毕业设计（论文）基于单片机的温度控制系统

1、学士学位论文学士学位论文 基于单片机的温度控制系统基于单片机的温度控制系统 专业年级专业年级: : 自动化 2006 级 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间： 2010 年 3 月2010 年 6 月 kunming university of science and technology bachelors degree thesis mcu-based temperature control system college： faculty of information engineering and automation profession：

2、automation ,grade 2006 name： number： 200610401337 teacher： cheguolin time: march 2010june 2010 摘要摘要 目前我国烟叶初烤生产使用的多为自然气流上升式烤房，这种烤房在烘烤过程 中的供热主要依靠操作人员的经验，人为调节火力来控制烤房的温度，存在着操作 误差大、反应不灵敏、预期结果滞后的不足，影响烟叶烘烤的质量；并且烘烤过程 需要一百多个小时，完全由人工监测烤房温度控制火力或排湿，劳动强度很大。而 温度测控系统用于烟叶初烤，可以解决初烤过程存在的不足，有利于提高烘烤工艺 水平和烟叶烘烤质量，降低劳动强度，

3、节省燃料，提高综合效益。 毕业设计采用 at89s51 单片机芯片为核心设计多点温度控制系统。采用 ds18b20 数字温度传感器检测烤房内上中下三处位置的温度。单片机根据烟叶初烤 过程对温度控制的要求，以烤房下部所测的温度作为测量值与温度给定值进行比较， 若测量值低与给定值则发出相应的控制信号，执行机构升温，大于则报警。同时计 算三处位置的温度偏差，若偏差大于正负 1输出控制信号启动热风循环操作。系 统具有键盘数码管输入输出，rs-232 串行通信连接单片机与 pc 机。 关键词：初烤，单片机 at89s51，ds18b20，rs-232 摘要摘要.ii abstractabstract.v

4、 前言前言.v 第一章第一章 绪论绪论.1 1.11.1 设计课题的背景及意义设计课题的背景及意义.1 1.21.2 单片机温度控制系统的发展现状单片机温度控制系统的发展现状.2 1.31.3 本文主要的研究内容本文主要的研究内容.3 第二章第二章 初烤温度控制原理及要求初烤温度控制原理及要求.4 2.12.1 烟叶初烤原理烟叶初烤原理.4 2.22.2 烟叶初烤过程烟叶初烤过程.4 2.2.1 三段式烘烤工艺.4 2.2.2烧火技术原则.5 2.4 单片机控制系统的设计方案.5 2.4.1传感器的选择.5 2.4.2测量电路.5 2.4.3输出通道设计.5 2.4.4人机通道设计.5 2.5

5、 小结.6 第三章第三章 温度测量电路设计温度测量电路设计.7 3.1 应用软件平台.7 3.1.1 protel 99 se .7 3.1.2 protel 99se的电路图设计.8 3.1.3 keil.8 3.2 单片机最小系统.9 3.2.1单片机.9 3.2.2、at89s51单片机.9 3.2.3单片机外总线结构.14 图 3.5 三总线图.14 3.2.5 单片机温控模块.15 3.3 数字温度传感器.15 3.3.1 智能温度传感器基本概念.15 3.3.2 ds18b20的性能特点.15 3.3.3 详细说明.16 3.3.43.3.4 ds18b20ds18b20 的内部结

6、构的内部结构.20 3.2.5 ds18b20温度传感器的存储器和分辨率设置.20 3.3.5 ds18b20的工作原理.21 3.3.6 多路测量.23 3.3.7 温度的转换.24 3.3.8 温度数据的处理方法.24 3.2.9 ds18b20与传统传感器比较.25 3.3 小结.26 第四章第四章 串口电路设计串口电路设计.27 4.1 rs-232 接口.27 4.1.1、串行通信概念：.27 4.1.2 rs-232串行接口标准.27 4.1.3 rs-232 缺点.27 4.1.4、电气特性.28 4.2 上位机与下位机通信的设计.29 4.2.1 引言.29 4.2.2 pc机

7、与单片机8051通信的硬件设计.29 4.3 软件设计.31 4.3.1 程序结构设计.31 4.3.2 程序流程图设计.31 4.4 本章小结.32 第五章第五章 硬件设计调试和结论硬件设计调试和结论.32 5.15.1 系统硬件的问题系统硬件的问题.32 5.1.15.1.1 制作电路板制作电路板.32 5.1.25.1.2 选购器件选购器件.32 5.1.35.1.3 焊接器件焊接器件.33 5.2 系统硬件调试.33 5.2.1 仿真调试.33 5.2.2 程序软件仿真.33 5.2.3 硬件调试.33 5.3 造价.33 毕业设计总结毕业设计总结.35 谢辞谢辞.35 参考文献参考文

8、献.36 附录附录.37 附录 1 英文原文.37 附录 2 英文翻译.39 abstractabstract the beginning of our country roasted tobacco production and use of more natural flow rose style barn, this barn heating in the baking process mainly depend on the operators experience, people adjust the temperature of fire to control the curing

9、 barn, there are operational errors large, insensitive response, expected results for the insufficiency, the quality of tobacco leaves curing; and baking process takes more than 100 hours, completely by hand to monitor barn fire or humidity and temperature control, labor significantly. the temperatu

10、re control system for the early leaf roast, bake process can solve the shortcomings of the early, baking process help to improve the level and quality of tobacco curing, reduce labor intensity, save fuel and enhance comprehensive benefits. graduation with at89s51 microcontroller chip as the core des

11、ign of multi-point temperature control system. ds18b20 digital temperature sensor with detection under the grill room at three locations in the temperature. scm baking process according to early tobacco control on the temperature requirements to barn lower the temperature as measured with the temper

12、ature measurements to compare the given value, if the measured value below the given value of the corresponding control signal issued by the executive body temperature, greater than the alarm. and calculate the temperature deviation at three locations, if the deviation greater than plus or minus 1 o

13、utput control signal start of hot air cycles. digital control system with keyboard input and output, rs-232 serial communication link between scm and pc. key words: the beginning of baking, single-chip at89s51, ds18b20, rs-232 前言前言 烟草是一种重要的经济作物，在我国国民经济中占有中有的地位，2009年烟草 行业实现工商税利首次超过5000亿元，达5131.1亿元，同比

14、增长12.2%。 烤烟是云南重要的农业经济作物，近年来优质烟叶栽培技术的推广使烟叶种植 有了较大的发展，但烟叶的初烤还存在很多问题。烟叶初烤是烤烟生产中的一个重 要环节，初烤的质量直接影响着烟农的经济效益，由于烟叶的初烤周期长，烟叶含 水量不同，初烤过程完全要由有一定烤烟经验的人员监控，所以烟农劳动强度大， 并且烤烟质量不稳定。为了解决以上问题，设计了基于单片机的烟叶初烤控制器， 利用闭环模糊控制，使烤房干温、湿温按照烟叶最佳生化曲线变化，自动完成初烤 过程，提高温度自动控制精度和初烤烟叶质量。 烤烟初烤是农业生产范围内的加工,即将鲜烟叶采摘下来后,立即按规定要求,装 入烤房,再按规定的工艺程

15、序进行加热,使烟叶变黄、脱水干燥。 烘烤是烟叶生产的关键环节之一。这个环节由于技术比较复杂，一直是烟叶生 产中技术操作要求最高、劳动强度最大的环节。烟叶烤房自动化控制技术通过数字 自控设备对烘烤全过程进行实时控制，实现智能化烘烤，可以有效降低烟农的劳动 强度，提高烟叶烘烤水平。 本论文共有六个章节，我的重点任务是在第三章基于单片机控制系统工程设计 方法、温度控制器方案设计，器件选型和掌握protel99电路设计软件，设计控制器 单片机、数据采集电路、通讯电路原理图。制作控制器电路板、下载线电路板，硬 件调试。设计数据采集、通讯接口程序，程序调试。其中一、概述；二、初烤原理； 三、硬件设计和系统

16、；四、软件系统与接口电路；五、结论；六、毕业设计结论。 最后总结了本次设计和需要改进的地方。 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 设计课题的设计课题的背景及意义背景及意义 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制 器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大 的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的pid控制器为主，它们只能适应 一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十 分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入wto， 我国政府及企业对此都非常重视，对相关企

17、业资源进行了重组，相继建立了一些国家、 企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。 烟叶成熟采摘后必须经过烘烤加工才能制成工业用烟。这个烘烤过程一般需要几十 个小时，完全由人工控制烤房燃烧室的火车并监测烤房温度，所以烟农劳动强度很大； 而且不能精确控制烤房内的温湿度，也不能对烤程精确计时，使烤出的烟叶工业利用率 较低。 烟叶初烤工艺最初在20世纪80年代中期从国外引入，云南省烟科所根据云南烟叶种 植情况，研究得到优质烤烟的初烤方法，初烤工艺中的烟叶初烤过程分为3个阶段：变 黄期、定色期、干筋期，关键是控制烤房内的干温（烤房内的空气温度）和湿度（烤房 内的水分温度），使干温

18、、湿温按照“3段式”烘烤曲线变化，保证烟叶初烤质量。其 干温、湿温和时间关系如图1.1所示。 图1.1 烟叶初烤温度曲线 烟叶初烤过程中，烤房内温度的准确测量和有效控制是烘烤的核心和烟叶质量的根 本保证。目前，广大烟区已广泛推广烟叶初烤的“三段式烘烤工艺”，并且大多数炕房 已加装热风循环装置，而使用的温度测量器具却是酒精的或煤油的玻璃管温度计（烟区 称之为火表），控制方法采用人工启闭回风门（用于排湿，控制湿球温度）、火门或鼓 风机（控制火炉火势，间接控制干球温度）。随着科学技术与烟草工艺的不断完善，随 之出现了以电子仪表代替火表检测烤房温度的装置设备，但随之测量不准、使用不便的 温度计，被动的

19、控制方法等成为制约烟叶烘烤质量提高的瓶径问题。以温度控制工艺为 例，用ds18b20数字温度计作为传感器，以单片机为核心的控制仪解决了这一问题，基 本实现烤烟过程中温度的自动控制。 烤烟是叶用经济作物，采收下来的叶片必须经过调制后才能被卷烟工业所利用。在 烟叶调制过程中因为技术上的差异，影响到烟叶烤后产量和质量，就目前而言，烤出的 烟叶挂灰，色淡发白，发暗，色度不浓等，存在现象比较普遍。由于烘烤所造成的杂色 烟叶及低次烟叶的比重较大，不能体现出烟田生长优良、群体水平。所以说再好的田间 管理及措施，由于采收烘烤技术水平上的差异，都会在烟叶质量效益上出现较大的悬殊。 为了解决这一问题，必须在原烤烟

20、烘烤基础上，再次提高采烤烟叶的技术水平，才能提 高质量，增加效益。 烟叶初烤过程要求烤房温度按工艺要求变化，使烟叶逐步失水干燥形成烤烟品质。 现在的初烤自动化改造，初烤过程中的温度测量都是单点测量，烤房内上部和下部的温 差较大，会影响到某些烟叶的烘烤，使得最后总有部分烤烟的质量达不到理想效果。因 此此次毕业设计采用at89s51单片机芯片为核心ds18b20数字温度传感器设计一个多点温 度测量控制系统，测量烤房上中下三个位置的温度，根据下部检测温度控制初烤工艺， 根据三点温差控制热风循环机构平衡温度，提高优质烤烟的产量。 1.21.2 单片机温度控制系统的发展现状单片机温度控制系统的发展现状

21、温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机 械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微 机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用1。单片机具有处理能强、运行速 度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度 较高。 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

22、计算机系统。 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点， 广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、 温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片 机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强 大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 本文设计了一种基于at89s51单片机芯片设计控制器，采用ds18b20数字温度传感 器，一线制连接方式检测烤房内上中下三处位置的温度。能对环境温度进行测量，并能 根据温度给定值给出调节量，控制执行机构，实现调节环境温度

23、的目的。 单片机温度控制系统整个硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、a/d转换、 单片机、i/o设备、控制执行系统等。 图 1.2 控制系统框图 烟叶烘烤是烟叶生产中的一个重要环节，传统的烤房测温采用玻璃式或指针式温度 温度采集 信号放大 滤波 单片机 温度控制 温度调节 计等，读数误差大，灵敏度低，烤房温度的控制是靠人工完成，手段落后，烟叶质量难 以保证。本文介绍了一个利用单片机来实现烤房温度的自动控制系统。该系统具有温度 变化反应灵敏，读数准确，控制灵活等特点，使烘烤的温度符合烟叶烘烤工艺要求，提 高了烘烤烟叶的质量等级。 1.31.3 本文主要的研究本文主要的研究内容内容 单片机温度

24、控制系统是基于at89s51单片机芯片设计控制器，采用ds18b20数字温度 传感器，一线制连接方式检测烤房内上中下三处位置的温度为控制核心，辅以采样反馈 电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。其系统结构框图 可表示为:系统采用单闭环形式，其基本控制原理为:将温度设定值(即输入控制量)和温 度反馈值同时送入控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控 制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上，电炉因此达到一定的温度。 单片机根据烟叶初烤过程对温度控制的要求，以烤房下部所测的温度作为测量值与 温度给定值进行比较，若测量值低与给定值则发出相应的控制信号，经光电

25、隔离放大固 态继电器驱动执行机构升温。控制偏差在正负两度，大于则报警。同时计算三处位置温 度偏差，若偏差大于正负两度输出控制信号经光电隔离放大固态继电器驱动热风循环机 构动作。系统具有键盘数码管输入输出，rs232 串行通信电路。同时在在设计中，主要 完成系统的硬件设计，包括单片机最小系统、键盘、显示、温度检测、输出与报警、通 信接口、看门狗等电路原理图设计和实验电路板制作。 第二章第二章 初烤温度控制原理及要求初烤温度控制原理及要求 2.12.1 烟叶初烤原理烟叶初烤原理 烤烟初烤是农业生产范围内的加工,即将鲜烟叶采摘下来后,立即按规定要求,装入 烤房,再按规定的工艺程序进行加热,使烟叶变黄

26、、脱水干燥。 烟叶的初烤的原理：通过人工控制的创造和应用适宜的温湿度条件，控制和促进烟 叶中所含酶类的活动，巩固和发展田间烟叶成熟时所积累的优良质量和产量性状，促使 烟叶的外观色泽，物理性状和内在化学成分向着有利提高质量、产量的方向发展，同时 排除水分，实现干制。烤房是创造和应用适宜的温湿度条件的主要场所。烤房在烟叶烘 烤过程中的运作机理是：燃料的燃烧产生热量，热量加热火管，火管加热烤房内部的空 气；空气受热膨胀上升，形成热气流；烟叶在热气流的作用下，受热失水、变黄、后熟、 干叶、干筋3。其中，通过烧火的大小，来控制温度的高低；通过天窗、地洞的开关程 度，来控制相对湿度的大小。烟叶在适宜的温湿

27、度条件下，呈现鲜烟叶的质量，固定烟 叶品质，烤出符合要求的原烟。 2.22.2 烟叶初烤过程烟叶初烤过程 在三段式烟叶烘烤过程中，温度控制曲线要求第一、三段的升温按照每小时 1的 固定斜率均匀升温，第二段的升温按照每小时 0.5的固定斜率均匀升温。温度确定确 认后，单片机首先根据输入的各烤程温度设定值（即该烤程的恒温值）确定升温斜率以 及和升温斜率对应的定时间隔；接着将采集到的环境温度作为起始温度值，并按照确定 的时间隔将起始温度值不断地均匀提升为新的设定值；然后由模糊控制程序根据控制精 度跟随这个均匀提升的设定值对烤房温度进行控制。当烤房内这个均匀提升的设定值对 烤房温度进行控制。当烤房内温

28、度达到烤程的温度设定值时，结束升温控制过程，进入 恒温控制状态。烤房内湿度的控制方式和温度控制方式类似。 2.2.12.2.1 三段式烘烤工艺三段式烘烤工艺 1、变黄阶段 烟叶装满炕后，封严天窗地洞，点火后，以每小时升温 1的速度将烤房温度 提升到 3438（西南和南方烟区 3435，东北烟区 3536，黄淮烟区 3638） ，保持湿球温度比干球温度低 12.5，直到底棚烟叶变到叶片基本全黄，仅余 叶基部微带青色，主脉青白色，叶片充分发软。 2、定色阶段 要逐渐开大天窗、地洞，不断加大排湿量，使房内温度以平均 23 小时升温 1的 速度提高到 5455，湿球温度缓慢升高并保持在 3741，烟叶

29、水分大时，湿球温 度应控制在较低水平。水分小、烘烤特性好的烟叶，湿球温度应控制得高一些。在烟叶 达到勾尖卷边至小卷筒之前（一般 47左右） ，升温速度宜慢（34 小时升温 1） ，使 烟筋充分变黄，此后升温速度可加快到 12 小时升温 1。在烟叶没有达到黄片青筋小 卷筒之前，环境温度不得超过 50，即使 5455时烟叶已经达到大卷筒，也要在此 温度下维持 612 小时。定色期要大排湿时，必须开大天窗、地洞，烧大火；小排湿时， 关小天窗、地洞烧小火；气温高的白天，开大天窗、地洞，火力减小；气温低的晚间 （尤其凌晨）进行大排湿时，尽可能加大烧火，维持需要的温度和湿度指标；但在火力 已加足，仍然不足

30、以使温度上升，且湿球温度也降低时，可以关小地洞，减少通风量。 要尽量避免干球温度猛升猛降。 3、干筋阶段 以每小时升温 1 的速度使炕温提高到 6769，其间要逐渐关小天窗、地 洞（先关小地洞，减小通风量，以利于提高温度和节能） ，以湿球温度不超过 43为准。 稳定此温湿度条件，直到烟叶完全干筋。 2.2.2 烧火技术原则烧火技术原则 烧火要能做到小火能保住，中火能稳定，大火能赶上。应看烟叶的变化，看房内温 度、湿度，看天气变化，看烤房状况，看煤质特点等，灵活且准确进行。当烟叶变化快 时，烧火宜大，快升温；烟叶变化慢时，烧火宜缓，慢升温。烟叶变化正常时，烧火宜 稳，稳升温。当房内温度偏低时，提

31、火升温；偏高时，压火控温；适宜时，稳定火力， 维持房内温度稳定。天气阴晴风雨，昼夜冷热变化，对房温会产生明显的影响，必须根 据天气变化相应调节火力大小，才能维持房内温度适宜。晴天，日出后气温逐渐回升， 尤其是上午 10 时至下午 4 时左右，升温更为明显，此时火力不变，温度也随之升高； 日落后，室此时度逐不变降，度也是凌升高降温落后显，此时火力渐下，温尤其可能晨， 下降更明以，此时日出不变始适度也火，随之落后。所适当晴天；烤后开温灵度控，应 至日落后则应适当加火；烤房升温灵敏时，应注意火力勿过大，加火勿过早；烤房升温 困难时，应注意加火化进行火力控制是十分重要的。当湿球温度偏高，需要加大天窗、

32、 地洞排湿时，在排湿操作前要先加火，以防排湿时房温下降。还要注意，煤质不同，烧 火方法各异；对粘性强、易结碴的煤，宜烧“散火” ，加煤时撒开、撒匀，以防结大碴； 对粘结性弱、易流炉的煤，宜烧“堆火” ；对细粉状面煤，需拌湿烧用，以防止灰损失； 烧无烟煤时，宜兑适量煤土，最好制成饼烧用。 2.42.4 单片机控制系统的设计方案单片机控制系统的设计方案 本系统选用 at89c51 作为 cpu。at89c51 是一种低功耗、高性能的片内 4 kb 快 闪可编程/擦除只读存储器的 8b cmos 微控制器，与 mcs-51 微控制器产品系列兼容， 使用高密度、非易失存储技术制造，存储器可循环写入/擦

33、除 1000 次。at89c51 的引脚 与 8031 相同。因此，不需要扩展即能满足要求。 2.4.1传感器的选择传感器的选择 根据本系统的测量精度和控制精度要求，本装置选择了智能化传感器 ds18b20 作 为测温元件。ds18b20 测温范围为度高，价格适中，满足了该系统的技术求。 2.4.2测量电路测量电路 温度的测量和控制主要取决于温度测量精度，因此，为了保证测量精度，测量电路 中采取了三方面的措施： (1)测量中传感器的连接采用新的三线制方法，完全补偿了由导线引起的误差。 (2)选用低漂移、精度高的 op07 作为运算放大的电路。 (3)测量电路采用恒流源供电。 2.4.3输出通道

34、设计输出通道设计 有 3 个输出通道：1 个报警电路，2 个执行器驱动电路分别控制风门的正反转。为 了提高系统的抗干扰能力，驱动电路采用交流固态继电器。 2.4.4人机通道设计人机通道设计 (1)湿度设定电路温度档位设定采用 bcd 码拨盘，利用 p1 口的低 4 位作为数值 输入，操作方便。 (2)湿度显示电路湿度值采用数码管显示。为了不再扩展并行接口，利用串行口 的移位寄存器功能，扩展 3b 数码管静态显示接口电路。p1.7 作为输出控制，当 p1.71 时允许串行口输出数据给移位寄存器，否则，显示内容不变。 (3)报警电路利用蜂鸣器报警。 各单元组合起来，得到完整的硬件系统如图 2 所示

35、。 该系统的原理框图为： 初始值设定 温度显示 报警电路 复位电路 p1 p3 p1.4 reset at89c51 p1.5 p1.6 ds18b20 稳压源 执行器风门 p0 起、停 电源晶振 图 2.1 系统原理框图 2.5 小结小结 本章主要是研究了烟叶初烤的原理和过程，深入了解了烤烟的三段式烘烤原理和烘 烤工艺以及对温度的控制要求，并在此基础上提出单片机温度控制系统的设计方案。 第三章第三章 温度测量电路设计温度测量电路设计 烟叶初烤过程中，烤房内温度的准确测量和有效控制是烘烤的核心和烟叶质量的根 本保证。由于烟叶初烤过程中普遍采用“三段式烘烤工艺”，需要通过基于单片机的温度 控制测

36、量烤房内上、中、下三处的温度，同时与设定值相比较，进行逻辑判断，发出控 制信号驱动执行机构调节温度，为烟叶生化变化和物理变化创造良好温度环境，获得高 品质烤烟。 3.1 应用软件平台应用软件平台 烟叶初烤控制器设计主要是以硬件设计为主，所以需要利用软件来使硬件设计看起 来更加直观、真实。所以采用了 protel 99 se 软件进行原理图的相关绘制和 keil uvision2 软件进行程序的调试。 3.1.1 protel 99 se protel99se 是应用于 windows9x/2000/nt 操作系统下的 eda 设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计， 具有很强的数据交换

37、能力和开放性及 3d 模拟功能，是一个 32 位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设 计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计 32 个信号层，16 个电源-地层和 16 个机加 工层。 protel 99 se 的系统组成 按照系统功能来划分，protel99se 主要包含以下俩大部分和 6 个功能模块。 电路工程设计部分 电路原理设计部分（advanced schematic 99）：电路原理图设计部分包括电路图编 辑器（简称 sch 编辑器） 、电路图零件库编辑器（简称 schlib 编辑器）和各种文本编辑 器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零

38、件库； 查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。 （2）印刷电路板设计系统（advanced pcb 99）：印刷电路板设计系统包括印刷电 路板编辑器（简称 pcb 编辑器） 、零件封装编辑器（简称 pcblib 编辑器）和电路板组 件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管 理电路板组件。 2）自动布线系统（advanced route 99） 本系统包含一个基于形状（shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的 自动布线，以实现 pcb 设计的自动化。 3）电路仿真与 pld 部分 （1）电路模拟仿真系统（advanced sim 99）：

39、电路模拟仿真系统包含一个数字/模 拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿 真，从而验证其正确性和可行性。 （2）可编程逻辑设计系统（advanced pld 99）：可编程逻辑设计系统包含一个有 语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（waveform） 。本系统的主要功能是；对逻辑 电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用 pld 系统可以最大限度的精简逻辑部件， 使数字电路设计达到最简化。 （3）高级信号完整性分析系统（advanced integrity 99）：信号完整性分析系统提 供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析 pcb 设计、检查电路设

40、计参数、实验 超调量、阻抗和信号谐波要求等。 4）protel 99 se 的功能特性 1、开放式集成化的设计管理体系 2、超强功能的、修改与编辑功能 3、强大的设计自动化功能 3.1.2 protel 99se 的电路图设计的电路图设计 原理图的绘制可按下面步骤来完成。 （1）设计图纸大小 protel 99/ schematic 后，首先要构思好零件图，设计好图纸大小。图纸大小是根据电 路图的规模和复杂程度而定的，设置合适的图纸大小是设计好原理图的第一步。 （2）设置 protel 99/schematic 设计环境 设置 protel 99/schematic 设计环境，包括设置格点大小

41、和类型，光标类型等等，大多 数参数也可以使用系统默认值。 （3）旋转零件 用户根据电路图的需要，将零件从零件库里取出放置到图纸上，并对放置零件的序号、 零件封装进行定义和设定等工作。 （4）原理图布线 利用 protel 99/schematic 提供的各种工具，将图纸上的元件用具有电气意义的导线、 符号连接起来，构成一个完整的原理图。 （5）调整线路 将初步绘制好的电路图作进一步的调整和修改，使得原理图更加美观。 （6）报表输出 通过 protel 99/schematic 提供的各种报表工具生成各种报表，其中最重要的报表是网 络表，通过网络表为后续的电路板设计作准备。 （7）文件保存及打印

42、输出 最后的步骤是文件保存及打印输出。 3.1.3 keil 1、简介 单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为 cpu 可以执行的机器码有两种方法，一种 keil 软件图标是手工汇编，另一种是机器汇 编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码， 用于 mcs-51 单片机的汇编软件有早期的 a51，随着单片机开发技术的不断发展，从普 遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，keil 软件 是目前最流行开发 mcs-51 系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面 支持 keil 即可看出。

43、keil 提供了包括 c 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能 强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uvision）将这些部 份组合在一起。 2、基本知识 keil c51 开发系统基本知识 keil c51 开发系统基本知识 （1）系统概述 keil c51 是美国 keil software 公司出品的 51 系列兼容单片机 c 语言软件开发系统， 与汇编相比，c 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学 易用。用过汇编语言后再使用 c 来开发，体会更加深刻。keil c51 软件提供丰富的库函 数和功能强大的集成开发调试工具，全 wind

44、ows 界面。 （2） keil c51 单片机软件开发系统的整体结构 c51 工具包的整体结构，如图(1)所示，其中 uvision 与 ishell 分别是 c51 for windows 和 for dos 的集成开发环境(ide)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等 整个开发流程。开发人员可用 ide 本身或其它编辑器编辑 c 或汇编源文件。然后分别 由 c51 及 a51 编译器编译生成目标文件(.obj)。 （3）注意事项 * 仿真器标配 11.0592mhz 的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他 频率的晶振。 * 仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。

45、 * 仿真芯片的 31 脚（/ea）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内 rom，不能 使用片外 rom；但仿真器外引插针中的 31 脚并不与仿真芯片的 31 脚相连，故该仿真 器仍可插入到扩展有外部 rom（其 cpu 的/ea 引脚接至低电平）的目标系统中使用。 1 （4）优点 keil c51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理 解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 3.2 单片机最小系统单片机最小系统 3.2.1 单片机单片机 单片机是单片微型计算机 scm(single chip micro-computer)的译名简称，在国内也常 简称为“单片

46、机” 。它包括中央处理器 cpu、随机存储器 ram、只读存储器 rom、中 断系统、定时器/计数器、串行口和 i/o 等等。 单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用 对象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优 点，单片微型计算机(简称单片机)是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和 颇具生命力的机种，特别适合用于智能控制系统。单片机属于计算机的一个种类。从应 用领域来看，单片机主要用于控制，所以也称它为微控制器（microcontroller） 。从单片 机呈现给用户的供应状态来看，单片机产品仅是一块集成电路芯片，即它

47、的所有功能部 件都是集成在一块芯片上，所以称之为单片机（single-chip microcomputer） 。 单片机也被称为微控制器（microcontroller） ，是因为它最早被用在工业控制领域。 单片机由芯片内仅有 cpu 的专用的处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外 围设备和 cpu 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积 要求严格的控制设备当中。 cpu + + rom / ram + + i/0 接口 + + 实时控制器件 单片机 图 3.1 单片机组成框图 3.2.2、at89s51 单片机单片机 at89s51 是美国 atmel 公司生产

48、的低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内有 4k bytes 的可编程的 flash 只读存储器，期间采用 atmel 公司的高密度，非易性存储 技术生产，兼容 8051 指令系统及其引脚，它集 flash 程序存储器即可系统在线编程 （isp）也可用传统的方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片机芯片中。 （1）主要性能参数： 与 mcs-51 产品指令系统完全兼容，4k 字节在系统编程（isp）flash 闪速存储器 1000 次擦写周期，4.05.5v 的工作电压范围，全静态工作模式：0hz-33mhz，三级程 序加密锁，128x8 字节内部 ram，32 个可编程 i/o 口线，

49、2 个 16 位定时/计数器，6 个 中断源，全双工串行 uart 通道，低功耗空闲和掉电模式，中断可从空闲模式唤醒系统， 看门狗（wdt）及双数据指针，掉电标示和快速编程特性， 灵活的在线系统编程8。 （2） 功能特性概述： at89s51 提供了以下标准功能：4k 字节 flash 闪速存储器，128 字节内部 ram,32 个 i/o 口线，看门狗(wdt)，两个数据指针，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级 中断结构，一个全双工通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89s51 可降至 0hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 cpu 的工作，

50、但允许 ram,定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 ram 中的 内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作 直到下一个硬件复位。 （3） at89s51 芯片的内部结构 at89s51 的内部结构如下图所示，从图中可以看出 at78s51 包含运算器、控制器、 片内存储器、4 个 i/o 口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图 中 sp 是堆栈指针寄存器，pc 是程序计数器，psw 是程序状态字寄存器，dptr 是数据 指针寄存器。 中断寄存器：各中断允许控制位于 ie 寄存器，5 个中断源的中断优先级控位于 ip 寄存器。 双时钟寄存器：片内提供

51、了两个 16 位数据指针寄存器：dp0 位于 sfr（特殊功能 寄存器）区块中的地址 82h、83h 电源空闲标志：电源空闲标志（pof）在特殊功能寄存器 sfr 中的 pcon 的第四 位（pcon.4） ，电源打开时 pof 置“1” ，它由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。 通通道道0驱驱动动器器通通道道2驱驱动动器器 ram 地地 址址寄寄存存器器 ram 通通道道0 锁锁存存器器 通通道道2锁锁 存存器器 flash b寄寄存存 器器 acc p0.0p0.7p2.0p2.7 堆堆栈栈指指 针针 vcc gnd 程程序序地地址址 寄寄存存器器 temp2temp1 pc 程程序序寄寄

52、 存存器器 缓缓冲冲器器 alu dptr 通通道道3锁锁 存存器器 定定时时和和 控控制制逻逻 辑辑 psw 振振荡荡器器 指指令令寄寄 存存器器 通通道道1驱驱 动动器器 中中断断、串串行行 端端口口和和定定时时 器器块块 通通道道1锁锁 存存器器 通通道道3驱驱动动 器器 p1.0p1.7p3.0p3.7 psen ale ea rst 图 3.2 at89s51 芯片内部结构图 空闲节电模式：在空闲节电模式状态下，cpu 保持睡眠状态而所有片内的外设仍保 持激活状态，而片内 ram 和所有特殊功能寄存器的内同保持不变。空闲模式可由任何允 许的中断请求或硬件复位终止8。 auxr 地址=

53、8eh 复位状态=xxx00 xx0b wdidledisrto disale 7 6 5 4 3 2 1 0 其中： 保留为将来扩展用途位 disale ale 禁止/使能 disale 操作模式 0 ale 输出 1/6 振荡时钟频率脉冲 1 ale 仅在执行 movx 或 movc 指令期间输出脉冲 disrto 静止/使能复位输出 disrto 0 复位引脚在 wdt 溢出时变高 1 复位引脚仅为输入 wdidle 禁止/使能 idle 模式的 wdt wdidle 0 idle 模式 wdt 继续计数 1 idle 模式 wdt 停止计数 图 3.3 中断寄存器的示意图 掉电模式：在

54、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 的方法是硬件复位或由使能状态的外中断 int0 和 int1 激活，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 恢复到正常工作电压前，复位无效，且必 须保持一段时间是振荡器重启动并稳定工作。 空闲和掉电时期外部引脚状态见下表： 表 3.2 空闲和掉电时期外部引脚状态8 模式程序存储器 ale pesn portoport1port2port3 空闲内部 11 数据数据数据数据 空闲外部 11 浮空数据递增数据 掉电内部

55、 00 数据数据数据数据 掉电外部 0 0 浮空数据数据数据 （4） at89s51 芯片端口功能 at89s51 的管脚如下图所示： at89s51 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 18 p1.0 p0.0 p2.0（a8） (rxd)p3.0 rst vcc gnd xtal1 xtal2 ea ale pesn p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 (mosi)p1.5 (miso)p1.6 (sck)p

56、1.7 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 p2.1（a9） p2.2（a10） p2.3（a11） p2.4（a12） p2.5（a13） p2.6（a14） p2.7（a15） (txd)p3.1 (int0)p3.2 (int1)p3.3 (t0)p3.4 (t1)p3.5 (wr)p3.6 (rd)p3.7 图 3.4 at89s51 的管脚图 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。但作为输出口用时，每位能驱动 8 个 ttl 逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻 抗输入端使用。 p1 口：p1 口是一

57、个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 的输入缓冲级可驱动 （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将端口 拉到高电平，此时可作输入口。做输入口使用时，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（i ） 表 3.3 p1 口的第二功能 端口地址第二功能 p1.5 mosi(用于 isp 编程) p1.6 miso(mosi(用于 isp 编程) p1.7 sck(用于 isp 编程) p2 口：p2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 的输入缓冲 级可驱动（吸收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路。对

58、端口写“1” ，通过内部的上拉电 阻将端口拉到高电平，此时可作输入口。做输入口使用时，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（i ） p3 口：p3 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p3 的输入缓冲 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 阻将端口拉到高电平，此时可作输入口8。做输入口使用时，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（i ） 表 3.4 p3 口的第二功能 端口地址第二功能 p3.0 rxd (串行输入口) p3.1 txd（串行输出口） p3.2 （外中断 0）0

59、int p3.3 （外中断 1）1int p3.4 t0（定时/计数器 0） p3.5 t1（定时/计数器 1） p3.6 （外部数据存储器写选通）wr p3.7 （外部数据存储器读选通）rd 3.2.3 单片机外总线结构单片机外总线结构 微型计算机大多数 cpu 外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而 mcs 51 单片机由于受到芯片管脚的限制，数据线和地址线（低 8 位）是复用的，而且是 i/o 口兼用。为了将它们分离开来，以便同单片机之外的芯片正确地相连，常常在单片机外 部加地址锁存器来构成与一般 cpu 相类似的三总线，如图 3.5 所示。 图 3.5 三总线图 3.2.4 芯

60、片的扩展设计7 1）程序存储器扩展设计 (a) 程序存储器简介 常见的 eprom 有：2716（容量 2k8 位） 、2732（容量 4k8 位） 、2764（容量 8k8 位） 、27128（容量 16k8 位） 、27256（容量 32k8 位） 、27512（容量 64k8 位） 。 eprom 外引脚功能如下： a0a15:地址输入线； o0o7:三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线。维持 或编程禁止时 o0o7 呈高阻抗； ce：片选信号输入线， “0” （即 ttl 低电平）有效； pgm：编程脉冲输入线;其值因芯片型号和制造厂商不同而异； vpp：编程电