【文章內(nèi)容簡介】 8B的RAM。2．輸入／輸出(I／O)口 AT89C51單片機(jī)內(nèi)I／O口的數(shù)量和種類較多且齊全，共具有32根I／O口線。尤其是它有一個全雙工的串行口，該串口是利用兩I／O口線構(gòu)成的，有四種工作方式，要通過編程選定。3．外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間 AT89C51單片機(jī)可對64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器尋址，而對程序存儲器是內(nèi)外總空間為64KB，因此AT89C51單片機(jī)外部程序存儲器最大尋址范圍為64KB。4．中斷與堆棧AT89C51 單片機(jī)有5個中斷源，分為2個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級是可編程的。它的堆棧位置也是可編程的，堆棧深度可達(dá)128字節(jié)。5．定時器／記數(shù)器與寄存器區(qū) AT89C51單片機(jī)有2個16位定時器／計數(shù)器，通過編程可實現(xiàn)四種工作模式。這種單片機(jī)在內(nèi)部RAM中開設(shè)了四個通用工作寄存器區(qū)，共32個通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的要求。6．指令系統(tǒng) AT89C51單片機(jī)的指令系統(tǒng)功能比較強(qiáng)，主要表現(xiàn)在指令系統(tǒng)中包含加法、減法、乘法、除法、比較、堆棧操作和多種位操作指令。當(dāng)振蕩頻率接最高12MHz時，大部分指令執(zhí)行時間為1us，少數(shù)為2uS，乘除指令的執(zhí)行時間也只有4us。7．布爾處理器 AT89C51單片機(jī)的布爾處理器實際上是一個完整的一位微計算機(jī)，這個一位微機(jī)有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。把八位微機(jī)和一位微機(jī)結(jié)合在一起是微機(jī)技術(shù)上的一個突破。一位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真和實時測控方面非常有效，而八位機(jī)在運算處理、智能儀表和數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長處。在MCS51系列單片機(jī)中八位機(jī)與一位機(jī)(布爾處理器)的硬件資源是復(fù)合在一起的，二者相輔相成，這是MCS51在設(shè)計上的精美之處，也是一般微處理機(jī)所不具備的。A／D轉(zhuǎn)換器的種類繁多、特性各異。在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和智能儀器儀表時，應(yīng)選擇性能合適、性價比高的A／D轉(zhuǎn)換芯片。A／D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)有：分辨率、轉(zhuǎn)換時間、轉(zhuǎn)換精度、輸入電壓范圍、輸入電阻(阻抗)、供電電源、數(shù)字輸出特性、工作環(huán)境(周圍的溫度、濕度等)。影響A／D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)的主要因素有：外接時鐘頻率和電源電壓的穩(wěn)定性、環(huán)境溫度、外界有無干擾等。A／D轉(zhuǎn)換一般有記數(shù)器式A／D轉(zhuǎn)換、逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換、雙積分式A／D轉(zhuǎn)換、V／F變換型A／D轉(zhuǎn)換。在這些轉(zhuǎn)換方式中，計數(shù)器式A／D轉(zhuǎn)換線路比較簡單，但轉(zhuǎn)換速度較慢，所以現(xiàn)在很少應(yīng)用。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換精度高，多用于數(shù)據(jù)采集及精度要求比較高的場合，但速度更慢。逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換既照顧了轉(zhuǎn)換速度，又具有一定的精度，所以是目前應(yīng)用較多的一種A／D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。此外，還有一種能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離串行傳送的V／F變換型A／D轉(zhuǎn)換器。ADC0809是8路8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換CMOS器件，之所以選用這種轉(zhuǎn)換器原因如下：(1)精度可以滿足要求：8位A／％，12位A／％，但從本課題應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，8位精度已完全可以滿足測量和控制的要求。(2)多通道：ADC0809是8通道A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置多路開關(guān)；12位A／D轉(zhuǎn)換器AD574A是單通道輸入，所以如果要采集多個通道，需外加多路選擇開關(guān)，電路復(fù)雜。(3)單一電源供電：ADC0809是用單一的+5V電源，而AD574A需要+5V，177。15V三種電源，所用電源復(fù)雜。 ADC0809芯片簡介ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，采用CMOS工藝。ADC0809內(nèi)部的多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B和C三個地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖36所示。 ADC0809芯片管腳圖及各管腳功能介紹，其引腳排列見圖37。：IN7～I(xiàn)N0：模擬量輸入通道ALE：地址鎖存允許信號。對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START：轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時，復(fù)位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。本信號有時簡寫為ST。A、B、C：地址線， 通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。CLK：時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時鐘信號。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用。D7～D0：數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高。OE：輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。Vcc： +5V電源。Vref：參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref()=5V)。 ADC0809轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送設(shè)計ADC0809接口必須處理好3個問題。第一：要給START線送一個100ns寬的啟動正脈沖；第二：獲取EOC線上的狀態(tài)信息，因為它是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志位。第三：要給“三態(tài)輸出鎖存器”分配一個端口地址，也就是給OE線上送一個地址譯碼器輸出信號。A/D轉(zhuǎn)換后得到的是數(shù)字量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)應(yīng)傳遞給微機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換是否完成，因為只有確認(rèn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式：（1）定時傳送方式：對于一種A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的，例如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128us?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用這個延時子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（2）查詢方式：A/D轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，讓軟件監(jiān)測EOC的狀態(tài)，即可確知轉(zhuǎn)換是否完成，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。如果EOC為低電平，表明A/D正在進(jìn)行，則控制器繼續(xù)查詢；如果查詢到EOC變?yōu)楦唠娖綍r，則給OE線送一個高電平，以便獲取D0~D7線上的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。（3）中斷方式：把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在中斷服務(wù)例程中要是OE線變?yōu)楦唠娖?，則可以獲取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。圖37為系統(tǒng)電源模塊。其主要原理是把單相交流電經(jīng)過電源變壓器、橋式整流電路、電容濾波電路、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。圖36 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖168。圖37 電源模塊人機(jī)界面是便攜式系統(tǒng)的重要組成部分，尤其是對于本系統(tǒng)，顯示是基本功能之一。液晶顯示器(LCD/Liquid Crystal Display)由于具有輕薄短小、低耗電量、無輻射，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，近年來已經(jīng)占據(jù)了顯示器的主流地位。與傳統(tǒng)的顯示技術(shù)相比，液晶顯示器具有很多重要的優(yōu)越性。首先，液晶顯示器不使用電子槍轟擊方式來成像，因此它完全沒有輻射的危害，對人體安全；同時，液晶顯示器不閃爍、顏色失真近乎為零；而且液晶顯示器具有工作電壓低、功耗小、重量輕和體積小等優(yōu)點?？紤]到功耗和LCD顯示器的點陣越大體積越大的特點，我們選用NS12864J液晶顯示模塊，它是一種圖形點陣液晶顯示器。它主要釆用動態(tài)驅(qū)動原理由行驅(qū)動—— 控制器和列驅(qū)動器兩部分組成了128 (列）X64 (行）的全點陣液晶顯示。此顯示器釆用了COB軟封裝方式，通過導(dǎo)電橡膠和壓框鏈接LCD，使其壽命長，連接可靠。 此液晶顯示器的基本特性為：（1）工作電壓為177。5V177。10%，可自動帶驅(qū)動LCD所需的負(fù)電壓；（2）全屏幕點陣，點陣數(shù)為128（列）64（行），可顯示8（行）4（行）個（1616點陣）漢字，也可完成圖形、字符的顯示；（3）與CPU接口采用5條控制總線和8位并行數(shù)據(jù)總線輸入輸出，適配M6800系列時序；（4）內(nèi)部有顯示數(shù)據(jù)鎖存器；（5）簡單的操作指令，顯示開關(guān)設(shè)置，顯示起始行設(shè)置，地址指針設(shè)置和數(shù)據(jù)讀、寫等指令。此外，了解如下器件有利于對LCD模塊編程。(1)指令寄存器（IR)：用于寄存指令碼，與數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)相對應(yīng)。當(dāng)D/I=0時，在E信號下降沿的作用下，指令碼寫入IR。(2)數(shù)據(jù)寄存器（DR)：用于寄存數(shù)據(jù)的，與指令寄存器寄存指令相對應(yīng)。當(dāng)D/I=1時，在下降沿作用下，圖形顯示數(shù)據(jù)寫入DR,或在E信號高電平作用下由DR讀到DB~DB0 數(shù)據(jù)總線。DR和DDRAM之間的數(shù)據(jù)傳輸是模塊內(nèi)部自動執(zhí)行的。(3)忙標(biāo)志(BF)：提供內(nèi)部工作情況。BF=1表示模塊在內(nèi)部操作，此時模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù)。BF=0時,模塊為準(zhǔn)備狀態(tài)，隨時可接受外部指令和數(shù)據(jù)。利用STATUS READ指令，可以將BF讀到DB7總線，從檢驗?zāi)K的工作狀態(tài)。(4)顯示控制觸發(fā)器DFF：用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。DFF=1為開顯示（DISPLAY OFF),DDRAM的內(nèi)容就顯示在屏幕上，DFF=0為關(guān)顯示（DISPLAY OFF)。DFF的狀態(tài)是指令DISPLAY ON/OFF和RST信號控制的。(5)XY地址計數(shù)器：XY地址計數(shù)器是一個9位計數(shù)器。高3位是X地址計數(shù)器，低6位為Y地址計數(shù)器，XY地址計數(shù)器實際上是作為DDRAM的地址指針，X地址計數(shù)器為DDRAM的頁指針，Y地址計數(shù)器為DDRAM的Y地址指針。X地址計數(shù)器是沒有計數(shù)功能的，只能用指令設(shè)置。Y地址計數(shù)器具有循環(huán)計數(shù)功能，各顯示數(shù)據(jù)寫入后，Y地址自動加1，Y地址指針從0到63。(6)顯示數(shù)據(jù)RAM (DDRAM)：，數(shù)據(jù)為0表示顯示非選擇。(7)Z地址計數(shù)器：Z地址計數(shù)器是一個6位計數(shù)器，此計數(shù)器具備循環(huán)計數(shù)功能，它是用于顯示行掃描同步。當(dāng)一行掃描完成，此地址計數(shù)器自動加1，指向下一行掃描數(shù)據(jù)，RST復(fù)位后Z地址計數(shù)器為0。Z地址計數(shù)器可以用指令DISPLAY STARTLINE預(yù)置。因此，顯示屏幕的起始行由此指令控制，即DDRAM的數(shù)據(jù)從哪一行開始顯示在屏幕的第一行，此模塊的DDRAM共64行，屏幕可以循環(huán)滾動顯示64行。 晶振電路對于一個高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計，晶體的選擇非常重要，尤其是設(shè)計帶有睡眠喚醒（往往用低電壓以求低功耗）的系統(tǒng)。這是因為低供電電壓提供給晶體的激勵功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現(xiàn)象在上電復(fù)位時并不特別明顯，原因是上電時電路有足夠的擾動，很容易建立振蕩。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵也不能欠激勵。圖38為晶振電路。系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計一定要使系統(tǒng)能夠充分復(fù)位，在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定可靠的工作，復(fù)位性能不好會影響系統(tǒng)的正常運行。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位電路，系統(tǒng)復(fù)位電路電路圖如圖39所示。圖38 晶振電路圖 圖39 系統(tǒng)復(fù)位電路在水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)中，被測參數(shù)經(jīng)采樣處理之后，還需要計算并輸出控制模型，達(dá)到自動控制的目的。輸出控制分兩種：模擬量控制和開關(guān)量控制。模擬量控制通常是由D／A轉(zhuǎn)換器輸出開控制；開關(guān)量控制是通過控制設(shè)備的“開”或“關(guān)”狀態(tài)的時間來達(dá)到控制的目的。本系統(tǒng)采用開關(guān)量控制。在開關(guān)量控制中，最常用的器件是光電隔離器。光電隔離器的種類繁多，常用的有發(fā)光二極管／光敏三極管、發(fā)光二極管／光敏復(fù)合晶體管、發(fā)光二極管／光敏電阻，以及發(fā)光二極管／光觸發(fā)可控硅等。其原理電路，如圖310所示。在一般微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于大都采用TTL電平，不能直接驅(qū)動發(fā)光二極管，所以通常加一級驅(qū)動器。本系統(tǒng)采用的是74LS04。其系統(tǒng)原理圖如圖311所示。當(dāng)數(shù)字量Pi輸出為高電平時，經(jīng)反相驅(qū)動器后變?yōu)榈碗娖?。此時發(fā)光二極管有電流通過并發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，從而在集電極上產(chǎn)生輸出電壓。此電壓即可用來控制外設(shè)。圖310光電隔離器原理圖 圖311光電隔離電路原理圖本系統(tǒng)采用的控制輸出電路如圖312所示。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)光時，表示正在驅(qū)動控制設(shè)備動作，水溫不在設(shè)定的溫度范圍；當(dāng)發(fā)光二極管不亮?xí)r，表示系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，水溫在設(shè)定的范圍內(nèi)。 圖3—12控制輸出電路至此，已完成了硬件部分的設(shè)計，把這些接口電路組合起來就得到總的設(shè)計電路圖。第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計工廠化養(yǎng)殖水質(zhì)綜合參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)的主要功能：，對8個通道模擬量依次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將結(jié)果存入存儲寄存器；，得到對應(yīng)水質(zhì)參數(shù)的實際測量的化學(xué)或物理量；，并在LCD對應(yīng)位置上顯示相關(guān)文字信息。主程序寄存器初始化并行口初始化串行口初始化定時器初始化中斷系統(tǒng)初始化等待中斷T0定時中斷程序數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)濾波標(biāo)度變換BCD碼轉(zhuǎn)換器掃描顯示模糊控制中斷返回圖41系統(tǒng)程序總體結(jié)構(gòu) 主程序主要是進(jìn)行一系列的初始化工作，包括對堆棧、I／O口、定時器／計數(shù)器、中斷系統(tǒng)串口等特殊功能寄存器賦值，包括位操作區(qū)和有關(guān)寄存器清零，包括置T0、T1時間常數(shù)，還包括轉(zhuǎn)入實驗程序等，然后等待定時器T0中斷。具體操作流程如圖41所示。各種信息和數(shù)據(jù)處理程序一是放在顯示間隙中完成，二是放在中斷服務(wù)子程序T0中完成。在中斷服務(wù)程序TD中，要進(jìn)行一系列操作：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波、進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換、BCD碼轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、控制并輸出等。記數(shù)器T1用于串行通訊是產(chǎn)生波特率，不中斷。串行口用于與PC機(jī)通訊。根據(jù)設(shè)計的要求及前述系統(tǒng)硬件設(shè)計的具體情況，本軟件設(shè)計系統(tǒng)單片機(jī)內(nèi)部資源RAM空間分配如下：(1)2AH：存溫度采樣中值濾波后的值(2)2BH：存pH采樣中值濾波后的值(3)2CH：存溶解氧濃度采樣中值濾波后的值