便携式瓦斯报警仪的设计.doc

山东科技大学学士学位论文摘要矿山是国家经济发展的重要基础之一，它们的良好运转时刻不停地为国家各行业发展提供大量的资源，同时也带来了极大的经济收益。历年来，矿难事件层出不穷，瓦斯燃烧、爆炸性是煤矿特有的极其严重的一种灾害。一旦发生，不仅能够造成大量人员伤亡，而且会严重摧毁井下设施，中断生产。因此瓦斯检测对我国煤矿的安全生产及保护人民的生命财产有着重要的意义。本设计采用热催化甲烷敏感元件（俗称黑白元件）作为检测瓦斯传感器，以51单片机为核心元件，灵活的操作和足够的声光报警是报警仪的关键技术，对矿井中的低浓甲烷实现连续实时监测瓦斯，及时掌握瓦斯浓度的变化，超值报警，本设计仪器在试验后可用贴片元件，具有体积小、重量轻、测量准确，使用维护方便的特点，用于煤矿井下各工作场所测量空气中的瓦斯浓度，以减少矿山瓦斯事故的发生率。此外，设计的报警仪也可以用于家庭煤气报警。通过进一步的型号改进，它还可以用于其他部门。关键词：瓦斯检测；单片机；声光报警；测量准确。AbstractMine is an important foundation for economic development, one of their good functioning at all times for the country to provide the industry a lot of resources, but also brought great economic benefits. Over the years, mine incident after another, gas combustion, coal-specific explosive is a very serious disaster. When it happens, not only can cause heavy casualties, but will seriously destroy the underground facilities, interruption of production. Therefore, detection of gas production in China coal mine safety and protection of peoples lives and property of great significance.This design uses a heat sensitive components Methane (commonly known as black and white components) as the detection gas sensors, microcontroller as the core element 51, flexible operation and enough sound and light alarm device alarm is the key technology, the low concentration of methane in the mine to achieve continuous Real-time monitoring of gas, to grasp the changes in gas concentration, alarm value, the design of instruments available in the test chip components, small size, light weight, measurement accuracy and easy maintenance features, for all coal mine work place Measurement of gas concentration in the air to reduce the incidence of mine gas accident. In addition, the design of the alarm device can also be used for household gas alarm. Model through further improvements, it can be used in other departments.Keywords：gas detection; Single-chip Microcomputer; audible and visual alarm; measurement accuracy.目录摘要-IAbstract-II第一章 绪论1.1课题背景11.2课题研究的目的和意义21.3瓦斯报警仪的发展现状和基本原理4第二章 瓦斯报警仪的硬件分析与设计2.189C52单片机在本设计中的应用92.1.1 单片机简介92.1.2 AT89C52单片机介绍102.1.3 功能特性概述：132.1.4 引脚功能说明：132.1.5 内部寄存器及工作方式172.2 PCF8563实时时钟日历芯片及驱动232.2.1 主流时钟芯片介绍232.2.2 PCF8563的特性242.2.3 PCF8563的管脚配置252.2.4 PCF8563的方框图252.2.5 PCF8563的简明参考数据262.2.6 PCF8563的功能描述272.2.7 PCF8563的极限参数332.2.8 PCF8563的时钟电路图342.3 CD4051八选一模拟开关342.3.1 概述342.3.2 特点352.4 X5045特性介绍362.4.1 特性：362.4.2 管脚描述：372.4.3 功能描述：392.4.4 工作方式402.4.5 内部寄存器设置及使用方法412.5 LM324器件介绍452.6 充电电路原理分析452.6.1 原理分析452.6.2 改进措施472.7 全电路系统的组成与工作原理48第三章 软件分析与驱动设计3.1 PCF8563软件驱动与调试523.1.1 石英晶片频率调整523.1.2 静态特性523.1.3动态特性543.2 八段数码管显示以及键值判断633.2.1 LED数码显示器的结构与显示原理633.2.2 按键及其输入接口653.2.3 八段数码管通过89C52进行显示驱动653.3 AT89C52控制流程以及软件调试773.3.1 声光同步报警部分773.3.2全电路控制部分79第四章 运行与调试4.1 硬件分块调试894.1.1 静态调试894.1.2 动态非线性调试894.2 软件的调试894.3 硬件和软件的联合调试90结束语91致谢辞92参考文献93附录-94附录-95100第一章绪论1.1课题背景矿山是国家经济发展的重要基础之一，它们的良好运转时刻不停地为国家各行业发展提供大量的资源，同时也带来了极大的经济收益。但是，大多数矿山都是深入地下的采撷，这种工作方式是矿山生产安全问题的根源。历年来，矿难事件层出不穷，瓦斯燃烧、爆炸性是煤矿特有的极其严重的一种灾害。一旦发生，不仅能够造成大量人员伤亡，而且会严重摧毁井下设施，中断生产，有时候还会引起瓦斯连续多次爆炸、井巷垮塌、顶板冒落和井下火灾等二次灾害，从而加重事故的灾害程度。矿井瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，有时单独指甲烷(沼气)，它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。在成煤的过程中生成的瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。另外，在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。瓦斯是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg，所以，它常积聚在巷道的上部及高顶处。瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。每个煤矿都必然产生瓦斯，瓦斯是煤矿的副产品，区别就在于浓度的高低。矿井瓦斯等级是以相对瓦斯涌出量的大小来划分的。煤矿安全规程规定，在一个矿井中，只要有一个煤(岩)层发现瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级工作制度进行管理。矿井瓦斯等级，根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为：(1)斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10立方米吨，且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40立方米分。(2)高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10立方米吨，且矿井绝对瓦斯涌出量大于40立方米分。(3)煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出矿井。瓦斯爆炸的发生必须具备三个基本条件，一是瓦斯浓度在爆炸界限内，一般为516；二是有足够能量的点火源；三是混合气体中的氧气浓度不低于12。三个条件缺少其中任何一个均不能发生瓦斯爆炸。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。我国煤层瓦斯形成和分布受着区域构造的控制，依据矿区或煤田煤层瓦斯形成的地质背景、煤层瓦斯的生成条件和保存条件、煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出量的大小、煤与瓦斯突出发生的情况，按照我国的华北地区、华南地区、东北地区、西北地区划分为20个大区和88个带。20个大区中，高瓦斯区8个，低瓦斯区12个；88个瓦斯带中，高瓦斯带36个，低瓦斯带52个。在大区中分布着若干个有煤与瓦斯突出的矿区和矿井，全国具有煤与瓦斯突出的矿区79个，有煤与瓦斯突出矿井274对。1.2课题研究的目的和意义国有煤矿瓦斯治理规定第四条规定：煤矿严禁瓦斯超限作业。发现瓦斯超限作业的，应当追查处理。采掘工作面及其他作业地点风流中瓦斯浓度达到1.0%时，必须停止使用电钻；瓦斯浓度达到1.5%时，必须停止工作，切断电源，撤出人员，进行处理。爆破地点附近20米以内风流中瓦斯浓度达到1.0%时，严禁爆破；爆破作业必须执行“一炮三检”和“三人联锁”放炮制度。1几年来，矿难事故多得让人不敢相信，这家煤矿的事还没有处理完，另一家煤矿又出事了。出事的原因往往大同小异，井下工人违规操作，井下瓦斯检测设备形同虚设，再就是无任何证件的“黑井”。其根源在于煤矿负责人利益熏心，无视其管理规定。根据我国煤矿历年的事故统计数据显示，在煤矿重特大事故中，瓦斯事故居首位（建国以来，我国煤矿共发生一次100人以上的重特大事故就有22起，其中17起事故是瓦斯爆炸事故，约占77.3）。2005年1月25日，大同市浑源县黄花滩乡八河涧村西沟煤矿，瓦斯中毒事件，7人死亡。2005年2月14日，辽宁省阜新孙家湾煤矿，瓦斯爆炸事故，214人死亡，30人受伤。2005年4月26日，内蒙古乌海市康海煤矿发生瓦斯爆炸事故，12人遇难。2006年12月13日，湖南衡阳市常宁市裕民煤矿回采面发生煤与瓦斯突出事故，造成12人死亡。2009年11月21日，黑龙江省龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿发生瓦斯爆炸事故，92人遇难，16人被困。2009年02月22日，山西省焦煤集团屯兰矿发生瓦斯爆炸事故，7人遇难，井下有100余人被困。2009年5月25日，云南镇雄县茶山煤矿发生重大瓦斯爆炸事故，造成10人死亡、3人受伤。2009年09月08日，河南省平顶山市新华区新华四矿发生瓦斯爆炸事故，35人遇难。2009年11月21日，黑龙江省龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿发生瓦斯爆炸事故，92人遇难。2010年6月6日晚7点左右，乌克兰东部顿涅茨克地区一个煤矿发生瓦斯爆炸，造成2人死亡，3人失踪。2瓦斯事故对我国煤矿安全生产和人民的生命财产带来了严重的威胁，因此如何检测瓦斯浓度，控制和防止瓦斯爆炸事故是搞好煤矿生产安全的一项重要任务。建立起瓦斯监控报警系统，对控制瓦斯的浓度具有非常重要的作用。由于瓦斯气体本身的危险性及对煤矿生产造成的巨大危害，因此对瓦斯气体的实时检测及超值报警是一项必要的工作。便携式瓦斯报警仪适用于煤井工作人员个人随身携带，利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的井下相关人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，对现在采矿业的安全起着非常重要的作用。因而便携式瓦斯报警设备是在报警网络的基础上最大限度保证人身安全并在第一时间做向个人发出报警信息的最有效设备。1.3瓦斯报警仪的发展现状和基本原理在矿井瓦斯管理中，瓦斯检测是有效防止瓦斯事故的重要手段。目前，国内便携式瓦斯报警仪从出不穷，瓦斯传感器作为报警仪的主要部件，直接影响到瓦斯报警仪的价格及测量范围精度等性能。常用的瓦斯传感器有热导式和热效式两大类。热导式瓦斯传感器是利用瓦斯与空气的导热系数不同而测量瓦斯浓度的。这种传感器在工作时需通入恒定的电流；将其加热到一定的温度(180左右)：功耗较大；且其中的半导体热敏电阻式传感器受CO2和水蒸汽的影响较大，元件的一致性和互换性也较差。热效式瓦斯传感器(又称热催化式瓦斯传感器)，其工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧，产生热量，使元件电阻因温度升高而发生变化，测知瓦斯的浓度。这种传感器的优点是精度较高，输出信号较大(1%CH4时，输出电压可达15 20mV)，且不受其它燃气和灰尘存在的影响。它的缺点是元件表面温度高(300450)，寿命短(多数国家均保证1年)，功耗大(其加热功率1w；热催化元件功耗为0.30.75w)，易受硫、铅、磷、氯等的化合物干扰而使催化剂中毒，降低其灵敏度。当前我国大量使用的瓦斯检测仪多以载体催化元件为敏感元件来实现瓦斯浓度的测量。其传统的检测原理是由采用带催化剂的敏感元件(俗称黑元件)和不带催化剂的补偿元件(俗称白元件)及相应的匹配电阻等组成惠斯登测量电桥。在无可燃性气体时桥路平衡，当空气中的可燃性气体扩散至传感器检测元件时，即在其表面产生氧化反应，检测元件温度升高，阻值变大，桥路失去平衡，经放大调整，输出与可燃性气体浓度成线性关系的420mA DC标准电流信号。但当瓦斯的浓度达到5%或以上时，由于无焰燃烧产生的热量过大，催化元件的表面温度可达8001 000，致使元件本身成为一个不安全因素。此外，由于温度升高时，催化元件表面涂覆的催化剂将挥发和烧结，造成表面积减小，使灵敏度降低，从而缩短使用寿命，降低了调零和校正灵敏度的效验周期。为克服无焰燃烧时产生的热量导致催化元件温度上升的缺陷，设计提出了一种新的检测恒温测量瓦斯浓度的仪器。载体催化元件恒温控制和瓦斯浓度检测原理如图1-1所示。在该系统中，测量电桥既作为整个自动温度控制系统的温度传感器来使用，又作为瓦斯浓度传感器来使用。其具体原理为：由黑白元件构成的惠斯登电桥将检测到的瓦斯催化燃烧反应的温度信号隔离放大后送入单片机的A/D转换器，A/D转换后的温度数据与预先设定的燃烧控制温度比较产生温度误差信号。误差信号控制脉冲直流电源产生不同脉冲宽度的直流脉冲给测量电桥，实现对催化元件的加热控制。在一定瓦斯浓度范围内，控制催化反应燃烧温度，达到恒温测量瓦斯浓度。采用载体催化元件检测瓦斯时，只要维持瓦斯-空气混合气体中有足够的氧，并维持一定的高温条件，通常采用加热元件加热到500左右，就会在载体催化元件表面产生无焰燃烧，放出大量的热量。瓦斯氧化过程的反应方程式为： (1.1) （载体催化元件使用Pt、Pd等金属催化剂。Pt、Pd等过渡金属元素是较好的加氢脱氢催化剂，可以化学吸附瓦斯，使瓦斯离解，一般称为离解化学吸附）催化元件反应时的静态热平衡方程为： (1.2)公式（1.2）中是单位时间内工作电流通过催化元件产生的热量；为可燃性气体在载体催化元件表面发生氧化反应所产生的热量，它与瓦斯浓度成正比；为传导热时催化传感元件通过导线和空气传递的热量；为热辐射所耗散的热量；、S、A是元件结构参数；t0为环境温度；t1为催化元件无焰燃烧温度。图1-1 载体催化元件控制和瓦斯浓度检测原理框图由于催化元件工作在一个相对封闭的冶金粉末罩中，对空气的对流热耗散很小，可忽略不计。带催化剂的敏感元件(俗称黑原件)和不带催化剂的补偿元件(俗称白元件)及相应得匹配电阻等组成惠斯登测量电桥。黑白元件的电阻值相近，成对封装在经过罐封得粉末冶金室(也称燃烧室或工作室)，其中黑白两个元件分别接在电桥的两个相邻臂上。向载体催化元件通以恒定的工作电流，将其加热到高温时，当空气中含有瓦斯及其他可燃性气体时，元件表面发生强烈的氧化反应而产生热量，元件温度升高，使元件铂丝骨架的电阻值增加，根据输出电压的变化情况，检测出无焰燃烧的温度。3传统的检测原理是：采用惠斯登电桥测量载体催化元件的电阻变化量。将黑元件与白元件作为电桥的相邻臂置于同一测定气室中，在无瓦斯的新鲜空气中，调整电桥使之平衡，即令电桥输出电压信号为零。黑、白元件中流过相同的恒定电流，并使两元件温度上升到500左右。当瓦斯进入气室时，瓦斯与氧气在敏感元件表面吸附作用下催化燃烧，放出反应热，使敏感元件温度上升，从而引起敏感元件电阻值增加，而补偿元件的电阻值不变，从而导致电桥失去平衡，产生一个与瓦斯浓度成正比的输出电压信号，测出此信号的大小即可得知瓦斯浓度的高低。图1-2 瓦斯检测桥路如图1-2中，当电桥输出端接至高输入阻抗装置(如运算放大器或数字电压表等)时，电桥相当于工作在输出开路状态，其输出电压为: (1.3)当满足则称电桥处于平衡状态，其输出电压UO，输出电流Ig均为零。设R1为工作臂，在测量过程中，R1变化到，破坏了电桥平衡，产生的输出为: (1.4)得： (1.5)式中，将串联对称条件R1=R3，R2=R4代入上式得： (1.6)一般最大不会超过10%，所以可将上式中含有2的项忽略，则得线性化方程为： (1.7)公式（1.7）即为瓦斯检测桥路的电压输出表达式。本报警仪由瓦斯传感器、电桥电路、A/D转换电路、智能化信号处理电路、显示报警电路、充电控制电路等组成。气体敏感元件采用低功耗热催化甲烷敏感元件，该元件置于检测电桥中，电桥的供电电压2.80V。电桥的输出信号电压经过放大和A/D转换后，变成数字信号，进入单片机进行处理。显示电路由四个数码管构成。报警电路由蜂鸣器、发光二机管构成，当甲烷浓度达到设定的报警点时，发出声光信号报警。充电控制电路用于控制仪器的充电，并保护电池。第二章瓦斯报警仪的硬件分析与设计2.189C52单片机在本设计中的应用2.1.1 单片机简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。4常用单片机芯片有：STC单片机：STC公司的单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快812倍，带A/D，4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。PIC单片机：是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。EMC单片机：是台湾义隆公司的产品，有很大一部分与PIC 8位单片机兼容，且相兼容产品的资源相对比PIC的多，价格便宜，有很多系列可选，但抗干扰较差。ATMEL单片机(51单片机)：ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列，AT89系列是8位Flash单片机，与8051系列单片机相兼容，静态时钟模式；AT90系列单片机是增强RISC（指令集计算机）结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机，也叫AVR单片机。PHLIPIS 51PLC系列单片机(51单片机)：PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机，嵌入了掉电检测，模拟以及片内RC振荡器等功能，这使51PLC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。HOLTEK单片机：台湾盛扬半导体的单片机，价格便宜，种类较多，但抗干扰较差，适用于消费类产品。TI公司单片机(51单片机)：德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机。TMS370系列单片机是8位CMOS单片机，具有多种存储模式、多种外围接口模式，适用于复杂的实时控制场合；MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机，特别适用于要求功耗低的场合。松翰单片机（SONIX）：是台湾松翰公司的单片，大多为8位机，有一部分与PIC 8位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有PMW、ADC、内振、内部杂讯滤波。缺点RAM空间过小，抗干扰较好。2.1.2 AT89C52单片机介绍MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面也已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S52、已经停产的89C52等），各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极其深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而以。同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如ATMEL的89C51（已经停产）、89S51，PHILIPS和WINBOND（华邦）等，我们常说的已经停产的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取带了原来的ROM（一次性写入），AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。不过在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。89S51就是在这样的背景下取代89C51的。现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51，将用AT89S51代替。89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低，而且将功能提升，增加了竞争力。89SXX可以向下兼容89CXX等51系列芯片。同时，Atmel不再接受89C5XX的定单，大家在市场上见到的89C51实际都是Atmel前期生产的巨量库存而以。89S51相对于89C51增加的新功能包括：n 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。n 最高工作频率为33MHz，89C51的极限工作频率只有24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。n 具有双工UART串行通道。 n 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。n 双数据指示器。n 电源关闭标识。n 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。 n 兼容性方面：向下完全兼容51全部子系列产品。比如8051、89C51等等早期的MCS-51兼容产品。AT89C52是51系列单片机的一个型号，是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机。片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存储数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，能与标准MCS-51及8052产品指令系统相兼容，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机拥有较高的性价比，能够满足其设计要求，适合于许多较为复杂控制应用场合。其主要性能参数如下： 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容 8k字节可重擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz24MHz 三级加密程序存储器 2568字节内部RAM 32个可编程I/O口线 3个16位定时/计数器 6个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式图2-1 AT89C52管脚图2.1.3 功能特性概述：AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持良种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。2.1.4 引脚功能说明：AT89C52管脚如图2-1所示。Vcc：运行和程序校验时接+5V电源GND：电源地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写1时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在校验程序时，输出指令字节，接收时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可以分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。参见表2-1。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。表2-1 P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出P1.1T2EX(定时/计数器2捕获/重装载触发和方向控制)P2口：P2是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程和程序校验时，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3口：P3是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平并可作输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。此外， P3口还接收一些用于Flash编程和程序校验的控制信号，更重要的是它的第二功能如表2-2所示。RST（/VPD）：RSE为复位信号输入端。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将单片机复位。（VPD为内部RAM的备用电源输入端）ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存P0扩展地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出定时或用于其他目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将丢失一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。表2-2 P3口第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2(外部中断0)P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1(定时/计数器1)P3.6(外部数据存储器写选通)P3.7(外部数据存储器读选通)：外部程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据时），每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次信号。可驱动8个LSTTL门输入。/VPP：为外部程序存储器访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存端状态。如果端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。VPP为21V编程电源输入。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.1.5 内部寄存器及工作方式特殊功能寄存器（SFR）：在AT89C52片内存储器中，80H-FFH地址空间内共128个单元为特殊功能寄存器。并非所有的地址都被定义，从80H-FFH共128个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也会丢失。不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。凡是字节地址能被8整除的SFR都具有位地址。AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。定时/计数器2的控制位和状态位位于T2CON，T2MOD。寄存器中RLCK、TCLK、CP/分别为串行口接受时钟标志、串行口发送时钟标志、捕捉/重装载标志，三者共同决定定时/计数器2工作在16位捕捉方式，16位自动重装载方式下的定时/计数器方式或串行口波特率发生器方式。中断寄存器：AT89C52有6个中断源，2个中断优先级，可实现二级中断嵌套，IE寄存器控制各中断位，IP寄存器中6个中断源的每一个可定为2个优先级。数据存储器：AT89C52有256个字节的内部RAM，80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问7FH以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式是决定访问高128字节RAM还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H（即P2口）地址单元。MOV 0A0H，#data间接寻址访问指令访问高128字节RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0的内容为0A0H，则访问数据字节地址为0A0H，而不是P2口（0A0H）。MOVR0，#data堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128位数据RAM亦可以作为堆栈区使用。定时器0和定时器1：AT89C52的定时器0和定时器1的工作方式与 AT89C51相同：有程序选择作为定时器或作为计数器使用，定时时间或计数值由程序设定。定时器/计数器工作方式寄存器TMOD用于选择定时器的工作方式，低四位用于控制定时器/计数器0，高四位用于控制定时器/计数器1。定时器/计数器控制寄存器TCON的高四位用以控制定时器0、1的运行，低四位用于控制外部中断。5四种工作方式为：工作方式0（13位定时器/计数器），工作方式1（16位定时器/计数器），工作方式2（自动重装的8位定时器/计数器），工作方式3（只适用于定时器T0，两个独立的8位加法计数器）。定时器2：定时器2是一个16位定时/计数器。它既可以当定时器使用，也可以作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON的C/位选择。定时器2有三种工作方式：捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON的控制位来选择，参见表2-3。表2-3 定时器2工作方式RCLK+TCLKCP/TR2MODE00116-bit Auto-reload01116-bit Capture1*1Baud Rate Generator*0(Off)定时器2由两个8位寄存器TH2和TL2组成，在定时器工作方式中，每个机器周期TL2寄存器的值加1，由于一个机器周期由12个振荡时钟构成，因此，计数速率为振荡频率的1/12。在计数工作方式时，当T2引脚上外部输入信号产生由1至0的下降沿时，寄存器的值加1，在这种工作方式下，每个机器周期的S5P2期间，对外部输入进行采样。若在第一个机器周期中采到的值为1，而在下一个机器周期中采到的值为0，则在紧跟着的下一个周期的S3P1期间寄存器加1。由于识别1至0的跳变需要2个机器周期（24个振荡周期），因此，最高计数速率为振荡频率的1/24。为确保采样的正确性，要求输入的电平在变化前至少保持一个完整周期的时间，以保证输入信号至少被采样一次。6捕获方式：在捕获方式中，单片机将提供两种位方式：如故EXEN2=0，定时器2作为一个16位的定时或计数器，并且可以对T2CON的溢出标志TF2置位，激活中断。如果EXEN2=1，定时器2将执行相同的操作，但是T2Ex引脚外部输入信号发生1至0负跳变时，也出现TH2与TL2中的值分别被捕获到RSAP2H 与 RSAP2L中。另外，T2EX引脚信号的跳变使得T2CON中的EXF2置位，和TF2相同，EXF2也会激活中断。自动重装载（向上或向下计数器）方式：当定时器2工作于16位自动重装载方式时，能对其编程为向上或向下计数方式，这个功能可通过特殊功能寄存器T2CON的DCEN位（允许向下计数）来选择的。复位时，DCEN位置“0”，定时器2默认设置为向上计数。当DCEN置位时，定时器2既可以向上计数也可以向下计数，这取决于T2EX引脚的值。当DCEN=0时，定时器2自动设置为向上计数，在这种方式下，T2CON中的EXEN2有两种选择，若EXEN2=0，定时器2为向上计数至0FFFFH溢出，置位TF2激活中断，同时把16位计数寄存器RCAP2H和RCAP2L重装载，RCAP2H和RCAP2L的值可由软件预置。若EXEN2=1，定时器2的16位重装载由溢出或外部输入端T2EX从1至0的下降沿触发。这个脉冲使EXF2置位，如果允许中断，同样产生中断。波特率发生器： 当T2CON中的TCLK和RCLK置位时，定时/计数器2作为波特率发生器使用。如果定时/计数器2作为发送器或接收器，其发送和接收的波特率可以是不同的，定时器1用于其它功能。若TCLK和RCLK置位，则定时器2工作于波特率发生器方式。波特率发生器的方式与自动重装载方式相仿，在此方式下，TH2翻转使定时器2的寄存器用RCAP2H和RCAP2L中的16位数值重新装载，该数值由软件设置。在方式1和方式3中，波特率由定时器2的溢出速率根据下式确定： (2.1)定时器既能工作于定时方式也能工作于计数方式，在大多数的应用中，是工作在定时方式（C/T2=0）。定时器2作为波特率发生器时，与作为定时器的操作是不同的，通常作为定时器时，在每个机器周期（1/12振荡频率）寄存器的值加1，而作为波特率发生器使用时，在每个状态时间（1/2振荡频率）寄存器的值加1。波特率的计算公式如下： (2.2)式中（RCAP2H，RCAP2L）是RCAP2H和RCAP2L中的16位无符号数。全双工通用异步串行接口（UART）：对串口的访问和设置是通过相关的特殊功能寄存器进行的，与此有关的特殊寄存器为：串行数据缓存器SBUF、串行口控制寄存器SCON和电源控制寄存器PCON。四种工作方式为：方式0（同步移位寄存器方式）、方式1（波特率可变的8位异步通信方式）、方式2（固定波特率的9位异步通信方式）、方式3（波特率可变的9位异步通信方式）。中断：AT89C52共6个中断向量：两个外中断（INT0和INT1），3个定时器中断（定时器0、1、2）和串行口中断。这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE的置位或清0来控制每一个中断的允许或禁止。IE也有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。定时器2的中断是由T2CON中的TF2和EXF2逻辑或产生的，当转向中断服务程序时，这些标志位不能被硬件清除，事实上，服务程序需确定是TF2或EXF2产生中断，而由软件清除中断标志位。定时器0和定时器1的标志位TF0和TF1在定时器溢出那个机器周期的S5P2状态置位，而会在下一个机器周期才查询到该中断标志。然而，定时器2的标志位TF2在定时器溢出的那个机器周期的S2P2状态置位，并在同一个机器周期内查询到该标志。时钟振荡器：AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF10pF。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟时外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。空闲节电模式：在空闲工作模式状态，CPU自身处于睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，同时将片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容冻结。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。由硬件复位终止空闲状态只需两个机器周期有效复位信号，在此状态下，片内硬件禁止访问内部RAM，但可以访问端口引脚，当用复位终止空闲方式时，为避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内 容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器，但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。Flash存储器的编程：AT89C52单片机内部有8k字节的Flash E2PROM，这个Flash存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用E2PROM编程器兼容。它的程序存储器矩阵式是采用自己写入的方式编程，每次写入一个字节，要对整个芯片内的E2PROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内存清除。2.2 PCF8563实时时钟日历芯片及驱动2.2.1 主流时钟芯片介绍现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、SD2068、PCF8563等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RA