片內(nèi)程序存儲器 。定時/計(jì)數(shù)器：8031 有兩個 16 位的定時/計(jì)數(shù)器，每個定時器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成定時的方式和計(jì)數(shù)的方式，但只能用其中的一個功能，以定時或計(jì)數(shù)結(jié)果對計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。并行 i/o 口：mcs-51 有四個 8 位的并行 i/o 口，p0，p1，p2，p3，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的

38、并行輸出。串行口：它有一個全雙工的串行口，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 有五個中斷源，既外部中斷兩個，定時計(jì)數(shù)中斷兩個，串行中斷一個，全部的中斷分為高和低的兩個輸出級。4.2.48031的引腳圖圖4-148031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 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

39、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 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， 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 8031 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)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。al

40、e/prog（30 引腳）當(dāng) 8031 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。psen（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)訪問外部存

41、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。ea/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，p3：8031 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

42、他們在功能和用途上的差異很大，p0 和 p2 口內(nèi)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。8031 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。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

43、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。4.2.58031程序存儲器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 則沒有片內(nèi)的 rom，但是無論那種型號的芯片都可以在片外擴(kuò)展多達(dá) 64k 的片外程序存儲器，外部程序存儲器擴(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壏奖悴捎么?/p>

44、容量的片外程序存儲器。當(dāng)外接程序存儲器的時候，單片機(jī)通過 p2 口和 p0 口輸出 16 位的地址，即可尋址的外部程序存儲器單元的地址，使用 ale 作為低 8 位地址鎖存器信號，再由 p0口讀回指令的代碼，用 psen 非作為外部程序存儲器的選通信號。單片機(jī)有一個程序計(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，pc 自動加一，此時程序開始順序執(zhí)行，因?yàn)閱纹瑱C(jī)程序 訪問空間是64k，故需要 16 條地址線，當(dāng)接“0”則 8031 在片外程序存儲器中讀取指令，此 時存儲器從 0000h 開始編址，因?yàn)?8031 無片內(nèi)程序存儲器，故在此系統(tǒng)中ea必須接地使 cpu

45、到外部 rom 中去尋址。在程序存儲器中有六個單元有特定的含義：0000h 單元：單片機(jī)復(fù)位后，pc=0000h 即從此處開始執(zhí)行指令。0003h 單元：外部中斷 0 入口地址。000bh 單元：定時器 0 溢出中斷入口地址。0013h 單元：外部中斷 1 入口地址。001bh 單元：定時器溢出中斷入口地址。0023h 單元：串行口中斷入口地址。使用時常在這些入口外安放一條絕對跳轉(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。4.2.6 數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器用于存放運(yùn)算中間的結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存、緩沖、標(biāo)志位、待測程序等功能。片

46、內(nèi)的 128b 的 ram 地址為 00h7fh，供用戶做 ram 用，但是在這中間的前32 單元，00h1fh 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 個單元組成通用寄存器 r0r7，任何時候都由其中一組作為當(dāng)前工作寄存器，通過 rs0，rs1 的內(nèi)容來決定選擇哪一個工作寄存器。低 128 字節(jié)中的 20h2fh 共 16 字節(jié)可用位尋址方式訪問各位，共 128 個位地址，30h7fh 共 80 個單元為用戶 ram 區(qū)，作堆?；驍?shù)據(jù)緩沖用，片內(nèi) ram 不夠用時，須擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲器。此時單片機(jī)通過 p2 口和 p0 口選出 6 位地址，使用ale 作低

47、 8 位的鎖存信號，再由 p0 口寫入或讀出數(shù)據(jù)。寫時用ar，讀時用rd,做外部數(shù)據(jù)存儲器的選通信號4.2.35特殊功能寄存器sfr8031 有 21 個專用寄存器，他們是用來管理 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單元方式被讀寫的，專用寄存器雖有名稱，但尋址時都做專用寄存器用，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，寄存器 b 有特定的用途，在乘時存放一個乘數(shù)以及積的最高位，a 中存放另一個乘數(shù)以及積的低位。除法時，b 中存放除數(shù)及余數(shù)

48、，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，用來暫存數(shù)據(jù)和地址，它按先進(jìn)后出的原則存儲數(shù)據(jù)，它是一個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 單元開始。；數(shù)據(jù)指針 dptr：由兩個字節(jié)組成，dph 字地址由 83h，dpl 由 82h，存放一個 16 位的二進(jìn)制數(shù)做地址用。程序狀態(tài)字 psw：七位用來表征各種標(biāo)志，另一位無意義。c ac fo rs1 rs0 ov - pc：進(jìn)位標(biāo)志位，用于表示加減運(yùn)算時最高位有無進(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

49、，在減法時則有借位 cy=1，否則 cy=0，在執(zhí)行算術(shù)邏輯運(yùn)算時可以被硬件或軟件置位或清除，cpu 在進(jìn)行移位操作也會影響該位。ac：當(dāng)進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時并產(chǎn)生由低四位向高四位的進(jìn)位或借位時，ac 置1，否則清 0。若 ac=0 時則在加減過程中 a3 沒有向 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，這個位一經(jīng)確定就可通過軟件測試來決定用戶程序的流向。rs1，rs0：8031 有四個 8 位工作寄存器 r0r7，用戶可以改變 rs1 和 rs0 的狀態(tài)來決定 r0r7 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)

50、行指令自動形成，若機(jī)器在執(zhí)行指令過程中累加器 a 超過 8 位，則 ov=1 否則為 0。p：用來來表示累加器 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。4.2.7 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

51、操作。常用的上電復(fù)位電路如圖 (4-15)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 (4-15a)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 (4-15b)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。

52、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4-15單片機(jī)的復(fù)位電路圖(4-15a)中：cl10-30uf，r11ko圖(4-15b)中：c：1uf，rllko，r210ko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。4.3 存儲器的設(shè)計(jì)在 8031 芯片的外圍電路中必須對其進(jìn)行程序存儲器的擴(kuò)展，和根據(jù)系統(tǒng)的需要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。8031 對程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器均可進(jìn)行 0000hffffh 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 8031 外擴(kuò)展存儲器時，p2 作高位的地址輸出，p0 作低位地址輸出和數(shù)據(jù)線。一、程序存儲器的擴(kuò)展由于 8031 無內(nèi)部 rom ，故擴(kuò)展的程序存儲器地址為 0000hffffh，考慮系統(tǒng)的需要，我們將 8031 的程序存儲器擴(kuò)展為 4k eprom，采用 2764 作為 rom 芯片。程序存儲器擴(kuò)展的容量大于 256 字節(jié)，故 eprom 片內(nèi)地