电磁除垢系统效的设计.doc

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1、西安工程大学本科毕业设计论文摘 要水垢是万恶之源，且长期困扰着人类。它使热效下降，能源浪费，管道堵塞，甚至会发生锅炉爆炸等恶性事故。因此设备中的水垢必须清除。传统的除垢方法（化学药物法、离子交换法等）均不能彻底根除水垢，只能延缓结垢的时间。据统计，到1990年我国每年由于结垢所浪费的煤炭占总用量的1/3；每年由于结垢而报废的锅炉达数万台，每年除垢费用达数亿元。随着科学技术的发展，一种新兴的除垢方式进入了我们的视野，这就是电磁除垢技术，外国在这一领域已经取得了一些成绩和进步，作为一种优秀的除垢方式，我们有必要去研究它，学习它，最终达到使它为我们所用的目的。本文主要分4个章节，从电磁除垢的机制简介

2、、单片机的介绍、电路的设计、程序的编制、程序的验证及各个模块的整合。第一章 电磁除垢的机制简介，分别从物理和化学角度分析电磁除垢的理论可能性和实际操作的可行性。第二章 89C51单片机，介绍了89C51单片机的性能及特点、20引脚功能、存储器、内部I/O口控制、时序电路、复位操作详细介绍了单片机，通过学习和实践达到熟练掌握应用89C51单片机。第三章 除垢系统的设计及原理，从除垢器功能介绍、连接和驱动方式进行说明。第四章 程序清单及功能说明。关键词： 电磁除垢，单片机目录前言第1章 电磁除垢的机制简介1.1概述1.2市场需求分析1.3电磁除垢仪工作原理。第2章 单片机的性能及特点2.1单片机的

3、结构组成2.2 单片机的发展2.3单片机的未来2.4单片机的特点2.5单片机的重要指标2.6单片机的应用第3章 AT89C2051单片机介绍第4章 除垢系统的设计及原理第5章 程序清单及功能说明参考文献致谢前言二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的。由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。它迅猛发展到了各个领域，人们也越来越感到应用单片机技术的优越性，因而单

4、片机也得到了广泛的应用。同时，它也在不断地完善和发展。水垢长期困扰人们的工作，影响着管道系统的正常使用，降低管道的寿命和效力，使得使用者蒙受巨大损失，在这样的背景下，研究除垢和防垢的工作是十分必要的，在研究过程中，一种新兴的除垢技术以其优良的效果，方便的使用，便捷的操作脱颖而出，这就是电磁除垢方式。本文讨论的是如日中天的单片机技术与先进的电磁除垢系统的有机结合所带来的全新的设计理念。希望通过这样的研究和讨论能够使得电磁除垢系统效果更加明显，成本更加低廉，使得电磁除垢这一新的技术能够更好的为我们服务。第1章 电磁除垢的机制简介1.1概述 电磁除垢仪主要用于解决化工、石油、工业锅炉及管道等各种用水

5、设备的除垢、防垢问题。目前来讲，防垢除垢仍是世界性的一大难题。以工业循环冷却水为例，随着其重复使用次数的增加，循环冷却水的浓缩程度提高，水中所含的金属离子的浓度也随之增加，这样就使冷却水中金属离子的盐类（主要是钙、镁离子的碳酸盐类）在热交换器中的冷却表面沉积结垢，导致管道堵塞、并形成腐蚀，严重时造成重大事故，使生产不能正常运行，直接经济损失巨大。为避免上述情况发生，传统方法是在水中加化学品、水处理剂或用离子交换等方法以阻止水中钙、镁离子的沉积生成而达到除垢目的。 然而这种除垢方法运行成本及设备维护费等极高。这样寻找一种既经济又行之有效的除垢方法或原理就成为迫切需要解决的问题。而电磁除垢为彻底解

6、决各种水设备的除垢防垢问题开辟了一条新的途径。电磁除垢仪就是基于这种原理研制的设备。目前国外已研制出相关设备并投入运行，且效果良好。尽管国内也已研制出类似设备，但具用户反映，除垢效果不理想，最后停止使用。2. 项目的目的、意义 本项目的目的是借鉴国际先进的且已投入使用确实具有除垢防垢效果的电磁除垢仪，研制开发出具有国内领先水平的国产电磁除垢仪，已力图最大限度地从根本上解决石油、化工、工业锅炉、用水管道及各种蒸馏设备的除垢、防垢难题。本项目对于降低生产设备运行成本和设备维护费，提高设备使用寿命等具有重大现实意义。 以石油开采为例。注水开发是目前保护地层压力和提高采收率的主要手段之一，已为国内外广

7、泛采用，我国大部分油田也都采用注水开发的方式。然而我国的油田注水开发过程中存在许多亟待解决的问题，油田结垢伤害就是其中常见的严重问题之一。目前普遍认为，油田注水工艺需要考虑的主要问题是堵塞、结垢、腐蚀三大因素，尤其是油田结垢本身就是导致注水井和油田堵塞腐蚀的重要因素。油层结垢可引起设备的磨损或垢蚀，严重的可造成管道报废。更重要的是油层结垢会堵塞油层孔隙、降低油气井产出和注入能力，缩短注水井作业周期，降低采收率，甚至会不同程度地损害宝贵的油气资源，乃至提前结束油田的生产寿命。目前我国的大庆油田、中原油田、土哈油田、胜利油田、长庆油田、青海油田等都存在不同程度的油层、采油设备和地面几集输管线的结垢

8、伤害问题。由于结垢问题给石油及工业和日常生活的各种相关设备造成了极大的经济损失，从而引起了人们的高度重视，在石油开发、贮存和管线输送及其他相关工业领域已将防垢除垢作为解决结垢问题的重点加以研究。然而，由于结垢问题的复杂性、成垢物理化学条件的多变性、成垢场所的特殊性等众多因素的制约，目前所能采用的一些技术措施只能使结垢现状得到缓解，尚不能从根本上得以解决。因此，深入系统地研究各种用水设备及管线的结垢机理和规律，找出合适的防垢、除垢方案具有重要现实意义。1.2.市场需求分析1. 项目技术攻关的必要性 （1）水垢的形成与危害水垢的组成不是单一的化合物，而是由许多化合物组成的混合物。但水垢的主要成分是

9、钙、镁离子的盐类，能形成水垢的物质通常有钙、镁的碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、磷酸盐、氢氧化物及铁和铜的氧化物等，一般分为以下5种类型。 1 碳酸盐水垢.一般是指碳酸钙含量占50%以上的水垢。这种水垢通常附着于锅炉、管道中温度较低的部位，如加热器、给水管路等，主要以-CaCO3、方解石-CaCO3、水镁石Mg和碱式碳酸镁Mg等形式存在。 2 硫酸盐水垢。一般是指硫酸钙含量占50%以上的水垢。这种水垢坚硬密实，常沉积于设备中受热强度较大的部位，如水冷壁对流管、低压蒸发器和蒸汽发生器等，主要沉淀为硬石膏CaSO4、半水化物石膏2等。 3 硅酸盐水垢。一般是指二氧化硅含量占20%以上的水垢。硅酸盐水垢成分

10、复杂，不仅包括钙、镁离子，而且也有铝、铁、钠等离子。常见的形式有单硅钙石等。 4铁垢。一般是指铁氧化物含量大于70%的水垢。这种水垢是由于锅炉腐蚀使给水或锅水含铁量过高而形成的，主要含有赤铁矿FeO3和磁铁矿Fe3O4等。 5铜垢。一般是指金属铜含量超过20%的水垢。这种水垢的主要成分为金属铜及其氧化物（Cu、CuO和Cu2O）。（2）水垢的形成 水垢的形成主要是由于某些钙、镁盐类在水中浓缩超过了相应的物质溶解度，经过一系列物理化学过程而从水中析出。其形成原因主要包括以下4个过程。 1 蒸发浓缩。锅水在受热面上蒸发，产生大量水蒸气，使水不断浓缩。由于用水设备内各处受热面蒸发强度有差别，使某些局

11、部水域浓缩程度会更高，这样，当成垢离子的浓度超过相应沉积物的溶度积时，就会从水中析出沉淀，而使设备结垢。 2高温分解。钙和镁的碳酸盐在水蒸发过程中发生热分解反应，生成沉淀析出。 3 高温沉积。大部分盐类在水中的溶解度随温度升高而增大，而成垢盐类的溶解度却随温度升高而缩小，即具有反常溶解度。因此，这些成垢盐类极容易在受热强度较大的部位沉积出来。4 表面结晶。水中的难溶解盐类，其相应离子的浓度时常超过了其溶度积，处于过饱和状态，却不产生沉淀。但是，一旦水锅水中或与水接触的金属表面有某种诱导因素，如有结晶核心形成，或局部金属表面条件有差异，或发生某种物理化学作用，就会有大量沉淀析出。（3）水垢的危害

12、 以锅炉结垢造成的危害为例。锅炉是一种热交换设备，其传热能力取决于介质的导热能力，水垢的导热系数很小，仅为钢材的几十至几百分之一，因此，锅炉收热面导热系数因结垢而降低很多。水垢的导热系数越小，锅炉受热面的热导系数就降低的越大，因而水垢产生的危害也就越大。具体危害有以下4点。 1 浪费燃料。锅炉结垢后，使受热面的传热性能下降，燃料燃烧产生的热量不能迅速传递给锅水，大量热量被烟气带走，使锅炉热效率大大下降低。因此，为保持锅炉的额定运行参数，就必须投入更多的燃料，从而造成燃料的浪费。锅炉结垢厚度与燃料消耗增加量的关系大约为（为结垢厚度，单位为mm，为以百分数表示的燃料消耗增加量）2降低出力。锅炉结垢

13、后，传热性能下降，要达到锅炉的额定蒸发量或产热量，就要多消耗燃料，但炉膛容积和炉排面积是一定的，结垢厚度达到一定数值后，因燃料消耗两受到限制，故锅炉出力就会降低。3威胁安全运行。锅炉结垢后，因传热不良会引发金属过热现象，使材料强度显著降低，造成炉管过热变形、鼓包、裂纹、甚至爆破，威胁锅炉安全运行。例如工作压力为1MPa的锅炉，在无垢运行时，管壁温度为280oC，而在结有1mm的硅酸盐水垢的情况下，管壁温度可达680oC，这样由于温度升高会大大降低材料强度，从而可能引起炉管鼓包或爆管。4缩短使用寿命。锅炉结垢后，必须停运清洗除垢，不但缩短了锅炉的运行时间，而且用机械或化学方法除垢的，还会使金属受

14、热面受到不同程度的损伤，缩短了锅炉使用年限。此外，因结垢产生的垢下腐蚀，也会影响锅炉的使用寿命。在油田生产和研发中的结垢危害。油田水垢经常因温度、压力等条件的变化在不同的部位结垢而形成垢下腐蚀。按腐蚀部位可分为管线内腐蚀和设备表面腐蚀。注水开发中采油系统和集输设备的腐蚀结垢随采龄而日趋严重，在一些油田中甚至发生管线的堵塞和穿孔而造成管线报废。因此，集输管线的腐蚀结垢问题也越来越多的受到人们的重视。针对采油厂现场实际情况，人们采用多种手段如X射线衍射、形貌照相、灼烧法等对采油系统和集输系统设备腐蚀结垢进行分析研究后表明，注水中的溶解氧、硫化氢等会对地面工程设备造成腐蚀，油田注水系统中常会形成结垢

15、，垢沉积在钢板的内表面使钢管内径变小，影响注水效率。管线结垢会引起严重的垢下腐蚀，结垢和腐蚀产物随注入水进入井内之后会污染和堵塞储层，造成油田伤害。90年代后期由于油田结垢伤害日趋严重，造成了许多油田的产量急剧下降，甚至造成井下及地面设备因结垢使油气井停产、报废。如美国每年油气井及地面设备因结垢而造成的经济损失就达10亿美元。因此，油田的结垢伤害问题，已成为困扰油田注水开发的一个亟待解决的问题。4除垢、防垢对策目前，较为广泛使用的除垢防垢方法是在水中添加具有阻垢功能的化学药剂，即阻垢剂。能够防止水垢和污垢产生或抑制其沉积生长的化学药剂统称为阻垢剂。阻垢剂分子结构中一般都含有多种官能团，在水体系

16、中表现为螯合、吸附和分散的作用，能发挥水处理剂的“一剂多效”功能，即一种化合物同时具备阻垢、缓蚀、紊凝、杀菌、分散等多种作用效果。目前，阻垢剂在工业上常用的形式主要有缓蚀阻垢剂和阻垢分散剂两种。阻垢剂的阻垢机理是抑制水中各种可结垢晶粒正常生长和扰乱晶粒之间按正常状态聚集生长。目前已有数千种阻垢剂投放市场，我国阻垢剂的研究起步较晚，但发展速度很快。由于引进了国外防垢剂及其合成方法，目前差不多国外有的产品我国也能生产。但是，各种阻垢剂在使用方面针对性特别强，由于各地或各种工业生产过程所用水的水质不同，每种阻垢剂都不具备普适性，只是对某种水质的水具备阻垢、防垢作用。所以在使用阻垢剂时，一定要对阻垢剂

17、进行适应性评价和选择。利用阻垢剂除垢防垢主要存在三大缺点：首先生产成本高。一个中大型的相关生产企业，如电厂或污水处理厂，每年为除垢、防垢投放的阻垢剂至少几十万元人民币或高达数百万元人民币。在中大型石油生产企业中，每年为解决油田结垢而投放的化学药剂甚至超过千万元。其次存在污染问题。因需在生产设备中添加化学药剂，即各种阻垢剂，因此对水质或设备必然不同程度地构成污染，严重时甚至腐蚀设备，影响设备的使用寿命。再次，每种阻垢剂的使用具有相当强的针对性，即不具备普适性，只是对某种水质的水等具有阻垢、防垢作用。（5）寻找新型除垢防垢技术的必要性尽管采用化学方法进行除垢防垢效果显著，但因成本高，存在一定程度的

18、污染以及针对性强等问题困难无法克服，因此寻找除垢防垢新技术新方法是非常必要的。近几年发展起来的物理除垢技术为从根本上解决除垢防垢问题开辟了新的途径。物理除垢方法具有成本低、不存在污染、普适性强等优点。目前已投入使用的物理除垢技术有：1Ion-Stick处理器。该处理器由棒状合金复合探头和产生高电压的电源箱组成，通电后可产生7500V的直流电压，在伸入水中的探头周围形成一个高压静电场，极性水分子在高压静电场的作用下，阻止钙镁成垢粒子不能自由地靠近金属表面，使水垢难以生成。经静电场处理过的水分子还能改变金属表面原有垢粒子之间的结合力，使已经生成的水垢逐渐溶解剥落。使用Ion-Stick处理器最大优

19、点是环境友好，管理简易，能耗低（电功率10W左右）。2电磁除垢仪。电磁除垢仪是利用电子线路产生的高频电磁振荡，在固定的两极之间形成一定强度的高频电磁场，冷却水在吸收高频电磁场能后，水分子作为偶极子被不断反复极化而产生扭曲、变形、反转、振动，形成活性很强的单分子或小谛合群体状态的水，从而增强水分子之间的偶极矩，促进水对成垢物质及其组分的作用，改变冷却水中沉积物质的存在形态和相关离子的物理性能及水分子与其他离子的结合状态，使结垢晶体沉积物析出的时间延长，并以细小的无定形的颗粒析出，最终达到阻垢和松动剥落已经生成的水垢。电磁除垢仪已有不少使用实例，在一次性投资以后运转费用很低，使用方便，最大优点在于

20、不对环境造成污染。有资料表明，与某些水处理剂结合使用，极大地提高了使用效果，又大幅度地降低了水处理剂的投加量。3磁化处理技术。磁化处理技术是使用锶铁氧体和钕铁硼等组成的强磁材料制作成的内磁、外磁和可调节的磁处理器串接在进管上，保持水流以1.5m/s以上的流速通过磁处理器的N、S极之间的空隙，让水在垂直方向上切割磁力线，促使水分子的活化。使用的磁化器磁通密度应大于100MT，且阻垢效果随磁通密度的增大而提高。经过磁化处理的冷却水由于洛仑兹力的作用，促进水中钙镁物质均相成核过程，有利于循环水主体内部的结晶速度，减少了难溶盐沉积在金属表面的趋势。另外，在强磁场的作用下，由于洛仑兹力，水分子和水中的离

21、子或粒子将发生取向运动，使离子或粒子的水合进程增强，也使碳酸钙等均相成核增强并随即被取向的水分子所包围，难以形成大颗粒的结垢晶体。以上物理除垢方法都是基于电磁原理在静电场、磁场或电磁场的作用下使水分子极化或使结垢离子等产生定向运动，促进水分子对水中易结垢离子或粒子的作用、使成垢物质被极化水分子包围，减小了水中结垢物质粒子之间的键合强度等，从而达到除垢防垢效果。尽管这些物理除垢技术都有成功的范例，但由于结垢机理及现场物理化学条件的复杂性和多样性，每种技术都尚未广泛推广使用。目前，物理除垢技术仍然处于探索、改进和完善阶段。1.3电磁除垢仪工作原理电磁除垢仪是利用电子线路产生的高频电磁振荡，在固定的

22、螺旋管两极之间形成一定强度的高频电磁场，水在吸收高频电磁场能后，水分子作为偶极子被不断反复极化而产生扭曲、变形、反转、振动，形成活性很强的单分子或小谛合群体状态的水，从而增强水分子之间的偶极矩，促进水对成垢物质及其组分的作用，改变冷却水中沉积物质的存在形态和相关离子的物理性能及水分子与其他离子的结合状态，使结垢晶体沉积物析出的时间延长，并以细小的无定形的颗粒析出，最终达到阻垢和松动剥落已经生成的水垢。另外实验及设备现场运行结果表明，在电磁振荡频率一定的情况下，电磁场能越大除垢效果越明显，也即设备输出功率越大除垢效果越好。电磁除垢仪已有很多使用实例，在一次性投资以后运转费用很低，使用方便，最大优

23、点在于不对环境造成污染。有资料表明，与某些水处理剂结合使用，极大地提高了使用效果，又大幅度地降低了水处理剂的投加量。电磁除垢仪螺旋管（密绕）内部中心轴上任意一点的磁感应强度为： （1）其中：为磁感应强度 为真空中的磁导率，单位为特斯拉米/安培 为螺旋管匝数 为流过螺旋管的电流 为中心轴上计算点到螺旋管右端管壁与中心轴正方向的夹角 为中心轴上计算点到螺旋管左端管壁与中心轴正方向的夹角 当螺旋管很长时，此时， （2）螺旋管的总电阻为 （3）其中为螺旋管的总电阻，为螺旋管电阻率， 和 分别为螺旋管导线的长度和导线截面积， 为螺旋管半径。 电磁除垢仪输出功率与电流的关系（估算）为，由此得 （4）而电磁

24、场总能量密度为 （5）式中和分别为水的介电常数和磁导率，为电磁场的电场强度。由（2）-（5）式得 （6） （6）式说明电磁除垢仪输出功率（及匝数）越大，电磁场总能量密度也越大，进一步说电磁场总能量也越大。根据“实验及设备现场运行结果表明，在电磁振荡频率一定的情况下，电磁场能越大除垢效果越明显，也即设备输出功率越大除垢效果越好。”所以大功率电磁除垢仪除垢效果好与小功率电磁除垢仪。第2章 单片机的性能及特点2.1单片机的结构组成单片微机是单片微型计算机SCMC（Single Chip Micro Computer）的译名简称，在国内也常简称为“ 单片微机” 或“单片机” 。所谓单片机就是将计算机的

25、CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和各种I/O口（如并行口、串行口等）集成在一片芯片上而制成的大规模集成电路。形成芯片级的计算机。因此单片机早期的含义称为单片微型计算机，简称为单片机（Single Chip Microcomputer）。CPU：是计算机的核心，叫做中央处理单元（Center Process Unit）。所有的数学运算和逻辑控制都由它完成。RAM：随机存取存储器（Random Access Memory），存放运算过程中的数据。ROM：只读存储器（Read Only Memory）。定时器/计数器：计算机内部重要部件。I/O：输入/输出口（Input/Output），包括并

26、行口、串行口等。单片机从其诞生就得到广泛应用，人们为增强其应用功能，将一些专用电路（A/D、D/A、比较器等）集成到单片机内部，使它的应用更方便，功能更强，现在单片机的含义本质是微控制器（Microcontroller），但习惯上仍然称为单片机。2.2 单片机的发展1第一代单片机 19761978 Intel公司的MCS-48系列 Zilog公司的Z8系列 Motorola公司的6801系列8位单片机，属于Single Chip Microcomputer的范围。2第二代单片机 1978 Intel公司的MCS-51系列 其他公司等。这时的单片机功能已非常完善，确立了单片机的控制功能，超出了S

27、ingle Chip Microcomputer的范围，属于Microcontroller。3第三代单片机 1982全面发展单片机的控制功能，不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同客户的要求。另外还产生了16单片机和专用单片机。MCS-96系列。2.3单片机的未来单片微机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展。 多功能 在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需要的存储器、各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，即外围器件内装化，如把LED、LCD或VFD显示驱动器集成在单片微机中，如把A/D、D/A、乃至多路模拟开关和采样/保持器也集成在

28、单片微机中。 高性能使用RISC体系结构、并行流水线操作和DSP等的设计技术，使单片微机的指令运行速度得到大大提高，其电磁兼容等性能明显地优于同类型的微处理器。 全盘CMOS化趋势单片微机采用二种半导体工艺生产，HMOS工艺即高密度短沟道MOS工艺；CHMOS工艺即互补金属氧化物的HMOS工艺，如8051的功耗为630mw，而80C51的功耗仅120mw。从第三代单片微机起开始淘汰非CMOS工艺。 推行串行扩展总线显著减少引脚数量，简化系统结构。随着外围器件串行接口的发展，单片微机的串行接口的普遍化、高速化，使得并行扩展接口技术日渐衰退。推出了删去了并行总线的非总线单片微机，需要外扩器件(存储

29、器、I/O等) 时，采用串行扩展总线，甚至用软件虚拟串行总线来实现。由于集成度的进一步提高，有的单片微机的寻址能力已突破64KB的限制，8位、16位的单片微机有的寻址能力已达到 1MB和 16 MB。片内ROM的容量可达 62 KB，RAM的容量可达2KB。2.4单片机的特点单片机除了具备体积小、价格低、性能强大、速度快、用途广、灵活性强、可可靠性高等优点外，它与通用微型计算机相比，在硬件结构和指令功能方面，还具有以下独特之处。1. 存储器ROM和RAM严格分工。2. 釆用面向控制的指令系统。3. I/O端口引脚具有复用功能。4. 品种规格的系列化。5. 硬件功能具有广泛的通用性。6. 抗干扰

30、能力强，能在恶劣的环境下可靠工作。2.5单片机的重要指标1.位数：位数是指单片机能够一次处理的数据的宽度，有关位机、4位机、8位机、16位机、32位机。2.存储器：存储器包括程序存储器和数据存储器。程序存储器空间较大，字节数一般从几KB到几十KB，另外还有不同类型。数据存储器的字节数则通常为几十字节到几百字节之间。程序存储器的编程方式也是用户选择的一个重要因素，有的是串行编程，有的是并行编程，新一代的单片机还具有在系统编程或在应用编程的功能，有的还有专用的ISP编程接口JTAG口。3.I/O端口：I/O端口即输入/输出端口，一般有几个到几十个，用户可以根据自己的需要进行选择。4.速度：速度指的

31、是CPU的处理速度，以每秒执行多少条指令衡量常用单位是MIPS，目前最快的单片机可达到100MIPS，单片机的速度通常是和系统时钟相联系的，但并不是频率高的处理速度就一定快，对于同一种型号的单片机来说，釆用频率高的时钟一般比频率低的速度快，5.工作电压：单片机的工作电压通常是5V，范围是5%或10%，也有3V/33V电压的产品，更低的可在1.5V工作。现代单片机又出现了宽电压范围型，即在2.5V6.5V内都可可正常工作。6.功耗：低功耗是现代单片机所追求的一个目标，目前低功耗单片机的静态电流可以低至微安或纳安级，有的单片机还具有等待、关断、睡眠等多种工作模式，以此来降低功耗。7.温度；单片机根

32、据工作温度可公为民用级、工业级和军用级3种。民用级的温度范围是070，工业级是-4085，军用级是-55125。2.6单片机的应用1 工业方面：电机控制、过程控制、智能传感器等2 仪器仪表方面：智能仪器、医疗器械等3 民用方面：电子玩具、家电产品、游戏机等4 军事方面：导弹控制、智能武器装置等5 其它单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。第3章 AT89C2051单片机3.1 AT89C

33、2051的性能及特点7AT89C2051（以下简称2051）是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器芯片，片内带2KB的快闪可编程及可擦除只读存储器（FPEROM）。它与MCS-51指令系统兼容，片内FPEROM允许对程序存储器在线重新编程，也可以用常规的EPROM编程器编程。ATMEL的2051将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了高度灵活且价格适宜的方案（市场价格仅10几元）。2051还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及两种软件可选的省电模式。其中，在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时器、计数器、串行口和终端系统仍在工作。在掉电模式下

34、，只保存RAM的内容，振荡器停振，关闭芯片的所有其它功能，直到下一次硬件复位为止。89C2051主要性能如下：1. 与MCS-51产品兼容。2. 2KB的在线可重复编程快闪存储器，寿命可达1000次写/擦除周期。3. 宽工作电压范围为2.7V6V。4. 全静态工作方式:0Hz24Hz。5. 两级程序存储加密。6. 128*8位SRAM。7. 15条可编程I/O线。8. 2个16位定时器/计数器。9. 5个中断电源。10. 可编程串行通道。11. 可直接驱动LED。12. 有片内精密模拟比较器。13. 低功耗的闲置与掉电模式。14. 软件设置睡眠和唤醒功能。15. 可编程UARL通道。16. 两

35、个16位可编程定时/计数器。3.2内部结构及引脚82051的内部结构如图2-2所示，引脚分布图如图2-1所示。引脚功能说明如下：Vcc供电电源（接+5V电源正端）。GND电路地线（接地）。P1口为双向8位I/O端口。P1.2P1.7引脚有内部上拉电阻，P1.0和P1.1需要外部上拉电阻。P1.0和P1.1还可以作为模拟比较的正确输入端和负输入端，与片内精密模拟比较器相连。P1口输出缓冲器能吸收20mA灌入电流并可直接驱动LED显示器。当向端口P1写入电平1时，可作为输入引脚。因为P1.2P1.7有内部上拉的作用，此时若有外电路作为输入，引脚会线外灌电流（IIL）。P1口在快闪编程 与校验功能中

36、还可承担数据代码接受任务。P3口P3口只有7位。P3.1-P3.5和P3.7引脚具有内部上拉电路，P3.6为内部比较器输出，无外部引脚。2051无和控制信，P3.7为一般I/O线。P3口有外部低电平输入时，引脚向外产生灌电流（IIL）。P3口也是提供2051的第二功能，如表1-1所示。图3-1 2051引脚分布图 P3口线第二功能P3.0RXD(串口输入)P3.1TXD(串口输出)P3.2 (外部中断0)P3.3 (外部中断1)P3.4（外部定时输入0）T0P3.5（外部定时输入1）T1表3-1 P3.0-P3.5线第二功能图3-2 89C2051内部结构图l P3在快闪编程与校验功能中还可以

37、接受某些控制信号。l RST复位输入端。振荡器工作时，该引脚上两个及其周期的高电平可复位2051.每个机器周期为12个振荡周期（或称时钟周期）。l XTAL1振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端。l XTAL2振荡器反相放大器的输出端。3.3 89C2051指令系统989C2051寄存器和寻址方式与MCS-51标准在某些地方有所不同。2051没有片外存储器接口，所以，某些外部器件读/写指令如MOVX等不起作用；另外，2KB空间对调用长度单位有些变化。所以，有一下两点说明：i. 于MOVX相关的指令，数据存储器89C2051包含128B的RAM，这样，栈地址空间就相应地为128个有效范围。不支

38、持外部RAM器件和外部编程器件，所以没有MOVX【】等指令及与之相应的功能。ii. 分支指令LCALL,LHMP,ACALL,AHMP,SJMP,JMPA+DPTR这些无条件转移指令按99C2051寻址范围（00H7FFH）执行分支转移，超出地址范围将产生不可预知的程序动作。CJNE，DJNZ,JB,JNB,JC,JNC,JBC,JNZ等条件转移指令范围也与存储器长度有关，超出范围就会常常错误的运行结果。3.4时序电路103.4.1时钟电路 89C2051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTALI和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。采用内

39、部方式时，在C1和C2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器， 振荡频率的选择范围为1212MHZ在使用外部时钟时，XTAL2用来输入外部时钟信号，而XTALI接地。3.4.2时序 89C2051单片机的一个执器周期由6个状态(s1s6)组成，每个状态又持续2个接荡周期，分为P1和P2两个节拍。这样，一个机器周期由12个振荡周期组成。若采用12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期为1us，每个状态周期为16us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在N期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从S1P2开始执行指令。如果是双字节指令，则在同一机

40、器周期的s4读人第二字节。若为单字节指令，则在51期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加1。在加结束时完成指令操作。多数89C2051指令周期为12个机器周期，只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需4个机器周期。 对于双字节单机器指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节，但Movx指令例外，Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令，在执行Movx指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。下面是2051单片机的振荡电路图：注：C1、C2= 30 pF/10 pF （晶体振荡器）= 40 pF/0 pF（陶瓷振荡器）图

41、3-3 AT89C2051振荡电路图图3-4 外部时钟驱动器配置3.5复位操作 3.5.1复位操作的主要功能89C2051单片机与其他微处理器一样，在启动时都需要复位，使CPU及系统反而部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个震荡周期），则CPU就可以响应并将系统复位。复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系

42、统处于死锁状态时，为摆脱困境，也必须按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表3-8所列。即在SFR中，除了端口锁存器、堆栈指针SP和串行口的SBUF外，其余的寄存器全部清零，端口锁存器的复位值为0FFH，堆栈指针值为07H，SBUF内为不定值，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时，RAM的内容是不定的。表3-2中的符号意义如下：l A=00H:表明累加器已被清零。l PSW=00H:表明选寄存器0组为工作寄存器组。l SP=07H：表明堆栈指针向片内RAM07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的数据被写入08H单元中。l P0

43、P3=FFH:表明已向各端口线写入1，此时，各端口线既可用于输入，又可用于输出。l IP=00000B：表明各个中断源处于低优先级。l IE=000000B:表明T0,T1均为工作方式0，且运行于定时器状态。l TMOD=00H：比俺们T0,T1均被关断。l SCON=00H:表明串行口处于工作方式0，允许发送，不允许接收。l PCON=00H：表明SMOD=0,波特率不加倍。专用寄存器复位值专用寄存器复位值PC0000HTCON00HACC00HT2CON(AT89C52)00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR000HTL100HP0P3FFHTH2

44、(AT89C52)00HIP(AT89C51)0000BTL2(AT89C52)00HIP(AT89C52)00000BRCAP2H(AT89C52)00HIE(AT89C51)00000BRCAP2L(AT89C52)00HIE(AT89C52)000000BSCON00HTMOD00HSBUF不定T2MID(AT89C52)00BPCON(CHMOS)00000B注：为随机状态。表3-2 各特殊功能寄存器的复位值值得指出的是，记住一些特殊功能的寄存器复位后的主要状态，对熟悉单片机操作，简短应用程序中的初始化部分是十分必要的。3.5.2复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是

45、高电平有效，其有效时间应持续24个震荡周期（即二个机器周期）以上。若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4s，才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图五所示。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。3.5.2复位电路复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。图2-5 复位电路逻辑图l 上电自动复位上电自动复位是在加电瞬间电容通过充电来实现的，其电路如2-6(a）所示。在通电瞬间，电容C通过电阻R充电，RST端出现正脉冲，

46、用以复位。只要电源Vcc的上升时间不超过ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。关于参数的选定，在震荡稳定后应保证复位高电平持续时间（即正脉冲宽度）大于2个机器周期。当采用的晶体频率为6MHz时，可取C=22uF,R=1k；当采用晶体为12Hz时，可取C=10uF,R=8.2 k.如果上述电路复位不仅要使单片机复位，而且还要使单片机的一些外围芯片也同时复位，那么对于上述电阻、电容参考值应作少许调整。对于CMOS型89C51系列，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减少至1uF.l 手动复位所谓手动复位，就是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态。系统上电运行后，若需要复位，一般是通过手动复位来实现的。通常采用手动复位和上电自动复位组合，其电路如图2-6（b）所示。（a）上电复位(b)按键电平复位图2-6 各种复位电路复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能否正常运行，首先