远程自动抄表系统下位机的设计与实现毕业设计论文

摘 要近年来，社会与经济的开展越来越快，居民用水量的需求也相应增大，水表的数量随之增加，同时小区住户的居住环境质量和档次越来越高，住户对住宅环境，物业管理水平的要求也日益提高。传统的抄表方式存在许多弊端，如入户麻烦、管理费用过高、存在平安隐患等 ,不再适应现代物业管理的需求。如何既满足新形势下人民群众日益增长的用水需求，又可将供水本钱限制在供水企业能够承受的合理范围之内，是目前摆在各基层供水部门的一个崭新课题。该设计的控制核心是AT系列单片机AT89C52,用它来实现自动抄表系统的功能。该设计主要由五大局部构成，分别是：单片机控制系统数据采集模块A/D转换电路、数据显示电路及GPRS电路。控制系统是由AT89C52单片机组成的；数据采集局部是采用传感器将水流量信号转换成电压信号传输出来；A/D转换局部是由ADC0808构成，将模拟信号转换成数字信号，以便于单片机处理；数据显示局部由LCD1601来实现，用它来完成数据的显示；该设计采用MC52i连接GPRS网络来进行与上位机的通信。 该设计通过上位机对下位机发送指令，实现对现场流量数据的实时采集与处理。数据采集系统运行稳定，上位机能够准确接收到现场单片机采集的数据信息，具有一定的实用性。关键词：单片机；数据采集；A/D转换；数据显示ABSTRACTIn recent years, the increasingly rapid social and economic development , the demand for water consumption will also increase accordingly , increase the number of water meters , residential tenants living environment more and more high quality and grade of the tenants of the residential environment , property management level requirements are increasing . Traditional meter reading has many drawbacks , such as home trouble , excessive administrative costs , there are security risks , no longer adapted to the needs of the modern property management . How to meet the peoples growing demand for water in the new situation , but also to limit the cost of supplying water in the water supply companies can afford within reasonable limits , is currently placed in the grass-roots of the water sector a new topic .The design of the AT series microcontroller AT89C52 as the control core to realize the function of automatic meter reading system . The design is mainly controlled by the microcontroller system , data acquisition module , A/D conversion circuit , the data show and GPRS circuits of four major parts . data acquisition part is the water flow rate signal is converted into a voltage signal transmitted from sensor ; the A / D conversion section is constituted by ADC0808 , converts the analog signal into a digital signal , so that in the single-chip processing ; data the display section LCD1601 , use it to complete the data display ; this design uses MC52i GPRS network is connected to the communication with the host computer .The design through the host computer to the next machine to send instructions to achieve real-time on-site traffic data acquisition and processing . The data acquisition system is stable, the host computer can accurately received the data collected by the site microcontroller has a certain practicality .KeyWords: Microcontroller;Datacollection;A/D converter;Datashow目 录摘 要iABSTRACTii目 录iii1引言11远程抄表系统的开展现状2远程抄表系统的开展趋势232系统方案设计42.1系统总体设计方案比较与论证42.2数据采集局部52.3 A/D 转换局部6 A/D转换技术简介62.3.2 A/D转换器选用的原那么：72.3.3 A/D转换器选择方案72.4 单片机的选型82.5 GPRS局部82.6 数据显示局部103 系统硬件设计113.1 基于AT89C52的主控电路12.1 AT89C52芯片介绍123.1.2 AT89C52系统晶振电路153.1.3 AT89C52系统复位电路163.2 A/D转换系统的电路设计173.2.1 ADC0808芯片的内部逻辑结构183.2.2 ADC0808芯片的外部结构183.2.3 ADC0808芯片的使用说明203.2.4 A/D转换电路的设计203.3 液晶显示电路的设计213.4 基于MC52i的GPRS的设计263.5串行通信电路303.5.1 串行总线技术303.5.2 RS232C串行接口30MAX232314系统软件设计33 下位机开发软件介绍334.1.1 keil软件简介334.1.2 Keil软件调试功能344.1.3 proteus软件简介3536374.3.1 A/D转换子程序374.3.2 LCD1601显示子程序384.3.3 GPRS通讯模块设计395系统调试405.1 系统电路调试405.2 系统硬件调试425.3 上位机调试44结 论45致 谢46参考文献47附录 一48附录 二49附录 三50附录 四61附录 五641 引言1.1 抄表系统的研究背景当前，我国水、电、气的计量收费管理，主流采用的还是人工抄表方式。住宅区中每个住户家中的水表、电表、煤气表等计量表计，其安装位置各异，有些表如电表集中安装，有些表如水表却分散在住户家中，这样就给管理部门的抄表工作带来困难。逐户抄表要消耗很多人力和时间，且入户抄表很难一次完成。随着国内智能化系统的日益开展和完善，目前在大多数的高档住宅小区中都开始安装远程抄表系统。远程抄表的自动抄表系统是指利用传感技术、自动控制技术和计算机网络技术自动读取和处理城市居民用户的水、电、气表计数据，并将该信息加以综合处理的系统，抄表技术准确而便捷，不但能提高管理部门的工作效率，而且还适应现代用户。自动抄表技术最早于八十年代诞生于美国，1982年英国的THORNEMI系统利用公用 网实现了自动抄表，1985年日该九州电力公司试用电力输配电线载波、地线载涉及光缆通信应用于远方读表和检测表计误差的系统等。这些系统曾先后投入试运行。但由于投资较大，均仅用于用电大户、联网结算或局部住宅区的集中电能表数据的读取，1988年美国弗吉尼亚电力公司为电能表抄表员装备了手持式微机，用户消耗的电能数据被一次性经键盘存入微机，完成统计与处理。1990年以后，AMR得到较快的开展，2000年度，美国有2840万自动抄表设备单元应用。后来自动抄表系统在世界各地得到迅猛开展。由于国外对集中抄表技术的研究起步较早，且比较深入，从标准的制定到抄表专用芯片的生产都比较成熟，多种集中抄表技术得到了相对广泛的、成功的应用，在兴旺国家基该上都实现了远程集中抄表。我国自动抄表起步于上世纪九十年代中期，主要方式为低压电力载波自动抄表系统和智能卡预付费系统。只处在起步试用阶段，在使用不长的时间内，就发现存在很多的问题。近几年，随着电子技术特别是通信技术的飞速开展，人们开始用新的理念，新的方法来解决自动抄表问题。GPRS远程抄表系统由位于水力部门的供水中心和位于住宅区的水表数据采集点组成，利用中国移动现有的GPRS/GSM网络，水表数据通过中国移动的GPRS/GSM网络进行传输。在国家相关政策的推动下，民用水表智能化已是大势所趋。随着管理水平的不断提高、行业技术标准的不断成熟标准，国家加强对抄表设备监管力度和市场引导，将抄表系统及相关配套产品纳入重点计量器具范围，建立市场准入制度也将是必然。相信在不久的将来远程抄表系统将会得到不断完善并走向成熟。1.2 远程抄表系统的开展现状就国内外现阶段的研究状况而言，主要是从采集和传输两个方面为重点进行的。目前，自动抄表方式主要有：485总线、无线、红外、普通电力载波、扩频电力载波、零相超窄带TURTLE及超窄带极低频UNB等。在国内，远程自动抄表系统的研究正处于理论转化为实际应用的关键时期，同时也在积极开展讨论制定我国的?远程自动抄表系统国家标准?的工作 。远程抄表系统的开展已有十多年的历史，许多住宅区已经实现一户一表，但实际效果却差强人意，许多已安装自动抄表系统的楼盘由于抄表计量不准确最后不得不返回到人工抄表的老路上来，虽然产生这种现象的因素是多方面的，但仔细分析，根据目前表具的生产原理出现这种情况是必然的，所以在远程自动抄表系统方面，国内还有很长的路要走。1.3 远程抄表系统的开展趋势通过霍尔传感器实现远传的系统，其可靠性取决于脉冲发信表发信脉冲信号传输以及系统计量的可靠性。事实证明，这些环节的可靠性是无法保证的，使用中常会存在许多弊端。抄表系统要到达可靠准确运行的要求，计量的准确性和可靠性是必须要解决的问题，而要真正解决准确性及可靠性问题，就必须改变以脉冲信号累计为计量方式的抄表方式。近年来市场上推出了无源总线制的智能型直读表抄表系统，这种直读式抄表系统将代表了今后抄表系统的一个方向。智能型直读表是在传统的表具内加装直接读表的模块，其可行性和适用性都是原有脉冲表及分线型抄表系统不可比较的，主要有以下功能特点：1无源总线制直读表直接感应表具的窗口值，即直接“读取窗口值，不需要脉冲转换累计换算，没有累计误差。解决了目前以累计脉冲方式工作的系统易受干扰而导致读数和系统累计计量值不一致的问题。2系统在抄表时不需设置表底数表常数等参数，无需存储数据，真正实现了“读表计量。3直读表具内的电子模块与表具内的计读器等装置没有机械接触，不影响计量精度。直接传送数字信号而非脉冲信号，抗干扰性好。不仅不受机械振动影响，同时也不受电磁干扰的影响，所以在复杂的使用环境下能稳定准确可靠地实现计量。4表具内没有电源，直读装置在抄表瞬间加电工作。表具的电子局部平时不工作，读表瞬间由采集器或手持终端通过布线供电。由于内部不设电源防止了传统方式由于供电不稳定或故障引起的计量误差及大量的维护工作。使得整机故障率和功耗大大降低，使用寿命更长。1.4 该文的结构第一章主要介绍了抄表系统的研究背景、开展现状和开展趋势；第二章论证了系统方案，对各个模块进行优缺点的分析比较；第三章通过对所用芯片的介绍以及对电路功能的分析，对系统硬件进行了描述，给出了单片机的控制方案；第四章介绍了系统软件流程；第五章介绍了系统的调试；结论局部总结了整个设计，归纳了存在的问题和进一步研究的方向；致谢局部表达了对完成该论文有过帮助的同学和老师的感谢；最后的局部是参考文献和附录。2 系统方案设计2.1 系统总体设计方案比较与论证按照该设计的根本要求与任务，系统共包括五大模块，分别是：数据采集模块A/D转换模块单片机控制模块数据显示模块及GPRS通信模块。针对各个模块实现的功能来设计自动抄表系统，主要有两种可实施方案：方案一 GSM方案系统结构框图如下列图所示：传感器A/D转换单片机GSMLCD显示；图2-1 GSM传输方案此方案利用GSM把通过霍尔传感器收集到的信息以短信的方式发给上位机，众所周知，GSM是全球移动通讯系统Global System for Mobile Communications的简称，是当前应用最为广泛的移动 标准。GSM只能使用SMS(短信)形式传送数据，不能做到“实时在线、“按量计费。用户发出的短消息首先被发送到短信息中心的效劳器中，然后短信中心的效劳器对所收到的短消息进行排队处理，按顺序再发送给相应的接收用户终端，如果接收用户关机或超出效劳区不能正常通信时，那么该条短消息进行一定的延时后重新发送，这样有可能会造成后发的短消息先到的情况。此外短消息中心效劳器为每一个用户开设的缓存区一般较为有限，约1525条，当接收缓存区存满而接收用户还不能正常通信时，将不再接收新的短消息，即发生短消息拥塞，造成短消息丧失。短消息在短消息中心效劳器中保存的时间也有一定的期限，一般为一天左右。为了保证监测站与中心管理机的数据交换，一定要使接收机与网络处于可靠的通信状态。方案二 GPRS方案系统结构框图如下列图所示传感器A/D转换单片机GPRS数码管显示；图2-2 GPRS传输方案此方案通过GPRS直接把数据传给有公网IP的上位机。GPRS是通用分组无线业务General Packet Radio Service的简称。GPRS分组交换技术是在GSM系统根底上开展起来的分组数据承载和传输业务，其具有“接入速度快和“实时在线的特点，而且由于数据经过通信中心时采用了独特的加密压缩算法，从而减少了信息流量，保障了系统的平安可靠性。对于电路交换模式的GSM系统而言，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将单独占有相应无线信道；对于分组交换模式的GPRS，用户只有在发送或接收数据期间才占用信道资源。相对于分组交换的技术特点，GPRS用户是通过通信的数据流量进行计费的，其原那么是“得到多少、支付多少，所以没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也是不收费的。鉴于该次设计要测水流的流量，功能要求要能实时监控，所以选用能实时监控的GPRS方案。2.2 数据采集局部数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。在互联网行业快速开展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。该设计的数据采集局部由传感器来构成，通过传感器将非电量信号转换成电信号，这就是传感器的主要功能，也是数据采集的主要工作原理。现代科技的快速开展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。该设计最后采用的是中的YF-S201型传感器，该传感器主要由塑料阀体、水流转子组件和霍尔传感器组成。具有以下特点:(1)产品外观轻巧灵便，体积小，便于安装；2叶轮内部镶有不锈钢珠，较耐磨；3密封圈采用上下受力的结构不易漏水。2.3 A/D转换局部2.3.1 A/D转换技术简介随着数字技术，特别是信息技术的飞速开展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等)，要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号，而后经计算机分析，处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器(ADC)；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(DAC)。A/D和D/A转换结构图如下列图所示图2-3 A/D和D/A转换结构图2.3.2 A/D转换器选用的原那么1A/D 转换器的有关量程引脚。有些A/D 转换器可以提供两个输入引脚，不同量程范围的模拟量信号可从不同引脚输入；2是否加采样/保持器；3A/D 转换器的转换速率。不同类型的A/D 转换器的转换速率有很大差异。A/D转换器大体分为两种：逐次逼近型和积分行。逐次逼近型是中速A/D 转换器，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。积分型的转换速率相对较低，只能构成低速A/D 转换器，一般转换压力温度及流量等缓慢变化的模拟量时应用较多；4A/D 转换器的位数。A/D 转换器决定分辨率的上下。在系统中，A/D 转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上；5A/D 转换器具有的晶闸管现象。该现象是由于在正常使用时，A/D 转换器芯片的电流会骤增，时间一长必然烧坏芯片；6A/D 转换器的启动、结束转换。一般A/D 转换器可由外部CPU控制信号启动转换，转换结束后A/D 转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平来通知微处理器读取转换结果。2.3.3 A/D转换器选择方案方案一 双积分型A/D转换器，如：ICL7135ICL7109等。双积分型A/D转换器是间接型A/D转换器，其基该原理是：对未知的输入电压进行固定时间的积分，然后转向对标准电压进行反相积分至积分输出电压为零返回起始值，那么标准电压积分的时间正比于输入电压。输入电压越大，相应反向积分时间越长。双积分型A/D转换器具有精度高的优点，但是其输出端多不是二进制码，而是直接驱动数码管的，所以假设直接将其输出端接I/O接口会给软件设计带来极大的不便。方案二 逐次逼近型A/D转换器，如：ADC0808AD574等。逐次逼近型A/D转换，一般具有采样/保持功能。采样频率高、精度高、功耗低，直接接I/O口，软件设计方便，是理想的高速高精度省电型A/D转换器件。高精度逐次逼近型A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟，基于51系列单片机构成的系统设计时仅需要外接几个电阻电容。考虑到ADC0808采样速度快，配合流量传感器应用方便，价格低廉，可以降低设计本钱，所以该设计选用ADC作为最理想的A/D转换。2.4 单片机的选型单片机的选型是一件重要而费心的事情，如果单片机型号选择地适宜,单片机应用系统的工作就会可靠；如果选择地不适宜，就会造成经济浪费，影响单片机应用系统的正常运行，甚至根本就达不到预先设计的功能。对于一个已经设计好的单片机应用系统来说，它的技术要求和系统功能都应当十清楚确。如果选择功能过少的单片机，这个单片机应用系统就无法完成控制任务，但是如果选择的单片机功能过于强大，这不但没有必要，还会造成资源浪费，降低性价比。事实证明，只要掌握和运用单片机正确选型的原那么，就可以选择出最能适用于应用系统的单片机，保证单片机应用系统有最高的可靠性，最优的性价比，最长的使用寿命和最好的升级换代可能。对单片机选型，主要从单片机应用系统的技术性、实用性和开发性三方面来考虑：1技术性：从设计的功能要求和单片机的性能着手，选择最容易实现系统技术指标及容量适宜的单片机，并且尽可能实现高性能、低本钱；2实用性：要从单片机的供货渠道、信誉程序等角度出发，对单片机的生产厂家进行选择以保证单片机应用系统能够长期、可靠运行； 3研制周期：在短时间内要完成如此繁重的任务，必须要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。该设计考虑到AT89C52具有运转高速、低功耗、容量大、下载方便和价格廉价的特点，因此，该系统选用AT89C52单片机。2.5 GPRS局部GPRS只需要在GSM原有根底上增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行局部改造来实现分组交换，打破了GSM网只能提供电路交换的思维方式。对于这种改造的资金投入并不大，但得到的效果却相当可观。GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，具有永远在线，按量计费、快捷登录等特点。系统和上位机的通信采用GPRS相连的模式，因此系统需要使用GPRS模块，目前GPRS模块一般是指带有GPRS功能的GSM模块，可以利用GPRS网进行数据通信。为了简化微控制器的控制，硬件设计时不要使用全部的硬件握手信号，而只使用数据载波检测Data Carrier Detect，DCD和终端准备Data Terminal Ready， DTR信号。DCD信号可以检测GPRS模块是处于数据传送状态还是处于AT命令传送状态。DTR信号用来通知GPRS模块传送工作已经结束。 硬件连接完成后，在进行GPRS上网操作之前，首先要对GPRS模块进行一定的设置。主要的设置工作有： 设置通信波特率，可以使用AT+IPR=9600命令，把波特率设为9600b/s或其它适宜的波特率，默认的通信速度为9600b/s。 设置接入网关，通过AT+ CGDCONT=1， “IP， “CMNET命令设置GPRS接入网关为移动梦网。 设置移动终端的类别，通过AT+CGCLASS=“B设置移动终端的类别为B类，即同时监控多种业务；但只能运行一种业务，即在同一时间只能使用GPRS上网，或者使用GSM的语音通信。 测试GPRS效劳是否开通，使用AT+CGACT=1，1命令激活GPRS功能。如果返回OK，那么GPRS连接成功；如果返回ERROR，那么意味着GPRS失败。这时应检查一下SIM卡的GPRS业务是否已经开通，GPRS模块天线是否安装正确等问题。中国移动在GPRS与Internet网中间建立了许多相当于ISP的网关支持节点GGSN，以连接GPRS网与外部的Internet网。GPRS模块可以通过拨“*99*1#登录到GGSN上动态分配到Internet网的IP地址。其间GPRS模块与网关的通信要符合点对点协议Point to Point Protocol，PPP，其中身份验证时用户名密码都为空。使用PPP协议登录上之后，就可以通过GGSN接上Internet了。 该设计采用的GPRS模块西门子MC52i无线模块是一款两频段GSM/GPRS无线模块。它支持标准的AT指令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。在远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域都能看到MC52i模块在发挥作用，MC52i软件与硬件兼容TC35iMC39i，使用TC35i或MC39i的用户不用作任何更改就可以使用，以降低产品本钱。2.6 数据显示局部数据显示是将系统内部或外部存储器中的数据以可见或可读形式输出。该论文的系统的数据显示局部起初有两个方案，从各个方面比较这两个方案，最后选定一个方案。作为该设计的数据显示模块，两个方案如下：方案一 全部采用数码管显示，数码管能显示时钟、温度等一些简单信息。此方案显示直观，而且编程简单，但假设要显示其他信息那么需要大量的数码管，而且不能显示中文。由此增加了电路的复杂程度，也加大了编程的难度。方案二 采用可以设置显示数字、中文等的LCD，它具有低功耗可视面大画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。LCD显示器的工作原理：液晶显示器的主要材料是液态晶体。它在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场磁场光照度等外界条件变化而变化。因此，用液晶做成显示器件，就可以把上述外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。考虑到使用数码管比较麻烦，而且不方便，相比之下，LCD液晶显示比较适合该设计。因此，该设计选择了LCD1601。3 系统硬件设计根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可以分成以下几个局部：数据采集模块A/D转换模块单片机控制模块LCD显示模块及GPRS通信模块。系统硬件的结构框图如下所示：数据采集模块流量传感器 A/D转换模块A/D转换器 ADC0808单片机控制模块单片机AT89C52带有中文字库的LCD1601O西门子MC52iO数据显示模块通信模块图3-1 系统硬件结构框图3.1 基于AT89C52的主控电路3.1.1 AT89C52芯片介绍 AT89C52是一个低功耗、低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISPIn-system programmable的可反复擦写至少1000次的Flash只读程序存储器ROM，和256 bytes的随机存取数据存储器RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构, 芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。而且运转高速，低功耗，下载方便，价格廉价。因此，该系统选用AT89C52单片机。AT89C52功能如下表所示：表3-1 AT89C52功能AT89C52功能 兼容MCS-51指令系统 8k可反复擦写1000次ISP Flash ROM 32个双向I/O口 3个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-24MHz 全双工UART串行中断口线 256x8bit内部RAM 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 灵活的ISP字节和分页编程 双数据存放器指针 兼容MCS-51指令系统 8k可反复擦写1000次ISP Flash ROMPDIP封装的引脚图如下列图所示：图3-2 AT89C52的PDIP封装的引脚图引脚功能说明：VCC/GND：电源引脚/接地引脚； Part 0：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址低8 位和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。Part 1：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。端口置1时，通过内部上拉电阻将端口拉到高电平，可P1.1可以分别被用作定时器/计数器2的外部计数输入P1.0/T2和触发输入P1.1/T2EX；对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息；Part 2：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。端口置1时，通过内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。P2口在存取外部存储器时，可作为高位地址输出，内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。Part 3：P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。端口置1时，通过内部上拉8 电阻将端口拉到高电平，作输入用。P3引脚功能复用见下表：表3-2 P3引脚功能复用引脚功能P3.0 串行通讯输入RXD 串行通讯输出TXD 外部中断0 INT0 外部中断1INT1 P3.4 定时器0输入T0 定时器1输入T1P3.6 外部数据存储器写选通WR 外部数据存储器读选通RD RST：在振荡器运行时，有24个振荡周期两个机器周期以上的高电平出现在此管脚时，将使单片机复位。只要这个管脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后I/O口P0P3均置1，管脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能存放器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序；XTAL1XTAL2 ：XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2那么是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz至24MHz内选择，电容取30PF左右。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，可通过对特殊功能存放器SFR区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。访问外部存储器时，ALE地址锁存允许的输出用于锁存地址的低位字节，即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号此频率是振荡器频率的1/6，在访问外部数据存储器时，出现一个ALE脉冲； PSEN：该引脚是外部程序存储器的选通信号输出端。当AT89C52由外部程序存储器读取指令或常数时，每个机器周期输出2个脉冲，即两次有效。但访问外部数据存储器时，将不会有脉冲输出；EA/Vpp：外部访问允许端。当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。要使AT89C52只访问外部程序存储器地址为0000H-FFFFH， 这时该引脚必须保持低电平。图3-3 89C52电路原理图3.1.2 AT89C52系统晶振电路石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。晶振电路在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的上下分，其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上适宜的电容就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反应电路中就可以构成正弦波震荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振的作用在于产生原始的始终频率，一般的晶振电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果负载电容是15p，那么c1、c2各取30pf可得到其串联等效电容值15pf，并且使用瓷片电容为佳。晶振外形图如图3-4a所示，原理图如图3-4b所示： 图3-4a 晶振外形图 图3-4b 原理图3.1.3 AT89C52系统复位电路复位顾名思义就是恢复到最初原始位，也就是把存放器各种设计重新初始化。为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一局部，复位电路的第一功能是上电复位。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，那么CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上参加高电平图3-5a。一般采用的方法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，那么Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。AT89C52的上电复位电路图3-5b，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1uF。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电 容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间那么为10ms。在图2的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l态。如果系统在上电时得不到有效的复位，那么程序计数器PC将得不到一个适宜的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序 图3-5a 手动按钮复位图 图3-5b 上电复位电路图3.2 A/D转换系统的电路设计该设计采用ADC0808作为A/D转换器件，它是采样分辨率为8位的微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。其内部具有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。在该设计中，我们只需要用一路通道就可以了，所以将ADC0808的23、24、25引脚接地，直接选通ADC0808的0通道作为放大信号的输入，放大信号接入0808的IN0口进行A/D转换，从它的8个口输出给单片机再进行信号处理。另外ADC0808也有极限参数，具体内容如下表：表3-3 ADC0808极限参数电源电压Vcc贮存温度-65+150控制输入电压-0.3V15V功耗T=+25875mW其他输入和输出端电压抗静电强度400V引线焊接温度气相焊接60s：215；红外焊接(15s)：2203.2.1 ADC0808芯片的内部逻辑结构图3-6 ADC0808芯片的内部逻辑结构示意图由图3-6可知，ADC0808由一个8路模拟开关一个地址锁存与译码器一个比较器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。3.2.2 ADC0808芯片的外部结构ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，外部引脚图如下列图所示。图3-7 ADC0808芯片的引脚结构示意图IN0IN7：8路模拟量输入端； D0D7：8位数字量输出端；ABC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路；表3-4 地址对应通道图地 址选中通道A BC010101010011001100001111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效； START：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲至少100ns宽使其启动脉冲上升沿使0808复位，下降沿启动A/D转换； EOC：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平转换期间一直为低电平； OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能翻开输出三态门，输出数字量； CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ； REF+REF-：基准电压； VCC：电源，+5V； GND：地。另外，ADC0808的实物图如下所示。图3-8 ADC0808实物图3.2.3 ADC0808芯片的使用说明使用时，首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近存放器复位。下降沿启动，A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门翻开，转换结果的数字量输出到数据总线上。3.2.4 A/D转换电路的设计为了方便调试，在设计中参加了电位器，当ADC0808正常工作时，再接入传感器进行调试。由于ADC0808芯片对时钟频率有严格要求，所以需将单片机的ALE信号分频再传给ADC0808，该设计选用74LS74芯片内含两个D触发器对ALE信号进行分频。ADC0808芯片的8位数字量输出端直接接单片机的P1口，选用通道0作为模拟量输入端。图3-9 ADC0808电路原理图3.3 液晶显示电路的设计液晶显示器以其低功耗，小体积，显示内容丰富，超薄轻巧等优点在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越多的应用。在这里我们选用的是使用比较普遍的LCD1601。LCD1601是一种工业字符型液晶，能够同时显示16*01即16个字符16行1列，它价格低廉，功能强大，完全能满足该设计的要求。LCD1601的实物图如下所示。 图3-10 LCD1601实物图LCD1601的基该参数及引脚功能：LCD1601分为带背光和不带背光两种，基控制器大局部为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差异，两者尺寸差异如下列图3-11所示：图3-11 LCD1601尺寸图LCD1601主要技术参数：1显示容量：161个字符； 2芯片工作电压：4.55.5V；3工作电流：2.0mA5.0V； 4模块最正确工作电压：5.0V；5字符尺寸：2.954.35WHmm； 6点距离：；7点大小：；引脚功能说明：LCD1601采用标准的14脚无背光或16脚带背光接口，各引脚接口说明如表3-5所示：表3-5 引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3Vo液晶显示偏压信号11D4数据4RS数据/命令选择端12D5数据5R/W读/写选择端13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极LCD1601的指令说明及时序1601液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3-6所示：表3-6 控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容1601液晶模块的读写操作屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。说明：1为高电平0为低电平 指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平那么无效。 指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F： 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。 指令7：字符发生器RAM地址设置。 指令8：DDRAM地址设置。 指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令10：写数据。 指令11：读数据。与HD44780相兼容的芯片时序表如下：表3-7 基该操作时序表读状态输入RS=L，R/W=H，E=H输出D0D7=状态字写指令输入RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲输出无读数据输入RS=H，R/W=H，E=H输出D0D7=数据写数据输入RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲输出无读写操作时序如图3-12和3-13所示：图3-12 读操作时序图3-13 写操作时序LCD1601的RAM地址映射及标准字库表。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否那么此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图3-14是1602的内部显示地址。图3-14 1601LCD内部显示地址在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。硬件电路设计中，LCD0602显示电路原理图如下所示。图3-15 LCD1601显示电路原理图3.4 基于MC52i的GPRS的设计该设计采用西门子MC52i模块作为信息传送模块，MC52i无线模块是一款两频段GSM/GPRS无线模块。它支持标准的AT指令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，具有体积小、重量轻、低功耗的特点。分别如图3-16a、b和表3-8所示。 a b图3-16 MC52i的外形表3-8 MC52I主要参数工程属性内容综合指标通信频段双频 900/1800MHZ产品特点支持语音、短信、PUSH(基于客户端效劳器机制)、彩信MMS、 、GPRS高速上网、双拼全球G网适用、内嵌TCP/IP扩展功能来电显示呼叫转移呼叫等待呼叫保持支持STKSMS短信模式MT/MO支持文字及PDU、小区播送控制指令标准AT命令集控制数据特征GPRSCSDGPRS Class 10 内嵌TCP/IP：支持多链接，最高85.6 kbps译码方式CSD最大到达14.4 kbpsUSSD不透明模式支持 Group3Class1.0&CS 1，2，3，4输出功率模块输出功率GSM900 Class42W；GSM1800 Class11W电气特性输入电压睡眠电流消耗闲置电流消耗通话电流消耗300mA最高2.0 A掉电电流消耗100A模块主通信芯片 接口特性RS232通信接口内交叉式即2-TXD 3-RXD 5-G