单片机AT89C51论文21894.doc
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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
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