【文章內(nèi)容簡介】 分析了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后 給出了合適的方案。 方案 1 的電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 上 位 機(jī)離 散 量 采 集電 路單 片 機(jī) 輸 出 圖 方案一設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)框圖 圖 中， 在這一方案中，是單片機(jī)和上位機(jī)一種由上位機(jī)向下位機(jī)的單向傳輸方式。那么這樣下位機(jī)可以接收到由上位機(jī)發(fā)來的指令，開始遵照上位機(jī)的指令開始工作，如開始以某種方式接收離散量數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。 該方案的優(yōu)點(diǎn)是電路比較簡單，操作方便，但是該方案的缺點(diǎn)也很明顯， 單片機(jī)接受到數(shù)據(jù)之后不能返還給上位機(jī)，那么這樣上位機(jī)就不能得到數(shù)據(jù)，就不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，計(jì)算，暫存以及各種處理等 。 不能很好達(dá)到課題設(shè)計(jì)要求。 方案 2 的電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。 上 位 機(jī)離 散 量 采 集電 路單 片 機(jī) 輸 出 圖 方案二設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)框圖 如圖 所示這樣，是由下位機(jī)與上位機(jī)的一種單向傳輸。這樣可以彌補(bǔ)上一個(gè)方案采集數(shù)據(jù)發(fā)送不到上位機(jī)上的弊端，但是這個(gè)方案的缺點(diǎn)也是很明顯的。就是它忽視了上位機(jī)更重要的用途，即對(duì)下位機(jī)的控制功能。所以這也是不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)的。 方案 3 的電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 上 位 機(jī)離 散 量 采 集電 路5 1 單 片 機(jī) 最小 系 統(tǒng)輸 出MAX232 圖 方案三設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)框圖 方案 3 是一個(gè)比較 成熟的方案，它通過 MAX232 實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)的雙向連接，實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)與上位機(jī)的一種雙向傳輸方式。即可以讓下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)來的命令指令和控制指令，也可以上下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，讓上位機(jī)可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理。所以本設(shè)計(jì)采用方案三。 本文所設(shè)計(jì)的 離散量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件 體積小、精度高、 性能穩(wěn)定、操作方便、運(yùn)行操作簡單、 設(shè)計(jì)成本較低。由于 采用的器件都是已經(jīng)非常普遍的器件，大多數(shù)已經(jīng)批量生產(chǎn)，并且價(jià)格也十分低廉，如 STC89C52RC 單片機(jī)、 74HC54 74HC574和 MAX232 等 。 這就意味著所選擇使用的器件功能比較強(qiáng)大、穩(wěn)定，尤其是本次設(shè)計(jì)的核心元件 STC89C52RC 單片機(jī)，軟件配合度高，并具有種類齊全的支持芯片。這類微處理器既可用作控制器又適合于做數(shù)據(jù)處理，而且成本也甚是低廉。 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)課題要求，設(shè)計(jì)采用 STC 公司的 STC89C52RC 單片機(jī)為處理器，運(yùn)用TLP521 進(jìn)行光電隔離，采用 八位三態(tài) 同 相輸出總線緩沖器 74HC541 為輸入緩沖部分，而輸出緩沖部分則采用的是鎖存器 74HC574，由 撥動(dòng) 開關(guān)作為開關(guān)控制。另外，作為下位機(jī)系統(tǒng)，需要與上位機(jī)進(jìn)行通信，共同制定通信標(biāo) 準(zhǔn)，本次設(shè)計(jì)采用的是RS232 來進(jìn)行串口通信， MAX232 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。整體設(shè)計(jì)的方案原理圖見附錄1，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 上 位 機(jī)單 片 機(jī)串 口1 6 路 輸 入 緩 存光 電 隔 離多 路 開 關(guān)時(shí) 鐘1 6 路 輸 出 緩存復(fù) 位 電 路電 源 電 路 圖 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖 單片機(jī)模塊 單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件： CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像 、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 STC89C52RC 介紹 STC89C52RC（如圖 210 所示） 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中 。 為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 單片機(jī)內(nèi)部功能模塊和引腳圖分別如圖 、圖 所示。 CPURO M串行接口并行 I / O 口定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器RA M時(shí)鐘電路中斷系統(tǒng)P 0 P 1 P 2 P 3 T XD RX D I NT 0I NT 1 圖 51 單片機(jī)內(nèi)部功能塊 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流， 這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)當(dāng) 8051 通電，時(shí)鐘電路開始工作，在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器 PC 指向 0000H， P0P3 輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入 07H，其它專用寄存器被清 “0” 。 RESET 由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的狀態(tài) 。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖 。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求 的寬度。 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 主要性能參數(shù)介紹如下： (1) 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容； (2) 4K 字節(jié)可重復(fù)擦寫 Flash 閃爍存儲(chǔ)器； (3) 1000 次擦寫周期； (4) 全靜態(tài)操作： 0HZ24HZ； (5) 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； (6) 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM； (7) 32 個(gè)可編程 I/O 接口線； (8) 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； (9) 5 個(gè) 中斷源； (10) 可編程串行 UART 通道； (11) 低功耗空閑和掉電模式。 圖 51 單片機(jī)引腳圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源電路、晶振 電 路 及復(fù)位電路 構(gòu)成，它是單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)的核心部分，也單片機(jī)平臺(tái)開發(fā)的基礎(chǔ)。 其余的外部功能電路都是在這個(gè)最小電路的基礎(chǔ)上再開發(fā)出來的。 電源電路 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 電源電路 本設(shè)計(jì)的電源通過計(jì)算機(jī)的 USB 口供給，使用套件提供的 USB,A 轉(zhuǎn) B 口電纜連接計(jì)算機(jī) USB 口與設(shè)計(jì)板即可。其次選擇 USB 是考慮到它的一下有點(diǎn)： （ 1） USB 為所有的 USB 外設(shè)提供了單一的、易于使用的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型。這樣一來就簡化了 USB 外設(shè)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也簡化了用戶在判斷哪個(gè)插頭對(duì)應(yīng)哪個(gè)插槽的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口。 （ 2）整個(gè)的 USB 的系 統(tǒng)只有一個(gè)端口和一個(gè)中斷，節(jié)省了系統(tǒng)資源。 （ 3） USB 支持熱插拔和 PNP，也就是說在不關(guān)閉 PC 的情況下可以安全的插上的斷開 USB 設(shè)備，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地檢測外設(shè)的插拔，并且動(dòng)態(tài)地加載驅(qū)動(dòng)程序。其他普通的外圍連接標(biāo)準(zhǔn)，如 SCSI 設(shè)備等必須在關(guān)掉主機(jī)的情況下才能插拔外圍設(shè)備。 （ 4） USB 在設(shè)備供電方面提供了靈活性。 USB 直接連接到 Hub 或者是連接到Host 的設(shè)備可以通過 USB 電纜供電，也可以通過電池或者其他的電力設(shè)備來供電，或者用兩種供電方式的組合，并且支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式。 （ 5） USB 提供全速 12Mbps 的速度和低速 的速度來適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)。 （ 6）為了適應(yīng)各種不同類型外圍設(shè)備的要求， USB 提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸、中斷數(shù)據(jù)傳輸和同步傳輸?shù)取? （ 7） USB 的端口具有很靈活的擴(kuò)張性。 沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 時(shí)鐘電路 圖 晶振電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生 MCS51 單片機(jī)工作時(shí)所必須的時(shí)鐘信號(hào)。 時(shí)鐘是時(shí)序的基礎(chǔ)， 為保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下，嚴(yán)格地按時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作。因此，時(shí)鐘頻率和質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘方式 。 本系統(tǒng)使用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。 單片機(jī)片內(nèi)由一個(gè)反向放大器構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時(shí)鐘。 該反相放大器的輸入端為引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。這兩個(gè)引腳 外 接石英晶體振蕩器作為定時(shí)元件，內(nèi)部反向放大器自激振蕩，產(chǎn)生時(shí)鐘。 C1， C2 對(duì)頻率有微調(diào)作用 。C1 和 C2 值選擇為 30PF。晶振頻率選擇 。在實(shí)際連接中，為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。 復(fù)位電路 RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，高電平有效。 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。 單片機(jī)在啟動(dòng) 運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作 ，只要給 RESET 引腳加上 2 個(gè)及其周期以上的高電平信號(hào)，就可使 MCS51 單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位相當(dāng)于系統(tǒng)的重新啟動(dòng)，可以擺脫系統(tǒng)錯(cuò)誤或死鎖狀態(tài)。只要該引腳保持高電平，單片機(jī)便循環(huán)復(fù)位，當(dāng)該引腳變低后，單片機(jī)由 ROM 的 0000H 開始執(zhí)行程序。復(fù)位操作不影響內(nèi)部 RAM的內(nèi)容。 單片機(jī)復(fù)位方式由上電自動(dòng)復(fù)位和手工復(fù)位兩種，本設(shè)計(jì)采用的是手工按鈕復(fù)沈陽航空航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 位，其電路圖如圖 所示。 圖 復(fù)位電路 輸入輸出模塊 光電隔離模塊 光 電隔離電路的作用是在電隔離的情況下 ,以光為煤介傳送信號(hào) ,對(duì)輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離 .因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處，使其在強(qiáng) 弱電接口，特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。 其引腳圖和原理圖分別如圖 、圖 所示。 圖 TLP5214 引腳