毕业设计（论文）-基于公用电话网的远程监控系统.pdf

- i - 基于公用电话网的远程监测系统设计基于公用电话网的远程监测系统设计基于公用电话网的远程监测系统设计基于公用电话网的远程监测系统设计 摘摘摘摘要要要要 本文阐述了基于公用电话网的空气质量参数远程监测系统的下位机设计方 法及其软硬件的实现过程。该系统利用成熟的单片机技术，以微控制 器 at89s8252 作为主要控制器件，并通过扩展相关的外围电路以及采用模块化的 软件设计完成了能在远程无人职守的情况下工作的空气质量参数监测系统。 该系统硬件主要包括 cpu 模块、数据采集模块、液晶显示模块、modem 通信模块和程序下载等几个模块。 cpu 模块主要由微控制器 at89s8252 构成主控器件，完成对整个系统的控 制作用。数据采集模块主要功能是将两路模拟输入信号转换成数字信号，由于 使用了功能强大的 ad7705 转换芯片，使得该模块还具有滤波功能，滤除工频 噪声的干扰。液晶显示模块主要是将 a/d 转换后的数据显示出来，以便观察。 modem 通信模块的主要功能是将采集到的数据通过 rs-232c 串行通信传送给 上位机。程序下载模块采用了灵活、方便的 isp 编程模式，能将调试好的程序 方便、快捷的下载到单片机的 flash 程序存储器中，也为系统的在线升级提供 了方便。 该系统的软件主要由主模块、数据采集模块、显示模块及通信模块等几个 部分组成，主模块为核心，管理其他 3 个子模块。另外在主模块和通信模块 中，在适当的位置插入软件看门狗模块来监视系统的运行状态，以防通信死锁 等意外情况导致下位机瘫痪，实现下位机在软故障条件下的自恢复。 设计完成的系统可以对空气中的两路模拟量(即二氧化硫和二氧化氮)进行自 动监测。 关键词：关键词：关键词：关键词：公用电话网；空气质量参数；远程监测； 数据采集；下位机 哈尔滨理工大学学士学位论文 - ii - thethethethe designdesigndesigndesign ofofofof remoteremoteremoteremote monitoringmonitoringmonitoringmonitoring systemsystemsystemsystem basedbasedbasedbased onononon pstnpstnpstnpstn abstractabstractabstractabstract this paper elaborates the design method of the lower position computer of air quality parameter monitoring system based on pstn and its software and hardware realization. this system, which works under the remote nobody-watch condition, uses well-rounded mcu technology and takes micro-controller at89s8252 chip as the primary controller with the expansion of related peripheral circuits and adopting the software design of modulization. the system mainly includes the cpu module, data acquisition module, lcd module, modem communication module and program downloading module, etc. the cpu module mainly uses the micro-controller at89s8252 to consist of the host control device in order to perform the whole system control action.the main function of the data acquisition module is to convert two channels analog inputs into digital signals. the use of the powerful ad7705 transformation chip enables this module to have the filter function which can filter the industrial frequency noise.the main function of the lcd module is to display the result data of a/d converter, which can be easily observed.the main function of the modem communication module is to transmit the acquired data to the upper computer by the serial communication of rs- 232c.the flexible and convenient isp programming pattern is adopted in the program downloading module, which can conveniently and quickly download the debugged program to mcus flash program memory, and is also convenient for the system to update on-line. the software of the system is mainly composed of main module, data acquisition module, display module and communication module, etc. the core module of the system is the main module which manages the other three sub-modules. in order to avoid the communication deadlock and other contingencies which lead to break down the lower computer and achieving auto-recovery in the software failure, moreover, a software watch dog module is inserted to monitor the running conditions of the system in the main module and the communication module in suitable sites the completed system can automatically monitor two analog parameters (include so2 and no2) in air. keywordskeywordskeywordskeywords: : : : pstn; air quality parameter; remote monitoring; data acquisition; lower computer 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iii - 目录目录目录目录 摘要.i abstract. ii 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景.1 1.2 课题研究的意义及主要内容.1 1.3 课题研究所采用的技术路线.2 第 2 章 系统下位机的总体结构3 2.1 基于公用电话网的远程监测系统总体结构框图.3 2.2 下位机的硬件框架及器件选择.4 2.2.1 下位机的硬件框架4 2.2.2 器件选择原则4 2.3 本章小结.5 第 3 章 系统下位机的硬件设计7 3.1 cpu 模块设计. 7 3.2 时钟电路设计.8 3.3 人机界面设计.9 3.3.1 概述9 3.3.2 接口信号说明10 3.3.3 读写操作时序和 ram 地址映射图.11 3.3.4 液晶显示模块接口电路设计11 3.4 模拟量输入通道和开关量输入通道设计.13 3.4.1ad7705 概述.13 3.4.2ad7705 接口电路设计.15 3.5 modem 通信接口设计16 3.5.1 通信接口设计16 3.5.2 多机通信17 3.6 程序下载模块接口设计.18 3.6.1at89s8252 单片机并行编程.18 3.6.2at89s8252 单片机串行编程.20 3.6.3 复位电路设计21 3.6.4 电源设计22 3.7 本章小结.22 第 4 章 远程监测系统下位机的软件设计23 4.1 下位机系统软件设计的重点.23 4.2 下位机的软件框架.23 4.3 软件主模块设计.24 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iv - 4.3.1 主模块设计考虑因素及程序流程图24 4.3.2 基于 asm51 汇编语言的主模块设计. 24 4.3.3 采用字符点阵液晶模块的显示模块设计28 4.3.4 基于 ad7705 的数据采集模块程序设计 29 4.3.5 modem 通信模块程序设计.32 4.3.6 基于软硬件看门狗的容错性设计34 4.4 本章小结.35 结论36 致谢37 参考文献38 附录a 39 附录 b 55 附录 c 66 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章绪论绪论绪论绪论 1.1课题背景课题背景课题背景课题背景 自 20 世纪以来，随着微电子技术、通信技术和网络技术的飞速发展，远程 检测技术和远程控制技术得到了广泛的应用。例如：大型设备的故障远程诊 断，典型的如席梦思床垫衍缝机远程故障诊断系统；无人职守设备的状态远程 监测，典型的如移动通讯基站电源的电压、电流及环境温度等参数的远程监测 系统；远程控制，如工业废水的集污及排污控制系统；远程智能家电，如具有 远程控制能力的空调，可以通过电话或因特网远程控制空调的开启与关闭、设 定温度等。空气质量参数远程监测系统的实现正是基于以上技术的不断发展而 发展起来的。 空气质量远程监测系统是一套以智能仪器为核心的自动远程监测系统。空 气质量的自动监测系统一般采用湿法和干法两种方式来实现。湿法的测量原理 是库仑法和电导法等，需要大量试剂，存在试剂调整和废液处理等问题，操作 繁琐、故障率高、维护量大，该法在日本应用较广，但自 1996 年起，日本在法 定的测量方法中增加了干式测量原理，湿法现已处于淘汰阶段。干法基于物理 光学测量原理，使样品始终保持在气体状态，没有试剂的损耗，维护量较小， 干法以欧美国家为主，代表了目前的发展趋势。 近年来，美国、法国等欧美国家均研制成功了基于常规光源的长光程吸收 光谱仪器，并相继用于城市大气污染的常规监测中。例如法国 esa 公司推出的 典型的 sanon 长光程测控系统，其特点是采用 rs-232 串行接口将每台仪器的 所有数据通过 modem 用电话线与中心站计算机系统相连，随机配套的通讯软 件可通过仿真数据采集器和仪器操作面板实现对子站的远程控制和诊断，与干 法仪器设备组合可组成长光程与干法共存的混合系统，其特点是能在长光程主 机故障时不影响其它参数的测量。 我国在二十世纪七十年代后期由北京分析仪器厂、沈阳分析仪器厂等厂家 推出了一批库仑式湿法仪器；到了二十世纪八十年代中期，北京分析仪器厂又 引进了美国 monitor 公司的 88 系列干法仪器的生产技术，随着该系列仪器的 过时和淘汰，目前已无厂家生产：进入二十一世纪后，沈阳东宇公司引进美国 dasibi 公司的生产技术，开始组装基于干法的空气质量自动监测系统；河北先 河公司则自主研制成功基于干法的空气质量自动监测系统，但这仍处于起步阶 段，系统的各项性能指标还有待于进一步的提高和完善。 1.2课题研究的意义及主要内容课题研究的意义及主要内容课题研究的意义及主要内容课题研究的意义及主要内容 随着社会经济的快速发展和工业化水平的提高，我们在创造经济价值的同 时也产生了不同程度的环境污染，面对日益严峻的大气污染，对大气质量及变 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 化趋势进行实时、准确的大量监测，对污染源及其治理进行监督监测，是全国 环境保护工作中最艰难的任务之一。目前，我国许多城市都在开展环境空气质 量日报或预报工作，开展这一工作的基本条件之一是必须建立环境空气质量自 动监测系统。由于国内目前的研发水平和能力有限，空气质不方便，往往与我 国的具体实际情况结合不够，尤其是在系统结构、数据采集、远程控制与诊断 方面同我们的实际要求相差较远。为此本文将针对国内的实际情况，给出一个 适合我国当前需要且适用的空气质量自动监测系统的设计方案及该系统下位机 的具体实现过程。 目前空气质量监测污染物有三项，即二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物 (飘尘)。因此本文的目的是研制出一套可以自动测量空气中二氧化硫和二氧化氮 含量的空气质量参数监测系统，其下位机设计所包含的主要内容是： 1 完成对二氧化硫和二氧化氮含量的测量； 2 具有自检、自动稳零等功能，以实现远程无人职守； 3 自动应答上位机呼叫并上传数据； 4 上、下位机远程通信方式的研究。 本系统硬件设计的关键是通信接口电路、模拟信号采样电路及满足无人职 守要求的下位机控制电路的设计；软件设计的重点在于 1)通信接口程序，关键 是软件握手信号的处理；2)模拟/数字转换接口程序；3)主模块框架的构建；4) 适应无人职守的系统可靠性设计。 1.3课题研究所采用的技术路线课题研究所采用的技术路线课题研究所采用的技术路线课题研究所采用的技术路线 根据上述设计要求，结合实际情况，对空气质量参数的远程监测系统采取 如下所述的研究方法和技术路线： 本系统是以智能仪器为核心的自动监测系统，因此其整体性能的好坏在很 大程度上取决于 cpu 的先进性和灵活性。随着半导体、单片机技术的发展，陆 续出现了不少增强型的 cpu，高档的单片机层出不穷，特别是随着微电子技术 和超大规模集成电路技术的发展，单片微型计算机以其体积小、性价比高、功 能强、可靠性高等独特的特点，在各个领域(如工业控制、家电产品、智能仪器 仪表等)得到了广泛的应用，相关技术也越来越成熟。基于以上原因，本系统采 用成熟的单片机技术组成智能仪器的主控系统，围绕主控系统扩展相应的外围 电路，以完成硬件设计要求，然后再编制与硬件电路相对应的软件程序1。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章系统下位机的总体结构系统下位机的总体结构系统下位机的总体结构系统下位机的总体结构 2.1基于公用电话网的远程监测系统总体结构框图基于公用电话网的远程监测系统总体结构框图基于公用电话网的远程监测系统总体结构框图基于公用电话网的远程监测系统总体结构框图 本远程监测系统实际上是空气质量参数的远程测量，被测参数包括 so2和 no2两路模拟量及四路开关量，要求能按定时和随机两种方式完成上述参数的 测量并传送至上位系统；上、下位系统的距离应不受限制；系统具有自我恢复 能力，真正实现远程无人职守。 根据空气质量远程监测系统的设计要求，整个监测系统采用上、下位主从 结构设计，上位机为主叫方，下位机为被叫方。上位机通过与下位机进行远程 通信获取各下位机(子站)采集到的空气质量数据，然后根据国家环保总局有关空 气质量检测的要求编制周报、时报等；下位机则分布在各检测点，负责采集空 气质量数据。本系统在多机通信过程中为下位机，需要完成对被测参数包括 so2和 no2的两路模拟量及四路开关量的采集，并且能按定时和随机两种方式 完成上述参数的测量并传送至上位机系统。由于被测参数的变化缓慢，对实时 性要求不是很苛刻，因此采用 pstn 形式实现远程呼叫和数据通信。 在远程监测系统中，通常是采用上下位的拓扑结构，而且下位机经常为无 人职守形式，因此下位机的可靠运行就显得十分重要，这就对上下位机的可 靠、安全通信提出了较高的要求。远程监测系统中的通信采用的物理链路有：1) 现场总线形式，如 can, rs-422/485 等；2 ) internet 形式；3 ) pstn(公用电话 网)形式。其中，现场总线形式受通信距离的约束，其远程能力有限，例如 can 总线的直接通信距离最大为 10km (当速率在 5kbps 以下时)；internet 形式虽在距 离上不受限制，但对硬件和软件的要求较高，而采用无线方式，可靠性不高且 受到环境和距离的限制。因此，从目前的技术条件及通信距离、实时性、可靠 性和安全性等诸多方面的综合考虑，利用现有的公用电话网，采用单片机驱动 modem 传输数据不失为一种有效的方法。本系统就是基于以上所述的 pstn 形式来设计的，其拓扑结构如图 2-1 所示2。 上 位 机 m o d e m 下 位 机 m o d e mm o d e m 下 位 机 公 用 电 话 网 图 2-1 基于公用电话网的远程监测系统 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 2.2下位机的硬件框架及器件选择下位机的硬件框架及器件选择下位机的硬件框架及器件选择下位机的硬件框架及器件选择 ..1下位机的硬件框架下位机的硬件框架下位机的硬件框架下位机的硬件框架 本系统硬件设计的关键是基于 pstn 通信接口电路、模拟信号采样电路及 满足无人职守要求控制电路。 按照功能规划和系统设计要求，确定本系统的硬件框架。 如图 2-2 硬件系统框图所示： 系 统 电 源 5v 9v a t8 9s8205 1 6*2字符液晶显示 开关量输入电路 a d7705模 /数 转 换 复位等外围电路 r s-232 m odem 图 2-2 硬件系统框图 ..2器件选择原则器件选择原则器件选择原则器件选择原则 器件的选型应遵循两个原则：首先是器件的性能要满足整个系统的要求； 其次是在满足性能的基础上要尽可能低的降低成本。考虑成本时不能单纯地只 考虑器件的价格，还要考虑印刷电路板的加工成本、器件的加工成本以及整个 系统的维护成本。 空气质量参数的远程监测系统的主要器件包括 mcu, a/d 转换器、液晶显 示器以及通信器件。作为整个系统的主控芯片，mcu 的选择对整个系统其它部 分的选择有很大的影响。目前市场上的 mcu 种类繁多，从总线宽度来说，有 8 位机、16 位机和 32 位机，并且每一种 mcu 又具有很多不同功能的型号。就本 系统而言，所选择的 mcu 主要考虑的是存储器的大小、类型以及是否具有 isp(在系统编程)功能。存储器的大小应足够大，这样就不需要进行存储器扩 展，有利于提高系统的稳定性。此外，由于空气质量监测系统的某些需求还不 确定，为了以后在使用中升级方便，因此选用具有 isp 功能和带 flash 程序存 储器的 mcu 是很有必要的。在众多的单片机中，atmel 公司的 at89s8252 就 能够很好地满足以上要求，而且它内部还含有看门狗定时器(wdt )，能满足系 统无人职守条件下自恢复运行和监视系统运行状态的要求，这样可以节省不必 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 要的外围电路开销，给系统设计带来了很大的方便。 在图中，微处理器采用 at89s8252，是基于以下原因： 1. 内部含有看门狗定时器(wdt)，能满足系统无人职守条件下自恢复运行 和监视系统运行状态的要求； 2. 片内带 8kb 的 flash 程序存储器和 2kb 的 eeprom 数据存储器， 不需要进行存储器扩展，有利于提高系统的稳定性； 3. 电源电压范围宽，4.06.0v 的工作电压，能在一定程度上抵御电源波动 干扰，降低对电源的要求，有利于远程控制的实现。由于系统的显示量大，同 时从实现的方便性和经济性考虑，采用 162 字符液晶模块作为显示界面，同 时降低系统功率消耗，满足系统长期连续不间断工作的条件。 系统电源要同时对 modem 和主控系统所有模块进行供电，外置有线 modem 的供电电压一般为+9v ，系统主控线路和所有外围模块的电源电压采 用+5v 。前者采用抗过压、过流的线性电源，既满足系统野外工作的高可靠性 要求和模拟电路对电源纹波的要求，同时又满足有线 modem 抗雷击的要求。 由于 9v 与 5v 两者的压差为 4v ，因此完全可以采用 st7805 简单地从+9v 得到+5v ，需要引起重视的是，必须为该芯片提供充足的散热条件保证连续工 作需要。 模数转换芯片在选择上主要考虑以下几个方面； 1. 转换精度要求； 2. 转换速度要求； 3. 接口方式； 4. 性价比。 由于本系统涉及到两个被采集参数(非电量)的调整放大和数字化，并且需采 集的参数变化缓慢，对转换速度要求不高，采样周期也没有特殊要求，因此选 用了 ad 公司的 ad7705 模数转换接口芯片。该器件具有高分辨率、宽动态范 围、自校准、优良的抗噪声性能，以及低电压、低功耗等优点。 在数据显示方面，由于系统的显示量大，同时从实现方便性和经济性考 虑，因此采用了 162 字符液晶模块作为显示界面，同时降低了系统功率消 耗，满足系统长期连续不间断工作的要求。 远程监测系统的关键模块是通信模块，基于 pstn 远程系统的关键则是调 制解调器（modem)通信接口模块。因此本系统选择了 maxim 公司生产的性 能很好的 max232a 专用串行通信芯片，确保上位机和下位机能够顺利地以 rs-232c 方式进行通信3。 2.3 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章对基于公用电话网的远程监测系统下位机设计进行了总体的描述。介 绍了整个系统的拓扑结构，下位机的硬件框架及器件选择。选用具有 isp 功能 和带 flash 程序存储器的 at89s8252，它内部还含有看门狗定时器(wdt )， 可以节省不必要的外围电路开销，给系统设计带来了很大的方便。通信模块选 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 择了 maxim 公司生产的性能很好的 max232a 专用串行通信芯片，确保上位 机和下位机能够顺利地进行通信。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章系统下位机的硬件设计系统下位机的硬件设计系统下位机的硬件设计系统下位机的硬件设计 3.1cpucpucpucpu 模块设计模块设计模块设计模块设计 at89s8252 是 atmel 公司推出的具有 isp 功能的 8 位 cmos 单片机，性能 高、功耗低。它使用 atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，具有可串行 下载的 8kb 的 flash 程序存储器和 2kb 的 e2prom 数据存储器，与工业标准 80c51 指令集和引脚完全兼容，可通过 spi 串行接口对片内存储器进行在系统 编程。该器件的电源电压范围宽，4.0v6.0v 的工作电压，能在一定程度上抵 御电源的波动干扰，降低对电源的要求，有利于远程控制的实现。 在本系统的设计中，由于采用了功能强大的微控制器 at89s8252，使得外 围电路的设计变得简单，没有使用专门的译码电路，因为微控制器的 i/o 口线 较充裕，因此直接用微控制器的 i/o 口对外围器件的片选和其他信号线进行控 制。这样既减少了系统的不稳定性风险，提高了系统的可靠性，又减小了整个 系统的体积、节约了成本4。 基于微处理器的模块电路如图 3-1 所示。 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:26-jun-2007sheet of file:c:documents and settingsadministrator protelcpu .ddbdrawn by: u2 at89s8252texttext c2 cz2 1k111 2k122 3k133 4k144 5 adrdy6 7 8 led modem cz8 1 2 13 12 15 14 adsck adio 31 +5 30p 60mhz 19 18 24 25 26 27 p10 p11 p12 p13 p14 p15 p16 p17 int1 int2 t1 t0 ea/vp x1 x2 p23 p24 p25 p26 reset psen txd rxd wr rd p27 p22 p21 p20 ale/p p07 p06 p05 p04 p03 p02 p00 p01 39 38 37 36 35 34 33 32 30 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 3 4 7 8 13 14 17 18 11 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 le q0 q1 q2 q3 q4 q5 q6 oe 2 5 6 9 12 15 16 a0 a1 21 22 23 28 9 8 7 6 5 /wdo rst wdi pfo /mr vcc pfi vss max813l 1 2 3 4 +5 17 16 10 11 29 lcdin rd wr rxd/1 txd/1 19 u3 74hc373 int c1 30ps1 u1 ale q7 1 x1 图 3-1 cpu 模块电路图 在图中，为了适应 lcd 液晶模块的接口需要，在 p0 数据地址复用总线口 上扩展了 u3(74hc373) 作为低八位地址锁存器，产生 lcd 模块读写所需驱动 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 信号的输入信号 a0、a1 。这是一种常规的 lcd 模块接口设计方案，但从系 统的性价比考虑，u3 显然有点过于浪费。可以将 u3 去掉，而直接将 p20、 p21作为产生 lcd 模块读写所需驱动信号的输入信号 a0、a1这也是一种 可行方案，只是液晶模块的接口地址不同而已。本系统采用的是前一种方案， 如果采用第二种方案，则需要重新计算接口地址。图中 lcdin 为液晶模块地 址选择口线。 系统采用 max813l 实现复位需要，由 s1 实现手动复位（主要用于调试 期间的复位） 。由此实现的复位电路具有电源电压监测能力，即当电源电压低于 4.65v 时产生高电平复位信号，同时也具有上电复位能力。由于 at89s8252 内 部含 wdt ，并不需要额外的喂狗信号；从减少口线占用考虑，放弃使用 max813l 内含的 wdt 。 在图中，cz2 为四路开关量输入口，cz8 为功能扩展预留口。从图可知， 系统的主频为 6mhz，一方面保证满足系统对时间的要求，同时也考虑了可靠 性的要求，即适当降低速度以提高抗干扰能力。图中 adsck、adio 及 adrdy 为模数转换接口信号；modem 作为 modem 电源控制信号；led 为系统指示灯控制信号5。 3.2时钟电路设计时钟电路设计时钟电路设计时钟电路设计 at89s8252 既可以使用片内的时钟振荡器，也可以使用外部时钟源。在单 片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚 xtal1 和 xtal2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外 晶体或者陶瓷振荡器一起构成了一个自激振荡器。这种接法也就是使用 cpu 的 内部时钟方式。 具体电路如图 3-2 所示。 外部时钟晶体以及电容构成了并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中， 这时内部振荡器便自激振荡，可以用示波器观察到 xtal2 引脚输出的正弦波。 对外接电容的值没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振 荡器的稳定性和起振的快速性。外接晶体时，电容值常选为 30pf 左右；外接陶 瓷谐振器时，电容值可选为 47pf。在设计印刷电路板时，晶体或者陶瓷谐振器 和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡 器稳定可靠地工作。晶体可在 1.2 12mhz 之间任选，电容可以在 5pf 60pf 之 间任选。电容的大小对振荡频率有微调作用。本系统选用的谐振回路电容大小 为 30pf。 不管是使用片内的时钟振荡器，还是使用外部时钟源，at89s8252 的时钟 频率工作范围均为 0 24mhz。由于 at89s8252 的内核是全静态设计的，所以 内核的工作频率可以降低到直流。在晶体振荡器的选择上，晶体振荡频率越 高，则系统的时钟频率也高，单片机运算速度也就快;但反过来，运行速度快， 对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也高。因此在本系统中， 晶体振荡器选用 6mhz，一方面保证满足系统对时间的要求，同时也考虑了可 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 靠性的要求，即适当降低速度以提高抗干扰能力6。 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:16-jun-2007sheet of file:c:documents and settingsadministrator .ddbdrawn by: 1 2 3 4 5 6 7 8 19 18 13 12 15 14 31 9 17 16 c1 30pf x1 6mhz c2 30pf p10/t p11/t p12 p13 p14/ss p15/mosi p16/miso p17/sck x1 x2 int1 int0 t1 t0 ea/vp reset rd wr at89s8252 图 3-2 系统的时钟电路 3.3人机界面设计人机界面设计人机界面设计人机界面设计 ..1概述概述概述概述 本系统中人机界面主要是显示界面，因为是远程控制系统，因此下位机没 有设计按键按钮电路。显示界面采用的是长沙太阳人电子有限公司推出的 hd44780 兼容的 162 液晶显示模块 smc 1602。它是字符式 8 位并行接口、 内藏控制器 hd44780 的背光式两行液晶显示模块。该模块由一块 57 点阵液 晶屏和控制芯片 hd44780 及其辅助电路组成。它可以显示字母、数字、符号 等，显示容量为 162 个字符，芯片工作电压为 4.5v-5.5 v，工作电流为 2ma (5v)，模块最佳工作电压为 5v。 模块 smc 1602 内部的控制器是日立公司的 hd44780，它是专用于字符显 示的液晶显示控制驱动集成电路，集驱动器与控制器于一体，内藏有显示缓冲 区 ddram 和用户自定义的字符发生器 cgram。其中，显示缓冲区 ddram 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 是用来存储显示字符代码的，共有 808 位(80 个字节)，cpu 可对 ddram 进 行读、写操作，读、写单元的地址由内部地址计数器 ac 提供。ddram 各个 单元均对应着显示屏上的各个字符位，他们的对应关系如图 2.6 所示。即使显 示屏没有这么大，但他们的对应关系依然存在，由 hd44780 内定的，是不可更 改的。因此，当需要在屏幕上某行某列显示某个字符时，cpu 只需将字符对应 的数据写入显示 ddram 相应的地址处即可，该模块会自动将显示 ddram 内 容送往液晶屏，完成相应的显示。可见，smc 1602 模块能根据主控 cpu 写入 到该模块的各种命令字及显示 ram 数据，自行对液晶屏进行一系列操作，而 不再需要主控 cpu 的参与。 ram 地址映射图如图 3-3 所示7： lc d 1 6字 * 2 行 0 0 0 10 20 30 4 0 5 0 60 70 80 9 4 04 14 24 34 94 84 74 64 54 4 0 a 0 b 0 c o d0 e0 f 4 a 4 b 4 c 4 d 4 e4 f 1 0 5 0 2 7 6 7 图 3-3 ram 地址映射图 ..2接口信号说明接口信号说明接口信号说明接口信号说明 smc 1602 液晶显示模块具有 16 条接口信号线，包括 8 条三态数据线，使 能信号线 e,读写选择信号线 r/w，命令/数据选择信号线 rs 等，其详细的接口 信号说明如表 3-18所示。 其中，vl 为液晶屏的参考电源，外接可调电阻用来调节液晶屏的对比度。 r/w 为读写选择信号，r/w=1 为读状态，r/w=0 为写状态。rs 为寄存器选择 信号，rs=1 为指令寄存器，rs=0 为数据寄存器。e 为使能信号，读状态在高 电平有效，写状态在高脉冲下降沿有效。这三条控制线用于主控器 cpu 访问模 块内部控制器 hd44780 时使用的。 表 3-1 smc1602 接口信号说明如下： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 表 3-1 smc1602 接口信号说明 引脚 符号 引 脚 说 明 d0d7数据输入/输出引脚 e使能信号 r/w读写信号。r/w=i 为读状态，r/w=0 为写状态。 rsrs 为寄存器选择信号，rs =1 为指令寄存器，rs=0 为数据 寄存器。 vl液晶显示偏压信号 dd v电源正极 ss v电源地 bla背光源正极 ..3读写操作时序和读写操作时序和读写操作时序和读写操作时序和 ramramramram 地址映射图地址映射图地址映射图地址映射图 smc 1602 模块接口控制时序具有较宽的适应能力，其具体读操作如图 3- 49。写操作时序如图 3-59所示。 ..4液晶显示模块接口电路设计液晶显示模块接口电路设计液晶显示模块接口电路设计液晶显示模块接口电路设计 基于 hd44780 的字符型液晶显示模块与单片机有两种连接方式，即总线方 式和模拟口线方式，前者可直接将单片机和显示模块的 8 位数据总线相连，利 用单片机端口产生控制信号：后者是利用 hd44780 所具有的 4 位数据总线的功 能简化电路接口的一种接口方式。在本系统中，以 at89s8252 作为主控 cpu， 使用总线方式，通过数据总线与控制总线，直接采用 i/o 设备访问形式控制液 晶显示模块，具体接口电路如图 3-6 所示。 按照上述接口设计，由 lcdin、wr和 rd 组合产生液晶模块的使能信 号 e （即图中的 lcd 信号） ，a0 为读写选择信号(r/w) ，a1 为寄存器选择 信号(rs) ，因此液晶模块的各口地址如下： 写命令口地址：7f01h 读命令口地址：7f00h 写数据口地址：7f03h 读数据口地址：7f02h。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - tp wtp wtp wtp w t t t tr r r r t p t p t p t p t c t c t c t c r sr sr sr s r r r r / / / /wwww e e e e d bd bd bd b0 0 0 0- - - -d bd bd bd b7 7 7 7 t spt spt spt sp1 1 1 1 t f t f t f t f th dth dth dth d1 1 1 1 th dth dth dth d2 2 2 2 valid datavalid datavalid datavalid data th dth dth dth d1 1 1 1 图 3-4 读操作时序 t p wt p wt p wt p w t c t c t c t c r sr sr sr s r r r r/ / / /wwww e e e e d bd bd bd b0 0 0 0- - - -d bd bd bd b7 7 7 7 ts pts pts pts p1 1 1 1 th dth dth dth d1 1 1 1 ts pts pts pts p2 2 2 2 t rt rt rt r th dth dth dth d t ft f t ft f th dth dth dth d2 2 2 2 valid datavalid datavalid datavalid data 图 3-5 写操作时序 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:16-jun-2007sheet of file:c:documents and settingsadministrator lcd.ddbdrawn by: lcdin /wr /rd u6a u6a 6 1 2 4 5 9 3 11 1 2 3 4 13 8 7 6 9 10 11 12 5 14 15 16 d4 lcd a0 a1 d0 d1 d2 d3 vee d5 d6 lcd 74hc00 10 8 12 13 74hc00 u6hu6d 64hc00 +5 d7 vt1 9012 r4 47k r5 510 led +5 vd2 acq +5 r1 10k 图 3-6 lcd 模块接口电路图 3.4模拟量输入通道和开关量输入通道设计模拟量输入通道和开关量输入通道设计模拟量输入通道和开关量输入通道设计模拟量输入通道和开关量输入通道设计 ..1ad7705ad7705ad7705ad7705 概述概述概述概述 由于本系统涉及需采集的参数变化缓慢，对转换速度要求不高，采样周期 也没有特殊要求，因此选用 ad7705 模数转换芯片。本系统使用的模数转换接 口芯片是 ad 公司新推出的 16 位-式 ad 转换器 ad7705。该器件包括由 缓冲器和增益可编程放大器(pga)组成的前端模拟调节电路、-式调制解调 器及可编程数字滤波器等部件，能直接将传感器测量到的多路微小信号转换成 串行数字信号输出，无需外部仪表放大器。这种器件还具有高分辨率、宽动态 范围、自校准、优良的抗噪声性能，以及低电压、低功耗等特点，非常适合仪 表测量、工业控制等领域的应用。 ad7705 的主要特点是： 三线串行接口，能大大节省微处理器的口线； 有两个互不干扰的全差分输入通道，可满足系统对通道的要求； 0. 03非线性 16 位无误码数据输出； 可编程设定增益和数据输出更新率； 可选择输入模拟缓冲器，具备自校准和系统校准方式； 低耗能器件，工作电压为 3v 或 5v，最大功耗 1mw，等待模式下电源电 流为 8ua。 ad7705 的引脚和功能如表 3-210所示： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 表 3-2ad7705 引脚说明 引脚功能 sclk串行时钟，将一个外部的串行时钟加于这一输入端口， 以访问 ad7705 的串行数据。该串行时钟可以是连续时钟以 连续的脉冲串传送所有数据。 mclk in 晶体/谐振器可以接在 mclk in 和 mclk out 二引脚之 间，mclk in 也可以用 cmos 兼容的时钟驱动，而 mclk out 不连接。时钟频率的范围为 500khz5mhz。 mclk out 当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在 mclk in 和 mclk out 之间，如果在 mclk in 引脚处接上一个外 部时钟，mclk out 将提供一个反向时钟。这个时钟可以用 来为外部电路提供时钟源，且可以驱动一个 cmos 负载。 cs 片选。低电平有效的逻辑输入。 reset 复位输入，低电平有效的输入。 ain2(+)差分模拟输入通道 2 的正输入端。 ain1(+)差分模拟输入通道 1 的正输入端。 ain1(-)差分模拟输入通道 1 的负输入端。 ain2(-)差分模拟输入通道 2 的负输入端。 ref in(+) 基准输入端。ad7705 差分基准输入的负输入端，ref in(-)可以取 dd v和 gnd 之间的任何值。且必须满足 ref in(+)大于 ref in(-)。 ref in(-) 基准输入端。ad7705 差分基准输入的负输入端，ref in(-)可以取 dd v和 gnd 之间的任何值。且必须满足 ref in(+)大于 ref in(-)。 drdy 逻辑输出。这个输出端上的逻辑低电平表示可以从 ad7705 的数据寄存器获取新的输出字。完成对一个完全的输 出字的读操作后，该引脚立即回到高电平。 dout串行数据输出端。从片内的输出移位寄存器读出的串行 数据由此端输出。根据通信寄存器中的寄存器选择位，移位 寄存器可以容纳来自通信寄存器、时钟寄存器或数据寄存器 的信息。 din串行数据输入端。向片内的输入移位寄存器写入的串行 数据由此输入。 dd v电源电压。2.7v5.25v gnd内部电路的地电位基准点 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - ..2ad7705ad7705ad7705ad7705 接口电路设计接口电路设计接口电路设计接口电路设计 本系统涉及到两路模拟量的调整放大和数字化，经调整放大后的标准信号 为 02.5v，然后进行模数转换，因此必须进行模拟量输入通道的设计。 在 ad7705 芯片中，由于采用-结构实现模数转换，使得该器件在噪声 环境下能免受干扰，同时它还提供了可编程的增益放大器、数字滤波器和校准 选项。因此它提供比普通的积分 adc 更多的系统功能，用它可以节省大量不必 要的外围电路开销，给系统设计带来了很大的方便。 ad7705 采用 spi/qspi 兼容的三线串行接口，能够很方便地与 at89s8252 微控制器的 spi 接口连接，这比并行接口方式大大节省了 cpu 的 i/o 口线。 具体的电路连接如图 3-7 所示： 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:16-jun-2007sheet of file:c:documents and settingsadministrator ad7705.ddbdrawn by: c8 30p 30p c13 r8 10k r6 10k c9 103 c11 10u c10 10uf c12 0.1 adsck adio 1 4 14 13 12