




已阅读5页,还剩54页未读, 继续免费阅读
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文)摘要本文主要从硬件和软件两方面介绍了MCS-51系列单片机多功能计数器的设计思路,简单说明如何实现对计数的功能,并对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。本设计共分电源、单片机控制模块、信号前向通道处理模块、键盘、液晶显示模块、模数(A/D)转换模块、语音播报模块、测温及时钟八个模块。以51系列单片机为控制模块核心,对多功能计数器可编程控制,实现周期、频率、时间间隔的测量。同时可实现对测量结果、时钟、温度及被测信号幅度的液晶显示及语音播报。本设计介绍的单片机多功能计数器系统的主要内容包括:系统方案、元器件选择、系统理论分析、硬件设计、软件设计、系统调试及主要技术性能参数。关键词多功能;周期;频率;时间间隔;测量;语音播报AbstractThis paper mainly from two aspects of hardware and software design of MCS-51 series single chip multi-function counter, illustrates how to realize the function of count, and the hardware schematic diagram and program block diagram for a simple description. The design consists of a power supply, a single-chip control module, signal processing module, the keyboard forward channel, liquid crystal display module, analog-to-digital (A/D) conversion module, voice broadcastmodule, temperature measurement and clock module eight. With 51 seriesmicrocontroller as the core control module, the multifunctional counterprogrammable control, measurement of the cycle, frequency, time interval. At the same time, can realize the liquid crystal on the measurement results, the clock,temperature and the measured signal amplitude display and voice broadcast.The main content of multi-function counter system based on the design of thesystem, including: the component selection, system analysis, hardware design,software design, system debugging and the main technical performanceparameters.KeywordsMulti,Cycle,Frequency,Time interval measurement,Voice broadcast摘要1Abstract3第1章 绪论61.1 单片机概述61.1.1 单片机历史61.1.2 单片机的基本结构71.1.3 单片机的应用领域91.2计数器概述101.2.1 计数器的技术背景与发展趋势101.2.2 电子计数器的分类111.2.3 电子计数器工作原理和基本功能12第二章 方案设计和论证122.1计数器计数原理132.2 多功能计数器总体设计方案132.3 多功能计数器测频率142.3.1 基本工作原理142.3.2 电路设计152.3.3 电路分析152.3.4 理论分析162.3.5 软件设计172.3.6 测试与结果分析18本章小结19第三章模块电路设计及比较193.1 89c52单片机的选型203.2电源模块213.3 前向信号通道处理模块22图3-8 TLC1543引脚图263.7语音报数模块(发挥)263.8 时钟模块(发挥)273.9 测温模块(发挥)28本章小结29第四章 通信方案设计304.1 SN75176 485 芯片的控制端的设计304.1.1SN75176 485 芯片的控制端的设计314.1.2 隔离光耦电路的参数选取314.1.3 485总线输出电路部分的设计324.2 计算机通讯协议324.3 组态王的通讯配置334.4 单片机通讯软件设计34本章小结34第五章软件方案设计355.1 主程序流程方框图355.2语音播报子程序流程方框图375.3Keil C程序385.4 RS485通信程序45本章小结51第六章 数据处理526.1 测试数据分析526.2 实测中误差分析与处理52本章小结52第七章电路原理图537.1 系统原理图537.2 系统PCB图547.3 Multisim 仿真原理图和仿真结果55本章小结57结论58第1章 绪论1.1 单片机概述1.1.1 单片机历史单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。1.SCM即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。2.MCU即微控制器(Micro Controller Unit)阶段,主要的技术发展方向是:不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。1.1.2 单片机的基本结构1.运算器 运算器由运算部件算术逻辑单元(Arithmetic & Logical Unit,简称ALU)、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算,输入来源为两个8位数据,分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作,最后将结果存入累加器。例如,两个数6和7相加,在相加之前,操作数6放在累加器中,7放在数据寄存器中,当执行加法指令时,ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器,取代累加器原来的内容6。运算器有两个功能:(1) 执行各种算术运算。(2) 执行各种逻辑运算,并进行逻辑测试,如零值测试或两个值的比较。运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的,并且,一个算术操作产生一个运算结果,一个逻辑操作产生一个判决。 2.控制器 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成,是发布命令的“决策机构”,即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有:(1) 从内存中取出一条指令,并指出下一条指令在内存中的位置。(2) 对指令进行译码和测试,并产生相应的操作控制信号,以便于执行规定的动作。(3) 指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联,并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线,分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路,实现与各种外围设备连接。3.主要寄存器 (1)累加器A累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能:运算前,用于保存一个操作数;运算后,用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。 (2)数据寄存器DR数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送(写)或取(读)数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令,也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。 (3)指令寄存器IR和指令译码器ID指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时,先把它从内存中取到数据寄存器中,然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时,必须对操作码进行译码,以确定所要求的操作,指令译码器就是负责这项工作的。其中,指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。 (4)程序计数器PCPC用于确定下一条指令的地址,以保证程序能够连续地执行下去,因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址(即程序的首地址)送入PC,使它总是指向下一条要执行指令的地址。(5)地址寄存器AR地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异,所以必须使用地址寄存器来保持地址信息,直到内存读/写操作完成为止。显然,当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时,都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样,如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话,那么当CPU和外围设备交换信息时,也需要用到地址寄存器和数据寄存器。1.1.3 单片机的应用领域单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:智能仪器单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。1.工业控制单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点,用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。家用电器家用电器广泛采用了单片机控制,从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。3.网络和通信现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。4.设备领域单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。模块化系统某些专用单片机设计用于实现特定功能,从而在各种电路中进行模块化应用,而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机,看似简单的功能,微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理),就需要复杂的类似于计算机的原理。如:音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM),由微控制器读出,转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换。6.汽车电子单片机在汽车电子中的应用非常广泛,例如汽车中的发动机控制器,基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统、胎压检测等。此外,单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.2计数器概述电子计数器是一种基础测量仪器,到目前为止以有30多年的发展历史。早期设计师们追求的目标主要是扩展侧脸范围,再加上提高测量精度、稳定度等,这些也是人们衡量电子计算器的技术水平,决定电子计数器价格高低的主要依据。目前这些基础技术日益完善,成熟。应用现代技术可以轻松地将电子计数器的测频上限扩展到微波频段。1.2.1 计数器的技术背景与发展趋势当今,单片微型计算机技术迅速发展,由单片机技术开发的技术设备和产品广泛应用到各个领域,单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。企业迫切需要大量熟练掌握单片机技术并能开发、应用和维护管理这些智能化产品的高级工程技术人才。单片机以体积小功能强、可靠性高、性价比高等特点,已成为实现工业生产技术进步和开发机电一体化和智能化测控产品的重要手段。由于微电子技术和计算机技术的发展,数字频率计都在不断的发展着,频率范围不断扩大,功能不断的增加。同时随着科学技术的发展,用户对电子计数器也提出了新的要求。对于低档产品要求实用操作方便,量程宽,可靠性高,价格低。而对于中高档产品,则要求高分辨率,高精度高稳定度,搞测量速率,除通常计数器所具有的功能外,还要有数据处理功能,统计分析功能,时域分析功能等等,或者包含电压测量等其他功能,这些要求有的已经实现或者部分实现,但要真正完美的实现这些目标,对于生产厂家来说,还有许多工作要做,而不是表面看来似乎发展到了尽头。1.2.2 电子计数器的分类电子计数器是一种多功能电子测量仪器。他利用电子学地方法测出一定时间内输入的脉冲数目,并能将结果以数字的形式显示出来。电子计数器功能多、操作简单、测量速度快、直接显示数字,而且易于实现测量过程自动化,在工业生产和科学实验中得到广泛应用 。 电子计数器利用数字电路技术数出给定时间内所通过的脉冲数并显示计数结果的数字化仪器。电子计数器是其他数字化仪器的基础。在它的输入通道接入各种模-数变换器,再利用相应的换能器便可制成各种数字化仪器。电子计数器的优点是测量精度高、量程宽、通常点子计数器按照他的功能可分为以下几类:1. 通用计数器:可测频率、周期、多周期平均、时间间隔、频率比和累计等。2. 频率计数器:专门用于测量高频和微波频率的计数器。3. 计算计数器:具有计算功能的计数器,可进行数学运算,可用程序控制进行测量计算和显示等全部工作过程。4. 微波计数器:是以通用计数器和频率计数器为主配以测频扩展器而组成的微波频率计。它的测频上限已进入毫米波段,有手动、半自动 、全自动3类。系列化微波计数器是电子计数器发展的一个重要方面。1.2.3 电子计数器工作原理和基本功能电子计数器的基本结构如图1-1所示。图1-1 电子计数器基本的结构由 B通道输入频率为fb的经整形的信号控制闸门电路,即以一个脉冲开门,以随后的一个脉冲关门。两脉冲的时间间隔(TB)为开门时间。由A通道输入经整形的频率为 fA的脉冲群在开门时间内通过闸门,使计数器计数,所计之数NfATB。对A、B通道作某些选择,电子计数器可具有以下三种基本功能。 1.频率测量:被测信号从A通道输入,若TB为1秒,则读数N 即为以赫为单位的频率fA。由晶体振荡器输出的标准频率信号经时基电路适当分频后形成闸门时间信号而确定TB之值。 2.周期或时间间隔测量:被测信号由 B信道输入,控制闸门电路,而 A通路的输入信号是由时基电路提供的时钟脉冲信号。计数器计入之数为闸门开放时间,亦即被测信号的周期或时间间隔。 3.累加计数:由人工触发开放闸门,计数器对A通道信号进行累加计数。 在这些功能的基础上再增加某些辅助电路或装置,计数器还可完成多周期平均、时间间隔平均、频率比值和频率扩展等功能。电子计数器性能指标主要包括:频率、周期、时间间隔测量范围、输入特性(灵敏度、输入阻抗和波形)、精度、分辨度和误差(计数误差、时基误差和触发误差)等。 第二章 方案设计和论证2.1计数器计数原理利用单片机中所拥有的计数器与定时器,来编制合适可控制的定时器参数,并且接收传感器给定的实际参数来达到计数的目的。2.2 多功能计数器总体设计方案方案一:采用多种数字逻辑电路来实现原理图中的逻辑控制、主门、门控、计数单元的设计要求,这样设计的电路整体比较复杂,而且不宜完成发挥部分的功能要求。所以方案一不采用。方案二:可以采用FPGA来实现原理图中的逻辑控制、主门、门控、计数单元的设计要求,并且设计方便,但由于对FPGA的技术原理掌握不够熟练,所以放弃方案二。方案三:系统采用89c52为核心的单片机控制系统,实现原理图中的逻辑控制、主门、门控、计数、晶振、分频单元的设计要求,多功能计数器系统的基本原理流程框图 如 图2.2。单片机晶振产生的12MHz经内部12分频后作为基准信号,由被测输入整形后信号的下降沿触发单片机的外部中断INT0,从而形成闸门脉冲。前一周期信号的下降沿触发中断后,在中断服务程序中开启定时器T0进行定时;此周期信号的下降沿再次触发中断后,在中断服务程序中关闭定时器。计算两次中断的时间间隔,即可得被测信号的周期Tx,而fx=1/Tx。单片机定时器/计数器的方式控制寄存器TMOD中的GATE位=1时,可以很方便的进行INT0引脚的外部输入信号的时间间隔测量。且单片机的控制电路很容易实现扩展,比如语音模块、测温I2C模块、时钟模块、A/D模块等。依据题目的设计要求,并结合自身情况采用方案三。通过测量周期方法来实现对周期、频率、测量,并能所测值显示,测量值语音播报、温度显示、时间显示、显示被测信号的峰值、记忆10个历史数据并可以随时查看的功能。方案原理模块框图如图2-1所示。fx信号处理液晶显示89C52语音报数时钟芯片测温模块 A/D键盘控制图2-1 方案原理模块框图2.3 多功能计数器测频率2.3.1 基本工作原理目前用单片机组成的系统测量频率的方法有测频率法和测周期法两种。测量频率主要是在单位定时时间里对被测信号脉冲进行计数;测量周期则是在被测信号一个周期时间里对某一基准时钟脉冲进行计数。对于输入信号而言,频率为周期的倒数,故频率测量与周期测量可以互通。由于本设计中信号的频率范围较大,故对输入信号进行分段测量。当输入信号进入系统后,单片机自动判断其频率,然后根据不同的频率选择相应的测量方法。为了满足精度要求,本设计中采用单片机和外部计数器相结合的计数方法。2.3.2 电路设计测频、测周电路设计如图2-2所示。图2-2 测频、测周电路设计2.3.3 电路分析设计中所测物理量较多,本文主要分析了测频、测周电路。测频、测周电路主要分为电平转换保护电路、测量电路、测量转换电路、计数器。频率测量电路如图3.8所示。当进行周期测量时,系统开始工作前要先进行清零,单片机的P01脚对CD4040的RESET发出复位信号,P13脚发出清零信号,将74HC74的CLR管脚置高,然后系统开始工作。此时74HC74的8脚置高,2脚也为高,则5脚输出为高,74HC08的5脚有上升沿出现时,与4脚相与后输出高,选通74HC251的D1脚,然后接入分频及计数电路开始计数。将计数值送入单片机,经处理后在显示模块上显示所测数值。在74HC74的5脚置高的同时,11脚CLK置高,此时8脚输同时11脚又被置高。计数的过程就是这样不断循环的过程。当进行频率测量时也要对系统进行清零。单片机的P07脚对74HC74的3脚CLK发出高电平,此时输出5脚为高电平,与74HC08的2脚相与后输出为高,此时74HC74的9脚输出为高,触发单片机的INT0,引起中断,单片机开始计时。74HC08的9脚和10脚相与后输出为高电平,选通74HC251的D0脚,然后经过分频电路,进入计数器,开始计数。软件定时为1秒钟,1秒之后,P07发出低电平,74HC74的3脚接到低电平后,5脚输出为低电平,经74HC08后仍为低电平,74HC74的9脚输出也为低电平,这样74HC08的8脚输出为低电平。此时INT0中断结束,计数器也停止计数,计数值经单片机处理后送显示模块显示。2.3.4 理论分析多功能计数器测频法主要是将被测频率信号加到计数器的计数输入端,然后让计数器在定时时间Ts1内进行计数,所得的计数值N1与被测信号的频率fx1的关系如下:fx1N1Ts1N1fs1而多功能计数器测周法则是将标准频率信号fs2送到计数器的计数输入端,而让被测频率信号fx2控制计数器的计数时间,所得的计数值N2与fx2的关系如下:fx2fs2N2事实上,无论用哪种方法进行频率测量,其主要误差源都是由于计数器只能进行整数计数而引起的1误差:1NN对于测频法,有:1=N1N1=1/N1=1/Tsfs1=fx1/fs1对于测周发有:1=N2/N2=1/N2=fx2/fs2=Tsfx2可见,在同样的Ts下,测频法fx1的低频端,误差远大于高频端,而测周期法在fx2的高频端,其误差远大于低频端。理论研究表明,如进行n次重复测量然后取平均,则1误差会减小n倍。如给定1误差0,则要求0对测频法要fx1fs10对测周期法则要求fx20fs2。因此,对一给定频率信号fs进行测量时,用测频法fs1越低越好,用测周期法则fs2越高越好。51系列单片机的定时器计数器接口,在特定晶振频率fc12MHz时,可输人信号的频率上限是fxfc24500MHz。如用测频法,则频率的上限取决于单片机,故测频法的测量范围是:fs10fx1fc24,即:fx1500MHz。用测频法测频时,定时器计数器的计数时间间隔可由单片机的另外一个定时器计数器完成,外接100分频器的情况下,fx1的频率范围可扩展到50MHz;用测周期法设计时,其频率的下限取决单片机计数器的极限。考虑到单片机内部为16位,加上TF标志位,计数范围为217,因此其最大计数时间为121fc217秒。而如果采用半周期测量,则测频范围是:fc24217fx2fs20 ,在测周期法中,标准频率信号fs2由单片机的内部定时结构产生,fs2恒为fc12,因此,在给定0为001时,fx2既有一定的上限频率,也有一定的下限频率。即:fs124217fx2fc012从以上分析可以看出,测频法测量的频率覆盖范围较宽,且在高频段的测量精度较高,而在低频段的测量精度较低,同时测量时间较长。测周期法测量的频率覆盖范围较窄,在高频段的测量精度较低,在低频段的测量精度较高,测量时间短。因此,测频法适于高频信号的测量,测周期法适于低频信号测量。为了满足精度要求,本设计中对低频段信号采用了测周期法,高频信号采用了测频法。2.3.5 软件设计在本设计中的软件主要包括按键处理、物理量的测量、显示等子程序。为了提高测量的精度,在数据处理时使用了数字滤波等技术。主程序框图如图3所示。频率测量、周期测量的子程序框图如图4所示。测试与结果分析在频率、周期、时间间隔及信号峰值的测试过程中,输入信号采用高精度SF20函数发生器,输出001Hz10MHz的信号。测试中主要用到的工具有示波器、万用表、自制电路板、信号发生器等。通过对输入信号和输出端信号的参数的比较,判断设计是否符合要求。若结果在规定的误差范围内,则本设计完成要求。若结果不理想,则需要对电路重新进行参数的设置。经过多次的测试,该设计已完成各项指标。测频子程序流程图如图2-3所示。开始初始化高频? N Y测频测周数据处理显示图2-3 测频子程序流程图2.3.6 测试与结果分析在频率、周期、时间间隔及信号峰值的测试过程中,输入信号采用高精度SF20函数发生器,输出001Hz10MHz的信号。测试中主要用到的工具有示波器、万用表、自制电路板、信号发生器等。通过对输入信号和输出端信号的参数的比较,判断设计是否符合要求。具体实验数据如表2-1所示。表2-1理论值实际值(每HZ)绝对误差(每HZ)10MHZ99914240.085766MHZ6003952-0.065872MHZ20014980.074941MHZ9991540.05465800KHZ7797510.03120200KHZ1998830.059861KHZ9999.760.02354100HZ99.93100.069831HZ1.00089-0.088950.01HZ0.009990.09000本章小结本章主要就整个系统的框架经行了设计,主要包括计数器设计的概念和各种需要的计数器的设计思路。第三章模块电路设计及比较3.1 89c52单片机的选型系统硬件以89c52单片机为核心,外围包括电源模块、信号处理模块、液晶显示模块、键盘模块、A/D转换模块、语音报数模块、及时钟芯片模块。AT89C52引脚如图3-1所示。图3-1 AT89C52引脚图AT89C52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。如图3.1所示AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低。AT89C52的主要功能如表3-1所示:表3-1 AT89C52的主要功能AT89C52的主要功能特性兼容MCS51指令系统8k可反复擦写(1000次)Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能3.2电源模块稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成,如图3-2所示。稳 压电 路滤 波电 路整 流电 路电 源变 压器 U1 U2 U3 U4 U5图3-2电源方框图a 整流和滤波电路:整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成,其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压U4。b 稳压电路:由于得到的输出电压U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定,为了得到更为稳定电压添加了稳压电路,从而得到稳定的电压U0。图3-3和3-4中电路提供+5V的电源;主要用于单片机(AT89C52)、液晶显示(包括74LS164,CC7107)、键盘。电源原理如图3-3和3-4所示。图3-3 5V电源原理图图3-4 +5V电源原理图3.3 前向信号通道处理模块方案一:OP07比较器整形,74LS161计数器分频实验验证此电路整形输出波形前后沿均上冲,毛刺较多,易引起误触发。而计数器74LS161为十六进制计数,需加与非门改为十进制,电路略复杂,后找到CD4017十进制计数器,取代了74LS161。此方案不采用。方案二:施密特整形,计数器分频实验验证此电路在200K以下时,波形良好,但超出200K时输出信号幅度大幅衰减,不能满足后继电路的设计要求。从而无法实现发挥部分测频要求。故此方案不采用。 方案三:非门整形,计数器分频。前向信号通道原理如图3-5所示。图3-5前向信号通道原理图分波段测量:第四波段:1MHz10MHz 1000分频10MHz1000分频104Hz10KT=0.1ms启用中断、定时器1MHz1000分频103Hz1K T=1ms 启用中断、定时器第三波段:100KHz 1MHz 100分频1MHz100分频104Hz10KT=0.1ms启用中断、定时器100KHz100分频103Hz1K T=1ms 启用中断、定时器第二波段:10KHz100KHz 10分频100KHz10分频104Hz10KT=0.1ms 启用中断、定时器10KHz10分频103Hz1K T=1ms 启用中断、定时器第一波段:0.01Hz10KHz 1分频10KHz 1分频104Hz10KT=0.1ms启用中断、定时器0.01Hz1分频10-2HzT=100s启用中断、定时器3.4 显示模块方案一:LED七段数码管 电路需译码和驱动,电路结构较复杂,电路布线连接繁杂,而且显示频率,周期时不是太方便,显示内容单一且不美观。所以对本电路设计要求不宜采用。数码显示模块原理如图3-6所示。图 3-6数码显示模块原理图方案二:LCD1602字符型液晶主控制驱动电路为HD44780,可以显示32个(16*2)5*8点阵字符,模块结构紧凑轻巧,装配容易,单+5V电源供电,低功耗长寿命高可靠性。硬件部分简单,符合设计要求,能快速简便的显示周期、频率、时间,而且做工美观,显示效果较好。用软件编写更加方便系统的扩展,节省了更多的I/O端口。综合对两种方案的分析,我们采用。3.5 键盘控制模块键盘控制原理如图3-7所示。图3-7 键盘控制原理图键盘对单片机输入数据,键盘为单行排列,用AT89c52的P1扩展口接键盘,以P1.0P1.4作独立按键。键盘处理程序的任务是:确定有无键按下,判断哪一个键按下,键的功能是什么;还要消除按键在闭合或断开时的抖动。通过软件查表,查出该键的功能。3.6 A/D转换模块采用了TLC1543。TLC1543是多通道,低价格十位逐次A/D逼近模数转换器。采用串行通信接口,具有输入通道多,性价比高,易于和单片机接口。引脚图2.8。芯片内部有一个14通道多路选择器可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压的任意一个进行测试,可广泛应用于各种数据采集系统。TLC1543的三个控制输入端CS、I/O 、Clock、ADDRESS和一个数据输出段DATA OUT 遵循串行外设接口SPI协议,要求微处理器具有SPI接口。工作过程分两个周期:访问周期和采样周期。工作时CS必须置低电平,CS为高电平时I/O 、Clock 、ADRESS被禁止,同时DATA OUT 为高阻状态。当CPU使CS变低时,TLC1543开始数据的转换。TLC1543引脚图如右侧图3-8所示。图3-8 TLC1543引脚图3.7语音报数模块(发挥)Isd2560是系列单片语音录放集成电路的一种。这是一种永久记忆型语音录放电路,录音时间为,可重复录放万次。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术,每个采样值可直接存储在片内单个单元中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声。该器件的采样频率为,同一系列的产品采样频率越低,录放时间越长,但通频带和音质会有所降低。此外,还省去了和转换器。其集成度较高,内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和 字节的。内部存储单元均匀分为行,有个地址单元,每个地址单元指向其中一行,每一个地址单元的地址分辨率为 。此外,还具备微控制器所需的控制接口。通过操纵地址和控制线可完成不同的任务,以实现复杂的信息处理功能,如信息的组合、连接、设定固定的信息段和信息管理等。可不分段,也可按最小段长为单位来任意组合分段。本系统中的语音芯片工作在放音状态下,其片内的信息可通过专用的2560.录音编程器录音,因此放音质量非常好,也可以通过它来读取每段语音的存储地址。本设计中分段存储:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,十,百,千,兆,赫兹,度,伏特等语音信息。根据测量数据进行组合输出。ISD2560如图3-9所示。 图3-9 ISD25603.8 时钟模块(发挥)DS12C887 实时时钟芯片功能丰富,可以用来直接代替IBM PC 上的时钟日历芯片DS12887,同时,它的管脚也和MC146818B、DS12887 相兼容。由于 DS12C887 能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息,其内部又增加了世纪寄存器,从而利用硬件电路解决子“千年”问题;DS12C887 中自带有锂电池,外部掉电时,其内部时间信息还能够保持10 年之久;时间的表示方法也有两种,一种用二进制数表示,一种是用BCD 码表示;DS12C887 中带有128 字节RAM,其中有11 字节RAM用来存储时间信息,4 字节RAM用来存储DS12C887 的控制信息,称为控制寄存器,113 字节通用RAM 供用户使用;此外用户还可对DS12C887 进行编程以实现多种方波输出,并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽。时钟信号模块如图3-10所示。图3-10 时钟信号模块DS12C887可以轻松记忆存储10个历史记录数据,并可以随时调用查看。时钟芯片DS12C887 功能丰富,使用简单,可能性高,是时间产生电路的良好选择。3.9 测温模块(发挥) DS18B20 “一线总线”数字化温度传感器是DALLAS最新单线数字 温度传感器, 支持“一线总线”接口,测量温度范围为 -55C+125C,在-10+85C范围内,精度为0.5C。DS18B20的精度较差为 2C 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量,支持3V5.5V的电压范围,使系统设计更灵活、方便。而且价格便宜,体积较小。 DS18B20可以程序设定912位的分辨率,精度为0.5C。可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。分辨率设定,及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。DS18B20的性能稳定,性价比非常高。DS18B20能软件兼容,省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM,精度降低为2C,适用于对性能要求不高,成本控制严格的应用,是经济型产品。 继“一线总线”的早期产品后,DS18B20开辟了温度传感器技术的新概念。可以构建的经济的测温系统。测量结果直接输出数字温度信号,以“一线总线”串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力。DALLAS如图3-11所示。图3-11 DALLAS18B20本章小结本章就系统所需要的硬件经行了必要的了解并且对系统中需要的电路经行了设计,包括电源模块、前向信号通道处理模块、显示模块、键盘控制模块、A/D转换模块、语音报数模块、时钟模块、测温模块。第四章 通信方案设计4.1 SN75176 485 芯片的控制端的设计单片机自带的异步通信口,外接75176 芯片转换成485 总线为例。其中为了实现总线与单片机系统的隔离,在8031 的异步通信口与75176 之间采用光耦隔离。电路原理图如4-1所示图4-1电路原理图充分考虑现场的复杂环境,在电路设计中注意了以下三个问题。4.1.1SN75176 485 芯片的控制端的设计由于应用系统中,主机与分机相隔较远,通信线路的总长度往往超过400 米,而分机系统上电或复位又常常不在同一个时刻完成。如果在此时某个75176 的DE 端电位为“”,那么它的485 总线输出将会处于发送状态,也就是占用了通信总线,这样其它的分机就无法与主机进行通信。这种情况尤其表现在某个分机出现异常情况下(死机),会使整个系统通信崩溃。因此在电路设计时,应保证系统上电复位时75176 的DE 端电位为“0”。由于8031在复位期间,I/O 输出高电平,故图2 电路的接法有效地解决复位期间分机“咬”总线的问题。4.1.2 隔离光耦电路的参数选取在应用系统中,由于要对现场情况进行实时监控及响应,通信数据的波特率往往做得较高(通常都在4800 波特以上)。限制通信波特率提高的“瓶颈”,并不是现场的导线(现场施工一般使用5 类非屏蔽的双绞线),而是在与单片机系统进行信号隔离的光耦电路上。此处采用TIL117。电路设计中可以考虑采用高速光耦,如6N137、6N136 等芯片,也可以优化普通光耦电路参数的设计,使之能工作在最佳状态。例如:电阻R2、R3 如果选取得较大,将会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢;如果选取得过小,退出饱和也会很慢,所以这两只电阻的数值要精心选取,不同型号的光耦及驱动电路使得这两个电阻的数值略有差异,这一点在电路设计中要特别慎重,不能随意,通常可以由实验来定。4.1.3 485总线输出电路部分的设计输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境比较复杂,现场常有各种形式的干扰源,所以485 总线的传输端一定要加有保护措施。在电路设计中采用稳压管D1、D2 组成的吸收回路,也可以选用能够抗浪涌的TVS 瞬态杂波抑制器件,或者直接选用能抗雷击的485 芯片(如SN75LBC184 等)。考虑到线路的特殊情况(如某一台分机的485 芯片被击穿短路),为防止总线中其它分机的通信受到影响,在75176 的485 信号输出端串联了两个20的电阻R10、R11。这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用系统工程的现场施工中,由于通信载体是双绞线,它的特性阻抗为120左右,所以线路设计时,在RS-485 网络传输线的始端和末端各应接1 只120的匹配电阻,以减少线路上传输信号的反射。由于RS-485 芯片的特性,接收器的检测灵敏度为 200mV,即差分输入端VAVB +200mV,输出逻辑1,VAVB 200mV,输出逻辑0;而A、B 端电位差的绝对值小于200mV 时,输出为不确定。如果在总线上所有发送器被禁止时,接收器输出逻辑0,这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是人为地使A 端电位高于B 两端电位,这样RXD 的电平在485 总线不发送期间(总线悬浮时)呈现唯一的高电平,8031 单片机就不会被误中断而收到乱字符。通过在485 电路的A、B 输出端加接上拉、下拉电阻R7、R9,即可很好地解决这个问题。4.2 计算机通讯协议本系统中,组态王与单片机的通讯采用亚控科技公司提供的通用单片机通讯协议,该协议遵循命令/响应的通讯方式4。计算机读命令读写格式图为2695:如图4-2所示。图4-2计算机读命令格式图4.3 组态王的通讯配置 上位机通信采用COM1,在组态王的工程浏览器中点击设备COM1,在右面窗口中双击新建,出现设备配置向导,设置智能模块单片机通用单片机ASCII串口,一直点击下一步,逻辑设备命名为MCU1#,选择COM1口,配置设备地址为01.0,
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 细胞荧光技术基本原理与应用
- 上级医院参观汇报
- 糖尿病足干性坏疽治疗
- 宣泄心理学讲解
- 外科创伤急救技术
- 女职工特殊疾病互助保障讲解
- 软件技术方案演讲
- 乳房炎诊断技术
- 社会恐惧症病理解析与应对策略
- 社戏精彩片段讲解
- SWITCH暗黑破坏神3超级金手指修改 版本号:2.7.6.90885
- 水工闸门课件
- 通信原理教案
- 2.AD830机台板面操作讲解
- 《诺丁山》经典台词
- 职高英语词汇表优质资料
- YY/T 0752-2009电动骨组织手术设备
- GB/T 40080-2021钢管无损检测用于确认无缝和焊接钢管(埋弧焊除外)水压密实性的自动电磁检测方法
- GB/T 2-2001紧固件外螺纹零件的末端
- 路基土石方工程施工方案
- 教育评价学全套ppt课件完整版教学教程
评论
0/150
提交评论