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1、摘 要随着石油工业的发展，地埋管道被广泛应用。预防埋地管道的腐蚀通常用阴极保护方法。因为长输油管道一般都处于野外环境，测试点比较分散。本设计采用GPRS无线采集传输管道阴极保护参数，从而实现对阴极保护参数的无线监测。本文介绍的管道阴极保护数据无线监测系统主要以单片机系统为核心，结合多机串行通信技术，设计相应的硬件电路和系统的软件实现对管道阴极电位的无线监测。此管道监测系统通过GPRS模块采集传输阴极电位数据，数据通过A/D转换模块传送给单片机AT89C51系统进行数据处理，同时把模拟量转换成数字量。时间由时钟芯片DS1302进行控制。得到数据在液晶显示LCD1062上显示并且反馈给AT89C5
2、1，在按键模块中，通过按键实现人机人性化交流。本次设计的软件模块设计由汇编语言完成, 软件设计分为主程序,A/D转换程序，时钟程序,键盘程序,显示程序等，再配合上位机软件对数据进行监测。实现了对管道阴极保护电位的无线实时监测功能。 本文设计的输油管道阴极保护数据无线监测系统的特点是成本较低，传输速率高，覆盖范围广，可实现数据的无线实时监测。关键词：单片机AT89C51，A/D转换，液晶显示，GPRSAbstractAlong with the development of the petroleum industry, the ground metal pipe has been applie
3、d more and more. To prevent buried pipelines in the soil of electrochemical corrosion, usually by outer protective layer and cathodic protection joint protection measures. Because long oil pipeline in the field environment commonly, test the deck more decentralized distribution. So the GPRS wireless
4、 transmission technology will cathodic protection monitoring center returned to the parameters, realize the cathodic protection potential wireless monitoring, for pipeline safety operation provides a technical means. This paper introduces the pipeline corrosion protection monitoring system of wirele
5、ss data overall design, this paper describes the design of each unit circuit principle of work. The system hardware circuit mainly by the AD conversion module and single-chip microcomputer control module, digital display module, clock module, keystroke module, serial interface module structure, comm
6、on realize the oil pipeline of cathodic protection data wireless monitoring function. The pipeline monitoring system through the single-chip microcomputer chip AT89C51 and A/D conversion module realize data acquisition and processing, time by the clock DS1302 chip control. Get in LCD1062 shown on th
7、e data and get back to the AT89C51, in key modules, through the key realize human-machine human communication. The design of the software module design completed by assembly language, software design points primarily program, A/D conversion program, the clock program, keyboard program, show program,
8、 etc, together with the PC software to the pipeline cathodic protection real-time data monitoring. This design is characteristic of the cost is low, stable performance, high precision, has the certain development value. Keywords：single chip microcomputer AT89C51, A/D conversion, LCD1602, GPRS目 录第1章
9、绪 论11.1 系统的背景及意义11.2 无线通信技术的发展11.3 本文主要研究内容2第2章 系统的组成及工作原理32.1 系统的设计要求与技术指标32.2 系统组成框图3第3章 系统硬件电路设计53.1 中央处理电路53.1.1 中央处理电路核心芯片53.1.2 单片机的复位电路83.1.3 单片机的时钟电路83.2 A/D转换电路的设计93.2.1 A/D转换芯片ADC080993.2.2 A/D转换芯片ADC0809引脚说明103.2.3 ADC0809与单片机的连接113.3 键盘输入电路的设计123.4 液晶显示电路的设计133.5 时钟芯片电路的设计153.5.1 DS1302实
10、时时钟芯片153.5.2 时钟芯片与单片机的连接173.6 电源电路设计183.7 无线通信GPRS模块设计193.7.1 GPRS模块芯片MC52i203.7.2 单片机与GPRS模块连接电路20第4章 系统软件设计224.1 主程序的设计224.2 A/D转换的软件设计234.3 实时时钟的软件设计264.4 液晶显示的软件设计324.5 44键盘的软件设计35第5章 结 论39参考文献40致 谢42附 录43附 录50附 录51IV第1章 绪 论1.1 系统的背景及意义随着全球化的趋势加强和现代工业的进一步发展，人类社会对资源的需求不断增加，作为目前世界上重要的能源之一的石油，为国家经济
11、的发展及社会的进步提供了动力。石油产业是现代文明发展的支柱，是国家的命脉所在，在国民经济中占有重要的地位，石油的质量和产量牵扯着国家生产部门的方方面面。相比发达国家，我国石油工艺水平、生产技术手段及管道运输起步较晚，自动化管理水平较低，特别是输油管道的参数监测技术显得更为突出。目前国内油田油井数量较多且大部分处于偏远地区，位置分散，环境恶劣，交通不便，对油井的工作状态和输油管道的监测难度很大。目前国内对输油管道的监测主要采取传统的人工定期巡检、巡查的方式，但是在具体实施的过程中存在着很大的误差，监测作业流程复杂，监测周期较长，监测费用高等众多缺点，在技术上，经济上都不能够适应管道监测的自动化、
12、信息化发展的要求。因为没有一种有效可行的现场设备的网络化监测管理系统，输油管道的监测秩序得不到安全、有效的保护，监测设备维护管理操作混乱，设备故障得不到及时的修复，这成为油田生产企业的一个重大难题。对输油管道的数据进行人工记录，层层传抄、上报，不仅仅是人员工作量大，容易出现误差，数据容易丢失，数据传递时间慢，而且决策人员根据此上报的数据极有可能做出错误的判断，从而给出错误的调整实施方案。由于油井管道分布范围广而且数量多，这种监测方式必定会使人员劳动强度加重，并且影响了输油管道数据监控的实时性和准确性，给输油管道的监测和数据的统计带来了诸多不便。因此，国内各大油田急需要一种低成本、效率高，数据无
13、线监测系统，来解决实际生产问题。1.2 无线通信技术的发展 随着电子、计算机及信息技术的飞速发展，工业无线网络是从新兴的无线传输发展而来，具有低能耗，低成本，扩展性强，灵活度高等特点，已经成为现在的研究热点。无线数据采集要将恶劣，复杂的现场环境下的采集量完整的采集，还要将采集到的数据传送给远端的控制室。主要应用的领域包括：石油管道无线监测系统；工业遥测系统；无线数据传输；安全设备无线监控；城市管网压力、温度监测；电力无线报警等。通信系统的发展也非常迅速。远程数据传输主要有：无线的远程数据传输和有线的远程数据传输。无线的远程数据传输方式主要有GPRS、GMS、卫星通信三种。目前，由于GSM发展还
14、不太成熟，覆盖面不广，故利用GSM进行远程数据传输的方式还没有得到发展，现阶段的远程数据传输方法是应用单片机的接口，通过专门的通讯电缆线加以实现，或者是利用现场总线技术实现数据传输，但是这些方法传输距离有限，成本也比较高。随着无线通信技术的不断提高，利用移动运营商提供的无线网络实现输油管道无线监测系统现代化的一个重要发展方向。由于GPRS无线通信技术已经成熟，利用GPRS无线通信方式来实现输油管道参数的实时采集、实时监测，是对现有资源的最大利用。GPRS无线网络技术，可实现现场信号的实时无线传输。GPRS是通用分组无线业务，是在现有的GSM系统上发展起来的一种新的承载业务。GPRS作为一种高效
15、、高速、经济的无线系统，具有数据带宽宽、网络覆盖范围广、实时在线、适应性强等优点。特别适用于突发性的、间断性的少量的数据传输。GPRS技术在移动通信领域的发展，已经能够实际应用到很多需要无线数据传输的领域，也为数据采集传输和监测提供了一种新的数据传输通信方式。1.3 本文主要研究内容本系统的研发主要包括了系统硬件和系统软件的设计。硬件的设计主要包括了各个功能模块的方案论证和电路设计；软件设计主要包括主程序、LCD显示、键盘输入、时钟芯片、A/D转换等子程序编制。本系统的主要设计内容是以单片机系统为核心，结合GPRS通信技术，设计相应的硬件电路和系统软件实现对管道的阴极保护电位的无线监测。管道的
16、阴极电位采样范围为0-2.500V，通过电位放大后进行A/D转换，同时把数据上传给单片机进行处理分析。电位精度达到0.5%，根据技术指标，硬件设计工作主要包括：中央处理器设计、A/D转换电路设计、LCD液晶显示电路设计、键盘电路设计、实时时钟电路设计、电源电路设计、GPRS模块设计；在软件方面则是利用单片机组成控制系统，编程实现键盘数据输入、A/D数据转换及实时时钟和液晶显示等功能。设计中利用了GPRS无线通信技术对阴极电位进行实时采集传输，A/D转换电路将数据的模拟量转换成数字量，单片机进行智能控制，采用LCD液晶显示和键盘输入实现了“人机对话”，充分满足了使用者对产品使用便捷直观的要求。第
17、2章 系统的组成及工作原理2.1 系统的设计要求与技术指标本次毕业设计所研制系统的设计要求及技术指标：（1） 使用GPRS通信方式，采用市电220V AC供电。（2） 环境温度：-45+60摄氏度。（3） 电位精度达到：0.5%。（4） 阴极电位采样范围：02.500V。（5） 每小时采集一次，也可根据用户设定，或支持在线测试。（6） 保护电位参数的检测支持在线检测，GPRS一直在线。（7） 自带时钟，支持时钟掉电保护，同步校准。（8） 系统具有自检功能和良好的人机对话功能。2.2 系统组成框图根据系统功能的要求和系统构成的需要其总体设计方案如图2.1所示。系统硬件组成分为以下几个部分：A/D
18、转换电路、液晶显示电路、调整及滤波电路、实时时钟电路、电源模块电路、按键电路、GPRS通信模块及核心控制电路。实现管道阴极保护电位监测功能总体思路如下：系统由电源供电模块进行供电，当启动监测系统后，采集的管道阴极电位数据通过A/D转换模块将模拟量转换成数字量，同时传递给单片机系统进行数据分析并处理。监测系统由GPRS模块实现数据的无线传输功能。由时钟芯片DS1302对时间进行设定与定时，液晶显示LCD1062将数据显示，键盘主要执行键盘扫描、键码生成、键码传输等功能。通过按键实现人机的人性化交流。系统原理框图如图2.1所示：按键电路CPU（单片机AT89C51）实时时钟电路电源模块A/D转换电
19、路调整及滤波电路GPRS通信模块阴极电压液晶显示电路图2.1 系统组成的原理框图第3章 系统硬件电路设计本章详细介绍硬件电路的设计。系统硬件电路包括以下几个部分：以单片机为中央处理器、A/D转换电路、键盘电路、液晶显示电路、实时时钟电路、GPRS模块、电源电路。详细阐明芯片的选择比较，所选用芯片的内部组成、功能特点、外围电路及其接口电路，并设计出具体的硬件电路。3.1 中央处理电路单片机最小系统是指能够使单片机正常工作的最小系统。单片机是将中央处理器、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）、计数器/定时器及输入输出接口电路等计算机主要器件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。本课题研究的管
20、道阴极保护数据无线监测系统的中央处理电路采用美国ATMEL公司生产的低电压、高性能单片机AT89C51来实现。3.1.1 中央处理电路核心芯片中央处理电路是以AT89C51为核心芯片，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的CMOS8位微处理器。与MCS-51产品指令系统安全兼容。其主要功能特性：（1） 存储器可循环写入/擦除1000次。（2） 存储数据保存时间为10年。（3） 4K字节可重擦写Flash存储器（4） 三级加密程序存储器（5） 1288字节内部RAM（6） 32个可编程I/O口线（7） 2个16位定时/计数器（8） 6个中断源（9） 可编程串行通道（10） 低
21、功耗的闲置和掉电模式（11） 片内振荡器和时钟电路图3.1 AT89C51引脚图单片机AT89C51引脚如图3.1所示，AT89C51引脚功能说明：（1） VCC：供电电压。（2） GND：接地。（3） P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。（4） P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1
22、口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。（5） P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
23、P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。（6） P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部
24、数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期 的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果
25、微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内 部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 单片机的复位电路系
26、统系统在启动运行时都要复位，使中央处理器和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这状态开始工作。系统采用上电复位方式，在RST复位端接一个电阻R1至VCC和一个电容至GND，就能实现上电自动复位。因为电容两端电压不可突变，在上电的瞬间，电容通过电阻充电，就在复位端出现一定时间的高电平。只要保持RST引脚为高电平时间足够长，就可使CPU复位。所需高电平时间的长短与VCC上升时间和振荡器起振时间有关。10MHz时，约lms；1MHz时，约l0ms。若VCC上升时间小于20ms，那么从上电时间算起，只要保持RST引脚在高电平停留时间不小于20ms即可。本课题中，复位电路中的电阻R1=10K，
27、电容取10F，若频率为12MHz，可以保证可靠的上电复位。如果频率降低，可以适当加大电容C10。3.1.3 单片机的时钟电路系统系统时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该反相放大器输入端和输出端，这个放大器与作为反馈的片外石英晶体一起构成自激振荡器。外接石英晶体及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。本课题中，AT89C51的晶体振荡器采用12MHz，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影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、振荡的难易程度和温度稳定性
28、，故C1、C2的电容值可选为30Pf。作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用(C1，C2大，f变小)。图3.2 系统时钟电路图3.2 A/D转换电路的设计3.2.1 A/D转换芯片ADC0809A/D转换的过程是模拟信号依次通过取样、保持和量化、编码几个过程后转换为数字信号。本课题采用ADC0809作为A/D转换芯片。逐次逼近式A/D转换器ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。.其主要功能特性：（1） 分辨率为8位。（2） 模拟输入电压范围为0+5V。（3） 具有锁存控制的8路输入模拟开关。（4） 可锁存三态输出，
29、输出与TTL电平兼容。（5） 不必进行零点和满度调整。（6） 转换速度取决于芯片外接的时钟频率。 ADC0809的内部结构如图3.4所示，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3.3 ADC0809的内部结构图3.2.2 A/D转换芯片ADC0809引脚说明图3.4 ADC0809的引脚图ADC0809引脚功能说明：（1） IN0-IN7：8条模拟量输入通
30、道。（2） D0-D7：8位数字量输出端。（3） ALE：地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。通道选择表如下所示：选择通道CBAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111（4） A、B、C：8路模拟开关的地址输入线，3个输入端的信号为000111时，接通IN0IN7对应通道。（5） ST：转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。（6） EOC：转换结束
31、信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。（7） OE：输出允许信号。用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。（8） CLK：时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供。通常使用频率为500KHZ。（9） VREF（）、VREF（）为参考电压输入。3.2.3 ADC0809与单片机的连接由于ADC0809片内无时钟，可以利用AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE引脚的频率是AT89C51单片机的时钟频率的1
32、/6。单片机与ADC0809的连接如图3.5所示，如果单片机的时钟频率采用6MHz,则ALE引脚的输出频率为1MHz，在二分频后为500KHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。地址译码引脚C、B、A分别于地址总线的低三位A2、A1、A0相连，以选通IN0IN7中的一个通道。将P2.7做为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2.7引脚经
33、一级“或非门”后产生的正脉冲作为OE信号，用来打开三态输出锁存器。图3.5 单片机与ADC0809的连接图3.3 键盘输入电路的设计行列式键盘用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。根据设计要求，在键盘输入方面至少需要44=16个按键才能满足设计需求。这包括了09十个数字输入键、一个确认键、一个删除键等。在按键数目较多的场合，行列式键盘与独立式键盘相比，要节省很多I/O口线。44键盘电路的设计：键盘是一种按钮，与开关不同的是它只有一个稳定的位置。当按下键盘时，改变了开关的位置，但是一旦放开就会回到原来的位置。因此，当按键过程中会产生抖动，为避免引起读键误判断，需要对
34、键抖动进行处理。图3.6 44键盘电路图键盘的工作原理：按键设在行、列线交点上。行线通过上拉电阻接到+5V上。无按键按下时，行线处于高电平状态；当有按键按下时，行线电平状态将由此行线连接的列线的电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线的电平如果为高，则行线的电平也为高，这一点是识别行列式键盘按键是否按下的关键所在。由于行列式键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行列的电平，因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并做适当的处理，才能确定闭合键的位置。在单片机应用系统中，键盘是人机对话的主要设备，用于向单片机应用系统输入数据、程序和操作命令。当键按下或松开时，
35、会向单片机CPU输入一个0平或者1电平，CPU根据接收到的0或1电平信号，决定具体的操作。但是，在键的按下和松开时，开关的机械触点会产生抖动，一般抖动时间在510ms左右，抖动的波形图3.7所示：图3.7 按键抖动波形图在抖动期间CPU不能接收稳定的电平信号而无法作出正确的判断，因此，需要对键进行去抖动处理, 键抖动处理有硬件和软件两种处理方法，本系统采用软件延时的方法。在第一次检测到有按键按下时，该按键所对应的行线为低电平，执行一段延时10ms的子程序后，确认该行线电平是否仍为低电平，如仍为低电平，则确认该行确实有按键按下。当按键松开时，行线的低电平变为高电平，执行一段延时10ms的子程序后
36、，检测该行线为高电平，说明按键确实已经松开。采取以上措施来消除抖动。3.4 液晶显示电路的设计液晶显示器具有液体的流动性和晶体的某些光学特性，它本身不发光，而只是调制环境光，越是亮的地方显示越清晰，黑暗中不能显示。通过编程，可以清晰地显示各种字符和汉字，直观便捷的进行操作编程和进行多种汉字、字符的显示，可以实时显示系统的工作状态，并具有良好的“人机对话”界面。本次设计选择液晶显示器。在这里采用字符式液晶显示器LCD1602来实现显示电路的功能。液晶显示芯片LCD1602：LCD1602是16字2行的字符型液晶。与数码管相比液晶显示位数多，可显示32位；显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母
37、；程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而LCD1602自动完成此功能。自动完成此功能。LCD1602主要技术参数：显示容量：162个字符。芯片工作电压：4.5-5.5V。工作电流：2.0mA(5V)。模块最佳工作电压：5.0V。字符尺寸：2.954.35(WH)mm图3.8 LCD1602的引脚图LCD1602的引脚功能说明：（1） VDD：电源正极，4.55.5V，通常使用5V电压。（2） VL：LCD对比度调节端，电压调节范围为05V。接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个
38、电阻到地。（3） RS：MCU写入数据或者指令选择端。MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平。（4） R/W：读写控制端。R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据。（5） E：LCD模块使能信号控制端。写数据时，需要下降沿触发模块。（6） D0D7：8位数据总线，三态双向。如果MCU的I/O口资源紧张的话，该模块也可以只使用4位数据线D4D7接口传送数据。本充电器就是采用4位数据传送方式。（7） BLA：LED背光正极。需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右。（8） BLK：LED背光地端。图3.
39、9 1602液晶显示图3.5 时钟芯片电路的设计现在被广泛应用的串行时钟电路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。本文介绍的实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。 3.5.1 DS1302实时时钟芯片DS1302是Dallas公司生产的一种实时时钟芯片。它通过串行方式与单片机进行数据传送,能够向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间信息,并可对月末日期、
40、闰年天数自动进行调整;它还拥有用于主电源和备份电源的双电源引脚,在主电源关闭的情况下,也能保持时钟的连续运行。另外,它还能提供31字节的用于高速数据暂存的RAM。DS1302的内部结构如图3.11所示，主要组成部分有：移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM。虽然数据分成两种，但是对单片机的程序而言，其实是一样的，就是对特定的地址进行读写操作。电源控制VCC1VCC2GND输入移位寄存器命令与控制逻辑38 RAM实时时钟振荡电路与分频器I/OSCLK图3.10DS1302的内部结构图DS1302功能特性：实时时钟，可对秒、时、分、周、月以及带闰年补偿的年进行计数；用于高速数据暂存的31
41、8位RAM；最少引脚的串行I/O口；电压工作范围：2.5-5.5V；用于时钟或RAM数据读/写的单字节或多字节数据传送方式。图3.11 DS1302的引脚图DS1302引脚功能说明：（1） VCC1、VCC2：分别为后备电源、主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。当VCC2大于VCC10.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。（2） X1、和X2：晶振引脚端，外接32.768kHz晶振。（3） RST：复位/片选线。通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入
42、有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。（4） I/O：串行数据输入输出端(双向)。3.5.2 时钟芯片与单片机的连接时钟接口部分由单片机最小系统和时钟接口组成，加上键盘和显示就能直观地显示、设置日期时间。系统中通过单片机对时钟芯片编程，来达到获取和更改时间的目
43、的。时钟芯片DS1302的工作原理：DS1302在每次进行读、写程序前都必须初始化，先把SCLK端置 “0”，接着把RST端置“1”，最后才给予SCLK脉冲。图3.12为DS1302的控制字，此控制字的位7必须置1，若为0则不能把对DS1302进行读写数据。对于位6，若对程序进行读/写时RAM=1，对时间进行读/写时，CK=0。位1至位5指操作单元的地址。位0是读/写操作位，进行读操作时，该位为1；该位为0则表示进行的是写操作。控制字节总是从最低位开始输入/输出的。1RAMRAMA4A3A2A1A0图3.12 DS1302的控制字DS1302与单片机的连接仅仅需要3条线：CE引脚、SCLK串行
44、时钟引脚、I/O串行数据引脚。VCC2为备用电源，外界32.768KHz的晶振，为时钟芯片提供计时脉冲。图3.13 DS1302与单片机的连接图3.6 电源电路设计系统的电源设计是监控系统设计中一项极其重要的工作，它对整个监控系统是否正常运行起着至关重要的作用。大多数故障都是由于电源电路引起或者说通过电源电路引入的外部干扰引起。因此进行可靠的电源电路设计是保证监测系统可靠工作的重要环节。本课题题中，选用的单片机是AT89S51，它的工作电压在4.0-5.5V之间，转换所用的A/D芯片ADC0809和通讯所用的RS-232等电路的工作电压都是+5V。而无线通信的GPRS模块电路的工作电压时3.3
45、V。系统中的5V供电电路如图3.14所示，在在电源电路的设计中将220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1D4，滤波电容C1的整流和滤波后，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流5V输出电压。图3.14 5V稳压电源系统GPRS模块直流3.3V供电电路如图3.15所示，GPRS模块供电电压由直流5V通过LM1117芯片转化后得到3.3V。图3.15 3.3V稳压电源本稳压电
46、源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。3.7 无线通信GPRS模块设计GPRS是分组交换技术，具有“高速”和“永远在线”的优点。GPRS允许用户在端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。随着无线数据传输技术的迅速发展，GPRS已经成为实现无线数据业务的最佳承载方式。本课题GPRS模块采用西门子的MC52i芯片。3.7.1 GPRS模块芯片MC52i本课题选用的GPRS模块是西门子的MC52i模块。GPRS模块MC52i的特性:体积小、重量轻、低功耗支持数据、语音、短消息和传真