多点一线式数字温度测量系统的设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除1绪论 1.1传感器技术的发展及智能传感器的含义现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感器技术、通讯技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。作为获取信息工具的传感器，它位于信息系统的最前端，其特性的好坏、输出信号的可靠性对整个系统至关重要。其应用遍及军事、科研、工业、农业、商业、交通等各个部门与领域。它是生产自动化、科学测试、计量核算、检测诊断等系统中不可缺少的基础环节。以广阔技术领域为基础所形成的传感技术，实际上由传感器元件及其应用技术构成。传感器元件以前也称为“信号转换器”或“换能器”，它把外界的温度、压力、流量等信号转换为电信号的功能器件。它所利用的是在物理意义上称为“效应”的各种物理现象。但是传感器得到信号大部分不能直接利用，这就需要用到计算机为基础的信号处理，即将得到的信号根据使用要求进行加工。智能传感器技术是一门正在蓬勃发展的现代传感器技术，它涉及微电子技术、计算积技术、信号处理技术、电路和系统、传感器技术等诸多学科的综合技术。传统传感器一般是指能感知某一物理量或化学量、生物量等信息，并能将该信息转化为有用的信息装置，通常由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成。随着人工智能技术特别是微型计算机技术的迅速发展，在许多智能高新技术应用领域提出了智能传感器。其主要特点是具有从信号测取到信号处理、分析、进入控制、调节及显示的在线性、过程系统与装置，可编程性、可记忆性，进行许多复杂计算、数据处理及自校正、自诊断、自学习、多种控制功能。1.2 智能传感器的优点（一） 测量精度高由于智能传感器的中心控制系统是微机，微机的主频率在1MHz以上，即主时钟周期在1us以下，一条指令若平均4个字节，也只需执行十几个微秒。（二） 能够进行间接测量一台智能传感器可以利用CPU通过测量几种容易测量的参数，间接地求出某种难以测量的参数。（三） 能够自动校准一般的传感器在使用前都要进行刻度校准，而智能传感器不仅可以自动校准，而且还可以在测量过程中定期进行校准，测量的一致性条件较好，减少了误差。（四） 具有自动修正误差的能力实时地修正测量误差是较为复杂的功能，智能传感器只要编入相应的程序就可以解决。（五） 有自诊断能力智能传感器若发生故障，可以自检出来，传感器本身还可以协助诊断发生故障的根源。（六） 够实现复杂的控制功能传感器实现智能化以后，一些常规传感器不宜实现的功能，在智能传感器中很容易实现。如带有显示功能的传感器。（七） 允许灵活地改变仪表功能智能传感器是由硬件模块和软件模块组成，硬件模块可以作成插式的，当更新一块模块时，传感器的功能可以改变。（八） 便于通过标准总线组成一个多仪器的复杂控制系统1.3课题的背景DS18B20数字式温度传感器是美国DALLAS公司最新推出的只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20构成的多点一线式数字温度单片机测温系统，以数字传感器、1-Wire总线技术等优势获得广泛应用。单总线（1-Wire Bus）技术，它采用单根信号线，只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成,可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。为此，我们以多点一线式数字温度测量系统为研究课题，用单片机89C51进行温度测量、校正及测量结果的显示。使其是一个精确、标准的模拟量输出装置，具有完善的通讯功能，可与RS-485总线和其他智能设备一起使用，完成远程控制等功能。1.4本次设计的主要任务和要求多点一线式数字温度测量系统的功能必须由硬件、软件结合才能实现。所以，本次设计的智能传感器包括硬件设计和软件设计两部分内容。本文着重介绍了数字温度传感器的硬件设计，从方案论证到最后的制版、调试都有详细说明。本文内容主要分为方案论证、硬件电路设计、接口模块设计、显示模块设计。作为毕业设计，拟完成以下工作：1.熟练掌握专业电工、电子技术。2.熟练掌握MCS-51系列单片机工作原理及应用技术。3.自主设计一个典型单片机系统，包含以下几部分：a)数字温度测量前置部分（测量范围：-50125，精度：0.5）b)典型MCS-51系列单片机（推荐采用ATML公司AT89C2051）c)三键输入（模式、递增、递减）d)四位LED驱动、显示e)输出动作及声、光警示f)I2C或SPI串行总线的EEPROM系统参数存储（推荐采用2401或X4045）g)常规可靠性、接地设计（软、硬狗不限）3.借助PROTEL技术，绘出系统SCH、PCB图（A4份以上）。4.搭出系统硬件电路，在完成系统通电调试的基础上，进行系统联机调试。2多点一线式数字温度测量系统的设计2.1方案论证根据设计要求，我们的出以下两个设计方案：方案一 采用89C2051单片机，由于89C2051单片机的端口少，与典型的51系列单片机相比缺少P0，P1口，所以我们在本次设计中采用串行驱动，因此使用MAX7219。在本次设计中我们从可靠性需求方面须加入看门狗，进行参数设定，和外部存储（抗掉电外部参数存储器）。由于2051的端口较少，所以使用具有I2C接口的X4045。方案二 采用89C51单片机。89C51单片机为40端口，包括P0、P1、P2、P3口。所以采用并行驱动设计。在看门狗方面选择X25045，与单片机的通讯协议为SPI接口。以上两种方案比较发现：方案一虽然连线简单，但是成本稍高，而且方案一需要模拟时序，没有现成的接口程序；方案二对于接口协议，硬件开发量大，导线复杂，引起误差几率也相应增大，但是软件设计方便。经过仔细的比较，考虑个方面因素，最后设计方案为使用89C51、X25045、MAX7219等器件。2.2硬件电路设计的整体思想设计时要充分考虑到硬件接口的通用性、灵活性，使得当实际应用环境改变时只需要跳线或更改软件来完成所需要的功能，而不需要更改整个测量系统。设计温度测量系统的硬件电路时还应该考虑各个元器件的成本、大小、安装位置等，这样可以方便电路板布局，为以后的工作节省时间。在经过对本次设计要求进行分析以后，应用模块化的设计思想，将硬件设计分为四个相互独立的功能模块分别进行设计：主机模块、显示模块、接口模块和电源模块。2.3系统硬件电路的设计2.3.1 系统的基本组成 系统由温度传感器、单片机、数码管驱动器和控制电路组成。微处理器显示温度传感器 RS485通讯接口参数及测量数据存储器 2.3.2 主机模块的设计 智能温度传感器的硬件电路设计包括微处理器与存储器的选择及其电路设计，以及外部电路设备的选择与电路设计。在设计功能模块时，要保持技术上的可行、逻辑上正确，并要注意布局合理，包括信号、辐射等干扰（电磁干扰、热源干扰），操作的方便性，可维修性等。下来的绘制逻辑电路图，经反复核对，线路无差错后绘制成PCB图。 2.3.2.1 单片机的概述随着大规模集成技术的不断发展，导致微型机向两个主要方向发展：一个是向高速度、高性能的高档方向发展；另一个是向稳定可靠、小而廉的单片机方向发展。所谓的单片机，就是把中央处理器CPU（Central Processing Unit）、随机存储器RAM（Random Access Memory）、只读存储器ROM（Read Only Memory）、定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。虽然单片机只是一个芯片，但是从组成和功能上看，它已经具备了微机系统的含义。 自1976年Intel公司推出MCS-48单片机之后，许多半导体公司和计算机公司竞相研制和开发自己的单片机系列，但是其中最具典型性的是Intel公司的MCS-51单片机系列。MCS-51单片机虽然只是8位的单片机，但其功能比较强大。此外它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此应用非常广泛，直到现在仍然不失为单片机的主流机型。2.3.2.2 单片机的软硬件系统严格的说，单片机是微型机的一个分类。从原理和结构上看，单片机与微型机间不但没有很大的差别，而且早期微型机的许多技术与特点都被单片机继承下来。正因为如此，我们就从微型机的总体角度出发，简单的介绍单片机的硬件系统和软件系统 2.3.2.2.1单片机硬件系统尽管微型计算机得到了最充分的发展，但微型机在原理和结构上仍然和前三代计算机一样，还是属于典型计算机结构。即一台计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备等五个部分组成。这种计算机结构是由计算机的开拓者、数学家约翰.冯.若曼最先提出的，所以就称之为冯.若曼计算机系统结构。时至今日，尽管计算机的发展已经经过了四代，但是仍然没有突破若曼体系的框框。组成计算机的五个基础部分的关系如下图：1）运算器 运算器是计算机的运行部件，用于实现算术和逻辑运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行。2）控制器 控制器是计算机的指挥控制部件，使计算机各个部分能自动协调地工作。运算器和控制器是计算机的核心部分，常把它们合在一起称为中央处理器（Central Processing Unit），简称CPU。3）存储器 存储器是计算机的记忆部件，用于存放程序和数据。存储器又分为内存储器和外存储器。4）输入设备 输入设备用于将程序和数据输入到计算机中。5）输出设备 输出设备把计算机数据计算或加工的结果，以用户需要的形式显示或保存。通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称之为计算机外部设备。以上这些组成计算机实体的部分称为计算机的硬件。也叫计算机的硬件系统。 单片机虽然结构简单，但是“麻雀虽小，五脏具全”，组成单片机系统的也是这五部分。但要在一个尺寸有限的芯片上集成运算电路、控制电路、一定容量的存储器以及输入输出的接口电路，而且既要求高性能、结构简单灵活，还要工作稳定，这可不是一件容易的事。因此单片机必须采用精巧的设计，以克服因芯片的尺寸有限所带来的许多制约。2.3.2.2.2 单片机软件系统硬件系统是实体，为计算机工作提供了基础和条件，但是要想使计算机有效的工作，还必须有软件的配合。概括的说，计算机的软件包括系统软件、应用软件和程序设计语言三部分。但是单片机由于硬件支持和需要所限，其软件系统比较简单。首先单片机的系统管理不需要像微型机那样复杂的操作系统，而只使用简单的操作系统程序，通常称之为监控程序。因此监控程序就成了单片机中最重要的系统软件。大多数单片机不使用高级语言，因此也就没有程序设计语言这种软件内容。单片机中通常使用的是汇编语言，但是单片机并没有自己的专用汇编程序，用户的应用程序是在其它微型计算机上通过交叉汇编的方法得到二进制的目标码。2.3.2.3微处理器的选择单片机（Microcontroller）即微处理器，应用于控制领域，几乎取代了数字电路的核心部分和模拟信号处理器。从微控制器的角度来看，单片机主要作为控制器，与外围芯片一起实现各种各样的功能。可以独立工作，也可以通过串行口联网。主要应用有：1）工业方面，各种测控系统，数据采集器。在生产线上或独立工作或构成多机分布式系统。2）家用电器方面，几乎所有家用电器都带有单片机，智能化楼宇系统正在推广3）商业营销方面，电子称、条码机、收款机等，与后台的服务器（PC机）联网构成金融和商品的管理系统4）通信设备方面，BB机、手机及其他通信产品，正在成为有线或无线网络中的一个单元5）办公自动化及计算机方面，传真机、打印机、复印机、扫描仪等6）智能仪表方面，微处理器（或微处理机）是智能温度传感器的核心部件，它的结构、特性对所研制智能传感器的性能有很大的影响。所以，要成功的研制一台智能传感器,首先应选择合适的微处理器。在选择微处理器时，应考虑如下的主要特性：（1）用途 数据处理和控制是微处理器的主要两个用途，一般兼有数据处理任务的控制类智能仪表，大多采用数据处理型的微处理器。（2）字长 4位字长的微处理器一般设计成简单的控制器；8位微处理器则设计成即可用于数据处理、也可用于控制的智能仪表，用于数据处理时，可进行双精度或三倍精度运算；16位微处理器的运算精度适合于大多数的数据处理工作，因此，多用于复杂的数据处理和控制。（3）功耗 CMOS的微处理器所消耗的功率最少硬件与软件支持 应选择那些具有大量基本软件支持的微处理器，可采用微机开发装置来调试智能仪表的硬件和软件，缩短研制周期。综合考虑以上几方面以及指令的功能、执行速度、成本等因素，设计中选用ATMEL公司生产的单片机AT89C51。AT89C51单片机是和MCS-51系列单片机兼容的。89C51单片机其内部有4KB可重复编程的Flash，可进行1000次擦写操作；有三级程序存储器锁定；内部含128字节；有 32条可编程的I/O线；2个16位定时器/计数器；多级优先级的嵌套中断结构；一个片内振荡器和时钟电路，两个外中断0、1，两个串口。所以，89C51是一种高效微处理器，为许多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。89C51具有以下一些标准性： 4KB可重复编程的Flash；内部含128字节；有 32条可编程的I/O线；2个16位定时器/计数器；多级优先级的嵌套中断结构；一个片内振荡器和时钟电路。此外，89C51设有静态逻辑，可以在低到零频率的条件下工作，支持两种软件可选的省电模式。在空闲方式下，CPU停止工作，RAM和其他片内的部件（如振荡器、定时器/计数器、中断系统等）继续工作。此时的电流可降到大约正常工作方式的15%。在掉电方式下，所有片内的部件都停止工作，一切功能都停止，只有片内RAM的内容被保持。在这种方式下的电流可降到15uA以下，最小可降到0.6uA温度传感器的设计要考虑的因素有成本问题，而且还有电路的设计简单可行。由于89C51片内自带可擦写可编程只读存储器（EEPROM），电路设计中可省掉一个片外程序存储器，节约成本。另外，电路板是要封装在仪表壳体之中的，考虑到壳体的尺寸较小，能省掉一个片外存储器使得电路板布局、走线都大大简化。所以，将89C51作为温度传感器的微处理器是非常合理和理想的。AT89C51管脚说明VCC：供地电压GND：接地 P0端口（P0.0-P0.7）：P0是一个8位 漏极开路双向I/O端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。P0口当用于外部程序数据寄存器，它可以被定义为数据/地址的低8位。在Flash编程时，P0口作为原输入口。当Flash进行效验时，P0输出原码，此时，P0外部必须被拉高。P1端口（P1.0-P1.7）：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P1口作输入使用时，因为有内部的上拉电阻，这些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在对Flash编程和程序效验时，P1口接收8位地址。P2端口（P2.0-P2.7）：P2是带一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2口作输入使用时，因为有内部的上拉电阻，这些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX、DPTR指令）时，P2送出高8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX、RI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR ）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。对Flash编程和效验期 间，P2也可接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0-P3.7）：P3是带一个内部上拉电阻的8位双向I/0端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。在对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电位，这时可用做输入口。P3口作为输入口使用时，因有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。P3口也可用作89C51的一些特殊功能口，如下图2-2所示：端口引脚 复用功能 P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0(外部中断0)P3.3 INT1（外部中断1）P3.4 T0(计时器0外部输入)P3.5 T1（计时器1外部输入）P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器信号，即把信号直接接到内部时钟放生器的输入端。XTAL2：接外部晶振的另一个引脚，在单片机内部，它是上述振荡器的反相器的输出端。采用外部振荡器时，此脚应悬空不连接。RST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的饿输入用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/16）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。该位置数后 ，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是存储器的读选通信号。当89C51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次PSEN有效（即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。EA/VPP：外部访问允许端。要使CPU只访问外部程序存储器（地址0000H-FFFFH），则EA端必须保持低电平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密端LBI被编程，复位是 在内部回锁定EA端的状态。当EA端保持高电平（接到VCC端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源VPP（如果选用12V编程）。2.3.3“看门狗”的电路设计智能仪表的可靠性是一个智能仪表设计好坏的重要因素。为了使主机电路可靠性符合应付常见问题的需要。“看门狗”电路是必须的。X25045是一种常用且可靠性高的“看门狗”芯片。其管脚如图2-3所示。在单片机系统中通常需要外围看门狗电路以防止程序走飞；同时，单片机系统通常需要监视电源电压情况，以便在系统掉电时能及时复位，避免因电源干扰波动时影响系统的正常工作；在单片机应用中需要预先设置一些参数，比如时钟初值、控制算法参数等需要用户设置，一旦设置完成后这些参数往往需要掉电保存。在传统的电路设计中，一般采用专门的看门狗监控电路和非易失存储器EEPROM电路来达到以上要求，但往往有成本较高、电路板空间较大、接口复杂等不利因素。1.X25045与89C51硬件接口 X25045是美国Xicor公司出品的新型可编程看门狗控制EEPROM芯片。X25045把三种常用的功能即看门狗定时、电压监控和EEPROM组合在单个封装之内，从而降低了系统成本并减少了电路板空间的要求。X25045具有三种封装形式，它们是：8引脚小型DIP封装、8引线SOIC封装和14引线TSSOP封装。X25045与89C51硬件接口如2-4所示。X25045引脚说明CS：芯片片选端，读/写操作时该端口必须为低电平。SI：串行数据输入端，所有操作码、字节地址和写入存储器的数据在此引脚上输入，数据由串行时钟输入的上升沿锁存。SCK：串行时钟端。SCK最大的串行时钟频率可达到1MHz，它用于数据输入和输出的串行总线定时。操作码、地址或出现在SI引脚上的数据在时钟输入的上升沿锁存，而SO引脚上的数据在时钟输入的下降沿之后发生改变 SO 为推挽串行数据输出引脚，在读周期内，数据在此引脚移出，由串行时钟的下降沿同步输出。WP：写保护端，当WP为低电平时，X25045的写保护被禁止。RESET：复位端，漏极开路输出。只要VCC下降至低于最小VCC检测电平，RESET将输出高电平，它将保持高电平至VCC上升比最小VCC检测电压高200mV为止。如果允许看门狗定时器工作且CS保持高电平的时间长于看门狗超时周期，且RESET也变为高电平，CS的下降沿将复位看门狗定时器。 图2-4 X25045与89C51的连接X25045的存储器部分是CMOS的4096位串行EEPROM，它在内部按5128来组织。读写数据指令的位3含地址A8。A8用于选择器件的上半部分或下半部分，512个字节共分为4页。页地址从地址X XXXX XX00开始至X XXXX XX11结束了。A7-A2为字节地址，它与外界接口按三总线按三总线的串行接口协议。这种接口虽然速度相对于并口来说较慢，但是硬件开销少，结构紧凑，体积小，可以方便地应用在单片机系统中。X25045最小的数据存储为100年。2.X25045内部寄存器和读写时序2.1内部寄存器X25045内部寄存器包括一个指令寄存器、一个写使能锁存器和一个状态寄存器。指令寄存器是一个8位寄存器，通过SI访问（CS必须是高电平且WP输入必须是低电平），它用于读取状态/数据、写入命令/数据和设置/复位写使能寄存器。它的指令集如表2-5所示。指令名 指令格式操作WREN0000 0110设置写使能锁存器（允许写操作）WRDI 0000 0100复位写使能锁存器（禁止写操作）RDSR 0000 0101读状态寄存器WRSR 0000 0001写状态寄存器（块锁定器）READ 0000A8011从开始于所选地址的饿存储器列阵中读取数据WRITE 0000A8010把数据写入开始于所选地址的存储器列阵 2-5 指令寄存器指令集写使能锁存器主要是为了防止偶然的写操作，上电时锁存器被复位。在写入命令/数据之前必须先设置写使能锁存器。状态寄存器任何时刻都能被访问，它共有8位，最高两位未用，最低两位为只读位，它的格式如下： 7 6 5 4 321 0 X X WDIWD0BL1 BL0 WEL WIP其中，WD1，WD0是看门狗定时时间设置位；BL1，BL0是存储单元写保护设置位；WEL是只读标志，1表明写使能开关打开；WIP也是只读标志，“1”为写操作正在进行；“0”为没有写操作。在写期间，所有其它位全置为“1”。电复位时，各位都被清零。X25045芯片功能包括以下4种：（1）上电复位控制。在对X25045通电时，RESERT引脚输出有效的复位信号，并保持至少200ms，使CPU有效复位（2）电源压控 当检测到电源电压低于内部门槛电压时，RESET输出复位信号，直至电源电压高于门槛电压并保持至少200ms，复位信号才被撤消。门槛电压的出厂值根据芯片的型号不同公有5种级别的电压范围。对于需要电源电压精确监控的应用，用户可以搭建编程电路，对芯片内的门槛电压进行微调。（3）看门狗定时器芯片内部状态寄存器的WDI，WD0是看门狗定时设置位，通过状态寄存器写指令WRSR修改这两个标志位，就是在3种定时间隔中进行选择或关闭定时器。对看门狗的复位由CS输入电平的下降沿完成。下表为WD1，WD0组合和含义。 WD1 WD0 看门狗定时值 0 0 1.4s 0 1 600s 1 0 200s 1 1 禁止看门狗工作（4）串行EEPROM 芯片内含有512个字节存储单元，10万次可靠写，数据保持100年。XICOR设计了三种保护方式防止误写。包括：WP写引脚，当引脚被拉低时，内部存储单元状态寄存器都禁止写入；存储区域写保护模式，通过对状态寄存器的BL1，BL0位的设置，可以选择对不同的存储区域进行写保护；在进行任何写操作前都必须打开写使能开关，而且在上电初始化写操作完成时，写使能开关自动关闭。显然，在几方面的保护下，产生误写的可能性极小。下表为BL1，BL0组合的含义。 BL1 BL0写保护的单元地址 0 0 没有保护 0 1 180H-1FFH 1 0 100H-1FFH 1 1 000H-1FFH对X25045的操作是通过4根口线CS，SCK，SI和SO进行同步串行通信来完成的。SCK是外部输入的同步时钟信号。在对芯片定该指令或数据时，时钟前沿将SI引脚信号输入；在读数据时，时钟后沿将数据位输出SO引脚上。数据的输入/输出都是高位在先。2.2 读写时序X25045读写时序包括：读EEPROM数据、读状态寄存器、写使能锁存器复位、写EEPROM数据和写状态寄存器。当从EEPROM读数据时，首先把CS拉高，发送读指令READ（位3包含地址A8，此位用于选择器件的上下半部），再是8位字节地址，然后是所选定地址的存储器中寄存的数据被SO线上。在每一个数据字节移出之后，字节地址自动增加至下一个较高的地址。图2-6为读EEPROM阵列操作的时序。读状态积存器，首先要把CS拉高，然后是8位的RDSR指令，再是状态寄存器的内容被移出至SO 线上。数据写入X25045之前，必须首先发出WREN指令把“写使能”锁存器置位。在8位被发送之后，CS必须为低电平。数据写至EEPROM时，用户要发出WRITE指令（位3包含地址A8，用于选择器件的上下半部），然后写地址，接着是要写数据。在操作期间内，CS保持高电平，主机可以继续写多达4个字节的数据至X45045。其时序如图2-7所示。数据写状态寄存器时，首先发出WRSR指令，然后写数据。通过写状态寄存器可以写保护EEPROM阵列的段地址或看门狗超时周期。2.4接口模块的设计 2.4.1 RS-485协议在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。目前，有多种接口标准可用于串行通信，包括RS-232、RS-422、RS-423和RS-485。RS232是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。其后发展起来的RS-422、RS-485是平衡传送的电气标准，比起RS-232非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度的提高。由于RS-485的平衡传送能力增强，使得共膜能力增强，传输距离远。RS-485标准最初由电子工业协会（EIA）于1983年制订并发布的，后由TIA通讯工业协会修订后命名为TIA/EIA-485-A，不过工程师还是习惯地称之为RS-485。RS-485 RS-485串行接口的电气标准实际上是RS-422的变型，它属于七层OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）模型物理层的协议标准。RS-422是为了弥补RS-232之不足而提出来得。为了改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺（速率低于1000kbps时）并允许在一条平衡线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向平衡传输规范，为了扩展应用范围随后又为其增加了多点、双向通信能力，即允许在一条平衡线上连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，这就是后来的EIA RS-485标准。RS-485是一种电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定接插件传输电缆和通信协议。RS-485标准定义了一个基于单对平衡线的多点、双向（半双工通信链路），这是一种极为经济，并具有相当高噪音抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。由于RS-485具有性能优异、结构简单、组网简单的优点，它在集中控制系统、分布式控制系统中的应用相当广泛，特别是在要求远距离传输的应用中。由于其硬件电路已比较成熟，设计中的问题主要集中在网络协议和服务软件的设计上。 网络协议是保证通信畅通的关键，在一定程度上也影响着网络通信的可靠性，即它必须能够抵抗实际运作环境的干扰。另外通信只是整个系统中的一个部分，系统还必须完成诸如数据采集和控制的功能。这就要求通信占用尽量少的时间，以求达到整个系统的高效率。在通信数据量一定的情况下，采用较高的波特率当然比较好，但高的波特率必定要降低传输距离，在实际应用中必须仔细衡量。更好的办法就是采用数据压缩算法，在传输前对数据进行压缩，可使通信数据量大大减少，网络效率成倍提高RS-485接口的主要特点如下：1.平衡传输2.多点通信3.驱动器输出电压（带载）=|1.5V|4.接收器输入门限200mV5.-7V至+12V总线共模范围6最大输入电流1.0Ma/-0.8Ma（12Vin/-7Vin）7.最大总线负载32个单位负载（UL）8.最大传输速率10MbpS9.最大电缆长度4000英尺在使用半双工方式时，RS-485接口芯片采用的是SN75LBC184集成电路。这是具有瞬变高压抑制功能的芯片，能抗雷击、静电放电，避免因交流电故障引起的非正常高压脉冲冲击。A、B为RS-485总线接口，DI是发送端，RO为接收端，分别与单片机串行口的TXD、RXD连接，RE、DE为收发使能端，由单片机的 P1.4口作为收发控制。数据采集或控制信号的输出通过P0口进行，P2的口线可用来控制A/D或D/A转换。SN75LBC184仅能保证在物理层上二进制信号流的畅通。为了能使具体的命令、数据在网络上正确地传输，在数据链路层必须提供一定的网络协议，保证在物理层的比特流出现错误时进行检测和校正，同时实现生成数据帧和命令帧的功能。SN75LBC184可以将RS485通信中各种故障（包括瞬变电压、ESD、电磁干扰、总线开路、热故障等）的防范措施集成到一个芯片内。SN75LBC184不仅可以抑制瞬变电压（如雷电等），还有其它多种故障抑制特性，是RS485通信中常见故障最完全的集成解决方案。 SB75LBC184的特性： a)具有瞬变电压抑制功能，能防雷电和抗静电放电冲击 b)限斜率驱动器,使电磁干扰减到最小,并能减少传输线终端不匹配引起的反射 c)总线上可挂64个收发器 d)具有热关断保护 e)低禁止电源电流：300A（最大） f)接收器输入端开路故障保护 g)ESD电压可达8kV h)将收发器和瞬变电压抑制器集成在一起，节省电路板空间，特别适合于野外或工业现场的通信。 i)SN75LBC184提供8脚塑料DIP（N）封装和SOIC（D）封装。引脚与SN75176完全兼容j)在070，片内集成四个瞬时过压保护管k)可承受功率高达400W的瞬态脉冲电压, 可在强噪声环境中以250kb/s速率传送信号, 可在强噪声环境中以250kb/s速率传送信号.l)具有“限斜率”功能，使电磁干扰减到最小, 自动热关断保护功能和ESD保护功能m)总线可挂接128个节点, 引脚与SN75176完全兼容n)可抑制雷电及其他各种原因在线路中产生的瞬时过电压，使接口电路免遭损坏2.4.2光电耦合器在温度测量系统中，过程通道是前向接口、后向接口与主机或主机相互之间进行信息传输的路径，在过程通道长线传输的干扰的主要因素。随着系统主振频率越来越高，微机系统过程通道的长线传输越来越不可避免。为了保证长线传输的可靠性，主要措施有光电耦合隔离、双绞线传输、阻抗匹配等。在本次设计中，我们采用光电耦合隔离。 SN75LBC184在与上位机连接时，我们使用了3个光电耦合器。光电耦合器是将发光器件与光敏元件集成在一起。光电耦合器有三种结构：窄缝透视式，反射式和全封闭式。在本次设计中我们使用全封闭式。全封闭式用于电路的隔离，而且不受环境光的干扰。光电耦合器里的发光元件多半是发光二极管，而光敏元件以光敏二极管及光敏三极管为主，少数采用光敏达林顿管或光控管。光电耦合隔离采用的使光电耦合器，可以将主机与前向、后向以及其它主机部分切断电路的联系，能有效的防止干扰从过程通道进入主机。光电耦合器的主要优点是能有效的抑制尖峰脉冲及各种噪音干扰，从使过程通道上的信噪比大大提高。光电耦合器具有很强的抗干扰能力，这是因为：) 光电耦合器的输入阻抗很小，一般在之间，而干扰源内阻则很大，通常为10K10K,因此能分压到光电耦合器输入端的噪声很少。) 干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱的电流，而光电耦合输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，即使有很高的电压幅值的干扰，由于不能提供足够的电流而被抑制掉。) 光电耦合器是在密封条件下实现输入回路与输出回路的光电耦合，不会受到外界光的干扰。) 输入回路与输出回路之间分布电容极小，一般仅为0.5-2pF，而且绝缘电阻很大，因此回路一边的干扰很难通过光电耦合器馈送到另一边。在传输线较长，现场干扰十分强烈时，为了提高整个系统的可靠性，可以通过光电耦合器将长线完全“浮置”起来。长线“浮置”，去掉了长线两端间的公共地线，不但有效的消除了个逻辑电路的电流流经公共地线时所产生的噪声电压相互窜扰，而且也有效的解决了长线驱动和阻抗匹配等问题，同时也可以防止受控设备短路时保护系统不受损坏。对于光电耦合器的特性，应注意以下的参数：（1）电流传输比 在直流工作状态下，光电耦合器输出电流与发光二极管的输入电流的比，。如果光电耦合器的输出端若不是达林顿管或晶体闸管，其比值总小于1，它的任务不在于放大电流而在于隔离，这与晶体管不同。（2）输入输出间的绝缘电阻 光电耦合器在电子线路中常用于隔离，所以绝缘电阻是一个重要指标。（3）输入输出间的耐压 （4）输入输出间的寄生电容 在高频电路中，希望这一电容尽可能小。若寄生电容过大，就起不到隔离作用（5）最高工作频率 下降到原值的0.707倍时对应的频率（6）脉冲上升时间和下降时间典型光电耦合器的主要参数：类别参数及单位 测试条件 CH301E CH315输入特性正向压降Uf/V反向漏电流Ir/uA最大电流Ifm/mAIp=10MaUr=3VDC =1.3 =50 50=1.3=5050输出特性暗电流Ip/uA亮电流Il/mA击穿电压Ubr/V最大功耗Pcm/mWIf=0，Uce=10VIf=20Ma，Uce=10V，Rl=500If=0，Ice=1UaDC1515150 =15 150传输特性电流传输比上升时间（us）下降时间（us）If =10mA，Uce=10VIf=10mA，Uce=10VRl=100，f=100Hz 150% =3=480100% =3=4隔离特性极间耐压Uq/V隔离电阻Rq/耦合电容Cq/pFAC，50Hz，峰值，1minAC或DC 500V5001010 =2 500 1011 =22.5键盘与LED显示 2.5.1键盘接口键盘是由若干按键组成的最简单的单片机输入设备，操作员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。键盘按电路连接方式可以分为两类：简单式和矩阵式。由于键盘是一组按钮开关的集合，在智能仪表中，常采用软件来识别按键，所以，在键盘的设计中应同时从硬件和软件两方面加以考虑。无论键盘采用哪种组织形式及读键方式，其主要的操作步骤如下：（1）读键 判断是否有键按下（键入），若有，则需要一步译键。（2）键值判断：在有键入的情况下，进一步识别出是哪一个键，以便作进一步处理。（3）键义操作：根据识别结果，明确相应的键义（本次设计中键盘功能是：模式，递增、递减。加1递增，减1递减）。我们在本次设计中采用简单式。简单的键盘电路，每个键独立地接入一根数据输入线，如图2-6所示。平时，所有的数据输入线都被连接成高电平。当任何一个键按下时，与之相连的输入线将被拉成低电平。要判断是否有键按下，只要用位处理指令即可。这种键盘的优点是结构简单、使用方便，但随着键数的增加所占用的I/O口线也增加。2.5.2 LED显示接口计算机控制常常使用LED显示器、液晶显示器（LCD）、CRT显示器，发光二极管组成的LED显示器是单片机应用产品中最常用的廉价输出设备。它由若干个发光二极管按一定规律排列而成。当某一个发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画被点亮，控制不同组合的二极管导通，就能显示各种字符。常用的七段显示器的结果如图2-7所示。发光二极管的阴极连在一起称为共阴极显示器。1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管ag控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制小数点的亮或暗。这种笔画式的七段显示器的字符较少，字符的形状有些失真，但控制简单，使用方便。图2-7 七段发光二极管的结构a）外形 b）共阴极还有一种点阵式的发光显示器，发光二极管排成一个NM（如57）的矩阵。一个发光二极管控制矩阵中的一个点，这种显示器显示的字型逼真，能显示的字符比较多，但控制比较复杂。显示器的显示方式有两种：静态显示方式和动态显示方式1.静态显示方式，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止，例如七段显示器的a、b、e、f导通，g截止时显示“0”。这种显示方式的每一个七段显示器需要一个8位输出口控制。静态显示的优点：显示稳定，编程简单，系统仅在需要更新显示的内容时CPU才执行一次显示更新子程序，这样就节省了CPU的时间，缺点是位数较多时显示口随之增加，有多少静态显示就需要多少套译码、锁定、驱动装置。2.动态显示方式，就是一位一位地轮流点亮各个显示器（扫描）。对于每一个显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既于导通电流有关，也与点亮时间和间隔的比例有关。显示电路由下列三部分组成：显示块、字型锁存驱动器及字位锁存驱动器。动态显示则只需要一套译码、锁定、驱动装置。而且由于平均电流大，亮度就大。工作过程是：将字型代码送入字型锁存器，这时所有的显示块都有可能显示同样的字符；再将需要显示的位置送入字位锁存器锁存。为防止闪烁，显示的时间在1020ms。3.字型及字位锁存器可以使用89C51的I/O端口。2.5.3 MAX7219显示驱动MAX7219是MAXIM公司生产的一种串行输入/输出共阴极显示驱动器，用来把微处理器接到8位7段数字LED显示器。其片内包含有一个BCD码到B码的译码器。多路复用扫描电路、段和数字驱动器及存储每个数字的88RAM。只需一个外部电阻来设置所有LED的段电流。2-8为MAX7219引脚图。图2-8 MAX7219引脚排列一个方便的3线SPI串行接口连接到各种通用的单片机上。各位数字可被寻址和更新，而不需要重写整个8位数字。MAX7219有一个150uA低功率停机方式、模拟和数字亮度控制，一个允许用户从1位到8位数显示的扫描界线寄存器和一个强迫所有LED接通的测试方式寄存器。MAX7219各引脚说明见下表。引脚名 称功能1DIN串行数据输入，在CLK的上升沿，数据被加载到内部16位移位寄存器中。2、3、5-8、10、11DIG078根位驱动线，它从显示器吸入电流4、9GND地（两个GND引脚必须相连）12LOAD装载数据输入。在LOAD的上升沿，串行输入数据的最后16位被锁存13CLK时钟输入。最高频率为100MHz。在CLK的上升沿，数据被输入到移位寄存器中。在时钟的下降沿，数据从DOUT输出1417、2023SEGAG、DP7段和小数点输出驱动器，它供出显示器源电流18ISET通过一个电阻（R）接到VCC以设置峰值段电流19VCC电源电压24DOUT串行数据输出。输入到DIN的数据在16.5的时钟周期后在DOUT端有效2.5.3.1 MAX7219工作说明1.串行寻址方式由16位数据包发送到DIN端的串行数据在每一个CLK的上升沿被移入到内部16位移位寄存器中。然后，在LOAD的上升沿数据被锁存到数字或控制寄存器中。LOAD必须在