毕业设计（论文）基于单片机的大气温度采集系统设计

1、摘要随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机是不够的，还应根据具体要求设计软硬件结构。很多科学领域及气象监测等领域都要求对温度，湿度，风向风速等参数进行采集与传输，然后根据采集来的的数据进行计算，判断，从而对环境进行控制。本系统是基于单片机的数据采集系统，采用了单片机，键盘，传感器，8位ad转换器adc0809构成数据采集系统。全文由绪论，硬件部分，方案论证，软件部分四部分组成，绪论部分讲述了本文设计的目标，原理，和设计方案，硬件部分讲述了元器件的选择及单元电路的介绍。单元电路主要介绍了键盘显示电路，ad转

2、换电路，大气参数检测电路，报警电路，软件部分进行了主程序，键盘子程序和显示程序的流程图。关键词：大气温度采集 单片机 传感器 ad转换器abstract with the rapid development of science and technology, scm plays more and more important roles today. in the real-time examination and automatic control system using scm, the microcontroller is often used as a core component

3、. has received environmental parameters, and then gathered the data calculations and judgments, and thus control the environment, this system is based on single chip data acquisition system, which uses a microcomputer, keyboard, sensors. 8-bit ad converter adc0809 constitute a data acquisition syste

4、m. full-text from the introduction, hardware, software, part of the three parts, introduction part of this paper describes the design objectives, principles, and design programs, described the hardware components of the selection and introduction of unit cell circuit circuit focuses on the keyboard

5、display circuit ad atmospheric parameters conversion circuit detection circuit, alarm circuit, the software portion of the main program, keyboard and display subroutine program flow chart.keywords: scm sensors ad converter 目录摘要3abstract4第一章 绪论71.1引言71.2课题的理论与研究意义7第二章 方案论证82.1总体方案82.2.静态ram存储器的选用82.3

6、 传感器的选取92.3.1湿度传感器92.3.2风速传感器92.4 ad转化器102.5 i/o扩展芯片的选取10第三章 硬件部分113.1 8051单片机113.1.1 单片机的发展及应用113.1.2 8051芯片123.1.3 中央处理器143.1.4 数据存储器(ram)143.1.5 程序存储器(rom)153.1.6 定时/计数器153.1.7 并行输入输出(i/o)口163.1.8 全双工串行口163.1.9 中断系统163.1.10 时钟电路173.1.11 复位电路183.2 at89c51单片机193.2.1 主要特性203.2.2 管脚说明203.2.3 振荡器特性213

7、.2.4 芯片擦除213.3风向传感器223.3.1风向传感器检测原理223.3.2风向传感器的检测223.4硬件电路的设计233.4.1 ad590简介233.4.2 ad590的应用电路243.4.3 温度测量电路253.5 8155介绍263.6 8051 外扩ram283.6.1 8255芯片的介绍293.6.2 8051单片机与8255的接口343.7 模数转换器ad0809353.7.1 ad0809简介353.7.2 adc0809与单片机的连接373.8 hm1500湿度传感器373.8.1 hm1500湿度传感器的工作原理383.8.2 hm1500湿度传感器应用383.9

8、风速传感器393.9.1风速传感器(waa-15)的原理393.9.2风速检测电路设计393.10 单片机的复位电路403.10.1 x25165与8051的连接403.10.2 x25165的工作413.11单片机的报警电路433.12 led8段数码管443.12.1 led8段数码管简介443.13 键盘453.14 电源部分463.15 总结47第四章 软件设计484.1主程序484.2 定时中断504.3 键盘/显示系统主程序514.4 a/d转换53致谢56参考文献57第一章 绪论1.1引言气象作为农业生产服务的职能部门，为经济建设发挥了重要作用。近年来，党中央、国务院立足我国基本

9、国情、把握我国农业生产特征、着眼于推动我国农业持续稳定健康发展对气象工作提出的新要求，我们需要认真学习领会和贯彻落实。农业生产离不开气象服务的支撑和保障。我国是农业大国，而农业生产高度依赖天气气候条件，天帮忙则丰收，灾害多则歉收。在全球气候变暖的背景下，极端气象灾害增多增强，农业病虫害趋多趋广，所以气象是人们非常关注的问题。在近代气象监测信息广泛地应用在冰雹、大风、龙卷和寒潮天气的预警预报；应用在全球云量分布、大气臭氧层、火山爆发、城市热岛、地表水体分布和沙漠及荒漠化的监测等多方面。大量的气象卫星监测数据及其处理产品，被提供给众多相关的科研院所、高等院校以及军事部门，得到了广泛应用。1.2课题

10、的理论与研究意义本论文需要键盘模块、风速、风向等参数，其采用自动扫描，和防抖动技术，显示模块采用led显示，传感器模块（温度传感器ad590、湿度传感器sht11、风向风速传感器）采集的数据经放大、ad转换器处理后由单片机进行数据分析并显示后传输到终端，单片机的时钟由内部时钟模块提供，复位电路采用看门狗芯片，若系统在工作中出现故障，一旦程序运行过程中因干扰而陷入死循环，超过预设的时间间隔而让能执行这条指令后复位芯片复位的指令执行，使与之相连的微控制器、数据采集模块、键盘及显示模块统统复位，重新初始化并恢复到正常工作状态。在本课题介绍了一种基于单片机的大气参数多路采集系统的设计方法这会使多路采集

11、系统更加简单和方便使用。第二章 方案论证2.1总体方案如图2.1所示。它由单片机、显示器、传感器、a/d转换器、键盘等部分所组成。本设计可以实现对气象参数的采集，并随着采集来的参数的变化作出相应的显示。单片机 键盘 显示 ad转换器报警电路传感器1传感器2传感器3 图2.1 总体设计框图2.2.静态ram存储器的选用静态存储器依靠双稳态触发器的两个稳定状态保存信息。每个双稳态电路存储一位二进制代码0或1，一块存储芯片上包含许多个这样的双稳态电路。双稳态电路是有源器件，需要电源才能工作，只要电源正常，就能长期稳定的保存信息，所以称为静态存储器。如果断电，信息将会丢失，属于挥发性存储器，或称易失性

12、。静态ram存储器产品很多，它们各自有不同的容量。62256是32k的低功耗静态ram存储器。62128是16k的低功耗静态ram存储器。6264是8k的低功耗静态ram存储器。2.3 传感器的选取2.3.1湿度传感器湿度传感器的精度应达到2%5%rh，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到2%3%rh的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温和洁净的气体中测量的，在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%

13、rh水平的产品很少，一般都在2%左右，甚至更高。湿敏元件除对环境湿度敏感久，对湿度亦十分敏感，其湿度系数一般在0.20.8%rh/范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其湿度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加湿度补偿式。彩单片机软件补偿，或无湿度补化学元素的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有彩硬件湿度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果，湿度传感工作的湿度范围也是重要参数。，多数湿敏元件难以在40以上正常工作。 湿度传感器sht11。该传感器将芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的

14、优势互补作用，温湿度的测量在仓储管理、生产制造的等方面广泛应用，将温湿度传感器、信号放大调理、转换、总线接口全部集成于一芯片可给出全校准相对湿度及温度值输出；带有工业标准的总线数字输出接口，湿度值输出分辨率为位，温度值输出分辨率为位输出电压范围为; 具有卓越的长期稳定性；但软件编程复杂。在本次设计中选用了hm1500湿度传感器，因为体积小 ；温度影响极小； 不受水浸影响 ；适于37v供电； 比例于供电电压 5vdc供电时0100%rh对应14vdc输出 ；55%rh时修正精度在2%rh以内，完全符合本次设计中湿度测量精度要求，并且不需要特殊的软件处理，使用方便，因此在本次设计中选用了hm150

15、0湿度传感器。2.3.2风速传感器 waa15是一种高响应、低门限、三风杯的光电型风速计,转换器由装接于风速计转轴上的齿盘组成,齿盘安置于光电耦合器的发光管与光电三极管之间并能随轴转动,光电耦合器装于印制电路板上。转盘有多个齿度,当齿盘随轴转动时,发光管led发射的光束被齿盘上的齿度切割,光电三极管即产生脉冲输出。每个齿遮住光束时表现为低电平(即0态),轴转动一圈,多次切割光束而输出一高一低的脉冲信号。通过对这些一高一低的脉冲信号的处理和计算来确定风速。2.4 ad转化器由于本系统的实测对象都是一些模拟量（如温度、湿度等），要使计算机能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；

16、也就是需要使用模数转换器。常用a/d转换器有8位、10位和12位的。8位的a/d转换器完全能满足本设计的要求，因此我选用了8位的a/d转换器ad0809。2.5 i/o扩展芯片的选取可编程外设接口电路（programmable peripheral interface)简称ppi，常用型号有8255、8155。8255具有24条输入/输出引脚、可编程的通用并行输入/输出接口电路、具有三个相互独立的输入/输出通道、通道a、通道b、通道c。a，b，c三通道可以联合使用，构成单线、双线或三线联络信号的并行接口。与8255a相比，8155具有更强的功能，不仅可以扩展单片机的i/o口，还具有定时器、外部

17、数据存储，因此在本次设计中选取8155芯片用来扩io口。所以综上所述，大气参数多路采集系统的单片机采用8051，显示采用led数码显示，造价相对低廉，显示比较清晰，操作也比较简单，i/o扩展芯片采用8155，功能多样，输入方式也简单。第三章 硬件部分3.1 8051单片机3.1.1 单片机的发展及应用单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和i/o接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一

18、个单片机控制系统。 随着超大规模集成电路的出现以及微电子工艺水平的提高，近年来单片机有了长足的发展。世界上各个著名的集成电路芯片制造商纷纷推出各自的产品，各种类型和型号的单片机犹如雨后春笋般相继问世。1976年intel公司首先推出的mcs-48系列单片机是一种功能较简单、寻址范围很有限的低性能8位单片机，除了一些传统的应用领域（如键盘控制器）外，这类单片机在很大程度上已被1980年intel公司推出的mcs-51系列高档8位单片机所取代。在mcs-51系列单片机的内核8051/80c51的基础上，intel公司、philips公司、siemens公司等纷纷推出了各种派生芯片。此类派生来的单片

19、机功能丰富、使用灵活，性能价格比远高于mcs-51系列单片机，是目前世界上使用得最广的一类单片机。早期8051单片机的最高振荡器频率为12mhz，一个机器周期为1us。 intel公司后来推出的80c51zx的一个机器周期仅为1/6 us。 早期8051单片机的工作电压都为5v，而philips公司的80cl51/80cl410可在1.8v的低电压环境下工作。80cl51/80cl410是全静态设计的，当芯片采用外部时钟时，可工作于直流状态，即可把外部时钟完全关掉仍能保持芯片的内部状态；当时钟重新加上时，芯片将继续正常工作。当外部时钟停止时，芯片的消耗电流只有1ua。在保留共同的cpu体系结构

20、、最基本的外设（如异步串行接口、定时器等）和一套公用的指令系统的基础上，根据不同的应用领域，把不同的外设装置集成到芯片内，在同一家族内繁衍滋生出各种型号的单片机。intel公司在8051/80c51的基础上，已经衍生出10种共50多个型号的芯片，philips公司在80c51的基础上，衍生出20多种近50个型号的芯片，使用户可根据系统设计的要求选用合适的型号，而不必重新熟悉指令系统和cpu的结构。除此之外，还有motorola公司的mc68hc11（6801增强型）、zilog公司的super8等单片机，它们代表了单片机发展的方向，在单片机领域起着越来越大的作用。随着单片机应用范围的扩大，人们

21、对单片机的性能要求越来越高，1983年intel公司又推出mcs-96系列高性能的16位单片机，它的处理速度更高，功能更齐备。但由于其价格昂贵，使这种单片机在我国的应用受到限制。1988年intel公司研制出了8098准16位单片机，它属于mcs-96系列的子系列，其性能与mcs-96系列的16位单片机基本相同，而价格却与mcs-51系列8位单片机接近，因而也受到人们的青睐。单片机是一种集成度很高的微型计算机，在一块小芯片上就集成了一台计算机所具备的功能。单片机具有超小型化、结构紧凑、高可靠性、高抗干扰能力和高性能价格比的优势，特别适用于实时工业测量控制、智能化仪器仪表、计算机外设、家用电器控

22、制、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1）在智能仪器仪表上的应用 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）。2）在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，

23、与计算机联网构成二级控制系统等。3）在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4）在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话、集群移动通信和无线电对讲机等。5）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛

24、，例如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等等。6) 在汽车方面的具体应用 点火装置；变速器控制；防滑刹车；排气控制；避雷控制；节能控制；保安控制。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。3.1.2 8051芯片mcs-51系列单片机包括8031、8051、8751等很多型号，其代表型号为8051.8051单片机是intel公司于1981年以8048为基础，向上延伸所开发出来的单片机。由于其功能强大、价格低廉，并且可以使用汇编语言或c语言开发程序软件，所以本次设计采用8051型号的芯片。1）8051的引脚及功能：mcs-51系列单片机

25、中的8031、8051及8751均采用40pin封装的双列直接dip结构，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个i/o口，中断口线与p3口线复用。下面我们主要对8051单片机的引脚及功能进行详细的说明。图3.1是8051的引脚结构框图。图3.1 8051双列直插式封装和引脚分配pin30:ale/当访问外部程序存储器时，ale(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ale端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ale会跳过一个脉冲，如

26、果单片机是eprom，在编程其间，将用于输入编程脉冲。 pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，pc的16位地址数据将出现在p0和p2口上，外部程序存储器则把指令数据放到p0口上，由cpu读入并执行。 pin31:ea/vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kb的程序存储器，当ea为高电平并且程序地址小于4kb时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kb地址则读取外部指令数据。如ea为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,ea端必须接地。pin9:reset/vpd复位信号复用脚，当8051通电，

27、时钟电路开始工作，在reset引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器pc指向0000h，p0p3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07h，其它专用寄存器被清“0”。reset由高电平下降为低电平后，系统即从0000h地址开始执行程序。然而，初始复位不改变ram（包括工作寄存器r0r7）的状态，8051的初始态。pin20:vss接地信号线。pin40:vcc +5v电源输入引脚。pin19:xtal1反相振荡放大器的输入。pin18: xtal2反相振荡放大器的输出。pin18:ea/vpp外部存取致能输入信号线（external access enable）

28、当ea=1时使用芯片内部前4kb程序内存（如8051/8751/8951），并可外部扩展至64kb。 当ea=0时，内部程序内存无效，仅读取外部程序内存（如8031）； 烧录时，为vpp烧录电压输入端。pin3239:p0.00.7 端口0，8位输入/输出端口 此端口为开汲极结构，当输出端口使用时，应外加提升电阻。 若当输入端口使用，应先将“1”写入此口。 对外部内存进行存取时，可当多任务的低阶地址线（a0a7）及数据总（d0d7）。 pin18: p1.01.7端口1，8位输入/输出端口 具有内部提升电阻的双向i/o,每支脚可单独作输入或输出使用。 若当输入口使用时，应先将“1”写入此口。

29、pin2128: p2.02.7端口2，8位输入/输出端口 具有内部提升电阻的双向i/o,与p1同。 对外部内存进行存取时，可当多任务的高阶地址线（a8a15）总线。 p2.02.7：端口3，8位输入/输出端口 具有内部提升电阻的双向i/o。 具有双重功能，除当一般i/o外，每支脚的特殊功能如下： rxd(p3.0):串行端口信号输入脚 txd(p3.1): 串行端口信号输出脚 int0(p3.2):外部中断0输入脚 int1(p3.3):外部中断1输入脚 t0(p3.4):定时/计数器0外部信号输入脚 t1(p3.5):定时/计数器1外部信号输入脚 wr(p3.6):写入脉冲输出脚 rd(p

30、3.7):读取脉冲输出脚2）8051单片机内部结构8051是mcs-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明。3.1.3 中央处理器 中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，cpu负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。3.1.4 数据存储器(ram) 8051内部有128个8位用户数据存储

31、单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的ram只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。8051内部结构如图3.2所示。 图3.2 8051的内部结构3.1.5 程序存储器(rom)8051有4kb片内rom存储器，地址范围为0000h0fffh。用于存放用户程序，原始数据或表格。3.1.6 定时/计数器8051单片机内部有2个16位可编程定时/计数器，即定时器t0（timer0）与定时器t1（timer1）.它们都有定时和事件计数的功能，可用于定时控制、延时、对外部事件

32、计数等场合。定时器t0和t1都是16位加1计数器，其中，t0由2个特殊功能寄存器th0和tl0构成；t1由2个特殊功能寄存器th1和tl1构成。每个定时器都可由软件设置为定时工作方式和计数工作方式，这些功能都由特殊功能寄存器tmod和tcon所控制。设置为定时工作方式时，计数脉冲来自内部时钟脉冲（即8051片内振荡器输出经12分频后的脉冲），即机器周期信号。于是每个机器周期使定时器（t0或t1）的数值加1，直至计满溢出。设置为计数工作方式时，通过引脚t0或t1对外部脉冲信号计数，当检测到t0（或t1）引脚的信号从高电平跳变到低电平时，计数器加1。每个机器周期的s5p2期间cpu对t0（或t1）

33、采样一次。当在第一个机器周期的s5p2期间检测到t0（或t1）引脚信号为1，而在第二个机器周期的s5p2期间检测到t0(或t1)引脚信号为0时，认为收到一个有效信号，在第三个机器周期的s3p1期间计数器加1.由于检测到一次负跳变需要两个机器周期，所以最高的外部计数脉冲的频率不能超过时钟频率的1/24，并且要求外部计数脉冲的高电平和低电平的持续时间不能小于一个机器周期。不管是定时还是计数工作方式，定时器t0或t1在对内部时钟或对外部事件计数时，不占用cpu的时间，除非溢出，向cpu提出中断申请，才可能中断cpu的当前操作。3.1.7 并行输入输出(i/o)口i/o端口有串行和并行之分，串行i/o

34、端口一次只能传送一位二进制信息，并行i/o端口一次可以传送一组二进制信息。8051有4个并行i/o端口，分别命名为p0、p1、p2、p3.这4个并行i/o端口都有双向i/o功能，即cpu既可以向4个并行i/o端口中的任何一个输出数据，又可以从他们那里读取数据。每个i/o端口内部都有一个8位数据输出锁存器和一个数据输入缓冲器，4个与相应的i/o端口同名的数据输出锁存器，它们和特殊功能寄存器（sfr）相对应。因此，cpu数据从并行i/o端口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲。4个并行i/o端口在结构上并不相同，因此它们的功能和用途不同。p0和p2口内部均有个受控制器控制的二选一选择电路，故

35、它们除可以用作通用i/o端口外还具有一些特殊的功能。在4个并行i/o中只有p0口是真正的双向i/o口，故它具有较大的负载能力，最多可以推动8个lsttl门，其余三个i/o端口是准双向i/o口，只能推动4个lsttl门。3.1.8 全双工串行口8051有一个全双向的可编程串行i/o端口。这个串行i/o端口既可以在程序控制下把cpu的8位并行数据变成串行数据一位一位地从发送数据线（txd）发送出去，也可以把串行接收到的数据变成8位并行数据送给cpu,而且这种串行发送和串行接收既可以单独运行，也可以同时进行。8051的串行发送和串行接收利用了p3口的第二功能，即它利用p3.1引脚作为串行数据的发送线

36、（txd）,p3.0脚作为串行数据的接收线（rxd）。串行i/o口的电路结构还包括串行口控制寄存器（scon）、电源及波特率选择寄存器（pcon）和串行数据缓冲器（sbuf）等，它们都属于sfr特殊功能寄存器。其中pcon和scon用于设置串行口的工作方式和确定数据的发送和接收波特率。sbuf实际上由两个8位寄存器组成，一个用于存放欲发送的数据，一个用于存放接收到的数据，起着数据的缓冲作用。3.1.9 中断系统中断技术是计算机在实时处理和实时控制中不可缺少的重要技术。中断是指cpu暂停执行原程序转而为外部设备服务（执行中断服务程序），并在服务完后继续执行原程序的过程。中断系统是指能够处理上述中

37、断过程所需要的那部分电路。中断源是指能产生中断请求信号的源泉。8051可处理5个中断源发出的中断请求，并对5个中断请求信号进行排队和控制，响应其中优先权最高的中断请求。8051的5个中断源有内部和外部之分：外部中断源有两个，通常指外部设备；内部中断源有3个，两个定时器/计数器中断源和一个串行口中断源。外部中断源产生的中断请求信号可以从p3.2和p3.3（即可由int0和int1）引脚上输入，有电平或边沿两种引起中断的触发方式。内部中断源t0和t1的两个中断请求是在它们从全“1”变为全“0”溢出时，自动向中断系统提出的，内部串行口中断源的中断请求是在串行口每发送一个8位二进制数据或接收到8位输入

38、数据后自动向中断系统提出的。中断嵌套示意图如图3.3所示。 图3.3 中断示意图8051的中断系统主要由中断允许控制器ie和中断优先级控制器ip等组成。其中，ie用于控制5个中断源中哪些中断请求被允许向cpu提出，哪些中断源的中断请求被禁止；ip用于控制5个中断源的中断请求的优先级，优先级最高的中断请求可以被cpu最先处理。ie和ip也属于21个特殊功能寄存器sfr，其状态也可以由用户通过指令设定。3）8051的工作方式程序执行方式程序执行方式可以分为单步操作和程序连续执行两种方式。单步操作方式是使程序的执行处于外加脉冲（通常用一个按键产生）的控制下，一条指令一条指令的执行，即按一次键执行一条

39、指令。单步操作方式特别适合于用户程序的调试阶段。单步操作方式是通过单片机的中断控制系统来完成的。在8051单片机的中断系统中规定，中断服务程序返回后，至少再执行完一条指令，才能重新进入中断。因此可以采用外部中断零的中断方式，实现单步操作方式。具体方法如下：将外加脉冲（按键）接到int0引脚输入，当它被按下时相应电路就产生一个负脉冲（即中断请求信号）送到单片机的int0（或int1）引脚。8051单片机在int0上，负脉冲作用下，启动一次中断处理过程，cpu执行一条程序指令，这样可以一步一步的进行单步操作。程序连续执行方式是单片机的基本工作方式。所执行的程序写入程序存储器后，接通单片机电源，此时

40、单片机上电复位，使pc=0000h，cpu将从程序的起始地址0000h单元开始，连续执行事先存放在程序存储器中的应用程序。低功耗操作方式低功耗操作方式分为节电操作方式和掉电操作方式。节电方式是执行一条将idl位置1 的指令后，8051单片机就进入节电方式。这时提供给cpu的时钟信号被中断，但中断、串行口和定时器继续工作，此时cpu现场（即sp、pc、psw和acc等）、片内ram和sfr中其他寄存器内容均维持不变。掉电方式是执行一条将pd位置1的指令后，8051单片机就进入掉电方式，进入掉电方式后，振荡器停止工作，时钟冻结，一切工作都停止，只有片内ram和特殊功能寄存器sfr中内容保持不变。在

41、掉电期间，vcc电源可以降为2v（可由电池供电）。3.1.10 时钟电路 8051内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。时钟引脚有两条：xtal1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，该引脚必须接地。xtal2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，接上述振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。引脚xtal1和xtal2分别是此放大器的输出端和输入端。这个放大器与片外石英晶体和陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，接线如图3.4所示。外接晶体时，c1和c2通常选择为30pf;外接陶瓷谐振器时

42、，c1和c2的典型值约为47pf。它的振荡频率在1.212mhz。图3.4 时钟电路它采用12mhz晶振，与8051单片机的xtal1和xtal2相接，为cpu提供计时基准。8051的机械周期（machine cycle）由s1至s6共6个状态所组成，每一状态又可细分为相1（p1）与相2（p2），故一个机械周期等于12个振荡周期，因此若振荡频率为12mhz,则振荡周期=1/12mhz=1/12us机械周期=6态2相振荡周期=121/12=1us了解指令执行所花费的机械周期后，即可计算延迟时间。通常在程序中，为达到延迟的目的，必须调用延迟子程序，以让cpu执行不做任何工作的指令。经由计算每一指令

43、执行的机械周期及次数，即可求出延迟时间。延迟时间的计算与振荡频率息息相关。若使用的振荡器频率越低，则执行相同子程序所需时间相对越久。至于需延迟多久，需要软件开发人员好好掌握。3.1.11 复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把pc初始化为0000h,使cpu从0000h单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，手动复位见图3.5。reset/vpd还是一复用脚，vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部ram的数据不丢失。为保证复位成

44、功，只要reset脚保持足够时间（即两个周期以上）的高电平，就可以实现系统自动上电复位。除上电自动复位外，有时在程序运行时，通过手动按键也可以强制cpu进入复位状态。手动按键复位有电平方式和脉冲方式两种。 图3.5 手动按键复位电路本设计采用手动按键复位的电平方式，使复位端经电阻与vcc电源接通而实。3.2 at89c51单片机at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalshprogrammable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。 at89c2051是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只

45、读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。如图3.6所示。图3.6 at89c513.2.1 主要特性与mcs-51 兼容 4k字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0hz-24hz三级程序存储器锁定128*8位内部ram32可编程i/o线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 3.2.2 管脚说明vcc：供电电压。gnd：接地。p0口：p0口为

46、一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可

47、接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p

48、3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下所示： p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断0） p3.3 /int1（外部中断1） p3.4 t0（记时器0外部输入） p3.5 t1（记时器1外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位

49、字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。/ea/vpp：当

50、/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。3.2.3 振荡器特性xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任

51、何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.2.4 芯片擦除整个perom阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ale管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，at89c51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu停止工作。但ram，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存ram的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.3风向传感器 3.3.1风向传感器检测原理风速传感器工作原理风速

52、waai51是响应快、启动风速低的光电子风速计。该风速传感器是采用传统三杯式的，感应部分由三个轻质锥形风杯组成，能在整个工作范围内提供良好的线性，直到风速达到75rds。随着在中心不锈钢轴上的截光盘随轴旋转，每转动一圈，切割红外光束l4次，从而由光电晶体中产生出一个脉冲链。输出的脉冲速率与风速成正比(例如，246i-iz：246rds)。然而，对于最佳精度而言，应当使用特征传输方程(见技术参数)，从而对起动惯量和轻微过速进行补偿。表2风向对应表在轴中有一个加热元件，提供10w的额定功率，以保证轴承在寒冷天气状况下不冻结。风向传感器也是光电型传感器,由单风标、格雷码盘、光电组件组成,红外led和

53、光电三极管分别安装于8位格雷码盘上下两侧的8个窝型孔内。当风标随风向变化而转动时,通过其轴带动轴下端固定着的格雷码盘,在光电组件的狭缝中转动,产生的光电信号经放大整形后,输出对应当时风向的幅度为12v的六位格雷码(每位格雷码只有电平高低的区别,习惯上高电平为1,低电平为0),转动时风向信号以2.8度的分辨率为步进变化。测量范围为0360,128个方位,结构如图 3.7所示。 图3.7 风向传感器原理图3.3.2风向传感器的检测由于风传感器安装在气象观测场内11m高的风杆上,最易雷击损坏,而且传感器内部的led发光管和光敏管因长期使用也易老化和损坏。维护维修过程中,对传感器进行准确的检测、认证和

54、判断是关键,根据检测结论实施维护、维修和更换,避免维修工作的盲目性。1.典型方向的格雷码检测断开传感器与主设备箱的8根信号连线,仅留+12v与地线连接供电,对传感器进行格雷码检测。分别把风标转至0、90、180、270,用万用表测量脱开的6根信号线的电平,12v为格雷码的高电平1,0v为格雷码的低电平0。此时测量出的格雷码必须是四个方向所对应的格雷码。这样可判断传感器内格雷码盘、脉冲整形电路、稳压防护电路等是否正常。2.六位码的单码检测上面的检查还不能完全判断传感器的好坏。从四个典型方向的格雷码表中可看出,在上面的检测中,三个低位码的变化尚未检测。因此,为了排除三个低位码对应的三对led发光管

55、和光敏管的好坏,还必须用指针式万用表进一步测量。万用表分别连接于六根信号线上测量六次,测量时随意转动风标(至少必须转动一圈以上),每根信号线上的电平都必须至少在012v两个点上变动一次。这样检测之后,即可判断传感器内三对led发光管和光敏管的好坏,配合(1)中典型方向格雷码的检测,可以对风向传感器进行完全的检测和判断。3.4硬件电路的设计 3.4.1 ad590简介ad590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下： 1、流过器件的电流（ma）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： ma/k 流过器件（ad590）的电流，单位为ma； t热力学温度，单位为k。 2、ad590的测温范围为-55+150。 3、ad590的电源电压范围为4v3