【文章內(nèi)容簡介】 一個工作寄存器區(qū)。該區(qū)共有 4 組，每組 8 個寄存器，共計(jì)可提供 32 個工作寄存器，相當(dāng)于通用微機(jī) CPU 中的通用寄存器。除此之外， MCS51 系列 8051 單片機(jī)還有頗具特色的 21 個特殊功能寄存器 SFR。要理解 MCS51 系列 8051單片機(jī)的工作，就必須對特殊功能寄存器 SFR 的工作有 清楚的了解。 SFR使僅具有 40 條引腳的單片機(jī)系統(tǒng)的功能有很大的擴(kuò)展。由于這些 SFR 的作用，每個通道在程序控制下，都可有第二功能，從而使得有限的引腳能衍生出更多的功能。而且，利用 SFR 可完成對定時器、串行口、中斷邏輯的控制，這就使得單片機(jī)可以把定時 /計(jì)數(shù)器、串行口、中斷邏輯等集成在一個芯片上。 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 21 MCS51 系列 8051 單片機(jī)在存儲器結(jié)構(gòu)上與通用微機(jī)也有不同之處，通用微機(jī)中程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是一個地址空間，而單片機(jī)把程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分成兩個獨(dú)立的地址空間，采用不同的尋址方式，使用兩個不同的地址指針， PC 指向程序存儲器， DPTR 指向數(shù)據(jù)存儲器。采用這種結(jié)構(gòu)主要是考慮到工業(yè)控制的特點(diǎn)。一般工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要較大的程序存儲器空間和較小的隨機(jī)存儲器空間，不同于通用微機(jī)需要較大的數(shù)據(jù)存儲器空間。 MCS51 系列 8051 單片機(jī)在輸入輸出接口方面的特點(diǎn)是，通道口引線在程序的控制下都可有第二功能，可由用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)者靈活選擇。比如數(shù)據(jù)線和地址線低 8 位可分時合用通道 0，而地址線高 8 位與其它信號線也可合用通道 2。由于存儲器和接口都在片內(nèi)，就給應(yīng)用提供了方便，往往只在其引腳處增加驅(qū)動器即可簡化接口設(shè)計(jì)工作，提高單片機(jī)與外設(shè) 數(shù)據(jù)交換的處理速度。同時，功能變換和選擇由相應(yīng)的指令來控制實(shí)現(xiàn)，而不是靠硬件上的跳線短接等方法實(shí)現(xiàn)。 MCS51 系列 8051 單片機(jī) I/O 引腳一線多功能的特點(diǎn)方便了用戶，但在組成應(yīng)用系統(tǒng)時，也應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)分時使用。 MCS51 系列 8051 單片機(jī)的另一個顯著特點(diǎn)是內(nèi)部有一個全雙工串行口，即可同時發(fā)送和接收；有兩個物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器。發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出，接收緩沖器只能讀出不能寫入。在程序的控制下，串行口能工作于四種方式，用戶可根據(jù)需要，設(shè)定為移位寄存器方式以擴(kuò)展 I/O 口和外接同步輸入輸出設(shè)備， 或用作異步通信口，以實(shí)現(xiàn)雙機(jī)或多機(jī)通信，極為方便地組成分布式控制系統(tǒng)。 單片機(jī)時鐘電路 單片機(jī)時鐘電路通常有兩種形式： 1． 外部振蕩方式： 外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘信號引入單片機(jī)內(nèi)。 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 圖 44 外部振蕩方式 圖 圖 圖 45 內(nèi)部振蕩方式 圖 2． 內(nèi)部振蕩方式 ： MCS51 單片機(jī)片內(nèi)有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體 振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈 沖 。 本設(shè)計(jì)所采用的是內(nèi)部振蕩方式，晶振選擇為 12MHz，電容 C C2大小通常為 30PF，其接線如圖 46 所 示。 圖 46 晶振接線 變送器的選擇 變送器的作用是分別將各種工藝變量（如溫度、壓力、流量、液位）和電、氣信號（如電壓、電流、頻率、氣壓信號等）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號。 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 23 壓力變送器 的選擇 本設(shè)計(jì)中采用的壓力變送器為 WT1151GP 型電容式壓力變送器，它是一種新型產(chǎn)品，在工業(yè)生產(chǎn)和工藝流程中用來測量液體氣體 的壓力、液位、調(diào)節(jié)密度等參數(shù)。它與其他的儀表和控制裝置配合組成自動檢測、記錄、控制等工業(yè)自動化系統(tǒng)。 1． WT1151GP 型電容式壓力變送器 主要特點(diǎn)： （ 1） 智能電子 部件僅有一塊板組成 ， 體積小、重量輕。 （ 2） 精度高 、 可靠性好 、 過載性能好。 。 （ 3） 具有可調(diào)阻尼裝置，可用于脈動流體的測量。 （ 4） 具有自我診斷和遠(yuǎn)方診斷的功能。 （ 5） 帶有 EPROM 非易失性存儲器不怕斷電丟失數(shù)據(jù)。 2． 功能參數(shù)： （ 1） 使用對象：液體、氣體。 （ 2） 輸出信號： 4～ 20mA。 （ 3） 供電電源： 12～ 45VDC，帶 LCD 為 15～ 45VDC。 （ 4） 負(fù)載與供電電源有關(guān)，在電源電壓 R 與電源電壓 V 關(guān)系為如 47 所示 。 （ 5） 指示器：現(xiàn)場輸出指示有電流表，線性指示 0～ 100%和平方根指示，輸出可按百分?jǐn)?shù)顯示和 4～ 20mADC 顯示兩種。 （ 6） 正負(fù)遷移：最大正遷移量為 500%，最大負(fù)遷移量不大于大氣壓。 （ 7） 溫度范圍：放大電路的工作溫度為 25～ 75℃ ，帶現(xiàn)場顯示器、防暴型變送器工作溫度為 25～ +75℃ ，傳感器的工作溫度為 40～+104℃ 。 （ 8） 儲藏溫度： 40～ +100℃ 。 （ 9） 容積變化量：小于 立方厘米。 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 （ 10） 過載 壓力：不超過最大測量范圍的 倍。 （ 11） 阻尼時間：在 ～ 秒內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 （ 12） 啟動時間： 2 秒，不須要預(yù)熱。 （ 13） 故障報警：自診斷程序檢測故障，模擬輸出高于 22mA 或低于 報警，報警高低標(biāo)志可通過電子部件上的開關(guān)進(jìn)行選擇。 （ 14） 變送器狀態(tài)保護(hù)：撥動電子部件上開關(guān)可以防止變送器組態(tài)的改變。 圖 47 負(fù)載阻抗與電源電壓關(guān)系圖 基于以上特點(diǎn)選用此壓力變送器，其 4～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流輸出公式為： pI ??? 42 000164 即變送器 可以保證輸出電流和壓力成 線性關(guān)系 。 差壓變送器的選擇 WT1151DP 型電容式差壓變送器可以用來測量流量、液位和應(yīng)用其他要求精確測量差壓、壓力的場合。 WT1151DP 電容式差壓變送器中的各部分是相同，只是在安裝上有所不同，所以不在重復(fù)介紹 其 功能 與特點(diǎn) ，最終得到也是 4～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流輸出公式為： pI ???? 42021164 （ 45） 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 25 I/V變換器 由于電容 式 壓力 /差壓變送器 WT1151GP，其輸出信號為 4～ 20mADC，所以需 要設(shè)計(jì)電流電壓轉(zhuǎn)換電路將 4～ 20mADC 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號 0～5VDC，然后再將電壓信號輸入到 ADC0809，讓 其 接受標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的 0～ 5V電壓信號，其電流電壓轉(zhuǎn)換電路如 圖 48 所示。 由圖 48 可得： bbfbbfio RVRRR RRRRIU ???????? ? ???221 )(1 （ 46） 取 1R =，則： 當(dāng) Ii=4mA 時， Uo=0V，再取 R2= Rb，上式可寫為： bbfbf RVRRR ???? 21 （ 47） 當(dāng) Ii=20mA 時， Uo=5V，再取 R2=Rb 上式可寫為： 5)21(5 ????? bbbf RVRR （ 48） 由（ 47） 、 （ 48）得： 5)21(4 ???? bfRR Rf /Rb =1/8 即 Rb =R2=8 Rf，得： Vb=10V 為使輸入端兩端阻抗匹配應(yīng)滿足： R2//Rb // Rf = 則 ， 8 Rf = 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 故有： Rf = R2= 圖 48 I/V變換圖 通過上面電路的轉(zhuǎn)換， 就 可以把 4～ 20mADC 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號 0～5VDC， 送到 ADC0809 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 A/D轉(zhuǎn)換器及其接口 本設(shè)計(jì)采用的 A/D 轉(zhuǎn)換器為 8 位轉(zhuǎn)換器 ADC0809。 ADC0809 是與微處理器兼容的 8 通路 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。它主要由逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器和8 路模擬開關(guān)組成。 ADC0809 的 特 點(diǎn)是：可直接與微處理器相連，不需另加接口邏輯；具有鎖存控制的 8 路模擬開關(guān)，可以輸入 8 個模擬信號；分辨率為 8 位，總的不可調(diào)誤差為（ 2/1? ） LSB 和 1? LSB；輸入、輸出引腳電 平與 TTL 電路兼容；當(dāng)模擬電壓范圍為 05V 時，可使用單一的 5? V電源；基準(zhǔn)電壓可以有多種按法，且 一般 不需要調(diào)零和增益校準(zhǔn)。 圖 412為 ADC0809 與 8051 的接口電路。本設(shè)計(jì)使用的輸入端口有 IN0、 IN1，分別輸入的是壓力、差壓。 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 27 圖 49 ADC0809 與 8051 的接口 D0～ D7 是轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制輸出端，它們受輸出允許信號 OE 的控制，OE 信號由程序或外部設(shè)備提供。 OE 為 “0”時， D0D7呈高阻態(tài)； OE 為 “1”時， D0～ D7輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。 表 42 ADDA、 ADDB、 ADDC 真值表 對應(yīng)通路 地址 C B A IN0 0 0 0 IN1 0 0 1 IN2 0 1 0 IN3 0 1 1 IN4 1 0 0 IN5 1 0 1 IN6 1 1 0 IN7 1 1 1 A， B， C 是三個采樣地址輸入端，它們的 8 種組合用來選擇 8 個模擬量輸入通路 IN0IN7中的一個通路并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這 8 位組合與所選通路的對應(yīng)關(guān)系見表 42 所示 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 ADC0809 芯片有 28 條引腳，各引腳 功能說明如表 43 所示。 表 43 ADC0809 引腳功能表 符號 引腳號 功能 07~IN IN 26～ 28， 1～ 5 為 8 個通道模擬量輸入線 端口 A B C 25～ 23 多路開關(guān)地址選擇線 28～ 21 17， 14， 15，8， 18～ 21 8 位數(shù)字量輸出結(jié)果。 ALE 22 地址鎖存有效輸入線。該信號上升沿把 3條選擇線的狀態(tài)鎖存入多路開關(guān)地址寄存器中。 START 6 啟動轉(zhuǎn)換輸入線。該信號上升沿清除 ADC的內(nèi)部寄存器而在下降沿啟動內(nèi)部控制邏輯，開始 A/D 轉(zhuǎn)換工作。 EOC 7 轉(zhuǎn)換完成輸出線，當(dāng) EOC 為 1 時表示轉(zhuǎn)換已完成。 CLOCK 10 轉(zhuǎn)換定時時鐘輸入線。其頻率不能高于640KHZ。當(dāng)頻率為 640 時，轉(zhuǎn)換速度為100 s? OE 9 允許輸入線。在 OE 為 1 時，三態(tài)輸入鎖存器脫離三態(tài)，把數(shù)據(jù)送往總線。 REFREF VV )()( , ?? 12， 16 參考電壓輸入線 Vcc 11 接 +5V GND 13 接地 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 29 ALE 是地址鎖存選通信號。該信號上升沿把地址狀態(tài)選通入地址鎖存器。該 信號也可以用來作為開始轉(zhuǎn)換的啟動信號，但此時要求信號有一定的寬度，典型值為 100 s? 最大值為 200 s? ， SC 為啟動轉(zhuǎn)換脈沖輸入端，其上跳變復(fù)位轉(zhuǎn)換器，下降沿啟動轉(zhuǎn)換，該信號寬度應(yīng)大于 100 s? ，它也可由程序或外部設(shè)備產(chǎn)生。若希望自動連續(xù)轉(zhuǎn)換（即上次轉(zhuǎn)換結(jié)束又重新啟動轉(zhuǎn)換），則可將 SC 與 EOC 短接。 EOC 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號從 SC 信號上升沿開始經(jīng) 1~8 個時鐘周期后由高電平變?yōu)榈碗娖?，這一過程表 示正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 當(dāng) ADC0809 由程序控制進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時，輸入通路選定后由輸出指令啟動 A/D 轉(zhuǎn)換（ SC 為正脈沖）。轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生 EOC 高電平信號作為中斷請求。當(dāng)微處理器執(zhí)行輸入指令后， OE 變?yōu)楦唠娖剑x通三態(tài)輸出鎖存器，輸入轉(zhuǎn)換后的代碼。 ADC0809 每位轉(zhuǎn)換要 8 個時鐘周期， 8 位共需 64 個時鐘周期，若時鐘頰率為 500KHz，則一次轉(zhuǎn)換要 128 s? 。該信號也可作為中斷請求信號。CLK 是時鐘信號輸入端，最高可達(dá) 1280KHz。 REF（ +）和 REF（－）為基準(zhǔn)電壓輸 入端，它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值。通常， REF（ +）和電源 Vcc 一起接到基準(zhǔn)電壓 （或 5V）上， REF（－）接在地端 GND 上。此時最低所表示的 增壓值為 ： mVV 8 ? （ 49） REF（ +）和 REF（－）也 不 一定要分別接在 Vcc 和 GND 上，但要滿足以下條件： V c cEE R E FR E F ??? ?? )()(0 （ 410） V c cEE R E FR E F 212 )()( ?? ?? （ 411） 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 30 D/A轉(zhuǎn)