智能楼宇设计大学设计

石家庄铁道大学毕业设计

智能楼宇设计

IntelligentBuildingDesign

2011届电气工程系

专业自动化

学号_______________

学生姓名_______________

指导教师_______________

完成日期2011年5月25日

毕业设计成绩单

学生姓名学号班级专业自动化

毕业设计题目智能楼宇设计

指导教师姓名马月辉

指导教师职称副教授

评定成绩

指导教师

得分

评阅人得分

答辩小组组长

得分

成绩:

院长（主任）签字:

2011年月日

毕业设计任务书

题目智能楼宇系统设计

学生姓名学号班级专业自动化

导师导师

承担指导任务单位电气工程系副教授

姓名职称

一、主要内容

楼宇自动化系统的设计

二、基本要求

系统为开放性系统，体系结构必须灵活

三、主要技术指标（或研究方法）

趋势预测、状态日志、报警

四、应收集的资料及参考文献

IP、BMS相关资料

五、进度计划

1-3周课题调研、收集、学习参考资料，查阅外文资料，书写开题报告。

4-5周制定毕业设计方案。

6—13周设计硬件电路、确定各元件参数、软件算法。

14—15周整理并撰写毕业设计论文，提交论文给指导老师。

16周答辩。

教研室主任签字时间2011年月日

毕业设计开题报告

题目智能楼宇设计

姓名学号班级专业自动化

一、智能楼宇研究背景及现状

由于国内智能楼宇的发展非常迅速，越来越多的开发商、业主及最终用户关注并投入到智能

楼宇的发展，具有良好的应用前景和发展态势，再加上中国是发展中国家，充分利用网络资源是

目前设计的基本原则之一。

我们国家的目前研究水平处于发展中，而欧美等发达国家中研究水平处于成熟阶段。

二、研究目的和意义

随着全球信息化进程的加快，人类社会正逐步步入以智力资源为首要依托的智能型社会。城

市作为经济技术的主要载体，也必将踏上以社会生活智能化为基本特征的发展道路，这是历史发

展的必然选择，是城市功能演变的必然结果。电脑走进我们的家庭生活，和我们日常生活的家庭

居室更加紧密地结合起来，不但是我们住宅的一部分，而且是住宅中的神经中枢、控制中心，这

与全球信息化浪潮的推动和人类社会的进步是分不开的。电脑使我们的家成为一个更加迷人温馨

的舒适之地，开启了人类家居生活的新纪元。因此，不论从城市现代化建设的必然要求出发，还

是从提高城市居民生活质量的需求出发，在我国加强数字化家园建设，已成为城市信息化建设不

可或缺的重要组成部分，它的社会意义就在于：

(1)有利于物业管理基础工作走向科学化。实现物业管理智能化，可以使管理信息得到有

效的集中，大大减少数据的冗余，确保数据的准确性和及时性，使信息在物业管理中的威力得以

发挥。

(2)有利于物业管理水平和效率不断提高。在传统管理条件下，物业管理服务于经营过程

中，信息流的反馈总是相对滞后，这种现象在财务管理中尤为突出。通过管理的智能化，信息的

处理和传递得以及时完成，使管理工作可以做到事前控制，从而提高企业的管理水平和效率。

(3)有利于节省土地，便于加强城市规划和管理。

实现住宅产业现代化，发展数字化住宅，将会淘汰掉一批规模小、素质差、实力弱的小公司

和依靠投机发财的企业；经营不善、严重亏损的开发公司也将被排挤出局。这样，那些经大风大

浪"筛选"出来的优秀企业就可以集中精力发挥他们在技术创新等方面的优势，为百姓建造更多

更好的住宅。

三、主要工作和所采用的方法、手段

1.自动抄表系统：

该系统主要有采集用户脉冲电能表电能量信息的采集终端、集中器、通讯信道和抄表中心等

几个部分组成。集中器数据可通过信道远距离传送到主站或经IC卡等介质集中抄收后输入到主

站计算机实现足不出户就可抄回电量。

2.安全防护系统：

(1)防盗报警：防盗报警系统是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内

的侵入行为，产生报警信号。

(2)防火报警：采用放射同位素组成的离子感烟传感器，其传感器主要是红外及感烟传感

器(特别适用于室内)。

四、预期达到的效果

不仅实现楼宇的用户管理、信息查询，而且实现楼宇的自动抄表系统。楼宇用户水、电、煤

气三表输出的脉冲信息由智能控制器读出，管理中心读出三表读数，并打印出来。先进的可以与

银行联通，定期通过银行系统扣费，从而实现远程抄表与自动扣费结合。

对于智能建筑的管理者来讲，意味着通过网络管理平台，可以随时随地的提供信息与数据的

编辑、储存、优化和查询。管理者的需求与网络、议备和信息与数据始终联系在一起。

指导老师完成日期2011年月日

摘要

本文是针对智能建筑的水表、电表、煤气表抄表系统所作的研制。经过对国内外

相关技术和案例的分析、研究之后，结合楼宇的实际情况，设计了一套基于单片机控

制技术的远程抄表系统。该设计综合运用了传感器技术、单片机技术以及通信技术，

实现了水表、电表、煤气表数据采集、存储、处理、传输等工作，使每一位住户的水

表、煤气表数据准确传递给物业公司的中央控制室，以便查抄。

为了准确地实现水表、电表、煤气表数据地远程抄收，本文设计完成了以AT89C51

为控制核心，同时具备远程数据采集功能和数据通信功能的系统的硬件设计和软件设

计。硬件设计部分包括：（1）智能仪表部分。主要包括通过传感器设计来完成物理量

向电信号的转换；（2）数据采集器部分。主要包括单片机及其扩展接口的设计，信号

调理电路、信号切换电路、模数转换电路设计，通讯接口设计。在硬件设计过程中尽

量做到简化结构，节省外围电路。在软件设计上，主要针对数据采集器的数据采集功

能和串行通讯功能进行程序的编写。

关键词：智能楼宇远程抄表单片机

Abstract

Themeter-readingsysteminwatermeterandingasmeterforintelligentbuildingis

designedinthispaper.Throughanalysisandstudyofthecorrelativetechniqueandcases,

combinedwiththepracticalconditionsoftheresidentialquarters,theremotemeter-reading

systembasedonmicrocomputercontroltechniqueisdesigned.Thedesignconsiderssensor

technique,microcomputertechniqueandcommunicationtechniqueasmajorsupports.

Basedonthesetechniques,datacollecting,dataprocessing,datastorageaswellasdata

transmittingarerealized.Thedataofthewatermeterandthegasmeterineveryfamilycanbe

transmittedtothecentercontrolroomexactly.

Inordertocarryouttheremotereadingofthewatermetersandgasmetersaccurately,this

paperdesignedthehardwareandsoftwaresystem,whichusedAT89C51asthecontrolcore

andpossessedtheremotedatacollectinganddatecommunicationfunction.Thehardware

designincludedthefollows:(1)Intelligentmetermodule,convertingthephysicalsignalsto

theelectricalsignalsbythesensor.(2)Dataacquisitionmodule,includingthedesignsof

microcomputeranditsextendedinterface;thedesignsofsignaldemodulatorcircuit,signal

switchovercircuitandA/Dconvertedcircuit;thedesignofcommunicateintcrface.Inthe

hardwaredesign,thispapertriestosimplifythesystemstructureandperipheralcircuit.Inthe

softwaredesign,theprogramsforcollectingdataandcommunicationarcmade.

Keyword:IntelligcntbuildingRemotemeter-readingmicrocomputer.

目录

第1章绪论.......................................................................1

1.1引言.........................................................................1

1.2课题背景.....................................................................1

1.3国内外的发展与前景..........................................................2

1.3.1国外智能楼宇的发展........................................................2

1.3.2国内智能楼宇的发展........................................................3

1.3.3智能楼宇在我国的发展前景..................................................3

1.4智能楼宇的分类..............................................................3

1.5智能楼宇的构成与功能.....................................................4

1.6智能楼宇的发展方向.......................................................5

1.7本文所要研究的主要内容...................................................6

第2章设计方案与元件简介........................................................7

2.1方案选择.....................................................................7

2.1.1抄表方案选择..............................................................7

2.2元件简介.....................................................................8

2.2.1处理器.....................................................................8

2.2.2用于I/O扩展的芯片8255A......................................................................................................17

2.4.3用于数据采集的芯片74LS151..................................................................................................20

2.2.3驱动LED显示的移位寄存器芯片7415164...........................................................................21

2.3三表（水、电、煤气表）的选择............................................21

第3章硬件连接..................................................................23

3.1硬件接线图..................................................................23

3.2芯片间的连接................................................................24

3.2.174LS151与8255A的连接.................................................24

3.2.28255A与AT89C51的连接..............................................25

3.2.3AT89C51数据存储器的扩展与连线........................................26

3.2.4AT89c51与74LS164的连接..............................................27

3.2.574LS164驱动8位LED显示电路........................................27

3.2.6面板显示...............................................................28

3.3电源电路....................................................................28

3.4防盗、防火开关量信号采集...................................................29

第4章软件系统..................................................................31

4.1系统调试....................................................................31

4.2数据流程....................................................................31

第5章结论......................................................................32

致谢..............................................................................33

参考文献..........................................................................34

附录A外文资料：..............................................................35

附录B硬件连接图..............................................................49

附录C流程图..................................................................50

附录D软件流程..............................................................51

附录E元器件表..............................................................55

第1章绪论

1.1引言

随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术的迅速发展，智能化建筑在发达

国家应运而生。1984年美国哈特福特市将一座旧式大楼改造，并且对大楼的空调、

电梯、照明和防盗等设备采用计算机进行监测控制，为客户提供说语音通信、文字处

理、电子邮件和情报资料等信息服务，被称为世界上第一座智能化大楼。次年，日本

东京的一座智能大厦也相继成立，从此智能社区引起了世界各国的关注。随后在各国

相继形成热潮，我国也引进了这一新技术％

智能楼宇是通过对建筑四个基本要素（结构、系统、服务、管理以及它们之间的

内在关联）的优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利以及

安全的环境。由于“智能化”是一个相对的概念，“智能化”技术本身也正在不断地

发展、完善、直至成熟，因此智能建筑智能化是一个过程，它应当随着智能化技术的

发展和人们需求的不断增长而增长。总的来说，智能建筑是利用现代4c（即计算机、

通讯与网络、自控、IC卡）技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、

物业管理与安防、智能化系统集成，为楼宇的服务与管理提供高技术的智能化手段，

以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的环境曳

1.2课题背景

由于国内智能楼宇的发展非常迅速，越来越多的开发商、业主及最终用户关注并

投入到智能楼宇的发展，具有良好的应用前景和发展态势，再加上中国是发展中国家,

充分利用网络资源是目前设计的基本原则之一。充分利用千兆以太网资源和有线电视

宽带网资源，结合智能楼宇使用率的逐年提升特点，采用建筑结构充分预留和在网络

上互连互融，按实际情况进行计算机千兆以太网互连分期实现，不论入户多少，均能

实现低投入，满足10M/100Mbit/s速率的要求。团所以基于以太网建立智能楼宇管理

系统既具有良好的发展前景和潜在的市场价值，又能满足中国国情的需要，建立起低

成本的楼宇管理系统。而且目前的建筑管理软件尚处在发展阶段，并未出现哪个软件

占有绝对的市场份额。综上所述，基于以太网的智能楼宇管理系统在国内还是一个比

较前沿的课题，有一定的研究价值和经济价值久

课题来源于国家教育部数字社区中心，属于横向课题。同时由数字社区中心自主

开发的第一代用户网关，在每一用户安装此网关，通过485总线与用户控制箱和八表、

报警设备相连，能往建筑邮件服务器发送该用户的八表数据邮件、安防报警邮件、紧

急呼救邮件和设备报警邮件。由此从硬件的数据采集到数据发送均能实现，但上层软

件和中间监控通讯层却没有实施方案，正好这个智能建筑管理系统能实现上层的监督

管理作用，同时它是基于模块化设计的，很容易将用户网关作为一个模块添加到管理

平台下;中间监控通讯层是由三个VB后台监控软件来实现，实时监控、接收邮件服务

器的邮件，并做相应的数据分析、处理和用户信息的展现。通过软件和硬件的相结合,

基于B/S架构的智能楼宇管理系统能实现用户网关的智能控制功能几

1.3国内外的发展与前景

1.3.1国外智能楼宇的发展

早在1979年，美国斯坦福研究所就提出了在建筑物内将家用电器、电气设备的

控制线统一为家庭总线的概念。之后，在美国成立了现代住宅研究会，专门从事这一

领域的研究。1983年，美国电子工业协会开始制定家庭电气设计标准。1984年，美

国住宅建筑者协会成立了现代住宅开发公司，开展有关基础性研究工作，并在1989

年推出了将电力供应、空调控制和数据通讯合成为整体的布线系统示范单元。

欧洲在1986年把集成化的家庭系统研究列为尤利卡计划，大力进行研究。在20

世纪80年代，欧洲电气标准化委员会制定了家用数字总线标准，进一步规范化了智

能住宅技术标准。

日本在80年代初就大力推进家庭电子化。在80年代中期，将家用电器、保安设

备、通讯设备功能综合后，提出了家庭自动化的新构想。1988年，日本建立了住宅

信息化促进会，主要开展家庭总线技术的研究，并且公布了总线标准。近年来为了大

型住宅小区的需要，又提出了超级家庭总线系统的概念。1996年，日本推出多媒体

技术引入智能住宅，并取得重要研究成果。

在东南亚，新加坡的智能建筑技术研究处于领先水平。如宝德胜家庭智能化系统，

已经用于30多个住宅小区。在98亚洲家庭电器与电子消费品国展览会上展示的“未

来之家”，其智能品质受到人们的关注。智能住宅系统具有家庭安全自动化、家庭设

备自动化和家庭通讯自动化的功能。

国外，智能网络家居常被称为“smarthome"。现在己有不少地方，如加拿大、

澳大利亚等地开发了这种智能网络家居社区。这些社区都通过电子手段提供与社区有

关的信息和服务。这种方式不仅缩短了人们物理上的距离，而且给用户带来了许多方

便。住户可以远程监视、控制家中的各种设备，如提前打开空调、开关灯、收发传真

等一系列内部事务。这一智能化控制使得整个小区的智能化水平又提高了很多，当然

这和国外网络普及应用水平和高国民收入是密不可分的支

1.3.2国内智能楼宇的发展

我国对智能建筑的研究刚刚起步，但已经引起有关部门的高度重视。一些大公司

和房地产商己投入相当的力量，推动智能建筑的普及与推广。1997年，建设部组织

有关单位制定了《全国楼宇智能化系统示范工程建设要点与技术导则》（试行稿），对

智能建筑设计规定了基本要求。在上海、北京、大连、成都等城市，已先后建成不同

规模、不同标准的智能化建筑。在上海浦东新区建立了“信息城”，城中设有智能信

息套房，作为智能楼宇的示范单元，展示现代高新技术服务于人类的美好前景。

虽然建筑智能化在国内出现只是近几年的事，但随着国家信息产业的发展和建筑

功能的改善，人们需要加强对外交流，因此产生了智能建筑这一概念。针对中国智能

建筑市场己经形成，建设部设立了有关科研课题对其进行研究，但主要是在对现在的

新技术、新产品进行优化、组合。据建设部科学技术委员会智能建筑技术开发推广中

心副主任黄久松介绍，为了避免投入、产出的效率问题，对市场进行科学管理，建设

部将推出“建筑智能化管理暂行办法”，同时也将慢慢建立设计、施工、维护、检验

等标准。现在建设部对楼宇智能化方面的研究主要集中在满足通讯，为智能化提供基

础、有线电视传播（娱乐）、计算机进入家庭、物业管理四大方面。黄久松副主任认

为将来的智能化建筑最好实现三网合一，有利于长远发展，便于小区管理，但其中有

许多问题有待解决。如何让人们居住的有限空间进一步改善，根据收入水平高低，满

足不同人的需要已经不仅是建设部的问题了⑹。

1.3.3智能楼宇在我国的发展前景

由于我国大城市人口密集，居住集中，高层建筑楼群较为普及，以及现代高新技

术的推广应用，导致了人们在建筑需求概念上的变革。从以往追求居住的物理空间和

豪华的装修向着享受现代化精神内涵与浪漫生活情趣的方向发展，追求更高的层次和

境界。因此，尽管智能建筑在我国刚刚起步，但却有着十分广阔的发展前景，市场潜

力巨大，必将成为我国这个世纪建筑市场的主流。

1.4智能楼宇的分类

根据全国建筑智能化系统示范工程建设要点与技术导则，智能建筑可以分为一星

级、二星级、三星级建筑。

一星级建筑：

具有安全防范子系统、信息管理子系统、信息网络子系统。其中安全防范子系统

包括出入口管理及周边防越报警、闭路电视监控、对讲与防盗门控、住户报警、巡更

管理。信息管理子系统包括远程抄表与管理IC卡、车辆出入与停车管理、供电设备、

公共照明、电梯、供水等主要设备监控管理、紧急广播、物业管理计算机系统。信息

网络子系统包括为实现上述功能的科学合理布线。

二星级建筑：

二星级除了具备一星级的全部功能之外，同时在安全防范子系统和信息管理子系

统的建设方面，其功能及技术水平应有较大提升。信息传输通道应采用高速宽带数据

网作为主干网。物业管理计算机系统应配置局部网络，并可供用户联网使用。

三星级建筑：

三星级除了具备二星级全部功能，其中信息传输通道应采用宽带光纤用户接入网

作为主干网，实现交互式数字视频业务。三星级建筑智能化系统建设在可能条件下，

应实施现代集成建造系统（HLCIMS）技术，并把物业管理能化系统建设纳入整个楼

宇建设中，作为HI-CIMS工程中一个子系统。同时，考虑物业公司对其智能化系统

管理的运行模式，使其实现先进性、可扩展性和科学性的管理。

1.5智能楼宇的构成与功能

楼宇的智能化系统可分为用户智能化系统、网络布线和管理中心三层结构。用户

智能控制包容了用户所需的所有功能，它以新技术来简化操作、方便用户、提高系统

的智能化;网络布线的建设，将三者紧密地结合成一个统一的智能网络，并充分考虑

到将来对宽带的需求;智能楼宇综合管理中心既是楼宇智能网络的管理中心，又是将

楼宇局域网同广域网连接起来的通道。

在一定程度上，可以认为智能化建筑=楼宇的智能化+楼宇网络化。具有何种档

次的综合布线系统和通信网络平台，既是楼宇建设的主要投资之一，也是评价楼宇水

平的重要标志。特别是对楼宇的通信网络必须具有前瞻性，否则，有可能造成一步失

误永远落后的尴尬局面。

智能楼宇的系统结构有着如下的特点:首先采用先进的、符合标准的技术和设备;

同时所有的系统均采用集散式的构造方式，既具有分散于各个住户的终端或设备，又

通过网络集中到一个管理或控制中心，中心提供公共信息资源，或者对各个用户提供

集中安全监控;最后，所有的智能系统既可独立，又可以在计算机网络的基础上实现

集中管理。

通过集成化的各类互连社区局域网和现场检测网，实现社区用户间信息畅通、资

源共享、安防监控、四表数据远传、多媒体通信渠道的信息化人文环境，实现三网合

一，VOD视频点播和各类增值服务，形成一个实用、高效、开放的社区集成管理平

台。总的来说，智能楼宇应该具有安全自动化系统、通讯自动化系统和管理自动化系

统。

(1)安全自动化系统

以空间来分，可分为室内部分和室外部分。

室内部分:用户室内红外线探头、紧急救助、煤气泄漏、门磁系统、所有信息连

接到用户室内智能控制器。智能控制器负责数据采集，数据分析把分析结果传送到大

厦管理中心，由大厦管理计算机作处理。显示及打印情况，通知值班人员及110报警

中心。其各部分组成功能如下:红外线防盗探测器在用户室内的每个入口及窗口安装

红外线探测器，当有人非法进入时，红外线探测器触发报警，将信号传送至室内智能

控制器，发出声光信号，智能控制器将此信号送至大厦管理中心，显示出哪一户、哪

间房发生何种类型报警，值班人员即可调度就近保安人员现场查询及处理。消防报警

系统:在客厅安装烟感或温感，当用户发生火灾时，触发报警，并将信号传送到报警

中心。门磁系统:在门框上边中央位置安装一对门磁，当有人非法打开大门时，即报

警，主机将信号传至控制中心。

室外部分:在围墙端设立周界红外线对射报警系统。一旦有人非法越墙时就报警，

同时触发周界摄像机跟踪摄相和录相。

(2)通讯自动化系统

大厦的物业管理中心不仅是智能楼宇的网络管理控制中心，而且是大厦局域网连

接Internet的通道。大厦的每一个用户都连入大厦的局域网，可以通过管理中心的代

理服务器连入Interneto在大厦管理中心架设电子邮件服务器、域名服务器、WWW

服务器，这样大厦的用户可以有自己的电子邮箱、个人主页。管理中心提供大厦BBS

(电子公告版)、VOD(视频点播)、网上电子商务等虚拟社区服务，极大的方便了

大厦用户。

(3)管理自动化系统

不仅实现大厦的用户管理、信息查询，而且实现大厦的自动抄表系统。大厦用户

水、电、煤气三表输出的脉冲信息由智能控制器读出，再通过Lon网络传输到大厦的

管理中心，管理中心读出三表读数，并打印出来。先进的可以与银行联通，定期通过

银行系统扣费，从而实现了远程抄表与自动扣费的结合问。

1.6智能楼宇的发展方向

智能建筑的发展始终伴随着时代科学技术的进步。随着全球网络信息化的迅猛发

展，e时代向智能建筑提出了新的挑战。智能建筑发展已进入网络信息化应用的新阶

段。建立动态、交互和实时的网络信息系统集成平台是楼宇智能化发展的主要方向。

智能建筑.net发展战略实施目标，以原有的楼宇智能化技术基础上进一步融入.net

关键性技术XML和基于全套Web集群服务器系列的柔性与集成，提供基于现有微软

技术平台的具有高度可扩展性Web化建筑物和楼宇智能化集成解决方案。

创立基于Intemet/Intranct网络化的智能建筑服务和管理的信息系统集成平台，

目标就是将建筑物内的自动化监控系统与网络和信息应用系统集成在一个动态、交互

和实时的管理和服务的平台上。将建筑物传统的物业管理与网络化、信息化、自动化

的应用功能结合在一起。实现综合信息共享和交互，设备协同运作，管理网络信息化。

智能建筑的使用者和管理者可以通过互联网络随时随地的，并以智能方式所提供的浏

览、存储和查询与信息和数据进行交互。

对于智能大厦的管理者来讲，意味着通过网络管理平台，可以随时随地的提供信

息与数据的编辑、储存、优化和查询。管理者的需求与网络、议备和信息与数据始终

联系在一起。

智能建筑将永远不会有确定的定义，它将一代胜似一代的发展下去。但是有一点

是可以确定的，那就是智能建筑将永远走在时代科技发展的前列曳

1.7本文所要研究的主要内容

本文研究的重点是智能楼宇的抄表系统和防火防盗系统。对于抄表系统和防火放

到系统，从信息采集、传输到显示等方法上作了比较详细的分析。楼宇智能化是人们

对生存环境要求的一个质的转变。科技进步日新月异，综合国力竞争日趋激烈，现代

化水平不断提高，用计算机完成各种管理与统计工作就显得十分重要，它能显著减少

管理人员工作量和提高科学管理水平。

第2章设计方案与元件简介

2.1方案选择

2.1.1抄表方案选择

常用的抄表方式分为以下几类：

手工抄表方式：供电管理人员到现场抄取电度表的读数，然后计费。

手持式就地抄表系统：这是一种简单的现场完成的自动抄表功能功能的方式，它

采用的方法主要为无线通讯抄表系统、红外线抄表系统和超声波抄表系统。

移动式（抄表车）无线抄表系统：利用汽车装载收发装置和无线电技术及电度表

上的模块，在用户附近一定距离内接受电度表数。

自动抄表系统:是由主站通过传输媒体将多个电能表电能量的记录值的信息集中

抄读的系统。该系统主要有采集用户脉冲电能表电能量信息的采集终端、集中器、通

讯信道和抄表中心等几个部分组成。集中器数据可通过信道远距离传送到主站或经

IC卡等介质集中抄收后输入到主站计算机实现足不出户就可抄回电量咒

假设确定集中抄表系统，要实现对1800家用户三表及防火、防盗信号的采集就

需要确定数据采集器的安装位置。以每12户为单位，采用以89c51单片机为核心的

信号采集三表及防盗、防火系统的数据。按一层共有用户60家，楼层高度为30层。

以每12户为基本单位，每户有3个脉冲信号和2个开关量信号，所以每个基本单位

有60个输入信号，每层共有300个信号输入。而89C51共有24个并行输入输出口（PA

口三个，PB口三个，PC口三个）因而需要用8255芯片进行扩展I/O口。采用74LS151

进行脉冲信号的采集，用EEPROM扩展89c51的外部存储器，内部数据用8位的LED

进行静态显示。

2.1.2组成元件

由系统框图可以看出，该系统主要有以下五大部分组成：

1、数据集中器：利用74LS151,8255A,AT89c51构成数据采集系统，采用

EEPROM2864A扩展AT89C51的外部数据存储器。

2、控制面板：八位的LED显示，LED灯，复位及查询开关构成控制面板。

3、三表(水、电、煤气表)的选择：均采用带有脉冲输出功能的三表。

4、防火报警器：可以采用输出信号为开关的量信号的防火报警器。

5、防盗报警器：也可以采用输出信号为开关的量信号的防盗报警器。

2.2元件简介

2.2.1处理器

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Flash

ProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，

俗称单片机。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

的方案网。

14o

AT89C51的结构P1.0-239-Vcc

Pi.1-3a8—PO.O/ADO

Pl.2-437—PO.l/ADl

89C51单片机采用40引脚双列直插封(DIP)Pl.3-536—PO.2/AD2

Pl.4-635—PO.3/AD3

形式。对于CMOS单片机除采用DIP形式外，Pl.5-734—P0.4/AIM

Pl.6-833—Pl.5/AD5

还采用方形封装工艺。由于受到引脚数目的限Pl.7-932—P1.6/AD6

RESET-13-H.7/AD7

0—

RXD/P3.0—11Q3-EA/VDD

制，所以有一些引脚具有第二功能。在单片机的TXD/P3.1—1229-AlJi/PROG

1NTO/P3,2—1328一雨

40条引脚中，有2条专用于主电源的引脚，2条INT1/P3.3—1427-1*2.7/AD15

TO/P3.4—1526-I26/AD14

外接晶体的引脚，4条控制和其它电源复用的引TJ/P3,5—1625-I25/AD13

WR/P3.6-1724-P2.4/AD12

18

脚，32条输入/输出引脚。下面分别说明这些引而/P3.7—23-P2.3/ADH

1922-2/AD1O

XTAL1二202

XTAIJJ一1-F2l/A的

脚的名称和功能。引脚如图2-2所示。-P2.0/AD8

引脚功能：

(1)主电源引脚Vcc和Vss图2-289C51引脚

Vcc：接+5V电源。

Vss：接电源地。

(2)时钟振荡引脚XTAL和XTAL2

XTAL):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/VpdALE/PROG.PsENH和EA/Vpp。

RST/Vpd:复位/备用电源输入端。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O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10四的电容，而在RST与Vss之间接一个&2KQ的下拉电阻，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，以保持片内RAM中的数据不丢失，复位后

能继续正常运行。

ALE/PROG:地址锁存使能输出/编程脉冲输入端。当CPU访问外部存储器时，

ALE的输出作为外部锁存地址的低位字节的控制信号；当不访问外部存储器时，ALE

端仍以1/6的时钟振荡频率固定地输出正脉冲。因此，它可用做对外输出的时钟或

用于定时。但要注意的是：每当访问外部数据存储器时会丢失一个脉冲。ALE端可

以驱动8个LSTTL负载。另外，在对8751片内EPROM编程(固化)时，此引脚用

于输入编程脉冲(PROG)o

PSEN:外部程序存储器读选通信号。CPU在访问外部程序存储器期间，每个机

器周期中，PSEN信号两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次

有效的PSEN信号不再出现。PSEN端可以驱动8个LSTTL负载。

EA/VPP:外部访问允许/编程电源输入，当EA端输入高电平时，CPU执行

程序，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。

(4)输入/输出(I/O)引脚PO.Pl.P2和P3

POP: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，

它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当

FLASH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。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，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。

AT89C51的主要性能特点

(1)与MCS-51兼容

(2)4K字节可编程闪烁存储器

(3)全静态工作：OHz-24Hz

(4)三级程序存储器锁定

(5)128X8位内部RAM

(6)32可编程I/O线

(7)两个16位定时器/计数器

(8)5个中断源

(9)可编程串行通道

(10)低功耗的闲置和掉电模式

(11)片内振荡器和时钟电路

AT89c51内部功能介绍

(-)中央处理器

中央处理器(CPU)是单片机最核心的部分，它主要有运算器和控制器两部分构

成。

①运算器

运算器包括算术运算部件ALU(ArithmeticLogicnit)、累加器Acc：(Accumulator)、

B寄存器TMPi和TMP2、程序状态寄存器PSW(ProgramStatusWord)。

算术逻辑部件ALU:ALU由加法器和其它逻辑电路等组成。它的功能是完成各

种算术和逻辑运算，其典型操作包括对8位数据进行算术加、减、乘、除及逻辑与、

或、异或、取反等运算，以及循环移位、位操作等。

累加器Acc：简称累加器A,它是一个8位寄存器，通过暂存器与ALU相连，

在CPU中累加器A是工作最频繁的寄存器。在算术运算和逻辑运算时，通常用累加

器A存放一个参加操作的数，作为ALU的一个输入，而ALU的运算结果又存入累加

器A中。

寄存器B:寄存器B一般用于乘、除法指令，它与累加器A配合使用。运算

前，寄存器B中存放乘数或除数；运算后，B中保存了乘积的高位字节或商的余数部

分。此外，寄存器B可作为存放中间结果的暂存器使用。

程序状态字寄存器PSW:PSW是一个8位寄存器，用于寄存当前指令执行的某

些状态，反映指令执行结果的一些特征，比如，进位和溢出等。不同的特征用相应的

状态标志位表示按功能分，PSW的标志可以分为两类：一类是状态标志，它表示当

前指令执行后，运算结果的一些特征，这类标志为后面的操作提供判断的依据。另一

类是用户设定的标志位，来选择CPU当前使用的工作寄存器组，或用户在程序设计

中作为某种特定的标志位。

四个状态标志位定义：

C:进位标志位，有时表示为CY。在进行加法(或减法)运算时，如果操作结

果的最高位C7有进位(或借位)，CY置1;否则，CY置0。在进行位操作时，CY

作为累加器C,也称布尔累加器。此外，循环移位指令和比较转移指令也会影响CY

标志。

AC:半进位标志位。在进行加法(或减法)运算时，如果低半字节向高半字节

有进位(或借位)，则AC标志置1;否则AC标志置0。AC标志用于校正BCD码加

法或减法运算的结果，作为(BCD)码运算调整指令DA判断的依据之一。

P：奇偶标志位。该标志位始终跟踪累加器A内容的奇偶性，如果结果中A内

有奇数个1,则标志P置1；否则置0。

OV:溢出标志位。带有符号算术运算时，结果发生溢出，则OV标志置1:否

则置0。

②控制器

控制器是单片机的指挥部件，它是CPU的大脑中枢。它包括程序计数器、指令

寄存器、指令寄存器、堆栈指针、数据指针、指令译码器、时钟发生器和定时控制逻

辑等。控制器的功能是接受来自存储器的指令，进行译码，并通过定时和控制电路，

在规定时刻发出指令操作所需的各种控制指令和CPU外部所需的各种控制信号，使

各部分协调工作，完成指令所规定的操作。

（二）时钟及复位

单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，复位操作则使单

片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。

（1）时钟电路

89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方

式。在引脚XTALi和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了

内部振荡方式。内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定，实用电路中使用较多。

外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片

机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如图2-3所示。

图2-389C51时钟振荡电路

由上左图可见，外部振荡信号由XTAL引入，XTAL2接地。为了提高输入电路

的驱动能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL1。

（2）电路

当MCS-51系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的

高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复

位状态。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如下图2-4

中（a）图所示。图中电容C和电阻R1对电源+5V来说构成微分电路。上电后，保

持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻Ri,也能

达到上电复位的操作功能，如下图（a）中右图所示。

上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用

开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如图（b）所示。上电后，

由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在

运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上

电或开关复位的操作。

根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。

图（a）中：CI=10-30|AF,Ri=lkQ

图（b）中：C=MF,R=lkQ,R2=10kQ

图2-4单片机的复位电路

（3）单片机复位后的状态

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC=

0000H,这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随

机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后

的状态为确定值，见下表2-5。

值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的

初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。

表2-5特殊功能寄存器表

特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态

A00HTMOD00H

B