光纤F-P压力传感器LCD显示系统设计

毕业设计 论 文 光纤 F P 压力传感器 LCD 显示系统设计 系 别自动化工程系 专业名称自动化 班级学号5060134 学生姓名胡重阳 指导教师于丁文 2010 年 6 月 12 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 I 页 光纤 Fabry Perot 压力传感器 LCD 显示系统设计 摘 要 随着单片机与嵌入式系统在我国使用的日益普及 单片机上使用汉字的要求 也更加突出 由于单片机的输入输出端口非常有限 所以单片机系统所用键盘电 路中的按键数目是非常有限的 一般为 16 个 这就限制了单片机系统中大量信 息的输入 带汉字字库的液晶模块的使用使得小容量 ROM 单片机的大量汉字信 息输入与显示成为可能 本文采用了以 ST7920 控制器的带汉字字库的液晶显示 模块 为小容量 ROM 单片机的大批量汉字信息处理提供了一种汉字输入解决方 案 光纤传感技术由于具有抗干扰能力强 本质安全 可测量量多 测量动态范 围大 可远程监测等优点 在光纤技术发展起来后就立即引起了众多研究人员的 兴趣 光纤 Fabry Perot F P 传感器是技术最为成熟 应用最为广泛的光纤传感器 之一 本文研发了以 STC89C52RC 单片机为控制芯片 以 DS1302 为时钟芯片 保 证显示器在掉电的情况下也可以正确显示日期 以 ST7920 系列液晶控制器为用 户显示器 通过串口和并口通信的合理应用 将接收到的光纤传感器压力数据经 过数据处理 正确的显示在液晶显示屏上 关键词 光纤 F P 压力传感器 单片机 串口通信 时钟芯片 液晶显示器 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 II 页 Fiber Fabry Perot Pressure Sensor LCD Display System Author Hu Chongyang Tutor Yu Dingwen Abstract With the MCU and embedded systems become increasingly popular for use in China MCU demands the use of Chinese characters more prominent As the microcontroller input and output ports is very limited so MCU system using the number keys in the keyboard circuit is very limited generally 16 which limits the SCM system a lot of information input Chinese character LCD module with the use of making a large number of small capacity ROM MCU character information input and display possible In this paper taking ST7920 controller with Chinese character liquid crystal display module for the small capacity ROM MCU to provide high volume Chinese characters a character input processing solution Optical Fiber Sensor Technology With strong anti interference intrinsic safety measurable quantity measurement dynamic range can the advantages of remote monitoring in optical fiber technology developed after the immediately aroused the interest of many researchers Fiber Fabry Perot FP sensor is the most mature technology the most widely used one optical fiber sensors and small and medium size liquid crystal display high level of integration provides a low power low price small size single chip solution This developed to STC89C52RC microcontroller control chip to clock chip DS1302 is to ensure display case in the power down will be displayed in date order ST7920 Series LCD controller for the user display serial and parallel communication through the rational application of the received through the fiber optic pressure sensor 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 III 页 data processing the correct display on the LCD screen Key words fiber optic FP pressure sensor microcontroller serial communication clock chips liquid crystal displays 目 录 1 绪 论 1 1 1 研究背景及发展现状 1 1 1 1 光纤 F P 传感器液晶显示器研究背景 1 1 1 2 光纤 F P 传感器液晶显示器研究现状 2 1 2 课题来源 研究内容及意义 4 1 2 1 课题来源 4 1 2 2 课题研究内容 创新点和解决的问题 4 1 2 3 课题研究意义 5 1 3 本文主要工作 6 2 硬件电路设计 7 2 1 系统硬件设计方案 7 2 2 模块功能介绍 8 2 2 1 数据处理模块 8 2 2 2 数据采集模块 12 2 2 3 显示辅助模块 15 2 2 4 人机交互模块 18 2 3 本章小结 20 3 系统软件设计 21 3 1 软件设计思路 21 3 2 子程序设计 22 3 2 1 数据采集设计 22 3 2 2 数据处理 27 3 2 3 时钟芯片 28 3 2 4 人机交互软件设计 30 3 3 本章小结 33 4 调试程序及数据分析 34 4 1 调试程序 34 4 2 实验数据处理 35 4 3 本章小结 38 结 论 39 致 谢 40 参考文献 41 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 IV 页 附 录 43 附件 A 43 附录 B 48 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第1页 1 绪 论 1 1 研究背景及发展现状 1 1 1 光纤 F P 传感器液晶显示器研究背景 传感器技术是现代信息技术的重要内容 是 2l 世纪人们在高新技术发展方面 争夺的制高点之一 光纤传感器是自 70 年代起随光纤通讯及光纤传感等相关技 术发展而飞速发展的新型传感器 具有灵敏度和分辨率高 体积小 重量轻 耐 高温 抗腐蚀 抗电磁干扰且能在易燃易爆的环境下可靠运行等优点 因而成为 近十几年来世界各国学者研究的热点 每年都有大量文章发表 从研究内容上 人们在寻求新的测量方法 以达到既简化研究又提高精度的目的 从研究结果看 已实现的光纤传感器的分辨率比原来提高近 l0 倍 今天的光纤传感器进入了提高 阶段 人们在探索新的光纤传感器构成机理的同时 把研究的重点放在提高它的 某种性能上 如提高精度 分辨率或抗干扰能力等 随着信息产业的迅猛发展 如机器人的深入研究 超大规模集成电路的芯片制作与定位等对传感器的性能要 求越来越高 从而对光纤传感器的进一步研究再一次成为热点 液晶显示器产品因具备平面显示 不占空间 数位化 轻薄 低辐射及耗电 量为 CRT Cathode Ray Tube 阴极射线管 的三分之一等优点 目前人类社会已 步入了信息时代 信息产业已成为衡量一个国家现代化水准的重要标志 人们信 息的获取 80 来自视觉 各种信息最终都要通过信息显示来实现人机交换 显像 管 CRT 液晶显示器件 LCD 和发光二极管 LED 已成为显示产业的重要支柱 显 示产业已在信息产业中占有重要份额应用十分广泛 CRT 经过几十年的发展其 产业在电子工业中已占有十分重要的地位 但是随着应用范围的不断扩大 使用 要求的不断提高以及光电子微电子技术的飞速发展 由于 CRT 的一些固有缺点 如体积大 有闪烁电压高 有 X 射线等 促使人们寻求新的显示器件从而大大 地促进了平板显示技术的发展 目前平板显示器件种类繁多 主要有液晶显示器 件 LCD 发光二极管 LED 真空荧光显示器件 VFD 等离子体显示器件 PDP 电致发光器件 ELD 等 其中 LCD 以其突出的优点广阔的应用领域和巨大的 市场 已成为平板显示器的主流产品 就中国目前来说显像管 CRT 仍然是中国显 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第2页 示产业的主流 而世界上液晶显示已成为显示产业的重要支柱 1 1 2 光纤 F P 传感器液晶显示器研究现状 1 光纤传感器研究现状 光纤传感器由于具有以上很多传统电子学传感器无法比拟的优势 自从上个 世纪七十年代美国海军研究所 NRL 开始执行光纤传感器系统 FOSS 计划以来 就得到了世界上很多国家的重视 已经取得了很大的发展 自光纤传感器被首次 提出后的近四十年的时间里 光纤传感器己被用于测量温度 压力 流量 位移 振动 转动 液位 速度 加速度 声场 电流 电压 磁场及辐射等上百种物 理量 这些物理量分布在工业 农业 科研 国防 建筑 环境 航天航海等不 同的领域 随着微机电系统 MEMS 技术的不断发展 国内外已开始了光纤 MEMS 传感 技术的研究 MEMS 的核心技术是微电子 微机械加工与封装技术的巧妙结合 MEMS 技术制造的压力传感器体积小 功能高 并且具有频带宽和灵敏度高的特 性 与集成电路工艺兼容 可批量生产 大大降低生产成本 是研究和开发的热 点 以硅为主要构成材料的传感元器件已作为微型传感器的主要敏感元件被广泛 应用于不同的研究领域中 光纤 MEMS 传感器既具备 MEMS 传感器体积小 功 能强 灵敏度高和易于批量生产的优点 又具备光纤传感器的各种特性 因此在 压力测量上有着更为广泛的应用前景 1 当前国内外市场上利用如受抑全反射式 泄漏模式 遮光式等光反射 折射 原理制作的液位传感器存在易受光源和液面波动 液体密度和粘度的影响 可操 作性和连续性差 检测动态范围小 准确度不高 不安全等问题 因此迫切需要 一种能对液位进行高准确度 大量程 连续监测的传感器 用于满足恶劣工作条 件下液位检测的需求 在各类光纤液位传感器中 基于静压测量原理的压力式光 纤法布里 珀罗 F P 液位传感器是一种很有发展潜力的光纤液位传感器 3 光纤 F P 传感器属于干涉型传感器 具有测量精度高 动态范围大 线性度好等优良 特性 并因为只使用一根光纤就可实现传感测量而得到广泛研究 在光纤 F P 传 感器应用于压力检测研究中 传感探头 F P 腔 的制作是阻碍该类传感器实用化的 主要瓶颈之一 随着硅 微机械加工技术的进展 利用 MEMS 工艺制作的光纤 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第3页 F P 压力传感器 易于实现集成化批量生产 从而大大降低了传感器的生产成本 为克服光纤 MEMS F P 传感器的温度敏感缺点 Wang 等制作了一种基于波纹膜 片的光纤 MEMS F P 传感器 11 传感器的抗温度干扰和线性度得到一定程度提高 在国内 南京师范大学王鸣等近几年一直从事基于 MEMS 加工技术的光纤 F P 压 力传感器的研究 在传感器设计理论和制作方面取得了一定进展 2 液晶显示器研究现状 液晶显示器 Liquid Crystal Display 于 1962 年被开发出来 如今已经被广泛引 用于各类电子产品 随着移动通讯 多媒体娱乐的迅猛发展 人们对视听品质的 要求日益提高 液晶显示器已经从简单数字或图象的的 TN LCD 到多像素的彩色 被动式矩阵显示 Passive MatrixDisplay STN LCD 再发展到主动式点矩阵显示器 Active Matrix ThinFilm Transistor TFT LCD 现在 TFT 液晶显示器正在大部分 应用领域快速取代传统的阴极射线管 Cathode Ray Tubes CRT 大约 1971 年 液 晶显示设备第一次在人类的生活中出现 这就是最初的 TN LCD 扭曲阵列显示器 到八十年代初期 TN LCD 开始被应用到电脑产品上 1984 年 欧美国家提出 STN LCD 超扭曲阵列 同时 TFT LCD 薄膜式电晶体 技术也被提出 但技术和 制程仍不够成熟 到八十年代末期 STN LCD 开始大规模的生产 1993 年 液 晶显示器开始向两方面发展 一方面是朝着价格低 成本低的 STN LCD 显示器 方向发展 随后又推出 DSTN LCD 双层超扭曲阵列 而另一方面却朝向高质量 的薄膜式电晶体 TFT LCD 发展 开发出 HR TFT D TFD 等超级液晶显示屏 随着移动通信终端产品市场的迅速扩大 作为人机视频界面的平板显示器件显示 出良好的市场前景 液晶显示器更是以其低工作电压 低功耗 显示效果好 易 集成和轻巧便携等特点率先进入市场并不断拓宽其应用领域 广泛应用于手机 PDA 手持式仪器仪表等便携式电子产品和设备中 目前的 LCD 控制芯片正朝着可重用 智能型和高集成度的方向发展 皇家 飞利浦电子集团新近推出了 SAA6740 先进薄膜晶体管 TFT LCD 控制器 为先 进薄膜晶体管 TFT LCD 控制器系列增加了一款新品 此创新半导体技术在晶体 管上整合了省电 低杂讯 缩减摆动差分信号 RSDS 平板接口 因此 SAA6740 能减少总线连接 降低耗电率及电磁干扰 EMI 同时使整体系统成本低于传统 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第4页 晶体管 晶体管逻辑 TTL 平面显示器 另外因为 SAA6740 控制器支持 RSDS 界 面 所以非常适用于开发更具成本效益的 LCD 显示器 此外 Epson 公司在中中规模液晶图形显示控制芯片领域有三个产品系列 SED13305 系列 SED13503 和 SED137xx 系列和 SED13axx 系列 LCD 控制 IC 主要供应商有欧美厂商 Genesis Microchip Pixel works Sage STPhilips 等 我国台湾地区厂商有晶磊半导体 创品微电子 晶捷科技 旺宏 电子 凌越科技 钰创科技等 其中最主要的供应商为美商 Genesis Microchip 公 司 该公司在 2001 年末与 Sage 公司合并后 其市场占有率已高达七成左右 其中集成式控制 IC 的份额更在九成以上 而所有的台湾 IC 厂商的出货量总规模 也只占 24 除 Genesis 公司外 其它厂商以台湾晶磊出货量最高 市场占有率 约为 10 中国 LCD 控制 IC 供应商结构与国际上整个供应商结构比较类似 Genesis Microchip 公司占有绝对份额 我国台湾地区厂商与 ST Pixel works Philips 等厂商共同占有其它份额 我国台湾地区 LCD 显示器厂商无论是从厂商 数量还是出货总量上来看 在祖国大陆 LCD 显示器产业中所占比例较高 而台 湾地区 LCD 控制 IC 供应商一向与这些台资背景的显示器厂商关系较好 因此所 占市场份额有所上升 为 27 3 左右 这一类产品的强大市场势必促进与之相关 的 IC 产品的开发 设计可重用 LCD 控制芯片成为研发的重点 1 2 课题来源 研究内容及意义 1 2 1 课题来源 本课题由中国科学院合肥物质科学研究院知识创新工程青年人才领域前沿项 目支助 名称 压力式光纤 MEMS F P 液位传感器的研究 编号 0823A13125 1 2 2 课题研究内容 创新点和解决的问题 1 研究内容如下 1 压力式光纤 MEMS F P 液位传感系统设计 传感探头结构参数的优化设计 设计探头的 MEMS 加工工艺路线 完成探头加工与组装 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第5页 光路 光电转换 信号采集与处理部分设计与系统集成 2 液位监测实验研究 设计液位模拟实验装置 调试和标定所设计的传感检测系统 改进传感器的部分技术性能 2 创新点如下 1 针对恶劣工作条件下的液位监测问题 提出一种具有新型探头结构的压 力式光纤 MEMS F P 液位传感器设计 能有效消除弹性膜非平坦性效应和探头的 温度敏感性 提高了传感器的性能 2 提出一种双波长正交优化解调方法用于压力式光纤 MEMS F P 液位传感 器信号的解调 提高了系统解调精度和降低了成本 3 解决的问题 1 光纤 MEMS F P 传感器的主要缺点是弹性膜的不平坦效应和探头的温度 敏感性 如何解决这两个问题是本课题研究的重点之一 合理设计传感探头结构 是解决这两个问题的最有效的手段 而传感探头结构必须依靠 MEMS 加工技术 才能实现 此外 F P 腔长度的加工精度也由 MEMS 加工技术保障 2 为获取高精度 MEMS F P 传感器的输出信号一般需要非常复杂的信号 处理设备 光谱分析仪 进行解调 造成系统构成成本较高 因此必须采用合理的 信号解调技术以降低系统成本 这也是本课题研究的重点之一 在本项目中采用 双波长正交优化解调技术用以光纤液位传感器输出信号的解调 这属于强度解调 方法 有效地降低了系统构成成本 并能有效消除光源波动及连接器损耗等干扰 1 2 3 课题研究意义 从国家战略需求分析 在石油 化工 交通 储运等部门 由于液位测量中 被测介质种类繁多 介质的物理化学性质极其复杂 现场工作条件恶劣等 这对 液位传感器的设计者提出了严峻的挑战 而光纤液位传感器适宜于在易燃 易爆 腐蚀和高温等恶劣的环境中使用 其完全可以满足工作条件恶劣下的液位监测的 需要 且光纤传感器的高灵敏度 体积小 频带宽和易实现远距离遥控监测的优 点也符合现代传感检测系统小型化 轻型化 高性能与高可靠性等要求 能够满 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第6页 足飞速发展的工业现代化对传感器提出的更高要求 液位传感器在工业和日常生活中有着重要而广泛的用途 在化工生产中 它 可以用来计测反应釜的液位平面和化学储罐内的液体平面 在冶金工业中 可以 用来计测铸造生产过程中的钢包液位 在电力工业中 可以用来检测油浸式变压 器中导热油的液位 在日常生活中则可用来检测大量的汽油 柴油和天然气储罐 中的液位高度等 在上述液位测量场合中 现场工作环境的恶劣 腐蚀 高温 电 磁干扰和易燃 对传感器的设计提出了严峻的挑战 因此 研究一种适于在上述恶 劣环境中进行液位自动计量的传感器 以达到测量的及时性 准确性和高效性的 目的 对于液位检测的正常实施和保障生产运行安全有着重要的意义 作为信息产业重要构成部分的显示器件正在加速推进其平板化的进程 用平 板显示器代替阴极射线管显示器已成为高技术发展的必然趋势 近年来国内外主 要平板显示技术的发展动态以及最新成果表明 平板显示技术已经或即将占据显 示技术的主流地位 其中尤以液晶显示技术目前应用最为广泛 最有市场前景 液晶显示器具有科学合理的结构 随着材料科学 光源技术及半导体工艺技术的 发展而同步发展 同时 在计算机软件和网络技术的支持下 它正向着集成化 智能化和廉价化的方向发展 发展潜力非常大 发展空间也十分广阔 1 3 本文主要工作 本文以 压力式光纤 MEMS F P 液位传感器的研究 项目为依托 负责其中 的压力液晶显示任务 全文以单片机为核心 具体研究此项任务 主要工作 第 1 章 绪论 论述 F P 光纤传感器和液晶显示器的研究背景 研究现状和意义 还说明了此课题的来源 技术指标及预期效果等 第 2 章 系统硬件电路设计 介绍系统设计整体框架 芯片选型 详细论述 每个模块的功能及芯片的使用方法 并对本章进行小结 第 3 章 系统软件设计 针对系统每个模块不同功能编写程序 通过程序流 程图向大家展示软件设计方法 第 4 章 测试数据及结果分析 记录显示屏上的实验结果 然后将采集数据 和理想数据进行分析比较 校正其中的误差 完成正确显示压力数据的任务 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第7页 第 5 章 总结此次毕设 在设计过程中 我们学到了那些知识 并得到了哪 些收获 2 硬件电路设计 2 1 系统硬件设计方案 系统的原理框图如图 2 1 所示 本次系统设计主要完成液晶显示任务 以下 四个模块为硬件电路重要组成部分 1 数据采集模块 2 数据处理模块 3 显示辅助模块 4 人机交互模块 串口通信 STC89 单片机 LCD 显示屏 XTAL1 XTAL2 RST复位电路 时钟电路 电源模块 时钟芯片 手动按键 RXD TXD I O F P传感器 RS 232 图 2 1 系统原理框图 硬件设计思路 首先 系统通过 STC TSP 软件将程序烧写到单片机上 单片 机上电 同时将传感器需要的指令通过串口通信发送到传感器接口 传感器接收 到信号后 将实时压力信号发送到单片机的数据接收缓冲器中 单片机采集到压 力数据 然后 对它进行数据计算 处理 同时 读出辅助模块中日期寄存器的 数据 最后 单片机通过并口通讯发送实时数据到液晶显示模块 显示屏显示出 需要的压力 日期数据 手动按键调整日期时间 电源模块为单片机提供基本电 压 复位电路和时钟电路下文详细介绍 实物图如图 2 2 所示 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第8页 图 2 2 系统整体电路图 2 2 模块功能介绍 2 2 1 数据处理模块 STC89S52 单片机的主要功能 2 向传感器发送通信协议 接收传感器压力数 据 对原始压力数据进行计算 处理 再把需要的压力数据在 LCD 显示出来 1 主要特性 与 MCS 51 兼容 8K 字节可编程闪烁存储器 寿命 1000 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第9页 32 可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 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 2 单片机 STC89S52 有 40 条引脚 与其他 89 系列单片机引脚是兼容的 这 40 条引脚可分为 I O 端口线 电源线 控制线 外接晶体线四部分 其封装形式 有两种 双列直插封装 DIP 形式 如图 2 3 所示 和方形封装形式 图 2 3 双列直插封装 DIP 形式 管脚说明 3 4 1 VCC 供电电压 2 GND 接地 3 P0 口 P0 口为一个 8 位漏极开路双向 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 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FLASH 编程时 P0 口作为 原码输入口 当 FLASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 4 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 4 个 TTL 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第10页 5 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 6 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 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表 2 1 所示 表 2 1 特殊功能口 引 脚第二功能信 号 名 称 P3 0RXD串行数据接收 P3 1TXD串行数据发送 P3 2INT0外部中断 0 请求 P3 3INT1外部中断 1 请求 P3 4T0定时器 计数器 0 计数输入 P3 5T1定时器 计数器 1 计数输入 P3 6WR外部 RAM 写选通 P3 7RD外部 RAM 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 7 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 8 ALE 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存PROG 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第11页 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 9 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 PSEN 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 信PSEN 号将不出现 10 VPP 当保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H EAEA FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 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EA 引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP 11 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 12 XTAL2 来自反向振荡器的输出 复位电路 单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程序处 于某种死循环状态等情况下都需要复位 复位的作用是使中央处理器 CPU 以及 其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态 并从这个状态开始工作 AT89C51 单片机的复位靠外部电路实现 信号由 RESET RST 引脚输入 高电平有效 在 振荡器工作时 只要保持 RST 引脚高电平两个机器周期 单片机即复位 3 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置 为片内振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部 时钟信号的脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 4 芯片擦除 整个 EPROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并保 持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成 在芯片擦除操作中 代码阵列全被写 1 且在任何非空存储字节被重复编程以前 该操作必须被执行 3 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第12页 2 2 2 数据采集模块 1 光纤传感器信号采集 传感系统由宽带光源 光纤耦合器 F P 探头 密集波分复用器 DWDM 光电探测器 信号调理与采集及信号处理部分构成 如图 2 4 所示 宽带光源输 出光经单模光纤耦合器 50 50 分光 其中一束进入 F P 腔 由 F P 腔返回的干涉 光经 DWDM 产生两路相位处于正交的输出信号 然后经光电探测器与信号调理 电路作相应转换处理后 用采集板采集后进入处理单元进行信号解调 14 图 2 4 压力式光纤 MEMS F P 液位传感系统总体设计框图 Fabry Perot 液位传感器液体内的压强与深度的关系 5 为 P R pgh 式中 R 标准大气压强 p rou 液体密度 g 重力加速度 约为 9 8 米每二次方秒 h 液体的深度 P 液体内深度为 h 处的压强 当液体的密度 p 一定时 将传感器置于容器底部 通过检测该位置的压强 就可以得知该容器内液位的高度 将弹性薄片材料作为 F P 腔的一个端面 当压强作用在 F P 腔的这个端面上 该端面会产生弹性形变 形变大小与此端面受到的压强差有关 弹性薄片的变形 将使 F P 腔上下两个反射面间距改变 即 F P 腔的腔长发生改变 当相干光入射 到 F P 腔后 反射回的输出光由于腔长的改变使得输出的干涉光强度发生相应变 化 测量输出光能量就可得到相关压强大小 即可计算得到液位的高度 传感器 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第13页 头结构如图 2 5 所示 图 2 5 光纤 F P 液位传感器结构 2 串口通信 串行通信是指通讯的发送方和接受方之间的数据信息的传输是指单根数据线 上 以每次一个二进制为移动的 它的优点是只需要一对传输线进行传送信息 因此其成本低 适用于远距离通信 它的缺点是传送速度低 串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方式 同步通信适用于传送速 度高的情况 其硬件复杂 而异步通信应用于传送速度在 50 到 19200 波特之 间 是比较常用的传送方式 在异步通信中 数据是一帧一帧传送的 每一串行 帧的数据格式由一位起始位 5 8 位的数据位 一位奇偶校验位 可省略 和一位停 止位四部分组成 在串行通信前 发送方和接收方要约定具体的数据格式和波特 率 通信协议 由于 89S52 单片机与传感器是通过异步通讯口进行接口的 单片机的异步通 讯口采用的是标准 TTL 正逻辑电平 即逻辑 l 为高电平 3 8 V 左右 逻辑 0 为 低电平 0 3V 左右 传感器异步通讯口采用的是 RS 232C 串口总线标准 RS 232C 是美国电子工业协会 EIA 正式公布的 在异步串行通信中应用最广的标准总 线 该标准适用于 DCE 和 DTE 间的串行二进制通信 最高数据传送速率可达 19 2kbps 最长传送电缆可达 15 米 RS 232C 标准定义了 25 根引线 对于一般 的双向通信 只需使用串行输入 RXD 串行输出 TXD 和地线 GND RS 232C 标 准的电平采用负逻辑 规定 3V 15v 之间的任意电平为逻辑 0 电平 3V 15V 之间的任意电平为逻辑 1 电平 与 TTL 不同 所以在通信时 必须进行 TTL RS232 电平转换 以便与 RS 232C 标准的电平匹配 电平转换用到的芯 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第14页 片为 MC14488 和 MC 14489 配对使用 ICL232 MAX232 本例采用 MAX232 芯 片 该芯片采用单一的 5V 供电 外围电路简单 运行可靠 如表 2 2 所示 RS 232C 的逻辑电平与 TTL 的逻辑电平比较 表 2 2 RS 232C 的逻辑电平与 TTL 的逻辑电平比较 逻辑电平逻辑电平 0 逻辑电平 1 RS 232C 5V 15V 5V 15V TTL 0 4V 2 4V MAX232 芯片是 MAXIM 公司生产的低功耗 单电源 RS232 发送 接收器 它内部有一个电源电压变换器 可以把输入的 5v 电源变换成 RS 一 232C 输出电 平所需 10V 电压 所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的 5V 电源就 可以 MAX232 外围需要 4 个电解电容 C1 C2 C3 C4 是内部电源转换所 需电容 其取值均为 0 1uf 宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片 RS 232 串口有 9 针和 25 针 现选用 9 针串口 DB9 引脚功能如图表 2 3 所 示 表 2 3 串口 BD9 引脚说明 针号123456789 功能接收发送请求清除振铃 说明 数据载 波检测数据数据 数据终 端准备 信号地 数据设 备准备发送发送指示 缩写DCDRXDTXDDTRGNDDSRRTSCTSDELL MAX232 接口的硬件电路图如图 2 6 所示 现选用一路发送 接收 因为 MAX232 具有驱动能力 所以不需要外加驱动电路 两个串口公用一个转换芯片 注意 应用时两端口不能同时连接 DB9 2 用于从烧写程序到单片机内部 它的 TXD 接到单片机的 RXD 端 通过 MAX232 的第二路通道转换为 TTL 电平 它 的 RXD 接到单片机的 TXD 端 通过 MAX232 的第二路通道转换为串口电平 DB 1 用于接收指令 并发送数据 它的 TXD 接到单片机的 TXD 端 RXD 接到 单片机的 RXD 端 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第15页 图 2 6 MAX232 接口的硬件电路图 2 2 3 显示辅助模块 在液晶显示压力值时 同时需要显示它的日期数据 方便人们观看 所以要 选择一种时钟芯片 现在流行的串行时钟芯片很多 如 DSl302 DSl307 PcF8485 等 这些芯片接口简单 价格低廉 使用方便 被广泛地采用 本文介绍的实时 时钟芯片为 DSl302 它不仅完成计时功能 而且能对时钟芯片备份电池进行涓流 充电和临时存储数据 该芯片具有体积小 功耗低 电路简单 接口容易 占用 CPU 的 I 0 口线少等特点 DS1302 芯片是美国 DALLAS 公司推出的低功耗实时时钟芯片 它采用串行 通信方式 只需 3 条线便可以和单片机通信 并且其片内均含 RAM 可增加系 统的 RAM DS1302 的时钟校准比较容易 若采用专用的晶体振荡器 几乎无须 调整即可以达到国家要求的时钟误差标准 DS1302 有两个电源输入端 其中的 一个用来做备用电源 这样避免了由于突然停电而造成时钟停止 因此它非常适 合于长时间无人职守的监测控制系统或需经常记录某些具有特殊意义的数据及对 应时间的场合 DS1302 提供秒 分 时 日 星期 月 年的信息 每月的天 数和闰年的天数可自动调整 并可通过 AM PM 指示决定采用 24 或 12 小时格 式 7 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第16页 1Vcc2 X1 X2 GND Vcc1 SCLK I O RST 2 3 45 6 7 8 表 2 7 DS1302 引脚排列 1 DSl302 芯片为 8 引脚小型 DIP 封装 引脚如图 2 7 所示 各引脚说明 X1 X2 为外接 32 768KHz 晶振引脚 芯片内部集成 6pF 电容 DS1302 也可接受外部 32 768KHz 振荡信号 此时 Xl 脚为外部振荡信号输入脚 X2 脚 悬空 为芯片提供计时脉冲 GND 电源地 RST 复位 片选线 通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送 RST 输入有两种功能 1 RST 接通控制逻辑 允许地址 命令序列送入移位寄 存器 2 RST 提供了终止单字节或多字节数据的传送手段 该引脚芯片内部集 成一个 40K 下拉电阻 I O 数据输入 输出引脚 SCLK 串行时钟输入 该引脚芯片内部集成一个 40K 下拉电阻 VCC1 VCC2 主电源与后备电源引脚 VCCl 为后备电源 VCC2 为主电 源 在主电源关闭的情况下 也能保持时钟的连续运行 DSl302 由 VCCl 或 VCC2 两者中的较大者供电 当 VCC2 大于 VCCl 0 2V 时 VCC2 给 DSl302 供 电 当 VCC2 小于 VCC1 时 DSl302 由 VCC1 供电 2 DS1302 功能 命令字节 每次数据传输由命令字节开始 MSB 位 7 必须是逻辑 l 若该位 是 0 则禁止操作 DS1302 位 6 为 0 时选择实时时钟日历数据 位 6 为 l 时选择 RAM 数据 位 5 位 1 选择操作的寄存器 LSB 位 0 选择写操作 逻辑 0 或读操 作 逻辑 1 命令字节总是从最低位开始输出 DS1302 控制字节如图 2 8 76453210 1 RAM CK A 4 A3A2A1 A0 RAM K 图 2 8 DS1302 控制字节的含义 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第17页 复位和时钟控制 数据传输的启动是由 RST 置为高电平开始的 RST 启动 控制逻辑 允许地址 命令序列送入移位寄存器 一个时钟周期是一个下降沿紧 跟一个上升沿 数据输入的时候 在时钟上升沿数据必须有效 如果 RST 变低 所有数据传送即被终止 I O 引脚到一个高阻状态 在电源上电过程中 RST 必 须保持逻辑 0 直到 VCC 大于 2 0V 在 RST 由 0 变 1 的过程中 SCLK 必须是 逻辑 0 写保护位 控制寄存器的第 7 位是写保护位 前 7 位 第 0 6 位 强制为 0 读时总为 0 在对时钟或 RAM 读操作之前 第 7 位必须是 0 当为 l 时 写 保护位阻止对任何其他寄存器的写操作 初始的上电状态未被设置 因此 写保 护位应该在试图写入器件之前清零 时钟中断标志 秒寄存器的第 7 位定义为时钟中断标志位 当这一位设为 1 时 时钟振荡器停止 DS1302 被设置为低功耗待机模式 具有一个小于 100 nA 的漏电流 当这一位写成 0 时 时钟启动 初始的上电状态未被设置 表 2 4 日历 时钟寄存器及其控制字 年寄存器 周寄存器 月寄存器 日寄存器 时寄存器 分寄存器 秒寄存器 寄存器名 写操作 读操作 80H81H 82H83H 84H 85H 86H 87H 88H 89H 8AH 8BH 8CH8DH 命令字 取值范围 00 59 01 12或00 23 01 28 29 30 31 01 12 01 07 00 99 00 59 76543210 CH 0 12 24 0 0 00000 00 HR0 10SEC 10MIN 10HR 10DATE 10M 10YEAR SEC MIN 0DATE MONTH DAY YEAR 各位内容 DS1302 的寄存器 DS1302 共有 12 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 BCD 码形式 其日历 时间寄存器及其控制字见表 2 4 此外 DS1302 还有年份寄存器 控制寄存器 充电寄存器 时钟突发寄存 器及与 RAM 相关的寄存器等 时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器 外的所有寄存器内容 DS1302 与 RAM 相关的寄存器分为两类 一类是单个 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第18页 RAM 单元 共 31 个 每个单元组态为一个 8 位的字节 其命令控制字为 COH FDH 其中奇数为读操作 偶数为写操作 再一类为突发方式下的 RAM 寄存器 此方式下可一次性读写所有的 RAM 的 31 个字节 命令控制字为 FEH 写 FFH 读 DS1302 与 89S52 单片机的接口电路如图 2 9 所示 在电路中 89S52 单片机 的 P3 5 作为时钟芯片 SLCK 控制端 P3 6 与数据输入 输出口相连接 P3 7 控制 DS1302 复位输入端 单片机控制端口先向 DS1302 时钟芯片的日期寄存器中写入 初始值 然后 读取寄存器中的日期数据 如果日期错误 可以用 K1 K2 按键 配合使用 调节时间 图 2 9 DS1302 与单片机的接口电路图 2 2 4 人机交互模块 此模块的液晶显示屏采用 ST7920 它是台湾矽创电子公司生产的一款优秀的 中文图形控制芯片 可以显示字母 数字符号 中文字型及自定义图块显示 此 外 为了适应多种微处理器与单片机连接需求 该模块还可提供 4 位并行 8 位 并行 2 线串行以及 3 线串行等多种接口 利用上述特性方便实现文字与图形混 合显示 画面清除 光标归位 显示开 关 光标显示 隐藏 显示字体闪烁 光标移位 显示移位 垂直画面旋转 反白显示 休眠模式等功能 8 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第19页 图 2 10 ST7920 封装图 ST7920 封装图 如图 2 10 所示 及引脚说明如表 2 5 所示 表 2 5 引脚说明 管脚号管脚名称电平管脚功能描述 1VSS0V电源地 2VCC3 0 5V电源正 3V0 对比度 亮度 调整 4RS CS H LRS H 表示 DB7 DB0 为显示数据 RS L 表示 DB7 DB0 为显示指令数据 5R W SID H L R W H E H 数据被读到 DB7 DB0 R W L E H L DB7 DB0 的数据被写到 IR 或 DR 6E SCLK H L 使能信号 7DB0H L三态数据线 8DB1H L三态数据线 9DB2H L三态数据线 10DB3H L三态数据线 11DB4H L三态数据线 12DB5H L三态数据线 13DB6H L三态数据线 14DB7H L三态数据线 15PSBH LH 8 位或 4 位并口方式 L 串口方式 16NC 空脚 17 RESETH L复位端 低电平有效 18VOUT LCD 驱动电压输出端 19AVDD背光源正端 5V 20KVSS背光源负端 ST7920 模块内部有一个指令寄存器 其指令可分为基本指令集和扩充指令 集 基本指令集是用来初始化液晶屏和实现基本功能的控制 而扩充指令集主要 用来绘图的 每一个指令的长度都为 8 位 16x8 点阵的 ASCII 字符代码也是 8 位 但是 16 16 点阵中文字符的代码为 16 位 必须分为两次传送 先传送高 8 位 再传送低 8 位 当 ST7920 在接收指令前 MCU 必须先确认 ST7920 处于空闲状 态 即读取 BF O 才能接收新的指令 如果在送出一条指令前不检查 BF 状态 则需要延时一段时间 确保上一条指令执行完毕 ST7920 与单片机连接的方式非常灵活 分为串行和并行两种方式 并行接口 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第20页 复杂 但编程简单 访问速度快 串行接口简单 但编程复杂 并行连接方法又 分为并口直接访问 并口间接访问和 4 位并口访问 本文采用并口之间访问方式 接线图如图 2 11 所示 89S52 单片机