基于单片机的通用测控系统的设计

i 本科学生 学年 论文 2017 年 4 月 24 日 论文题目： 单回路控制器的设计 学 院：电子工程学院 年 级：2014 级 专 业：自动化 姓 名：赵振豪 学 号： 20142579 指导教师：沈永良 ii 目录目录 摘要摘要.1 AbstractAbstract.1 前言前言.2 一、单片机最小系统一、单片机最小系统. .3 1 外部数据存储器扩展电路设计 3 2.晶振接口电路、复位电路设计 .4 3.掉电保护 5 二、键盘、显示扩展设计二、键盘、显示扩展设计.6 1.按键扩展.6 2.LED 显示器 .7 三、单片机串行口扩展设计三、单片机串行口扩展设计.8 1.MAX232 芯片 .8 四、模拟量与数字量相互转换设计四、模拟量与数字量相互转换设计.9 1.模拟输入及采样保持器电路设计 9 2.AD574 与单片机接口设计 .9 3.DAC1208 模拟电压输出电路 10 五、开关量输入输出电路设计五、开关量输入输出电路设计12 1.开关量的输入输出12 六、单片机系统中看门狗电路设计六、单片机系统中看门狗电路设计13 1.看门狗及复位电路13 结论结论13 参考文献参考文献14 - 1 - 摘要 意义：单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。 事实上单片机是世界上数量最多的计算机,现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械 产品中都会集成有单片机如：手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑 以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机，而个人电脑中也会有为数不少的单片机 在工作，汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单 片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算的综合，甚至比人类的数 量还要多。因此单片机地研究前景比较广阔。结合本专业选取 8051 单片机作为研究方 向。 内容：单片机最小系统中应用到的芯片、外设及接口电路等，通过扩展单片机 外设，包括单片机储存器、数模转换、模数转换、数码管显示模块和键盘输入模块， 并将软件设计和外围芯片结合来实现最小系统的功能；掌握单片机系统设计与实施的 一般原则，基本实现从理论到实践行动，巩固所学的知识；同时学会微机系统的硬件 和基础软件设计，学习硬件和软件系统的设计经验，以及基本的技能和调试。 成果： 单片机可靠性高、便于扩展、控制功能强、低电压、低功耗、片内存储量小、集成度 高、应用于社会生活的各个方面。 关键词 关键词：单片机；数模转换器；模数转换器；光电隔离；掉电保护；接口扩展 Abstract Meaning: the single chip processor is the most suitable for the embedded system, so it has the most application. In fact SCM is the worlds largest number of computers, modern human life in almost every piece of electronic and mechanical products will be integrated single chip such as: mobile phone, telephone, calculator, household appliances, electronic toys, palm - 2 - computers and computer accessories such as a mouse are equipped with 1-2 SCM and PC will also have a large number of SCM in the work, the general car with more than 40 SCM, complex industrial control systems may have even hundreds of SCM to work at the same time! SCM is not only far more than the number of PC machines and other computing, even more than the number of human. So the research prospect of single chip computer is quite broad. Combined with the professional selection of 8051 single chip as the research direction. Content: minimum system of microcontroller is applied to the chip, peripherals and interface circuit, by extending MCU peripherals, including SCM storage, digital to analog conversion, analog to digital conversion, digital tube display module and a keyboard input module and will software design and peripheral chips are combined to achieve the function of the minimum system; master MCU system design and implementation of the general principles, the basic realization of from theory to practice, consolidate the learned knowledge; and at the same time, learn the microcomputer system hardware and software design, learning experience in the design of hardware and software of the system, and the basic skills and debugging. Results: single chip with high reliability, easy extension, strong control function, low voltage, low power consumption, small chip storage, high integration and application in all aspects of social life. Key words Keywords: SCM; DAC; ADC; photoelectric isolation; power off protection; interface 前言前言 自从 1972 年 Intel 公司推出第一颗微处理器以来，计算机技术遵循着摩尔先生提出 的摩尔定律，以每 18 个月为一个周期微处理器性能提高一倍、价格降低一半的速度快 步向前发展。以微处理器为核心的微型计算机在最近 20 年中发生了巨大的变化，闪电 般地经历了从 8088/8086 到 286、386、486、586、P-、P-等奔腾(Pentium)系列众 多 CPU 的飞跃。计算机对整个社会进步的影响有目共睹，其应用面的迅速拓宽，对个 人与社会等多方面的渗透表明，计算机技术已不再是深踞于高层次科技领域里的宠儿， 它已经深入到社会活动的一切领域之中，闯进了平常百姓的生活里，使人们跨入了信 息时代 随着电子技术的发展和近代超大规模集成电路的出现，通过对计算机的功能 - 3 - 部件进行剪裁及优化，将 CPU、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、并行 I/O 口 (PIO)、串行 I/O 口(SIO)、定时/计数器(CTC)及中断控制器(ICU)等基本部件集成在一 块芯片中，制成了单芯片微型计算机(Single Chip microcomputer)，简称单片机，又叫 微控制器(Micro Controller Unit，简称 MCU)。由于它能嵌入到某个电路或电子产品设 备中，故被称为嵌入式控制器(Embedded Controller)。要把前面提到的众多功能集合在 一起，在过去需要具备专门的知识，采用许多电路组建成一个电子系统来实现。而今 却简化成只需选择一片合适的单片机，并对其已有的功能、指标、参数及引脚进行合 理的使用即可完成。 20 世纪 90 年代，单片机在我国迅速普及。在电子技术日新月异 的今天，在人们的生活里，到处都可以看到单片机的具体应用。单片机可以嵌入到各 种电子产品之中，成为机电产品的核心部件，控制着各种产品的工作。随着大规模集 成电路的发展，单片机已从过去的单一品种，发展成为多品种、多系列机型，内部结 构从过去的基本部件发展到集成有 A/D、D/A、监控定时器(WDT)、通信控制器(CCU)、 脉宽调制器(PWM)、浮点运算器(FPU)、模糊控制器(FCU)、数字信号处理器(DSP)， 以及具有 I2C、SPI、ISP 等众多特殊功能部件，成为功能越来越强的增强型、高档型 单片机。由于单片机具有功能强、体积小、功耗低、成本低、裸机编程、软件代码少、 工作可靠、自动化程度高、实时响应速度快以及使用方便等特点，因此被广泛应用于 工业制造、过程控制、数据采集、通信、智能化仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、 军工及消费类电子产品中。 现今，炙手可热的“三网”(即电信网、有线电视网、国际互联网)融合产品、物联 科技已开始兴起；在汽车中普遍都需要有 30 多个单片机被用于其中的空调、音响、仪 表盘、自动窗、遥控门、自控前后盖、空气质量监测、反射镜角度调整、自动灭火、 防盗报警等的控制，协调控制着发动机、传动器、制动器、安全气囊、车载全球定位 系统(GPS)等多方面有条不紊地工作；此外，还有工业自动化控制和军事科技等。这些 领域的应用开发都还存在许多技术问题尚要解决，这正是电子技术人员可以大展拳脚 的领域。 一、单片机最小系统一、单片机最小系统 1、外部数据存储器扩展电路设计、外部数据存储器扩展电路设计 - 4 - 2 2、晶振接口电路、复位电路设计、晶振接口电路、复位电路设计 晶振电路: 晶体振荡器简称晶振，典型的晶振取 11.0592MHz(因为可以准确地得到 9600 波特率和 19200 波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的 uS 级时歇,方 - 5 - 便定时操作)，为系统提供一个基本时钟信号，系统内通常公用一个时钟信号，便于各 部分同步，一般晶振振荡电路都是在一个反相器的两端接入晶振，再有两个电容另一 端分别接地，两个电容串联的容量值就等于负载电容。 复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合“电容电压不能突变“的性质,可以知道,当系 统一上电,RST 脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的 RC 值来决定. 典型的 51 单片机当 RST 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位。 3 3、掉电保护、掉电保护 外部数据存储器的掉电保护是十分重要的，发生意外停电时，电容和电池 （BATTERY）向外部数据存储器（U2）供电，可避免多次重建数据存储器，保证测量过 程不发生数据丢失的情况。外配电池在主电源失去时，对单片机的继续运行提供能源， 此时的电池能源是非常宝贵的，往往都是以“ uA ”级进行计算。而且还有一个不能 - 6 - 避免的结果，就是随着保护时间的延长，电池的电量也会用完的。所以，保护电路有 一个最长保护时间的参数。使用中不能超过，否则，保护就会失效；当电池经过保护 时间的使用之后，就需要补充电能，以便下一次保护时能够以充足的电能投入保护工 作。所以，又有一个如何给电池充电的问题。也就是电池在主电源正常供电时，需要 由主电源对其进行充电：当主电源失去时，又由电池放电以保持单片机系统的运行。 二、键盘、显示扩展设计二、键盘、显示扩展设计 1 1、按键扩展、按键扩展 矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。当键被按下时，其交点 的行线和列线接通，相应的行线或列线上的电平发生变化，单片机通过检测行或列线 上的电平变化可以确定哪个按键被按下。 矩阵键盘不仅在连接上比单独式按键复杂， 它的按键识别方法也比单独式按键复杂；矩阵键盘的检测方法有多种，常见的有：逐 点扫描法、逐行扫描法、全局扫描法；采用逐行扫描法来实现按键检测，其中 PA0- PA7 作为列线，PC0-PC3 作为行线。识别过程如下：1、判断键盘中是否有键按下。设 置所有行线为输出口，并输出低电平；设置列线为输入口，读取列线上的电平状态， - 7 - 只要有一列的电平为低，就表示有按键按下，并且被按下的键位于电平为低的列线与 4 跟行线相交叉的 4 个按键中，若所有列线都为高电平，表示没有按键按下；2、判断 被按下按键所在的位置。在确认有键按下后（进行按键消抖处理后） ，接下来就是确定 具体哪个案件被按下，方法是：依次将每根行线设置为输出口，并输出低电平（同时 剩余行线输出高电平） ，然后逐列检查每根列线的电平状态，若某列为低电平，则该列 线与设置为输出低电平的行线交叉处的按键就是被按下的按键。键盘的所有行线和列 线都接了上拉电阻，这是为了确保在没有按键按下的时候，I/O 口的电平状态始终为 高电平，从而消除外界干扰。 2 2、LEDLED 显示器显示器 LED 数码管显示原理： 八段就是指数码管里有八个小 LED 发光二极管，通过控制不 同的 LED 的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实 共阴极就是将八个 LED 的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个 LED 的另一端高 电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个 LED 的阳极连在一起两个 COM 端连在一起， - 8 - 是公共端，共阴数码管要将其接地，共阳数码管将其接正 5 伏电源。一个八段数码管 称为一位，多个数码管并列在一起可构成多位数码管，它们的段选线（即 a,b,c,d,e,f,g,dp）连在一起，而各自的公共端称为位选线。显示时，都从段选线送 入字符编码，而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。数码管的 8 段，对应一个 字节的 8 位，a 对应最低位，dp 对应最高位。所以如果想让数码管显示数字 0，那么 共阴数码管的字符编码为 00111111，即 0x3f；共阳数码管的字符编码为 11000000， 即 0xc0。可以看出两个编码的各位正好相反 三、单片机串行口扩展设计三、单片机串行口扩展设计 1 1、MAX232MAX232 芯片芯片 模拟信号转换成计算机可以接收的数字信号，计算机系统模拟量是输入通道中的一种 模拟量存储装置，它是连接采样器和模数转换的中间环节。MAX232 是 TTL-RS232 电 平转换的典型芯片，取振荡电容为 uF 的时候，若输入为 5V,输出可以达到-14V 左右， 输入为 0V ,输出可以达到 14V,在扇出电流为 20mA 的时候，处处电压可以稳定在 12V 和-12V.因此，在功耗不是很大的情况下，可以将 MAX232 的输出信号经稳压块后作电 源使用。 MAX232 内部结构基本可分三个部分： 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 - 9 - 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 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT 送到电脑 DB9 插头；DB9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、R2OUT 输出。 第三部分是供电。15 脚 GND、16 脚 VCC（+5v） 。 四、模拟量与数字量相互转换设计四、模拟量与数字量相互转换设计 1 1、模拟输入及采样保持器电路设计、模拟输入及采样保持器电路设计 采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，是计算机系统模拟量输入通道 中的一种模拟量存储装置。它是连接采样器和模数转换器的中间环节。采样保持器把 采样器在固定时间点上取出被处理信号的值放大后存储起来，保持一段时间，以供模 数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。 2 2、AD574AD574 与单片机接口设计与单片机接口设计 - 10 - 逻辑控制信号由 8051 的数据接口 P0 口发出控制 AD582 的工作过程；AD 转换器的数据 通过 P0 数据总线连至 8051,；由于只使用了 8 位数据口，12 位数据需要分两次进入 8051，此时要求 CE 端为高电平，因此通过与非门（NADN）与 AD582 的使能端 CE 相连， 采用逐次渐进型模数转换，属于反馈比较型的模数转换，通过 DA 转换器输出值与输入 模拟信号有次序地进行比较，从而确定输出数字信号的各个位的值。其启动转换后， 控制逻辑电路首先把逐次比较寄存器（SAR）的最高位置 1，其它位置 0，SAR 中的内 容经 DA 转换器转换后得到的电压值送入比较器中与输入模拟信号 Ui 进行比较。比较 的结果输出到 SAR，并在下一次比较前对最高位进行修正。接着，在时钟信号驱动下， SAR 中次高位置 1，SAR 中的内容经 DA 转换器转换后的电压值再次送入比较器中与 Ui 进行比较，并在下一次比较前对次高位进行修正。这样 SAR 中的各位从高到低不断置 1，不断的送入 DA 转换器进行转换，并把转换后值不断送入比较器中与 Ui 进行比较， 通过比较器的输出实现对该位的修正。当完成 SAR 中最低位的修正后，AD 转换完成， 这时 SAR 中的值即为转换后的数字量。 3 3、DAC1208DAC1208 模拟电压输出电路模拟电压输出电路 - 11 - 通过恒压源电路将 VCC 电压变为 1V 的电压作为电压加法器的一端输入，然后再将 DAC1208 的输出（05V）电压通过电阻分压以 4:1 的比例，将电压变为（04V） 。再将 R52 和 R51 设置为 1:1，使两路电压按 1:1 比例相加，从而得到 15V 标准电压。 加法器：因为虚断，运放同向端没有电流流过，则流过 R1 和 R2 的电流相等，同理流 过 R4 和 R3 的电流也相等。 故 （V1 V+）/R51 = （V+ - V2）/R52 a （Vout V-）/R49 =V-/R50 b 由虚短知： V+ = V- c 如果 R51=R52，R49=R50，则由以上式子可以推导出 V+ = （V1 + V2）/2 V- = Vout/2 故 Vout = V1 +V2 也是一个加法器。 电压/电流转换电路 AM422 是一个应用于一端接地的输入信号转换处理的电压到电流的接口集成电路。通 过少量 的外接元件就可以使输出电流在一个很大的范围内可调。除了外接电阻 R0 到 R5 和电容 C1(C2)之外，要使电路正常工作还需要一个外接的三极管 T1 和一个起保护 作用的二极管 D1。外接的三极管降低了集成电路 AM422 的耗散功率。当外接电源的极 性接反的话，二极管将起保护三极管的作用。在选择二极管和三极管时请注意它们的 耗散功率。 AM422 可以用作为二线方式或者三线方式输出的电压到电流的接口电路。 三线方式输出。外接的参考点 Ground 是管脚 7（GND）一致的，此时集成电路的工作 电压和电源电压是一样的 VCCVS。二线方式输出，此时的管脚 7（GND 虚地）是接在 - 12 - R5 和负载电阻 RL 之间。在这种情况下，集成电路的工作电压 VCC 和电源电压 VS 的关 系是： Vcc=Vs-Iout*RL。 五、开关量输入输出电路设计五、开关量输入输出电路设计 1 1、开关量输入输出电路、开关量输入输出电路 对于不同的开关量信号的电平均值，可以采用不同的方法输入，一般的系统设定信号 和状态信息可以采用并行接口输入；极限报警信号采用中断方式处理；数字脉冲宽度、 周期或脉冲个数。出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机前都 需要预处理，然后再送至接口。此图采取的措施：通过滤波电容，将干扰信号过滤再 进行输入。 -