學士學位論文 I 摘 要 鍋爐是人類供熱，取暖的主要來源，隨著生產力的發(fā)展和對鍋爐容量，參數要求的不斷提高，鍋爐容量和技術得到迅速發(fā)展，越來越智能化。 本課題的設計正是基于智能化這個目的，在本設計中利用 鉑電阻 采集鍋爐房內的各個點的溫度給單片機，由單片機通過 LED 顯示屏直觀準確的進行顯示，并且把采集到的數據通過 RS485 傳輸到上位機，使人在電腦面前就能觀測到鍋爐房內的溫度情況，而且監(jiān)測人員可以通過電腦把監(jiān)測時間內任意時刻的溫度曲線調出，便于前后對照，為以后的維修提供了數據保障。而且在本設計中使用了 DS1302 時鐘芯片，使檢 測人員可以在現場知道準確的時間，時鐘的調節(jié)可以通過上位機進行實現。上位機傳送給單片機的修正值存儲在 E2PROM 93C46 中，單片機每次開機時便讀取其中數據修改 PT100 所測得的溫度值，減少環(huán)境和儀器造成的誤差，為監(jiān)測人員提供更準確的溫度數據。 通過本設計監(jiān)測人員可以遠程監(jiān)控鍋爐房內的溫度，為鍋爐管理提供了方便。 關鍵詞： 鉑電阻 ； 單片機；溫度采集 學士學位論文 II Abstract Boiler is used to supply heat for people. With automatic technology and information technologys development, the management of boiler will be more and more intelligent. In our designing ,basis on the object of intelligent. we use platinum resistance to collect some pointss temperature of stokenhold, then microcontroller receives the temperature and show it by LED, and microcontroller send the temperature to monitoring computer by RS-485 communication protocol. So the manager can watch boilers condition from monitoring computer,and the watcher can check every times temperature at every moment. And we used DS1302 as time chip, the watchers can know time in locale, even we can adjust time through monitoring computer. Monitoring computer send a correct number to the microcontroller, and the microcontroller save this number to 93C46.While the microcontroller start up again ,it will read the correct number from 93C46 to redress the temperature get by PT100 to reduce error worked by environment and instrument. It will supply more correct temperature number to the managers. Through our designing, the watcher can watch and control stokenhold in long-distance, it provide convenience to managers. Key words: Platinum resistance； Microcontroller ；Temperature collection 學士學位論文 III 目錄 引 言 . 1 1 系統(tǒng)硬件組成 . 3 1.1 系統(tǒng)各部分工作原理 . 3 1.1.1 總體硬件架構 . 3 1.1.2 硬件電路工作原理 . 4 1.2 芯片選型及功能簡介 . 4 1.2.1 SM8952 內部結構 . 4 1.2.2 12 位 A/D 轉換器 MCP3204 . 9 1.2.3 串入并出顯示芯片 74HC595 . 14 1.2.4 通信結構 . 15 1.2.5 LED 顯示屏 . 16 1.2.6 時鐘芯片 DS1302 . 17 1.2.7 存儲芯片 93C46. 18 2 軟件設計 . 21 2.1 軟件開發(fā)平臺 . 21 2.2 軟件設計時序解析 . 23 2.3 主程序流程圖 . 24 2.4 串行通訊流程圖 . 25 2.5 T0 中斷流程圖和 74HC595 串入并出溫度顯示程序流程圖 . 26 2.6 74HC595 串入并出時間顯示程序流程圖 . 27 2.7 時間調節(jié)程序流程圖 . 28 3 軟件調試 . 31 3.1 調試過程概述 . 31 3.2 程序調試中出現的問題及改進方案 . 33 總 結 . 35 致 謝 . 36 參考文獻 . 37 附 錄 . 38 學士學位論文 IV 附錄 A . 38 附錄 A.1 英文原文 . 38 附錄 A.2 漢語翻譯 . 44 沈陽理工大學學士學位論文 1 引 言 在自動控制領域中，溫度檢測與控制占有很重要地位。溫度測控系統(tǒng)在工農業(yè)生產、科學研究和人們的生活領域，也得到了廣泛的應用。 在大多數測控系統(tǒng)中，溫度都是必不可少的檢測量，溫度傳感器也是測控系統(tǒng)中十分 重要的傳感器件。隨著數字化傳感器技術的不斷發(fā)展，出現了各種類型的數字溫度傳感器。數字溫度傳感器可以直接將被檢測的溫度信息以數字化形式輸出，與傳統(tǒng)的模擬式溫度傳感器相比，具有測量精度高、功耗低、穩(wěn)定性好、外圍接口電路簡單特點。而 且 單片機微處理器越來越豐富的外圍功能模塊，更加方便了數字式溫度傳感器輸出信號的處理 。本設計正是用 單片機微處理器來實現對溫度的檢測。盡管目前市場上針對溫度測量的檢測儀器不在少數，而且，其制作的水平無論在工藝還是在測量的精度上都不斷的在提高，但要得到高精度、寬量程以及多通道的溫度檢測儀，價 格都十分昂貴，本文的立足點是，運用比較常規(guī)的溫度傳感器以及價格低廉的電子元件構成低成本、高性能的智能系統(tǒng)。 本系統(tǒng)是為北方的供暖鍋爐設計的回水溫度檢測系統(tǒng)。在我國北方絕大部分地區(qū)冬天要靠供暖鍋爐來解決供暖問題，在供暖鍋爐車間需要知道從用戶返回來的水的溫度，從而對鍋爐的運作進行相應的調整。本系統(tǒng)在鍋爐車間安裝了大的 LED 顯示屏，用來給操作工人提供可以參考的信息。同時數據也可以傳送給計算機，使得決策者可以不用到車間就能夠知道鍋爐的回水溫度情況。 在本次畢業(yè)設計中，我嚴格按照畢業(yè)設計任務書的要求，在指導教師的引導 下，按時完成了設計。用 PT100 與輔助測量電路將 -40100 溫度信號轉換成 05V 的電壓信號， 12 位 A/D 轉換器將模擬信號轉換成 0 4095 的數字信號，經過查表分段插值轉換成溫度，總計可以采集現場的 8 路溫度，測得溫度的精度可以達到 0.1 。通信模塊部分將溫度值通過 RS485 通信的方式上傳給上位機。本設計基于鉑電阻測溫原理 ,以SM89C52 單片機為控制核心，利用串行接口 12 位 A/D 轉換器 MCP3204 等芯片組成來實現鉑電阻測溫過程，并通過 LED 數碼管來實現字符的顯示 , ,順利的完成單片機軟件部分的設計 ,并 結合硬件電路原理圖根據所要實現的功能利用其程序設計經過調試之后做成了有實用價值的鉑電阻測溫顯示屏，從而實現了從理論與實踐相結合的這一過程。 本系統(tǒng)軟件采用單片機 C 程序設計，因為隨著市場競爭的日趨激烈，電子工程師需要能在短時間內編寫出執(zhí)行效率高、運行可靠的代碼。同時，由于實際系統(tǒng)的日趨復雜，使得代碼的規(guī)范性、模塊化的要求越來越高，以方便多個工程師以軟件工程的形式進行沈陽理工大學學士學位論文 2 協同開發(fā)，而 C 語言的結構化和高效性滿足了這樣的需要所以選用 C 語言進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。 沈陽理工大學學士學位論文 3 第 1 章 硬件原理 1.1 系統(tǒng)工作原理 1.1.1 硬件結構 本設計主要以 SM8952 單片機為控制核心 , 利用三線制電橋設計鉑電阻測溫電路，通過橋式電路轉換為電壓信號，再經過放大及 A/D 轉換后送單片機進行處理。系統(tǒng)主要由鉑電阻測溫電路、放大電路，時鐘電路，復位按扭，電源組成。并通過 LED 數碼管來實現字符的顯示，用 12 位 A/D 轉換器 MCP3204 以實現模數轉換。 測溫儀的系統(tǒng)硬件結構框圖如圖 1.1 所示?？紤]到功耗及整機的精度和價格等問題 ,測溫儀的單片機控制器采用 51 系列單片機。測溫系統(tǒng)采用不平衡電 橋測量鉑電阻隨溫度變化的電壓信號 ,經過放大、 A/D 轉換后 ,送到單片機中進行處理和顯示。采集時顯示最值溫度 ,超過設定值則報警。本測溫儀通過 RS485 通信方式與計算機進行通信 ,上位機負責設置采集開始時間、采集間隔時間等參數 ,并讀取下位機數據 ,進行數據分析和處理。 圖 1.1 系統(tǒng)硬件結構框圖 時鐘電 路 鉑電阻測溫電路 放大電路 A/D 轉換電路 AT89C52 單片機 LED 顯示 計算機通信 （ RS485） 沈陽理工大學學士學位論文 4 1.1.2 硬件工作原理 鉑電阻是將 0.05 0.07的鉑絲繞在線圈骨架上封裝在玻璃或陶瓷管等保護管內構成。溫度范圍在 -40 650 以內，鉑電阻一般是三線制，其中一端接一根引線另一端接二根引線，主要為遠距離測量消除引線電阻對橋臂的影響 (近距離可用二線制，導線電阻忽略不計。 )。 由 Pt100 溫度傳感器采集到鍋爐的回水溫度電壓信號，經過運算放大器、 A/D 轉換器，得到相應的數字信號，由單片機對數據進行處理，經通信電路實現對計算機的通信，以及由 LED 數碼管組成的顯示電路顯示所測溫度。 由于鉑電阻傳感器的非線形特性易產生測量誤差，本設計通過采用查表線性化法得出溫度各點對應的 A/D 轉換值 ,并且利用軟件算法實現了電路中各參數的自適應調整選取 ,在盡可能 提高分辨率的情況下使設計的電路在給定的溫度范圍內各點的分辨率近似相等 ,從而方便了硬件電路的設計和電阻的選取 ,也減小了鉑電阻測溫電路的非線性誤差。 1.2 芯片選型及功能簡介 1.2.1 SM8952 內部結構 SM8952 是 內含 8 k 內存 的 8 位單片機。它所具有的硬件特性和一套強大的指令集使它成為一種通用并且經濟的處理器。這是我們在本設計中選擇它的原因。并且它擁有的 32 個 I O 口以及 8k 內存使它適合于混合運算和復數運算。 特性： * 工作電壓： 3.0 3.6 V 在 L 版本中 ； 4.5 5.5V 在 C 版本中 ； * 與其他 8952 系列單片機兼容 ； * 一個機器周期包含 12 個時鐘周期 ； * 8k 的內部存儲空間 ； * 256 bytes 數據儲存空間 ； * 3 個 16 bit 定時記數器 ； * 4 組 8 bit I O 口 ； 沈陽理工大學學士學位論文 5 * 全雙工串行通訊 ； * 位操作指令集 ； * 內存空間頁跳躍 ； * 8 bit 無符號乘法 ； * BCD 算法 ； * 直接尋址 ； * 間接尋址 * 嵌套中斷； * 兩個中斷優(yōu)先集； * 1 個 串行通訊接 口； * 省電模式 * 代碼保護模式； * 1 個看門狗系統(tǒng)； * 低電磁干擾； 芯片結構圖 : 圖 1.2 8952 的結構圖 沈陽理工大學學士學位論文 6 單片機內部結構圖 : 圖 1.3 單片機內部結構圖 看門狗 ( WDT )系統(tǒng)描述： 看門狗系統(tǒng) ( WDT )是一個一旦溢出便會產生重啟信號的 16 位自由執(zhí)行計數器。看門狗經常用于易受噪聲干擾，電源故障，放電影響而產生程序死循環(huán)或是失控的系統(tǒng)中。它可以幫助系統(tǒng)使用者將程序從失控狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)?？撮T狗不同于 8952 系統(tǒng)的定時器 1，定時器 2，和定時器 3 。為了防止看門狗由于 溢出發(fā)出重啟信號可以周期性沈陽理工大學學士學位論文 7 的將看門狗系統(tǒng)的計數器清零 7。 SM8952A 的看門狗系統(tǒng)擁有可選擇源時鐘的輸入?？梢酝ㄟ^設置看門狗控制寄存器（ WDTC ）的 PS2 PS0 進行控制。 看們狗系統(tǒng)的執(zhí)行可以通過將（ WDTC ）的第 7 個 bit（ WDTE ） 置 1 實現。當 WDTE置 1 后， 16 位計數器便從 PS2 PS0 選擇的基數開始計時。如果溢出出則產生重啟信號。當 SM8951A SM8952A 重啟后 WDTE被置 0。硬件重啟或 WDT重啟也會使 WDTE置 0； 重啟 WDT可以通過將 WDTC 的第 5 位（ CLEAR ）置 1。這可以清空 16 位計數器并且讓其從起始點開始計數。 WDTC： 圖 1.4 WDTC 內部結構 PS2 PS0 ： 圖 1.5 PS2 至 PS0 不同值時的選擇結果 看門狗系統(tǒng)系 統(tǒng)控制寄存器（ SCNOF， $BF）： 圖 1.6 看門狗系統(tǒng) 系統(tǒng)控制寄存器（ SCNOF， $BF）內部結構 沈陽理工大學學士學位論文 8 WDR： 看門狗系統(tǒng)重啟位，當系統(tǒng)由于看門狗計數器溢出而重啟時 WDR置 1； ALEI： ALE輸出抑制位，減少電磁干擾； SCNOF 的第 7 位是看門狗系統(tǒng)重啟位。當看 門狗系統(tǒng)因為溢出產生重啟信號時這一位便置 1 ；用戶可以通過查看這一位檢查是否有不可預知的重啟產生。 減少電磁干擾功能： SM8952A 允許用戶通過將 SCNOF 的第 0 位 ( ALEI )置 1 來實現減少電磁干擾功能。此項功能會將 ALE 口的時鐘信號抑制成 Fosc 6Hz 。但此項功能只有在無外部程序存儲器或外部數據存儲器的情況下才可以使用。 1.2.2 12 位 A/D 轉換器 MCP3204 MCP3204 是逐步求近的 12 位模擬數據（ A/D）轉換器，帶有片內采樣和保持電路，MCP3204 經編程可以提供兩對偽差 分輸入通道或者四條單端輸入通道，與器件的通信可以使用與 SPI 協議兼容的簡易串行接口進行，器件的轉換率可達 100Ksps, MCP3204在寬電壓范圍內（ 2.7V 5.5V）工作，低電流設計使器件可在典型值分別為 500nA 和320uA 的待機電流和有效電流條件下工作 8。 MCP3204 同時提供數字與模擬接地連線，這樣可以提供另外的方法來減少噪聲，模擬與數字電路相對于器件在內部是各自分開的。這樣減少了從器件的數字部分耦合到器件模擬部分的噪聲。這兩條地線通過電路板基低在內部連接，基底電阻為 5-10。如果不使 用接地層，則這兩條地線必須連接到電路板上的 VSS。如果有接地層，則數字與模擬接地引腳都要連接到模擬接地層。如果同時具模擬與數字接地層，則數字與模擬接地引腳也應連接到模擬接地層。采取這些步驟可以減少數字噪聲的數量，這些數字噪聲從電路板其他部分出發(fā)將耦合到 A/D 轉換器。 MCP3204 的引腳說明如圖 沈陽理工大學學士學位論文 9 名稱 功能 VDD +2.7V 到 5.5V供電電源 DGND 數字接地 AGND 模擬接地 CH0-CH7 模擬輸入 CLK 串行時鐘 DIN 串行數據輸入 DOUT 串行數據輸出 /CS/SHDN 片選 /關斷輸入 VREF 基準電壓輸入 圖 1.7 MCP3204 引腳說明 由于我們所要測量的溫度為 -40100 ，精度要求為 0.1 。所以 MCP3204 的 12 位精度足以滿足系統(tǒng)的要求。該芯片的參考電壓選擇 +5V。 MCP3204 可以編程配置為 2 路偽差分輸入偏置或 4 路單端輸入 。 其差分非線性度（ DNL）和整體非線性度（ INL）為 1LSB。該系列工作原理和操作方 簡單靈活 ，下面介紹 一下 MCP3204 芯片的 A/D 轉換器的特點 ： （ 1）單電源工作，工作電壓范圍寬，可在 2.7V5.5V 電壓間工作； （ 2）功耗低，激活工作電流僅為 400A，而維持工作電流僅 0.5A； （ 3）工作方式靈活，單端輸入工作方式和準差分輸入工作方式可通過命令設置，其中準差分輸入工作方式能有效抑制輸入端共模干擾的影響； （ 4）與微處理器采用 SPI 接口總線通訊，為微處理器節(jié)約了口線，同時也使數據采集更加方便； （ 5）幾乎無外圍器件，從而 減少了由于外圍器件而引入的干擾和誤差，同時也提高了可靠性； （ 6） 有 ESD 保護，所有管腳均能隨 4kV 靜電釋放； （ 7）轉換速度可達 100kHz； （ 8）適應溫度范圍寬， 可在 -40 85 攝氏度之間工作 ； （ 9） 性價比高 ，現時零售價低于 30 元人民幣 ，且性能較好。 由于 這些特點能夠滿足系統(tǒng)的要求，因此它成為了本次設計 A/D 部分的首選器件 。 沈陽理工大學學士學位論文 10 MCP3204 主要由輸入通道選通開關、采樣保持單元、數據轉換器（ DAC） 、比較器、 12 位逐次逼近寄存器（ SAR）、控制邏輯單元和移位寄存器等部分組成，如圖 1.5所示。其 轉換原理是：通過比較器，利用已知的標準電壓與被測電壓進行比較，當被測電壓與標準電壓相等時，則該標準電壓即為 A/D 轉換的結果。標準電壓是按照二進制編碼變化的可變量，通常它是由逐次逼近寄存器 SAR 和 DAC 產生的。 SAR 用于產生一個二進制編碼的數字量， DAC 將這個數字量轉換成模擬電壓即為標準電壓， SAR的位數決定了 A/D 轉換器的分辨率，同時 SAR的位數又決定了 A/D 轉換器完成一次轉換過程中標準電壓與被測電壓比較的次數，也就是說決定了完成一次 A/D 轉換的所需要的時間。每次進行 A/D 轉換的通道號，通過控制邏輯選取。而 轉換后的二進制數據，則通過移位寄 存器串行 口 輸出。 轉換輸出數據： (1.1) 式中：inV：從 CH0 CH3 輸入的模擬電壓； REFV ： 輸入 5V 參考電壓。 圖 1.8 MCP3204 內部結構圖 REFinV V4096沈陽理工大學學士學位論文 11 A/D 轉換的計算公式簡介：對所用芯片 MCP3204 的引腳來說，REFV指的是 AD 輸出的最大值表示的電壓， AGND 指的是 AD 輸出最小值表示的電壓，因為該芯片的精度為 12，所以其分辨率為 122 即 4096，所謂的分辨率就是可在REFV和 AGND 之間分成 的最小區(qū)間的個數，所以每個區(qū)間的大小的電壓值為 4 0 9 6)( AGN DV R E F (1.2) 則已知的電壓 inV=AD 值 4096)( AGNDVREF (1.3) 所以可以得到經過 AD 轉換器后的 AD 值。 需要指出的是： （ 1）當 MCP3204 接收命令數據時，時鐘 CLK 的上升沿有效；當 MCP3204 輸出轉換后的數據時，時鐘 CLK 的下降沿有效。 （ 2）當采樣結束后，讀取所有 12 位轉換數據必須在 1.2ms 時間內完成，否則將影響轉換精度。 （ 3）當 MCP3204 所在電路板有一地線層時，模擬地 AGND 管腳與數字地 DGND管腳應當連接到模擬地線層；當所在電路板有模擬地線層和數字地線層時， AGDN 管腳和 DGND 管腳將連接到模擬地線層；當所在電路板沒有地線層時，必須將 AGND 管腳和 DGND 管腳一起連到電路板的地線SSV上，這將有效減少數字噪聲耦合到 A/D 轉換器上的機會。 A/D 轉換原理分析 模數轉換是將模擬入信號轉換為 N 位二進制數字輸出信號的技術。模 數轉換包括采樣、保持、量化和編程四個過程。采樣就是將一個連續(xù)變化的信號 x (t) 轉換成時間上離散的采樣信號 x (n) 。通常采樣脈沖的寬度 tw 是很短的 ,故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。要把一個采樣輸出信號數字化 ,需要將采樣輸出所得的瞬時模擬信號保持一段時間 ,這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉換成離散時間、離散幅度的數字信號 ,量化的主要問題就是量化誤差。編碼是將量化后的信號編碼成二進制代碼輸出。這些過程有些是合并進行的。例如 ,采樣和保持就利用一個電路連接完成 ,量化和編碼也是在轉換過程同時實現的 ,且所用 時間又是保持時間的一部分。 逐次逼近式 A/D轉換原理 2 本設計采用 MCP3204逐次逼近型 ADC， 逐次逼近型 ADC 包括 1個比較器、 1個數模轉換器、 1個逐次逼近寄存器 ( SAR) 和 1個邏輯控制單元 ,如圖 1.13 所示。轉換中的逐次沈陽理工大學學士學位論文 12 逼近是按對分原理 ,由控制邏輯電路完成的。其大致過程如下 :啟動轉換后 ,控制邏輯電路首先把逐次逼近寄存器的最高位置 1 ,其它位置 0 ,逐次逼近寄存器的這個內容經數模轉換后得到約為滿量程輸出一半的電壓值。這個電壓值在比較器中與輸入信號進行比較。比較器的輸出反饋到數模轉換器 ,并在下一 次比較前對其進行修正。在邏輯控制電路的時鐘驅動下 ,逐次逼近寄存器不斷進行比較和移位操作 ,直到完成最低有效位 (LSB)的轉換。這時逐次逼近寄存器的各位值均已確定 ,逐次逼近轉換完成。由于逐次逼近型模數 ADC在 1個時鐘周期內只能完成 1位轉換。 N位轉換需要 N個時鐘周期 ,故這種模數轉換器采樣速率不高 ,輸入帶寬也較低。它的優(yōu)點是原理簡單 ,便于實現 ,不存在延遲問題 ,適用于中速率而分辨率要求較高的場合。 A/D轉換器的性能指標 （ 1）轉換速度（ Conversion Rate） 轉換速度是指完成一次 A/D轉換所需時間的倒數， 是一個很重要的指標。 ADC型號不同，轉換速度差別很大。通常， 8位逐次比較式 ADC的轉換時間為 100us左右選用 ADC型應實現場需要而定。在控制時間允許情況下，應盡量選用便宜的逐次比較式 A/D轉換器。 （ 2）轉換精度 (Conversion Accuracy) ADC的轉換精度有模擬誤差和數字誤差組成。模擬誤差是比較器、解碼網絡中電阻值以及基準電壓波動等引起的誤差。數字誤差主要包括丟失碼誤差和量化誤差，前者屬于非固定誤差，由器件質量決定，后者和 ADC輸出數字量位數有關，位數越多，誤差越小。 在 A/D轉換過程中， 模擬量是一種連續(xù)變化的量，數字量是斷續(xù)的量。因此， A/D轉換位數固定后，并不會所有模擬電壓都能用數字量精確表示的。例如：假定三位二進制 A/D轉換器的滿量程值為 VFS為 7V，即輸入電壓為 0V、 1V、 2V、 3V、 4V、 5V、 6V、7V時，三位數字量恰好只能有 8種組合。如果模擬輸入電壓為其余值就會產生量化誤差，輸入模擬電壓為 0.5V、 1.5V、 2.5V、 3.5V、 4.5V、 5.5V、 6.5V時量化誤差最大，應當是0.5V。顧量化誤差的定義是分辨率之半，其計算公式為： 2 1 2FSNVQ (1.4) 硬件系統(tǒng)中 PT100 的 A/D 值與溫度的關系如下表 : 沈陽理工大學學士學位論文 13 表 1.1 PT100 的 A/D 值與溫度的對照表 A/D 值 溫度值 A/D 值 溫度值 A/D 值 溫度值 A/D 值 溫度值 360 -111 1275 -5 2232 35 3200 75 407 -40 1372 0 2356 40 3326 80 502 -35 1497 5 2475 45 3440 85 627 -30 1620 10 2600 50 3558 90 752 -25 1746 15 2720 55 3680 95 875 -20 1866 20 2842 60 3799 100 998 -15 1989 25 2960 65 4000 101 1123 -10 2112 30 3084 70 1.2.3 串入并出芯片 74HC595 74HC595 是個 8 位的、帶 8 位輸出鎖存器、三態(tài)輸出的串行輸入 /串行或并行輸出的移位寄存器。三態(tài)輸出是指帶有 8 個三態(tài)門具有三態(tài)輸出功能。串行端沒有三態(tài)輸出功能。該器件與 74HC164 相比，突出的優(yōu)點是：由于有輸出鎖 存器，當串行數據移入移位寄存器的過程中， 8 位并行輸出端 (Q0Q7)的數據不變化。只有當鎖存時鐘來時，才把移位寄存器中的數據并行地送入 8 位輸出鎖存器中。 因此 74HC595 中的移位寄存器接收串行的數據輸入，同時提供了一個串行的數據輸出，移位寄存器還提供并行的數據輸出到 8 位輸出鎖存器，而且移位寄存器和輸出鎖存器各有自己的時鐘輸入腳，所以可互不影響。移位寄存器還有一個復位控制輸入腳，以便復位（清零）移位寄存器的內容。 74HC595 的主要特性： （ 1） 輸出驅動能力： 15 個 LSTTL負載； （ 2） 輸出腳可直接 與 CMOS、 NMOS 和 TTL 電路相連； （ 3） 工作電壓范圍： 2V6V； （ 4） 工作溫度范圍：對于陶瓷封裝（后綴為 J）、塑料封裝（后綴為 N）和扁平封裝 (后綴為的 D)的產品，均為 -55 +125 ； （ 5） 低的輸入電流： 1A ； 沈陽理工大學學士學位論文 14 （ 6） 高的噪聲抑制能力。 74HC595 可在串行外圍接口上擴展并行輸出口，除了可允許再擴展其他串行接口外，還有一個優(yōu)點，就是在 執(zhí)行串行數據傳送時，輸出口上的數據不會產生脈動，它們在 RCLK 上跳時才一次性的改變?yōu)樾碌妮敵鲋怠?1.2.4 通信電路 本系統(tǒng)采用 RS 485 接口芯 片 MAX487 作為通訊口。 MAX487 是 MAXIM 公司生產的用于 RS 485 和 RS 422 通信的差分總線小功率收發(fā)器，它含有一個驅動器和一個接收器，具有驅動器接收器使能功能，輸入阻抗為 1 4 負載（ 48kW），節(jié)點數為 128，即每個 MAX487 的驅動器可驅動 128 個標準負載。 MAX487 的驅動器設計成限斜率方式，使輸出信號邊沿不至于過陡，以避免在傳輸線產生過多的高頻分量，從而有效扼制了干擾現象。 MAX487 的接收靈敏度為 200mV，即接收端的差分電壓200mV 時，接收器輸出為高電平， 200mV 時 接收器輸出為低電平，介于 200mV之間時接收器輸出為不確定狀態(tài)，因此，一旦某個節(jié)點的接收器在總線空閑、傳輸線開路或短路時產生低電平，將使串行接收器找不到起始位，從而引起通信異常，為此，本系統(tǒng)在硬件上作了處理：將 MAX487 的 A、 B輸出端加接上拉、下拉電阻，保證在發(fā)出有效數據時所有接收器能接收到完整的數據。 MAX487 靜態(tài)工作電流為 120 A， 5V單電源工作，在本系統(tǒng)中， MAX487 采用半雙工通信方式，各節(jié)點間的通信通過一對雙絞線作為傳輸介質，因雙絞線的特性阻抗為120，因此系統(tǒng)在 MAX487 的始端和末 端各接一個 120電阻以減少線路上傳輸信號的反射。由于主機與分機相隔較遠，而分機系統(tǒng)上電或復位又常常不在同一時刻完成，如在此時某個 MAX487 處于發(fā)送狀態(tài)，將占用通信總線而使其它分機無法與主機進行通信，本系統(tǒng)在 89C52 與 MAX487 之間加接光耦，保證了系統(tǒng)上電復位時 MAX487 的DE 端為“ 0”，有效解決了這個問題。 RS-485收發(fā)器分別采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端驅動器將 TTL電平信號轉換成差分信號輸出，在輸出端將差分信號變成 TTL電平。因此，具有將強的電平信號轉換成差分信號的能力，與此同時，提高 接收器的靈敏度，能檢測至 200mv的電壓，所以數據傳輸可達千米以外， RS-485許多電器規(guī)定與 RS-485相仿，例如，都采用平衡傳輸方式，都需要在傳輸線上連接終接電阻等。最簡單的 RS-485通信電纜有兩條信號線路組成，沈陽理工大學學士學位論文 15 通信電纜必須接大地參考點，這樣的連接線路能支持 32對發(fā)送 /接收端，為了避免地面電流，每個設備一定要接大地，另外，通信電纜應包括第三信號參考線，連接到每個設備的電纜地，若用屏蔽電纜，屏蔽應接到電纜設備的機殼。 RS-485可采用二線制或四線制連接方式，二線制連接方式能實現真正的多點雙向通信，采用 四線制連接方式時，只能實現一對多點的通信，即只能有一個主設備，其余為從設備。無論采用那種方式總線上可連接多達 32個設備。 RS-485驅動器輸出電壓在 -7+12V之間， RS-485接受器最小輸入阻抗為 12K。 RS-485的最大傳輸速率為 10Mb/s，當波特率為 1200b/s時，最大傳輸距離理論上可達 15Km。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在 100Kb/s速率下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。 用 51 單片機實現與 PC 機之間的通訊時，必須使用電平轉換接口芯片，因為單片機輸出的是 TTL電平，必須經過電平轉換 才能和 PC 機的一致。本文中采用的是 RS 485 協議，所以單片機需要采用 RS 485 接口；而在 本設計中 PC 機側使用的是 RS 232 與 RS485 的電平轉換接口。 1.2.5 LED 顯示屏 LED顯示器是用發(fā)光二極管構成的顯示器 ,為了適應不同電路的需要 ,根據構成 LED顯示器的發(fā)光二極管公共極的極性 ,有共陰極和共陽極兩種形式。對共陰極數碼管 ,公共陰極接地 ,當各段陰極上的電平為高電平時 ,該段接通亮 ,電平為 0 時 ,該段關斷不亮。對共陽極數碼管則剛好相反 ,高電平不亮 ,低電平時亮。這種器件根據顯示數位分類 ,可以分為一位 ,雙位和多位 LED顯示器 ,一位 LED顯示器就稱作 LED數碼管 ,兩位以上的一般就稱作 LED 顯示器。 在本設計中采用的是共陽極 LED 顯示器。 要驅動 LED 顯示器顯示相應字符 ,必須通過接口向其提供字符的筆段字型碼和數位代碼。當 LED 顯示器用于微處理器或微控制器應用系統(tǒng)時 ,利用微處理器的強大功能通過軟件查表方式對所需要顯示的字符到筆段字型碼的變換實現譯碼不是一件困難的事 ,所以目前大多數嵌入式系統(tǒng)應用都是采用這種軟件譯碼方式。 LED 顯示器驅動方式可以分為靜態(tài)驅動和動態(tài)驅動兩種。靜態(tài)顯示驅動一般是通過數字集成電路對 所需要顯示的字符筆段連續(xù)施加電壓 ；而動態(tài)顯示驅動則是利用矩陣掃描方式間斷向需要顯示的字符筆段輪流施加電壓。 沈陽理工大學學士學位論文 16 靜態(tài)顯示 ,就是當顯示器顯示某一字符時 ,相應段的發(fā)光二極管恒定地導通或截止 ,并且顯示器的各位可同時顯示。靜態(tài)顯示時 ,較小的驅動電流就能得到較高的顯示亮度。當LED 顯示器工作于靜態(tài)顯示驅動方式時 ,不同數位的 LED 數碼管的公共極 (共陽極或共陰極 )將被連接在一起并接地或 +5V,而每個數位的 8 根筆段線分別與一個 8 位鎖存器相連。不同數位的數碼管相互獨立 ,分別用不同的驅動器件進行驅動 ,它們的顯示字符一旦確定 ,只要不 改變顯示字符 ,相應的鎖存器的輸出就將一直維持不變。 這種驅動方式的優(yōu)點是編程容易、管理簡單、顯示亮度高、穩(wěn)定性好、占用 CPU時間較少 ,其缺點是占用硬件電路和微處理系統(tǒng)接口資源較多、引線多、印刷板布線復雜 ,硬件投入成本高。 動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮顯示器的各個位 (掃描 ),對于顯示器的每一位而言 ,每隔一端時間點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關 ,也與點亮時間和時間間隔的比例有關 ,當 LED顯示器工作于動態(tài)顯示驅動方式時 ,通常把不同數位的同名筆段互連起來 ,共用一個顯示驅動器。每一個數位上的字符顯示都需要靠筆 段字形驅動和數位驅動相結合 ,如果需要在不同數位上顯示不同的字符 ,可以依次傳送需要顯示字符筆段的字形碼 ,接著選通相應數位顯示該位字符 ,利用人眼的視覺暫留現象 ,只要掃描間隔時間恰當 ,就會感覺到不同數位上在同時穩(wěn)定地顯示不同的字符。 動態(tài)顯示驅動方式的優(yōu)點是引線少 ,結構簡單 ,硬件成本相對較低。其缺點是需要不斷刷新 ,當采用軟件掃描時 ,占用 CPU 的時間較多 ,當采用硬件掃描時 ,又會增加硬件成本 ,LED 顯示數位越多 ,顯示亮度越低 ,若處理不好或數位太多將會引起顯示閃爍。 顯示板設計 單片機將采集的溫度信號轉化成顯示碼，傳送 到顯示板，經由移位寄存器 74HC595芯片控制共陽極 LED 數碼管顯示。 沈陽理工大學學士學位論文 17 數據輸出同步脈沖串行時鐘數據輸入同步脈沖串行時鐘74 HC 595 74 HC 595 74 HC 595符號位 數碼管 1 數碼管 2 數碼管 3其中 7 位控制數碼管 11 位控制符號位8 位控制數碼管 2有小數點8 位控制數碼管 3有小數點圖 1.9 顯示板設計 1.2.6 時鐘芯片 DS1302 DS1302是美國 DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能，工作電壓寬達 2.5 5.5V。采用三線接口與 CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或 RAM數據。 DS1302內部有一個 318的用于臨時性存放數據的 RAM寄存器。 DS1302是 DS1202的升級產品，與 DS1202兼容，但增加了主電源后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。 DS1302共有 12個寄存器，其中有 7個寄存器與日歷、時鐘相關，存放的數據位為 BCD 碼形式。此外， DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與 RAM相關的寄存器等。時鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內容。 DS1302 與 RAM 相關的寄存器分為兩類，一類是單個 RAM單元，共 31個，每個單元組態(tài)為一個 8位的字節(jié)，其命令控制字為 COHFDH，其中奇數為讀操作，偶數為寫操作；再一類為突發(fā)方式下的 RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的 RAM 的31 個字節(jié)，命令控制字為 FEH（寫）、 FFH（讀）。 DS1302在測量系統(tǒng)中的硬件電路如圖， DS1302與 CPU的連接僅需要三條線，即沈陽理工大學學士學位論文 18 SCLK（ 7）、 I/O(6）、 RST（ 5）。 Vcc2在單電源與電池供電的系統(tǒng)中提供低電源并提供低功率的電池備份。 Vcc在雙電源系統(tǒng)中提供主電源，在這種運用方式下 B1連接到備份電源，以便在沒有主電源的情況下能保存時間信息以及數據。 DS1302由 B1或 Vcc兩者中的 較大者供電。當 Vcc大于 B1+0.2V時， Vcc給 DS1302供電。當 Vcc小于 B1時 ， DS1302由B1供電。 圖 1.10 DS1302 的電路設計 DS1302在應用中注意的幾個問題： 1 DS1302每次上電時自動處于暫停狀態(tài)，必須將秒寄存器的 D7位改置為 0始終電路才開始記時工作。 2 解除寫保護寄存器的禁止狀態(tài)，使之內容為 00。 3 用多字節(jié)模式對時鐘 /日歷寄存器進行寫操作時要求必須寫滿 8個數據否則無效。 4 當 /RST被驅動到 1態(tài)時， SCLK必須保護在 0電平。 5 在元件的上電過程中，在電源電壓達到 2.5 之前， /RST 必須保持低電平，這可通過單片機先上電， DS1302 后上電的次序或其他附加電路解決。 1.2.7 存儲芯片 93C46 93C46 是一種存儲器 ,可以定義為 16 位 ORG 引腳接 Vcc，或者定義為 8 位 ORG 引腳接 GND 的 1K 位的串行 E2PROM，每一個的存儲器都可以通過 DI 引腳或 DO 引腳進行寫入或讀出，每一片 93C46 都是采用先進的 CMOS E2PROM 浮動門工藝加工器件。可以經受 1,000,000 次的寫入 /擦除操作，片內數據保存壽命達到 100 年，器件可提供的沈陽理工大學學士學位論文 19 封裝有 DIP-8 ， SOIC-8 ， TSSOP-8。 器件特性： 高速度操作； 93C46 1MHz； 低功耗工藝； 電源電壓寬 1.8 伏到 6.0 伏； 存儲器可選擇 8 位或者 16 位結構； 寫入時自動清除存儲器內容； 硬件和軟件寫保護； 慢上電寫保護； 1,000,000 次寫入 /擦除周期； 100 年數據保存壽命； 商業(yè)級工業(yè)級和汽車級溫度范圍； 圖 1.11 93C46引腳圖 說明當注意： ORG 接 Vcc 時存儲器為 16 位結構 ,當 ORG 接 GND 是存儲器為 8 位結構 ；當 ORG引腳懸空時內部的上拉電阻把存儲器選擇為 16 位結構。 沈陽理工大學學士學位論文 20 圖 1.12 93C46 管腳說明 沈陽理工大學學士學位論文 21 第 2 章 軟件設計 2.1 軟件開發(fā)平臺及 C 介紹 KEIL51 是德國 KEIL公司開發(fā)的單片機 C 語言編譯器，其前身是 FRANKLIN C51，現在的最新版本 V7 功能已經相當不錯，特別是兼容 ANSI C 后又增加很多與硬件密切相關的編譯特性，使得在 8051 系列單片機上開發(fā)應用 程序更為方便和快捷。 u Vision2是一種集成化的文件管理編譯環(huán)境，本設計使用的編譯環(huán)境 KEIL51， 集成了文件編輯處理、編譯鏈接、項目管理、窗口、工具管理和軟件仿真調試等多種功能，是相當大的C51 開發(fā)工具。 在 KEIL 的仿真功能中，有兩種仿真模式：軟件模擬方式和目標板調試方式。在軟件模擬方式下，不需要任何 8051 單片機硬件即可完成用戶程序仿真調試，極大地提高了用戶程序開發(fā)效率。在目標板調試方式下，用戶可以將程序裝到自己的8051 單 片機系統(tǒng)版上，利用 8051 的串口與 PC 機進行通信來實現用戶程序的實時在線仿真 。 6 在國內，匯編語言仍然是比較流行的開發(fā)工具。長期以來對編譯效率的偏見，以及不少程序員對使用匯編開發(fā)硬件系統(tǒng)的習慣性，使 C 語言在不少地方遭到冷落。誠然，優(yōu)秀程序員寫出的匯編語言程序的確有執(zhí)行效率高的優(yōu)點，但其可移植性和可讀性差，使其開發(fā)出來的產品在維護和功能升級方面都有極大的困難，從而導致整個系統(tǒng)的可靠性和可維護性也比較差。而使用 C 語言進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，有著匯編語言編程所不、可比擬的優(yōu)勢 1 編程調試靈活方便 C 語言編程靈活，同時，當前幾乎所有嵌入式系統(tǒng)都有相應的 C 語言級別的仿真調試系統(tǒng)，調試十 分方便。 生成的代碼編譯效率高 當前較好的 C 語言編譯系統(tǒng)編譯出來的代碼效率只比直接使用匯編低 20%如果使用優(yōu)化編譯選項甚至可以更低。 2 模塊化開發(fā) 目前的軟硬件開發(fā)都向模塊化、可復用性的目標集中。不管是硬件還是軟件，都希望其有比較通用的接口在以后的開發(fā)中如果需要實現相同或者相近的功能，就可以直接使用以前開發(fā)過的模塊，盡量不做或者少做改動，以減少重復勞動。如果使用 C 語言開沈陽理工大學學士學位論文 22 發(fā)，數據交換可方便地通過約定實現，有利于多人協同進行大項目的合作開發(fā)。同時，C 語言的模塊化開發(fā)方式使開發(fā)出來的程序模塊可不經修改，直接被 其他項目所用，這樣就可以很好地利用已有的大量 C 程序資源與豐富的庫函數，從而最大程度地實現資源共享。 3 可移植性好 由于不同系列的嵌入式系統(tǒng)的 C 語言編譯工具都是以 ANSI-C 作為基礎進行開發(fā)的，因此，一種 C 語言環(huán)境下所編寫的 C 語言程序，只需將部分與硬件相關的地方和編譯連接的參數進行適當修改，就可方便移植到另外一種系列上，例如 ， C51 下編寫的程序通過改寫頭文件以及少量的程序行，就可方便移植到 196 或 PIC 系列上。也就是說，基于 C 語言環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)能基本達到平臺的無關性。 C 語言允許直接訪問物理地址，可以 直接對硬件進行操作因此既具有高級語言的 功能，又具有低級語言的許多功能，能夠 像 匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作 ,而這三者是計算機最基本的工作單元，可以用來寫系統(tǒng)軟件。 4 便于項目維護管理 用 C 語言開發(fā)的代碼便于開發(fā)小組計劃項目、靈活管理、分工合作以及后期維護，基本上可以杜絕因開發(fā)人員變化而給項目進度、后期維護或升級所帶來的影響。從而保證