（农业机械化工程专业论文）果园防灾减灾自动化检测控制系统.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完 成的研究成果，并且是自己撰写的尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作 了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果与我一同对本 研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任 学位c 靴，敝赭亲笔躲计薛眺 论文使用授权的说明 加 绎印闫捆 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阗和借阅；学校可以公布论文豹全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 保密，在年后解密可适用本授权书 口 不保密本论文属于不保密 口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：彳幸薜 日期； 指导教师亲笔签名；饮 互一 妒1 绎争国 日期：芦厂 福建表椿大事疆士学位论文 摘要 本论文介绍了一项果园防灾减灾自动化检测控制系统，目的是对果园中的 果树及果实进行有效保护与传统的果园采用物理或化学的方法来防灾减灾不 同，该系统通过温湿度传感器对果园气候环境进行实时监控，运用r s 4 8 5 通讯 技术组网，对果园环境分区域进行监控。当温湿度传感器检测到的温湿度值低于 预设值时，微机系统就发出控制信号，控制可执行设备，带动水泵抽取地下水 或水塔中的水，经管道喷洒到果树树冠上，防止果树冻伤。 本论文的创新之处在于通讯终端加入了特殊的防雷设计，对通讯终端进行 可靠保护；环境检测控制系统在农业领域一般应用于半封闭或全封闭的温室环 境，而本系统是针对开放式的环境进行设计的；该套系统将先进的电力电子器 件应用于农业控制领域中，取代了传统的机械式电气设备，提高了控制的安全 性和可靠性；本系统成功地将工业局域网控制总线r s 4 8 5 网络应用到农业测控 领域中；本系统还提供x o d e m 接口，能实现对果园环境的全球远距离遥控 关键词：果园防灾减灾；通讯；检测；控制 福建表林大学项士学位论文 a b s t t a c t t h i sp a p e rp r e s e n t - m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mf o ra n t i - d i s a s t e ra u t o m a t i c a l l yi n o r c h m d t h i ss y s t e mm o n i t o rt h ew e a t h e rc o n d i t i o no fo r c h a r di nr e a l t i m ew h i c hi 5d i f f e r e n t 丘d mt h et r a d i t i o n a lm e t h o d m o r e o v e r , t h i ss y s t e mu 5 e4 8 5c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt o e s t a b l i s hc o m m u n i c a t i o nn e tt om o n i t o rt h ec i r c u m s t a n c e si nd i f f e r e n tp a r to fo r c h a r d w h e nt h e t e m p e r a t u r ea n dh u m i l i t yr e a c ht h ec r i t i c a lv a l u e ，t h em i c r o p r o c e s s o rw i l ls e n dc o n t r o ls i g l i a l a n df i n a l l yc o n t r o lt h ee l e c t r o m e t e rd r i v ew a t e rp u m pt op u m pw a r mw a t e ra n dt h e ns p r a yo n f r u i tt r e e st op r e v e n tc o l d t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri st h ea d o p t a t i o no fa n t i t h u n d e rm e a s u r e si nt h et e r m i n a t i o n o fc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tt op r e v e n td a m a g e m o s tm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mu s e di n a g r i c u l t u r ea g ei nd o o r s ，b u to r c h a r di si na no p e nc i r c u m s t a n c e ，s ot h i ss y s t e mi sd e s i g n e dt ob e u s e di na no p e nc i r c u m s t a n c ew h i c hm a k ei tb e c o m ei n o r eu n i v e r s a l t h i ss y s t e mu s ee l e c t r i c a l c o m p o n e n ti nt h ef i e l do fa g r i c u l t u r a lc o n t r o l ，a n dr e p l a c et h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a le q u i p m e n tt oe n h a n c et h es a l t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h i ss y s t e m a n dt h i ss y s t e mp r o v i d e m o d e mi n t e g f a c et or e a l i z er e m o t ec o n t r 0 1 k e y w o r d ：o r c h a r da n t i d i s a s t e r ；c o m m u n i c a t i o n ；e x a m i n a t i o mm o n i t o r 2 福建农林大学疆士手伍论文 1 前言 研究和生产经验表明气温剧烈变化会造成果树的生理伤害或落果继而影响果实产量 例如，在9 0 年代，我省遭遇两次严重的冻害，这两次冻害都给果树生产造成严重的经济损 失1 9 9 1 年，连城县园艺场于1 9 9 1 1 9 9 2 年从洒西宁都引入纽赁尔脐橙7 公顷，冻害前 平均株产4 5 k g ，6 6 6 7 d 产量1 0 0 0 k g 曾于1 9 9 7 年参加福建省第二届优质水果评比，荣 获金奖，1 9 9 9 年底至2 0 0 0 年春，遭受近年来罕见的干冻冻害，经调查，0 2 级冻害占2 0 ，3 级4 0 ，4 级3 0 ，5 级1 0 ，当年有效花果显著减少。1 9 9 1 1 9 9 2 年度冬季以来， 福建省连续多次遭受北方强寒潮的侵害，使果树生产受到严重损失。这次受低温冻害的影 响，全省各种果树产量损失约3 1 9 1 万吨，经济损失达7 亿元左右，其中福州市果树冻害 面积达1 1 6 公顷，柑桔、香蕉、龙眼及荔枝、枇杷等果品直接经济损失达3 0 0 0 万元。1 9 9 9 年，连城县最低温一般出现在1 月份，而1 9 9 9 年1 2 月2 3 日便突然大幅降温，最低达一6 1 摄氏度，持续达4 h ，对尚未经受低温锻炼的脐橙危害甚大。将乐县，1 9 9 9 年1 2 月2 1 日至 2 7 日，由于北方强寒流的侵袭，突然降温，引起全县大范围的辐射霜冻。这次冻害也是自 1 9 9 1 年以来遭受的又一次周期性冻害，给柑桔生产带来重大损失。为了降低寒害对果园造 成的经济损失，就有必要采取及时、有效的措施，来改善果园的恶劣环境。 1 1 本课厦的研究意义及其现状 1 1 1 本课题的研究意义 近年来，农业经济结构发生了很大变化，果业成为许多市、县的支柱产业之一，也成 为许多地方致富的重要途径。冻害造成的经济损失也随着经济作物的发展而成倍增长，所 以冻害成为防灾减灾的主要研究对象之一果树传统的花芽冻害预防方法主要分物理法和 化学法物理法预防果树花芽冻害就是采取一定的物理措施进行树体保护，改善果园环境 气候，破坏霜冻或冻害发生的条件等，包括果园灌水、熏烟、覆盖地膜、套袋、增施有机 肥等。化学法预防果树花芽冻害就是对果树喷洒化学药剂或肥料，使花芽抗逆性增强，从 而降低受冻率和受冻程度，如喷旆植物抗寒剂等，以有效增强果树的抗寒性，减轻冻芽冻 花灾害” 这些传统防寒措施在气候情况正常变化的时候能起到一定的保护作用，但是对于异常 的突发性气候变化，果农就会因为准备不及时而导致果树严重冻伤，继而影响果树的产量 例如，福建省1 9 9 9 年的降温时间就比以往提前所以采用自动化监测管理控制系统，降低 由于霜冻、寒潮等造成的影响就有其必要性再者，环境自动化检测控制系统在农业领域 一般应用于半封闭或全封闭的温室环境，而果园处在全开放式的环境中，本课题就是针对 开放式的环境设计的，因此有者更广泛的通用性 1 1 2 本课题的研究现状 台湾省农业试验所开发设计了一套果园自动化喷雾防灾系统，目的是预防果实因为寒 流突袭，气温剧烈变化或结霜而造成生理伤害或落果，此外也预防回南焚风短暂干燥的气 候造成果实缩内、烧伤等生理伤害。在预防寒害及霜害上，在寒流或霜害来临前，将温度 设定值，设定在高于寒害或霜害发生的临界温度一到二度当低温来临时，温度感应器感 3 福建表球大学厦士学位论文 应到低温，便会自动启动电机带动水泵抽水，用地下水或加温后的水，或热风加温水的方 式喷洒水雾于果树树冠上，利用水的降温放热原理来缓和气温骤变，以形成缓风屏保护树 冠 新西兰w a i r a r a p a 葡萄园农场主n e l lp e t r i e 采用热风防护的方法保护葡萄园不受冻 害。当温度降低到接近零度时，控制系统启动大型鼓风机，鼓风机推动大量的热气，通过 各喷头喷向葡萄树，提高果实周围的温度防止其冻伤。 在美国，某农场运用一项综合的防霜害的管理系统，它能够降低霜冻对农作物造成的 损害控制和检测系统不问断地对果园的温度和湿度进行监测，并且做出可靠的预测。当 霜冻来临时，防霜系统自动及时启动，对受害区进行喷水，提高果园的环境湿度。整个喷 雾防灾系统必须持续地运作不能中断，直到霜害结束，否则水分蒸发会吸热而使得气温更 降低，可能造成更大的伤害。此项系统是一项将环境监测和自动喷灌控制相结合的防霜害 系统。这使得果农可以在夜间安心地休息。但是对于那些想掌握果园实时情况的果农来说， 此项系统可以通过g p r s 网络给果农的手机发信息。此项系统包括两个盒式部分，温度和相 对湿度传感器部分安装在果园里，同时也将温湿度显示出来，报警器会在霜害来临的时候 报警。核心部分包括一片3 8 0 串口控制器通过r s - - 2 3 2 直接和g p r sm o d e m 相连，通过变压 器给控制罂接上2 4 v 的交流电源，控制器再提供2 4 v 的交流电给园间控制部分并且提供2 4 v 的直流电供g p r sm o d e m 使用。田间的温度和湿度通过r s - - 4 8 5 传给中央处理器同时也显示 出来当湿度补偿温度的临界值到达，就自动启动喷水泵，喷水溷问歇性地喷洒，直到霜 害结束 总体来说，国内针对果园防灾减灾而设计的产品还很少 1 2 本课篡的研究内窖 本测控系统能在果树周围气温变化的情况下，及时采取措施，使果园的环境维持在适 宜果树生长的条件下比如，当低温来临时，温度传感器感应到低温，控制系统就启动电 机带动抽水水泵，抽取地下水或蓄水池中的水，将其喷淋于果树树冠上，利用水的降温放 热原理来缓和气温骤变，以形成热屏障来保护树冠。当果树周围的气候环境比较千热的时 候，空气湿度传感器感应到低湿，控制系统就自动启动电机带动水泵抽水，喷洒水雾，抑 止果树水分的蒸散，舫止果实因为急剧失水而造成骤缩及烧伤 本系统在测量方式上采用远程网络化的测量方法，即在果园不同的区域分别安装检测 装置，进行分区检测。各前端采集机采样到的数据( 温湿度值) 经数字滤波后通过4 8 5 总 线传输到一台主机，并进行保存，数据存放在e e p r o m 里，本系统采用非易失性存储器 2 4 c 5 1 2 ，它具有6 4 k 字节的存储容量。在人机界面上采用键盘或红外线遥控器输入和数码 管显示的方式，通过键盘或遥控器来设置或更改温湿度的上下限值及实时时钟在控制部 分当主机接收到的数据在控制参数设置范围外时，主机就发出命令，通过可控硅控制交流 接触器线圈端的通断，继而控制电机带动水泵，喷洒水雾、防冻荆等，在一定程度上改善 该区域果园环境 4 福建衣球大学项士学位论文 1 3 本课置的研究目标 本课题研究要求达到以下目标： ( 1 ) 实现一台主机与多台下位机的多机通讯 ( 2 ) 实时温湿度显示。 ( 3 ) 温湿度上下限值设置。 ( 4 ) 能永久存储设定参数值。 ( 5 ) 下位机采集到的温湿度值进行敷字滤波处理。 ( 6 ) 实时时钟的显示和设置。 ( 7 ) 主机根据上传的温湿度值自动控制电机的启停 ( 8 ) 系统的抗干扰。 2 系统模块设计 本系统模块包括：中央控制器模块、x 5 0 4 5 看门狗监控模块、外部数据存储器扩展模 块、4 8 5 通讯模块、外部端口扩展模块、数码管显示及驱动模块、打印机接口模块、p c 机 通讯模块、e e p r o g 存储模块、键盘输入模块、红外线遥控模块、d s l 3 0 2 系统硬件时钟模块、 在线编程模块、a d 转换模块、多通道巡回采集模块 本系统组成原理图见图l 。 5 福建农林大葶l 士学位论文 田1 系统组成愿理圈 2 1 中央控嗣置 主机中央控制器采用a t e e l 公司生产的a t 8 9 s 5 2 。i n t e l 公司在h c $ 一4 8 系列的基础上， 在8 0 年代初又推出了h c s 一5 1 系列高性能的8 位单片机微型计算机，它和m c $ 一4 8 系列相比， 在片内存储器容量、i o 口的功能以及指令系统功能等方面，都大大地得到了加强。h c $ 一5 1 单片机特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统等领域，是控制型应用领域 中最理想的8 位机a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗、高性能c m o s 8 位徽控制器，具有8 k 在系统可 编程f l a s h 存储器使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产 6 福建衣林大孝硕士学位敞 品指令和弓i 脚完全兼容片上f l a s h 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c p u 和在系统可编程f l a s h ，使得a t 8 9 s 5 2 为众多嵌入式控 制应用系统提供高灵活、有效的解决方案“5 ” a t 8 9 s 5 2 具有以下标准性能； 与u c s - 5 1 单片机产品兼容 8 k 字节在系统可编程f l a s h 存储器 1 0 0 0 次擦写周期 全静态操作：o h z 3 3 h z 三级加密程序存储器 3 2 个可编程i 0 口线 三个1 6 位定时器计数器 六个中断源 全双工u a r t 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 该系统利用a t 8 9 s 5 2 的以上一些特性，与一些特定的功能芯片相结合，实现了如下功 能：( 1 ) 利用a t 8 9 s 5 2 的i s p 功能，实现了在计算机应用系统不断电的工作状态下对c p u 内的存储器直接进行编程( 2 ) 应用内部全双工申行口通过r s 4 8 5 组网，进行主从机的多 机数据通讯；( 3 ) 应用内部三个1 6 位的定时计数器分别实现多任务系统时钟、串行通讯 的波特率发生器、红外线的脉宽计算功能；( 4 ) 应用系统总线进行外部数据存储器的扩展， 外部数据存储器的扩展包括外部数据s a m 的扩展，使用h m 6 2 2 5 6 芯片，和外部端口的扩展， 采用8 2 c 5 5 芯片。端口扩展主要扩展了8 位数码管显示接口，4 * 4 小键盘接口和打印机接 口( 5 ) 中央控制器与看门狗接口，实现看门狗对系统运行状态的监控。看门狗的工作原 理是在系统死机的情况下，在规定时间内没有定时喂狗，看门狗就发出复位信号，复位中 央处理嚣，使程序从头走起该系统还利用看门狗内部的非易失性存储器e e p r o m ，即芯片 在掉电的情况下内部数据不会丢失的特性，对一些重要数据进行保存。( 6 ) 与申行硬件时 钟d s l 3 0 2 接口，给系统提供实时时钟( 7 ) 与r s 2 3 2 接口，利用软串口实现与p c 机的通 讯( 8 ) 与1 2 c 标准的申行e e p r o t q 芯片接口，本系统采用2 4 c 5 1 2 ，实现6 4 k 字节的非易 失性存储器扩展。 2 2x 5 0 4 5 看门狗模块 x 5 0 4 5 看门狗特性” 看门狗定时器时问可选 v c c 的降压检测和复位控制 5 种标准的开始复位电压 使用特定的编程顺序即可对低电压检测和复位开始电压进行编程 7 福建杠椿大学项士学位论文 复位电压可低至v c c = i v 省电特性 在看门狗打开时，电流小于5 0 u a 在看门狗关闭时，电流小l o u a 在读操作时，电流小2 h a 不同型号的器件，其供电电压可以是1 8 - 3 6 v , 2 7 卜5 5 v ，4 5 v 一5 5 v 4 k 位e e p r o m ，一百万次的擦写周期 具有数据的块保护功能，可以保护z 4 、1 2 、全部的e e p r o m ，当然也可以置于不保护 状态 内建的防误写措施 用指令允许写操作 写保护引脚 短的编程时间 1 6 个字节的页写模式 一写时由器件内部自动完成 典型的器件写周期为5 u s 看门狗定时器为徽处理器提供独立的保护机制。如果徽处理器没有在设定的时间内重 启定时器，该芯片就发出复位信号用户可以通过选择已设定好的三个时间间隔来设置系 统所需的间隔时间。间隔时间一旦设置就不会改变 本器件将上电复位控制、看门狗定时器、降压管理以及具有块保护功能的串行e e p r o m 四种功能合于一体 当器件通电并超过v t 。时，x 5 0 4 5 内部的复位电路将会提供一个约为2 0 0 m s 的复位脉 冲，让微处理器能够正常复位。这使得电源和振荡器在处理器执行指令之前达到稳定状态 该芯片的低电压检测电路保护用户系统不在低电压的情况下工作。当检测到工作电压 低于允许的最低点时，就复位系统。复位信号持续有效直到工作电压恢复并稳定在合理的 电压值。 2 2 1x 5 叫5 硬件电路 。 x 5 0 4 5 共8 个引脚，其中p 是写保护输人引脚，只有- p 为高电平时才可以向e e p r o m 写数据，本电路直接将p 与+ 5 v 相连。r s t 为复位输出引脚，复位时输出高电平s i 为串 行输入引脚，s 0 为串行输出引脚，s c k 为申行时钟引脚，c s 为片选引脚s i s o s c k 和 c s 均可以和单片机任何一个i o 引脚相连图2 是本系统x 5 0 4 5 硬件电路图 c s ( 5 0 4 5 ) 1 l 缀荔铉 2 箜吵) 墅鲤4 5 ) “i z v o 眵i 一7 8 e 您! 篓掣蜘1 0 k； ：i f j ，jr s r 1 口计 魏魏缓。黪叫+ 5 r 3 _ 5 0 4 s 田2 蕊5 硬件电路 2 2 2x 5 0 4 5 操作原理 c s 变为低电平后，在s c k 的上升沿锁存从s i 引脚输人的数据，在s c k 的下降沿输出 8 福建衣棒大学焉士学位论文 数据到s 0 引脚整个工作期间，c s 必须是低电平，p 必须是高电平在预设的定时周期 内，c s 没有从l 到。的跳变时，r s t 脚输出复位信号 x 5 0 4 5 的操作指令如表1 所列。 寰ix , 6 0 4 5 曩作指令囊 指令名称指令格式操作 w r e n0 0 0 0 0 1 1 0设置写使能锁存器( 使能写操作) r d l0 0 0 0 0 1 0 0复位写使能锁存器( 禁止写操作) r s d r0 0 0 0 0 1 0 1读状态寄存器 w r s r0 0 0 0 0 0 0 i 写状态寄存器 r e a d 0 0 0 0 a 一0 11 从选定的地址开始读存储器阵列的数据 w r i t e0 0 0 0 a 8 0 1 0从选定的地址开始写数据至存储器阵列 指令说明： 发送指令或读写字节数据时，都是高位在先 e e p r o i i 存储器地址范围为0 0 0 h 一1 f f h 。a 8 为0 表示操作的地址范围为o o h o f f h ，a 8 为l 表示操作的地址范围为i o o h - i f f h 。 x 5 0 4 5 还包括1 个8 位的写使能锁存器和1 个8 位状态寄存器。写使能锁存器在进行 写操作前必须被设置。状态寄存器有四个非易失性的控制位和两个易失性状态位。控制位 用于设置看门狗定时的时间和存储器的块保护。状态寄存器的各位功能见表2 ( 默认值为 3 0 h ) 囊2 状态膏存鲁位功麓 7654 3 21 o oowdlw d0bl1bl0welwip w i p 位是一个易失性位，只可读，它表明x 5 0 4 5 是否正忙于内部的非易失性写操作 对w i p 位的读操作用r d s r ( 读状态寄存嚣) 命令。当查询到该位为1 ，说明非易失性写操 作正在进行；当该位为0 ，说明写停止。w e l ( 写使能锁存) 位表明写使能锁存的状态。当 w e l = 1 ，说明锁存器己设，当e l = 0 ，说明锁存器已复位w e l 位是非易失性只读位。w r e n 命令设置w e l 位，w r d s 命令复位i l e l 位。b l o 和b l i 是块保护位，用于设置块保护的区域， 具体设置见表3 。这两个非易失性位由w r s r 命令写入，它允许用户对i 4 、i 2 或全部的 e e p r o u 阵列进行保护，也可都不保护对已保护的阵列只可读不可写，直到将两个b l 位 设置为取消块保护为止。w d o 和w d l 为看门狗时钟设置位，用于选择看门狗定时输出的时 间间隔，具体设置见表4 。这两个非易失性位由w r s r 命令写入。 囊3 块保护设置 囊4 超时一期设置 b l ib l o 受保护的块地址 00 无 011 8 0 h i f f h 1 o 1 0 0 h 1 f f h 1l0 0 0 h i f f h 9 w d iw d o看门狗超时周期 o01 4 s o16 0 0 m s l02 0 0 m s l1 禁止 福建表球大学焉士学位论文 2 2 3x 5 0 4 5 软件程序设计要点 在器件进行写操作之前，首先必须设置写操作指令。因为在每一次写操作之后，如写 入一字节、一页或写状态寄存器后，器件将自动处于写禁止状态w r e n 指令用于写允许操 作 在写使能时序后，命令字时序前，必须将c s 拉至高电平，如果这之间c s 没有变化， 则该指令将被忽略。 在任何写操作之后，要对| i p 位进行查询，用r d s r 指令读出。状态寄存器可以在任何 时候被读出，即使是在e e p r o m 内部的写周期内也可以读出。当读出的这一位是。1 ”则表 示内部正在进行写操作，此时调用延时子程序，等待写操作完成，直到查询到该位为。0 ”， 表示内部写操作完成。 在进行写操作( 字节或页写) 完成时，c s 必须在最后一个待写入字节的位。被写入 之后拉至高电平在任何其它时候将c s 变为高电平，写操作都不能完成。 2 36 2 2 5 6 外部扩展数据存储罱模块 2 3 1 数据存储器扩展介绍 随机存储器概述“” s 一5 1 扩展系统中，数据存储器由随机存储器组成，最大可扩展6 4 k b 。一般采用静 态r a m ，数据读写的访问时间根据不同型号一般为2 0 n s 2 0 0 n s 数据存储器就是随机存储器。随机存储器( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 简称为r a m ，用 于存放可随时修改的程序和数据，因此在单片机领域中也称之为随机存储器。但r a m 是易 失性存储器，断电后所存信息立即消失按半导体工艺，r a m 分为m o s 型和双极型两种。 m o s 型集成度高，功耗低，价格便宜，但速度较慢。而双极型的特点则正好相反。在单片 机系统中使用的大多数是m o s 型的随机存储器，它们的输入输出信号能与t t l 相兼容，所 以在扩展中信号连接是很方便的。 按其工作方式，r a m 又分为静态( s r a m ) 和动态( d l l a m ) 两种。静态r a m ，只要电源加 上，所存信息就能可靠保存而动态r a m 使用的是动态存储单元，需要不断进行刷新以便 周期性地再生，才能保存信息动态r a m 的集成密度大，集成同样的位容量，动态r a m 所 占芯片面积只是静态r a m 的四分之一。此外动态r a m 的功耗低，价格便宜。但动态存储器 要增加刷新电路，因此只适应于较大系统，而在单片机系统中很少使用 2 3 26 2 2 5 6 与系统硬件连接原理 该系统使用的a t 8 9 s 5 2 芯片内部有2 5 6 个存储单 元，当片内r a m 不能满足数量上的要求时，可以通过 总线端口扩展外部数据存储器，其容量可达6 4 k 字节 i n t e l 6 2 2 5 6 是静态r a m 的典型芯片，存储容量3 2 k b ， 采用标准d i p 封装，地址线1 3 条a 0 a 1 2 ，与a t 8 9 s 5 2 的地址总线相连。数据线8 条，与a t 8 9 s 5 2 的数据总 线相连，w e 与a t 8 9 s 5 2 的写信号w r 相连，0 e 与a t 8 9 s 5 2 的读信号肋相连，c s 为片选端，设在未使用的地址总 豳36 2 2 5 6 曩件莲接原理一 线上该芯片为c o i l s 工艺，因此具有功耗低的特点在维持状态下只需要几个微安电流， 福建表棒大学疆士学住论文 很适合作需断电保护或需长期低功耗状态下工作的存储器。图3 为其硬件连接原理图 2 3 36 2 2 5 6 在该系统中的应用 利用静态r a m 在有电源提供的情况下， 所存信息能可靠保存的特性，6 2 2 5 6 在该系 统中主要有以下两个用途： ( 1 ) 作为冷热启动判断标志的存储单 元。当系统冷启时，数据r a m 中的数据都是 随机的，系统热启时，数据r a m 中的数据不 会丢失。所以，在主程序中，要将冷热启动的 判断标志存入6 2 2 5 6 中，以便在冷热启动判 断时读取该标志。该系统采用的判断标志是 5 5 h ，从h 。程序流程见图4 。 ；功能：冷热启动判断 田4 冷热启动判断 m o v d p t r ，# c o o l h o t b u f ；单元1 m o v x a ，e d p t r c j n e a ，# 5 5 h ，c o o l r s t；单元5 5 h ，转冷启动 m o v d p t r ，# c o o l h o t b u f + l；单元2 m o v x 8 ， d p t r c j n e a ，# o a a h ，c o o l g s tl 单元- o a a h ，转冷启动 l i m p h o t r s t ；转热启动 ( 2 ) 将系统热启动时需要恢复的参数备份在6 2 2 5 6 中，而且数据可分不同的块多次保 存。如果其中有一块数据遭到破坏，可以从其它的几块中读出，这样保证了数据的可靠性。 程序框图见图5 。 圈5t 要数据还曩 1 1 藕建农棒大学硕士学往论文 2 4 通讯模块 该系统采用工业总线4 8 5 组罔，形成多机通讯系统。叩一台主机与多台分机的通讯 2 4 1r s - - 4 8 5 协议简介 针对r s 一2 3 2 一c 的不足，出现了一些新的接口标准，k s - - 4 8 5 的电气标准就是其中的 一种r s - - 4 8 5 是美国电气工业联合会( e i a ) 制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标 准它采用差分信号进行传输，最大传输距离可以达到i 2k m ，最多可连接3 2 个驱动器 和收发嚣，接收器最小灵敏度可达2 0 0 “，最大传输速率可达2 5w o p s 由此可见，r s - - 4 8 5 协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准1 r s - 4 8 5 具有以下特点； r s 一4 8 5 的电气特性：逻辑。1 ”以两线间的电压差为+ 2 + 6 v 表示；逻辑“0 ”以两线 问的电压差为一2 一6 v 表示。接口信号电平比r s - 2 3 2 - c 降低了，就不易损坏接口电路的芯 片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便与t t l 电路连接 r s - 4 8 5 的数据最高传输速率为2 5 m b p s r s - 4 8 5 接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰 性好 r s - 4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米另外r s 一2 3 2 一c 接口在总线上只允许连接1 个收发器， 即单站能力。而r s - 4 8 5 接口在总线上允许连接多 达3 2 个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的r s - 4 8 5 接口方便地建立起设备 网络 2 4 2i i a x 4 8 5 芯片介绍 ：，= 。= ： 姒x 4 8 5 接口芯片是m a x i _ 公司的一种r s = = 鹈 - - 4 8 5 芯片。采用单一电源+ 5v 工作，额定电 辩 流为3 0 0 pa ，采用半双工通讯方式。它完成将 獯 t t l 电平转换为r s - - 4 8 5 电平的功能。其引脚0 臻 结构和硬件连接如图6 所示，各引脚功能如表 5 所示 捌哐 铜 弘 盥短一汁 酗 暖对m 圈64 8 5 目l 膏缩构殛一件连接 毫6 | a x 4 8 5 引一功麓 引脚名称功能 1r o 接收器输出如a b 2 0 0 m y ，则r 0 为高电平；若a b 2 0 0 m v ，则r o 为低电平。 2r e 接收器输出使能。当r e 为低电平时，r 0 有效；当e e 为高电平时，r o 为高阻状态 3d e 驱动器输出使能。 4d i 驱动器输入。 5g n d 地 6 a 接收器同相输入端和驱动器同相输出端 7b 接收器反相输入端和驱动器反相输出端 8v o c正电源：4 7 5 v v c c 一 h 一 o 。有键按下 k e y p r s f ；无键按下清标志位退出 k e y p r s f , k e y ( k e y c h k f , k e y p r s l & y c h k f r 3 ，# 1 1 1 1 1 1 1 0 b r 2 ，# k e y l i n e n u m i t ，r 3 d p t r , a i | 【e y p o n ，r 3 a d p t r a ，k e y p o r t b 加 4 4 c a l k e y n u m b 。0 4 一 a 5 。c a l k e y n u m b 挣8 a c e 6 ，c a l k e y n u m b ，# 1 2 a 7 c a l k e y n u m _ r 3 r 3 。a 1 2 - w 一4 - k e y l o o p ；防止错当多次按键 确实有键按下转按键程序 ；扫描 ；r 2 - - - - 列号 藉麓表棒太学再士手位论文 ；功能：计算键值 ；输出：键值 ；使用寄存器： b ，r 2 ，d l v r r c a l k e y n u m ：m o v a , r 2 a d d a , b m o v d p t r , # k e y c o d e u a b m o v e i d p t r m o v g e y c o d e 。a s e t b k e y p r s f ；设置标志位，避免误当多次处理 r e t k e y c o d e t a b ：d b 0 ，1 ，2 ，3 d b4 ，5 ，6 7 d b 8 9 ，1 0 ，1 1 d b1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 2 - 7 3 红外遥控器设计 键盘是单片机应用系统的一个关键部件，能实现向单片机应用系统输入数据、传送命 令等功能，是人工干预单片机应用系统的主要手段。随着单片机应用的深入广泛，在各种 智能仪器仪表中，普遍使用本机键盘( 如独立式接键、矩阵式键盘) ，这种键盘一般安装在 仪器仪表的控制面板上，不能实现远距离操作。但是，在许多应用场合中，由于工作环境 的特殊性如距离较远，无法进入或危险性大等，不适合使用本机键盘操作。目前，彩电遥 控技术发展已趋成熟，许多红外遥控集成电路价格低廉、性能优良、抗干扰能力强，而且 与单片机接口简单，在单片机应用系统中得到了广泛的应用“”。 红外线遥控是目前使用最广泛的一种通讯和遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积 小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、 空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控工业设备中，在高压、辐 射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。 ( 1 ) 遥控键盘工作原理 通话，红外遥控器将遥控信号( 二迸制脉冲码) 调制在3 8 k h z 的载波上，经缓冲放大后 送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去= 进制脉冲码的形式有多种，其中最为 常用的是p w i l 码( 脉冲宽度调制码) 和p p i i 码( 脉冲位置调制码) 。前者以宽脉冲表示1 ，窄 脉冲表示0 。后者脉冲宽度一样，但是码位的宽度不一样，码位宽的代表1 ，码位窄的代表 0 遥控编码脉冲信号( 以p p i l 码为例) 通常由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能 反码等信号组成引导码也叫起始码，由宽度长的高电平和宽度短的低屯平组成( 不同的 遥控系统在高低电平的宽度上有一定区别) ，用来标志遥挎编码脉冲信号的开始系统码也 叫识别码，它用来指示遥控系统的种类，以区别其它遥控系统，防止各遥控系统的误动作。 功能码也叫指令码，它代表了相应的控制功能，接收机中的微控制器可根据功能码的数值 完成各种功能操作。系统反码与功能反码分别是系统码与功能码的反码，反码的加入是为 了能在接收端校对传输过程中是否产生差错。为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，将上 述的遥控编码脉冲对频率为3 8 k l i z 的载波信号进行脉幅调制( p a m ) ，再经缓冲放大后送到红 福建枉林大掌磺士学位论文 外发光管，将遥控信号发射出去“” 本系统采用的是福日遥控器，该遥控器采用脉宽调制的串行码，以高电平的脉冲宽度 ( t p 0 t p l ) 来区分二进制代码。0 ”和。1 ”高电平脉宽为0 5 6 5 s s 表示二进制的。0 ”， 高电平脉宽为1 8 1 4 a s 表示二进制的“1 ”，并以固定的低电平脉宽( t p w 一2 5 v 之前，r s t 必须保持低电平只有在s c l k 为 低电平时，才能将r s t 置为高电平t o 为串行数据输入输出端( 双向) 。s c l k 始终是输入 端。 。 2 8 2d s l 3 0 2 操作原理 ( 1 ) d s l 3 0 2 的命令字 rii 鼍， 图中给出了命令字节。命令字节是致据传输的开始。最高位( 位7 ) 必须设为逻辑1 ， 如果是逻辑0 ，则不能把数据写入到d s l 3 0 2 中，第六位用于区分是对时钟e l 历单元操作 还是对数据存储器( r a m ) 单元操作。如果为逻辑0 ，说明是对时钟e l 历单元操作t 如果 为逻辑1 ，说明是对数据存储器( r a i l ) 单元操作。位1 到位5 用于确定操作单元的地址 最低位有效位( 位0 ) 用于确定是写操作还是读操作如果为0 ，说明是写操作，如果为1 ， 说明是读操作。命令字节从最低位开始输入 数据输入输出在控制指令字输入后的下一个s c l k 时钟的上升沿数据被写入d s l 3 0 2 ， 塾州啪馨斟 福建农林大学硕士学往话走 数据输入从低位即位0 开始同样，在紧跟8 位的控制指令字后的下一个s c l k 脉冲的下降 沿读出d s l 3 0 2 的数据，读出数据时从低位0 位至高位7 ( 2 ) d s l 3 0 2 的寄存器 d s l 3 0 2 共有1 2 个寄存器。其中有7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为b c d 码形式其日历、时间寄存器及其控制字见表7 所示 囊7d s1 3 0 2 膏存鼍 读写位7位6位5位4位3 位2位1位0范围 8 l h8 0 hc h ( 时钟停止位)l o 秒秒 0 0 5 9 8 3 h 8 2 h 1 0 分分 8 5 h 8 4 h1 2 2 4 ( 低) o1 0i 时 时1 1 2 0 2 3 a m p mi 8 7 h 8 6 h00 1 0 天天 l 一3 1 8 9 h 8 8 h 000 1 0 月月 1 1 2 8 b h8 a hoo0 0o 星期 1 7 8 d h8 c h1 0 年 矩 o o 一9 9 8 f h8 e h w p ( 写保护位) 000o0o0 0 1 h9 0 ht c st c st c st c sd sd sr sr s 此外，d s l 3 0 2 还有充电寄存器、控制寄存器、时钟突发寄存器及与r a m 相关的寄存器 等下面针对d s l 3 0 2 的特色所在，具体介绍一下其充电寄存器的工作原理，各位定义见图 2 0 圈2 0i 咯1 3 0 2 充电寄存嚣 t c s 为涓流充电选择位，它仅在。1 0 1 0 ”模式下才启动，其他模式均不工作璐为二 极管的选择位，在0 0 和1 1 模式下都将禁止涓流充电。0 1 选择一个二极管工作模式，l o 选择两个二极管工作模式。船为电阻选择位，在o o 模式下将禁止涓流充电，o l 模式选择 2 k 电阻，1 0 模式选择4 k 电阻，1 1 模式选择8 k 电阻。 二极管和电阻的选择由用户根据超级电容器充电电流的大小决定最大充电电流如下： 福走表林大葶璜士学往论文 假设系统电压+ 5 v 加至v c c 2 和连在v c c l 的超级电容器上，且寄存器的控制字为： 1 0 1 0 0 1 0 1 则有， i m x = ( 5 - - - 极管导通压降) r 1 ：( 5 - 0 7 ) 2 k - 2 2 h a 正如超级电容器充电那样，随着v c c l 与v c c 2 之间压差的减少，其充电电流将减少。 2 8 ，30 5 1 3 0 2 的软件设计要点 0 s 1 3 0 2 的涓流充电寄存器状态、时钟停止位状态、写保护位状态在上电的时候都是不 确定的，所以，在初始化的时候要先对对涓流充电寄存罂、时钟停止位、写保护位进行设 置。如果没有设置涓流充电寄存器，在系统断电的情况下d s l 3 0 2 硬件时钟将停止工作。 在向d s l 3 0 2 写入时阃之前要清除写保护，写完之后要重新设置写保护，这样能保证时 阃不被无意更改。 2 9 在线编程模块 2 9 1i s p 简介 随着电子技术的日益发展，芯片的规模越来越大，封装日趋小型化，相应的对系统板 级调试困难也在加大。i e e e 制定了标准测试端口与边界扫描的标准i e e es t d1 1 4 9 1 ，这 就是j t a 6 接口协议。j t a 6 接口通过t c k 、t d i 、t o o 、t m s 四根信号线，以串行模式为系统 提供了对复杂芯片的各引脚连通性测试，进步还能实现对可编程芯片的配置与处理器芯片 的调试等等下载电缆就是一种使用计算机的并行端口通过软件的仿零点实现j t a g 接口协 议，它是访问可编程芯片的廉价工具。i s p ( 在系统可编程的简称) 最先是由l a t t i c e 公司 提出的一种技术，是通过同步申行方式实现对其可编程逻辑器件的重配置i s p 与j t a g 的 接口协议很相像，只是后者形成了标准i s p 现在已经成为一种概念，它的提出改变了传 统硬件系统开发的流程，大大方便了开发者，加快了开发速度现在大多数的可编程器件 ( f p g a 、c p l d 、d s p 、m c u ) 都支持i s p 特性。单片机也不例外，a t s e l 公司推出的a t 8 9 s 系列5 1 单片机也符合i s p 特性。 i s p 是在线编程全名为i ns y s t e np r o g r a m s i n g 即在系统编程，通俗的讲就是编程时 不需要将微控制器( n c u ) 从系统( 目标系统) 中移出在结合系统中一系列内部的硬件资 源可实现通过串口对微控制器的远程编程它实现了在计算