基于單片機的通用測控系統(tǒng)的設(shè)計--畢業(yè)論文.doc

目錄摘要1Abstract1前言2一、單片機最小系統(tǒng).31外部數(shù)據(jù)存儲器擴展電路設(shè)計 32.晶振接口電路、復(fù)位電路設(shè)計 43.掉電保護 5二、鍵盤、顯示擴展設(shè)計.61.按鍵擴展62.LED顯示器7三、單片機串行口擴展設(shè)計.81.MAX232芯片 8四、模擬量與數(shù)字量相互轉(zhuǎn)換設(shè)計.91.模擬輸入及采樣保持器電路設(shè)計 92.AD574與單片機接口設(shè)計93.DAC1208模擬電壓輸出電路10五、開關(guān)量輸入輸出電路設(shè)計.121.開關(guān)量的輸入輸出12六、單片機系統(tǒng)中看門狗電路設(shè)計.131.看門狗及復(fù)位電路.13結(jié)論13參考文獻14 摘要 意義：單片機比專用處理器最適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機,現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機如：手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機，而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作，汽車上一般配備40多部單片機，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過PC機和其他計算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。因此單片機地研究前景比較廣闊。結(jié)合本專業(yè)選取8051單片機作為研究方向。 內(nèi)容：單片機最小系統(tǒng)中應(yīng)用到的芯片、外設(shè)及接口電路等，通過擴展單片機外設(shè)，包括單片機儲存器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示模塊和鍵盤輸入模塊，并將軟件設(shè)計和外圍芯片結(jié)合來實現(xiàn)最小系統(tǒng)的功能；掌握單片機系統(tǒng)設(shè)計與實施的一般原則，基本實現(xiàn)從理論到實踐行動，鞏固所學(xué)的知識；同時學(xué)會微機系統(tǒng)的硬件和基礎(chǔ)軟件設(shè)計，學(xué)習(xí)硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，以及基本的技能和調(diào)試。 成果：單片機可靠性高、便于擴展、控制功能強、低電壓、低功耗、片內(nèi)存儲量小、集成度高、應(yīng)用于社會生活的各個方面。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：單片機；數(shù)模轉(zhuǎn)換器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；光電隔離；掉電保護；接口擴展Abstract Meaning: the single chip processor is the most suitable for the embedded system, so it has the most application. In fact SCM is the worlds largest number of computers, modern human life in almost every piece of electronic and mechanical products will be integrated single chip such as: mobile phone, telephone, calculator, household appliances, electronic toys, palm computers and computer accessories such as a mouse are equipped with 1-2 SCM and PC will also have a large number of SCM in the work, the general car with more than 40 SCM, complex industrial control systems may have even hundreds of SCM to work at the same time! SCM is not only far more than the number of PC machines and other computing, even more than the number of human. So the research prospect of single chip computer is quite broad. Combined with the professional selection of 8051 single chip as the research direction. Content: minimum system of microcontroller is applied to the chip, peripherals and interface circuit, by extending MCU peripherals, including SCM storage, digital to analog conversion, analog to digital conversion, digital tube display module and a keyboard input module and will software design and peripheral chips are combined to achieve the function of the minimum system; master MCU system design and implementation of the general principles, the basic realization of from theory to practice, consolidate the learned knowledge; and at the same time, learn the microcomputer system hardware and software design, learning experience in the design of hardware and software of the system, and the basic skills and debugging. Results: single chip with high reliability, easy extension, strong control function, low voltage, low power consumption, small chip storage, high integration and application in all aspects of social life. Key words Keywords: SCM; DAC; ADC; photoelectric isolation; power off protection; interface 前言 自從1972年Intel公司推出第一顆微處理器以來，計算機技術(shù)遵循著摩爾先生提出的摩爾定律，以每18個月為一個周期微處理器性能提高一倍、價格降低一半的速度快步向前發(fā)展。以微處理器為核心的微型計算機在最近20年中發(fā)生了巨大的變化，閃電般地經(jīng)歷了從8088/8086到286、386、486、586、P-、P-等奔騰(Pentium)系列眾多CPU的飛躍。計算機對整個社會進步的影響有目共睹，其應(yīng)用面的迅速拓寬，對個人與社會等多方面的滲透表明，計算機技術(shù)已不再是深踞于高層次科技領(lǐng)域里的寵兒，它已經(jīng)深入到社會活動的一切領(lǐng)域之中，闖進了平常百姓的生活里，使人們跨入了信息時代 隨著電子技術(shù)的發(fā)展和近代超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，通過對計算機的功能部件進行剪裁及優(yōu)化，將CPU、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、并行I/O口(PIO)、串行I/O口(SIO)、定時/計數(shù)器(CTC)及中斷控制器(ICU)等基本部件集成在一塊芯片中，制成了單芯片微型計算機(Single Chip microcomputer)，簡稱單片機，又叫微控制器(Micro Controller Unit，簡稱MCU)。由于它能嵌入到某個電路或電子產(chǎn)品設(shè)備中，故被稱為嵌入式控制器(Embedded Controller)。要把前面提到的眾多功能集合在一起，在過去需要具備專門的知識，采用許多電路組建成一個電子系統(tǒng)來實現(xiàn)。而今卻簡化成只需選擇一片合適的單片機，并對其已有的功能、指標(biāo)、參數(shù)及引腳進行合理的使用即可完成。 20世紀90年代，單片機在我國迅速普及。在電子技術(shù)日新月異的今天，在人們的生活里，到處都可以看到單片機的具體應(yīng)用。單片機可以嵌入到各種電子產(chǎn)品之中，成為機電產(chǎn)品的核心部件，控制著各種產(chǎn)品的工作。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機已從過去的單一品種，發(fā)展成為多品種、多系列機型，內(nèi)部結(jié)構(gòu)從過去的基本部件發(fā)展到集成有A/D、D/A、監(jiān)控定時器(WDT)、通信控制器(CCU)、脈寬調(diào)制器(PWM)、浮點運算器(FPU)、模糊控制器(FCU)、數(shù)字信號處理器(DSP)，以及具有I2C、SPI、ISP等眾多特殊功能部件，成為功能越來越強的增強型、高檔型單片機。由于單片機具有功能強、體積小、功耗低、成本低、裸機編程、軟件代碼少、工作可靠、自動化程度高、實時響應(yīng)速度快以及使用方便等特點，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、過程控制、數(shù)據(jù)采集、通信、智能化儀器儀表、汽車、船舶、航空航天、軍工及消費類電子產(chǎn)品中。 現(xiàn)今，炙手可熱的“三網(wǎng)”(即電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng))融合產(chǎn)品、物聯(lián)科技已開始興起；在汽車中普遍都需要有30多個單片機被用于其中的空調(diào)、音響、儀表盤、自動窗、遙控門、自控前后蓋、空氣質(zhì)量監(jiān)測、反射鏡角度調(diào)整、自動滅火、防盜報警等的控制，協(xié)調(diào)控制著發(fā)動機、傳動器、制動器、安全氣囊、車載全球定位系統(tǒng)(GPS)等多方面有條不紊地工作；此外，還有工業(yè)自動化控制和軍事科技等。這些領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)都還存在許多技術(shù)問題尚要解決，這正是電子技術(shù)人員可以大展拳腳的領(lǐng)域。一、單片機最小系統(tǒng)1、外部數(shù)據(jù)存儲器擴展電路設(shè)計2、晶振接口電路、復(fù)位電路設(shè)計 晶振電路: 晶體振蕩器簡稱晶振，典型的晶振取11.0592MHz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產(chǎn)生精確的uS級時歇,方便定時操作)，為系統(tǒng)提供一個基本時鐘信號，系統(tǒng)內(nèi)通常公用一個時鐘信號，便于各部分同步，一般晶振振蕩電路都是在一個反相器的兩端接入晶振，再有兩個電容另一端分別接地，兩個電容串聯(lián)的容量值就等于負載電容。復(fù)位電路:由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成,由圖并結(jié)合電容電壓不能突變的性質(zhì),可以知道,當(dāng)系統(tǒng)一上電,RST腳將會出現(xiàn)高電平,并且,這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定.典型的51單片機當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復(fù)位,所以,適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位。 3、掉電保護外部數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護是十分重要的，發(fā)生意外停電時，電容和電池（BATTERY）向外部數(shù)據(jù)存儲器（U2）供電，可避免多次重建數(shù)據(jù)存儲器，保證測量過程不發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況。外配電池在主電源失去時，對單片機的繼續(xù)運行提供能源，此時的電池能源是非常寶貴的，往往都是以“ uA ”級進行計算。而且還有一個不能避免的結(jié)果，就是隨著保護時間的延長，電池的電量也會用完的。所以，保護電路有一個最長保護時間的參數(shù)。使用中不能超過，否則，保護就會失效；當(dāng)電池經(jīng)過保護時間的使用之后，就需要補充電能，以便下一次保護時能夠以充足的電能投入保護工作。所以，又有一個如何給電池充電的問題。也就是電池在主電源正常供電時，需要由主電源對其進行充電：當(dāng)主電源失去時，又由電池放電以保持單片機系統(tǒng)的運行。二、鍵盤、顯示擴展設(shè)計1、按鍵擴展矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。當(dāng)鍵被按下時，其交點的行線和列線接通，相應(yīng)的行線或列線上的電平發(fā)生變化，單片機通過檢測行或列線上的電平變化可以確定哪個按鍵被按下。 矩陣鍵盤不僅在連接上比單獨式按鍵復(fù)雜，它的按鍵識別方法也比單獨式按鍵復(fù)雜；矩陣鍵盤的檢測方法有多種，常見的有：逐點掃描法、逐行掃描法、全局掃描法；采用逐行掃描法來實現(xiàn)按鍵檢測，其中PA0-PA7作為列線，PC0-PC3作為行線。識別過程如下：1、判斷鍵盤中是否有鍵按下。設(shè)置所有行線為輸出口，并輸出低電平；設(shè)置列線為輸入口，讀取列線上的電平狀態(tài)，只要有一列的電平為低，就表示有按鍵按下，并且被按下的鍵位于電平為低的列線與4跟行線相交叉的4個按鍵中，若所有列線都為高電平，表示沒有按鍵按下；2、判斷被按下按鍵所在的位置。在確認有鍵按下后（進行按鍵消抖處理后），接下來就是確定具體哪個案件被按下，方法是：依次將每根行線設(shè)置為輸出口，并輸出低電平（同時剩余行線輸出高電平），然后逐列檢查每根列線的電平狀態(tài)，若某列為低電平，則該列線與設(shè)置為輸出低電平的行線交叉處的按鍵就是被按下的按鍵。鍵盤的所有行線和列線都接了上拉電阻，這是為了確保在沒有按鍵按下的時候，I/O口的電平狀態(tài)始終為高電平，從而消除外界干擾。2、LED顯示器 LED數(shù)碼管顯示原理： 八段就是指數(shù)碼管里有八個小LED發(fā)光二極管，通過控制不同的LED的亮滅來顯示出不同的字形。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種類型，其實共陰極就是將八個LED的陰極連在一起，讓其接地，這樣給任何一個LED的另一端高電平，它便能點亮。而共陽極就是將八個LED的陽極連在一起兩個COM端連在一起，是公共端，共陰數(shù)碼管要將其接地，共陽數(shù)碼管將其接正5伏電源。一個八段數(shù)碼管稱為一位，多個數(shù)碼管并列在一起可構(gòu)成多位數(shù)碼管，它們的段選線（即a,b,c,d,e,f,g,dp）連在一起，而各自的公共端稱為位選線。顯示時，都從段選線送入字符編碼，而選中哪個位選線，那個數(shù)碼管便會被點亮。數(shù)碼管的8段，對應(yīng)一個字節(jié)的8位，a對應(yīng)最低位，dp對應(yīng)最高位。所以如果想讓數(shù)碼管顯示數(shù)字0，那么共陰數(shù)碼管的字符編碼為00111111，即0 x3f；共陽數(shù)碼管的字符編碼為11000000，即0 xc0?？梢钥闯鰞蓚€編碼的各位正好相反三、單片機串行口擴展設(shè)計1、MAX232芯片模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的數(shù)字信號，計算機系統(tǒng)模擬量是輸入通道中的一種模擬量存儲裝置，它是連接采樣器和模數(shù)轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)。MAX232是TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換的典型芯片，取振蕩電容為uF的時候，若輸入為5V,輸出可以達到-14V左右，輸入為0V ,輸出可以達到14V,在扇出電流為20mA的時候，處處電壓可以穩(wěn)定在 12V和-12V.因此，在功耗不是很大的情況下，可以將MAX232的輸出信號經(jīng)穩(wěn)壓塊后作電源使用。MAX232內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。 四、模擬量與數(shù)字量相互轉(zhuǎn)換設(shè)計1、模擬輸入及采樣保持器電路設(shè)計采樣保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件，是計算機系統(tǒng)模擬量輸入通道中的一種模擬量存儲裝置。它是連接采樣器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的中間環(huán)節(jié)。采樣保持器把采樣器在固定時間點上取出被處理信號的值放大后存儲起來，保持一段時間，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，直到下一個采樣時間再取出一個模擬信號值來代替原來的值。2、AD574與單片機接口設(shè)計邏輯控制信號由8051的數(shù)據(jù)接口P0口發(fā)出控制AD582的工作過程；AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)通過P0數(shù)據(jù)總線連至8051,；由于只使用了8位數(shù)據(jù)口，12位數(shù)據(jù)需要分兩次進入8051，此時要求CE端為高電平，因此通過與非門（NADN）與AD582的使能端CE相連，采用逐次漸進型模數(shù)轉(zhuǎn)換，屬于反饋比較型的模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過DA轉(zhuǎn)換器輸出值與輸入模擬信號有次序地進行比較，從而確定輸出數(shù)字信號的各個位的值。其啟動轉(zhuǎn)換后，控制邏輯電路首先把逐次比較寄存器（SAR）的最高位置1，其它位置0，SAR中的內(nèi)容經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到的電壓值送入比較器中與輸入模擬信號Ui進行比較。比較的結(jié)果輸出到SAR，并在下一次比較前對最高位進行修正。接著，在時鐘信號驅(qū)動下，SAR中次高位置1，SAR中的內(nèi)容經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的電壓值再次送入比較器中與Ui進行比較，并在下一次比較前對次高位進行修正。這樣SAR中的各位從高到低不斷置1，不斷的送入DA轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換后值不斷送入比較器中與Ui進行比較，通過比較器的輸出實現(xiàn)對該位的修正。當(dāng)完成SAR中最低位的修正后，AD轉(zhuǎn)換完成，這時SAR中的值即為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。3、DAC1208模擬電壓輸出電路通過恒壓源電路將VCC電壓變?yōu)?V的電壓作為電壓加法器的一端輸入，然后再將DAC1208的輸出（05V）電壓通過電阻分壓以4:1的比例，將電壓變?yōu)椋?4V）。再將R52和R51設(shè)置為1:1，使兩路電壓按1:1比例相加，從而得到15V標(biāo)準電壓。加法器：因為虛斷，運放同向端沒有電流流過，則流過R1和R2的電流相等，同理流過R4和R3的電流也相等。故 （V1 V+）/R51 = （V+ - V2）/R52 a（Vout V-）/R49 =V-/R50 b由虛短知： V+ = V- c 如果R51=R52，R49=R50，則由以上式子可以推導(dǎo)出 V+ = （V1 + V2）/2 V- = Vout/2 故 Vout = V1 +V2 也是一個加法器。電壓/電流轉(zhuǎn)換電路AM422是一個應(yīng)用于一端接地的輸入信號轉(zhuǎn)換處理的電壓到電流的接口集成電路。通過少量 的外接元件就可以使輸出電流在一個很大的范圍內(nèi)可調(diào)。除了外接電阻R0到R5和電容C1(C2)之外，要使電路正常工作還需要一個外接的三極管T1和一個起保護作用的二極管D1。外接的三極管降低了集成電路AM422的耗散功率。當(dāng)外接電源的極性接反的話，二極管將起保護三極管的作用。在選擇二極管和三極管時請注意它們的耗散功率。 AM422可以用作為二線方式或者三線方式輸出的電壓到電流的接口電路。三線方式輸出。外接的參考點Ground是管腳7（GND）一致的，此時集成電路的工作電壓和電源電壓是一樣的VCCVS。二線方式輸出，此時的管腳7（GND虛地）是接在R5和負載電阻RL之間。在這種情況下，集成電路的工作電壓VCC和電源電壓VS的關(guān)系是： Vcc=Vs-Iout*RL。五、開關(guān)量輸入輸出電路設(shè)計1、開關(guān)量輸入輸出電路對于不同的開關(guān)量信號的電平均值，可以采用不同的方法輸入，一般的系統(tǒng)設(shè)定信號和狀態(tài)信息可以采用并行接口輸入；極限報警信號采用中斷方式處理；數(shù)字脈沖寬度、周期或脈沖個數(shù)。出于安全或抗干擾等方面的考慮，現(xiàn)場的開關(guān)量輸入至計算機前都需要預(yù)處理，然后再送至接口。此圖采取的措施：通過濾波電容，將干擾信號過濾再進行輸入。通過時鐘脈沖CLK選通端E，將P0口數(shù)據(jù)輸出傳送給MC1413器件進行放大處理，作為最終的輸出；其中MC143開發(fā)的高壓大電流達林頓晶體管陣列電路；是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)，以此來增大OUT輸出用于驅(qū)動負載。六、單片機系統(tǒng)中看門狗電路設(shè)計1、看門狗及復(fù)位電路由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，造成程序的跑飛而陷入死循環(huán)，因此造成程序的運行被打斷，使整個系統(tǒng)陷入停滯狀態(tài)，發(fā)生不可預(yù)料的后果，所以常用“看門狗”作為單片機程序運行的狀態(tài)監(jiān)測。工作原理：在系統(tǒng)運行以后也就啟動了看門狗計數(shù)器，看門狗會自動計數(shù)，如果到了一定時間沒去清理看門狗即“喂狗”，那么看門狗就會自動溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。當(dāng)看門狗內(nèi)部程序出錯時，可以通過手動按下按鍵，給看門狗一個高電平使其復(fù)位，稱這一按鈕為手動復(fù)位按鈕。結(jié)論 作為單片機最小系統(tǒng)MC-8051是最簡單的一種，掌握其接口擴展方法。通過對數(shù)據(jù)采集的分析，了解了各種傳感器、放大器及A/D轉(zhuǎn)換器和V/F轉(zhuǎn)化器對信號的轉(zhuǎn)換、傳輸有了更深的認識。在我們學(xué)會最基礎(chǔ)的單片機原理之后，我們要懂得由淺入深，深入學(xué)習(xí)更加實用，性能更好的單片機系統(tǒng)，這樣我們才能跟上時代的腳步，51單片機具有很強的代表作用，我們應(yīng)該好好學(xué)習(xí)，熟知此單片機的各個功能結(jié)構(gòu)及原理，以便日后更好的深入學(xué)習(xí)其他各類器件芯片，為將來的學(xué)習(xí)工作打好堅實的基礎(chǔ)。 參考文獻1. 施仁，劉文江，鄭輯光編.自動化儀表與過程控制M.北京：電子工業(yè)出版社2005.8.2. 張毅剛,彭喜元編著.新編MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2006.103. 余家春編著.Protel 99se電路設(shè)計實用教程M.北京：中國鐵道出版社2003.1.4徐建軍主編.MCS-51系列單片機應(yīng)用及接口技術(shù)M.北京：人民郵電出版社2003.6.5. 蔡美琴主編MCS - 51 系列單片機系統(tǒng)及其應(yīng)用M .北京: 高等教育出版社,1992.- 13 -2