基于单片机的太阳能采光系统控制器设计毕业论文.pdf

I 毕业论文 题 目：基于单片机的太阳能 采光系统控制器设计 II 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名：日 期：使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日 期：III 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年 月 日 导师签名：日期：年 月 日 IV 本科生毕业论文（设计）开题报告 论文题目 基于单片机的太阳能采光系统控制器设计 选题的根据：1）本选题的理论、实际意义 太阳能采光系统控制器的硬件系统以微处理器为核心,以它来控制微电机的转动,驱动机械装置实现采光；为了精确定位太阳方位，每隔10 分钟以角度传感器测出转动误差,经 A/D 转换后送微处理器以实现闭环、反馈控制；微处理器通过 PC 获得设置参数及上传信息；实时时钟提供控制器所需的时间信息,并利用定时中断定时唤醒处于掉电状态的微处理器。微处理器采用 ATMEL 公司的高性能,低电压的 8 位 CMOS 处理器 AT89C51 为核心,片内有 4k 的 Flash,128 字节的 RAM；32 个可编程的 I/O 口；具 2 种省电的休眠模式,特别是在掉电模式下,芯片功耗很小,符合本系统低功耗的要求。采用 RS-232 接口与上位 PC 机进行串行通信,从而实现对相关数据的存储、分析和处理，用 MAX232S 实现 RS-232 的电平转换。电动机驱动部分由驱动器和电动机两部分组成，用AT89C51来控制步进电动机的转动,驱动机械装置实现采光。系统的实时时钟采用了PHILIPS公司的低功耗实时时钟芯片PCF8563。该芯片采用IIC通信协议，特别是其具有定时中断功能,将芯片的中断输出脚与AT89C51的外部中断引脚相连,可用来将微处理器从掉电模式下唤醒,这对整个系统实现低功耗是必不可少的。反馈控制模块此模块由微型电动机、角度传感器、A/D转换器组成。微型电动机转动带动采光装置,以跟踪太阳方位为精确控制电动机的转动角度；用角度传感器采样,经A/D 转换后组成反馈回路,以调节电动机转动位置。A/D转换器拟采用低通滤波器逐次逼近ADC0809，角度传感器拟采用四块光电池组成测试系统。太阳能采光系统 V 控制器部分,阳光透过外罩射到反射镜上,镜面将阳光反射到室内,控制器根据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动,以最大限度的反射阳光到室内。不仅在晴朗、多云的时候正常工作,而且在阴天、自然光照不理想的情况也能实现最大限度的采光。太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、以及我国已开展的“光明工程”将在建筑领域掀起节能环保生态建材开发的应用热潮。论文的主要内容、基本要求及其主要的研究方法：1）主要内容：自然光照明相对人工照明有很大的优势,因而太阳能采光系统控制器的研究具有一定的现实意义。本设计及太阳能采光系统控制器的设计,太阳能采光系统控制器的主要功能是，阳光透过外罩射到反射镜上，镜面将阳光反射到室内，控制器中的微处理器根据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动，以最大限度的反射阳光到室内。不仅在晴朗、多云的时候正常工作，而且在阴天、自然光照不理想的情况也能实现最大程度的采光。反射镜上附有角度传感器，为了精确定位太阳方位，以角度传感器测出转动误差，经 A/D 转换后送微处理器以控制电机驱动使反射镜转动。该系统主要由微处理器、反馈控制模块（电机驱动，角度传感器，A/D 转换器）、电源模块和实时时钟组成。2）基本要求:该系统控制器的硬件系统以微处理器为核心,以它来控制微电机的转动,驱动机械装置实现采光；为了精确定位太阳方位,每隔 10 分钟，以角度传感器测出转动误差,经 A/D 转换后送微处理器以实现闭环、反馈控制；微处理器通过 PC 获得设置参数及上传信息;实时时钟提供控制器所需的时间信息,并利用定时中断定时唤醒处于掉电状态的微处理。VI 3）主要研究方法:采用 RS-232 接口与上位 PC 机进行串行通信,从而实现对相关数据的存储、分析和处理，用 MAX232S 实现 RS-232 的电平转换。电动机驱动部分由驱动器和电动机两部分组成，用 AT89C51 来控制步进电动机的转动,驱动机械装置实现采光。论文进度安排和采取的主要措施：1、2011 年 10 月 26 日-2011 年 11 月 20 日：收集查阅资料，了解设计内容、要求、熟悉设计题目，准备报告。2、2011 年 11 月 21 日-2011 年 12 月 20 日：根据设计要求与资料的归纳整理，撰写开题报告。3、2011 年 12 月 21 日-2012 年 3 月 10 日：设计出主电路与控制电路，完成初稿。5、2012 年 3 月 11 日-2012 年 4 月 30 日：修改初稿，完成仿真与分析。6、2012 年 5 月 1 日-2012 年年 5 月 15 日：完成毕业设计，对细节进行修改。7、2012 年 5 月 16 日-2012 年 5 月 25 日：最后修改定稿。8、2012 年 5 月 26 日-2012 年 6 月 5 日：准备答辩。主要措施：通过自己多方面的查阅资料和同学老师分析讨论，在老师的指导下完成 VII 主要参考资料和文献：1 郑守深.于洁 太阳能电源.河南人民出版社，2004 2 沙占友.集成化智能传感器原理与应用M.北京：电子工业出版社，2004 3 沙占友.智能传感器系统设计与应用M.北京：电子工业出版社，2005 4 单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用M.北京：国防工业出版社，1999 5 冯英.传感器电路原理与应用M.成都：电子科技大学出版社，第一版，1997 6 黄继昌.传感器工作原理及应用实例M.北京：人民邮电出版社，第一版，1998 7 白英彩.微型计算机常用芯片手册M.上海：上海科技出版社，2000 8 陈进,李俊,太阳能光伏发电系统.2006.02 9 彭为.单片机典型系统设计实例精讲.北京：电子工业出版社，2006.5 10 三恒星科技.MCS-51单片机原理与应用实例.北京:电子工业出版社，2008.1 11 谢宜仁.单片机实用技术问答M.北京：人民邮电出版社，2005 12 刘必虎.中小规模集成电路的原理与应用M.上海：上海科技出版社，2000 13 张萌.单片机应用系统开发综合实例M.北京：清华大学出版社，2007.7 指导教师意见：签 名：年 月 日 教研室意见 负责人签名：年 月 日 学 院 意 见 负责人签名：年 月 日 VIII 目 录 摘要.ABSTRACT.第一章绪论.1 1.1前言.1 1.2设计任务.1 1.3设计要求.1 1.4设计参数.2 1.5理论依据.2 1.6方案设计.2 第二章 硬件设计.4 2.1.AT89C51.4 2.1.1 AT89C51的主要性能.4 2.1.2 AT89C51 引脚介绍.4 2.1.3 AT89C51 的极限参数.6 2.1.4 时钟电路.6 2.2 A/D 转换电路.7 2.2.1 A/D 转换电路器件选型.7 2.2.2 A/D 转换电路图.11 2.3 实时时钟电路.12 2.3.1 实时时钟器件选型.12 2.3.2 PCF8563 与单片机的连接.13 2.4 串行输出 RS-232 电路.14 2.4.1 通信速度和通信距离.14 2.4.2 抗干扰能力.14 2.4.3 器件选型.15 2.4.4 采用 MAX232 接口的串行通信电路.15 2.5 步进电动机驱动电路.16 2.5.1 步进电动机的工作原理.16 2.5.2 步进电动机选型.18 IX 2.5.3 步进电动机驱动器的选型.20 2.5.4 步进电动机驱动电路.22 2.6 位移传感器电路.22 2.6.1 光电池的选型.22 2.6.2 放大器选型.23 2.6.3 传感器电路图.25 2.7 电源电路.25 2.7.1 电源电路元器件及设备的选型.25 2.7.2 电源电路图.26 第三章 软件设计.27 3.1 软件设计分析及软件结构.27 3.2 程序流程图.28 3.2.1 主程序流程图.28 3.2.2 A/D 转换子程序.28 3.2.3 串行通信子程序流程图.29 3.2.4 步进电动机驱动子程序流程图.30 3.2.5 实时时钟子程序流程图.30 第四章 设计总结.32 参考文献.33 致谢.34 附录.35 程序清单.35 外文原文.42 中文译文.49 X 摘要 本设计分八部分，以 AT89C51 为核心，以及 A/D 转换电路、实时时钟电路、串行输出 RS-232 电路、步进电动机驱动电路、位移传感器电路、电源电路、软件及程序设计。太阳能采光系统控制器部分,阳光透过外罩射到反射镜上,镜面将阳光反射到室内,控制器根据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动,以最大限度的反射阳光到室内。不仅在晴朗、多云的时候正常工作,而且在阴天、自然光照不理想的情况也能实现最大限度的采光。关键词：AT89C51，时钟电路，芯片擦除，A/D 转换电路，步进电动机。XI Abstract This design points eight part,USES AT89C51 as the core,and A/D conversion circuit,real time clock circuit,serial output RS-232 circuit,stepping motor drive circuit,displacement sensor circuit,the power supply circuit,software and program design.Solar lighting system controller part,sunlight through the cover shot the reflector,mirror reflect the sun to indoor,according to the sun moves controller sends a signal to drive the motor of the mechanical transmission device that mirror turning to the maximum reflected sunlight to the interior.Not only in sunny,cloudy when the normal work,and in the cloudy day,natural light and not the ideal situation also can realize the maximum daylighting.Keywords:AT89C51;clock circuit;chip erased;A/D conversion circuit;stepping motor.1 第一章 绪论 1.1前言 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、太阳能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。20 世纪 50 年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是 1954 年美国贝尔实验室研制出 6的实用型单晶硅电池；二是 1955 年以色列 Tabor 提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术的突破，为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。90 年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制订可持续发展战略的重要内容。自“六五”计划以来，我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。20 多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。1.2 设计任务 本设计为太阳能采光系统控制器部分,阳光透过外罩射到反射镜上,镜面将阳光反射到室内,控制器根据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动,以最大限度的反射阳光到室内。不仅在晴朗、多云的时候正常工作,而且在阴天、自然光照不理想的情况也能实现最大限度的采光。1.3 设计要求 1）控制器的硬件系统以微处理器为核心,以它来控制微电动机的转动,驱动机械装置实现采光；2）为了精确定位太阳方位,以角度传感器测出转动误差,经 A/D 转换后送微处理器以实现闭环、反馈控制；2 3）微处理器通过 PC 获得设置参数及上传信息；4）实时时钟提供控制器所需的时间信息；1.4 设计参数 1）各参数要求为:转动角度：0+120；误差不大于0.2；电动机扭矩：4Nm；电动机功率：200W；2）上传信息发送周期=1 次/1 小时；1.5 理论依据 太阳能采光系统控制器的硬件系统以微处理器为核心,以它来控制微电动机的转动,驱动机械装置实现采光；为了精确定位太阳方位，每隔10分钟以角度传感器测出转动误差,经A/D 转换后送微处理器以实现闭环、反馈控制；微处理器通过PC获得设置参数及上传信息；实时时钟提供控制器所需的时间信息,并利用定时中断定时唤醒处于掉电状态的微处理器。AT89C51PC实时时钟电源A/D 转换位移传感器电动机驱动 图 1.1 太阳能采光系统控制器组成框图 该系统主要由微处理器、反馈控制模块（电动机驱动，角度传感器，A/D 转换器）、电源和实时时钟组成。如上图 1.1 所示。1.6 方案设计 微处理器采用 ATMEL 公司的高性能,低电压的 8 位 CMOS 处理器 AT89C51 为核心,片内有 4k 的 Flash,128 字节的 RAM；32 个可编程的 I/O 口；具 2 种省电的休眠模式,特别是在掉电模式下,芯片功耗很小,符合本系统低功耗的要求。采用 RS-232 接口与上位 PC 机进行串行通信,从而实现对相关数据的存储、分析和处理，用 MAX232S 实现 RS-232 的电平转换。电动机驱动部分由驱动器和电动机两部分组成，用AT89C51来控制步进电动机的转动,驱动机械装置实现采光。3 驱动器 MS-2H090H步进电动机34HS300C 图 1.2 电动机驱动模块 微处理器的主要功能 1）计算功能：计算每天日出与日落的时间,每十分钟计算太阳所在的角度，计算电动机转动的角度；2）通信功能：通过串口(RS232)与PC进行通信；3）控制功能：读取及写入实时时钟的时间,读取各个通道的A/D转换值,控制电动机转动,进行相关功能处理。系统的实时时钟采用了PHILIPS公司的低功耗实时时钟芯片PCF8563。该芯片采用IIC通信协议，特别是其具有定时中断功能,将芯片的中断输出脚与AT89C51的外部中断引脚相连,可用来将微处理器从掉电模式下唤醒,这对整个系统实现低功耗是必不可少的。反馈控制模块此模块由微型电动机、角度传感器、A/D转换器组成。微型电动机转动带动采光装置,以跟踪太阳方位为精确控制电动机的转动角度；用角度传感器采样,经A/D 转换后组成反馈回路,以调节电动机转动位置。A/D转换器拟采用低通滤波器逐次逼近ADC0809，角度传感器拟采用四块光电池组成测试系统。4 第二章 硬件设计 本设计分七部分，以 AT89C51 为核心，以及 A/D 转换电路、实时时钟电路、串行输出 RS-232 电路、步进电动机驱动电路、位移传感器电路、电源电路。2.1 AT89C51 AT89C51是一种低功耗，高性能含有4K字节快闪可编程/擦除只读存贮器的8 位微控制器，使用高密度非易失性的存贮技术制造，并且与 80C51 指令完全兼容，芯片上的 E2PROM 允许在线或采用非易失性存贮编程器对程序存贮器重复编程。2.1.1 AT89C51的主要性能 1)片内有 4K 字节可重复编程快闪擦写存贮器（FLASHROM）。从而能缩短擦除或写入数据吞吐的时间，能满足需要高速数据吞吐的场合。编程所需要的所有时序及电压场均无需外部电路提供。2)存贮器可以重复写入 1000 次。3)宽工作电压范围，电压可以由 2.7V6V 提供。4)全静态工作，可由 0HZ16HZ。5)程序存贮器具有三级锁存保护。6)1288B 位内部 ROM。7)32 条可编程 I/O 口线。8)两个 16 位定时器/计数器。9)中断结构具有 5 个中断源和 2 个优先级。10)可编程全双工串行通道。2.1.2 AT89C51 引脚介绍 VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一组 8 位漏级开路双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FLASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FLASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0外部必须外接上拉电阻。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4个 TTL 逻辑门电路。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高电平，可用作输入口，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。5 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 逻辑门电路，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻把端口拉到高电平，且作为输入口。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。图 2.1 AT89C51 引脚图 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示：端口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 0INT（外部中断0）P3.3 1INT（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 WR（外部数据存储器写选通）P3.7 RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。6 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时，ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。I/O 口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚，读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器，只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。2.1.3 AT89C51 的极限参数 1）工作温度：-55+125 2）储藏温度：-65+15 3）任一引脚对地电压：-1.0V+7.0V 4）最高工作电压：6.6V 5）直流输出电流：15.0mA 2.1.4时钟电路 AT89C51 片内设有一个构成内部振荡器的高增益反相放大器引脚，XTAL1和 XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，如图 2.2所示.。C2C1XTAL1XTAL2GND 图 2.2 内部振荡器 7 XTAL1XTAL2GND外部振荡信号输入NC 图 2.3 外部振荡器 外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 C1、C2 接放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容 C1、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用 30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择 40pF+10pF。当然也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图 2.3 所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。2.2 A/D 转换电路 2.2.1 A/D 转换电路器件选型 A/D 转换器是将模拟量转换成数字量的器件，根据起转换原理，常用的 A/D 器件有逐次逼近式 A/D 和双积分 A/D 两类。逐次逼近式 A/D 器件速度快，使用方便，但价格高，抗干扰性差。双积分 A/D 精度高，抗干扰性好，价格低，但速度慢。介于对快速响应的要求这里选择逐次逼近式转换器 ADC0809，则相对于其匹配性选择外围芯片触发器 74LS74、锁存器 74LS373。1）ADC0809 主要性能指标及技术指标 ADC0809 芯片是 CMOS、8 位、8 通道、逐次比较型 A/D 转换器.1）为逐次比较型;2）为单电源供电;3）无需外部进行 0 点和满度调整;4）可锁存 3 态输出,输出与 TTL 兼容;5）具有锁存控制的 8 路模拟开关;6）分辨率:8 位;7）功耗:15mW;8）转换时间(fCLK=500kHz):128s;9）转换精度:0.4.2)ADC0809 引脚分布 ADC0809 芯片为 28 引脚为双列直插式封装。对 ADC0809 主要信号引脚的功能说明如下：8 1)IN7IN08 路输入通道的模拟量输入端口。2)ALE地址锁存允许信号。对应 ALE 上跳沿，A、B、C 地址状态送入地址锁存器中。3)START转换启动信号。START 上升沿时，复位 ADC0809；START 下降沿时启动芯片，开始进行 A/D 转换；在 A/D 转换期间,START 应保持 低电平。本信号有时简写为 ST.4)CLK时钟信号。ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为 500KHz 的时钟信号。IN34IN5IN6IN7IN0IN1IN2IN12345678910111213141516171819202122232425262728STARTEOC1D3D0D2D4D5DOECLOCKCCVGNDADDAADDBADDCALE7D6D HEFV HEFVADC0809 图 2.4 ADC0809 引脚图 5)EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。6)D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0 为最低位，D7 为最高。7)OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。8)Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V,Vref(-)=-5V)。9)VCC,GND:Vcc+5V电源,VCC为主电源输入端,GND为接地端.一般REF(+)与VCC连接在一起,REF(-)与 GND 连接在一起。3)ADC0809的内部逻辑 9 8位模拟开关地址锁存与译码8位AD转换器三态输出锁存缓冲器12345678910111213141516171819202122232425262728ADC0809EOCMsbD7D0VCCGNDIN0IN7ADDAADDBADDCALEVret VretSTARTCLKOE 图 2.5 ADC0809 的内部逻辑结构图 图 2.5 多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，ADD A,ADD B,ADD C:8 路模拟开关的 3 位地址选通输入端,以选择对应的输入通道.其对应关系如下:C B A 选择的通道。0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 4）74 LS74 74LS74 为带预置和清除端的两组 D 型触发器，fmax=33MHz,P=20Mw.CLK1、CLK2 为时钟输入端:D1、D2 为数据输入端,Q1、Q2、1Q、2Q为输出端,CLR1、CLR2 为直接复位端（低电平有效）,PR1、PR2 为直接致位端（低电平有效）,工作电压为+5V。10 CLR11D12CLK13PR14Q15/Q16GND7VCC14CLR213D212CLK211PR210Q29/Q28*74LS74 图 2.6 74LS74 引脚图 5）74 LS373 74LS373功能 E G D Q L H H H L H L L L L X Q L低电平；H高电平；X不定态；Q0建立稳态前 Q 的电平；G输入端，与8031ALE 连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中 OE使能端，接地。当 G=“1”时，74LS373输出端1Q8Q 与输入端1D8D 相同；当 G 为下降沿时，将输入数据锁存。74LS373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D 触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器。TPd=17ns,PD=120Mw。(b)74LS373 电路连续图Q1G数据打入端输出允许端EQ1.Q8(a)74LS373 结构原理图D1D8.Q1Q8G1234567891020191817161514131211EQ1D1D2Q2D3Q3D4Q4GNDCCVQ8D8D7Q7Q6D6D5Q5G(c)74LS373引脚图Q1Q8D1D8.GEP0.0.P0.7ALEA0.A7 11 图 2.7 74LS373 外部引脚图 74LS373 的输出端 Q0Q7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时，Q0Q7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，Q0Q7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存器允许端 LE 为高电平时,Q 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，Q 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。引出端符号：D0D7 数据输入端 OE 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存器允许端 Q0Q7 输出端 VCC 接+5V 电源 2.2.2 A/D 转换电路图 此模块采用中断方式查询，模拟量经 IN0IN3 端口进入 A/D 转换器，经 A/D 转换器进行模/数转换，转换后数字量进行分类，溢出量进行另行处理，非溢出量存入单片机 RAM 中，再经单片机计算，转为控制步进电动机所需脉冲。如图 2.8 A/D 转换电路模。12 D0D1D2D3D4D5D6D7OEGNDVCCQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7GU23579131517191102024681214161811ADDAADDBADDCALEVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.774LS373ADDAD0D1D2D3D4D5D6D7OEEOCCLKIN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0VCCVref(+)Vref(-)GNDADDAADDBADDCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7=1=179226212019188151417232425P3.310543212827IN126IN0VCC11121613C14IN1R13R18100D12CW54+1210KP3.6P2.3P3.7ADDBSTARTALEIN2IN3ADC0809ICLRIDICLKPRIQIQGNDVCCU4123456714VCC74LS74 图 2.8 A/D 转换电路模块 2.3 实时时钟电路 2.3.1 实时时钟器件选型 本设计中，实时时钟起到记录时间的作用，根据性价比及通用性等指标，选择低功耗的实时时钟芯片 PCF8563。PCF8563 是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片，PCF8563 的多种报警功能定时器功能时钟输出功能以及中断输出功能，能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能内部时钟电路内部振荡电路，内部低电压检测电路（1.0V）以及两线制I2C总线通讯方式，不但使外围电及其简洁而且也增加了芯片的可靠性同时每次读写数据后内嵌的字地址寄存器会自动生增量。（1）特性 宽电压范围1.05.5V,复位电压标准值Vlow=0.9V 超低功耗典型值为0.25 A,VDD=3.0V,Tamb=25 可编程时钟输出频率为32.768KHz,1024Hz,32Hz,1Hz 四种报警功能和定时器功能 内含复位电路振荡器电容和掉电检测电路 13 开漏中断输出 400kHz I2C 总线(VDD=1.85.5V)其从地址读 0A3H;写 0A2H（2）PCF8563 的基本原理 PCF8563 有 16 个位寄存器：一个可自动增量的地址寄存器，一个内置 32.768KHz 的振荡器，带有一个内部集成的电容，一个分频器用于给实时时钟 RTC 提供源时钟，一个可编程时钟输出一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个 400KHz I2C 总线接口。本设计主要用到PCF8563的定时器功能，8位的倒计数器由定时器控制寄存器控制，定时器控制寄存器用于设定定时器的频率，以及设定定时器有效或无效，定时器从软件设置的8位二进制数倒计数，每次到计数结束，定时器设置标志位TF，定时器标志位TF只可以用软件清除，TF用于产生一个中断，每个到计数周期产生一个脉冲作为中断信号。T1/TP控制中断产生的条件，当读定时器时，返回当前到计数的数值。同时PCF8563包含一个片内复位电路，当震荡器停止工作时，复位电路开始工作，在复位状态下，I2C总线初始化，寄存器TF、VL、TD1、TD0、TESTC、AE被置逻辑1，其它的寄存器和地址指针被请0。PCF8563还内嵌一个掉电检测器，当VDD低于VLOW时，位VL被置1，用于指明可能产生不准确的时钟/日历信息，VC标志位只可以用软件清楚，当VDD慢速降低达到VLOW时，标志位VL被设置，这时可能会产生中断。2.3.2 PCF8563与单片机的连接 按 I2C 总线协议规约 PCF8563 有唯一的器件地址 0A2H，如图 2.9 所示为 PCF8563 和单片机的连接图。初始化完成后此芯片开始工作，计数器开始计时，当一个小时到时，启动报警功能，将这段时间内信息写入输出缓存器中，外部中断0INT打开，将信息经端口SAD 上传到单片机中。该电路有一个备用电源，它的作用是在系统掉电的情况下，它仍能继续保持时钟的工作，等电来之后不用再调节时钟，这样保持了时间的连续性。而两个电容的作用则是为了滤波和退藕。由于芯片内部有一个电容需要接一个外部电容。14 OSC1OSCOINTVssVddCLKSCLSDAU20C1715pF1234PCF856356780.01uFC21VCCD3IN4001P1.6P2.0R155.1KR165.1KC18C220.01uF10uFD4IN40013.6V 图 2.9 PCF6563 与单片机的连接图 2.4 串行输出 RS-232 电路 在单片机应用系统中，数据通信主要采用异步串行通信方式。在设计通信接口时，必须根据需要选择标准接口，并考虑传输介质、电平转换等问题。采用标准接口后，能够方便地把单片机、外设、测量仪器等有机的连接起来，从而构成一个测控系统。异步串行通信常用的标准借口有三类：RS-232C（RS-232A，RS232B）、RS-422 和 RS-485。2.4.1 通信速度和通信距离 通常的标准串行接口的电气特性，都有满足可靠传输时的最大通信速度和传输距离指标。但这两个指标之间具有相关性，适当地降低通信速度，可以提高通信距离，反之亦然。例如：采用 RS-232C 标准进行单向数据传输时，最高数据传输速率为 19.2kb/s,最大传送