简易RLC测量仪毕业设计

简易RLC测量仪毕业设计,知识来源于交流

山东交通学院

2011届毕业生毕业论文(设计) 题目：简易R、L、C测量仪设计

院(系)别 信息科学与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师

山东交通学院教务处

2012年4月

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原 创 声 明

本人王康宇郑重声明：所呈交的论文“简易R、L、C测量仪设计”，是本人在导师饶中洋老师的指导下开展研究工作所取得的成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果，尊重知识产权，并愿为此承担一切法律责任。

论文作者(签字)：

日期：2012年4月12日

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摘 要

大学四年，通过对相关专业知识的学习，在不断的失败和挫折中，渐渐成长也渐渐成熟。二十一世纪是一个科学的世纪，是一个高度自动化及各种机械渐渐摆脱人类操控的时代。自动化高度集中是时代的需要，也是人类的需要。

简易R、L、C测量仪是为了方便人们对电阻、电容、及电感测量而随着人们的生活节奏的加快应运而生的具有现代工业气息的测量仪器，具有方便，准确，操作简单，体积小，易于携带等优点。它的设计运用了模拟电子，模拟电路，数字电路，及相关的单片机知识加以人为的思想设计而成。

设计的原理是把R、L、C转换成频率信号f，转换的原理分别是RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路。单片机计数得出被测频率，由该频率计算出各个参数值，数据处理后，送显示。

在设计中为了节约单片机的口线,选有了单端8通道双向多路开关CD4051。通过控制CD4051控制端选择8路输入中的一路输出,输入到单片机的计数端。

在量程的多档位设计中没有使用模拟可控,而是使用了双刀双置开关,虽然在测量时候不能自动换量程,带来不便。但它却不用考虑由模拟可控开关带来的几十欧电阻对测量结果的影响。为使单片机能正确的调用计算标准电阻电容,设计了由741构成的比较电路,再将比较结果供单片机查询。

关键词：RC振荡电路,LC电容三点式,显示电路,恒流源,单片机,555多谢振荡电路

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Abstract

University for four years, through the relevant professional knowledge and learning, in the continuing failure and setbacks, began to grow gradually mature. The 21st century is a century of science, is a highly automated and machinery gradually get rid of the era of human manipulation. Highly centralized automation needs of the times, but also the human needs.

Simple R, L, C measuring instrument is to facilitate people's resistance, capacitance, and inductance measurements With the accelerated pace of life came into being with the breath of modern industrial measuring instruments, with a convenient, accurate, simple operation, volume small, easy to carry and so on. It is designed to use the analog electronics, analog circuits, digital circuits, and microcontroller-related knowledge and ideas designed to be human.

Design principle is the R, L, C into a frequency signal f, the principle of conversion were RC and LC oscillator circuit capacitor three-point oscillator circuit. The measured frequency of the microcontroller counts obtained from the frequency to calculate the various parameters, data processing, and sending display.

In order to save the design of the microcontroller port lines, I chose the single-ended 8-channel bi-directional multiplexer CD4051. CD4051control by controlling the input terminal selection in the way 8-way output, input to the chip count side.

In the range of multi-gear design does not use analog control, but the use of a double-pole double position switch, although not automatically change when the measurement range, the inconvenience, but it does not consider the switch from analog control to bring dozens of European resistance to the measurement results. To enable the microcontroller to calculate the correct standard called resistors and capacitors, designed by the composition of the comparison circuit 741, and then compare the results for the microcontroller queries.

Key words: RC oscillator circuit, LC capacitor three-show circuit，Constant-current source circuit, MCU,555 resonance swings circuit

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前 言 .................................................................... 1 1 系统设计 ................................................................ 2

1.1 设计要求 .......................................................... 2

1.1.1 设计任务 ..................................................... 2 1.1.2 技术要求 ..................................................... 2 1.2 方案比较 .......................................................... 2 1.3 方案论证 .......................................................... 4

1.3.1 总体思路 ..................................................... 4

2 主要电路设计与说明 ...................................................... 5

2.1 555芯片简介 ....................................................... 5

2.1.1 芯片的顶视图及各引脚的功能及555芯片工作原理 ................. 5 2.2 测RX的RC振荡电路 ................................................ 6

2.2.1 用555时基电路构成多谐振荡器 ................................. 6 2.2.2 测量电阻的电路模块 ........................................... 9 2.3 测CX的RC振荡电路 ............................................... 11 2.4 测LX的电容三点式振荡电路 ......................................... 12 2.5 单片机控制系统的硬件电路设计 ..................................... 13

2.5.1 单片机结构介绍 .............................................. 13 2.5.2 AT89S52单片机的特点 ........................................ 14 2.5.3 总线结构 .................................................... 22 2.5.4 单片机最小系统的设计 ........................................ 22 2.5.5 显示电路的设计 .............................................. 23 2.5.6 键盘电路 .................................................... 27 2.5.7 CD4051单端双向多路开关电路设计 ............................. 27

3 软件设计 ............................................................... 29 结 论 ................................................................... 40 致 谢 ................................................................... 41 参考文献 ................................................................. 42 附 录A ................................................................. 43 附 录B ................................................................. 43 附 录C ................................................................. 44

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为深入地检测在学习过程中所学知识的连贯性以及掌握知识的灵活程度，进一步加深对所学知识的了解及进入社会后更好地为社会做贡献，根据学校及其现当代对大学生能力的要求，严格要求自己，做出了本设计。

本论文以设计“简易RLC测量仪”为主体，从实现的方法、作用及其在现实生活中的应用。以电路为主体阐述了各电路在设计过程中的作用，以及怎么样把所有有关电路连接起来实现了对RLC的测量。

在认真地学习和研究中不断地总结失败及其对实现实物做出重要的考究和探讨。另外在论文开头善于运用当前人们最熟悉的队店主、电容、电感的测量方法和本文中所用的测量方法做出了相应对比，发现本文中所用方法更易于实现对电阻、电容、及其电感的自动显示和测量。在一般情况下只要应用者有相应的关于电的有关知识就可以运用此仪器对相应的对象进行测量，从而为该仪器的普及应用增加了很多筹码。

本论文注重于测量过程中电路实现测量的过程，仔细讲述了电容、电阻、电感的测量电路，并分析了测量过程中所产生的误差及误差的补偿方法。本着精于求精，尽量减小测量误差，方便及在现实生活中实现应用的原则，更新了以往影响测量结果和增加了实物实现的原件。

本论文三章，主要内容有系统设计、主要电路设计与说明、软件设计，总体思想，及其实现目的的相应电路和原理。

本论文在在同学们的讨论声中一步步成长，在饶老师的帮助和辅导下一步步走向成熟，在编写过程中采用了许多教辅书籍，这些在论文最后将会有所编排。

最后希望我的努力能得到大家的肯定，在论文中出现的错误，请诸位学者批评指正。

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1 系统设计

1.1 设计要求

1.1.1 设计任务

设计并制作一台数字显示的电阻、电容和电感参数测试仪，示意框图如下：

图1.1.1.1参数测试仪 Fig.1.1 .1.1 Parameter test instrument

1.1.2 技术要求

基本要求： (1)测量范围 电阻 100Ω～1MΩ； 电容 100 pF～10000 pF； 电感 100 µH～10 mH； (2)测量精度+5％

(3)制作4位数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测元件的类别和单位。

发挥部分： (1)扩大测量范围； (2)提高测量精度； (3)测量量程自动转换；

1.2 方案比较

目前，测量电子元件集中参数R、L、C的仪表种类较多，方法也各不相同，这些方法都有其优缺点。

电阻R的测试方法最多。最基本的就是根据R的定义式来测量。在如图1.2.1中，分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和通过电阻的电压，根据公式求得电阻。这种方法要测出两个模拟量，不易实现自动化。而指针式万用表欧姆档是把被测电阻与电流一一对应，由此就可以读出被测电阻的阻值，如图1.2.1所示。这种测量方法的精度

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变化大，若需要较高的精度，必须要较多的量程，电路复杂。

图1.2.1电阻测量电路图

Fig.1.2 .1 Resistance measuring circuit diagram

能同时测量电器元件R、L、C的最典型的方法是电桥法(如图1.2.1)。电阻R可用直流电桥测量，电感L、电容C可用交流电桥测量。电桥的平衡条件为

Z1 Zn ej ( 1 n) Z2 Zx ej ( 2 x)

(1.1)

通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。Q表是用谐振法来测量L、C值(如图1.2.2)。它可以在工作频率上进行测量，使测量的条件更接近使用情况。但是，这种测量方法要求频率连续可调，直至谐振。因此它对振荡器的要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判别很难实现智能化。

图 1.2.2电容测量电路图 Fig.1.2.2Capacitance measuring circuit

用阻抗法测R、L、C有两种实现方法：用恒流源供电，然后测元件电压；用恒压源供电，然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量范围很窄。

很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。基于此思想，我们把电子元件的集中参数R、L、C转换成频率信号f,然后用单片机计数后在运算求出R、L、C的值，并送显示，转换的原理分别是RC振荡和LC三点式振荡。其实，这种转换就是把模拟量进拟地转化为数字量，频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误

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差。

1.3 方案论证

1.3.1 总体思路

本设计中把R、L、C转换成频率信号f，转换的原理分别是RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路，单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数则可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据处理后，把R、L、C的值送数码管显示相应的参数值，利用编程实现量程自动转换。 设计方案该设计方案的总体方框图如图1.3.1.1所示。

图1.3.1.1 设计的总体方框图

Fig.1.3.1 .1 the design of the overall block diagram

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2 主要电路设计与说明

2.1 555芯片简介

方案选择中，利用555时基电路构成多谐振荡器来测量电阻R、电容C，为了测量两个物理量需要两块555时基电路。

2.1.1 芯片的顶视图及各引脚的功能及555芯片工作原理

555时基电路，它的顶视图如下图2.1.1所示，双列直插8脚封装[1]。

图2.1.1.1 555时基电路顶视图 Fig.2.1.1.1 555 time-base circuit top view

顶视图各引脚的功能分别为：1脚：GND；2脚：置位触发；3脚：输出;4脚：复位；5脚：控制；6脚：阈值；7脚：放电；8脚：+电源Vcc。

555集成定时器是一种模拟和数字电路相混合的集成电路。它结构简单，使用灵活，用途十分广泛，可以组成多种波形发生器、多谐振荡器、定时延时电路、双稳触发电路、报警电路、检测电路、频率变换电路等。

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555定时器的电路原理图及管脚排列图分别如图2.1.2.1所示：

图2.1.1.2 555定时器的原理电路 Fig.2.1.1.2 555 timer circuit principle

555含有两个比较器A1、A2。A1参考电压为2/3Ucc，A2参考电压为1/3Ucc。当Utl>1/3Ucc时，A2输出为1；当Utl<1/3Ucc时，Uth>2/3Ucc,A2输出为0，则使R-S触发器置1。当Uth<2/3Ucc时，A1输出为1；当Uth>2/3Ucc时，A1输出为0，使R-S触发器置0。5端为电压控制端，通过外接一个参考电源，可以改变上、下触发电位值，不用时，可通一个0.01μF旁路电容接地。4端为触发器复位端，不用时应接高电平。总之，555相当于一个可用模拟电压来控制翻转的R-S触发器。

555电路有无稳态、单稳态和双稳态三种基本工作方式。用这三种方式中的一种或多种组合起来可以组成各种实用电子电路(用得最多的是前两种方式)。

2.2 测RX的RC振荡电路

2.2.1 用555时基电路构成多谐振荡器

在电路中采用RC振荡电路来测量电阻R、电容C的值，用555时基电路构成RC振荡器。如图2.2.1.1(a)所示，将555与三个阻、容元件如图连接，便构成稳态多谐振荡

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模式。

图2.2.1.1（a）电路图 Fig.2.2.1.1 (a) Circuit diagrams

图2.2.1.1（b）波形图 Fig.2.2.1.1 (b) Waveform graph

当加上VCC电压时，由于C上端电压不能突变，故555处于置位状态，输出呈高电平“1”，而内部的放电COMS管截止，C通过RA和RB对其充电，2/6脚电位随C上端电压的升高呈指数上升，波形如图2.2.1.1(b)所示。

当C上的电压随时间增加，达到2/3Vcc阈值电平(7脚)时，上比较器A1翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出VO呈低电平“0”。此时，放电管饱和导通，C上的电荷经RB至放电管放电。当C放电使其电压降至1/3Vcc触发电平(2/6脚)时，下比较器A2翻转，使RS触发器复位，经缓冲级倒相，输出VO呈高电平“1”。以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。

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由上面对多谐振荡过程的分析不难看出，输出脉冲的持续时间t1就是C上的电压从1/3Vcc充电到2/3Vcc所需的时间，故C两端电压的变化规律为

设

则上式简化为

从上式中求得

一般简写为

t1 0.6932(RA RB)C t1 1ln1/2 0.6932 1 UC(t) VCC(1 2/3e t/ 1)

UC(t) VCC(1 e t/(RA RB)C) 1/3VCCe t/(RA RB)C

(2.1)

1 (RA RB)C

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

电路间歇期t2就是C两端电压从2/3Vcc充电到1/3Vcc所需的时间，即

UC(t) 2/3VCCe t/RBC

(2.6)

从上式中求得t2，并设 2 RBC，则

一般简写为

那么电路的振荡周期T为

T t1 t2 0.693( 1 2) 0.693(RA 2RB)C

t2 2ln1/2 0.693 2

(2.7)

t2 0.693RBC

(2.8)

(2.9)

振荡频率f 1/T，即

f 1.443/(RA 2RB)C(Hz)

(2.10)

输出振荡波形的占空比为

D t1/T (RA RB)/(RA 2RB)

(2.11)

从上面的公式推导，可以得出(1)振荡周期与电源电压无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅C、RA、RB的值有关。(2)振荡波的占空比与C的大小无关，而仅

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与RA、RB的大小比值有关。 2.2.2 测量电阻的电路模块

图2.2.2.1是一个由555时基电路构成的多谐振荡电路,由该电路可以测出量程在100Ω～1MΩ的电阻。该电路的振荡周期为：

图2.2.2.1 测量电阻的电路

Fig.2.2.2 .1 Measurement of the electrical resistance circuit

T t1 t2 (In2)(R Rx)C (In2)RxC (In2)(R 2Rx)C

(2.12）

其中t1为输出高电平的时间，t2为输出低电平的时间。则：

R 2Rx

1

(In2)Cf

(2.13）

为了使振荡频率保持在10K~100KHZ这一段单片机计数的高精度范围内，需选择合适的C和R的值。第一个量程选择R=200ΩC=0.22μF，第二个量程选择。这样，第

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一个量程中，Rx=100Ω时：

f

1

(In2)C(R 2RX)

1.443

0.22 10 6 (200 200) 16.4kHZ

第二个量程中，Rx=1MΩ时：

f

1

(In2)C(R 2RX)

1.443

1 10 9 (20 103 2 106) 714kHZ

因为RC振荡的稳定度可达10 3，单片机测频率最多误差一个脉冲，所以用单片机测频率引起的误差在百分之一以下。

在电路中选用双刀双置开关来转换量程,这样就比使用4066电路更简单。也无须考虑由于4066的几十欧的阻抗对测量精度的影响。不过比它没有使用4066那样方便。4066可以通过单片机的软件自动切换量程。而使用双刀双置开关来转换量程,它同过单片机的过量程指示,来提示当前的测量频率不在测量的范围之内,再同过手动切换。

由于转换量程是手动的,单片机并不知道量程的转换,计算结果必然有错,所以为解决这问题,设计了有一个运算放大器741它的同向输入端接在一档前端,接通是这一点的电压VCC,另一端接在556芯片的THR脚。这一脚的电压在1/3VCC~2/3VCC的电压，当接通时运放有一个高电压输出，为了与单片机的电压匹配,接了两个电阻分压。

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2.3 测CX的RC振荡电路

测量电容的振荡电路与测量电阻的振荡电路完全一样。其电路图如图2.3.1所示：

图2.3.1 测量电容的电路 Fig.2.3.1 Capacitance measuring circuit

若R10=R11或者R12=R13,则

两个量程的取值分别为： 第一量程：R10=R11=510Ω ； 第一量程：R12=R13 =10K ；

其分析过程如测量电阻的方法一样,这里就不在赘述了。

f

1

3(ln2)RCX

(2.14）

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2.4 测LX的电容三点式振荡电路

电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的,如图2.4.1所示,三点式电路是指：LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的,另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，成为电容三点式电路。在这个电容三点式振荡电路中，C4 、C5分别采用1000pF、2200pF的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略[2]。

图2.4.1 测量电感的电路

Fig.2.4.1 Measurement of inductance circuit

振荡公式：

f

其中：

C

C4C5

C4 C5

则电感的感抗为：

(2.15)

(2.16)

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L

1

4 2f2C

(2.17)

在测量电感的时候，发现电感起振频率非常的高，大致到达3MHz左右，而单片机的最大计数频率大约为500KHz，在频率方面达不到测量电感频率，于是我们把测电感的电容三点式电路得出的频率经过由两片74LS160组成八位计数器作为分频电路对该频率进行分频，有300000028 11719，满足单片机计数要求。

2.5 单片机控制系统的硬件电路设计

2.5.1 单片机结构介绍

单片机通常是指芯片本身,在它上面集成是一些作为基本组成部分的运算器电路、控制器电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，如组成谐振电路和复位电路的石英晶体、电阻、电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。从中可以看到单片机和单片机系统的差别[3]。

AT89S52结构框图(如图2.5.1.1所示）：

图2.5.1 AT89S52结构方框图

图2.5.1.1 AT89S52结构框图 Fig.2.5.1 AT89S52 structure diagram

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2.5.2 AT89S52单片机的特点

主要性能：

(1)与MCS-51单片机产品兼容； (2)8K字节在系统可编程Flash存储器； (3)1000次擦写周期； (4)全静态操作：0Hz～33Hz； (5)三级加密程序存储器； (7)32个可编程I/O口线； (8)三个16位定时器/计数器； (9)八个中断源；

(10)全双工UART串行通道； (11)低功耗空闲和掉电模式； (12)掉电后中断可唤醒； (13)看门狗定时器； (14)双数据指针； (15)掉电标识符； (1)功能特征描述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

引脚功能： VCC：电源； GND：接地；

P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。

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P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)，具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

详见表2.5.2.1：

表2.5.2.1 P3口线的第二功能

P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR)时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送”1”。在使用8位地址(如MOVX @RI)访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：P3口是一个有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

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详见表2.5.2.2：

表2.5.2.2 P3 口线的第二功能

RST：复位输入,晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

PSEN：外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。

EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储

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