无线数据采集器

1 无线数据采集器 摘 要 ： 在电子高科技技术高速发展的今天，很多电子产品应运而生。 简易 数 字 电 压 表 是一 种 实 时 测试电 压变 化 量 的 数 码 智 能 产 品 。 该 系统由 AT89C51 单 片 机 系 统 、 A/D转 换 模 块 、 LCD 显示模 块 、 电 源模 块 、 量程 选 择 模 块组 成 。 该系 统 能 完成 电 压 量 的 采 集 、 A/D转换 、 自 动 量 程 切 换 、 实时 显 示 采 集 到 电压 量等 功 能 。 该 系 统 成 本 低， 功 能 实 用 ，性 能可靠 ，使用 方便， 功 耗低，很受市场的欢迎和青睐。 关 键 词 ： AT89C51 量程控制转换 液晶显示 A/D转 换 GPRS 1、 引言 在当今的数字时代，从大到空间雷达，地球 卫星定位系统，移动通信，计算机，医用断层扫描设备，小到家用计算机，数码影像设备，数字录音笔，数码微波炉等设备中，数字技术与数字电路组成的数字系统已经成为这些现代电子系统的重要组成部分。 数字电压表正进入一个蓬勃发展的新时期，一方面它开拓了电子测量领域的先河，另一方面它本身正朝着高准确度、智能化、低成本的方向发展。此外，数字电压表在安装工艺、外观设计、安全性、可靠性等方面也在不断改进，日臻完善。 社会科学技术高速发展，电子技术日新月异，随之而来的电子产品更是如雨后春笋，它们很好的服务于人们的生活和生产。信息化时代 人们离不开电子产品，并且对电子产品的要求也越来越高。数字电 压 表的 应 用很 广 泛，它 在 水 电 行 业 ， 教学领域以及人 日常 生 活 中 都拥有很广阔的市场 。 单片微型计算机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，把单片机应用于温度控制中，采用 单片机 做主控单元，无触点控制，可完成对 电压 采集和控制的要求。所以广泛应用于 电子 仪表、家用电器、节能装置、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。 数据采集系统就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数根进行显示，以便文现对某些物理量的监视。由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有以下几方面的功能 :数据采集、模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处 理、屏幕显示、人机联系。 数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是将连续的模拟量，如直流电压，转换成不连续的离散的数字形式，并在液晶显示器上显示出来。这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字万用表的内部核心部件是 A/D 转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字万用表的准确度，本文 A/D 转换器采用 ADC0809 对输入模拟信号进行转换，控制核心 AT89C51 再对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号。 本论文对 无线 数据采集器的主控单元进行 分析 与构建，为数据采集器的其它部件设计提 供开发与控制平台。主控单元犹如嵌入到自动 电压 测 量 系统中的微型计算机，是整个采集系统的控制与运行核心，其性能的好坏直接决定数据采集器功能的多寡和性能的优异。随之后 PC 时代的到来， 单片机 系统已经广泛地渗透到大众生活，是继 IT 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。 单片机 系统 是以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 2、方案论证 2 1、主 控制部分的选择 2 方案一： AT89C51内部含 Flash存储器 ,因此在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改 ,这就大大缩短了系统的开发周期。同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响到信息的保存。和 80C51插座兼容， AT89C51单片机的引脚是和 80C51一样的，所以，当用 AT89C51单片机取代 80C51时，可以直接进行代换。这时，不管采用 40引脚亦或 44引脚的产品，只要用相同引脚的 89系列单片机取代 80C51的单片机即可。 AT89C51单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。错误编程 亦无废品产生，一般的 OTP产品，一旦错误编程就成了废品。而 AT89C51单片机内部采用了 Flash存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。可进行反复系统试验用 AT89C51单片机设计的系统，可以反复进行系统试验；每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统不断能追随用户的最新要求。 方案二： 应 用 ICL7107 集成芯 片 制 作 的方案 。 ICL7107 是一块应用非常广泛的集成电 路 。 它 包含 3 1/2 位数字 A/D 转 换 器 ， 可直 接驱动 LED 数 码 管 ， 内部 设 有 参 考 电 压 、 独立模 拟 开 关 、 逻辑 控 制 、 显示 驱 动 、 自动 调 零 功 能 等 。 ICL7107 是 一 种 制 作 数 字 电 压 表典 型 的 应 用 电 路 。 由于 该 集 成 芯 片 在 使 用 上 有 一 定 的 局 限 性 ， 不可 编 程 故 不 能 实 现 功 能拓 展 ， 无 法 满 足 作 品 的 设 计 要 求。 综 合 以 上二种 方 案 分 析 ，采用 AT89C51作 为 主 控 制 系 统 ， 其性价比最高。 2.2、 显示器的选择 方案一：采用 LED 数码管显示。采用 ZLG7289 接口接 LED 显示更方便、可靠，但是设计要求能显示输出信号的类型、测量值，这样用 LED 显示就显得不是那么直观，不 具有现实应用仪表的那种人性化界面，而且 LED 数码管功耗较大，不符合仪器仪表节能的要求。 方案二：采用 LCD 显示。即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。对于相同尺寸的显示器来说，液晶显示器的可视面积要更大一些，而且液晶显示器更容易在小面积屏幕上实现高分辨率，液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目的，即使屏幕加大，它的体积也不会成正比的增加，而且在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 LCD 占用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，应用范围广， 画面效果好，显示质量高，降低视觉疲劳，而且液晶显示器都是数字式的接口，体积小，应用方便，显示内容的范围广，完全可以满足我们人性化界面显示的要求，而且有很大的发挥余地。 综合考虑两种方案，方案二结构简单，更符合仪器制作的要求，使用非常的方便，所以采用方案二。 2.3、直流稳压源的选择 方案一：采用串联型稳压电路。其具有稳压性能好，输出纹波电压小，成本低等优点，并且其性能安全可靠，维护简单，适用于小功率电源中，当前正被广泛采用。 方案二：采用开关型稳压电源。开关电源是通过改变开关调整管的导通时间与导通截止变化周 期的比值来调整输出电压的，具有效率高、体积小、重量轻的优点。在但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。 综上所述，方案一电路结构简单，容易实现，适用于小功率电源中，因此采用方案一。 3 2.4、 按键方案的选择 方案一：采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根 I/O 接口线 ,每个 I/O 口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。优点为电路设计简单，且编程极其容易，缺点为当按键较多时， I/O 口线浪费较大。 方案二：采用矩阵式键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，缺点为电路复杂编程难，优点是当按键较多时可降低占用单片机的 I/O 口数目，节省硬件资源。 综合考虑这二种方案及题目要求，故选择方案一。 2.5、量程转换控制的选择 方案一 ： CD4051 是单 8 通道数字控制模拟 电子 开关 ，有三个二进控制输入端 A、 B、C和 INH 输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为 4.5 20V 的数字信号可控制峰值至 20V 的模拟信号。 CD4051 相当于一个单刀八掷开关 ， 开关接通哪一通道，由输入的 3位地址码 ABC 来决定 ， 具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。 方案二： CD4052 是一个差分 4 通道数字控制模拟开关，有 A、 B 两个二进制控制输入端和 INH 输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为 4.5 20V 的数字信号可控制峰峰值至 20V 的模拟信号。二位二进制输入信号选通 4 对通道中的一通道，可连接该输入至输出。 综合两种方案考虑，方案一 是单 8 通道数字控制模拟 电子 开关 ，更加符合本设计，故采用方案一。 2.6、 A/D 转换器的选择 方案一：采用双积分 A/D 转换器 MC14433，它有多路调制的 BCD 码输出端和超量程输出端，采用动态扫描显示，便 于实现自动控制。但芯片只能完成 A/D 转换功能，要实现显示功能还需配合其它驱动芯片等，使得整部分硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和 实 际 焊 接 的 工 作。 方案二：采用 A/D 转 换 芯片 ADC0809。 ADC0809 是一块 8 路 8 位模数转 换 芯片，将模拟电路和数字电路集成在一个有 28 个功能端的电路内，包含了 A/D 转换 ,逻辑控制 , 译码驱动等电路 ， 其转换时间为 100 S 左右，符合作品 8路采集要求且电路设计简单，电 路板 布 线 不 复 杂 ， 便 于 焊 接 、 调 试 。 综 上 所 述， 故采 用 方 案 二。 2.7、无线通信模块选择 方 案一： DTD433M既可以实现点对点通信，也适合于点对多点而且分散不便于挖沟布线等应用场合，不需要编写程序，不需要布线。 DTD433M不仅能与 PLC、 DCS、智能仪表及传感器等设备组成无线测控系统，同时能与组态软件、人机界面、触摸屏、测控终端等工控产品实现自由协议、 PPI协议、 MODBUS协议的组态，为工业测控领域提供了中短距离无线通信的低成本解决方案。 方案二： 内嵌 TCP/IP协议的 GPRS模块 LT8030，在 8位微控制器 AT89C51上实现了对LT8030的控制，并实现了基于 GPRS的 SOCKET通信 功能，具有外围器件少、电路简单、系统成本低等优点 。 根据实际情况采用方案二。 根据以上分析，我们确定了本系统的结构框图。它有数控部分、键盘控制和 LCD 显示模块、电压采集部分、 GPRS 部分、 AD转换部分、量程选择部分以及稳压电源模块等部分组成。 被测电压 输入电路 A/D 转换器 4 电路中，电压通过输入电路经过量程转换，模拟电压信号从 ADC0809 的 IN0（第 26脚）输入，采用 AT89C51 的 P0 口读取 A/D 转换数据， LCD 液晶显示用动态显示连接，通过总线用 P0 口 控制显示数据，用 P1.5、 P1.6、 P1.7 分别作为 LCD 的 E、 R/W、 RS。其中E 是下降沿触发的片选信号， R/W 是读写信号， RS 是寄存器选择信号 。 P2.4P2.7 控制一个四个按键的独立键盘，而 RXD/P3.0 与 TXD/P3.1 分别接串行通信 MAX232 的 R1OUT与 T1IN，而 R1IN 与 T1OUT 接 GPRS 模块，经过转换后的电压信号通过 GPRS 模块发射至PC机从而实现本设计。 3、 硬件设计 3.3.1、主控制部分： 数控部分主要由数字电路组成，它要完成键盘控制、液晶显示控制、量程转换等相应功能。 AT89C51单片机最小系统包括了时钟电路、复位电路、片外数据存储器 RAM62256、地址锁存器 74LS573 等。系统提供了键盘控制电路、液晶显示模块、 AD 转换等众多外围器件和设备接口。 在 AT89C51 引脚 X1 和 X2跨接晶振 Y1 和微调电容 C3、 C2 构成了时钟电路。默认值是 12MHz。系统时钟的脉冲有它提供。 系统板采用上电自动复位和按键手动复位方式。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在接通电源的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作 使单 片机复位，上电自动复位通过外部复位电容 C3 充电来实现。按键手动复位是通过复位端经复位电阻和 VCC 接通而实现的。 系统核心单片机部分 -闪电存储器型器件 AT89C51 电源电路 图 1 主 要 单 元 电 路 的 设 计 5 （ 1） 管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地 。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须 被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2口当用 于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4个 TTL 门电流。当 P3口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 在 AT89C51 中， P3 端口还用于一些专 门功能，这些兼用功能见表 1。 端口引脚 兼用功能 P3.0 RXD （串行输入口） P3.1 TXD （串行输出口） P3.2 /INT0 （外部中断 0） P3.3 /INT1 （外部中断 1） P3.4 T0 （定时器 0 的外部输入） P3.5 T1 （定时器 1 的外部输入） P3.6 /WR （外部数据存储器写选通） P3.7 /RD （外部数据存储器读选通） 图 2 AT89C51 引脚图 表 1 AT89C51 的 P3 端口兼用功能 6 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，该引 脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现 。 /EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）。 XTAL1： 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 （ 2） 振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。有余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，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 （ 3） 芯片擦除： 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中， 代码阵列全被写“ 1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.2、显示电路 3.2.1、 LCD-1602 介绍 LCD 显示器分为字段显示和字符显示两种。其中字段显示与 LED 显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显 示是根据需要显示基本字符。本设计采用的是字符型显示。 系统中采用 LCD1602 作为显示器件输出信息。与传统的 LED 数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。 LCD1602 可以显示 2行 16 个汉字。 7 （ 1） LCD1602 接口 ： 第 1脚： VSS 为电源地。 第 2脚： VCC 接 5V 电源正极。 第 3脚： V0 为液晶显示器对比度调整端，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 为寄存器选择，高电平 1时选择数据寄存器、低电平 0时选择指令寄存器。 第 5脚： RW 为读写信号线，高电平 (1)时进行读操作，低电平 (0)时进行写操作。 第 6 脚： E(或 EN)端为使能 (enable)端 ,高电平（ 1）时读取信息，负跳变时执行指令。 第 7 14 脚： D0 D7为 8 位双向数据端。 第 15 16 脚：空脚或背灯电源。 15脚背光正极， 16 脚背光负极。 （ 2） 特性： 3.3V 或 5V 工作电压，对比度可调。 内含复位电路。 提供各种控制命令 ,如：清屏、字 符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。 有 80字节显示数据存储器 DDRAM。 内建有 192 个 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM。 8个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器 CGRAM。 关于 E=H 脉冲 开始时初始化 E 为 0，然后置 E 为 1。 （ 3） 字符集 ： 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（ CGROM)已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“ A”的代码是 01000001B（ 41H），显示时模 块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“ A”。 因为 1602 识别的是 ASCII 码，试验可以用 ASCII 码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如 A。 （ 4） LCD1602 自定义显示字符的方式共四步 ,如下面所示 : 1)设置向 CGRAM 中存入这个数据 .初始地址是 0x40。然后存一位向后加 8,总共能存8位自定义的字符。 2)然后可以把自定义的数据送入到 LCD 的 CGRAM 中。 3)向 LCD 写指令 ,送入需要显示数据的地址。 4)向 LCD 写指令 ,把显示的数据指向 LCD 的 CGRAM 存 储的位置，显示出自定义字符。 （ 5） LCD 有四种基本操作 ， 具体如表所示 。 图 3 LCD 引脚图 8 1） 读状态字 ： 执行读状态字操作，满足 RS=0， R/W=1。根据管脚功能，当为有效电平时，状态命令字可从 LCD 模块传输到数据总线。同时可以保持一段时间，从而实现读状态字的功能。 命令字 ： 其主要介绍了指令名称、控制信号及控 制代码。其指令名称是指要实现的功能；控制代号是采用的十六进制的数值表示的。 1.清零操作是指输入某命令字后即能将整个屏幕显示的内容全部清除； 2.归 home 位：将光标送到初始位；其中的号为任意，高低电平均可； 3.输入方式：设光标移动方向并指定整体显示，是否移动。 I/D=0：减量方式， S=1：移位方式， S=0：不移位； 4.显示状态： D 指设置整体显示开关； C指设置光标显示开关； B 指设置光标的字符闪耀； 5.光标画面滚动： R/L 指右移或左移； S/C 指移动总体或光标； 6.功能设置： DL 接口数位， L 指显示行数 ， F 显示字型；如 DL=1： 8位 =0， 4 位 N=1：2行 =0： 1行， G=1： 5 10=0： 5 7(点阵 )； 7.CGRAM 地址设制：相当于一个数据库，可以在其中选择所需要的符号； 8.DDRAM 地址设制：显示定位； 9.读 BF 和 AC： B为最高位忙的标志， F为标志位； 10.写数据：将数据按要求写入到对应的单元； 11.读数据：读相应单元内的数据； 2）写命令字 由表可知当 RS=0， R/W=0 时，才可以通过单片机或用户指令把数据写到 LCD 模块，此时就对 LCD 进行调制。可采用查询方式：先读入状态字，再判断忙标志位 ，最后写命令字。 3）定义光标位置 显示数据的某位，就是把显示数据写在相应的 DDRAM 地址中， DDRAM 地址占 7位。光标定位，写入一个显示字符后， DDRAM 地址会自动加 1 或减 1，加或减由输入方式设置。第 1行 DDRAM 地址与第 2行 DDRAM 地址并不连续。 4） 指令集 指令码 功 能 令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 RS R/W 操作 0 0 写命令操作 (初始化，光标定位等 ) 0 1 读状态操作 (读忙标志位 ) 1 0 写数据操作 (要显示内容 ) 1 1 读数据操作 (可以把显示存储区中的数据反读出来 ) 表 2 LCD 四种基本操作 9 清除显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 将 DDRAM 填满 20H,并且设定 DDRAM 的地址 计数器 (AC)到 00H 地址归位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 X 设定 DDRAM 的地址计数器 (AC)到 00H,并且将游标移到开头原点位置 ;这个指令不改变 DDRAM 的内容 显示状态开/关 0 0 0 0 0 0 1 D C B D=1: 整体显示 ONC=1: 游标 ON B=1:游标位置反白允许 进入点设定 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 指定在数据的读取与写入时 ,设定游标的移动方向及指定显示的移位 游标或显示移位控制 0 0 0 0 0 1 S/C R/L X X 设定 游标的移动与显示的移位控制位 ;这个指令不改变 DDRAM 的内容 功能设定 0 0 0 0 1 DL X RE X X DL=0/1： 4/8位数据 RE=1: 扩充指令操作RE=0: 基本指令操作 设定 CGRAM地址 0 0 0 1 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 设定 CGRAM 地址 设定 DDRAM地址 0 0 1 0 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 设定 DDRAM 地址（显示位址）第一行： 80H 87H 第二行： 90H 97H 读取忙标志和地址 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 读取忙标志 (BF)可以确认内部动作是否完成 ,同时可以读出地址计数器 (AC)的值 写数据到RAM 1 0 数据 将数据 D7 D0 写 入 到 内 部 的 RAM (DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM) 读出 RAM 的值 1 1 数据 从内部 RAM 读 取 数 据 D7 D0(DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM) 5） LCD 初始化 从通电开始延时，先经过判忙后再进行功能设置，过一段时间后可以设制显示状态（如设制行、位或阵列）再经过延时清屏后才可以 设置输入方式。 表 3 指令集 10 3.2.2、 LCD-1602 与 AT89C51 的接口 如图所示：用 AT89C51 的 P0口作为数据线，用 P1.5、 P1.6、 P1.7 分别作为 LCD 的E、 R/W、 RS。其中 E 是下降沿触发的片选信号， R/W 是读写信号， RS 是寄存器选择信号 。 本模块设计要点如下：显示模块初始化：首先清屏，再设置接口数据位为 8 位，显示行数为 1 行，字型为 5 7点阵，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁 ,最后设置为正向增量方式且不移位。向 LCD 的与显示缓冲区中送字符，程序中采用 2个字符数组，一个显示字符，另一个显 示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示 .首先取一个要显示的字符或数据送到 LCD 的显示缓冲区，程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。 8V 到 15V 再经 RXD 输出，接收时由 RXD 输入，把 -8V 到 -15V 电位转换为 5V， 8V 到15V 转换为 0V。 MAX232 的工作电压只需 5V，内部有振荡电路产生正负 9V 电位。 3.3、稳压电源部分 电子系统 (如电视接收机、 VCD 机、组合音响等 )都要求用稳定的直流电源，而日常生活中使用的都是 220V 交流电源， 因此，需将交流电变换成直流电。将交流电压变换成直流电压并使之稳定的设备就是直流稳压电源。直流稳压电源一般由电源变压器 、整 流电路、滤波电路和稳压电路组成。其基本原理框图如下： 稳压电路是直流稳压电源的核心，因为整流滤波后的电压虽然已是直流电压，但它还是随输入电网的波动而变化，是一种电压值不稳定的直流电压，而且纹波系数也较大，所以必须加入稳压电路才能输出稳定的直流电压。最简单的稳压电路是由一只电阻和稳压管组成，它适用于电压值固定不变，而且负载电流变化 较小的场合 早期的稳压电路电源 变压器 滤波电路 整流电路 u1 220V uR uf u2 稳压 电路 uo 图 4 LCD-1602 与 AT89C51 连接 图 5 稳压电源基本原理框图 11 常用稳压管和三极管等组成。由于电路不够简单和功能不强等原因，现已使用很少。随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件，由于集成稳压器具有体积小、成本低 、性能好 、工作可靠性高、外电路简单、使用方便、功能强等优点，现己广泛应用 。本设计时将要求采用集成稳压器进行稳压。 供电部分输入 220V、 50HZ 的交流，输出全机所需的四种电压：、 +5V、 +12V、 -12V。电路原理图如下图。 T1T R A N S 5T2C 112200uFC 152200uFC 120.3 3u FC 160.3 3u FC 130.1 uFC 170.1 uFC 14100uFC 18100uFAC1V+2AC3V-4D2AC1V+3AC2V-4D1B R I D G E 1C 212200uFC 220.3 3u FC 230.1 uFC 2447uFV in1GND2+ 5V3U97805V in1GND2+ 12 V3U77812V in2GND1- 12 V3U87912+ 15 V- 15 V+ 5V整流部分主要采用桥式电路，即由四个二极管交叉而成 ，其原理就是保证变压器副边电压到的整个整个 周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。具有变压器利用率高、脉动小的优点。 但使用二极管时应注意以下问题： 最大整流电路 If 指二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。若使用时超过此值，有可能烧坏二极管。 最高反向工作电压 Urm 指允许施加在二极管两端的最大方向电压通常为击穿电压的一半。 反向电流 Ir 指二极管未击穿时的反向电流值 。 其值会随温度的升高而急剧增加 ， 其值越小，二极管的单向导电性越好。但是反向电流值会随温度的上升而显著增加。 最高工作频率 f指保证二极管单向导电时的最高导电频率。当工作频率超过其限度时， 二极管的单向导电性能就会变差。 其实桥式整流电路相当于理想二极管，即正偏时导通，电压降为零，相当于理想开关闭合；反偏时截止，电流为零，相当于理想开关断开。整流电路包括单向半波整流电路和桥式整流电路。半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，输出电压脉动大。因此，它只适用于要求不高的场合。为了克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路。整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以交流部分。此电路采用的是电容滤波电路，即在 桥式整流电路输出端与负载之间并联 一个大电容。原理如下： 在整流电路采用电容滤波后使二极管得到的时间缩短，由于电容 C 充电的瞬时电流图 6 稳压电源 12 较大，形成了浪涌电流，容易损坏二极管，故在选择二极管时，必须留有足够的电流裕量，以免烧坏。 稳压器采用 7800系列 和 7900 系列 ，属于三段固定输出集成稳压， 整流滤波后的直 流输入电压 U3 接在输入端和公共端之间，在输出端即可获得稳定的输出电压 Uo。为了抵消输入线较长带来的电感效应，防止自激，常在输入端接入电容（一 般 C 的容量为0.33uF）。同时，在输出端接电容 Co，以改善负载的瞬态响应和消除输出电压中的高频噪声， Co 的电容量一般为 0.1uF 至几十微法。两个电容直接接在集成稳压器的引脚处。 为了防止电流或电压过大用二极管并联稳压器，当电流、电压过大时二极管起到开关作 用对其进行保护。 采用 CW7812 三端集成稳压器和 CW7912 负电压输出集成稳压器各一块，即可获得12V 两组电源。 3.4、 A/D 转 换 模块 A/D 转换器用于实现模拟量向数字量的转换，由于模数转换电路的种类很多，选择 A/D 的转换器件主要从速度、 精度和价格方面考虑。目前最常用的是双积分式和逐次逼近式 A/D 转换器。双积分式 A/D 转换器的优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜；但转换速度较慢。因此这种转换器主要用于速度要求不高的场合。逐次逼近式 A/D 转换器是一种速度较快、精度较高的转换器，其转换时间大约在几微秒到微秒之间。该系统采用的模数转换器芯片为 ADC0809，该芯片为 8路模拟信号的分时采集 。 片内有 8 路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间 为 100 S 左右。 这就是 A/D 转换模块电路连接，之后的数据采集、通道 选择、量程选择、数据 处理 都由后续的程序编写来完成。 ADC0809和单片机的连接图，由 总 电路图可以看出 ADC0809的数据线 DO D7直接与单片机的总线 P0相连。我们只对通道 IN0输入的电压进行模数转换，时钟 CLK由单片机的 ALE取得。对于晶振为 12MHz的单片机 ALE输出为 2MHz的方波。但前面提到 ADC0809的时钟频率一般为 500KHz。最大能超过 1280KHz。但在实际应用中 2MHz的信号也可以使 ADC0809正常工作。 START、 ALE和 OE分别由单片机的 WR、 RD和 P2 0经或非门后接入 。这样主要是要满足 ADC0809的信号电平与时序的要求。 ADC0809通道一 IN0的口地址为 00FFH，用数据传送指令 MOVX送入 00H,已启动 IN0通道。 单片机在进行 A/D转换时 ,因为还要执行其他的程序，所以可以将 EOC接在单片机的中断上，这样当 A/D转换完后， EOC可以对单片机产生中断，使其读取 A/D转换的结果，这样可以提高单片机的使用效率。 3.4.1、 ADC0809 的 内部逻辑结构 13 图 中 多 路 开 关 可选通 8 个 模 拟 通 道 ， 允许 8 路 模 拟 量 分 时 输 入 ， 共 用一个 A/D 转 换器 进 行 转 换，这 是 种 经 济 的 多 路 采 集 方 法 。地 址 锁 存 与 译 码 电 路 完成对 A、 B、 C 3 个 地 址 进行锁存译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存 放、 输出 ， 因 此 可 以 直 接 与 系 统 数 据 总 线 。下 表为 通 道 选 择 表 3.4.2 、 ADC0809 引 脚功能 (1)ADC0809引脚图： 图 7 ADC0809 的 内 部 逻 辑 结 构 表 4 通道选择表 14 （ 2） ADC0809 芯片为 DIP-28， 其 主 要 信 号 引 脚 的 功 能 说 明 如 下： IN7 IN0 模 拟 量 输 入 通 道。 A、 B、 C 地 址 线 。 通道 端 口 选 择 线 ， A 为 低 地 址 ， C 为 高 地 址 ， 引脚 图中 ADDC、ADDB 和 ADDC。 其 地 址 状 态 与 通 道 对 应 关 系 见 表 3-6-1 ALE 地 址 锁 存 允 许 信 号 。对应 ALE 上 跳 沿 ， A、 B、 C 地 址 状 态 送 入 地 址 锁 存 器 中 。 START 转 换 启 动 信 号 。 START 上 升 沿 时 ， 复位 ADC0809； START 下 降 沿 时 启 动 芯 片 ， 开始 进行 A/D 转 换 ；在 A/D 转 换 期 间 ， START 应 保 持 低 电 平 。写为 ST。 D4 D0 数据输出线。为三态缓冲输出形式。可以和单片机的数据线直接相连 。 D0 为最 低 位 ， D7 为 最高。 OE 输 出 允 许 信 号 。 用于 控 制 三 态 门 输 出 锁 存 器 向 单 片 机 输 出 转 换 得 到 的 数 据 。OE=0， 输 出 数 据 线 呈 高 阻 ； OE=1， 输 出 转 换 所 得 到 的 数 据。 CLK 时钟信号 。 ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟 信 号 引 脚 。 通 常 使 用 频 率为 500KHZ 的 时 钟 信 号。 EOC 转 换 结 束 信 号 。EOC=0， 正 在 进 行 转 换 ； EOC=1， 转 换 结 束 。 使 用 中 该 状 态 信 号 即可 作 为 查 询 的 状 态 标志 ， 又 可 以 作 为 中 断 请 求 信 号 使 用。 VCC +5V 电 源 。 Vref 参 考 电 源 参 考 电 压 用 来 与 输 入 的 模 拟 信 号 进 行 比 较 ，作为 逐 次 逼 近 的 基 准 。 起 典 型 值 为 +5V Vref(+)=5V,Vref(-)=-5V。 3.4.3、 AT89C51与 ADC0809 接 口电路 接口电路的连接要涉及两个问题。一是 8 路模拟信号通道的选择，二是 A/D 转换完成后转 换 数 据 的 传 送 还 处 理 。 地址锁存端由 P0.0 控制 ， 8 路模拟选通地址为 0FEF8H0FEFFH。通道地址选择以 WR作写选通信号，把 ALE 信号与 STAET 信 号 接 在 一 起 这 样 使得 在 信 号 的 前 沿 写 入 （锁 存 ） 通道 地 址 ， 紧接 着 其 后 沿 就 启 动 转 换 。 这 就是 A/D 转 换 模 块电 路 连 接 ， 之后 的 数 据 采 集 、 通道 选 择 、 量程 选 择 、 数 据 处 理 都 由 后 续 的 程 序 编 写 来 完成。 图 8 ADC0809 引脚图 15 由于采集的是模拟信号，所以无法被单片机识别，因此必须通过模数转换电路，此次采用的是 ADC0809转换芯片， ADC0809是 CMOS单片型逐次逼近式 A/D转换器 ，内部结构如图 7所示，它由 8路模拟开关、 地址锁存 与 译码器 、 比较器 、 8位开关树型 A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。首先输入 3位地址，并使 ALE=1，将地址存入 地址锁存器 中。此地址经 译码 选通 8路模拟输入之一到 比较器 。 START上升沿将逐次逼近 寄存器 复位。下降沿启动 A/D转换，之后 EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到 A/D转换完成， EOC变为高电平，指示 A/D转换结束，结果数据已存入 锁存器 ，这个信号可用作中断申请。当 OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线 上。 3.5、 量 程 选 择 模块 单八路模拟开关 CD4051： CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的 3位地址码 ABC来决定。其真值表见表 1。“ INH”是禁止端，当“ INH” =1时，各通道均不接通。此外， CD4051还设有另外一个电源端 VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达 15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源 VDD= 5V， VSS=0V，当 VEE= 5V时，只要对此模拟开关 施加 0 5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为 5V 5V的模拟信号。 使用单电源时， CD4051的 VEE可以和 GND相连。强烈建议 A， B， C三路片选端要加上拉电阻。 CD4051的公共输出端不要加滤波电容（并联到地），否则不同通道转换后的电压经电容冲放电后会引起极大的误差。禁止输出端（ INH）为高电平时，所有输出切断，所以在应用时此端接地。作音频信号切换时，最好在输入输出端串入隔直电容。 输入状态 接通通道 INH C B A 图 10 CD4051 引脚 图 9 AT89C51 与 ADC0809 接 口电路 16 0 0 0 0 “ 0” 0 0 0 1 “ 1” 0 0 1 0 “ 2” 0 0 1 1 “ 3” 0 1 0 0 “ 4” 0 1 0 1 “ 5” 0 1 1 0 “ 6” 0 1 1 1 “ 7” 1 均不接通 CD4051 相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的 3 位地址码 ABC来决定。 “ INH”是禁止端，当 “ INH” =1 时，各通道均不接通。此外， CD4051 还设有另外一个电源端 VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS 电路所提供的数字信号能直接 控制这种多路开关，并使这种多路 . 如果在八个通道输入一模拟量，在输出端将输出什么 输入什么是自己设定。 数据采集部分，此部分通过专用的数据收集器，然后通过信号的放大，会进行模拟信号的初始放大，采用放大电路，模型为反相放大，这样会提高放大倍数，并且电路简单，较为实用， 反相器是 COMS 电路中的基本增益级，采用共源结构，负载可以是有源负载或者电流源 。 3.6、通信模块 图 11 CD4051 量程选择 R 10013114215312415562out /5v3vdd16ve e7vs s874C9B10A11U5P 1. 4 P 1. 3 P 1. 2+-+-74L SR9R E S 2R8R E S 2+5表 5 通道选择 17 C 1 9C4 C5C 1 8R 1 I N13T 2 I N10T 2 O U T7R 1 O U T12R 2 O U T9T 1 O U T14C11C 2 -3C24C 2 -5R 2 I N8T 1 I N11v- v+U4M A X 2 3 2V C CP 3 .1P 3 .0G N DR X DT X DG P R S3.6.1、 MAX232 （ 1） 引脚介绍： 第一部分是电荷泵电路。由 1、 2、 3、 4、 5、 6 脚和 4 只电容构成。功能是产生 +12v和 -12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14 脚构成两个数据通道。其中 13 脚（ R1IN）、 12 脚（ R1OUT）、 11 脚（ T1IN）、 14 脚（ T1OUT）为第一数据通道。 8脚（ R2IN）、 9脚（ R2OUT）、 10脚（ T2IN）、 7脚（ T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 11 引脚（ T1IN）、 10 引脚（ T2IN）输入转换成 RS-232 数据从 14脚（ T1OUT）、 7脚（ T2OUT）送到电脑 DB9 插头； DB9 插头的 RS-232 数据从 13 引脚（ R1IN）、8引脚（