DZ214單片機控制制冷機來達到控制溫度,DZ214,單片機,控制,制冷機,達到,溫度 長春工業(yè)大學畢業(yè)論文 目 錄 目 錄 1 第一章 緒論 3 1.1 選題背景 3 1.2 壓縮機的分類和工作原理 6 1.2.1 空氣壓縮機的分類 6 1.2.2 空壓機的組成及工作原理 7 1.3 制冷機溫度控制要求 8 第二章 方案論證 10 第三章 單片機 12 3.1 AT89C51單片機簡介 12 3.2 主要性能參數(shù) 12 3.3 主要功能特性概述 13 3.4 引腳功能說明 13 3.5 時鐘振蕩器 15 第四章 硬件電路設計 16 4.1 溫度測量環(huán)節(jié)的設計 16 4.1.1溫度傳感器AD590 17 4.1.2 電壓跟隨器-通用運放UA741 18 4.1.3運算放大器0P-07 19 4.1.4 A/D轉換器 ADC0809 19 4.2 可編程并行接口8255設計 22 4.2.1并行通信與接口 22 4.2.2 8255的編程結構 23 4.2.3 8255的引腳功能 24 4.2.4 8255A的工作方式 25 4.3 顯示電路設計 27 4.3.1 鍵盤部分設計 27 4.3.2顯示環(huán)節(jié)部分設計 27 4.4 復位及看門狗電路設計 28 4.4.1 DS1232的結構及特點 28 4.4.2 DS1232的功能 29 4.4.3使用注意事項 30 4.5 時鐘芯片電路設計 30 4.5.1 DS1307實時時鐘簡介 31 4.6電源系統(tǒng)設計 34 4.7驅動器的選用 36 4.8 光電隔離 37 4.9 控制電路的設計 38 4.9.1 電磁繼電器 39 4.9.2 壓力繼電器的選擇 39 4.9.3 熱繼電器 39 第五章 程序設計 40 5.1主程序：主要實現(xiàn)制冷機的溫度控制工藝 40 5.2 溫度控制子程序 45 5.3 將顯示緩沖區(qū)中的溫度值送顯示子程序 46 5.4 壓力，負載消斗子程序 48 5.5 鍵值子流程 49 5.6 排水測試處理子程序 50 5.7 是否有鍵按下判斷子程序 51 第六章 軟件設計部分 52 總 結 64 致 謝 65 參考文獻………………………………………………………………………………………67 第一章 緒論 1.1 選題背景 本設計是利用單片機控制制冷機來達到控制溫度的目的. 制冷機是我國目前各行業(yè)技術改造和進行設備引進所急需的配套設備，也是提高產(chǎn)品質量，企業(yè)升級的重要設備。廣泛的應用與汽車，機械，紡織，化工，儀器儀表，電子，醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)。在工業(yè)上，壓縮空氣作為一種僅次于電力的第二大動力源，以被廣大企業(yè)界所公認 壓縮式制冷機：該種制冷機由電動機提供機械能，通過壓縮機對制冷系統(tǒng)作功。制冷系統(tǒng)利用低沸點的制冷劑，蒸發(fā)時，吸收汽化熱的原理制成的。其優(yōu)點是壽命長，使用方便，目前世界上91～95％的制冷機屬于這一類。 一般制冷機的絕大多數(shù)都是壓縮型。吸收型屬于少數(shù)。壓縮型的制冷機中的液體制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，變成制冷劑氣體。這氣體被活塞和氣缸組成的壓縮機壓縮后導入冷凝器中，在這里氣體再被冷凝器成為液體制冷劑。壓縮機中電動機的旋轉運動轉換為往復運動，氣缸中的制冷劑被往復運動所壓縮。也就是說壓縮機相當于人體的心臟，起到了循環(huán)血液的作用如下圖就是一個封閉式壓縮機。 圖1.1 封閉式壓縮機 封閉型壓縮機的電動機是直接和壓縮部分相連接的。壓縮機全體成為一個整體裝起來，另外為了避免產(chǎn)生熱量，以致溫度上升，電動機用制冷機油和制冷氣體進行冷卻。 國外溴化鋰制冷機的發(fā)展過程 美國是溴化鋰制冷機的創(chuàng)始國，目前日本、前蘇聯(lián)等國的溴冷機也都有較大的發(fā)展。 美國開利公司于1945年試制出第一臺制冷量為523KW（45×104kcal/h）的單效溴冷機，開創(chuàng)了利用溴化鋰水溶液為工質對做為吸收劑的吸收式制冷新領域。美國不僅創(chuàng)造了單效溴冷機，而且在世界上又率先研制出了雙效溴冷機?，F(xiàn)已研制出了直燃型、熱水型和太陽能型等新型溴冷機。同時還研制了冷溫水機組和吸收式熱泵等新機組。 日本一家汽車公司于1959年研制出制冷量為689KW（60×104kcal/h）的單效溴冷機，1962年茬原制造所又研制出雙效溴冷機。日本溴冷機無論在生產(chǎn)數(shù)量、性能指標、應用范圍和新技術、新產(chǎn)品研制等方面，均超過了美國，成為世界上溴冷機研究與生產(chǎn)領先的國家。特別是燃氣兩效溫水機組的產(chǎn)量很大，約占世界上溴冷機生產(chǎn)總臺數(shù)的2/3；目前已致力于第三種吸收式熱泵和溴化鋰熱電并供機組的研制工作。 前蘇聯(lián)奔薩化工廠于1965年研制出2908KW（250×104kcal/h）溴冷機。目前溴冷機的應用范圍已從化纖廠擴展到其它紡織廠、橡膠廠釀酒廠、化工廠、冶金廠和核電站。 中國溴化鋰制冷機的發(fā)展過程 我國研制溴冷機起步于60年代初期，至今已有四十多年，其發(fā)展過程大體分為四個階段： 研制階段? 60年代初船舶總公司704所（原六機部704所）、一機部通用機械研究所與高等院校以及設備制造廠通力合作，試制了兩臺樣機。1966年上海第一冷凍機廠試制出了制冷量1160KW（100×104kcal/h）全鋼結構的單效溴冷機，安裝于上海國棉十二廠。60年代末期，許多單位都著手研制單效溴冷機，這一研制工作持續(xù)到了70年代初期。 單效機生產(chǎn)應用階段?? 70年代初先后有上海、青島、天津、北京和長沙等地的棉紡廠為了適應生產(chǎn)的需要，各自設計與制造了單效溴冷機。繼而更多地區(qū)也都自行設計制造單效溴冷機，尤以上海、天津兩地更為突出。以天津為例，70年代初至80年代初，制造出3480KW（300×104kcal/h）大型溴冷機七臺，總制冷能力達到24360KW（2100×104kcal/h）。單效溴冷機在這一時期雖然有了較大發(fā)展，但仍有許多問題尚待解決，如嚴重的腐蝕、冷量的衰減和機器的壽命等，限制了溴冷機的進一步發(fā)展。 雙效機生產(chǎn)應用階段? 80年代初期開始研制雙效溴冷機，并于1982年由開封通用機械廠生產(chǎn)出1744KW（150×104kcal/h）雙效溴冷機組。雙效機組的熱力系數(shù)可提高到1.1以上，而單效機組一般為0.6～0.7，雙效機組的蒸汽單耗比單效機減少約1/2，冷卻水量減少約1/3，是值得提倡的節(jié)能型制冷機組。86年我廠研制出省內首臺雙效溴冷機1160KW（100×104kcal/h）并首家通過省級鑒定。 多種新型機研制應用階段? 80年代末期國家計委提出，凡有蒸汽等熱源的地區(qū)要發(fā)展溴冷機；1991年我國在世界禁用氟里昂（CFC）生產(chǎn)與使用的“蒙特利爾議定書”上簽了字，這對進一步發(fā)展溴冷機創(chuàng)造了良好條件。大專院校、科研院所和制造廠家共同協(xié)力，一方面在加緊改進與提高雙效溴冷機的加工技術和性能水平，另一方面也竟相研制新型的多種溴冷機?，F(xiàn)已推出的和正在研制的有熱水型、直燃型、低壓型、降膜式溴冷機和吸收式熱泵等。 溴化鋰溶液的特性 在溴化鋰吸收式制冷機中，水作為制冷劑用來產(chǎn)生冷效應，溴化鋰溶液作為吸收劑，用來吸收產(chǎn)生冷效應后的冷劑蒸汽。因此，水和溴化鋰溶液組成制冷機中的工質對。 溴化鋰水溶液是由固體的溴化鋰溶質溶解在水溶劑中而成。常壓下，水的沸點是100℃，而溴化鋰的沸點為1265℃。供制冷機應用的溴化鋰，一般以水溶液的形式供應。性狀為無色透明液體；濃度不低于50％；水溶液PH值8以上。 20℃時溴化鋰溶解至飽和時量為111.2克，即溴化鋰的溶解度為111.2克。溶解度的大小與溶質和溶劑的特性的關，還于溫度有關，一般隨溫度升高而增大，當溫度降低時，溶解度減小，溶液中會有溴化鋰的晶體析出而形成結晶現(xiàn)象。這一點在溴冷機中是非常重要，運行中必須注意結晶現(xiàn)象，否則常會由此影響制冷機的正常運行。 溴化鋰溶液對普通金屬有腐蝕作用。尤其在有氧氣存在的情況下腐蝕更為嚴重。 溴化鋰制冷原理 溴化鋰吸收式制冷原理和蒸汽壓縮制冷原理有相同之處，都是利用液態(tài)制冷劑在低溫、低壓條件下，蒸發(fā)、汽化吸收載冷劑的熱負荷，產(chǎn)生制冷效應。所不同的是，溴化鋰吸收式制冷是在利用“溴化鋰-水”組成的二元溶液為工質對，完成制冷循環(huán)的。 在溴化鋰吸收式制冷機內循環(huán)的二元工質中，水是制冷劑。水在真空狀態(tài)下蒸發(fā)，具有較低的蒸發(fā)溫度（6℃），從而吸收載冷劑熱負荷，使之溫度降低。溴化鋰水溶液是吸收劑，在常溫和低溫下強烈地吸收水蒸氣，但在高溫下又能將其吸收的水分釋放出來。吸收與釋放周而復始制冷循環(huán)不斷。制冷過程中的熱能為蒸汽，也可叫動力。 傳統(tǒng)的測控方法，由于從測量到顯示采用模擬方式，數(shù)據(jù)采集速度慢，不具備實時性，抗干擾能力差。精度測量完全依賴于硬件特性，因為不具備軟件線性化處理功能，傳感器的非線性嚴重影響測控精度。而采用線性化好的傳感器又增加了測控系統(tǒng)成本，因此，為保證安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，必須對傳統(tǒng)的測控方法加以改進。 自單片機問世以來，與其相關的測控儀器也應運而生，尤其是數(shù)字測控技術單片機的結合。單片機技術的發(fā)展更是以高效率。高精度，多功能的優(yōu)勢逐漸取代傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)過程的模擬測試手段。與傳統(tǒng)的測控技術相比，智能化測控系統(tǒng)具有以下幾個優(yōu)點： （1）具有高精度，高靈敏性和高可靠性等優(yōu)點。 （2）具有直觀，操作方便等功能。 （3）具有很強的抗干擾能力。 （4）可高速采集數(shù)據(jù)，具有實時性。 （5）具有數(shù)據(jù)智能化處理功能，一般具有自動校零和自動處理功能。 （6）具有自動循環(huán)檢測和自動診斷能力。 1.2 壓縮機的分類和工作原理 1.2.1 空氣壓縮機的分類 空氣機分為：1、速度式；2、容積式；容積式又分為回轉式和往復式；回轉式：（1）轉子式；（2）螺桿式；（3）滑片式。往復式：（1）活塞式；（2）膜式。 空氣壓縮機按工作原理可分為速度式和容積式兩大類。 速度式：是靠氣體在高速旋轉葉輪的作用，得到較大的動能，隨后在擴壓裝置中急劇降速，使氣體的動能轉變成勢能，從而提高氣體壓力。速度式主要有離心式和軸流式兩種基本型式。 容積式：是通過直接壓縮氣體，使氣體容積縮小而達到提高氣體壓力的目的、容積式根據(jù)氣缸測活塞的特點又分為回轉式和往復式兩類。氧艙配制的空壓機多數(shù)采用容積式。 回轉式：活塞作旋轉運動，活塞又稱為轉干，轉子數(shù)量不等，氣缸形狀不一?；剞D式包括有轉子式、螺桿式、滑片式等。 往復式：活塞做往復運動，氣缸呈圓筒形。往復式包括有活塞式和膜式兩種，其中活塞式是目前應用最廣泛的一種類型。氧艙用空壓機絕大多數(shù)采用活塞式?；钊娇諌簷C的分類、型號表示方法、結構特點及工作原理介紹如下： 活塞式空壓機一般以排氣壓力、排氣量（容積流量）、結構型式和結構特點進行分類。 1．按排氣壓力高低分為： 低壓空壓機??? 排氣壓力≤1.0MPa 中壓空壓機??? 1.0MPa＜排氣壓力≤10MPa 高壓空壓機??? 10MPa＜排氣壓力≤100MPa 2．接排氣量大小分為： 小型空壓機??? 1m3／min＜排氣量≤10m3／min 中型空壓機??? 10m3／min＜排氣量≤100m3／min 大型空壓機??? 排氣量＞100m3／min 空壓機的排氣量指吸入狀態(tài)自由氣體流量。 一般規(guī)定：軸功率＜15KW、排氣壓力≤1.4MPa為微型空壓機。 3．按氣缸中心線與地面相對位置分為： 立式空壓機——氣缸中心線與地面垂直布置。 角度式空壓機——氣缸中心線與地面成一定角度（V型、W型、L型等）。 臥式空壓機——氣缸中心線與地面平行，氣缸布置在曲軸一側。 對動平衡式空壓機——氣缸中心線與地面平行，氣缸對稱布置在曲軸兩側。 4. 按結構特點分為： 單作用——氣體僅在活塞一側被壓縮。 雙作用——氣體在活塞兩側被壓縮。 水冷式——指氣缸帶有冷卻水夾套，通水冷卻。 風冷式——氣缸外表面鑄有散熱片，空氣冷卻。 固定式——空壓機組固定在地基上。 移動式——空壓機組置于移動裝置上便于搬移。 有油潤滑——指氣缸內注油潤滑，運動機構潤滑油循環(huán)潤滑。 無油潤滑——指氣缸內不注油潤滑，活塞和氣缸為干運轉，但傳動機構由潤滑油循環(huán)潤滑。 全無油潤滑——氣缸內傳動機構均無油潤滑。 1.2.2 空壓機的組成及工作原理 1．空壓機主要組成部分： 機體部分：包括機身（曲軸箱）、曲軸、連桿、十字頭等部件，其作用是傳遞動力，連接基礎與氣缸部分，將電機軸的旋轉運動變成十字頭的往復直線運動。 壓縮部分：包括氣缸、活塞、氣閥、填料等部件，其作用是形成壓縮容積和防止氣體泄漏。 輔助部分：包括進氣濾清器、油水分離器、冷卻器、安全閥、氣量調節(jié)裝置、各種指示監(jiān)控儀表及氣、水、油管路系統(tǒng)，其作用是確?？諌簷C安全可靠運行。 2．空壓機的工作原理??? 空壓機的工作過程可分成膨脹、吸入、壓縮和排出四個階段。 ?????膨脹：當活塞向下移動時，氣缸的容積增大，壓力下降，原先存留在氣缸中的氣體（因余隙容積存在）不斷膨脹。 吸入：當氣缸內壓力降到稍小于進氣管中的氣體壓力，進氣管中的氣體便項開吸氣閥片進入氣缸內，隨著活塞的繼續(xù)下移，氣體不斷進入缸內直至活塞下移到最低點（又稱內止點）為止。 壓縮：當活塞從內止點向上移動時，氣缸內容積逐漸縮小，即開始將氣缸內氣體進行壓縮。由于吸氣閥有止逆作用，放氣缸內氣體不能倒流向進氣管中，排氣管中的氣體壓力在此時仍高于缸內氣體壓力，所以氣缸內氣體也無法項開排氣閥片，又由于排氣閥也有止逆作用，故排氣管中的氣體也不能進入氣缸內，當活塞繼續(xù)上移時，氣缸內容積進一步縮小，使缸內氣體壓力不斷升高。 排出：隨著活塞繼續(xù)上移，當氣缸內氣體壓力升高至稍大于排氣管中的氣體壓力時，缸內氣體便項開排氣閥片進入排氣管中，并不斷排出，直至活塞移到最上端（又稱外止點）為止，然后活塞又開始向下移動，重復上述動作?；钊跉飧變冗B續(xù)不斷地往復運動，便氣缸循環(huán)地吸入和排出氣體，活塞的每一次來回稱為一個工作循環(huán)；活塞從內止點移至外止點的距離叫做活塞行程。?? 1.3 制冷機溫度控制要求 本文主要設計了溫度控制環(huán)節(jié)，而溫度控制環(huán)節(jié)則要求設備完成后，通過現(xiàn)場的實際測量數(shù)據(jù)來給出一個更寬的范圍以滿足系統(tǒng)的要求。 制冷機溫度控制器的技術要求： 1.顯示屏： （1）四位顯示 （2）24小時時間和溫度顯示 （3）故障代碼顯示 2.功能鍵： （1） 啟動/停止：在工作狀態(tài)啟動或停止設備 （2） 排水測試：可實現(xiàn)手動和自動排水 （3） 狀態(tài)選擇：每按此鍵一次，進入一種工作狀態(tài)。每進入一種工作狀態(tài)，相應的指示燈亮，如此循環(huán)進行。 （4） 上下限溫度調整：在設定選擇狀態(tài)下，設定工作參數(shù)。 3.工作狀態(tài)： （1） 連續(xù)：按下“啟動/停止”鍵后，設備即開始運行。此狀態(tài)不受時間，溫度控制。正常情況下，只有再次按下此鍵，設備才能停止。此時，制冷機閥，除霜電磁閥，風扇與壓縮機同步。加熱器與壓縮機同步。 （2） 時控：此工作狀態(tài)受設定時間控制，但于溫度設定無關。啟動設備后，按制冷時間運行。 （3） 溫控：此運行狀態(tài)受溫度控制。如果此時氣體溫度未達到設定下限溫度，按下“啟動/停止”鍵后，設備開始運行。當氣體溫度達到設定下限溫度后，自動停機。當氣體溫度升至上限溫度后，設備自動啟動。此時的電磁閥，風扇，加熱器的工作方式與連續(xù)運行狀態(tài)一致。 4.設定： （1） 設定以0.1度為單位，上限溫度最高為50度，下限溫度最低為-30度，只在溫控時有效。 （2） 制冷時間設定以小時為單位，最大24小時，最小0.1小時，只在時控時有效。 （3） 排水閥打開時間設定以秒為單位最大180秒，最小0秒。排水閥關閉時間以分鐘為單位，最大24時，最小0.1分。 5.故障顯示“ （1） 壓力超限時，顯示屏顯示 PE閃爍 （2） 過載保護時，顯示屏顯示CE 閃爍 （3） 溫度故障時，顯示屏顯示 TE閃爍 （4） 故障指示燈同時提示。 第二章 方案論證 圖 2.1 系統(tǒng)結構框圖 在現(xiàn)今單片機所集成的部件越來越多，也就是說，單片機的意義只是在于單片集成電路，而不在于其功能了。如果從功能上講它可以說是萬用機。因為是其內部集成了各種應用電路。 AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本，所以此方案采用AT89C51八位單片機實現(xiàn)。 人們通常將能把非電量轉換為電量的器件稱為傳感器，傳感器實質上是一種功能，作用是將來自外界的各種信號轉換成電信號。它是實現(xiàn)測試與自動控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進行精確可靠的測量，那么，無論是信號轉換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制都將無法實現(xiàn)。傳感器技術是現(xiàn)代信息技術的主要內容之一，信息技術包括計算機技術、通信技術和傳感器技術。計算機和通信技術發(fā)展極快，相當成熟。為了適應現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，世界眾多國家都把傳感器技術列為現(xiàn)代的關鍵技術之—。采用熱敏電阻，可滿足40攝氏度至90攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，對于檢測1攝氏度的信號是不適用的。而且使用熱敏電阻，需要用到十分復雜的算法，一定程度上增加了軟件實現(xiàn)的難度。所以我門用到了溫度傳感器AD590 AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為3~30V，輸出電流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），靈敏度為1μA/℃。當在電路中串接采樣電阻R時，R兩端的電壓可作為喻出電壓。注意R的阻值不能取得太大，以保證AD590兩端電壓不低于3V。AD590輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達20MΩ，所以它不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。 Intel 8086/8088 系列的可編程外設接口電路簡稱PPI，型號為8255，具有24條輸入/輸出引腳，可編程的通用并行輸入/輸出借口電路。它是一片使用單一+5V電源的40腳雙列直插式大規(guī)模集成電路。8255A的通用性強，使用靈活，通過它CPU可直接與外設相連接。8255A具有三個相互獨立的輸入/輸出通道：通道A，通道B，通道C， 因本設計中，外部相連接器件多借口多所以將AT89C51與8255A相連接可為外設提供3個8為I/O端口，容許采用同步，異步和中斷方式傳送I/O數(shù)據(jù)。 鍵盤采用3×3陣列，一共九個鍵，還有一個復位鍵直接與AT89C51芯片的RESET引腳相連，正好滿足十個鍵的要求。 AT89C51對LED的顯示，采用八段LED數(shù)碼顯示管，顯示接口采用74LS164八位移位寄存器，它的特點是串入并出，可以減少所用89C51的引腳，只需89C51的P3.0與P3.1兩個引腳串行輸出就可以，以簡化結構，節(jié)省部線空間，是本設計的最優(yōu)方案。隨著計算機技術的發(fā)展，單片微型計算機在工業(yè)自動化領域和智能化產(chǎn)品中得到了廣泛的應用。如何提高單片機產(chǎn)品的抗干擾能力是產(chǎn)品開發(fā)和設計人員所面臨和必須解決的問題。關于抗干擾的具體方法在很多書籍和文章中都有較為詳盡的論述。美國DALLAS公司生產(chǎn)的“看門狗(WATCHDOG)”集成電陸DS1232具有性能可靠、使用簡單、價格低廉的特點，應用在單片機產(chǎn)品中能夠很好的提高硬件的抗干擾能力,在實際使用中收到了良好的效果。 第三章 單片機 3.1 AT89C51單片機簡介 AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的CMOS8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（REROM）和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲計術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為你提供許多高性能比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域 圖3.1 AT89C51引腳圖 3.2 主要性能參數(shù) 與MCS- 51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k字節(jié)可重擦寫Flash閃存存儲器 1000次擦寫周期 全靜態(tài)操作：0Hz—24Hz 3級加密程序存儲器128×8字節(jié)內部RAM 32個可編程I/O口線 2個16位定時/記數(shù)器 6個中斷源 可編程串行UART通道 低功耗空閑和掉電模式 3.3 主要功能特性概述 AT89C51提供以下標準功能： 4k字節(jié)Flash閃存存儲器，128字節(jié)內部RAM。32個I/O口線，2個16位定時/記數(shù)器，1個5向量2級中斷結構。一個全雙工串行通信口，片內震蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但容許RAM，定時/記數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復位 3.4 引腳功能說明 VCC：電源電壓 GND：地 P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對斷口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 在Flash編程時，P0口接受指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1口：P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可做輸出口。作輸出口使用時。因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流IFlash編程和程序校驗期間，P1接受低8位地址。 P2口：P2口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流I 在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR指令）時，P2口送出高８位地址數(shù)據(jù)。在訪問８位地址　的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX@R1指令）時，P2口線上的內容（也既特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內容），在整個訪問期間不改變。 Flash編程或校驗時，P2亦接受高位地址和其他的控制信號。 P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向Ｉ／Ｏ口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“１”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流I，P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST：復位輸入。當震蕩器工作時，ＲＳＴ引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 ：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存應許）輸出脈沖用于鎖存地址的的撕8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘震蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可以對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ＡALE脈沖。 對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的R0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效 ：程序儲存應許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩個有效的信號不出現(xiàn)。 EA/VPP：外部訪問容許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編輯，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。 如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。 Flash存儲器編輯時，該引腳加上+12V的程序容許電源Vpp，當然這必須是該器件 使用12V編程電壓Vpp。 XTAL1：震蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：震蕩器反相放大器的輸出端。 3.5 時鐘振蕩器 AT89C51中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，震蕩電路參見圖5。 外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容C1，C2在接放大器的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1，C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響震蕩頻率的高低，震蕩器工作的穩(wěn)定性，起振的難易程序及溫度溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30Pf+10Pf，而如果使用陶瓷諧振器建議使用40F+10Pf。 用戶可以采用外部時鐘。在這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空，由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器作為內部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產(chǎn)品技術條件的要求。 第四章 硬件電路設計 4.1 溫度測量環(huán)節(jié)的設計 在本系統(tǒng)中，對溫度的要求為：顯示溫度精度為0.1℃，系統(tǒng)的溫度調整范圍為-30℃-50℃。為了實現(xiàn)本系統(tǒng)的要求，在設計溫度測量環(huán)節(jié)采用以下器件。 1.溫度傳感器：AD590 2.電壓跟隨器：UA741 3.運放器： 0P-07 本環(huán)節(jié)的設計思想如下： 圖4.1 溫度測量與A/D轉換電路連接圖 4.1.1溫度傳感器AD590 對于溫度傳感器，我們選擇了單片集成的溫度傳感器AD590。常見的感溫元件有熱電偶、熱電阻和半導體等傳感器。熱電偶的價格便宜，但精度低，需要進行冷端補償，電路的設計比較復雜；熱電阻精度較高，但需要標準穩(wěn)定電阻是陪才能使用；而半導體溫度傳感器線路設計簡單，精度較高，線性度好，價格適中。 AD590為單片集成兩端感溫電流源，所產(chǎn)生的電流經(jīng)過電阻網(wǎng)絡和多級運算放大器，輸出范圍在0~0.6V的電壓（溫度范圍為0℃~60℃）。 AD590的特性為：流過器件的電流()等于期間所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)，即： mA/K 式中： —流過器件（AD590）的電流，單位為mA； T—熱力學溫度，單位為K。 同時，AD590輸出呈現(xiàn)高阻抗，其本身保證在0℃（即熱力學溫度273.2K）時，輸出電流為273.2。所以當R1和R2的阻值之和為1K時，在AD590的2腳，可以得到273.2mV的電壓，且輸出電壓隨溫度的變化為1mV/K。在AD590之后連接由運算放大器OP07構成的跟隨器，以提高輸出負載能力。要想得到輸出電壓在0℃~60℃時輸出為0~0.6V，必須對信號進行降壓和放大。考慮到精度的要求，我們先對跟隨器的輸出信號經(jīng)過一級反向放大，再經(jīng)過一級反向求和降壓，最后得到0~0.6V的電壓，且在整個溫度范圍內保持良好的線性。計算過程如下：0℃~60℃時 調節(jié)電位器R7為10K 調節(jié)電位器R8，使為2.732V 調節(jié)電位器為10K 則： 故： 范圍為0~0.6V，在ICL7135的量程范圍內 但由于AD590的增益有偏差，同時電阻也有誤差，因此必須對電路進行調整。調整方法為： 為了獲取準確的溫度值，分別在0℃（冰水混合物）、100℃（沸水）和36.5℃（人體溫度）進行溫度定標。具體步驟是：把AD590放于冰水混合物中，調節(jié)電位器R1，使得跟隨器輸出電壓為273.2mV。依次調節(jié)R7、R8，使得運放U2、U3的輸出為-2.732V和2.732V。 將AD590放入沸水中，調節(jié)電位器R11，使得U4輸出為1V。 同理進行36.5℃使得定標。 4.1.2 電壓跟隨器-通用運放UA741 在系統(tǒng)中為了使前置放大器的前級和后級滿足阻抗匹配關系，本系統(tǒng)采用了電壓跟隨器-通用運放UA741。它接于溫度傳感器之后，為8腳DIP封裝。其引腳排列如圖 圖4.2 UA741引腳圖 UA741要求雙電源供電，即供電范圍在±（3V-18V），典型供電為±15V。最低不要低于±3V，但實際上為±3V使運放不能正常工作，故一般不要低于±5V。10K歐姆電位器用與調整放大器的零點。 UA741可用于對速度要求不太高，精度也不太高的場合，一般可在8為A/D和D/A中做放大器。UA741的補償電容裝在封裝內部，不許要對外接封裝電容。UA741在本系統(tǒng)中的應用連接電路如下圖。其放大倍數(shù)為-1，它將溫度傳感器輸出的電壓信號轉化為一穩(wěn)定的電壓信號，輸出給運放0P-07。 圖4.3 UA741在本系統(tǒng)中的應用電路連接 4.1.3運算放大器0P-07 低失調運放的輸入失調電壓溫漂aⅥ0S和輸入失調電流溫漂aⅡ0S都很小。實際上這類運放的輸入電壓Ⅵ0S和輸入失調電流Ⅱ0S也很西歐啊，因而這類運放的精度也比較高。所以也成為高精度運放。0P-07采用超高工藝和齊納米微調技術，使其Ⅵ0S，Ⅱ0S，aⅥ0S，aⅡ0S都很小，單它的速度比UA741還低，廣泛應用與穩(wěn)定積分，精度加法，比較，檢波和微弱信號精密放大器等。 0P-07要求雙電源供電，使用溫度范圍為0-70度。0P-07一般不需調零，如果要調零可采用圖中電位器調整，電位器電阻值可選200K歐姆。在本系統(tǒng)設計中，0P-07連接圖如下： 圖4.4 在本系統(tǒng)0P-07的連接 4.1.4 A/D轉換器 ADC0809 ADC0809結構原理和引腳功能 因A/D轉換器應有范圍極廣，故其品種及類型非常多，根據(jù)A/D電路的工作原理可以分為下列幾大類型： （1）、雙積分A/D轉換器 一般具有精度高，抗干擾好，價格便宜等優(yōu)點，但轉換速度慢，廣泛用于數(shù)字儀表中。 （2）、逐次逼近比較型A/D轉換器 在精度、速度和價格上都適中。 （3）、并行A/D轉換器 這是一種用編碼技術實現(xiàn)的高速轉換器。 本設計選用逐次逼近比較型A/D轉換器ADC0809以實現(xiàn)模數(shù)轉換。 ADC0809結構原理 ADC0809是采用CMOS工藝制造的8位8通道單片機A/D轉換器，每個通道均能轉換出8位數(shù)字量。它是逐次逼近比較型轉換器，包括一個高阻抗斬波比較器；一個帶有256個電阻分壓器的樹狀開關網(wǎng)絡；一個控制邏輯環(huán)節(jié)和8位逐次逼近數(shù)碼寄存器；最后輸出級有一個8位三位輸出鎖存口，其中內部結構如圖3-4所示： 圖4.5 ADC0809結構原理 八個模擬量輸入受多路開關地址寄存器控制，當選中某路時，該路模擬信號VX進入比較器與D/A輸出的VR比較，直至VR與VX相等或達到允許誤差為止，然后將對應VX的數(shù)碼寄存器值送入三態(tài)鎖存器。當OE有效時，便可輸出對應的VX的八位數(shù)碼。即：IN0~IN7八路模擬量輸入端，在多路開關控制下，任一瞬間只能有一路模擬量經(jīng)相應通道輸入到A/D轉換器中的比較放大器。D7~D0為八位數(shù)碼輸出端，可直接接入微型機構的數(shù)據(jù)總線。A、B、C多路開關地址選擇輸入端，其取值與A/D轉換通道的對應關系如表4.1。 表4.1 A、B、C與A/D轉換器對應關系 多路開關地址 被選中的 輸入通道 對應通道 路口地址 C B A 0 0 0 IN0 00H 0 0 1 IN1 01H 0 1 0 IN2 02H 0 1 1 IN3 03H 1 0 0 IN4 04H 1 0 1 IN5 05H 1 1 0 IN6 06H 1 1 1 IN7 07H ADC0809引腳功能 ADC0809外形是有28腳的雙列直插式芯片，引腳如圖3-5所示： 圖4.6 ADC0809引腳功能 引腳功能如下： IN0-IN7 八位模擬量輸入端 ADDA、ADDB、ADDC 通道選輸入端 DB0~DB7 八位數(shù)字量輸出端 START 啟動A/D轉換信號輸入端，其上升沿用以清除ABC、內部寄存器；其下降沿用以啟動內部控制邏輯，使之A/D轉換器工作。 CLOCK 轉換定時時鐘脈沖輸入端，它的頻率決定A/D轉換器的轉換速度，在此其頻率不能高于640KHZ，其對應轉換速度為10NS。 ALE 地址鎖存元件，該信號的上升沿可將地址選擇號A、B、C鎖入地址寄存器內。 EOC 轉換結束信號，A/D轉換器開始后EOC信號自動變低電平，轉換結束即變高電平。 OE 允許輸出控制端，有效時能打開三態(tài)門，將八位轉換后的數(shù)據(jù)送到微型機的數(shù)據(jù)總線上。 VREF（+）、VREF（-）參考電壓輸入端。它們以可以不與本機電源和地址相連，但VREF（-）不得為負值，VREF（+）不得高于Vcc，且1/2[VREF（+）+VREF（-）與1/2VCC之差不得大于0.1V。 VCC 芯片電源（+5V）輸入端。 CTND 芯片接地端。 4．2 可編程并行接口8255設計 4.2.1并行通信與接口 并行通信就是把一個字符的各位同時用幾根線進行傳輸。傳輸速度快，信息率高。電纜要多，隨著傳輸距離的增加，電纜的開銷會成為突出的問題，所以，并行通信用在傳輸速率要求較高，而傳輸距離較短的場合。 Intel 8255A是一個通用的可編程的并行接口芯片，它有三個并行I/O口，又可通過編程設置多種工作方式，價格低廉，使用方便，可以直接與Intel系列的芯片連接使用，在中小系統(tǒng)中有著廣泛的應用。 圖4.7 8255與單片機的接線圖 4.2.2 8255的編程結構 8255由以下幾部分組成：見圖4.8 1．三個數(shù)據(jù)端口A，B，C 這三個端口均可看作是I/O口，但它們的結構和功能也稍有不同。 A口：是一個獨立的8位I/O口，它的內部有對數(shù)據(jù)輸入/輸出的鎖存功能。 B口：也是一個獨立的8位I/O口，僅對輸出數(shù)據(jù)的鎖存功能。 C口：可以看作是一個獨立的8位I/O口；也可以看作是兩個獨立的4位I/O口。也是僅對輸出數(shù)據(jù)進行鎖存。 2．A組和B組的控制電路 這是兩組根據(jù)CPU命令控制8255A工作方式的電路，這些控制電路內部設有控制寄存器，可以根據(jù)CPU送來的編程命令來控制8255A的工作方式，也可以根據(jù)編程命令來對C口的指定位進行置/復位的操作。 A組控制電路用來控制A口及C口的高4位； B組控制電路用來控制B口及C口的低4位。 圖4.8 8255的編程結構 8位的雙向的三態(tài)緩沖器。作為8255A與系統(tǒng)總線連接的界面，輸入/輸出的數(shù)據(jù)，CPU的編程命令以及外設通過8255A傳送锝工作狀態(tài)等信息，都是通過它來傳輸?shù)摹? 4．讀/寫控制邏輯 讀/寫控制邏輯電路負責管理8255A的數(shù)據(jù)傳輸過程。它接收片選信號及系統(tǒng)讀信號、寫信號、復位信號RESET，還有來自系統(tǒng)地址總線的口地址選擇信號A0和A1。 4.2.3 8255的引腳功能 引腳信號可以分為兩組：一組是面向CPU的信號，一組是面向外設的信號。 1．面向CPU的引腳信號及功能 D0-D7：8位，雙向，三態(tài)數(shù)據(jù)線，用來與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連； RESET：復位信號，高電平有效，輸入，用來清除8255A的內部寄存器，并置A口，B口，C口均為輸入方式； ：片選，輸入，用來決定芯片是否被選中； ：讀信號，輸入，控制8255A將數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息送給CPU； ：寫信號，輸入，控制CPU將數(shù)據(jù)或控制信息送到8255A； A1，AO：內部口地址的選擇，輸入。這兩個引腳上的信號組合決定對8255A內部的哪一個口或寄存器進行操作。8255A內部共有4個端口：A口，B口，C口和控制口，兩個引腳的信號組合選中端口見下表。 ，，，A1，A0這幾個信號的組合決定了8255A的所有具體操作， 面向外設的引腳信號及功能 PA0~PA7：A組數(shù)據(jù)信號，用來連接外設； PB0~PB7：B組數(shù)據(jù)信號，用來連接外設； PC0~PC7：C組數(shù)據(jù)信號，用來連接外設或者作為控制信號。 面向外設的引腳信號及功能 PA0~PA7：A組數(shù)據(jù)信號，用來連接外設； PB0~PB7：B組數(shù)據(jù)信號，用來連接外設； PC0~PC7：C組數(shù)據(jù)信號，用來連接外設或者作為控制信號。 表 4.2 8255的操作功能表 A1 A0 操 作 數(shù) 據(jù) 傳 送 方 式 0 0 1 0 0 讀 A 口 A口數(shù)據(jù) → 數(shù)據(jù)總線 0 0 1 0 1 讀 B 口 B口數(shù)據(jù) → 數(shù)據(jù)總線 0 0 1 1 0 讀 C 口 C口數(shù)據(jù) → 數(shù)據(jù)總線 0 1 0 0 0 寫 A 口 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù) → A口 0 1 0 0 1 寫 B 口 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù) → B口 0 1 0 1 0 寫 C 口 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù) → C口 0 1 0 1 1 寫控制口 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù) → 控制口 4.2.4 8255A的工作方式 8255A有三種工作方式，用戶可以通過編程來設置。 方式0――簡單輸入/輸出――查詢方式；A，B，C三個端口均可。 方式1――選通輸入/輸出――中斷方式；A ，B，兩個端口均可。 方式2――雙向輸入/輸出――中斷方式。只有A端口才有。 工作方式的選擇可通過向控制端口寫入控制字來實現(xiàn)。 在不同的工作方式下，8255A三個輸入/輸出端口的排列示意圖如圖所示。 圖4.9 8255A三個輸入/輸出端口的排列示意圖 1．方式0 為一種簡單的輸入/輸出方式，沒有規(guī)定固定的應答聯(lián)絡信號，可用A，B，C三個口的任一位充當查詢信號，其余I/O口仍可作為獨立的端口和外設相連。 2．方式1 方式1是一種選通I/O方式，A口和B口仍作為兩個獨立的8位I/O數(shù)據(jù)通道，可單獨連接外設，通過編程分別設置它們?yōu)檩斎牖蜉敵?。而C口則要有6位(分成兩個3位)分別作為A口和B口的應答聯(lián)絡線，其余2位仍可工作在方式0，可通過編程設置為輸入或輸出。 3．方式2 方式2為雙向選通I/O方式，只有A口才有此方式。這時，C口有5根線用作A口的應答聯(lián)絡信號，其余3根線可用作方式0，也可用作B口方式1的應答聯(lián)絡線。 方式2：就是方式1的輸入與輸出方式的組合，各應答信號的功能也相同。而C口余下的PC0~PC2正好可以充當B 口方式1的應答線，若B口不用或工作于方式0，則這三條線也可工作于方式0。 方式2的應用場合 方式2是一種雙向工作方式，如果一個并行外部設備既可以作為輸入設備，又可以作為輸出設備，并且輸入輸出動作不會同時進行。 4．3 顯示電路設計 4.3.1 鍵盤部分設計 根據(jù)要求，我們之設計9個按鍵，用3×3矩陣式鍵盤與單片機的P2.0-P2.5六個I/O口相連接來實現(xiàn)。其功能為：啟動，停止，排水測試，時間顯示，狀態(tài)選擇，設定選擇，上限溫度，下限溫度。 圖4.10 鍵盤顯示電路 4.3.2 顯示環(huán)節(jié)部分設計 本部分電路主要使用八段數(shù)碼管和移位寄存器芯片74LS164。單片機通過I2C總線將要顯示的數(shù)據(jù)信號傳送到移位寄存器芯片74LS164寄存，再由移位寄存器控制數(shù)碼管的顯示，從而實現(xiàn)移位寄存點亮數(shù)碼管顯示。由于單片機的時鐘頻率達到12M，移位寄存器的移位速度相當快，所以我們根本看不到數(shù)據(jù)是一位一位傳輸?shù)摹娜祟愐曈X的角度上看，就仿佛是全部數(shù)碼管同時顯示的一樣。 圖4.10 74LS164引腳 4.11 顯示電路設計 4.4 復位及看門狗電路設計 4.4.1 DS1232的結構及特點 1 引腳功能及內部結構 　　DS1232是由美國DALLAS公司生產(chǎn)的微處理器監(jiān)控電路，采用8腳DIP封裝，如圖所示。各引腳功能如下： 圖4.12 DS1232引腳 PBRST：按鈕復位輸入端; 　 TD：看門狗定時器延時設置端； 　　TOL：5％或10％電壓監(jiān)測選擇端； 　　GND：電源地； 　　RST：高電平有效復位輸出端； 　　RST：低電平有效復位輸出端； 　　ST：周期輸入端; 　　Vcc：電源。。 圖4.13 看門狗電路設計 2 主要特點 　　DS1232具有如下特點： 　　具有8腳DIP封裝和16腳SOIC貼片封裝兩種形式，可以滿足不同設計要求; 　　在微處理器失控狀態(tài)下可以停止和重新啟動微處理器; 　　微處理器掉電或電源電壓瞬變時可自動復位微處理器; 　　精確的5％或10％電源供電監(jiān)視; ??? 不需要分立元件； 　　適應溫度范圍寬，－40～＋85℃。 4.4.2 DS1232的功能 1 電源電壓監(jiān)視 　　DS1232能夠實時監(jiān)測向微處理器供電的電源電壓，當電源電壓VCC低于預置值時，DS1232的第5腳和第6