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实验设备使用情况监控仪的设计

摘 要

本文所研究的实验设备使用情况监控仪实际上可以看作一个无线呼叫系统的设计。本文所介绍的仪器是基于51系列单片机控制远程（距离大于50米）呼叫信息，并将这些信息经过编码解码后，用发光二极管显示出呼叫信息（子机的位置）并在计算机上显示出来的具体实现过程。设计有三个模块组成：单片机控制下的无线发射模块、单片机控制下的无线接收模块，以及显示信息模块。系统由多个子机（无线发射机）和一个母机组成，经过编码的信息由子机发射，母机接收到呼叫信息后，首先判断该呼叫是否是本系统群子机的呼叫，如果是本系统群子机的呼叫，显示呼叫信息。子机中AT89C2051控制数据信息的发送，编码芯片PT2262对信息进行编码，经过发射头将信息发送出去；母机中接收到信息后送给解码芯片PT2272，PT2272进行解码，然后将解码信息传送给单片机AT89C52，最后通过数码管驱动及键盘控制芯片CH452驱动将信息在液晶屏上显示出来，这些数据反映呼叫信息所处的位置或具体需要，并且每次呼叫显示以后，通过按键来清除上一次的显示信息，确保下次信息接收的畅通。与此同时，液晶屏上所显示的信息通过usb串口，传递给计算机。计算机通过usb口采集检测仪通讯存储器里的内容，并将该信息传送该网页，供同学查询。所显示的内容与液晶屏相同。
本文详细分析了上述实现原理，给出了主要程序部分，并通过了测试，有较强的实用价值。

关键词： 无线发射, 无线接收, 信息编解码 ，CH452

THE DESIGN OF EXPERIMENTAL
EQUIPMENT MONITORING

ABSTRACT

As a matter of fact , the design of experimental equipment monitoring in the text can be looked as a design of wireless call system. This text introduces the Series 51-based remote control microcontroller (a distance of more than 50 meters) call information, After encoding and decoding the information, using light-emitting diode display information to call (sub-machine location) and displayed on a computer to achieve the specific process. Design of a three modules : the control of the wireless transmitter module under the MCU, Monitor the wireless receiver and information display module. That is, by a number of sub-machine (wireless transmitter) and the composition of a mother, after coding information from the machine launched mother received call information, the first judgment call whether the system is a fleet-Call, If the system is a fleet-Call, Call information shows. AT89C2051 machine-control data messages sent, Coder PT2262 encode the information, then were sent to launch the first, after the first launch will send out information; mother received the message given to the decoder chip PT2272, PT2272 decode Information would then be transmitted to the decoder AT89C52. Finally driven by the digital control chip and the keyboard-driven ch452 information show in the LCD screen, These data reflect information call the locations or specific needs, and show that after each call, through the keys to remove the last show information to ensure the next receiving the flow of information. At the same time, displayed on the LCD screen of information through the usb ports, transfer to the computer. I collected through the computer usb memory detector in the content of communications, and transmit the information the website for students enquiries. And the content displayed by the LCD screen the same.
In this paper, a detailed analysis of the realization of the above principle, a main part, and passed the test, a strong practical value.

KEY WORDS: Wireless Launch, Wireless receiver , Information Coding And Decoding, CH452

目 录

前 言 1
第一章 设计的具体方案和分析 2
§1.1 无线发射模块设计方案分析 2
§1.1.1 芯片的选择 2
§1.1.2 实现的过程 2
§1.1.3 发射模块系统框图 3
§1.2 无线接收模块方案与分析 3
§1.2.1 芯片的选择 3
§1.2.2 系统实现方法 3
§1.2.3 接收模块系统框图 4
§1.3 键盘扫描及显示模块方案与分析 4
§1.3.1 芯片的选择 4
§1.3.2 方案的选择及确定 4
§1.3.3 键盘扫描驱动和显示模块得系统框图 6
第二章 软件设计 7
§2.1发射部分软件设计 7
§2.1.1 发射模块程序流程图 7
§2.1.1 发射模块主要程序 7
§2.2 接收模块的软件设计 9
§2.2.1 接收系统的程序流程图 9
§2.2.2 接收系统的部分中断子程序 9
§2.3 显示模块的软件设计 14
§2.3.1 显示模块的部分主程序 14
§2.3.2 计算机通信部分源程序 16
§2.3.3 计算机通信部分程序流程图 17
第三章 硬件设计 19
§3.1 无线发射模块的硬件原理图 19
§3.2 无线接收及键盘扫描和液晶显示电路图 20
第四章 各模块芯片介绍 23
§4.1 AT89C2051芯片简介 23
§4.1.1 芯片简介 23
§4.1.2 主要性能参数及芯片管脚图： 23
§4.1.3 功能特性概述 24
§4.2 AT89C52芯片简介 26
§4.2.1 AT89C52功能简介 26
§4.2.2 主要性能参数和引脚图 26
§4.2.3 各引脚功能说明 27
§4.3 PT2262/2272芯片简介 28
§4.3.1 PT2262/2272原理概述 28
§4.3.2 芯片引脚及功能说明 29
§4.3.3 PT2262/2272芯片的地址编码设定和修改 30
§4.4 CH452芯片的介绍 31
§4.4.1 CH452芯片概述 31
§4.4.2 CH452芯片特点 32
§4.4.3 芯片引脚及功能介绍 32
§4.4.4 功能说明 33
§4.4.5 CH452的应用 35
结　论 38
参考文献 39
致　谢 40
附　录 41

54

前 言

随着科技的进步以及工作学习要求的不断提高，人们要求在工作和学习的环境中得到更加方便、快捷的服务。而实验设备使用情况监控仪可以为工作中的人员和学习中的师生提供这一良好的环境，可以设他们得到快捷方便的服务；而企业同时也可以及时找到工作中的设备情况，了解到设备的工作情况，可以大大提高工作的效率和学习效率。其实，实验设备使用情况监控仪实际上就是一个无线呼叫系统，它不仅仅用于学习环境和实验环境，还可以广泛应用酒店、医院、娱乐场所等服务性行业。
而作为无线呼叫系统更加可以对服务性行业中的顾客和员工提供准确，及时地服务。可以增加员工的工作效率，使顾客享受到一种快捷方便的服务。加深对企业或公司的印象。同时也可以给公司创造一个良好的工作环境。
这些年来，随着无线技术研究的不断深入，再加上其自身的节约人力物力的优点，无线技术的应用变得越来越普遍。国外的无线技术起步较早，而国内的一些厂家也只是最近几年才作了相关的产品。
目前市场上的无线呼叫的产品大部分只有简单的地址数据编码，仅仅使用编解码芯片和几个发光管，这样导致产品的用户有限，同时它的抗干扰能力很低。误码率也很高。而本次设计时基于51系列单片机的开发利用51系列单片机控制数据信息,能够通过串口连续发送六组数据，这样可以提高抗干扰性。在接收以后还会对数据进行多次比较以后,确定为自己子机群中的数据时,才传送给显示芯片CH452，显示子机的呼叫位置。本设计还利用了数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片CH452，它可以动态驱动8 位数码管或者64 位LED，同时还可以进行64键的键盘扫描。
研究出一种误码率低、抗干扰性能好、系统运行稳定的实验设备监控仪，即无线呼叫系统，对于提高服务行业的服务水平，提高学习环境中师生的学习效率，改进人们的生活方式，促进社会生活的信息化，现代化，具有重要的理论、实用和商用价值。
综上，本次以单片机为主要控件，CH452驱动显示和键盘扫描电路为基础的系统可以更好的改善现有的无线系统的现状。

第一章 设计的具体方案和分析

§1.1 无线发射模块设计方案分析

§1.1.1 芯片的选择
本次设计的无线发射模块主要是采用芯片AT89C2051和PT2262。AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(RAM),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，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大。可提供许多高性价比的应用场合。
PT2262是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位的通用编解码电路，PT2262最多可有12位（A0－A11） 三态地址端管角（悬空，接高电平，接低电平），其任意组合可提供531441地址码， PT2262最多可有6位（D0－D5）数据端管脚，设定的地址码和数据码从17角输出，经常用于无线发射电路。

§1.1.2 实现的过程
无线发射模块主要是有AT89C2051和PT2262,当有按键按下时，单片机89C2051采集数据信号，将所采集到的数据信号传递给芯片PT2262，而编码信号经过地址线接高低电平进行编码，发出编码信号，PT2262每次发射时至少发射4组字码，而且地址编码要与解码芯片PT2272芯片的地址编码保持一致。
发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号，最后数据信息送给发射头，经过发射头的调制放大以后将信息发送出去；详细的编码实现步骤见后文的软件设计。
§1.1.3 发射模块系统框图

PT2262

编码
发
射
头

编码输出端DOUT

单片机

AT
89C2051
用户
按下
发送
按键

P3.3
发送 P3.4
P3.5
信息 P3.6

图1—1 发射模块系统框图

§1.2 无线接收模块方案与分析

§1.2.1 芯片的选择
本次设计的无线接收模块主要采用的AT89C52单片机和PT2272芯片。AT89C52是一种低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含有8KB的可反复檫写的只读程序存储器和256KB的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL 公司高密度、非易失性存储器技术制造兼容MCS-51 产品指令系统。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和Flash存储单元，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。而PT2272是一与PT2262所配套使用的芯片。同样是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用解码电路，PT2272最多同样可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441个地址码, 通过对PT2262所发出的地址编码向对应而对其进行解码。其多用和PT2262相对应的无线接收电路。

§1.2.2 系统实现方法
当发射模块中的发射头发信息发送出以后，接收模块的接收头接收到信息，并将信息传递给解码芯片PT2272，PT2272通过对所接收到的地址码进行判定，只有在连续两次检测到相同的地址码时才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。将信号传送给单片机AT89C52,　单片机将接收到的信号进行鉴别,最后通过程序控制使键盘扫描电路开始工作．详细过程将在后文进行阐述。
§1.2.3 接收模块系统框图

接
收
头

解码PT2272

收集到解码信息的AT89C52
编码信息

P1.4
P1.5

P1.6
P1.7

图1—2 接收模块系统框图

§1.3 键盘扫描及显示模块方案与分析

§1.3.1 芯片的选择
本设计的显示模块采用芯片CH452。CH452是沁恒电子公司生产的数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片，它内置时钟振荡电路，可以动态驱动8 位数码管或者64 位LED，具有BCD 译码、闪烁、移位、段位寻址、光柱译码等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH452 通过可以级联的4线串行接口或者2 线串行接口与单片机等交换数据；并且可以对单片机提供上电复位信号；详细介绍及原理图见后面章节。
§1.3.2 方案的选择及确定
键盘扫描电路数码管驱动可以用很多种方案来实现，具体本文介绍以下三种方案。
一、经典方案：使用8279 芯片
8279 是由Intel 于80 年代首先推出的，参考资料较多，应用比较成熟。
优点：最通用。缺点：元器件多，面积大，电路复杂，综合成本高。
(1) 8279 的驱动电流较小，所以需要加上驱动电路ULN2003，或者使用8 个三级管及相应的基极限流电阻。一般情况下的8279 外围电路中，需要16 个电阻、一个74LS138 芯片、一个ULN2003芯片、8 个PNP 三极管。元器件较多，占用较大的PCB 面积。
(2) 8279 需要外部为其提供上电复位信号和时钟信号，所以电路比较复杂。
(3) 8279 在显示驱动方面的功能较少。
二、自由方案：使用辅助单片机
也就是在仪器的主控单片机之外，另外使用一个辅助的单片机专门做显示驱动和键盘扫描，最近市面上出现的一些产品就是以PIC 系列等单片机实现的，查看其引脚定义尤其是CLK/RTCC/RST引脚都与PIC16C57 或PIC16C54 相似，另外，这些产品的说明书中都没有标明电流驱动能力。
优点：最灵活。缺点：元器件多，速度慢，易受干扰，综合成本高。
(1) 由于辅助单片机的驱动电流比较小，按单片机厂商的说明，通常每个引脚不大于20mA，如果长时间驱动大电流则容易损坏。如果将辅助单片机的引脚直接用作字驱动，则20mA 平均到数码管的8 个段上，每个段的电流只能分配到3mA，所以只能驱动较小的数码管。而如果外接驱动电路，例如595 芯片或者8 个三极管及相应的基级电阻，则电路面积增大，总体成本增加。
(2) 为了节约辅助单片机的端口线，一般使用串行输入输出。由于辅助单片机一条指令只能处理一位数据，并且在接收到数据后还需要将其移位转换为字节数据或者直接作为命令进行解释，所以速度非常低。一般要求主控单片机的串行接口的位时钟不能高于200KHz（每个位数据要保持几微秒，才能被辅助单片机检测到并及时处理），所以单片机接口程序需要不断地延时等待。
(3) 如果辅助单片机采用定时中断方式进行显示驱动和键盘扫描，则在进入中断后有可能来不及响应外部的操作请求，所以辅助单片机一般采用查询方式进行显示驱动和键盘扫描，而采用中断方式接收外部的主控单片机的操作请求。如果主控单片机频繁访问辅助单片机，则因为辅助单片机分身无术，所以显示驱动和键盘扫描就可能无法顾及，出现亮度不均和键盘失灵。
(4) 为了提高串行接口的速度，辅助单片机需要尽可能高的系统时钟，而参考单片机厂商的说明，采用低成本的外部阻容振荡是很难稳定地工作在10MHz 以上的。所以在工业现场，辅助单片机很有可能因为阻容振荡频率太高而受到干扰，甚至内部程序跑飞或者意外死锁。
三、新方案：使用CH452 芯片（或CH451 芯片）
CH451 和CH452 是以硬件实现的多功能外围芯片，使用串行接口，支持显示驱动和键盘扫描以及μP 监控，外围元器件极少，非常适合作为单片机的外围辅助芯片。
优点：电路简洁，性能稳定，多功能[1]。
(1) CH452 具有大电流驱动能力，段电流不小于25mA，字电流不小于150mA，平均段电流是辅助单片机方案的8 倍，而且非连续的电流驱动能力更高。
(2) CH452是以硬件实现的，串行接口、显示驱动、键盘扫描、μP监控之间相互独立不受干扰，串行接口的位时钟能够支持到10MHz，数据传输速度比辅助单片机方案提高了40 倍，即使主控单片机频繁操作也完全不会影响显示驱动和键盘扫描以及μP 监控。
(3) CH452 的串行接口以硬件实现，不需要时钟；而显示驱动和键盘扫描使用约0.75MHz 的全内置主时钟多次分频后的扫描时钟，所以在工业现场不易受到干扰。即使受到强干扰，也能够在干扰后立即正常工作，不会影响串行接口、显示驱动和键盘扫描的后续操作。
(4) CH452 内置振荡和上电复位以及看门狗，不但不需要外部提供时钟和外部复位输入，还能够向外部的主控单片机提供上电复位和看门狗，进一步降低产品的成本，提供产品的可靠性
经过上面得分析比较，最终决定使用第三种方案，也就是利用芯片CH452来驱动键盘扫描电路。
§1.3.3 键盘扫描驱动和显示模块得系统框图
收集
到解
码信
息的
AT89C52

CH452L
芯片
2 线
接口

4 位数码管

或16 个发光管

或16 级光柱

SEG3--SEG0
DIG3—DIG0
16键按键

SCL
SDA
ADDR
INT#
RST
RST

图1—3键盘扫描驱动和显示系统流程图
第二章 软件设计

§2.1 发射部分软件设计

§2.1.1 发射模块程序流程图
开始
系统初始化
按键是否按下
发送数据
延时等待
发送数据
延时一段时间

N

Y
Y

图2-1　发射模块程序流程图

§2.1.1 发射模块主要程序
ORG 0000H
LJMP START
ORG 0003H
LJMP MINT0
ORG 000BH
LJMP TIME0
ORG 0013H
LJMP MINT1
ORG 001BH
LJMP TIME1
ORG 0100H
START1: NOP
NOP
JB P3.0 , ST1 ；按键是否按下
MOV P3,#10111011B
SETB P3.2 ；让发射头开始工作
LCALL DELAY100MS
CLR P3.2 ；发射头结束工作
LCALL DELAY10MS
MOV P3,#00001011B
SETB P3.2
LCALL DELAY100MS
CLR P3.2
LCALL DELAY10MS
MOV P3,#00010011B
SETB P3.2
LCALL DELAY100MS
CLR P3.2
LCALL DELAY10MS
MOV P3,#00001011B
SETB P3.2
LCALL DELAY100MS
CLR P3.2
LCALL DELAY10MS
MOV P3,#00010011B
SETB P3.2
LCALL DELAY100MS
CLR P3.2
LCALL DELAY10MS
MOV P3,#00000011B
SETB P3.2
LCALL DELAY100MS
CLR P3.2
LCALL DELAY10MS
LJMP ST
ST1: NOP ；等待按键按下
ST: LJMP START

§2.2 接收模块的软件设计

§2.2.1 接收系统的程序流程图
流程图如下页图2－2所示

§2.2.2 接收系统的部分中断子程序
BUF1 EQU 20H
BUF2 EQU 21H
BUF3 EQU 22H
BUF4 EQU 23H
ORG 0000H
LJMP START
ORG 0003H
LJMP MINT0
ORG 000BH
LJMP TIME0

系统初始化
第1组清低四位
等00001111？
延时等待
等待服务中断子程序
处理2至5组数据
第6组数清低四位,等000000？
2、3组组成的数=4、5组组成的数？
开 始

第1组清低四位
等00000000？
处理2至5组数据
第6组数清低四位,等1110000？
2、3组组成的数=4、5组组成的数？
P3.5置0

N N
P3.5置1

Y Y

Y Y

N Y N

Y Y
N N

Y
Y Y

图2-2　接收模块程序流程图

ORG 0013H
LJMP MINT1
ORG 001BH
LJMP TIME1
ORG 0100H
MINT0: NOP
MOV A, P2 ;判断第一组数
SWAP A
ANL A ,#00001111B
CJNE A,#00001111B,ST1
LCALL DELAY100MS
LCALL DELAY10MS
LCALL DELAY1MS
MOV A,P2 ；第二组
ANL A,#11110000B
MOV BUF1,A
LCALL DELAY100MS
LCALL DELAY10MS
LCALL DELAY1MS
MOV A,P2
SWAP A
ANL A,#00001111B
ORL A,BUF1
MOV BUF2,A
LCALL DELAY100MS
LCALL DELAY10MS
LCALL DELAY1MS
MOV A,P2
ANL A,#11110000B
MOV BUF3,A
LCALL DELAY100MS
LCALL DELAY10MS
LCALL DELAY1MS
MOV A,P2
SWAP A
ANL A,#00001111B
ORL A,BUF1
MOV BUF4,A
LCALL DELAY100MS
LCALL DELAY10MS
LCALL DELAY1MS
MOV A,P2
ANL A,#11110000B
CJNE A,#00000000B, ST
MOV A,BUF2
CJNE A,BUF4,ST
SETB P3.5
LJMP ST
ST1: NOP
CJNE A,#00000000B,ST
LCALL DELAY100MS
LCALL DELAY10MS
LCALL DELAY1MS
MOV A,P2
ANL A,#11110000B
MOV BUF1,A
LCALL DELAY100MS
LCALL DELAY10MS
LCALL DELAY1MS
MOV A,P2
SWAP A
ANL A,#00001111B
ORL A,BUF1
MOV BUF2,A
LCALL DELAY100MS
LCALL DELAY10MS
LCALL DELAY1MS
MOV A,P2
ANL A,#11110000B
MOV BUF3,A
LCALL DELAY100MS
LCALL DELAY10MS
LCALL DELAY1MS
MOV A,P2
SWAP A
ANL A,#00001111B
ORL A,BUF1
MOV BUF4,A
LCALL DELAY100MS
LCALL DELAY10MS
LCALL DELAY1MS
MOV A,P2
ANL A,#11110000B
CJNE A,#11110000B, ST
MOV A,BUF2
CJNE A,BUF4,ST
CLR P3.5
延时子程序：（发送接收程序中均有）
DELAY1:MOV R1, #0c0H