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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材单片微型计算机原理与接口技术单片微型计算机原理与接口技术（第二版）（第二版）高锋高锋编著编著科学出版社科学出版社北京北京第九章第九章单片微机应用系统实例单片微机应用系统实例单片微机的应用领城非常广泛，单片微机的应用领城非常广泛，家电行业：应用量最大家电行业：应用量最大工业控制系统工业控制系统数据采集系统数据采集系统智能仪器仪表智能仪器仪表以以水水表表、电电能能表表数数据据采采集集系系统统和和无无总总线线单单片片微微机机应应用用系系统统为例，综合性地介绍单片微机应用系统的构成及设计。为例，综合性地介绍单片微机应用系统的构成及设计。91数据采集系统数据采集系统数
2、据采集系统设计的主要内容通常包含硬件数据采集系统设计的主要内容通常包含硬件(连同单片微连同单片微机在内的全部电子线路机在内的全部电子线路)、软件、软件(包括监控管理程序及各功能模包括监控管理程序及各功能模块应用软件块应用软件)及结构工艺等三大部分。及结构工艺等三大部分。 对象提供的数据形式对象提供的数据形式“五花八门五花八门”，模拟量，则要通过模拟量，则要通过A/D转换器得到数据；转换器得到数据；脉冲量，则需通过脉冲量，则需通过I/O引脚对其计数后再通过计算得到数据。引脚对其计数后再通过计算得到数据。流量、功率等参数，则往往需通过传感器或专用模块输出脉流量、功率等参数，则往往需通过传感器或专用
3、模块输出脉冲或数据。冲或数据。系系统统包包括括脉脉冲冲式式水水表表、水水表表数数据据采采集集终终端端、掌掌上上电电脑脑、水水表表数数据据集集中中器器、远远程程抄抄表表终终端端、后后台台计计算算机机管管理理软软件件等等。水水表表数数据据采采集集器器采采集集居居民民楼楼单单元元内内居居民民的的用用水水量量。具具有有采采集集24户户居居民民水表数据的能力。水表数据的能力。水表表计是对水的流量进行计量。表计中指针轴随着水水表表计是对水的流量进行计量。表计中指针轴随着水流而转动，其各个指针轴转一圈分别代表用水量为流而转动，其各个指针轴转一圈分别代表用水量为0.01度、度、0.1度、度、1度等等。在相应指
4、计轴处安装一个霍尔元件度等等。在相应指计轴处安装一个霍尔元件( (或干簧管或干簧管) )， 就可实现指针轴转一圈输出一个脉冲，单片微机通过对脉冲个就可实现指针轴转一圈输出一个脉冲，单片微机通过对脉冲个数的记录，就可以计算出实际用水量。水表数据采集器可以同数的记录，就可以计算出实际用水量。水表数据采集器可以同时记录时记录24户或户或32户居民水表的脉冲数，进而记录各用户的用水户居民水表的脉冲数，进而记录各用户的用水量，通过通信接口把水表数据上传至管理部门。量，通过通信接口把水表数据上传至管理部门。9.1.1水表数据采集系统水表数据采集系统居居民民水水表表数数据据采采集集系系统统分分为为居居民民楼
5、楼单单元元级级、小小区区管管理理级级及自来水公司等三级，其结构示意如图及自来水公司等三级，其结构示意如图图图91所示。所示。在在每每一一个个单单元元按按装装水水表表数数据据采采集集器器，用用于于采采集集该该单单元元内内用用户户水水表表的的数数据据。图图92水水表表数数据据采采集集器器原原理理框框图图中中包包含含了了单单片片微机和各功能部件。微机和各功能部件。采采用用RS485RS485总总线线方方式式实实现现小小区区内内水水表表数数据据采采集集器器的的网网络络通信。通信。在在水水表表数数据据采采集集器器内内部部同同时时还还配配置置了了RS-232RS-232接接口口，可可实实现与掌上机的通信，
6、以便进行现场参数设置和水表数据抄录。现与掌上机的通信，以便进行现场参数设置和水表数据抄录。 水表数据采集器主程序流程框图示于水表数据采集器主程序流程框图示于图图9-3。 在在小小区区物物业业管管理理部部门门安安装装计计算算机机终终端端或或水水表表数数据据集集中中器器，用用于于对对小小区区内内所所有有居居民民水水表表计计量量数数据据进进行行统统计计，打打印印，以以便便进进行水费的收缴管理。行水费的收缴管理。 可可进进一一步步通通过过公公用用电电话话网网或或无无线线短短消消息息平平台台向向自自来来水水公公司司发送发送用户用水数据信息。用户用水数据信息。 水表数据集中器的存储器扩展原理见水表数据集中
7、器的存储器扩展原理见图图9494所示。所示。 单单片片微微机机采采用用台台湾湾华华帮帮公公司司的的78E5878E58单单片片微微机机，其其内内部部包包含含32K 32K FlashFlash存存储储器器，与与80C5280C52兼兼容容，但但增增加加了了一一个个特特别别的的可可位位寻寻址址的的4 4位位I/OI/O口口( (端口端口4) 4) 和两个外部中断。和两个外部中断。 因因数数据据量量比比较较大大，故故扩扩展展了了128KB128KB的的数数据据存存储储器器628128628128。由由于于628128628128具具有有1717根根地地址址线线，除除了了采采用用78E5878E58
8、的的1616根根地地址址线线A0A0A15A15与与628128628128相相连连，另另外外应应用用P1P1口口的的一一根根I/OI/O口口线线P1.0P1.0与与628128628128的的A16A16相相连连，作作为为“体体选选”信信号号，当当P1.0=0P1.0=0时时，寻寻址址628128628128中中的的64K64K数数据据存储器，当存储器，当P1.0=1P1.0=1时，寻址时，寻址628128628128的另一半的另一半64KB64KB数据存储器。数据存储器。 水表数据集中器与掌上电脑或水表数据集中器与掌上电脑或PCPC机通信和扩展机通信和扩展RS-485RS-485总总线的原
9、理图示于线的原理图示于图图9595。 MAX232MAX232实现实现CMOS(TTL) CMOS(TTL) 逻辑与逻辑与RS-232RS-232逻辑转换，是逻辑转换，是PCPC机机与单片微机通信接口芯片，一般与单片微机串行口的发送与单片微机通信接口芯片，一般与单片微机串行口的发送/ /接接收端相连。收端相连。 AD485AD485芯片则用于实现芯片则用于实现RS485RS485总线联网，由于总线联网，由于78E5878E58内部只内部只有一个串行口，所以采用有一个串行口，所以采用78E5878E58的的P1.1P1.1和和P1.3P1.3来虚拟来虚拟485485串行串行通信，用通信，用P1.
10、2P1.2来控制来控制RS485RS485数据传输方向。数据传输方向。该系统考虑使用环境，应进行低功耗设计。该系统考虑使用环境，应进行低功耗设计。 本系统分为三级结构，见本系统分为三级结构，见图图9-69-6。 (1)(1)采采集集终终端端：对对多多达达2020户户居居民民电电能能表表的的用用电电量量进进行行采采集集，实实现单元集抄系统功能；现单元集抄系统功能； (2) (2) 台台区区集集中中器器：通通过过电电力力线线载载波波方方式式，将将多多达达20002000户户居居民民用用户户电电能能表表数数据据集集中中传传送送到到小小区区配配电电房房的的集集中中器器上上实实现现台台区区集集抄抄系统功
11、能系统功能; ; (3) (3) 局端工作站：局端工作站： 通过掌上机或电话通讯终端或通过掌上机或电话通讯终端或GSMGSM网把电网把电能表数据上传到电力局的上端计算机，实现集抄系统功能。能表数据上传到电力局的上端计算机，实现集抄系统功能。9.1.2.9.1.2.电能表数据采集系统电能表数据采集系统经经过过改改装装后后的的脉脉冲冲电电能能表表或或全全电电子子电电能能表表把把用用户户的的用用电电量量转转化化为为电电脉脉冲冲送送入入采采集集终终端端，采采集集终终端端将将通通过过计计数数和和计计算算后后得得出出的的数数据据经经由由局局域域网网信信道道送送到到集集中中器器，集集中中器器再再通通过过城城
12、域域网网信信道道将将数据送至供电管理中心。数据送至供电管理中心。电电能能表表数数据据采采集集终终端端由由单单片片微微机机、脉脉冲冲信信号号采采集集处处理理电电路路、低低压压电电力力载载波波通通讯讯电电路路等等部部分分构构成成。用用户户表表选选用用全全电电子子式式单单相相电电能能表表或或带带脉脉冲冲输输出出的的感感应应式式电电能能表表，各各用用户户表表的的脉脉冲冲信信号号输输出出经经过过电电路路整整形形，再再送送入入单单片片微微机机进进行行实实时时处处理理，显显示示各各用用户户电电能能表表的上月电量，和本月当前抄见电量等数据。的上月电量，和本月当前抄见电量等数据。一一个个数数据据采采集集终终端端
13、最最多多可可以以采采集集处处理理22个个用用户户电电能能表表的的脉脉冲冲信号。信号。电电能能表表数数据据采采集集终终端端通通过过RS-485总总线线收收发发器器(如如MAX485)与与集中器进行半双工异步串行数据通信。集中器进行半双工异步串行数据通信。由于采集终端要处理和保存大量的数据，仅仅依靠由于采集终端要处理和保存大量的数据，仅仅依靠CPU内内部的部的RAM是不够的，所以需要外加存储器。为了简化设计，提是不够的，所以需要外加存储器。为了简化设计，提高系统的可靠性，而且考虑需要有在掉电时也不丢失数据的能力，高系统的可靠性，而且考虑需要有在掉电时也不丢失数据的能力，所以在电能表数据采集终端中使
14、用了串行所以在电能表数据采集终端中使用了串行E2PROM。该系统直接与该系统直接与220VAC或或380VAC相连，需考虑可相连，需考虑可靠性设计。靠性设计。92无总线单片微机应用系统无总线单片微机应用系统1AT89C2051Flash单片微机单片微机AT89C1051/2051/4051单片微机和单片微机和MCS-51兼容，片内有兼容，片内有1K/2K/4KB闪速存储器。具有闪速存储器。具有15根根I/O口线，一个口线，一个16位定时器位定时器/计计数器，三个中断源；数器，三个中断源；P1口可吸收口可吸收20mA电流并能直接驱动电流并能直接驱动LED显显示器，其中示器，其中P1.2P1.7提
15、供内部上拉电阻，提供内部上拉电阻，P1.0和和P1.1要求外部要求外部加上拉电阻；加上拉电阻；P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的是带有内部上拉电阻的7个双向个双向I/O引脚。芯片为引脚。芯片为20引脚的引脚的DIP封装。封装。不具备不具备80C51所具有的三总线引脚。所具有的三总线引脚。2应用应用AT89C2051的交通灯智能管理系统的交通灯智能管理系统设计一个智能交通灯管理系统。要求如下：设计一个智能交通灯管理系统。要求如下：假假设设十十字字路路口口有有两两组组交交通通灯灯，每每一一组组各各有有红红、黄黄、绿绿三三种种颜色的指示灯，分别管理通道颜色的指示灯，分别管理通道A和通道和
16、通道B。A为主通道。为主通道。(1)如果两个车道都有车，则轮流放行，其中如果两个车道都有车，则轮流放行，其中A A道绿灯道绿灯30s30s。B B道道绿灯绿灯15s15s。(2)(2)通通道道放放行行管管理理：如如果果某某个个通通道道无无车车，而而另另一一车车道道有有车车，那那么么有有车车的的通通道道放放行行。如如果果无无车车的的通通道道有有车车了了，则则有有车车的的通通道道立立刻刻恢恢复正常的交通灯进行管理。复正常的交通灯进行管理。(3)如果两个通道都没有车，那么两个通道交通灯状态保持不变。如果两个通道都没有车，那么两个通道交通灯状态保持不变。(4)如如有有紧紧急急车车辆辆通通过过，应应立立
17、即即禁禁止止普普通通车车辆辆通通行行（即即A A、B B车车道道均均亮亮红红灯灯），紧紧急急车车辆辆通通过过后后，恢恢复复原原来来的的信信号号灯灯状状态态，且且原原先先的的计计时时时时间间累累计计。要要求求采采取取中中断断方方式式，用用按按键键中中断断模模拟拟有有紧紧急急车车辆通过。辆通过。(5)在从绿灯切换为红灯时，应有在从绿灯切换为红灯时，应有5s5s的黄灯点亮时间。的黄灯点亮时间。 智能交通灯管理系统的硬件设计如智能交通灯管理系统的硬件设计如图图9797所示。所示。 应应用用P1.0P1.0P1.5P1.5共共6 6根根I/OI/O口口线线控控制制A A车车道道和和B B车车道道6 6个
18、个指指示示灯灯，P3.0P3.0输输入入A A车车道道是是否否有有车车信信息息，P3.1P3.1输输入入B B车车道道是是否否有有车车信信息息，P3.2P3.2输入是否有紧急车辆信息。输入是否有紧急车辆信息。 定时器定时器/ /计数器作为通行时间定时器。计数器作为通行时间定时器。;P1.0=0，A车道红灯点亮车道红灯点亮;P1.1=0，A车道绿灯点亮车道绿灯点亮;P1.2=0，A车道黄灯点亮车道黄灯点亮;P1.3=0，B车道红灯点亮车道红灯点亮;P1.4=0，B车道绿灯点亮车道绿灯点亮;P1.5=0，B车道黄灯点亮车道黄灯点亮;P3.0=1，A车道有车车道有车;P3.1=1，B车道有车车道有车
19、;P3.2=1，有紧急车通过有紧急车通过s_okBIT20H.0ORG 0000HSJMP MAINORG 000BH；T0中断矢量中断矢量AJMP SECONDORG 0030HMAIN：MOVSP，#60H；设堆栈指针设堆栈指针CLREA；关中断关中断MOV TMOD，#01H；设；设T0为方式为方式1MOV TL0， #0B0H； 设设 T0时时 间间 常常 数数 (100ms， 6 MHz )MOV TH0，#3CHSETB ET0；允许定时器允许定时器/计数器计数器T0中断中断SETBPT0；T0中断为高优先级中断为高优先级SETBEA；开中断开中断SETBTR0；启动定时器启动定时
20、器/计数器计数器T0MOVR0，#10；100ms计数次数计数次数TEST：MOVP3，#0FFH ；设；设P3口为输入方式口为输入方式MOVA，P3；读读车道状态车道状态JB ACC.2，EMERG_CAR；有紧急车辆有紧急车辆通过，通过，；转转EMERG_CARJB ACC.0，CAR_0；A道有车，转道有车，转CAR_0JB ACC.1，CAR_1；B道有车，转道有车，转CAR_1SJMPTEST；无车，则继续等待无车，则继续等待NORMAI：ACALLA_GREEN；A道通行道通行30sACALLYELLOW；黄灯黄灯5sACALLA_RED；B道通行道通行15sAJMPTEST;紧急
21、车处理子程序紧急车处理子程序EMERG_CAR：MOVA，#00001001B；A道、道、B道红灯亮道红灯亮MOVP1，A(紧急车辆处理程序段紧急车辆处理程序段-略略)AJMPTESTCAR_0：JB ACC.1，NORMAL ；A、B道均有车道均有车ACALLA_GREEN；A道有车道有车,立即放行立即放行AJMPTESTCAR_1：ACALLA_RED；B道有车道有车,立即放行立即放行AJMPTEST;秒计数中断服务程序秒计数中断服务程序SECOND：CLR EACLR S_OKDEC R0MOV A，R0JZSECOND_1SJMPSECOND_2SECOND_1：MOVR0，#10SE
22、TBS_OK；1s定时到，置标志位定时到，置标志位SECOND_2: MOVTH0，#3CHMOV TL0，#0BFHSETBEARETI;A车道绿灯，车道绿灯，B车道红灯车道红灯A_GREEN:MOV A，#00001010B;A车道绿灯亮，车道绿灯亮，B车道红灯亮车道红灯亮MOV P1，AMOV R1，#30;亮灯时间为亮灯时间为30sTLP：JNBS_OK，TLP ;判判1s定时是否完成定时是否完成CLRS_OKDJNZ R1，TLP;判判30s定时是否完成定时是否完成RET;A车道黄灯车道黄灯5s，B车道黄灯车道黄灯5sYELLOW: MOVA，#00100100BMOV P1，A；A
23、、B车道黄灯亮车道黄灯亮MOV R1，#05；黄灯亮黄灯亮5sTLP1：JNB S_OK，TLP1；1s定时是否完成定时是否完成CLRS_OKDJNZ R1，TLP1；5s定时是否完成定时是否完成RET;A车道红灯，车道红灯，B车道绿灯车道绿灯A_RED:MOVA，#00010001BMOV P1，A；B车道绿灯亮，车道绿灯亮，A车道红灯亮车道红灯亮MOV R1，#15；亮灯时间为亮灯时间为15sTLP2：JNB S_OK，TLP2；1s定时是否完成定时是否完成CLRS_OKDJNZ R1，TLP2；15s定时是否完成定时是否完成RETEND图图91水表数据集中抄录系统示意图水表数据集中抄录系统示意图图图92水表数据采集终端原理框图水表数据采集终端原理框图图图9- 3 9- 3 水表数据采集终端主程序流程图水表数据采集终端主程序流程图图图9-4 9-4 集中器存储器扩展集中器存储器扩展图图9-5 9-5 集中器串行通信及串行总线集中器串行通信及串行总线图图96电能表数据集中抄录系统示意图电能表数据集中抄录系统示意图供电管理中心集中器集中器集中器采集终端采集终端全电子电能表脉冲电能表全电子电能表城域网信道脉冲信号局域网信道图图97 AT89C2051交通灯智能管理系统原理框图交通灯智能管理系统原理框图
