单片机数据采集系统

1、单片机数据采集系统摘摘 要要本文提出了一种基于多个 MCU 通信的实时数据采集系统方案，该系统由监控计算机单元，数据处理单元，总线隔离器单元，接收单片机，数据采集单元组成。数据处理单元与多个现场采集器为点对点的串行通信方式，在数据处理单元内部，各个通道的数据以双CPU 并行通行方式进行处理，处理的结果以串行方式送入监控主机；同时在采集单元与处理单元，处理单元与计算机之间采用 RS-485 总线进行数据的传送；对于采样的数据，通过可编程键盘/显示接口 8279 芯片对数据进行显示，筛选，转存。实际运用证明，该方案具有良好的实时性。关键词关键词 数据采集处理系统；单片机（MCU） ；串行通信；并行

2、通信 AbstractAbstractThe text brings forward a sort of real-time data collecting system scheme，which is based on multi-MCU corresponding. The system consists of supervising computer cell, data processing cell, overall-insulating cell, incepting SCM and data collection cell. The data processing cell an

3、d the multi-field collectors are serial communication which are one point opposite one point. Within the data processing cell, every passage data are processed in double CPU merge-capable transmission fashion. Then, the processing results enter the supervising host computer in strand-capable fashion

4、. At the same time，we transmit data with adopting RS-485 bus between the collection cell and the processing cell, and also between the processing cell and the computer. As to the sampling data, we display the data by programming keyboard /displaying 8279 CMOS chip, as well as filtrating and depositi

5、ng the data with transferring fashion. Practicality mobilization proves this project has favorable real-time character. .Key words: data acquisition and processing system ; Microcontroller unit ;serial data communication ; parallel data communication 目目 录录摘 要 .IAbstract .II目 录 .IIICATALOG .IV第一章 引 言

6、 .1.1 数据采集系统的组成 .1.2 数据采集系统的应用领域及发展前景 .第二章 概 述 .2.1 单片机的组成 .2.2 单片机的分类 .2.3 单片机的特点 .2.4 单片机的应用 .2.5 单片机的发展 .第三章 数据采集系统的硬件组成 .3.1 集散式数据采集系统的结构 .3.2 数据处理器 .3.3 3-8 译码器.3.4 74LS244 隔离器 .3.5 RS-485 总线.3.6 键盘/显示控制器 8279.3.7 键盘，显示器工作原理 .第四章 数据采集系统的软件实现 .4.1 数据接收器接收，发送数据 .4.2 数据处理器接收数据 .4.3 主处理器执行中断 .4.4 键

7、盘显示电路 .结 束 语 .参 考 文 献： .致 谢 .附 图 . CATALOGCATALOGAbstract .IIChapter 1 Foreword .1.1 The consitute of data collecting system .1.2 The applied realm and development foregrounds of data collecting systemChapter 2 Summarize .2.1 Consitute of singlechip .2.2 Sorts of singlechip .2.3 Specialty of singlec

8、hip .2.4 Application of singlechip .2.5 Development of singlechip .Chapter 3 Hardware constitute of data collecting system .3.1 Structure of gather to spread data collecting system .3.2 Data processor .3.3 3-8 encoder .3.4 74LS244 snsulation machine .3.5 RS-485 BUS .3.6 Keyboard/Display controller 8

9、279 .3.7 Work principle of Keyboard and display .Chapter 4 Software realization of data collecting system .4.1 Receive and send data by data receiver . 4.2 Receive data by data processor . 4.3 Perform halt by main processor. 4.4 Keyboard and display circuit .Tag .Reference literature .Thankfulness .

10、Refence map.4 2 第一章第一章 引引 言言随着科学技术和生产的发展，需要对各种参数进行测量，温度是工业对象中主要的被控参数之一。在冶金工业，化工工业，电力工程，机械制造和食品加工等许多领域中，人们都需要对相应的温度进行实时监测控制。1 11 1 数据采集系统的组成数据采集系统的组成数据采集系统的主要内容通常包含硬件（连同单片微机在内的全部电子线路） ，软件（包括监控管理程序及各功能模块应用软件）及结构工艺等三部分组成。一般的数据采集系统由：数据采集单元，A/D 转换单元，D/A 转换单元，数据传输单元，数据处理单元，键盘/显示电路等几部分组成。1 12 2 数据采集系统的应用领域

11、及发展前景数据采集系统的应用领域及发展前景数据采集系统的应用范围非常广泛。随着科学技术的发展，对有用信号进行数据的采集，分析，计算，提取等有较好的运用。一般的数据采集主要应用于：（1） 生物医学信号处理（2） 多媒体技术与人机交互（3） 导航与现代通信技术（4） 遥感，遥测的应用（5） 人工智能与模式识别，计算机视觉与可视化（6） 雷达，声纳信号处理（7） 微弱信号处理技术随着数据采集系统被广泛的利用，在特定的行业要获得较精确的采样数据，都需要对该系统进行特殊的要求如：由于工业现场环境恶劣，很多设备（比如变频器）都是对数据采集产生很大干扰的干扰源；而且一般的采集器都有多路信号输入，它们地线相连

12、会导致干扰通过地线进入正在采集的信号，使得数据采集不准确，因此数据采集器的抗干扰设计十分重要。所以，在数据采集系统的发展过程中，为满足特定的要求，数据采集系统的发展方向主要由：1） 系统抗干扰性 保证获得的数据较精确。如：可设计一个数据采集器，它除了正常的低 通滤波，RC 滤波外，还可用 PHOTOMOS 光继电器对每路信号进行隔离，每路信号的地线都独立开来。2） 实时通信 保证数据处理单元能较快的得到要处理的数据，提高了主机的运行效率，如：采集现场与处理单元距离短可用 RS-232 总线，距离长可用 RS-485 总线。 3）高速数据采集 一般数字信号的获得需要对模拟信号进行采集，这就需要高

13、 速，高性能的 A/D 转换相适应。4）低功耗性 适合与电池供电和空间受限的工作环境以及便携式场合。第二章第二章 概概 述述2.12.1 单片机的组成单片机的组成所谓单片机就是单片微型计算机（Single-chip Microcomputer）,单片微型计算机的核心是微处理器 MPU，与一般微型计算机所不同的是它将微处理器，内存，I/O 接口，中断逻辑，定时器/计数器等集成到一个集成电路芯片上，有的单片机还集成了 A/D，D/A转换器等电路，如图 21 所示。这种结构特别使用于测控领域，因此，也称其为微控制器（Microcontroller）,简写为 MCU，但国内大多数人习惯上都叫单片机。图

14、 21 单片机的组成框图2.22.2 单片机的分类单片机的分类常用的单片机分类方法有两种，一是按字长分类，二是按用途分类。221 按字长分类 根据单片机对各种基本操作处理的数据来看，单片机有 4 位单片机，8 位单片机，32位单片机和 64 位单片机等。1 4 位单片机4 位单片机的主要生产国是日本，如 Sharp 公司的 SM 系列，东芝公司的 TCLS 系列，NEC 公司的 uCOM75*系列等。此外，还有美国 TI 公司的 TMS1000 和 NS 公司的 COP400 系列。国内也早已能够生产 COP400 系列的 4 位单片机。4 位单片机的主要特点是价格便宜，但功能并不弱，只是 C

15、PU 为 4 位。其片内存储器有 2KB ROM，128B*4 的 RAM 等。NEC 公司的 uPD75*的片内 ROM 可达 8KB，RAM 为 512B*4，还带有 6 位 A/D 转换。目前，4 位单片机主要用于控制诸如洗衣机，微波炉等家用电器及高档电子玩具。2 8 位单片机8 位单片机是目前单片机中的主流机型。在 8 位单片机中，一般把无串行 I/O 接口和只提供小范围的寻址空间（小于 8KB）的单片机称为低档的 8 位单片机，如 Intel 公司MCS-48 系列和 Faichild 公司的 F8 就属于此类；把带有串行 I/O 接口或 A/D 转换以及进行 64KB 以上寻址的单

16、片机，称为高档的 8 位单片机，如 Intel 公司的 MCS-51 系列，Motorala 公司的 MC6810，Zilog 公司的 Z8 等。近年来，在高档 8 位单片机的基础上又出现了超 8 位单片机，如 Intel 公司的 UPI-452，83C152，Zilog 公司的 Super8，Motorola公司的 MC68HC11 等。它们不但进一步扩大了片内 ROM 和 RAM 的容量，而且还增加了高级通信，DMA 传送和高速 I/O 功能。另外，由于 8 位单片机的功能强，价格低廉，品种齐全，因而被广泛应用于各个领域。特别是高档单片机的主要机型。3 16 位单片机16 位单片机主要有

17、Thomoson 公司的 68200 系列，Intel 公司的 MCS-96 系列，NS 公司 HPC16040 和 NEC 公司的 783*等。而得到实际应用的 16 位单片机主要是 Intel 公司的MCS-96 系列单片机。4 32 位单片机32 位单片机首推英国 Inmos 公司的 IMS414DPJI，它是目前并行处理位数最高的单片机之一。5 64 位单片机64 位单片机的处理能力是任何 32 位单片机都无法达到的。目前，SperH，MIPS Technologies 东芝等厂商还是准备将 64 位单片机微处理器内核推向嵌入式系统市场。222 按用途分类按用途分类，可将单片机分为通用

18、型单片机和专用型单片机两种。1 通用型单片机将资源全部提供给用户使用，如片内寄存器，存储器，中断系统，定时器/计数器，I/O 接口等。其适应性强，扩展容易，构建各种应用系统十分灵活，应用广泛。如 MCS-51系列单片机。2 专用型单片机针对各种特殊应用场合而专门设计的单片机。如生产过程控制，数据采集与信号处理等。它们通常是微控制系统的集成化产品。TMS320 系列就是专门用于数字信号处理的单片机（也称 DSP 芯片） ，他的指令周期短，运算速度和精度高。2.32.3 单片机的特点单片机的特点由于单片机是在一块大规模或超大规模集成电路芯片上集成了微型计算机的主要功能单元，本身就是具有一定规模的计

19、算机，因此，其紧凑的结构，小巧的形体在许多应用场合是其他类型的计算机所不能比拟的，其特点归纳如下：1.形小体轻功耗低 如前所述，单片机就是一个计算机芯片，在这个芯片上集成了计算机的基本功能部件，甚至是构成技术应用系统的各功能部件。因此，其集成度相当高，而这个芯片的尺寸与普通的集成块是一样的，那么形小体轻自然不用说了。而且，由于单片机大量用于便携式产品和家用电器，设计时专门考虑了低电压，低功耗环境。如许多单片机可在 2.2V 甚至1.2V 或 0.9V 电压下工作，其功耗可降低至 uA 级，一颗纽扣电池供电可以使用很长时间。另外，由于集成度高，抗干扰能力强，其本身的可靠性也相当高。2.能强，运算

20、速度快，性价比高单片机在构成测控系统，电器控制装置，智能仪器等方面与其他微型计机相比有特别明显的优势，在设计软件，硬件资源时充分考虑了这方面的功能，如指令系统中具有丰富的程序分支转移，布尔处理和逻辑控制命令，有定时器，中断系统，I/O 接口，各种控制寄存器等丰富的硬件资源。单片机特有的结构形式，提高了运算速度。有的单片机还采用了 RISC 和 DSP 技术，进一步改善了运行效率。随着各种新技术的不断发展，各厂商在提高单片机性能的同时进一步降低价格，性能价格比成为竞争焦点之一，因此，从总体上讲单片机优于普通的微处理器。而单片机价格可降低至 0.5 美元。3.应用系统研制周期短，软，硬件开发灵活方

21、便由于单片机有丰富的内存和 I/O 接口等功能单元，可直接与外围电路或芯片连接，编写简单程序就可以构成应用系统。而且利用简单的开发工具就可以在应用环境下进行软件，硬件调试，修改也十分方便。调试成功后即可成为实际的应用系统。因此，研制应用系统的时间可减到最短，其开放性的灵活扩展功能使软，硬件开发变得简单，也易于掌握。另外，为防止因突然掉电造成信息丢失或损坏，单片机基本上都设计了备用电源引脚，可以很方便地接入备用电源，以利保护信息。2.42.4 单片机的应用单片机的应用 由于单片机的超小型结构和优越的性价比，使其应用领域十分广泛，这里列出一些主要的应用领域。（1） 工业控制：各种测试系统，机器人等

22、。（2） 仪器仪表：智能仪器仪表，医疗仪器等。（3） 家电，玩具：各种游戏机，全自动家用电器，摄像机，激光盘驱动器，电子玩具等。（4）计算机外设和通讯设备：各种计算机外设控制（磁盘驱动器控制，打印机控制，键盘控制） ，调制调解器，智能线路运行控制等。（5）数据处理：图形处理，数字信号处理（DSP） ，数据采集与处理，复印机控制等。（6）汽车控制： 点火系统控制，变速器控制，防滑刹车控制，排气控制等。（7）国防应用：鱼雷制导控制，导弹控制，智能武器控制，其他航空航天系统。随着单片机技术的发展，新的产品不断涌现，应用领域还将继续扩大。 2.52.5 单片机的发展单片机的发展251 单片机技术的发展

23、特点自单片机出现至今,单片机技术已走过了近 20 年的发展路程。纵观 20 年来单片机发展历程可以看出,单片机技术的发展以微处理器()技术及超大规模集成电路技术的发展为先导,以广泛的应用领域拉动,表现出较微处理器更具个性的发展趋势。单片机长寿命 这里所说的长寿命,一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年,另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展,更新换代的速度越来越快,以 386、486、586 为代表的,很短的时间内就被淘汰出局,而传统的单片机如 6805、8051 等年龄已有 15 岁,产量仍是上升的。这一方面是由于其对相应应用领域的适应性,另一方面是由

24、于以该类为核心,集成以更多/功能模块的新单片机系列层出不穷。可以预见,一些成功上市的相对年轻的核心,也会随着/功能模块的不断丰富,有着相当长的生存周期。新的类型的加盟,使单片机队伍不断壮大,给用户带来了更多的选择余地。8 位、16 位、32 位单片机共同发展 这是当前单片机技术发展的另一动向。长期以来,单片机技术的发展是以 8 位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭,32 位单片机应用得到了长足发展。以 Motorola68为的 32 位单片机 97 年的销售量达 8 千万枚。过去认为由于 8 位单片机功能越来越强,32 位机越来越便宜,使 16 位单片机生存空间有

25、限,而 16 位单片机的发展无论从品种和产量方面,近年来都有较大幅度的增长。单片机速度越来越快 MPU 发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同,为提高单片机抗干扰能力,降低噪声,降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些 8051 单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序,在不提高时钟频率的条件下,使运算速度提高了很多,Motorola 单片机则使用了琐相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。68HC08 单片机使用 4.9M 外部振荡器而内部时钟达 32M,而 M68系列 32 位单片机使用 32的外部振荡器频率内部时钟可

26、达 16MH以上。低电压与低功耗自 80 年代中期以来,NMOS 工艺单片机逐渐被 CMOS 工艺代替,功耗得以大幅度下降,随着超大规模集成电路技术由 3工艺发展到 1.5、1.2、0.8、0.5、0.35 近而实现0.2工艺,全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选,都使功耗不断下降。Motorla 最近推出任选的.CORE 可在 1.8电压下以 50M/48MIPS 全速工作,功率约为 20。几乎所有的单片机都有 Wait，Stop 等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在 3 到 6V 范围内工作,对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电

27、源下限已由 2.7V 降至 2.2V、1.8V。0.9V 供电的单片机已经问世。低噪声与高可靠性技术为提高单片机系统的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如美国国家半导体 NS 的 COP8 单片机内部增加了抗 EMI 电路,增强了“看门狗”的性能。Motorola 也推出了低噪声的 LN 系列单片机。OTP 与掩膜OTP 是一次性写入的单片机。过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期,而 OTP 型单片机价格不断下降,使得近年来直接使用 OTP 完成最终

28、产品制造更为流行。它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。近年来,OTP 型单片机需量大幅度上扬,为适应这种需求许多单片机都采用了在片编程技术(In System Programming)。未编程的 OTP 芯片可采用裸片 Bonding 技术或表面贴技术,先焊在印刷板上,然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。解决了批量写 OTP 芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题。使 OTP 的裸片得以广泛使用,降低了产品的成本。编程线与/线共用,不增加单片机的额外引脚。而一些生产厂商推出的单片机不再有掩膜型,全部为有 ISP 功能的 OTP。MTP 向 OTP 挑战 MTP

29、 是可多次编程的意思。一些单片机厂商以的性能，的价位推出他们的单片机,如 ATMEL AVR 单片机,片内采用 FLASH,可多次编程。华邦公司生产的与8051 兼容的单片机也采用了 MTP 性能,OTP 的价位。这些单片机都使用了 ISP 技术,等安装到印刷线路板上以后再下载程序。252 单片机的发展趋势随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高,单片机正在不断产生新的变化和进步,人们发现:单片机与微机系统之间的距离越来越小,甚至难以辨认。单片机在目前的发展形势下,表现出以下几大趋势:(1) 可靠性及应用水平越来越高 和互联网的连接已是一种明显的走向。现在的新型单片机已经集成技术与蓝牙技术

30、,对网络的连接支持功能越来越强。(2) 所集成的部件越来越多 单片机在内部已集成了越来越多的部件,这些部件包括一般常用的电路,例如:定时器,比较器,/转换器,/转换器,串行通信接口,Watchdog 电路,LCD 控制器等。有的单片机为了构成控制网络或形成局部网,内部含有局部网络控制模块。(美国国家半导体)公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中,如果从功能上讲它可以是万用机,原因是其内部已集成上各种应用电路。(3) 功耗越来越低 现在新的单片机的功耗越来越小,特别是很多单片机都设置了多种工作方式,这些工作方式包括等待,暂停,睡眠,空闲,节电等工作方式。零功耗系统正是当前设计的追求目标。

31、(4) 和模拟电路结合越来越多 单片机正被广泛的嵌入到各种应用系统中。单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器,原因在于它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。(5) 可靠性越来越高在单片机应用中,可靠性是首要的因素,单片机自身的可靠性技术正在不断发展。第三章第三章 数据采集系统的硬件组成数据采集系统的硬件组成3.13.1 集散式数据采集系统的结构集散式数据采集系统的结构图 3-1 为 89C51 单片机构成的主从式数据采集处理系统。该系统应用于印染系统的水分及特定点的温度等的测量过程。 图 3-1 以 89C51 单片机构成的主从式数据采集处理系统在实际应用中，采用波特率为 9600bps，数

32、据桢为：1 位起始位+8 位数据位+1 位停止位数据交换时，主机呼叫从机地址，从机向主机发送本机数据。主机呼叫时，发出长度为 1 个字节数据（即从机地址） ，从机应答时向上传送 3 个双字节数据，数据格式为如图（3-2）： AA+数据， 图 3-2 数据格式即 7 个字节。假定在理想情况下，主机呼叫，从机立即回应，则主机完成与一个从机的数据交换最少需 ：（7+1）*10*1/9600=8.333ms （忽略数据桢之间的间隔和从机的地址判断即通信转移时间） 。假设采集系统中有 4 个采集单元，那么主机遍历一次所有采集单元至少需要 33.332ms。当传送数据长度增加或数据采集单元增加时，遍历时间

33、延长。实际上，在程序运行过程中数据交换所花费的时间远远大于理论计算植，这样就使主机的实时性降低。当主机接收数据采用中断方式实现的，会造成程序运行效率低，甚至造成“假死机现象”：运行-长时间停滞-再运行，致使采集处理系统无法正常运转。311 主从式结构为了克服上述方案中的缺陷，此方法提出了图 3-3 方案：分散采样，集中处理 该方案较好地解决了系统的实时性问题 即主从式结构 从机：工作在现场状态的数据采集单元仍然是以 CPU 为核心的智能单元，实现对现场模拟量（水分，温度等） 或现场状态的检测和采集，经过相应的预处理，如滤波，编码之后，以串行方式发给数据处理单元；主机：主机的任务是系统管理，初值

34、设定，通过串行通讯接口向从机发送各种命令和初值，接收从机发送来来的数据，对数据进行运算处理，输出最终结果。数据处理单元与每个采集单元之间以点对点的方式收发数据，每一路数据有一个独立的收发单片机（89c51） ，以并行传送方式与数据处理单元主处理器（89C52）进行信息交换。由于各路数据收发独立，且并行传送时间短（一般为几十个 us） ，由前端数据采集单元的数据到数据处理单元的传送时间主要取决于串行通信所用的时间，以 9600bps 传送 7个字节数据的时间 7*10*1/9600=7.292ms，各路传送并行工作，主处理器几乎可以同时获取数据，当数据采集器采样间隔不低于 20ms 时，该方案的

35、数据处理具有较好的实时性。数据处理单元与监控计算机（PC 机）之间采用串行通信方式传输信息的形式有两种：实时和随机。数据处理单元接收到采样数据后，进行相应的处理，如工程量转换，显示，报警，定时将工程量测量值上传给监控计算机，当出现异常情况如测量值超过报警值或采样系统出现故障等情况时，即刻上传故障信息。在监控计算机上对数据进行记录，存储，分类及实时监控。在系统中，为了适应生产车间测量点分散，距离长的特点，采集单元与处理单元，处理单元与计算机之间采用 RS485 总线，在 9600bps 速率下，使通信距离不小于 500m。3. 1. 2 硬件组成如图 3-3 所示，集散式数据采集处理系统由：监控

36、计算机单元，数据处理单元，总线隔离器单元，接收单片机，数据采集单元组成。1. 监控计算机单元：一般指工业 PC，即配制有满足通信传输的接口，如 RS-485 接口。监控计算机通过并行口（COM1/COM2）接收主处理器定时发送的测量值，并对数据进行记录，曲线显示，数据存储等。采用软件 VB6.0 开发。接收数据时，采用 VB 的Mscomm 控件，他具有完善的 收发功能，在程序中通过事件驱动方式接收数据，数据帧格式与图 2-2 相同。监控软件在执行过程中，也实现实时曲线显示，并自动创建数据库，根据需要可生成报表输出。2. 数据采集单元： 现场的数据采样和滤波处理由 AT89C51 和 14 位

37、 AD679 组成的数据采集单元完成。经过预处理的数据，按照图 2-2 所示的数据格式，由串行口发送端 TXD发出，在硬件上要用 MAX488 将弹片机输出的 TTL 信号转换成 RS-485 总线信号规则进行远程传送。3. 接收单片机：数据接收器采用 AT89C2051 单片机，与现场数据采集单元以串行通信方式 1 模式工作。4. 数据处理单元：数据处理单元采用 AT89C52 单片机，它具有 8K 的 FLASH ROM ，可以满足键盘管理，测量计算值显示，工程量转换以及通信管理等程序容量的要求。主处理器与数据接受器的信息交换书通过中断方式进行的。5. 数据隔离器：数据隔离器采用芯片 74

38、LS244 ， 74LS244 是一种三态输出的八缓冲器和线驱动器，主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器和定向发送器等6. RS-485 总线： MCS-51 系列单片机带有的一个全双工串行通行口提高了单片机与外部计算机，以及带串行口的外设的数据交换能力。单片机串行口输出电平 TTL 电平兼容且单线传输（对地而言）导致传输距离短（小于 5m）和通信速率慢（不超过 20kb/s） ，等缺点。为克服这些缺点，所以在单片机串行通信系统中采用 RS-485 通信方式。7. 键盘显示单元：用可编程键盘/显示接口 8279 芯片与键盘，七段数码管显示器的连接实现对采集的数据进行显示

39、，对符合标准的采集的数据进行存储。3.23.2 数据处理器数据处理器在本数据采集系统中，采用了 MCS-51 系列：AT89C51 和 89C2051 两片数据处理器芯片。MCS-51 单片机芯片的引线有两种：40 条引线的 8031（8032） ，8051/52，8751/52，89C51/52 和 20 条引线的 89C2051，89C1051。321 AT89C52 处理器数据处理器采用 AT89C52 单片机。如图 3-4 所示： 图 3-4 AT89C52 单片机引脚图兼容标准 MCS-51 指令系统的 AT89C52 单片机是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k

40、 bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）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，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可以提供许多高性低比的系统控制应用领域。 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

41、擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。AT89C52 有 PDIP、PQFP/TQFP 及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。1 . I/O 引脚和 I/O 端口 P0.7p0.0 : P0 口是一个漏极开路型准双向 I/O 口。在访问外部存储器时，它是数据总线和地址总线低 8 位分时复用的接口；在 EPROM 编程是，他接收指令字节；在验证程序时，输出指令字节，并要求外接上拉电阻。 P1.7P1.0： P1 口是带有内部上拉电阻的双向 I/O 口，它是通过 I/O 端口。在EPROM 编程和程序验证时，它接收底 8 位地址。 P2.7P2.0： P2 口是带有内部上拉

42、电阻的 8 位双向 I/O 口。在访问外部存储器时，它输出高 8 位地址；在对 EPROM 编程和程序验证时，他接收高8 位地址。 P3.7P3.0: P3 口是带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，它是双功能 I/O 端口。除基本输入/输出功能外，每个引脚还有专用功能。其专用引脚功能见表 3-1 所示。 表 3-1 P3 口引 脚 专用功能 I/O 口线 专 用 功 能 P3.0RxD(串行数据接收) P3.1 TxD(串行数据发送) P3.2（外部中断 0 请求输入） P3.3（外部中断 1 请求输入） P3.4T0（定时器 0 外部计数脉冲输入） P3.5TI （定时器 1 外部计数

43、脉冲输入）P3.6（外部数据存储器写信号）P3.7（外部数据存储器读信号） 2 . 复位引脚复位操作是计算机系统经常进行的操作，即使其软，硬件回到初始状态，准备工作。复位引脚 RESET复位功能 RST：单片机的复位是靠外部电路实现的。在震荡信号正常运行情况下，只要 RST 引脚保持两个机器周期以上的高电平，系统就能复位。理论上按主频2MHZ12MHZ 计算，复位高电品持续时间t。 t= =2s12s复位状态 复位状态就是单片机复位后内部寄存器及引脚的初始数据或初始电平。MCS-51 系列弹片机复位后内部各寄存器的状态如表 3-2 所列。 表 3-2 MCS-51 系列单片机复位后内部寄存器的

44、内容寄存器 内容寄存器 内容PC 0000H TMOD 00HA 00HTCON 00HB 00HTH0 00HPSW 00HTL0 00HSP 07HTH1 00HDPTR 0000HTL1 00HP0P3 FFHSCON 00HIP xxx00000HSBUF 不定IE 0 xx00000HPCON 00H 另外，复位时，ALE 和 配置为输入状态，即 ALE=1，=1。内部 RAM 不受复位的影响。3控制引脚MCS-51 系列单片机的控制引脚有一部分占用 P3 口线，前面已经介绍，另一部分是单独的引脚，介绍如下。1ALE/：地址锁存/编程脉冲引脚，输入/输出(1) ALE 功能：地址锁存

45、信号，输出。给应用系统中的地址锁存器提供锁存控制信号，实现地址/数据分时复用。时序图中已表明，在每一个机器周期（MOVX 指令除外）出现两个 ALE 正脉冲，当 ALE为高电平时，地址锁存器的输出随输入变化（这时 P0 口输出的是低八位地址信息） ；当ALE 由高电平变成低电平时，锁存器将地址锁定，即输出不再随输入变化（P0 口可传送数据信息） 。 另外，ALE 信号还可作为应用系统中频率要求较低的其他部件的时钟信号，计数信号等（但要注意：若程序中执行了 MOVX 指令，ALE 会出现不均匀的情况） 。(2) 功能：片内程序存储器编程脉冲，输入。对于 EPROM 型单片机，在对片内程序 存储器

46、编程时，该引脚输入编程脉冲信号。2. ：外部程序存储器读信号，输出，低电平有效由于 MCS-51 系列单片机外部程序存储空间和外部数据存储空间是独立的，但地址是重叠的，因此除了在指令上加以区分外，控制信号也有所不同。前面介绍的 RD，WR 是用于读/写数据存储器的，而 PSEN 是用于读程序代码的，它在应用系统中接程序存储器的读控制端。在访问外部程序存储器时，在每个机器周期，PSEN 两次有效。3/Vpp：内部程序存储器选择/编程电压引脚，输入。这是一个双功能引脚(1) 功能：内，外程序存储器选择信号。当访问该地址范围的存储单元时，由于 MCS-51 系列单片机的片内程序存储器与片外程序存储器

47、低端地址是重叠的，所以用引脚电平来区分是访问内部程序存储器，还是访问外部程序存储器。当 =“1”时选择访问单片机内部的程序存储器；当 =“0”时选择访问外部的程序存储器。但应注意，8031，8032，80C31 等几个型号的单片机无片内程序存储器，使用它们时应接地。(2) Vpp 功能：片内程序存储器编程电压。对于 EPROM 型单片机，在对片内 EPROM 编程 时 Vpp 引脚输入 21V 的编程电源电压。4主电源引脚1 Vcc：+5V 工作电压。正常工作时 Vcc 引脚接+5V 电源电压。2 Vss：接地端。正常工作时 Vss 引脚接地。5时钟引脚XTAL1 和 XTAL2 ：是 MCS

48、-51 系列单片机的时钟引脚，两引脚连接于单片机内部的一个高增益反向放大器，用于与外部震荡源一起构成震荡电路，其中 XTAL1 为该放大器的输入引脚，XTAL2 为该放大器的输出引脚。 表 3.3 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统 8k 可反复擦写(1000 次）Flash ROM 32 个双向 I/O 口 256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时/计数器中断 时钟频率 0-24MHz 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源 共 6 个中断源 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能322 89C2051 处

49、理器89C2051，AT89C52 与 MCS-51 系列单片机指令系统完全兼容，引脚功能相同。如图所示， 20 条引脚的 MCS-51 系列的 2051 和 1051 没有 P0 口和 P2 口，不能进行外部扩展。它们的内部有一个模拟比较器，相比较的模拟信号由 P1.0（AIN0）和 P1.1（AIN1）输入，模拟比较器的输出（在内部与 P3.6 相连）由 P3.6 输入。 图 3-5 89C2051 的引脚图3.33.3 3-83-8 译码器译码器74LS138 为 38 译码器，如图 3-5 所示为 74LS138 的引脚图 图 3-5 74LS138 引脚74LS138 在编码时，每一

50、种使用了的二进制码状态，都赋予了特定的含义，即表示了一个确定的信号或者对象。把代码的特定含义即表示了一个确定的信号或者对象。把代码的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。或者说，译码器可以将输入代码的状态翻译或相应的输出信号，以表示其原意，译码器是多输入，多输出的组合逻辑电路。译码器输入为 3 位 2 进制数，C，B，A，输出为 8 个 2 进制数，分别对应输入的 8 种状态组合，另外设有使能控制端，E3，E2，E1，当 E3=1，E2=0，E1=0 时，译码器正常译码。否则，译码器不实现译码，即不管译码输入 C，B，A 为何值 8 个译码输出均为高电平。 在实际的

51、应用中，有时使能控制端也可以用作复位端，实现 3-8 译码器的“清零” ，在该数据采集系统中，后面将用到这方面的知识。 由真值表，表 2-4 可知： 对应每个输入状态，仅有一个输出为 0，其余皆为 1，输出为低电平有效。例如： CBA=000 时，仅 Y0=0，即 Y0 是输入代码 000 的译码器输出。8 个输出对应 8 个最小项的非。表 3-4 74LS138 真值表输 入输 出使 能选 择C B A1 0 01 0 01 0 01 0 00 0 00 0 10 1 00 1 1011110111101111011111111111111111 0 01 0 01 0 01 0 01 0

52、01 0 11 1 01 1 1111111111111111101111011110111100 X XX 1 XX X 1X X XX X XX X X1111111111111111111111113.43.4 74LS24474LS244 隔离器隔离器74LS244 是 8 位 3 态总线驱动器，如图 3-6 。外设输入的数据和状态信号，可以通过数据输入 3 态缓冲器或 3 态总线驱动器经数据总线传送给微处理器。8 个数据输出端1Y11Y4，2Y12Y4 与微型计算机的数据总线相连，8 个数据输入端1A11A4，2A12A4 与外设相连。加到输出允许 1G 和 2G 的负脉冲将数据输入

53、端的数据送至数据输出端。执行 MOVX（IN）指令时，微处理器发出读寄存器信号，该信号通常是端口地址和读信号 RD 产生的。将读寄存器信号接至 74LS244 的输出允许端，MOVX 指令就把 3 态缓冲器 74LS244 数据输入端的数据，经数据总线输入到累加器 A 中。 图 3-6 74LS244 三态总线驱动器 表 3-5 引脚功能 3.53.5 RS-485RS-485 总线总线 单片微机应用系统中，相互通道接口主要采用串行通信方式，在设计应用系统通信接口时，主要考虑的是串行标准通信接口，传输介质，电平转换等。目前，许多厂家生产了各种集成芯片，能满足单片微机的 TTL 或 CMOS 电

54、平与 RS-232，RS-485，20mA 电流环各自规定的电气标准之间的匹配及转换。3.5.1 RS-485 总线在许多工业环境中，为了使设备简单和维护方便，总希望用最少的信号线来完成远程数据的采集与控制。在 RS-485 发送端，驱动器将 TTL 电平信号转换成差分信号输出，在接收端将差分信号还原成 TTL 信号，所以 RS-485 有很强和很高的抗共模干扰能力和接收灵敏度。在传送数据数据达 100kb/s，RS-485 的通信距离可 1200m，在传输距离过长的情1A 2A数据输入1Y 2Y数据输出 1A1Y 输出允许 2A2Y 输出允许况下，可用中继器来增加传输距离。3.5.2 MAX

55、485 这是用于 RS-485 和 RS-422 通信的底功耗收发器。MAX485 的驱动器转换率没有限制，因此允许它以 2.5Mbit/s 的速率进行传输。可吸收 120500uA 之间的电流，另外，MAX485 有一种低电流关机模式，该模式下仅消耗 0.1uA 电流。所有这些器件均由一个5V 电源供电。驱动器设有短路电流限制，当过热时，关机电路可将驱动器输出置成一种高阻状态；接收器输入有一种防故障功能，这种功能保证输入在开路状态下为逻辑高电平输出。3.5.3 MAX485 管脚功能介绍：（1）R0 接收器输出端 若 A 比 B 大 200mA；若 A 比 B 小 200mA，R0 为低。（

56、2）RE 接收器输出使能端 RE 为低时，R0 有效；RE 为高时，R0 为高阻状态（3）DE 驱动器输出使能端 若 DE 为高，驱动器输出 A（Y）和 B（Z）有效；若 DE为低，它们为高阻状态。若驱动器输出有效，器件作为线驱动器用；若为高阻状态时，RE 为低，器件作为线接收器用（4）DI 驱动器输入端 DI 为低，将使输出 A 为低，输出 B 为高；若 DI 为高，将使输出 A 为高，B 为低（5）GND 接地。（6）Y 不倒相驱动器输出。（7）Z 倒相驱动器输出。 （8）A 同相接收器输入和同相驱动器输出。（9）B 反相接收器输入和反相驱动器输出。（10）Vcc 电源正极，一般接+5V。

57、（11）NC 无内部连接。 图 3-7 80C51 串行口与 RS-485 的接口3.63.6 键盘键盘/ /显示控制器显示控制器 82798279键盘和 7 段显示器可以直接使用单片机 89C51 的并行口或者用 74LS273 和 74LS244，并行接口芯片 8255 或多功能接口芯片 8155 与微型计算机接口。用上述接口方法，对键盘和显示器的扫描是由软件实现的，不但程序比较复杂，更不利的是占用 CPU 很多时间。若采用专用的可编程键盘/显示控制器 8279 与微型计算机接口，则由 8279 对键盘和显示器进行自动扫描，可充分提高 CPU 的工作效率。3.6.1 8279 的主要功能

58、Intel8279 可以显示 8 位或 16 位 LED 显示器，可以和具有 64 个按键或传感器的阵列相连，通过编程可以实现多种工作方式。8279 的主要功能如下：（1） 键盘与显示器能同时工作；（2） 扫描式键盘工作方式；（3） 扫描式传感器工作方式；（4） 用选通方式送入输入信号；（5） 带有 8 字符的键盘先入先出存储器（FIFO）（6） 触点回弹时两键封锁或 N 键巡回；（7） 双排 8 字或 16 字节显示器；（8） 可右入或左出的 16 字节显示 RAM；（9） 工作方式可由 CPU 编程；（10） 可编程扫描定时，键盘送入时有中断输出。3.6.2 Intel8279 的管脚图

59、3-8 8279 引脚8279 采用 40 引脚封装，其管脚与逻辑符号如图 3-8 。起引脚功能分述如下：DB0DB7：双向缓冲器总线，与 CPU 总线连接，用于在 CPU 和 8279 之间传送命令，数据和状态信息。CLK： 时钟输入线，为 8279 提供内部定时时钟。RESET： 复位线，当输入高电平时，8279 复位。其复 位 状态为 16 个字符左入显示：编码扫描键盘双 键封锁；时钟为 31 分频。CS： 片选信号，当输入低电平时，允许对 8279 进 行读写操作，否则禁止。A0： 数据缓冲器地址输入线。A0=1 时，选择命令 或状态寄存器，A0=0 时，选择数据寄存器。RD，WD：

60、读写控制线，低电平有效。 IRQ： 中断请求线，高电平有效。在键盘工作方式下，当 FIFO/传感器 RAM 有数据是（有键闭合） ，IRQ 变为高电平向 CPU 请求中断。当 CPU 读出 FIFO 中的数据时，IRQ 变低，若 RAM 中还有数据，IRQ 在读出后又返回高电平，直至 FIFO 中数据被读完， 该线复位。在传感器工作中，每当检测到传感器状态变化时，IRQ 就出现高电平。Vcc，Vss：电源线（+5V） ，地线SL0SL3：行扫描输出线，用来扫描键盘和显示器。扫描分为译码方式和编码方式的输出波形图。RL0RL7：回送线，内部有有源提升电路，以保持高电平，有键闭和为低电平。在选通工