单片机控制的多功能窗户

1 摘 要 本文详细介绍了国内 多功能窗 的发展现状， 发展中所面临的问题。从产品质量、性能及应用方面看多功能窗的差距；整个行业看多功能窗所存在的问题以及它的发展趋势。同时也详尽的介绍了此次设计中最重要的组成部件 单片机的概念 、工作原理及设备总体结构，其中包括 MCS-51 的 发展历程 ，选型依据。设计了一种基于单片机MCS-51 的 多功能窗的设计 ，介绍了所选用的 8031、 8255 等单片机。 关键词 ： 多功能窗 ， 单片机 ， 传感器 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 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 窗 户 的发展概述 . 1 1.2 总体方案确定 . .2 第 2 章 系统硬件设计 . .4 2.1 MCS 51 单片机主要应用特性 . 4 2 . 2 控 制 原 理 图 . .6 2.3 微型处理器 . .8 2.3.1 8031 性能特点 . . 8 2.3.2 8031 硬件结构及引脚功能 . 8 2.4 系统扩展 .11 2.4.1 I/O 接口的扩展 . 11 2.4.1.1 8255A 内部结构和引脚功能 . . 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 与 CPU8031 的接口 16 2.4.2 存储功能扩展 .17 2.4.2.1 锁存器 74LS373 的引脚及功能 . .17 2.4.2.2 2764 EPROM .18 2.5 输入 /输出接口系统设计 . . 20 2.5.1 键盘系统设计 . . .20 2.5.2 显示系统设计 . 21 2.5.2.1 LED 数码管的结构及显示原理 . 21 2.5.2.2 74LS138 结构及功能 . 21 4 2.5.2.3 74LS377 结构及功能 . 22 2.5.3 显示电路 . .22 2.6 传感 器选择与设计 . . 23 2.6.1 光电开关的原理 . 23 2.6.2 气体传感器 . 24 2.7 电机控制电路设计 . 24 2.7.1 固态继电器介绍 . 25 2.7.2 电机控制电路原理 . . 26 2.8 电源 . 26 第 3 章 系统软件设计 . 28 3.1 主程序 . 28 3.2 显示子程序流程图 . 30 3.3 输入给定值中断服务程序 . . 31 第 4 章 结论 . 32 参考文献 .33 致谢 .34 5 第 1 章 绪论 随着我国 建筑 行业规模的不断发展， 窗户 呈现出种类数目不断增多、丰富的局面。尤其是 窗户 的生产质量的不断提高，对 窗户 的 生产 技术提出了更高的要求，特别是对窗户多功能性 提出了更新更高的要求。在当前各种多功能逐渐进入各企业的情况下，我们有必要对国产 窗户多功能性 的应用现状及发展作进一步探讨。 1.1 窗 户 的发展概述 窗户是是建筑的眼睛，它在建筑与环境、户内与户外既沟通又分离起到多重实用功能。从人类家居历史上看，窗框架经历了由木窗、钢窗、铝合金窗、塑钢 窗到现在的节能断桥铝塑复合窗的一个发展过程。从这个过程中我们能看到，随着新材料和新技术的不断涌现，窗框架的功能也从简单保温隔热到环保节能美观。就正如一个身怀绝技的武林高手一般，不断的习武不断的历练，最 TodayHot终天下无敌。 传统材料的木窗由于容易腐蚀现在已经很少做为室内外的分界窗，由于它本身木纹质感强，容易做各种造型和图案所以现在常做为室内装饰窗。进入现代钢窗由于其强度好，不易变形的特点被开始被广泛使用，随后铝合金窗和塑钢窗相继开始涌现，近些年来 ,中国铝合金型材行业发展很快 ,形成了正规的行 业体系 ,企业的产品、技术档次、销售服务有了很大的提高，出口方面全球最多，产量世界第一。从未来几年来看 ,铝合金型材、尤其是节能环保铝合金型材市场还将前景广阔。塑钢窗一出现，其时尚的外观，良好的性价比很快就赢得了人们的青睐，由于其装饰性强、手感好，开启灵活，清洁方便，良好的密封性和隔热性，经久耐用。短短几年时间就抢占了铝合金窗的 “半壁江山 ”。有资料表明这种内含钢衬的塑料门窗在欧美等发达国家也非常风光，市场占有率很高，如：德国占 52，英国占 38%，美国占 30%以上，一向对产品品质非常挑剔的发达国家也对塑钢窗如此 垂青，自然有其原因。第五代新型节能门窗型材 全新的铝塑铝复合门窗型材为外面两侧是铝合金型材，中间隔热体是改性多腔 PVC型材。其优点是既有铝合金的高强度、重量轻、美观、耐腐、加工简单，又有塑钢型材隔热的特点，具有非常好的隔热节能效果。现在被很多建筑广泛采用。 在当今能源日益紧缺的严峻形势下，生产节能、环保的产品已成为各行各业的发展方向。所以节能环保材质的窗框架必将大行其道。 1.2 总体方案确定 6 根据“ 多功能 ”这一目的要求，做如下设计安排： 1.防有害气体泄漏：自动检测室内煤气、烟雾、酒精等有害气 体浓度 ,达到设定阈值后自动开窗 ,并启动排风扇或空调等通风 ；2.防盗报警：由热释电人体红外探头检测从窗外靠近的人体 ,及时关窗上锁并发出报警讯号 ；3.防潮湿：当下雨或浓雾 ,空气湿度大时自动关窗 ；4.天色黑暗时自动关窗 (可设置为 ON或 OFF)；5.定时开关：按设定时间打开或关闭窗子。 图 1-1 控制原理图 如图 1-1 所示， 单片机采用中断查询工作方式。气敏传感器的信号经 IC4A 放大 ,使 IC4B 翻转 ,经光耦隔离向 N3 和 N1 输入的高电平 ,反相后 N3 触发中断 0,单片机查到 P3 1 为低电平后 ,向 P1 0、 P1 1 输出开 窗指令 ,经隔离后 ,Q1 Q4 驱动电机M1 打开窗子 ；P 2 口由高转低 ,Q5 导通 ,J1 常开触点吸合 ,启动排风扇或空调等。 C2可消除一定的干扰 ,以免误触发。为简化电路 ,图中只画出了一路传感器输入。 P3 4、P3 5、 P3 7 分别接受来自热释电、湿敏、光敏探头的信号。 SW2 为多功能按钮 ,7 不按 SW1 时 ,SW2 为手动开 /关窗键 ；按一下 SW1,触发中断 1,进入设定时间方式 ,每按一下 SW2 设定时间增加半小时 ,停止按键 30 秒后设置结束 ,定时器开始工作 ；防盗报警被触发后 ,按一下 SW2,可终止讯响器 SPEAKER 的鸣叫。 K1、 K2 为窗子开闭到位检测开关 ,J2 为窗锁电磁铁线圈 ,关窗到位后为窗子上锁。 LED 作多功能指示：上电后LED 亮 ,指示处于初始延时 (由于传感器的初始不稳定性 ,必须有较长时间的延时 )；设定时间时 ,每按一下 SW2,LED 闪烁一次 ,确认键输入有效 ；当气体检测动作后 LED 也点亮 ,其余时间均熄灭。 图中 N1 等都为三极管 ,N3 为五只二极管和 1 只三极管构成的或非门 ,4 只传感器信号的放大比较由两块四运放完成。为了工作稳定 ,单片机与外围电路完全隔离 ,单独供电。整个电路安装在铝合金窗框内 ,在窗框外侧为传感器开检测孔 ,气敏探头另一 根线引出安装在需检测的位置。 M1 连同机械传动机构安装在活动窗叶上 ,通过特殊方式与驱动电路连接 (整个机械传动部分已申报专利 )。为了防止 M1 因机械部分的阻滞而烧毁 ,程序需对开、关窗过程进行检测 ,当活动窗叶发生卡阻时可自动回退并再次尝试。三次尝试仍不能正常开关时 ,停止动作并发出报警信号。在 RST 端加有强制复位键。 8 第 2 章 系统硬件设计 2.1 MCS 51 单片机主要应用特性 MCS-51 单片机是美国 Intel 公司于 1980 年推出的 窗户 ,与 MCS-48 单片机相比，它的结构更先进 ，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令 ,指令数达 111 条， MCS-51 单片机可以算是相当成功的 窗户 ，一直到现在， MCS-51 系列或其兼容的单片机仍是应用的主流 窗户 ，各高校及专业学校的培训教材仍 用 MCS-51 单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的 设计 。 MCS-51 系列单片机主要包括 8031、 8051 和 8751 等通用 窗户 ，其主要功能如下： 8 位 CPU 4kbytes 程序存储器 (ROM) 128bytes 的数据存储器 (RAM) 32 条 I/O 口线 111 条指令 ，大部分为单字节指令 21 个专用寄存器 2 个可编程定时 /计数器 5 个中断源， 2 个优先级 一个全双工串行通信口 外部数据存储器寻址空间为 64kB 外部程序存储器寻址空间为 64kB 逻辑操作位寻址功能 双列直插 40PinDIP 封装 单一 +5V 电源供电 MCS-51 以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代 “名机 ”，为以后的其它单片机的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多 世界大的电气商丰富和发展了 MCS-51 单片机， 像 PHILIPS、Dallas、 ATMEL 等著名的半导体公司都推出了兼容 MCS-51 的单片机 窗户 ，就连我国的台湾 WINBOND 公司也发展了兼容 MCS-51 的单片机品种。 近年来 MCS-51 获得了飞速的发展， MCS-51 的发源公司 Intel 由于忙于开发 PC及高端微处理器而无精力继续发展自己的单片机，而由其它厂商将其发展，最典型的是 PHILIPS 和 ATMEL 公司， PHILIPS 公司主要是改善其性能，在原来的基础上发展9 了高速 I/O 口， A/D 转换器， PWM(脉宽调制 )、 WDT 等增强功能，并在低电压、微功耗、扩展串行总线 (I2C)和控制网络总线 (CAN)等功能加以完善。 ATMEL 公司推出的 AT89Cxx 系列兼容 MCS-51 的单片机，完美地将 Flash(非易失闪存技术 )EPROM 与 80C51 内核结合起来，仍采用 MCS-51 的总体结构和指令系统， Flash 的可反擦写程序存储器能有效地降低开发费用，并能使单片机作多次重复使用。 8051 是 MCS-51 系列单片机中的代表 窗户 ，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、 21 个专用控制寄存器、 4kB 的程序存储器、 128 字节 的数据存储器、 4 组 8 位的并行口、两个 16 位的可编程定时 /计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。 MCS-51 采用模块式结构， MCS-51 系列中各种加强型单片机都是以 8051 为 核心加上一定的新的功能部件后组成的，从而使它们完全兼容。表 2-1 为 MCS-51 系列单片机常用 窗户 特性。 表 2-1 MCS-51 系列单片机常用 窗户 特性 型号 片内存储器 I/O 线 定时器 /计数器 片外寻址空间（ KB） 程序 数据 程序 数据 8051 4K ROM 128 32 2 个 16 位 64 64 8751 4K EPROM 128 32 2 个 16 位 64 64 8031 无 128 32 2 个 16 位 64 64 80C51 4K ROM 128 32 2 个 16 位 64 64 87C51 4K EPROM 128 32 2 个 16 位 64 64 80C31 无 128 32 2 个 16 位 64 64 8052 4K ROM 256 32 3 个 16 位 64 64 8752 4K EPROM 256 32 3 个 16 位 64 64 8032 无 256 32 3 个 16 位 64 64 MCS-51 具有比较大的寻址空 间，地址线宽达 16 条，即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达 216=64kB，这作为单片机控制来说已是比较大的，这同时具备对 I/O 口的访问能力。此外， MCS-51 采用模块化结构，可方便地增删一个模块就可使 引脚和指令兼容的新 窗户 ， 从而容易使 窗户 形成系列化。 10 由于 MCS-51 集成了几乎完善的 8 位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。 MCS-51 的指令系统近乎完善，指令系统中包含了全面的数据传 送指令、完善的算术和逻辑运算指令、方便的逻辑操作和控制指令、对于编程来说，是相当灵活和方便的。 MCS-51 单片机的工作频率为 2-12MHz，当振荡频率为 12MHz 时，一个机器周期为 1us,这个速度应该说是比较快的。 MCS-51 把微型计算机的主要部件都集成在一块 芯 片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。因此，在工业测控系统中，使用单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低 端控制系统最佳器件。 鉴于 MCS-51 的以上特点，本文的设计就是基于 MCS-51 的 8031 型号单片机来设计的 多功能窗控制 系统。 11 2.2 控制原理图 图 2-2 控制原理图 在本系统设计的自动装箱系统中，采用 8031 单片机设计一个最小系统，为了读键盘给定值及完成检测和控制，系统中扩展一片 8255A 可编程接口及程序存储器EPROM 2764 其原理图如图 2-2 所示 。 12 2.3 微型处理器 8031 单片机是 Intel 公司生产的 MCS-51 系列单片机中的一种，除无片内 ROM外，其余特性与 MCS-51 单片机基本一 样。 2.3.1 8031 性能特点 8031 的主要性能包括 : （ 1） 与 MCS-51 位控制器 窗户 系列兼容。 （ 2） 宽工作电压范围， VCC 可为 2.7V 6V。 （ 3） 全静态工作，可从 0Hz 至 16Hz。 （ 4） 128 8 位内部 RAM。 （ 5） 32 条可编程 I/O 线。 （ 6） 两个 16 位定时器 /计数器。 （ 7） 中断结构具有 5 个中断源和 2 个优先级。 2.3.2 8031 硬件结构及引脚功能 8031 的内部硬件结构如图 2-3 所示： 图 2-3 8031 引脚图 在图 2-3 中所示， 8031 单片机采用 40 引脚双列直插封 装 (DIP)形式。采用方形封13 装工艺。由于受到引脚数目的限制，所以有一些引脚具有第二功能。在单片机的 40条引脚中，有 2 条专用于主电源的引脚， 2 条外接晶体的引脚， 4 条控制和其它电源复用的引脚， 32 条输入 /输出引脚。下面分别说明这些引脚的名称和功能。 （ 1）主电源引脚 Vcc 和 GND Vcc：芯片主电源，正常工作时接 +5V 电源。 GND：接电源地。 （ 2）时钟振荡引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1: 接外部晶体的一端。在单片内部，它是反相放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。在测外部时钟电路时，对于 HMOS 单 片机，此引脚必须接地；对 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2: 接外部晶体的另一端。在单片机内部 ,接至上述振荡器的反相放大器的输出端，振荡器的频率是晶体振荡频率。若采用外部时钟电路时，对于 HMOS 单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于 CHMOS 单片机，此引脚应悬空 （ 3）控制信号引脚 RST/Vpd、 ALE/PROG 、 PSEN 和 EA /Vpp。 ALE/PROG : 地址锁存使能输出 /编程脉冲输入端。在扩展系统时， ALE 用于控制把 P0 口输出的低 8 位地址锁存起来，以实现低 8 位地址和数据的隔离， P0 口作为数据地址复用口线。当访问单片机外部程序或数据存储器或外接 I/O 口时， ALE 输出脉冲的下降沿用低 8 位地址的锁存信号；即使不访问单片机外部程序或数据存储器或外接 I/O 口， ALE 端仍以晶振频率的 1/6 输出脉冲信号，因此可以作为外部时钟或外部定时信号使用。但应注意，此时不能访问单片机外部程序、数据存储器或外设 I/O接口。 PSEN : 片外程序存储器读选通信号。在 CPU 向片外程序存储器读取指令和常数时，每个机器周期 PSEN 两次低电平有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器或I/O 接口时无效出现。 EA /Vpp: 访问程序存储器控制信号 /编程电源输入端。当 EA 端输入高电平时，单片机访问片内的程序存储器，在低 4KB 地址时，将自动转向执行外部程序存储器的程序。当 EA 输入低电平时， CPU 仅访问片外程序存储器。在对 8751EPROM 编程时，此引脚接 +21V 的编程电压 VPP。 RST/Vpd: 复位 /掉电保护信号输入端。单片机上电后，只要在该引脚上输入 24个振荡周期 2 个机器周期 0 宽度以上的高电平就会使单片机复位；若在 RST 与 Vcc之间接一个 10 F 的电容 ，则可实现单片机上电自动复位。 RST/Vpd 具有复位功能，在主电源 Vcc 掉电期间，该引脚可接上 +5V 的备用电源。当 Vcc 掉到低于规定的电平，而 Vpd 在其规定的电压范围内时， +5V 就向片内 RAM 提供备用电源，以保持14 片内 RAM 中的数据不丢失，复位后能继续正常运行。 （ 4） 输入 /输出（ I/O）引脚 P0、 P1、 P2、 P3（共 32 根） P0.0 P0.7: P0 口是一个 8 位双向 I/O 端口。在访问片外存储器时，它分时提供低 8 位地址和作 8 位双向数据总线。在 EPROM 编程时，从 P0 口输入指令字节；在验证程序时，则输出指令字节 (验证时要外接上拉电阻 )。 P0 口能一吸收电流的方式驱动 8 个 LSTTL 负载。 P1.0 P1.7: P1 口是 8 位准双向 I/O 端口。在 EPROM 编程和程序验证时，它输入低 8 位址。 P1 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。 P2.0 P2.7: P2 口是 8 位准双向 I/O 端口。在 CPU 访 问外部存储器时，它输出高8 位地址。在对 EPROM 编程和程序验证时，它输出高 8 位地址。 P2 口可驱动 4 个LSTTL 负载。 P3.0 P3.7: P3 口是 8 位准双 I/O 端口。它是一个复用功能口。作为第一功能使用时，为普通 I/O 口，其功能和操作方法与 P1 口相同。作为第二功能使用时 ,各引脚的定义如表 2-2 所示。 P3 口的每一引脚均可独立定义第一功能的输入输出或第二功能。 P3 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。 表 2-2 各口线的第二功能定义 口线 引脚 第二功能 P3.0 10 RXD（串行输入口） P3.1 11 TXD（串行输出口） P3.2 12 0INT （外部中断 0） P3.3 13 1INT （外部中断 1） P3.4 14 T0（定时器 0 外部输入） P3.5 15 T1（定时器 1 外部输入） P3.6 16 WR （外部数据存储器写脉冲） P3.7 17 RD （外部数据存储器读脉冲） 2.4 系统扩展 15 8031 具有很强的扩展功能，允许扩展各 种外围电路以补充片内资源不足，适应特定应用的需要，扩展内容包括数据存储器、程序存储器、 I/O 接口等扩展结构如图2-4 所示： 图 2-4 8031 系统扩展结构图 2.4.1 I/O 接口的扩展 由于我们采集的数据量较多，因此 CPU 的 I/O 口线不够用，所以我们使用 8255A来扩展 I/O 口，以满足系统的要求。 8255A 是 Intel 公司生产的通用可编程并行 I/O 接口芯片。 8031 和 8255A 相连可为外设提供三个 8 位 I/O 端口，允许采用同步、异步和中断方式传送 I/O 数据。 2.4.1.1 8255A 内部结构和引脚 功能 （ 1）内部结构 8255A 内部由四部分电路组成。它们是 A 口、 B 口和 C 口， A 组控制器和 B 控制器，数据缓冲器及读写控制逻辑，如图 2-5 所示。 A 口、 B 口和 C 口。 A 口、 B 口和 C 口均为 8 位 I/O 数据口，但结构上略有差别。 A 口由一个 8 位的数据输出缓冲 /锁存器和一个 8 位的数据输入缓冲 /锁存器组成。B 口由一个 8 位的数据输出缓冲 /锁存器和一个 8 位的数据输入缓冲器组成。三个端口都可以和外设相连，分别传送外设的输入 /输出数据或控制信息。 A、 B 组控制电路。这是两组根据 CPU 的命令字控制 8255 工作方式的电路。A 组控 制 A 口及 C 口的高 4 位， B 组控制 B 口及 C 口的低 4 位。 数据总线缓冲器。它是一个 8 位的双向三态驱动器，用于与单片机的数据总线相连，传送数据或控制信息。 读 /写控制逻辑。这部分电路接收 MCS-51 送来的读 /写命令和选口地址，用于控制对 8255A 的读 /写。 8031 数据存储器 I/O 接口 程序存储器 16 图 2-5 8255A 芯片的内部结构图 （ 2）引脚功能 8255A 有 40 条引脚，采用双列直插式封装。如图 2-6 所示。 17 图 2-6 8255A 引脚图 数据总线（ 8 条）： D0 D7:三态双向数据总线， 8255A 与 CPU 数据传送的通道，当 CPU 执行输 入输出指令时，通过它实现 8 位数据的读 /写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。 控制总线（ 6 条）： RESET: 复位信号，输入高电平有效。一般和单片机的复位相连，复位后， 8255A所有内部寄存器清 0，所有口都为输入方式。 CS :片选信号线，当这个输入引脚为低电平时有效，表示芯片被选中，允许 8255A与 CPU 进行通讯。 RD :读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许 8255A 通过数据总线向 CPU发送数据或状态字。 WR :写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许 CPU 将数据或控制字写入8255A。 A0、 A1：地址输入线。当 =0，芯片被选中时，这两位的 4 种组合 00、 01、 10、11 分别用于选择 A、 B、 C 口和控制寄存器。 其组合如表 2-3。 表 2-3 8255A 控制信号功能表 18 CS A1A2 RD WR 端口地址 端口 功能 0 00 0 1 00 H A 口 读 A 口 0 00 1 0 00 H A 口 写 A 口 0 01 0 1 01H B 口 读 B 口 0 01 1 0 01H B 口 写 B 口 0 10 0 1 02H C 口 写 C 口 0 10 1 0 02H C 口 读 C 口 0 11 1 0 03H 控制口 写控制字 1 总线高阻 并行 I/O 总线（ 24 条）：这些总线用于和外设相连，分别与 A、 B、 C 口相对应，用于 8255A 和外设之间传送数据，共分三组： PA0 PA7:端口 A 输入输出线，一个 8 位的数据输出锁存器 /缓冲器，一个 8 位的数据输入锁存器。 PB0 PB7:端口 B 输入输出线，一个 8 位的 I/O 锁存器，一个 8 位的输入输出缓冲器。 PC0 PC7:端口 C 输入输出线，一个 8 位的数据输出锁存器 /缓冲器，一个 8 位的数据输入缓冲器。 电源线（ 2 条）： VCC 为 5V 电源线，允许变化 10%； GND 为地线。 2.4.1.2 8255A 方式控制字 8255A 有两个控制字：方式控制字和 C 口单一置复位控制字。用户通过程序可以把这两个控制字送到 8255A 的控制寄存器（ A1A0 11B），以设定 8255A 的工作方式和 C 口各位状态。这两个控制字以 D7 位状态作为标志。 8255A 各端口工作于什么方式和是输入还是输出方式，是由方式控制字决定的。方式控制字格式如图 2-7 所示。 D7 为控制字标志位，若 D7=1,则本控制字为方式控制字，若 D7 0，则本控制字为 C 口单一置复位控制字。 D6 D3 为 A 组控制位。其中， D6 和 D5 位 A 组方式选择位：若 D6D5 00，则A 组设定为方式 0；若 D6D5 01，则 A 组设定为方式 1：若 D6D5 1（ 为任意），则 A 组设定为方式 2。 D4 为 A 口输入 /输出控制位：若 D4 0，则 PA0 PA7，用于输出数据；若 D4 0，则 PA0 PA7 用 于输入数据。 D3 位 C 口高 4 位输入 /输出控制位：若 D3 0，则 PC4 PC7 为输出数据方式；若 D3 1，则 PC4 PC7 为输入方式。 19 图 2-7 方式控制字 D2 D0 为 B 组控制位，其作用和 D6 D3 类似。其中， D2 为方式选择位，若D2 0，则 B 组设定为方式 0，若 D2 1，则 B 组设定为方式 1。 D1 为 B 口输入 /输出控制位， D1 0，则 PB0 PB7 用于输出数据，若 D1 1，则 PB0 PB7 用于输入数据。 D0 为 C 口低 4 位输入 /输出控制位，若 D0 0，则 PC0 PC3 用于输出数据，若 D0 1，则 PC0 PC3 用 于输入数据。如图 2-8 所示： 图 2-8 置位控制字 20 2.4.1.3 8255A 的工作方式 8255A 有三种工作方式：方式 0（ Mode0）、方式 1（ Mode1）和方式 2(Mode2)。正确的选用方式控制字，并把它通过程序送给 8255A 的控制字寄存器就可设定 8255A的工作方式。 方式 0（基本输入 /输出方式）： 这种方式不需要任何选通信号。 A 口、 B 口及 C 口的两个 4 位口中的任何一个端口都可以被设定为输入或输出。输出锁存，输入不锁存。根据控制字 D4、 D3、 D1、D0 位的变化，方式 0 有 16 种不同的输入、输出组 合方式。 方式 1（选通输入 /输出方式）： 这种方式下， A 口、 B 口、 C 口分为两组。 A 组包括 A 口和 C 口的高 4 位， A口可由编程设定为输入口或输出口， C 口的高四位则用来作为输入 /输出操作的控制和同步信号； B 组包括 B 口和 C 口的低 4 位， B 口可由编程设定为输入口或输出口，C 口的低四位则用来作为输入 /输出操作的控制和同步信号。 A 口和 B 口的输入输出数据都被锁存。 方式 2（双向总线方式）： 这种方式下， A 口为 8 位双向总线口， C 口的 PC3 PC7 用来作为输入 /输出操作的控制和同步信号； B 口和 C 口的 PC0 PC2 则可编程为方式 0 或 方式 1 工作。 2.4.1.4 8255A 与 CPU 8031 的接口 8255A 与 CPU 8031 的接口连线如图 2-9 所示 。 图 2-9 8255A 与 CPU8031 的接线图 8255A 与单片机间有 3 组连线： D7 D8 根数据线依次与 P0 口的 P0.7 P0.0 一一对应连接： RD 、 WR 、 RESET 等 3 根控制线与单片机的同名引脚互连；片选端 CS则与 P2 口相连； A1、 A0 两根地址线与单片机的两 个 I/O 引脚连接。 21 2.4.2 存储功能扩展 由于我们需要保存一定的数据，而 8031 片内没有程序存储功能，因此， EA 管脚总是接低电平。根据保存的数据量需要，我们选用了 EPROM 2764 为外扩的数据存储器。 2.4.2.1 锁存器 74LS373 的引脚及功能 如图 2-10 所示， 74LS373 是带三态缓冲输出的 8D 锁存器，由于 单 片机的三总线结构中，数据线与地址线的低 8 位共用 P0 口，因此必须用地址锁存器将地址信号和数据信号区分开。 74LS373 的锁存控制端直接与单片机的锁存控制信号 ALE 相连，在 ALE 的下降沿 锁存低 8 位地址。其中， D0 D7 为数据输入端； Q0 Q7 为数据输出端； OE 为三态允许控制端（低电平有效）； LE 为锁存允许端。 图 2-10 74LS373 引脚 该片如何工作由功能表 2-4 决 定，表中 L 为低电平、 H 为高电平、 Z 为高阻抗（相当开路） X 为任意电平，一般将 OE 接低电平， 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 紫外线擦除电可编程只读存储器 EPROM 是国内用得较多的程序存储器。EPROM 芯片上有一个玻璃窗口，在紫外线照射下，存储器中的各位信息均变 1，即处于擦除状态。擦除干净的 EPROM 可以通过编程器将应用程序固化到芯片中。本次设计所选用的是 2764 EPROM。 （ 1） 2764 的概述 这是一种可以擦去重写的只读存 储 器。通常用紫外线对其窗口进行照射，即可把它所存 储 的内容擦去。之后，又可以对其重新进行编程，写入新的内容。一旦写入，其存 储 的内容可以长期（几十年）地保存，即使去掉电源电压， 也不会影响它所存 储的内容。图 2-11 为通用的 EPROM 2764 的引脚图，它的容量为 8 K 8bit。 8 K 表示有 8 1024 个存储单元， 8 位表示每个单元存储数据的宽度是 8 位。前者确定了地址线的位数是 12 位（ A0 A12），后者确定了数据线的位数是 8 位（ D0 D7）。目前，除了串行存储器之外，一般情况下，我们使用的都是 8 位数据存储器。单一 +5 V 供电，工作电流为 75 mA，维持电流为 35 mA，读出时间最大为 250 ns， DIP28 封装。 图 2-11 2764 引脚图 （ 2）引脚功能 其中， A0 A12 为地 址线； D0 D7 为数据线； CE 为片选线； OE 是读线； PGM是编程输入； Vpp 为编程电源。 除了 12 条地址线和 8 条数据线之外， CE 为片选线，低电平有效。也就是说，只有当 CE 为低电平时， 2764 才被选中，否则， 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 和锁存器 74LS373 与 8031 组成最小系统 8031 单片机扩展一片 2764 程序存储器电路如图 2-12 所示。 地址线。单片机扩展片外存储器时，地址是由 P0 和 P2 口提供的。图 2-11 中，2764 的 13 条地址线（ A0 A12）中，低 8 位 A0 A7 通过锁存器 74LS373 与 P0 口连接，高 4 位 A8 A12 直接与 P2 口的 P2.0 P2.3 连接， P2 口本身有锁存功能。注意，锁存器的锁存使能端 LE 必须和单片机的 ALE 管脚相连。 图 2-12 8031 扩展 2764 EPROM 硬件接线图 数据线。 2764 的 8 位数据线直接与单片机的 P0 口相连。因此， P0 口是一 个分时复用的地址 /数据线。 控制线。 CPU 执行 2764 中存放的程序指令时，取指阶段就是对 2764 行读操作。注意， CPU 对 EPROM 只能进行读操作，不能进行写操作。 CPU 对 2764 的读操作控制都是通过控制线实现的。 2764 控制线的连接有以下几条： CE ：直接 P2.5。 OE ：接 8031 的读选通信号端。在访问片外程序存储器时，只要端出现负脉冲，即可从 2764 中读出程序。 24 2.5 输入 /输出接口系统设计 输入 /输出接口系 统就是指人与计算机之间建立联系、交换信息的输入 /输出设备接口，就是人机交互接口。这些输入 /输出设备主要有键盘和显示器等。它们是系统中必不可少的输入、输出设备，是控制系统与操作人员之间交互的窗口。 2.5.1 键盘系统设计 键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备。键盘可以分为编码键盘和非编码键盘两种类型。前者能自动识别按下的按键并且能产生相应的代码，以并行或串行的方式发送给 CPU。它使用方便，接口简单，响应速度快，但是需要专用的硬件电路。本次设计中所采用的就是编码键盘。 如图 2-2 中所示， 8255A 为给定值输入接口。为了使系统简单，设计了一个由二极管矩阵组成的编码键盘，如图 2-13 所示： 图 2-13 编码键盘原理图 键盘输出信号 D， C， B， A（ BCD 码）分别接到 8255A 的 A 口 PA3-PA0，键选通信号 KEYSTROBE（高电平有效），经反向器接到 8031 的 INT0 管脚。当按下某一个按键时， KEYSTROBE 为高电平，经过反相后的下降沿向 8031 申请中断。 8031 响应后，读入 BCD 码值，作为定值，并送显示。本次设计只有 3 位显示，所以最多只能给定 999。输入顺序为从最高位（百位数 ）开始。 当按键未按下时，所有输出端口均为高电平。当有按键按下以后该按键的 BCD码将会出现在输出线上。 25 2.5.2 显示系统设计 为了使操作人员及时掌握生产情况，在一般的微型计算机控制系统或者智能仪器当中，都配有显示程序。 本次设计采用 LED 数码显示。 2.5.2.1 LED 数码管的结构及显示原理 常用的显示器件有：显示和记录仪表， CRT 显示终端， LED 或者 LCD 显示器，大屏幕显示器。本次设计所采用的是 LED 数码管。 LED 数码管具有结构简单，体积小，功耗低，响应速度快，易于匹配，寿命长，可靠性高等 优点。 LED 数码管是由发光二极管组成， 由 于材料的不同，可以发出各种单色光线。发光二极管可以有多种组成形式，其中 7 段数码管应用最多，根据发光二极管内部的连接方式不同，又有共阴极或共阳极两种形式。如图 2-14 所示 图 2-14 LED 数码管结构 2.5.2.2 74LS138 结构及功能 74LS138 为 3 线到 8 线译码器，当一个选通端（ G1）为高电平，另外 2 个选通端 G 2A 和 G 2B 为低电平时可以将地址端（ A、 B、 C）的二进 制编码在一个对应的输出端以低电平译出。利用 G1、 G 2A 和 G 2B 可以级联扩展成 24 线译码器引脚结构如图 2-15 所示。 图 2-15 74LS138 引脚图 26 其引脚功能为： A、 B、 C 为译码地址输入端； G1 为选通端； G 2A、 G 2B 为选通端（低电平有效）； Y0Y7 为译码输出端（低电平有效）。 2.5.2.3 74LS377 结构及功能 74LS377 是一种 8D 触发器，它的 E 端是控制端、 CLK 端是时钟端，当它的 E端为低电平时只要在 CLK 端产生一个正跳变， D1 D7 将被锁存到 Q0 Q7 端输出，在其他情况下 Q0 Q7 端的输出保持不变。其引脚图和功能表如图 2-16 所示。 图 2-16 74LS377 引脚及功能 2.6 传感器选择与设计 2.6.1 光电开关的原理 光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。光电开关具有如下特点 :输出回路和输 入 回路是电隔离的 (即电绝缘 )，体积小、精度高、 检测距离远，防水、防腐蚀、防震动，抗光、电、磁等干扰。所以它可以在冶金、纺织、烟草、造纸、化工、电力、保安等各种行业得到应用。光电开关 (光电传感器 )利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输 入 电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理如图 2-18 所示。 27 图 2-18 光电传感器工作原理 光电开关在一般情况下由三部分构成，它们分 别为发送器、 接收器和检测电路 .光电开关 的重要功能是能够处理光的强度变化 :利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化 ；利用光束来反射物体 ；使光束发射经过长距离后瞬间返回。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管 (LED)和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间断地运行。接收器由光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光栏等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。 光电开关的种类也很 多，根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。 2.6.2 气体传感器 TGS202 气敏元件采用半导体敏感材料制造，其灵敏度、选择性、稳定性、抗干扰性、响应时间及寿命等主要性能，均达到国内先进水平。用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置，可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭。 主要特点： 1)灵敏度高、功耗低，输出信号强。 2)选择性好、对被检测的气体非常敏感，而对干扰气体则灵敏度很低。 3)稳定性、可靠性强 4)具有抗高温、抗高湿性能。 5)元件不含任何贵金属催化剂，具有抗中毒及抗饱和性能。 28 但由于气体传感器是使用半导体材料来制作，不可避免的是有温度漂移问题，如何处理好气体传感器温度补偿问题是报警器设计的关键。以前的一般做法是把报警器的报警阀值电压作补偿，这样的电路会简单一些，但温度补偿的效果不太理想，主要是在低温环境里，气体传感器的表面温度降低导致气体传感器的性能变差，解决的方法是在低温环境里提高气体传感器的加热功率，使气体传感器的表面温度维持相对恒定，达到使气体传感器稳定工作的目的。 图 2-19 TGS202 2.7 电机控制电路设计 为了提高抗干扰能力，系统采用了光电隔离技术。电机可以采用多种方法控制，如固态继电器（ SSR）、可控硅（ SCR）及大功率场效应管等，本设计采用 固 态继电器（ SSR）。 2.7.1 固态继电器介绍 固态继电器（ Solid State Relay）简称 SSR，它是用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体，因此固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无 触点开关。根据 结 构形式，固态继电器有直流型固态继电器和交流型固态继电器。本设计采用的是交流型固态继电器。 1 直流型 SSR 直流型 SSR的原理电路如图 2-20所示。 29 图 2-20 直流型 SSR的原理电路 直流型 SSR主要用于带直流负载的场合，如直流电机控制。直流步进电机控制和电磁阀等。 2交流型 SSR 交流型 SSR又可分为过零型和移向型两类。它采用双向可控硅作为开关器件，用于交流大功率场合，如交流电机、交流电磁阀控制等。其原理电路，如图 2-21所示。 图 2-21 交流型 SSR的原理电路 过零型 必须在负载电源电压接近零且输入控制信号有效时。输入端负载电源才导通，只在流过双向可控硅负载电流为零时才关断。 2.7.2 电机控制电路原理 电机控制电路如图 2-22所示。 30 图 2-22 电机控制电路 2.8 电源 除了 220V 的电源，我们还选择了 LM7805 三端稳压器产生一个 5V 的电源。其电路如图 2-23 所示。 图 2-23 +5V 电源电路 三端固定输出集成稳压器，它是一种串连调整式稳压器。它将全部电路集成在单块硅片上，整个集成稳压电路只有输入、输出和公共三个引出端，使用非常方便。典型的有 78正电压输出系列， 79负电压输出系列。 当输入的电压 VI、输出电流 IO 或温度变化时，输出电压 VO 可保持不变；另外，当输出短路。可使输出电流 IO 限制为一定值；若稳压器过热，则它就停止工作，以免稳压器遭到损坏。 三端固定输出电压集成稳压器，因内部有过热、过流保护电路，因此它的性能优31 良、可靠性高。有因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，所以我们选用了这种芯片。 32 第 3 章 系统软件设计 3.1 主程序 主程序 单元清零 设 8255A 工作方式 清显示单元，指示灯 设中断方式 开中断 启动电机 1 停止电机 1，启动电机 2，计 数单元清零 计数单元加 1 送显示 加 1 给定值 参数 输入完吗？ 到位了吗？ 是否进入？ 检测到了吗？ 收起 N N N N Y Y Y Y 33 3.2 显示子程序流程图 显示子程序 显示缓冲区首地址 指向最左边一位 8255A 口地址 取出要显示的数据 求待显示数据的显示码 送显示码到 8255 3 位数显示完了吗？ 返回 求下一个位选码 修改显示缓冲地址 N Y 34 3.3 输入给定值中断服务程序 中断服务程序 读入键值 存入给定单元 送显示 计算下一个显