毕业设计（论文）-基于RS-485总线的模拟量输出模块设计.pdf

嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 1 基于基于 rs-485 总线的模拟量输出模块设计总线的模拟量输出模块设计 摘摘 要要 现代社会中，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 rs-485 串行总线标 准。rs-485 是现在流行的一种布网方式，是在 rs-422 的基础上发展起来的。本设计根 据 rs-485 总线在生产实际中应用越来越广泛的现实， 设计出了一个基于 rs-485 总线的 模拟量输出模块。 本设计对数模转换电路进行了详细的讨论，提出了一个按 4 路、12 位精度选择串行 d/a 转换器的方案，结合 rs-485 通信电路的传输和显示电路的直观监控，以单片机为 硬件平台设计出了模拟量输出模块。在设计中主要介绍了可编程双路 12 位数模转换器 tlc5618 的原理及技术特点,并对其与单片机接口及应用需要注意的事项做了说明。另 外设计还在第 3 章对设计的基础部分rs-485 通讯电路，做了详细的讨论，选择的 sp485r 芯片不仅能满足设计要求的 128 个节点，更是达到了 400 个节点，本部分还对 如何保证系统通信的可靠性做出了具体的解释。 设计以 atmel 公司生产的 at89s52 单 片机作为主控制器，从而保证了系统核心单元的可靠性。设计中的显示电路不仅直观的 显示了系统的输出，而且还可以通过单片机的输出数据保证系统的正常运行。 本文所设计的系统表现出了良好的性能，整个系统比较直观且容易完成，能满足一 般模拟量的输出。证明该模拟量输出系统具有硬件简单、体积小、性价比高的优点，并 可以投入实际应用。 关键词关键词：模拟量；单片机；数模转换；rs-485 总线 。 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 2 design of analog signal output module based on rs-485 bus abstract in modern society, when the communications distance is required from dozens of meters to over 1000 meters, rs-485 serial bus standards will be widely used. rs-485 is now a popular network-laying style which is developed on the basis of the rs-422. in the light of the fact that rs-485 bus is becoming more and more widespread in practical production, this design works out an analog output module which is based on the rs-485 bus. this design makes a detailed discussion on digital-to-analog conversion circuitry and raises the scheme of choosing serial d / a converters by 4 lines, 12 precision. combined with the transmission of rs-485 communication circuit and the visual surveillance of display circuit, it works out the analog output modules on scm hardware platform. this design mainly introduces the principle and technical features of programmable dual 12-bit digital to analog converter tlc5618 and also makes explanation about matters needing attention of its interface with the scm and application. in addition, this design also makes a detailed discussion about the basic part of the design rs-485 communication circuit in chapter 3. the selected sp485r chip not only meets the required 128 nodes of the design, but even reaches 400 nodes. this part makes specific explanation on how to maintain the reliability of communication. this design uses at89s52 scm which is produced by atmel corporation as the main controller, thus ensuring the reliability of the core modules of the system. the display circuit in the design not only shows the output of the system intuitively, but also can guarantee the normal operation through the scm system output data. this system designed by this essay shows a good performance. the entire system is relatively intuitive and easy to complete and can meet the general analog output. thus it proves that this analog output system has the advantages of simple hardware, small size and being cost-effective and it can be put into practical applications. keywords：analog signal；scm；digital-to-analog；rs-485 bus 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 3 目目 录录 引引 言言 7 第第 1 章章 绪论绪论 . 8 1.1 课题的背景及意义 8 1.2 课题研究的主要内容 9 1.3 课题的现状及发展趋势 9 第第 2 章章 方案论证方案论证 . 11 2.1 本课题研究主要内容 11 2.2 系统的硬件设计 11 2.3 方案论证. 12 第第 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 16 3.1 单片机系统 16 3.1.1 at89s52 单片机功能特性描述 . 16 3.1.2 at89s52 晶振连接电路 19 3.2 485 通信电路 20 3.2.1 rs-485 概述 . 20 3.2.2 sp485r 参数 22 3.2.3 常用 rs-485 收发器 . 23 3.2.4 sp485r 与 at89s52 的连接 23 3.2.5 设计中的注意之处 . 24 3.3 数摸转换电路 25 3.3.1 tlc5618 的概述 . 25 3.3.2 tlc5618 的特点、引脚排列及功能 25 3.3.3 tlc5618 的工作原理 . 26 3.3.4 tlc5618 与 at89s52 单片机的接口电路. 28 3.3.5 低压基准电源 . 29 3.4 看门狗复位电路 . 30 3.4.1 引脚介绍 30 3.4.2 x5045 的工作原理 30 3.4.3 x5045 与 at89s52 单片机的连接电路 . 32 3.5 led 显示电路 33 3.5.1 概述 33 3.5.2 zlg7289b 的主要特性 33 3.5.3 zlg7289 的引脚图及其引脚功能说明 34 3.5.4 spi 串行接口 . 34 3.5.5 控制指令详解 35 3.6 电源 . 41 3.6.1 电路基本原理图 41 3.6.2 wr 系列电源的典型性能 41 3.6.3 wr24s5/1200，wr24s12/1200 的典型电路连接图 . 42 3.6.4 使用中应注意的其它问题 . 42 3.6.5 电源连接图 . 43 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 4 第第 4 章章 系统软件设计系统软件设计 44 结论与展望结论与展望 . 52 致致 谢谢 . 53 参考文献参考文献 . 54 附录附录 a 硬件部分连接图硬件部分连接图. 55 附录附录 b 英文文献及中文翻译英文文献及中文翻译 56 附录附录 c 文献摘录文献摘录 . 60 附录附录 d 软件程序清单软件程序清单 62 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 5 插图清单插图清单 图 2-1 系统硬件结构图 11 图 2-2 74ls164 引脚图 13 图 3-1 at89s52 的引脚图 17 图 3-2 内部振荡电路连接图 19 图 3-3 外部振荡电路连接图 20 图 3-4 rs-485 发送器的示意图 20 图 3-5 rs-485 接收器的示意图 21 图 3-6 sp485r 引脚框图 23 图 3-7 sp485r 与标准 rs-485 收发器性能比较 23 图 3-8 sp485r 直接连接电路 . 24 图 3-9 tlc5618 引脚排列 . 26 图 3-10 tlc5618 的内部结构框图 . 27 图 3-11 tlc5618 的时序图 . 28 图 3-12 tlc5618 与单片机 at89s52 的接口电路 28 图 3-13 mc1403 芯片的引脚图 29 图 3-15 x5045 与单片机的连接图 . 33 图 3-16 zlg7289b 引脚图（sop-28，dip-28） 34 图 3-17 zlg7289 与单片机 at89s52 的连接. 40 图 3-19 dc/dcwr 系列电路基本原理图 . 42 图 3-20 wr24s5/1200 的典型电路连接图 42 图 3-21 wr24s12/1200 的典型电路连接图 42 图 3-22 电源电路的连接 43 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 6 表格清单表格清单 表 2-1 74ls164 的真值表 . 13 表 3-1 p1 口引脚的第二功能 . 17 表 3-2 p3 口引脚的第二功能 . 18 表 3-3 tia/eia-485 串行通讯标准的性能表 . 21 表 3-4 sipex 公司常用 rs-485 收发器列表 . 23 表 3-5 tlc5618 引脚功能表 26 表 3-6 16 位移位寄存器的可编程控制位组成功能表 28 表 3-7 数据格式. 29 表 3-8 mc1403 基准电源的主要参数 . 29 表 3-9 x5045 的指令格式及其操作 31 表 3-10 状态寄存器的格式 31 表 3-11 受保护的 eeprom 陈列地址 . 31 表 3-12 看门狗的超时周期选择 . 32 表 3-13 wren 命令和/wp 引脚状态对状态寄存器的影响 32 表 3-14 zlg7289b 引脚功能 . 34 表 3-16 复位指令 35 表 3-17 测试指令 36 表 3-18 左移指令 36 表 3-19 数码管原来的显示 36 表 3-21 右移指令 36 表 3-22 循环左移指令 36 表 3-23 数码管原来的显示 36 表 3-24 移动后数码管的显示 36 表 3-25 循环右移指令 36 表 3-26 下载的数据按方式 0 进行译码 . 37 表 3-27 下载数据命令译码方式 0 37 表 3-28 下载数据按方式 1 进行译码的显示 . 37 表 3-29 下载数据命令译码方式 1 37 表 3-30 下载数据但不译码的指令格式 . 38 表 3-31 闪烁控制的指令格式 38 表 3-32 消隐控制的指令格式 38 表 3-33 段点亮指令 39 表 3-34 读键盘数据指令 39 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 7 引引 言言 本次毕业设计是一次实践性的设计： 基于 rs-485 总线的模拟量输出模块设计 。 现代社会中，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 rs-485 串行总线标准。 rs-485 是现在流行的一种布网方式，是在 rs-422 的基础上发展起来的。其特点是 实施简单方便，能实现一点对多点的通信，通信距离远，数据传输速率适当及传输线 成本低。rs-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线 收发器具有高灵敏度， 能检测低至 200mv 的电压， 故传输信号能在千米以外得到恢复。 rs-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用 rs-485 可以联网构成 分布式系统，其允许最多并联 32 台驱动器和 32 台接收器。因此 rs-485 总线在现实生 活中的应用越来越广泛。 本次毕业设计的难点和重点是用可编程双通道 12 位 d/a 转换器 tlc5618 把数字量 转换为模拟量然后输出。设计对模拟量（05v）输出接口电路设计的要求是：按 4 路、 12 位精度选择串行 d/a 转换器， 还应考虑电源的隔离、 信号的隔离问题等。 而 tlc5618 正是带有缓冲基准输入的双路 12 位数模转换器，另外它的输出是双路的，因此用两片 tlc5618 芯片就可以达到设计的要求。本设计的特点就是以单片机为核心设计出低成 本、高精度的模拟量输出模块，相信这在以后的生产上将有一定的用途。 限于本人水平，本设计中肯定有许多的不足之处，恳请各位老师和同学批评指正。 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 8 第第 1 章章 绪论绪论 rs-485 是在 rs-422 的基础上发展起来的，能实现一点对多点的通信，具有通信距 离远、数据传输速率适当以及传输线成本低等特性，使得其在工业控制及测量领域中得 到广泛。本课题的目的是了解 rs-485 总线的传输特性，研究其硬件构成、软件设计以 及基于 rs-485 总线的模拟量控制模块设计。通过本课题的研究，建立一种基于 rs-485 总线的单片机测控系统的模拟量控制模块的基本硬件架构和软件模式。 1.1 课题的背景及意义 随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，现在一个系统往往由多台计算机组 成，需要解决多站、远距离通信的问题。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采 用 rs-485 收发器。rs-485 收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的 能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达 200mv 的电压，故传输信号能在千米 以外得到恢复。使用 rs-485 总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统。 设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到了广泛的应用。rs-485 是现 在流行的一种布网方式，是在 rs-422 的基础上发展起来的。rs-485 采用半双工工作方 式， 任何时候只能有一点处于发送状态， 因此， 发送电路须由使能信号加以控制。 rs-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用 rs-485 可以联网构成分布式系 统， 其允许最多并联 32 台驱动器和 32 台接收器。 因此这次的毕业设计是有现实意义的。 在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数 字通信。在 rs-422 标准的基础上，eia 研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵 敏度的 rs-485 总线标准。 rs-485 标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要 求： 接收器的输入电阻 rin12k 驱动器能输出 7v 的共模电压 输入端的电容50pf 在节点数为 32 个，配置了 120 的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压 1.5v（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关） 接收器的输入灵敏度为 200mv（即（v+）-（v-）0.2v，表示信号“0“； （v+）- （v-）-0.2v，表示信号“1“） 因为 rs-485 的远距离、 多节点 （32 个） 以及传输线成本低的特性， 使得 eia rs-485 成为工业应用中数据传输的首选标准。 在生活和生产的各个领域中，有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现。单 片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高劳动效率，减轻劳动 强度，提高产品质量，改善劳动环境，减少能源和材料消耗，保证安全等。 单片机的应用意义绝不仅限于它的广泛范围以及所带来的经济效益上，更重要的意 义还在于：单片机的应用正从根本上改变着控制系统设计思想和设计方法。通常单片机 应用现场的环境比较恶劣，电磁干扰、电源波动、冲击震动、高低温等因素都会影响系 统工作的稳定。 此外， 外界的环境也会对单片机系统的稳定性和可靠性提出更高的要求, 所以稳定性和可靠性在单片机的应用中具有格外重要的意义。 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 9 在工业仪表日益向多功能化、智能化、小型化发展的今天，双通道 d/a 转换器 tlc5618 以其优势的性能越来越受青睐。该电路应用充分发挥了 tlc5618 性能特点， 大大降低了硬件成本，提高了产品的性能价格比。因此可编程双通道 d/a 转换器 tlc5618 是一种值得广泛推广应用的产品。 1.2 课题研究的主要内容 （1）模拟量输出模块电源的选择和设计。 （2）单片机基本系统、键盘、显示电路设计；使系统具有参数存储、实时显示、 修改设置参数等功能，尽量采用串行接口芯片。 （3）rs-485 接口电路设计；选择的接口芯片应具有允许连接 128 个收发器及以上 的负载能力，在设计电路时，应首先考虑通信的可靠性。 （4） 模拟量（05v） 输出接口电路设计；按 4 路、 12 位精度选择串行 d/a 转换器， 还应考虑电源的隔离、信号的隔离问题等。 （5）模拟量输出模块软件设计。 1.3 课题的现状及发展趋势 rs-485/modbus 是现在流行的一种布网方式，其特点是实施简单方便 ，而且现在 支持 rs-485 的仪表又特多，特别是在油品行业 rs485/modbus 简直是一统天下，现 在的仪表商也纷纷转而支持 rs-485/modbus，原因很简单，像原来的 hart 仪表想买 一个转换口非常困难而且价格昂贵，rs-485 的转换接口就便宜的多而且种类繁多。至 少在低端市场 rs-485/modbus 还将是最主要的组网方式，近几年内不会改变。 本设计还重要应用到了 tlc5618 d/a 转换器，它是带有缓冲基准输入的双路 12 位 数模转换器。文献指出 tlc5618 的特点是： 0.5lsb 的建立时间为 2.5ms 或 12.5ms 8 引脚封装内有两路 12 位 cmos 电压输出 dac daca 和 dacb 同时更新 3 线串行接口 高阻抗基准输入,范围 1vdd-1.1v 电压输出范围是基准输入电压的 2 倍 软件断电方式 1.21mhz 的输入数据更新速率 tlc5618 是美国 texasinstruments 公司生产的带有缓冲基准输入的可编程双路 12 位 数/模转换器。dac 输出电压范围为基准电压的两倍，且其输出是单调变化的。该器件 使用简单，用 5v 单电源工作，并包含上电复位功能以确保可重复启动。通过 cmos 兼 容的 3 线串行总线可对 tlc5618 实现数字控制。器件接收用于编程的 16 位字产生模拟 输出。数字输入端的特点是带有斯密特触发器，因而具有高的噪声抑制能力。 rs-485 网络采用直线拓朴结构，需要安装 2 个终端匹配电阻，其阻值要求等于传输 电缆的特性阻抗（一般取值为 120） 。在矩距离、或低波特率波数据传输时可不需终端 匹配电阻，即一般在 300 米以下、19200bps 不需终端匹配电阻。终端匹配电阻安装在 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 10 rs-485 传输网络的两个端点，并联连接在 a-b 引脚之间。 rs-485 标准通常被用作为一种相对经济、 具有相当高噪声抑制、 相对高的传输速率、 传输距离远、宽共模范围的通信平台。同时，rs-485 电路具有控制方便、成本低廉等 优点。 在过去的 20 年时间里， 建议性标准 rs-485 作为一种多点差分数据传输的电气规范， 被应用在许多不同的领域， 作为数据传输链路。 目前， 在我国应用的现场网络中， rs-485 半双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。 但是基于在 rs-485 总线上作业时刻只能存在一个主机的特点，它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元 之间。 发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研 究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对我国现 场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。现场总线技术是控制、 计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分广泛。自动化系统的网络化是发展的 大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。尽管 rs-485 不能称为 现场总线， 但是作为现场总线的鼻祖， 还有许多设备继续沿用这种通讯协议。 采用 rs-485 通讯具有设备简单、低成本等优势。因此在未来研究 rs-485 仍有着广阔的空间。 随着工业自动化程度的不断提高，在工业中使用的仪表日趋智能化、多功能化、小 型化，其硬件电路设计大多采用单片机微处理器为核心，再配以外围电路构成。由于部 分仪表需要把现场的模拟信号转换成单片机能够处理的数字信号输入， 再把单片机经数 据处理后得到的数字信号转换成模拟信号输出，因此，这些仪表的硬件电路设计需要同 时具有模数（a/d）转换和数模（d/a）转换两种功能。 在同时需要 d/a 和 a/d 转换功能的仪表中，可以用一片 a/d 转换器和一片 d/a 转 换器来分别实现 a/d 和 d/a 转换功能，但由于 a/d 和 d/a 转换器芯片的价格都较高， 仪表的成本也将较高。因此在工业仪表设计中可以采用可编程双通道 d/a 转换器 tlc5618 的一个通道实现 d/a 转换的同时，用它的另一个通道通过软件编程以逐次比 较方式来实现 a/d 功能。该应用方法具有以下特点： （1） 节省一片 a/d 转换器，降低了仪表成本； （2） tlc5618 体积小（8 引脚的小型 d 封装） ，便于小型化设计，减小印刷线路 板面积； （3） tlc5618 采用 3 线串行数据输入方式，占用 cpu 的 i/o 口线少，硬件搭接 简单，外围器件少，软件编程方便； （4）对于标准信号 15v 信号 tlc5618 的分辨率至少可达到 1.3mv，完全可满足 工业过程控制精度要求； （5） 通过软件编程以逐次比较方式来实现 a/d 转换建立时间约为 400s。 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 11 第第 2 章章 方案论证方案论证 本设计的重点是模拟量输出模块的设计，另外还包含了 485 通讯电路，显示电路， 复位电路，电源电路以及设计的核心单元单片机。在设计前要先对各部分电路需要用的 芯片进行选择。本章对如何选择芯片做出了具体的说明。 2.1 本课题研究主要内容 （1）模拟量输出模块电源的选择和设计（系统电源为+24v） 。 （2）单片机基本系统、键盘、显示电路设计；使系统具有参数存储、实时显示、修 改设置参数等功能，尽量采用串行接口芯片。 （3）rs-485 接口电路设计；选择的接口芯片应具有允许连接 128 个收发器及以上 的负载能力，在设计电路时，应首先考虑通信的可靠性。 （4）模拟量（05v）输出接口电路设计；按 4 路、12 位精度选择串行 d/a 转换器， 还应考虑电源的隔离、信号的隔离问题等。 （5）模拟量输出模块软件设计。 2.2 系统的硬件设计 本课题研究的是基于 rs-485 总线的模拟量输出模块，系统硬件结构如图 2-1 所示： 图 2-1 系统硬件结构图 系统主要有单片机系统，复位电路，数模转换电路，485 通讯电路，显示电路等几 部分组成。 主要完成的任务是把通过485通讯电路输入单片机的信号经过各电路的处理， 最后由数模转换电路转换成模拟量最终输出。 输出 输出 输出 输出 复位电路 485 通讯电路 d/a 转 换 地址选择 d/a 转 换 输出处理 输出处理 输出处理 输出处理 单片机 显示电路 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 12 2.3 方案论证 芯片的选择在系统的设计中十分的重要，它关系到整个系统的设计能否正常的完成 工作以及系统的安全性和可靠性。因此选芯片要注意以下两个问题，首先所选的芯片必 须能完成系统的需要，其次考虑的是芯片的性价比要最优。开始我设计了三套方案，经 过如下的论证淘汰了两种，下面做具体的介绍。 方案的主要的变动部分在单片机系统，数模转换电路，485 通讯电路以及显示电路。 所以只对以上 4 部分做出了具体的论述。 方案一： 单片机选择 at89c52，数模转换电路选用的芯片是 dac0832，485 通讯电路选用的 芯片是 max1843，电源电路用 wr 系列电源，复位电路选用芯片是 x5045。 at89c52 是美国 atmel 公司生产的低电压、高性能 cmos 八位单片机片内含 8k bytes 的可反复擦写的 flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存储数据存储器，器件 同样采用了 atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造。at89c52 的引脚图和 at89s52 的引脚图完全一致。 dac0832的微处理器是完全兼容,具有8 位分辨率的d/a转换集成芯片,具有价格低 廉,接口简单,转换控制容易等特点。dac0832 采用了二次缓冲输入数据方式（输入寄存 器及 dac 寄存器）。这样可以在输出的同时，采集下一个数字量，以提高转换速度。 还有就是它能够用于需要同时输出多个参数的模拟量系统中， 此时对应于每一种参数需 要一片 dac0832， 因而可构成多片 dac0832 同时输出模拟量的系统。 它的应用场合是， 如果只有一路模拟量输出,或虽是多路模拟量输出但并不要求输出同步的情况下,就可采 用单缓冲方式. max1483 可达到的数据传输速率为 250kbit/s， 为半双工通信方式。 是适用于 rs-422 和 rs-485 通信线路的低功率收发器，它的内部集成了一个驱动器和一个接受器。 max1483 采用单+5v 电源供电，电源电流为 120ua150ua，在低电流待机方式下的电 流仅为 0.1ua。max1483 的驱动器具有短路限流功能，并可以借助使驱动器输出端进 入高阻状态的热机电路防止功耗超限，其接受器输入端具有保险功能，若输入端开路， 可以确保逻辑高电平输出。它广泛应用于工业控制网络中，实现数据的长距离传输。 这种方案的弱点是，at89c52 提供的标准功能没有看门狗定时器而且只有一个数据 指针 dptr；dac0832 只有 8 位分辨率，但是设计的要求是 12 位分辨率，分辨率不能 得到保障，而且美国 atmel 公司已经停产了，这从客观上说明了它已经被淘汰； max1483 的应用范围主要是工业控制网络，实现数据的长距离传输；另外这一方案没 有显示电路，是一种“盲人”设计。 方案二： 单片机选择 at89s52，数模转换电路选用的芯片是 tlc5618，485 通讯电路选用的 芯片是 max485，显示电路选用的芯片是 74ls164，电源电路用 wr 系列电源，复位电 路选用芯片是 x5045。 at89s52 是一种低功耗、 高性能 cmos 八位微控制器， 具有 8k 在系统可编程 flash 存储器。使用 atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80c51 产品指令和 引脚完全兼容。片上 flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯 片上，拥有灵巧的八位 cpu 和在系统可编程 flash，使得 at89s52 为众多嵌入式控制应 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 13 用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 tlc5618 是带有缓冲基准输入的双路 12 位数模转换器,通过 cmos 兼容的 3 线串行 总线,可对 tlc5618 实现数字控制。 器件接收用于编程的 16 位字的前 4 位产生数据的传 送模式,后 12 位产生模拟输出。输出电压为基准电压的两倍,且单调变化。数字输入端带 有斯密特触发器,具有较高的噪声抑制能力。tlc5618 在 5v 电源下工作,功耗极低 ( 慢 速方式 3mw,快速方式 8mw ) ,并具有上电复位功能。可用于移动电话、测试仪表、自动 测试控制系统等领域。 max485 接口芯片是 maxim 公司的一种 rs485 芯片。采用单一电源+5 v 工作， 额定电流为 300 a，是半双工通讯方式。它完成将 ttl 电平转换为 rs485 电平的功 能。max485 芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。 74ls164 芯片的引脚如图 2-2 所示： 图 2-2 74ls164 引脚图 引脚功能如下： a 与 b串行数据输入， 每个输入可以作为另一个输入的高电平有效输入在使用时， 两个输入端必须相连，而不同输入端必须接高电平。 clk时钟信号，高电平有效。 /mr清零复位端，低电平有效。 q0q7数据输出端。 74ls164 的真值表为表 2-1 所示： 表 2-1 74ls164 的真值表 输入 输出 mr/ clk a b qa qb qc qd qe qf qg qh l x x x l l l l l l l l h l x x qa0 qb0 qc0 qd0 qe0 qf0 qg0 qh0 h h h h qan qbn qcn qdn qen qfn qgn h l x l qan qbn qcn qdn qen qfn qfn h x l l qan qbn qcn qdn qen qfn qfn 这种方案的特点是，at89s52 单片机符合设计的要求；tlc5618 芯片也完全符合设 计的要求，首先 tlc5618 芯片的分辨率是 12 位的，其次 tlc5618 芯片是双路的，那么 在设计中用 2 片 tlc5618 芯片就可以满足要求。max485 和 max1483 存在同样的问 题。 74ls164 芯片不能用键盘控制， 而且最多只能驱动 8 位。 而设计中要求用键盘控制， 所以 74ls164 芯片不能满足设计的要求。 q0 a q1 b q2 q3 q4 q5 clk q6 mr/ q7 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 14 方案三： 单片机系统用 at89s52，数模转换电路选用的芯片是 tlc5618，485 通讯电路选用 的芯片是 sp485r，显示电路选用的芯片是 zlg7289b，电源电路用 wr 系列电源，复 位电路选用芯片是 x5045。 方案二和方案三的不同之处在于 485 通讯电路选用的芯片和显示电路选用的芯片。 下面对这两点做详细介绍。 sp485r 芯片是由专业的通讯接口器件厂商 sipex 公司设计生产的高性能 rs-485 收 发器，能够替换通用的 rs-485 收发器，并在许多方面有所增强。sp485r 芯片与流行的 标准 rs-485 芯片管脚对应相同， 而且包含更高的 esd 保护和高接收器输入阻抗等性能。 接收器输入高阻抗可以使 400 个收发器接到同一条传输线上，又不会引起 rs-485 驱动 器信号的衰减。 zlg7289b 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫 描管理芯片，可直接驱动 8 位共阴式数码管（或 64 只独立 led） ，同时还可以扫描管理 多达 64 只按键。zlg7289b 内部含有显示译码器，可直接接受 bcd 码或 16 进制码， 并同时具有 2 种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如消隐闪烁左移右移 段寻址等。zlg7289b 采用 spi 串行总线与微控制器接口，仅占用少数几根 i/o 口线。 利用片选信号，多片 zlg7289b 还可以并接在一起使用，能够方便地实现多于 8 位的显 示或多于 64 只按键的应用。 zlg7289b 可广泛地应用于仪器仪表，工业控制器，条形显示器，控制面板等领域。 这种方案的特点是，完全满足设计的要求。首先，sp485r 芯片比通用 rs-485 收发 器具有更低的功耗；同时，在同一个 rs-485 网络中，可以连接的 sp485r 芯片可以多 达 400 个。其次，zlg7289b 芯片可以满足设计中的按键要求。 下面介绍一下电源和复位电路的选择。 系统电源为+24v，这就要求只能选用 dc-dc 电源模块，又因为系统对电源的输出 要求有+12v 和+5v 两 路输 出， 因此 电源所 选用 的芯 片是 ： wr24s5/1200和 wr24s12/1200两片芯片。 x5045 是一种集看门狗、 电压监控和串行 eeprom 三种功能于一身的可编程电路。 这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。 x5045 中的看门狗对系统提供了保护功 能。 当系统发生故障而超过设置时间时， 电路中的看门狗将通过 reset 信号向 cpu 作 出反应。x5045 提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保 护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电 压返回到稳定值为止。x5045 的存储器与 cpu 可通过串行通信方式接口，共有 4096 个 位，可以按 512 x 8 个字节来放置数据。 因此，x5045 能满足设计的要求。 总上所述，本设计的硬件电路芯片型号选择如下： 电源电路：wr24s5/1200 和 wr24s12/1200 单片机系统：at89s52 458 通信电路：sp485r 数模转换电路：tlc5618 复位电路：x5045 显示电路：zlg7289b 经过方案论证，系统各硬件电路芯片的选择已达到最优，相信用上面的芯片完成的 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 15 系统设计会完全满足设计的要求。下一章是对以上各单元电路的详细阐述，以求使读者 对本设计论文一看就清楚、明白。 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 16 第第 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 本系统的硬件结构主要由单片机系统、485 通信电路、数摸转换电路、led 显示电 路、看门狗电路、电源电路等六部分组成。所要完成的任务是外部信号经过 485 通信电 路处理送到单片机的存储单元， 经过单片机处理输出的数字信号再经过数模转换电路转 化为模拟量最终输出。 由于硬件部分是整个设计的躯体部分， 因此要十分的具体和详细， 尽量做到清楚和明了。下面对以上六部分进行逐一介绍。 3.1 单片机系统 单片机系统主要组成部分是 at89s52 单片机，单片机是本设计的核心部分，它是整 个系统能够正常运行的控制中心。外部信号通过 485 通讯电路传输过来，送至单片机内 部存储单元进行数据处理，经过单片机的分析处理输出信号，最后把单片机中输出的数 字量经过 d/a 转换电路转换成模拟量，然后由显示电路输出。 3.1.1 at89s52 单片机功能特性描述 at89s52 是一种低功耗、 高性能 cmos 八位微控制器， 具有 8k 在系统可编程 flash 存储器，使用 atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80c51 产品指令和 引脚完全兼容。片上 flash 允许 rom 在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上， 拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活 的解决方案。 其主要特性为： 与 mcs-51 单片机产品兼容； 8k 字节在系统可编程 flash 存储器； 1000 次擦写周期； 全静态操作：0hz33hz； 三级加密程序存储器； 32 个可编程 i/o 口线； 三个 16 位定时器/计数器； 八个中断源； 全双工 uart 串行通道； 低功耗空闲和掉电模式； 掉电后中断可唤醒； 看门狗定时器； 双数据指针； 掉电标识符。 at89s52 芯片的引脚图见图 3-1。 vcc：电源 vss：地 p0 口：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。 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 17 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。 图 3-1 at89s52 的引脚图 p1 口：具有内部上拉电阻的 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）和定时器/计数器 2 的触发输 入（p1.1/t2ex） ，具体如表 3-1 所示。在 flash 编程和校验时，p1 口接收低 8 位地址字 节。 表 3-1 p1 口引脚的第二功能 引脚号 第二功能 p1.0 t2（定时器/计数器 t2 的外部计数输入） ，时钟输出 p1.1 t2ex（定时器/计数器 t2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） p1.5 mosi（在系统编程用） p1.6 miso（在系统编程用） p1.7 sck（在系统编程用） p2 口：具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动四个 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。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） 。在方位外部 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 3.0/rxd 10 3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal1 18 xtal2 19 vss 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale 30 ea 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。 18 程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时，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。 p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动四 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。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） 。 p3 口亦作为 at89s52 特殊功能（第二功能）使用，如表 3-2 所示。在 flash 编程和 校验时，p3 口也接收一些控制信号。 表 3-2 p3 口引脚的第二功能 引脚号 第二功能 p3.0 rxd（串行输入） p3.1 txd（串行输出） p3.2 0int（外部中断 0） p3.3 1int（外部中断 1） p3.4 t0（定时器 0 外部输入） p3.5 t1（定时器 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） rst：复位输入。晶振工作时，rst 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。 看门狗计时完成后， rst 脚输出 96 个晶振周期的高电平。 特殊寄存器 auxr （地址 8eh） 上的 disrto 位可以使此功能无效。disrto 默认状态下，复位高电平有效。 ale/prog：控制信号（ale）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输 出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（prog）也用作编程输入脉冲。 在一般情况下，ale 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时 器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时， ale 脉冲将会跳过。 如果需要，通过将地址为 8eh 的 sfr 的第 0 位置“1”，ale 操作将无效。这一位置“1”， ale 仅在执行 movx 或 movc 指令时有效。否则，ale 将被微弱拉高。这个 ale 使 能标志位（地址为 8eh 的 sfr 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 psen： 外部程序存储器选通信号 （psen） 是外部程序存储器选通信号。 当 at89s52 从外部程序存储器执行外部代码时，psen在每个机器周期被激活两次，而在访问外部 数据存储器时，psen将不被激活。 ea