北工大电子工程设计基于温控系统的打印机应用(电信实验班版)(共15页)

1、 电子(dinz)工程设计报告 温度控制系统的定时测量、定时控制、数据(shj)记录 专业(zhuny)：电子信息工程 小组：04B 组 姓名学号： xx xx 指导教师：高新 完成日期：2015-4-21 摘要(zhiyo)本项目是为使闭环温度控制系统更加适应使用环境，提高产品的市场竞争力，在已经完成(wn chng)的闭环温度控制系统的基础上增加新功能。新增功能主要包括三个方面：时钟系统、定时温度打印、数据记录。时钟系统为整个新型闭环温控系统提供精准始终，帮助完成设定、显示实时时间和定时功能；定时温度打印实现存储时间点及当时温度数据并定时打印存储的数据的功能；数据记录可以实现实时温度变化曲

2、线打印功能，可自由设定监测数据数量，直观观察环境温度变化。 目录(ml)中文(zhngwn)摘要项目(xingm)背景需求分析 （一）主要功能 （二）关键技术难点方案设计（一）实时时钟方案（二）非易失存储方案（三）微型打印机方案电路设计（一）实时时钟（二）非易失存储（三）微型打印机（四）单片机补充软件设计实时时钟模块非易失存储微型打印机模块调试和问题（一）实时时钟调试 1、调试原理 2、调试步骤 3、现象和解决非易失存储器调试 1、调试原理 2、调试步骤 3、现象和解决微型打印机调试 1、调试原理 2、调试步骤 3、现象和解决致谢参考文献体会建议附录：照片和程序 项目(xingm)背景 小型温

3、度控制系统具有测温和控温功能，对于室内、车间、库房等需要恒温和控温的环境起到了重要作用。此系统可以通过传感器测量温度，通过单片机对测量温度进行读取和显示，并通过人机交互单元可以实现(shxin)手动设定和控温等功能。为了使本系统更加适应实际场地使用要求，提高产品市场竞争力，本项目主要实现设置及显示系统时间、掉电不丢失存储时间和温度并定时打印数据、实时打印温度曲线等功能。为此，我们设计并实现了实时时钟电路模块，非易始存储电路模块以及微型打印机电路模块并精心编写相应的功能模块程序。 需求(xqi)分析主要功能本项目需要在已经完成的闭环温度控制系统上增加一些新的功能。主要包括时钟系统定时温度打印、数

4、据记录和温度测控四个方面。 时钟系统指的是设置系统时钟、查询显示实时时间、实现定时功能。 定时温度打印指的是在设定的时间段内实时测量温度并存储，并在设定的时间点上打 印存储的数据。 数据记录指的是对温度测量的文字数据进行掉电不丢失存储和温度变化过程的实时数据绘图输出。 温度测控指的是实时测量温度并显示，设定温度通过闭环温度控制系统进行准确控温。技术难点本项目的关键技术是51 单片机 C 总线的原理与应用、使用打印机打印温度曲线、RTC 芯片读写。C8051F023 型号单片机拥有的SMBus I/O 接口是一个双线的双向串行总线，它与 C 总线兼容。系统控制器对总线的读写操作都是以字节为单位的

5、，由SMBus 接口自动控制数据的串行传输，数据传输的最大速率可达系统时钟频率的八分之一。串行总线最重要的便是设置同步时钟、传输数据的格式等。根据采用中断、查询等不同方式收发数据，还要确定好标志位。 微型打印机可以采用串行和并行两种方式传输数据，接收的命令及数据都是ASCII 码。为便于察看， 需要实时打印温度曲线及其坐标轴以及刻度值。但是，打印机不可同时打印数据点和ASCII 码，这就意 味着坐标轴与刻度不能同时打印，两个打印方式的协调关系需要仔细思考研究。RTC 芯片同样有串行和并行两种传输方式，串行采用 C 总线方式。芯片需要准确理解其中的寄存器功能，及其特殊功能寄存器的设置，以便获取、

6、设置准确的时钟。 方案设计实时时钟(shzhng)方案 实时钟电路为能够实时提供精确的日期、时间数据的专用电路，可用于以时间作为动作参考的测控系统之中。实时钟电路均带有标准的处理器接口，可以通过简单的数据访问(fngwn)操作实时获得所需的日期、时间信息。 市场上常用的实时时钟芯片有串行和并行两种数据传输方式。串行时钟所需焊接的线路少，占用面积小，采用I C 或SPI 等总线方式，需要(xyo)攻克51 单片机串行总线的原理和应用，程序编写注重时序略微复杂；并行时钟所需线路少，占用面积较串行时钟大一些，但无需使用单片机的串行总线模式，程序简单易懂，方便移植。 考虑到本项目是在已有的温控系统上添

7、加一块新的多功能电路板，板面积足够支持并行方式线路的焊接，且项目实施时间有限，另外并行方式程序简单短小，可快速、便捷、大量的获取、修改数据，故而采用并行时钟芯片。时钟芯片最终采用12887芯片。非易失存储方案 非易失存储器可用于掉电数据不丢失的数据保存需要。非易失存储器常用的有EPROM、EEPROM、Flash ROM、FRAM 等，其中E PROM 是低成本、使用简单的非易失存储器，可用于几百KB 规模的数据掉电不丢失存储，而且E PROM 可以在特定引脚上施加特定电压或使用特定的总线擦写命令就可以在在线的情况下方便完成数据的擦除和写入。E PROM 也可分为并行和串行两大类。并行E PR

8、OM 读写数据是通过 8 位数据总线传输，而串行EEPROM 的数据是一位一位的传输。虽然与并行 EEPROM 相比，串行传输数据较慢，但它拥有更小的体 积、更少的引脚数、更小的封装，更低的电压、更低的功耗、价格低廉、电路简单等优点，因此广泛用于智能仪器、仪表设备中。EEPROM 根据存储空间大小又分为(fn wi) 1K、2K、4K、8K、16K、32K、64K、128K、256K 等多种类型。综合考虑数据读写、设计难易程度、实际所需空间、性价比等因素，选用I C 串行总线方式、存储空间64K 的E PROM 芯片，实现多次重复读写大量数据功能。微型(wixng)打印机方案 微型打印机主要分

9、针打方式和热敏方式，两种方式的主要区别是打印速度，热敏打印方式的速度要远大于针打方式。此外微型打印机也有串/并两种数据传输方式。考虑到项 目对与打印机的速度并无过多要求，且为能够及时停止不希望的或是有误的打印操作，方便程序调试，节约用纸；项目时间有限，程序简单化，易懂易移植，采用(ciyng)针打方式，并行打印机。 由于学校提供的打印机说明书有很详细的并行打印机程序范例，和其他小组讨论以后，我们更加决定应该用并行打印。 程序设计实时时钟电路设计DS12887 是一款比较高档且常用的并行时钟芯片。采用 DS12887 芯片设计的时钟电路无需任何外围电路并具有良好的微机接口。DS12887 芯片具

10、有微功耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中。其主要功能如下： (1)内含一个锂电池，断电情况运行十年以上不丢失数据。 (2)计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能。 (3)二进制数码或BCD 码表示时间、日历和定闹。 (4)12小时或24 小时制，12 小时时钟模式带有PWM 和AM 指导，有夏令时功能。 (5)MOTOROLA5 和INATAEL 总线时序选择。 (6)有 128 个RAM 单元与软件音响器，其中 14 个作为字节时钟和控制寄存器，114 字节为通用RAM，所有ARAM 单元数据都具有掉电保护功能。 (7)可编

11、程方波信号输出。 (8)中断信号输出(IRQ)和总线兼容，定闹中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。 DS12887 的4 个状态寄存器用来控制和指出DS12887 模块的当前工作状态，除数据更新周期外，程序可随时读写这4 个寄存器。实时时钟电路设计如图4-1-1。电源、复位和中断请求引脚接入高电平。MOT、GND 引脚接入低电平，即选择 INTEL 总线时序。在 INTEL 时序下，DS 引脚被称为Read Input，RD 与典型存贮器的允许信号(xnho)(OE)的定义相同，故与单片机的读信号相连；而R/W 引脚被称为WR，与通用 RAM 的写允许信号

12、(WE)的含义相同，故与单片机的写信号相连。AS 为地址选通输入，用于实现信号分离，在AD/ALE 的下降沿把地址锁入时钟芯片，与单片机的ALE信号相连。CS为片选引脚，由于完成的温控系统已使用了CS0 中的前6 个地址（分别用于4 位数码管、键盘行列扫描芯片） 、CS1 （模数转换芯片）、CS2 （数模转换芯片），所以选用CS3 信号。参照表4-1-2 可知时钟内部个寄存器地址，见表4-1-3。非易失存储器的电路设计24C64 是一个64K 位串行CMOS E PROM 内部(nib)含有8192 个字节该器件通过 I C 总线接口进行操作。存储器电路设计见图4-2-1。A0、A1、A2、V

13、SS 引脚接地，其中A0、A1、A2 为器件地址输入端，此处设置为 000。VCC 接高电位。WP 为写保护，接入高电位时，所有内存变成写保护，即只读；接入低电位或悬空时，允许器件进行读写操作，由于需要经常进行温度数据的读写所以此处接地。SCL 为串行时钟，与单片机 I C 总线(zn xin)模式下的 SCL 信号相连且接入10K 上拉电阻。SDA 为串行数据/地址，与单片机I C 总线模式下的SDA 信号相连且接入10K 上拉电阻。关于上拉电阻阻值的确定，我们没有严格的计算(j sun)，是通过查询网上的芯片资料推断出的。微型(wixng)打印机电路设计AD7D7微型打印机采用北京新荣达公

14、司生产的针打打印机。微型打印机和单片机的连接图如图4-3-1。AD0D0T0BUSYAD1D1T1STBAD2D2AD3D3AD4D4AD5D5AD6D6 图4-3-1打印机的STB 信号和BUSY 信号需要与单片机连接。STB 信号由单片机产生，是数据选通触发脉冲，其上升沿时打印机从数据总线读入数据。BUSY 为忙信号，为高电平时表示打印机正在(zhngzi)打印不接受数据，为低电平时才接收数据。BUSY 信号使用单片机的1 个I/O 接收，每次发送数据前只需读入此 I/O 口数值进行判断即可。STB 信号也可由单片机 I/O 口输出，每次使打印机读入数据时只要先输出低电平再输出高电平产生上

15、升沿即可 单片机补充(bchng)电路设计由于新增的硬件电路需要单片机发送或接收相应的信号，在原单片机电路上需要增加线路(xinl)。只需要把单片机的SCL、SDA接给24C64的SCL、SDA，单片机的T0、T1接给打印机的BUSY、STB 软件设计实时时钟DS12887 的寄存器C 主要负责中断请求控制，寄存器D 为只读，指示内部电池是否耗尽。所以DS12887 时钟芯片的初始化主要任务是设置寄存器A 和寄存器B，寄存器A、B 的各布尔位定义见表5-1-1。 寄存器A 各位不受复位(f wi)的影响，UIP 位为只读位，其它各位均可读写。 UIP 位为更新周期标志位。该位为“1”时，表示芯

16、片正处于或将开始(kish)更新周期，此时程序不准读写时标寄存器；该位为“0”时，表示至少在 244us 后才开始更新周期，此时程序可读芯片内时标寄存器。经实际尝试，发现不查询该位直接读写时钟也可以，但是可能出现错误，为保证时间精准，采用(ciyng)查询该位为0 时读写方式。 DV0、DV1、DV2 为芯片内部振荡器RTC 控制位，只有010 的组合选择即可启动RTC。 RS3、RS2、RS1、RS0 为周期中断可编程方波输出速率选择位，在项目中不予使用，可置0。 寄存器B 允许读写，主要用于控制芯片的工作状态。SET 位为“0“时，芯片处于正常工作状态，每秒产生一个更新周期来更新时标寄存器

17、。为“1”时，芯片停止工作，程序在此期间可初始化芯片的各个时标寄存器。此位在设置时间前置1，设置完毕置0。 PIE、AIE、UIE 位分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断允许位，各位为“1” 时，允许芯片发相应的中断。 SQWE 位为方波输出允许位，在项目中不予使用，置0 即可。DM 位为时标寄存器，用于十进制BCD 码表示或用二进制表示格式选择位。为“0”时，为十进制 BCD 码数据模式；为 “1”时，为二进制码数据模式。为方便数据处理和读写，此处选择二进制码数据模式，置1。 24/12 位为24/12 小时模式设置位。为 “1”时，为24 小时工作模式；为 “0”时，为12 小时工作

18、模式。为方便数据处理，此处选择24 小时工作模式，即置1。 DSE 位为复令时服务位，此处无需使用，置0 即可。非易失存储功能模块 24C64 采用I C 总线传输方式，在C8051F023 信号单片机中为SMBus。仔细研读单片机数据手册可知24C64 工作在SMBus 的主收发方式，如图5-2-1 和5-2-4。由图5-2-1 和图5-2-2 可知，SMBus 的主发送方式对应24C64 存储器的写操作，此时单片机在 SDA 上发送串行数据，在 SCL 上输出串行时钟，而存储器在在SDA 上接收串行数据，在SCL 上输入串行时钟。SMBus 首先产生一个起始条件STA=1，之后中断标志SI

19、 置位，此时查询SMB0STA 状态寄存器可读到状态码0 x08，然后发送含有目标从器件地址和数据方向位的第一个字节，24C64 存储器的器件地址字节如表 5-2-3，可知此时单片机应发送二进制字节数据 1010 000 0，即A A A =000，写命令。存储器成功接收该数据后，会向单片机发送应答信号ACK，单片机接收到该应答信号后SI 置位，此时查询SMB0STA 状态寄存器可读到状态码0 x18。SMBus 继续发送人为指定的数据存储地址的高8 位节和低8 位以及8 位数据，且在每发送完一个字节后等待由存储器产生的应答信号ACK，SI 置位，查询SMB0STA 状态寄存器可读到状态码0

20、x28。最后， SMBus 产生一个停止条件STO=1。值得注意的是，24C64 芯片有写周期限制，即从一个写时序的有效停止信号到内部编程/擦除周期结束的这一段时间内，总线接口电路禁能，SDA 保持为高电平，器件不响应外部操作。24C6的数据手册指明其写周期为10ms，也就是说至少(zhsho)延时10ms，才能对其进行下一次操作。 从图5-2-4 和图5-2-5 可以看出，单片机的主接收方式对应存储器的读操作(cozu)，此时单片机在SDA 上接收串行数据，在SCL 上输出串行时钟，而存储器在SDA 上发送串行数据，在SCL 上输入串行时钟。对24C64 存储器的读操作和写操作类似，不同的地

21、方是不能直接读取数据，而需要先执行一个伪写操作，其器件地址字节仍为1010 000 0，以写入目标数据的存储地址，再写入一次器件地址字节1010 000 1，然后存储器会向单片机发送8 位数据，且最后由单片机向存储器发送应答信号NACK。其他的操作与写操作相同，只是数据方向不同，此处不再赘述。微型(wixng)打印机打印机需要能够打印温度数据和绘制实时温度变化曲线。打印机可以打印ASCII 码和描点。打印温度数据时，需要将以十六进制存储的数据分为高低位，再各自转化为 ASCII码输出到打印机。由于打印机不可同时打印 ASCII 码和描点，所以只能标出 Y 轴刻度值，而X 轴则以10 点为一个单

22、位以“点成线”方式绘制刻度线。 调试(dio sh)和问题实时(sh sh)时钟的调试和问题1.调试(dio sh)原理 读取DS12887 芯片的分、秒数据并显示在数码管上，观察显示的时间是否正确。如60秒果时间显示正确，无数字缺、跳，且为60 秒清零进位，即可判定电路工作正常。2.调试步骤 （1）电路板焊接完毕，对照原理图检查线路连接后进行测试。 （2）将温控系统各个电路板正确安插在调试台上，由稳压电源电路供电。 （3）连接好适配器，下载程序并运行。 （4）采用断点方式运行程序，在仿真平台上观察寄存器A、B 和读取到的分秒时间数据的值（最好将分秒时间显示在数码管上，方便观察）。 3.问题现

23、象、分析与解决 现象1：数码管显示的数据一直乱码 分析：初始化时可能发生错误，我们自身的程序出错导致芯片配置的不正确，也有可能是显示电路出现了问题导致乱码 解决：重新检查程序，更换了可靠的显示电路，问题解决。 （二）非易失存储器电路调试与问题 1.调试原理 指定存储地址并存入特定的数据，然后取出该地址数据送显，同时读取 SMB0STA 状态 寄存器的状态字，了解数据传输情况是否正确。单步执行后断点运行时，如果状态字正确，送显正确即可认定电路正常工作。 2.调试步骤 （1）电路板焊接完毕，对照原理图检查线路连接后进行测试。 （2）将温控系统各个电路板正确安插在调试台上，由稳压电源电路供电。 （3

24、）连接好适配器，下载程序并运行。 （4）采用单步或断点方式运行程序，在仿真平台上观察 SMB0STA 状态寄存器的状态字，观察数码管显示结果是否正确。 3. 问题现象、分析与解决 现象 1：调试时送显每一次SMB0DAT 寄存器，发现仿真平台显示的数值和数码管显示的数值不同。 分析：两者中其一出错。多次实验发现该现象重复出现，但每次都是数码管显示正确 数据。更改仿真平台数据格式、查阅相关资料等方法未果，得知仿真软件有其局限性和漏洞，需以数码管显示为准。 解决：需要检查的数据一律通过数码管显示出来(ch li)，不盲目依赖、信任仿真平台。（三）微型打印机电路(dinl)调试与问题 1.调试(di

25、o sh)原理 将打印机连接在调试台上，循环运行打印一个ASCII 码的程序，使用示波器观察BUSY和STB 信号，观察打印结果。如果BUSY 出现低电平，STB 形如矩形波有连续的上升沿和下降沿交替出现，打印结果正确，即可认定电路正常工作。 2.调试步骤 （1）电路板焊接完毕，对照原理图检查线路连接后进行测试。 （2）将温控系统各个电路板正确安插在调试台上，由稳压电源电路供电。 （3）连接好适配器，下载程序并运行。 （4）采用单步或断点方式运行程序，在仿真平台上观察BUSY 信号状态。使用示波器观察BUSY 和STB 信号波形，观察打印结果。3. 问题现象、分析与解决 现象1：打印机无反应。 分析：打