【文章內(nèi)容簡介】 的操作流程圖。 15 ： ADC0809操作流程圖 單片機電路的設計 MCS51 單片機 所謂的單片機就是把中央處理器 CPU、存儲器 ROM/RAM、輸入輸出接口電路以及定時器 /計數(shù)器等部件制作在一塊集成電路芯片中，構成一個完整的微型計算機――單片微型計算機。由于單片機把各種功能部件集成在一塊芯片上，因此它的結構緊湊、超小型化、可靠性高、價格低廉、易于開發(fā)應用。 MCS51單片機包括 803 805 8751 等很多型號，其代表型號為 8051。 單片機 本課題所設計的系統(tǒng)的核心采用的是 AT89S51 單片機，它是一個低功耗、高性能的 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含有 4kBytesISP 的可反復擦寫 1000 次的 Flash只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術制造，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元。它具有以下特點： 40 個開始 初始化 ADC0809（ 1） 發(fā)送 ADC0809（ 1）地址 啟動 ADC0809（ 1） 發(fā)送讀 A/D命令 讀 A/D 發(fā)送 ADC0809（ 2）地址 啟動 ADC0809（ 2） 發(fā)送讀 A/D命令 讀 A/D 16 引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），32個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5個中斷優(yōu)先級 2層中斷嵌套中斷， 2 個 16位可編程定時計數(shù)器， 2 個全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)有時鐘振蕩器。 HMOS制造工藝的 MCS51單片機都采用 40引腳的雙列直插（ DIP）方式， CHMOS制造工藝的 80C31/80C51 除采用 DIP 封裝方式外，還采用 PLCC 方形的封裝方式。圖 34是 AT89S51 的 PDIP 封裝引腳圖 [10]。 AT89S51的 PDIP封裝 其中，有主電源引腳 ccss VV和 ，外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2，控制引腳STPD RV / 、 ALE/ PROG 、 PSEN 、 DDVEA/ ，輸入輸出接口 P0～ P3。 時鐘晶振電路和復位電路 AT89S51 單片機在實際應用中，時鐘電路用于產(chǎn)生時鐘信號，時鐘信號是單片機內(nèi)部各種各樣的微小操作的時間基準，在此基礎上，控制器按照指令的功能產(chǎn)生一系列在時間上有一定次序的信號，這些信號用來控制相關的邏輯電路工作，實現(xiàn)指令的功能。復位對單片機來說，是程序還沒開始執(zhí)行，是在做準備工作。 17 本系統(tǒng)在設計上對復位電路設計成上電復位加手動復位。這樣使用起來比較方便，就算是在程序“跑飛”時，也可以手動復位，不 用再重起單片機電源。其 Protel DXP 電路圖如圖 [11]。 AT89S51復位與晶振電路 總體電路系統(tǒng) 報警設計 本設計中，在 ST89S51 單片機的 口外接一個 LED二極管作為對濕度測控的報警輸出。當濕敏元件 HS1101 對室內(nèi)的濕度檢測時，達到某個值，就會在 端口輸出高電平，使得 LED 發(fā)亮，以及時通知工作人員進行相關的操作。其電路原理圖如圖所示。 18 ：系統(tǒng)報警電路 系統(tǒng)總設計 基于 51 單片機的 HS1101 傳感器濕度測控系統(tǒng)，主要由幾個部分組成 ：傳感器數(shù)據(jù)采集電路，模數(shù)轉換電路， LED報警電路，單片機主板電路等。其程序流程圖如圖所示。 19 圖系統(tǒng)總流程圖 從流程圖可以知道，本系統(tǒng)在設計過程中包括了幾個子程序：讀濕度子程序，濕度轉換子程序，計算濕度子程序，比較子程序。 本系統(tǒng)的部原理圖如圖 48 所示 下面對本次設計的總電路進行說明。 首先， AT89S51 單片機具有許多特點，其功能強大、 I/O 接口多，但其內(nèi)部的數(shù)據(jù)暫存存儲器的空間其實是比較小的，當用于多位的外圍外接芯片時，會出現(xiàn)內(nèi)部 RAM 使用不足 的狀況。所以，在本系統(tǒng)設計中，考慮到目前只是計劃應用于較小的機房中，監(jiān)測點不多，因此本文沒有對片內(nèi) RAM 進行擴展或是改換單片機的型號。在實際編程中實現(xiàn)本系統(tǒng)的功能應該沒有太大的障礙。 AT89S51 具有 4個 I/O 接口，它們分別是 P0口、 P1 口、 P2 口和 P3口。本文進行設計時只是用到了其中的部分接口，與本系統(tǒng)的其它部分進行連接，分別實現(xiàn)了不同的功能。例如： 口通過電阻用于 LED 的外接； 和 P0所有接口接 ADC0809 模數(shù)轉換器等等。 8051 的 0INT 接口通過 非門與 ADC0809 的 EOC 接口相接， RDWR和 通過兩個或非門跟 ADC0809 的 START、 ALE 和 OE相連，這樣就可以使得 8051 可以通過讀寫控制線來控制輸入通道地址的鎖存、啟動和輸出允許。 NE555 電路中的參數(shù)選擇為： R1＝ 1K、 R2＝ 499K、 R3＝ 576K、 R4＝ 909K。其中 R1 與 555 的頻率輸出引腳相連，起輸出短路保護作用，防止輸出電流過大。R4 是用作 555 定時器內(nèi)部溫度補償?shù)?，其應該具?1%的精度。由于這里采用的是 Texas Instruments 生產(chǎn)的 NE555，所以根據(jù)微調 R4 和 R3 取值分別為 909K和 576K。 開始 初始化 讀濕度 濕度轉換 濕度比較 20 ：系統(tǒng)總原理圖 電路 PCB 版圖設計 本設計所用到的電路圖，是在 Protel DXP 2021 軟件中進行畫圖的， Protel DXP 2021 是目前新一代完整的板級設計工具，它是 Altium 公司 2021 年的最新產(chǎn)品。本原理圖在 Protel 中進行編譯后，然后確定元件的封裝沒有問題，再進行網(wǎng)絡表的制作。本設計的 PCB 版圖是直接從生成的網(wǎng)絡表直接載入的，載入元件封裝后，再進行元件的布局。元件的布局一般從以下幾個方面考慮： 1. 高頻元件之間的連 線要短，易受干擾的元件不能離得太近。 2. 重量太大的元件要有支架固定。 3. 易發(fā)熱元件要遠離熱敏元件。 21 4. 對于電位器、可調電感線圈、可變電容、微動開關等可調元件的布局要考慮整機的結構要求。 5. 預留出電路板的安裝孔和支架的安裝孔。 6. 信號遵循從左邊進入、從右邊輸出，從上邊輸入、從下邊輸出。 本設計所用的 PCB 版圖如圖 39 所示： 圖：系統(tǒng) PCB版圖 系統(tǒng)的 PCB 版圖所用的是二層布線，用的是 Protel 自帶的自動布線工具。用 Protel 軟件里面的 3D效果圖工具可以得到下面的圖： 22 系統(tǒng) 3D效果圖 本設計的電路中所用到 的元件的實物照片如下所示： 晶振 集成與非門 ADC0809 NE555 AT89S51 HS1101 ：系統(tǒng)所用元件的實物圖 23 第四章：單片機與 PC 間的串行通訊 接口 計算機 與計算機之間或計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。其中串行通訊基于它本身的使用線路少、成本低等多個優(yōu)點而被廣泛使用。 RS2323C接口是目前最為常用的一種串行通訊接口。它是 1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（ EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調制解調器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標準。 RS232 接口標準采用 25 個引腳的連接器 其電氣特性是：邏輯“ 1”， 5— 15V；邏輯“ 0”， +5— +15V。噪聲容限為2V。其物理特性有：傳輸線采用屏蔽雙絞線，傳輸電纜的長度最大為 50英尺 。 RS232C 接口也有其不足的地方，主要有：接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片；傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為 20Kbps；接口的共地傳輸模式容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性比較弱；傳輸距離有限等。 單片機和 PC 通信連接 PC 機作為上位機，它是對單片機進行各種各樣的管理和控制的。本系統(tǒng)在實際設計和編程過程中，對 AT89S51 和 PC 機的通信采用了單電源電平轉換器ICL232。對于 AT89S51 的發(fā)送和接收，其間的通訊協(xié)議如下 [10]： 1. 通訊波特率為 4800b/s，晶振為 12MHz，其中 T1 為方式 2,可以計算得到 TH1 為 F3H 和 SMOD 為 1。 2. 系統(tǒng)采用串行口方式 3,字符格式為 1位起始位、 8位數(shù)據(jù)位（低位在前）、1位停止們和 TB8=0。 3. 發(fā)送或接收數(shù)據(jù)塊起始地址存放單元為 41H 和 40H，其中 41H 為數(shù)據(jù)塊起始地址高字節(jié)存放單元， 40H為數(shù)據(jù)塊起始地址低字節(jié)存放單元；數(shù)據(jù)塊長度存放單元為 32H 和 31H，其中 32H 為數(shù)據(jù)塊長度高字節(jié)存放單元， 31H 為數(shù)據(jù)塊長度低字節(jié)存放單元。 4. 8051 串行口以中斷方式進行發(fā)送和接收，發(fā)送時先發(fā)數(shù)據(jù)塊起始地址低字節(jié)和高字節(jié)，然后發(fā)送數(shù)據(jù)塊長度的低字節(jié)和高字節(jié) ，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)長度高字節(jié)和低字節(jié)由主程序在發(fā)送前先調入 R2和 R3 中。 其發(fā)送和接收子程序的流程圖如圖所示。 24 （ a）發(fā)送子程序流程圖 （ b）接收子程序流程圖 ： RS232發(fā)送與接收流程圖 本系統(tǒng)在 Keil uVision2 中使用匯編程序來對發(fā)送和接收子程序寫出簡單的程序清單。 發(fā)送子程序的清單： ORG 1000H MOV R0,03H ORL PCON,80H 。設定 SMOD＝ 1 MOV TMOD,20H 。設定 T1為方式 2 MOV TH1,0F3H 。設定 T1值 MOV TL1,0F3H SETB TR1 。啟動 T1工作 MOV SCON,0E0H 。串行口方式 3,禁止接收 MOV IE,90H 。開串行口中斷 MOV SBUF,77 。數(shù)據(jù)塊始址送發(fā)送緩沖器 WAIT1: JB ES,WAIT1 。等待串行口中斷 RET 接收子程序的清單： MOV R0,03H MOV TMOD,20H 。設定 T1 為方式 2 標記寄存器 R2 初始化定時器 T1為方式 2 設定 T1初值 啟動 T1工作 串行口為方式 3 開中斷 等待串行口中斷 標記寄存器 R2 初始化定時器 T1為方式 2 設定 T1初值 啟動 T1工作 串行口為方式 3，允許 接收并開中斷 等待串行口中斷 25 MOV TH1,0F3H 。設定 T1 初值 MOV TL1,0F3H SETB TR1 MOV SCON,0FOH 。啟動 T1 工作 MOV IE,90H 。開串行口中斷 WAIT2: JB ES,ATIT2 。等待串行口中斷 RET 簡單軟件設計 下位機 軟件設計 下位機是直接控制設備獲取設備狀況的計算機，一般是 PLC/單片機之類的。兩機如何通訊，一般取決于下位機。 TCP/IP 一般是支持的。但是下位機一般具有更可靠的獨有通訊協(xié)議。 本系統(tǒng)軟件采用匯編語言來實驗初始化、數(shù)據(jù)采集處理、濕度管理和對設備的處理。下位機程序設計通常先進行初始化，如設置中斷、定時器、外部可編程器件的初始等，然后循環(huán)執(zhí)行主要功能，并將數(shù)據(jù)傳遞給上位機 [12]。上位機上電復位后對數(shù)據(jù)進行處理并控制 LED。為防止程序跑飛，上位機下位機分別設計看門狗電路保證 ST89S51 正常工作。其軟件設計流 程圖如圖 42 所示。 ：系統(tǒng)下位機設計流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 采 集濕度 數(shù)據(jù)存儲 數(shù)據(jù)正常？ 啟動 LED 是否向上位機 送數(shù)據(jù)？ 送上位機 Y Y N 26 上位機程序設計 本系統(tǒng)的上位機軟件的程序流程圖 [13]如圖 43 所示。主程序執(zhí)行全系統(tǒng)的監(jiān)控和管理；數(shù)據(jù)收集處理模塊，從串行接收獲得下位機的狀態(tài)，整理后進行保存和歸檔。命令輸入模塊，從鍵盤獲取命令進行分析、處理；命令分析處理模塊，按不同命令要求或修改系統(tǒng)工作模式、調整運行參數(shù)或整理數(shù)據(jù)送串行發(fā)送緩沖區(qū)，由通信中斷服