【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(gè)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(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間 AT89C51單片機(jī)可對(duì)64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址，而對(duì)程序存儲(chǔ)器是內(nèi)外總空間為64KB，因此AT89C51單片機(jī)外部程序存儲(chǔ)器最大尋址范圍為64KB。4．中斷與堆棧AT89C51 單片機(jī)有5個(gè)中斷源，分為2個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)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(shí)器／記數(shù)器與寄存器區(qū) AT89C51單片機(jī)有2個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，通過編程可實(shí)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(gè)通用工作寄存器區(qū)，共32個(gè)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(shí)，大部分指令執(zhí)行時(shí)間為1us，少數(shù)為2uS，乘除指令的執(zhí)行時(shí)間也只有4us。7．布爾處理器 AT89C51單片機(jī)的布爾處理器實(shí)際上是一個(gè)完整的一位微計(jì)算機(jī)，這個(gè)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(gè)突破。一位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真和實(shí)時(shí)測控方面非常有效，而八位機(jī)在運(yùn)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(jì)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(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和智能儀器儀表時(shí)，應(yīng)選擇性能合適、性價(jià)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(shí)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(shí)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(jì)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(gè)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(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì)A、B和C三個(gè)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(hào)。對(duì)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(dòng)信號(hào)。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)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(hào)有時(shí)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(shí)鐘信號(hào)。ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號(hào)。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。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(hào)即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號(hào)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(hào)。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(hào)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(jì)ADC0809接口必須處理好3個(gè)問題。第一：要給START線送一個(gè)100ns寬的啟動(dòng)正脈沖；第二：獲取EOC線上的狀態(tài)信息，因?yàn)樗茿/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(gè)端口地址，也就是給OE線上送一個(gè)地址譯碼器輸出信號(hào)。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?yàn)橹挥写_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(shí)傳送方式：對(duì)于一種A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的，例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128us?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用這個(gè)延時(shí)子程序，延遲時(shí)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(hào)，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(shí)，則給OE線送一個(gè)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(hào)（EOC）作為中斷請求信號(hào)，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)楦唠娖剑瑒t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(duì)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(duì)人體安全；同時(shí)，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(diǎn)。考慮到功耗和LCD顯示器的點(diǎn)陣越大體積越大的特點(diǎn)，我們選用NS12864J液晶顯示模塊，它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器。它主要釆用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理由行驅(qū)動(dòng)—— 控制器和列驅(qū)動(dòng)器兩部分組成了128 (列）X64 (行）的全點(diǎn)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(dòng)帶驅(qū)動(dòng)LCD所需的負(fù)電壓；（2）全屏幕點(diǎn)陣，點(diǎn)陣數(shù)為128（列）64（行），可顯示8（行）4（行）個(gè)（1616點(diǎn)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(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)。當(dāng)D/I=0時(shí)，在E信號(hào)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(duì)應(yīng)。當(dāng)D/I=1時(shí)，在下降沿作用下，圖形顯示數(shù)據(jù)寫入DR,或在E信號(hào)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(dòng)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(shí)模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù)。BF=0時(shí),模塊為準(zhǔn)備狀態(tài)，隨時(shí)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(yàn)?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(hào)控制的。(5)XY地址計(jì)數(shù)器：XY地址計(jì)數(shù)器是一個(gè)9位計(jì)數(shù)器。高3位是X地址計(jì)數(shù)器，低6位為Y地址計(jì)數(shù)器，XY地址計(jì)數(shù)器實(shí)際上是作為DDRAM的地址指針，X地址計(jì)數(shù)器為DDRAM的頁指針，Y地址計(jì)數(shù)器為DDRAM的Y地址指針。X地址計(jì)數(shù)器是沒有計(jì)數(shù)功能的，只能用指令設(shè)置。Y地址計(jì)數(shù)器具有循環(huán)計(jì)數(shù)功能，各顯示數(shù)據(jù)寫入后，Y地址自動(dòng)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(jì)數(shù)器：Z地址計(jì)數(shù)器是一個(gè)6位計(jì)數(shù)器，此計(jì)數(shù)器具備循環(huán)計(jì)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(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，指向下一行掃描數(shù)據(jù)，RST復(fù)位后Z地址計(jì)數(shù)器為0。Z地址計(jì)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(dòng)顯示64行。 晶振電路對(duì)于一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，晶體的選擇非常重要，尤其是設(shè)計(jì)帶有睡眠喚醒（往往用低電壓以求低功耗）的系統(tǒng)。這是因?yàn)榈凸╇婋妷禾峁┙o晶體的激勵(lì)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(shí)并不特別明顯，原因是上電時(shí)電路有足夠的擾動(dòng)，很容易建立振蕩。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵(lì)也不能欠激勵(lì)。圖38為晶振電路。系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)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(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)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(jì)算并輸出控制模型，達(dá)到自動(dòng)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(shí)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(jì)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(dòng)發(fā)光二極管，所以通常加一級(jí)驅(qū)動(dòng)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(shí)，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器后變?yōu)榈碗娖?。此時(shí)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(shí)，表示正在驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備動(dòng)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(jì)，把這些接口電路組合起來就得到總的設(shè)計(jì)電路圖。第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的主要功能：，對(duì)8個(gè)通道模擬量依次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將結(jié)果存入存儲(chǔ)寄存器；，得到對(duì)應(yīng)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)際測量的化學(xué)或物理量；，并在LCD對(duì)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(shí)器初始化中斷系統(tǒng)初始化等待中斷T0定時(shí)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(duì)堆棧、I／O口、定時(shí)器／計(jì)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(shí)間常數(shù)，還包括轉(zhuǎn)入實(shí)驗(yàn)程序等，然后等待定時(shí)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(jì)的要求及前述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的具體情況，本軟件設(shè)計(jì)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