《船舶柴油机冷却水温度没控制系统.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《船舶柴油机冷却水温度没控制系统.doc（64页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、 本科生毕业设计（论文） I 摘 要 船舶柴油机冷却水的温度是影响柴油机工作的重要热工参数。精确控制冷却 水的温度，对于提高柴油机的动力性、减少废气的产生、减少燃料消耗量等方面 都有着重要的意义。 本设计的单片机系统采用了 AT89C51 作为微处理器，采用铂电阻(pt100)作 为温度传感器，与运算放大器(op27)相结合构成精密测温电路，采用了 ADC0809 芯片作为精密测温电路与单片机的转换通道。键盘矩阵采用 2 行 3 列非编码方式， 显示部分为 3 位 LED 数码管显示，看门狗电路采用了较为常见的 X25045 芯片。 系统输出环节通过单片机输出口传递输出控制信号，经光电藕合 4
2、N25 和模拟开 关 CD4052 后去控制继电器的通断，进而控制三相伺服交流步进电机电机的旋转， 当实际温度偏高时，单片机输出控制信号使正转继电器通电，伺服电机正转，改 变三通调节阀的开度，增加流过淡水冷却器的淡水量，使淡水温度降低;当实际温 度偏低时，单片机输出控制信号使反转继电器通电，伺服电机反转，改变三通调 节阀的开度，增加旁通冷却水流量，使淡水温度升高，最终起到温度控制的作用。 本设计引入了功率模糊控制信号的智能温度控制系统，有效地克服了水温的 时滞特性，大大地降低了冷却水温度的超调量，并提高了系统的响应速度；采用 屏蔽与隔离技术，提高了控制系统在恶劣环境中的抗干扰能力；采用指令冗余
3、及 数字滤波技术，提高了系统的软件抗干扰能力。 关键词关键词：船舶柴油机；冷却水温度；单片机；数码管显示 本科生毕业设计（论文） II Abstract The temperature of cooling water of marine diesel engine is an important reference. It is very significant to control the temperature of cooling water accurately. For improving the power performance of diesel engine, decrea
4、sing the exhausting and saving fiiel. The design of the SCM system uses AT89C51 as the microprocessor, using platinum resistance (pt100) as a temperature sensor, and operational amplifiers (op27) combined constitute precise temperature measurement circuit, using ADC0809 chip as precision temperature
5、 measurement circuit and microcontroller conversion channels. Keyboard matrix using two rows three non-coding mode, the display part of the three LED digital tube display, the watchdog circuit uses more common X25045 chip. System output link passing through the microcontroller output port output con
6、trol signal, the optical coupling and analog switches CD4052 4N25 go after control relay off, and then control three-phase AC servo motor stepper motor rotation, when the actual temperature is high, the microcontroller output control signal forward relay is energized, the servo motor is transferred,
7、 changed way regulating valve opening, increasing freshwater flowing fresh water cooler, so that fresh water temperature decreases; when the actual temperature is low, the microcontroller output control signal reverse relay is energized, reversing the servo motor, three-way valve to change the openi
8、ng degree of the bypass cooling water flow increases, the fresh water temperature, the temperature control end play a role. This design introduces a fuzzy control signal power intelligent temperature control system, effectively overcome the delay characteristics of the water temperature, which great
9、ly reduces the cooling water temperature overshoot, and improves system response speed; using shielding and isolation technology, improve the control system in the harsh environment of the anti-jamming capability; using instruction redundancy and digital filtering technology to improve the systems s
10、oftware anti-jamming capability. Key Words：SMarine Engine； Temperature of Center Cooling Water System; SCM; Digital display 本科生毕业设计（论文） I 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景 1 1.2 船舶柴油机冷却水温度控制技术发展历程 2 1.3 主要研究内容 3 1.3.1 硬件电路设计.4 1.3.2 软件设计.4 第 2 章 系统基本构成与性能指标.5 2.1 系统构成框图 5 2.1.1 温度传感器电路.5 2.1.2 单片机控制电路.6 2.1.3
11、 键盘与显示电路.6 2.1.4 看门狗电路.6 2.1.5 驱动电路.7 2.1.6 报警电路.7 2.2 系统主要技术指标 7 2.3 系统主要功能 7 2.3.1 报警功能.8 2.3.2 按键输入功能.8 2.4 小结 8 第 3 章 系统硬件电路设计.9 3.1 单片机控制电路设计 9 3.1.1 AT89C51 微处理器.9 3.1.2 看门狗电路设计.12 3.1.3 单片机最小系统的设计.14 3.2 温度采集电路设计 15 3.2.1 温度传感器的选择.15 3.2.2 温度采集电路连接.16 3.2.3 A/D 转换电路的设计17 本科生毕业设计（论文） II 3.3 键盘
12、与显示电路设计 19 3.4 报警电路设计 20 3.5 抗干扰措施 23 3.6 小结 25 第 4 章 系统软件设计.26 4.1 温度控制算法的确定 26 4.1.1 系统传递函数和温度控制算法:26 4.1.2 算法介绍:28 4.2 单片机软件设计: .31 4.3 小结 32 结论.33 参考文献.34 致谢.35 附录 英文资料.36 附录 部分程序代码.48 附录 电路原理图.56 附录 元器件清单.57 本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 船舶柴油机冷却水温度控制技术是轮机自动化技术的重要组成部分。轮机自 动化，是指用各种自动化仪器仪表、控制元件、
13、逻辑元件，以及计算机系统等组 成的各种自动控制和监测系统。它可以对船舶机舱内动力装置的运动参数进行自 动控制，对机器设备的运行状态进行监测和报警，也可以对主要机器设备进自动 操作等。 我们知道，船舶主柴油机动力装置运转时，有许多机械、设备等的运动部件 将会产生热量，而燃烧的燃气和压缩的空气也会散发出大量的热量，为了保证受 热部件的温度不致于过高而影响其正常工作，或者不致于因热负荷过大而使其损 坏，必须及时而有效地将这些多余的热量散发出去。因此，冷却水系统的功用， 就是对需要及时散热的机械和设备提供足够的冷却水进行冷却，以保证其在一定 合适的温度范围内安全、可靠地工作。 目前，船舶柴油机冷却水温
14、度的自动控制系统大多采用的是电子式控制方.式， 使用的是模拟式调节仪表，主要以电子器件的逻辑运算输出控制信号，来驱动继 电器对电动机进行转向控制，从而达到对温度的控制。从整体上看主要存在以下 两个明显就缺点:采用的元器件比较落后，导致电路较为复杂，使用的逻辑元器 件也较多，增加了备件管理和维护工作的难度;由于系统整体比较复杂，同时模 拟仪表的实现功能的限制，因此这些温度控制器都采用了最简单的控制规律，不 能提供很好的控制性能。由于冷却水流经一定长度的管路，需要一定的时问，同 时控制信号的执行部件，如电动机、三通阀门等都使得系统具有较大的时滞特性 和非线性特性。传综合以上的各种不利因素，我们认为
15、，此类控制系统已经无法 满足日益提高的控制性能需求，必须采用新的控制方式。鉴于此，我们提出了基 于单片机控制的船舶柴油机冷却水温度控制方法。我们知道，单片微处理器具有 高精确度、高灵敏度、高响应速度，以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动 控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入式控制。同时，其逻辑控制运算是由软件 来进行的，可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现， 而且不受外界的工作环境的影响，因此，基于单片机的温度控制器可以安全可靠 地运行，来智能地控制冷却水的温度稳定在某一给定值，或者给定值附近，使得 船舶柴油机冷却水温度测控满足现代远洋船舶的要求 本科生毕业设计（论文）
16、2 1.2 船舶柴油机冷却水温度控制技术发展历程 船舶柴油机冷却水温度控制技术，在20世纪中得到了飞速发展。其大致发展 历程如下： 1直接作用式控制方式： 在20世纪50年代末期，船舶柴油机冷却水温度控制是采用直接作用方式。这 是一种早期的反馈式控制方式。其特点是，他们都不需要外加能源，而是根据在 冷却水管路中的测量元件内充注的工作介质的压力随温度成比例变化而产生的力 来汽接驱动二通调节阀，进而改变流经淡水冷却器的淡水流量和旁通淡水流量， 从而进行温度调节的。这种控制方式的缺点也是显而易见的，测量元件内充注的 工作介质对密封性要求很高，如果造成测量元件内充注的工作介质泄漏，那么其 本身的压力就
17、不能随温度成比例进行变化，因而使得温度控制失去作用。同时， 其控制精度不高，冷却水温度变化较大，对船舶柴油机的稳定运行不利。 2气动式控制方式： 在20世纪70年代末期，船舶柴油机冷却水温度控制是采用气动式作用方式。 其特点是，利用感温元件和温度变送器，把气缸冷却水温度的变化成比例地转变 成气压信号的变化送至调节器，与调节器的给定信号相比较，其偏差信号经调节 作用规律运算后，成为调节器输出的控制气压信号去调节温度。它也存在着以下 的一些问题，例如系统对气体的密封性和压力要求同样很高，对运输和储存气体 的管系的密闭性要求也很高，如果控制气压信号有所损失，使得控制精度降低， 效果减小。因此，这种控
18、制方式现在也很少采用了。 3电动式控制方式: 在20世纪80年代中期，船舶柴油机冷却水温度控制是采用气动式作用方式。 也是目前远洋船舶上主要采用的温度控制方式。它的作用方法是，利用安装在船 舶柴油机气缸冷却水进口或者出口管路中的感温元件，通常为电阻数值与温度变 化在一定范围内成线性变化的热敏电阻，经分压器分压把冷却水温度成比例地转 换为电压信号，这个测量信号与由电位器整定的给定值电压信号相比较得到偏差 信号，再经过比例微分作用，输出一个控制信号并将此控制信号送至脉冲宽度调 制器，将连续的控制信号变成断续的脉冲信号去调节冷却水温度。尽管此类电动 控制系统的控制精度和效果可以在一定程度上满足了船舶
19、营运者的需求，但是这 并不说明这种控制方一式是完美无缺的。首先，这些控制系统的调节器采用了较 为简单的控制规律，比如比例微分(PD)控制规律或者比例积分(PI)控制规律，若 采用PD控制会出现静态误差，使系统长时间偏离最佳工作点运行，若采用PI控制， 则对于冷却水温度这样具有较大惯性的被控对象会因为缺乏超前的控制作用而产 本科生毕业设计（论文） 3 生较大的超调量，使得系统动态特性较差，而且调节阀的开度改变以后，温度传 感器不能马上反映出调节作用的结果，存在滞后，难以得到满意的控制效果。其 次这种控制系统的测量和控制部分，是利用一些电子器件进行逻辑运算输出的， 它的缺点就是一旦逻辑输出部分机械
20、部件出现故障，则整个测控系统的控制能力 和精度就会出现故障，其工作效果大打折扣。而冷却效果的下降，将会产生严重 的后果，如船舶主柴油机气缸和活塞温度升高、润滑油随温度的升高而粘度降低 造成机械运动的磨损，缩短了柴油机的使用寿命等。 1.3 主要研究内容 “基于单片机的船舶柴油机冷却水温度控制系统”是以现代远洋船舶上广泛 应用的船舶中央冷却系统为研究模型，以船舶柴油机冷却水的温度测量和控制为 研究对象进行的。首先，我们介绍一下现代远洋船舶绝大多数所采用的中央冷却 系统的工作过程。利用船舷外的海水泵输送海水进入中央冷却系统，来冷却低温 淡水，被冷却后的低温淡水再去冷却船舶主柴油机气缸套和气缸盖的高
21、温淡水。 因此，这种冷却系统中就有两个冷却水回路:一个是低温回路，就是由舷外海水 来冷却低温淡水的回路，因为海水的流入和流出不是一个闭合的过程，因此又称 为开式冷却;另一个是高温回路，就是由低温淡水来冷却高温淡水的回路，因为 低温淡水和高温淡水的流动是一个循环利用的过程，因此又称为闭式冷却。在这 种冷却系统中，由于舷外海水不再接触各种热交换器和船舶主柴油机的冷却空间， 因而避免了海水引起的腐蚀，提高了设备和系统的安全可靠性以及设备使用寿命。 我们设计的“基于单片机的船舶柴油机冷却水控制系统”应该重点解决以下 内容： 其一，攻关任务:研究船舶柴油机冷却水温度控制系统，开发出具有智能控 制装置，实
22、现对温度进行测量和控制; 其二，目标:提供具有温度测控功能的智能控制设备一套; 其三，研究的技术关键： 多点测量:分别在船舶柴油机中央冷却系统的高温淡水的进口和出口、低 温淡水的进口和出口处安装了温度传感器。采用“进口处温度测控，出口处报警” 的方式，这样，使整个系统各循环回路的温度均可自动调节，提高了整个系统的 适应性和控制精确性: 通讯方式:在系统设计中，我们分析了多种单片机与上层控制计算机的通 讯方式，最终实现了RS-232串口通讯接口，有利于系统今后的扩展; 控制算法:分析了几种在温度控制中常见的控制算法，根据各自的优缺点， 本科生毕业设计（论文） 4 以及针对冷却水的固有特性的分析，
23、实现了带有smith补偿的PID控制; 另外，搭 建整个系统的计算机控制中心(上位机)，应用现有的船舶网络进行系统通讯和数 据传输。 1.3.1 硬件电路设计 在硬件路设计中主要设计了单片机控制电路、温度检测电路、A/D 转换电路、 键盘与显示电路、驱动电路、声光报警电路、看门狗电路。单片机部分采用 ATMEL 公司的 AT89C51 控制芯片，是一种高性能、低电压、低功耗的 8 位 CM05 微 型处理器。在控制软件的支持下，CPU 对外围电路进行控制、计算，将温度检测 电路输入的温度测量数值进行处理，并扫描、显示，同时将计算得到的控制结果 输出给控制电路对执行机构进行操作，完成整套控制过程
24、。温度传感器采用的是 铂电阻 Pt100，带有不锈钢钢套，具有良好的精度指标和稳定性，由于温度系统 对温度精度要求不高，在 0150的范围内可以按照具有线形关系处理，性能优 良，成本低。A/D 转换电路中采用了比较常用的 ADC0809 芯片。ADC0809 是一种 8 位逐次逼近式 A/D 转换器，它由 8 通道模拟开关和 A/D 转换两部分组成，其转 换时间大约为 100s，转换精度为 0.4。由于冷却水是大惯性的传热介质， ADC0809 的此项性能指标己经满足了温度控制的时间和精度，因此，我们选择 ADC0809 作为模拟/数字转换芯片，使系统成本较低。由于 CPU 管脚的数量有限，
25、因此对键盘和显示电路的设计，我们采用了 8279 可编程的键盘显示一专用扩展 I/O 接口芯片，它本身能够提供键盘、显示控制所需的扫描信号，因此可以代替 单片机完成键盘、显示的控制。声光报警电路部分采用了一片时基集成电路 NE555， AT89C51 的引脚输出端为高电平，扬声器(SP)，三极管。当系统被测温 度出现高于上限或者低于下限的情况时，AT89C51 启动自身定时器，这样，NE555 时基电路根据其复位端的信号变化，在它的输出端产生频率的输出，输出信号给 继申器(J)动作信号，继电器常开开关闭合，推动扬声器(SP)工作，获得声音报 警信号，报警灯同步闪亮。AT89C51 根据采样的温
26、度数值对其进行相应规则的计 算、处理、判断后，得出控制结果，输出相应的控制信号，经过光电隔离器后， 去控制继电器动作，再经过继电器控制三相伺服交流步进电机，因而使冷却水温 度得到控制。 1.3.2 软件设计 软件设计是实现船舶柴油机冷却水温度智能控制的关键所在，在系统的软件 本科生毕业设计（论文） 5 设计的过程中，采用了模块化的设计思想。系统软件由主程序模块、AD 转换模 块、中断程序模块、键盘与显示模块、串行通信模块和智能控制算法模块等。 本科生毕业设计（论文） 6 第 2 章 系统基本构成与性能指标 2.1 系统构成框图 该系统主要由单片机控制电路、温度检测电路、A/D 转换电路、键盘与
27、显示 电路、声光报警电路、驱动电路等部分组成。见图 2.1。 2.1.1 温度传感器电路 在系统设计时，我们采用了具有良好性能的感温元件，铂热电阻 Pt100，用 来测量冷却水的温度。同时，为了保证测量的准确性，我们采用了多点测量的方 法，即在高温回路中高温冷却淡水的进口和出口、低温回路中低温冷却淡水的进 口和出口都安装了温度传感器，分别测量这几点的温度，然后单片机控制多路开 关，分别采集这几点的温度数值。在某一时刻，单片机采集的是某个点的温度实 际数值，然后与该点的设定数值相比较，再输出控制信号，因此，并不会增加单 片机的运算负荷，使得单片机完全有能力承担控制中心的任务。 由于采用了这种多点
28、测量的方法，克服了在以往温度控制中，只能单一的测 温度传感器 驱动电路 键盘电路 A/D 转换 报警电路 显示电路 单片机 AT89C51 看门狗电路 图 2.1 系统总体设计方案 第 1 章 第 2 章 本科生毕业设计（论文） 7 量冷却水进口或者出口的实际温度，出现偏差的现象，这也证明了本课题设置的 科学性和合理性。 2.1.2 单片机控制电路 本课题中 AT89S5l 是控制电路的核心，它的功能是：配合相应的外围电路实 现温度采集，同时处理采集的信号，实现智能控制算法，输出越限报警及阀门开 度调节信号；另外，结合键盘显示专用芯片 8279，实现信息的输入与显示功能。 单片机测控平台是整个
29、温度控制系统的重要组成部分，是联系温度信号采集和计 算机管理控制中心的枢纽。一方面，它要获取温度传感器组的测量数据，并且与 温度设定值进行比较，同时输出控制信号到执行机构;另一方面，它要将温度测 量数据和设定数据上传到计算机管理控制中心(连接打印机)。 2.1.3 键盘与显示电路 由于 CPU 管脚的数量有限，因此对键盘和显示电路的设计，我们采用了 8279 可编程的键盘显示一专用扩展 I/O 接口芯片，它木身能够提供键盘、显示控制所 需的扫描信号，因此可以代替单片机完成键盘、显示的控制。其中，键盘矩阵采 用 2 行 3 列非编码方式，采用软件查询方法来设计，低电平有效。为了消除按键 抖动对系
30、统的干扰，在键盘软件设计中，我们采用了 20ms 的延时程序。显示部 分为 3 位 LED 数码管显示，显示的内容是温度数值的，十位、个位和小数点后一 位，软件设计中采用动态扫描显示的方法，以减少硬件成本和增加系统可靠性。 键盘控制的方式是采用 8279 扫描键盘，判断是否有按键按下，进而判断按键的 内容，送至 AT89C51 处理。显示程序的执行过程是:首先 AT89C51 通过 P 口选通 8279，低电平有效，然后把将要显示的数字，其相应的字型码送至 DB 口，接下 来设置位选信号，利用 SL0、SL1、SL2 二分别设置 0 或者 l，分别选择要显示的 二印数码管(共阴极)，8279
31、将要显示的数字通过 OPTB 和 OUTA 口显示在 LED 数码 管上。同时，我们将要显示的数字的二进制代码转换成 7 段码形式，编写成数据 表格的形式，存储在单片机内部存储空间里，这样，单片机将 A/D 转换的结果与 表格的指针相结合，直接将 A/D 转换结果显示出来，可以减轻系统计算量，提高 系统的数据处理和显示速度。 2.1.4 看门狗电路 系统设计了硬件看门狗电路，采用了较为常见的 X25045 芯片。具有掉电数 拒保护功能和系统故障复位功能，如果系统突然失去电力，测量数值可以保存在 看门狗电路的 EEPROM 中，在系统重新工作时，可以重新从看门狗的存储单元里 读取数据，保证了数据
32、的安全，同时，如果系统出现死机或者程序跑飞而进入某 本科生毕业设计（论文） 8 个死循环，由该看狗电路向 CPU(控制器)发出复位信号，使系统重新开始运行从 而保证了系统安全、可靠地运行。 2.1.5 驱动电路 AT89C51 根据采样的温度数值对其进行相应规则的计算、处理、判断后，得 出控制结果，从 AT89C51 的 P2 口输出相应的控制信号，此控制信号为 0、1(低、 高电平)连续脉冲信号，经过光电隔离器 4N25 和 CD4052 后，去控制继电器动作， 再经过继电器控制三相伺服交流步进电机，步进电机是以脉冲方式进行工作的， 线圈中每输入一个脉冲，转子就旋转一个步距角，因此，可以由电
33、机的正转或者 反转来调节三通调节阀的开度，因而使冷却水温度得到控制。其中，口输出的 Z P 高低电平的占空比，有 PID 控制算法来决定，从而实现了系统闭环自动温度控制。 2.1.6 报警电路 采用了一片时基集成电路 NE555， AT89C51 的引脚输出端为高电平，扬声器 (SP)，三极管。当系统被测温度出现高于上限或者低于下限的情况时，AT89C51 启动自身定时器，这样，NE555 时基电路根据其复位端的信号变化，在它的输出 端产生频率的输出，输出信号给继申器(J)动作信号，继电器常开开关闭合，推 动扬声器(SP)工作，获得声音报警信号，报警灯同步闪亮。 2.2 系统主要技术指标 通过
34、 3 位 LED 输出显示； 主要采用单片机控制电路、显示板电路； 具有冷却水温度显示，冷却水水温异常报警，自动调节水温，存储数据功能； 监测水温的范围：4090； 整体电路供电：5V。 2.3 系统主要功能 在制定系统总体方案时，根据要求对方案进行了总体优化，力求使系统功能 实用、性能稳定、具有较高的性价比。系统主要的功能就是对船舶柴油机冷却水 本科生毕业设计（论文） 9 温度采集后能实时显示，并可以根据预设的程序，单片机判断出是否需要驱动报 警电路、是否需要驱动三通交流阀，调节冷却水温度。 本科生毕业设计（论文） 10 2.3.1 报警功能 为了系统的安全运行，我们对冷却水温度进行上限或下
35、限声光报警处理，我 们采用了如下的判断报警方法:以冷却水温度设定值 T 设为参考数值，则温度变 化的上限是 T:= T 设+5，下限是 T=T 设-5.当测量到的冷却水温度持续增加， 高于上限时，即 T，时，则上限报警状态值 THA=l;当测量到的冷却水温度 1 T 1 T 持续减少，低于下限时，即时，则下限报警状态值 TLA=l。这样，当出 2 T 2 TT 现上、下报警状态值(THA，TLA)为 1 的情况时，就会触发系统报警电路。当温度 测量数值偏离设定数值士 5时，系统会自动报警，以提醒轮机管理人员注意， 及时查明故障原因和解决问题。 2.3.2 按键输入功能 用户可以自行设定任何一个
36、测量点的温度数值，数字小键盘输入、三位 LED 数码管显示，其显示数值范围是 000 一 999，代表温度范围是 0 一 99.9。在小 键盘上有六个按键，分别是“设置状态”按键、“运行状态”按键、“数值增加” 按健、“数值减少” 按键、以及“高温” 按键和“低温”按键。当系统开机运 行时，其温度设定值由软件编制时事先设置好，当需要改变数值时，用户首先按 下键盘的“设置状态”按键，使显示部分切换到设定值的显示，然后由键盘的 “高温”或者“低温”键切换到需要更改的温度显示，此时，三位 LED 数码数码 管中的最低一立开始闪烁，再由“数值增加”或“数值减少”按键输入所需设置 的数值，可以改变了设定
37、数值。当设定好新的数值后，用户再次按下“运行状态” 按键，切换列系统运行状态，这时三位 LED 数码管所显示的就是测量温度数值。 2.4 小结 本章首先介绍了船舶柴油机冷却水温度控制系统的组成，并对系统各组成部 分功能作了简要说明，对系统主要技术指标及各部分组成芯片作了简要介绍。系 统结构设计方案主要侧重于使用维护方便，性能可靠稳定等特点。 本科生毕业设计（论文） 11 第 3 章 系统硬件电路设计 本章将详细介绍船舶柴油机冷却水温度控制系统的各部分硬件电路工作原理 并对主要芯片原理与应用作以介绍。 3.1 单片机控制电路设计 该电路主要完成系统的各种控制功能，主要键盘输入、LED液晶显示、声
38、光 报警、看门狗电路四部分组成。 3.1.1 AT89C51 微处理器 本系统因为应用于船舶系统中，周围信号干扰强，最好系统使用尽可能少的 外围扩展芯片，提高系统运行的可靠性，所以就要求使用的单片机具有片内足够 大的 ROM 和 RAM。目前 AT89C51 是应用最广范的单片机之一，它具有很高的性能 价格比。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微 处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，
39、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。有较强的功能 的 AT89C51 单片机能够被应用到控制领域中。它的主要特点有： 1）4K 字节闪烁存储器，128 字节随机存取数据存储器。 2）32 个 I/O 口，2 个 16 位定时/计数器。 3）1 个 5 向量两级中断结构，1 个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。 4）AT89C51 还可以进行 0HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。 闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、
40、 串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容， 但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。 5）内部具有 5 个中断请求源，具有两个中断优先级，可实现两级中断服务 程序嵌套。每一个中断源可以用软件独立地控制为允许中断或关中断状态，每一 个中断源的中断级别均可用软件来设置。 6）与 MCS-51 兼容。 本科生毕业设计（论文） 12 7）寿命：1000 写/檫循环，数据保留时间：10 年。 8）可编程串行通道。 9）低功耗的闲置和掉电模式。 10）片内振荡器和时钟电路。 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
41、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何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片檫除：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
42、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。AT89C51 引脚图如图 3.1 所示： 1.该芯片各引脚的功能： 1）P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路双向 I/O 口，即地址/数据总线复用口。 作为输出口时，每一个管脚都能够驱动 8 个 TTL 电路。当“1”被写入 P0 口时， 每个管脚都能够作为高阻抗输入端。P0 口还能够在访问外部数据存储器或程序存 储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。P0 口在闪烁 编程时，P0 口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。 2）P1
43、口：P1 口一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可 3.1 AT89C51 引脚图 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 3
44、0 TXD 11 RXD 10 U? AT89C51 本科生毕业设计（论文） 13 驱动 4 个 TTL 电路。对端口写“1” ，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可 作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁 编程时和程序校验时，P1 口接收低 8 位地址。 3）P2 口：P2 口是一个内部带有上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲 级可驱动 4 个 TTL 电路。对端口写“1” ，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此 时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电 流。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时，
45、P2 口送出高 8 位 地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器时，P2 口线上的内容在整个运行期 间不变。闪烁编程或校验时，P2 口接收高位地址和其它控制信号。 4）P3 口：P3 口是一组带有内部电阻的 8 位双向 I/O 口，P3 口输出缓冲故可 驱动 4 个 TTL 电路。对 P3 口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为 输入端时，被外部拉低的 P3 口将用电阻输出电流。P3 口除了作为一般的 I/O 口 外，更重要的用途是它的第二功能。P3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序 校验的控制信号。 5）RST：复位输入。当震荡器工作时，RET 引脚出现两个机器周期以上的高
46、 电平将使单片机复位。 6）ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE 输出脉冲用于锁 存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 以时钟震荡频率的 1/16 输出 固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访 问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用 于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的 8EH 单元的 D0 位置禁止 ALE 操作。这个位置后只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被应用。此外，这个引脚 会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 无效。 7）PSEN：程序
47、储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C51 由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。 在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号不出现。 8）EA/VPP：外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA 端 必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位 LBI 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编 程时，该引脚加上+12V 的编程允许电压 VPP，当然这必须是该器件是使用 12V 编 程电压 VPP。 9）XTAL1：震荡器反相放大器及内部
48、时钟发生器的输入端。 10）XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。 存储器结构：MCS-51 产品有一个独立的程序存储器和数据存储器地址空间。 本科生毕业设计（论文） 14 外部程序存储器和数据存储器可最大寻址 64K。 程序存储器：程序存储器是只读存储器（ROM） ，用于存放程序和表格之类的 固定常数。AT89C51 单片机的片内程序存储器为 4KB 的 Flash 存储器，地址范围 为 0000H0FFFH。AT89C51 有 16 条地址线，可以外扩的程序存储器空间最大为 64KB，地址范围为 0000HFFFFH。 数据存储器：AT89C51 的片内数据存储器（RAM）共有 128 个
49、单元，字节地址 为 00H7FH。地址为 00H1FH 的 32 个单元是 4 组通用工作寄存器区，每个区包含 8B 的工作寄存器，编号为 R7R0。用户可以通过指令改变 PSW 中德 RS1、RS0 这 两位来切换当前的工作寄存器区。指令可对地址为 20H2FH 的 16 个单元的 128 位进行位寻址，这 16 个单元也可以进行字节寻址。地址为 30H7FH 的单元为用 户 RAM 区，只能进行字节寻址，用作存放数据及作为堆栈区。 特殊功能寄存器：AT89C51 中的 CPU 对片内各功能部件的控制是采用特殊功 能寄存器集中控制方式。特殊功能寄存器的字节地址映射在片内 RAM 中 80HFFH 区域中，共有 21 个，离散的分布在该区域中。其中有些特殊功能寄存器还可以 进行位寻址。凡是可以进行位寻址的特殊功能寄存器，其字节地址的末位只能是 0H 或 8H。 定时器。AT89C51 有三个 16 位定时器：T0、Tl、T2。TO、T1 与 AT89S52 及 AT89C52 单片机工作方式相同，定时器 T2 有三种工作方式：捕获方式，自动重装 载方式(向上或向下计数)和波特率发生器方式。操作方式由 T2CON 的控制位来选 择。 4. 振荡器特性：X