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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除电涡流式金属板材测厚仪的设计院 系自动化学院专 业测控技术与仪器班 级4407101学 号200403071022姓 名钱晓伟指导教师刘利秋负责教师刘利秋沈阳航空工业学院2008年6月【精品文档】第 66 页摘 要本论文阐述的是电涡流式金属板材测厚仪的设计。本课题利用电涡流传感器、单片机系统设计出一种金属板材测厚仪，它能实现不同金属板材的厚度测量、厚度合格检验及其超标报警，通过键盘进行待测金属板材种类输入、厚度合格检验时的设定厚度和误差等级设置，并用LED显示，给出合格检验时超标与否的指示灯提示及蜂鸣超标报警提示。本系统由两部分组成：硬件系统和软
2、件系统。硬件系统利用电涡流传感器及其测量电路测量不同材质和厚度的金属板，得到不同电压，经放大后进行模数转换输入单片机。单片机通过软件编程对被测数据进行相关处理，结果送往LED显示器进行显示，并外接蜂鸣器和指示灯实现超标报警。软件系统用汇编语言进行编程，采用模块化设计思想。该系统通过联调后，实现了预期各种功能，符合设计要求。关键词：电涡流传感器；金属板材测厚仪；合格检验；单片机；LED显示AbstractThis paper introduces the design of metallic material thickness based on eddy current sensor. The
3、 task uses eddy current sensor, Single Chip Micyoco system to design metallic material thickness meter. The system can realize the functions of thickness measurement, pass examination and its overrun alarm. The input of the quality of metallic planking to be measured the preseting of object thicknes
4、s and error grade when pass examinating all can be done through key board. The relative information is displayed on LED readtine. When pass examinating,buzzer and light prompting of overrun or not are given. The system design contains two parts: hardware design and software design. The hardware syst
5、em uses eddy current sensor and its measuring circuit to measure different kind of metallic plankings to get different voltage value.After amplified, the voltage is tramcformed to digital signal and then is sent to SCM. Through softwere programming, the measured data is processed and the result is d
6、isplayed on LED in SCM system. The overrun alarm is realized by buzzer and light in dicator. Assemble language is used in the software system and modularization design idea is adopted. This system realizes all desired functions and coincides with demand after system debugging.Keywords: eddy current
7、sensor; planking thickness meter; pass examination; Single Chip Micyoco; LED display目 录第1章 绪论11.1 课题产生的背景11.2 本课题的主要任务及内容21.3 本课题的任务分析与实现31.4 本论文的主要内容安排3第2章 电涡流式金属板材测厚仪的基本原理52.1概述52.2电涡流传感器测厚原理52.2.1 电涡流传感器测量原理52.2.2 电涡流传感器测厚原理10第3章 金属板材测厚仪的硬件系统设计123.1 金属板材测厚仪的硬件设计方案123.2 传感器及其测量电路的设计133.3 放大电路的设计13
8、3.4 单片机系统电路的设计143.4.1 单片机的选择143.4.2 单片机外围电路的设计173.4.3 键盘电路的设计213.4.4 数据采集电路的设计223.4.5 显示电路的设计233.4.6 报警电路的设计25第4章 电涡流式金属板材测厚仪的软件系统设计274.1 测厚仪的软件设计方案274.2 键处理子程序的设计294.3 数据采集子程序的设计304.4 数据处理子程序的设计314.5 检验标准设定子程序的设计354.6 显示子程序的设计374.6 报警子程序的设计37第5章 系统调试与分析405.1 硬件调试405.2 软件调试415.3 软件与硬件系统调试425.4 测试结果分
9、析43结论46社会经济效益分析47参考文献48致 谢49附录 电涡流式金属板材测厚仪硬件系统原理图50附录 电涡流式金属板材测厚仪软件程序清单51附录 电涡流式金属板材测厚仪元器件清单74第1章 绪论1.1 课题产生的背景厚度是工业生产中最常见和最基本的工业参数之一，是与人类的生活、工作关系最密切的物理量，也是各学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测量的物理量。所以厚度的测量问题是一个经常遇到的问题。厚度测量方法有很多：简单的厚度测量可以用卷尺或直尺来完成，要求精度高的用游标卡尺来完成，一些金属的厚度还可以用传感器来测量，具体用什么方法测厚要根据所测物体的大小、形状、材质以及测量精度来定。在
10、进行金属的厚度测量时，经常遇到金属表面有非金属涂层或油污等杂质使接触测量不准确或无法进行，而且在工业现场的在线测量也使得接触式测量变得困难，这就使得非接触式测量的优点显现出来。电涡流传感器是20世纪70年代以来得到迅速发展的一种传感器，它利用电涡流效应进行工作。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，可用广泛用来检测金属材质的厚度。随着在线检验精度和效率要求的不断提高， 对测量金属板材设备提出了越来越高的要求。所以今天对测量金属板材设备的要求实际上是对高精度自动化测量设备的要求。 近年来，精密测量技术发展迅速，成果喜人。例如在线测量技术，已可进行加工状态的
11、实时测量与显示，及时检测加工是否出现异常状况，从而可大幅度提高生产效率。面对我国高速发展的电子测量仪器市场，电子测量仪器有关企业将加快技术进步和市场开发的步伐，努力做好国内外市场的开拓工作，真正把中国的电子测量仪器产业做强、做大，将更多、更好、更新的电子测量仪器产品提供给广大用户。 总之，测量技术必须实现高精度化，同时也要求实现高速化和高效率化，因此，非接触测量和高效率测量也必然成为新世纪精密测量技术的重要发展方向。随着大规模集成电路、计算机技术的迅速发展，以及人工智能在测试技术方面的广泛应用，传统电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化等方面都发生了巨大的变化，逐步形成了一种完全突破传统概念的
12、新一代测试仪器智能仪器。目前，不仅大多数传统电子仪器已有相应换代的智能化产品，而且还出现了一些全新的仪器类型和测试系统，仪器智能化已成为现代电子仪器发展的主流方向。单片机自20世纪70年代问世以来，作为微计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已对人类社会产生了巨大的影响。尤其是美国Intel公司生产的MCS51系列单片机，由于其有集成度高、处理功能强、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在我国已得到广泛的应用，在智能仪器仪表、工业检测控制、电子电力、电机一体化方面取得了令人瞩目的成果。由于单片机的飞速发展，从而产生了各式各样的以单片机为核心的测量仪器。1.2 本课题的主要任务及内容本
13、课题主要以单片机为中心，设计电涡流式传感器测量电路、单片机系统电路及相应的软件系统，实现多种金属板材厚度的测量、厚度合格检验及其超标报警。能由键盘进行待测金属板材种类输入、厚度合格检验时的设定厚度和误差等级设置，通过LED显示厚度测量值，给出合格检验时超标与否的指示灯提示及蜂鸣超标报警提示。设计测厚仪的硬件电路系统，包括模拟电路部分（传感器及其测量电路、信号调理电路等）和数字电路部分（单片机系统的硬件电路、键盘电路及LED显示电路等）。设计单片机软件系统实现测厚仪设定功能和完成系统联调本次设计的电涡流式金属板材测厚仪应符合以下技术指标：1 键盘设定厚度“测量”或厚度合格“检验”的功能选择；键盘
14、进行待测金属板材种类输入、厚度合格检验时的设定厚度和误差等级设置。2 实现多种（系统联调时至少演示两种）金属板材的厚度测量。厚度测量范围：010.0mm，测量精度可达0.1mm。厚度测量值采用LED显示：XX.Xmm。3 实现厚度的合格检验功能，给出厚度合格检验合格指示或不合格指示（超厚指示或超薄指示）及其蜂鸣报警提示。基于此任务，本课题中利用电涡流传感器进行不同金属板材的厚度测量，其内容主要分为软件和硬件两部分。在遵循软硬件相结合的原则下，先熟悉软件环境，然后进行硬件电路设计，再根据设计的硬件进行软件编程，进行模块化设计，并对各模块进行调试，再焊接电路板，最后软硬件进行联合调试和故障的排除。
15、1.3 本课题的任务分析与实现针对本课题基于单片机的电涡流式金属板材测厚仪器的设计任务，进行分析得到：电涡流传感器测量不同厚度不同材质金属板时输出电压各不相同，但是在传感器与实验台距离不变的情况下对同一种金属进行测量时，电涡流传感器测量电路的输出电压与金属板材的厚度是一一对应的关系，即通过对电涡流传感器测量电路输出电压的测量就可以知道金属板材的厚度。因此本课题利用电涡流传感器输出的电压信号作为测量依据。它经过放大电路和模数转换电路输入到单片机中，单片机再通过软件编程对数据进行处理，并送往LED进行显示，并外接按键、接蜂鸣器和指示灯进行功能选择、待测金属板材种类输入、厚度合格检验时设定厚度和误差
16、等级设置及其超限报警多项任务的完成，即可圆满完成设计的要求。要求达到的各项指标及实现方法如下：(1) 利用电涡流式传感器进行金属板材的厚度测量。(2) 将传感器测量系统输出电压放大以便于对其进行模数转换。 (3) 将模拟电压信号转换成数字信号。 (4) 利用软件编程设计按键实现仪器功能、材质选择和检验厚度设定等功能(5) 利用软件编程实现蜂鸣器和发光二极管合格指示和超低限报警。 (6) LED显示测量或检验结果。 1.4 本论文的主要内容安排本文主要介绍了电涡流式金属板材测厚仪的设计思想、电路原理、方案论证以及元器件的选择等内容,整体上分为硬件部分设计和软件部分设计。本次设计的内容安排可以分为
17、三部分：第一部分是硬件设计，包括方案的设计、元器件的选择等。具体的硬件电路包括涡流变换器电路、差放电路、模数转换电路、89C52单片机的外围电路以及LED显示电路的设计。在实验板上每一个硬件电路焊接完成后，每一部分单独调试，在各个部分调试成功后，联调整个硬件电路，最后做出分析，得出结论。第二部分是软件设计，软件采用汇编语言编写，软件设计的思想主要是自顶向下，模块化设计，各个子模块逐一设计，分别再进行调试，最后再联调整个程序，判断是否达到预期的要求，做出结论。第三部分在软硬件模块调试都成功的前提下，进行硬、软件联调和故障诊断，这是整个设计的关键，也是设计的难点所在。论文具体内容安排如下：第1章是
18、绪论，扼要介绍了该课题的产生背景、主要任务及内容、任务的分析与实现、论文的主要内容安排；第2章主要介绍的是电涡流式金属板材测厚仪的基本原理的概述、电涡流传感器测量原理及电涡流传感器测厚原理；第3章具体介绍了电涡流式金属板材测厚仪的硬件系统设计，包括传感器测量电路的设计、放大电路的设计、单片机的选择、数据采集电路的设计、显示电路的设计、键盘电路的设计和报警电路的设计；第4章阐述了该金属测厚仪的软件设计，包括数据采集子程序的设计、数据处理子程序的设计、键处理子程序的设计、显示子程序的设计和报警子程序的设计； 第5章为系统调试与结果分析，说明了硬件调试、软件调试和整机联调的过程并介绍了调试过程中出现
19、的问题和解决办法。第2章 电涡流式金属板材测厚仪的基本原理2.1概述厚度测量方法有很多，但可以分为两大类：接触式测量和非接触式测量。一些表面干净、光滑的物体如镜片，木盒等物体可以用直尺或卡尺等测量工具进行接触式测量。而一些金属板材如铁片、铜片等，他们的表面经常会有油污或附有一层油漆或杂质，使得接触式测量不准确也不方便，而金属板材都具有电涡流效应且涡流效应的产生是不需要接触的，我们可以由此设计电涡流传感器来测量金属厚度。选择电涡流传感器来测厚不仅仅是因为它可以不接触测量金属厚度，还因为电涡流传感器的结构很简单，只要一个涡流线圈就可以进行测量，技术上很容易实现。而且通过改变涡流线圈的直径和传感器的
20、激励频率就可以在很大程度上改变传感器的灵敏程度和测量时的线性区间，实用性很强。同时电涡流传感器还不受油污等介质的影响，对于一些表面不清洁的板材也可测量。所以用电涡流传感器可以很容易实现金属板材厚度测量的要求。2.2电涡流传感器测厚原理在工程科学与技术领域里，传感器是一种能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。其中电涡流式传感器是一种利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感变化来检测非电量的机电转换装置。它可用来广泛检测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数。由于它结构简单、工作可靠、寿命长，并具有良好的性能与宽广的适用范围，适合在较恶劣的工作环境中工作，因而在计量技术
21、、工业生产和科学研究领域得到了广泛应用。2.2.1 电涡流传感器测量原理如图2.1所示，有一通以交变电流的线圈。由于电流的存在，线圈周围就产生一个交变磁场。若有金属置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流，也将产生一个新磁场，与方向相反，力图削弱原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电路的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中一个参数改变，余者皆不变，就能构成测量该参数的传感器。图2.1 电涡流传感器的基本原理电涡流传感器是建立在电磁场理论的基础上工作的。根据电磁场的理论，导体的电导率、磁导率、导体厚度，
22、以及线圈与导体之间的距离、线圈的激励频率等参数，都将通过电涡流效应与磁效应与线圈参数（线圈阻抗，电感L和品质因数）发生联系。或者说，线圈参数是导体参数的函数。固定其中若干参数不变，就能按涡流大小测量另外一个参数，电涡流传感器就是按此原理构成的。电涡流传感器对金属导体进行测量时，在被测导体中形成的电涡流可等效为一短路环电流，从而线圈与被测金属体可等效为相互耦合的两个线圈，等效电路如图2.2所示：图2.2 等效电路为线圈电阻；为线圈电感；为短路环电阻；为短路环电感；为激励电压；为线圈与短路环间的互感，值会随着它们间距离的减小，也就是被测导体厚度的增加而增大。在等效电路中，由基尔霍夫定律得：（2.1
23、）解上面方程组有：（2.2）（2.3）电涡流传感器探头内线圈在受到被测金属体影响后的等效阻抗为：（2.4）线圈的等效电感为（2.5）由式（2.5）可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数下降。阻抗由变为，常称其变化部分为“反射阻抗”。由式（2.5）可得（2.6）式中 无涡流影响时线圈的Q值； 短路环的阻抗。值的下降是由于涡流损耗所引起，并与金属材料的导电性和距离直接有关。当金属导体是磁性材料时，影响值的还有磁滞损耗与磁性材料对等效电感的作用。在这种情况下，线圈与磁性材料所构成磁路的等效磁导率的变化将影响。当距离减小时，由于增大而使式（2.5）中之变大。由式
24、（2.4）（2.6）可知，线圈金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。而互感系数又是距离的非线性函数，因此当构成电涡流式传感器时，都是非线性函数。但在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围内通过测量、或的变化就可以线性地获得位移的变化。例如由式（2.5）可见，涡流传感器探头内线圈在受到被测导体影响后，等效电感减小，线圈阻抗发生了变化. 探头线圈受到了涡流的阻抗反射作用后，由电磁场理论中的诺埃曼公式有： （2.7）其中=，是空气介质磁导率；和分别为和的长度元；按线圈匝数串联计算；按单匝线圈计算并决定于金属导体几何尺寸；为测量线圈至被测金属导体表面
25、的距离。若测量初始距离为，那么距离与被测金属厚度值有： 的关系，因此有：（2.8）式（2.8）代入式（2.5）知：受到涡流阻抗反射作用后的线圈电感，是被测金属导体厚度 的映射函数。在利用电涡流传感器测量位移时如图2.3，激励线圈与被测金属体之间的距离的变化引起互感发生变化，其等效电感变化。当线圈与金属体之间的距离比较远时，电涡流对线圈电感的影响可以忽略不计，线圈中电感最大，谐振频率最低，输出最大。随着距离的减小，涡流逐渐增强，线圈的电感减小，从而使谐振频率增高，于是输出幅值下降。距离x电涡流传感器金属板材工作平台图2.3 电涡流测位移的原理由于电涡流传感器是利用线圈与被测金属之间的电耦合进行工
26、作的，因而被测金属作为“实际传感器”的一部分，其材料性质、尺寸与形状都与传感器特性密切相关。被测金属的电导率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。一般来说，被测金属的电导率越高，灵敏度也越高。磁导率则相反。被测金属的大小与形状与灵敏度也密切相关，从分析知，若被测金属为平面，在涡流环的直径为线圈直径的1.8倍处，电涡流密度已衰减为最大值的5%。为充分利用电涡流效应，被测金属的厚度不应小于线圈直径的1.8倍。当被测金属的直径为线圈直径的一半时，灵敏度将减小一半；更小时，灵敏度下降更严重。2.2.2 电涡流传感器测厚原理电涡流测厚仪有两种方式：高频反射式和低频透射式，下面介绍这两种方式测量金属板材厚度的基
27、本原理及其应用特点：低频透射式电涡流传感器如图2.4所示。需要选取低频激励，但此时的响应曲线随厚度的减小而非线性变大。低频透射式电涡流传感器由初级线圈（发射线圈）和次级线圈（接收线圈），它们分别位于被测金属的两侧。当选取的激励频率一定时，不同材料的不同，贯穿深度也不同，由此将造成输出电压曲线形状的变化。为了保证使同一传感器测量不同材料的线性度和灵敏度一致，可采用改变激励频率的方法来达到。例如测量紫铜时采用500；测量黄铜和铝材时采用2，这样传感器的线性度和灵敏度基本上仍能保持在标定状态下工作。此外，当测量厚度大的金属镀层或板材时，需要贯穿深度大，选用低频激励，其线性就好。为克服金属板移动过程中
28、上下波动及板材不够平整的影响，常在板材上下两侧对称放置两个特性相同的传感器和。由图2.4可知，板厚。工作时，两个传感器分别测得和。由于此种方式的贯穿厚度与激励频率有关，而激励又不能太低，故低频透射式电涡流传感器适用测量厚度不大的金属涂图，在较厚的金属板材厚度测量中不太适用。Dx1x2金属板材图2.4 低频透射式电涡流传感器测量金属厚度原理图而高频反射式电涡流传感器测厚度的原理图如下2.5所示。这时金属板材中涡流环的损耗与金属板材的厚度成正比。由于金属板材中的涡流是由发射线圈产生的电磁场所激励，所以是根据能量守恒定律，涡流损耗功率的变化，必然影响到发射线圈所建立起来的磁感应强度，这时，金属板材接
29、收线圈感应到由发射线圈所建设起来的、并受金属板材厚度变化所影响的这个感应强度，在接收线圈中就感应出与变化相对应的感生电动势，从而实现了对金属板材厚度的测量。传感器和基准面的距离是固定的，将被测物体放在基准面上以后，可测量出涡流传感器与被测物体间的距离，于是可以求出被测物体的厚度 。d电涡流传感器金属板材工作平台xh 图2.5 高频反射涡流传感器测量厚度原理图此类传感器适宜金属板材的厚度测量，且特性曲线接近线性，可根据测量时的精度要求对其进行分段线性化，分段越多测量精确度越高。第3章 金属板材测厚仪的硬件系统设计微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的
30、影响。而且随着微处理器在体积小、功能强、价格低等方面的进一步发展，电子测量与仪器和计算机技术结合愈加紧密，形成了一种全新的微型计算机化仪器。本次毕设设计的就是一个简单的智能仪器。3.1 金属板材测厚仪的硬件设计方案在仪器设计时，一方面要考虑控制任务较多，接口复杂，另一方面也要考虑成本问题。综合这两方面的因素，选用了MCS-51系列中的89C52单片机作为核心元件。该硬件部分主要是信号测量电路和单片机系统电路两部分组成。电涡流传感器测量电路的输出信号通过A/D转换电路输入到单片机中，同时单片机外接按键电路控制单片机的程序运行以及参数设定，使得仪器按要求工作。最后的结果用外接的LED显示再配合蜂鸣
31、器和发光二极管达到报警功能，使得仪器更加人性化。在设计测厚仪时，利用电涡流传感器测量电路输出电压作为初始信号。为了能将电压信号转换成数字信号进行处理显示，需要接A/D转换器ADC0809，而ADC0809的工作电压为05V，大于传感器输出电压，所以还需要接差放电路。完成数字信号的转换后对信号进行处理就可以用单片机配合软件编程来完成。本系统的硬件系统框图如图3.1所示。电涡流传感器放大电路A/D转换AT89C52 LED显示键盘输入报警电路被测对象复位电路图3.1 单片机硬件方案系统框图3.2 传感器及其测量电路的设计电涡流传感器是建立在电磁场理论基础上，传感器探头内的线圈产生的时变磁场通过被测
32、成块的金属导体后，金属导体中就会产生涡流，根据涡流的大小可以判断金属的厚度。涡流传感器可以实现无接触测量金属板厚度、非金属板金属镀层厚度、导体表面非导体镀层厚度，及金属体内部的无损探伤。反射式涡流传感器对金属厚度测量的过程，也就是传感器探头中的线圈与金属体间的非电量位移参数，对线圈的电量参数的一个反射过程。 通过对线圈变化电参量的监测，可以完成对反射金属体的厚度测量。被测金属导体变化的厚度信号，通过涡流传感器转换为变化的电感信号，还需进一步转换为便于测量的电信号。本次设计使用了谐振电路。如图3.2所示，通过电涡流传感器测量电路后电感变化转换成电压输出。N放大电路图3.2 测量电路的设计3.3
33、放大电路的设计在很多实际测量现场中所测量的各物理信号经传感器输出后一般情况都比较弱或是与经处理后显示的范围不相符，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，习惯上将具有这种特点的放大器称为放大器或仪表放大器。本课题中的被测物理量经电涡流传感器及其测量电路输出的电压信号比较微弱。而ADC0809的正常工作电压是05V，所以必须在ADC0809前加入一个前置放大电路实现电压的放大，如图3.3；放大倍数为1020倍，使输出电压为05V，以便于A/D转换器的转换。图3.3 放大电路原理图3.4 单片机系统电路的设计3
34、.4.1 单片机的选择单片机自从问世以来，它一直是工业检测、控制应用的主角。市场上常用的单片机有Intel公司的MCS-51系列，日本松下公司的MN6800系列等。其中，MCS-51由于单片机应用系统具有体积小，可靠性高，功能强，价格低等特点，很容易形成产品而更受青睐。8031单片机片内不带程序存储器ROM，使用时需外接程序存储器和一片逻辑电路74LS373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没什么保密性可言。8051单片机片内有4K ROM，无须外接存储
35、器和74LS373，更能体现“单片”的简练。但是编的程序无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代为烧写，并是一次性的，今后都不能改写其内容。8751单片机与8051单片机基本一样，但8751单片机片内有4K的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线照射一定时间擦除后再烧写。89C51单片机为EPROM型，在实际电路中可以直接互换8051单片机或8751单片机，不但和8051单片机指令，管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的。89C52是由北京集成电路中心（BIDC）设计，由美国的Atmel公司生产八位
36、单片机。它是一种低功耗高性能的具有8K字节可电气烧录及可擦除的程序ROM的八位CMOS单片机。该器件是用高密度、非易丢失存储技术制造并且与国际工业标准80C51单片机指令系统和引脚完全兼容。综上所述，从使用方便与简化电路以及其性价比等角度来考虑，89C52比较合适的。本系统采用CPU为89C52的单片机，89C52本身带有8K的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单、方便等优点，而且完全兼容MCS-51系列单片机的所有功能。89C52管脚图如图3.4所示。下面介绍89C52的主要管脚功能如下：图3.
37、4 89C52管脚图VCC（40）：电源+5V；VSS（20）：接地；P0口（32-39）：双向I/O口，既可作低8位地址和8位数据总线使用，也可作普通I/O口；P3口（10-17）：多用途端口，既可作普通I/O口，也可按每位定义的第二功能操作；P2口（21-28）：既可作高8位地址总线，也可作普通I/O口；P1口（1-8）： 准双向通用I/O口；RST（9）：复位信号输入端；/：地址锁存信号输出端；：内外程序存储器选择线；XTAL1（19）和XTAL2（18）：外接石英晶体振荡器。这些引脚按要求接好后单片机就可以通过CPU工作了。单片机的CPU可包括运算部件，控制器，程序状态字，B寄存器，累
38、加器Acc（或A），位处理器等。运算部件由算术逻辑单元、累加器、暂存寄存器、标志寄存器、十进制调整单元组成。它的功能是进行算术和逻辑运算。它不但对8位变量进行逻辑：“与”、“或”、“异或”、循环、取补、清零等基本操作，还可以进行算术的加、减、乘、除操作。功能很强的位操作是一般微型计算机标准ALU所不具备的，它可以对位变量进行置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”，“或”等操作。对半字节（4位）和双字节（16位）类型数据也可进行操作。Acc为累加寄存器。但是，对累加器操作指令中累加器的助记简写为A。MCS-51指令系统中大部分单操作指令的操作数取自累加器A，双操作数指令的一个操作数取自累加器A。
39、B寄存器用于除法和乘法操作。除法指令中，被除数取自A，除数取自B，商数存放在A中而余数存放在B中。乘法指令的两个操作数分别取A和B，其积则存放在AB寄存器对中。对于其它指令，B寄存器作为暂存器使用。程序存贮器用于存放编好的程序表格和常数。程序状态字寄存器PSW是一个8位的寄存器，它包含了程序状态信息。PSW用于指示指令寄存状态供程序查询和判别之用。其中被定义的有七位，定义格式如下：CyAcF0RS1RS0OVF1PPSW寄存器具有字节地址和位地址，即每一个标志位都有一个地址，可方便地对其中某一位进行操作。我们知道，MCS-51单片机采用的是程序存储区与数据存储区分别寻址的方式，各自的空间分别为
40、64K，对程序存储区与数据存储区（通用I/O口及专用扩展芯片可视为对数据存储区的操作）的扩展依据的是单片机访问外部程序存储器操作时序和访问外部数据存储器操作时序，也就是说，对于这两类存储区的扩展，单片机给出的控制信号是不同的。扩展程序存储区的控制信号为与ALE，由于AT89C52自带的8K内存储器足够完成仪器的程序设计，所以芯片的内/外程序存储器选择控制端引脚应接高电平（此时单片机访问片内程序存储器）且引脚可以不使用，但是ALE引脚为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号可经分频后作为A/D转换器ADC0809的时钟信号。由于单片机的P0口是作为低8位地址A0A
41、7与8位数据D0D7分数共用的，而外部的扩展器件均是地址线与数据线各自独立的，故要根据单片机提供的外部程序存储器操作时序与外部数据存储器操作时序对数据地址信号进行分离。3.4.2 单片机外围电路的设计由单片机硬件设计原理可知：（1）尽可能采用功能强的芯片，以简化电路；（2）留有余地，在设计硬件电路时，要考虑到将来修改、扩展的方便。因此在89C52芯片本身的最小系统需求外，还选择了74LS138进行了简单的扩展。1. 时钟电路89C52的时钟可以两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路；另一种方式为外部方式。本系统采用内部时钟电路。下面介绍内部时钟方式。内部有一个用于构成震荡器的高增
42、益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。图3.5是89C52片内振荡器电路。89C52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件，图3.6是内部时钟方式的电路。外接晶体（在频率稳定性不高，而尽可能要求廉价时，可选用陶瓷谐振器）以及电容CX1和CX2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在1.2MHz12MHz之间任选，电容CX1和CX2的典型值在20pF100pF之间选
43、择，但在60pF70pF时振荡器有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF左右。外接陶瓷谐振器时，CX1和CX2的典型值约为47pF。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。本设计晶阵采用11.0592MHz。图3.5 89C52片内振荡器电路图 图3.6内部时钟方式的电路图2. 复位电路89C52的复位输入引脚RET（即RESET）为89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。在8
44、9C52的时钟电路工作后，只要在RET引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。只要RET保持高电平，则89C52循环复位。只有当RET由高电平变成低电平以后，89C52才从0000H地址开始执行程序。本系统的复位电路是采用按键复位的电路，如图3.7所示，是常用复位电路之一。当89C52的ALE及PSEN两引脚输出高电平，RET引脚高电平到时，单片机复位。通过按键复位称手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。本次设计采用的是按键电平复位电路。上电时，RST端经电阻与电源接通，若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮即可。当按键按下时，复位电路工作在按键复位方式，RS
45、T端电压为： （3.1）由于手动按键复位的按键时间，其电平一般都能使脉冲宽度维持10ms以上，所以对单片机的RST端能持续提供高电平以确保单片机可靠的复位。本课题中为单片机提供的复位高电平约为+4.2V，经设计R1=200，R2=1K，C=22F。89C51RSTGNDCR1R2VCC图 3.7 按键电平复位电路3. 3-8译码器74LS138 译码器是种能将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号的逻辑芯片，3-8译码器即74LS138中：A、B、C为选择端即信号输入端；E1、E2、E3为使能端，其中E1、E2低电平有效，E3高电平有效。通过对这6位控制端的信号控制，我们就可以得到与
46、之相对应的8个高低电平信号（Y0Y7：译码器输出信号，始终只有一个为低电平）。图3.8为译码器74LS138的引脚图。图 3.8 74LS138引脚图在本次设计中，由于要控制一个4位数码管显示，所以可以其通过1个74LS138来控制这个4位数码管显示，这样就能够达到节省I/O资源，为将来扩展带来方便的效用。在实际系统中，要设计成74LS138的联接必须做好E1、E2、E3的选择，当E3=1、E1+E2=0时，译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平。下表3.1就是1个74LS138的具体控制码：表3.1 74LS138的控制码 控制输入方式 E3E1+E2A B C0 1 100 0 0100 0 1100 1 0100