毕业设计（论文）-矿山无线电子称多点通信系统设计.doc

目 录中文摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题的依据和意义11.1.1 信息化发展背景11.1.2 我国矿业发展现状和信息化需求21.1.3 矿山企业发展所提出的新需求21.2 本课题研究的主要内容52 系统原理和方案设计62.1 系统原理与功能分析62.1.1 矿山企业目前系统62.1.2 传统系统缺点分析72.1.3 矿山收费系统原理82.2 系统的结构和组成93 硬件电路的设计123.1 STC89C52简介123.1.1复位电路133.1.2 时钟电路143.2 传感器模块153.3 电源电路163.4 按键电路和指示灯173.5 测量部分放大及A/D转换电路173.5.1 方案选择173.5.2 AD620放大电路实现193.5.3 ADC0832简介203.6 LCD12864液晶显示模块223.7 无线模块243.7.1 无线收发芯片的选择243.7.2 PTR8000无线数据传输模块253.7.3 PTR8000芯片的产品特性263.7.4 PTR8000的工作过程293.8 串行通信304 软件设计334.1 软件设计中的问题35总 结38致 谢39参考文献40附录1系统程序41附录2 原理图48矿山无线电子称多点通信系统设计矿山无线电子称多点通信系统设计摘 要无线通信技术的迅猛发展，带动了一系列的先进技术广泛的应用于企业。本文考虑到矿山企业工作环境的复杂性，并且现有的收费管理方式不能满足其实际的要求，应用现代无线通讯技术，设计了一种远程无线矿山自动收费系统。该系统是基于单片机的设计，从功能上可以分为测重数据采集模块和无线数据收发模块。系统首先通过传感器完成对进出矿山运煤车辆测重信号的获取，并经过前置电路的处理，提供给无线数据传输模块。然后无线收发系统则以集成了射频收发器nRF905的无线收发模块 PTR8000 作为核心，将采集到的数据实时传输到 PC 上。关键词：无线通信，单片机, nRF905THE DESIGN OF WIRELESS ELECYTRONICSCALEMULTI-POINT COMMUNICATIONSYSTEM IN MINEABSTRACTWith the explosion of wireless communication technology, a series of advanced technology are widely used in enterprise. In view of the complexity of working environment in mine enterprise and the current charge management system which cannt satisfy the practical demands, a remote wireless automatic charge system in mine is designed with the application of modern wireless communication technology.This system, which is based on singlechip, can be divided into weight sensing data acquisition part and wireless data transmitting part functionally. Firstly, The system can acquire the checking signal of mine vehicle. Then the signal is processed by prerequisite circuit and transmitted to the wireless data transmission module by microcontroller. Secondly, the wireless transceiver system ,which is mainly based on the wireless transceiver module PTR8000 that was integrated with a rf transceiver nRF905, delivers the real-time data that was acquired to the PC through singlechip. KEYWORDS ：wireless communication，singlechip，nRF905II矿山无线电子称多点通信系统设计1 绪论1.1 课题的依据和意义1.1.1 信息化发展背景进入21世纪，信息化浪潮席卷全球。为了在信息时代获得竞争优势，各国竞相加大信息产业投资，提高信息技术应用水平，以尽快提高国家信息化水平。信息化的核心是利用以计算机为代表的智能化工具，通过完成信息的采集和处理，实现信息的利用和再生，而与之相适应的生产力，则称之为信息化生产力。对于过去的传统的生产力工具来说，智能化生产工具不再是单独和孤立的东西，而是一个有着组织和规模的信息网络体系。其中关于信息化的定义和作用，众多的专家学者都给与了指导和肯定：(1) 我国的林毅夫等专家指出，信息化是建立在信息产业发展和社会经济的各个部门对其的应用之上，并用之对传统经济和社会结构进行改造的过程。(2) 中国人民大学的赵苹教授则给信息化下了明确的定义：“信息化是指人们对现代信息技术的应用达到较高的程度，在全社会范围内实现信息资源的高度共享，推动人的智能潜力和社会物质资源潜力充分发挥，使社会经济向高效、优质方向发展的历史进程。(3) 日本学者Tadao Umesao则提出信息化是指：“通信现代化计算机化和行为合理化的总称。其中的通信现代化和计算机化是指现代通信技术的发展影响社会的信息交流过程，社会组织和其间的信息产生，采集和处理广泛应用了先进的计算机通信技术；而行为合理化则指社会之间的信息交流按公认的合理准则和规范进行。”（论信息产业，1963）由此可见，信息化将对人们的生产工作和学习生活方式带来巨大的变化。我国亦明确提出了“以信息化带动工业化，发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展”的国策。信息化企业管理模式可以使企业管理部门及时共享各个子公司或者下属生产销售单位的信息和其它资源，以制定符合实际的发展战略。因此，推动传统行业的信息化建设，深化信息技术的应用，是国家的经济进一步发展的保证。各个行业要利用信息技术涵盖面广和带动优势明显的优势，围绕企业的研究开发和营销管理等环节，充分发挥信息技术的优势，提高企业生产管理智能化，加快产业结构的调整和升级17。1.1.2 我国矿业发展现状和信息化需求中国是一个矿业大国，矿业是我国基础工业的支柱和国民经济建设的基础。例如，我国煤炭的生产，在国内的能源生产和消费结构中占有比例大于五分之三，并且随着国民经济的不断发展，对于能源的需求使用也在不断加大。即使新的能源不断出现使用，但从长期来看，传统矿业在相当长的时期内依然是能源的主要构成部分。因此，矿业在国民经济中有着重要的基础性地位和作用：(1) 矿业是国家的重要基础性产业。在我国的工业化发展中，矿业不仅为国家的经济发展提供了基础的能源供应，同时还为国家工业化进程提供了大量的资金支持。例如，我国从工业化中期向后期迈进的过程当中，矿业提供给国家和地方政府大量的税收，为当地的工业发展注入了活力。(2) 矿业为社会提供了大量的就业岗位。矿业企业由于其本身的特点，相对比于制造业自动化程度的不断加深所造成雇佣人员减少的现状不同，其随着企业有机成本的不断加大，所能提供的就业岗位不断增加。矿山企业的这一特点对于缓解当地社会就业压力，解决就业问题有着重要作用。(3) 矿业发展能够发展社会进步，改善我国落后地区的经济条件和布局有着重要作用，并可以实现社会的均衡发展和进步。由于大部分的矿产资源存在于中西部的欠发达地区，国家可以加大对矿业企业的投资来拉动当地经济发展，改善人民生活。因此，矿业信息化建设是我国信息化建设的一个重要组成部分。其建设目标是:充分利用现代信息技术，开发利用矿业信息资源，优化矿业活动全过程，用信息化改造我国传统矿业，提升我国矿业的管理水平和技术水平，提高我国矿山企业的竞争能力，实现我国矿业的现代化。矿山企业信息化不仅是现代信息技术在矿业当中的延伸，还包括企业管理和理念的延伸，它已经成为现代矿山企业的重要标志和企业实力的主要组成部分16。1.1.3 矿山企业发展所提出的新需求我国的矿山企业一般都处于偏远的山区，交通条件和文化水平落后，并且很多的矿山企业是由原有国有企业重组，设备成就，生产销售机制不够先进，管理不规范。但是随着市场经济的发展，企业之间的竞争日趋加剧。在竞争激烈的市场经济条件下，企业成本的高低直接影响到企业经济效益的好坏，特别是在全球经济处于低迷状态的今天，企业要想在市场竞争中立于不败之地，就更加需要加强企业成本控制，进一步降低产品成本。矿山企业由于生产的特殊性，造成了与许多工业企业不同的管理要求：(1) 要加强矿山企业的生产成本管理，建立起来统一完整的核算方案。以保证正确的计算生产成本，改善经营管理理念，最终达到生产效率和利益的提高。(2) 由于成本是企业经济效益的重要经济指标，因此在矿山企业的生产当中要切实保证成本的真实可靠。因而对于矿山企业，要建立和健全完善的生产销售和财务管理系统，以确保企业和国家的利益。(3) 建立健全的生产销售数据纪录。原始的生产销售数据是直接反映企业生产经营情况的重要资料，管理人员应该及时掌握第一手数据，以保证合理的制定进一步的生产销售计划。但是现有的矿山企业管理，大部分还处于人工为主的阶段，对于生产销售的实时数据，还未能做到及时上报，在很大的程度上制约了矿山企业的发展。基于以上考虑，本文根据矿山企业生产成本的特点及成本控制中存在的问题,提出了成本管理与控制的一些措施,强调了矿山企业成本管理方法的创新与成本管理平台的创建，提出了矿山企业要整体提高成本管理人员素质，树立全员控制成本意识的管理理念。其主要包括以下三点：(1) 创新现代矿山企业的管理方法。积极利用先进科学技术的发展，使其应用到生产管理的过程当中去，来改善企业的管理方法和理念。(2) 培养高素质的矿山企业管理人才。其要有较强的事业心和敬业精神，掌握有效的成本管理方法，能够利用先进的计算机和通信技术。(3) 建立先进开放的管理理念，积极采用先进的管理方法，提高企业的管理效率。矿山企业只有具备有效的生产销售管理系统和体制，才能制定出有效的成本控制方案，以使企业的生产利益最大化。 随着国家对矿山企业的进一步重视，为矿山企业提供了发展的机遇，同时也给其管理提出了严峻的考验，加上我国经济不断的发展，矿山企业的规模也日益增加，给企业的管理提出了更高的要求，基于以上问题的考虑，积极研究有效的生产销售监控系统，能够有效的对企业的生产工作进行管理和调度，增强企业的竞争力。并且该自动收费管理系统需要满足以下条件：企业大门称重收费处能够实时掌握各分矿井口对每个购买者的车辆的装卸后吨数，以便用于进入车辆的调度和购买吨数的核实（该参数不需精确，大概即可）。各分矿井口能够实时掌握进入车辆到达情况并能够在装载完毕后向大门称重收费处该车辆的装卸后吨数。而目前国内外矿山企业和其他公司所使用的生产消费管理方式主要是以无线射频识别（RFID）技术为核心的电子自动收费系统，无线射频识别技术（Radio Frequency Idenfication，RFID），又称为无线射频识别或者电子标签，是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。其通过无线信号来确定特定目标并读写相应数据，无需和目标之间建立机械或者光学接触。其按照工作方式不同，可以分为被动，半被动和主动三类：(1) 被动式的工作方式主要是指其内部没有电源驱动，当内部的集成电路接收到RFID读取器发出的信号，就会向读取器发出数据。其主要特点是体积小巧，价格低廉和不需要电源驱动，所以目前的市场主要采取被动式的电子标签。(2) 半波动式类似于被动式的工作方式，但其多了一个小型的电源驱动。它刚好可以使标签的IC处于一直工作状态，使标签的天线不管有无受到任务信号，都可以处于接收状态，有着更快的反应速度和更高的效率。(3) 而与被动和半波动的工作方式不同，主动式标签本身自带电源驱动，用以使标签产生对外的信号，使之拥有较长的读取范围和较大的数据存储空间。 而其根据工作频率的不同，可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类：(1) 以中、低频工作的近距离射频识别系统，典型的工作频率有：125kHz、 225kHz 和1356MHz，识别作用距离小于1m，典型作用距离为1020cr；以高频、微波工作的远距离射频识别系统。(2) 典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3l0m由此可见目前以RFID技术为核心的自动收费系统最大的工作识别距离只有10m左右而矿山企业所工作的环境大多数在恶劣的山区，各分矿生产单位和总部的管理部门相聚距离较远，现有的自动收费系统无法满足矿山企业的需要因此，对于矿山企业来说，其生产销售管理系统应该满足以下要求：(1) 单位的主要管理部门应该可以实时共享各分矿井口的生产销售数据，以保证及时制定生产计划。(2) 数据的可靠性要有保证，以杜绝贪污盗窃的可能。各分矿井口的数据应该及时上报，来取代以前的以每月或者季度为单位的人工上报方式。(3) 整个系统应该操作简单，结构合理。因为矿山企业设备复杂程度较高，新建的管理系统应该充分考虑到现实的情况，对于陈旧设备要加大改造力度，以节约成本。1.2 本课题研究的主要内容本课题设计一个以无线通信技术为核心的矿山收费管理系统，它具有安装简单、成本较低、实时监控和操作界面人性化等特点。本系统利用压力传感数据采集，远程无线通信等相关技术，通过系统自动识别，增强计算机系统在矿山生产收费管理过程中的应用功能，有效提高了矿山生产管理水平，采用先进的无线通信技术来取代了传统的人工管理模式，提高了工人的工作效率。该系统由两个部分组成，分别是无线数据采集系统和无线数据接收系统。对数据采集系统来说，因为矿山企业原有的设备以传统的称量方式为主，例如地磅和台秤，已经不能满足工作的需要。企业一方面可以直接购买采用先进数字化技术的电子衡器，一方面也要关注于陈旧设备的改造。而无线收发系统则是采用集成了射频芯片nRF905的无线模块PTR8000来保证数据的实时传输。这两个部分是相互联系，又是相互独立的。已经拥有先进称量设备的矿山企业可以直接采用无线数据收发模块来完成管理系统的建立，而还存有陈旧设备的企业则可以在对设备完成技术改造基础上，采用无线收发系统来实现功能实现。2 系统原理和方案设计2.1系统原理与功能分析2.1.1 矿山企业目前系统我国矿产资源丰富，例如煤炭储量巨大，每年的煤炭生产销售数量都居世界前列。为了提高矿山企业的生产销售效率，现有的矿山企业主要采用泄漏馈线的方法来实现上述目标，但是常用的泄漏馈线系统主要依靠固定设备和电缆的架设支持，并且需要大量的人力来维持运转，在很多的环境条件下不够灵活和方便。而采取无线通信技术则可以减少由于建设电缆系统的成本费用，并且可以随时对无线网络系统进行调整和修改。目前我国矿井采用的主要无线通信方式有以下四种方式：(1) 动力线载波通信。其通信方式主要借助于矿井生产中的动力电缆后者机车的架线作为信号的传输线路，将所要传输的信号调制成几十千赫的载波进行传输。但是由于电缆的数量众多和线路内部电流的不稳定，势必会造成通信信号的不稳定和易受干扰，因此这种通信方式无法适应矿山企业的生产销售需要。(2) 感应通信。这种通信方式主要是在矿山企业所需要的环境当中铺设一条接地的感应传输线，通过电磁感应使主站所发送的任务信号在感应传输线的周围形成交变磁场。当接收站位于磁场内部范围就可以产生感应电压信号，在经过特殊电路处理还原，既可完成信号的传输。这种方式的价格低，铺设简单，但是由于实际的应用当中，发现信号的衰减度较大，所以通信范围较小。(3) 漏泄通信。漏泄通信主要是应用于井下巷道的一种无线传播方式，该技术主要输在巷道中架设一条同轴电缆，在每隔一段就开一槽口，利用泄漏的电磁场来完成数据的通信，和感应通信有相似之处。当前的很多矿山企业都采取之中技术，但是这种通信系统造价太高，并且所使用的环境要求也很苛刻，例如电缆架设的要求，无法适用于各种不同环境，有其自身的缺点。(4) 中频无线通信。这种技术的核心是将电磁信号涡合到导电体中，再通过其辐射出去，这样就在导电体周围形成了一个广泛的信号传输区域，从而实现了信号的传输。可以看出这种传播方式能够适应和多的生产销售环境，具有很好的使用功能15。 因此，结合无线通信技术，本文介绍的矿山实时收费系统，按照其功能结构划分为两个部分: 实时数据信息收集系统和信息无线收发系统。各个分矿井单位利用压力传感采集装置，采集生产销售的实时数据，并且把这些数据通过信号处理电路转化后，通过无线数据收发装置把实时生产销售数据上传给矿山管理总部，为矿山管理者提供可靠及时的数据，以便管理者可以实时掌握生产产量，销售数量和库存数量，以此为依据来制定下一步的生产计划和销售价格。该系统的建立，充分考虑到矿山企业其生产销售模式的特殊性，建立起一套切实可行的管理系统方案，来满足企业发展的需要。本章主要对传统的矿山管理系统的特点和缺点进行了分析，并且针对这些缺点提出了新的矿山生产收费管理系统，详细阐述了其整体结构和各部分的功能。2.1.2 传统系统缺点分析矿山企业由于其所在生产多在环境恶劣的山区，环境的限制使其不能够采用一般企业的生产管理模式。一般的企业生产场地和管理销售的部门都在一起，有一套完整的生产销售管理流程，并且按照各个部门的职能分工，有效的完成工作。其重点就在于企业之间的信息可以实时有效的流通，保证了生产的有效进行。而矿山企业一般都会拥有多个分矿井口，并且井口的距离相距较远，所以销售也会在各井口直接完成，并且由于矿产的价值较高，因此每天的生产销售总额较为巨大。参考实际矿山企业的工作流程，对其总结可知，目前矿山生产企业一般采用传统收费管理系统具有以下特点：(1) 采用人工的方式进行生产销售数据测量，用传统笔录得方式以记录在案。(2) 以每月或者季度为周期单位，把记录的数据上交矿山管理单位。并且以文档的方式保留备份。(3) 管理单位根据得到的数据，输入计算机备档。根据所得到的数据进行分析，并且决定下一步的生产销售计划和各个分矿井的奖罚决定。其功能如图2-1所示 图2-1 矿山生产企业传统收费管理系统 基于以上的工作流程，并考虑传统系统其本身特性，我们可以了解到矿山企业的生产管理系统存在很大的缺点，必须加以改进：(1) 采取人工测量和记录的方式对于数据保证可靠真实性有很大的困难。人工测量和记录过多的依赖员工的个人素质和技术水准，对于数据的读取和数据的记录都有可能产生错误和不实，从而造成资产的减少流失或者贪污盗窃行为的出现。(2) 数据的计算机输入会加大矿山管理单位的工作量，并以每月或者季度为单位的上报周期，会造成数据的滞后，以致延误生产销售计划的制定和实时根据数据对矿井生产单位奖罚。(3) 传统文档的数据记录模式，对资料的保存要求过高，造成人力资源和企业资源的浪费。因此，考虑建立一套行之有效的生产管理系统，对于矿山企业的发展和生产效益的最优化具有重要的含义。2.1.3 矿山收费系统原理 考虑到以上问题，针对传统的矿山生产收费管理系统所存在的问题，我们设计了新的矿山实时收费系统，其主要实现了以下的功能：(1) 采用新式压力采集系统以取代传统人工读取和记录模式。采用先进的称量方式，直接产生可直接记录在计算机中的数据，避免了采用人工方式所遇到的记录和保存问题。 图2-2 新的矿山实时收费系统(2) 应用先进的无线数据收发系统完成数据每天的实时上报。保证实时数据的正确可靠性，并且管理部门能够及时了解到各分矿井口的生产销售状况，以此可以保证下一步生产计划制定时的数据需求。(3) 利用计算机完成数据的分析，并且提交管理者决策，并把处理结果和生产安排实时反馈给各分矿生产销售单位，其功能如图2-2所示。2.2 系统的结构和组成基于以上的功能考虑，本文设计了一套矿山实时生产销售收费管理系统，以满足矿山企业实际的需要。由于矿山企业本身的生产环境的限制，原有的通信方法已经不能够满足要求，而无线通信技术的发展为企业问题的解决提供了很好地方法。按照系统功能分析，其主要分为两大部分，数据采集系统和无线数据收发系统7。其中包括：(1) 数据采集系统，该系统主要通过电子衡器来完成生产销售的数据采集，并把信号统一转化为数字信号，为无线数据收发系统做好准备。而对于矿山企业发展的不均衡，其既可以主要应用先进的电子衡器或者利用压力传感采集电路改造的传统称量设备，来完成对生产销售数据的采集工作。(2) 无线数据收发系统，无线数据收发系统主要以无线通信模块PTR8000为核心，应用先进的通信技术，对由数据采集系统所提供的数字信号进行传输，来完成数据的实时上报和处理，并可以给于生产销售人员命令反馈。其无线数据收发系统选择PTR8000无线收发模块，完成采集到的数据的传输工作。而按照系统工作的地点不同，则可以分为各分矿井生产销售单位的从机和矿山管理单位的主机两部分构成：(1) 从机系统，首先矿山企业的各矿井口从机由压力信号采集装置、A/D转换电路、单片机数据处理和无线数据发送模块构成。当生产销售的工作展开，实时的数据将会被压力信号采集装置采集，然后经过模数转换装置进行转换，最后又从机发送至主机。(2) 主机系统，管理单位的主机则由无线数据接收装置、单片机数据处理模块和计算机组成。当主机收到从机发来的数据，经由单片机的处理机构处理，再上传给管理计算机，用以完成数据的存储和分析，再提交管理人员处理，并将反馈发给从机。因此，主机和从机的相互配合，并且采用点对多点的半双工无线数据通信网络来完成数据的实时传输功能，有效的完成了矿山企业的生产销售数据的上报。其功能如图2-3所示。 图2-3 实时矿山生产收费管理系统根据图示可以看出，各分矿井口的工作从机和管理部门的主机分属不同部门，其工作流程如下：(1) 首先各分矿井口的从机利用先进的电子衡器或者经由压力传感采集系统改造过的称量设备采集生产销售数据。然后整个从机处于开放状态等待主机的任务要求指令，当接收到主机信息要求指令后，将压力传感采集的数据通过无线收发模块发送给主机。(2) 管理单位的主机通过PTR8000无线收发模块接收到从机无线发送的数据，经校验正确后，经由数据处理电路和计算机COM口连接，把数据上传管理单位PC主机进行数据分析。(3) 管理单位接收到相应的生产和销售数据，并且依据数据所展示的各分矿井单位的任务完成情况，及时关注企业的生产销售状况，以此来制定相应的生产计划。(4) 在新的实时生产收费系统中，各分机和主机均可采用不同的编排方式，使其拥有自己唯一的地址码, 以解决干扰和误码的问题。不仅确保了数据传输的可靠性，同时也避免了各个分矿井口上报数据时，可能会产生的数据混乱，并且还可以根据其本身固定的地址码，直接进行数据的归档保存，有效地节省了时间人力。由此可见，整个矿山生产收费管理系统充分考虑到了其本身与其它工业企业的不同之处，设计了一套合理的实行方案，其包括生产销售数据采集部分和无线数据传输部分。对于生产销售数据采集系统来说，一些发展快，实力强的矿山企业可以采用先进的电子称量仪器，不仅可以得到电子显示的数据，还可以直接获取数字信号，为无线收发系统的工作做准备。但是由于中国国情的特殊性，在很大的范围上我国的矿山企业采取的还是传统的称量方式，例如皮带秤和地磅，这给整个数字采集系统的建立提出来了新要求。因此，在整个方案设计的时候，重点针对矿山企业的陈旧称量设备进行了改造研究，提出了切实可行的具体方案。利用前置放大电路和A/D转换电路，把传统的称量设备所得到的电流或者电压信号转换为数字信号，为无线收发系统的工作提供了保证。而在无线收发系统当中，根据矿山企业的生产销售管理要求，建立了以各分矿井口的从机系统和矿山企业的管理部门主机系统之间的联系，应用PTR8000无线收发模块的数据传输功能，有效地解决了在恶劣的山区工作环境中数据的无线传递任务，不仅大量的减少了企业的生产成本，而且有效的完成了企业的生产销售监控。并且值得注意的是，整个系统所分的数据采集系统和数据无线收发系统既可以合在一起，作为一个完整的采集传输系统来应用，也可以只使用其中的任意一部分来满足不同的企业不同的要求。这样的设计具有灵活多样性，有效的节省了企业资金和国家资源8。3 硬件电路的设计单片机机设计时通常有两种模式可以采用，一种是总线扩展系统，另一种是最小系统。总线扩展系统使用单片机的P0口和P2口作为单片机向外扩展的地址总线和数据总线，连接片外扩展接口电路和存储器构成应用系统，一般在系统规模较大时采用。如果不使用向外扩展的地址总线和数据总线，仅用单片机与外围电路构成应用系统，这种模式称为单片机的最小系统，本毕业设计比较简单，外围电路少，采用的是单片机的最小系统。这次设计的外围电路包括：电源电路、复位电路、时钟电路、传感器模块、AD转换电路、按键电路、显示电路以及串口电路等。其总体框架如图3-1和3-2所示。图3-1 电路系统框图图3-2 接收电路系统框图3.1 STC89C52简介单片机的全称为单片微型计算机，是微型计算机家族的一个分类，是将CPU、存储器、总线、I/O接口电路集成在一片超大规模集成电路芯片上1。单片机具有体积小、功能全、价格低廉的突出优点，同时其软件也非常丰富，并可将这些软件嵌入到其他产品中，使其他产品具有丰富的智能。单片机所具有的这些优点使之问世后得到了迅速的发展，广泛应用在工业控制，仪器仪表、交通运输、通信设备、办公设备、家用电器等众多领域，成为现代电子系统中最重要的智能化器件。STC89C52是STC公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes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，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可灵活应用于各种控制领域。其主要功能有：与MCS-51产品指令系统完全兼容；4k字节可重擦写Flash闪速存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz24MHz；三级加密程序存储器；1288字节内部RAM；32个可编程IO口线；2个16位定时计数器；6个中断源；可编程串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式。STC89C52内部集成4个并行I/O接口，称为P0，P1，P2，P3，共占用32只管脚，每一条I/0线都能独立地作为输入或输出，但4个通道的功能不完全相同。当无须外部扩展时，P0，P1，P2，均可作为典型的并行I/0接口使用，P3口作为I/O接口或第二功能口用。当需要外部扩展时，P0口为地址和数据分时复用，P2口为高8位地址线，有P0和P2口组成16位地址线，引脚图如图3-3。图3-3 STC89C52引脚图3.1.1复位电路复位操作是使单片机的CPU以及系统各部件处于初始化状态1，并从这个状态开始运行，单片机初始化上电后，需要复位操作。单片机在运行过程中可能会受到外界的干扰使程序陷入死循环或“跑飞”，发生这种情况时需要单片机复位，以重启动运行。为了使单片机处于复位（即初始化）工作状态，通常的复位方式有“自动上电复位”和“人工按钮复位”两种方式。手动复位电路是通过上电或按钮两种方式对芯片进行复位，在复位电路上电的瞬间，RC电路充电，由于电容上电电压不能突变，所以RST引脚出现高电平。RST引脚出现的高电平将会随着电容C的充放电过程而逐渐回落，为了保证RST引脚出现的高电平持续两个周期以上的时间，需要合理地选择其电阻和电容的参数值，而电阻和电容参数的取值随着时钟频率的不同而变化，在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位外，外部扩展接口电路等也需要复位，所以系统需要一个同步的复位信号。为了保证系统可靠工作，CPU应在系统所有芯片的初始化完成后再对其进行读写，电路全部复位完毕，即外部扩展接口的电路的复位操作完成在前，单片机的复位操作成在后，也可以采用软件的方式提供这种保证，在主程序的开始部分加入延时后对单片机进行初始化操作。 图3-4 复位电路如图3-4所示，当按钮闭合时，电容通过按钮和电阻进行放大，使电容上的电压降为0。按钮断开时，电容的充电使RS的低电平时间达到至少2个外部时钟周期，从而实现手动复位。当按下S1时REST管脚为高电平，从而完成单片机的手动复位6。 3.1.2 时钟电路图3-5 时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，控制着单片机的有序节奏，而时序规定了指令执行过程中各控制信号之间的相互关系。时钟信号的控制作用下，单片机就如同一个复杂的同步时序电路，严格地按照时序进行工作。如图3-5所示为单片机的晶振电路。其中C5、C6对输出信号起到滤波作用，但对输出信号的频率没有任何影响。时钟电路用来为STC89C52芯片提供时钟信号，可以利用单片机内部的振荡器构成时钟电路。 XTAL1和XTAL2为片内震荡电路输出线，这两个端子用来外接石英晶和微调电容，即用来连接单片机片内OSC的定时反馈电路。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使单片机片内OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常OSC的输出时钟频率为0.5MHZ16MHZ（典型值为12MHZ或11.0592MHZ），两个容值为30PF的电容可以帮助晶振起振（典型值30PF 或60PF），调节它们可以达到微调的目的6。3.2传感器模块本课题目的是对矿山称重收费系统的设计，对矿山这个庞大的系统我们无法实地操作，经过考虑分析，最终决定用压力传感器来产生一个重量信号，从而对矿山质量进行模拟。目前常用的压力传感器有电阻应变片式压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器。由于电容式压力传感器稳定性能较差，对环境要求苛刻，压电式压力传感器量程要求有限并且原理较繁杂，而电阻应变片是压力传感器稳定性好，精度和灵敏度较高，对环境要求不太严格，最终决定选用电阻应变片式压力传感器来产生重量信号。电阻应变传感器是将被测量的压力通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的信号，供后续电路测量和处理，原理如图3-6所示17。图3-6 传感器电路图它的原理如图3-7：当垂直压力P作用于梁上时，梁产生变形，电阻应变片R1，R3收压弯拉伸，阻值增加；R2，R4受压缩，阻值减小；电桥逝去平衡，产生不平衡电压EOUT，EOUT与作用在传感器上载荷P成正比，从而将非电量转化为电量输出。图3-7 传感器原理电路图压力传感器加上支架后整体实物如下图所示：图3-8 传感器实物图3.3 电源电路在设计电源时，电路图中要设计三种电源，分别是+5V，-5V和+3.3V供电，单片机和液晶显示需要+5V供电，AD620需要-5V的供电，PTR8000需要+3.3V供电，根据各自的不同需要设计不同的电源，选用LM1117-3.3和LM1117-5.0两种芯片，在其中分别添加了电容来稳定的电压和保护电路如图3-9所示。图3-9 电源电路电路中使用LM1117-5.0和LM1117-3.3两个芯片来供电，他们能稳定的提供5V和3.3V的电压，并且压差比较小，功耗也少。LM1117是一款正电压输出的低电压降三端线性稳压，在1A输出电流的压降为1.2V。LM1117分为两个版本，固定版本和可调版本，由于电路需要的是稳定的版本，所以采用1117-5.0和1117-3.3版本，电压精度是2%，LM1117是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管是由一个PNP驱动的NPN管组成，漏失电压定义为：VOROP=VBE+VSAT,为了保证LM117的稳定性，对可调电压版本，输出需要连接一个至少22uF的电容。对于固定电压版本，可采用更小的电容，具体可以根据实际应用确定。通常，线性调整器的稳定性随着输出电流增加而降低。 对与AD620芯片，需要-5V电源供电，利用ICL7660S将+5V电源变换成-5V电源的电路如下图所示。C2、C3采用漏电小、介质损耗低的10uF的电容，以提高电源转换效率。当UDD+6.5V时，5脚可直接作为输出（将5脚沿虚线接输出端Uo）;当UDD6.5V时，为避免损坏芯片，该电路的输出电流不宜超过10mA。它的连接图如3-10所示。图3-10 负电源模块图3.4 按键电路和指示灯在本次设计中，整个电路使用的过程中除去复位电路，仅一个按键就能满足本次设计的要求，按键的功能是当需要数据采集时，按下按键就可以采集数据，这个按键连接到INT0中断上面，这样做能大大提高单片机处理事件的能力，提高效率，增强实时性，可以灵敏的采集数据的，对于指示灯，就是在传送数据时可一闪一亮来指示数据在传送，能让人视觉上感知数据在传送。3.5测量部分放大及A/D转换电路在实际测控系统中，经常需要对电压、电流、温度、压力、流量等连续变化的物理量，进行不停的监测与控制。如果要使单片机来实现这些变量的监控，首先要解决这些变量和单片机之间的输入和输出。通常A/D转换用于将模拟量转换为数字量。模拟量主要是指类似温度、压力、流量、速度、电流、电压等变量，这些变量的数值大小是随时间连续变化的；而数字量是指数值大小只用0、1两种情况，并且随时间离散变化的量。A/D转换器用以实现模拟量向数字量的转换，按转换原理可分为：计数式、双积分式、逐次逼近式A/D转换器。逐次逼近式A/D转换器是一种转换速度较快，精度较高，价格适中的变换器。其转换时间大约在几微妙到几百秒之间。A/D转换器的主要技术指标为分辨率、量化误差。3.5.1 方案选择压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。我们考虑可采用以下几种方案16：方案一、利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度，所以，此方案不宜采用2。方案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器，它的原理图如3-11。图3-11 差动放大器电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用求。缺点：此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量一级运放都会引入较大噪声。对精度影响较大。方案三：采用专用仪表放大器，如：INA126，ad620等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。以ad620为例接口如下图所示： 图 3-12 AD620管脚图放大器增益： （1）或 （2）通过改的大小来改变放大器的增益。应用电路如下所示：图3-13 AD620信号放大电路基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器AD620。 AD620是一款成本低、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围是1至10000此外，AD620采用8引脚DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低（最大工作电流仅1.3mA），因此非常适合电池供电及便携式应用。 3.5.2 AD620放大电路实现AD620 的基本特点：精确度高、使用简单、低噪声，高输入阻抗，高共模具斥比高(CMR)：100dB，低输入抵补电压( Input offset Voltage)50uV，低输入偏移电流(Input bias current)1.0nA，低功耗电流：1.3 mA，具有过电压保护功能.图3-14所示为AD620仪表放大器的脚位图。其中1、8接脚要跨接一电阻来调整放大倍率，4、7接脚需提供正负相等的工作电压，由2、3接脚输入的放大的电压即可从接脚6输出放大后的电压值。接脚5则是参考基准3，如果接地则接脚6的输出即为与地之间的相对电压。 AD620引脚示意图如下3-14：图3-14 AD620脚位示意图3.5.3 ADC0832简介 ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。1主要特性：（1）2路8位AD转换器，即分辨率8位。 （2）具有转换起停控制端。 （3）转换时间为100s。（4）单个5V电源供电。 （5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 （6）工作温度范围为-4085摄氏度 。2内部结构：ADC0832的内部结构如图3-15： 图3-15 ADC0832引脚图3外部特性读写时序如图3-16 ，正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4条数据线，分别是 CS、CLK、DO、DI。但由于 DO端与 DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将 DO和 DI 并联在一根数据线使用，用ADC0832未工作时其 CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK图 3-16 ADC0832时序和DO/DI 的电平可任意。当要进行 A/D转换时，须先将 CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入钟脉冲，DO/DI端则使用 DI端输入通道功能选择的数据信号。在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 D端必须是高电平，表示启始信号。在第 2、3个脉冲下沉之前 DI端应输入 2 位数据用于选择通道功能，其功能见下表3-1。当此 2 位数据为“1” 、 “0”时，只对 CH0 进行单通道转换。当 2位数据为“1” 、 “1”时，只对 CH1进行单通道转换。当 2 位数据为“0” 、“0”时，将 CH0作为正输入端 IN+，CH1作为负输入端 IN-进行输入。当 2 位数据为“0” 、 “1”时，将 CH0作为负输入端 IN-，CH1 作为正输入端 IN+进行输入。 到第 3 个脉冲的下沉之后 DI端的输入电平就失去输入作用，此后 DO/DI端则开始利用数据输出 DO进行转换数据的读取。 从第 4个脉冲下沉开始由 DO端输出转换数据最高位 DATA7，随后每一个脉冲下沉 DO端输出下一位数据。直到第 11个脉冲时发出最低位数据 DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11个字节的下沉输出 DATD0。随后输出 8位数据，到第 19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次 A/D转换的结束。最后将 CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了，通道选择如表3-1，连接电路图3-17。表3-1 ADC0832通道选择 MUX ADDRESSCHANNEL NUMBERSGL/DIFODD/EVEN01LL+-LH-+HL+HH +图3-17 A/D转换电路图3.6 LCD12864液晶显示模块带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字。也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块，具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等，在利用液晶显示考虑到所设计的电路的I/0口问题，设计才用了串行的方式，在串行和并行相比，串行传送的忙，而并行传送的快，不过在这次设计中由于要显示的数据比较少，使用的串行传送的时间不会相差很大，他的特性如下：表3-2 RS，R/W 的配合选择决定控制界面的 4 种模式：RS（CS）R/W(SID)功能说明LLMPU 写指令到指令暂存器（IR）LH读出忙标志（BF）及地址记数器（AC）的状态HLM