【導(dǎo)讀】隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷深入。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)。求設(shè)計(jì)軟硬件結(jié)構(gòu)。很多科學(xué)領(lǐng)域及氣象監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都要求對(duì)溫度，濕度，風(fēng)向風(fēng)速等參。數(shù)進(jìn)行采集與傳輸，然后根據(jù)采集來(lái)的的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，判斷，從而對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制。構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。全文由緒論，硬件部分，方案論證，軟件部分四部分組成，緒論部分。單元電路主要介紹了鍵盤(pán)顯示電路，AD轉(zhuǎn)換電路，大氣參數(shù)檢測(cè)電路，報(bào)警電路，軟件部分進(jìn)行了主程序，鍵盤(pán)子程序和顯示程序的流程圖。

　　

【正文】 脈沖（按鍵）接到 INT0引腳輸入，當(dāng)它被按下時(shí)相應(yīng)電路就產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖（即中斷請(qǐng)求信號(hào)）送到單片機(jī)的 INT0（或 INT1）引腳。 8051 單片機(jī)在 INT0上，負(fù)脈沖作用下，啟動(dòng)一次中斷處理過(guò)程， CPU執(zhí)行一條程序指令，這樣可以一步一步的進(jìn)行單步操作。 程序連續(xù)執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式。所執(zhí)行的程序?qū)懭氤绦虼鎯?chǔ)器后，接通單片機(jī)電源，此時(shí)單片機(jī)上電復(fù)位，使 PC=0000H， CPU 將從程序的起始地址 0000H 單元開(kāi)始，連續(xù)執(zhí)行事先存放在程序存儲(chǔ)器中的應(yīng)用程序。 低功耗操作方式 低功耗操作方式分為節(jié)電操作方式和掉電操作方式 。 節(jié)電方式是執(zhí)行一條將 IDL 位置 1 的指令后， 8051 單片機(jī)就進(jìn)入節(jié)電方式。這時(shí)提供給 CPU的時(shí)鐘信號(hào)被中斷，但中斷、串行口和定時(shí)器 繼續(xù)工作，此時(shí) CPU 現(xiàn)場(chǎng)（即 SP、PC、 PSW 和 ACC 等）、片內(nèi) RAM 和 SFR 中其他寄存器內(nèi)容均維持不變。 掉電方式是執(zhí)行一條將 PD 位置 1的指令后， 8051 單片機(jī)就進(jìn)入掉電方式，進(jìn)入掉電方式后，振蕩器停止工作，時(shí)鐘凍結(jié)，一切工作都停止，只有片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器 SFR 中內(nèi)容保持不變。在掉電期間， VCC 電源可以降為 2V（可由電池供電）。 時(shí)鐘電路 8051內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。 時(shí)鐘引腳有兩條： XTAL1：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是反相放大器的 輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振 蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 15 蕩器。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。 XTAL2：接外部晶體的另一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，接上述振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳輸入外部時(shí)鐘脈沖。 引腳 XTAL1和 XTAL2分別是此放大器的輸出端和輸入端。這個(gè)放大器與片外石英晶體和陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器，接線如圖 。外接 晶體時(shí)， C1和 C2通常選擇為 30pF。外接陶瓷諧振器時(shí)，C1和 C2的典型值約為 47pF。它的 振蕩頻率在 ～ 12MHz。 圖 時(shí)鐘電路 它采用 12MHz 晶振，與 8051 單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2 相接，為 CPU 提供計(jì)時(shí)基準(zhǔn)。 8051 的機(jī)械周期（ Machine Cycle）由 S1 至 S6共 6 個(gè)狀態(tài)所組成，每一狀態(tài)又可細(xì)分為相 1（ P1）與相 2（ P2），故一個(gè)機(jī)械周期等于 12 個(gè)振蕩周期，因此若振蕩頻率為 12MHz,則 振蕩周期 =1/12MHz=1/12us 機(jī)械周期 =6 態(tài)179。 2相179。振蕩周期 =12179。 1/12=1us 了解指令執(zhí)行所花費(fèi)的機(jī)械周期后，即可計(jì)算延遲時(shí)間。通常在程序中，為達(dá)到延遲的目的，必須調(diào)用延 遲子程序，以讓 CPU執(zhí)行不做任何工作的指令。經(jīng)由計(jì)算每一指令執(zhí)行的機(jī)械周期及次數(shù)，即可求出延遲時(shí)間。 延遲時(shí)間的計(jì)算與振蕩頻率息息相關(guān)。若使用的振蕩器頻率越低，則執(zhí)行相同子程序所需時(shí)間相對(duì)越久。至于需延遲多久，需要軟件開(kāi)發(fā)人員好好掌握。 復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把 PC 初始化為 0000H,使 CPU從 0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。 8051 的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù) 位，也可以是手動(dòng)復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位見(jiàn) 圖 。 RESET/Vpd還是一復(fù)用腳， Vcc掉電期 間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。 為保證復(fù)位成功，只要 RESET 腳保持足夠時(shí)間（即兩個(gè)周期以上）的高電平，就可 蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 16 以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)上電復(fù)位。 除上電自動(dòng)復(fù)位外，有時(shí)在程序運(yùn)行時(shí)，通過(guò)手動(dòng)按鍵也可以強(qiáng)制 CPU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。手動(dòng)按鍵復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。 圖 手動(dòng)按鍵 復(fù)位電路 本設(shè)計(jì) 采用手動(dòng)按鍵復(fù)位的電平方式，使復(fù)位端經(jīng)電阻與 Vcc電源接通而實(shí) 。 AT89C51單片機(jī) AT89C51是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— FalshProgrammable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 的單片機(jī)。單片機(jī)的 可擦除只讀存 儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100次。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 如圖 所示。 圖 AT89C51 蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 17 主要特性 178。 與 MCS51 兼容 178。4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 178。 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) 178。 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 178。 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 178。 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 178。128*8 位內(nèi)部 RAM 178。32 可編程 I/O 線 178。 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 178。5 個(gè)中斷源 178。 可編程串行通道 178。 低功耗的閑置和掉電模式 178。 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 管腳說(shuō)明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫(xiě) 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口 ，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流。 P1口管腳寫(xiě)入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。 P2 口： P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入 時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口： P3口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個(gè) TTL 門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口 將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） 蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 18 /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0外部輸入） T1（記時(shí)器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一 些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令 是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用 于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除 整個(gè) PEROM 陣列 和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE管腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě) “1” 且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 19 風(fēng)向傳感器 向傳感器檢測(cè)原理 風(fēng)速傳感器工作原理風(fēng)速 WAAI51 是響應(yīng)快、啟動(dòng)風(fēng)速低的光電子風(fēng)速計(jì)。該風(fēng)速傳感器是采用傳統(tǒng)三杯式的，感應(yīng)部分由三個(gè)輕質(zhì)錐形風(fēng)杯組成，能在整個(gè)工作范圍內(nèi)提 供良好的線性，直到風(fēng)速達(dá)到 75rds。隨著在中心不銹鋼軸上的截光盤(pán)隨軸旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，切割紅外光束 l4 次，從而由光電晶體中產(chǎn)生出一個(gè)脈沖鏈。輸出的脈沖速率與風(fēng)速成正比 (例如， 246IIz： 24． 6rds)。然而，對(duì)于最佳精度而言，應(yīng)當(dāng)使用特征傳輸方程 (見(jiàn)技術(shù)參數(shù) )，從而對(duì)起動(dòng)慣量和輕微過(guò)速進(jìn)行補(bǔ)償。表 2風(fēng)向?qū)?yīng)表在軸中有一個(gè)加熱元件，提供 10W 的額定功率，以保證軸承在寒冷天氣狀況下不凍結(jié)。 風(fēng)向傳感器也是光電型傳感器 ,由單風(fēng)標(biāo)、格雷碼盤(pán)、光電組件組成 ,紅外 LED 和光電三極管分別安裝于 8 位格雷碼盤(pán)上下兩側(cè) 的 8 個(gè)窩型孔內(nèi)。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ,通過(guò)其軸帶動(dòng)軸下端固定著的格雷碼盤(pán) ,在光電組件的狹縫中轉(zhuǎn)動(dòng) ,產(chǎn)生的光電信號(hào)經(jīng)放大整形后 ,輸出對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的幅度為 12V的六位格雷碼 (每位格雷碼只有電平高低的區(qū)別 ,習(xí)慣上高電平為 1,低電平為 0),轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)風(fēng)向信號(hào)以 度的分辨率為步進(jìn)變化。測(cè)量范圍為0~360176。 ,128 個(gè)方位 ,結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖