【正文】 會參考51系列單片機的微結(jié)構(gòu)和控制方式。雖然現(xiàn)在有越來越多的專用控制芯片已經(jīng)做得非常好，在某方面的性能已經(jīng)超過了51單片機，但是51單片機的多功能和穩(wěn)定性，高性能等特點依然是大多數(shù)專用控制芯片不可比擬的。 89C51單片機則被眾多專業(yè)人士當(dāng)作是51系列單片機中的經(jīng)典設(shè)計，所以本次設(shè)計選取AT89C51為核心進(jìn)行學(xué)習(xí)與研究。 AT89C51單片機引腳功能說明AT89C51具有雙列直插封裝、方形封裝、扁平封裝三種封裝形式。在此次設(shè)計采用的是雙列直插封裝，該封裝具有 40條引腳，包括電源和接地引腳、2條外接晶振的引腳、4條控制功能的引腳、32條輸入/輸出端口引腳[1]。 AT89C51引腳結(jié)構(gòu)圖1. 電源引腳VCC和GND。VCC接+5V電源，GND接地。2. 外接晶振引腳XTAL1和XTAL2當(dāng)采用內(nèi)部時鐘方式時，XTAL1和XTAL2兩端跨接晶振和電容，并利用芯片內(nèi)部的振蕩器，共同構(gòu)成時鐘發(fā)生電路，該時鐘作為單片機時鐘信號。外部時鐘方式一般只有在采用特殊頻率的時鐘信號時使用，此時將XTAL1端接通該信號，XTAL2端則懸空放置。3. 復(fù)位引腳RST如果單片機檢測到該引腳在兩個單片機時鐘周期以內(nèi)都為高電平，則系統(tǒng)確定為復(fù)位操作并對芯片內(nèi)部的各地址、指針、寄存器進(jìn)行復(fù)位。4. ALE引腳ALE端是單片機的脈沖信號輸出端，脈沖的方向為正，可以為外圍需要高頻率脈沖的電子器件提供信號，頻率大小為單片機工作的時鐘頻率的1/6。在此次設(shè)計中，該引腳為ADC0809提供轉(zhuǎn)換時鐘信號。5. EA引腳EA引腳是片外程序存儲器訪問允許控制信號輸入端。在一般性設(shè)計中，直接給該引腳接+5V的高電平，表示單片機只對片內(nèi)ROM的0000H~0FFFH地址范圍讀取數(shù)據(jù)；當(dāng)需要讀取片外ROM中的數(shù)據(jù)時，在該引腳接低電平，此時片內(nèi)ROM關(guān)閉。6. 輸入/輸出引腳P0、PPP3P0口：8位漏極開路的雙向輸入/輸出端口，在芯片上為32~39引腳。單片機擴展外部存儲器和輸入/輸出端口芯片時，P0口輸出8位數(shù)據(jù)作為低8位地址或數(shù)據(jù)[2]。作為通用輸入/輸出端口時，不同于其它的輸入/輸出端口，P0口內(nèi)沒有上拉電阻，屬于開漏電路，在使用過程中要外接上拉電阻，確保輸出的電平為高電平。P1口：帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，在芯片上為1~8引腳。P1口作為普通的輸入/輸出端口時，先通過程序向輸出鎖存器寫入高電平。CPU可以對P1口進(jìn)行讀引腳操作和讀鎖存器操作，在讀鎖存器狀態(tài)時，P1可以進(jìn)行“讀修改寫”操作。P2口：帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，在芯片上為21~28腳。當(dāng)CPU從外部程序存儲器取指令和訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出16位地址中的高8位的地址，由控制信號控制內(nèi)部轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)。P2口最普遍的應(yīng)用還是作為普通的輸入/輸出端口，外接外部設(shè)備，接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)。P3口：帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口雙功能端口，在芯片上為21~28腳。當(dāng)它作為第一功能使用時，作為通用I/O口，工作原理與P1和P2口基本相同。P3口最常用的用法是它的第二功能。在提供這些功能時，相應(yīng)的鎖存器應(yīng)由內(nèi)部硬件自動置1，輸出電平可由程序決定。當(dāng)P3口用于第二功能時，8個引腳可以按位單獨定義。 P3口的第二功能引腳第二功能信號功能描述RXD串行數(shù)據(jù)接收TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送外部中斷0申請外部中斷1申請T0定時/計數(shù)器T0輸入T1定時/計數(shù)器T1輸入外部RAM寫選通外部RAM讀選通 單片機最小系統(tǒng) 單片機時鐘電路 AT89C51的時鐘信號有兩種來源，一種來源是利用芯片本身自帶的振蕩電路，輔以外圍器件來產(chǎn)生時鐘信號；另一種來源是時鐘信號完全由外部的信號提供，內(nèi)部振蕩器，這種情況一般不常用。在此次設(shè)計中使用第一種來源方式。晶體振蕩器和電容并聯(lián)接地后，跨接到 AT89C51芯片中自帶的振蕩器輸入端XTAL1和XTAL2，構(gòu)成自激振蕩器并產(chǎn)生的脈沖信號作為單片機運行的時鐘信號[7]。外接晶振的電容通常選擇為30pF左右，這兩個電容對時鐘頻率具有微調(diào)作用，晶振的頻率范圍可在3~33MHz之間。在制作印刷電路板時，為了減少寄生電容，建議采用瓷片電容并將晶體振蕩器和微調(diào)電容分布在單片機芯片左右。 時鐘電路 單片機復(fù)位電路單片機復(fù)位電路的主要功能是對單片機內(nèi)部資源進(jìn)行初始化，在需要復(fù)位時，在RST口輸入兩個時鐘周期以上高電平信號則單片機復(fù)位，等待高電平變?yōu)榈碗娖絼t復(fù)位結(jié)束，在設(shè)計中一般采取上電方式或手動方式復(fù)位。本次設(shè)計采用手動復(fù)位，當(dāng)復(fù)位按鍵按下后，復(fù)位端通過200Ω小電阻與+5V電源VCC接通，22μF電容迅速放電，使RST引腳為高電平；當(dāng)復(fù)位按鍵彈起后，+5V電源通過1KΩ電阻對22μF電容重新，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，即復(fù)位所需的高電平，該脈沖持續(xù)時間僅為幾個機器周期。 復(fù)位電路 溫度信號的獲取 元件介紹1. PT100介紹PT100是工業(yè)中溫度檢測設(shè)備應(yīng)用最廣泛的鉑熱電阻，它的測量溫度范圍為200℃~+650℃，阻值隨溫度正比例變化[8]。在對PT100的研究和測試中，研發(fā)人員測試出了其在每個溫度下的阻值，制成PT100分度表。在一些精確度要求高的溫度檢測設(shè)備中，將PT100分度表輸入存儲器中，按表查詢可以得到極為精確的數(shù)值，結(jié)果的誤差極小。對照PT100的分度表我們發(fā)現(xiàn)：在溫度為0℃時它的阻值為100Ω，在150℃，在這個過程中，溫度每變化1攝氏度，因此，可以根據(jù)這個特性建立一個線性方程而不需要逐個輸入分度表數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索。這是一種簡單實用的PT100應(yīng)用方式，只需要在軟件中設(shè)置算法，即可根據(jù)算法快速算出結(jié)果，相對于檢索方式，節(jié)省硬件資源，運行速度也更快，此次設(shè)計就是采用此方法。2. 運算放大器LM324LM324運算放大器芯片內(nèi)置四個相同的運算放大器，有差動輸入特性，大直流電壓增益100 dB，符合大多數(shù)電子設(shè)計的需要。 與其他的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，LM324有兩個特點，一是在單電源供電情況下其較寬的工作電壓范圍，~32V，用戶和設(shè)計者有了大量的供電電源選擇；另外一點是LM324可以共模電壓供電，電壓值為177。16V，這樣供電的好處顯而易見，不需要每一次使用時都采用外部偏置元件，可根據(jù)實際情況或設(shè)計需求確定。 LM324引腳圖LM324是最常用的運算放大器，我們在使用前要熟知它的結(jié)構(gòu)。，3腳是一組，7腳是一組，10腳是一組，1114腳是一組，剩下的兩個腳是電源，3，6，10，113是各個放大器的輸入腳，其它引腳為輸出腳。 溫度信號的獲取電路設(shè)計溫度信號的獲取電路分為恒流源電路和差分放大電路。恒流源電路負(fù)責(zé)驅(qū)動PT100作為整個系統(tǒng)的起始部分，為PT100提供恒定不變的直流電流。，輸入運算放大器LM324的正相輸入端，輸入LM324的反相輸入端，對LM324運用“虛短虛斷”分析可知，流過PT100的電流必定恒定為1mA，不會因為PT100得阻值變化而變化。1mA電流小，流過熱電阻基本不產(chǎn)生熱量，排除干擾因數(shù)，故恒流源大小為1mA。 恒流源電路在0~100℃時，~，差分放大電路對微弱的電壓信號放大10倍，方便ADC0809檢測以及減弱噪聲干擾的影響。，這個差分放大電路的電壓放大倍數(shù)主要由R2，R3，R4控制，而R6，R7，R8，R9，U1B實際為一個減法電路，對運算放大器運用“虛短虛斷”的方法進(jìn)行分析后可知，最終得到PT100放大后輸出電壓IN0=(V2V1)(R2+R3+R4)/R3，令R2=450Ω，R3=100Ω，R4=450Ω，即可得到10倍的電壓放大倍數(shù)。 差分放大電路 A/D轉(zhuǎn)換模塊的電路 8位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC08091. 主要性能ADC0809帶有8個模擬電壓輸入端口和8位數(shù)據(jù)緩存輸出端口，分時間段內(nèi)對選定的模擬電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。它以逐次逼近式的方法將模擬量與基準(zhǔn)電壓比較得出8位數(shù)字量[9]。最大失調(diào)誤差小于177。1個最低有效位；典型時鐘頻率為640KHz，在66~77個典型時鐘脈沖內(nèi)即可完成對其中任意通道模擬量的轉(zhuǎn)換，約100μs。2. 引腳功能及芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809芯片為DIP封裝，總共28個引腳。 ADC0809引腳圖 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖從內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖中可以看出，ADC0809由一個通道選擇開關(guān)、開關(guān)樹形轉(zhuǎn)換器、8位鎖存和三態(tài)門及通道地址鎖存譯碼器等組成。通道開關(guān)控制8個模擬通道，限定8路模擬量不在同一時間輸入，避免發(fā)生信號混疊，ADC0809中只有一個A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器作為緩沖區(qū)鎖存轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，用軟件從單片機口輸入高電平，則ADC0809允許輸出三態(tài)輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)。對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下。IN7~IN0：8個模擬量輸入通道。D7~D0：8位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端，D0至D7由低到高。為三態(tài)緩存輸出形式，能夠直接與單片機的I/O口接通。A、B、C：地址線。通道端口選擇線，編碼從000~111，分別對應(yīng)IN0~IN7。Vref（+）、Vref（—）：基準(zhǔn)參考電壓，負(fù)電壓基準(zhǔn)為0V，即Vref（—）端口接地，此時正電壓基準(zhǔn)為典型值+5V。ALE：地址鎖存允許信號。ALE檢測到上升沿時，A、B、C組成的編碼被送入地址鎖存器。START：啟動和復(fù)位雙功能端口。在每次轉(zhuǎn)換開始前，端口先接上升沿對芯片復(fù)位，再變?yōu)橄陆笛貑愚D(zhuǎn)換且保持低電平至下一次轉(zhuǎn)換開始。CLK：時鐘信號。ADC0809以外部輸入的時鐘信號作為工作信號，可以在 50~800KHz信號下工作。為減小轉(zhuǎn)換時間，提高轉(zhuǎn)換速率，通常使用600KHz左右的時鐘信號。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC為低電平表示正在轉(zhuǎn)換，EOC為高電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。既可將其連接到外部中斷口作為中斷請求信號，又可用程序查詢的方法檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。OE：輸出允許信號，高電平有效。單片機通過控制OE信號決定是否要從ADC0809中獲取數(shù)字量，OE為高電平時，芯片允許D0~D7端口輸出數(shù)據(jù)，OE為低電平時，輸出端口呈高阻態(tài)，不輸出任何數(shù)據(jù)。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路分為ADC0809芯片和ADC0809時鐘電路。ADC0809的時鐘來源可以有兩種方法。一種方法是利用單片機的定時/計數(shù)器功能產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，另一種方法是利用D觸發(fā)器74LS74連接在單片機ALE口進(jìn)行二分頻。ADC0809一般工作在500KHz左右，定時器不能滿足需要，只能采用第二種方法獲取時鐘信號。當(dāng)單片機的時鐘頻率為6MHz，ALE口輸出頻率為單片機時鐘頻率的1/6，再經(jīng)二分頻后，ADC0809便可獲得頻率為500KHz的時鐘頻率。 ADC0809時鐘電路 鍵盤電路 鍵盤界面本次設(shè)計采用44行列式鍵盤。按鍵分為0~9的數(shù)字鍵，上限溫度鍵“HIGH”，下限溫度鍵“LOW”，確定鍵“SURE”，刪除鍵“DEL”，返回鍵“BACK”，菜單鍵“MENU”。0~9數(shù)字鍵用于輸入數(shù)字，“HIGH”在需要重新設(shè)置溫度值時按下，“LOW”在需要重新設(shè)置溫度值時按下，“SURE”確認(rèn)輸入的數(shù)字，按下“SURE”后，剛剛輸入的溫度值成為新的上限或下限溫度，“DEL”用于在輸入數(shù)字時對輸入的數(shù)值進(jìn)行修改，按下“BACK”則停止當(dāng)前操作，返回進(jìn)入設(shè)置前的狀態(tài)，“MENU”用于需要進(jìn)行修改上下限溫度時進(jìn)入菜單程序[10]。這樣的設(shè)計結(jié)合了實際情況，借鑒現(xiàn)下較為實用的大型機械操作鍵盤界面，符合大多數(shù)人的操作習(xí)慣。 鍵盤界面 菜單操作菜單操作包括修改上限溫度和修改下限溫度，按下菜單鍵后，在LCD顯示屏右上角顯示出“（MENU）”，表示進(jìn)入菜單操作。此時，選擇按下“HIGH”鍵或“LOW”鍵可以進(jìn)入設(shè)置功能。1.“HIGH”鍵功能——設(shè)置上限溫度按順序按下“MENU”鍵，“HIGH”鍵，“確定”鍵后，此時，LCD顯示器上上限溫度數(shù)值部分全部清空，不顯示任何數(shù)值。上限溫度可輸入最大三位數(shù)的溫度，輸入超過三位數(shù)則自動退出菜單操作。輸入溫度值以0開頭或未輸入任何值時按下“確定”鍵，同樣退出菜單操作。輸入正確的數(shù)值，再按下“確定”鍵，即可看到系統(tǒng)退出菜單操作，同時將輸入的新數(shù)值設(shè)定為上限溫度?！皠h除”鍵幫助操作者在輸入過程中出錯時進(jìn)行修改，增加操作的靈活性。2.“LOW”鍵功能——設(shè)置下限溫度按順序按下“MENU”鍵，“LOW”鍵，“確定”鍵后，此時，LCD顯示器上下限溫度數(shù)值部分全部清空，不顯示任何數(shù)值?！癓OW”鍵的功能與“HIGH”鍵功能基本相同，差別在于下限溫度值只允許設(shè)置兩位數(shù)，鑒于下限溫度不會要求太高，所以兩位數(shù)已經(jīng)足夠。 LCD顯示本次設(shè)計的LCD顯示器主要顯示當(dāng)前溫度“CUR”，下限溫度“LOW”，上限溫度“HIHG”三個部分。LCD1602顯示器可以顯示162個字符，完成滿足我們的需要。1. 1602模塊接口說明表管腳號名稱功能描述1VSS電源地2VDD電源電壓3VL液晶顯示偏壓信號4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端5R/W讀/寫選擇端67~141516ED0~D7BLABLK寫鎖存/讀取使能控制數(shù)據(jù)輸入端背光源正極背光源負(fù)極2. 基本操作時序（1） 讀狀態(tài)：輸入：RS=L，RW=H，E=H輸出：D0~D7=狀態(tài)字（2） 寫指令：輸入：RS=L，RW=L，D0~D7=指令碼，E=高脈沖輸出：無（3） 讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=H，E=H輸出：D0~D7=數(shù)據(jù)（4） 寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=