【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 及 單 片 機(jī) 選 型 ；系 統(tǒng) 軟 件 設(shè) 計(jì) ；上 位 機(jī) 軟 件 設(shè) 計(jì) 以 及 上 位 機(jī) 與 下 位 機(jī) 通 信 設(shè) 計(jì) 。河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2 章 系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求本 設(shè) 計(jì) 以 水 箱 供 水 為 模 型 ， 鑒 于 單 片 機(jī) 液 位 測(cè) 量 裝 置 的 測(cè) 量 準(zhǔn) 確 、 重 復(fù) 性 能 好 、功 耗 低 、 使 用 壽 命 長(zhǎng) 等 特 點(diǎn) ， 設(shè) 計(jì) 以 單 片 機(jī) 為 基 礎(chǔ) 的 液 位 測(cè) 量 監(jiān) 控 記 錄 系 統(tǒng) 。 它 具有 實(shí) 時(shí) 測(cè) 量 監(jiān) 控 水 箱 液 位 高 度 并 顯 示 的 功 能 ， 并 根 據(jù) 實(shí) 時(shí) 水 量 與 設(shè) 置 的 上 、 下 液 位參 數(shù) 的 比 較 ， 啟 動(dòng) 電 機(jī) 供 水 或 停 止 水 泵 。 在 啟 動(dòng) 電 機(jī) 與 停 止 水 泵 時(shí) ， 實(shí) 時(shí) 記 錄 時(shí)間 點(diǎn) 與 電 機(jī) 狀 態(tài) 。 液 位 測(cè) 量 高 度 ≤ 5 米 ， 測(cè) 量 精 度 10%， AC220V 供 電 ?？?通 過(guò) 上 位 機(jī) 軟 件 ， 可 與 監(jiān) 控 記 錄 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 通 信 ， 能 夠 從 PC 機(jī) 獲 取 當(dāng) 前 液 位高 度 、 電 機(jī) 狀 態(tài) 、 設(shè) 備 系 統(tǒng) 時(shí) 間 、 上 下 液 位 高 度 等 數(shù) 據(jù) ， 并 可 根 據(jù) 需 要 改 變 系 統(tǒng) 默認(rèn) 的 參 數(shù) 。 同 時(shí) 可 以 獲 取 設(shè) 備 運(yùn) 行 時(shí) 記 錄 的 數(shù) 據(jù) ， 并 能 夠 對(duì) 數(shù) 據(jù) 保 存 。 能 夠 根 據(jù) 一定 的 算 法 ， 計(jì) 算 分 析 單 位 時(shí) 間 水 箱 消 耗 水 量 ， 繪 制 圖 形 ， 通 過(guò) 計(jì) 算 分 析 的 結(jié) 果 ， 可以 進(jìn) 行 區(qū) 域 用 水 統(tǒng) 籌 ， 降 低 能 源 的 消 耗 。 系統(tǒng)框圖根 據(jù) 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 要 求 ， 采 用 單 片 機(jī) 為 主 控 芯 片 ， 通 過(guò) 單 片 機(jī) 數(shù) 據(jù) 地 址 總 線 及I/O 端 口 ， 擴(kuò) 展 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 模 塊 、 A/D 轉(zhuǎn) 換 模 塊 、 顯 示 模 塊 、 時(shí) 間 模 塊 、 串 口 通 信 模塊 以 及 A/D 轉(zhuǎn) 換 、 電 機(jī) 控 制 等 外 圍 電 路 ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 系 統(tǒng) 所 需 的 設(shè) 計(jì) 功 能 。 系 統(tǒng) 總體 方 案 框 圖 如 圖 21：河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 電機(jī)控制模塊A/D 轉(zhuǎn)換模塊按鍵與顯示模塊時(shí)間模塊存儲(chǔ)模塊通信模塊單片機(jī)主控模塊圖 21 系統(tǒng)總體框圖圖 中 ， 信 號(hào) 流 向 僅 指 示 了 通 過(guò) 數(shù) 據(jù) 地 址 總 線 或 I/O 口 上 發(fā) 生 的 數(shù) 據(jù) 信 號(hào) ， 不包 括 控 制 信 號(hào) 。 硬件設(shè)計(jì)方案 主控模塊設(shè)計(jì)方案單 片 機(jī) 作 為 主 控 模 塊 ， 使 得 在 對(duì) 單 片 機(jī) 選 型 上 有 了 較 大 的 空 間 。 單 片 機(jī) 在 30多 年 的 發(fā) 展 歷 程 中 ， 形 成 了 多 公 司 、 多 系 列 、 多 型 號(hào) “百 家 爭(zhēng) 鳴 ”的 局 面 。 因 而 ，選 擇 一 個(gè) 合 適 的 單 片 機(jī) 有 時(shí) 真 的 不 太 容 易 ， 要 考 慮 的 方 面 太 多 。 大 致 總 結(jié) 出 以 下幾 點(diǎn) ：1) 單片機(jī)的基本參數(shù)。例如速度、程序存儲(chǔ)器容量、I/O引腳數(shù)量等。2) 單片機(jī)的增強(qiáng)功能。例如看門(mén)狗、雙指針、雙串口、RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）、EEPROM、擴(kuò)展RAM、CAN接口、I2C接口、SPI接口、USB接口。3) Flash和OTP（一次性可編程）。4) 封裝：DIP（雙列直插）,PLCC（PLCC有對(duì)應(yīng)插座）還是貼片。5) 工作溫度范圍，工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī)。6) 功耗。7) 工作電壓范圍。例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器，2節(jié)干電池供電,至少應(yīng)該能在~。8) 供貨渠道暢通。河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 9) 價(jià)格。10) 燒錄器價(jià)格，能否ISP（在線系統(tǒng)編程）。11) 仿真器。12) 單片機(jī)匯編語(yǔ)言支持。13) 資料盡量豐富。14) 抗干擾性能好。15) 和其他外設(shè)芯片放在一起的綜合考慮。根 據(jù) 以 上 因 素 ： 系 統(tǒng) 的 實(shí) 時(shí) 性 要 求 不 高 ， 因 而 運(yùn) 算 速 度 無(wú) 需 很 快 ， 且 系 統(tǒng) 規(guī) 模不 大 ， 采 用 分 時(shí) 復(fù) 用 的 方 式 使 用 總 線 ， 對(duì) I/O 口 的 數(shù) 量 可 以 要 求 進(jìn) 一 步 降 低 。 使用 4 路 8 位 I/O 接 口 即 可 滿(mǎn) 足 設(shè) 計(jì) 要 求 ； 系 統(tǒng) 中 需 要 擴(kuò) 展 外 部 存 儲(chǔ) 器 對(duì) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 存儲(chǔ) ， 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 量 為 32KB 已 滿(mǎn) 足 要 求 ， 因 此 采 用 16 位 或 準(zhǔn) 16 位 地 址 總 線 的 單 片 機(jī)即 可 滿(mǎn) 足 設(shè) 計(jì) 需 要 ； 由 于 是 實(shí) 驗(yàn) 階 段 ， 采 用 DIP（ 雙 列 直 插 ） 封 裝 的 芯 片 便 于 實(shí)驗(yàn) ， 暫 不 考 慮 實(shí) 際 工 業(yè) 控 制 中 的 對(duì) 外 界 環(huán) 境 的 具 體 要 求 ； 系 統(tǒng) 采 用 AC220V 供 電 ，且 對(duì) 功 耗 沒(méi) 有 具 體 要 求 ， 使 用 DC5V 為 芯 片 供 電 ， 便 于 系 統(tǒng) 外 圍 電 路 的 設(shè) 計(jì) ； 芯 片支 持 ISP 可 節(jié) 省 仿 真 器 的 投 入 。綜 上 所 述 ， 采 用 與 MCS51 兼 容 的 AT89S52 單 片 機(jī) 滿(mǎn) 足 設(shè) 計(jì) 要 求 。AT89S52 是 一 種 低 功 耗 、 高 性 能 CMOS 工 藝 的 8 位 微 控 制 器 ， 具 有 8K 在 線 系統(tǒng) 可 編 程 Flash 存 儲(chǔ) 器 。 使 用 Atmel 公 司 高 密 度 非 易 失 性 存 儲(chǔ) 器 技 術(shù) 制 造 ， 與 工 業(yè)80C51 產(chǎn) 品 指 令 和 引 腳 完 全 兼 容 。 片 上 Flash 允 許 程 序 存 儲(chǔ) 器 在 系 統(tǒng) 可 編 程 ， 亦 適于 常 規(guī) 編 程 器 ， 使 得 AT89S52 為 眾 多 嵌 入 式 控 制 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 提 供 高 靈 活 、 超 有 效 的 解決 方 案 。AT89S52 具 有 以 下 標(biāo) 準(zhǔn) 功 能 ： 8k 字 節(jié) Flash， 256 字 節(jié) RAM， 32 位 I/O 口 線 ，看 門(mén) 狗 定 時(shí) 器 ， 2 個(gè) 數(shù) 據(jù) 指 針 ， 三 個(gè) 16 位 定 時(shí) 器 /計(jì) 數(shù) 器 ， 一 個(gè) 6 向 量 2 級(jí) 中 斷結(jié) 構(gòu) ， 全 雙 工 串 行 口 ， 片 內(nèi) 晶 振 及 時(shí) 鐘 電 路 。 另 外 ， AT89S52 可 降 至 0Hz 靜 態(tài) 邏輯 操 作 ， 支 持 2 種 軟 件 可 選 擇 節(jié) 電 模 式 。 空 閑 模 式 下 ， CPU 停 止 工 作 ， 允 許RAM、 定 時(shí) 器 /計(jì) 數(shù) 器 、 串 口 、 中 斷 繼 續(xù) 工 作 。 掉 電 保 護(hù) 方 式 下 ， RAM 內(nèi) 容 被 保 存 ，振 蕩 器 被 凍 結(jié) ， 單 片 機(jī) 一 切 工 作 停 止 ， 直 到 下 一 個(gè) 中 斷 或 硬 件 復(fù) 位 為 止 。 鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)方案河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 鍵 盤(pán) 在 單 片 機(jī) 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 中 是 一 個(gè) 很 關(guān) 鍵 的 部 件 ， 它 能 實(shí) 現(xiàn) 向 單 片 機(jī) 輸 入 數(shù) 據(jù) 、發(fā) 送 命 令 等 功 能 ， 是 人 工 干 預(yù) 單 片 機(jī) 系 統(tǒng) 的 主 要 手 段 。 考 慮 到 本 設(shè) 計(jì) 實(shí) 際 需 要 的 按鍵 較 少 ， 故 采 用 獨(dú) 立 式 鍵 盤(pán) 接 口 電 路 即 可 。 顯示模塊設(shè)計(jì)方案顯 示 器 是 計(jì) 算 機(jī) 的 主 要 輸 出 設(shè) 備 ， 在 簡(jiǎn) 單 的 工 業(yè) 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 常 用 的 顯 示 器 有數(shù) 碼 管 顯 示 器 （ LED） ， 液 晶 顯 示 器 （ LCD） 等 ， 該 系 統(tǒng) 僅 需 顯 示 液 位 高 度 ， 即 數(shù)字 量 ， 采 用 LED 顯 示 器 已 能 滿(mǎn) 足 系 統(tǒng) 要 求 。系 統(tǒng) 中 ， 要 求 測(cè) 量 范 圍 ≤ 5m， 測(cè) 量 精 度 為 10%， 假 設(shè) 測(cè) 量 范 圍 為 5m， 在 10%精 度 的 要 求 下 ， 其 測(cè) 量 的 有 效 值 為 5*10%=。 因 而 采 用 2 位 LED 顯 示 器 便 能 滿(mǎn)足 設(shè) 計(jì) 要 求 。在 單 片 機(jī) 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 中 ， LED 顯 示 器 的 現(xiàn) 實(shí) 方 法 有 兩 種 ： 靜 態(tài) 顯 示 法 和 動(dòng) 態(tài) 顯 示法 。 靜 態(tài) 顯 示 法 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 顯 示 程 序 十 分 簡(jiǎn) 單 ， 顯 示 亮 度 大 ， 由 于 CPU 不 必 經(jīng) 常 掃描 顯 示 器 ， 所 以 節(jié) 約 了 CPU 的 工 作 時(shí) 間 。 但 靜 態(tài) 顯 示 也 有 其 缺 點(diǎn) ， 主 要 是 占 用I/O 口 資 源 較 多 ， 硬 件 成 本 較 高 。 所 以 靜 態(tài) 顯 示 法 常 用 在 顯 示 器 數(shù) 目 較 少 的 應(yīng) 用 系統(tǒng) 中 。 為 了 解 決 靜 態(tài) 顯 示 占 用 I/O 口 資 源 的 缺 點(diǎn) ， 在 軟 件 上 采 用 壓 縮 BCD 碼 輸 出顯 示 數(shù) 據(jù) ， 硬 件 上 使 用 一 個(gè) 8 位 鎖 存 器 74LS273 與 兩 個(gè) BCD 數(shù) 碼 顯 示 譯 碼 驅(qū) 動(dòng) 芯片 74LS47 連 接 ， 減 少 對(duì) 系 統(tǒng) 資 源 的 占 用 時(shí) 間 。 由 于 74LS47 譯 碼 為 共 陽(yáng) 極 數(shù) 碼 管的 碼 表 ， 因 而 選 用 8 段 （ 帶 小 數(shù) 點(diǎn) ） 共 陽(yáng) 極 LED 用 于 數(shù) 據(jù) 顯 示 。 高 位 顯 示 米 單 位 ，低 位 顯 示 分 米 單 位 ， 且 高 位 小 數(shù) 點(diǎn) 常 亮 。 單 片 機(jī) 使 用 1 位 I/O 口 控 制 數(shù) 據(jù) 的 鎖 存 。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)方案使 用 AT89S52 內(nèi) 部 256 字 節(jié) 的 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 記 錄 數(shù) 據(jù) 是 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 不 夠 的 ， 因 而 需 要 擴(kuò)展 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 。數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 可 選 擇 的 種 類(lèi) 繁 多 ， 常 用 的 有 隨 機(jī) 存 取 存 儲(chǔ) 器 （ RAM） 、 只 讀 存 儲(chǔ)器 （ ROM） 與 閃 存 （ FLASH） 。RAM 是 存 儲(chǔ) 單 元 的 內(nèi) 容 可 按 需 隨 意 取 出 或 存 入 ， 且 存 取 的 速 度 與 存 儲(chǔ) 單 元 的 位置 無(wú) 關(guān) 的 存 儲(chǔ) 器 。 這 種 存 儲(chǔ) 器 在 斷 電 時(shí) 將 丟 失 其 存 儲(chǔ) 內(nèi) 容 ， 故 主 要 用 于 存 儲(chǔ) 短 時(shí) 間河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 使 用 的 程 序 。ROM 通 常 指 固 化 存 儲(chǔ) 器 （ 一 次 寫(xiě) 入 ， 反 復(fù) 讀 取 ） ， 它 的 特 點(diǎn) 與 RAM 相 反 。 ROM又 分 一 次 性 固 化 、 光 擦 除 和 電 擦 除 重 寫(xiě) 兩 種 類(lèi) 型 。閃 存 則 是 一 種 不 揮 發(fā) 性 （ NonVolatile） 內(nèi) 存 ， 在 沒(méi) 有 電 流 供 應(yīng) 的 條 件 下 也 能夠 長(zhǎng) 久 地 保 持 數(shù) 據(jù) ， 其 存 儲(chǔ) 特 性 相 當(dāng) 于 硬 盤(pán) ， 這 項(xiàng) 特 性 正 是 閃 存 得 以 成 為 各 類(lèi) 便 攜型 數(shù) 字 設(shè) 備 的 存 儲(chǔ) 介 質(zhì) 的 基 礎(chǔ) 。NOR 和 NAND 是 現(xiàn) 在 市 場(chǎng) 上 兩 種 主 要 的 非 易 失 閃 存 技 術(shù) 。NAND 閃 存 的 存 儲(chǔ) 單 元 則 采 用 串 行 結(jié) 構(gòu) ， 存 儲(chǔ) 單 元 的 讀 寫(xiě) 是 以 頁(yè) 和 塊 為 單 位 來(lái) 進(jìn)行 （ 一 頁(yè) 包 含 若 干 字 節(jié) ， 若 干 頁(yè) 則 組 成 儲(chǔ) 存 塊 ， NAND 的 存 儲(chǔ) 塊 大 小 為 8 到 32KB） ，這 種 結(jié) 構(gòu) 最 大 的 優(yōu) 點(diǎn) 在 于 容 量 可 以 做 得 很 大 ， 超 過(guò) 512MB 容 量 的 NAND 產(chǎn) 品 相 當(dāng) 普遍 ， NAND 閃 存 的 成 本 較 低 ， 有 利 于 大 規(guī) 模 普 及 。NAND 閃 存 的 缺 點(diǎn) 在 于 讀 速 度 較 慢 ， 它 的 I/O 端 口 只 有 8 個(gè) ， 比 NOR 要 少 多 了 。這 區(qū) 區(qū) 8 個(gè) I/O 端 口 只 能 以 信 號(hào) 輪 流 傳 送 的 方 式 完 成 數(shù) 據(jù) 的 傳 送 ， 速 度 要 比 NOR閃 存 的 并 行 傳 輸 模 式 慢 得 多 。 再 加 上 NAND 閃 存 的 邏 輯 為 電 子 盤(pán) 模 塊 結(jié) 構(gòu) ， 內(nèi) 部 不存 在 專(zhuān) 門(mén) 的 存 儲(chǔ) 控 制 器 ， 一 旦 出 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 壞 塊 將 無(wú) 法 修 ， 可 靠 性 較 NOR 閃 存 要 差 。NOR 的 特 點(diǎn) 是 芯 片 內(nèi) 執(zhí) 行 (XIP, eXecute In Place)， 這 樣 應(yīng) 用 程 序 可 以 直 接在 flash 閃 存 內(nèi) 運(yùn) 行 ， 不 必 再 把 代 碼 讀 到 系 統(tǒng) RAM 中 。 NOR 的 傳 輸 效 率 很 高 ， 在1～ 4MB 的 小 容 量 時(shí) 具 有 很 高 的 成 本 效 益 ， 但 是 很 低 的 寫(xiě) 入 和 擦 除 速 度 大 大 影 響 了它 的 性 能 。NAND 結(jié) 構(gòu) 能 提 供 極 高 的 單 元 密 度 ， 可 以 達(dá) 到 高 存 儲(chǔ) 密 度 ， 并 且 寫(xiě) 入 和 擦 除 的速 度 也 很 快 。 應(yīng) 用 NAND 的 困 難 在 于 FLASH 的 管 理 和 需 要 特 殊 的 ?？?以 看 出 ROM 的 存 儲(chǔ) 復(fù) 雜 ， 不 適 宜 實(shí) 時(shí) 系 統(tǒng) 的 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 。FLASH 是 一 個(gè) 不 錯(cuò) 的 解 決