毕业设计论文uCOSⅡ教学实验系统开发硬件系统设计.docx
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毕业设计论文uCOSⅡ教学实验系统开发硬件系统设计
毕业设计
uC/OS-Ⅱ教学实验系统开发---硬件系统设计
摘要
《嵌入式系统》课程教学需要开发一套课堂教学演示系统，以80C51系列单片机为核心，具备数据采集、数字显示、键盘控制以及串行通信功能，可以开展µC/OS-II嵌入式实时操作系统的原理、系统移植、BSP开发以及嵌入式系统设计与应用开发等教学内容，通过应用案例提升教学效果。
根据任务要求，本文设计开发了一套《嵌入式系统》课程教学演示系统的硬件部分。
该系统以AT89C52单片机为核心，以数字温度传感器DS18B20为温度传感器，数字显示采用工业字符型液晶1602LCD，以嗡鸣器作为温度阈值报警装置，设计RS-232C串行通信接口支持系统串行通信功能。
基于该硬件系统，可以开发一套温度在线实时采集系统，具备温度数值实时显示、温度阈值报警功能，可通过键盘进行系统控制及参数设定，同时基于RS-232C串行接口可进行串行通信。
经过系统调试，该硬件系统工作正常，实现了系统要求的各项功能，为应用开发提供了较好的硬件平台。
关键词：
嵌入式系统；80C51；教学系统；µC/OS-II
TeachingExperimentSystemDevelopmentuC/OS-Ⅱ---Hardwaresystemdesign
Abstract
Inorderto"EmbeddedSystems"courseintendedtointroducecaseteachingmodel,teachingneedtodevelopatestsystem,theapplicationrunsthroughthe"embeddedsystem"teachingprocess,toenhanceteachingeffectiveness.IhavetodohereisthattheteachingdemonstrationsystemtobeusedC8052SeriesMCUcore,basedonuC/OS-IIreal-timeoperatingsystem,designareal-timetemperatureacquisitionsystemwithtemperature-linedetection,LCDdisplay,highandlowalarm,RS-232serialcommunications.TemperaturesensorDS18B20,isanetworkofavailablehigh-precisiondigitaltemperaturesensor,all-digitaloutputsignalwiththeuniqueadvantagesofasinglebus;LCDusing1602model,dualline16character;warningdeviceisabuzzeralarm;RS-232serialcommunicationPCandthenextbi-directionalcommunication.Inthedebuggingprocesstoachieveatemperatureacquisitionanddisplay,keyboardcontrolandlowtemperaturealarmlimit,thebuzzersounds（ringingsoundisverysmall）.
Keywords:
microcontroller;communication;embedded
1绪论
1.1课题背景
根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。
从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
其特点为应用的特定性和广泛性；技术、知识、资金的密集性；高效性；较长的生命周期；高可靠性；软硬一体，软件为主；无自举开发能力；目前国内一个普遍被认同的定义是：
以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。
目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子……，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统”更加难于明确定义。
随着国内外，嵌入式系统的快速发展和广泛运用，嵌入式系统越来越重要了。
所以嵌入式课程也被引进我们教学系统里。
为了更直观的为学生展现嵌入式系统运用，这里我们要运用嵌入式系统开发一套教学开发系统，提高教学效果。
1.2课题任务及要求
该《嵌入式系统》教学演示系统拟采用80C52系列单片机为核心，基于uC/OS-II实时操作系统，设计一套温度实时采集系统，具有温度在线检测、LCD显示、高低报警及RS－232串行通信功能。
温度传感器采用DS18B20的硬件系统设计。
1.3课题内容及安排
uC/OS-Ⅱ教学实验系统开发---硬件系统设计，进行了详细的介绍，共分为5章。
第1章简要介绍了整个课题的研究背景、国内外现状、科学意义及整个任务的要求安排；第2章是对系统总体设计方案的介绍；第3章是介绍单片机模块，包括时钟电路和复位电路以及单片机的外部RAM扩展。
第4章是RS-232串行通信的设计，主要叙述RS-232串行通信设计思路和方法；第5章介绍温度采集设计；第6章介绍的是LCD显示；第7章讲的是键盘控制系统；第8章是报警设计；第9章为各单元的调试分析。
2系统总体方案设计
嵌入式系统的快速发展和广泛运用，使其越来越重要了。
所以嵌入式课程也被引进我们教学系统里。
为了更直观的为学生展现嵌入式系统运用，这里我们要运用嵌入式系统开发一套教学开发系统，提高教学效果。
系统功能分为5部分，分别是RS-232串行通信、温度在线采集（温度传感器采用DS18B20）、LCD显示、高低报警、键盘控制。
总原理框图如图2-1：
图2-1总原理框图
各部分模块实现功能的简介：
（1）温度采集
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。
DS18B20是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。
便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。
在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C52构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
（2）串口通信
串口通信是一种在计算机与计算机之间或者计算机与外围设备之间数据的常用方法。
串行通信使用计算机内建的串口，用户无需再购买任何特殊硬件，只要一根串口线就可以达到发送或接收数据的目的，而且不失测试的准确性。
采用RS-232接口标准可以实现比较短距离的测量，若采用RS-485接口标准可以实现更远的传输距离。
所以，串口通信现在仍广泛应用于数据采集、监测监控以及仪表控制等场合。
本系统采用RS-232接口进行串口通信，单片机通过此模块发送数据给上位机。
（3）报警系统
在这里使用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需要在其两引脚线上加3-15V的直流电压，就能产生3kHz左右的蜂鸣震荡音响，其结构简单，耗电少，且更适于单片机系统中应用。
（4）键盘控制系统
键盘控制需要4个按键，一个要控制键盘输入的开始、一个要控制数据的递加、另一个控制数据的递减。
这里采用独立式键盘接口电路，特点是直接采用I/O结构成单个键电路，各个键之间相互独立。
（5）LCD显示
采用了1602型号的LCD，实现双行16字节显示。
3单片机模块
主控电路中，以单片机为主体，通过分析键盘输入的数字值，对RS-232和DS18B20写入相应的控制字。
它是系统的大脑。
单片机（MICROCONTROLLER，又称微控制器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机算计，这些部件包括中央处理器CPU、数据存贮器RAM、程序存贮器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。
3.1单片机89C52各管脚描述
单片机引脚图如图3-1所示：
图3-1单片机89C52引脚结构图
Vss；地。
Vcc：
电源。
P0.0-0.7：
P0口是开漏双向口可以写为1,使其状态为悬浮用作高阻输入。
P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节在访问外部数据存储器时作数据总线此时通过内部强上拉输出1。
P1.0-1.7：
P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入1时，P1口被内部上拉为高电平可用作输入口。
当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流（见DC电气特性）P1口第2功能T2（P1.0）定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出（见可编程输出）T2EX（P1.1）定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制
P2.0-2.7：
P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时，P2口被内部上拉为高电平可用作输入口。
当作为输入脚时被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流（见DC电气特性）在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址（MOVX@DPTR）此时通过内部强上拉传送1。
当使用8位寻址方式（MOV@Ri）访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容
P3.0-3.7：
P3口是带内部上拉的双向I/O口，向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平可用作输入口。
当作为输入脚时被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流（见DC电气特性）P3口还具有以下特殊功能：
RxD（p3.0）串行输入口。
TxD（P3.1）串行输出口。
INT0（P3.2）外部中断0。
INT1（P3.3）外部中断1。
T0（P3.4）定时器0外部输入。
T1（P3.5）定时器1外部输入。
WR（P3.6）外部数据存储器写信号。
RD（P3.7）外部数据存储器读信号。
RST：
复位。
当晶振在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位内部有扩散电阻连接到Vss仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。
ALE：
地址锁存使能。
在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节在正常情况下ALE输出信号恒定为1/6振荡频率并可用作外部时钟或定时注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略ALE可以通过置位SFR的auxlilary.0禁止置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。
PSEN：
程序存储使能当执行外部程序存储器代码时PSEN每个机器周期被激活两次在访问外部数据存储器时PSEN无效访问内部程序存储器时PSEN无效。
EA/Vpp：
外部寻址使能/编程电压在访问整个外部程序存储器时EA必须外部置低如果EA为高时将执行内部程序除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址该引脚在对FLASH编程时接5V/12V编程电压（Vpp）如果保密位1已编程EA在复位时由内部锁存。
XTAL1：
晶体1。
反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。
XTAL2：
晶体2。
反相振荡放大器输出。
3.2时钟电路
XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。
内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。
晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。
电容取30PF左右。
引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器[5]。
片外石英晶体或者陶瓷谐振器及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，这里采用电容22pF，晶振采用11.0592MHz。
晶振电路如图3-2所示：
图3-2时钟电路图
3.3复位电路
MCU-89C52的外部复位电路有上电自动复位和手动按键复位。
上电复位用电容充电来实现。
手动按键复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位。
本设计采用上电自动复位方式。
如下图3-3所示：
图3-3复位电路图
3.4外部RAM扩展
由于MCS-51系列单片机外部RAM为64K，在往我的硬件烧入嵌入式操作程序是，外部RAM远不能满足需要，就AT89C52论MCS-51系列单片机大容量RAM的扩展方法。
数据存储器就是随机存储器（RandomAccessMemory）简称为RAM。
数据存储器扩展用典型芯片，常用的数据存储器有6116、6264等。
以6116为例进行说明，其引脚如图3-4所示：
图3-46116芯片
6116芯片各接口介绍：
A10～A0地址线，
D7～D0数据线，
CS片选信号，
WE写选通信号，Vcc
电源（+5V）、GND地，
OE数据输出允许信号，
6116芯片的容量为2K×8位：
有1024×16个基本存储电路，有1024×2个存储单元，形成128×6个存储阵列。
需要11个存储线，7根用于行地址译码，4根用于列地址译码，可以选择2048个存储单元中的任意一个。
每个存储单元有8位，是通过数据线写入或读出的。
6116共有4种工作方式，如表3-1所示
表3-16116的工作方式
状态
CS
OE
WE
D7～D0
未选中
1
×
×
高阻
禁止
0
1
1
高阻
读出
0
0
1
数据读出
写入
0
1
0
数据写入
单片机的外部数据RAM扩展电路原理图如图3-5所示：
图3-5单片机外部RAM扩展电路图
4RS-232串行通信
PC机与单片机之间可以由RS-232C、接口相连，在PC机系统内部装有异步通信适配器，利用它可以实现异步串行通信。
该适配器的核心元件是可编程的Intel8250芯片，它使PC机有能力与其他具有标准的RS-232C接口的计算机或设备进行通信。
而51单片机本身具有一个全双工的串行口，因此只要配以电平换换的驱动电路、隔离电路就可以组成一个简单的通信接口。
同样，PC机和单片机之间的通信也分为双机通行与多机通信。
4.1串口基本结构
单片机的串行口的功能是与外部器件进行串行数据通信。
串行口电路也称为通用异步收发器（UART）。
从原理上说，一个UART包括发送器电路、接收器电路和控制电路。
8052单片机的UART已集成在其中，构成一个全双工串口，全双工通信是指同时可以作双向通信，两个即可同时发送、接收，又可同时接收、发送。
其示意图如图4-1所示。
这个口即可以实现串行异步通信，也可以作为同步移位寄存器使用。
发送
发送
接受
接受
图4-1全双工通信示意图
8052的串行口通过引脚RXD（P3.0串行口数据接收端）和引脚TXD（P3.1串行口数据发送端）与外部设备进行串行通信。
如图4-2为8052单片机内部串行口结构示意图。
图4-28052单片机内部串行口结构示意图
图中共有两个串口双缓冲寄存器（SBUF），一个是发送寄存器，一个是接收寄存器，以便8052能以全双工方式进行通信。
串行发送时，从片内总线向发送SBUF写入数据；串行接收时，从接收SBUF向片内总线读出数据。
它们都是可寻址的寄存器，但因为发送与接收不能同时进行，所以给这两个寄存器赋一同一地址99H。
在接收方式下，串行数据通过引脚RXD进入，由于在接收寄存器之前还有移位寄存器，从而构成了串行接收的双缓冲结构，以避免在数据接收过程中出现帧重叠错误，即在下一帧数据来时，前一帧数据还没有走。
在发送方式下口，串行数据通过引脚TXD发出。
与接收数据情况不同，发送数据时，由于CPU是主动的，不会发生帧重叠错误，因此发送电路就不需要双缓冲结构，这样可以提高数据发送速度。
4.2电平转换电路设计
和其他的单片机器件一样，作为单片机的标准外围电路，串口的电平转换也有专用的芯片，但也可以使用三极管自行调整电平匹配。
本次设计我主要采用专用芯片进行电平转换的方法。
目前较为广泛的是使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。
MAX232芯片可完成TTL和RS-232C的双向电平转换。
在这里我采用的芯片是MAX232。
如图4-3所示：
图4-3电平转换芯片MAX232
在电气特性上RS-232C采用负逻辑，要求高、低两信号间有较大的幅度，标准规定为：
逻辑‘1’：
-5～-15V，逻辑‘0’:
+5～+15V。
而单片机的信号电平与TTL电平兼容，逻辑1大于+2.4V，逻辑0为0.4V以下。
很显然，RS-232C信号电平与TTL电平不匹配，为了实现两者的连接，必须进行电平转换。
MAX232C为单一+5V供电，内置自升压电平转换电路，一个芯片能同时完成发送转换和接收转换的双重功能。
MAX232的引脚主要为5个部分：
（1）外接电容：
有5个外接电容、进行电压匹配和电源去耦。
（2）TTL的输入：
电路TTL电平的输入引脚——11和10引脚，连接单片机的TXD输出端口。
（3）TTL的输出：
电路TTL电平的输出引脚——12和9引脚，连接单片机的RXD输出端口。
（4）RS-232的输入：
两路RS-232电平的输入引脚——13和8引脚，连接RS-232的TXD的输出端口。
（5）RS-232的输出：
两路RS-232电平的输出引脚——14和7引脚，连接RS-232的RXD的输出端口。
通过MAX232的TTL和RS-232的输入/输出端口，自动地调节了单片机串口的TTL电平信号和RS-232的串行通信信号的电平匹配。
电平转换芯片与单片机的连接电路如下：
地址分配和连接：
只列出和系统相关的、关键部分的单片机与各个模块管脚的连接和相关的地址分配。
MAX232的11引脚：
MAX232的TTL电平输入引脚，连接单片机的TXD，TTL串口输入信号。
MAX232的12引脚：
MAX232的TTL电平输出引脚，连接单片机的RXD、TTL串口输入信号。
MAX232的14引脚：
MAX232的RS-232电平输出引脚，连接RS-232的RXD，RS-232的串口输入信号。
MAX232的13引脚：
MAX232的RS-232电平输入引脚，连接RS-232的TXD，RS-232的串口输出信号。
MAX232和单片机串口连接的电路如图4-4：
图4-4MAX232和单片机串口连接电路图
4.3电路设计
PC机和单片机最简单的连接时零调制三线经济系。
这是进行全双工通信所必需的最少线路，因为51单片机输入、输出电平为TTL电平，但由于单片机的TTL逻辑电平和RS-232的电气特性完全不同，RS-232的逻辑0电平规定为+5~+15V之间，逻辑1电平为-5~-15V之间，因此在将PC机和单片机的TXD和RXD交叉连接时必须进行电平转换，这里我选用的是MAX232电平转换芯片。
将PC机键盘的输入发送给单片机，单片机收到PC机发来的数据后，会送统一数据给PC机。
并在屏幕中显示出来。
只要屏幕中显示出来的字符与所键入的字符相同，说明二者之间的通信正常。
总串行通信图为图4-5所示：
图4-5串行通信电路图
5温度采集
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。
DS18B20是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。
便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。
在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
5.1DS18B20工作原理
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。
DS18B20是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。
便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。
在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
（1）DS18B20的介绍
DS18B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。
其可以分别93．75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，最大分辨率为0．0625℃，而且从DS18B20读出或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写。
（2）DS18B20的性能特点
1DSI8B20可将被测温度直接转换成计算机能识别的数字信号输出，温度值不需要经电桥电路先获取电压模拟量，再经信号放大和A／D转换成数字信号，解决了传统温度传感器存在的因参数不一致性，在更换传感器时会因放大器零漂而必须对电路进行重新调试的问题，使用方便．
2DS18B20能提供9到12位温度读数，精度高，且其信息传输只需1根信号线，与计算机接口十分简便，读写及温度变换的功率来自于数据线而不需额外的电源．
3每一个DS18B20都有一个惟一的序列号，这就允许多个DS18B20连接到同一总线上．尤其适合于多点温度检测系统．
4负压特性：
当电源极性接反时，DS18B20虽然不能正常工作，但不会因发热而烧毁正是由于具有以上特点，DS18B20在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面与传统各种温度传感器相比，有无可比拟的优越性，因而广泛应用于过程控制、环境控制、建筑物、机器设备中的温度检测。
其外形和管脚如图如图4-1所示：
图4-1DS18B20外部形状及管脚图
（3）DS18B20与单片机的典型接口设计
DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。
Dsl8B20与单片机的硬件连接有两种方法：
一
升级会员 