基于单片机的多功能参数检测系统设计与实现(编辑修改稿)

基于单片机的多功能参数检测系统设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

⑹ 具有看门狗功能 ； ⑺ 共 3个 16位定时器 /计数器，即定时器 T0、 T T2； ⑻ 工作频率范围： 0~40MHZ，实际工作频率可达 48MHZ； ⑼ 外部中断 4路，下降沿中断或低电平触发电路，掉电模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。 此外， STC89C52设计和配置了振荡频率可为 0Hz并可通过软件设置节电模式。 此模式下， CPU暂时停工作，此时外部中断系统、 RAM 定时计 数器，串行端口可以继续工作，掉电模式使振荡器冻结从而将 RAM的数据保存，停止芯片的其它功能直至硬件复位或外中断激活。 与此同时 STC89C52芯片还具有 PLCC、 TQFP及 PDIP等三种封装模式，可以满足不同产品的需求。 单片机管脚说明 其中包括 4个 8位并行 I/O接口线、 6条控制信号线和 2条电源线 并行口 P0（ ~）： P0口为一个 8位漏极开路双向 I/O接口， 8TTL门电流可被每个引脚吸收。 P0 口的管脚第一次写入高电平时，被称为高阻态输入。 它可以被定义为地址 /数据的低八位，应用外部程序数据存储 器进行存取时可使用 P0口。 应用 FIASH编程时， P0口可作为原码输入口，在 FIASH进行校验时， P0口可作为输出口输出原码，此时 P0 口外部必须被拉高。 连接外部存储器或扩充外设时，作为低 8 位地址线和高 8位数据线。 并行口 P1（ ~）： P1口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O接口， 4TTL门电流可被 P1口缓冲器接收、输出。 P1口管脚写入高电平后，被内部上拉为高，可作为输入，当 P1口被外部下拉为低电平时， P1口将输出电流，这是由于内部为上拉状态的原因。 当 FLASH校验和编程时， P1口可用作低八位 地址接收， P1口还具有第二功能，可以通过对单片机进行设置，将 P1 口作为 A/D 转换口使用。 在编程和校验试接收低 8位地址，每一位可以独立的输入 /输出。 8 并行口 P2（ ~）： P2口为一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O接口， 4TTL门电流可被 P2口缓冲器接收、输出。 当 P2口被写入高电平时，其内部上拉电阻将其管脚拉高，并作为输入。 作为输入时， P2 口的管脚被外部拉为低电平时， P2 口将输出电流，这是由于内部为上拉状态的原因。 当应用 16 位地址外部数据存储器或外部程序存储器时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地 址 1 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2口在 FLASH编程和校验时接收控制信号和高八位地址信号 [7]。 并行口 P3（ ~）： P3口为一个 8位准双向 I/O接口，另外还兼有中断（ （外部中断 0）、 （外部中断 1））、定时 /计数器（ （定时 /计数器 0）、 （定时/计数器 1））、串行通信（ （串行口输入）、 （串行口输出））、读 /写（ （外部数据存储器写信号）、 （外部数据存储器读信号））等 控制功能。 VCC供电电压； GND接地。 图 STC89C52单片机引脚图 时钟电路与复位电路 时钟电路 单片机芯片内部有一个反向放大器构成的振荡器， XTAL1和 XTAL2引脚分别为振 9 荡器的输入端和输出端，时钟可以由内部或外部产生。 内部 时钟电路是在 XTAL1 和XTAL2 引脚上接一定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡，定时元件通常是由石英晶体（晶振）和电容组成谐振电路。 晶体振荡频率可在 ~12MHz 之间选择，电容 C C2 的取值在 5pF~30pF 之间。 外部时钟电路为 XTAL1 接地， XTAL2 接外部振荡器，振荡器频率为不低于 12MHz 的方波信号。 设计采取的是内部时钟电路如图 所示。 图 晶振电路原理图 复位电路 单片机有两种复位方式，上电复位和开关复位，上电复位在上电瞬间 RC电路充电，RST引脚上出现正脉冲，只要 正脉冲保持 100ms 以上，就能使单片机有效复位。 由于某种干扰，单片机不能正常复位，就需要加开关复位，当开关按下时，单片机复位。 复位电路的用途 单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。 单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。 单片机复位电路如图。 图 复位电路原理图 复位电路的工作原理 在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次 复位， 10 如果释放后再按下，系统还会复位，所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。 在电路图中，电阻大小为 10k，电容大小为。 所以根据公式，可计算出电容充电电压为单片机电源电压（ 5V）的 ，充电到电源电压的 ，所需时间为 10K*=1S。 也就是说在电脑启动的 1S内，电容两端的电压值在 0~加。 这个时候 10K电阻两端电压值从 5~（串联电路各处电压之和为总电压）。 所以在 1S内，单片机的 RST引脚接收的电压值在 5V~。 在 5V工作正 常的 51单片机中低电平信号为小于 ，高电平信号则为大于。 所以在开机 1S内，单片机系统自动复位（ RST引脚接收到的高电平信号时间为 1S左右）。 在单片机启动 1S 后，电容 C 两端的电压持续充电为 5V，这时候 10K 电阻两端的电压接近于 0V， RST 处于低电平所以系统正常工作。 当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。 随着时间的推移，电容的电压在 1S 内，从 5V 释放到变为了。 根据串联电路 电压为各处之和，这个时候 10K电阻两端的电压为 ，甚至更大，所以 RST引脚又接收到高电平，单片机系统自动复位。 对于片内有 ROM/EPROM/E2PROM 的单片机，用一片这种芯片构成的最小系统简单、可靠。 构成最小系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路，将 EA非接高电平即可。 最小系统时， P0、 P P P3 都可用作 I/O 线，但由于集成度限制，片内存储器容量有限，因此，最小系统主要用于一些简单的控制系统中。 单片机使用注意事项 ⑴ 对于 31 脚 (EA/VPP)，当接高电平时，单片机在复位后 从内部 ROM 的 0000H 开始执行 ， 当接低电平时，复位后直接从外部 ROM的 0000H开始执行，这一点是初学者容易忽略的 ； ⑵ 晶振电路容易在焊接时漏掉电容需要接地，并且使用电容的大小一定要选准，晶振电路部分一定要焊接完全，否则容易使晶振电路出现虚接，影响设计 ； ⑶ 复位电路部分接口的电阻与电 容选择要正确，要保证在电容充满电时，单片机有足够的时间进行复位 ； ⑷ 单片机的电源 部分引脚接对，使用单片机时看单片机的缺口处来找单片机的引脚顺序 ； 11 ⑸ 单片机在使用中 P0口要加上拉电阻，一般为 10K，因为 P0口的驱动能力较低。 电流电压转换电路设计 由于前端设备温度、压力、流量、液位传感器所输出的为标准电流信号，而电流电压转换电路作用是将传感器输出的 4~20mA标准电流信号转换为 1~5V标准电压信号作为 A/D转换器的输入。 电流电压的转换是通过高精度 250欧电阻来实现的，在转换完的电压信号后加一电压跟随器。 电压跟随器是用一个三极管构成的共集电路，电压跟随器，顾名思义，就是输入电压与输出电压是相同的 [8]，也就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近于 1，电压跟随器的显著特点是输出阻抗低，而输入阻抗高，这使得它在电路中可以 起到阻抗匹配的作用，能够使后一级的放大电路更好地工作。 换一种说法，当输入阻抗很高时，就对前级电路相当于开路，当输出阻抗很低时，就相当于对后级电路的一个恒流源，也就是说输出电压不受后级电路阻抗的影响。 一个相当于对前级电路开路，后级阻抗不影响输出电压常常被用作中间级，起到 “隔离 ”前后级之间的影响的作用。 电压跟随器电路中所选芯片为 LCM324， LM324系列器件带有差动输入的四路运算放大器。 与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。 该四路放大器可以工作在低到 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电 流为 MC1741 的静态电流的五分之一。 共模输入范围包括负电源，因而消除 了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。 LCM324 管脚连接如 图 所示 ，它有 5 个引出脚，其中 “+”、 “”为两个信号输入端， “V+”、 “V”为正、负电源端， “Vo”为输出端。 两个信号输入端中， Vi （ ）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反； Vi+（ +）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。 12 图 LCM324管脚连接图 LCM324特点： ⑴ 短路保护输出 ； ⑵ 真差动输入级 ； ⑶ 可单电源工作范围在 3V32V之间 ； ⑷ 低偏置电流最大达到 100mA； ⑸ 每封装含四个运算放大器 ； ⑹ 具有内部补偿的功能 ； ⑺ 共模范围扩展到负电源 ； ⑻ 行业标准的引脚排列 ； ⑼ 输入端具有静电保护功能。 设计中 LCM324内四路运算放大器的连接方式相同，图。 图 电流电压转换电路原 理图 13 模拟量采集电路设计 A/D 转换器的作用是将电流电压转换电路输出的模拟量信号（ 1~5V 电压信号）作为输入并将其转换为数字信号作为单片机的输入信号，由于系统涉及到的参数较多且考虑到实用价值，设计中 A/D转换器件采用 ADC0809。 ADC0809概述 ADC0809内部结构及转换原理 ADC0809是美国国家半导体公司生产的 CMOS工艺 8通道模数转换器，它采用逐次逼近式转换原理，内部分为两大部分，一部分为模拟量多路转换开关，另一部分是A/D转换器。 它的输出可以直接与 CPU总线连 接。 模拟量多路开关内包含 8路输入开关和 3位地址锁存器 /译码器。 8路模拟量输入信号可接入 8路输入开关。 ADDA、 ADDB及 ADDC3位地址由 ALE信号输入锁存，经过译码后决定转换哪一路输入的模拟量信号。 ADC0809引脚结构 ADC0809芯片有 28条引脚，下面说明各引脚功能。 IN0～ IN7： 8路输入模拟量通道。 21～ 28： 8位输出数字量通道。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位输入地址线，用于选择 IN0～ IN7 8路模拟输入通道中的某一通道。 ALE：地址锁存允许信号，高电平有效。 START：启动转换信号，脉冲上升沿使 0809 内部所有寄存器复位，下降沿开始进行 A/D转换，转换过程中 START应保持低电平。 EOC：转换结束信号，当为高电平时表示 A/D转换结束时，转换期间一直为低电平。 OE：输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据，输入高电平时有效。 CLK：时钟脉冲输入端， ADC0809 内部没有时钟电路，所需时钟信号需由外界提供。 所用的四分频芯片是 74HC4040，将 74HC4040的 8和 11 引脚接地、 16引脚接电源、10引脚接单片机的时钟信号、 7引脚接 ADC0809的时钟脉冲输入端即可完成四分频。 ADC0809 工作过程 首先输入 3位地址，同时使 ALE=1，将输入的 3位地址存在地址锁存器内。 该地址 14 经过译码选择 8 路模拟量输入中的一位并将其送给比较器。 为 START 提供上升沿将逐位逼近寄存器 SAR复位。 START下降沿启动 A/D转换，之后 EOC信号变为低电平，表示 A/D转换在进行当中。 EOC变为高电平时表示 A/D转换完成，并将转换结果存入锁存器内，此转换结束信号可用为中断请求信号。 当读允许输入端输入高电平时，数据允许输出， A/D转换后的数字量将被输出 [9]。 A/D转换后的数字量应立即传送到单片机进行分析。 数据传送过程中关键问题在于如何确认转换已完成，只有确认转换已完成 ADC0809 与单片机之间才能进行数据之间的传送。 数据传送方式 ⑴ 定时传送方式 转换时间对于一种 A/D转换为一项是已知和固定的技术指标。 例如 ADC0809的转换时间是 128μs，相当于 6MHz的 MCS51单片机共 64个机器周期。 依据此已知项可设计一延时子程序， A/D转换开始后便调用这个子程序，延迟程序执行完毕，转换肯定也已经完成，接着便可进行数据之间的传送。 ⑵ 查询方式 可以用查询方式，测试 EOC 的状态，即可确认转换是否已完成，并进行数据间的传送。 利用查询方式时 ADC0809 与单片机接口连接比较自由，但控制时序要由程序产生。 ⑶ 中断方式 中断请求信号为表示转换已完成的信号（ EOC），单片机响应中断请求后，执行中断服务程序，读取数据。 无论使用上述哪种方式，转换一旦完成，采用指令便可进行数据之间的传送。 首先读允许信号有效时即 OE 信号有效，便把转换后的数据送给单片机。 由于采用查询方式时单片机与 ADC0809 之间的连接方式较为简单，且易于控制所以系统中采用的是查询方式。 5。