1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于单片机的以太网节点设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 嵌入式网络系统将过去单一的独立的嵌入式系统组成一个网络系统，使得嵌入式系统是一个整体信息化网络的一部分。而基于单片机系统 的嵌入式网络系统是网络系统重要的一部分，因此基于单片机的以太网节点设计的研究具有重要的现实意义。 本课题设计一个以单片机为核心设计的以太网节点。以 AT89C55WD单片机为微处理器系统， 让以太网节点具有以下功能， 能挂接以太网，正常收发数据；然后实现节点具有人机接口 ,能显示和输入信息并发送至以太网；并且节点
2、能采集信息，如环境温度。本设计主要分为微处理器系统、 RTL8019AS芯片、温度采集模块、液晶显示模块、串口通信模块五个部分。系统利用单片机加上以太网接口芯片组成以太网测控 节点 ，它以单片机取代 PC机，使得测 控节点能更简捷的接入以太网。 关键词： 嵌入式网络系统 ； AT89C55WD；以太网接口芯片；采集信息 - 3 - Abstract Embedded network systems will be the last single, stand-alone embedded system components of a network system, making the ove
3、rall embedded system is a part of a network of information.Microcontroller-based system is a network of embedded network system an important part of the system, so the design based on single chip Ethernet Node has important practical significance. The subject of design as the core design of a single
4、 chip Ethernet nodes.Microprocessor system with AT89C55WD microcontroller, the main achievement is that Ethernet nodes can mount the Ethernet, the normal send and receive data;And then implement the node has interpersonal interface, can display and enter information and send to the Ethernet network;
5、And the node can collect information, for example: ambient temperature.The design consists of a microprocessor system, RTL8019AS chip, the temperature acquisition module, LCD module, the output control module of five parts.System uses the MCU with Ethernet Control Ethernet interface chips gateway PC
6、, it is to replace single chip, making the measurement and control access gateway to a more simple Ethernet. Key Words: Embedded network system； AT89C55WD； Ethernet interfaces chip； Gathering information - 4 - 目 录 1 引 言 . 1 2 系统方案设计 . 2 3 硬件设计 . 4 3.1 电源模块 . 4 3.2 微处理器系统 . 4 3.2.1 AT89C55WD 简介 . 4 3
7、.2.2 时钟复位电路 . 5 3.3.3 外部数据存储器 . 6 3.4 以太网控制器 . 7 3.4.1 以太网控制芯片的选择 . 7 3.4.2 以太网接口电路 . 7 3.4.3 网卡隔离器 . 8 3.5 温度采集模块 . 9 3.5.1 温度传感器选择 . 9 3.5.2 温度采集电路 . 9 3.6 液晶显示模块 . 10 3.6.1 显示模块选择 . 10 3.6.2 液晶显示电路 . 10 3.7 串口电路设计 . 11 4 软件设计 . 13 4.1 主程序 . 13 4.2 温度采集模块 . 14 4.3 液晶显示模块 . 17 4.4 串行通信模块 . 18 4.5 以
8、太网控制器模块 . 20 4.5.1 RTL8019 初始化 . 20 4.5.2 数据包的收发 . 22 1.接收数据包 . 22 5 调试 . 25 5.1 硬件测试 . 25 5.2 软件系统测试 . 26 5.3 测试结果分析 . 27 5.3.1 设计所达到的性能指标 . 27 5.3.2 结果分析论述 . 27 6 结论 . 28 致 谢 . 错误 !未定义书签。 - 5 - 参考文献 . 29 附录 1 实验原理图 . 30 1 引 言 随着单片机技术和嵌入式技术的广泛应用，以及通信技术的发展和计算机网络的普及，人们提出了对基于嵌入式系统的网络通信技术的应用需求。嵌入式网络通信系
9、统将过去单一独立的嵌入式系统组成一个网络系统，使得嵌入式系统不再是一个独立的个体，而是一个整体信息化网络的一个部分。该技术广泛应用在智能设备，信息化家电，智能管理设备，安防监 控设备等领域 1。 广泛应用在以下领域。 （ 1）实验室管理监控系统 某生化实验室需要建立一个实时监控系统，检测实验室人员出入，实验结果数据，实验室温度湿度。该实验室的仪器设备都有 RS232 接口输出打印，可以输出到单片机。门禁和各种传感器也接入单片机系统。这时候单片机可以通过以太网把数据提交到实验室的服务器上，服务器通过处理提交的数据，将控制命令通过以太网发给单片机，单片机再进行相应的操作。 （ 2）智能家居系统 现
10、代家居系统中，由于需要宽带接入，基本上所有住户都有局域网的接入。在住户内部搭建局域网也很方便。鉴 于以上情况，利用以太网实现智能家居网络能够实现。 住房内的家电和各种设施，可以接入内部以太网实现相互通信，或者与上位机实现通信。上位机可以被用户远程控制，对居室的家电和设施进行控制，达到对居室的温度，光亮的调节，同时可以利用下位机（单片机）将室内监控系统的状况传到上位机，上位机通过分析可以向主人或者相关部门报告火警或者匪警。 （ 3）信息化家电 传统家电是一个独立存在的系统，电器与电器之间没有丝毫联系。在信息化家电系统中，所有信息化家电组成一个局域网络系统，家电属于该系统中一个部分。信息化家电系统
11、中，比如电饭 锅，可以通过网络远程控制。假如用户需要下班回家就能吃上饭，可以在下班前通过远程控制协议给电饭锅发出指令，保证下班回家时饭刚好煮好。 2 系统方案设计 无论是智能家具系统，还是实验室管理监控系统中，运用嵌入式网络通信系统实时的对环境的温度或其他信息的采集并传递到个人 PC 机上将会普及开来。嵌入式网络在以太网测控节点中组成的方式通常会有很多：如 PC 机 +网卡 +采集插卡；单片机 +以太网接口芯片等。 方案一： PC 机 +网卡 +采集插卡 利用 PC 机对实际空间中温度和环境状况进行采集，其系统总体结构图如图2-1 所示。系统主要 包括 PC 机、以太网卡 和 采集卡。通过 P
12、C 机中的采集卡，采集温度、模拟电压、数字信号，然后 PC 机与 PC 机之间通过以太网进行传递。可将实验室中的 PC 机采集到的信息显示在本人 PC机上。 温 度 显 示信 息 分 析图 像 显 示P C 机 P C 机采 集 卡以 太 网 卡以 太 网 通 信图 2-1 方案一的系统总体结构框图 方案二：单片机 +以太网接口芯片 利用单片机 +以太网接口芯片实现对以太网节点进行测控，其系统总体结构图如图 2-2 所示。系统主要包括温度测量、实时温度显示 ,以太网接口芯片RTL8019AS 和 AT89C55WD 单片机。 系统运行过程中 温度采集过 后， 由 液晶实时显示 各种状态参量 。
13、用户也可以通过串口将数据发给单片机，单片机再将数据发送至以太网。 RTL8019AS 可实现对数据包的接收和发送。 温 度 显 示信 息 分 析图 像 显 示P C 机A T 8 9 C 5 5单 片 机串 口 通 信液 晶 显 示以 太 网控 制 器温 度 测 量图 2-2 方案二的系统总体结构框图 比较两种方案。我们可以知道方案一中，将管理 PC 机放在以太网中，将会组成一个较大的自控系统，这种组成方式成本很高，只适用于大的自控系统；方案二中以单片机取代 PC 机，用以太网接口芯片取代以太网卡，不仅系统本身微型化，方便测控并且价格低廉，其本身还具备 稳定性 好 、抗干扰性 强 以 及灵活性
14、高的特点。综上，我选择方案二。 3 硬件设计 根据系统的设计要求，经过详细的功能分析，本系统硬件主要有五大模块组成：电源模块、微处理器系统、 RTL8019AS 芯片模块、温度测量模块、液晶显示模块、串口通信模块。 3.1 电源模块 电源电路由交流电降压，整流滤波，稳压，滤波电路等组成。电源电路包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等模块组成，使用 LED 进行电源工作状态指示。 LM78XX 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且 价格便宜 ，因此使用 LM7805 稳压芯片进行 5V 的电源电路设计 。 具
15、体的 5V电源电路如下图3-1 所示。 T1TransD1Bridge2200uFC2100uFC40.1uFC30.1uFC5D2S1SW-SPST220R1IN12OUT3GNDU1 LM7805220V+5V图 3-1 5V 电源电路 3.2 微处理器系统 3.2.1 AT89C55WD 简介 按照定义一个最大的以太网帧约为 1.5KBytes，为了让单片机能够有足够大的 RAM 空间来处理至少一个以太网帧以及快速装载程序的需要，在选择单片机时要考虑到其内存的大小。在众多的 8 位单片机型号中，其芯片内部的核基本都是一样的，只是在外围功能扩展方面有所差别，从芯片性价比、处理以太网数据帧需
16、要的 RAM 空间、程序烧 写需要的 ROM 和满足系统基本功能方面， MCU 采用的是 Atmel 公司的 AT89C55WD 型单片机。 AT89C55WD 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 20k Bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 Bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，引脚兼容工业标准 89C51 和 89C52 芯片，采用通用编程方式， 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存
17、储单元，内置功能强大的微处理器 AT89C55WD 可提供许多高性价比的系统解决方案，适用于多数嵌入式应用系统。 3.2.2 时钟复位电路 单片机内部有一个高增益反相放大器，输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。在芯片外部 XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容，构成了一个稳定的自激振荡器。这里使用振荡频率为 12MHz 的石英晶体。为了使晶振快速起振，在晶振两端加了 2 个 30pF 的起振电容 C1、 C2。 复位是单片机的初始化操作，其作用是使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个初始状态开始工作。 如果复位电路中 R、 C 的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。本设计采用按键电平复位，电平复位是通过 RST 端经电阻与 VCC 接通而实现的。 RST 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。 具体根据时钟和复位电路设计要求， AT89C55WD 单片机的最小系统设计电路如图 3-2所示。
