基于VB与AT89C51的多点压力监测系统的设计

1、图书分类号：密 级：摘要压力测量对实时监测和平安生产具有重要的意义。在工业生产中，为了高效、平安生产，必须有效控制生产过程中的诸如压力、流量、温度等主要参数。由于压力控制在平安生产过程中起着决定性的作用，因此有必要准确测量压力。 本课题设计了基于单片机的多点压力监测系统。通过单片机能够监测多点压力信号，并能够在液晶面板上显示各点压力信号，同时利用Visual Basic作为上位机，完成对监测系统的显示。本系统运行可靠、性能稳定、性价比高、应用前景十分广阔。具体实现是运用压力传感器来监测压力参数，通过A/d转换进行模数转换，然后利用AT89C51进行数据处理，最后用1602字符型LCD显示当前测

2、量压力值。关键词：单片机；压力传感器；LCD显示；A/D转换 AbstractPressure measurement on the real-time monitoring and safety is of great significance.In industrial production in order to efficient, safe production, must be effective control of the production process, such as pressure, flow, temperature and other key paramete

3、rs.As pressure control in a safe production process plays a decisive role, it is necessary to accurately measure the pressure. The project was designed based on single chip multi-pressure monitoring system.Through the microcontroller to monitor the multi-point pressure signal and displayed on the LC

4、D panel to the point pressure signal, while using Visual Basic as the host computer to complete the display of the monitoring system. The system is reliable, stable performance, cost-effective, application of a bright future.Concrete implementation is the use of pressure sensors to monitor pressure

5、parameters, through the A /D conversion analog to digital conversion.Then AT89C51 data processing, and finally with 1602 character LCD displays the current measured pressure value.Keywords: microcontroller pressure sensor LCD display A/D conversion目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc10511 1 绪论 PAGEREF

6、_Toc10511 1 HYPERLINK l _Toc9729 1.1 课题的背景 PAGEREF _Toc9729 1 HYPERLINK l _Toc25691 1.2 压力监测的意义 PAGEREF _Toc25691 1 HYPERLINK l _Toc2156 1.3 压力监测技术的现状及开展趋势 PAGEREF _Toc2156 2 HYPERLINK l _Toc17097 1.4 论文的主要内容 PAGEREF _Toc17097 2 HYPERLINK l _Toc474 2 压力传感器 PAGEREF _Toc474 4 HYPERLINK l _Toc10462 2.1

7、 压力传感器 PAGEREF _Toc10462 4 HYPERLINK l _Toc25321 2.2 压力变送器 PAGEREF _Toc25321 7 HYPERLINK l _Toc27314 2.3 压电效应 PAGEREF _Toc27314 7 HYPERLINK l _Toc10247 2.4 MPXA压力传感器 PAGEREF _Toc10247 8 HYPERLINK l _Toc20217 3 系统硬件设计 PAGEREF _Toc20217 11 HYPERLINK l _Toc26831 3.1单片机 PAGEREF _Toc26831 11 HYPERLINK l

8、_Toc12908 3.1.1 AT89C51 PAGEREF _Toc12908 12 HYPERLINK l _Toc1750 3.1.2 单片机引脚和工作功能 PAGEREF _Toc1750 13 HYPERLINK l _Toc18821 3.2 A/D转换器 PAGEREF _Toc18821 16 HYPERLINK l _Toc1698 3.3 LCD1602显示器 PAGEREF _Toc1698 17 HYPERLINK l _Toc12540 3.3.1 LCD1602的结构及功能 PAGEREF _Toc12540 18 HYPERLINK l _Toc31052 3.

9、3.2 LCD1602液晶显示指令集 PAGEREF _Toc31052 19 HYPERLINK l _Toc17649 3.4 串口 PAGEREF _Toc17649 20 HYPERLINK l _Toc17463 3.5 系统硬件具体设计 PAGEREF _Toc17463 21 HYPERLINK l _Toc16262 3.5.1 数据采集模块 PAGEREF _Toc16262 22 HYPERLINK l _Toc10790 3.5.2 数据传输模块 PAGEREF _Toc10790 22 HYPERLINK l _Toc10548 3.5.3 数据处理模块 PAGEREF

10、 _Toc10548 23 HYPERLINK l _Toc20079 3.5.4 显示电路模块 PAGEREF _Toc20079 24 HYPERLINK l _Toc6652 4 系统软件设计 PAGEREF _Toc6652 26 HYPERLINK l _Toc24137 4.1 设计的思想和准那么 PAGEREF _Toc24137 26 HYPERLINK l _Toc21109 4.2 Keil C51语言软件简介 PAGEREF _Toc21109 26 HYPERLINK l _Toc20716 4.3 visual basic简介 PAGEREF _Toc20716 27

11、 HYPERLINK l _Toc10759 4.4 软件系统设计 PAGEREF _Toc10759 27 HYPERLINK l _Toc12516 4.4.1软件整体设计流程图 PAGEREF _Toc12516 27 HYPERLINK l _Toc30382 4.4.2 预警显示设计 PAGEREF _Toc30382 28 HYPERLINK l _Toc9052 5 系统调试 PAGEREF _Toc9052 30 HYPERLINK l _Toc15265 5.1 硬件调试 PAGEREF _Toc15265 30 HYPERLINK l _Toc7762 5.2 软件调试 P

12、AGEREF _Toc7762 31 HYPERLINK l _Toc377 5.2.1 KEIL的调入 PAGEREF _Toc377 31 HYPERLINK l _Toc23660 5.2.2 VB的调试 PAGEREF _Toc23660 31 HYPERLINK l _Toc19467 结 论 PAGEREF _Toc19467 34 HYPERLINK l _Toc4788 致 谢 PAGEREF _Toc4788 35 HYPERLINK l _Toc31066 参考文献 PAGEREF _Toc31066 36 HYPERLINK l _Toc25591 附 录 PAGEREF

13、 _Toc25591 37 HYPERLINK l _Toc7464 附录1 硬件电路图 PAGEREF _Toc7464 37 HYPERLINK l _Toc18541 附录2 程序 PAGEREF _Toc18541 391 绪论1.1 课题的背景 在工业生产中，经常需要对压力信号进行检测。压力监测系统主要用于汽车轮胎、煤矿、油田、锅炉等许多领域。压力监测系统应用范围非常广泛，例如用于在汽车行驶时对轮胎气压进行自动检测，轮胎漏气和低气压是自动报警。在现实生活中，要实现智能化、自动化、机械化就必须做到对压力信号的及时采集和处理，压力信号就是一个常见的最根本的信号，所以目前国内外有好多关于压

14、力方面的研究。尤其是其中的单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域的主流。 由于压力控制在生产工程中起着决定性的平安作用，因此有必要准确测量压力。由于在进行监测时往往需要对多处的信息进行测量和监控，因此多点压力监测是十分重要的。 压力测量仪表种类繁多，可以按不同的方法进行分类。 单片机是仪表的主体，对于小型仪表来说，单片机内部的存储器已经足够；大型仪表要进行复杂的数据处理，或者要完成复杂的控制功能，其监控程序较大，测量数据较多，这是就需要在单片机外部扩展片外存储器。被测量的模拟信号经过A/D转换之后，通过输入

15、通道进入单片机内部；单片机根据由键盘置入的各种命令，或者送往打印机打印，或者经过A/D转换后成为能够完成某种控制功能的模拟电压。 通信接口的功能是通过GPIB或者RS-232接口总线与其它仪器仪表甚至计算机作远距离通信，以到达资源共享的目的。1.2 压力监测的意义随着电子技术、计算机技术、通信技术的迅速开展，工业测控领域采用先进的技术对现场的工业生产参数进行监测，监测是实现工业自动化的重要标志。据不完全统计，在工业生产中被监测最多的参数是压力、流量、温度这三大参数，无论在石油、化工、煤炭、水利等行业，还是电力、机械、航天、国防等部门，都离不开对这些参数的监测，当然除此之外，还有诸如液位、扭矩、

16、密度、浓度、速度、位移、距离、电参量等众多物理参数的监测。压力测量的领域十分广泛，其实，不仅在工业领域，而且在民用领域、军用领域压力的测量随处可见。当然，不同的场合，对测压范围的要求不一，即使相同的测压范围，测量不同的对象，其测量的精度要求也不尽相同。当然，我们做任何一件物品，都是在满足要求的前提下，越简单越好，本钱越低越好，作为工业、民用、军用等领域的测量，这个原那么也不例外，但作为人类对客观事务的认识，从测量的角度，从误差的概念，从真值的理解来看，我们应该在一定的条件下尽量地将测量的精度提高。随着工、农业的开展，多路压力监测系统势必将得到越来越多的应用，为适应这一趋势，作这方面的研究就显得

17、十分重要。总之，不管在哪个应用领域中多路压力监测系统将直接影响工作效率和所取得的经济效益。因而，多路压力监测系统的研发有着广阔的前景和市场。总之，压力的监测是一般生产过程所不可缺少的环节，只有按工艺要求保持压力的稳定，才能维持生产的正常进行。所以压力准确测量是自动化仪表人员的重要任务。1.3 压力监测技术的现状及开展趋势压力是一般工业领域最容易碰到的监测参数，市场上专用的各类压力监测产品也比拟丰富，国内外的压力检测仪器的开展水平主要表达在仪器的智能化水平、测量压力范围、测量的精度以及仪器的功耗技术指标上。随之现代工业生产的开展,尤其是国防工业,航空航天技术的飞速开展,对压力测量的要求越来越高,

18、对压力测量技术和仪表的研究和开发也不断开展。 近年来，压力传感技术融入了IC技术、计算机技术、通信技术，使它成为压力测量技术中十分重要的内容，也使压力仪表趋于数字化和智能化。近年来单片机为核心的压力检测的开展很快。国内市场上已经出现了各种各样的单片机为核心的压力检测，例如，能够自动进行差压补偿的职能节流式流量机，能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，以及能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器等。近20年来，由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量控制仪表已经取得了巨大的进展。从技术背景上来说，硬件集成电路的不断开展和创新是

19、一个重要因素。各种集成电路芯片都在朝超大规模，全CMOS化的方向开展。CMOS电路具有功耗低，工作温度范围宽的特点。1.4 论文的主要内容 本系统是基于VB与AT89C51的多点压力监测。Visual Basic是可视化面向对象的采用事件驱动技术的结构化程序设计语言，本系统上位机是在Windows环境下利用Visual Basic开发微机通信程序。事件驱动通讯是交互方式处理串口事务的一种非常有效的方法，特别适合Windows程序的编写。本课题采用89C51单片机对多个压力点进行测量和监视。该系统中单片机作为下位机，完成测量压力任务，测量结果可在本地显示，也可通过下位机与上位机PC机通讯，给出结

20、果和提示信息。设计本系统需要熟悉多点压力监测系统的工作原理，单片机的根本结构、原理、应用及编译软件KeilC51，压力传感器测压原理，VB编程语言。本论文的主要内容：第一章绪论，简单介绍了工业生产中压力监测的作用和意义，并明确了本次毕业设计的主要任务。第二章压力传感器相关简介，阐述了压力传感器以及压电效应的概念，变送器的输入与输出关系，并着重介绍了MPX压力传感器的结构和应用。第三章系统硬件设计，先给出了整个硬件的电路框图，然后详细描述了各个硬件的工作原理，并对每个子电路模块进行了分解。第四章系统软件设计，Keil软件的编译，VB界面的设计，并给出相关的图和代码。第五章系统的调试及改良，对调试

21、过程及遇到的问题和解决方法进行详细的阐述。 2 压力传感器2.1 压力传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。压力传感器有好多种,主要是利用晶体压电效应的压力传感器。 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传

22、感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。下面就简单介绍一些常用传感器原理及相关产品。1应变片压力传感器原理图2-1 金属电阻应变丝的结构金属电阻应变丝的结构见图2-1。电阻应变式传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力重量转换成电信号的传感器。电阻应变式传感器包括两个主要局部，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的压力转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表

23、显示出来。在电阻应变式传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变式传感器工作原理框图见图2-2。 图2-2 电阻应变式传感器工作原理框图当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。电阻应变式传感器桥式测量电路见图2-3。图2-3 桥式测量电路R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为鼓励电压，V为输出电压。 假设不考虑Rm，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压见式(2.1)：

24、 式 (2.1)由于桥臂的起始电阻全等，即R1 = R2 = R3 = R4 = R，所以V=0。当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+R1、R+R2、R+R3、R+R4时，电桥的输出电压变为： 式 (2.2)通过化简，上式那么变为： 式 (2.3)也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。上式说明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，R1、R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，R2、R4为负值。再加之应变片阻值变化

25、的绝对值相同，即R1 = R3 = + R或1 = 3 = +R2 = R4= - R或2 = 4 = - 因此，V=4 = e K。假设考虑 Rm，那么电桥的输出电压变成：SU称为传感器系数或传感器输出灵敏度。对于一个高精度的应变传感器来说，仅仅靠4个应变片组成桥式测量电路还是远远不够的。由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片性能及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。为了减少传感器随温度变化产生的误差，提高其精度和稳定性，需要在桥路两端和桥臂中串入一些补偿元件。如：初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵敏度温度补偿等。2陶瓷压力传感器原理压力直接作用

26、在陶瓷膜片的前外表，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的反面，连接成一个惠斯通电桥闭桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥失去平衡，有输出电压。3扩散硅压力传感器原理图2-4 扩散硅压力传感器原理图扩散硅压力传感器原理见图2-4。压力直接作用于传感器的膜片上不锈钢或陶瓷，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。与压力成正比的高度线性、与鼓励电压也成正比的电压信号。 2.2 压力变送器压力变送器是自动检测和调节系统中将压力或差压转换为可传送的统一输出信号的仪表，而且其输出信号与输入压力之间有一给定的

27、连续函数关系，以便于指示，记录和调节。压力变送器的根本原理：变送器一般由输入转换局部，放大器和反应局部组成如图2-5。 图2-5变送器根本组成框图输入转换包括传感器，它将压力或差压转换成某一中间模拟量Zo：如电压，电流，电容，电阻，位移等；反应局部把变送器的输出信号y转换成反应Zf ：信号放大器将中间模拟量与反应信号之差值进行放大，转换为标准输出信号。变送器的输入与输出关系见式(2.4) 式(2.4) 式中 D表示输入转换局部的转换系数； K表示放大器的放大系数； 反应局部的反应系数。2.3 压电效应压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有

28、在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英二氧化硅是一种天然晶体

29、，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失这个高温就是所谓的“居里点。由于随着应力的变化电场变化微小也就说压电系数比拟低，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比拟低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。在现在压电效应也应用在多晶体上，比方现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加

30、速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比方说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感

31、器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。2.4 MPXA压力传感器本系统选择的是MPXA4115A6U压力传感器。 MPXA压力传感器可将空气压力这一物理量变换成电信号, 并能够高精度、线性地检测出压力的变化。它是摩托罗拉电工公司推出的新产品。图2-6 MPXA压力传感器截面结构图MPXA压力传感器的截面结构图见图2-6。如下图，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。受到应变的局部，即膜片由于容易感压而变薄。其传感器局部的结构见图2-7。 图2-7

32、MPXA压力传感器局部结构图如图2-7b所示，当向空腔局部加上一定的压力时，膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。压电电阻的排列方法见图2-8，受到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加；受到压缩的电阻R1和R3阻值减小。 图2-8 压电电阻的排列方法图MPXA压力传感器与其他压力传感器相比，它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点，它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。MPXA压力传感器属于扩散硅压力传感器，结合了高级的微电机技术，薄膜镀金属。还能在高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。工作原理是被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上不锈钢或陶瓷，使膜片产生与介质压力成正

33、比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。在0到85摄氏度的温度下误差不超过1.5%，温度补偿是-40到125摄氏度。压力传感器MPXA4115的特性参数如表2.1所示。表2.1 传感器MPXA4115的管脚说明12345678N/CVSGNDVOUTN/CN/CN/CN/C 传感器MPXA4115。表2.2 传感器MPXA4115的特性参数参 数符 号最 小典 型最 大单 位压力范围Pop15-115KPa供电电压VsVdc供电电流Lo-10mAdc最大压力偏置 085VpssVdc满量程输出 085VoffVdc满量程比例

34、085VFSSVdc精度085-%VPSS灵敏度V/P-mV/KPa响应时间10%90%tR-ms上升报警时间-20-ms偏置稳定性-%VFSS3 系统硬件设计本课题主要是设计一套基于单片机的多点压力监测系统，通过单片机能够监测多点压力信号，并能够在液晶面板LCD上显示出相应的压力值，并在上位机visual basic中给出压力结果和灯显示相应的提示。具体实现是运用压力传感器来检测压力参数，通过A/D转换器进行模数转换，然后利用AT89C51进行数据处理，最后用LCD1602显示当前测量压力值，并通过串口与上位机实现通讯，在上位机中给出结果和提示信息。系统设计整体框图见图3-1。图3-1 整体

35、的设计框图3.1单片机现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子世界领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。现代电子系统的根本核心是嵌入式计算机系统简称嵌入式系统，而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。嵌入式系统源于计算机的嵌入式应用，早期嵌入式系统为通用计算机经改装后嵌入到对象体系中的各种电子系统，如舰船的自动驾驶仪，轮机监测系统等。嵌入式系统首先是一个计算机系统，其次它被嵌入到对象体系中、在对象体系中实现对象要求的数据采集、处理、状态显示、输出控制等功能，由于嵌入在对象体系中，嵌入式系统的计算机没有计算

36、机的独立形式及功能。单片机完全是按照嵌入式系统要求设计的，因此单片机是最典型的嵌入式系统。早期的单片机只是按嵌入式应用技术要求设计的计算机单芯片集成，故名单片机。随后，单片机为满足嵌入式应用要求不断增强其控制功能与外围接口功能，尤其是突出控制功能，因此国际上已将单片机正名为微控制器MCU，Microcontroller Unit。世界电子元器件在嵌入式系统带动下，沿着充分满足嵌入式应用的现代电子系统要求开展。这就使原来经典电子系统的天地愈来愈小。电子系统中的各类从业人员应尽早转向现代电子系统的康庄大道。3 AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器FPEROMFla

37、sh Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。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，AT89C51是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51主要特性：与MCS-51 兼

38、容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保存时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32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实物如图3-2所示。 图3-2 AT89C51单片机3. 单片机引脚和工作功能AT89C51引脚如图3-3所示。 图3-3 AT89C51引脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个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

39、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。

40、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口输出其特殊功能存放器的内容。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，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。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

41、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

42、/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/EA保持低电平时，那么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。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

43、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何要求，但必须保证脉冲的上下电平要求的宽度。表3-1 AT89C51主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方

44、式的时钟电路如图3-4(a) 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图3-4b所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生

45、一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。(a) 内部方式时钟电路 b外部方式时钟电路图3-4 时钟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，使单片机从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。除PC之外，复位操作还对其他一些存放器有影响，它们的复位状态如表3-2所示。表3-2 一些存放

46、器的复位状态存放器复位状态存放器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H3.2 A/D转换器A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，它是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口。A/D转换的实现方法有多种，常用的有：积分式，逐次比拟式，并行比拟式和二进制斜坡式又称计数式，量化反应式等。本系统才用的是TLC1543 A/D转换器。TLC1543是美国TI公司生产的多

47、通道、低价格的模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。TLC1543是美国TI公司生产的众多串行A/D 转换器中的一种，它具有输人通道多、转换精度高、传输速度快 、使用灵活和价格低廉等优点 ，是一种高性价的A/D转换器。 TLC1543是CMOS、l0位开关电容逐次逼近模数转换器。它有三个输人端和一个3态输出端 ：片选( CS )、输人出时种 ( I/O CLOCK)、地址输入( ADDRESS)和数据输 出(DATAOUT)。这样通过一个直接的四线接口与主处理器或其外围的串行口通讯。片内含有 1 4通道多路选择器可以选择

48、l J个输人中的任何一个或3个内部自测试 ( s e l f test)电压中的一个 。TLC1543引脚如图3-5所示。图3-5 TCL1543TLC1543为20脚DIP封装的CMOS 10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列如图3-5所示。VCC：供电电压。EOC：转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。其中A0A1019、11、12脚为11个模拟输入端，REF+14脚，通常为VCC和REF-13脚，通常为地为基准电压正负端，CS15脚为片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制和

49、使能ADDRESS、I/O CLOCK18脚和DATA OUT16脚 。ADDRESS17脚为串行数据输入端，是一个4位的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。DATA OUT 为A/D转换结束3态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。I/O CLOCK为数据输入/输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。芯片内部有一个14通道多路选择器，可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试。片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC19脚输出端变高说明转换完成。内部转换器具有高速10S转换时间，高精度10位分辨率，最大1LSB不可调整

50、误差和低噪声的特点。3.3 LCD1602显示器液晶显示模块在各类测量及控制仪表中由于其功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便等优点而被广泛的应用。其中字符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号的点阵式液晶显示模块。以HD44780(HITACHI)为主控制驱动电路及其扩展驱动电路HD44100的液晶显示模块是以假设干个58或511点阵块组成的字符块集。该字符块集中的每一个字符块为一个字符位, 字符间的点距和行距均为一个点的宽度。它的内部具有字符发生器ROM 以及可显示192 种字符和64个字节的自定义字符RAM，因而可自定义8个5 8 点阵字符或4 个5 11 点阵字符。而且模块的接口

51、信号和操作指令具有广泛的兼容性，并能直接与单片机接口。另外，它还具有专用指令，可方便地实现各种不同的操作。3.3.1 LCD1602的结构及功能 图3-6 LCD1602实物图本系统采用LCD1602显示器，LCD1602液晶模块采用HD44780控制器。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动、闪烁等功能。LM016L与单片机MCUMicrocontroller Unit通讯可采用8位或者4位并行传输两种方式。HD44780 控制器由两个8位存放器、指令存放器IR和数据存放器DR、忙标志BF、显示数据RAMDDRAM、字符发生器ROMCGROM、字符发生器RAMCGRAM、

52、地址计数器AC。IR 用于存放指令码，只能写入不能读出；DR用于存放数据，数据由内部操作自动写入DDRAM 和CGRAM，或者暂存从DDRAM和CGRAM 读出的数据。BF为1时，液晶模块处于内部处理模式，不响应外部操作指令和接受数据。DDRAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码。CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160种和5*10点阵字符32种。CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节。可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符。AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR，那么IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或者CGRA

53、M单元。LCD1602液晶模块的引脚见图3-7。 图3-7 LCD1602液晶模块引脚图LCD1602芯片引脚功能如表3-3所示。表3-3 LCD1602引脚功能管脚号符号电平方向引脚含义说明1VSS一般接地2VDD电源+5V3V0液晶驱动电源05V4RSH/L输入存放器选择：1-数据存放器；0-数据存放器5R/WH/L输入读写操作选择:1-读操作；0-写操作6ENH/L,H-L输入使能信号：R/W=0,E下降沿有效； R/W=1,E=1有效710D0D3三态8位数据总线的低4位，假设与MCU进行4位传送时，此四位不用1114D4D7三态8位数据总线的高4位，假设与MCU进行4位传送时，只用此

54、4位1516VCC GND电源 接地3.3.2 LCD1602液晶显示指令集它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的说明：1为高电平，0为低电平。 指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平那么无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光

55、标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符有些模块是 DL：高电平时为8位总线，低电平时为4位总线。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收

56、到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器CRT那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来到达显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。功耗低： 相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。3.4 串口本设计使用的是9孔USB串口，即RS-232C型号的串口。串行接口Serial Interface是指数据一位位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要

57、一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用 线，从而大大降低了本钱，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。 HYPERLINK :/baike.baidu /image/0ef21124abd0330ac8955996 图3-8 串行接口 图3-9 串口截面图 一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；本钱低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。 3.5 系统硬件具体设计系统的整体硬件设计可以分为四个模块：数据采集模块、数据转换模

58、块、数据处理模块、显示电路模块。总的电路系统框图如图3-10。图3-10 系统框图3.5.1 数据采集模块气压传感器对于系统至关重要，需要综合实际的需求和各类气压传感器的性能参数加以选择。一般要选用有温度补偿作用的气压传感器，因为温度补偿特性可以克服半导体压力传感器件存在的温度漂移问题。绝对气压值对应的既是实际的气压值，显然本设计要实现的数字气压计需要能测量绝对气压值的气压传感器。本设计要实现的数字气压计显示的是绝对气压值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的气压传感器。经过综合考虑，本设计选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器。MPXA4115可以产生与所加气压

59、呈线性关系的高精度模拟输出电压。数据采集模块由气压传感器MPXA4115构成，采集的是大气压值。其中4脚是输出信号端，输出的是与气压值相对应的模拟电压信号。数据采集模块的原理如图3-11所示。图3-11 数据采集原理图3.5.2 数据传输模块压力传感器MPXA4115输出的是模拟电压，因此，必须进行模拟到数字的转换才能交由单片机处理。关于A/D转换，本课题中采用一种电压频率转换电路来实现模拟电压数字化的处理。数据的采集与处理广泛地应用在自动化领域中，由于应用的场合不同，有时要对几个模拟信号进行采集与处理，这些信号的采集与处理对速度要求不太高，一般采用AD574或HYPERLINK :/ ic3

60、7 /ADC0809-p.htm t _blank o ADC0809货源和PDF资料ADC0809等芯片组成的A/D转换电路来实现信号的采集与模数转换，而AD574和HYPERLINK :/ ic37 /ADC0809-p.htm t _blank o ADC0809货源和PDF资料ADC0809等A/D转换器价格较贵，线路复杂,从而提高了产品价格和工程的费用。在本文中，从实际应用出发，给出了一种应用A/D转换器TLC1543，转换器TLC1543能够把电压信号转换为频率信号，而且线性度好，通过计算机处理，再把频率信号转换为数字信号，就完成了A/D转换。它与AD574等电路相比，具有接线简单