1 摘 要 本文詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi) 多功能窗 的發(fā)展現(xiàn)狀， 發(fā)展中所面臨的問(wèn)題。從產(chǎn)品質(zhì)量、性能及應(yīng)用方面看多功能窗的差距；整個(gè)行業(yè)看多功能窗所存在的問(wèn)題以及它的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)也詳盡的介紹了此次設(shè)計(jì)中最重要的組成部件 單片機(jī)的概念 、工作原理及設(shè)備總體結(jié)構(gòu)，其中包括 MCS-51 的 發(fā)展歷程 ，選型依據(jù)。設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)MCS-51 的 多功能窗的設(shè)計(jì) ，介紹了所選用的 8031、 8255 等單片機(jī)。 關(guān)鍵詞 ： 多功能窗 ， 單片機(jī) ， 傳感器 2 Abstract This article introduced in detail the domestic multi-purpose windows development present situation, in the development faces question. From the product quality, the performance and the application aspect look at the multi-purpose windows the disparities； The entire profession looked the multi-purpose windows exist question as well as its trend of development. Simultaneously also in exhaustive introduction this design most important building block monolithic integrated circuits concept, principle of work and equipment gross structure, including MCS-51 the development process, shaping basis. Has designed one kind based on the monolithic integrated circuit MCS-51 multi-purpose window designs, introduced selects 8031, 8255 and so on monolithic integrated circuits. key word: Multi-purpose windows, monolithic integrated circuit, sensor 3 目錄 第 1 章 緒論 . 1 1.1 窗 戶(hù) 的發(fā)展概述 . 1 1.2 總體方案確定 . .2 第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . .4 2.1 MCS 51 單片機(jī)主要應(yīng)用特性 . 4 2 . 2 控 制 原 理 圖 . .6 2.3 微型處理器 . .8 2.3.1 8031 性能特點(diǎn) . . 8 2.3.2 8031 硬件結(jié)構(gòu)及引腳功能 . 8 2.4 系統(tǒng)擴(kuò)展 .11 2.4.1 I/O 接口的擴(kuò)展 . 11 2.4.1.1 8255A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能 . . 11 2.4.1.2 8255A 方式控制字 . . 14 2.4.1.3 8255A 的工作方式 . . 16 2.4.1.4 8255A 與 CPU8031 的接口 16 2.4.2 存儲(chǔ)功能擴(kuò)展 .17 2.4.2.1 鎖存器 74LS373 的引腳及功能 . .17 2.4.2.2 2764 EPROM .18 2.5 輸入 /輸出接口系統(tǒng)設(shè)計(jì) . . 20 2.5.1 鍵盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . . .20 2.5.2 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 21 2.5.2.1 LED 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及顯示原理 . 21 2.5.2.2 74LS138 結(jié)構(gòu)及功能 . 21 4 2.5.2.3 74LS377 結(jié)構(gòu)及功能 . 22 2.5.3 顯示電路 . .22 2.6 傳感 器選擇與設(shè)計(jì) . . 23 2.6.1 光電開(kāi)關(guān)的原理 . 23 2.6.2 氣體傳感器 . 24 2.7 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) . 24 2.7.1 固態(tài)繼電器介紹 . 25 2.7.2 電機(jī)控制電路原理 . . 26 2.8 電源 . 26 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 28 3.1 主程序 . 28 3.2 顯示子程序流程圖 . 30 3.3 輸入給定值中斷服務(wù)程序 . . 31 第 4 章 結(jié)論 . 32 參考文獻(xiàn) .33 致謝 .34 5 第 1 章 緒論 隨著我國(guó) 建筑 行業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展， 窗戶(hù) 呈現(xiàn)出種類(lèi)數(shù)目不斷增多、豐富的局面。尤其是 窗戶(hù) 的生產(chǎn)質(zhì)量的不斷提高，對(duì) 窗戶(hù) 的 生產(chǎn) 技術(shù)提出了更高的要求，特別是對(duì)窗戶(hù)多功能性 提出了更新更高的要求。在當(dāng)前各種多功能逐漸進(jìn)入各企業(yè)的情況下，我們有必要對(duì)國(guó)產(chǎn) 窗戶(hù)多功能性 的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展作進(jìn)一步探討。 1.1 窗 戶(hù) 的發(fā)展概述 窗戶(hù)是是建筑的眼睛，它在建筑與環(huán)境、戶(hù)內(nèi)與戶(hù)外既溝通又分離起到多重實(shí)用功能。從人類(lèi)家居歷史上看，窗框架經(jīng)歷了由木窗、鋼窗、鋁合金窗、塑鋼 窗到現(xiàn)在的節(jié)能斷橋鋁塑復(fù)合窗的一個(gè)發(fā)展過(guò)程。從這個(gè)過(guò)程中我們能看到，隨著新材料和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，窗框架的功能也從簡(jiǎn)單保溫隔熱到環(huán)保節(jié)能美觀。就正如一個(gè)身懷絕技的武林高手一般，不斷的習(xí)武不斷的歷練，最 TodayHot終天下無(wú)敵。 傳統(tǒng)材料的木窗由于容易腐蝕現(xiàn)在已經(jīng)很少做為室內(nèi)外的分界窗，由于它本身木紋質(zhì)感強(qiáng)，容易做各種造型和圖案所以現(xiàn)在常做為室內(nèi)裝飾窗。進(jìn)入現(xiàn)代鋼窗由于其強(qiáng)度好，不易變形的特點(diǎn)被開(kāi)始被廣泛使用，隨后鋁合金窗和塑鋼窗相繼開(kāi)始涌現(xiàn)，近些年來(lái) ,中國(guó)鋁合金型材行業(yè)發(fā)展很快 ,形成了正規(guī)的行 業(yè)體系 ,企業(yè)的產(chǎn)品、技術(shù)檔次、銷(xiāo)售服務(wù)有了很大的提高，出口方面全球最多，產(chǎn)量世界第一。從未來(lái)幾年來(lái)看 ,鋁合金型材、尤其是節(jié)能環(huán)保鋁合金型材市場(chǎng)還將前景廣闊。塑鋼窗一出現(xiàn)，其時(shí)尚的外觀，良好的性?xún)r(jià)比很快就贏得了人們的青睞，由于其裝飾性強(qiáng)、手感好，開(kāi)啟靈活，清潔方便，良好的密封性和隔熱性，經(jīng)久耐用。短短幾年時(shí)間就搶占了鋁合金窗的 “半壁江山 ”。有資料表明這種內(nèi)含鋼襯的塑料門(mén)窗在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家也非常風(fēng)光，市場(chǎng)占有率很高，如：德國(guó)占 52，英國(guó)占 38%，美國(guó)占 30%以上，一向?qū)Ξa(chǎn)品品質(zhì)非常挑剔的發(fā)達(dá)國(guó)家也對(duì)塑鋼窗如此 垂青，自然有其原因。第五代新型節(jié)能門(mén)窗型材 全新的鋁塑鋁復(fù)合門(mén)窗型材為外面兩側(cè)是鋁合金型材，中間隔熱體是改性多腔 PVC型材。其優(yōu)點(diǎn)是既有鋁合金的高強(qiáng)度、重量輕、美觀、耐腐、加工簡(jiǎn)單，又有塑鋼型材隔熱的特點(diǎn)，具有非常好的隔熱節(jié)能效果。現(xiàn)在被很多建筑廣泛采用。 在當(dāng)今能源日益緊缺的嚴(yán)峻形勢(shì)下，生產(chǎn)節(jié)能、環(huán)保的產(chǎn)品已成為各行各業(yè)的發(fā)展方向。所以節(jié)能環(huán)保材質(zhì)的窗框架必將大行其道。 1.2 總體方案確定 6 根據(jù)“ 多功能 ”這一目的要求，做如下設(shè)計(jì)安排： 1.防有害氣體泄漏：自動(dòng)檢測(cè)室內(nèi)煤氣、煙霧、酒精等有害氣 體濃度 ,達(dá)到設(shè)定閾值后自動(dòng)開(kāi)窗 ,并啟動(dòng)排風(fēng)扇或空調(diào)等通風(fēng) ；2.防盜報(bào)警：由熱釋電人體紅外探頭檢測(cè)從窗外靠近的人體 ,及時(shí)關(guān)窗上鎖并發(fā)出報(bào)警訊號(hào) ；3.防潮濕：當(dāng)下雨或濃霧 ,空氣濕度大時(shí)自動(dòng)關(guān)窗 ；4.天色黑暗時(shí)自動(dòng)關(guān)窗 (可設(shè)置為 ON或 OFF)；5.定時(shí)開(kāi)關(guān)：按設(shè)定時(shí)間打開(kāi)或關(guān)閉窗子。 圖 1-1 控制原理圖 如圖 1-1 所示， 單片機(jī)采用中斷查詢(xún)工作方式。氣敏傳感器的信號(hào)經(jīng) IC4A 放大 ,使 IC4B 翻轉(zhuǎn) ,經(jīng)光耦隔離向 N3 和 N1 輸入的高電平 ,反相后 N3 觸發(fā)中斷 0,單片機(jī)查到 P3 1 為低電平后 ,向 P1 0、 P1 1 輸出開(kāi) 窗指令 ,經(jīng)隔離后 ,Q1 Q4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)M1 打開(kāi)窗子 ；P 2 口由高轉(zhuǎn)低 ,Q5 導(dǎo)通 ,J1 常開(kāi)觸點(diǎn)吸合 ,啟動(dòng)排風(fēng)扇或空調(diào)等。 C2可消除一定的干擾 ,以免誤觸發(fā)。為簡(jiǎn)化電路 ,圖中只畫(huà)出了一路傳感器輸入。 P3 4、P3 5、 P3 7 分別接受來(lái)自熱釋電、濕敏、光敏探頭的信號(hào)。 SW2 為多功能按鈕 ,7 不按 SW1 時(shí) ,SW2 為手動(dòng)開(kāi) /關(guān)窗鍵 ；按一下 SW1,觸發(fā)中斷 1,進(jìn)入設(shè)定時(shí)間方式 ,每按一下 SW2 設(shè)定時(shí)間增加半小時(shí) ,停止按鍵 30 秒后設(shè)置結(jié)束 ,定時(shí)器開(kāi)始工作 ；防盜報(bào)警被觸發(fā)后 ,按一下 SW2,可終止訊響器 SPEAKER 的鳴叫。 K1、 K2 為窗子開(kāi)閉到位檢測(cè)開(kāi)關(guān) ,J2 為窗鎖電磁鐵線圈 ,關(guān)窗到位后為窗子上鎖。 LED 作多功能指示：上電后LED 亮 ,指示處于初始延時(shí) (由于傳感器的初始不穩(wěn)定性 ,必須有較長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí) )；設(shè)定時(shí)間時(shí) ,每按一下 SW2,LED 閃爍一次 ,確認(rèn)鍵輸入有效 ；當(dāng)氣體檢測(cè)動(dòng)作后 LED 也點(diǎn)亮 ,其余時(shí)間均熄滅。 圖中 N1 等都為三極管 ,N3 為五只二極管和 1 只三極管構(gòu)成的或非門(mén) ,4 只傳感器信號(hào)的放大比較由兩塊四運(yùn)放完成。為了工作穩(wěn)定 ,單片機(jī)與外圍電路完全隔離 ,單獨(dú)供電。整個(gè)電路安裝在鋁合金窗框內(nèi) ,在窗框外側(cè)為傳感器開(kāi)檢測(cè)孔 ,氣敏探頭另一 根線引出安裝在需檢測(cè)的位置。 M1 連同機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在活動(dòng)窗葉上 ,通過(guò)特殊方式與驅(qū)動(dòng)電路連接 (整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)部分已申報(bào)專(zhuān)利 )。為了防止 M1 因機(jī)械部分的阻滯而燒毀 ,程序需對(duì)開(kāi)、關(guān)窗過(guò)程進(jìn)行檢測(cè) ,當(dāng)活動(dòng)窗葉發(fā)生卡阻時(shí)可自動(dòng)回退并再次嘗試。三次嘗試仍不能正常開(kāi)關(guān)時(shí) ,停止動(dòng)作并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在 RST 端加有強(qiáng)制復(fù)位鍵。 8 第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1 MCS 51 單片機(jī)主要應(yīng)用特性 MCS-51 單片機(jī)是美國(guó) Intel 公司于 1980 年推出的 窗戶(hù) ,與 MCS-48 單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn) ，功能更強(qiáng)，在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令 ,指令數(shù)達(dá) 111 條， MCS-51 單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的 窗戶(hù) ，一直到現(xiàn)在， MCS-51 系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流 窗戶(hù) ，各高校及專(zhuān)業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍 用 MCS-51 單片機(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。我們也以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 。 MCS-51 系列單片機(jī)主要包括 8031、 8051 和 8751 等通用 窗戶(hù) ，其主要功能如下： 8 位 CPU 4kbytes 程序存儲(chǔ)器 (ROM) 128bytes 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM) 32 條 I/O 口線 111 條指令 ，大部分為單字節(jié)指令 21 個(gè)專(zhuān)用寄存器 2 個(gè)可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 5 個(gè)中斷源， 2 個(gè)優(yōu)先級(jí) 一個(gè)全雙工串行通信口 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為 64kB 外部程序存儲(chǔ)器尋址空間為 64kB 邏輯操作位尋址功能 雙列直插 40PinDIP 封裝 單一 +5V 電源供電 MCS-51 以其典型的結(jié)構(gòu)和完善的總線專(zhuān)用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)，堪稱(chēng)為一代 “名機(jī) ”，為以后的其它單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。正因?yàn)槠鋬?yōu)越的性能和完善的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致后來(lái)的許多廠商多沿用或參考了其體系結(jié)構(gòu)，有許多 世界大的電氣商豐富和發(fā)展了 MCS-51 單片機(jī)， 像 PHILIPS、Dallas、 ATMEL 等著名的半導(dǎo)體公司都推出了兼容 MCS-51 的單片機(jī) 窗戶(hù) ，就連我國(guó)的臺(tái)灣 WINBOND 公司也發(fā)展了兼容 MCS-51 的單片機(jī)品種。 近年來(lái) MCS-51 獲得了飛速的發(fā)展， MCS-51 的發(fā)源公司 Intel 由于忙于開(kāi)發(fā) PC及高端微處理器而無(wú)精力繼續(xù)發(fā)展自己的單片機(jī)，而由其它廠商將其發(fā)展，最典型的是 PHILIPS 和 ATMEL 公司， PHILIPS 公司主要是改善其性能，在原來(lái)的基礎(chǔ)上發(fā)展9 了高速 I/O 口， A/D 轉(zhuǎn)換器， PWM(脈寬調(diào)制 )、 WDT 等增強(qiáng)功能，并在低電壓、微功耗、擴(kuò)展串行總線 (I2C)和控制網(wǎng)絡(luò)總線 (CAN)等功能加以完善。 ATMEL 公司推出的 AT89Cxx 系列兼容 MCS-51 的單片機(jī)，完美地將 Flash(非易失閃存技術(shù) )EPROM 與 80C51 內(nèi)核結(jié)合起來(lái)，仍采用 MCS-51 的總體結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)， Flash 的可反擦寫(xiě)程序存儲(chǔ)器能有效地降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，并能使單片機(jī)作多次重復(fù)使用。 8051 是 MCS-51 系列單片機(jī)中的代表 窗戶(hù) ，它內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、 21 個(gè)專(zhuān)用控制寄存器、 4kB 的程序存儲(chǔ)器、 128 字節(jié) 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 4 組 8 位的并行口、兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器、一個(gè)全雙工的串行口以及布爾處理器。 MCS-51 采用模塊式結(jié)構(gòu)， MCS-51 系列中各種加強(qiáng)型單片機(jī)都是以 8051 為 核心加上一定的新的功能部件后組成的，從而使它們完全兼容。表 2-1 為 MCS-51 系列單片機(jī)常用 窗戶(hù) 特性。 表 2-1 MCS-51 系列單片機(jī)常用 窗戶(hù) 特性 型號(hào) 片內(nèi)存儲(chǔ)器 I/O 線 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片外尋址空間（ KB） 程序 數(shù)據(jù) 程序 數(shù)據(jù) 8051 4K ROM 128 32 2 個(gè) 16 位 64 64 8751 4K EPROM 128 32 2 個(gè) 16 位 64 64 8031 無(wú) 128 32 2 個(gè) 16 位 64 64 80C51 4K ROM 128 32 2 個(gè) 16 位 64 64 87C51 4K EPROM 128 32 2 個(gè) 16 位 64 64 80C31 無(wú) 128 32 2 個(gè) 16 位 64 64 8052 4K ROM 256 32 3 個(gè) 16 位 64 64 8752 4K EPROM 256 32 3 個(gè) 16 位 64 64 8032 無(wú) 256 32 3 個(gè) 16 位 64 64 MCS-51 具有比較大的尋址空 間，地址線寬達(dá) 16 條，即外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的尋址范圍達(dá) 216=64kB，這作為單片機(jī)控制來(lái)說(shuō)已是比較大的，這同時(shí)具備對(duì) I/O 口的訪問(wèn)能力。此外， MCS-51 采用模塊化結(jié)構(gòu)，可方便地增刪一個(gè)模塊就可使 引腳和指令兼容的新 窗戶(hù) ， 從而容易使 窗戶(hù) 形成系列化。 10 由于 MCS-51 集成了幾乎完善的 8 位中央處理單元，處理功能強(qiáng)，中央處理單元中集成了方便靈活的專(zhuān)用寄存器，硬件的加、減、乘、除法器和布爾處理機(jī)及各種邏輯運(yùn)算和轉(zhuǎn)移指令，這給應(yīng)用提供了極大的便利。 MCS-51 的指令系統(tǒng)近乎完善，指令系統(tǒng)中包含了全面的數(shù)據(jù)傳 送指令、完善的算術(shù)和邏輯運(yùn)算指令、方便的邏輯操作和控制指令、對(duì)于編程來(lái)說(shuō)，是相當(dāng)靈活和方便的。 MCS-51 單片機(jī)的工作頻率為 2-12MHz，當(dāng)振蕩頻率為 12MHz 時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期為 1us,這個(gè)速度應(yīng)該說(shuō)是比較快的。 MCS-51 把微型計(jì)算機(jī)的主要部件都集成在一塊 芯 片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，可靠性更高，運(yùn)行速度更塊。由于屬于芯片化的微型計(jì)算機(jī)，各功能部件在芯片中的布局和結(jié)構(gòu)達(dá)最優(yōu)化，抗干擾能力加強(qiáng)，工作亦相對(duì)穩(wěn)定。因此，在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，使用單片機(jī)是最理想的選擇。單片機(jī)屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低 端控制系統(tǒng)最佳器件。 鑒于 MCS-51 的以上特點(diǎn)，本文的設(shè)計(jì)就是基于 MCS-51 的 8031 型號(hào)單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)的 多功能窗控制 系統(tǒng)。 11 2.2 控制原理圖 圖 2-2 控制原理圖 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)裝箱系統(tǒng)中，采用 8031 單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)最小系統(tǒng)，為了讀鍵盤(pán)給定值及完成檢測(cè)和控制，系統(tǒng)中擴(kuò)展一片 8255A 可編程接口及程序存儲(chǔ)器EPROM 2764 其原理圖如圖 2-2 所示 。 12 2.3 微型處理器 8031 單片機(jī)是 Intel 公司生產(chǎn)的 MCS-51 系列單片機(jī)中的一種，除無(wú)片內(nèi) ROM外，其余特性與 MCS-51 單片機(jī)基本一 樣。 2.3.1 8031 性能特點(diǎn) 8031 的主要性能包括 : （ 1） 與 MCS-51 位控制器 窗戶(hù) 系列兼容。 （ 2） 寬工作電壓范圍， VCC 可為 2.7V 6V。 （ 3） 全靜態(tài)工作，可從 0Hz 至 16Hz。 （ 4） 128 8 位內(nèi)部 RAM。 （ 5） 32 條可編程 I/O 線。 （ 6） 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 （ 7） 中斷結(jié)構(gòu)具有 5 個(gè)中斷源和 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)。 2.3.2 8031 硬件結(jié)構(gòu)及引腳功能 8031 的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示： 圖 2-3 8031 引腳圖 在圖 2-3 中所示， 8031 單片機(jī)采用 40 引腳雙列直插封 裝 (DIP)形式。采用方形封13 裝工藝。由于受到引腳數(shù)目的限制，所以有一些引腳具有第二功能。在單片機(jī)的 40條引腳中，有 2 條專(zhuān)用于主電源的引腳， 2 條外接晶體的引腳， 4 條控制和其它電源復(fù)用的引腳， 32 條輸入 /輸出引腳。下面分別說(shuō)明這些引腳的名稱(chēng)和功能。 （ 1）主電源引腳 Vcc 和 GND Vcc：芯片主電源，正常工作時(shí)接 +5V 電源。 GND：接電源地。 （ 2）時(shí)鐘振蕩引腳 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1: 接外部晶體的一端。在單片內(nèi)部，它是反相放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。在測(cè)外部時(shí)鐘電路時(shí)，對(duì)于 HMOS 單 片機(jī)，此引腳必須接地；對(duì) CHMOS 單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。 XTAL2: 接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部 ,接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端，振蕩器的頻率是晶體振蕩頻率。若采用外部時(shí)鐘電路時(shí)，對(duì)于 HMOS 單片機(jī)，該引腳輸入外部時(shí)鐘脈沖；對(duì)于 CHMOS 單片機(jī)，此引腳應(yīng)懸空 （ 3）控制信號(hào)引腳 RST/Vpd、 ALE/PROG 、 PSEN 和 EA /Vpp。 ALE/PROG : 地址鎖存使能輸出 /編程脈沖輸入端。在擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)， ALE 用于控制把 P0 口輸出的低 8 位地址鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低 8 位地址和數(shù)據(jù)的隔離， P0 口作為數(shù)據(jù)地址復(fù)用口線。當(dāng)訪問(wèn)單片機(jī)外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或外接 I/O 口時(shí)， ALE 輸出脈沖的下降沿用低 8 位地址的鎖存信號(hào)；即使不訪問(wèn)單片機(jī)外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或外接 I/O 口， ALE 端仍以晶振頻率的 1/6 輸出脈沖信號(hào)，因此可以作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)信號(hào)使用。但應(yīng)注意，此時(shí)不能訪問(wèn)單片機(jī)外部程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或外設(shè) I/O接口。 PSEN : 片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在 CPU 向片外程序存儲(chǔ)器讀取指令和常數(shù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期 PSEN 兩次低電平有效。但在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或I/O 接口時(shí)無(wú)效出現(xiàn)。 EA /Vpp: 訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器控制信號(hào) /編程電源輸入端。當(dāng) EA 端輸入高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器，在低 4KB 地址時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng) EA 輸入低電平時(shí)， CPU 僅訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器。在對(duì) 8751EPROM 編程時(shí)，此引腳接 +21V 的編程電壓 VPP。 RST/Vpd: 復(fù)位 /掉電保護(hù)信號(hào)輸入端。單片機(jī)上電后，只要在該引腳上輸入 24個(gè)振蕩周期 2 個(gè)機(jī)器周期 0 寬度以上的高電平就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位；若在 RST 與 Vcc之間接一個(gè) 10 F 的電容 ，則可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上電自動(dòng)復(fù)位。 RST/Vpd 具有復(fù)位功能，在主電源 Vcc 掉電期間，該引腳可接上 +5V 的備用電源。當(dāng) Vcc 掉到低于規(guī)定的電平，而 Vpd 在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時(shí)， +5V 就向片內(nèi) RAM 提供備用電源，以保持14 片內(nèi) RAM 中的數(shù)據(jù)不丟失，復(fù)位后能繼續(xù)正常運(yùn)行。 （ 4） 輸入 /輸出（ I/O）引腳 P0、 P1、 P2、 P3（共 32 根） P0.0 P0.7: P0 口是一個(gè) 8 位雙向 I/O 端口。在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，它分時(shí)提供低 8 位地址和作 8 位雙向數(shù)據(jù)總線。在 EPROM 編程時(shí)，從 P0 口輸入指令字節(jié)；在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié) (驗(yàn)證時(shí)要外接上拉電阻 )。 P0 口能一吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 P1.0 P1.7: P1 口是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。在 EPROM 編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它輸入低 8 位址。 P1 口能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 P2.0 P2.7: P2 口是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。在 CPU 訪 問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8 位地址。在對(duì) EPROM 編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它輸出高 8 位地址。 P2 口可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)LSTTL 負(fù)載。 P3.0 P3.7: P3 口是 8 位準(zhǔn)雙 I/O 端口。它是一個(gè)復(fù)用功能口。作為第一功能使用時(shí)，為普通 I/O 口，其功能和操作方法與 P1 口相同。作為第二功能使用時(shí) ,各引腳的定義如表 2-2 所示。 P3 口的每一引腳均可獨(dú)立定義第一功能的輸入輸出或第二功能。 P3 口能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 表 2-2 各口線的第二功能定義 口線 引腳 第二功能 P3.0 10 RXD（串行輸入口） P3.1 11 TXD（串行輸出口） P3.2 12 0INT （外部中斷 0） P3.3 13 1INT （外部中斷 1） P3.4 14 T0（定時(shí)器 0 外部輸入） P3.5 15 T1（定時(shí)器 1 外部輸入） P3.6 16 WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)脈沖） P3.7 17 RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖） 2.4 系統(tǒng)擴(kuò)展 15 8031 具有很強(qiáng)的擴(kuò)展功能，允許擴(kuò)展各 種外圍電路以補(bǔ)充片內(nèi)資源不足，適應(yīng)特定應(yīng)用的需要，擴(kuò)展內(nèi)容包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、 I/O 接口等擴(kuò)展結(jié)構(gòu)如圖2-4 所示： 圖 2-4 8031 系統(tǒng)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)圖 2.4.1 I/O 接口的擴(kuò)展 由于我們采集的數(shù)據(jù)量較多，因此 CPU 的 I/O 口線不夠用，所以我們使用 8255A來(lái)擴(kuò)展 I/O 口，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。 8255A 是 Intel 公司生產(chǎn)的通用可編程并行 I/O 接口芯片。 8031 和 8255A 相連可為外設(shè)提供三個(gè) 8 位 I/O 端口，允許采用同步、異步和中斷方式傳送 I/O 數(shù)據(jù)。 2.4.1.1 8255A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳 功能 （ 1）內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8255A 內(nèi)部由四部分電路組成。它們是 A 口、 B 口和 C 口， A 組控制器和 B 控制器，數(shù)據(jù)緩沖器及讀寫(xiě)控制邏輯，如圖 2-5 所示。 A 口、 B 口和 C 口。 A 口、 B 口和 C 口均為 8 位 I/O 數(shù)據(jù)口，但結(jié)構(gòu)上略有差別。 A 口由一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)輸出緩沖 /鎖存器和一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)輸入緩沖 /鎖存器組成。B 口由一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)輸出緩沖 /鎖存器和一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器組成。三個(gè)端口都可以和外設(shè)相連，分別傳送外設(shè)的輸入 /輸出數(shù)據(jù)或控制信息。 A、 B 組控制電路。這是兩組根據(jù) CPU 的命令字控制 8255 工作方式的電路。A 組控 制 A 口及 C 口的高 4 位， B 組控制 B 口及 C 口的低 4 位。 數(shù)據(jù)總線緩沖器。它是一個(gè) 8 位的雙向三態(tài)驅(qū)動(dòng)器，用于與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，傳送數(shù)據(jù)或控制信息。 讀 /寫(xiě)控制邏輯。這部分電路接收 MCS-51 送來(lái)的讀 /寫(xiě)命令和選口地址，用于控制對(duì) 8255A 的讀 /寫(xiě)。 8031 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 I/O 接口 程序存儲(chǔ)器 16 圖 2-5 8255A 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （ 2）引腳功能 8255A 有 40 條引腳，采用雙列直插式封裝。如圖 2-6 所示。 17 圖 2-6 8255A 引腳圖 數(shù)據(jù)總線（ 8 條）： D0 D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線， 8255A 與 CPU 數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng) CPU 執(zhí)行輸 入輸出指令時(shí)，通過(guò)它實(shí)現(xiàn) 8 位數(shù)據(jù)的讀 /寫(xiě)操作，控制字和狀態(tài)信息也通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送。 控制總線（ 6 條）： RESET: 復(fù)位信號(hào)，輸入高電平有效。一般和單片機(jī)的復(fù)位相連，復(fù)位后， 8255A所有內(nèi)部寄存器清 0，所有口都為輸入方式。 CS :片選信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)有效，表示芯片被選中，允許 8255A與 CPU 進(jìn)行通訊。 RD :讀信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，允許 8255A 通過(guò)數(shù)據(jù)總線向 CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)字。 WR :寫(xiě)入信號(hào)，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，允許 CPU 將數(shù)據(jù)或控制字寫(xiě)入8255A。 A0、 A1：地址輸入線。當(dāng) =0，芯片被選中時(shí)，這兩位的 4 種組合 00、 01、 10、11 分別用于選擇 A、 B、 C 口和控制寄存器。 其組合如表 2-3。 表 2-3 8255A 控制信號(hào)功能表 18 CS A1A2 RD WR 端口地址 端口 功能 0 00 0 1 00 H A 口 讀 A 口 0 00 1 0 00 H A 口 寫(xiě) A 口 0 01 0 1 01H B 口 讀 B 口 0 01 1 0 01H B 口 寫(xiě) B 口 0 10 0 1 02H C 口 寫(xiě) C 口 0 10 1 0 02H C 口 讀 C 口 0 11 1 0 03H 控制口 寫(xiě)控制字 1 總線高阻 并行 I/O 總線（ 24 條）：這些總線用于和外設(shè)相連，分別與 A、 B、 C 口相對(duì)應(yīng)，用于 8255A 和外設(shè)之間傳送數(shù)據(jù)，共分三組： PA0 PA7:端口 A 輸入輸出線，一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器 /緩沖器，一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 PB0 PB7:端口 B 輸入輸出線，一個(gè) 8 位的 I/O 鎖存器，一個(gè) 8 位的輸入輸出緩沖器。 PC0 PC7:端口 C 輸入輸出線，一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器 /緩沖器，一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。 電源線（ 2 條）： VCC 為 5V 電源線，允許變化 10%； GND 為地線。 2.4.1.2 8255A 方式控制字 8255A 有兩個(gè)控制字：方式控制字和 C 口單一置復(fù)位控制字。用戶(hù)通過(guò)程序可以把這兩個(gè)控制字送到 8255A 的控制寄存器（ A1A0 11B），以設(shè)定 8255A 的工作方式和 C 口各位狀態(tài)。這兩個(gè)控制字以 D7 位狀態(tài)作為標(biāo)志。 8255A 各端口工作于什么方式和是輸入還是輸出方式，是由方式控制字決定的。方式控制字格式如圖 2-7 所示。 D7 為控制字標(biāo)志位，若 D7=1,則本控制字為方式控制字，若 D7 0，則本控制字為 C 口單一置復(fù)位控制字。 D6 D3 為 A 組控制位。其中， D6 和 D5 位 A 組方式選擇位：若 D6D5 00，則A 組設(shè)定為方式 0；若 D6D5 01，則 A 組設(shè)定為方式 1：若 D6D5 1（ 為任意），則 A 組設(shè)定為方式 2。 D4 為 A 口輸入 /輸出控制位：若 D4 0，則 PA0 PA7，用于輸出數(shù)據(jù)；若 D4 0，則 PA0 PA7 用 于輸入數(shù)據(jù)。 D3 位 C 口高 4 位輸入 /輸出控制位：若 D3 0，則 PC4 PC7 為輸出數(shù)據(jù)方式；若 D3 1，則 PC4 PC7 為輸入方式。 19 圖 2-7 方式控制字 D2 D0 為 B 組控制位，其作用和 D6 D3 類(lèi)似。其中， D2 為方式選擇位，若D2 0，則 B 組設(shè)定為方式 0，若 D2 1，則 B 組設(shè)定為方式 1。 D1 為 B 口輸入 /輸出控制位， D1 0，則 PB0 PB7 用于輸出數(shù)據(jù)，若 D1 1，則 PB0 PB7 用于輸入數(shù)據(jù)。 D0 為 C 口低 4 位輸入 /輸出控制位，若 D0 0，則 PC0 PC3 用于輸出數(shù)據(jù)，若 D0 1，則 PC0 PC3 用 于輸入數(shù)據(jù)。如圖 2-8 所示： 圖 2-8 置位控制字 20 2.4.1.3 8255A 的工作方式 8255A 有三種工作方式：方式 0（ Mode0）、方式 1（ Mode1）和方式 2(Mode2)。正確的選用方式控制字，并把它通過(guò)程序送給 8255A 的控制字寄存器就可設(shè)定 8255A的工作方式。 方式 0（基本輸入 /輸出方式）： 這種方式不需要任何選通信號(hào)。 A 口、 B 口及 C 口的兩個(gè) 4 位口中的任何一個(gè)端口都可以被設(shè)定為輸入或輸出。輸出鎖存，輸入不鎖存。根據(jù)控制字 D4、 D3、 D1、D0 位的變化，方式 0 有 16 種不同的輸入、輸出組 合方式。 方式 1（選通輸入 /輸出方式）： 這種方式下， A 口、 B 口、 C 口分為兩組。 A 組包括 A 口和 C 口的高 4 位， A口可由編程設(shè)定為輸入口或輸出口， C 口的高四位則用來(lái)作為輸入 /輸出操作的控制和同步信號(hào)； B 組包括 B 口和 C 口的低 4 位， B 口可由編程設(shè)定為輸入口或輸出口，C 口的低四位則用來(lái)作為輸入 /輸出操作的控制和同步信號(hào)。 A 口和 B 口的輸入輸出數(shù)據(jù)都被鎖存。 方式 2（雙向總線方式）： 這種方式下， A 口為 8 位雙向總線口， C 口的 PC3 PC7 用來(lái)作為輸入 /輸出操作的控制和同步信號(hào)； B 口和 C 口的 PC0 PC2 則可編程為方式 0 或 方式 1 工作。 2.4.1.4 8255A 與 CPU 8031 的接口 8255A 與 CPU 8031 的接口連線如圖 2-9 所示 。 圖 2-9 8255A 與 CPU8031 的接線圖 8255A 與單片機(jī)間有 3 組連線： D7 D8 根數(shù)據(jù)線依次與 P0 口的 P0.7 P0.0 一一對(duì)應(yīng)連接： RD 、 WR 、 RESET 等 3 根控制線與單片機(jī)的同名引腳互連；片選端 CS則與 P2 口相連； A1、 A0 兩根地址線與單片機(jī)的兩 個(gè) I/O 引腳連接。 21 2.4.2 存儲(chǔ)功能擴(kuò)展 由于我們需要保存一定的數(shù)據(jù)，而 8031 片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)功能，因此， EA 管腳總是接低電平。根據(jù)保存的數(shù)據(jù)量需要，我們選用了 EPROM 2764 為外擴(kuò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 2.4.2.1 鎖存器 74LS373 的引腳及功能 如圖 2-10 所示， 74LS373 是帶三態(tài)緩沖輸出的 8D 鎖存器，由于 單 片機(jī)的三總線結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)線與地址線的低 8 位共用 P0 口，因此必須用地址鎖存器將地址信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)區(qū)分開(kāi)。 74LS373 的鎖存控制端直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào) ALE 相連，在 ALE 的下降沿 鎖存低 8 位地址。其中， D0 D7 為數(shù)據(jù)輸入端； Q0 Q7 為數(shù)據(jù)輸出端； OE 為三態(tài)允許控制端（低電平有效）； LE 為鎖存允許端。 圖 2-10 74LS373 引腳 該片如何工作由功能表 2-4 決 定，表中 L 為低電平、 H 為高電平、 Z 為高阻抗（相當(dāng)開(kāi)路） X 為任意電平，一般將 OE 接低電平， LE 接 ALE 就能正常工作。 表 2-4 74LS373 真值表 OE LE Dn Qn L H H H L H L L L L L L L L H H H X X Z 22 2.4.2.2 2764 EPROM 紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器 EPROM 是國(guó)內(nèi)用得較多的程序存儲(chǔ)器。EPROM 芯片上有一個(gè)玻璃窗口，在紫外線照射下，存儲(chǔ)器中的各位信息均變 1，即處于擦除狀態(tài)。擦除干凈的 EPROM 可以通過(guò)編程器將應(yīng)用程序固化到芯片中。本次設(shè)計(jì)所選用的是 2764 EPROM。 （ 1） 2764 的概述 這是一種可以擦去重寫(xiě)的只讀存 儲(chǔ) 器。通常用紫外線對(duì)其窗口進(jìn)行照射，即可把它所存 儲(chǔ) 的內(nèi)容擦去。之后，又可以對(duì)其重新進(jìn)行編程，寫(xiě)入新的內(nèi)容。一旦寫(xiě)入，其存 儲(chǔ) 的內(nèi)容可以長(zhǎng)期（幾十年）地保存，即使去掉電源電壓， 也不會(huì)影響它所存 儲(chǔ)的內(nèi)容。圖 2-11 為通用的 EPROM 2764 的引腳圖，它的容量為 8 K 8bit。 8 K 表示有 8 1024 個(gè)存儲(chǔ)單元， 8 位表示每個(gè)單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的寬度是 8 位。前者確定了地址線的位數(shù)是 12 位（ A0 A12），后者確定了數(shù)據(jù)線的位數(shù)是 8 位（ D0 D7）。目前，除了串行存儲(chǔ)器之外，一般情況下，我們使用的都是 8 位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單一 +5 V 供電，工作電流為 75 mA，維持電流為 35 mA，讀出時(shí)間最大為 250 ns， DIP28 封裝。 圖 2-11 2764 引腳圖 （ 2）引腳功能 其中， A0 A12 為地 址線； D0 D7 為數(shù)據(jù)線； CE 為片選線； OE 是讀線； PGM是編程輸入； Vpp 為編程電源。 除了 12 條地址線和 8 條數(shù)據(jù)線之外， CE 為片選線，低電平有效。也就是說(shuō)，只有當(dāng) CE 為低電平時(shí)， 2764 才被選中，否則， 2764 不工作。 2764 Vpp A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2 GND Vcc PGM N.C A8 A9 A11 OE A10 CE D7 D6 D5 D4 D3 27648K EPROM 23 （ 3） EPROM 2764 和鎖存器 74LS373 與 8031 組成最小系統(tǒng) 8031 單片機(jī)擴(kuò)展一片 2764 程序存儲(chǔ)器電路如圖 2-12 所示。 地址線。單片機(jī)擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器時(shí)，地址是由 P0 和 P2 口提供的。圖 2-11 中，2764 的 13 條地址線（ A0 A12）中，低 8 位 A0 A7 通過(guò)鎖存器 74LS373 與 P0 口連接，高 4 位 A8 A12 直接與 P2 口的 P2.0 P2.3 連接， P2 口本身有鎖存功能。注意，鎖存器的鎖存使能端 LE 必須和單片機(jī)的 ALE 管腳相連。 圖 2-12 8031 擴(kuò)展 2764 EPROM 硬件接線圖 數(shù)據(jù)線。 2764 的 8 位數(shù)據(jù)線直接與單片機(jī)的 P0 口相連。因此， P0 口是一 個(gè)分時(shí)復(fù)用的地址 /數(shù)據(jù)線。 控制線。 CPU 執(zhí)行 2764 中存放的程序指令時(shí)，取指階段就是對(duì) 2764 行讀操作。注意， CPU 對(duì) EPROM 只能進(jìn)行讀操作，不能進(jìn)行寫(xiě)操作。 CPU 對(duì) 2764 的讀操作控制都是通過(guò)控制線實(shí)現(xiàn)的。 2764 控制線的連接有以下幾條： CE ：直接 P2.5。 OE ：接 8031 的讀選通信號(hào)端。在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，只要端出現(xiàn)負(fù)脈沖，即可從 2764 中讀出程序。 24 2.5 輸入 /輸出接口系統(tǒng)設(shè)計(jì) 輸入 /輸出接口系 統(tǒng)就是指人與計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入 /輸出設(shè)備接口，就是人機(jī)交互接口。這些輸入 /輸出設(shè)備主要有鍵盤(pán)和顯示器等。它們是系統(tǒng)中必不可少的輸入、輸出設(shè)備，是控制系統(tǒng)與操作人員之間交互的窗口。 2.5.1 鍵盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 鍵盤(pán)是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備。鍵盤(pán)可以分為編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)兩種類(lèi)型。前者能自動(dòng)識(shí)別按下的按鍵并且能產(chǎn)生相應(yīng)的代碼，以并行或串行的方式發(fā)送給 CPU。它使用方便，接口簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但是需要專(zhuān)用的硬件電路。本次設(shè)計(jì)中所采用的就是編碼鍵盤(pán)。 如圖 2-2 中所示， 8255A 為給定值輸入接口。為了使系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)了一個(gè)由二極管矩陣組成的編碼鍵盤(pán)，如圖 2-13 所示： 圖 2-13 編碼鍵盤(pán)原理圖 鍵盤(pán)輸出信號(hào) D， C， B， A（ BCD 碼）分別接到 8255A 的 A 口 PA3-PA0，鍵選通信號(hào) KEYSTROBE（高電平有效），經(jīng)反向器接到 8031 的 INT0 管腳。當(dāng)按下某一個(gè)按鍵時(shí)， KEYSTROBE 為高電平，經(jīng)過(guò)反相后的下降沿向 8031 申請(qǐng)中斷。 8031 響應(yīng)后，讀入 BCD 碼值，作為定值，并送顯示。本次設(shè)計(jì)只有 3 位顯示，所以最多只能給定 999。輸入順序?yàn)閺淖罡呶唬ò傥粩?shù) ）開(kāi)始。 當(dāng)按鍵未按下時(shí)，所有輸出端口均為高電平。當(dāng)有按鍵按下以后該按鍵的 BCD碼將會(huì)出現(xiàn)在輸出線上。 25 2.5.2 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為了使操作人員及時(shí)掌握生產(chǎn)情況，在一般的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或者智能儀器當(dāng)中，都配有顯示程序。 本次設(shè)計(jì)采用 LED 數(shù)碼顯示。 2.5.2.1 LED 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及顯示原理 常用的顯示器件有：顯示和記錄儀表， CRT 顯示終端， LED 或者 LCD 顯示器，大屏幕顯示器。本次設(shè)計(jì)所采用的是 LED 數(shù)碼管。 LED 數(shù)碼管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，易于匹配，壽命長(zhǎng)，可靠性高等 優(yōu)點(diǎn)。 LED 數(shù)碼管是由發(fā)光二極管組成， 由 于材料的不同，可以發(fā)出各種單色光線。發(fā)光二極管可以有多種組成形式，其中 7 段數(shù)碼管應(yīng)用最多，根據(jù)發(fā)光二極管內(nèi)部的連接方式不同，又有共陰極或共陽(yáng)極兩種形式。如圖 2-14 所示 圖 2-14 LED 數(shù)碼管結(jié)構(gòu) 2.5.2.2 74LS138 結(jié)構(gòu)及功能 74LS138 為 3 線到 8 線譯碼器，當(dāng)一個(gè)選通端（ G1）為高電平，另外 2 個(gè)選通端 G 2A 和 G 2B 為低電平時(shí)可以將地址端（ A、 B、 C）的二進(jìn) 制編碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。利用 G1、 G 2A 和 G 2B 可以級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 24 線譯碼器引腳結(jié)構(gòu)如圖 2-15 所示。 圖 2-15 74LS138 引腳圖 26 其引腳功能為： A、 B、 C 為譯碼地址輸入端； G1 為選通端； G 2A、 G 2B 為選通端（低電平有效）； Y0Y7 為譯碼輸出端（低電平有效）。 2.5.2.3 74LS377 結(jié)構(gòu)及功能 74LS377 是一種 8D 觸發(fā)器，它的 E 端是控制端、 CLK 端是時(shí)鐘端，當(dāng)它的 E端為低電平時(shí)只要在 CLK 端產(chǎn)生一個(gè)正跳變， D1 D7 將被鎖存到 Q0 Q7 端輸出，在其他情況下 Q0 Q7 端的輸出保持不變。其引腳圖和功能表如圖 2-16 所示。 圖 2-16 74LS377 引腳及功能 2.6 傳感器選擇與設(shè)計(jì) 2.6.1 光電開(kāi)關(guān)的原理 光電開(kāi)關(guān)是傳感器大家族中的成員，它把發(fā)射端和接收端之間光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。光電開(kāi)關(guān)具有如下特點(diǎn) :輸出回路和輸 入 回路是電隔離的 (即電絕緣 )，體積小、精度高、 檢測(cè)距離遠(yuǎn)，防水、防腐蝕、防震動(dòng)，抗光、電、磁等干擾。所以它可以在冶金、紡織、煙草、造紙、化工、電力、保安等各種行業(yè)得到應(yīng)用。光電開(kāi)關(guān) (光電傳感器 )利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸 入 電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。工作原理如圖 2-18 所示。 27 圖 2-18 光電傳感器工作原理 光電開(kāi)關(guān)在一般情況下由三部分構(gòu)成，它們分 別為發(fā)送器、 接收器和檢測(cè)電路 .光電開(kāi)關(guān) 的重要功能是能夠處理光的強(qiáng)度變化 :利用光學(xué)元件，在傳播媒介中間使光束發(fā)生變化 ；利用光束來(lái)反射物體 ；使光束發(fā)射經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離后瞬間返回。發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于發(fā)光二極管 (LED)和激光二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。受脈沖調(diào)制的光束輻射強(qiáng)度在發(fā)射中經(jīng)過(guò)多次選擇，朝著目標(biāo)不間斷地運(yùn)行。接收器由光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光欄等。在其后面的是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。此外，光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。 光電開(kāi)關(guān)的種類(lèi)也很 多，根據(jù)光電開(kāi)關(guān)在檢測(cè)物體時(shí)發(fā)射器所發(fā)出的光線被折回到接收器的途徑的同，可分為漫反射式、鏡反射式、對(duì)射式等。 2.6.2 氣體傳感器 TGS202 氣敏元件采用半導(dǎo)體敏感材料制造，其靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性、抗干擾性、響應(yīng)時(shí)間及壽命等主要性能，均達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。用該系列元件組裝成易燃易爆和有毒氣體泄漏報(bào)警器及檢測(cè)裝置，可廣泛運(yùn)用于礦山、油田、化工、國(guó)防、醫(yī)藥及家庭。 主要特點(diǎn)： 1)靈敏度高、功耗低，輸出信號(hào)強(qiáng)。 2)選擇性好、對(duì)被檢測(cè)的氣體非常敏感，而對(duì)干擾氣體則靈敏度很低。 3)穩(wěn)定性、可靠性強(qiáng) 4)具有抗高溫、抗高濕性能。 5)元件不含任何貴金屬催化劑，具有抗中毒及抗飽和性能。 28 但由于氣體傳感器是使用半導(dǎo)體材料來(lái)制作，不可避免的是有溫度漂移問(wèn)題，如何處理好氣體傳感器溫度補(bǔ)償問(wèn)題是報(bào)警器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。以前的一般做法是把報(bào)警器的報(bào)警閥值電壓作補(bǔ)償，這樣的電路會(huì)簡(jiǎn)單一些，但溫度補(bǔ)償?shù)男Ч惶硐?，主要是在低溫環(huán)境里，氣體傳感器的表面溫度降低導(dǎo)致氣體傳感器的性能變差，解決的方法是在低溫環(huán)境里提高氣體傳感器的加熱功率，使氣體傳感器的表面溫度維持相對(duì)恒定，達(dá)到使氣體傳感器穩(wěn)定工作的目的。 圖 2-19 TGS202 2.7 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 為了提高抗干擾能力，系統(tǒng)采用了光電隔離技術(shù)。電機(jī)可以采用多種方法控制，如固態(tài)繼電器（ SSR）、可控硅（ SCR）及大功率場(chǎng)效應(yīng)管等，本設(shè)計(jì)采用 固 態(tài)繼電器（ SSR）。 2.7.1 固態(tài)繼電器介紹 固態(tài)繼電器（ Solid State Relay）簡(jiǎn)稱(chēng) SSR，它是用晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，而在前級(jí)中與光電隔離器融為一體，因此固態(tài)繼電器實(shí)際上是一種帶光電隔離器的無(wú) 觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。根據(jù) 結(jié) 構(gòu)形式，固態(tài)繼電器有直流型固態(tài)繼電器和交流型固態(tài)繼電器。本設(shè)計(jì)采用的是交流型固態(tài)繼電器。 1 直流型 SSR 直流型 SSR的原理電路如圖 2-20所示。 29 圖 2-20 直流型 SSR的原理電路 直流型 SSR主要用于帶直流負(fù)載的場(chǎng)合，如直流電機(jī)控制。直流步進(jìn)電機(jī)控制和電磁閥等。 2交流型 SSR 交流型 SSR又可分為過(guò)零型和移向型兩類(lèi)。它采用雙向可控硅作為開(kāi)關(guān)器件，用于交流大功率場(chǎng)合，如交流電機(jī)、交流電磁閥控制等。其原理電路，如圖 2-21所示。 圖 2-21 交流型 SSR的原理電路 過(guò)零型 必須在負(fù)載電源電壓接近零且輸入控制信號(hào)有效時(shí)。輸入端負(fù)載電源才導(dǎo)通，只在流過(guò)雙向可控硅負(fù)載電流為零時(shí)才關(guān)斷。 2.7.2 電機(jī)控制電路原理 電機(jī)控制電路如圖 2-22所示。 30 圖 2-22 電機(jī)控制電路 2.8 電源 除了 220V 的電源，我們還選擇了 LM7805 三端穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個(gè) 5V 的電源。其電路如圖 2-23 所示。 圖 2-23 +5V 電源電路 三端固定輸出集成穩(wěn)壓器，它是一種串連調(diào)整式穩(wěn)壓器。它將全部電路集成在單塊硅片上，整個(gè)集成穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和公共三個(gè)引出端，使用非常方便。典型的有 78正電壓輸出系列， 79負(fù)電壓輸出系列。 當(dāng)輸入的電壓 VI、輸出電流 IO 或溫度變化時(shí)，輸出電壓 VO 可保持不變；另外，當(dāng)輸出短路。可使輸出電流 IO 限制為一定值；若穩(wěn)壓器過(guò)熱，則它就停止工作，以免穩(wěn)壓器遭到損壞。 三端固定輸出電壓集成穩(wěn)壓器，因內(nèi)部有過(guò)熱、過(guò)流保護(hù)電路，因此它的性能優(yōu)31 良、可靠性高。有因這種穩(wěn)壓器具有體積小、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以我們選用了這種芯片。 32 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1 主程序 主程序 單元清零 設(shè) 8255A 工作方式 清顯示單元，指示燈 設(shè)中斷方式 開(kāi)中斷 啟動(dòng)電機(jī) 1 停止電機(jī) 1，啟動(dòng)電機(jī) 2，計(jì) 數(shù)單元清零 計(jì)數(shù)單元加 1 送顯示 加 1 給定值 參數(shù) 輸入完嗎？ 到位了嗎？ 是否進(jìn)入？ 檢測(cè)到了嗎？ 收起 N N N N Y Y Y Y 33 3.2 顯示子程序流程圖 顯示子程序 顯示緩沖區(qū)首地址 指向最左邊一位 8255A 口地址 取出要顯示的數(shù)據(jù) 求待顯示數(shù)據(jù)的顯示碼 送顯示碼到 8255 3 位數(shù)顯示完了嗎？ 返回 求下一個(gè)位選碼 修改顯示緩沖地址 N Y 34 3.3 輸入給定值中斷服務(wù)程序 中斷服務(wù)程序 讀入鍵值 存入給定單元 送顯示 計(jì)算下一個(gè)顯