基于ARM倉庫溫濕度的監(jiān)測系統(tǒng)

1、畢業(yè)設計論文基于ARM倉庫溫濕度的監(jiān)測系統(tǒng) 姓名:康帥 班級:A0904 學號:4200109320073 指導老師:高俊雄摘要倉庫溫濕度檢測系統(tǒng)主要介紹對8031的設計和使用，AD590溫度傳感器和HS1100HS1101的濕度傳感器的選擇和特點，通過單片機對溫濕度傳感器的控制和檢測，對溫度濕度的檢測和控制。在研究過程和方法上運用了模塊與結(jié)構(gòu)結(jié)合的程序設計技術提高了效率節(jié)省了空間。在工作方式上采用了全隔離工作方式，提高了抗干擾性，使工作狀態(tài)更加穩(wěn)定，更加可靠，使用方便。本系統(tǒng)根據(jù)用戶實際要求來配制，檢測系統(tǒng)內(nèi)部使用了單片機，大大降低了濕度檢測成本，檢測警報系統(tǒng)性價比高，操作簡單，可以幫助用戶

2、管理溫室，解決了溫濕度的測量問題。本系統(tǒng)在倉庫管理，生產(chǎn)制造，日常生活中被廣泛應用。關鍵詞：單片機 溫度 濕度 檢測AbstractStorage temperature and humidity detection system focuses on the design and use of 8031, AD590 temperature sensor and humidity sensor HS1100/HS1101 selection and characteristics, temperature and humidity sensor through the single-chip

3、 control and detection, detection and control of temperature and humidity. In the research process and methods and structure of the module on the use of a combination of programming techniques to improve the efficiency of saving space. In the work with a full isolation on the work to improve the noi

4、se immunity and the working conditions more stable, more reliable, easy to use. The system according to user requirements to the actual preparation, detection system which uses the chip, greatly reducing the cost of humidity detection, alarm and detection system cost, simple operation, can help user

5、s manage the greenhouse, to solve the temperature and humidity measurements. The system in the warehouse management, manufacturing, are widely used in daily life.Keywords:MicrocontrollerTemperatureHumidityDetection目 錄摘要IABSTRACTII目錄III1 緒論11.1 選題背景12 方案的比較和論證22.1 溫度傳感器的選擇22.2 濕度傳感器的選擇32.3 信號采集通道的選擇4

6、3 系統(tǒng)總體設計63.1 信號采集63.1.1 溫度傳感器63.1.2 濕度傳感器113.1.3 多路開關153.2 信號分析與處理163.2.1 A/D轉(zhuǎn)換163.2.2 單片機8031203.2.3 存儲器的設計283.2.4 數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護303.2.5 系統(tǒng)時鐘的設計303.3 顯示與報警的設計313.3.1 顯示電路313.3.2 報警電路324 軟件設計34總結(jié)40參考文獻411 緒論1.1 選題背景防潮、防霉、防腐、防爆是倉庫日常工作的重要內(nèi)容，是衡量倉庫管理質(zhì)量的重要指標。它直接影響到儲備物資的使用壽命和工作可靠性。為保證日常工作的順利進行，首要問題是加強倉庫內(nèi)溫度與濕度

7、的監(jiān)測工作。但傳統(tǒng)的方法是用與濕度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進行檢測，對不符合溫度和濕度要求的庫房進行通風、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費時費力、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大。因此我們需要一種造價低廉、使用方便且測量準確的溫濕度測量儀。設計過程及工藝要求為了不影響倉庫的日常工作本系統(tǒng)實現(xiàn)三個基本功能：檢測溫度，濕度和過限報警。對技術的各項參數(shù)做了嚴格的控制！避免測試的溫度濕度誤差過大影響到工作的效率。一.基本功能檢測溫度；溫度顯示溫度；濕度 過限報警 二主要技術參數(shù)溫度檢測范圍：-30-+50測量精度： ±0.5濕度檢測范圍：10

8、%100%RH檢測精度： ±1%RH 顯示方式：溫度：四位顯示 濕度：四位顯示報警方式：三極管驅(qū)動的蜂鳴音報警2 方案的比較和論證當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號懂得輸入通道，由計算機拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，如何準確獲得被測信號是其核心任務；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)。傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準確的測量和控制都將無法實現(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，使設備和系統(tǒng)正

9、常運行在最佳狀態(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。熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件?，F(xiàn)應用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠距離測量。鉑的物理、化學性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強，易提純，復制性好，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準。缺點是價格貴，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標準測溫范圍-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

10、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是，和電壓輸出型相比，它有很強的抗外界干擾能力。AD590的測量信號可遠傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二

11、更為適合于本設計系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。2.2 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的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此

12、，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。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(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。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

13、7;2%RH；響應時間小于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計的濕度傳感器。2.3 信號采集通道的選擇在本設計系統(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（如圖2-1）。這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點為：（1） 可以根據(jù)各輸入量測量的要求選擇不同性能檔次的器件?？傮w成本可以作得較低。（2） 硬件復雜，故障率高。（3） 軟件簡單，

14、各通道可以獨立編程。方案二、采用多路分時的模擬量輸入通道（如圖2-2）。這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點為：（1） 對ADC、S/H要求高。（2） 處理速度慢。（3） 硬件簡單，成本低。（4） 軟件比較復雜。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統(tǒng)對于模擬量輸入的要求，比較其框圖，如圖所示，方案二更具備硬件簡單的突出優(yōu)點，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3 系統(tǒng)總體設計本設計是基于單片機對數(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，我設計了以8031基本系統(tǒng)為核心的一套檢測系統(tǒng)，其中包

15、括A/D轉(zhuǎn)換、單片機、復位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設計。圖3-1 系統(tǒng)總體框圖本設計由信號采集、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CD4051組成； （二）信號分析 由A/D轉(zhuǎn)換器MC14433、單片機8031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。3.1 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

16、，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，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。圖a 圖b圖3-2 圖a為AD590外形 圖b為電路符號1、流過器件的電流（A）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)，即：IT/T=1A /K式中：IT流過器件（AD590）的電流，單位A。T熱力學溫度，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，相當于溫度變化1K。

17、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、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3-3所示。圖3-3 AD590內(nèi)部核心電路圖3-3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，可用于使左右兩支路的

18、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溫度T成正比，將此電流引至負載電阻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，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到1AK的I值。圖3-4 AD590內(nèi)部

19、電路圖3-4所示是AD590的內(nèi)部電路，圖中的T1T4相當于圖3-3中的T1、T2，而T9，T11相當于圖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，可用于進一步提高阻抗。T1T4是為熱效應而設計的連接防式。而C1和R4則可用來防止寄生振蕩。該電路的設計使得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

20、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，其結(jié)果都會使UBE減小，不過，改變R5對UBE的影響更為顯著，因為它前面的系數(shù)較大。實際上就是利用激光修正R5以進行粗調(diào)，修正R6以實現(xiàn)細調(diào)，最終使其在250之下使總電流I達到1AK。三基本應用電路圖3-8是AD590用于測量熱力學溫度

21、的基本應用電路。因為流過AD590的電流與熱力學溫度成正比，當電阻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，因此應對電路進行調(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=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應用電路四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，R4用于調(diào)整運放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。如此反復調(diào)整多次，直至0時，V0=0

22、mV，100時V0=100mV為止。最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為25，那么V0應為25mV。冰水混合物是0環(huán)境，沸水為100環(huán)境。五.多路檢測信號的實現(xiàn)本設計系統(tǒng)為八路的溫度信號采集，而MC14433僅為一路輸入，故采用CD4051組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖3-6所示圖3-6八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口 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)生變化而進行濕度測量

23、的。下面 介紹HS1100/HS1101濕度傳感器及其應用。一、特點不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(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-電容響應曲線相對濕度在1%-100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應時間小于5S；溫度系數(shù)為0.04 pF/?？梢娋仁?/p>

24、較高的。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確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運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，可直接被計算機所采集頻率輸出的555測量振蕩電路如圖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

25、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

26、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三、多路檢測信號的實現(xiàn) 本設計系統(tǒng)為八路的濕度信號采集，故采用CD4051組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 3.1.3 多路開關多路開關，有稱“多路模擬轉(zhuǎn)換器”。多路開關通常有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，實現(xiàn)有n線到一線的接通功能。反之，當模擬信號有公共輸出

27、端輸入時 ，作為信號分離器，實現(xiàn)了1線到n線的分離功能。因此，多路開關通常是一種具有雙向能力的器件。在本設計中，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，這時選用多路開關就是很必要的。本文選用的是CD4051多路開關，它是一種單片、COMS、8通道開關。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 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，可實現(xiàn)8選1功能，作為輸出時，

28、可實現(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OU

29、T/IN輸出端OUT/IN和各通道的接通關系如下表3-2輸入狀態(tài)接通通道輸入狀態(tài)接通通道INHCBAINHCBA000000101500011011060010201117001131xxx均不顯示010043.2 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，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

30、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，其缺點是轉(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.

31、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)部邏輯框圖圖3-11 MC14433引腳圖MC14433 的框圖（圖3-10）和引腳（圖3-11）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: 模擬部分的負電源端，接-5V。VAG： 模擬地端。VSS： 數(shù)字地端。VR： 基準電壓。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0.1µF。 C01、C02： 外界補償電容端，電容取值約0.

32、1µF。 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|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 對應千位，DS4 對應個位。每個選通脈沖寬度為18個時鐘周期，兩個相應脈沖之間間隔為2個時鐘周期。圖3-12MC14433選通脈沖時序圖BCD碼輸出線Q0-Q3： BCD碼輸出線。

33、其中Q0為最低位，Q3 為最高位。當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-Q3 除了表示個位的0或1外，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負極性和欠量程還是過量程其含意見表3-3表3-3、DS1選通時Q3Q0表示的結(jié)果由表可知Q3 表示1/2位，Q3=“0”對應1，反之對應0。Q2 表示極性，Q2=“1”為正極性，反之為負極性。 Q0=“1”表示超量程：當Q3=“0”時，表示過量程；當Q3=“1”時，表示欠量程；一 MC14433與8031單片機的接口設計由于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

34、此，MCS-51單片機只能通過并行I/O接口或擴展I/O接口與其相連。對于8031單片機的應用系統(tǒng)來說，MC14433可以直接和其P1口或擴展I/O口8155/8255相連。下面是MC14433與8031單片機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8031單片機P1口直接相連的硬件接口單片機8031為了設計此系統(tǒng)，我們采用了8031單片機作為控制芯片，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)換成為計算機能識別的數(shù)字信號，再送入計算機系統(tǒng)的相應端口。由于8031中無片內(nèi)ROM

35、，且數(shù)據(jù)存儲器也不能滿足要求，經(jīng)擴展2762和6264來達到存儲器的要求，其結(jié)果通過顯示器來進行顯示輸出。.1 8031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體芯片上，即組成了單片微型計算機，8031就是MCS-51系列單片機中的一種。圖3-148031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)進行邏輯和算術的運算。 時鐘電路：8031內(nèi)部有一個頻率最大為12MH

36、Z的時鐘電路，它為單片機產(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/計數(shù)器：8031有兩個16位的定時/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設置成定時的方式和計數(shù)的方式，但只能用其中的一個功能，以定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。并行I/O口：MCS-51有四個8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出。串行口：它有一個全雙工的串行口，它可以實現(xiàn)計算機間或單片機同其它外設之間的通信，該并行口功能較強，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

37、，既外部中斷兩個，定時計數(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。.2 8031的引腳圖圖3-15 8031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）正常運行時提供電源。VSS（20引腳）接地。XTAL1（19引腳）在單片機內(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8031而言此引腳應該接地。XTAL2（18引腳）在內(nèi)部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當采用外部振蕩器時， 對MCS51系列該引腳接收外部震蕩信號，即

38、把該信號直接接到內(nèi)部時鐘的輸入端。RST/VPD（9引腳）在振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的電平將單片機復位，復位后應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。ALE/PROG（30引腳）當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

39、，在兩個周期中，ALE只出現(xiàn)一次，ALE斷可驅(qū)動8個LS TTL負載，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，每當訪問外部存儲器時，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負載。/VPP（31引腳）當保持高電平時，單片機訪問內(nèi)部存儲器，當PC值超過0FFFH時，將自動轉(zhuǎn)向片外存儲器。當保持低電平時，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

40、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)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

41、數(shù)據(jù)線發(fā)送出去，也可以把串行數(shù)據(jù)接受進來變成并行數(shù)據(jù)給CPU，而且這種串行發(fā)送和接收可以單獨進行也可以同時進行。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 8031程序存儲器MCS-51系列單片機的內(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

42、無論那種型號的芯片都可以在片外擴展多達64K的片外程序存儲器，外部程序存儲器擴展的大小以滿足系統(tǒng)要求即可，或有特殊要求或為了以后升級方便采用大容量的片外程序存儲器。當外接程序存儲器的時候，單片機通過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。單片機有一個程序計數(shù)器PC，它始終存著CPU要讀取的機器碼的所在地址，單片機工作時，PC自動加一，此時程序開始順序執(zhí)行，因為單片機程序 訪問空間是64K，故需要16條地址線，當接“0”則8031在片外程序存儲器中讀取指令，此時片外

43、程序存儲器從0000H開始編址，因為8031無片內(nèi)程序存儲器，故在此系統(tǒng)中必須接地使CPU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：單片機復位后，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)到用戶設計的初始程序入口。.4 8031數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器用于存放

44、運算中間的結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存、緩沖、標志位、待測程序等功能。片內(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，須擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。此時單片機通過P2口和P0口選出6位地址，使用ALE作低8位的鎖存信號，再

45、由P0口寫入或讀出數(shù)據(jù)。寫時用，讀時用做外部數(shù)據(jù)存儲器的選通信號.5 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)情況下它參與運算的一方并存放運算的結(jié)果。寄存器B：進行乘除運算時，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)，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

46、程序調(diào)用或中斷時，用來暫存數(shù)據(jù)和地址，它按先進后出的原則存儲數(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位的二進制數(shù)做地址用。程序狀態(tài)字PSW：七位用來表征各種標志，另一位無意義。C AC FO RS1 RS0 OV - PC：進位標志位，用于表示加減運算時最高位有無進位和借位，在加法運算中，若累加器最高位有進位則CY=1，否則CY=0，在減法時則有借位CY=1，否則CY=0，在執(zhí)行算術邏輯運算時可以被硬件或軟件置位或清除，CPU在進行移位操作

47、也會影響該位。AC：當進行加法或減法運算時并產(chǎn)生由低四位向高四位的進位或借位時，AC置1，否則清0。若AC=0時則在加減過程中A3沒有向A4進位或借位，否則正好相反。F0：F0常不是由機器來指令執(zhí)行中形成的，而是用戶根據(jù)程序的需要進行設置的，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：用以指示運算是否發(fā)生溢出，由機器執(zhí)行指令自動形成，若機器在執(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的二進制位的奇偶數(shù)，若1的個數(shù)為奇數(shù)P=1，為

48、偶數(shù)P=0。在串行通信中常用奇偶校驗數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果的正確性。.6 工作方式它的工作方式可以分做復位，掉電和低功耗方式等。一、復位方式當MCS-5l系列單片機的復位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。 根據(jù)應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復位操作。常用的上電復位電路如圖 (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)成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時間，由于單片機內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1，也能達到上

49、電復位的操作功能，如圖 (3-15a)中所示。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。常用的上電或開關復位電路如圖 (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。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵K后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關復位的操作。 根據(jù)實際操作的經(jīng)驗，下面給出這兩種復位電路的電容、電阻參考值。圖3-16 單片機的復位電路圖(3-16a)中：Cl10-30uF，R11kO圖(3-16b)中：C：1uF，RllkO，R210kO二、掉電和低功耗方式人們往往在程

50、序運行中系統(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，是先把有用的數(shù)據(jù)保存，再用備用電源進行供電。存儲器的設計在8031芯片的外圍電路中必須對其進行程序存儲器的擴展，和根據(jù)系統(tǒng)的需要對其進行數(shù)據(jù)存儲器的擴展。8031對程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器均可進行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、程序存儲器的擴展由于8031無內(nèi)部ROM ，故擴展的程序存儲器地址為0000HFFFFH，考慮系統(tǒng)的需要，我們將8031的程序存儲器擴展為4K

51、EPROM，采用2764作為ROM芯片。程序存儲器擴展的容量大于256字節(jié)，故EPROM片內(nèi)地址線除了由P0口經(jīng)地址存儲器提供低8位地址外，還需要由P2口提供若干條地址線，我們選用8K的2764 EPROM，故地址線應該是13條，因為系統(tǒng)中只擴展一片EPROM，所以不用片選信號，即EPROM 的接地。在程序擴展中，我們選用的地址鎖存器是74LS373當三態(tài)門的為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許Q端輸出，否則為高電平，輸出為三態(tài)門斷開，輸出端對外電路呈高阻態(tài)，所以在這里為低電平，這時當G端為高電平時，鎖存器輸出和輸入的狀態(tài)是相同的，當G由高電平下落為低電平時，輸入端1D8D的數(shù)據(jù)鎖入1Q8Q中

52、。當2764處于讀方式下和均為低電平有效。當VPP=+5V時，EPROM處于讀工作方式：這時由給定地址信號決定被選中存儲器單元信息。被讀出到數(shù)據(jù)輸出端D0D7上。維持方式：當為高電平時，VPP為+5V，EPROM處于低功耗方式，輸出端均為高阻態(tài)，這與輸入無關。編程方式：在VPP加上+25V編程電源并在和地端跨接一個0.1uf的電容以干擾電壓的瞬間對2764進入編程方式，被編程的8位數(shù)據(jù)以并行方式送到數(shù)據(jù)輸出斷編程校驗。2764與8031的連接如圖3-17所示圖3-16 程序存儲器的擴展在選用芯片擴展的同時要考慮滿足系統(tǒng)的要求的前提下，使電路簡化，盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片組合的數(shù)量，在芯

53、片型號的選擇上選用滿足應用環(huán)境要求的芯片型號。二、數(shù)據(jù)存儲器的擴展在單片機中有128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。但往往在系統(tǒng)的要求下片內(nèi)RAM不能滿足要求，用戶只有選擇擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器，以進行存儲系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的要求。我們采用8K靜態(tài)RAM6264進行擴展。與動態(tài)RAM相比，靜態(tài)RAM無須考慮保持數(shù)據(jù)而刷新電路，所以擴展電路較為簡單且能滿足系統(tǒng)的要求。6264是8K*8位的靜態(tài)隨機存儲器芯片。它采用CMOS工藝制作，單一的+5V電源供電，額定功耗是200mW，典型存取時間200ms，為28線雙列直插封裝。數(shù)據(jù)存儲器的擴展與程序存儲器的擴展類似，讀寫控制信號與8031的和相連。P

54、0口通過74LS373與A0A7相連，P2.0P2.4與A8A12相連，P2.7與相連，P0口與D0D7相連作為數(shù)據(jù)線，同時CE2接+5V電源，GND接地。如圖3-18:所示： 圖3-18數(shù)據(jù)存儲器的擴展數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護單片機系統(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想，因此掉電保護是必須要做的，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RAM中的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當電源恢復正常供電后能恢復到掉電前的工作狀態(tài)。系統(tǒng)時鐘的設計時鐘電路是用來產(chǎn)生8031單片機工作時所必須的時鐘信號，8031本身就是一個復雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現(xiàn)，8

55、031在唯一的時鐘信號的控制下嚴格的按時序執(zhí)行指令進行工作，時鐘的頻率影響單片機的速度和穩(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)部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號。8031內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為XTAL1和XTAL2，它們跨接在晶體諧振器和用于微調(diào)的電容，便構(gòu)成了一個自激勵振蕩器電路中的C1、C2的選擇在30PF左右，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶體諧振器頻率為在1.2MHZ12MHZ之間，頻率越高單片機的速度就越快，但對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的NPO電容，采用的晶體諧振器頻率為12MHZ。圖3-19系統(tǒng)時鐘3.3 顯示與報警的設計 顯示電路在單片機應用系統(tǒng)設計中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。本設計是利用8031的串行口實現(xiàn)鍵盤/顯示器接口。當8031的串行口未作它用時，使用8031的串行口來外擴鍵盤/顯示器。應用8031的串行口方式0的輸出方式，在串行口外接移位寄存器74LS164，構(gòu)成鍵盤/顯示器接口，其硬件接口電路如圖3-2