基于单片机的电梯模拟控制系统设计

基于单片机的电梯模拟控制系统设计内容摘要：

内部 RAM 2 个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3 级加密位 看门狗（ WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的 ISP 字节和分 页编程 双数据寄存器指针 5 引脚功能说明 ： VCC：电源电压。 GND：地。 P0 口： P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址 /数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写 “1”可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线同时转换成地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在 Flash 编程时， P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 口： P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲 级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 对端口写 “1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。 作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 Flash 编程和程序校验期间， P1 接收低 8 位地址。 表 22 P1 端口引脚的第二功能 端口引脚 第二功能 MOSI（用于 ISP 编程） MISO（用于 ISP 编程） SCK (用于 ISP 编程 ) P2 口： P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 的输出缓冲可驱动（吸收或输出电 流） 4 个 TTL 逻辑门电路 [8]。 对端口写 “1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，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（例如执行MOVX @DPTR 指令）时， 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（如执行 MOVX @Ri 指令）时， P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（ SFR）区中 P2 寄存器的内容），在整个访问期间不改变。 Flash 编程或校验时， P2 亦接收高位地址和其它控制信号。 P3 口： P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。 对 P3 口写入 “1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。 作输入端时，被外部拉低的 P3 口将用作上拉电阻输出电流。 P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表 23 所示。 6 表 23 P3 端口引脚的第二功能 端口引脚 第二功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） /INT0（外中断 0） /INT1（外中断 1） T0 (定时／计数器 0) T1 (定时／计数器 1) /WR (外部数据存储器写选通 ) /RD（外部数据存储器读选通） RST：复位输入。 当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFR AUXR的 DISRTO 位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。 DISRTO 位缺省为RESET 输出高电平打开状态。 ALE/ （ /PROG）：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）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 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外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。 对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ /PROG）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。 该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC指令 ALE 才会被激活。 此外，该引脚会被拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 无效。 /PSEN：程序存储允许（ /PSEN）输出是外部程序 存储器的读选通信号，当 AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。 当访问外部数据存储器，没有两次有效的/PSEN 信号。 EA/VPP：外部访问允许。 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH）， EA 端必须保持低电平（接地）。 需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 如 EA 端为高电平（接 Vcc端）， CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程电压 Vpp。 XTAL1：振荡器反相放 大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 7 单片机最小系统 单片机最小系统统包括 AT89S51 核心控制元件 ，复位电路，振荡电路。 硬件电路如 图 21 所示。 图 21 单片机最小系统 电路 AT89S51 单片机的复位是靠外部电路实现的。 AT89S51 单片机工作之后，只要在它的 RST 引 脚 上加载 10ms 以上的高电平，单片机就能有效地复位。 AT89S51 单片机通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。 上电瞬间， RC 电路充电， RST 引线出现正脉冲，只要 RST 保持 10ms以上的高电 平，就能使单片机有效的复位 [9]。 在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。 如果这些芯片复位端的复位电平与单片机的复位电平的要求一致，则可以将复位信号与之相连。 并接二极管的优点在于降低复位引脚的对地阻抗 ， 可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。 二级管可以实现快速 8 释放电容电量的功能 ， 满足短时间复位的要求。 AT89S51 单片机内部的振荡电路是一个增益反相放大器，引线 XTAL1和 XTAL2 分别为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入和来自反向振荡器的输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。 单片 机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需要附加电路。 石英晶体振荡和陶瓷振荡均可采用。 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 [10]，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 AT89S51 单片机的时钟产生方式有两种，分别为：内部时钟方式和外部时钟方式。 利用其内部的振荡电路 XTAL1 和 XTAL2 引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到 XTAL2 输出的时钟信号。 在 MCS51 单片机一般常用内部时钟方式，也就是在 XTAL1 和XTAL2 之间连接晶体振荡器 与电容构成稳定的自激振荡器，晶体和电容决定了单片机的工作时间精度为 1 微秒。 晶体可在 之间选择。 AT89S51 单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为 6MHZ 的石英晶体，而 12MHZ 频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用，在这里我用的是 12MHZ 石英晶体。 对电容无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振荡速度有一点影响。 C3 和 C4 可在 20100PF 之间取值，一般情况取 30PF。 外部时钟方式是把外部振荡信号源直接接入XTAL1 或 XTAL2。 由于 XTAL2 逻辑电平不是 TTL 的，所以还要接一个上拉电阻。 LCD显示模块 电路设计 本次设计 显示电路采用了 1 个 LCD1062 液晶显示 器 ， 用于显示楼梯层数 、 日期 、 时间。 第一行显示日期和楼层，第二行显示时间。 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光而不像阴极射线管显示器（ CRT）那样需要不断刷新亮点，因此，液晶显示器画质高而且不会闪烁。 即显示质量高。 再有，液晶显示器都是数字式的比单片机系统的接口更简单，操作也更方便。 液晶显示字符较为复杂，一个字符由 6*8 或 8*8 这样的点阵组成，要正确显示，必须要找到和屏上某 几个位置对应显示 RAM 区的 8 个字节。 并 9 且要使每个字节的不同的位为 “1”，其他的位为 “0”。 为 “1”的点亮，为 “0”的点暗，通过明暗的变化显示某个字符。 这就是点阵字符液晶显示器的工作原理。 1602 液晶显示器采用标准的 16 脚接口，接口功能说明 [11]: 第 1 脚： VSS 为地电源。 第 2 脚： VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚： VO 为液晶显示器对比调整端， 接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生 “鬼影 ”，使用时可以通过一个 10K的电位器调整对比度。 第 4 脚 ： RS 选择寄存器， 高电平 为 数据寄存器 及 低电平 指令寄存 器。 第 5 脚 ： RW 为读写信号线，高电平时 进行读操作，低电平时进行写操作 当 RS 和 RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚 ： E 端为使能端， E 端由高电平变成低电平时模块执行 命令。 第 7～ 14 脚： D0～ D7 为 8 位双向数据线。 第 15～ 16 脚：空脚。 除此之外液晶显示模块是一个慢显示器件 [12]，所以在执行每条指令之一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则当输入指令后失效。 要显示字符时要先输入显示字符地址 ，也就是告诉模块在哪里显示字符。 在 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（ 1 为高电平、 0 为低电平）。 指令 1：清显示，指令码 01H，光标复位到地址 00H 位置。 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H。 指令 3：光标和显示模式设置 I/D 光标移动方向，高电平右移，低电平左移。 S 屏幕上所有文字是否左移或者右移。 高电平表示有效，低电平则无效。 指令 4：显示开关控制。 D 控制整体显示的开与关，高电平表示开显示低电平表示关显示。 C 控制光标的开与关，高电 平表示有光标，低电平表示无光标。 B 控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令 5：光标或显示移位 S/C 高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 10 指令 6：功能设置命令 DL 高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N 低电平时为单行显示，高电平时双行显示。 F 低电平时显示 5x7 的点阵字符，高电平时显示 5x10 的点阵字符（有些模块是 DL 高电平时为 8 位总线，低电平时为 4 位总线）。 指令 7：字符发生器 RAM 地址设置。 指令 8： DDRAM 地址设置。 指令 9：读忙信号和光标地址。 BF 为忙标志位高电平表示忙 ，此 时模块 不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10：写数据。 指令 11：读数据。 本设计的 时间显示分两个部分，屏幕的第一行显示的是年，月， 日，楼层。 屏幕的第二行显示的是时，分，秒，年月日的显示只是将单片机中相应的存储字符代码送到累加器中，然后调用 LCD1602 的写数据命令及将年月日的信息送到了 LCD 显示屏幕上。 时分秒的显示原理与 年月日显示原理相同。 液晶显示连接电路如图 22 所示。 图 22 LCD 液晶显示 11 电源电路设计 本次设计所需电源的模块有单片机最小系统，液晶显示器，蜂鸣器，它们所需电 源都为 +5V。 因而电源设计只需设计到 +5V 电源，采用 7805 三端稳压片即可满足要求。 本设计是采用桥式整流滤波电源，其输出电压不稳定，随输入电压波动，因此利用三端稳压器 7805 稳定直流输出电压 ，因此 7805 起到的是稳压作用。 C C2 分别为输入端和输出端滤波电容， 输出端电阻 为负载电阻。 直流稳压电源一般由变压器、整流器、滤波器和稳压器四部分组成。 变压器把 220V 交流电变为稳压所需的低压交流电 9V， 整流器把低压交流电变为直流电。 整流后的直流电中仍会含有交流成分，可以通过滤波电路将交流成分滤除 ， 经滤波后，稳压器 再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出 +5V， 电源电路设计 如图 23 所示。 图 23 电源电路设计 按键、报警及发光二极管 部分在设计中较为重要，作为按键输入开门、关门信息，控制指令进行电梯的模拟， 由此可见 它是设计中尤为重要的部分。 常见的单片机按键设计分为独立式和行列式（矩阵式）。 独立式按键设计简单，但占用 I/O口较多。 本设计中共有 9 个按键，能够实现 模拟 电梯的 楼层数 ，复位键和报警功能。 由于是简单模拟电梯系统，因此采用了独立式按键设计。 对于初学单片机者较为简单 ， 并采用中断指令控制按键。 7 个按键分别与 AT89S51 的 口相连，用于模拟楼层按键，且 12 为低电平时有效。 当 S2 按键按下，单片机 置 0， LED 发光二极管点亮，。