基于單片機的紅外溫度發(fā)燒檢測門系統(tǒng)設計

1、江 西 理 工 大 學本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）題 目：基于單片機的紅外溫度發(fā)燒檢測門系統(tǒng)設計學 院：信息工程學院專 業(yè)：電子信息工程班 級：電信062班學 生：XXX學 號：XXX指導教師： XX 職稱：副教授摘 要人在健康狀態(tài)時，體溫一般是比較恒定的，但是當人體內(nèi)的某些機能發(fā)生改變或某些部位發(fā)生病變時，恒定的體溫將產(chǎn)生變化，如甲型流感的首要癥狀就是發(fā)燒。在“甲流”時期，為了控制“甲流”的傳播，需要對公共場合中的人群進行體溫監(jiān)測，以排查那些體溫異常的人群。由于“甲流”的傳染性很強，因此在測量體溫時采用了非接觸測量方法，即利用人體自身發(fā)出的紅外能量進行體溫測量的方法。不同于以往的體溫測量，

2、“甲流”時期在體溫測量方面考慮的主要問題是在測量準確的基礎(chǔ)上，進行非接觸測量并且提高測量效率。本論文主要針對這種要求對非接觸快速測量體表溫度的方法作了研究，這些研究工作可以為快速體表溫度篩選儀的研制提供參考性意見。論文的主要研究內(nèi)容為:根據(jù)輻射測溫原理,采用Melexis公司的MLX90614非接觸測量的紅外溫度傳感器，通過SMBus協(xié)議與AT89S51單片機通訊，并通過單片機系統(tǒng)驅(qū)動液晶顯示模塊顯示，設計制作溫度測量系統(tǒng)實現(xiàn)非接觸的溫度測量。關(guān)鍵詞：紅外溫度測量；非接觸溫度測量；SMBus；MLX90614ABSTRACTHuman has a steady body temperature

3、 when it is in the healthy stateBut when some disease happens or something is wrong with the body,there will be some changes in the body temperature，for example，high fever is the first symptom of H1NI，In order to control the spreading of H1N1 after it broke out，it was important to measure body tempe

4、rature of everyone in the publicIn this way,people with an abnormal body temperature will be separated from the othersBecause of the strong infection of H1N1，some noncontact measurement must be taken，that is the infrared temperature measurement base on the infrared radiation from human bodyComparing

5、 with other methods of the body temperature measuring，in addition to the accuracy of the measurement the main problem to be solved is to improve the efficiency of the measurement in the time of H1N1，In this dissertation some researches on the methods of rapid skin temperature measurement will be per

6、formedThese researches will be useful to develop the instruments of rapid skin temperature measurementThe main contents ofthis dissertation include：According to the radiation temperature measuring principle, using infrared non-contact measurement of the temperature sensor MLX90614designed by the com

7、panyof Melexis. through the agreement of SMBus communicate with AT89S51, and the single-chip microcomputer systemdrive LCD module, design temperature measurement system and achive the non-contact temperature measurement. KEY WORD: Infrared temperature measurement; Non-contact temperature measurement

8、;SMBUS;MLX90614目 錄第一章 引言11.1紅外測溫的背景和意義11.2紅外測溫的歷史與現(xiàn)狀21.3論文結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容2第二章 單片機系統(tǒng)概述42.1單片機概述42.2 8051單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)52.3單片機存儲器結(jié)構(gòu)112.4單片機的中斷系統(tǒng)142.5單片機定時器/計數(shù)器182.6單片機串行口22第三章 紅外測溫技術(shù)及紅外溫度傳感器263.1紅外測溫基本原理263.1.1熱輻射與準熱輻射263.1.2基爾霍夫(Kirchhoff) 283.1.3檢定時的數(shù)據(jù)處理293.2紅外測溫傳感器簡介303. 2.1紅外傳感器的用途及分類313.2.2紅外溫度計MLX90614及其測溫原理33

9、第四章 紅外發(fā)燒檢測門系統(tǒng)設計414.1紅外測溫系統(tǒng)設計方案414.1.1測溫的技術(shù)指標414.1.2設計要點414.2硬件系統(tǒng)設計424.2.1溫度采集電路42 4.2.2LCD顯示電路434.3軟件設計50第五章 總結(jié)56致 謝57參考文獻58附 錄59第一章 引言1.1紅外測溫的背景和意義雖然在日常生活中，人們使用最廣的水銀體溫計是根據(jù)水銀等隨溫度升降的熱脹冷縮的性質(zhì)，通過讀取刻度值來判斷溫度值，它有著諸多缺點：傳統(tǒng)溫度計在使用時，要和被測量者接觸，往往要等待較長時間，以期讓其充分受熱，當測量結(jié)束后還要將水銀重新甩入水銀泡中。由于水銀泡是由很薄的玻璃制成極易破碎，而且其中的水銀蒸汽對人體

10、有著極強的毒害作用，報紙上就曾多次刊登小孩因咬碎水銀泡而誤吞水銀造成中毒的事件，可見普通的水銀體溫計有著非常嚴重的安全隱患。目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的體溫測量是用醫(yī)用玻璃液體溫度計（俗稱體溫表）、醫(yī)用電子接觸式溫度計（常用熱敏電阻作為它的感溫元件）等插入人體內(nèi)部（舌下、肛門）或置于腋下，通過與人體接觸使溫度計測出人的體溫。但這些體溫計的缺點是測量的速度慢（約2分鐘以上）。玻璃水銀溫度計還易碎，在使用時容易因消毒不徹底而引起交叉感染。紅外快速檢測人體溫度裝置，有效地避免國內(nèi)傳統(tǒng)的體溫測量的缺點，能夠在機場、海關(guān)、車站、賓館、商場、影院、寫字樓、學校等人流量較大的公共場所，快速，準確，沒有交叉感染地測出人體

11、溫度。紅外測溫作為一門新技術(shù)和新方法,它的出現(xiàn)是紅外技術(shù)的發(fā)展結(jié)果。紅外技術(shù)是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、探測并付諸應用的一門科學技術(shù)。近20年來,紅外測溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測、設備在線故障診斷、安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了正在發(fā)揮著重要作用,逐漸被廣泛應用于電力、食品加工、冶金、石化、醫(yī)療、科研等多種行業(yè)中。在紅外測溫中,智能紅外輻射測溫儀是應用紅外技術(shù)和微電子技術(shù)研制出的一種新型溫度測量儀器。它根據(jù)被測物體的紅外輻射能量確定其溫度,為非接觸測溫方式。非接觸式溫度傳感器無需與被測介質(zhì)接觸，而是通過被測介質(zhì)的熱輻射或?qū)α鱾鞯綔囟葌鞲衅?，以達到測溫的目的。這種測溫方法的主要特點是可以

12、測量運動狀態(tài)物質(zhì)的溫度（如慢速行使的火車的軸承溫度，旋轉(zhuǎn)著的水泥窯的溫度）及熱容量小的物體（如集成電路中的溫度分布）。具有溫度分辨率高、響應速度快、不擾動被測目標溫度分布場、測量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點；同時也有測量值受被測物體發(fā)射率、反射熱源、氣氛干擾影響的弱點。紅外測溫傳感器是這一類傳感器的主要部分。特別是溫度傳感器遠離被測對象,在低溫區(qū)(0 500) 熱輻射信號非常微弱,因此這種測溫技術(shù)難度較大。1.2紅外測溫的歷史與現(xiàn)狀紅外測溫為測量人體溫度提供了快速、非接觸測量手段，可廣泛、有效地用于密集人群的體溫測量。非接觸紅外測溫計針對特定人群，比如兒童或老人，極其方便。且利用單片機技術(shù)開發(fā)的語音

13、功能便可克服傳統(tǒng)體溫計的許多缺陷。它不但可以以數(shù)字的方式顯示出測量結(jié)果，使測量過程變得直觀，而且可以根據(jù)需要以語音播報出當前的溫度值，除此之外，語音體溫計還具有較高的靈敏度，可以在幾秒鐘內(nèi)測得結(jié)果，且壽命長，是較為理想的測溫儀器。智能紅外測溫計的設計，其內(nèi)容涉及電子技術(shù)、檢測技術(shù)、單片機技術(shù)等多方面內(nèi)容。紅外測溫為測量人體體溫提供了快速、非接觸測量手段，可廣泛、有效地用于密集人群的體溫排查。在國外，非接觸式紅外測溫儀已經(jīng)非常先進了，自1999年就有許多國家致力于這方面的開發(fā)研究，到現(xiàn)在為止很多國家的產(chǎn)品已經(jīng)達到國際先進水平，并已廣泛應用于各個領(lǐng)域。比如：美國早在2001年就頒布了有關(guān)紅外測溫儀

14、的計量標準，美國雷泰公司生產(chǎn)的ST系列紅外測溫儀已達到世界領(lǐng)先水平。由于紅外測溫儀測量溫度范圍寬，除了用于人體溫度檢測外，還可用于電器的紅外測溫、供暖的紅外測溫、運輸/汽車維修時的紅外測溫等各個領(lǐng)域。因此，它具有廣泛的開發(fā)前景!在我國，2003年“非典”期間，2009年“豬流感”期間，紅外測溫得到了廣泛的應用。中科院上海技術(shù)物理研究所在863計劃高技術(shù)成果的基礎(chǔ)上對紅外技術(shù)應用于非接觸式測溫進行了深入研究，在短時間內(nèi)開發(fā)成功了“非接觸式紅外測溫儀”，打開了國內(nèi)“非接觸式測量”的新篇章，但由于這種裝置受一定因素影響，測量結(jié)果還有待進一步進行校正，紅外測溫技術(shù)也是一門很實用和前沿的技術(shù)。以此作為畢

15、業(yè)設計，利于理論聯(lián)系實際，形成個人在這一方面的知識體系，是對本科階段學習內(nèi)容的升華，特別是對單片機控制、傳感器技術(shù)知識深入，它對我們學生自身的綜合素質(zhì)與工程能力的培養(yǎng)也有重要意義。1.3論文結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容本文介紹運用MCS-51 單片機開發(fā)設計紅外低溫測溫儀中“單片機檢測系統(tǒng)”的全過程，通過控制典型溫度傳感器的輸出來讀出溫度。本文的寫作結(jié)構(gòu)安排如下：第一章引言，介紹紅外測溫的研究背景以及本文的研究意義。第二章單片機系統(tǒng)概述，首先介紹了單片機的發(fā)展及其應用，其次介紹了單片機的典型系統(tǒng)。第三章紅外測溫原理及典型芯片概述，主要介紹了紅外測溫的原理及特點，以及典型紅外溫度傳感器芯片的基本知識。第四章發(fā)

16、燒門系統(tǒng)設計，首先介紹了紅外測溫模塊的設計，在顯示模塊中介紹了典型的工業(yè)LCD1602在本模塊中的應用，最后在硬件設計的基礎(chǔ)上給出了軟件設計。第五章總結(jié)，總結(jié)了本文的設計工作與設計中有待解決的問題。第二章 單片機系統(tǒng)概述2.1單片機概述單片機誕生于20世紀70年代。最初的單片機是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理單元(Center Processing Unit，也即常稱的CPU)和數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)及其他I/O通信口集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個最小的計算機系統(tǒng)?，F(xiàn)代的單片機則增加了更多的片內(nèi)外設(比如定時器、計數(shù)器、串行口、中斷、并行I/O口，甚至包括A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)

17、制器PWM等)，使得單片機的功能越來越強大，應用領(lǐng)域越來越廣泛。因為這樣一塊芯片就具有一臺計算機的功能，因而被稱為單片微型計算機，簡稱單片機。由于單片機的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)都是按照工業(yè)控制要求來設計的，常用在工業(yè)的檢測、控制裝置中，因而也稱為微控制器(Micro-Controller)。單片機按照其用途可以分為通用型和專用型兩大類。通常所說的單片機是指通用型單片機。通用型單片機是把可開發(fā)資源(如ROM、RAM、I/O口)全部提供給使用者。專用型單片機的硬件結(jié)構(gòu)和指令是按照某個特定用途而設計的，如：頻率合成調(diào)諧器(DDS)、USB控制器、錄音機機芯控制器、打印機控制器等。MCS-51系列中最早的

18、典型代表為8051、8751、8031，其指令系統(tǒng)完全兼容，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應用特性方面稍有差異，主要功能特點如下。l 8位CPU。l 片內(nèi)128字節(jié)RAM(MCS-52子系列有256字節(jié)RAM)。l 片內(nèi)4KB ROM/EPROM(8051/8751)。l 特殊功能寄存器區(qū)。l 2個優(yōu)先級的5個中斷源結(jié)構(gòu)。l 4個8位并行I/O口(P0、P1、P2、P3)。l 2個16位定時/計數(shù)器(MCS-52子系列為3個)。l 全雙工串行口。l 布爾處理器。l 64KB外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間。l 64KB外部程序存儲器地址空間。l 片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。8051片內(nèi)程序存儲器為掩膜ROM，可根據(jù)特殊要求和

19、用途在制造芯片時將專用程序固化進去，成為專用單片機。8031單片機內(nèi)部沒有ROM，使用時需外接EPROM芯片，其他與8051完全一樣。而8751是片內(nèi)ROM采用EPROM形式的8051，能方便地改寫程序。如表2-1所示為MCS-51單片機存儲器容量。表2-1所示為MCS-51單片機存儲器容量。系 列類 型掩膜ROMEPROMRAM51系列8031128B80514KB128B87514KB128B以上器件都是采用HMOS工藝制造的，另外還有采用低功耗的CHMOS工藝制造的器件，它們是80C31、80C51和87C51等，分別與上述器件兼容。2.2 8051單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)1內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖單片機的結(jié)

20、構(gòu)和微處理器類似，同樣具有兩種類型。一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)；另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。Intel的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，Atmel的AT89C51采用的也是這種結(jié)構(gòu)。如圖2-1所示為MCS-51結(jié)構(gòu)框圖。圖2-1 MCS-51結(jié)構(gòu)框圖8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等若干單元，片外擴展能力通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線實現(xiàn)，現(xiàn)在分別加以說明。(1) CPU中央處理器(C

21、PU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼。CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。(2)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的。專用寄存器用于存放控制寄存器數(shù)據(jù)，用戶只能通過指令讀寫，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)。所以，用戶能使用的RAM只有128個字節(jié)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)、運算的中間結(jié)果或用戶定義的任何數(shù)據(jù)。(3)程序存儲器(ROM)8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)或表格。(4)定時/計數(shù)器8051有兩個16位的可編程定時

22、/計數(shù)器，實現(xiàn)定時或計數(shù)中斷。(5)并行輸入輸出(I/O)8051共有4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對外數(shù)據(jù)的傳輸。(6)全雙工串行口8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其他設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位寄存器使用。(7)中斷系統(tǒng)8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。(8)時鐘電路8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容及晶振。 2單片機引腳特性任何一種基于8051內(nèi)核的單片

23、機在體系結(jié)構(gòu)上都沒有什么差別，只是在內(nèi)部的資源上有所區(qū)別，當然在引腳特性上也可能存在差異。AT89C51是8051單片機家族中的一員，在國內(nèi)市場上有很大的應用群體，是一種低功耗、高性能的產(chǎn)品。在外形上，ATMEL公司提供了多種封裝，包括DIP、PQFP/TQFP、PLCC等。比較常用的還是DIP封裝方式，如圖2-2所示為DIP封裝引腳排列。圖2-2 DIP封裝引腳排列引腳除+5V(VCC40腳)和電源地(GND 20腳)外，按其功能主要由以下三大部分組成：時鐘引腳、控制引腳、I/O引腳。（1）時鐘引腳XTAL1(19腳)：芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端。XTAL2(18腳)：芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端。X

24、TAL1和XTAL2是獨立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時鐘驅(qū)動。<1>內(nèi)時鐘方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2的引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀察到XTAL2輸出的十分漂亮的正弦波，當使用萬用表測量(把擋位打到直流擋，這個時候測得的是有效值)XTAL2和地之間的電壓時，可以看到2V多一點的電壓。定時元件可以采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振電路，其連接方法如圖2-3所示，為內(nèi)時鐘振蕩器連接方式。圖2-3內(nèi)時鐘振蕩器連接方式晶振可以在1.212MHz之間任選，甚至可以達到24MHz

25、，但是頻率越高功耗也就越大。和晶振并聯(lián)的電容C1、C2的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當采用石英晶振時，電容可以在2040pF之間選擇；當采用陶瓷諧振器件時，電容要適當?shù)卦龃笠恍?，?050pF之間。通常選取33pF的陶瓷電容就可以了。 <2>外時鐘方式如圖2-4所示為外時鐘連接方式，XTAL1接外部振蕩器，XTAL2要懸空。由于對內(nèi)部時鐘電路的輸入是通過一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，所以這種連接方式對外部振蕩信號的占空比沒有特殊要求，但是一定要滿足高電平的最小輸入電壓幅值和低電平最大輸入電壓的幅值。外部振蕩器的頻率應低于24MHz的方波信號。圖2-4外時鐘振蕩器連接方式(2

26、). 控制引腳對于8051系列的單片機來說，控制引腳通常包括復位引腳、ALE/PROG引腳、引腳、/VPP引腳、以及和引腳。下面就對這些引腳進行說明。<1>RST/VPD(9腳)復位信號時鐘電路工作后，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平，芯片內(nèi)部進行初始復位。復位后，P0口P1口輸出高電平，初值07H寫入堆棧指針SP，程序計數(shù)器PC和其余特殊功能寄存器全部清零，但不包括SBUF特殊功能寄存器和IP、IE、PCON中的某些位。但初始復位不影響片內(nèi)RAM狀態(tài)，只要該引腳保持高電平，AT89C51將循環(huán)復位。RST從高電平變成低電平時，單片機將從程序存儲器0x0000位置開始執(zhí)行程序。另

27、外該引腳還具有復用功能。只要將VPD接+5V備用電源，一旦VCC電位突然下降或斷電，能保護片內(nèi)RAM中的信息不會丟失，復電后能正常工作。AT89C51通常采用上電自動復位和開關(guān)復位兩種方式，如圖2-5所示為典型復位電路。圖2-5 典型復位電路上電自動復位瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時電容的負極和RESET相連，電壓全部加在了電阻上，RESET的輸入為高，芯片被復位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0，芯片正常工作。將一個按鍵開關(guān)并聯(lián)在電容的兩端，當按鍵沒有被按下的時候電路實現(xiàn)上電復位，在芯片正常工作后，還可以通過按鍵達到手動復位的效果。<2>ALE/PR

28、OG(30腳)地址鎖存信號當訪問外部存儲器時，P0口輸出的低八位地址由ALE輸出的控制信號鎖存到片外地址鎖存器，P0口輸出地址低八位后，又能與片外存儲器之間傳遞信息。由于P0口作地址/數(shù)據(jù)復用口，P0口上的信息是地址還是數(shù)據(jù)完全由ALE來定義，ALE高電平期間，P0口上出現(xiàn)地址信息，在ALE下降沿時，將P0口上的地址信息鎖存到片外地址鎖存器，在ALE低電平期間P0口上出現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)信息。平時不訪問片外存儲器時，該端也以六分之一的時鐘頻率固定輸出正脈沖。因而亦可作系統(tǒng)中其他芯片的時鐘源。ALE可驅(qū)動8個TTL門。<3>PSEN(29腳)片外程序存儲器讀選通PSEN低電平有效，8051

29、訪問片外程序存儲器時，程序計數(shù)器PC通過P2口和P0口輸出十六位指令地址，PSEN作為程序存儲器讀信號，輸出負脈沖將相應存儲單元的指令讀出并送到P0口上，供8051執(zhí)行。PSEN同樣可驅(qū)動8個TTL門輸入。<4>EA/VPP(31腳)內(nèi)部和外部程序存儲器選擇信號對于8051和8751來說，內(nèi)部有4K字節(jié)的程序存儲器，當為高時，CPU訪問程序存儲器有兩種情況： 地址小于4KB時訪問內(nèi)部程序存儲器。地址大于4KB時訪問外部程序存儲器。若EA接地，則不使用內(nèi)部程序存儲器，不管地址大小，取址時總是訪問外部程序存儲器。由此可見，8031單片機(無內(nèi)部ROM型)的必須接地。<5>和

30、這兩個信號分別代表外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通()和外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通()。當執(zhí)行片外數(shù)據(jù)存儲器操作指令MOVX時，這兩個信號自動產(chǎn)生。3. I/O引腳AT89C51單片機有4個雙向8位I/O口P0P3，P0口為三態(tài)雙向口，負載能力為8個LSTTL門電路，P1P3為準雙向口(用作輸入時，口鎖存器必須先寫“1”)，負載能力為4個LSTTL門電路。<1>P0口(P0.0P0.7，3932腳)P0口作地址/數(shù)據(jù)復用總線使用：P0口在訪問外部程序存儲器或者數(shù)據(jù)存儲器時可以配置為低位地址或者數(shù)據(jù)輸出。此時P0口內(nèi)部自帶上拉電阻，可以驅(qū)動8個LSTTL門電路。P0口也可以作通用I/O口：作為輸出時為

31、漏級開路電路，在驅(qū)動NMOS電路時應外接上拉電阻；作輸入口用時，應先對引腳寫“1”，可作高阻抗輸入，通過三態(tài)輸入緩沖器讀取引腳信號，從而完成輸入操作。<2>P1口(P1.0P1.7，18腳)，準雙向口P1口作準雙向口：P1口是一個有內(nèi)部上拉電阻的準雙向口。P1口的每一位口線能獨立地作用于輸入線或輸出線。作輸出時：對引腳寫“1”，使輸出級的場效應管截止，輸出線由內(nèi)部上拉電阻提升為高電平，輸出為“1”；對引腳寫“0”，使輸出級的場效應管導通，輸出為低電平，即輸出為“0”。作輸入時：必須先將“1”寫入引腳，使場效應管截止。該口線由內(nèi)部上拉電阻提開為高電平，同時也能被外部輸入源拉成低電平，

32、即當外部輸入“1”時該口線為高電平，在輸入“0”時，該口線為低電平。P1口作輸入時，可被任何TTL電路和MOS電路所驅(qū)動，由于具有內(nèi)部上拉電阻，也可以直接被集電極開路和漏級開路電路所驅(qū)動，不必外加上拉電阻。P1口可驅(qū)動4個LSTTL門電路。P1口其他功能：P1口在Flash編程和驗證程序時，它輸入低八位地址。<3>P2口(P2.0P2.7，2128腳)，準雙向口P2口引腳上拉電阻同P1口。在結(jié)構(gòu)上，P2口比P1口多一個輸出控制部分。P2口作地址總線口使用：當系統(tǒng)中接有外部存儲器時，P2口用于輸出高八位地址A15A8。在外接程序存儲器的系統(tǒng)中，由于訪問外部存儲器的操作連續(xù)不斷，P2口

33、不斷送出地址高八位。在不接外部程序存儲器而接有外部數(shù)據(jù)存儲器的系統(tǒng)中，情況有所不同，若外接數(shù)據(jù)存儲器容量為256B，即可使用MOVX Ri類指令由P0口送出8位地址，P2口上引腳的信號在整個訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間不會改變，故P2口仍可作通用I/O口使用。若外接存儲器容量較大，需用MOVX DPTR類指令由P0口和P2口送出16位地址。在讀寫周期內(nèi)，P2口引腳上將保持地址信息，輸出地址時，并不要求P2口鎖存器鎖存“1”，鎖存器內(nèi)容又會重新出現(xiàn)在引腳上。這樣，根據(jù)訪問外部存儲器的頻繁程度，P2口仍可在一定時間內(nèi)作一般I/O口使用。P2口驅(qū)動4個LSTTL門電路。P2口作通用I/O口使用：當P2口作

34、通用I/O口使用時，是一個準雙向口，引腳可接I/O設備，其輸入輸出操作與P1口完全相同。<4>P3口(P3.0P3.7，1017腳)，雙功能口P3口是一個多用途的端口，也是一個準雙向口，可以同P1口一樣作為第一功能口，也可以每一位獨立定義為第二功能。P3口作第一功能口使用：P3口作通用I/O口使用時，輸出功能控制線為高電平，在這種情況下，P3口的結(jié)構(gòu)和操作與P1口相同。P3口作第二功能口使用：P3口的第二功能是具有控制功能的信號線。此時相應的口線必須為“1”狀態(tài)，在P3口的引腳信號輸入通道中有2個三態(tài)緩沖器，第二功能的輸入信號取自第一個緩沖器的輸出端，第二個緩沖器仍是第一功能的讀引

35、腳信號緩沖器。P3口可驅(qū)動4個LSTTL門電路。 P3口的第二功能定義如表2-2所示。表2-2 P3口的第二功能定義口 線第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INT0(外部中斷0輸入)P3.3INT1(外部中斷1輸入)P3.4T0(外部計數(shù)器0觸發(fā)輸入)P3.5T1(外部計數(shù)器1觸發(fā)輸入)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)寄存器寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)寄存器讀選通)4. 引腳應用特性P0口的輸出級與P1P3口的輸出級在結(jié)構(gòu)上是不同的，因此它們的負載能力與接口要求是不同的。P0口的每一位口線可驅(qū)動8個LSTTL門輸入，當把它當作通用I/O口使用時，輸出極是漏極開路，

36、故用它去驅(qū)動NMOS輸入時需外接上拉電阻；把它當作地址/數(shù)據(jù)總線口使用時，它為三態(tài)雙向口，無需再外接上拉電阻。P1P3口輸出級接有內(nèi)部上拉電阻，它的每一位口線可驅(qū)動4個LSTTL門。輸入端都可以被集電極開路或接有漏級開路的電路所驅(qū)動，無需再外接上拉電阻。2.3單片機存儲器結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機中無論是程序存儲器還是數(shù)據(jù)存儲器都是進行統(tǒng)一編址、不加區(qū)分的，即一個存儲器地址對應一個唯一的存儲單元。單片機在存儲系統(tǒng)的設計上一般不采用這種體系結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)和程序真正的并行存取，而是采用哈佛結(jié)構(gòu)，特點是將程序存儲器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM分開，它們有各自的尋址機構(gòu)和尋址方式。

37、AT89C51片內(nèi)集成了4KB的Flash程序存儲器和128字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲器，當系統(tǒng)存儲空間不足時，可以通過片上總線引腳擴展外部存儲器。1程序存儲器程序存儲器是以程序計數(shù)器PC作地址指針，是控制器的一部分，用來存放下一條從內(nèi)存中取出并要執(zhí)行的指令地址。單片機上電復位后，PC指向“0x0000”的地址，在進行程序設計時通常加上一條跳轉(zhuǎn)語句，跳到程序的起始地址開始順序執(zhí)行程序。AT89C51的程序計數(shù)器PC是16位的，因此可以尋址的地址空間為64K字節(jié)。(1)內(nèi)部程序存儲器AT89C51內(nèi)部有4K字節(jié)Flash程序存儲器，地址為0000H0FFFH。正常工作時，應把控制引腳接成高電平，程序從

38、內(nèi)部Flash開始運行，當PC值超過0x0FFFH時，自動轉(zhuǎn)到外部擴展的存儲區(qū)0x1000H0xFFFFH地址空間去執(zhí)行程序。(2)外部程序存儲器有時單片機片內(nèi)自帶的程序存儲器無法滿足系統(tǒng)設計的要求，需要外擴程序存儲器。AT89C51最大可擴展64KB外部程序存儲器。外擴程序存儲器時需要把引腳控制線/EA接成低電平，使其有效，迫使單片機在上電復位后從外部程序存儲器中取指。此時，要訪問的PC中的地址值由P0口和P2口送出(P0口送出PC中的低8位值， P2口送出PC中的高8位，同時P0口還要接收外擴的程序存儲器中的程序數(shù)據(jù))，并在外部程序存儲器讀選通有效時，從外部ROM中取出指令并執(zhí)行之。2數(shù)據(jù)

39、存儲器數(shù)據(jù)存儲器分為片內(nèi)和片外兩種，二者無論在物理上還是邏輯上，其地址空間是彼此獨立的。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址范圍為00HFFH，片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間為0000HFFFFH，其中00HFFH這部分是地址沖突的。為解決這個問題，在8051體系的單片機中，通過不同的指令來分別訪問片內(nèi)和片外的數(shù)據(jù)存儲器。訪問片內(nèi)RAM時使用MOV指令；訪問片外RAM時使用MOVX指令。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器在物理上可劃分為兩個不同的塊：00H7FH(0127)單元組成的128字節(jié)RAM塊；以及高128字節(jié)(080H0FFH)的專用特殊功能寄存器(SFR)塊。 (1)內(nèi)部RAM區(qū)片內(nèi)真正可作數(shù)據(jù)存儲器用的只有128個RAM單元

40、，地址為00H7FH。它們可劃分為3個區(qū)域：工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。通用寄存器組：由32個RAM單元組成，地址為00H1FH。共4個區(qū)，每區(qū)由8個通用工作寄存器R0R7組成。工作寄存器區(qū)域的選擇由程序狀態(tài)字PSW中的RS1和RS0確定，PSW可用位操作指令直接修改，從而選擇不同的工作寄存區(qū)。四個通用工作寄存器區(qū)給軟件帶來極大的方便，在實現(xiàn)中斷嵌套時可靈活選擇不同工作寄存器區(qū)以方便地實現(xiàn)現(xiàn)場保護。位尋址區(qū)：RAM位尋址區(qū)是布爾處理機數(shù)據(jù)存儲器的主要組成部分，全部可以位尋址。其字節(jié)地址為20H2FH16個RAM單元，這些RAM單元可按位操作(也可按字節(jié)操作)。這16個字節(jié)有128位，其

41、位地址為00H7FH。另外在SFR塊中有12個專用寄存器的字節(jié)地址能被8所整除，這12個SFR的93位(96位減去3個未定義位)具有位尋址功能。由此可知，位尋址區(qū)由128個RAM位與93個SFR位組成，共221位可由布爾指令直接按位操作。用戶RAM區(qū)：用戶RAM區(qū)也稱為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，地址為30H7FH，這些RAM單元只能按字節(jié)尋址，由于8051單片機在復位時，堆棧指針SP指向07H單元，當用戶使用堆棧時，應該首先設置堆棧，用戶堆棧一般設在30H7FH范圍之內(nèi)。原則上棧深為128字節(jié)，即以不超過RAM空間為限，對8051系列而言，實際堆?？臻g比128字節(jié)小得多，SP值設的越大，堆棧就越淺。(2)外

42、部數(shù)據(jù)存儲器AT89C51外部數(shù)據(jù)存儲器最大尋址空間為64KB，對外部數(shù)據(jù)存儲器的訪問采用寄存器間接尋址方式。間接寄存器有R0、R1(尋址范圍僅256B)和數(shù)據(jù)指針DPTR(尋址范圍達64KB)。軟件執(zhí)行MOVX類指令時，單片機就會自動產(chǎn)生、選通信號，以對外部數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫操作。(3)特殊功能寄存器專用寄存器又稱SFR(特殊功能寄存器)。8051系列單片機片內(nèi)的I/O口鎖存器、定時器/計數(shù)器、串行口數(shù)據(jù)緩沖器以及各種控制寄存器(除PC外)，都以特殊功能寄存器的形式出現(xiàn)，它們離散地分布在片內(nèi)80HFFH地址空間范圍內(nèi)。MCS-51共有23個特殊功能寄存器(3個屬于52系列)，其中5個是雙字節(jié)

43、寄存器，程序計數(shù)器PC在物理上是獨立的，其余22個寄存器都屬于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器SFR塊，共占26個字節(jié)。片內(nèi)的特殊功能寄存器SFR能綜合地、實時地反映整個單片機的內(nèi)部工作狀態(tài)及工作方式，因此，它們是極其重要的。對單片機用戶來說，掌握各個SFR的工作狀態(tài)及工作方式，對單片機系統(tǒng)的控制具有重要意義。表2-3所示為AT89C51專用寄存器，表中列出了這些特殊功能寄存器的標識符、地址和功能。表2-3 AT89C51專用寄存器標 識 符地 址功能介紹ACC(簡稱A)E0H累加器BF0HB寄存器PSWD0H程序狀態(tài)字SP81H堆棧指針DPH83H數(shù)據(jù)地址指針(高8位)DPL82H數(shù)據(jù)地址指針(低8位)P08

44、0HP0口鎖存器P190HP1口鎖存器P2A0HP2口鎖存器P3B0HP3口鎖存器SBUF99H串行數(shù)據(jù)緩沖器TH08CH定時器/計數(shù)器1(低8位)TH18DH定時器/計數(shù)器1(高8位)TL08AH定時器/計數(shù)器0(低8位)TL18BH定時器/計數(shù)器0(高8位)IPB8H中斷優(yōu)先級控制寄存器IEA8H中斷允許控制寄存器TMOD89A定時器/計數(shù)器方式控制寄存器TCON88H定時器/計數(shù)器控制寄存器SCON98H串行口控制寄存器PCON87H電源控制寄存器2.4單片機的中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)是為了使單片機具有對外界異步事件的處理能力而設置的。當CPU正在處理某個事件時外界發(fā)生了緊急事件請求，要求CPU

45、暫停當前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個緊急事件，處理完之后又回到原來被中斷的地方，繼續(xù)原來的工作，這樣的過程稱為中斷。實現(xiàn)這種功能的部件稱為中斷系統(tǒng)。引起中斷的原因或設備稱為中斷源。一個計算機系統(tǒng)的中斷源會有多個，用來管理這些中斷源的邏輯稱為中斷系統(tǒng)。當幾個中斷源同時向CPU請求中斷服務時，中斷系統(tǒng)會根據(jù)中斷源的優(yōu)先級別進行排序，CPU總是先響應級別最高的中斷請求。1. 中斷的一般功能(1)中斷的屏蔽與開放也稱為關(guān)中斷和開中斷，這是CPU能否接收中斷請求的關(guān)鍵。只有在開中斷的情況下，CPU才能響應中斷源的中斷請求。中斷的關(guān)閉或開放可由指令控制。(2)中斷響應和中斷返回在開中斷的情況下，若有中斷請求信號

46、，CPU便可從主程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務子程序，以進行中斷服務，同時也像跳轉(zhuǎn)子程序一樣保護主程序的斷點地址，使斷點地址自動入棧，以便執(zhí)行完中斷服務程序后可以自動返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷系統(tǒng)要能夠確定各個中斷源的中斷服務子程序入口地址。(3)中斷優(yōu)先在中斷開放的情況下，如果有幾個中斷請求同時發(fā)生，究竟首先響應哪一個中斷，這就要根據(jù)中斷請求的輕重緩急來進行事先安排，有些緊急中斷請求CPU若不及時響應進行處理，可能會因丟失這個中斷而誤事。這就是中斷優(yōu)先級排隊問題，一般把最緊急或速度最快的設備安排在最優(yōu)先的位置上。計算機應根據(jù)中斷源的優(yōu)先級首先響應優(yōu)先級較高的中斷請求，這也是中斷系統(tǒng)管理的任務之一。(4)

47、中斷嵌套當CPU在執(zhí)行某一個中斷處理程序時，若有一優(yōu)先級更高的中斷源請求服務，則CPU應能掛起(用保護斷點的方式)正在運行的低優(yōu)先級中斷處理程序，響應這個高優(yōu)先級中斷請求。在最高優(yōu)先級的中斷處理完后能自動返回低優(yōu)先級中斷，繼續(xù)執(zhí)行原來的中斷處理程序，最后返回主程序，這個過程就是中斷的嵌套2中斷請求源AT89C51單片機設置了5個中斷(8052系列有6個)，分別為2個外部中斷請求輸入：INT0(P3.2)、INT1(P3.3)；3個內(nèi)部中斷請求：定時/計數(shù)器T0、T1和片內(nèi)串行口。當系統(tǒng)產(chǎn)生中斷時，5個中斷源的中斷請求標志分別由特殊功能寄存器TCON和SCON的相應位來鎖存。(1)定時/計數(shù)器控

48、制寄存器TCONTCON是定時/計數(shù)器T0、T1的控制寄存器，同時又能鎖存外部中斷請求標志和定時/ 計數(shù)器T0、T1的溢出中斷標志，實際上它有雙重功能。當CPU檢測到或接收到中斷請求時，可根據(jù)這些標志來決定是否響應這些中斷請求，表2-4所示為TCON中斷相關(guān)位說明。表2-4TCON中斷相關(guān)位說明B7B6B5B4B3B2B1B0TCONTF1TF0IE1IT1IE0IT0位地址8FH8DH8BH8AH89H88HTF1：定時/計數(shù)器T1溢出標志。當啟動T1后，T1即從初值開始計數(shù)，當T1計數(shù)開始產(chǎn)生溢出時，由硬件自動置位TF1并向CPU請求中斷，當CPU響應該中斷后，TF1中斷標志被硬件自動清除

49、(也可由軟件清除)。TF0：定時/計數(shù)器T0溢出標志。其功能和操作同TF1。IE1：外部中斷INT1請求標志。當CPU檢測到外部中斷請求INT1輸入信號有效觸發(fā)時，由硬件自動置位IE1標志并請求中斷，當CPU響應中斷后中斷標志IE1被硬件自動清除。IT1：外部中斷INT1觸發(fā)選擇位?？捎芍噶畛炭貫椤?”或“1”。當IT1=0時，INT1被指定為電平觸發(fā)方式，即低電平有效。IE0：外部中斷INT0請求標志。其功能同IE1。IT0：外部中斷INT0觸發(fā)方式選擇位。其功能及操作同IT1。(2)串行口控制寄存器SCONSCON不僅為串行口控制寄存器，當串行口發(fā)生中斷請求時，SCON低兩位能鎖存其發(fā)送中

50、斷和接收中斷，因而也具有雙重功能，是串行口的中斷請求標志。表2-5所示為SCON中斷相關(guān)位說明。表2-5 SCON中斷相關(guān)位說明B7B6B5B4B3B2B1B0SCONTIRI位地址99H98HTI：串行口發(fā)送中斷標志。當CPU向串行口的發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖SBUF寫入一個數(shù)據(jù)或字符時，發(fā)送器就開始發(fā)送，當發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，由硬件置“1”TI標志，表示串行口正向CPU請求中斷，請求發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。RI：串行口接收中斷標志。若串行口接收器允許接收，當接收到一幀數(shù)據(jù)后，置“1”RI標志，表示串行口接收器正向CPU請求中斷，請求CPU到接收數(shù)據(jù)緩沖器讀取數(shù)據(jù)。同樣RI標志必須在用戶中斷服務程序中由指令清“0

51、”。3中斷控制通過對觸發(fā)方式選擇位IT1、IT0的編程，可以選擇外部中斷輸入信號INT1、INT0的觸發(fā)方式是低電平有效還是邊沿觸發(fā)有效。也可以通過對特殊功能寄存器IE的編程，以選擇哪幾個中斷是被禁止的或是允許的，而這些被允許的中斷又可以通過對中斷優(yōu)先級寄存器IP的編程以定義為高優(yōu)先級或低優(yōu)先級。這樣便可以通過有關(guān)控制寄存器的有關(guān)位，加強對中斷的合理控制，使系統(tǒng)高效而有秩序地工作。 (1)中斷允許寄存器IE8051單片機CPU對中斷源的允許或者禁止，是通過內(nèi)部的中斷允許寄存器IE來控制的，表2-6所示為IE寄存器位說明。表2-6 IE寄存器位說明B7B6B5B4B3B2B1B0IEEAESET

52、1EX1ET0EX0位地址AFHACHABHAAHA9HA8HEA：CPU中斷“總”允許位。EA=1，CPU開中斷；EA=0，CPU禁止所有中斷。ES：串行口中斷允許位。ES=1，開放串行口中斷；ES=0，禁止串行口。ET1：定時/計數(shù)器T1溢出中斷允許位。ET1=1，開T1中斷；ET1=0，禁止T1中斷。EX1：外部中斷INT1允許位。EX1=1，開INT1中斷；EX1=0，禁止INT1 中斷。ET0：定時/計數(shù)器T0溢出允許位。ET0=1，開T0中斷；ET0=0，禁止T0 中斷。EX0：外部中斷INT0允許位。EX0=1，開INT0中斷；EX0=0，禁止INT0 中斷。(2)中斷優(yōu)先級寄存

53、器IP8051的中斷分為兩個優(yōu)先級，對于每一個中斷源都可通過對IP編程以定義為高優(yōu)先級或低優(yōu)先級中斷，以便實現(xiàn)二級中斷嵌套。8051的中斷響應遵循下面的規(guī)則：第一點是低優(yōu)先級中斷可被高優(yōu)先級中斷所中斷，反之不能；第二點是任何一種中斷(無論是高優(yōu)先級還是低優(yōu)先級)一旦得到響應，不會被同級的其他中斷所中斷。表2-7 IP寄存器位說明B7B6B5B4B3B2B1B0IPPSPT1PX1PT0PX0位地址BCHBBHBAHB9HB8HPS：串行口優(yōu)先級設定位。PS=1，串行口設定為高優(yōu)先級；PS=0，串行口設定為低優(yōu)先級。PT1：定時/計數(shù)器T1優(yōu)先級設定。PT1=1，T1設定為高優(yōu)先級；PT1=0，

54、T1設定為低優(yōu)先級。PX1：外部中斷INT1優(yōu)先級設定位。PX1=1，INT1設定為高優(yōu)先級；PX1=0，INT1設定為低優(yōu)先級。PT0：定時/計數(shù)器T0優(yōu)先級設定。PT0=1，T0設定為高優(yōu)先級；PT0=0，T0設定為低優(yōu)先級。PX0：外部中斷INT0優(yōu)先級設定。PX0=1，INT0設定為高優(yōu)先級；PX0=0，INT0設定為低優(yōu)先級。8051單片機復位后，IP被清除，即5個中斷源均被設置為低優(yōu)先級中斷。要確定各中斷的優(yōu)先級，必須由用戶對IP編程，這樣，中斷優(yōu)先級的設置權(quán)就交給了用戶。若要改變各中斷源在系統(tǒng)中的優(yōu)先級，即可隨時由指令來修改IP內(nèi)容。8051單片機同時收到幾個同一優(yōu)先級的中斷要求

55、時，哪一個要求得到響應，取決于內(nèi)部的查詢順序。這相當于在每個優(yōu)先級內(nèi)，還存在另一個輔助優(yōu)先級結(jié)構(gòu)，其優(yōu)先級順序如表2-8所示，為內(nèi)部中斷優(yōu)先級，其中級別“1”代表具有最高的優(yōu)先級，而“5”代表具有最低的優(yōu)先級。表2-8 內(nèi)部中斷優(yōu)先級中 斷 源中斷級別外部中斷01定時器0/計數(shù)器0溢出中斷2外部中斷13定時器1/計數(shù)器1溢出中斷4串行口中斷54.中斷響應過程8051系列兼容單片機的CPU在每一個機器周期都順序查詢每一個中斷源，在機器周期的S5P2狀態(tài)采樣并按優(yōu)先級處理所有被激活的中斷請求，若沒有被下述條件所阻止，將在下一個機器周期的S1狀態(tài)響應激活了的最高級中斷請求。l CPU正在處理同級或高優(yōu)先級中斷。l 現(xiàn)行的機器周期不是所執(zhí)行指令的最后一個機器周期。l 正在處理的指令是RETI或正在訪問IE或IP(即在CPU執(zhí)行RETI或訪問IE、IP的指令后，至少需要再執(zhí)行一條指令才會響應新的中斷請求)。若存在上述任一種情況，中斷將暫時受阻；若不存在上述情況，將在緊跟的下一個機器周期執(zhí)行這個中斷。C