桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计论文Word格式文档下载.docx
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0v~5V,
分辨率:
大于等于8位;
开发上位机软件,实时监控。
1.2系统的总体设计
本系统以单片机AT89S52为核心,外接A/D转换器AD7862和MAX232电平转换电路,完成对一路模拟信号的A/D转换、模拟量采集和与上位机(PC)的数据通讯,由上位机对数据进行显示或处理。
单片机AT89S52内含8kB程序存储器FlashR0M,不必外部扩展;
支持在线编程(ISP),既可免除芯片的插拔,又可在现场对程序修改或升级;
带有全双工串行通讯口,经MAX232电平转换后可实现与上位机之间较远距离的数据通讯。
电路的总体设计框图如图1.1所示。
图1.1简易监控系统的总体设计图
其中,后台监控系统发出指令,选择工作模式,由单片机控制,进行数据采集,采集相应的模拟量,数据再分别经过A/D转换模块进行处理,处理之后上传至主控制器单片机,与此同时,将数据上传至后台监控系统级即上位机上显示。
系统中,后台监控系统只要完成人机交互的工作,单片机负责对其发出的指令进行翻译、执行,这就减小了主控制单片机的工作量,也利于系统的扩展(必要的时候,可以增加芯片),加强了对整个系统的控制力。
除此之外,也更好的达到人机交互的目的。
1.3方案论证
1.3.1微控制器的方案选择
常见的最小单片机系统芯片有:
8031、8051、AT89C51/52、AT89S51/52等。
而现在用AT89C51/52和AT89S52的系统设计的颇多。
方案一:
选用AT89C52。
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开发成本。
方案二:
选用AT89S52。
AT89S52具有如下特点:
40个引脚,8kBytesFlash片内程序存储器,256bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
综上所述,趋于AT89S52和AT89C51/52的价格几乎相同,而AT89C51已经停产,在市场不易买到,AT89S52却是在市场流行的型号,很容易买到。
而且AT89S52是AT89C51/52的增强型,功能更为强大。
因此,在最小单片机系统芯片的选择上,选择的是AT89S52更为贴切。
1.3.2A/D转换器的方案选择
采用TLC0831,TLC0831是TI公司推出的8位模数转换芯片,该芯片工作电压为5V,采用逐次逼近式转换结构,具有串行控制功能。
250kHz的频率下,转换时间约为32μs。
价格便宜,但是由于是串行输入,在传输过程中速度将比并行的慢,继而不考虑。
采用AD574,AD574是美国AD公司生产的12位高速逐次逼近型模/数变换器,片内自备时钟基准源,变换时间快(25μs),数字量输出具有三态缓冲器,有着广泛的应用场合,供电电源为±
15V,逻辑电源为+5V。
供电电源不时5V在电路设计时还要外界15V电源,比较繁琐,所以不选择。
方案三:
MC14433,MC14433是采用COMS工艺且具有零漂补偿的3(1/2)单片双积分式A/D转化器,电路需外加两个电路和两个电阻就能实现A/D转换功能。
其主要技术指标为:
转换速率(3~10)Hz,转换精度1LB,模拟电压范围0V~+-1.999V或0V~+-1.999mV,输入阻抗大于1000M欧姆。
测量电压过低,不选择。
方案四:
采用ADC0809,ADC0809是8路8位逐次比较式A/D转换器,它能分时地对8路模拟信号进行A/D转换,结果为8路二进制数据。
外部时钟频率CLOCK决定了A/D转换器的转换速率,当时钟信号为640KHz时,转换一次所需的时间约需要100μs时间。
方案五:
AD7862有4个模拟输人端,分成2个通道(A和B)进行测量。
其内部集成了两个同时工作的12位A/D转换器,两个同步跟踪/保持放大器分别与一个2选1电路连接,因此可以实现A、B两组通道(V。
、VA2和V、V)中任何一组的2路模拟输入同时采样。
从而在两个模拟输入上保持了信号的相关相位信息,对高噪声环境中的输入噪声抑制起到非常重要的作用。
综上所述,在考虑价格、转换精度、转换时间的基础上,选择ADC7862作为A/D转换器。
1.3.3通信接口部分的方案选择
采用RS-232-C通信接口。
RS232接口电平比较高,传输速率一般为9.6Kbps(波特率),通信距离一般在20m以内。
本设计的门禁系统传输的数据只有几个字节,RS—232完全足以满足传输的速度,而且其应用很成熟,成本很低。
采用USB通信接口。
USB即通用串行总线主要应用在PC领域的接口技术,USB版本经历了多年的发展,到现在已经发展为2.0版本。
USB具有传输速度快,使用方便,支持热插拔,连接灵活,独立供电等优点。
但是通信距离一般比较近,不满足系统对距离的要求。
综上所述,选择RS-232-C作为通信接口部分。
2系统硬件设计
硬件是一个系统的框架,在设计时必须对电路的整体功能和作用具有深入的了解之后,才能设计出符合实际,功能严谨的电路图。
如之前所述,本系统硬件包含主控制器、A/D转换模块、通信模块。
本章着重介绍了各个模块的工作原理,实施过程,和在电路设计之中遇到的问题以及解决方法。
根据之前优选的方案,设计AT89S52作为系统的主控制芯片,AD7862作为A/D转换器,MAX232则作为电平转换器,实现与上位机的通信。
2.1单片机最小系统
在介绍了简易监控系统等部分的芯片选择和介绍后,就进行具体的硬件设计分析。
设计的核心就是单片机的设计,首先要搭建单片机的最小系统,包括复位电路,时钟电路等。
2.1.1复位电路
常用的复位电路有上电复位和按钮电平复位,接法如图2.1复位电路所示。
(a)上电复位电路(b)按键复位电路
图2.1复位电路
图(a)为上电复位电路,它是利用电容充电来实现的。
在接电瞬间,RST端的电位与VCC相同,随着充电电流的减少,RST的电位逐渐下降。
只要保证RST为高电平的时间大于2个机器周期,便能正常复位。
图(b)为按键复位电路。
该电路除具有上电复位功能外,若要复位,只需按图(b)中的RET键,此时电源VCC经电阻R1、R2分压,在RST端产生一个复位高电平。
本系统采用的是按键复位电路。
如图2.2按键复位电路所示。
图2.2按键复位电路
2.1.2时钟电路
52单片机的时钟有两种方式,一种是片内时钟振荡方式,但需在18和19脚外接石英晶体和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30p。
另外一种是外部时钟方式,即将XTAL1接地,外部时钟信号从XTAL2脚输入。
时钟XTAL1脚,片内振荡电路的输入端;
时钟XTAL2脚,片内振荡电路的输出端。
在需要始终稳定的情况下使用内部振荡产生时钟,本系统采用片内时钟振荡方式。
如图2.3片内时钟振荡方式电路所示。
为了得到没有误差的波特率,则采用11.0592MHZ的晶振。
图2.3内时钟振荡方式电路
2.2单片机最小系统电路
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图2.4AT89S52外部封装图
2.2.1AT89S52主要特性
(1)与MCS-51单片机产品兼容
(2)8K字节在系统可编程Flash存储器
(3)1000次擦写周期
(4)全静态操作:
0Hz~33Hz
(5)三级加密程序存储器
(6)32个可编程I/O口线
(7)三个16位定时器/计数器
(8)八个中断源
(9)全双工UART串行通道
(10)低功耗空闲和掉电模式
(11)掉电后中断可唤醒
(12)看门狗定时器
(13)双数据指针
(14)掉电标识符
2.2.2片内并行I/O端口
(1)P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻.在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;
在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
(2)P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能:
P1.0T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
P1.5MOSI(在系统编程用)
P1.6MISO(在系统编程用)
P1.7SCK(在系统编程用)
(3)P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
(4)P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2INTO(外中断0)
P3.3INT1(外中断1)
P3.4TO(定时/计数器0)
P3.5T1(定时/计数器1)
P3.6WR(外部数据存储器写选通)
P3.7RD(外部数据存储器读选通)
此外,P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
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。
对FLASH存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲,在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许,欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
图2.5为单片机的处理单元电路。
单片机的串口发送管脚TXD和接收管脚RXD经过232芯片的电平转换通过9针插孔与PC机的I/O口直接相连就可以了。
单片机采用了最小系统,考虑到程序中的时序控制,在XTAL1和XTAL2脚接了11.0592MHZ的晶振,这样可以减小波特率的误差。
整个单片机的工作电压为5V,单片机控制模块是整个设计中最重要的模块,它支持和完成了整个系统的工作。
图2.5AT89S52单片机最小系统
2.3A/D转换部分
在数据采集及转换系统中,要从信号源中采集模拟信号,转换成数字形式,以便输入给上位机,这就要用到A/D转换器。
这需要考虑其运转速度、精度、价格。
基于本次毕业设计要求监控的电压范围:
0V~+24V或0V~+5V,分辨率:
大于或者等于8位,参考了一些芯片,决定选用AD7862作为转换器。
2.3.1AD7862芯片的主要特点及引脚
AD7862是AD公司推出的12位AD转换芯片,具有以下主要特点:
(1)4通道模拟输入,2路同时转换(内置2个可同时工作的12位集成AD转换器);
(2)4μs转换时间,250ksps采样速率;
(3)可选择模拟量输入范围:
±
10V(AD7862-10),±
5V(AD7862-3),0~2.5V(AD7862-2);
(4)高速12位并行总线输出;
(5)内部提供+2.5V参考电压或者由外部提供参考电压;
(6)单一电源+5V
AD7862的引脚封装如图2.6所示。
图2.6AD7862引脚图
AD7862内部集成两个可以同时工作的12位AD转换器,两个同步跟踪/保持放大器分别与一个2选1电路连接,因此可以实现AB两组通道(VA1、VA2与VB1、VB2)中任何一组的2路模拟输入同时采样。
模数转换器可以在4μs内完成转换。
图2.7为AD7862高速采样读取典型工作时序
图2.7AD7862高速采样读取典型工作时序
单片机是电路的核心,完成对AD7862工作模式、时序的控制和一路数据的读取,以及送数据到PC机所有的功能。
AD7862负责对输入的一路信号进行模数转化,通过内部的数据锁存器将转换后的数字信号保存好,等待单片机读取。
AD7862和单片机的连接如图2.8所示。
图2.8AD7862模数转换部分
2.4通信接口部分的设计
2.4.1MAX232芯片介绍
单片机和PC通信时需要进行电平转换,常用的是MAX232,MAX232A内部结构如图2.9所示具有双充电泵电压变化器。
把+5V变换成+-10V,作为充电器的电源,具有两路发送器及两路接收器,使用方便。
图2.9MAX232内部结构图
2.4.2关于RS232总线
RS232是异步串行通讯中应用广的标准接口。
RS232的最初制定是为了促进使用公共电话网络进行数据通讯。
RS232标准适用于DCE和DTE之间的串行二进制通讯。
最高数据速率为19.2Kb/s。
如果不增加其他设备,RS232标准的电缆长度最大为15m。
RS232使用的是负逻辑、要求高、低两信号有较大幅度,其负载为3~7k时,驱动器的电平:
逻辑0:
+15~+15V;
逻辑1:
-5~-15V;
接收器的输入检测电平为:
>
+3V;
逻辑1:
<
-3V。
系统采用MAX232进行电平转换。
MAX232与单片机的连接如图2.10所示
图2.10MAX232与同单片机的连接图
RS232信号在正负电平之间摆动,在发送数据时,发送端驱动器输出正电平在+5V到+15V之间,负电平在-5V到-l5V之间,当无数据传输时,线上为TTL电平,从开始传送数据到结束,线上电平从TTL电平到Rs232电平再返回TTL电平。
单片机与PC机通过串口进行通信,对于硬件来说,只需把单片机的串口发送管脚TXD和接收管脚RXD经过232芯片的电平转换通过9针插孔与PC机的I/O口直接相连就可以了。
单片机串口为TTL电平,PC机串口为232电平,故需要电平转换电路。
2.5电路板的制作
每次实训,基本都设计到电路板的制作,由于我们电子信息工程专业修过Protel这门课程,所以对于电路板的制作是比较简单的。
本次电路板的制作,也许是毕业之前最后的一次,所以我对这次非常珍惜,也正是因为本次毕设,才使我在踏入社会工作之前,更加深入了对电路板的制作过程。
2.5.1原理图设计
使用Protel进行电路板设计的第一步便是设计原理图,原理图决定了整个电路的基本功能,也是接下来生成网络表和设计印刷电路板的基础。
(1)在Protel99的初始界面下新建一个设计库,该数据库用来管理项目。
(2)进入设计库文件中的文件夹Document。
(3)在Document文件夹中新建原理图文件和印制板文件。
(4)打开原理图文件。
(5)添加原理图文件库。
(6)放置电路所需的各种元件,图件,网络标号等元器件。
(7)对原图元件进行布局,布线,构成一个完整的原理图。
(8)编辑和调整。
然后进行输出存档。
(9)打印或建立报表。
2.5.2PCB设计
用PCB系统设计PCB板分以下几个步骤:
(1)有关参数的设置。
这一步主要设定自动布参数、自动布线参数、板面参数等。
(2)PCB板尺寸设计。
在禁止布线层上,沿设计的PCB边画边框线,即指定自动布局的范围。
这一步为自动布局打基础。
同时,在上层板面(即元器件面)沿禁止布线层的边框图线放置铜线,这是PCB板最后成型所必须的。
(3)布局。
就是根据原理图上元器件之间的连接关系,并考虑电磁兼容性以及元器件的安装空间和散热等,总是将元器件放置在PCB电路板上适当的位置。
布局的好坏直接影响PCB板的电气性能和布局的功能,是PCB板设计过程中最费时、最繁琐的。
在本次设计中,采用的是手工布局,首先载入SCH生成的网络表,通过手工移动元器件PCB板上的排列位置实现布局。
移动元器件最好打开网络连接显示,这样能观察到相邻元器件连线的疏密。
(4)布线。
布线就是在元器件引脚之间放置覆铜连线的过程,这一过程可以通过手工完成,也可以自动进行。
在设计应用中把自动布线和手动布线相结合起来应用,在设计好布线参数,定义布线规则的基础上在加以手动调整。
根据板子的形状,为最少干扰,最好在板子的上下层进行覆铜。
注意:
在覆铜时的选项中不要忘记选择的网络为GND(地)。
布好PCB图,检查无误后,将PCB图打印到转印纸上,然后熨到电路板上,腐蚀,打孔。
熨板前,把铜板用砂纸去掉表面被氧化的部分。
腐蚀时,用三氯化铁加适量的开水配成三氯化铁溶液进行腐蚀,这样腐蚀会比较快,腐蚀完后用水把电路板清洗,接着便开始打孔,打完孔后,将其放在一边晾干。
同时,测量部分器件是否有损坏,等电路板晾干后,就要把器件按PCB图来安装好。
然后就可以开始焊接了。
焊接时要防止虚焊和未连接上,所以在焊好后,再用万用表测量元件和线路是否连接好。
检测完毕后,硬件电路板装配便完成了。
3系统软件设计
软件是整个系统的核心。
在保证硬件的设计正确性之后,软件的设计和调试就变成一个尤为关键的步骤。
软件应该采用分模块的设计调试方法,各个模块逐一调试,这样做的好处是不会相互干扰,以及条确保条理清晰。
系统总体设计流程如下图3.1所示
图3.1系统总体设计流程图
3.1系统编程语言和编程工具
在这次对软件程序的编程时,我采用的是Keil作为编程语言软件平台,采用的单片机的C语言,它符合ANSI标准。
设计的软件需要硬件配合以达到
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