智能仪表综合训练设计计划书

内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 0 智能仪表综合训练设计计划书 第 1 章概述 题设计的目的 近年来 ,由于 (个人计算机 )优越的性价比和丰富的软件资源 ,己成为计算机应用的主流机种。而 1 系列单片机在工业控制系统中也越来越得到广泛的应用 ,它以价格低、功能全、体积小、抗干扰能力强、开发应用方便等特点己渗透到了各个应用领域。特别是利用其能直接进行全双工通讯的特点 ,在数据采集、智能仪器仪表、家用电器和过程控制中作为智能前沿机。 现代的实时监控系统和工业自动化领域中，串行通信技术是一种重要的数据传输首手段。在单片机应用系统中，作为下位 机核心器件的单片机往往只负责数据的采集和通信。现阶段，这种应用的核心便是数据通讯，它包括单片机和上位机之间、客户端和服务器之间的通信，而单片机和上位机之间的数据通信则是整个系统的基础。单片机和 的通信是通过单片机的串口和 串口之间的硬件连接实现的。 口通信 口的概念 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。大多数计算机包含两个基于串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多 容的设备也带有 。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设 备的数据。串口按位（ 送和接收字节。尽管比按字节（ 并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如 义并行通行状态时，规定设备线总常不得超过 20 米，并且任意两个设备间的长度不得超过 2 米；而对于串口而言，长度可达 1200 米 。 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 1 口通信的分类 计算机与外界的信息交换称为通信。通信的基本方式可分为并行通信和串行通信两种。 所谓并行通信是指数据的各位同时在多根数据线上发送或接收。串行通信是数据的各位在同一根数据线 上依次逐位发送或接收。串行通信按同步方式可分为异步通信和同步通信两种基本的通信方式。 1、 同步通信， 同步通信依靠同步字符保持通信同步。同步通信是由 1 2个同步字符和多字节数据位组成，同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据；多字节数据之间不允许有空隙，每位占用的时间相等；空闲位需发送同步字符。 同步通信是一种连续传送数据的通信方式，一次通信传送多个字符数据，称为一帧信息。数据传输速率较高，通常可达 56000更高。其缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格同步。 典型的同步通信数据帧格式如下所示： 同 步字符 1 同步字符 2 连续数据 校验信息 1 校验信息 2 2、 异步通信，在异步通信中，数据通常是以字符或字节为单位组成数据帧进行传送的。收、发端各有一套彼此独立，互不同步的通信机构，由于收发数据的帧格式相同，因此可以相互识别接收到的数据信息。 异步通信依靠起始位、停止位保持通信同步。它的数据传送按帧传输，一帧数据包含起始位、数据位、校验位和停止位。 异步通信对硬件要求较低，实现起来比较简单、灵活，适用于数据的随机发送 /接收，但因每个字节都要建立一次同步，即每个字符都要额外附加两位，所以工作速度较低，在单 片机中主要采用异步通信方式。 串行通信波特率 波特率 指每秒传输数据的位数，即： 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 2 1波特 = 1位 /秒（ 1 波特率的倒数即为每位传输所需的时间。 相互通信的甲乙双方必须具有相同的波特率，否则无法成功地完成串行数据通信。 串行通信的工作方式 串行通信按照数据传送方向可分为三种制式： 1、单工制式（ 单工制式是指甲乙双方通信时只能单向传送数据，发送方和接收方固定。 2、半双工制式（ 半双工制式是指通信双方都具有发送器和接收 器，既可发送也可接收，但不能同时接收和发送，发送时不能接收，接收时不能发送。 3、全双工制式（ 全双工制式是指通信双方均设有发送器和接收器，并且信道划分为发送信道和接收信道，因此全双工制式可实现甲乙双方同时发送和接收数据，发送时能接收，接收时也能发送。 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 3 串行通信虽然有其自身优点：如适合长距离通信，有一定的纠错能力等，但并行通信在短距离 (数米范围内 )传输过程中的优点是显而易见的。首先串行通信时要设置串口数据，如：串口号 (者其他串口 )、波特率、数据位数、停止位 、校验位等等。而且单片机与 的串口数据必须一一对等，否则不能传输。而并行传输时，无需上述过程。其次， 的串口电平值为 +12V片机是 平 (0+5V)，两者必须要经过电平转换芯片进行电平间的转换。而进行并行传输时，由于双方都是 平，所以 并口可以与单片机或其他芯片直接相连；另外，串行传输速度慢，每次只能传送一位，而并行每次可以传送 8 位，速度上的差异显而易见。 而对于单片机，串口 (最常用的端口，尤其对于存在两个或多个串口的单片机来说，充分利用串口进行通信是非常重 要的。 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 4 第 2 章 总体方案设计 片机的选用 片机有一个全双工的串行通讯口 用其 内部有 2个物理上完全独立的接收、发送缓冲器 同时发送和接收数据。所以单片机和 片机串口有 3条引线 :送数据 ),收数据 )和 号地 )。 图 29脚图管脚图 18： I/ 9：复位脚（ 1017： I/ 1， 主要是此引脚 ； 18、 19：晶振（ 18=19= 2128： I/ 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 5 29： 30： 31： 239： I/ 40： +5 平转换芯片 该产品是由德州仪器公司（ 出的一款兼容 于电脑串口 平是 10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是 平 0 +5v,是用来进行电平转换的 ,该器件包含 2 驱动器、 2 接收器和一个电压发生器电路提供 主要特点 1、单 52、 两个驱动器及两个接 3、 30V 输入电平 4、低电源电流：典型值是 8的 电平采用的是 送数据 )和 收数据 )来进行全双工通信的，它们的电平是 为了 设计利用 图 2换芯片电路 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 6 示的设计 方式。 静态显示方式是每一位字段码分别从控制口输出，保持不变直至 新。其特点是：编程较简单，但占用口线多，一般适用于显示位数较少的场合。 动态显示方式是在某一瞬时显示一位，依次循环扫描，轮流显示，由于人的视觉滞留效应，人们看到的是多位同时稳定显示。其特点是占用端线少，电路较简单，编程较复杂， 定时扫描刷新显示。一般适用于显示位数较多的场合。 本次采用的是 态显示方式， 用 74存器 来 驱动数码管 ,控制段码，单片机脚直接位选控制数码管 。 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 7 第 3 章 硬件设计 片机主机系统电路 单片机作为 整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、 时钟电路 、 复位电路 等组成。 为了简化电路、降低成本、提高可靠性，本系统采用 为主控制器，它是一款与 全兼容且内部自带有 4储器及 256元的芯片，因此可以不需另外扩展 静态 可以实现所需功能。 图 3片机主机系统图 钟电路 单片机的时钟信号用来提供单片机片内各 种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到 :内部振荡和外部振荡。 脚 于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如图 3简称晶振 )或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 8 一个自激振荡器并产生振 荡时钟脉冲。 该设计的晶振为 位电 路 为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使 从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要 可引起系统复位，但如果 脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入 /输出 (1/0)端口寄存器置为 栈指针 为 07H, 余的寄存器全部清 0，内部 系统上电时 内容是不定的。复位操 作有两种情况，即上电复位和手动 (开关 )复位。本系统采用上电复位方式。图 3 成上电复位电路，其值00K, 0 F。 键输入电路 本次设计利用了四个独立的按键，采用中断方式完成系统的输入，其中一个加一按键，一个减一按键，一个发送按键，一个位选按键。当某一个键按下时显示为低电平，通过对该键进行相应的编程最终信号由 示出来。 图 按键原理图 示电路设计 本设计采用的是 态显示， 用 74存器作为数码管的驱动电路 ,对于内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 9 数据有锁存功能 ,当锁存端 11 脚为低电平 时 ,上一次输入的数据在输出端仍然保持 ,无论输入端输入什么数据都不变 ,当为高电平 时 相当于导线输入是什么 ,输出就是什么。 4述 74一款高速 件， 74脚兼容低功耗肖特基 列。 74含八路 D 型透明锁存器，每个锁存器具有独立的 D 型输入，以及适用于面向总线的应用的三态输出。所有锁存器共用一个锁存使能（ 和一个输出使能（ 。 当 据从 此条件下，锁存器进入透明 模式，也就是说，锁存器的输出状态将会随着对应的 D 输入每次的变化而改变。当 低时，锁存器将存储 到 当 8个锁存器的内容可被正常输出；当 出进入高阻态。 图 274脚 4性 输入输出分布在芯片封装的两侧，为微处理器提供简便的接口 用于微控制器和微型计算机的输入输出口 三态正相输出，用于面向总线的应用 共用三态输出使能端 逻辑功能与 7474 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 10 遵循 000 V 00 V 温度范围 ： +85 +125 统硬件原理图的绘制 介 E 的功能共分 5 个模块，分别是原理图设计、 计（包含信号完整性分析）、自动布线、原理图混合信号仿真、 计。 两大部分组成：电路原理图设计（ 多层印刷电路板设 计（ 其中 两部分组成：电路图编辑器（ 元件库编辑器（ E 采用了 “*数据库格式保存文件，所有与同一设计相关的原理图文件、印制电路板文件、各种报表文件都可以在同一个 “* 数据库中并存，对于集体开发和文件的管理很方便。 1、电路原理图编辑器（ 使用 进入 在 通过右键 “建立 “文件，打开后即可进行电路原理图的编辑。先按照已画好的电路草图将所有元件找到拖放到编辑框里。将编辑框缩小，将元件照电路的样子搭好，整体上排列匀称。接下来就可以进行局部的连线了。或者可以先将电路的各个模块先搭好，再通过框定各模块平移组合成完整的电路，取消框定要通过 用鼠标框定以前选中的模块，就可以解除，表现为模块由黄色变成普通颜色 。 对某个工程的操作是对一个数据库的操作，因此不 同的数据库会在不同的窗口中打开，通过最小化可看高各个数据库的窗口。 2、 原理图元件库编辑器（ 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 11 虽然 身包含了庞大的元件库，但在实际应用中总会遇到找不到元件的情况，这时就需要根据元件资料自己动手在元件库中制作这个元件。还有一种情况是各种元件分散在各个公司的元件库中，不便与使用，所以要把常用元件集中到一个元件库中，这就要自己动手制作，将经常用到的元件复制到这个元件库中，方便以后的使用。 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 12 第 4 章 软件设计 51 语言 单片机 言是由 C 语言继承而来的。和 C 语言不同的是， 言运行于单片机平台，而 C 语言则运行于普通的桌面平台。 言具有 C 语言结构清晰的优点，便于学习，同时具有汇编语言的硬件操作能力。对于具有 C 语言编程基础的读者，能够轻松地掌握单片机 言的程序设计。 言的特点： 单片机 言兼备高级语言与低级语言的优点。 语法结构和标准 C 语言基本一致，语言简洁，便于学习。 运行于单片机平台，支持的微处理器种类繁多，可移植性好。对于兼容的 8051系列单片机，只要将一个硬件型 号下的程序稍加修改，甚至不加改变，就可移植到另一个不同型号的单片机中运行。 具有高级语言的特点，尽量减少底层硬件寄存器的操作。 单片机 言提供了完备的数据类型、运算符及函数供使用。 言是一种结构化程序设计语言，可以使用一对花括号“ ”将一系列语句组合成一个复合语句，程序结构清晰明了。 言代码执行的效率方面十分接近汇编语言，且比汇编语言的程序易于理解，便于代码共享。 本次设计应用的是 言进行的编程。 程序流程图 主程序在初始化串口，显示单元清零之后，便开始等待按键按下 ，当 按下时，位选码就加一，如果初始位置为个位，此时选中十位，以此类推，当位选码大于3时，将其重置为 0。当按下 此时的位选是个位则对个位加一，若为十位则对十位加一，以此类推，当显示的数值为 9时，如果再加一，现实的数据将会从 0开始重新计数。当 按下时，若此时位选为个位，则对个位减一，若为十位则对十位减一，以此类推，当显示的数值为 0时，如果再减一，现实的数据将会从 9开始内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 13 重新计数。当 按下时，就将前面的个十百千位的数值传送出去。当有串行中断来临时，就执行中断程序，将接收的数据通过显示程序在 开 始显 示 单 元 清 零串 口 初 始 化延 时有 键 按 下吗 ？接 收 模 块按 键 发 送 数 据显 示 模 块结 束程序流程图 程序设计 口初始化 如图 4示为本次课程设计的串口初始化流程图。 与单片机之间进行串口通信，首先要进行的就是串口的初始化。 串口的工作方式通过写 制寄存器0行允许接收。 一个自动重装初值的八位定时器。随后将用初值计算公式计算出初值为 0载入定时器 1，然后开放串口中断，允许定时器 1 工作，最 后开总中断，就此完成了串口的初始化。 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 14 设 置 串 口 控 制 寄 存器 S C O 定 时 器 控 制 寄存 器 T M O 器 初 值 T H 1 ，T L 1开 串 行 口 中 断启 动 定 时 器 1开 总 中 断结 束图 4口初始化流程图 收子程序 当 有数据传来时，引起串行中断，随即执行中断程序，通过查询接收标志位 定串行中断，手动清零 后将接收缓冲器里的数据转存入内存中，调用显示程序，动态显示在 程序流程图如 4 R I = 1 ？存 储 缓 冲 区 数 据 数 据返 回受子程序流程图 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 15 送子程序 当发送按键按下后，就会将数据 放入缓存器中，查询发送中断标志位 1”，则发送完成；然后手动将 零。 待 发 送 的 数 据 写 入缓 冲 区T I = 0 ？显 示 数 据送子程序 示子程序 本次设计的显示是采用的四个 动态显示方式， 573 锁存器控制段码，单片机引脚直接位选控制数码管。在显示开始的时候，会先给四个 行清零操作，以确保数据的正常显示。另外每送入一位数据，将会进行一毫秒的延时操作，然后再送下一位数据。如图 4是显示模块的流程图。 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 16 清 零查 表 取 得 段 码送 入 第 一 位 数 据延 时 一 毫 秒送 入 第 二 位 数 据延 时 一 毫 秒送 入 第 三 位 数 据延 时 一 毫 秒送 入 第 四 位 数 据延 时 一 毫 秒返 回图 4示子程序流程图 时子程序 实现延时通常有两种方法：一种是硬件延时，要用到定时器 /计数器，这种方法可以提高 能做到精确延时；另一种是软件延时，这种方法主要采用循环体进行。 本设计采用的是软件延时，具体的程序参见附录 2. 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 17 第 5 章 设计心得 经过了七周的智能仪表课程设计，我觉得我的收获挺多的。 对于 这次 的 课程设计 ， 在我看来不仅仅是单纯的 对 单片机 知识 的应用 ， 而是多学科多领域的综合设计 。 做完这次 的课程 设计 ， 我 深刻的 体会 到 做这个 设计不是光靠学好单片机这一门课就可以的 。 在这个课程项目的设计过程中 ， 我们充分体会到了要全面发展 ， 各个学科都要学好 ， 知识的全面性很重要 。 比如在编写程序时 ， 我们就明显感觉到了 C 语言的基础不够扎实 ， 当初学 C 语言的时候并没有意识到它的重要性 ，而当我们真正开始做设计的时候才发现一个课程的项目设计是需要其他许多项目来给它做基础的 。 还有就是对待问题的态度上，遇到不懂的问题一定要虚心向别人请教，一定要有耐心。比如这次的设计中，在画原理图时，由于粗心，出现了很多错误，但在老师和同学的帮助下一一改正了。学习知识一定要扎扎实实 的一步一步走，走捷径、一步登天的想法是万万不能的。编程时，出现了很多小错误，甚至有时从流程上就走不通，我们不断的进行修改和测试，逐步完善整个程序。只有耐心、细致的工作，才使得整个程序越来越完善。 当然，我们的设计还有很多需要改进的地方，我们想在日后通过老师的指导、同学的帮助下，逐步使这个设计更加完美、成熟起来。 内蒙古科技大学本科生智能仪表课程设计说明书 18 参考文献 1 胡汉才单片机原理及其接口技术清华大学出版社， 2004 2 吴飞青等单片机原理与应用实践指导机械工业出版社 3 李建忠 原理与应用（第二版） 4 李朝青 明修订版） 京航天航空大学出版社，1998 5 李广弟 M京航天航空大学出版社， 1994 6 阎石 三版） 等教育出版社， 1989 7 廖常初 J1999 8 周良权，傅恩锡，李世馨 二版） 京高等教育出版社， 2001.9 李干林 . 验仪