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1、单片机接口技术(C51版),第十四章 单片机综合应用实例,14.1 MCS-51单片机远程数据传输装置,随着科学技术的发展，人们对各种单片机控制系统的功能要求越来越高。例如水、电、煤气表的自动抄录、IC卡电话机的话费统计及税控收款机等分布式系统中，人们希望能在中心机房通过公用电话网通过数据的传输实现对各测控点的监控。此外，通过电话网对自动化设备的远程调试、维修可以降低厂家的维修成本。借助在应用中编程技术，单片机系统可以实现远程在线升级。由于MCS-51单片机及其兼容机型仍在国内单片机应用中占有重要位置，本节以AT89C51单片机为例，对基于公话网的单片机远程数据传输技术进行研究。,14.1.1
2、 电话网远程通信原理,我国的公用电话网采用的是FSK（频移键控）制式，电话线上传输的信号为音频信号，单片机处理只能处理数字信号，需要通过专用的调制解调芯片将单片机的数字信号转换成音频信号。本节把数据远程传输装置分为主叫和被叫两部分。在双方通信开始之前，主叫由拔号芯片产生DTMF信号，DTMF信号经调制解调芯片放大后送到电话线上发出被叫号码。被叫收到振铃信号后将双方电话线连通，完成握手协议后即可进行数据传输。系统模型如图14-1-1所示。,14.1.2 系统硬件设计,14.1.2.1电路设计 整个系统分为两个部分，即主叫部分，和被叫部分。下图是主叫电路原理图。,图14-1-2主叫电路原理图,在远
3、程通信系统中，主叫端由于需要通过拔号与被叫建立联系，因此必须有拔号芯片，在本系统中选用的是HOLTEK公司的HT9200A。调制解调电路则选用OKI公司的专用MODEM芯片MSM7512B。此外系统还有摘挂机电路、键盘、显示等部分协助完成拔号、数据输入及显示等功能。,被叫电路原理图,14.1.3 DTMF电路HT9200A,14.1.3.1 引脚图 HT9200A是串行式DTMF电路，具有很好的温度适应性，其工作温度范围为-20+70，它采用8脚DIP或SOP封装形式，其管脚排列如图14-1-4所示。各引脚的功能说明如下： CE：片选信号输入端，低电平有效； X1、X2：3.579545MHz
4、晶振接入端； VDD、VSS：电源正负输入端，正常工作电压范围为2 5.5V，工作电流为2mA左右； CLK：串行数据的同步信号输入端，fCLK为100kHz左右； DATA：串行数据输入端； DTMF：DTMF信号输出端。,图14-1-4 HT9200A 引脚图,14.1.3.2 HT9200A工作原理,图14-1-5所示为HT9200A的输入输出时序图，当CE为低电平时，选中芯片并在CLK的下降沿将串行口DATA上的数据锁存。每个数据为5位二进制码，在CLK下降沿到来时，先锁存低位，再锁存高位。当5位均为1时，结束DTMF的发送。 HT9200A双音频发生器是专为微控制器接口而设计，也称作
5、拔号芯片，以串行方式与微控制器接口。单片机向HT9200A串行输入要拔的号码的对应编码，HT9200A则从其输出端输出对应的音频信号。例如单片机要拔的号码中一位为“8”,则需向HT9200A的数据输入端串行输入“8”对应的编码“01000”，HT9200A则从其输出端输出852+1336Hz的音频信号。表14-1-1所列为HT9200的输入位码组合与输出频率的对应关系。,HT9200A控制时序,图14-1-5 HT9200A控制时序,输入位码组合与输出频率的对应关系表,14.1.4 FSK调制解调芯片MSM7512B,M7512B是OKI公司推出的半双工FSK Modem芯片, 最大通信速率1
6、200bps，符合ITU-T V.23规范，+3V+5V单电源供电。其模拟输出可直接驱动600通信电路，外围电路简单，具有功耗低达0.1mW的掉电模式，可满足低功耗电路的要求。 M7512B包括调制和解调两部分，图14-1-6为该芯片的内部功能框图。其中Mod1、Mod2控制M7512B的工作模式调制/解调/掉电方式。,MSM7512B的工作模式,MSM7512B的工作模式由MOD1、MOD2控制，通过控制MOD1、MOD2可使MSM7512B在4种不同的工作模式下工作，见表14-1-2。,当Mod2=0，Mod1=0时，M7512B工作于调制方式。XD输入为“0”，“1” 的数字调制信号，A
7、O对应输出频率为“2100Hz”，“1300Hz”的FM模拟信号。是模拟信号输出的使能控制端。 当Mod2=0，Mod1=1时，M7512B工作于解调方式。AI输入频率为“2100Hz”， “1300Hz”的FM模拟信号，RD对应输出解调后的“0”，“1”数字信号。是输入模拟信号的指示端。 当Mod2=1，Mod1=1时，M7512B工作于掉电方式，此时M7512B功耗仅0.1mW。,14.1.5 数据传输的工作过程,15.1.6 软件设计,系统任务主要有键处理、显示、通信任务、故障诊断任务。通信任务主要在键处理程序中完成。在主叫方完成拔号后等待被叫传来应答数据期间，应当开串行中断，从而及时接
8、收被叫传来的应答数据。 在键处理任务中，当按下数字键时，应当根据通信双方是否握手成功来区分该按下的数字代码电话号码还是要传输的数据。在握手成功后，连机指示灯点亮后,主叫每按一个数字键，则发送一位数据，若在握手成功后按下任何一个功能键，则挂机结束本次通信。,键处理程序流程图,14.2 工业洗衣机模糊控制器的设计,模糊控制是智能控制发展的重要方向。自1974年英国工程师E.H.Mardani首次利用模糊控制逻辑研制成功模糊控制器以来，模糊控制理论及其应用取得了很大的进展。进入二十世纪九十年代，模糊控制技术进入商品化阶段，并应用于过程控制、模式匹配、机器人及专家系统，在提高产品的自动化、智能化水平的
9、同时取得良好的经济和社会效益。模糊控制技术被称为“二十一世纪的核心技术”，尚在发展、完善之中。 工业洗衣机广泛应用于宾馆、饭店、医院、部队、学校、车站、客运码头等洗涤衣物量大的场合。工业洗衣机洗涤时要耗费大量的水和电。在我国淡水资源日益匮乏、能源需求急剧增加的今天，耗水、耗电的减少对保护环境、造福人民有着深远的意义。,14.2.1 模糊控制器设计,洗衣机模糊控制器是模糊控制洗衣机的核心,它在模糊理论的基础上，根据各种传感器的检测信号，利用计算机技术，模仿人脑思维方式进行控制。利用各种传感器检测布质、布量、浑浊度等信息，单片机根据采集到的信息，经过模糊推理决定出最佳的洗涤策略，包括洗涤时间、洗涤
10、转速、洗涤时进水位及洗涤过程等。,14.2.1.1模糊控制器的结构,输入变量主要有3个：布质、布量、脏污程度 输出变量主要有5个：洗衣机的转速、水位、洗涤时间、温度及洗涤剂剂量。 所以是3输入5输出结构。如图14-2-1所示。 水温在洗涤剂要求范围内对洗净率的影响很小，因此将系统简化为3输入4输出的系统。 在工业洗衣机洗涤过程中，主洗阶段是最重要的，直接决定了洗涤效果及洗涤时间长短，因此本节的模糊控制器以主洗阶段为主要研究对象。,14.2.1.2模糊规则库的建立,模糊规则库是模糊控制器的核心单元，对模糊控制的效果起着至关重要的作用。 模糊控制的输入量是布质、布量及浑浊度。布质的论域为0%-10
11、0%含棉量，布量的论域为0-25Kg(洗衣机的额定负载)脏污程度以浑浊度传感器采集的数据量化后论域为0-100。它们在其论域上的语言值和与其对应的模糊子集隶属函数如图14-2-2所示,2 模糊控制规则的建立,洗涤流程的阶段数。洗涤流程阶段数由布质、布量、污性、污染程度决定。推理所用原始数据主要根据经验确定，计算中先将输入变量值转化为模糊量，再根据输入模糊量查表确定洗涤流程阶段数。如果主洗阶段具有漂白操作，则主洗至少包含2个阶段。处理阶段数主要由辅料种类决定如表14-2-1所示，初洗阶段数为1。,2）洗涤、脱水转速。洗涤、均布、脱水时电机转速主要和布质、布量有关。脱水时先排水，再均布，最后脱水。
12、脱水时电机转速固定为两档，中脱与高脱。 3）洗涤时间。洗涤时间由布量、浑浊程度决定。推理所用典型数据由实验确定。 4）水位。水位主要和布质、布量有关。典型数据主要由实验确定。 5）水温。主洗水温和布质、脏污性质有关，也和洗涤剂类型有关。处理时水温和辅料类别有关。 6）辅料种类、料量。辅料种类由人工输入确定。对同样洗涤物状态，不同洗涤剂需要量不同。对特定洗涤剂（白猫），剂量与布量、浑浊度关系笔者根据实践得出了对应的数据表格，。 7）脱水时间。脱水时间主要和布质、布量有关。典型数据主要由实验确定。,14.2.2 模糊推理软件设计,由于洗衣机的控制系统采用MCS-51单片机控制，程序采用C51语言设
13、计。 14.2.2.1模糊推理算法 模糊量的隶属函数全部采用梯形形式，可用参数a,b,c,d 来表示。如图14-2-3所示。对隶属函数为三解形的变量， 当b与c取值相等时，梯形可简化为三角形。这样便于软件设计。 输入变量的模糊集及其隶属函数参见图14-2-2。 模糊推理算法采用基本的Mandani算法，模糊推理结果的精确化采用加权平均法。,14.2.2.2 洗涤流程及推理程序设计,洗涤流程包含初洗、主洗（1、2、3）、过清（1、2、3）、处理（1、2）等，可多达9个阶段，每个阶段包含洗涤方式（电机转速）、洗涤时间、水温、水位、脱水方式、脱水时间、辅料种类及料量。 根据洗涤参数的不同性质，分别确定洗涤参数和输入量的关系。这不仅减少实验工作量，也节省推理时间。模糊推理将针对不同参数，依据不同原始资料表确定各参数的数值。,推 理 程 序,14.2.2.3 工业洗衣机模糊控制器的C51源程序,C51源程序见程序清单,
