時(shí)間：2022-05-03 05:43:52
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇單片機(jī)應(yīng)用論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
論文摘要：目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，本文介紹了單片機(jī)的應(yīng)用并且根據(jù)自己的一些經(jīng)驗(yàn)談了單片機(jī)應(yīng)用過程中應(yīng)該掌握的幾個(gè)技巧。
目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，廣泛使用的各種智能IC卡等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。
一、單片機(jī)的特點(diǎn)應(yīng)用
單片機(jī)的特點(diǎn)主要有：高集成度，體積小，高可靠性；控制功能強(qiáng)；低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；易擴(kuò)展；優(yōu)異的性能價(jià)格比。目前，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：辦公自動(dòng)化設(shè)備；單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用；在實(shí)時(shí)過程控制中的應(yīng)用；單片機(jī)在日常生活及家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用；在各類儀器儀表中引入單片機(jī)，使儀器儀表智能化，提高測試的自動(dòng)化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價(jià)格比；在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用；商業(yè)營銷設(shè)備；單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用；汽車電子產(chǎn)品；航空航天系統(tǒng)和國防軍事、尖端武器等領(lǐng)域，單片機(jī)的應(yīng)用更是不言而喻。
二、單片機(jī)開發(fā)中的幾個(gè)基本技巧
在單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)中，代碼的使用效率問題、單片機(jī)抗干擾性和可靠性等問題仍困擾著。現(xiàn)歸納出單片機(jī)開發(fā)中應(yīng)掌握的幾個(gè)基本技巧。
1、如何減少程序中的bug。對(duì)于如何減少程序的bug，應(yīng)該先考慮系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)考慮的超范圍管理參數(shù)如下。物理參數(shù)：這些參數(shù)主要是系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，它包括激勵(lì)參數(shù)、采集處理中的運(yùn)行參數(shù)和處理結(jié)束的結(jié)果參數(shù)。資源參數(shù)：這些參數(shù)主要是系統(tǒng)中的電路、器件、功能單元的資源，如記憶體容量、存儲(chǔ)單元長度、堆疊深度。應(yīng)用參數(shù)：這些應(yīng)用參數(shù)常表現(xiàn)為一些單片機(jī)、功能單元的應(yīng)用條件。過程參數(shù)：指系統(tǒng)運(yùn)行中的有序變化的參數(shù)。
2、如何提高C語言編程代碼的效率。用C語言進(jìn)行單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢(shì)。如果使用C編程時(shí)，要達(dá)到最高的效率，最好熟悉所使用的C編譯器。先試驗(yàn)一下每條C語言編譯以后對(duì)應(yīng)的匯編語言的語句行數(shù)，這樣就可以很明確的知道效率。在今后編程的時(shí)候，使用編譯效率最高的語句。各家的C編譯器都會(huì)有一定的差異，故編譯效率也會(huì)有所不同，優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)C編譯器代碼長度和執(zhí)行時(shí)間僅比以匯編語言編寫的同樣功能程度長5-20％。對(duì)于復(fù)雜而開發(fā)時(shí)間緊的項(xiàng)目時(shí)，可以采用C語言，但前提是要求你對(duì)該MCU系統(tǒng)的C語言和C編譯器非常熟悉，特別要注意該C編譯系統(tǒng)所能支持的數(shù)據(jù)類型和算法。雖然C語言是最普遍的一種高級(jí)語言，但由于不同的MCU廠家其C語言編譯系統(tǒng)是有所差別的，特別是在一些特殊功能模塊的操作上。所以如果對(duì)這些特性不了解，那么調(diào)試起來問題就會(huì)很多，反而導(dǎo)致執(zhí)行效率低于匯編語言。
3、如何解決單片機(jī)的抗干擾性問題。防止干擾最有效的方法是去除干擾源、隔斷干擾路徑，但往往很難做到，所以只能看單片機(jī)抗干擾能力夠不夠強(qiáng)了。在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時(shí)，軟件抗干擾以其設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好越來越受到重視。單片機(jī)干擾最常見的現(xiàn)象就是復(fù)位；至于程序跑飛，其實(shí)也可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)；所以單片機(jī)軟件抗干擾最重要的是處理好復(fù)位狀態(tài)。一般單片機(jī)都會(huì)有一些標(biāo)志寄存器，可以用來判斷復(fù)位原因；另外你也可以自己在RAM中埋一些標(biāo)志。在每次程序復(fù)位時(shí)，通過判斷這些標(biāo)志，可以判斷出不同的復(fù)位原因；還可以根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相應(yīng)的程序。這樣可以使程序運(yùn)行有連續(xù)性，用戶在使用時(shí)也不會(huì)察覺到程序被重新復(fù)位過。4、如何測試單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成，對(duì)于不同的單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品會(huì)有不同的測試項(xiàng)目和方法，但是有一些是必須測試的：測試單片機(jī)軟件功能的完善性；上電、掉電測試；老化測試；ESD和EFT等測試。有時(shí)候，我們還可以模擬人為使用中，可能發(fā)生的破壞情況。例如用人體或者衣服織物故意摩擦單片機(jī)系統(tǒng)的接觸端口，由此測試抗靜電的能力。用大功率電鉆靠近單片機(jī)系統(tǒng)工作，由此測試抗電磁干擾能力等。
綜上所述，單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。此外在開發(fā)和應(yīng)用過程中我們更要掌握技巧，提高效率，以便于發(fā)揮它更加廣闊的用途。
參考文獻(xiàn)：
[1]何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990
圖1給出了前端處理器中采用協(xié)處理器的硬件略圖（只畫出有關(guān)部分）。它的主處理器仍采用了當(dāng)前流行的16位單片機(jī)80C196KB（IC6），協(xié)處理器采用了W78E51單片機(jī)（IC3）。W78E51的指令及性能同89C51，只是它的工作頻率可以達(dá)到40MHz。由于有兩個(gè)CPU同時(shí)運(yùn)行，而且它們之間還有數(shù)據(jù)交換，如何去協(xié)調(diào)它們的工作是至關(guān)重要的，這需要通過硬件和軟件的設(shè)計(jì)來加強(qiáng)保證。
圖1中，IC1是8選1的模擬通道芯片MAX338，若通道數(shù)量超過8，可選用MAX306，其通道數(shù)量可達(dá)16個(gè)。IC2為12位帶采樣保持功能的A/D模數(shù)變換芯片AD1674。IC4為地址鎖存片74LS373，IC5為RAM存儲(chǔ)芯片6264，它們附屬于IC3，作為IC3的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
硬件的工作過程是：工頻電壓或電流經(jīng)處理后（經(jīng)傳感器或者電壓/電流互感器、放大器、濾波器等處理）變?yōu)橄鄳?yīng)的模擬信號(hào)，分別從CI1的8個(gè)輸入端（IN1～I(xiàn)N8）輸入，具體選通哪路則取決于A0～A2的二進(jìn)制數(shù)。而A0～A2又是由IC3的P10～P12決定。被選中通道的模擬量由IC1的OUT輸出，經(jīng)跟隨器后進(jìn)入IC2進(jìn)行A/D變換，由R/C、A0控制變換的過程，STA給出變換結(jié)束的信號(hào)，它們分別由IC3的P15～P17實(shí)施控制和測試。變換完成的數(shù)字量為12位，分兩次輸出，第一次為高8位（DB11～DB4），第二次為低8位（DB3～DB0，后加4個(gè)0）。這些數(shù)據(jù)經(jīng)整理后依次存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器IC5中。IC3的P14是IC2的片選信號(hào)，P33是IC4、IC5的片選信號(hào)，通常為高電平，選不中。當(dāng)進(jìn)行A/D變換時(shí)，須先將P14置低電平，選中該片，變換完成后，再置加高電平。當(dāng)向IC5存、取數(shù)據(jù)時(shí)，須通過P33進(jìn)行控制，過程同上。這樣，可以防止A/D變換、IC5存取數(shù)據(jù)、IC3通過P0口向IC6傳送數(shù)據(jù)這三者之間的相互交叉干擾。
周期值的測量是由一模擬通道提供工頻信號(hào)，經(jīng)斯密特觸發(fā)器至IC3的P13進(jìn)行。P13相鄰兩次電平下降的時(shí)間隔即可周期值。
IC3的P30、P31與IC6的P10、P11構(gòu)成握手信號(hào)，將存放IC5中的各量依次取出，由IC3的P0口傳至IC6的P0口，并存入指定的區(qū)間，再進(jìn)行傅氏運(yùn)算、處理和控制。IC5中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是1周期內(nèi)各采樣點(diǎn)的、各通道測得的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的總和。設(shè)采樣點(diǎn)為Rn，通道數(shù)為Rm，再加上前述的周期值（各量均為2字節(jié)），總的字節(jié)數(shù)C=2RnRm+2。當(dāng)Rn=32，Rm=8，則C=2×32×8+2=514字節(jié)。當(dāng)少于200字節(jié)時(shí)，也即采樣點(diǎn)、通道數(shù)較少時(shí)，如Rn=16，Rm=6，IC3可用W78E52代替。W78E52可以利用片內(nèi)的256個(gè)RAM來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而省去片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在硬件上更為簡潔。
二、軟件
圖2是協(xié)處理器主程序軟件框圖。首先對(duì)有關(guān)的量進(jìn)行說明：T0和T1是W78E51片內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)器。T、Ta和Tb均為2字節(jié)寄存器，T用來存儲(chǔ)測量出的周期值；Ta存儲(chǔ)兩相鄰采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔，因本例中采樣點(diǎn)為32，將T右移5位即得Ta值；Tb是Ta對(duì)應(yīng)的溢出值，用來產(chǎn)生T0中斷。注意：以上諸量都須機(jī)器周期來表示，本例中采用24MHz晶振，一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間為0.5μs。Rm是模擬通道數(shù)，范圍是1～8。Rn是采樣點(diǎn)數(shù)，范圍是1～32。
工作過程簡述如下：當(dāng)P13電位下跌時(shí)，周期測試開始，到第二次P13下跌時(shí)，周期測試結(jié)束（區(qū)間為AA～AD）。兩次下跌的時(shí)間間隔即為工頻的周期，具有準(zhǔn)確的跟蹤特性。在周期測試開始后4μs，T0溢出產(chǎn)生中斷，執(zhí)行中斷子程序，總共32次。中斷子程序都是在AD～AC間執(zhí)行的，也即在第一周期內(nèi)所有需要測量的量都已測出。從AD往后便是第二周期，主要用來計(jì)
算Ta、Tb的值，并將IC5內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送出去。由此可見，協(xié)處理器的運(yùn)行為2個(gè)周期，約40ms。應(yīng)說明的是：在上電的第一個(gè)周期內(nèi)，因周期值還未測出，故須對(duì)Tb值先行設(shè)置。圖3是中斷子程序軟件框圖。
8個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是先存入片內(nèi)的RAM。這樣來得快，以減少通道之間的相差（鄰近通道之間的相差約為0.4°），之后，再一次性地由片內(nèi)RAM轉(zhuǎn)存于片外RAM。執(zhí)行一次T0中斷子程序的時(shí)間約為256μs。當(dāng)采樣點(diǎn)為32時(shí)，時(shí)間間隔為625μs，綽綽有余。若將采樣點(diǎn)增至36，通道增至16個(gè)，則采樣點(diǎn)間隔約為555μs，執(zhí)行中斷子程序的時(shí)間約為445μs，仍有足夠的余量。
軟件可以用匯編語言ASM51編寫，也可以用對(duì)應(yīng)的高級(jí)語言PL/M51或C51編寫，但前者代碼率高一些。
結(jié)束語
以上是協(xié)處理器的一般用法，在此基礎(chǔ)上是否能進(jìn)一步縮短運(yùn)行周期和提高測量精度，是一個(gè)值得研究的課題。提高主處理器IC6和協(xié)處理器IC3的工作頻率（如IC6采用16MHz，IC3采用36MHz）可以提高CPU的運(yùn)行速度，以達(dá)到縮短運(yùn)行周期的目的。但有兩點(diǎn)需要注意：一是CPU的芯片的速度必須跟得上；二是頻率提高后，輻射增強(qiáng)，交叉干擾變得明顯。因面，在印刷電路板的設(shè)計(jì)上須謹(jǐn)慎處理。
提高測量精度可以從3個(gè)方面著手。一是提高A/D轉(zhuǎn)換精度，采用14位A/D變換芯片。不過，位數(shù)越多，變換所需的時(shí)間也越長。這在單一CPU中因時(shí)間限制，效果不好，而在協(xié)處理器中卻容易實(shí)現(xiàn)。這里還有一個(gè)附帶的問題，目前大都采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，耗電量省，但工作頻率高，噪波大，通常有5～10mV,這無疑限制了精度的提高。因而，必須有一套優(yōu)良的電源濾波系統(tǒng)，將噪波濾到1mV以下。有時(shí)這部分的電源干擾采用串聯(lián)式穩(wěn)壓電源，其噪波可以做到0.5mV以下。
論文關(guān)鍵詞：Proteus，簡單制作，教學(xué)與實(shí)踐
1 Proteus 簡介
Proteus是英國Labcenter公司研發(fā)的多功能EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化），它實(shí)現(xiàn)了從電路設(shè)計(jì)到測試、仿真、調(diào)試的整個(gè)過程。仿真運(yùn)行通過后再制作實(shí)際電路的話，就大大縮短了開發(fā)周期，并且降低了開發(fā)成本。所以說它為電子電路、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)以及教師的教學(xué)、學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了非常有效的方法。
2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例
下面通過制作一個(gè)簡單的單燈閃爍，說明如何使用Proteus實(shí)現(xiàn)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。要求發(fā)光二極管一亮一滅的不停閃爍。
2.1 設(shè)計(jì)電路
利用Proteus繪制電路原理圖的步驟如下：
⑴運(yùn)行Proteus ISIS程序；
⑵單擊P命令進(jìn)入元件選擇對(duì)話框，選擇電路設(shè)計(jì)中所需的元件；
⑶放置元件到繪圖區(qū)簡單制作，布好局；
⑷設(shè)置好元件的參數(shù)；
⑸連接導(dǎo)線。
繪制完成的單燈閃爍硬件電路圖如圖1所示。
圖1 單燈閃爍硬件電路圖
2.2 編寫程序
ORG0030H
LOOP: SETB P1.0
LCALL DELAY
CLR P1.0
LCALL DELAY
LJMP LOOP
DELAY: MOVR3, #250
L:MOV R4, #250
LL:DJNZ R4, LL
DJNZ R3, L
RET
END
編輯好程序保存時(shí)，文件的擴(kuò)展名必須是ASM格式。
編譯程序，若編譯通過，便得到HEX格式的文件論文開題報(bào)告范例。
2.3 加載程序文件
雙擊原理圖中的單片機(jī)元件AT89C51，便出現(xiàn)單片機(jī)的屬性編輯窗口，在“Program File”欄指出HEX格式的程序文件所在的位置，就可將該程序文件加載到單片機(jī)中。
2.4 啟動(dòng)仿真，看電路運(yùn)行效果
單擊仿真控制按鈕，觀察電路的運(yùn)行狀況。
Proteus可以總體仿真運(yùn)行，也可單步或設(shè)置斷點(diǎn)仿真。
啟動(dòng)仿真后，能清楚地觀察到單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，各硬件所處的實(shí)時(shí)狀態(tài)。
若電路設(shè)計(jì)合理、程序編寫正確，就會(huì)看到發(fā)光二極管不停地閃爍。
2.5 調(diào)試簡單制作，修正電路、程序代碼
若未出現(xiàn)想要實(shí)現(xiàn)的功能，就需進(jìn)行軟硬件調(diào)試。
對(duì)于硬件電路，可用Proteus中提供的測量儀器儀表對(duì)電路進(jìn)行測試、觀察；至于程序，可采取單步或設(shè)置斷點(diǎn)進(jìn)行仿真調(diào)試。
不斷修正電路及程序代碼，直到能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，并改變?cè)?shù)使電路的性能達(dá)最優(yōu)。
注：每次修改完程序后，都必須再編譯一次，然后裝載到單片機(jī)中。
2.6 仿真運(yùn)行通過，制作實(shí)際電路
仿真運(yùn)行通過后，根據(jù)設(shè)計(jì)的原理圖，購買元器件、制板、焊接、測試調(diào)試，直至產(chǎn)品制作成功。
Proteus仿真模型是根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)參數(shù)文件來建立的，仿真極接近實(shí)際簡單制作，所以仿真運(yùn)行通過后制作的實(shí)際電路的成功率相當(dāng)高。
3 引入Proteus的好處
3.1 教學(xué)中
1. 教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)形象化
利用Proteus仿真軟件和多媒體教學(xué)設(shè)備，在課堂中通過實(shí)例仿真，演示從單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)到軟件調(diào)試的全過程，并演示運(yùn)行結(jié)果，使教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)形象化。
2. 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量
教學(xué)中對(duì)實(shí)例用Proteus進(jìn)行仿真，這種結(jié)合實(shí)際講解知識(shí)點(diǎn)的方法，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使知識(shí)點(diǎn)變得容易理解、接受，從而提高了教學(xué)質(zhì)量。
3. 拓展學(xué)生思維
講解完知識(shí)點(diǎn)后，針對(duì)實(shí)例，向?qū)W生提出相關(guān)拓展性問題。比如上例中：
⑴P1.0口線上能否多并聯(lián)幾個(gè)發(fā)光二極管？改變R2阻值大小的話會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？
⑵能不能將P1.0換為32根I/O口線中的其他線呢？若能的話，改為P0的某一口線時(shí)需注意什么？
⑶P1.1~P1.7能否像P1.0一樣都接發(fā)光二極管以及電阻呢？
⑷硬件電路改了簡單制作，程序相應(yīng)地要如何修改呢？。。。論文開題報(bào)告范例。。。
通過提問，并適當(dāng)演示，這樣不僅拓展了學(xué)生的思維，同時(shí)加強(qiáng)、深化了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。
3.2 實(shí)踐中
1. 提高開發(fā)速度，降低開發(fā)成本
從上例可看出，利用Proteus軟件，在繪圖區(qū)繪制好電路原理圖，并將編譯后的程序文件加載到單片機(jī)中，進(jìn)行仿真就能觀察整個(gè)電路的運(yùn)行情況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求，未達(dá)到，即可修整設(shè)計(jì)方案、修改程序、測試電路，直至成功。這樣就無須多次購買元器件板、制板、焊接測試調(diào)試等簡單制作，省時(shí)、省力、省錢，同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)效果和質(zhì)量。
2. 敢于嘗試，勇于創(chuàng)新
根據(jù)仿真通過后的電路原理圖來制作產(chǎn)品，學(xué)生就不用擔(dān)心元器件損壞等問題，就敢于動(dòng)手去嘗試設(shè)計(jì)電路。通過自己動(dòng)手，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生勤思考、勇于創(chuàng)新的精神。
4 結(jié)語
教學(xué)與實(shí)踐中引入Proteus，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。產(chǎn)品制作成功，學(xué)生就會(huì)很有成就感、滿足感，這是一個(gè)良性循環(huán)。通過不斷的實(shí)踐，學(xué)生的動(dòng)手開發(fā)、創(chuàng)新能力就得到了較大的提高。
參考文獻(xiàn):
[1]彭勇.單片機(jī)技術(shù).電子工業(yè)出版社,2009.8
[2]朱成志.Proteus仿真軟件在單片機(jī)原理教學(xué)中應(yīng)用. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2009
關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；單片機(jī)；模塊化；實(shí)驗(yàn)臺(tái)；數(shù)字溫度控制系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2011）30-0050-03
隨著工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備的集成度越來越高，控制功能日趨完善，作為控制系統(tǒng)的核心部件――單片機(jī)日益受到重視，具有完善控制功能的單片機(jī)逐漸在自動(dòng)控制系統(tǒng)領(lǐng)域大放異彩，而企業(yè)對(duì)于掌握單片機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)能力的人才更是求賢若渴，為此，必須要對(duì)機(jī)電專業(yè)學(xué)生的單片機(jī)設(shè)計(jì)能力進(jìn)行重點(diǎn)培養(yǎng)和訓(xùn)練。而現(xiàn)有的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)很多都是集成度很高的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由于集成度高而大大限制了其應(yīng)用的范圍，且由于集成度高而使得實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)相當(dāng)脆弱，后期維護(hù)養(yǎng)護(hù)工作量較大。因此，相關(guān)人員有必要開展單片機(jī)能力訓(xùn)練和拓展方面的實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究。
本論文主要結(jié)合當(dāng)前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合模塊化的設(shè)計(jì)理念，對(duì)單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以期從中能夠找到模塊化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用模式，從中開發(fā)出合理有效的單片機(jī)能力訓(xùn)練拓展的實(shí)驗(yàn)方法，并以此和同行分享。
一、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)
（一）高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用現(xiàn)狀
當(dāng)前各個(gè)高校的機(jī)械電子工程專業(yè)都普遍開設(shè)有單片機(jī)相關(guān)課程，但是配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備均是簡單的演示性實(shí)驗(yàn)器材，只是讓學(xué)生照著書本上的范例輸入程序，即可完成單片機(jī)控制系統(tǒng)的全部控制功能的演示，對(duì)于學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)毫無實(shí)踐動(dòng)手的意義；國內(nèi)一些教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠家所設(shè)計(jì)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其控制功能過于復(fù)雜，并且配套設(shè)備多，零部件之間的依賴關(guān)系較大，集成度高，反而不利于學(xué)生對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部原理的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)由于這些實(shí)驗(yàn)開發(fā)板大多已經(jīng)將實(shí)驗(yàn)功能程序固化在系統(tǒng)內(nèi)部了，因此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展功能較差，只能夠進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)于學(xué)生自主性設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，其實(shí)施難度較大，且這些實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備普遍存在著后期維護(hù)量大的問題，成本十分高昂，動(dòng)輒高達(dá)十幾萬元，且并不適合我校學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，因此并不適宜通過直接購買的方式引進(jìn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
綜上所述，只有自制基于單片機(jī)控制功能的多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，才能從根本上解決我院學(xué)生微機(jī)原理與應(yīng)用課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備配備問題，并且提高學(xué)生真正動(dòng)手設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)而達(dá)到應(yīng)用開發(fā)的實(shí)踐動(dòng)手能力。
（二）實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該試驗(yàn)臺(tái)從模塊化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，從簡單實(shí)驗(yàn)到綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，均采用模塊設(shè)計(jì)、接口預(yù)留、連接組建的方式來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的具體控制應(yīng)用；對(duì)于綜合性的單片機(jī)測控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，利用四個(gè)小型單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的測控系統(tǒng)，組建綜合性單片機(jī)控制實(shí)驗(yàn)中心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)單片機(jī)設(shè)計(jì)的應(yīng)用。
該實(shí)驗(yàn)臺(tái)是面向?qū)W生進(jìn)行單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，一定要能夠考慮到學(xué)生的動(dòng)手能力、多名學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的可行性以及實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。鑒于此，采用面包板的設(shè)計(jì)模式，將實(shí)驗(yàn)臺(tái)中可能用到的各單片機(jī)模塊掛在面包板上，面包板上可以刻畫出不同測控系統(tǒng)的電路原理圖，學(xué)生根據(jù)電氣原理圖，選擇相應(yīng)的單片機(jī)模塊掛在面包板上，單片機(jī)模塊與面包板之間采用專用連接插頭進(jìn)行電氣連接，而各單片機(jī)模塊之間采用杜邦連接件進(jìn)行電氣連接，從而搭建出不同測控功能的單片機(jī)測控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如圖1所示，為基于單片機(jī)的模塊化實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)框架示意圖。
（三）實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)
如圖2所示，該多功能實(shí)驗(yàn)開發(fā)板主要是圍繞單片機(jī)控制與測試系統(tǒng)的基本構(gòu)成，從傳感器的輸入開始，到信號(hào)處理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，主MCU控制電路，存儲(chǔ)電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，輸出顯示等模塊，該系統(tǒng)囊括了單片機(jī)控制與測試系統(tǒng)的全部構(gòu)成環(huán)節(jié)，通過模塊化設(shè)計(jì)思路，將不同功能的單片機(jī)控制與測試系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊化，并通過設(shè)計(jì)不同的接口選擇電路，實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生動(dòng)手連接不同電路模塊，進(jìn)而搭建不同功能的測試系統(tǒng)或單片機(jī)控制系統(tǒng)。
二、基于單片機(jī)的模塊化實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)現(xiàn)
（一）實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊硬件模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
對(duì)于該多功能實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，采用獨(dú)立化的模塊設(shè)計(jì)方式，將搭建各種不同功能的單片機(jī)控制系統(tǒng)及測試系統(tǒng)的必要組成模塊進(jìn)行分離，借鑒“堆積木”的思想，使學(xué)生自主的選擇不同的模塊，進(jìn)而按照實(shí)驗(yàn)功能要求構(gòu)建具有不同實(shí)驗(yàn)功能的單片機(jī)控制系統(tǒng)。
在具體實(shí)現(xiàn)方式上，每一個(gè)模塊都會(huì)設(shè)計(jì)統(tǒng)一的具有一定通用性的接口，有輸入模擬量接口，輸入數(shù)字量接口，輸出模擬量接口，輸出數(shù)字量接口，接口統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)2.54mm的插針插母，方便不同模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換。如下圖3所示，是A/D轉(zhuǎn)換模塊和處理器模塊（8051）進(jìn)行連接的設(shè)計(jì)示意圖。
從下圖設(shè)計(jì)上可以發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)獨(dú)立模塊都設(shè)計(jì)了由標(biāo)準(zhǔn)2.54mm插針構(gòu)成了接口，按照接口類型的不同，可以具體分為輸入模擬量接口，輸入數(shù)字量接口，輸出模擬量接口和輸出數(shù)字量接口，不同模塊之間采用杜邦連接件連接。實(shí)際上，本實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的全部模塊均采用此種模塊化的設(shè)計(jì)方式，從而有利于學(xué)生動(dòng)手能力和自主設(shè)計(jì)能力的提升。
（二）基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的模塊化數(shù)字溫度測控系統(tǒng)構(gòu)建
基于模塊化的單片機(jī)數(shù)字溫度測控系統(tǒng)，是利用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，將數(shù)字溫度測控系統(tǒng)按照其構(gòu)成模塊，如CPU控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)字顯示模塊等分別進(jìn)行硬件連接連線，從而完成數(shù)字溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，再配以合適的程序，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的數(shù)字測量與顯示的功能。這樣利用模塊化的設(shè)計(jì)方法極大的提高了機(jī)電專業(yè)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的能力，對(duì)于單片機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用能力的提高有很大幫助。
圖4 數(shù)字溫度測控系統(tǒng)硬件接線原理圖
硬件連線如上圖4所示，該電路由51單片機(jī)、ADC0809電路及七段數(shù)碼顯示電路三部分組成。由于電路比較簡單，在總線上沒有其他器件，所以直接選通ADC0809，ADC0809轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示在七段數(shù)碼管顯示電路上。需注意，試驗(yàn)中要將所有的電源的地線相連，包括+5V和+24V之間的。當(dāng)＋5V的VCC本身波動(dòng)不超過ADC0809的測量精度時(shí)，可以將參考基準(zhǔn)電壓輸入端直接接到VCC（Vref+）和GND（Vref-）上。輸入電壓來自于溫度變送器，在protues中可以按圖所示，采用電阻分壓，以產(chǎn)生電平信號(hào)。溫度值與輸入的數(shù)值之間的關(guān)系為：T=D*Vref/256*20。其中D為ADC0809輸出的數(shù)據(jù)值。
三、結(jié)語
本論文結(jié)合當(dāng)前高校單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)臺(tái)普遍存在集成度較高、實(shí)用性較低的現(xiàn)狀，從模塊化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于模塊化單片機(jī)的集成實(shí)驗(yàn)臺(tái)，能夠面向高校單片機(jī)課程教學(xué)使用，本論文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的角度詳細(xì)論述了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案，且該實(shí)驗(yàn)臺(tái)造價(jià)合理，功能相對(duì)于目前國內(nèi)市場上在售的單片機(jī)教學(xué)型實(shí)驗(yàn)臺(tái)也比較完善全面，因而其性價(jià)比較高，經(jīng)濟(jì)合理適用，適宜在各高校機(jī)電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備中推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] 郝迎吉，高紅紅，王燕．遠(yuǎn)距離水位智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（6）.
[2] 王幸之，等．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.
[3] 丁玉美，等．?dāng)?shù)字信號(hào)處理[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.
[4] 范立南，李雪飛，尹授遠(yuǎn)．單片微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：人民郵電出版社，2004.
【關(guān)鍵詞】AGV 磁引導(dǎo) PWM調(diào)速 8052單片機(jī)
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，自動(dòng)導(dǎo)引小車（Automatic Guided Vehicle AGV）得到了廣泛的應(yīng)用。AGV以電池為動(dòng)力，并裝有非接觸導(dǎo)航（導(dǎo)引）裝置，以電磁引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、慣性引導(dǎo)及GPS引導(dǎo)等方式。可實(shí)現(xiàn)無人駕駛的運(yùn)輸作業(yè)。它能在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下，按路徑規(guī)劃和作業(yè)要求，精確地行走并停靠到指定地點(diǎn)，完成一系列作業(yè)。
AGV以輪式移動(dòng)為特征，較之步行、爬行或其它非輪式的移動(dòng)機(jī)器人具有行動(dòng)快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)勢(shì)。AGV的活動(dòng)區(qū)域無需鋪設(shè)軌道、支座架等固定裝置，不受場地、道路和空間的限制。在自動(dòng)化物流系統(tǒng)中，最能充分地體現(xiàn)其自動(dòng)性和柔性，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、靈活的無人化生產(chǎn)。
一、AGV導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本論文設(shè)計(jì)了磁帶引導(dǎo)AGV，完成尋跡、蔽障、PWM調(diào)速、人工控制等功能，為大量生產(chǎn)工業(yè)型AGV提供較好的研究基礎(chǔ)。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)如圖1所示：
圖1
本論文主要對(duì)AGV的硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究磁引導(dǎo)AGV的磁尋跡感器模塊軟硬件模塊、速度反饋模塊的設(shè)計(jì)。
二、磁尋跡傳感模塊設(shè)計(jì)
磁尋跡傳感器是AGV能否完成磁帶尋跡功能的關(guān)鍵，為了檢測到弱磁磁場的存在，要選用靈敏度更高的傳感器。本設(shè)計(jì)采用磁阻傳感器，可以測量到弱磁磁場的存在。由于磁阻傳感器輸出為模擬量輸出，需要通過響應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)輸入單片機(jī)。模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 磁尋跡傳感器硬件實(shí)現(xiàn)電路
三、速度反饋模塊設(shè)計(jì)
本論文AGV采用雙輪差速驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行速度下降，一般額定轉(zhuǎn)速降落達(dá)3%～10%，為了使兩電機(jī)同速，必須要有反饋換環(huán)節(jié)對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行反饋。只有組成了閉環(huán)系統(tǒng)，AGV的運(yùn)動(dòng)與速度才可控。碼盤接口硬件電路如圖3所示。兩編碼器的A和B兩相信號(hào)經(jīng)過74LS14施密特整形，分別接到單片機(jī)的P2.3和P2.2 以及INT0和INT1上。單片機(jī)對(duì)INT1和INT0的中斷次數(shù)計(jì)數(shù)來測量通道B的脈沖數(shù)，讀取P1.2的電平狀態(tài)來判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。以上升沿觸發(fā)為例，當(dāng)B路信號(hào)的上升沿引起中斷時(shí)，單片機(jī)判斷P2.2或P2.3信號(hào)的電平高低。若其為低，則電機(jī)正傳；為高，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)的速度即為一個(gè)采樣周期中N值的變化量。電機(jī)的轉(zhuǎn)速為，式中，C為標(biāo)度變化系數(shù)，可根據(jù)轉(zhuǎn)速的量綱來選擇，N為一個(gè)采樣周期中的計(jì)數(shù)值，它的符號(hào)反應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。
圖3 光電編碼器實(shí)現(xiàn)電路圖
四、總結(jié)
本系統(tǒng)采用PWM調(diào)速及雙輪差速控制，使車輛依照車載傳感器確定的位置信息，沿著規(guī)定的行駛路線和停靠位置，自動(dòng)行駛，完成規(guī)定的操作。論文對(duì)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠合理，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本功能。
參考文獻(xiàn)：
[1] 溫鋼云，黃道平. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 華南理工大學(xué)出版社，2002.
[2] hard C.Dorf Robert H.Bishop. 現(xiàn)代控制系統(tǒng)[M].高等教育出版社，2006.
關(guān)鍵詞：FPGA，可編程控制，高清信號(hào)源
一、FPGA的發(fā)展史
FPGA作為一種高新的技術(shù),已經(jīng)逐漸普及到各行各業(yè),從1985年第一顆FPGA誕生至今,FPGA已經(jīng)歷了將近20多個(gè)年頭,從當(dāng)初的幾百個(gè)門電路到現(xiàn)在的幾百萬門、幾千萬門……,從原來的上千元的天價(jià)到現(xiàn)在幾元的超低價(jià),可謂是出現(xiàn)了翻天覆地的變化。
FPGA誕生于1985年,當(dāng)時(shí)第一個(gè)FPGA采用2μm工藝,包含64個(gè)邏輯模塊和85 000個(gè)晶體管,門數(shù)量不超過1 000個(gè),由名為Ross Freema所發(fā)明。論文格式，高清信號(hào)源。FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫,即現(xiàn)場可編程門陣列,它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。
二、FPGA技術(shù)簡介
我們都知道構(gòu)成數(shù)字邏輯系統(tǒng)最基本的單元是與門、或門、非門等,而他們都是用三極管、二極管和電阻等元件構(gòu)成,然后與門、或門、非門又構(gòu)成了各種觸發(fā)器,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)記憶,FPGA屬于數(shù)字邏輯電路的一種,同樣由這些最基本的元件構(gòu)成。一個(gè)FPGA可以將上億個(gè)門電路組合在一起,集成在一個(gè)芯片內(nèi),打破以往需要用龐大分立門電路元器件搭建的歷史,不僅電路面積、成本大大減小,而且可靠性得到了大幅度的提升。論文格式，高清信號(hào)源。一般的FPGA內(nèi)部是由最小的物理邏輯單位LE、布線網(wǎng)絡(luò)、輸入輸出模塊以及片內(nèi)外設(shè)組成,所謂的最小物理邏輯單元是指用戶無法修改的、固定的最小的單元,我們只能將這些單元通過互聯(lián)線將其連接起來,然后實(shí)現(xiàn)用戶特定的功能。一個(gè)LE由觸發(fā)器、LUT以及控制邏輯組成,可以實(shí)現(xiàn)組合邏輯和時(shí)序邏輯;隨著FPGA集成度的不斷增加,其內(nèi)部的片內(nèi)外設(shè)也越來越多,內(nèi)部可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外設(shè),真正實(shí)現(xiàn)單芯片解決整個(gè)系統(tǒng)功能的目的。所以我們所需要控制的是布線層之間的互聯(lián)開關(guān),這也是我們編程的對(duì)象,通過這些開關(guān)來改變功能。
三、FDGA的兩大工藝分類及比較
當(dāng)今的FGPA按工藝分主要有SRAM工藝和Flash工藝兩類,前者最大的特點(diǎn)是掉電數(shù)據(jù)會(huì)丟失,無法保存,所以它們的系統(tǒng)除了一個(gè)FPGA以外,外部還需要增加一個(gè)配置芯片用于保存編程數(shù)據(jù),每次上電的時(shí)候都需要從這個(gè)配置芯片將配置數(shù)據(jù)流加載到FPGA,然后才能正常的運(yùn)行;但是Flash架構(gòu)的FPGA掉電不會(huì)丟失數(shù)據(jù),無需配置芯片,上電即可運(yùn)行,它的特點(diǎn)非常類似ASIC,但是又比ASIC更加的靈活,可以重復(fù)編程。論文格式，高清信號(hào)源。在一些小規(guī)模的公司或者產(chǎn)品量不是很大的時(shí)候往往更傾向于用FPGA來取代ASIC,不僅能夠降低風(fēng)險(xiǎn),而且能夠降低成本。論文格式，高清信號(hào)源。論文格式，高清信號(hào)源。
四、FPGA技術(shù)在高清信號(hào)源上的應(yīng)用
正是由于FPGA的上述優(yōu)點(diǎn),它正在成為數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域的新寵。在信號(hào)源方面的應(yīng)用也不例外,較早的信號(hào)發(fā)生器大多是由復(fù)雜的模擬電路構(gòu)成,體積大,成本高且不易維護(hù),現(xiàn)在使用的信號(hào)源功能單一,普通、高清、VGA, DVI信號(hào)源各自獨(dú)立速度慢、資源有限,格式內(nèi)容單一且無法添加實(shí)際需要的特殊信號(hào)。如果采用可編程器件FPGA就可以解決這個(gè)問題,真正做到1080P的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的輸出,是高清信號(hào)源理想的選擇。
（一）HDTV測試信號(hào)簡介
根據(jù)相關(guān)視頻信號(hào)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn),需要產(chǎn)生HDTV測試信號(hào),制式種類包括480P/I(60HZ)、576IP/I(50HZ)、720P、1080I(50Hz/60Hz)、1080P(50Hz/60Hz)、VGA640×480(60Hz/75Hz)、VGA800×600 (60Hz/75Hz)、VGA1024×768 (60/75Hz)NTSC、PAL。測試信號(hào)種類包括彩條信號(hào)、8(16)級(jí)灰階、中心十字、方格、方格加測試卡、灰度漸變信號(hào)、紅(綠、藍(lán)、白、暗)場、左右灰度、上下灰度可調(diào)、彩條灰度圖等等。信號(hào)輸出格式包括Y/Pr/Pb基色信號(hào)、R/G/B基色信號(hào)、CVBS信號(hào)、VGA信號(hào),DVI信號(hào),輸出采用高頻同軸Q9插座、CVBS輸出采用RCA插座。
（二）設(shè)計(jì)方案框圖及各部分簡介
1、信號(hào)存儲(chǔ)部分:主要作為無規(guī)律圖像的存放,專門特殊功能測試圖片的存放。
2、FPGA部分:采用通道總線選擇技術(shù),依次定義以下制式:
3、控制部分——單片機(jī):外圍人機(jī)接口控制(按鍵及LCD顯示部分)、向FPGA輸出兩根控制CLKD鐘信號(hào),DIN數(shù)據(jù)信號(hào)與FPGA通信。晶振選通、控制完成FPGA配置、制74LS26(通其間接控制AD813)選擇后級(jí)放大輸出,通過RS232與其他設(shè)備進(jìn)行通信。
（三）系統(tǒng)工作原理說明
1、系統(tǒng)上電初始化。系統(tǒng)上電后,單片機(jī)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù),并發(fā)送默認(rèn)控制信息給FPGA,LCD顯示初始信息;單片機(jī)收到有按鍵按下時(shí)候或串行通信接受到命令后,根據(jù)信息選通時(shí)鐘、配置FPGA控制74LS26。
2、判斷按鍵。單片機(jī)判斷前面板上按鍵是否有按下,如果有按下做出相應(yīng)處理:如果是制式,其他信號(hào)格式變化,單片機(jī)將發(fā)送控制信息給FPGA。論文格式，高清信號(hào)源。種類及其他信息變化狀態(tài)后:單片機(jī)不發(fā)送控制信息給FPGA,本系統(tǒng)上電初始化,而后等待單片機(jī)或FPGA觸發(fā)信號(hào)才會(huì)工作;而該觸發(fā)信號(hào)FPGA而言只有當(dāng)單片機(jī)配置完FPGA后才會(huì)發(fā)出。
在設(shè)計(jì)高清信號(hào)源時(shí),使用美國ALTERA公司的FPGA來進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和整理以及產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路所需要的各種控制波形,而在調(diào)試電路時(shí),使用FPGA中多余的邏輯來產(chǎn)生VGA信號(hào)和彩條信號(hào),所產(chǎn)生的信號(hào)穩(wěn)定可靠。為電路調(diào)試帶來了很多方便,在實(shí)際應(yīng)用中,還可以對(duì)彩條信號(hào)產(chǎn)生模塊方便地進(jìn)行修改,比如可以修改行、場計(jì)數(shù)器的判斷值來調(diào)整彩條的大小。增加控制信號(hào)的位數(shù)。以及增加延時(shí)跳變的功能,使輸出的信號(hào)摘要。本文所述信號(hào)實(shí)現(xiàn)方法和程序經(jīng)實(shí)驗(yàn)是可行的,按照實(shí)際電路圖布板做成PCB,程序燒入FPGA,整機(jī)連接調(diào)試所得的信號(hào)符合國家電視信號(hào)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]董士海,張倪,肖磊,等.EGAVGA程序員手冊(cè)[M].北京:北京大學(xué)出版社,1999.
[2]王城,吳繼華,范麗珍,等.ALTERAFPGA/CPLD設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2005.
關(guān)鍵詞：石蠟成型機(jī)，串行通信，單片機(jī)，VisualBasic
本系統(tǒng)的目標(biāo)是:通過相關(guān)軟件、硬件的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)由主機(jī)(上位機(jī))通過單片機(jī)(下位機(jī))通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)石蠟車間現(xiàn)場石蠟成型機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)控。即利用主機(jī)的監(jiān)控軟件與單片機(jī)進(jìn)行通信,以實(shí)現(xiàn)對(duì)石蠟成型機(jī)的監(jiān)控功能。本系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能:
(1) 界面設(shè)計(jì)清晰,功能齊全，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示石蠟成型機(jī)所有參數(shù)及狀態(tài)
(2) 上位機(jī)與下位機(jī)能進(jìn)行可靠、實(shí)時(shí)的通信。
(3) 查詢歷史記錄功能
1軟硬件的選取及上下位機(jī)間通信協(xié)議的定義
基于上述目標(biāo)與功能,要實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng),首先要解決以下幾個(gè)問題:
1.1 上位機(jī)與單片機(jī)之間通信方式的選取
串行通信使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，處理的數(shù)據(jù)電壓只有一個(gè)準(zhǔn)位,因此不容易漏失數(shù)據(jù)。串行通信端口(RS-232)是每部計(jì)算機(jī)上的必要配備,它不僅實(shí)用簡單,而且價(jià)格便宜。。因此本系統(tǒng)采用RS-232串行通信方式用于上、下位機(jī)間的通信。
1.2 監(jiān)控軟件開發(fā)平臺(tái)的選取
VisualBasic（VB）是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言，可用于開發(fā)Windows環(huán)境下的各類應(yīng)用程序。它簡單易學(xué)、效率高，可以高效、快速地開發(fā)Windows環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。所以，本系統(tǒng)采用VB作為監(jiān)控軟件平臺(tái)。
1.3 單片機(jī)型號(hào)以及芯片的選取
MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位具有精簡指令集的、超低功耗的混合信號(hào)處理器(Mixed SignalProcessor)。由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。本系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)。
1.4 上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信協(xié)議
Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用Modbus通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，采用16位CRC校驗(yàn)以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
通信參數(shù)設(shè)置
關(guān)鍵詞：ATmega8；電路設(shè)計(jì)；學(xué)生實(shí)驗(yàn)板；單片機(jī)教學(xué)
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.188
1 引言
嵌入式處理器已成為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用和設(shè)計(jì)的主流，對(duì)于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的中職學(xué)校，嵌入式教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)已成為教學(xué)的瓶頸，設(shè)備添置滿足不了教學(xué)需求。ATmega8是ATMEL公司推出的一款新型AVR高檔單片機(jī)，具備AVR高檔單片機(jī)MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)，其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，深受廣大單片機(jī)用戶的喜愛。本文采用基于Atmega8微處理器進(jìn)行嵌入式教學(xué)平臺(tái)電路設(shè)計(jì)，手工制作出單面PCB板，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)與制作。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖2-1所示。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)中 ATmega8核心模塊通過RS232 與PC上位機(jī)進(jìn)行通信，充分利用PC 機(jī)的資源。電源部分采用單獨(dú)電源供電。該實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有下載器，只需一條下載線即可開始工作，使用方便，保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
ATmega8單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板上集成了LED數(shù)碼管顯示模塊、 LCD液晶顯示模塊、通訊接口模塊、流水燈、蜂鳴器模塊、按鍵模塊、 A /D和 D /A 轉(zhuǎn)換模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、DS18B20測溫模塊、24C02存儲(chǔ)模塊等常用實(shí)驗(yàn)?zāi)K。同時(shí)實(shí)驗(yàn)板上還設(shè)計(jì)預(yù)留有可擴(kuò)展的空間以滿足學(xué)生進(jìn)行綜合課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
3.1 CPU模塊設(shè)計(jì)
圍繞核心芯片所設(shè)計(jì)的CPU模塊如圖 3-1所示。圖中的復(fù)位電路 RESET有二種選擇： 外部復(fù)位， J16必須插上短路塊；或 PC6作I/O 口用， J16拔出短路塊。晶振電路 XTAL1和 XTAL2 分別是片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入、輸出端， 外接晶體振蕩器。晶振有兩種選擇：一是外接8MHz無源晶振， 二是內(nèi)部RC振蕩器。當(dāng)P1插上短路塊時(shí)， 為用外接無源晶振；當(dāng)P1不插短路塊時(shí)， 則用 ATmega8內(nèi)部振蕩器。另外，模塊還設(shè)計(jì)有ISP編程接口 ，實(shí)現(xiàn)在線下載或讀取芯片內(nèi)部程序。
3.2 具有自動(dòng)識(shí)別輸入電壓極性的電源模塊設(shè)計(jì)
具有自動(dòng)識(shí)別輸入電壓極性的電源模塊電路如圖3-2所示，該電路有9V和5V雙電源供電。10V直流電經(jīng)J3加入電路板后經(jīng)D3、D4、D6、D7四只二極管組成的極性保護(hù)電路。對(duì)學(xué)生而言，在實(shí)習(xí)中給實(shí)訓(xùn)板加錯(cuò)輸入電壓的極性，會(huì)給實(shí)驗(yàn)板帶來了不必要的損害，有了具有自動(dòng)識(shí)別輸入電壓極性的電路，對(duì)本實(shí)驗(yàn)板起到很好的保護(hù)作用。
3.3 流水燈和蜂鳴器模塊設(shè)計(jì)
流水燈電路中的流水燈由LED1―LED8發(fā)光二極管組成，1K的限流電阻，發(fā)光二級(jí)管的正極經(jīng)限流電阻接電源VCC，發(fā)光二極管負(fù)極由連接排線接單片機(jī)I/O口，采用的低電平驅(qū)動(dòng)發(fā)光二級(jí)管。蜂鳴器電路（圖3-3）由Q5、LS1、R11和R16組成，由JP14經(jīng)連接導(dǎo)線接單片機(jī)驅(qū)動(dòng)I/O端，采用的同樣是低電平驅(qū)動(dòng)。
3.4 顯示模塊設(shè)計(jì)
數(shù)碼管顯示模塊采用采用動(dòng)態(tài)掃描模式，選用四位一體共陽數(shù)碼管，電路由SM1、R1―R8、Q1―Q4、R12―R15組成。Q1―Q4進(jìn)行位碼控制，連接線接單片機(jī)位碼驅(qū)動(dòng)I/O口，低電平有效驅(qū)動(dòng)。段碼控制經(jīng)排線接單片機(jī)段碼驅(qū)動(dòng)I/O口，低電平有效。 LCD顯示模塊外接擴(kuò)展LCD1602和外接擴(kuò)展LCD128*64。
3.5 串口通信設(shè)計(jì)
ATmega8單片機(jī)與PC機(jī)通信采用MAX232串口通信模塊。通信時(shí)，使用 RS232 接口線，從而實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與ATmega8單片機(jī)的串行 UART通訊，充分利用 PC 機(jī)資源。
3.6 其它電路設(shè)計(jì)
ATmega8單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板上還設(shè)計(jì)有按鍵模塊、 A /D和 D /A 轉(zhuǎn)換模塊、24C02存儲(chǔ)模塊（圖4-8）、DS1302時(shí)鐘模塊（圖4-9）、DS18B20測溫模塊等常用實(shí)驗(yàn)?zāi)K；同時(shí)實(shí)驗(yàn)板上還設(shè)計(jì)預(yù)留有可擴(kuò)展的空間以滿足學(xué)生進(jìn)行綜合課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等，滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求。
4 電路板的設(shè)計(jì)與制作
在總體電路框架分析后，先用Protel DXP軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，再用熱轉(zhuǎn)印法制作PCB電路板。具體的步驟如下：
（1）設(shè)計(jì)PCB板圖：用Protel DXP軟件繪制實(shí)驗(yàn)板電路原理圖，再設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)板PCB板圖。（2）打印：用激光打印機(jī)把設(shè)計(jì)好的PCB板圖打印到熱轉(zhuǎn)印紙上。（3）預(yù)熱、卸料：打開熱轉(zhuǎn)印機(jī)，將溫度調(diào)節(jié)到180度左右，預(yù)熱5―10分鐘；根據(jù)PCB板的尺寸對(duì)覆銅板進(jìn)行裁剪，并用細(xì)砂紙進(jìn)行打磨去氧化。（4）熱轉(zhuǎn)印：將打印好電路圖的熱轉(zhuǎn)印紙貼于覆銅板的銅面上，放入熱轉(zhuǎn)印機(jī)，熱轉(zhuǎn)移機(jī)便會(huì)自動(dòng)地把PCB板圖轉(zhuǎn)印到覆銅板上。（5）修版：在熱轉(zhuǎn)印過程中可能有的電路線條受損，沒轉(zhuǎn)印過來，要對(duì)受損線條進(jìn)行修補(bǔ)。（6）腐蝕：腐蝕液用1：1的雙氧水和鹽酸水溶液，將覆銅板浸入腐蝕液中，輕輕震動(dòng)即可。注意腐蝕速度不能太快，否則會(huì)出現(xiàn)側(cè)蝕。（7）清洗：先用清水進(jìn)行清洗，再用汽油清洗掉墨粉（或用細(xì)砂紙打磨）。（8）打孔：用微型臺(tái)鉆進(jìn)行打孔，鉆頭要用電路板專用鉆頭；打好孔后對(duì)板子進(jìn)行清理、修邊，再涂上松香水，一塊精美的PCB板就做好了。
5 結(jié)束語
本文利用ATmega8微處理器來進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，其目的是為經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的中職學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)提供一套制作簡單、功能較多的的實(shí)驗(yàn)板，讓學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中學(xué)習(xí)單片機(jī)，降低學(xué)習(xí)難度，使他們能夠把理論知識(shí)迅速賦予到工程實(shí)踐中去。
參考文獻(xiàn)：
[1]陳章余.基于SEP4020處理器嵌入式教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn).[D]：[碩士學(xué)位論文].江蘇南京：東南大學(xué)，2011.
[2]陳勝濤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)功能層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).[D]：[碩士學(xué)位論文].青島：青島大學(xué).
【關(guān)鍵詞】智能家居 GSM模塊 單片機(jī)
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化智能家居系統(tǒng)可提供遙控、家電控制、照明控制、窗簾自控、防盜報(bào)警、可編程定時(shí)控制及計(jì)算機(jī)控制等多種功能和手段，使生活更加舒適、安全和便利。本文設(shè)計(jì)的基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)由智能監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和用戶手機(jī)構(gòu)成，通過GSM短信息的收發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
1 總體設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)由中心控制模塊和各分散控制模塊組成。中心控制模塊實(shí)現(xiàn)控制用戶手機(jī)和各分散控制功能模塊。選用AT89S52單片機(jī)作為該監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制元件。主控單片機(jī)模塊接收用戶手機(jī)發(fā)送的短信息，根據(jù)短消息的內(nèi)容控制各子功能模塊；同時(shí)主控單片機(jī)模塊將家居系統(tǒng)的控制信息以短信形式發(fā)送到用戶手機(jī)，由單片機(jī)構(gòu)成各控制模塊子系統(tǒng)。
1.1 系統(tǒng)硬件部分
根據(jù)任務(wù)需要，合理選擇單片機(jī)、傳感器、GSM模塊和設(shè)備來構(gòu)成系統(tǒng)。為使硬件設(shè)計(jì)盡可能合理，系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)遵循了以下幾個(gè)方面：
（1）選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。
（2）選用功能強(qiáng)、集成度高的電路或芯片。
（3）選擇通用性強(qiáng)、市場貨源充足的元器件。
（4）在對(duì)硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)考慮時(shí)，考慮通用性的問題，采用模塊化的設(shè)計(jì)方式。
（5）系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)留有余地，以備將來修改、擴(kuò)展之需。
（6）在電路設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動(dòng)能力
最終確定采用AT89S52單片機(jī)作為處理芯片。西門子的TC35系列的TC35iGSM模塊，TC35i與GSM2/2+兼容、雙頻（GSM900/GSMl800）、RS232數(shù)據(jù)口、符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705，且易于升級(jí)為GPRS模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)與設(shè)計(jì)。
1.2 系統(tǒng)軟件部分
軟件部分由以下幾部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集單元、手機(jī)短信信令識(shí)別與分析單元、GSM模塊TC35 modem接口程序部分、分析控制部分。其中數(shù)據(jù)采集部分和手機(jī)短信信令識(shí)別需要作實(shí)時(shí)處理；GSM模塊TC35 modem接口程序部分和分析控制部分則是根據(jù)采集和手機(jī)短信信令進(jìn)行分時(shí)操作有利于提高系統(tǒng)效率。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)部分主要有數(shù)據(jù)采集部分、手機(jī)短信信令識(shí)別、TC35Modem接口程序部分、分析控制部分。其中數(shù)據(jù)采集部分和手機(jī)短信信令識(shí)別需要作實(shí)時(shí)處理；GSM模塊TC35Modem接口程序部分和分析控制部分則是根據(jù)采集和手機(jī)短信信令進(jìn)行分時(shí)操作有利于提高系統(tǒng)效率。本智能家居監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要有主控模塊程序、TC35Modem模塊通信程序、串口通信初始化程序和短消息的編碼解碼程序。軟件設(shè)計(jì)模塊如圖1所示。
2.1 單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與TC35I模塊的通信順暢，必須使二者的串口波特率一致，如果單片機(jī)F=11.0590MHZ，設(shè)置串行口波特率為9600，工作方式為方式3，Tl定時(shí)器采用工作方式2。其中串行口和定時(shí)器的工作方式和初值可以根據(jù)具體情況加以更改。
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是將整個(gè)短信處理模塊放入單片機(jī)的中斷服務(wù)子程序中。發(fā)送和接收串行口數(shù)據(jù)采用中斷方式進(jìn)行，這樣可以大大節(jié)省CPU資源。當(dāng)接收一幀數(shù)據(jù)進(jìn)入一位寄存器，送入接收SBUF中，同時(shí)將Rl置1；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)載入發(fā)送SBUF中開始向外發(fā)送，發(fā)送完畢后即將TI置1。無論Rl置1還是TI置1，均會(huì)激發(fā)串口中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。響應(yīng)中斷時(shí)，首先判斷中斷是接收程序還是發(fā)送程序，若為接收中斷則將SBUF中的數(shù)據(jù)存入接收隊(duì)列緩沖區(qū)；若為發(fā)送中斷便將待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到SBUF中。
2.2 短消息PDU模式編碼解碼程序
在GSM標(biāo)準(zhǔn)中，中文編碼采用UTF-8的編碼，不是目前國內(nèi)常用的GB-2312編碼，因此需要對(duì)中文編碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能與采用GB-2312漢字庫相配合，方可正確顯示出短消息中漢字字型。由于UTF-8和GB-2312編碼之間不存在一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，因此需要采用查表的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
2.3 短消息收發(fā)程序設(shè)計(jì)
發(fā)送短信息的主要工作是將發(fā)送的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的編碼，其次就是將發(fā)送所用的SMS服務(wù)中心號(hào)碼、目標(biāo)號(hào)、有效時(shí)間和短信內(nèi)容按照PDU編碼的格式發(fā)送出去。如果是接收短信息，其工作就是將接受到的短信息內(nèi)容進(jìn)行解碼，發(fā)送和接收的PDU串的結(jié)構(gòu)是不同的。接收程序流程圖如圖2所示。
3 運(yùn)行結(jié)果
運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線傳感智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)在運(yùn)行中還有改進(jìn)之處，還需進(jìn)一步對(duì)程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本設(shè)計(jì)只是智能家居控制中的一部分，目前國內(nèi)很多公司都在致力于智能家居產(chǎn)品的開發(fā)，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我國將全面普及智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)
[1]黃欣榮.基于GSM短信模塊的家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國新通信，2010（06），19-22.
[2]曾志永，凌振寶，王君.基于GSM技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（10），33-35.
[3]齊趙毅，陳杰浩，羅穎等.基于GSM的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技信息，2013（04），19.
[4]申利民，劉冬香.基于GSM智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感器世界，2011，17（1）：32-36.
[5]王騏，何嘉斌.單片機(jī)控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)的軟件設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，2005.
[6]馬忠梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2007.
[7]邱文靜.基于GSM短信息的家居設(shè)施遙控監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.
[8]蘇江福.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；智能家居；環(huán)境監(jiān)測控制；傳感器
中圖分類號(hào)：TP332.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A
A Smart Home Environment Monitoring System based on MCU STC12C5A60S2
CHEN Rongkun 本文由wWW. DyLw.NeT提供，第一 論 文 網(wǎng)專業(yè)寫作教育教學(xué)論文和畢業(yè)論文以及服務(wù)，歡迎光臨DyLW.neT
（Department of Electronic and Information Engineering， QuanZhou Institute of Information Engineering， Quanzhou， Fujian 362000，China）
Abstract： This paper introduces a microcontroller STC12C5A60S2 as the core， which can be used to monitor， control， alarming and display the smart home environment.The system uses sensor technology， microcontroller technology， etc.， to achieve the indoor home environment temperature and humidity， light illumination collection， equipment operation and stop control， display and state alarm and other functions. Through the actual test， it has the application value of modern intelligence in the field of smart home environment.
Keywords： Single Chip Microcomputer；Smart Home；Environmental Monitoring Control；Sensor
0引 言
近年來，隨著現(xiàn)代家庭生活水平及選擇需求的不斷提升，智能家居環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)在改善現(xiàn)代人居的生活質(zhì)量和完善生存環(huán)境方面正日漸發(fā)揮著其實(shí)效且重要的技術(shù)推動(dòng)作用。基于此，本文即針對(duì)一套智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)而展開了如下研究。具體來說，該系統(tǒng)可對(duì)室內(nèi)溫濕度、光照度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；還可將通過傳感器采集的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行比較，再利用單片機(jī)進(jìn)行編程控制，從而實(shí)現(xiàn)智能家居的合理功能配設(shè)，并最終獲得理想滿意實(shí)踐效果。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以STC12C5A60S2型單片機(jī)為中央控制器，主要由溫濕度檢測模塊、光照度檢測模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、風(fēng)扇及照明模擬模塊、報(bào)警提示模塊和電源模塊組成。系統(tǒng)方案如圖1所示。
圖1 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)原理框圖
Fig.1 Block diagram of indoor environment monitoring control system
為了節(jié)約系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及利于維護(hù)維修，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方式。該系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行比較，進(jìn)而通過單片機(jī)系統(tǒng)程序來控制相關(guān)模塊的運(yùn)行和停止。由圖1可見，溫濕度、光照度傳感器模塊可用于實(shí)時(shí)采集家居環(huán)境的數(shù)據(jù)；鍵盤模塊則用于設(shè)定溫濕度和光照度的范圍；而顯示模塊將用于顯示溫濕度和光照度等級(jí)及舒適度情況。除此之外，模擬模塊即用于設(shè)備運(yùn)行與停止情況的仿真模擬；特別地，LED報(bào)警提示模塊會(huì)用于當(dāng)溫濕度、光照度數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)定值時(shí)來進(jìn)行閃爍報(bào)警指示[ ]。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
由于STC12C5A60S2集成度較高，只需要一塊單片機(jī)加上一些必要的外圍電路就可以完成硬件設(shè)計(jì)。
2.1 最小控制系統(tǒng)
基于系統(tǒng)的要求，芯片選用的是STC系列單片機(jī)STC12C5A60S2。其中復(fù)位電路、單片機(jī)STC12C5A60S2構(gòu)成最小控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。
圖2 最小控制系統(tǒng)電路
Fig.2 Minimum control system circuit
STC12C5A60S2是一款運(yùn)算速度快、抗干擾能力強(qiáng)、超低功耗、并可支持SPI在線編程的單片機(jī)，其內(nèi)部自帶2路PWM控制器、2個(gè)定時(shí)器、2個(gè)串行口支持獨(dú)立的波特率發(fā)生器、3路可編程時(shí)鐘輸出、10位AD轉(zhuǎn)換器、一個(gè)SPI接口。時(shí)下，則因其價(jià)格低廉、功能完善，已在電子行業(yè)獲得廣泛認(rèn)可和大量應(yīng)用。
2.2溫濕度傳感器電路
溫濕度傳感器電路采用了DHT系列的數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11。DHT11是一款內(nèi)含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，但僅有一個(gè)單總線制串行輸出接口，這一配置使系統(tǒng)集成電路變得簡易快捷。只是，由于傳感器的單總線制特性，造成其發(fā)送和接收皆須為三態(tài)特性，因而外接上拉電阻，其在常規(guī)狀態(tài)下將呈現(xiàn)為高電平[ ]。具體電路如圖3所示。
圖3 溫濕度傳感器電路
Fig.3 Temperature and humidity sensor circuit
2.3光照度傳感器電路
光照度傳感器電路選用的是BH系列光照傳感器BH1750，BH1750 是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度，并利用自身的高分辨率探測較大范圍的光強(qiáng)度變化。設(shè)計(jì)電路如圖4所示。
圖4 光照度傳感器電路
Fig.4 Illumination sensor circuit
2.4 液晶顯示電路
液晶顯示電路采用的是LCD12864。LCD12864是一種低電壓低功耗、具有4/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64， 內(nèi)置8 192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集；利用該模塊靈活接口方式及簡單、方便的操作指令，即可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面；而且可以顯示8*4行、16*16點(diǎn)陣的漢字，并可完成圖形顯示。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔許多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊[ ]。
2.5 風(fēng)扇及照明模擬電路
風(fēng)扇及照明模擬電路選用的是NPN系列的8050三極管，其原理即是利用三極管的開關(guān)工作狀態(tài)。具體地，當(dāng)監(jiān)測智能家居環(huán)境溫濕度數(shù)值和預(yù)設(shè)置數(shù)值對(duì)比不一樣時(shí)，單片機(jī)將輸出PWM1信號(hào)控制風(fēng)扇（本文用馬達(dá)）進(jìn)行智能調(diào)節(jié)；當(dāng)監(jiān)測室內(nèi)光照度比較暗時(shí)，單片機(jī)將輸出PWM2信號(hào)控制室內(nèi)照明，相應(yīng)地進(jìn)行室燈照明度的智能調(diào)節(jié)。反之亦然。基本電路如圖5所示。
圖5 風(fēng)扇及模擬照明電路
Fig.5 Alarm and analog lighting circuit
2.6鍵盤電路
鍵盤模塊電路是由4個(gè)輕觸式按鍵 S1-S4和最小控制系統(tǒng)組合構(gòu)建而成。鍵盤功能設(shè)定：按鍵S1第一次按下修改預(yù)設(shè)值，而后再按下S2鍵、S3鍵或S4鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后，再按下S1鍵，參數(shù)設(shè)置成功。S2鍵按下就是對(duì)任一參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；S3鍵和S4鍵按下則進(jìn)行相應(yīng)的加1或減1操作。如果并未按下S1鍵，即按下了S2鍵、S3鍵或S4鍵，將保持前狀態(tài)繼續(xù)進(jìn)行，數(shù)據(jù)顯示也不會(huì)發(fā)生改變。
2.7電源電路
單片機(jī)及外圍電路都需要直流5V工作電壓，均由變壓器次級(jí)線圈輸出 ，經(jīng)由整流、濾波、穩(wěn)壓而得到[ ]。其對(duì)應(yīng)電路如圖6所示。
圖6 電源電路
Fig 6. Power supply circuit
除以上各電路模塊之外，還需要各種信號(hào)控制溫濕度、光照度、液晶顯示、風(fēng)扇及照明、報(bào)警等。各功能模塊均通過I/O接口連接至單片機(jī)，單片機(jī)將集中處理這些信號(hào)并作出回應(yīng)，從而將各個(gè)模塊連通整合在一起。另外，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，在有可能出現(xiàn)干擾的輸入及輸出通道還設(shè)置并加強(qiáng)了一定的隔離措施。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
采用8052內(nèi)核，具有64K FLASH的程序存儲(chǔ)器和1280字節(jié)的外部RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，系統(tǒng)選用C語言[ ]進(jìn)行開發(fā)。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)包括主程序、初始化程序、數(shù)據(jù)處理顯示程序、溫濕度傳感器DHT11程序、光照度傳感器BH1750程序、控制電路程序等。并且將任務(wù)分成不同的模塊處理，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)程序流程如圖7所示。
圖7系統(tǒng)程序流程圖
Fig.7 System flow chart
4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果 本文由wWW. DyLw.NeT提供，第一 論 文 網(wǎng)專業(yè)寫作教育教學(xué)論文和畢業(yè)論文以及服務(wù)，歡迎光臨DyLW.neT
STC12C5A60S2單片機(jī)能監(jiān)測控制智能家居環(huán)境系統(tǒng)的運(yùn)行與停止，并將監(jiān)測控制數(shù)據(jù)顯示在LCD上。當(dāng)監(jiān)測智能家居環(huán)境溫濕度數(shù)值和預(yù)設(shè)置數(shù)值對(duì)比不一樣時(shí)，單片機(jī)將輸出PWM1信號(hào)控制風(fēng)扇（本文用馬達(dá)）進(jìn)行智能調(diào)節(jié)；當(dāng)監(jiān)測室內(nèi)光照度比較暗時(shí)，單片機(jī)將輸出PWM2信號(hào)控制室內(nèi)照明，也就是智能調(diào)節(jié)室燈的照明度。反之亦然。
5 結(jié)束語
本文研究開發(fā)了集溫濕度、光照度監(jiān)測控制為一體的智能家居環(huán)境系統(tǒng)，采用了高精度的傳感器，并利用C語言編程，實(shí)現(xiàn)智能家居環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)測量。結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量結(jié)果準(zhǔn)確，符合智能家居環(huán)境的監(jiān)測控制要求。
關(guān)鍵詞：Proteus；單片機(jī)；教學(xué)
中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-828X（2013）11-0-01
當(dāng)今社會(huì)電子技術(shù)日新月異，在各種不同類型的嵌入式系統(tǒng)中，以單片微控制器作為系統(tǒng)的主要控制核心所構(gòu)成的單片嵌入式系統(tǒng)占據(jù)著非常重要的地位。如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，成為了課程教學(xué)中的難點(diǎn)。將Proteus軟件引入到單片機(jī)教學(xué)中，可以大大地提高了該課程的可視性，能夠有效的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情。
一、Proteus仿真軟件簡介
Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件，Proteus可以將spice電路原模型、動(dòng)態(tài)外設(shè)以及微處理器的仿真結(jié)合起來，它的電路仿真功能是互動(dòng)的。
Proteus具有數(shù)量龐大的原件庫，包括基本元件庫、74系列TTL元件和4000系列COMS元件，存儲(chǔ)芯片包括各種的ROM、RAM和EEPROM等30多個(gè)元件庫，并在不斷的更新中。在proteus中只要完成了原理圖布局并設(shè)置好元件的屬性，即可進(jìn)行仿真和虛擬測試。
Proteus可以仿真很多常用的微處理器，它支持仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等主流單片機(jī)，針對(duì)微處理器的應(yīng)用，可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)軟件代碼級(jí)的調(diào)試，還可以直接實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的模擬按鈕、鍵盤的輸入，LED、液晶顯示的輸出，同時(shí)配合虛擬工具如示波器、邏輯分析儀等進(jìn)行相應(yīng)的測量和觀測。可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)輸入和輸出，給實(shí)驗(yàn)者提供一個(gè)最接近現(xiàn)實(shí)的調(diào)試環(huán)境。
二、Proteus在單片機(jī)仿真中的應(yīng)用
Proteus支持單片機(jī)匯編語言的編輯/編譯/源碼級(jí)仿真，內(nèi)帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如CVAVR、Keil和Hitech）結(jié)合，進(jìn)行高級(jí)語言的源碼級(jí)仿真和調(diào)試。仿真時(shí)只需在設(shè)定元件屬性時(shí)指定下載程序的路徑即可進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真，展現(xiàn)了其強(qiáng)大的仿真功能。
1.基于51單片機(jī)中的Proteus的仿真
在 Keil是目前51單片機(jī)用的最多的編譯軟件，首先在keil中輸入源程序并設(shè)置好輸出.hex文件，然后在Proteus中畫好51單片機(jī)的電路圖，在Proteus中點(diǎn)擊51單片機(jī)芯片，在彈出的的對(duì)話框中設(shè)置好電路仿真的時(shí)鐘頻率，并選中Program file選項(xiàng)添加之前已經(jīng)編譯好的.hex文件，就可以開始仿真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象了。
如圖2.1所示，是使用AT89C51實(shí)現(xiàn)的一個(gè)簡易數(shù)字電壓表。仿真時(shí)在Proteus中通過改變滑動(dòng)變阻器連接的阻值來改變輸入到AD0832中的電壓，從而達(dá)到模擬數(shù)字電壓表的目的，此時(shí)數(shù)碼管上也會(huì)實(shí)時(shí)更新當(dāng)前電壓值。
在很多時(shí)候，我們輸入的源程序不一定正確或者是符合設(shè)計(jì)目的，這個(gè)時(shí)候就需要我們進(jìn)行修改調(diào)試了。Proteus可以與keil進(jìn)行聯(lián)合仿真，在keil中觀察程序單步執(zhí)行的同時(shí)觀察Proteus中電路的運(yùn)行狀態(tài)，從而方便我們查找錯(cuò)誤原因并修改。
2.基于AVR單片機(jī)中的proteus仿真
Proteus支持AVR系列單片機(jī)的型號(hào)非常全面，從低端ATtiny10到高端的ATmega128均有可以直接調(diào)用的庫元件。
Proteus支持AVR些列單片機(jī)所有的I/O操作，內(nèi)部的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的模擬（包括輸入捕獲、輸出比較、PWM模式），看門狗定時(shí)器，串行UART接口，主、從模式串行SPI接口，支持內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)ADC，支持Atmel 的TWI（TwoWire Interface）通信方式，存貯器方面支持外部SRAM擴(kuò)展以及內(nèi)置EEPROM 的模擬，支持多個(gè)微控制器的協(xié)同工作仿真等等。
首先繪制好電路原理圖，然后將AVR源程序編譯器生成下載文件的路徑制定給原理圖中的芯片，就可以開始仿真了。如圖2.2所示，是基于ATmega16的按鍵中斷仿真。K1鍵連接模擬外部中斷0，此時(shí)數(shù)K2鍵連接模擬外部中斷1，按下K1鍵表示此時(shí)外部0產(chǎn)生中斷數(shù)碼管顯示加1，按下K2鍵表示此時(shí)外部1產(chǎn)生中斷數(shù)碼管顯示減一。
三、Proteus引入單片機(jī)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)
將Proteus引入單片機(jī)教學(xué)中具有以下優(yōu)點(diǎn)。
⑴學(xué)生通過仿真可以觀察電路的運(yùn)行狀態(tài)，修改產(chǎn)生的錯(cuò)誤，大大提高了搭建實(shí)際電路的成功率。
⑵教學(xué)投入相對(duì)較小。在完成了基本教學(xué)后，可以鼓勵(lì)學(xué)生在Proteus中進(jìn)行硬件改動(dòng)，觀察實(shí)驗(yàn)效果并思考原因，減小了因硬件改動(dòng)而造成的成本增加，較好的促進(jìn)了整個(gè)教學(xué)過程。
⑶極大地激發(fā)了學(xué)生的興趣。Proteus提供的平臺(tái)，其簡易性、直觀性極大地改善了單片機(jī)教學(xué)過程中的枯燥和乏味，使學(xué)生體驗(yàn)到了學(xué)習(xí)單片機(jī)的趣味性。
四、結(jié)語
Proteus的出現(xiàn)給單片機(jī)教學(xué)工作和單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供了一條方便、快捷、節(jié)約成本的新思路，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識(shí)更容易接受，更容易提高。實(shí)踐證明，在使用 Proteus 進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，能極大提高單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。因此，Proteus 有較高的推廣利用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
摘要：根據(jù)通信協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，對(duì)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)（主控制器、分支控制器和表決器）的通信協(xié)議和上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）的通信協(xié)議。該協(xié)議適用于計(jì)算機(jī)和單片機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的情況。本文所提出的通信協(xié)議的設(shè)計(jì)思想和思路方法對(duì)于相關(guān)設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的參考意義和借鑒價(jià)值。
關(guān)鍵詞：通信協(xié)議；單片機(jī)；計(jì)算機(jī)；電子投票表決系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TP368文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1引言
大型電子投票表決系統(tǒng)支持大型會(huì)議（如300-500人）的電子表決功能，采集和統(tǒng)計(jì)大量重要的短時(shí)表決數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、中距離、高速率、低成本的多機(jī)通信。目前，對(duì)大型電子投票表決系統(tǒng)的研究和應(yīng)用成為智能會(huì)議系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而系統(tǒng)通信的可靠性在很大程度上依賴于是否有一個(gè)好的通信協(xié)議。本文重點(diǎn)研究大型電子投票表決系統(tǒng)的通信協(xié)議。
2通信協(xié)議設(shè)計(jì)
在集散控制系統(tǒng)中，上位機(jī)與下位機(jī)之間如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，怎么提高通信的效率和可靠性，以及對(duì)通信過程中的故障處理，幀格式的約定，都需要一套詳盡的通信協(xié)議。
通常，一個(gè)集散控制系統(tǒng)由一個(gè)主控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）和一系列單片機(jī)（下位機(jī)）構(gòu)成，它們之間再通過一定的物理媒介連接在一起，以完成必要的通信功能。對(duì)于一個(gè)特定的測控系統(tǒng)而言，所要測控的對(duì)象和所采取的測控算法是個(gè)有個(gè)性的東西；而上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信可以看作是一系列命令流和數(shù)據(jù)流的流動(dòng)，所采用的通信協(xié)議是用來保證傳輸過程的可靠和高效，是具有共性的，能夠也應(yīng)該有一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]。
2.1通信協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)
通信協(xié)議的設(shè)計(jì)通常采用分層的機(jī)構(gòu)，如ISO的OSI參考模型[2]。基于RS485串行接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)屬于七層OSI模型物理層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。
物理層是利用物理媒介實(shí)現(xiàn)物理連接的功能描述和執(zhí)行連接的規(guī)程，提供用于建立、保持和斷開物理連接的機(jī)械的、電氣的、功能的和過程的條件；數(shù)據(jù)鏈路層用于建立、維持和拆除鏈路連接，實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸?shù)墓δ埽粦?yīng)用層針對(duì)不同的應(yīng)用，利用鏈路層提供的服務(wù)，完成不同通信節(jié)點(diǎn)之間的通信。
2.2通信協(xié)議的分層設(shè)計(jì)
1）物理層協(xié)議設(shè)計(jì)
上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）和下位機(jī)（單片機(jī)）都掛在通信總線上，物理層的通信協(xié)議由RS485標(biāo)準(zhǔn)和多單片機(jī)通信方式共同實(shí)現(xiàn)。物理層要完成發(fā)送及接收字節(jié)流的任務(wù)，但對(duì)傳輸過程的可靠性不做出保證，而由高層協(xié)議來保證。物理層為鏈路層提供接口（以子程序的形式來描述），包括Send子程序（功能為發(fā)送一個(gè)字節(jié)）及Receive子程序（功能為接收一個(gè)字節(jié)）。
2）數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計(jì)
鏈路層可以引入幀長度域、冗余字節(jié)和CRC校驗(yàn)等方法進(jìn)行差錯(cuò)處理[3]。鏈路層向上層（應(yīng)用層）提供的接口為SendFrame（功能是發(fā)送一幀）和ReceiveFrame（功能是接收一幀），其中利用了下層（物理層）提供的接口。
3）應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)
應(yīng)用層是協(xié)議的最高層，它的設(shè)計(jì)對(duì)于不同的應(yīng)用可以有所不同，但是也存在很多通用性的原則。應(yīng)用層也個(gè)有一定的差錯(cuò)檢查能力：首先，它引入了冗余類型字節(jié)；其次，數(shù)據(jù)域字節(jié)也可以采用CRC校驗(yàn)等方法進(jìn)行校驗(yàn)[3]。
2.3通信協(xié)議的機(jī)制規(guī)范
基于本協(xié)議的通信可以有兩種機(jī)制。一種是面向握手的，即每發(fā)出一幀，總是要等待確認(rèn)幀，否則將認(rèn)為是通信出錯(cuò)。這是一種可靠的通信方式，適合傳輸系統(tǒng)命令和一些非常重要的系統(tǒng)參數(shù)。另一種是無握手的，即發(fā)送方假設(shè)接收方總是接收正確，從而無須等待確認(rèn)幀就不停地發(fā)送，適合大量前端采集數(shù)據(jù)的發(fā)送。在計(jì)算機(jī)與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)編程通信之前，兩者之間需要規(guī)定握手協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)收發(fā)的正確性[4]。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)與單片機(jī)之間采用同樣格式的通信協(xié)議。在上位機(jī)呼叫下位機(jī)地址之后，就可利用本協(xié)議的規(guī)范來設(shè)計(jì)具體的通信流程。
另外，設(shè)計(jì)一套完整的通信協(xié)議還要求結(jié)構(gòu)簡單、功能完備、高效可靠，同時(shí)要求具有通用性、兼容性與可擴(kuò)充性，并且盡量標(biāo)準(zhǔn)化。
3通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)
電子投票表決系統(tǒng)從本質(zhì)上來講，可認(rèn)為是一個(gè)分布式的數(shù)據(jù)采集與集散控制系統(tǒng)。在集散控制系統(tǒng)中，普遍采用RS-485總線作為底層通信接口[5]。
大型電子投票表決系統(tǒng)以RS485半雙工通信協(xié)議為基礎(chǔ)，由計(jì)算機(jī)、主控制器、分支控制器和表決器構(gòu)成一個(gè)多級(jí)分層的總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。下位機(jī)（包含主控制器、分支控制器和表決器）采用AT89CXX系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成了一個(gè)符合RS-485通信規(guī)范的主從分布、三級(jí)驅(qū)動(dòng)、串行連接的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)[6]。
軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括基于Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）統(tǒng)計(jì)管理軟件設(shè)計(jì)和采用單片機(jī)技術(shù)的主控制器、分支控制器和表決器（下位機(jī)）的通信程序編寫。系統(tǒng)采用異步串行通信、主從呼叫響應(yīng)的通信方式，完成下位機(jī)通信、上位機(jī)通信和上下位機(jī)間的通信等功能。主控制器、分支控制器和表決器基于RS-485通信協(xié)議，采用查詢和地址數(shù)據(jù)回送的方式實(shí)現(xiàn)相互通信和統(tǒng)計(jì)功能。最后由主控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、統(tǒng)計(jì)和處理，并回送計(jì)算機(jī)。
通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)主要包括下位機(jī)通信協(xié)議、上位機(jī)通信協(xié)議、上下位機(jī)間的通信過程等幾個(gè)部分。
3.1下位機(jī)通信協(xié)議
3.1.1主控制器通信協(xié)議
主控制器核心芯片89C52對(duì)應(yīng)的主控制器的通信協(xié)議。
主控制器至PC機(jī)通信協(xié)議：
1） 一般約定：
（1）采用RS-485（也可采用RS-232，需轉(zhuǎn)換）標(biāo)準(zhǔn)串行接口，完成主控制器至PC機(jī)通信。
（2）波特率為：9600 bit/s。
（3）1位起始位，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無校驗(yàn)。
2） 幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
起始碼（固定為ASCII碼“BJ”）
命令碼
數(shù)據(jù)
校驗(yàn)碼
3） 命令碼定義：
表1命令碼定義表
命令名稱
命令碼（ASCII碼）
1.表決器測試（注冊(cè)）開始
“C”
2.表決器測試（注冊(cè)）結(jié)束
“E”
3.表決開始
“B”
4.計(jì)票數(shù)據(jù)（表決動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)）
“P”
5.表決結(jié)束（含計(jì)票結(jié)果）
“X”
3.1.2分支控制器通信協(xié)議
電子投票表決系統(tǒng)的分支控制器核心芯片89C51對(duì)應(yīng)的分支控制器的通信協(xié)議。
通信協(xié)議約定：對(duì)于11.059M晶振，波特率設(shè)定為 14400，倍速為28800，單字節(jié)傳輸時(shí)間為 347us，延時(shí)為1ms。
3.1.3表決器通信協(xié)議
電子投票表決系統(tǒng)的表決器核心芯片89C2051對(duì)應(yīng)的表決器的通信協(xié)議。
通信協(xié)議約定：對(duì)于11.0592M晶振，波特率設(shè)定為 9600，延時(shí)為10ms。接受和發(fā)送數(shù)據(jù)為定長8字節(jié)。表決時(shí)改為按鍵短時(shí)保持。
3.2上位機(jī)通信協(xié)議
Visual Basic提供三種通信編程方式。一是使用MSComm控件；二是使用Windows API；另外一個(gè)就是使用Inp和Out直接對(duì)端口讀寫方式[7]。本論文利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與主控制器的通信。
在上位機(jī)開始表決子程序的通信協(xié)議中，包含以下過程：
1）設(shè)置打開通信端口1（COM1），并設(shè)置通信參數(shù)為19200波特，不校驗(yàn)，8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)停止位。
2）發(fā)送單片機(jī)命令：
為了使主機(jī)能夠?qū)φ麄€(gè)檢測過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，須要在發(fā)送命令以后設(shè)定等待的時(shí)間，也可以通過條件判斷下一步是發(fā)達(dá)還是接收命令。對(duì)發(fā)送的命令，可能是文本方式或二進(jìn)制代碼。發(fā)送命令過程是一個(gè)帶參過程，這樣可使發(fā)送命令簡便易行。
3）接收數(shù)據(jù)：
接收數(shù)據(jù)是一個(gè)被動(dòng)的過程，可以通過函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，由定時(shí)器開啟。在接收過程中，多數(shù)用特征字符，如“OK”、“#”等。這些需要在通信協(xié)議中約定。
4）Timer控件控制：
通過Timer控件來控制通信中的發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)過程，在通信程序中設(shè)置兩個(gè)Timer控件分別控制發(fā)送單片機(jī)命令和接收單片機(jī)數(shù)據(jù)。
5）自動(dòng)接收、監(jiān)視總線狀態(tài)和通信錯(cuò)誤的處理：
自動(dòng)接收、監(jiān)視總線狀態(tài)和通信錯(cuò)誤的處理可以通過OnComm事件實(shí)現(xiàn)。通過控件中的OnComm事件可以捕捉和處理錯(cuò)誤。當(dāng)CommEvent屬性值發(fā)生改變時(shí)，表明有通信錯(cuò)誤，就會(huì)產(chǎn)生OnComm事件。這樣可以監(jiān)視通信線路狀態(tài)，得到單片機(jī)和主機(jī)及單片機(jī)和單片機(jī)之間的通信進(jìn)程。
綜合以上分析，我們可知：利用Visual Basic的串行通信控件實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與多單片機(jī)之間的通信。同時(shí)，采用定時(shí)器控件控制收發(fā)過程，在必要的地方自動(dòng)接收，使定時(shí)控制和通信過程完美地結(jié)合起來，大大加快了進(jìn)程，克服了往多“握手”協(xié)議造成的通信速度緩慢的缺點(diǎn)。
3.3上下位機(jī)間的通信過程
計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）與多單片機(jī)（下位機(jī)）之間的串行通信采用RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)，半雙工傳輸方式。
1） 通信均有上位機(jī)發(fā)起，下位機(jī)不主動(dòng)申請(qǐng)通信。
2） 當(dāng)處于輪詢狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)依據(jù)下位機(jī)地址，定時(shí)向下位機(jī)發(fā)送呼叫指令。此時(shí)，每臺(tái)下位機(jī)都中斷接受并判斷，地址不相符的下位機(jī)中斷返回，執(zhí)行其他下位機(jī)任務(wù)；反之則把本機(jī)地址及其狀態(tài)作為應(yīng)答信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)接收到應(yīng)答信號(hào)后，可以作進(jìn)一步的處理。
4結(jié)論
大型電子投票表決系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要集中在通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。通信協(xié)議是保證通信暢通的關(guān)鍵，在一定程度上也影響著網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。本論文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為主控機(jī)的基于幀的通信協(xié)議，本通信協(xié)議適用于計(jì)算機(jī)和單片機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的情況。
需要注意的是，數(shù)據(jù)通信只是整個(gè)系統(tǒng)的一部分內(nèi)容，要占用盡量少的時(shí)間，以求達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的高效率。在通信數(shù)據(jù)量一定的情況下，采用較高的波特率雖然比較好，但高的波特率必定要降低傳輸距離，在實(shí)際應(yīng)用中必須仔細(xì)衡量。為了能使具體的命令、數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上正確地傳輸，在數(shù)據(jù)鏈路層必須提供一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，保證在物理層的比特流出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)能夠進(jìn)行檢測和校正。為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，對(duì)每個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)盡量減少特征字和校驗(yàn)字。
本文所提出的通信協(xié)議的設(shè)計(jì)思想和思路方法對(duì)于相關(guān)設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的參考意義和借鑒價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1]唐竟新，董彥伶，李慶祥.計(jì)算機(jī)控制管理的投票系統(tǒng)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 1997，37（1）：98-101.
[2]唐竟新，許歡.第二代計(jì)算機(jī)控制和管理的投票系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用，2002， 13（5）：203-205.
[3]孟德紅.循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的軟件實(shí)現(xiàn)[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2000，24（2）：40-41.
[4]李朝青.PC機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)（第一版） [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.
[5]沈紅星.一種基于RS485總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)方法[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003，16（6）：13-15.
