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正文內(nèi)容

基于rs232的8位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

2025-06-19 23:39 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 1 相近:所含部件有:①、 8031CPU;②、振蕩電路;③、總線控制部件;④、中斷控制部件;⑤、片內(nèi) FLASH 存儲(chǔ)器;⑥、片內(nèi) RAM;⑦、并行 I/O 接口;⑧、定時(shí)器;⑨、串行 I/O 接口。其中在 89 系列單片機(jī)中, AT89C1051 的 FLASH 存儲(chǔ)器容量最小,只有 1K,內(nèi)部不含串行接口,RAM 只有 64GE 字節(jié)。 AT89C2051 的概括功能 *和 MCS51 產(chǎn)品的兼容 *2K 字節(jié)可重編程閃 速存儲(chǔ)器 *耐久性: 1000 寫(xiě) /擦除周期 *~ 6V的操作范圍 *全靜態(tài)操作: 0HZ~ 24MHZ *兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 *128*8 位內(nèi)部 RAM *15 根可編程 I/O 引線 *兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 *六個(gè)中斷源 *可編程串行 UART 通道 *直接 LED 驅(qū)動(dòng)輸出 *片內(nèi)模擬比較器 *低功耗空載和掉電方式 16 AT89C2051 的結(jié)構(gòu) AT89C2051 是一帶有 2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低 壓,高性能CMOS 8 位微型計(jì)算 機(jī), 它采用 ATMEL 的高密非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過(guò)在單塊芯片上組合通用的 CPL1 和閃速存儲(chǔ)器, ATMEL AT89C2051 是一強(qiáng)勁的微型計(jì)算機(jī),它對(duì)許多嵌入式控制應(yīng)用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。 AT89C2051 提供 2K 字節(jié)閃速存儲(chǔ)器, 128 字節(jié) RAM, 15 根 I/O 引線,兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器,一個(gè)五向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu),一個(gè)全雙工串行口,一精密模擬比較器以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。此外, AT89C2051 上用可降到 0 頻率的邏輯操作設(shè)計(jì)的并支持兩種可選擇的軟件節(jié)電工作方式。一種是空閑方式:即停止 CPU工作但允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器,串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作;另一種是掉電方式,即保存 RAM 內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止所有其他部件的工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 AT89C2051 的引腳說(shuō)明 AT89C1051 的引腳如 圖 10 所示: VCC:電源電壓。 GND:地。 P1 口: P1 是一 8 位雙向 I/O 口,口引腳 至 提供內(nèi)部上拉電阻, 至 要求外部上拉電阻。 和 還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的 17 同相輸入 (AINO)和反向輸入( AINI)。 P1 口輸入緩沖器可吸收 20mA 電流并能直接驅(qū)動(dòng) LED 顯 示。當(dāng) P1 口引腳寫(xiě)入“ 1”時(shí),其可用作輸入端。當(dāng)引腳 至 用作輸入并被外部拉低時(shí) ,它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流 (IIL)。 P1 口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接受代碼數(shù)據(jù)。 P3 口: P3 口的 至 , 是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個(gè)雙向 I/O 引腳。 用吸收 20mA 電流。當(dāng) P3 口引腳寫(xiě)入“ 1”時(shí),它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí),被外部拉低的 P3 口引腳將因上拉電阻而流出電流( IIL)。 P3 口還用于實(shí)現(xiàn) AT89C2051 的各種特殊功能。見(jiàn) 表 1: P3 口還接收一些用于閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 RST:復(fù)位輸入。 RST 一旦變成高電平所有的 I/O 引腳就復(fù)位到“ 1”。當(dāng) 振蕩器正在運(yùn)行時(shí),持續(xù)給出 RST 引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平變可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需 12 個(gè)震蕩器或時(shí)鐘周期。 XTAL1:作為震蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 XTAL2:作為震蕩器反相放大器的輸出。 AT89C2051 的振蕩器 和專用寄存器 特性 XTAL1 和 XTAL2 分別構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端,如 圖11 所示??刹捎檬⒕w或陶瓷振 蕩器組成振蕩器。要從外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)AT89C2051,則 XTAL2 應(yīng)浮空,而 XTAL1 的驅(qū)動(dòng)如 圖 12 所示。由于輸入到內(nèi)部時(shí)鐘電路是經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器的,故不需要對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的工作周期提出特別要求,但它必須遵守最小和最大電壓高低電平的時(shí)間規(guī)范。 其次,專用功能寄存器( SFR),不是存儲(chǔ)區(qū)中所有的地址單元都被占用, 18 未占用的地址單元不能采用,如果對(duì)其執(zhí)行讀訪問(wèn)一般會(huì)返回隨機(jī)數(shù)據(jù),寫(xiě)訪問(wèn)也是不確定的。 由于在將來(lái)的產(chǎn)品中可能利用未占用的單元來(lái)產(chǎn)生一些新功能,故用戶軟件不應(yīng)對(duì)寫(xiě)入“ 1”,在這種情況下,新位的復(fù)位或 不激活值總是 0。 5 通信電路及元器件介紹 MAX232 芯片 51 單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口,所以單片機(jī)和 PC 之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通信時(shí)要滿足一定的條件,如 PC 的串口是 RS232 電平的,而單片機(jī)的串口是 TTL 電平的,兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路,這里用專用芯片 MAX232 進(jìn)行轉(zhuǎn)換,用專用芯片更簡(jiǎn)單可靠。 MAX232 如 圖 13 所示。 它包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器,內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器,可以把輸入的+5V 電壓變換位 RS232 輸出電平所需的 +10V 電壓。所以,用該芯 片接口的串行通信只需單一的 +5V電源就可以了。其應(yīng)用性更強(qiáng)。 圖 13( b) 中上半部電容1C 、 2C 、 3C 、 4C 及 V? , V? 是電源變換部分。實(shí)際應(yīng)用中,器件對(duì)電源噪聲很敏感。因此, ccV 對(duì)地需要加去耦電容 5C ,其值為 。電容 1C 、 2C 、 3C 、 4C取同樣數(shù)值的電解電容,以提高抗干擾能力。 19 圖 13( b) 下半部分為發(fā)送和接收部分, 1inT , 2inT 可直接接 TTL/CMOS 電平的 MCS51 型單片機(jī)的串行發(fā)送端 TXD; 1outR , 2outR 可直接接 TTL/CMOS 電平的 MCS51 型單片機(jī)的串行接受端 RXD; 1outT , 2outT 可直接接 PC 機(jī)的 RS232串口接受端 RXD; 1inR , 2inR 可直接接 PC 機(jī)的 RS232 串口發(fā)送端 TXD。 硬件原理圖如 圖 14 所示。 20 串口通信的硬件連接采用三線制連接串口,就是說(shuō)和 PC 的 9 針串口只連接其中的 3 根線:第 5 腳的 GND、第 2 腳的 RXD、第 3 腳的 TXD。這是最簡(jiǎn)單的連接方法,但是對(duì)本題來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了, MAX232 的第 11 腳和單片機(jī)的 11 號(hào)引腳連接,第 12 腳和單片機(jī)的 10 腳連接,第 15 腳和單片機(jī)的 20 腳連接。 MAX232的第 14 腳和 PC 機(jī)串口的 2 號(hào)引腳連接,第 13 腳和 PC 機(jī)串口的 3 號(hào)引腳連接,第 15 腳和 PC 機(jī)串口的 5 號(hào)引腳連接。 RS232接口標(biāo)準(zhǔn) RS232 是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn),最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)( EIA)制訂并發(fā)布的, RS232 在 1962 年發(fā)布,命名為 EIA232E,作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。 RS422 由 RS232 發(fā)展而來(lái),它是為彌補(bǔ) RS232 之不足而提出的。為改進(jìn) RS232 通信距離短、速率低的缺點(diǎn), RS422 定義了一種平衡通信接口,將傳輸速率提高到 10Mb/s,傳輸距離延長(zhǎng)到 4000英尺(速率低于 100kb/s時(shí)),并允許在一條平衡總線上連接最多 10 個(gè)接收器。 RS422 是一種單 機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范,被命名為 TIA/EIA422A 標(biāo)準(zhǔn)。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍, EIA 又于 1983 年在 RS422 基礎(chǔ)上制定了 RS485 標(biāo)準(zhǔn),增加了多點(diǎn)、雙向 21 通信能力,即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上,同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性,擴(kuò)展了總線共模范圍,后命名為 TIA/EIA485A 標(biāo)準(zhǔn)。由于EIA 提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以 “RS” 作為前綴,所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域,仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以 RS 作前綴稱謂。 RS23 RS422 與 RS485 標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定,而 不涉及接插件、電纜或協(xié)議,在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。因此在視頻界的應(yīng)用,許多廠家都建立了一套高層通信協(xié)議,或公開(kāi)或廠家獨(dú)家使用。如錄像機(jī)廠家中的 Sony 與松下對(duì)錄像機(jī)的 RS422 控制協(xié)議是有差異的,視頻服務(wù)器上的控制協(xié)議則更多了,如 Louth、 Odetis 協(xié)議是公開(kāi)的,而 ProLINK 則是基于Profile 上的。 RS232 串行接口標(biāo)準(zhǔn) 目前 RS232 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。 RS232 被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。 RS232 采取不平衡傳輸方式,即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地,如從 DTE設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用 DB25 連接器時(shí)是 2 腳相對(duì) 7 腳(信號(hào)地)的電平 。 典型的 RS232 信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng),在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在 +5~ +15V,負(fù)電平在 5~ 15V 電平。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí),線上為 TTL,從開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束,線上電平從 TTL 電平到 RS232 電平再返回 TTL 電平。接收器典型的工作電平在 +3~ +12V 與 3~ 12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為 2V至3V 左右,所以其共模抑制能力差 ,再加上雙絞線上的分布電容,其傳送距離最大為約 15 米,最高速率為 20kb/s。 RS232 是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備)通訊而設(shè)計(jì)的,其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為 3~ 7kΩ 。所以 RS232 適合本地設(shè)備之間的通信 。 RS232 的電氣特性 EIARS232 對(duì)電氣特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定。 在 TXD 和 RXD 數(shù)據(jù)上: 邏輯 1( MARK) =3~+ 15V 邏輯 0( SPACE) =+3~ 15V 在 RST、 CTS、 DSR、 DTR 和 DCD 等控制線上: 22 信號(hào)有效(接通, ON 狀態(tài),正電壓) =+3~+ 15V 信號(hào)無(wú)效(斷開(kāi), OFF 狀態(tài),負(fù)電壓) =3~ 15V 以上規(guī)定說(shuō)明了 RS232 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定義。對(duì)于數(shù)據(jù)(信息碼):邏輯“ 1” (傳號(hào))的低電平低于 3V,邏輯“ 0”(空號(hào))的電平高于 +3V;對(duì)于控制信號(hào):接通狀態(tài)( ON)即信號(hào)有效的電平高于 +3V,斷開(kāi)狀態(tài)( OFF)即信號(hào)無(wú)效的低電平 3V,也就是當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于 3V 時(shí),電路可以有效地檢查出來(lái),介于3V~ +3V 之間的電壓無(wú)意義,低于 15V 或高于 +15V 的電壓也認(rèn)為無(wú)意義,因此,實(shí)際工作時(shí),應(yīng)保證電平在正負(fù)( 5~ 15) V之間。 EIARS232 與 TTL 轉(zhuǎn)換:很明顯, EIARS232 是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài),與 TTL 以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此,為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的 TTL 器件連接,必須在 EIARS232 與 TTL 電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件,也可用集成電路芯片 6 基于 RS232 的 8 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路圖及其原理 說(shuō)明 電路 圖如 圖 15 所示,主要組成器件有 AT89C205 ADC080地址鎖存器74LS37采樣保持器 LF39 MAX23多路開(kāi)關(guān) CD4051。其中 AT89C205 ADC080MAX232 構(gòu)成了一個(gè)基本的單元微機(jī)系統(tǒng)。 圖 15 中的 8 位的基于 RS232 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì) 8路模擬信號(hào)進(jìn)行采集,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào),模數(shù)轉(zhuǎn)換器用分辨率為 8位的 ADC0809。采樣 /保持電路為 ADC0809提供低噪聲、 穩(wěn)定、真實(shí)的信號(hào)源。 AT89C2051 通過(guò) P1 口的 、 、 、 、 與 ADC0809 芯片接口相連。芯片內(nèi)部有上拉電阻,帶負(fù)載能力較強(qiáng)。系統(tǒng)采用串口 ( RXD)、 ( TXD)把信號(hào)輸?shù)缴侠瓩C(jī),串行信號(hào)通過(guò) MAX232 芯片作電平轉(zhuǎn)換后,成為 RS232 口,通過(guò)該口與上拉機(jī)進(jìn)行通信,接收上拉機(jī)的指令,并將 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸給上拉機(jī)。在 ADC0809 轉(zhuǎn)換完成后,要求單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào) 。單片機(jī)可以通過(guò) ( TFS 腳 ) 。 ( SDATA 腳)和 ( CLK 腳)編程輸出對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。由于從 AT89C2051 串行口輸入 RXD和輸出 TXD,均為 TTL 電平,用 TTL 電平傳播,輸出距離短,故要使傳輸?shù)木嚯x增大,提高信號(hào)的準(zhǔn)確性,則需加 MAX232 芯片, 然后再由于 PC機(jī)相連。 從邏輯電路可以看出:?jiǎn)纹瑱C(jī)工作時(shí)是其內(nèi)部振蕩電路加外接晶體震蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的,并且在這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的同步下,執(zhí)行程序及系統(tǒng)的控制工作。而 23 8 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809的 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程是依賴外部振蕩電路提供的時(shí)鐘信號(hào)同步的。至于對(duì)哪一路輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,何時(shí)讀取 A/D 轉(zhuǎn)換,則是在AT89C2051 的控制下執(zhí)行。 7 總結(jié) 通過(guò)該分布式多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),由相同的模塊電路和不同的開(kāi)關(guān)地址選通不同的模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)多路模擬信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、傳送。但由于系統(tǒng)對(duì)采集速度和精度要求較低,故分 析結(jié)果數(shù)據(jù)存在一定誤差,采集量也不大,且只能實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)采集。所以還需要進(jìn)一步改進(jìn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 是科學(xué)試驗(yàn)中經(jīng)常用到的測(cè)量環(huán)節(jié)。通常由信號(hào)調(diào)理、 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、顯示等幾個(gè)功能模塊組成。隨著計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)終端的普及,數(shù)據(jù)通信在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用,在生產(chǎn)過(guò)程中,利用串行通信,人們可以遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)操作,能夠方便地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、
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