防潮、防霉、防腐、防爆是倉庫日常工作的重要內容，是衡量倉庫管理質量的重要指標。它直接影響到儲備物資的使用壽命和工作可靠性。為保證日常工作的順利進行，首要問題是加強倉庫內溫度與濕度的監測工作。但傳統的方法是用與濕度表、毛發濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進行檢測，對不符合溫度和濕度要求的庫房進行通風、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費時費力、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大。因此我們需要一種造價低廉、使用方便且測量準確的溫濕度測量儀。

一、基本功能

~ 檢測溫度、濕度

~ 顯示溫度、濕度

~ 過限報警

二、 主要技術參數

~  溫度檢測范圍 ：  -30℃-+50℃

~  測量精度 ：      file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsCCBD.tmp.png0.5℃

~  濕度檢測范圍 ：  10%-100%RH

~  檢測精度 ：      file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsCCBE.tmp.png1%RH

~  顯示方式 ：      溫度：四位顯示   濕度：四位顯示

~  報警方式 ：      三極管驅動的蜂鳴音報警

當將單片機用作測控系統時，系統總要有被測信號懂得輸入通道，由計算機拾取必要的輸入信息。對于測量系統而言，如何準確獲得被測信號是其核心任務；而對測控系統來講，對被控對象狀態的測試和對控制條件的監察也是不可缺少的環節。

傳感器是實現測量與控制的首要環節，是測控系統的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉換，一切準確的測量和控制都將無法實現。工業生產過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產過程中的各種參量，使設備和系統正常運行在最佳狀態，從而保證生產的高效率和高質量。

方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件。現應用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠距離測量。

鉑的物理、化學性能極穩定，耐氧化能力強，易提純，復制性好，工業性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業檢測中高精密測溫和溫度標準。缺點是價格貴，溫度系數小，受到磁場影響大，在還原介質中易被玷污變脆。按IEC標準測溫范圍-200～650℃，百度電阻比W（100）=1.3850時，R0為100Ω和10Ω，其允許的測量誤差A級為±（0.15℃+0.002 |t|），B級為±（0.3℃+0.005 |t|）。

銅電阻的溫度系數比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性介質中使用穩定性差。在工業中用于-50～180℃測溫。

                方案二：采用AD590，它的測溫范圍在-55℃～+150℃之間，而且精度高。M檔在測溫范圍內非線形誤差為±0.3℃。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點是，和電壓輸出型相比，它有很強的抗外界干擾能力。AD590的測量信號可遠傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統對于溫度傳感器的選擇。

測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據某種物質從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據其高分子材料吸濕后的介電常數、電阻率和體積隨之發生變化而進行濕度測量的。

方案一：采用HOS-201濕敏傳感器。HOS-201濕敏傳感器為高濕度開關傳感器，它的工作電壓為交流1V以下，頻率為50HZ～1KHZ，測量濕度范圍為0～100%RH，工作溫度范圍為0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）時為1MΩ。這種傳感器原是用于開關的傳感器，不能在寬頻帶范圍內檢測濕度，因此，主要用于判斷規定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。

方案二：采用HS1100/HS1101濕度傳感器。HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩定性，快速響應時間，專利設計的固態聚合物結構，由頂端接觸（HS1100）和側面接觸（HS1101）兩種封裝產品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。

相對濕度在1%---100%RH范圍內；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應時間小于5S；溫度系數為0.04 pF/℃。可見精度是較高的。

綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設計系統中對溫度-30～50℃的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設計的濕度傳感器。

在本設計系統中，溫度輸入信號為8路的模擬信號，這就需要多通道結構。

方案一、采用多路并行模擬量輸入通道。

這種結構的模擬量通道特點為：

（1） 可以根據各輸入量測量的餓要求選擇不同性能檔次的器件。總體成本可以作得較低。

（2） 硬件復雜，故障率高。

（3） 軟件簡單，各通道可以獨立編程。

方案二、采用多路分時的模擬量輸入通道。

   這種結構的模擬量通道特點為：

（1） 對ADC、S/H要求高。

（2） 處理速度慢。

（3） 硬件簡單，成本低。

（4） 軟件比較復雜。

綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統對于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡單的突出優點，所以選擇方案二作為信號的輸入通道。

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圖2-1多路并行模擬量輸入通道

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圖2-2多路分時的模擬量輸入通道

本設計是基于單片機對數字信號的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產生模擬信號，和A/D模擬數字轉換芯片的性能，我設計了以8031基本系統為核心的一套檢測系統，其中包括A/D轉換、單片機、復位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統軟件等部分的設計。

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圖3-1       系統總體框圖  

本設計由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。

    （一） 信號采集  由AD590、HS1100及多路開關CD4051組成；

    （二） 信號分析  由A/D轉換器MC14433、單片機8031基本系統組成；

    （三） 信號處理  由串行口LED顯示器和報警系統等組成。

集成溫度傳感器AD590 是美國模擬器件公司生產的集成兩端感溫電流源。

一． 主要特性

AD590是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根據特性分擋，AD590的后綴以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密溫度測量電路，其電路外形如圖3-2所示，它采用金屬殼3腳封裝，其中1腳為電源正端V＋；2腳為電流輸出端I0；3腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號如圖3-2所示。

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圖3-2 AD590外形（圖1）及電路符號（圖2）

1、流過器件的電流（μA）等于器件所處環境的熱力學溫度（開爾文）度數，即：

I T/T=1μA /K

式中：IT—— 流過器件（AD590）的電流，單位μA。

T——熱力學溫度，單位K。

   2、 AD590的測溫范圍-55℃- +150℃。

  3、 AD590的電源電壓范圍為4V-30V。電源電壓可在4V-6V范圍變化，電流IT變化1μA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會損壞。

4、輸出電阻為710MΩ。

5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內，非線形誤差±0.3℃。

2 AD590的工作原理
　　在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，把它和5～30V的直流電源相連，并在輸出端串接一個1kΩ的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1mV／K的電壓信號。其基本電路如圖3-3所示。

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圖3-3 AD590內部核心電路

　　圖3-3是利用ΔUBE特性的集成PN結傳感器的感溫部分核心電路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流I1和I2相等；T3、T4是感溫用的晶體管，兩個管的材質和工藝完全相同，但T3實質上是由n個晶體管并聯而成，因而其結面積是T4的n倍。T3和T4的發射結電壓UBE3和UBE4經反極性串聯后加在電阻R上，所以R上端電壓為ΔUBE。因此，電流I1為：
                               I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R
　　對于AD590，n＝8，這樣，電路的總電流將與熱力學溫度T成正比，將此電流引至負載電阻RL上便可得到與T成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號不受電源電壓和導線電阻的影響。圖3中的電阻R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到1μA／K的I值。

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圖3-4 AD590內部電路

　　圖3-4所示是AD590的內部電路，圖中的T1～T4相當于圖3-3中的T1、T2，而T9，T11相當于圖3-3中的T3、T4。R5、R6是薄膜工藝制成的低溫度系數電阻，供出廠前調整之用。T7、T8，T10為對稱的Wilson電路，用來提高阻抗。T5、T12和T10為啟動電路，其中T5為恒定偏置二極管。
　　T6可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。R1，R2為發射極反饋電阻，可用于進一步提高阻抗。T1～T4是為熱效應而設計的連接防式。而C1和R4則可用來防止寄生振蕩。該電路的設計使得T9，T10，T11三者的發射極電流相等，并同為整個電路總電流I的1／3。T9和T11的發射結面積比為8：1，T10和T11的發射結面積相等。
　　T9和T11的發射結電壓互相反極性串聯后加在電阻R5和R6上，因此可以寫出：
                                         ΔUBE＝（R6－2 R5）I／3
　　R6上只有T9的發射極電流，而R5上除了來自T10的發射極電流外，還有來自T11的發射極電流，所以R5上的壓降是R5的2／3。
　　根據上式不難看出，要想改變ΔUBE，可以在調整R5后再調整R6，而增大R5的效果和減小R6是一樣的，其結果都會使ΔUBE減小，不過，改變R5對ΔUBE的影響更為顯著，因為它前面的系數較大。實際上就是利用激光修正R5以進行粗調，修正R6以實現細調，最終使其在250℃之下使總電流I達到1μA／K。

二． 基本應用電路

圖3-8是AD590用于測量熱力學溫度的基本應用電路。因為流過AD590的電流與熱力學溫度成正比，當電阻R1和電位器R2的電阻之和為1kΩ時，輸出電壓V0隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應對電路進行調整，調整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調整電位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調整只保證在0℃或25℃附近有較高的精度。

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圖3-5 　AD590應用電路

三． 攝氏溫度測量電路

如圖3-5所示，電位器R2用于調整零點，R4用于調整運放LF355的增益。調整方法如下：在0℃時調整R2，使輸出V0=0，然后在100℃時調整R4使V0=100mV。如此反復調整多次，直至0℃時，V0=0mV，100℃時V0=100mV為止。最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為25℃，那么V0應為25mV。冰水混合物是0℃環境，沸水為100℃環境。

四.多路檢測信號的實現

    本設計系統為八路的溫度信號采集，而MC14433僅為一路輸入，故采用CD4051組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖3-6所示

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圖3-6八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口

測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據某種物質從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據其高分子材料吸濕后的介電常數、電阻率和體積隨之發生變化而進行濕度測量的。下面 介紹HS1100/HS1101濕度傳感器及其應用。

一、特點

不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩定性，快速響應時間，專利設計的固態聚合物結構，由頂端接觸（HS1100）和側面接觸（HS1101）兩種封裝產品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。

圖3-7a為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖3-7b為濕度-電容響應曲線。

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圖3-7a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍              圖3-7b、濕度-電容響應曲線。

相對濕度在1%---100%RH范圍內；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應時間小于5S；溫度系數為0.04 pF/℃。可見精度是較高的。

二、濕度測量電路

HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準確地轉變為計算機易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運方與租蓉組成的橋式振蕩電路中，所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大、再A/D轉換為數字信號；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集

頻率輸出的555測量振蕩電路如圖3-7所示。集成定時器555芯片外接電阻R4、R2與濕敏電容C，構成了對C的充電回路。7端通過芯片內部的晶體管對地短路又構成了對C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發生器。另外，R3 是防止輸出短路的保護電阻，R1 用于平衡溫度系數。

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圖3-7、頻率輸出的555振蕩電路

該振蕩電路兩個暫穩態的交替過程如下：首先電源Vs通過R4、R2 向C充電，經t充電時間后，Uc達到芯片內比較器的高觸發電平，約0.67Vs，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電，經t放電時間后，Uc下降到比較器的低觸發電平，約0.33Vs

此時輸出，此時輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為

     t充電=C（R4+R2）Ln2

     t放電=CR2 Ln2

因而，輸出的方波頻率為

f=1/(t放電+t充電)=1/[ C（R4+R2）Ln2]

可見，空氣濕度通過555測量電路就轉變為與之呈反比的頻率信號，表3-1給出了其中的一組典型測試值。

表3-1、空氣濕度與電壓頻率的典型值

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三、多路檢測信號的實現

    本設計系統為八路的濕度信號采集，故采用CD4051組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖3-8所示

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圖3-8八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口   

多路開關，有稱“多路模擬轉換器”。多路開關通常有n個模擬量輸入通道和一個公共的模擬輸入端，并通過地址線上不同的地址信號把n個通道中任一通道輸入的模擬信號輸出，實現有n線到一線的接通功能。反之，當模擬信號有公共輸出端輸入時 ，作為信號分離器，實現了1線到n線的分離功能。因此，多路開關通常是一種具有雙向能力的器件。

在本設計中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號采集中將有兩個模擬量被提取，這時選用多路開關就是很必要的。

我選用的是CD4051多路開關，它是一種單片、COMS、8通道開關。該芯片由DTL/TTL-COMS電平轉換器，帶有禁止端的8選1譯碼器輸入，分別加上控制的8個COMS模擬開關TG組成。CD4051的內部原理框圖如圖3-9所示。

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圖3-9、CD4051的內部原理框圖         　　　                                    

圖中功能如下：

通道線IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：該組引腳作為輸入時，可實現8選1功能，作為輸出時，可實現1分8功能。

XCOM（3）：該引腳作為輸出時，則為公共輸出端；作為輸入時，則為輸入端。

A、B、C（11、10、9）：地址引腳

INH（6）：禁止輸入引腳。若INH為高電平，則為禁止各通道和輸出端OUT/IN接至；若INH為低電平，則允許各通道按表3-2關系和輸出段OUT/IN接通。VDD（16）和VSS（8）：VDD為正電源輸入端，極限值為17V；VSS為負電源輸入端，極限值為-17V。

VGG（7）；電平轉換器電源，通常接+5V或-5V。

CD4051作為8選1功能時，若A、B、C均為邏輯“0”（INH=0），則地址碼00013經譯碼后使輸出端OUT/IN和通道0接通。其它情況下，輸出端OUT/IN輸出端OUT/IN和各通道的接通關系如下

                       表   3-2

一．A/D轉換器的特點

為了把溫度、濕度檢測電路測出的模擬信號轉換成數字量送CPU處理，本系統選用了雙積分A/D轉換器MC14433，它精度高，分辨率達1/1999。由于MC14433只有一路輸入，而本系統檢測的多路溫度與濕度信號輸入，故選用多路選擇電子開關，可輸入多路模擬量。

MC14433 A/D 轉換器

由于雙積分方法二次積分時間比較長，所以A/D轉換速度慢，但精度可以做得比較高；對周期信號變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能也比較好。

目前，國內外雙積分A/D轉換器集成電路芯片很多，大部分是用于數字測量儀器上。常用的有3.5位雙積分A/D裝換器MC14433和4.5位雙積分A/D轉換器ICL7135

二．MC14433A/D轉換器件簡介

MC14433是三位半雙積分型的A/D轉換器，具有精度高，抗干擾性能好的優點，其缺點是轉換速率低，約1—10次/秒。在不要求高速轉換的場合，例如，在低速數據采集系統中，被廣泛采用。MC14433A/D轉換器與國內產品5G14433完全相同，可以互換。

MC14433A/D轉換器的被轉換電壓量程為199.9mV或1.999V。轉換完的數據以BCD碼的形式分四次送出（最高位輸出內容特殊，詳見表3-3）。

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圖3-10 MC14433A/D轉換器的內部邏輯框圖

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                         圖3-11  MC14433引腳圖

MC14433 的框圖（圖3-10）和引腳（圖3-11）功能說明

各引腳的功能如下：

電源及共地端

VDD：   主工作電源+5V。

VEE:     模擬部分的負電源端，接-5V。

VAG：   模擬地端。

VSS：    數字地端。

VR：    基準電壓。

外界電阻及電容端

RI：     積分電阻輸入端，VX=2V時，R1=470Ω；VX=200Mv時，R1=27KΩ。

C1：     積分電容輸入端。C1 一般為0.1μF。   

C01、C02：  外界補償電容端，電容取值約0.1μF。

R1/C1：   R1 與C1的公共端。

CLKI、CLKO ： 外界振蕩器時鐘調節電阻Rc，Rc一般取 470 KΩ左右。

轉換啟動/結束信號端

EOC：轉換結束信號輸出端，正脈沖有效。

DU：  啟動新的轉換，若DU與EOC相連，每當A/D轉換結束后，自動啟動新的轉換。

過量程信號輸出端

/OR  ：    當|Vx|›VR，過量程/OR 輸出低電平。

位選通控制線

DS4----DS1：  選擇個、十、百、千位，正脈沖有效。

DS1 對應千位，DS4 對應個位。每個選通脈沖寬度為18個時鐘周期，兩個相應脈沖之間間隔為2個時鐘周期。

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                    圖3-12 MC14433選通脈沖時序圖

BCD碼輸出線

Q0---Q3： BCD碼輸出線。其中Q0為最低位，Q3 為最高位。當DS2、DS3和DS4選通期間，輸出三位完整的BCD碼數，但在DS1選通期間，輸出端Q0-------Q3 除了表示個位的0或1外，還表示了轉化值的正負極性和欠量程還是過量程其含意見表3-3

表3-3、DS1選通時Q3～Q0表示的結果

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由表可知Q3 表示1/2位，Q3=“0”對應1，反之對應0。

         Q2 表示極性，Q2=“1”為正極性，反之為負極性。

       Q0=“1”表示超量程：當Q3=“0”時，表示過量程；當Q3=“1”時，表示欠量程；

一． MC14433與8031單片機的接口設計

由于MC14433的A/D轉換結果是動態分時輸出的BCD碼，Q0～Q3HE  DS1～DS4都不是總線式的。因此，MCS-51單片機只能通過并行I/O接口或擴展I/O接口與其相連。對于8031單片機的應用系統來說，MC14433可以直接和其P1口或擴展I/O口8155/8255相連。下面是MC14433與8031單片機P1口直接相連的硬件接口，接口電路如圖3-13所示

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圖3-13  MC14433與8031單片機P1口直接相連的硬件接口

為了設計此系統，我們采用了8031單片機作為控制芯片，在前向通道中是一個非電信號的電量采集過程。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經過功率放大過程，使信號放大，再經過模/數轉換成為計算機能識別的數字信號，再送入計算機系統的相應端口。

由于8031中無片內ROM，且數據存儲器也不能滿足要求，，經擴展2762和6264來達到存儲器的要求，其結果通過顯示器來進行顯示輸出。

8031是有8個部件組成，即CPU，時鐘電路，數據存儲器，并行口（P0～P3）串行口，定時計數器和中斷系統，它們均由單一總線連接并被集成在一塊半導體芯片上，即組成了單片微型計算機，

8031就是MCS-51系列單片機中的一種。

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圖 3-14 8031基本組成

CPU中央處理器：

中央處理器是8031的核心，它的功能是產生控制信號，把數據從存儲器或輸入口送到CPU或CPU數據寫入存儲器或送到輸出端口。還可以對數據進行邏輯和算術的運算。

時鐘電路：

8031內部有一個頻率最大為12MHZ的時鐘電路，它為單片機產生時鐘序列，需要外接石英晶體做振蕩器和微調電容。

內存：

內部存儲器可分做程序存儲器和數據存儲器，但在8031中無片內程序存儲器 。

定時/計數器：

8031有兩個16位的定時/計數器，每個定時器/計數器都可以設置成定時的方式和計數的方式，但只能用其中的一個功能，以定時或計數結果對計算機進行控制。

并行I/O口：

MCS-51有四個8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以實現數據的并行輸出。

串行口：

它有一個全雙工的串行口，它可以實現計算機間或單片機同其它外設之間的通信，該并行口功能較強，可以做為全雙工異步通訊的收發器也可以作為同步移位器用。

中斷控制系統：

8031有五個中斷源，既外部中斷兩個，定時計數中斷兩個，串行中斷一個，全部的中斷分為高和低的兩個輸出級。

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                     3-15  8031引腳圖

8031的制作工藝為HMOS，采用40管腳雙列直插DIP封裝，引腳說明如下：

VCC（40引腳）正常運行時提供電源。

VSS（20引腳）接地。

XTAL1（19引腳）在單片機內部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大器構成了片內的震蕩器，可以提供單片機的時鐘信號，該引腳也是可以接外部的晶振的一個引腳，如采用外部振蕩器時，對于8031而言此引腳應該接地。

XTAL2（18引腳）在內部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當采用外部振蕩器時， 對MCS51系列該引腳接收外部震蕩信號，即把該信號直接接到內部時鐘的輸入端。

RST/VPD（9引腳）在振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的電平將單片機復位，復位后應使此引腳電平保持不高于0.5V的低電平以保證8031正常工作。在掉電時，此引腳接備用電源VDD，以保持RAM數據不丟失，當BVCC低于規定的值時，而VPD在其規定的電壓范圍內時，VPD就向內部數據存儲器提供備用電源。

ALE/PROG（30引腳）當8031訪問外部存儲器時，包括數據存儲器和程序存儲器，ALE9地址鎖存允許0輸入的脈沖的下沿用于鎖存16位地址的低8位，在不訪問外部存儲器的時候，ALE仍有兩個周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的頻率的1/6，在訪問外存儲器的是候，在兩個周期中，ALE只出現一次，ALE斷可驅動8個LS TTL負載，對于有片內EPROM的而言，在EPROM編程期間，此腳用于輸入編程脈沖PROG。

file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD07C.tmp.jpg（29引腳）此腳輸出為 單片機內訪問外部程序存儲器的讀選通信號，在讀取外部指令期間， PSEN非有兩次在每個周期有效，在此期間，每當訪問外部存儲器時，兩個有效的PSEN非將不再出現，同樣這個引腳可驅動8個LSTTL負載。

file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD07D.tmp.jpg/VPP（31引腳）當file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD07E.tmp.jpg保持高電平時，單片機訪問內部存儲器，當PC值超過0FFFH時，將自動轉向片外存儲器。當file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD08E.tmp.jpg保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，對8031而言，此腳必須接地。

P0，P1，P2，P3：8031有四個并行口，在這四個并行口中，可以在任何一個輸出數據，又可以從它們那得到數據，故它們都是雙向的，每一個I/O口內部都有一個8位數據輸出鎖存器和一個8位數據輸入緩沖器，各成為SFR中的一個，因此CPU數據從并行I/O口輸出時可以得到鎖存，數據輸入時可以得到緩沖，但他們在功能和用途上的差異很大，P0和P2口內部均有個受控制器控制的二選一選擇電路，故它們除可以用做通用I/O口以外還具有特殊的功能，P0口通常用做通用I/O口為CPU傳送數據，P2口除了可以用做通用口以外，還具有第一功能，除P0口以外其余三個都是準雙向口。

8031有一個全雙工串行口，這個串行口既可以在程序下把CPU的8位并行數據變成串行數據一位一位的從發送數據線發送出去，也可以把串行數據接受進來變成并行數據給CPU，而且這種串行發送和接收可以單獨進行也可以同時進行。

8031的 串行發送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3.1做串行數據接收線，串行接口的電路結構還包括了串行口控制寄存器SCON，電源及波特率選擇寄存器PCON和串行緩沖寄存器SBUF，他們都屬于SFR，PCON和SCON用于設置串行口工作方式和確定數據發送和接收，SBUF用于存放欲發送的數據起到緩沖的作用。

MCS-51系列單片機的內部ROM是不同的，8051有4K的ROM，而8751則是4K光可擦寫EPROM，而我們所采用的8031則沒有片內的ROM，但是無論那種型號的芯片都可以在片外擴展多達64K的片外程序存儲器，外部程序存儲器擴展的大小以滿足系統要求即可，或有特殊要求或為了以后升級方便采用大容量的片外程序存儲器。當外接程序存儲器的時候，單片機通過P2口和P0口輸出16位的地址，即可尋址的外部程序存儲器單元的地址，使用ALE作為低8位地址鎖存器信號，再由P0口讀回指令的代碼，用PSEN非作為外部程序存儲器的選通信號。

單片機有一個程序計數器PC，它始終存著CPU要讀取的機器碼的所在地址，單片機工作時，PC自動加一，此時程序開始順序執行，因為單片機程序 訪問空間是64K，故需要16條地址線，當file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD08F.tmp.jpg接“0”則8031在片外程序存儲器中讀取指令，此時片外程序存儲器從0000H開始編址，因為8031無片內程序存儲器，故在此系統中file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD090.tmp.jpg必須接地使CPU到外部ROM中去尋址。

在程序存儲器中有六個單元有特定的含義：

0000H單元：單片機復位后，PC=0000H即從此處開始執行指令。

0003H單元：外部中斷0入口地址。

000BH單元：定時器0溢出中斷入口地址。

0013H單元：外部中斷1入口地址。

001BH單元：定時器溢出中斷入口地址。

0023H單元：串行口中斷入口地址。

使用時常在這些入口外安放一條絕對跳轉指令，使程序跳轉到擁護安排的中斷處理程序的起始地址，或從0000H外執行一跳轉指令，跳轉到用戶設計的初始程序入口。

數據存儲器用于存放運算中間的結果、數據暫存、緩沖、標志位、待測程序等功能。

片內的128B的RAM地址為00H～7FH，供用戶做RAM用，但是在這中間的前32單元，00H～1FH即引用地址尋址做用戶RAM用，常常做工作寄存器區，分做四組，每組由8個單元組成通用寄存器R0～R7，任何時候都由其中一組作為當前工作寄存器，通過RS0，RS1的內容來決定選擇哪一個工作寄存器。

低128字節中的20H～2FH共16字節可用位尋址方式訪問各位，共128個位地址，30H～7FH共80個單元為用戶RAM區，作堆棧或數據緩沖用，片內RAM不夠用時，須擴展片外數據存儲器。此時單片機通過P2口和P0口選出6位地址，使用ALE作低8位的鎖存信號，再由P0口寫入或讀出數據。寫時用file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0A1.tmp.jpg，讀時用file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0A2.tmp.jpg做外部數據存儲器的選通信號

8031有21個專用寄存器，他們是用來管理CPU和I/O口以及內部邏輯部件的，在指令中專用寄存器是以存儲單元方式被讀寫的，專用寄存器雖有名稱，但尋址時都做專用寄存器用，它們的地址是與片內RAM的地址相連的。下面就專用寄存器作以簡單的介紹：

累加器A：在絕大多數情況下它參與運算的一方并存放運算的結果。

寄存器B：進行乘除運算時，寄存器B有特定的用途，在乘時存放一個乘數以及積的最高位，A中存放另一個乘數以及積的低位。除法時，B中存放除數及余數，而在A中存放被除數和商，其他情況可作為普通寄存器用。

堆棧指針SP：在子程序調用或中斷時，用來暫存數據和地址，它按先進后出的原則存儲數據，它是一個八位寄存器它指出堆棧頂部在片內RAM中的位置，系統復位后，SP變成07H，使堆棧從00單元開始。；

數據指針DPTR：由兩個字節組成，DPH字地址由83H，DPL由82H，存放一個16位的二進制數做地址用。

程序狀態字PSW：七位用來表征各種標志，另一位無意義。

         C  AC  FO  RS1  RS0  OV  --  P

C：進位標志位，用于表示加減運算時最高位有無進位和借位，在加法運算中，若累加器最高位有進位則CY=1，否則CY=0，在減法時則有借位CY=1，否則CY=0，在執行算術邏輯運算時可以被硬件或軟件置位或清除，CPU在進行移位操作也會影響該位。

AC：當進行加法或減法運算時并產生由低四位向高四位的進位或借位時，AC置1，否則清0。若AC=0時則在加減過程中A3沒有向A4進位或借位，否則正好相反。

F0：F0常不是由機器來指令執行中形成的，而是用戶根據程序的需要進行設置的，這個位一經確定就可通過軟件測試來決定用戶程序的流向。

RS1，RS0：8031有四個8位工作寄存器R0～R7，用戶可以改變RS1和RS0的狀態來決定R0～R7的物理地址。

OV：用以指示運算是否發生溢出，由機器執行指令自動形成，若機器在執行指令過程中累加器A超過8位，則OV=1否則為0。

P：用來來表示累加器A中的值為1的二進制位的奇偶數，若‘1’的個數為奇數P=1，為偶數P=0。在串行通信中常用奇偶校驗數據傳輸結果的正確性。

它的工作方式可以分做復位，掉電和低功耗方式等。

一、 復位方式

當MCS-5l系列單片機的復位引腳RST(全稱RESET)出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執行復位操作。如果RST持續為高電平，單片機就處于循環復位狀態。
    根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現復位操作。常用的上電復位電路如圖 (3-15a)中左圖所示。圖中電容C1和電阻R1對電源十5V來說構成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時間，由于單片機內的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1，也能達到上電復位的操作功能，如圖 (3-15a)中所示。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。常用的上電或開關復位電路如圖 (3-15b)所示。上電后，由于電容C3的充電和反相門的作用，使RST持續一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵K后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現上電或開關復位的操作。
    根據實際操作的經驗，下面給出這兩種復位電路的電容、電阻參考值。

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圖3-16 單片機的復位電路

  圖(3-16a)中：Cl＝10-30uF，R1＝1kO
    圖(3-16b)中：C：＝1uF，Rl＝lkO，R2＝10kO

二、掉電和低功耗方式

人們往往在程序運行中系統發生掉電的故障，使RAM和寄存器中的數據內容丟失，使人們丟失珍貴的數據而束手無策，8031有掉電保護，是先把有用的數據保存，再用備用電源進行供電。

在8031芯片的外圍電路中必須對其進行程序存儲器的擴展，和根據系統的需要對其進行數據存儲器的擴展。8031對程序存儲器和數據存儲器均可進行0000H～FFFFH的64K字節地址內容的有效尋址。在前面我們已經講過8031外擴展存儲器時，P2作高位的地址輸出，P0作低位地址輸出和數據線。

一、程序存儲器的擴展

由于8031無內部ROM ，故擴展的程序存儲器地址為0000H～FFFFH，考慮系統的需要，我們將8031的程序存儲器擴展為4K EPROM，采用2764作為ROM芯片。

程序存儲器擴展的容量大于256字節，故EPROM片內地址線除了由P0口經地址存儲器提供低8位地址外，還需要由P2口提供若干條地址線，我們選用8K的2764 EPROM，故地址線應該是13條，因為系統中只擴展一片EPROM，所以不用片選信號，即EPROM 的file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0B4.tmp.jpg接地。在程序擴展中，我們選用的地址鎖存器是74LS373

當三態門的file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0B5.tmp.jpg為低電平時，三態門處于導通狀態，允許Q端輸出，否則file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0B6.tmp.jpg為高電平，輸出為三態門斷開，輸出端對外電路呈高阻態，所以在這里file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0B7.tmp.jpg為低電平，這時當G端為高電平時，鎖存器輸出和輸入的狀態是相同的，當G由高電平下落為低電平時，輸入端1D～8D的數據鎖入1Q～8Q中。

當2764處于讀方式下file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0B8.tmp.jpg和file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0C8.tmp.jpg均為低電平有效。當VPP=+5V時，EPROM處于讀工作方式：這時由給定地址信號決定被選中存儲器單元信息。被讀出到數據輸出端D0～D7上。維持方式：當file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0C9.tmp.jpg為高電平時，VPP為+5V，EPROM處于低功耗方式，輸出端均為高阻態，這與file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0CA.tmp.jpg輸入無關。編程方式：在VPP加上+25V編程電源并在file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0CB.tmp.jpg和地端跨接一個0.1uf的電容以干擾電壓的瞬間對2764進入編程方式，被編程的8位數據以并行方式送到數據輸出斷編程校驗。

2764與8031的連接如圖3-17所示

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圖3-16 程序存儲器的擴展

在選用芯片擴展的同時要考慮滿足系統的要求的前提下，使電路簡化，盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片組合的數量，在芯片型號的選擇上選用滿足應用環境要求的芯片型號。二、數據存儲器的擴展

在單片機中有128 字節的數據存儲器。但往往在系統的要求下片內RAM不能滿足要求，用戶只有選擇擴展片外的數據存儲器，以進行存儲系統采集的數據。根據系統對數據采集的要求。我們采用8K靜態RAM6264進行擴展。與動態RAM相比，靜態RAM無須考慮保持數據而刷新電路，所以擴展電路較為簡單且能滿足系統的要求。

6264是8K*8位的靜態隨機存儲器芯片。

它采用CMOS工藝制作，單一的+5V電源供電，額定功耗是200mW，典型存取時間200ms，為28線雙列直插封裝。

數據存儲器的擴展與程序存儲器的擴展類似，讀寫控制信號與8031的file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0DD.tmp.jpg和file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0DE.tmp.jpg相連。P0口通過74LS373與A0～A7相連，P2.0～P2.4與A8～A12相連，P2.7與file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0EE.tmp.jpg相連，P0口與D0～D7相連作為數據線，同時CE2接+5V電源，GND接地。如圖3-18:所示：

file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD0EF.tmp.jpg

圖3-18數據存儲器的擴展

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單片機系統內的RAM數據是非常容易丟失的，特別是一些珍貴的科研數據，一旦丟失后果不堪設想，因此掉電保護是必須要做的，一旦電源發生掉電現象，在掉電的瞬間系統能自動保護RAM中的數據和系統的運行狀態，當電源恢復正常供電后能恢復到掉電前的工作狀態。

時鐘電路是用來產生8031單片機工作時所必須的時鐘信號，8031本身就是一個復雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現，8031在唯一的時鐘信號的控制下嚴格的按時序執行指令進行工作 ，時鐘的頻率影響單片機的速度和穩定性。通常時鐘由于兩種形式：內部時鐘和外部時鐘。

我們系統采用內部時鐘方式來為系統提供時鐘信號。8031內部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為XTAL1和XTAL2，它們跨接在晶體振蕩器和用于微調的電容，便構成了一個自激勵振蕩器

電路中的C1、C2的選擇在30PF左右，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩定性和快速性。晶振頻率為在1.2MHZ～12MHZ之間，頻率越高單片機的速度就越快，但對存儲器速度要求就高。為了提高穩定性我們采用溫度穩定性好的NPO電容，采用的晶振頻率為12MHZ。

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圖3-19系統時鐘

   在單片機應用系統設計中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。本設計是利用8031的串行口實現鍵盤/顯示器接口。

   當8031的串行口未作它用時，使用8031的串行口來外擴鍵盤/顯示器。應用8031的串行口方式0的輸出方式，在串行口外接移位寄存器74LS164，構成鍵盤/顯示器接口，其硬件接口電路如圖3-20所示：

file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD112.tmp.jpg

圖3-20 鍵盤及顯示與主機的硬件接口

圖中下邊的8個74LS164：74LS164（0）～74LS164（7）作為8位段碼輸出口，74LS138的Y0作為鍵輸入線，Y2作為同步脈沖輸出控制線。這種靜態顯示方式亮度大，很容易作到顯示不閃爍。靜態顯示的優點是CPU不必頻繁的為顯示服務，因而主程序可不必掃描顯示器，軟件設計比較簡單，從而使單片機有更多的時間處理其他事務。

在微型計算機控制系統中，為了安全生產，對于一些重要的參數或系統部位，都設有緊急狀態報警系統，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計算機采集的數據或記過計算機進行數據處理、數字濾波，標度變換之后，與該參數上下限給定值進行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進行報警，否則就作為采樣的正常值，進行顯示和控制。

本設計采用峰鳴音報警電路。峰鳴音報警接口電路的設計只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過MCS-51的1根口線經驅動器驅動蜂鳴音發聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅動電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅動，也可以用一個晶體三極管驅動。在圖中，P3.2接晶體管基極輸入端。當P3.2輸出高電平“1”時，晶體管導通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫；當P3.2輸出低電平“0”時，三極管截止，蜂鳴器停止發聲。

    圖3-21是一個簡單的使用三極管驅動的峰鳴音報警電路：

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圖3-21 三極管驅動的峰鳴音報警電路

    本設計是為在溫濕度測量中對溫濕度的上下限超出是的提示報警，接口位于單片機AT89C51的P3.2口，但溫濕度過限時，P3.2口被置0，本系統開始工作。

溫度控制主程序的設計應考慮以下問題：（1）鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯示；（2）溫濕度采樣，數字濾波；（3）越限報警和處理；（5）溫度標度轉換。通常，符合上述功能的溫度控制程序由主程序和T0中斷服務程序兩部分組成。

這里所需要注意的是標度變換，下面簡單的介紹一下標度變換：

標度變換：

目的是要把實際采樣的二進制值轉換成BCD形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區34H-3BH。對一般線性儀表來說，標度變換公式為：

         file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD114.tmp.png

file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD115.tmp.png

式中：A0為一次測量儀表的下限；Am為一次測量儀表的上限；AX為實際測量值；

N0為儀表下限所對應的數字量；Nm為儀表上限所對應的數字量；NX為測量所得數字量。

file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD125.tmp.png                    

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file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD146.tmp.png

file:///C:\Users\ADMINI~1.USE\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD157.tmp.png

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