红外线测温仪(范文).doc

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1、江苏城市职业学院毕业设计（论文）（ 2010 届）设计（论文）题目 红外线测温仪 办 学 点 （系）江苏城市职业学院昆山办学点（电信系） 专 业 应用电子专业 班级 07应用电子 学号 070408350222 学生姓名 马媛媛 起讫日期 09年12月23日2010年3月25日 地点 江苏城市职业学院昆山办学点 指导教师 顾 萍 职称 讲 师 2010年 3 月 25 日江苏城市职业学院教务处制目 录摘要3一、绪论41.1 远红外测温仪的研究意义及功能实现41.2 本设计所做要求41.3 本设计所作的工作5二、远红外测温原理52.1 红外辐射的产生52.2 远红外测温系统的组成图6三、远红外测

2、温仪的硬件电路设计7远红外传感器的设计73.1.1 远红外探测器的一般组成7测温部分模块分析8同相放大器的设计9同相放大器的方案设计9同相放大器的电路图113.3 温度补偿部分设计11方案设计11电路图12模数A/D转换器12模数转换器介绍12引脚及功能13.3取样与保持14量化与编码14四 远红外测温仪的软件设计15控制模块的设计15单片机的选择154.1.2 AT89C51单片机简介164.2 AT89C51的最小应用系统设计21系统总体的流程图22参 考 文 献23摘 要【内容摘要】：为了监检恶劣生产条件、特殊环境的温度，以便进行预防性维护，我们进行了红外线测温仪的设计。红外测温仪是利用

3、红外传感器对电力设备运行时的热辐射进行采集，通过转换电路将红外传感器采集到的光信号转换成电信号，再将电信号通过放大电路、带通滤波电路、解调电路、A/D转换等单元电路处理后送到单片机中，最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理，将电信号转变成与之相对应大小的温度值显示输出。将有用信息保存下来并传送给控制中心，电力设备运行过程中的临界温度通过软件编程的方式写入单片机中。通过对温度的确认达到掌握被测对象的工作状态，确定其工作是否正常，以便及早发现故障并针对具体情况采取相应对策。如果被测物体的温度低于所设定的临界温度值，红外测温仪将正常工作。反之，系统则发出报警信号启动报警装置，提醒操作人员采取必

4、要的措施，避免电力设备的运行因温度过高而发生故障和损失，从而实现仪器的自动化和智能化，保障电力设备的正常运行。【关键字】：热释电传感器，单片机，红外线一、 绪 论1.1 远红外测温仪的研究意义及功能实现自二十世纪九十年代以来，我国电力工业发展迅速，电网规模日益扩大。电力设备是电网和变电站的核心设备，它的运行状况直接关系到系统的安全运行。随着电压等级的提高，电力设备的负荷也越来越大，由于电力设备自身的造价都比较昂贵，因电力设备故障所带来的事故，造成的损失往往也是巨大的。而设备运行时所发出的红外光谱的波长范围是514um，属于远红外光谱，这个波段内的光所对应的物体的温度是介于0500之间。温度不是

5、特别高，对仪器的损坏也不是特别大，因此，设计一种测量更准确，采样波长介于此区间内的非接触式远红外测温仪来监测电力设备运行状态，及时发现潜在故障，有着充分的必要性。根据远红外测温的基本定律，阐述远红外测温仪的工作原理及功能实现：一切温度高于绝对零度的物体都在不停的向周围空间发出红外辐射能量，。设计出光电检测部分的具体电路图（电源、放大器、滤波器以及温度补偿等），确定出各部分元件的具体参数，并结合单片机将设备的运行过程中的临界温度写入单片机，再配以终端显示,可方便的对测量结果进行实时监控，从而实现远红外测温仪的自动化和智能化，最终将电力设备因超温所出现的故障给予解决。1.2 本设计所做要求测温范围

6、: 27227（300500K）；响应波长: 8um14um；响应时间：500ms；A/D转换:8位的ADC0809芯片；工作环境温度范围:050；相对湿度：30 时 1095%；测量精度：23 时1%；温度分辨率:0.5；电源电压:+9V；微处理器:AT89C51；发射率:0.95(可调),激光瞄准。1.3 本设计所作的工作首先，介绍远红外测温技术的相关理论知识，从与几种红外测温仪的比较中得出远红外测温仪的优点和缺点，以便对远红外测温有比较清晰的认识。其次，对远红外测温电路的硬件设计，本设计分别从红外传感器、串联稳压电源、同相放大器、低通滤波器和温度补偿部分共五个部分分别进行方案选择、参数计

7、算、并给出了各模块的电路图以便更好的理解。再次，对远红外测温仪的A/D转换进行详细的说明，并进行了软件模块的设计，从单片机的选择到其功能的介绍、接口电路的分析、系统总的流程图并给出了源程序。总之，整个设计分别从硬件和软件两个方面进行了详细的分析，思路清晰，方案正确，并最终得出了总的电路图，有很好的现实意义。二、 远红外测温原理2.1 红外辐射的产生【1】任何物体内部的带电粒子都处于不断运动状态，当物体温度高于热力学温度0时，它就会不断地向周围进行电磁辐射。物体的自发辐射，常温下主要是红外辐射，俗称红外线，它是人眼看不见的光线，具有强烈的热作用，故又称热辐射。热辐射特性主要由温度决定，故称为温度

8、辐射，是光学温度传感的基础。物体在常温下，发射红外线；当温度升高至500左右，便开始发射部分暗红外观的可见光；当温度继续升高，物体会向外辐射电磁波，且随着温度的升高其波长会变短。当温度升到1500时，便开始发出白色光。当将一束白色光照射到一个玻璃三棱镜上时，通过三棱镜对不同波长光的折射，就会显现七彩的单色光束。图2.1是太阳光的分光实验示意图。图2.1 太阳光分光实验示意图2.2 远红外测温系统的组成图远红外测温系统由以下几部分组成：远红外透镜及滤光系统、测试装置、A/D转换器、微处理机（单片机）和终端显示组成。结合红外测温的工作原理及实际操作的需要，进行了相关参数的计算和论证，在确定方案可行

9、的情况下，最后得出远红外测温仪系统的原理框图如图2.2所示。远红外测温仪系统是集信号采集、数据处理、误差分析、输出显示及危险报警为一体的多功能、智能化的测温系统。而信号采集系统中最重要的是用滤光片收集远红外区域内（814um）的光谱，使红外测温的波长范围相对缩小，精度有所提高。因此，远红外测温仪在工业系统温度的测量上有更好的应用。随着现代技术的发展，红外测温仪的设计也越来越先进、品种越来越繁多、功能越来越齐全、价格不断的趋于稳定。具体操作：将远红外测温仪对准被测的物体，按触发器启动单片机，并在仪器的LED上读出温度数据，保证测温距离和光斑尺寸之比。使用远红外测温仪时还必须注意：1、只测量表面温

10、度，红外测温仪不能测量内部温度。2、不能透过玻璃进行测温，玻璃有很特殊的反射和透过特性，不允许精确红外温度读数。但可通过红外窗口测温。红外测温仪最好不用于光亮的或抛光的金属表面的测温（不锈钢、铝等）。3、定位热点，要发现热点，仪器瞄准目标，然后在目标上作上下扫描运动,直至确定热点。4、环境温度，如果将红外测温仪突然暴露在环境温差为20度或更高的情况下，允许仪器在20分钟内调节到新的环境温度。图2.2 远红外测温系统的组成图 三、远红外测温仪的硬件电路设计远红外传感器的设计 远红外探测器的一般组成远红外探测器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。光学系统是远红外探测器的重要组成部

11、分。根据光学系统的结构分为反射式光学系统的远红外探测器和透射式光学系统的远红外探测器两种。对于反射式光学系统的红外探测器的结构，它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上，敏感元件与透镜组合在一起，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行放大。本设计中主要使用透射式光学系统的远红外探测器，其原理图如图3.1所示。透射式光学系统的部件用红外光学材料做成，不同的红外光波长应选用不同的红外光学材料：在测量700以上的高温时，用波长为0.753um范围内的近红外光，用一般

12、光学玻璃和石英等材料作透镜材料；当测量100700范围内的温度时，一般用35um的中红外光，多用氟化镁、氧化镁等热敏材料；当测量100以下的温度用波长为514um的中远红外光，多采用锗、硅、硫化锌等热敏材料。三个范围内的波长远红外光其测量的温度相对较低，同时对仪器的损坏了相对较小，而远红外测温仪最适合的工作波长是814um，因此，在选用波段时应充分考虑远红外测温仪的工作波长而选择第三段。获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免这一困难，所以，反射式光学系统用得较多。图3.1 透射式远红外探测器示意图测温部分模块分析远红外测温仪。图3.2 红外测温部份处理装置的原理框图远红外测

13、温仪的探头部分的方框图是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，利用热辐射体在远红外波段的辐射能量来测量温度，由测温传感器、放大单元、滤波单元及加法单元、温度补偿单元组成。测温传感器为一暗盒，盒内固定热释电探测器件，前方有遮光板，电动机带动遮光板旋转，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线，红外测温装置通过光电敏感元件将远红外辐射能变换为电信号输出，温度补偿二极管也固定在盒内；放大单元是选用集成运放作为模拟放大器,且运放工作于线性放大区，电路的输出与输入之间存在一一对应的关系, 反馈信号通过反馈电阻送到输入端,即利用电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用,最终达到放大并稳定输出电

14、压的作用；滤波单元采用集成运放组成的有源滤波器, 由两节RC滤波电路和反相比例放大电路所组成, 开环电压增益的输入阻抗很高，输出阻抗较低,而且具有一定的电压放大和缓冲作用；温度补偿单元采用二极管温度补偿电路,利用半导体受到外界的光和热的刺激时，其导电性能将会发生其显著变化，在将二极管的温度补偿信号经差动放大以补偿环境温度的影响【5】。的设计同相放大器的方案设计运算放大器(简称运放)实际上是多级直接耦合放大电路的集成形式，其特点是高输入电阻、高放大倍数、低输出电阻。通常可以选用集成运算放大器作为模拟放大器，在某些精密的数字仪表系统中则可以选用仪表放大器和隔离放大器。选择放大器时主要考虑放大器的带

15、宽和精度，放大器的满度误差和零位误差多半是可调的，因此这里精度主要指温漂和噪声。由于运放在电路性能方面具有众多优点，因此被广泛应用于模拟电路的各个领域之中，根据运放在电路中的工作状态，可把这些电路归纳为两大类：一是运放的线性应用，此类电路有一个显著的待点，即运放工作于线性放大区，电路的输出与输入之间存在一一对应的函数关系；二是运放的非线性应用，此类电路在多数情况下，运放工作在饱和状态。由于运放的工作状态不同，故所适用的分析方法亦不同。集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：输入信号过大，使PN结击穿；电源电压极性接反或过高；输出端直接接“地”或接电源，此时，运放将因输出级功耗过大而损坏。因此，

16、为使运算放大器安全工作，也从这三个方面进行保护。在常用的放大电路中，比例运算放大器电路的接法有两种：一种是同相输入接法，另一种是反相输入接法，分别属于电压串联负反馈电路和电压并联负反馈电路。在本课题中比例运算放大电路采用同相输入的接法，其电路图如图3.4所示。这种电路的重要特点是：电路的输出电压趋向于维持恒定，因为无论反馈信号以何种方式引回到输入端，实际上都是利用输出电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用，这就是电压反馈的实质。若从输入电压取样，通过反馈网络得到反馈电压，然后与输入电压相比较，求得差值作为净输入电压进行放大，则称电路中引入了电压串联负反馈, 其电路图如图3.3所示

17、。该电路采用电阻分压的方式将输出电压的一部分作为反馈电压，电路各点电位的瞬时极性如图中所标注。其工作原理是：当输入端正向电压增加时，且接放大器的同相输入端，反馈电压，若输入电压对R1和R2所组成的反馈网络的作用忽略不计，即可以为R1上的电压；并且，由于集成运放开环差模增益很大，因而其净输入电压也可以忽略不计。根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零，即 说明集成运放有共模输入电压。所以输出电压为：此式表明，与同相且大于，电路引入电压串联负反馈后，一旦和的取值确定，就仅仅决定于，而与负载电阻无关。因此，可以将电路的输出看成为电压控制的电压源，所以它稳定了输出电压，且输出电阻为零。信

18、号源内阻越小，其反馈效果就越好。由于电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。即使考虑集成运放参数的影响，输入电阻也可达。应当指出，虽然同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集成运放。上述结论是有条件的，只有认为集成运放同相输入端和反相输入端的电流趋于零（称为“虚断路”），才能忽略对反馈网络的作用；只有认为集成运放同相输入端和反相输入端的电位近似相等（称为“虚短路”），才能忽略净输入电压，使。实际上，只有集成运放的开环差模增益和差模输入电阻均趋近于无穷大时，才会在集成运放的输入端存在“虚

19、断路”和“虚短路”。图3.3 电压串联负反馈电路示图同相放大器的电路图同相放大器电路如图3.4所示：图3.4 同相放大器电路图3.3 温度补偿部分设计【4】方案设计方案一：采用恒温控制电路。恒温的原理为，感温电阻作为电桥的一臂，当温度等于所需要的某一温度（拐点温度）时，电桥输出直流电压经放大后，对加热电阻丝加热，以维持平衡温度；当环境温度变化，从而使电桥温偏离原来温度时，通过感温电阻的变化改变加热电阻的电流，从而减少电桥温度的变化，虽稳定度高，但存在着电路复杂、体积大、重量重等缺点。方案二：采用二极管温度补偿电路。由于半导体受到外界的光和热的刺激时，其导电性能将会发生其显著的变化，在将二极管的

20、温度补偿信号经差动放大用以补偿环境温度的影响，采用负温度系数(-2mv/)的硅二极管，采用这种电路比较简单，同时有较高的性价比，符合设计的要求。综上所述，采用第二种方案。电路图电路图如图3.6所示：图3.6 温度补偿部分电路图模数转换器介绍能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器，A/D转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器必须具有足够的转换精度；在实现对快速变化的信号的实时控制与检测，还要求具有较高的转换速度。为将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程，在实际

21、电路中，这些过程有的是合并进行的，同时实现。即外部的各种模拟信号必须通过A/D转换器变换为数字信号后，才能送入微处理器芯片。在单片集成A/D转换器中，ADC0809是8位的芯片，采用逐次比较式工作原理。具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一+5V电源，其模拟量输入电压的范围为00HFFH，转换时间为100，无须调零或调整满量程。大部分M68HC08等系列MCU中具有ADC模块，但结构功能不完全相同，有8位精度的，也有10位精度的。采样通道数也有多种选择。ADC还有一个来自模拟模块的内部采样源。模拟多路复用允许选择14个ADC通道中的一个作为采样电压输入端。当转换结束后，ADC把转换好的结果放

22、入数据寄存器，高字节和低字节分别为ADRH0和ADRL0，然后设置标志位或产生中断。在自动扫描模式下，用附加的3个ADC数据寄存器ADRL13来存放ATD13通道的A/D转换结果，通道ATD0的转换数据放在ADRL0中。引脚及功能ADC0809共有28个引脚，图3.7为其引脚图。图3.7 ADC0809引脚图IN0-IN7接8路模拟量输入，ADDA，ADDB，ADDC接地址线，用来选定8路输入中的一路，详见表3.1。表3.1 选通输入通道真值表ADDCADDBADDA选通输入通道ADDCADDBADDA选通输入通道000IN0100IN4001IN1101IN5010IN2110IN6011I

23、N3111IN7ALE是地址锁存允许端，、接基准电源，在精度要求不是很高的情况下，供电电源就用著作基准电源，START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿启动一次新的A/D转换，EOC是转换结束信号，可用于向单片机申请中断或供单片机查询，OE是输出允许端，CLK是时钟端，因芯片的时钟频率最高只可工作于640KHZ，故通常单片机的ALE引脚经分频后接向该引脚，DB0-DB7是数字量输出，LSB表示最低位，MSB表示最高位。取样与保持取样是将随时间连续变化的模拟量转换成时间离散的模拟量，取样信号的频率愈高，所取得的信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的取样频率由取样定理确定，即式。将取样电

24、路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。量化与编码数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换成为数字量，在A/D转换过程中，还必须将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程称为数值量化。量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。在量化过程中，由于取样电压不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在误差，称为量化误差，

25、用表示。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。.0和之间时，ADC转换结果和采样电压呈线性关系。且出于安全考虑，输入电压不能超出模拟供电电压。对ADSCR寄存器执行写操作后ADC开始转换。一次转换需要1617个ADC时钟周期。转换时间=总线周期数=转换时间总线频率。转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。ADC转换时间与转换电路的类型有关，由所选的时钟源和分频系数决定。时钟源可以是总线时钟，也可以是CGMXCLK，通过ADC时钟寄存器里的ADICLK位来选择。分频比由ADIV2：0位来确定。例如，如果频率为4MHz的CG

26、MXCLK作为ADC时钟，分频比为4，则设置总线时钟频率为2MHz。转换时间= ；总线周期数=（1617）us*2MHz=3234；为了满足ADC模块的特性，ADC时钟频率必须在500kHz2MHz之间，典型值为1MHz。由于一个ADC周期是由几个总线周期组成的，启动转换需要一个总线周期的时间写入ADSCR寄存器，在ADC启动以前需要额外的02个总线周期初始化ADC时钟，这就产生了非整数ADC周期，在此用17个周期来表示。四 远红外测温仪的软件设计单片机的选择自1971年微处理器研制成功后，不久就出现了单片的微型计算机(简称单片机)。特别是1976年Intel公司推出的MCS-48单片机，以其

27、体积小、功能全、价格低等特点赢得了广泛应用。MCS-48为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展过程中的一个重要阶段。在MCS-48的成功应用的激励下，许多半导体公司和计算机公司竞相研制和发展自己的单片机系列。1980年Intel公司最先推出的8位单片机MCS-51系列，包括8031、8051、8052及8751等，它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。MCS-51是在MCS-48的基础之上发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能较MCS-48有很大的增强。此外，它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此，它被广泛应用于工业过程控制，智能仪器、仪表，生产自动化领域，现在

28、我国乃至世界范围内不失为单片机应用中的主流机型。鉴于MCS-51系列单片机的高性能、低价格，以及在我国的广泛应用，我们决定选用该系列的单片机。但MCS-51系列单片机包含多种型号，通常以片内是否带ROM以及所带ROM的类型分为8*51类。而MCS-51系列单片机一般采用HMOS和CHMOS工艺制造，CHMOS工艺比较先进，不仅具有HMOS的高速性，同时还具有CMOS的低功耗。为区别起见，CHMOS工艺的单片机名称前冠以字母C，成为8*C51类。比较多种型号的MCS-51系列单片机，为满足高性/价比，以及开发方便、高效的要求，我们选用了89C51单片机，它采用CHMOS工艺制造，与MCS-51系

29、列的其它机型兼容，内带4K的EEPROM。4.1.2 AT89C51单片机简介（1）AT89C51的主要特性8位微处理器和控制器，中央处理器是整个单片机的核心部件，能同时处理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。内含一个布尔运算器，可直接对数据的位进行操作和运算，特别适用于逻辑控制。内含4KB可重擦写的可编程闪烁程序存贮器（EEPROM）。内含128*8位的数据存贮器（RAM）。4个8位(32根)双向且可独立寻址的I/O（输入输出）接口。2个16位的计数器/定时器。片内振荡器和时钟电路。全双工方式的串行接口(DART)。两级中

30、断优先权的6个中断源/5个中断矢量的中断逻辑。指令集有111条指令，其中64条为单周期指令，支持6种寻址方式。最高时钟振荡频率可达12MHz，大部分指令执行时间为1us，乘、除指令为4us。与MCS-51兼容，寿命为1000次写/擦循环，数据保留时间为10年。低功耗的闲置和掉电模式，可编程串行通道，三级程序存储器锁定。（2）引脚及功能AT89C51单片机为40脚双列直插式封装结构。其引脚排列顺序及引脚符号如图4.1所示： 图4.1 AT89C51管脚图各引脚功能如下：电源及接地GND:电源接地端。Vcc:供电电压即正常运行和编程校验时为+5V电源(士10%)。时钟及复位信号XTAL1:是片内振

31、荡器反相放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。当采用外部振荡器为时钟源时，此脚必须接地。XTAL2:是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。使用外部振荡器时，可由此脚引入外部时钟信号。RST:复位信号输入端，高电平有效。若此输入端保持2个机器周期（24个时钟振荡周期）以上的高电平，即可以将89C51完成复位操作。此外，RST引脚的第二功能是VPD，即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，单片机自动将+5v电源接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，以使复电后能继续正常运行。 :地址锁存允许/编程信号端。当89C51上电

32、正常工作后，ALE管脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的六分之一。CPU访问片外存储器时，此信号作为锁存地址总线的低8位地址的控制信号。因此ALE信号可以对外输出时钟或定时信号。ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL。PSEN()：程序存储允许输出信号端。在访问片外存储器时，此端定时输出脉冲作为读片外存储器的选通信号。此管脚接EPROM的OE端，PSEN端有效，即允许读出EPROM/ROM中的指令码。当CPU访问外部程序存储器时，要产生两次PSEN负脉冲信号，当CPU访问内部程序存储器时，PSEN不跳变。此端驱动8个LS型TTL。EA()/VPP:外部程序存储器地址通话输入端/固化

33、编程电压输入端。当EA端接高电平时，CPU只访问片内EPROM并执行内部程序存储器中的指令，但在PC的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序。当EA端接低电平时，则CPU只访问外部EPROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。此管脚的第二功能Vpp是对89c51片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压的输入端。I/O端口引脚：I/O端口P0P3（地址为80H，90H，A0H，B0H），且P0P3为四个8位特殊功能寄存器，特殊功能寄存器位地址表详见附录A所示。分别为四个并行I/O端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个端口锁存器还有位地址，所以每一条I

34、/O线独立地用做输入或输出时，数据可以锁存；作输入时，数据可以缓冲。P0.7: P0口是一个8位漏极开路的8位准双向I/O端口，每位可驱动8个LS型TTL负载，故有较强的带负载能力。在CPU访问片外存贮器时，P0口是分时提供8位地址和8位数据的复用总线。当P0口作为输入口使用时，应先向锁存器（地址80H）写入全1，此时P0口的全部管脚浮空，可作为高阻抗输入或者通过外接上拉电阻。作输入口使用时要先写1，这就是准双向的含义。在访问外接扩展存储器时，地址数据总线分时复用。即在指令的前半周期，PO口作为地址总线的低8位输出，在ALE信号的下降沿该地址被锁存，在指令的后半周期用做8位数据总线。P1.7:

35、 P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，其某一闰的电路结构如图4.2所示。每位可驱动4个LS型TTL负载。当P1口用做输入口使用时，应先向P1口锁存器（地址90H）写入全1，此时P1端口管脚会被内部上拉电阻拉至高电平。当P1口输出高电平时，能向外提供拉电流负载，所以不必再接上拉电阻。在端口用做输入时，也必须先向对应的锁存器写入“1”，使FET截止。由于片内负载电阻较大，约2040K，所以不会对输入的数据产生影响。上拉电阻是两个场效应管（FET）并在一起，一个FET为负载管，其电阻固定；另一个FET可工作在导通或截止两种状态，使其总电阻值变化近似为0或阻值很大两种情况。当阻值近似为0

36、时，可将管脚快速上拉至高电平；当阻值很大时，P1口为高阻输入状态。图4.2 P1口电路结构P2.7: P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P2口缓冲器能接收，输出4个TTL门电流，每位可驱动4个LS型的TTL负载，在访问外接存储器器时，用做高8位地址输出。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原故。P3.7: P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口，每位可驱动4个LS型TTL负载，其功能和驱动能力与P1口、P2口相同。此外，P3口与其它I/O端口有很大区别，它除作为一般准双向I/

37、O口外，还具有特殊的控制功能:P3.0(RXD):串行数据接收端（串行口输入）。P3.1(TXD):串行数据发送端（串行口输出）。P3.2(INT0):外部中断0，低有效。P3.3(INT1):外部中断1，低有效。P3.4(T0):计时器0外部时钟输入。P3.5(T1):计时器1外部时钟输入。P3.6(WR):片外数据存储器写选通控制输出。P3.7(RD):片外数据存储器读选通控制输入。对比P1口的结构图不难看出，P3口与P1口的差别在于多了与非门3和缓冲器4，正是这两个部分，使得P3口除了具有P1口的准双向I/O功能之外，还可以使用各管脚所具有的第二功能。与非门3的作用实际上是一个开关，决定

38、是输出锁存器上的数据还是第二输出功能的信号。当W=1时，输出Q端信号；当Q=1时，可输出W线信号。编程时，可不必事先由软件设置P3口为第一功能（通用I/O口）还是第二功能。当CPU对P3口进行SFR寻址（位或字位）访问时，由内部硬件自动将第二功能输出线置为1，这时P3口为通用I/O口；当CPU不把P3口作为SFR寻址访问时，即用做第二功能输出/输入线时，由内部硬件锁存器Q=1。图4.3 P3口的电路结构4.2 AT89C51的最小应用系统设计【3】由于AT89C51内部具有RAM和EEPROM，所以在芯片的外部接上时钟电路和上电复位电路就可以构成一个基本的应用系统了，如图4.4所示。本系统采用

39、自动复位方式，主频率为6MHz，一方面保证满足系统对时间的要求，同时也考虑了可靠性的要求，即适当降低速度以提高抗干扰能力。由于内部的程序空间有限，不适合编写较大、较复杂的程序，所以，这个系统适合于简单的控制系统的应用。单片机应用系统是指以单片机为核心，由硬件部分和软件部分组成，配以一定的外围电路和软件，能实现某几种功能的应用系统。硬件是系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其合理的调配和使用，从而完成应用系统所要完成的任务。单片机应用系统的设计分为硬件设计和软件设计两大部分，其设计包括下述几个步骤：总体设计；系统硬件设计（用PROTEL）；系统软件设计（用仿真机软件）；仿真调试硬件和软件（用仿真

40、机）；固化应用程序（用仿真机）；脱机运行（用户系统）。一个单片机应用系统的硬件设计电路包括两大部分内容：一是单片机系统的扩展部分设计，这包括存储器扩展和接口扩展。二是各功能模块的设计。如信号测量功能模块、信号控制功能模块等，根据系统功能要求配置相应的A/D、D/A、键盘、显示器、打印机等外围设备，设计合适的接口电路。图4.4 AT89C51最小应用系统图在进行应用系统的硬件设计时，首要问题是确定电路的总体方案，并需进行详细的技术论证。设计还需要考虑以下几点：尽可能选择典型电路。系统的扩充和外围装置，应充分满足应用系统的要求，并留有一些扩充槽，以便进行二次开发。硬件结构应结合应用软件一并考虑。整

41、个系统器件尽可能做到性能匹配。可靠性及抗干扰性设计是硬件设计极其重要的部分，包括器件选择、电路板布线、通道隔离等。单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，驱动能力不足时，系统工作不可靠。解决办法是增加驱动能力，降低总线负载。系统流程图如图4.5所示：图4.5 软件流程图参 考 文 献1 谢自美. 电子线路设计、实验、测试（第二版）. 武汉：华中科技大学出版社，2000.7：252-286.2 康华光. 电子技术基础模拟/数字部分（第四版）. 北京：高等教育出版社，1999，6（2003重印）：86-96.3 丁元杰. 单片机微机原理及应用. 北京：机械工业出版社，1999，8：89-93.4 黄贤武. 传感器的原理与应用. 成都：电子科技大学出版社，1999：56-57.5 田裕鹏. 红外检测与诊断技术.北京：化学工业出版社，2006，3：1-43.6 .北京：机械工业出版社，2002，1：3-60.7 红外器件与典型应用P.北京：电子工业出版社，2004.6:1-30.8 李东生等.protel DXP电路设计教程. 北京：电子工业出版社，2003.9:20-180.