单片机数据采集与控制系统的设计包含有CAD文件
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本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 39 页目 录1引言11.1 单片机的发展概况11.2 单片机的应用系统概述32各个器件及工作原理52.1 AT89S5152.2 A/D转换器 (AD574)92.3 D/A转换器(DAC1210)102.4 继电器隔离112.5 通讯接口112.6 CAN总线122.7 8279芯片132.8 液晶显示原理142.9 键盘接口163硬件设计193.1 A/D转换模块203.2 D/A转换模块213.3 通讯模块213.4 显示模块223.5 电源模块233.6 键盘设计模块234软件设计254.1 主程序流程图254.2 通讯端口流程图264.3 A/D转换流程图274.4 D/A转换流程图274.5 I/O端口流程图28结 论29致 谢30参 考 文 献31附录A32附录B33 本科毕业设计说明书（论文） 第 40 页 共 40 页1 引言单片机是微型计算机的一个重要分支,它被广泛应用于工业控制、数据采集以及仪器仪表等众多领域。近几年来，随着各种高性能、高集成度、低成本的新型单片机的出现以及嵌入式系统的兴起，单片机应用领域不断扩大。除了工业控制外、民用娱乐、消费性产品上也随处可见单片机的身影。本设计主要以单片机AT89C51芯片为控制核心和数据采集电路、LED数码管显示电路以及供电系统四大部分构成数据采集和显示功能。当有模拟信号输入时，单片机控制A/D转换器，把要输入的模拟信号转换为相应的数字信号存入到单片的内存中，在控制LCD显示驱动器把内存中的数字信号显示出来。通过键盘来改变LCD中显示的数据，把改变的数据通过控制D/A转换器输出成相应的模拟信号。应用通讯端口（RS232、RS422、RS485）完成与其他控制器之间的数据通讯。1.1 单片机的发展概况从诞生至今，单片机的发展已经经历了4个阶段，今后单片机的发展主要应该体现在以下几个方面。（1）更高的集成度高集成度意味着开发难度、开发成本的降低。近几年来各个单片机生产厂家都推出了许多集成了各种外围器件的增强型单片机，如Cygnal的C8051F系列，其中集成了看门狗、C总线、12位A/D、10位D/A等，对于一般的系统来说，基本上不用再进行外围扩展，而且其价格也比这些外围器件的价格总和要低得多，大大降低了开发难度和成本。（2）更快的运算能力 虽然单片机是面向控制和采集的，对计算能力的要求并不高，但是更好的运算速度和精度将意味着控制的更为精确。此外，一些需要大数据量计算的产品的出现也要求单片机需具有较高的运算能力。（3）降低功耗和价格，更好的稳定性在很多应用场合应用系统对功耗和稳定性的要求是非常高的。因此，许多厂商在这个方面动了很多脑筋，比如采用CMOS技术、空闲掉电的方法来节电等，而价格则是设计者在选择阶段重点考虑的音素。无疑，在性能接近的条件下价格将会起主导作用。近几年来，单片机技术的发展、制造工艺的成熟使单片机价格下降成为可能。1.2单片机的应用系统概述单片机系统是一个相当复杂的系统，需要设计者对软/硬件设计都非常了解。硬件设计方面一般需要设计者考虑器件选择，单片机外围接口电路、驱动电路的设计等问题；软件方面则需要设计者根据硬件结构来完成相应的功能设计。此外，由于系统的环境对单片机系统的影响很大，在系统设计的过程中还需要再软/硬件上考虑系统的可靠性、抗干扰性和体积大小等问题。一般来说一个单片机应用系统的设计应该分为以下几步。（1） 总体设计:主要是确定系统的功能，研究系统的可行性，估计系统成本，确定系统的整体方案。如果系统比较庞大，则需要划分功能模块，确认各个模块的功能目标，相互间的接口等问题。（2） 硬件设计:在确定了整体方案的基础上，根据方案中对系统和功能的要求，进行器件的选型，然后设计单片机外围器件的接口、驱动电路，画出原理图并进行验证，还需要考虑硬件上抗干扰、功耗等问题。最后设计PCB板。（3） 软件设计:软件是系统的灵魂。此部分可以在硬件设计的后期与硬件设计同步进行。软件设计的目标是根据硬件的结构设计出相应的功能程序，并在硬件平台上进行功能测试，根据测试结果进行进一步的修改。（4） 全系统整体测试:在软/硬件设计完成，必须进行全系统整体测试，测试系统功能是否完备，硬件设计整体是否合理。此外，应该对系统整体在相应环境下的稳定性、抗干扰性进行测试。测试完成后进行烧片，并考虑产品化问题。（5） 系统功能扩展、升级、完善。在系统设计时还需考虑到今后产品的更新问题，可能的话应该保留升级的接口，做好今后升级的准备。一个常规的单片机应用系统一般包括以下3个子系统。（1） 人机交互系统一般来说，单片机应用系统都需要和人进行对话：人需要了解应用系统的行为进行干预；系统也需要把数据和状态给人显示。一般的人机交互系统有：输入设备，如键盘、拨码开关等；输出设备，如数码管、LCD等。此外，还包括人、机间的通信手段：串行通信、USB总线等。（2） 前向通道系统前向通道系统指单片机应用系统中将被测对象需测量的外部信息转换为单片机可以处理的内部信息的子系统。可以说，前向通道系统是整个系统的信息传入部分，没有这部分，整个系统就像没感觉的人一样，对外界的信号毫无反应。在测量系统中，前向通道系统就是整个系统的核心部分；在测控系统中，前向通道系统就是控制的必要环节。一般前向通道系统中包括各种传感器、信号调理电路以及信号转换等。（3） 后向通道系统后向通道系统是指单片机应用系统中将单片机输出的控制信息转换为被控对象可以利用的控制信号的子系统。一般的后向通道系统中都存在着弱电控制强电，或者以小功率控制大功率。因此后向通道系统包括各种功率接口器件和各种驱动电路，有的系统中还需要有信号转换等。一个完整的单片机应用系统一般都是由上面3个子系统组合而成的。当然，根据应用系统的功能要求不同，在子系统配置上的侧重会有所不同。例如，在单纯的测量系统中就基本不需要后向通道系统，只要有前向通道系统加上人机交互系统就可以了；而对于一些人工控制的系统就不需要前向通道系统了。具体怎么配置都必须根据系统功能要求，在系统整体设计时确定。2 各个器件及工作原理设计一个“单片机数据采集与控制系统”，芯片的选择尤为重要，在控制芯片的选择上，由于AT89S51芯片与MCS-51兼容，擦写次数为1000次，比8051功能更全，所以控制芯片选AT89C51。系统采集的一般都是模拟数据量，因此需用A/D转换器转换成单片机系统识别的数字数据量。通讯端口可以方便地与其他系统进行数据交换，由于通讯接口芯片的更新，有些系统还采用老的通讯接口芯片，因此系统的通讯接口芯片采用RS232、RS422、RS485和CAN芯片。2.1 AT89S51AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要特性：8031 CPU与MCS-51 兼容4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)全静态工作：0Hz-24KHz三级程序存储器保密锁定128*8位内部RAM32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器6个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路引脚功能说明：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 图2.1 AT89S51引脚图据/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。表2.1 P1口第二功能引脚说明端口引脚 第二功能 P1.5MOSI(用于ISP编程)P1.6MOSI(用于ISP编程)P1.7SCK(用于ISP编程)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。表2.2 P3口第二功能引脚说明端口引脚 第二功能P3.0RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 (外中断0) P3.3 (外中断1) P3.4 T0（定时/计数器0外部输入） P3.5 T1（定时/计数器1外部输入） P3.6 （外部数据存储器写选通） P3.7 （外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能 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。：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。/VPP：当保持低电平时，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。2.2 A/D转换器 (AD574)AD574是一种单片高速12位逐次比较型A/D转换器，这里介绍AD574中文资料，他内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下： 分辨率：12位 非线性误差：小于1/2LBS或1LBS 转换速率：25us 模拟电压输入范围：010V和020V，05V和010V两档四种 电源电压：15V和5V 数据输出格式：12位/8位 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式。各个管教作用： 模拟电压输入范围 0 +10V ；0+20V；-5+5V； -10V+10V。 (1)10Vin 、20Vin 、BIP OFF：接10VDC、20VDC；单极性输入时BIP OFF接模拟公共地，双极性时BIP OFF接对应的-5V、-10V。 图2.2 AD574引脚图(2)VDD、VEE 模拟电路工作电源正、负输入线。（12VDC、-12VDC）。 (3)Vcc 数字电路正电源（+5VDC） (4) DGND 数字地 (5) VREFO 内部基准电源输出线（10VDC） (6)VREFI A/D 转换基准电压输入线 (7)STS 转换结束输出信号线，低电平有效。 (8)CE 片使能信号输入线，高电平有效。 (9)CS：片选信号输入线，低电平有效。 (10)R/C 读/启动控制信号，当高电平时，表示读A/D 转换数据；低电平时，启动A/D。 (11)12/8 12位/8位读取方式输入线。必须与Vvv 或数字地连接。接Vcc 时，进行12位读取，接数字地时与A0 配合进行高八位和低四位读取。 (12)A0 字节选择输入线。在启动A/D时，低电平，产生12位转换，高电平时，产生8位转换；在读取数据时，低电平，输出高8位数据，高电平，输出低4位。接到Vcc 此线不起作用。2.3 D/A转换器(DAC1210)DAC1210系列是美国国家半导体公司生产的12位双缓冲乘法D/A转换器，可以与各种微处理器直接接口。在与16位微处理器一起使用时，DAC1210系列的12根数据输入线可直接与微处理器的数据总线接口。其主要技术指标如下：(1) 分辨率12位。(2) 电流建立时间1s。(3) 线性度，满量程的8位、10位、11位、12位。(4) 可双缓冲、单缓冲或直接数字输入。(5) 满足TTL电平规范的逻辑输入。(6) 可与所有通用微处理器直接接口。(7) 参考电压VREF=-10V+10V。(8) 单电源，+5V+15V。(9) 低功耗，20mW。DAC1210共有24个管脚，采用双列直插式结构，其排列顺序如图所示。DAC1210管脚又分为三组，先描述如下：(1) 输入输出线数据总线D0D11用来传送被转换的数字，高8位D4D11对应高8位输入寄存器，低4位D0D3对应低4位输入寄存器。电流输出线IOUT1和IOUT2。IOUT1+IOUT2=常数。DAC寄存器中所有数字位均为“1”时，IOUT1为最大；为全“0”时，IOUT为零。(2) 电源及地线VCC：数字电源电压输入。AGND:模拟地。DGND：数字地。VREF：基准电压输入，选择范围-10+10V。(3) 控制线Rfb：片内集成反馈电阻，为外部运算放大器提供一个反馈电压。：片选信号。:第一级缓冲器的写选通信号。 图2.3 DAC1210引脚图:字节顺序控制信号。此控制为高电平，高8位输入寄存器及低4位输入寄存器均被允许；此控制端为低电平时，仅低4位输入寄存器被允许。:第二级缓冲器的写选通信号，即12位DAC寄存器写信号。:传送控制信号。2.4 继电器隔离在微机测控系统中被控对象往往是强点设备，负载功率较大。因此，微机系统必须具有将输出的低电压、小电流信号转换成高电压、大电流信号的装置，成为功率接口。由于功率接口直接控制着被控设备的启停，经它引入的干扰更直接、更强烈。因而被控设备成为微机系统的主要干扰源。工程实践表明抑制被控设备的干扰或者提高功率接口的抗干扰能力，是保证工业自动化装置正常运行的关键。许多继电器负载，如电磁继电器、接触器、电铃、电磁阀门和电磁抱闸等，它们的一个共同特点是工作电压高于单片机+5V电源，驱动电流一般较大，因此，从单片机输出的信号经过驱动电路进行转换，使输出的驱动电压、电流能够适应这些负载的要求。此外，还要解决在负载工作过程中对电源的干扰以及线圈断电时在线圈两端产生极高的感应电压等问题，针对不同的措施以提高单片机应用系统的可靠性。2.5 通讯接口RS-232与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此在视频界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。如录像机厂家中的Sony与松下对录像机的RS-422控制协议是有差异的，视频服务器上的控制协议则更多了，如Louth、Odetis协议是公开的，而ProLINK则是基于Profile上的。(1) RS-232-C串行接口RS-232-C串行接口是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 (2) RS-485串行接口RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。 2.6 CAN总线控制器局部网（CANCONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。2.7 8279芯片8279的引脚功能： 采用单5V电源供电，40脚封装。 DB0DB7:双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。 CLK:时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。 RESET:复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹型式，程序时钟前置分频器被置为31,RESET信号为高电平有效。CS:片选输入线，低电平有效，单片机在CS端为低时可以对8279读/写操作。A0:缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为 图2.4 8279引脚图低电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。 RD:读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。 WR:写信号输入线，低电平有效，将缓立器读出,将数据从外部数据总线写入8279的缓冲器。可按其功能分为:键盘功能块;显示功能块;控制功能块;与CPU接口功能块控制功能块包括控制和定时寄存器,定时和控制,扫描计数器三部分,它主要用来控制键盘和显示功能块工作. 控制和定时寄存器:用于存贮来自CPU的编程命令,CPU对8279编程以确定键盘与显示器工作方式和其它工作条件时,先把命令控制数据放到数据总线上,然后使A0=1,WR=0CS=0,并在WR上升沿把命令键存在控制和定时寄存器中,并经译码,建立适当的功能. 定时和控制:它含基本的定时计数器,第一个计数器是一个分频系数为2-31的前置定时器,分频系数可由程序预置,使内部频率为100KHz,从而能给出5. 1ms键盘扫描时间和10.3ms反跳时间,其它计数器将此基本频率分频后,提供适当的按键扫描.行扫描.键盘阵列扫描.以及显示器扫描次数. 扫描计数器:扫描计数器有两种工作方式,在编码工作方式时,计数器提供一种二进制计数,通过管脚SL0-SL3输出后经外部译码才能提供给键盘和显示器的扫描作用,在译码工作方式时,扫描计数器对最低二位进行译码,SL0-SL3输出4选1的译码信号,作为显示器和键盘的译码扫描. 2.8 液晶显示原理液晶显示器(LCD/Liquid Crystal Display)的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。一般来讲液晶运用在显示器上，主要靠液晶的电光效应和偏光的特性。偏光的涵义是指光波只会在一个平面上震动，主要是靠偏光滤光器（滤光器是由两块互相成为90度的单一滤光镜片构成）。而LCD是以两块玻璃片中填满液晶材料所构成，由于液晶拥有黏性（viscosity）、弹性（elasticity）和极化性(polarizalility)的性质，因此当电极通过就会改变偏光的特性。为了使LCD能显示影像，在LCD的两块玻璃片中间的顶部和底部排列互相成为90度的导体，每一个交叉点就是一个单元，透过讯号输入至每一单位，因此就能控制影像的显示。液晶显示器的分类目前液晶显示器可分成三大种类，分别是扭转向列型（Twisted Nematic；简称TN）、超扭转向列型（Super Twisted Nematic简称STN）和彩色薄膜型（Thin Film Transistors；简称TFT）。(1) TN-LCDTN是继DSM型的液晶材料后，所发展的新液晶材料，TN-LCD的最大特点就如同其名称扭转向列一般，其液晶分子从最上层到最下层的排列方向恰好是呈90度的3D螺旋状。TN-LCD的出现奠定了现今LCD发展的主要方式，但是由于TN-LCD具有两个重大缺点，那就是无法呈现黑、白两色以外色调，以及当液晶显示器越做越大时其对比会越来越差，使得各种新的技术陆续出现。(2) STN-LCDSTN-LCD的出现是为了改善TN-LCD对比不佳的问题，最大差别点在于液晶分子扭转角度不同以及在玻璃基板的配合层有预倾角度，其液晶分子从最上层到最下层的排列方向恰好是180度至260度的3D螺旋状。但是，STN-LCD虽然改善了TN-LCD的对比问题，其颜色的表现依然无法获得较好的解决，STN-LCD的颜色除了黑、白两个色调外，就只有橘色和黄绿色等少数颜色，对于色彩的表达仍然无法达到全彩的要求，因此仍然不是一个完善的解决方式。(3) TFT-LCD为了改善对于色彩的要求，又发明了TSTN（Triple Super Twisted Nematic）和FSTN（Film Super Twisted Nematic）两种新技术。TSTN和FSTN的基本构造原理与STN相同，差别在于TSTN在两片玻璃上加上两片色补偿用薄膜，而FSTN则是加上一片色补偿用薄膜。TSTN和FSTN具有高解析度和全彩的优点，完全改善TN的比对问题和STN的色彩问题。但可惜的是，TSTN和FSTN却有液晶分子的反应较慢的问题，在放映数量较大的资料时，会造成无法负荷的缺点，因此也不是完善的解决方式。2.9 键盘接口在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。当所设置的功能或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无将键输入并检查是哪一个键按下将该键号送入累加器ACC，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。键盘的输入：键盘的可靠输入是键盘接口设计的关键点。键盘的可靠输入大致有如下两个方面的内容。第一、去抖动，目前的键盘按键均为机械式接触点，由于触点的机械弹性效应，在按键闭合和断开的时候，接触点的电压并不是立即变化，而是会出现抖动。根据按键的不同机械特性，抖动的时间长短不等，大致在5ms10ms。第二、一次按键处理，当按键按下之后，相应的按键编码以高低电平的方式输入到单片机的I/O口。按键闭合是有一定的时间的，一般来说，大致为0.10.5s。因为单片机的执行速度很快，如果处理不当，就有可能一次按键操作被执行很多次。为了去除按键的抖动，并且保证单片机对键盘按键的一次输入仅响应一次，可以在硬件和软件上采取不铜的措施。软件去抖动和一次按键处理的方法是：当程序检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序，然后再检测一次，看是否该键仍然闭合。如果仍然闭合则可以确认确实有键按下，从而可以消除抖动的影响。在单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。（1） 编程扫描方式编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。键盘扫描程序一般应包括以下内容：(a）判别有无键按下。(b）键盘扫描取得闭合键的行、列值。(c）用计算法或查表法得到键值。(d）判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待。(e）将闭合键键号保存，同时转去执行该闭合键的功能。（2） 定时扫描方式：定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。定时扫描方式的硬件电路与编程扫描方式相同。初始化时将这两个标志位设置为0，执行中断服务程序时，首先判别有无键闭合，若无键闭合，将标志1和标志2置0后返回；若有键闭合，先检查标志1，当标志1为0时，说明还未进行去抖动处理，此时置位标志1，并中断返回。由于中断返回后要经过10ms后才会再次中断，相当于延时了10ms，因此，程序无须再延时。下次中断时，因标志1为1，CPU再检查标志2，如标志2为0说明还未进行按键的识别处理，这时，CPU先置位标志2，然后进行按键识别处理，再执行相应的按键功能子程序，最后，中断返回。如标志2已经为1，则说明此次按键已做过识别处理，只是还未释放按键，当按键释放后，在下一次中断服务程序中，标志1和标志2又重新置0，等待下一次按键。（3） 中断扫描方式采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态，为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。3硬件设计此次设计采用AT89S51芯片作为控制芯片，用AD574来实现12位模数转换，转换电压-10V+10V。DA1210实现12位数模转换，转换电压-10V+10V。AT89S51通过控制两个芯片的片选端口,从而控制数据的输入或者输出。为了与其他系统之间保持通讯，接有通讯接口RS232，考虑现在接口的全面通讯外加了RS422、RS485和CAN通讯接口。键盘的设计要具有通用性，基本设计键数为16个，按键分别为09、负号、小数点、输入、输出、修改、确定。键盘能实现对A/D的输入、D/A的输出、LCD数据的显示及修改等功能。LCD能显示A/D转换后的数字量，能实时显示键盘对其显示数据的改变。LCD显示CAN通讯通讯接口RS232RS422RS485D/A转换AT89S51键盘/8279A/D转换光电隔离 图3.1 总线连接图系统采用AT89S51的P0口作为数据的输入/输出口，P1和P2口作为控制口。AT89C51通过控制各芯片的选通信号来决定哪个芯片处于工作状态，处于工作状态的芯片按照程序的要求实现各自的功能。系统由A/D转换模块、D/A转换模块、通讯模块、显示模块、电源模块和键盘设计模块组成。3.1 A/D转换模块在图中，AD574的输出是三态锁存器，因而可直接与AT89S51单片机数据总线接口。该电路是12位向左对齐的数据输出格式，AD574的低4位DB3DB0，接到AT89S51的D7D4上；AD574的高8位DB11DB4接到AT89S51的D7D0上。可分二次读出数据，第一次读出高8位，第二次读出低4位。为了便于寻址查询，AD574的标志STS接AT89S51单片机的P1.0。 图3.2 A/D转换模块电路连接图3.2 D/A转换模块从图中可以看出，DAC1210转换器占有两个地址：当P2.7=0、A0=1时，送高8位数据；而A0=0时，送低4位数据。即DAC1210的8位输入寄存器地址为7FFFH，4位输入寄存器地址为7FFFH。从图中还可以看到，DAC1210转换器的工作采用输入双缓冲方式，在送入数据时要先送12位数据中的高8位D11得D4，然后再送入低4位数据D3D0，而不能按相反的顺序传送。这是因为在输入8位寄存器时，4位输入寄存器也是打开的，如果先送低4位后送高8位，结果就会产生错误。这里4位输入寄存器与12位DAC寄存器是同一个地址7FFFH，即当送完高8位数据后，送低4位数据时，12位DAC寄存器同时被打开送12位D/A转换器转换。设12位数据存放在内部RAM的两个单元中：DIGIT和DIGIT+1。12位数字量的高8位在DIGIT单元，低4位在DIGIT+1单元的低4位。 图3.3 D/A转换模块电路连接图3.3 通讯模块通讯端口是为了方便与其他系统交换数据，由于很多系统用的通讯端口芯片都不相同，在设计时为了此系统能够通用，芯片选用了RS232、RS422、RS485芯片。 图3.4 通讯模块电路连接图选用74LS153（四选一）芯片来分开3个通讯芯片的冲突。单片机通过控制74LS153芯片来选择通讯芯片的数据输入/输出。74LS153的G、A、B脚的高低电平决定了3个芯片的选通。当G、A、B都为低时，选通C0口;当G、B为低，A为高时，选通C1口；当G、A为低，B为高时，选通C2口；当G为低，A、B、为高时，选通C3口；当G为高时，无选通端口。3.4 显示模块对于一位LCD的显示可使用七段译码器实现。其中七段译码器能实现BCD码与七段码的译码，可以得到LCD显示所需译码的控制。 图3.5 显示模块电路连接图3.5 电源模块设计用的所有芯片自身都需要电源（Vcc）,所需电源电压为5V，而我们日常用的电为220V的交流电，因此得把220V的交流电转为5V的直流电。7805芯片只能输出5V的电压，如果设计的系统中有除了5V的其它电源，应选择其它的三态稳压芯片。 图3.6 电源模块电路连接图3.6 键盘设计模块 键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。键盘扫描程序的运行结果是把闭合键的键码放在累加器A中，接下来的程序是根据键码进行程 图3.7 键盘模块电路连接图序转移，转去执行该键对应的操作。当设计的键盘键数少于8个时可以直接连在单片机上，当键数在832之间时，可选用8279来扩展。当为低电平时，8279选通，开始扫描是否有键被按下，如果有，则执行相关的程序，如果没有，则继续扫描。4 软件设计系统只有硬件部分也不能工作，必须靠软件来驱动硬件工作。C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持,很多硬件开发都用C语言编程，如各种单片机、DSP、ARM等。C语言程序本身不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改或仅作简单的修改就可将程序从不同的系统移植过来直接使用。C语言提供了很多数学函数并支持浮点运算，开发效率高，可极大地缩短开发时间，增加程序可读性和可维护性。单片机的C51编程有如下优点：1）对单片机的指令系统不要求有任何的了解，就可以用C语言直接编程操作单片机。2）寄存器分配、不同寄存器的寻址及数据类型等细节完全由编译器自动管理。3）程序有规范的结构，可分成不同的函数，可使程序结构化。4）库中包含有很多标准子程序，具有较强的数据处理能力，使用方便。5）具有方便的模块化编程技术，使已编好的程序很容易移植。4.1 主程序流程图 图4.1 主程序流程图主程序流程图如图4.1所示,系统运行时,各芯片初始化,并把初始化的结果显示出来,接着执行键盘扫描程序,为扫描到有键按下时,继续扫描，当扫描到有按键按下时，辨别是那个键按下，辨别之后执行相应的子程序。执行完子程序后，返回，继续扫描是否有键按下。4.2 通讯端口流程图通讯端口的流程图如图4.2当主程序执行到控制通讯端口的按键按下时，初始化通讯端口芯片，显示按下的是那个通讯按键，执行程序，交换数据，交换完数据后显示。 图4.2 通讯端口流程图4.3 A/D转换流程图 图4.3 A/D转换流程图A/D转换的流程图如图4.3，A/D转换流程图是当主程序执行到有控制A/D转换的按键按下时，则转向此流程图执行程序，此流程图完成模数转换并把转换结果显示出来。当此子程序开始执行时，首先选择转换通道，启动A/D转换，判断是否转换完，转换完后显示转换的结果。4.4 D/A转换流程图 图4.4 D/A转换流程图D/A转换的流程图如图4.4，扫描到D/A转换键按下时，启动D/A转换，判断转换是否完成，完成则输出转换后的模拟量。4.5 I/O端口流程图 图4.5 I/O端口输出流程图I/O端口的流程图如图4.5，程序执行到此I/O端口时，只要判断P1口是否为高电平即可，如为高电平，则执行数据的输出；如为低电平，则退出。以上为次系统的主流程图和各个模块流程图，根据流程图，用C51语言编写程序，程序见附录B。结束语论文主要阐述利用单片机作为控制器件，通过有关的外围接口芯片，完成模拟数据的采集和显示、键盘按键输入、I/O输入输出、继电器隔离输出、与其他外部设备的串行通讯等功能。数据采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来进行某些物理量的控制。在设计的过程中，由于对单片机了解比较少，遇到了很多麻烦。在王老师的精心指导下，通过学习单片机的相关知识，一步步地完成了设计的要求。在确定方案以后通过查找相关资料，把总体电路图完成；学习Protel软件，画出了总体电路图。学习C51语言，基本完成各端口的程序编制。虽然这里面出现了很多问题，但经过这几个月的学习和老师的指导，我了解了很多有关单片机的知识，这对我以后的工作和学习有很大帮助。致 谢经过半年的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师王荣林老师。王老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。除了敬佩王老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，正因为如此我才能顺利的完成设计，我要感谢我的母校南京理工大学泰州科技学院，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！。参 考 文 献1 陈国先.PIC单片机原理与接口技术M.北京：电子工业出版社，2004.2 陈正义. 单片机控制实习M. 北京： 人民邮电出版社，2006.3 周美娟，肖来胜. 单片机技术及系统设计M. 北京： 清华大学出版社，2007.4 李刚，林凌，姜苇.51系列单片机系统设计与应用技巧M.北京：北京航空航天大学出版社，20035 蒋辉平. 单片机原理及应用技术M. 北京： 北京航空航天大学出版社，2007.6 姜志海. 单片机原理及应用M. 北京： 电子工业出版社，2005.7 胡汉才.单片机原理与接口技术M.北京:清华大学出版社，19968 朱善君. 单片机接口技术及应用M. 北京： 清华大学出版社，2005.9 刘刚. 单片机原理及应用M. 北京： 北京大学出版社，2006.10 朱长清 单片机控制系统中实现DMA数据传送的方法B.军械工程院，200311 胡学海. 单片机原理及应用系统设计M. 北京： 电子工业出版社，2005.12 吴金戌等.8051单片机实践与应用M.北京：清华大学出版社，2002.13 黄友锐. 单片机原理及应用M. 合肥： 合肥工业大学出版社，2006.14 何宏.单片机原理与接口技术M.北京：国防工业出版社，2006. 15 黄仁欣. 单片机原理及应用技术M. 北京： 北京大学出版社，2005.16 戴胜华. 单片机原理及应用M. 北京： 清华大学出版社，2005.17 王凤文. 单片机原理及接口技术M. 北京： 北京邮电大学出版社，2005.18 田希晖. C51单片机技术教程M. 北京： 人民邮电出版社，2007.19 林凌. 新概念单片机教程M. 天津： 天津大学出版社，2007.附录A 系统总体电路图附录B #include#include#include#include#define N 128#define
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