北工大電子工程設計基于溫控系統(tǒng)的打印機應用(電信實驗班版)(共15頁)

1、 電子(dinz)工程設計報告 溫度控制系統(tǒng)的定時測量、定時控制、數(shù)據(jù)(shj)記錄 專業(yè)(zhuny)：電子信息工程 小組：04B 組 姓名學號： xx xx 指導教師：高新 完成日期：2015-4-21 摘要(zhiyo)本項目是為使閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)更加適應使用環(huán)境，提高產品的市場競爭力，在已經完成(wn chng)的閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的基礎上增加新功能。新增功能主要包括三個方面：時鐘系統(tǒng)、定時溫度打印、數(shù)據(jù)記錄。時鐘系統(tǒng)為整個新型閉環(huán)溫控系統(tǒng)提供精準始終，幫助完成設定、顯示實時時間和定時功能；定時溫度打印實現(xiàn)存儲時間點及當時溫度數(shù)據(jù)并定時打印存儲的數(shù)據(jù)的功能；數(shù)據(jù)記錄可以實現(xiàn)實時溫度變化曲

2、線打印功能，可自由設定監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)量，直觀觀察環(huán)境溫度變化。 目錄(ml)中文(zhngwn)摘要項目(xingm)背景需求分析 （一）主要功能 （二）關鍵技術難點方案設計（一）實時時鐘方案（二）非易失存儲方案（三）微型打印機方案電路設計（一）實時時鐘（二）非易失存儲（三）微型打印機（四）單片機補充軟件設計實時時鐘模塊非易失存儲微型打印機模塊調試和問題（一）實時時鐘調試 1、調試原理 2、調試步驟 3、現(xiàn)象和解決非易失存儲器調試 1、調試原理 2、調試步驟 3、現(xiàn)象和解決微型打印機調試 1、調試原理 2、調試步驟 3、現(xiàn)象和解決致謝參考文獻體會建議附錄：照片和程序 項目(xingm)背景 小型溫

3、度控制系統(tǒng)具有測溫和控溫功能，對于室內、車間、庫房等需要恒溫和控溫的環(huán)境起到了重要作用。此系統(tǒng)可以通過傳感器測量溫度，通過單片機對測量溫度進行讀取和顯示，并通過人機交互單元可以實現(xiàn)(shxin)手動設定和控溫等功能。為了使本系統(tǒng)更加適應實際場地使用要求，提高產品市場競爭力，本項目主要實現(xiàn)設置及顯示系統(tǒng)時間、掉電不丟失存儲時間和溫度并定時打印數(shù)據(jù)、實時打印溫度曲線等功能。為此，我們設計并實現(xiàn)了實時時鐘電路模塊，非易始存儲電路模塊以及微型打印機電路模塊并精心編寫相應的功能模塊程序。 需求(xqi)分析主要功能本項目需要在已經完成的閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)上增加一些新的功能。主要包括時鐘系統(tǒng)定時溫度打印、數(shù)

4、據(jù)記錄和溫度測控四個方面。 時鐘系統(tǒng)指的是設置系統(tǒng)時鐘、查詢顯示實時時間、實現(xiàn)定時功能。 定時溫度打印指的是在設定的時間段內實時測量溫度并存儲，并在設定的時間點上打 印存儲的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)記錄指的是對溫度測量的文字數(shù)據(jù)進行掉電不丟失存儲和溫度變化過程的實時數(shù)據(jù)繪圖輸出。 溫度測控指的是實時測量溫度并顯示，設定溫度通過閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)進行準確控溫。技術難點本項目的關鍵技術是51 單片機 C 總線的原理與應用、使用打印機打印溫度曲線、RTC 芯片讀寫。C8051F023 型號單片機擁有的SMBus I/O 接口是一個雙線的雙向串行總線，它與 C 總線兼容。系統(tǒng)控制器對總線的讀寫操作都是以字節(jié)為單位的

5、，由SMBus 接口自動控制數(shù)據(jù)的串行傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俾士蛇_系統(tǒng)時鐘頻率的八分之一。串行總線最重要的便是設置同步時鐘、傳輸數(shù)據(jù)的格式等。根據(jù)采用中斷、查詢等不同方式收發(fā)數(shù)據(jù)，還要確定好標志位。 微型打印機可以采用串行和并行兩種方式傳輸數(shù)據(jù)，接收的命令及數(shù)據(jù)都是ASCII 碼。為便于察看， 需要實時打印溫度曲線及其坐標軸以及刻度值。但是，打印機不可同時打印數(shù)據(jù)點和ASCII 碼，這就意 味著坐標軸與刻度不能同時打印，兩個打印方式的協(xié)調關系需要仔細思考研究。RTC 芯片同樣有串行和并行兩種傳輸方式，串行采用 C 總線方式。芯片需要準確理解其中的寄存器功能，及其特殊功能寄存器的設置，以便獲取、

6、設置準確的時鐘。 方案設計實時時鐘(shzhng)方案 實時鐘電路為能夠實時提供精確的日期、時間數(shù)據(jù)的專用電路，可用于以時間作為動作參考的測控系統(tǒng)之中。實時鐘電路均帶有標準的處理器接口，可以通過簡單的數(shù)據(jù)訪問(fngwn)操作實時獲得所需的日期、時間信息。 市場上常用的實時時鐘芯片有串行和并行兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。串行時鐘所需焊接的線路少，占用面積小，采用I C 或SPI 等總線方式，需要(xyo)攻克51 單片機串行總線的原理和應用，程序編寫注重時序略微復雜；并行時鐘所需線路少，占用面積較串行時鐘大一些，但無需使用單片機的串行總線模式，程序簡單易懂，方便移植。 考慮到本項目是在已有的溫控系統(tǒng)上添

7、加一塊新的多功能電路板，板面積足夠支持并行方式線路的焊接，且項目實施時間有限，另外并行方式程序簡單短小，可快速、便捷、大量的獲取、修改數(shù)據(jù)，故而采用并行時鐘芯片。時鐘芯片最終采用12887芯片。非易失存儲方案 非易失存儲器可用于掉電數(shù)據(jù)不丟失的數(shù)據(jù)保存需要。非易失存儲器常用的有EPROM、EEPROM、Flash ROM、FRAM 等，其中E PROM 是低成本、使用簡單的非易失存儲器，可用于幾百KB 規(guī)模的數(shù)據(jù)掉電不丟失存儲，而且E PROM 可以在特定引腳上施加特定電壓或使用特定的總線擦寫命令就可以在在線的情況下方便完成數(shù)據(jù)的擦除和寫入。E PROM 也可分為并行和串行兩大類。并行E PR

8、OM 讀寫數(shù)據(jù)是通過 8 位數(shù)據(jù)總線傳輸，而串行EEPROM 的數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸。雖然與并行 EEPROM 相比，串行傳輸數(shù)據(jù)較慢，但它擁有更小的體 積、更少的引腳數(shù)、更小的封裝，更低的電壓、更低的功耗、價格低廉、電路簡單等優(yōu)點，因此廣泛用于智能儀器、儀表設備中。EEPROM 根據(jù)存儲空間大小又分為(fn wi) 1K、2K、4K、8K、16K、32K、64K、128K、256K 等多種類型。綜合考慮數(shù)據(jù)讀寫、設計難易程度、實際所需空間、性價比等因素，選用I C 串行總線方式、存儲空間64K 的E PROM 芯片，實現(xiàn)多次重復讀寫大量數(shù)據(jù)功能。微型(wixng)打印機方案 微型打印機主要分

9、針打方式和熱敏方式，兩種方式的主要區(qū)別是打印速度，熱敏打印方式的速度要遠大于針打方式。此外微型打印機也有串/并兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。考慮到項 目對與打印機的速度并無過多要求，且為能夠及時停止不希望的或是有誤的打印操作，方便程序調試，節(jié)約用紙；項目時間有限，程序簡單化，易懂易移植，采用(ciyng)針打方式，并行打印機。 由于學校提供的打印機說明書有很詳細的并行打印機程序范例，和其他小組討論以后，我們更加決定應該用并行打印。 程序設計實時時鐘電路設計DS12887 是一款比較高檔且常用的并行時鐘芯片。采用 DS12887 芯片設計的時鐘電路無需任何外圍電路并具有良好的微機接口。DS12887 芯片具

10、有微功耗、外圍接口簡單、精度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，可廣泛用于各種需要較高精度的實時時鐘場合中。其主要功能如下： (1)內含一個鋰電池，斷電情況運行十年以上不丟失數(shù)據(jù)。 (2)計秒、分、時、天、星期、日、月、年，并有閏年補償功能。 (3)二進制數(shù)碼或BCD 碼表示時間、日歷和定鬧。 (4)12小時或24 小時制，12 小時時鐘模式帶有PWM 和AM 指導，有夏令時功能。 (5)MOTOROLA5 和INATAEL 總線時序選擇。 (6)有 128 個RAM 單元與軟件音響器，其中 14 個作為字節(jié)時鐘和控制寄存器，114 字節(jié)為通用RAM，所有ARAM 單元數(shù)據(jù)都具有掉電保護功能。 (7)可編

11、程方波信號輸出。 (8)中斷信號輸出(IRQ)和總線兼容，定鬧中斷、周期性中斷、時鐘更新周期結束中斷可分別由軟件屏蔽，也可分別進行測試。 DS12887 的4 個狀態(tài)寄存器用來控制和指出DS12887 模塊的當前工作狀態(tài)，除數(shù)據(jù)更新周期外，程序可隨時讀寫這4 個寄存器。實時時鐘電路設計如圖4-1-1。電源、復位和中斷請求引腳接入高電平。MOT、GND 引腳接入低電平，即選擇 INTEL 總線時序。在 INTEL 時序下，DS 引腳被稱為Read Input，RD 與典型存貯器的允許信號(xnho)(OE)的定義相同，故與單片機的讀信號相連；而R/W 引腳被稱為WR，與通用 RAM 的寫允許信號

12、(WE)的含義相同，故與單片機的寫信號相連。AS 為地址選通輸入，用于實現(xiàn)信號分離，在AD/ALE 的下降沿把地址鎖入時鐘芯片，與單片機的ALE信號相連。CS為片選引腳，由于完成的溫控系統(tǒng)已使用了CS0 中的前6 個地址（分別用于4 位數(shù)碼管、鍵盤行列掃描芯片） 、CS1 （模數(shù)轉換芯片）、CS2 （數(shù)模轉換芯片），所以選用CS3 信號。參照表4-1-2 可知時鐘內部個寄存器地址，見表4-1-3。非易失存儲器的電路設計24C64 是一個64K 位串行CMOS E PROM 內部(nib)含有8192 個字節(jié)該器件通過 I C 總線接口進行操作。存儲器電路設計見圖4-2-1。A0、A1、A2、V

13、SS 引腳接地，其中A0、A1、A2 為器件地址輸入端，此處設置為 000。VCC 接高電位。WP 為寫保護，接入高電位時，所有內存變成寫保護，即只讀；接入低電位或懸空時，允許器件進行讀寫操作，由于需要經常進行溫度數(shù)據(jù)的讀寫所以此處接地。SCL 為串行時鐘，與單片機 I C 總線(zn xin)模式下的 SCL 信號相連且接入10K 上拉電阻。SDA 為串行數(shù)據(jù)/地址，與單片機I C 總線模式下的SDA 信號相連且接入10K 上拉電阻。關于上拉電阻阻值的確定，我們沒有嚴格的計算(j sun)，是通過查詢網(wǎng)上的芯片資料推斷出的。微型(wixng)打印機電路設計AD7D7微型打印機采用北京新榮達公

14、司生產的針打打印機。微型打印機和單片機的連接圖如圖4-3-1。AD0D0T0BUSYAD1D1T1STBAD2D2AD3D3AD4D4AD5D5AD6D6 圖4-3-1打印機的STB 信號和BUSY 信號需要與單片機連接。STB 信號由單片機產生，是數(shù)據(jù)選通觸發(fā)脈沖，其上升沿時打印機從數(shù)據(jù)總線讀入數(shù)據(jù)。BUSY 為忙信號，為高電平時表示打印機正在(zhngzi)打印不接受數(shù)據(jù)，為低電平時才接收數(shù)據(jù)。BUSY 信號使用單片機的1 個I/O 接收，每次發(fā)送數(shù)據(jù)前只需讀入此 I/O 口數(shù)值進行判斷即可。STB 信號也可由單片機 I/O 口輸出，每次使打印機讀入數(shù)據(jù)時只要先輸出低電平再輸出高電平產生上

15、升沿即可 單片機補充(bchng)電路設計由于新增的硬件電路需要單片機發(fā)送或接收相應的信號，在原單片機電路上需要增加線路(xinl)。只需要把單片機的SCL、SDA接給24C64的SCL、SDA，單片機的T0、T1接給打印機的BUSY、STB 軟件設計實時時鐘DS12887 的寄存器C 主要負責中斷請求控制，寄存器D 為只讀，指示內部電池是否耗盡。所以DS12887 時鐘芯片的初始化主要任務是設置寄存器A 和寄存器B，寄存器A、B 的各布爾位定義見表5-1-1。 寄存器A 各位不受復位(f wi)的影響，UIP 位為只讀位，其它各位均可讀寫。 UIP 位為更新周期標志位。該位為“1”時，表示芯

16、片正處于或將開始(kish)更新周期，此時程序不準讀寫時標寄存器；該位為“0”時，表示至少在 244us 后才開始更新周期，此時程序可讀芯片內時標寄存器。經實際嘗試，發(fā)現(xiàn)不查詢該位直接讀寫時鐘也可以，但是可能出現(xiàn)錯誤，為保證時間精準，采用(ciyng)查詢該位為0 時讀寫方式。 DV0、DV1、DV2 為芯片內部振蕩器RTC 控制位，只有010 的組合選擇即可啟動RTC。 RS3、RS2、RS1、RS0 為周期中斷可編程方波輸出速率選擇位，在項目中不予使用，可置0。 寄存器B 允許讀寫，主要用于控制芯片的工作狀態(tài)。SET 位為“0“時，芯片處于正常工作狀態(tài)，每秒產生一個更新周期來更新時標寄存器

17、。為“1”時，芯片停止工作，程序在此期間可初始化芯片的各個時標寄存器。此位在設置時間前置1，設置完畢置0。 PIE、AIE、UIE 位分別為周期中斷、報警中斷、更新周期結束中斷允許位，各位為“1” 時，允許芯片發(fā)相應的中斷。 SQWE 位為方波輸出允許位，在項目中不予使用，置0 即可。DM 位為時標寄存器，用于十進制BCD 碼表示或用二進制表示格式選擇位。為“0”時，為十進制 BCD 碼數(shù)據(jù)模式；為 “1”時，為二進制碼數(shù)據(jù)模式。為方便數(shù)據(jù)處理和讀寫，此處選擇二進制碼數(shù)據(jù)模式，置1。 24/12 位為24/12 小時模式設置位。為 “1”時，為24 小時工作模式；為 “0”時，為12 小時工作

18、模式。為方便數(shù)據(jù)處理，此處選擇24 小時工作模式，即置1。 DSE 位為復令時服務位，此處無需使用，置0 即可。非易失存儲功能模塊 24C64 采用I C 總線傳輸方式，在C8051F023 信號單片機中為SMBus。仔細研讀單片機數(shù)據(jù)手冊可知24C64 工作在SMBus 的主收發(fā)方式，如圖5-2-1 和5-2-4。由圖5-2-1 和圖5-2-2 可知，SMBus 的主發(fā)送方式對應24C64 存儲器的寫操作，此時單片機在 SDA 上發(fā)送串行數(shù)據(jù)，在 SCL 上輸出串行時鐘，而存儲器在在SDA 上接收串行數(shù)據(jù)，在SCL 上輸入串行時鐘。SMBus 首先產生一個起始條件STA=1，之后中斷標志SI

19、 置位，此時查詢SMB0STA 狀態(tài)寄存器可讀到狀態(tài)碼0 x08，然后發(fā)送含有目標從器件地址和數(shù)據(jù)方向位的第一個字節(jié)，24C64 存儲器的器件地址字節(jié)如表 5-2-3，可知此時單片機應發(fā)送二進制字節(jié)數(shù)據(jù) 1010 000 0，即A A A =000，寫命令。存儲器成功接收該數(shù)據(jù)后，會向單片機發(fā)送應答信號ACK，單片機接收到該應答信號后SI 置位，此時查詢SMB0STA 狀態(tài)寄存器可讀到狀態(tài)碼0 x18。SMBus 繼續(xù)發(fā)送人為指定的數(shù)據(jù)存儲地址的高8 位節(jié)和低8 位以及8 位數(shù)據(jù)，且在每發(fā)送完一個字節(jié)后等待由存儲器產生的應答信號ACK，SI 置位，查詢SMB0STA 狀態(tài)寄存器可讀到狀態(tài)碼0

20、x28。最后， SMBus 產生一個停止條件STO=1。值得注意的是，24C64 芯片有寫周期限制，即從一個寫時序的有效停止信號到內部編程/擦除周期結束的這一段時間內，總線接口電路禁能，SDA 保持為高電平，器件不響應外部操作。24C6的數(shù)據(jù)手冊指明其寫周期為10ms，也就是說至少(zhsho)延時10ms，才能對其進行下一次操作。 從圖5-2-4 和圖5-2-5 可以看出，單片機的主接收方式對應存儲器的讀操作(cozu)，此時單片機在SDA 上接收串行數(shù)據(jù)，在SCL 上輸出串行時鐘，而存儲器在SDA 上發(fā)送串行數(shù)據(jù)，在SCL 上輸入串行時鐘。對24C64 存儲器的讀操作和寫操作類似，不同的地

21、方是不能直接讀取數(shù)據(jù)，而需要先執(zhí)行一個偽寫操作，其器件地址字節(jié)仍為1010 000 0，以寫入目標數(shù)據(jù)的存儲地址，再寫入一次器件地址字節(jié)1010 000 1，然后存儲器會向單片機發(fā)送8 位數(shù)據(jù)，且最后由單片機向存儲器發(fā)送應答信號NACK。其他的操作與寫操作相同，只是數(shù)據(jù)方向不同，此處不再贅述。微型(wixng)打印機打印機需要能夠打印溫度數(shù)據(jù)和繪制實時溫度變化曲線。打印機可以打印ASCII 碼和描點。打印溫度數(shù)據(jù)時，需要將以十六進制存儲的數(shù)據(jù)分為高低位，再各自轉化為 ASCII碼輸出到打印機。由于打印機不可同時打印 ASCII 碼和描點，所以只能標出 Y 軸刻度值，而X 軸則以10 點為一個單

22、位以“點成線”方式繪制刻度線。 調試(dio sh)和問題實時(sh sh)時鐘的調試和問題1.調試(dio sh)原理 讀取DS12887 芯片的分、秒數(shù)據(jù)并顯示在數(shù)碼管上，觀察顯示的時間是否正確。如60秒果時間顯示正確，無數(shù)字缺、跳，且為60 秒清零進位，即可判定電路工作正常。2.調試步驟 （1）電路板焊接完畢，對照原理圖檢查線路連接后進行測試。 （2）將溫控系統(tǒng)各個電路板正確安插在調試臺上，由穩(wěn)壓電源電路供電。 （3）連接好適配器，下載程序并運行。 （4）采用斷點方式運行程序，在仿真平臺上觀察寄存器A、B 和讀取到的分秒時間數(shù)據(jù)的值（最好將分秒時間顯示在數(shù)碼管上，方便觀察）。 3.問題現(xiàn)

23、象、分析與解決 現(xiàn)象1：數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)一直亂碼 分析：初始化時可能發(fā)生錯誤，我們自身的程序出錯導致芯片配置的不正確，也有可能是顯示電路出現(xiàn)了問題導致亂碼 解決：重新檢查程序，更換了可靠的顯示電路，問題解決。 （二）非易失存儲器電路調試與問題 1.調試原理 指定存儲地址并存入特定的數(shù)據(jù)，然后取出該地址數(shù)據(jù)送顯，同時讀取 SMB0STA 狀態(tài) 寄存器的狀態(tài)字，了解數(shù)據(jù)傳輸情況是否正確。單步執(zhí)行后斷點運行時，如果狀態(tài)字正確，送顯正確即可認定電路正常工作。 2.調試步驟 （1）電路板焊接完畢，對照原理圖檢查線路連接后進行測試。 （2）將溫控系統(tǒng)各個電路板正確安插在調試臺上，由穩(wěn)壓電源電路供電。 （3

24、）連接好適配器，下載程序并運行。 （4）采用單步或斷點方式運行程序，在仿真平臺上觀察 SMB0STA 狀態(tài)寄存器的狀態(tài)字，觀察數(shù)碼管顯示結果是否正確。 3. 問題現(xiàn)象、分析與解決 現(xiàn)象 1：調試時送顯每一次SMB0DAT 寄存器，發(fā)現(xiàn)仿真平臺顯示的數(shù)值和數(shù)碼管顯示的數(shù)值不同。 分析：兩者中其一出錯。多次實驗發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象重復出現(xiàn)，但每次都是數(shù)碼管顯示正確 數(shù)據(jù)。更改仿真平臺數(shù)據(jù)格式、查閱相關資料等方法未果，得知仿真軟件有其局限性和漏洞，需以數(shù)碼管顯示為準。 解決：需要檢查的數(shù)據(jù)一律通過數(shù)碼管顯示出來(ch li)，不盲目依賴、信任仿真平臺。（三）微型打印機電路(dinl)調試與問題 1.調試(di

25、o sh)原理 將打印機連接在調試臺上，循環(huán)運行打印一個ASCII 碼的程序，使用示波器觀察BUSY和STB 信號，觀察打印結果。如果BUSY 出現(xiàn)低電平，STB 形如矩形波有連續(xù)的上升沿和下降沿交替出現(xiàn)，打印結果正確，即可認定電路正常工作。 2.調試步驟 （1）電路板焊接完畢，對照原理圖檢查線路連接后進行測試。 （2）將溫控系統(tǒng)各個電路板正確安插在調試臺上，由穩(wěn)壓電源電路供電。 （3）連接好適配器，下載程序并運行。 （4）采用單步或斷點方式運行程序，在仿真平臺上觀察BUSY 信號狀態(tài)。使用示波器觀察BUSY 和STB 信號波形，觀察打印結果。3. 問題現(xiàn)象、分析與解決 現(xiàn)象1：打印機無反應。 分析：打