测控技术与仪器 毕业论文范文——基于单片机的串行通信系统开发.doc

1、基于单片机的串行通信系统开发摘要：本单片机系统采用 AT89S52 控制，整个硬件系统由 A/D、D/A 转换、LED 显示、键盘、串行通信等模块组成。给出了整个电路原理图与各部分电路原理图以及主要源程序。本设计完成了单片机部分的开发设计，若配上采集电路和相应的软件就能将测量结果用 LED 数码管十进制显示出来，其中包括了 A/D、D/A 转换，还可以用按键来控制，进行人机对话；系统中设置了 5 个按键，其中 1 个是复位键，其余的 4 个键，用程序来控制实现不同的功能。之所以没有设计外部采集电路是因为设计了外部采集电路系统的功能就比较单一，不方便系统功能的外部扩展。该系统还能实现单片机与 P

2、C 机的串行通信和编程的下载、软件设计的时钟显示。关键词：单片机 AT89S52；串行通信；A/D 转换；D/A 转换；LED 数码管显示 Serial Communication System Development Based on SCMAbstract:It adopts AT89S52 to control the Single Chip microcomputer system, the whole hardware system is composed of A/D and D/A transformation, LED display, keyboard, serial com

3、munication. Gives the circuit diagram with the part of the circuit diagram and the main source, If collection circuit and the relevant software are equiped, it can realize that the metrical results are displayed by numeral tube LED in term of decimal system, including A/D and D/A transformation, it

4、also can be controlled by keystroke, makes the man-machine conversation. The system is mounted by five keystroke, one restoring key, another four keys which can be used to realize different functions under the control of program. The reason why the external collection circuit has not been designed i

5、s because that the function of it will be single if it is designed and it will not be convenient to spread the function of the system. Here the whole system can realize serial communication of Single Chip Micyoco and machine PC, the download of programming, the display of the clock which is designed

6、 by software.Key words: Microcomputer AT89S52; serial communicaiton; A/D transformation; D/A tranformaiton; LED numeral tube display.1 绪论1.1 系统开发背景和系统设计的意义单片机的主要优点是抗干扰能力强、价格低廉、功耗极小等，其明显不足是运算功能和显示功能较差。而 PC 机的特点正好与其相反，因而，把单片机放在恶劣的远程前端，作为从机（也称为下位机），而把 PC 机放在条件较好的环境中作为中央控制机（也称为上位机）。利用单片机的串行口与 PC 机的串行口进行

7、串口通信，PC 机可对远程前端单片机进行控制，将单片机采集的数据传送到PC 机中，由 PC 机对数据进行处理和显示，同时把反馈信号发到单片机，实现闭环控制和管理。随着现代技术的高速发展，电脑涉及的应用是越来越广泛，工业、第 2 页 共 52 页农业、军事上都有它的身影，而作为下位机的单片机更是不可或缺。有了它，各种设备都提高了智能化程度，增加了功能，使人们的生活更加方便舒适。在很多工业自动控制场合，其应用是最广泛的。很多工作环境是不允许人们进行实地考察和工作的，这时，只能靠单片机进行采集工作，由远程的 PC 进行控制，这样大大增加工人们的安全系数。而在产品生产过程中也是采用了这样的方式，由于单

8、片机在电脑的控制下效率有了明显的提高，大幅度减轻了工人的工作强度。可以说今天工业上巨大发展是离不开 PC 机与单片机的。1.2 串行通信的基本原理串行通信是指数据按位顺序传送的通信。串行数据传送的特点是：通信线路简单，最多只需一对传输线即可实现通信，成本低但速度慢，其通信线路既能传送数据信息，又能传送联络控制信息；它对信息的传送格式有固定要求，具体分为异步和同步两种信息格式与此相应有异步通信和同步通信两种方式；在串行通信中，对信息的逻辑定义与 TTL 不兼容，需要进行逻辑电平转换：计算机与外界的数据传送大多是串行的，其传送的距离可以从几米到几千公里。单片机中使用的串行通信通常都是异步方式的。1

9、.2.1 异步传送方式异步传送的特点是数据在线路上的传送是不连续的。在线路上数据是以一个字(或称字符)为单位来传送的。异步传送时，各个字符可以是接连传送的，也可以是间断传送的。这完全由发送方根据需要来决定的。另外在异步传送时，同步时钟脉冲并不传送到接收方，即双方各用自己的时钟源来控制发送和接收。1.2.2 同步传送方式同步传送是一种连续传送数据的方式。在通信开始以后，发送端连续发送字符，接收端也连续接收字符，直到通信告一段落。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位。1.2.3 通信中数据的传送方式通常在串行通信中。数据在两个站之间是双向传送的，既可以 A 站作发送端，B 站作

10、接收端：也可以 B 站作发送端，A 站接收端。根据具体的需要，又可分为半双工(Half Duplex)和全双工(FullDuplex)，半双工只有一条传输线，尽管传输也可以双向进行，但每次只能有一个站发送，另一个站接收。即可以是 A 发送到第 3 页 共 52 页B，也可以是 B 发送到 A，但 A，B 不能同时发送当然也不能同时接收。而全双工有两条传输线，因此两个站既可以同时发送，又可以同时接收，或者说一个站可以同时进行发收。1.3 通信过程的实现 RS-232串行接口标准为了便于计算机和各种外围设备的串行通信连接，更广义地来讲是为了各种数据终端设备(DTE )和数据通信设备 (DCE)之间

11、的连接。制定了若干种串行通信接口标准。只要是符合某种标准的设备之间就可以直接互相连接、互相通信。RS-232 串行接口标准是目前最常用的标准之一。RS-232-C 串行通信接口是美国电气工业协会(EIA )与 BELL 公司等一起开发的一种标准通信协议，现在它在终端、外设与计算机中被广泛应用。完整的 RS-232 接口有 25 根线，采用一种 25 芯(针)的插头座，彼此连接十分方便。现在经常采用一种 9 针的插座来互相连接，因为 25 条线种最经常使用的只有 9 条线。1.4 RS-232标准接口的实现及电平转换Pc 机有两个标准的 RS-232 串行口，其电平采用的是 EIA 电平，而单片

12、机的串行通信是由 T)(D(发送数据)和 R 如(接收数据)来进行全双工通信的，它们的电平是 TTL 电平，为了 Pc 机与单片机之间能可靠地进行串行通信，需要用电平转换芯片。由于 MCl488 和 MCl489 需要12V，+5v 电源供电，故采用 MAXIM公司生产的低功耗单电源的 MAX232 芯片，因为它自身带有电源电压变换器。可以把+5V 电源变换成 RS-232 输出电平所需的10V 电压，能实现 RS-232 的技术指标，并只需要+5V 的电源，为串行通信带来了较好的性能和低廉的价格。1.5 数据采集系统及其发展现状数据采集技术是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采集、存储

13、、处理以及控制等问题。是以传感器、信号的测量与处理和微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术，广泛应用于各个领域，完成温度、压力、流量、位移和速度等信号的采集与处理智能仪器仪表、信号检测与处理及工业自动控制等数据采集系统是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。被采集数据是已被转换为电讯号的各第 4 页 共 52 页种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样

14、方式，即隔一定时间(称采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据量测是数据采集的基础。数据量测方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。不论哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。数据采集含义很广，包括对面状连续物理量的采集。在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统在国内外已经取得了长足的发展。其次，总线兼容型数据采集插件的数量不断增大，与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。国内外各种数据

15、采集机先后问世，将数据采集带入了一个全新的时代。数据采集已长时间地被认为与数据记录及其它数据收集系统相等同。在工作时，一些要打印出硬拷贝，而另一些则把采集的数据馈送给主计算机处理。但随着分布式控制在各个领域里越来越普遍地应用，数据采集设备开始同控制设备相结合。测量技术在其发展过程中，会不断产生新的测量需求，对测量数据的多样性及准确性的要求也正在逐步提高。作为信息源头的传感器对测试计量技术的发展有着重要作用。在21 世纪，传感器在多功能性和智能性方向的发展仍将对测量技术的发展产生深刻的影响。 在当今网络化时代，以因特网为代表的计算机网络通信的发展和应用取得了前所未有的突破和成功，测量技术的发展当

16、然也离不开互连网。网络化测量和(对网中仪器设备的)控制技术正随着网络的发展而迅速发展，其优势令人瞩目。凭借自身优良的性能，网络化测量和控制已经成为测量技术发展的必然趋势。现代控制技术的发展对测量技术不断提出了新要求。随着科技的快速发展，现代生产的自动化程度在提高，技术难度在增加，采用的控制技术、控制系统的组成和方式都在不断变化，各类控制系统和装置没有完善的检测手段是不可能适应要求的。1.6 设计目标该设计要求实现：（1） 、设计串行通信接口，实现与 PC 机的通信；（2） 、具有人机对话功能，可通过键盘进行输入；第 5 页 共 52 页（3） 、LED 显示器能够根据按键的输入进行相应的显示；

17、（4） 、能够进行 A/D 转换功能；（5） 、能够进行 D/A 转换功能；（6） 、自制+5V 稳压电源。设计结果要求：完成电路的设计，硬件电路应该设计出原理图，完成软件程序的编写（包括流程图和部分源代码） 。1.7 论文结构本论文包括六个部分，分别为：1.绪论（系统开发背景、设计的意义、设计目标等） ；2.方案的选择；3.系统硬件设计（包括各模块的硬件电路设计、主要芯片的介绍等） ；4.系统软件设计（包括主程序流程图的设计、控制算法、 ） ；5.系统调试（包括软件的调试） ；6.附录（包括硬件整机原理图、元件清单、部分源程序代码） 。第 6 页 共 52 页2 设计方案的选择根据设计目标的

18、要求，此系统可以采用以下两种设计方案来实现。方案一：设计的方框图如图 2.1 所示： 图 2.1 方案一设计方框图从方案一的方框图中我们可以看出用此设计方案设计的系统由信号源即被测对象、传感器、多路模拟开关、采样保持电路、A/D 转换电路、控制电路、PC 机、D/A 转换电路、低通滤波电路、功率放大电路、激励装置、电源电路等部分组成。此方案的特点是：硬件电路的实现相当的复杂，用到的元器件也较多；而且整个系统的控制过程用软件实现起来也比较的困难。总之是软件和硬件的实现都比较的复杂。方案二：设计的方框图如图 2.2 所示：第 7 页 共 52 页图 2.2 方案二设计方框图从方案二的设计方框图中可

19、以看出用此方案设计的系统由电源电路、数据采集放大电路、A/D 转换电路、D/A 转换电路、MAX232 串行接口电路、单片机外围电路、LED 显示电路、键盘电路等部分组成。此方案的特点是：硬件电路的实现较为简单、所用元器件也较少、系统可以配上外部的各种传感器采集电路作为系统的被测对象的模拟输入信号来源，如压力、温度、湿度的采集等等；配上相应的模拟采集电路和软件就可以实现各种不同的功能、还能用 LED 数码管十进制显示相应的测量数据，如可以显示测得的压力、温度、湿度；还可以实现和 PC机串行通信和 ISP 编程下载功能，不需要编程器直接从 PC 上下载程序。对比两种设计方案，我选择方案二来设计此

20、系统，因为方案二的硬件电路比方案一较简单；方案二配上外部的采集电路和相应的软件就可以实现各种不同的功能，而方案一只能实现一种功能；方案二的软件控制过程也比方案一的较为简单和直观，方案二的性能也比方案一的稳定，所以选择方案二来设计此系统。第 8 页 共 52 页3 硬件系统设计3.1 硬件设计框图硬件电路的设计框图就采用上面我们选择的方案二的设计框图。如图 3.1 所示：图 3.1 系统硬件设计框图本设计的主要硬件电路包括：电源电路、A/D 转换电路、 D/A 转换电路、单片机与 PC 机串行通信接口和 ISP 编程下载电路、单片机外围电路、 LED 显示电路、键盘电路等部分。3.2 系统的硬件

21、详细设计 系统的硬件详细图如图 3.2 所示：第 9 页 共 52 页图 3.2 系统硬件详细设计图vdd1ain2shdn3ref4gnd5dout6cs7sclk8U5 MAX187VCCC9 4.7FC8 0.7FC104.7F162738495J7DB9R1 IN13 R2 IN8T1 IN11 T2 IN10GND15V+2V-6VCC16R1 OUT 12R2 OUT 9T1 OUT 14T2 OUT 7C1+1 C1 -3 C2+ 4C2 - 5U10 MAX232EWE(16)C3 0.1FC50.1FC40.1F C6 0.1FRXD/P3.0TXD/P3.1VCCY112M

22、HzC24 22F C2522FK1R1210KVCCC2610FEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40 GND 20U9 AT89S52R8 1KD5 LEDR9 1KVCCQ1Q2 Q3Q4A1B2C3G2A4G2B5G16Y77Y69Y510Y411Y3

23、12Y213Y114Y015U7 74LS138R11KR21KR31KR41KBI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14U8 74LS47R13100R14100R15100R16100R17100R18100R19100ab fc gd eDPY 1234567abcdefg 8dpdpLED1ab fc gd eDPY 1234567abcdefg 8dpdpLED2ab fc gd eDPY 1234567abcdefg 8dpdpLED3ab fc gd eDPY 1234567abcdefg 8dpdpLED4VCCVCCQ5R51Kab

24、fc gd eDPY 1234567abcdefg 8dpdpLED5Q6R61Kab fc gd eDPY 1234567abcdefg 8dpdpLED6P1.2P1.3P1.4VCC12345678910J6 ISPVCCD4R7 1KVCCA0 VCCA1 WPA2 SCLGND SDAU424C02 R1110KR1010K T0/P3.4T1/P3.5DIN 1sclk 2cs 3outa 4agnd5 refin6outb7 vdd8U3TLC5618VCCP2.0P2.1P2.212J2CON2123 J3CON3OUT AIN AIN1OUT2GND 3U2MC1403 GNDGNDVCCP1.5P1.6P1.7RESETP1.2P1.3P1.4P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P0.4P0.5P0.6P0.7P0.0P0.1P0.2P1P2P3P4P5P6K3 K4 K5 K6K2VCCR20 10KR21 10KR22 10KR23 10KR24 10K