毕业设计论文焦炉压力自动控制系统

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1、 毕业设计说明书(论文)学生姓名： 学 号： 学 院： 专 业： 电气工程及其自动化 题 目： 焦炉压力自动控制系统 指导教师： 评阅教师： 2006年6月 毕业设计说明书（论文）中文摘要详细介绍了压力传感器的原理应用及分类，描述了压力传感器在焦炉压力监测方面的应用及具体的电路设计。把焦炉气压转换为电压，通过电压值的大小间接地测量气压值的大小。在实验教学和科学研究中，对多路信号进行检测、分析、控制要用到多踪存储示波器，而示波器的价格昂贵，所以这里以AT89S51单片机为核心，采用并行8位0809ADC芯片作为A/D转换器，组成了数据采集电路。为了在人机对话设计中降低硬件成本，节约单片机的I/O

2、口资源，通过串行动态扫描，即位码和段码交替发送的发送方式设计了显示模块。这种显示方法简单实用，具有良好的功能。通过单片机软件编程控制电机的正反转，从而控制进风进料阀门的开度，最终达到压力的自动调节与控制。为了安全起见，在压力控制过程中加进了自动报警电路，实现了压力自动控制的安全进行。关键词 传感器 AT89S51 ADC0809 74LS164毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The Control System of Cokery Automatic Pressure AbstractIt introduces the principle applications and sort

3、of the pressure transducer,and it describes the applications as well as the concretethe circuit design about cokery pressure monitoring survey of the pressure transducer.It can change the cokery gas pressure into voltage,and measure the value of air pressure indirectly through the magnitude of volta

4、ge.Either in the experiment or in the scientific studies,we should use more traces storage oscillograph.Though the oscillographic is so expensive, here with AT89S51 singlechip as the core,we adopt paralleling 8-bit 0809ADC chip as A / D convertor to made up of data gathering circuit. In order to red

5、uce the hardware cost in operator-computer interactive communication and save the I / O resources of the singlechip,we design the display module through serially dynamic scan,which adopts the transmit mode of the bit code sending and the segment code sending alternately.Such kind of explicit method

6、is simplicit and useful,and it is in possession of benign function.It regulates positive and negative shift of the electrical machine , consequently it can regulates the angle of divergence of inletair fill valve and reliaze self-regulation and control of pressure.For the sake of security,it adds up

7、 to the autoalarm circuit in the procedure of pressure control to ensure the security of the automatic pressure control.keywords pressure sensor AT89S51 ADC0809 74LS164目 录1 引言12软件的介绍32.1 Protel软件的介绍32.2 PROTEL99的组成32.3 PROTEL99软件的优点33 传感器53.1 传感器的定义及分类 53.2传感器的作用53.3传感器系统63.4传感器的一般特性 63.5传感器技术发展的一般趋

8、势73.6 压力传感器的调理放大电路74 单片机与A/D转换芯片的介绍114.1 单片机的定义及分类114.2 A/D转换芯片的介绍154.3 AT89S51 单片机与ADC0809 模数转换器的三种典型连接194.4 本设计采用的连接方法235 外围电路的设计与介绍245.1 键盘的介绍245.2 显示电路的设计与介绍255.3 控制电路及报警电路的设计296 软件设计部分326.1 压力自动控制系统的主流程图及程序设计326.2 键盘流程图及程序设计346.3 显示部分程序设计36结论38致谢39参考文献40附录A 程序设计42 附录B 硬件原理图521 引言 燃气焦炉在我国大量存在并发挥

9、着重要作用。燃气焦炉是一个具有较大纯迟延和容量迟延特性的控制对象,而且其燃料量难以准确测量,因此燃气焦炉控制的难点在于燃烧系统的控制。目前已提出将模糊控制技术和Smith预估控制器应用在主蒸汽压力控制系统中,能较好的改善控制品质 。然而模糊控制器设计的难点在于规则库的建立,随着输入变量个数和所定义的语言变量数目的增加,规则库的规模将大幅度扩大,使得推理计算复杂,花费时间多,很难做到真正的实时控制。焦炉燃烧过程控制系统一般包括2 个子控制系统,即燃料控制系统、送风控制系统。燃料控制系统通过调节燃料量,使其与负荷相适应,从而维持主蒸汽压力。送风控制系统通过调节送风量,保持空燃比,使燃烧更经济。燃料

10、控制系统在焦炉压力自动控制系统中起着至关重要的作用,因此我们主要讨论这个子系统。燃气焦炉的燃烧系统整个过程可分为燃气的输送过程、燃气的燃烧过程、和蒸汽形成过程。由于主蒸汽压力对象的动态特性具有较大的纯迟延和惯性,目前已提出将灵敏度传感器和单片机硬件设计及软件编程应用在燃料燃烧控制系统中,能较好的实现焦炉压力的自动控制。 传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙探索到海洋开发;从生产过程的控制到现代文明生活,几乎每一项现代科学技术都离不开传感器,因此,传感器技术发展速度十分惊人，在我们的现实生产和生活中起着不可忽视的作用。在工业生产过程中，传感器采集各种信息，起到工业耳目的作用。传

11、感器有敏感元件和转换元件组成。它能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号。从而达到间接测量被测量的目的。MCS-51系列单片机由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉等优点，在我国已经得到广泛应用，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化、机电设备过程控制、家用电器和数据处理等方面取得的令人瞩目的成果。本课题就是应用单片机的这些优点通过对传感器输出信号的采集和控制来实现焦炉压力的自动调节。这种控制方法能够使燃料达到合理的配置，从而把焦炉的压力控制在预定的范围内。报警电路的设计使得焦炉压力自动控制系统更安全的运行。显示电路的设计使我们更容易观察到焦炉的

12、运行状况，保证焦炉的正常生产，以及延长其寿命。焦炉压力自动控制系统在整个机组中占有十分重要的地位。深入研究焦炉压力自动控制系统的动静态特性一直以来都是国内外学者的重要研究方向,并且至今仍十分活跃。研究焦炉压力控制系统的动态特性,有助于了解焦炉乃至整个机组的动态特性,为焦炉性能分析、运行优化、故障诊断提供必要的依据。2 软件的介绍2.1 Protel软件的介绍Protel是国内最流行、使用最广的一套电子设计自动化软件， 简称EDA软件（Electronic Design Automatic ） ， 由澳大利亚Protelinternational Pty Ltd开发，主要用于电路原理图和印刷电路

13、板的设计。它的前身是1987年美国ACCEL Technologies公司推出的第一个应用于电子线路设计的软件包Tango。自此电子设计自动化技术进入了一个崭新的时代。随后Protel公司推出了Protel for DOS作为TANGO的升级版本。随着Windows的出现，Protel公司1991年推出了第一套基于Windows的Protel for Windows1.0，紧接着Windows95出现后，Protel公司推出了Protel 3.x，1998年又推出了Protel98；1999年推出了protel99。2.2 PROTEL99的组成a）原理图设计系统主要用于电路原理图的设计，为印

14、制电路板的设计打下基础。b）印制电路板设计系统主要用于印制电路板的设计，并最终完成其成品生产。2.3 PROTEL99软件的优点在绘制原理图及印制板图时，有些元件在PROTEL自带的元件库中很难找到或根本没有作为一个工程技术人员和无线电爱好者来说，建立一个自己的元件库将显得尤为重要。PROTEL99对单层/ 双层电路板的原理图及PCB 图的开发设计很适合,而对于布线复杂,元件较多的四层及六层板来说OrCAD 更有优势。但在电路系统仿真方面,Pspice 可以说独具特色,是其他软件无法比拟的。它的主要优点体现在:a) 操作简单、易学。Pspice 6. 0 以上版本全部采用菜单式结构,只要熟悉W

15、indows 操作系统就很容易学,利用鼠标和键盘热键一起操作,工作效率会更高。即使没有参考书,用户只要具备一定的英语基础就可以通过实际操作很快掌握该软件。b) 实用性强、仿真效果好。如果用Protel 等软件仿真时,仿真的过程十分繁琐。而且在改变一个参数时,哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接,设置其他参数更为复杂。在Pspice 中这种仿真是很容易实现的,它只需存一次盘、创建一次连接表,就能实现一个复杂电路的仿真。c) Pspice 仿真系统中还为用户提供了极其方便的节点访问,用户只要在需要观测的节点处标上节点号,在仿真图中便可观测到它的“电压(或电流)2时间”图。在仿真结果图

16、中不仅为用户提供了诸如:加、减、乘、除等基本的数学运算,还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数、平方差等基本的函数运算,这是其他仿真软件所无法提供的。另外,Pspice 还为仿真图提供了添加窗口、叠加图形、保存和打印图形的功能。这些功能给科技工作者提供了在论文中制作所需波形图的一种简捷的方法。3 传感器3.1 传感器的定义及分类3.1.1 传感器的定义传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）, 按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需外加辅助电源。传感器的组成如图3.1所示。测量电路敏感元件转换元

17、件辅助电路物理量电量 图3.1 传感器组成的方框图3.1.2 传感器的分类传感器主要按其工作原理和被测量来分。传感器按其敏感的工作原理，一般可分为物理型、化学行和生物行三大类。而物理型传感器又可以分为结构行和物性行传感器。按传感器的被测量输入信号分类，可分为温度、压力、流量、物位、加速度、速度、位移转速、力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。压力传感器按用途分类主要是压力监视、压力测量和压力控制及转换成其他量的测量。按供电方式分为压阻型和压电型传感器，前者是被动供电的，需要有外电源；后者是传感器自身产生电荷，不需要外加电源。根据不同领域对压力测量的精度不同分为低精度和高精度的压力传感器。3.2 传感

18、器的作用传感器的作用就是测量。没有传感器就不能实现测量也就没有科学技术。它主要表现在以下几个方面：a) 信息的收集在工业生产中，传感器采集各种信息，起到工业耳目的作用。b) 信息数据的转换把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据，或者读出记录在各种媒体介质上的信息并进行转换。c) 控制信息的采集检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。3.3 传感器系统传感器系统是由检测部分、信号处理部分、数据格式化处理部分组成。检测部分是由信号源、采样电路、信号处理电路、敏感元件组成。信号处理部分能放大检测信号

19、，消除噪声，进行温度等各种类型的补偿，与设定值进行比较，能变换成精确的数据。必要时要进行模/数转换，转换成为易处理的数字信号。远距离传输时，还要进行信号传输处理。数据格式化处理是由计算机把获得的数据进行加工整理成规格化数据，便于对结果进行分析与判断。3.4 传感器的一般特性 传感器特性是指传感器的输出信号与输入信号之间的关系特性，这是传感器最重要的特性，传感器的输入量和输出量都是传感器的外部量，这种描述方法称外部描述法，也称传感器的外特性。传感器的外特性由传感器各信号传递环节的结构形式和结构参数决定。设计传感器必须在已知输入条件和已知输出要求的条件下进行。因此，传感器的特性是传感器电路分析的目

20、标与传感器电路设计的依据。a）静态特性：传感器的静态特性是在静态条件下，传感器的输出量与输入量之间的关系特性。静特性亦稳态特性。在稳定的条件下，当输入量不随时间变化时，输出量亦不随时间变化。因此静态特性是稳定条件下的输出输入关系特性。衡量传感器静态特性优略程度的最重要指标是线性度、灵敏度、精确度和重复性等。b）动态特性：传感器系统实际上是一随动系统。动态特性反映传感器输出信号跟踪输入信号变化的响应能力和特性。如果输出信号不能及时跟踪输入信号的变化而变化，则将产生动态误差。衡量传感器动态特性优略程度的最重要指标是响应速度和响应精度（即动态误差）。研究传感器动态特性的目的在于设计动态矫正电路。研究

21、动态特性的最好方法是根据传感器的数学模型研究其动态响应特性。3.5 传感器技术发展的主要趋势传感器技术研究领域虽然十分广泛,但其发展方向可归纳为以下主要趋势:a） 小型化小型化会带来更多的好处,重量轻、体积小、分辨率高,便于安装在很小的地方。对周围环境器件影响小,也利于微型仪器、仪表的配套使用。如美国的Ent ran 公司的量程2 - 500PSI 产品,直径仅为1127mm ,可以置于人体血管测量有关参数而不会对血液的流通产生大的影响。b） 集成化可以利用现有的生产工艺和成熟的集成技术,把电路与传感器制作在一体。减少工艺流程以降低生产成本,而且不易损坏。c） 智能化由于集成化的出现,在集成电

22、路部分制作一些微处理机,使得其具有“记忆”、“思维”、“判断”、“处理”的能力。目前,智能化传感器产品发展最快,它将成为传感器市场的主流。d） 系列化单一化产品在市场上没有大的竞争力和长久的生命力。市场风云突变,一旦失去市场,发展则停滞不前,经济效益差,资金浪费大,产品成本高。 e） 标准化传感器技术已形成标准化。如IES、ISO 国际标准;美国ANSIC、ANSC、MIL T 和ASTME 标准;日本J IS 标准;法国DIN 标准;原苏联TOCT 及YTO 标准。3.6 压力传感器的调理放大电路 常用的压力传感器信号处理有两种方法: 第一种 将信号转变为电压信号; 第二种将压力传感器信号转

23、换成电流信号。本设计采用第二种方法。图3.2是压力传感器实用放大电路。传感器采用绝对压力传感器P3000S-102A，恒流驱动，电流为1.5mA，灵敏度为60-80，额定压力范围为0-1。电路中采用，其稳定电压为，作为传感器提供恒流源的基准电压。因为电源电压为，所以电阻压降为。因的电流范围是到。这样，电阻范围为到。如果电流选为，应选为，则要消耗功率，要消耗功率，可见消耗太大。如果电流选的过小，阻抗变大，易受噪声影响。因此，实际电路中选为，电流为。电阻上的电压与电压相同，也为，而传感器电流也流经，为使传感器电流为，则阻值为，电路中选。恒流驱动传感器的运放的输出电流为，采用通用运放。图3.2 压力

24、传感器放大电路压力传感器的应变电阻为桥式连接，从传感器输出端取出的电流要变换为差动电压输出。因此，要采用输入阻抗高，仅放大差动电压的放大电路。这里选用通用运放（和）构成差动输入与差动输出的放大电路。但传感器输出电压很低，为60-180，因此，如果要求测量精度很高时，必须选用失调电压极小的运放。因为压力传感器输出为60-180，如果要求放大电路输出电压为1，则要求放大电路增益为5.5-17倍可调。此电路增益可表示为 （3.1）式中，为电位器的阻值。电路中与选用相同的阻值，采用电位器。由式（3.1）可见，值最大时，增益最小，这时为5.5倍较好。因此，设为为，将代入式（3.1），可计算和的阻值，即。

25、电路中选。与的输出是电压差信号，需要变换成对地输出信号，因此，采用构成差动输入，单端输出的放大电路，该电路仅放大差动电压，必须满足。最后一级为单端输出，输出电压为0-1，而的差动输入电压也为0-1，因此，的增益设为1，、和都采用相同阻值的电阻。电路中采用通用运放，输出可接2负载电阻。当压力为0时，传感器输出应为0。但实际上，压力为0时，传感器桥路不平横，有约电压。如果和差动放大器的增益为17倍，就要把桥路不平衡的电压放大17倍，即为电压。若增益为1，则输出就有的电压，因此，要进行补偿。电路中A点电位 ， （3.2）B点电位。 （3.3）如果接入2电位器，则两端的电压约为。、和这些阻值的变动的比

26、率相同，若阻值小，消耗电流就要增大，若阻值大，偏置电流会产生影响。影响程度可用，同相输入端与地之间电阻、和的合成电阻来计算。按图中参数，合成电阻最大值为，而（）的偏置电流最大值为，产生最大的电压为，因此，采用的电阻值可稍大于图中的电阻值。因电压跟随器的输入是不平衡的，所以不用失调电流而用偏置电流来计算其影响。为补偿传感器桥路不平衡所产生的电压，将电位器所形成的电压经进行阻抗变换，再通过加到的同相输入端，就可起到补偿作用。似乎没有必要，但用流经的电流转换成电压对桥路不平衡的电压进行补偿。因流经电流不恒定，转换的电压也不恒定，所以，必须接入跟随器。4 单片机与A/D转换芯片的介绍4.1 单片机的介

27、绍4.1.1 微型计算机的组成及发展a) 组成：冯 . 诺曼结构：运算器 、 控制器、存储器、输入设备和输出设备。哈佛结构：主要在 DSP 等高速微处理器中采用。b) 发展：1946 年、在美国世界上第一台电子管计算机诞生1971 年、第一台微处理器诞生1976 年、 INTEL 公司 MCS-48 系列单片机问世1980S 、 INTEL 公司 MCS-51 系列和 MCS-96 系列相继推出近年来单片机的发展更是突飞猛进，大批的半导体生产厂家纷纷推出各自的单片机产品，这些新的单片机产品在性能的各方面都具有很大的提高，有些单片机的速度极高，有些单片机的片内资源非常丰富。4.1.2 单片机技术

28、发展史单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家

29、。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单

30、片应用系统。4.1.3 单片机的概念单片机：包含有微处理器、存储器、输入 / 输出电路及一些诸如中断控制器、定时器 / 计数器等资源的集成电路芯片，它包含了作为一个计算机所必需的基本部件，在外部只需添加少许的外围器件就可以组成完整的计算机实现控制目的，这样的器件通常称为单片机或微型控制器。4.1.4 单片机的特点及应用范围：a)单片机的特点单片机系统结构简单，紧凑，控制简单、灵活，成本低廉，应用范围广泛。具有如下特点：1）小巧灵活、成本低、易于产品化。它能方便地组装成各种智能式测、控设备及各种智能仪器仪表。2）可靠性好，适应温读范围宽。单片机芯片本身是按工业册控环境要求设计的，能适应各种恶劣的

31、环境，这是其它机种无法比拟的。3）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。4）可以很方便地实现多机和分布式控制。军事装备方面特点：微型化、便携式、嵌入式特点多应用于实时控制工作环境恶劣应用的高度软硬件融合b) 单片机的应用范围单片机的应用范围很广，在下述的各个领域中均得到了广泛的应用。1）工业方面：各种测控系统，数据采集系统，工业机器人，智能化仪表，机电一体化产品。2）智能仪器仪表方面：单片机应用在职能仪器、仪表方面，不仅是传统的仪器仪表发生根本的变革，也给传统的仪器、仪表行业改造带来了曙光。3）通讯方面：调制解调器、程控交换技

32、术。4）民用方面：电子玩具、录像机、激光唱机。5）导弹与控制方面：导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装备、航天飞机导航系统。6）各种计算机外部设备及电器方面：打印机、硬盘驱动、彩色与黑/白复印机，磁带机等。7）多机分布式系统：可用单片机构成分布式测控系统，它使单片机应用进入了一个新的水平。由上所述，单片机从家用电器、智能仪器仪表、工业控制直到火箭导航尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。4.1.5 MCS51 系列单片机的介绍a） MCS51 系列单片机的发展及重要性1） MCS51 系列单片机是美国英特尔公司于1980年开始生产的.MCS51 系列单片机以功能强大的指令系统、并行口串行口

33、兼有以及灵活的SFR 模式等优点,在20 世纪8090 年代曾经风行我国. 上世纪末国际著名电子器件生产厂家, 如飞力浦(Philips) 公司,西门子(Siemens) ,都在MCS51 系列单片机的框架下设计新型单片机产品. 其中美国爱特美(ATMEL) 公司采用MCS51 系列单片机的指令系统和硬件框架,将MCS51 系列单片机内置ROM、EPROM及外挂EPROM 等模式改为内置FPEROM(Flash Programmable and Erasable Read Only Memo2ry) ,设计了与MCS51 系列单片机兼容的ATMEL51系列单片机,包括内置4kB FPEROM

34、的标准40 脚AT89C51、内置2kB FPEROM的20 脚AT89C2051 以及内置1kB FPEROM的20 脚AT89C1051.正是这些后起的51 系列单片机赋予MCS51系列单片机以新的生命力. 建议把英特尔公司MCS51 系列单片机和后来世界各大公司在其框架下生产的各种51 系列单片机统称为51 系列单片机,简称为51 单片机.51 系列单片机至今在8 位机控制领域还是一只独秀. 就连一些32 位处理器也在致力8 位应用。 2） 讨论51 系列单片机的一些基本应用问题非常有价值.尽管大家都知道模拟数字转换(Analog to DigitConvert ,ADC) 数字模拟转换

35、(Digit to Analog Convert ,DAC) 接口技术在控制领域非常重要,而且很多教科书,如单片机、电子技术、计算机控制技术、都有关于ADC 和DAC 的内容,但是实际上在很多方面ADC 和DAC 都是一个薄弱环节,或者说是一个交叉点. 谁都应当管,结果往往谁都不管. 在一定程度上影响了设计效果.3） 目前8 路8 位逐位比较式模数转换芯片ADC0809 无论在工程设计还是教学过程中还是作为首选品种. 讨论51 系列单片机与ADC0809 的硬件连接与软件编程,是一项有价值的工作.概念非常重要. 要了解ADC0809 与51 单片机连接原理,首先要明确ADC0809 在整个51

36、 单片机系统中的定位. 大体上说,ADC0809 在整个51 单片机系统中是作为外部RAM的1 个单元定位的. 具体到某一个连接方式,ADC0809 在整个51单片机系统中的定位又有一些差别. 目前,性能非常好的AT89C51 的价格大约在10 元左右,已经完全取代MCS51 而稳占市场. 考虑AT89C51 已经在2004 年停产,代之而起的是性能价格比更好的AT89S51. 本文介绍ADC0809 与51系列单片机的连接时将以AT89S51 作为例子, 不过完全适合于AT89C51 和更早的MCS51 系列单片机中的8031 , 8051 和8751. 本文介绍ADC0809 与AT89S

37、51 (51 系列单片机) 的3 种典型连接方式。b) MCS51 系列单片机的特点 从应用角度看，MCS51 系列单片机具有如下特点：集成度高，系统结构简单，系统扩展方便，可靠性高，处理功能强、速度高，容易产品化。c) 89S51单片机介绍89S51相对于89C51增加的新功能包括：1)新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！2)ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 3)频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说89S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算

38、速度。4)具有双工UART串行通道。5)内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。6)双数据指示器。7)电源关闭标识。8)全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。 比较结果：就如同INTEL的P3向P4升级一样，虽然都可以跑Windo

39、ws98，不过速度是不同的。从AT89C51升级到AT89S51 ,也是同理。和S51比起来，C51就要逊色一些，实际应用市场方面技术的进步是永远向前的。4.2 A/D转换芯片的介绍 在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量。这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到单片机中进行处理。4.2.1 ADC的主要性能指标在明确使用目的的前提下，应选用性能合适、性能价格比高的A/D转换芯片。ADC的主要性能指标有：分辨率、转换时间、精度、输入电压范围、输入电阻值、供电电源、数字输出特性、工作环境、（周围的温度、湿度）

40、、保存环境（保存温度、湿度）等。4.2.2 ADC0809的结构ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。a)ADC0809的内部逻辑结构 图4.1 ADC0809的内部逻辑结构图由图4.1可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。b) ADC0809的时序

41、图有4.2时序图知ADC0809的工作过程如下：1）送通道地址，以选择要转换的模拟输入； 2）锁存通道地址到内部地址锁存器； 3）启动A/D变换； 4）判断转换是否结束； 5）读转换结果图4.2 ADC0809的时序图c)引脚结构 引脚图如图4.3IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁

42、存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表4.1所示。数字量输出及控制线：11条表4.1 通道选择表CCBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7图4.3 ADC0809引脚图ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据

43、。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。4.2.3 ADC0809应用说明a）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。b）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。c）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。d）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。e）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。f）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输

44、出给单片机了。4.3 AT89S51 单片机与ADC0809 模数转换器的三种典型连接4.3.1 三种典型连接方法a）ADC0809 与51 单片机的第一种连接方式这是一种数据线对数据线、地址线对地址线的标准连接方式,如图4.4所示。 图4.4 ADC0809 与51 单片机的第一种连接方式 但是由于51 单片机没有现成的低8 位地址总线,所以采用这种标准连接方式需要用74LS373 或类似芯片产生低8 位地址总线。早期的MCS51 系列单片机的应用品种很多是没有内置程序存贮器的8031 芯片,本身就需要外挂74LS373 等芯片产生低8 位地址总线来外接E2PROM等程序存贮器,连接ADC0

45、809 时不需要专门外挂74LS373。因此早期的MCS51 系列单片机,如8031 , 采用这种方式连接ADC0809 还是比较可行的。图4.4 中的P2.7/ A15 线作为整个ADC0809 芯片的片选线。当P2.7/ A15 = 0 时,或非门敞开,允许写信号通过,将单片机负的写脉冲转换为ADC0809所需要的正脉冲,以选中ADC0809 某一通道并启动转换。图4.4 ADC0809 与51 单片机的第一种连接方式这是一种不完全地址译码方式。如果增加地址译码器,将P2.7/ A15 线改为高位地址译码器的输出线,就可以形成完全译码。在图4.4 连接方式中,ADC0809 的转换结果寄存

46、器在概念上定位为单片机外部RAM单元的一个只读寄存器,与通道号无关。因此读取转换结果时不必关心DPTR 中的通道号如何。编程概要: MOV DPTR , # 7FF8H; DPTR 指向0809 通道0MOVX DPTR ,A ; 锁定通道0 并启动转换MOVX A , DPTR ; 读取转换结果要求在程序第一条指令中把决定是否能选中整个ADC0809 芯片和通道的数据送到数据指针DPTR。在本电路中,只要送到DPTR 的最高位数据为0 ,就能选中ADC0809 ,而通道地址由DPTR 的最低3 位数字决定。这里累加器A 的内容对于ADC没有任何意义。因此事先不用操心累加器A 内容如何。 这是

47、本程序的一大特点。b）ADC0809 与51 单片机的第二种连接方式通常芯片的地址线只能进不能出自不必说,ADC0809 的数据线有一特点：只能出不能进。就是说,就像往SBUF 写入时写到发送缓冲寄存器,从SBUF 读出时实际是读取接收缓冲寄存器的数据一样,往ADC0809 写入时,把数据总线上的数据写到地址寄存器,从ADC0809 读出时实际是读取转换结果数据。图4.5 ADC0809 与51 单片机的第二种连接方式因此可以在把51 单片机的8 位数据线接到ADC0809 的8 位数据线的同时,又把其中的3 位直接接到ADC0809 的3 根地址线以确定通道号。通常把51 单片机的8 位数据

48、线中的低3 位D2 ,D1 ,D0 直接接到ADC0809 的3 根地址线A2 ,A1 ,A0 以确定通道号,如图4.5。采用这种连接方式明显可以省去一片74LS373。在图4.5 连接方式中,ADC0809 的转换结果寄存器在概念上定位为单片机外部RAM单元的只读寄存器,而通道号锁存器在概念上定位为单片机同一个外部RAM单元的只写寄存器。同一个外部RAM单元的只读寄存器与只写寄存器使用同一个地址,就像51 系列单片机的串行发送缓冲器与串行接收缓冲器使用同一个地址99H 一样,不会发生混乱。图4.5 连接方式有一个特点,那就是单片机要把最低3 位二进制数据通过数据总线写入ADC0809的地址锁

49、存器,然后作为通道地址使用。编程概要: MOV A , # 0F8H ; ADC0809 通道0 地址送到AMOV DPTR , # 7FFFH; DPTR 指向ADC0809MOVX DPTR ,A ; 锁定通道0 并启动转换MOVX A , DPTR ; 读取转换结果图4.5 ADC0809 与51 单片机的第二种连接方式要求在程序第一条指令中把决定是否能选中整个ADC0809 芯片的数据送到数据指针DPTR。 在本电路中,只要送到DPTR 的最高位数据为0 ,就能选中ADC0809 ,而通道地址由累加器A 的最低3 位数字决定。 除了最高位以外,DPTR 的其余15 位数据对于ADC 没

50、有任何意义。 除了较低3 位以外,累加器A 的其余5 位数据对于ADC 也没有任何意义。这是本程序的一大特点。c）ADC0809 与51 单片机的第三种连接方式在很多应用场合,AT89S51 内部的硬件资源,例如4kB 闪存,128B 内部RAM,一个串行口和4 个8 位并行口等,已经够用。就是说,在很多应用场合,不需要外扩RAM或I/ O 口。图4.6 ADC0809 与51 单片机的第三种连接方式当51 单片机没有外扩RAM 和I/ O 口时,ADC0809 就可以在概念上作为一个特殊的唯一的外扩RAM 单元。因为它是唯一的,就没有地址编号,也就不需要任何地址线或者地址译码线。只要单片机往

51、外部RAM 写入,就是写到ADC0809 的地址寄存器中。只要单片机从外部RAM读取数据,就是读取ADC0809 的转换结果。基于这种外部RAM 的唯一单元概念设计的AT89S51 与ADC0809 的连接电路如图4.6。相应的启动程序和读数程序都非常简单。图4.6 ADC0809 与51 单片机的第三种连接方式编程概要: MOV A , # 0F8H ; ADC0809 通道0 地址送到AMOVX R0 ,A ; 锁定通道0 并启动转换MOVX A , R0 ; 读取转换结果只要程序中使用MOVX R0 ,A 指令或者MOVX DPTR ,A 指令,就能启动ADC0809。 比较MOVX R

52、0 ,A 指令和MOVX DPTR ,A 指令,当然是MOVX R0 ,A 占优势,所以这里使用MOVXR0 ,A 指令。其中间址寄存器R0 中的数据无论在启动ADC0809 还是在读取转换结果时都没有任何意义,因此事先不必考虑往R0 中送入什么数据。 这是本程序的一大特点。4.3.2三种连接方式的综合比较第一种和第二种连接方式允许多片ADC0809与单片机连接,第三种连接方式只能连接一片。通常1 片8 通道ADC0809 就能满足控制工程需要。因此在单片机没有外扩RAM 和I/ O 接口时,第三种连接方式是一种优选方案。需要2 片或更多ADC0809 时,第二种连接方式是一种优选方案。第一种

53、连接方式需要一片74LS373 做地址锁存器。如果单片机系统已经有一片74LS373 地址锁存器,那么第一种连接方式也不失为一种可以考虑的连接方式。4.4 本设计采用的连接方法如图4.7所示。ADC0809 与AT89S51 单片机的连接方式中当51 单片机没有外扩RAM 和I/ O 口时,ADC0809 就可以作为一个特殊的唯一的外扩RAM 单元。 只要单片机往外部RAM 写入,就是写到ADC0809 的地址寄存器中。只要单片机从外部RAM读取数据,就是读取ADC0809 的转换结果。如图4.7所示。由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89S51提供的地址锁存信号CLK经D触发器二分频后

54、获得，CLOCK脚的频率是AT89S51单片机时钟频率的1/6（但要注意的是，每当访问外部存储器时，将跳过一个CLK脉冲）。如果单片机的时钟频率采用6MHz，则CLK脚的输出频率为1MHz，再二分频后为500KHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。图4.7 ADC0809 与AT89S51 单片机的连接方式图5 外围电路的设计与介绍外围电路包括键盘部分、显示电路及报警电路等。5.1 键盘的介绍5.1.1 键盘的种类在单片机系统中，键盘是常用的一种人机接口。一般来说，键盘的扩展分为2种，独立式和矩阵式，前者适用于按键数量少（一般小于4个）或规模小的系统，后者适合在按键数量较多的系统，但一

55、般需要扩展接口芯片。因为单片机的IO口有限，我们总是希望扩展键盘时占用尽量少的IO口线。其实，AD转换器也可以用来扩展键盘，而且不多占用IO口线，按键的数量可多达几十个。使用AD转换器的键盘电路主要由一个电阻分压队列和一系列按键组成，如图5.1所示，图中电阻阻值相同，不同的按键按下时，VO端有不同的电压值输出给AD转换器转换成不同的数字量，单片机据此进行按键识别。图5.1 键盘电路5.1.2按键去抖动机械按键按下和弹起的瞬间，由于触点的弹性会产生一连串的抖动，一般的抖动时间是510 ms，普通按键动作的稳定时间是零点几秒。为了取得正确的键值，必须设法消除抖动的影响。对按键的去抖动，可以使用软件

56、延时，多次采样的办法，当CPU检测到AD转换值发生变化时，认为有按键动作，首先进行10 ms延时，然后再读取键值，为了可靠，一般要读取多次，进行比较（本例中是读取2次）。多次读取的键值，不可能是完全相同的，在误差允许范围内，就认为是相同的，为此，将键值的低2位忽略。5.2 显示电路的设计与介绍5.2.1 LED显示的发展随着计算机技术和电子技术的飞速发展和广泛应用,电器设备的输出显示技术也变得复杂多样,诸如CRT显示、LCD显示、多位LED显示及发光二极管显示等应运而生。在这些显示当中,LED及发光二极管显示电路较为简单,成本也较低,在功能单一的仪器仪表与机电设备中应用较广。但当设备显示的点或

57、位较多时,就需要采用一定的驱动电路与相应的驱动方式。 在LED的驱动和显示单元的设计中,采用的方式有许多种:利用计算机芯片的端口作为LED的驱动口,并通过软件编程加外部驱动实现,缺点是占用计算机芯片的时间和相关资源;利用专用接口芯片如Intel8155、8255等作为计算机芯片的端口扩展,并通过软件编程加外部驱动实现,缺点是电路较复杂,功耗较大,也要占用计算机芯片的时间和相关资源;利用显示用专用芯片如Intel8279、MAX7219、PS7219等,可实现较复杂的功能,但其占用计算机芯片端口还是较多,并且芯片价格较高。大多数显示驱动器都没有严格的总线时序,在强干扰环境下容易造成时序混乱,使显

58、示不正常。5.2.2 LED显示器的介绍 在单片机系统中，通常用LED数码显示器来显示各种数字或符号。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。a)7段LED显示器发光二极管是一种将电能转变成光能的半导体器件，流过电流，发光二极就会发光。七段 LED显示器由七个发光管构成，7个长条形的发光管排列成“日”字形，每段均是 一个LED二极管。这7个发光段分别称为 a、b、c、d、e、f和g，通过控制不同段的点亮和熄灭，可显示16进制数字09和 A、B、C、D、E、F，也能显示 H、E、L、P等字符。多数7段LED显示器中实际有8个发光二极管，除7个构成7笔字形外，另外还

59、有一个小数点Dp位段，用来显示小数。有人也把这种显示器叫做8段LED显示LED显示器有两种不同的形式：一种是7个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是7个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。如图5.2所示。共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。7个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfed

60、cba各段为0111011时，显示器显示P字符， 图5.2 共阳极与共阴极显示电路即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。这里必须注意的是：很多产品为方便接线，常不按规则的方法去对应字段与位的关系，这时字形码就必须根据接线来自行设计了。b) 4位7段LED显示器的介绍 通常的4位LED显示器如图5.3所示,其内部由多只发光二极管构成,按连接方式不同可分为共阳极LED与共阴极LED。其电路特性基本一致:发光二极管导通压降为1.2V1.8V、正向工作电流为2mA15mA。在显示驱动方式中,采用动态扫描。当扫描到n1n4公共端时,LED驱动器分