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电子时钟外加温度采集系统（上位机完整版）
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电子时钟外加温度采集系统（上位机完整版），描述了电子时钟及温度采集系统的开发和实践过程，整理了包括源代码及报告总结在内的完整内容。
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如何估算采样时钟抖动
来源：电子工程专辑
作者：秩名日 10:19
[导读] 本文介绍了如何准确地估算采样时钟抖动，以及如何计算正确的上下整合边界。
　　ADC 设计的最新进展极大地扩展了可用输入范围，这样系统设计人员便可以去掉至少一个中间频率级，从而降低成本和功耗。在欠采样接收机设计中必须要特别注意采样时钟，因为在一些高输入频率下会成为限制信噪比 (SNR) 的主要原因。本文章重点介绍如何准确地估算某个时钟源的抖动，以及如何将其与ADC 的孔径抖动组合。
　　采样过程回顾
　　根据 Nyquist-Shannon 采样定理，如果以至少两倍于其最大频率的速率来对原始输入信号采样，则其可以得到完全重建。假设以 100 MSPS 的速率对高达 10MHz 的输入信号采样，则不管该信号是位于 1 到 10MHz 的基带(首个Nyquist 区域)，还是在 100 到 110MHz 的更高 Nyquist 区域内欠采样，都没关系(请参见图 1)。
　　图 1 100MSPS 采样的两个输入信号显示了混叠带来的相同采样点
　　在更高(第二个、第三个等)Nyquist 区域中采样，一般被称作欠采样或次采样。然而，在 ADC 前面要求使用抗混叠过滤，以对理想 Nyquist 区域采样，同时避免重建原始信号过程中产生干扰。
　　时域抖动
　　仔细观察某个采样点，可以看到计时不准(时钟抖动或时钟相位噪声)是如何形成振幅变化的。由于高 Nyquist 区域(例如，f1 = 10 MHz 到 f2 = 110 MHz)欠采样带来输入频率的增加，固定数量的时钟抖动自理想采样点产生更大数量的振幅偏差(噪声)。另外，图 2 表明时钟信号自身转换速率对采样时间的变化产生了影响。转换速率决定了时钟信号通过零交叉点的快慢。换句话说，转换速率直接影响 ADC 中时钟电路的触发阈值。
　　图 2 时钟抖动形成更多快速输入信号振幅误差
　　如果 ADC 的内部时钟缓冲器上存在固定数量的热噪声，则转换速率也转换为计时不准，从而降低了 ADC 的固有窗口抖动。如图 3 所示，窗口抖动与时钟抖动(相位噪声)没有一点关系，但是这两种抖动分量在采样时间组合在一起。
　　图3 ADC的窗口抖动
　　图3还表明窗口抖动随转换速率降低而增加。转换速率一般直接取决于时钟振幅。
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多路数据采集(完整版)
兰州理工大学毕业设计说明书摘要数据采集就是采集传感器输出的信号并转换成计算机能识别的数字信号，送 入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。 与此同时，将计算机处理的数据进行显示或打印，以便实现某些物理量的监测。 计算机技术的高速发展为人们利用现代数字信号处理技术高速，大量地处理 信息提供了有效手段，而数据采集技术在其中起着关键的作用。数据采集系统的 好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应尽可能的提高采集 速度，以满足实时采集，实时处理的要求。 本设计采用 ATMEL 公司生产的 AT89S8252 单片机为核心的微机监测系统。主 要完成对于温度模拟量，湿度模拟量，气压模拟量，风速开关量，风向开关量， 雨量开关量的数据采集与显示，对于超过监测设定值的参数进行声光报警。监测 仪的人机交互部分通过 3X3 矩阵小键盘实现，可以实现系统的设定值，当天值， 历史值的查询和打印，显示部分由 LCD 构成，完成每个监测值的显示。 关键词：AT89S8252 数据采集 模拟量 开关量 LCDI兰州理工大学毕业设计说明书AbstractData Acquisition is acquisiting the signal of sensor output and converting into the digital signal that the computer can recognize and transmiting into the computer, according to the different needs , the computers calculate and process the necessary data. At the same time, the computer di splay or print the data of processed, in order to monitor certain physical signal. The rapid development of computer technology has provided an effective means for people to use modern high-speed digital signal processing technology, to deal with a l ot of information, and data collection technology which play a key role. Wheather data acquisition system is good or bad depends largely on its accuracy and speed. In ensuring the accuracy of conditions, we should do everything possible to improve the collection rate to meet the real-time acquisition, real-time processing requirements. This design uses ATMEL company's AT89S8252 microcontroller as the core of the computer monitoring system. They can collect the analog signal of temperature, humidity, pressure, and wind speed switching signal, the switch of wind direction, rainfall switching and display the data,When the data is more than the value of the monitoring parameters ,it make sound and light alarm. The human-computer interaction of the matrix can achieve system settings, the same day value, historical value of the query and print through 3 X3 small Keyboard.The part of the display consist of LCD and show the data which are monitored.Key words: AT89S8252 Data Acquisition Analog Switch LCDII兰州理工大学毕业设计说明书目录摘 要 ......................................................................................................................... I 设计内容及设计要求 ................................................................................. 1 Abstact ........................................................................................................................ II 第一章 1.1 毕业设计的技术背景和设计依据 ....................................................................... 1 1.2 毕业设计的主要内容、功能及技术指标 ........................................................... 1 1.2.1 毕业设计的主要内容、功能 .................................................................... 1 1.3 内容安排 ........................................................................................................... 2 系统方案论证 ............................................................................................. 3 第二章2.1 单片机的选择 ..................................................................................................... 3 2.1.1 Intel 公司的单片机 ................................................................................... 3 2.1.2 Motorola 公司的单片机 ............................................................................ 3 2.1.3 Toshiba 公司的单片机 .............................................................................. 3 2.1.4 ATMEL 公司的单片机 ................................................................................ 3 2.2 模拟量的采集 ..................................................................................................... 4 2.2.1 温度传感器的选择 ................................................................................... 4 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.1.4 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.3 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.4 压力式温度传感器 ...................................................................... 4 热电偶传感器 .............................................................................. 4 电阻式温度传感器 ...................................................................... 4 集成温度传感器 .......................................................................... 4 阻抗式湿敏元件 .......................................................................... 4 电容式湿敏元件 .......................................................................... 4 集成湿度传感器 .......................................................................... 4湿度传感器的选择与应用 ..................................................................... 4气压传感器的选择与应用 ..................................................................... 5 风向传感器的选择与应用 ..................................................................... 5 风速传感器的选择与应用 ..................................................................... 5 雨量传感器的选择与应用 ..................................................................... 5数字量的采集 ................................................................................................... 5人机交换部分 ................................................................................................... 6 2.4.1 显示部分 .................................................................................................. 6 2.4.1.1 2.4.1.2 2.4.2 2.4.3 LED 显示 ..................................................................................... 6 LCD 显示 ..................................................................................... 6打印机 .................................................................................................... 6 键盘 ........................................................................................................ 6III兰州理工大学毕业设计说明书2.4.3.1 2.4.3.2 第三章独立式按键 .................................................................................. 6 矩阵式键盘 .................................................................................. 62.5 数据处理 ............................................................................................................. 7 系统硬件电路的设计 ................................................................................. 8 3.1 系统结构图 ......................................................................................................... 8 3.2 单片机的介绍 ..................................................................................................... 8 3.3 模拟量的采集 .................................................................................................... 11 3.3.1 温度采集 ................................................................................................. 11 3.3.2 湿度采集 ................................................................................................. 12 3.3.3 气压采集 ................................................................................................. 13 3.3.4 风向采集 ................................................................................................. 13 3.4 数字量的采集 .................................................................................................... 14 3.4.1 风速采集 ................................................................................................. 14 3.4.2 雨量采集 ................................................................................................. 14 3.5 人机交互部分 .................................................................................................... 15 3.5.1 键盘 ......................................................................................................... 15 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.6.1 3.6.4 3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3 3.7.4 3.8 显示 ....................................................................................................... 15 打印 ....................................................................................................... 17 报警电路 ............................................................................................... 17 时钟芯片 DS1302 ................................................................................... 18 DS1302 的控制字节 ............................................................................... 18 A/D574A 的内部结构与引脚功能 ......................................................... 19 AD574A 控制信号的功能及应用特性 ................................................... 20 AD574A 的输入特性 .............................................................................. 20 AD0809 的介绍 ...................................................................................... 213.6 时钟电路 ............................................................................................................ 18A/D 转换 ........................................................................................................... 19系统复位电路 ................................................................................................. 21 3.8.1 常用复位方式 .......................................................................................... 21 3.8.2 定时监视器（看门狗，WDT）复位 ....................................................... 223.9 电源电路 ............................................................................................................ 22 第四章 4.1 4.2 4.3 软件设计及流程图 .................................................................................... 23 主程序设计 ...................................................................................................... 23 中断 0 服务子程序设计 ................................................................................... 23 查询子程序设计 ............................................................................................... 23IV兰州理工大学毕业设计说明书4.4 定时中断服务子程序设计 ................................................................................. 23 4.5 显示，打印子程序设计 ................................................................................... 24 总结 ......................................................................................................... 28 4.6 存储资源分配 ..................................................................................................... 27 第五章 5.1 毕业设计的主要工作情况及独特之处： .......................................................... 28 5.2 5.3 毕业设计不足之处及展望 ............................................................................... 28 心得体会 .......................................................................................................... 28参考文献 ................................................................................................................... 30 外文原稿 ................................................................................................................... 31 外文翻译 ...................................................................................................................44 致谢 …………………………………………………………………………………………………………………………..55 附录 程序清单 ....................................................................................................... 56V兰州理工大学毕业设计说明书第一章设计内容及设计要求1.1 毕业设计的技术背景和设计依据数据采集是指将温度、压力、流量、位移等物理量采集、转换成数字量后， 由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程；相应的系统，称之为数据采集系 统。数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的信号，并转换成计算机能识别 的数字信号，送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得 出所需的数据。与此同时，将计算机处理得到的数据进行显示或打印，以便实现 某些物理量的监视，其中一部分数据还可以被生产过程中的计算机控制系统用来 控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度的速度。在保 证精度的条件下，应尽可能的提高采集速度，以满足实时采集、实时处理和实时 控制对速度的要求。 随着计算机技术的普及和 飞速发展，数据采集系统也得到应用。在生产过 程中，应用这一系列可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产 品质量、降低成本提供信息和手段；在科学研究中，应用数据采集系统可获得大 量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段 之一，总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高， 取得的经济效益就越大。 本设计是完成一个对气象数据进行采集并简单处理的任务，是在学过《计 算机控制技术》 《检测与转换技术》等课程的基础上，能 通过运用 51 系列的单 、 片机设计各种模拟量输入通道和数字量输入通道进行数据采集，并以所采集的数 据进行显示、定时打印及越限报警处理。1.2 毕业设计的主要内容、功能及技术指标1.2.1 毕业设计的主要内容、功能1、根据实现的功能完成软硬件设计。具体如下： 1） 模拟量输入通道：对温度、湿度及气压信号采集。 2） 开关量输入通道：对雨量、风速及风向信号采集。 3） 人机交互部分：有键盘、显示、打印及报警电路。 2、主要技术指标： 1) 温度值单位采用摄氏度，采集数据误差要求在±1℃。 2) 湿度值单位采用%RH，采集数据误差要求在±3%RH。 3) 气压值单位采用 KP a ，采集数据误差要求在±1KP a 。 4) 风向显示为：东风、东南风、南风、西南风、西风、西北风、北风，东1兰州理工大学毕业设计说明书北风。 5) 风速单位采用 m/s，采集数据误差要求在±0.5 m/s。 6) 雨量单位采用 mm/s，采集数据误差要求在±0.1mm/s。1.3内容安排本设计是完成一个对气象数据进行采集并进行简单处理的任务，在设计中， 第一步，查阅资料，对系统方案进行比较并作出选择。第二步，对系统硬件部分 分模块进行详细介绍，并说明其功能。第三步，设计系统软件流程总体框图。第 四步，完成各模块的软件程序设计。2兰州理工大学毕业设计说明书第二章2.1 单片机的选择系统方案论证目前主要应用的有 Intel ,Motorola, Toshiba， ATMEL 等公司生产的单片机。2.1.1 Intel 公司的单片机Intel 是最早推出单片机的公司之一，主要有 MCS-48、MCS-51 系列 8 位单片 机和 MCS-96 系列的 16 位单片机。在 20 世纪八、九十年代，MCS-51 和 MCS-96 曾经是我国最流行的单片机，得到广泛的应用。国内具有很多型号的 51/96 仿真 器，至今仍有不少的用户。这几年 Intel 公司注重于奔腾系列微处理器，高档嵌入 式系统(XScale)等的开发，没有推出新的单片机。2.1.2 Motorola 公司的单片机Motorla 公司主要有 MC68HC05、MC68HC11、MC68HC08 系列的 8 位单片机， MC68HC12、MC68HC16 系列的 16 位单片机。MC68HC908 是新型的 FLASH 型单片 机，功能强、型号多，又有国产的廉价仿真器的支持，在我国得到了很广泛的应 用。2.1.3 Toshiba 公司的单片机东芝公司主要有 TLCS-870、TLCS-870/X、TLCS-870/C 等系列的 8 位单片机， TLCS-900 系列的 16 位单片机，这些单片机是近几年推出的新型单片机，功能强、 可靠性高。国内推出了 TLCS-870 和 TLCS-870/C 系列单片机的廉价开发工具(STFB 和 STF870/C)，使这两个系列的单片机引起国内用户的重视，近两年来开始流行， 特别是在家用电器领域得到广泛的应用。2.1.4 ATMEL 公司的单片机ATMEL 公司主要有 AT89 系列的 AT89C51，AT89C52，AT89C55， AT89LV51， AT89LV52，AT89S8252，AT89S4D12 以及 AT90 系列等。其中 AT89C51，AT89C52， AT89C55 使 用 CMOS 工 艺 , AT89LV51 ， AT89LV52 使 用 低 电 压 技 术 降 低 功 耗 , AT89S8252，AT89S4D12 内含串行下载 FLASH 存储器。 在本次设计中需要有时钟电路，以及有显示，报警，打印电路,看门狗电路 等，故我们选用由 ATMEL 公司生产的 AT89S8252。它是与 MCS-51 系列单片机兼容 的典型产品。 它片内集成了可编程看门狗定时器,且片内集成了 8KB 在线可重复编 程、可通过 SPI 口串行下载的 FLASH 程序存储器，能重复编程 1000 次同时也片内 集成了 2KB 的 EEPROM，数据存储器可重复写 100000 次,它还具有双数据指针,可3兰州理工大学毕业设计说明书以方便地存取内部的 EEPROM 和外部的数据 RAM,从而避免了编程时频繁的指针保 护及重新赋值操作,提高程序效率。2.2 模拟量的采集2.2.1 温度传感器的选择2.2.1.1 压力式温度传感器 压力温度传感器是靠在密闭容器中液态或气 态物质受热后压力的升高而反映被测温度的，它的时间常数由热惯性决定，精确 度不是很高，环境温度，大气压力，安装高度差等因素有时也对测温结果有影响。 2.2.1.2 热电偶传感器 热电偶传感器的结构简单，动态响应快，电 动势信号便于传送，适合于中高温检测。 2.2.1.3 电 阻 式 温 度 传 感 器 电 阻 式 传 感 器 是 利用 大 多 数 金 属 具 有 正 的 电阻温度系数α ，温度越高电阻就越大，同样温度下它的输出信号较大，易于测 量，（热电偶一般为毫伏级的电动势，而热电阻是几十殴的电阻） 2.2.1.4 集 成 温度 传 感 器 集 成 温 度 传感 器 具 有 测 温精 度 高， 线 性 优 良，体积小巧，稳定性好，输出信号大等优点，此外，驱动电路和信号处理电路 可以一起集成，封闭入小型管壳中，使它的性能和灵敏度显著提高，带负载能力 增强，可大大简化实用测温电路的设计。 综上所述，我们选择集成温度传感器 LM35，它具有测温范围宽（-55℃～ +150℃），测量精度高，在+25℃时 LM35 为±0.4℃，在-55℃～+150℃温度范围 内，LM35 系列的精度为±0.4～±0.8℃,非线性误差范围是±0.15℃～±0.3℃， 它是电压输出式温度传感器，电压温度系数为 10 mV/℃，输出电压直接校准在摄 氏温标上。2.2.2湿度传感器的选择与应用2.2.2.1 阻抗式湿敏元件 湿敏电阻的特点是在基片上 覆盖一层用感湿材料 制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生 变化，利用这一特性即可测量湿度，湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是母 性度和产品的一致性差。 2.2.2.2 电容式湿敏元件 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，当环 境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其 电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要是灵敏度高、产品互换性好、响 应速度快，湿度的滞后量小。 2.2.2.3 集 成 湿 度 传 感 器 集成湿度传感器将侧面接触式湿敏电容与湿度 信号调理器集成在一个模块中封装而成，由于集成度高，因此不需要外围元件， 使用非常方便。 综上所述，我们也选择集成湿度传感器 HM1500 电压输出式湿度传感器， 线4兰州理工大学毕业设计说明书性电压输出式集成湿度传感器 HM1500 是 HUMIREL 公司的典型产品,采用获得专 利的湿敏电容 HS1101 设计制造,带防护棒式封装。HM1500 的外型结构有 3 根引 线:蓝色线接电源正极,白色线接地,黄色线接输出其主要特点如下:湿度测量范围 为 5 %～99 %(相对湿度) ;相对湿度精度为 3 %;工作温度为- 30 ℃～ 60 ℃;工 作湿度范围为 0～100 %(相对湿度) ;供电电压为 5 V(最大电压 DC16 V) ;输出为 DC 1 V～4 V ;响应时间为 5外径约 11长度约 58 mm。 HM1500 湿度变送 器主要应用于加热、通风和空气调节(HAVC) 系统、环境监控、洁净空间、蔬菜大 棚、粮食仓贮等的湿度检测与控制2.2.3气压传感器的选择与应用气压传感器在气压检测中占据核心位置。设计时可根据测量精度、测量范围、 温度补偿、测量绝对气压值等几个性能指标来选取气压传感器。 为此，我们选用 Motorola 的 MAX4100A 气压传感器来测量绝对气压值。该传 感器的温度补偿范围为-40～＋125℃；压力范围为 20KPa～1050KPa；输出电压信 号 s ＝5.0V） （V 范围为 0.3～4.65V； 测量精度为 0.1％VFSS， 同时在 20KPa～1050KPa 时具有良好的线性，具体输出关系如下： V out ＝V s (0.01059 P－0.1528)±E rror 式中，V S 是工作电压, P 是大气压值，V out 为输出电压。2.2.4风向传感器的选择与应用EL15-2/2A 型风向传感器，风向的信号发生装置是由风标转轴连接一个由风 标带动的 7 位格雷码组成，每一个格雷码代表一个风向，分辨率为 2.8125。经过 传感器内部的频率/电压转换电路，输出为 0～2.5V 模拟量电压信号。2.32.3.1数字量的采集风速传感器的选择与应用EL15-1/1A 型风速传感器，风杯转动带动码盘产生方波频率信号，通过记录 单位时间内的方波个数，即可换算出风速值。输出信号：频率 0～1221Hz 方波。2.3.2雨量传感器的选择与应用采用 SL2-1 型翻斗式雨量传感器，它通过机械式自动翻斗带动电磁开关，提 供降水计数信号。5兰州理工大学毕业设计说明书2.4人机交换部分2.4.1 显示部分2.4.1.1 LED 显示 LED 就是 light emitting diode ，发光二极管的英文缩 写，简称 LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、 图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕 2.4.1.2 LCD 显示 LCD 是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而 是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，而实现显示的目的。液晶显 示器具有功耗低、 抗干扰能力强等优点被广泛应用在各种仪器仪表和控制系统中。 现在市面上的 LCD 显示器多以模块化形式出现，模块由 LCD 控制器、LCD 驱动器、 LCD 显示装置三部分组成，它与 CPU 之间是通过 LCD 控制器直接进行沟通的，使 用方便。 考虑到 LED 与 LCD 的功耗比大约为 10： 1，所以我们选用 LCD。 并且选用 OCMJ （奥可拉中文显示模块）B 系列液晶显示器，它可以方便地显示汉字，ASCII 码， 点阵图形和变化曲线。2.4.2打印机在单片机应用系统中，微型打印机是经常使用的输出设备。特别是近年来发 展起来的盘面嵌入式微型打印机在使用中极为方便。目前国内流行的微型打印机 型号主要是 GP16、TPuP16A/40A、PP40、XLF 等。 TPuP-60A 是一种由单片机控制的智能型打印机，具有较丰富的打印命令，命 令代码均为单字节，格式简单，可打印出现 8×240 点阵的图样，代码字符和点阵 图样可在一行中混合打印，每行字符的点行数可用命令更换，即字符行间距空点 行在 0-256 任选，具有重复打印同一字符命令，以减少输送代码的数量。2.4.3键盘2.4.3.1 独立式按键 独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根 输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此， 通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。但每个按键需占用一根输入口 线，在按键数量较多时，输入口浪费大，电路结构显得很复杂，故此种键盘适用 于按键较少或操作速度较高的场合。 2.4.3.2 矩阵式键盘 矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和 列线组成，按键位于行，列的交叉点上。一个 4X4 的行，列结构可以构成一个含 有 16 个按键的键盘。很明显，在按键数量较多的场合，矩阵键盘与独立式键盘相 比，要节省很多的 I/O 口。6兰州理工大学毕业设计说明书按键设置在行，列线交点上，行，列线分别连接到按键开关的两端，行线通 过上拉电阻接到+5V 上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有键按 下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则 行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘 按键是否被按下的关键所在。由于矩阵键盘中行，列线为多键共用，各按键均影 响该键所在行和列的电平，因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行，列 线信号配合起来并作适当的处理，才能正确的确定闭合键的位置。 由上所述，我们采用矩阵式按键，以减少 I/O 口的使用。 2.4.3.3 消除按键的抖动 消除按键抖动的方法有两种：硬件方法和软件方法。 （a）、硬件方法 采用 RC 滤波消抖或 RS 双稳态消抖电路。 （b）、软件方法 如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，因此，常采用软 件的方法进行消抖。第一次检测到有键按下时，执行一段延时 10ms 的子程序后， 再确认该键是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合电平则认为真正有键按下， 从而消除了抖动的影响，但此种方法占用 CPU 的时间。 综上所述，我们选用软件方法来消除按键的抖动。2.5 数据处理数据处理实际上也就是 A/D 转换，在此次设计中，我们需将温度，湿度，气 压，风向的模拟量转换为数字量。 A/D 转换器的种类很多，就位数来分，有 8 位，10 位，12 位和 16 位等。位 数越高分辨率就越高，价格也就越贵。A/D 转换器的型号很多，在精度和转换速 度上差异很大。（a）双积分 A/D 转换器：双积分式是一种间接式 A/D 转换器，优 点是转换精度高，速度快缺点是转换时间长，一般要 40～50ms，适用于转换速度 不快的场合。 （b）逐次逼近式 A/D 转换器：逐次逼近式的属于直接式 A/D 转换器， 转换精度高，速度高，价格适中，是目前种类最多，应用最广的 A/D 转换器。 鉴 于方案（b）的换速度比方案（a）快，价格适中，种类繁多，应用广泛，在本设 计中采用双积分 A/D 转换器。 由于在此次设计中，我们的温度模拟量是双极性的，故我们选用双极性的 12 位的 A/D 转换器 AD574A。 位的转换精度在此次设计中也可满足精度要求。但是 12 它只是单通道的的转换,所以我们还需要最常用的 AD0809 来完成对湿度,气压,以 及风向模拟量的采集。7兰州理工大学毕业设计说明书第三章3.1 系统结构图系统硬件电路的设计在此设计中,有模拟量采集部分，数字量采集部分，模拟量信号经信号处理后 通过 AD 转换器变成数据量后送入单片机中，数据量直接被单片机以脉冲形式进 行计数并统计；此设计还包括对采集数据的显示，打印，并且当超越限值时，可 以实现报警；在人机交互部分中，还可实现对存储值的查询，打印等。其系统结 构图如图 3-1温度信号 湿度信号 气压信号 风向信号信号处理 信号处理 信号处理 信号处理时钟芯片AD风速信号 雨量信号转 换AT89S8252LCD显示打印机报警 键盘图 3-13.2 单片机的介绍AT89S8252 单片机是 Atmel 公司生产的 ISP FLASH 系列 MCS-51 兼容单片机中 的典型产品。确切的说，AT89S8252 具有与 Intel 80C52 兼容的内核，除了拥有 80C52 单片机的所有功能外，还增设了很多新的功能，是 80C52 的增强型号。其 主要性能特点如下： ? 是向下与 Intel 80C52 兼容的产品 ? 片内集成了 8KB 在线可重复编程、可通过 SPI 口串行下载的 FLASH 程序存 储器，能重复编程 1000 次8兰州理工大学毕业设计说明书? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?片内集成了 2KB 的 EEPROM，数据存储器可重复写 100000 次 供电电压范围 4.0V-6.0V 采用全静态设计，工作频率：0-24MHZ 三个程序存储器保密位 256 字节内部 RAM 32 条可编程 I/O 口线 3 个 16 位定时/计数器 9 个中断源 一个全双工异步串行口 片内集成 SPI 串行口 具有掉电与待机两种低功耗工作模式 片内集成可编程看门狗定时器 具有双数据指针 具有 Power-off 标志图 3-2 其引脚介绍如下: ? V SS (GND)(20 脚):电源地电平 ? V CC (40 脚):电源供电电压 4.0V-6.0V ? XTAL1(19 脚):当外接晶振时,接外部晶振的一个引脚。片内振荡器由一个 单级反相组成，XTAL1 为反相器的输入。当外部振荡器提供时钟信号时， 则由 XTAL1 端输入 ? XTAL2（18 脚） ：接外部晶振的另一个引脚，片内为单级反相器的输出。当 由外部时钟源提供时钟信号时，则本引脚浮空。 ? P0 口（39～32 脚） 位并行 I/O 口，作为输出口时，每个管脚可带 8 个 ：8 TTL 负载。在外扩存储器时，它定义为低 8 位地址/数据总线。当定义为 I/O 口时，为准双向 I/O 口，需外接上拉电阻，在写入“1”后就为高阻 抗输入口。在对片内 Flash 编程时 P0 口接收字节代码，在程序校验时输 出字节代码。程序校验期间应外接上拉电阻。9兰州理工大学毕业设计说明书? P1 口（1～8 脚） ：内接上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，能负担 4 个 TTL 负 载。 ? P1.0(1 脚):定时/计数器 T 2 的外部计数输入。 ? P1.1(2 脚):定时/计数器 T 2 捕获/再装入触发及方向控制。 ? P1.5(6 脚):MOSI(用于系统内部编程)。 ? P1.6(7 脚):MISO(用于系统内部编程)。 ? P1.7(8 脚):SCK(用于系统内部编程)。 ? P2 口(21～28 脚):内接上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。 能接 4 个 TTL 负载。 当访问外部存储器时定义为高 8 位地址线时，它将输出特殊功能寄存器 （锁存器）中内容。 ? P3 口（10～17 脚） ：内接上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，能接 4 个 TTL 负 载。它的第二变异功能如下： ? P3.0(10 脚):RXD(串行接收端口)。 ? P3.1(11 脚):TXD(串行发送端口)。 ? P3.2(12 脚):INT0(外部中断 0 请求端)。 ? P3.3(13 脚):INT1(外部中断 1 请求端)。 ? P3.4(14 脚):T 0 (定时/计数器 0 外部计数输入端)。 ? P3.5(15 脚): T 1 (定时/计数器 1 外部计数输入端)。 ? P3.6(16 脚):WR(外部数据写选通)。 ? P3.7(17 脚):RD(外部数据读选通)。 ? RST（9 脚） ：复位信号输入端。振荡器启振后，该引脚置高电平，并持续 2 个机器周期以上系统进行复位；在定时监视器（看门狗）定时输出后引 脚置高电平并持续 96 个振荡周期。特殊功能寄存器 AUXR（地址 8EH）中 的 DISR T0 位可以使复位无效。默认的 DISR T0 位状态，RST 引脚上的高 电平有效。 ? ALE/PROG（30 脚） ：ALE 为地址锁存使能端。当访问外部器件时，ALE 的负 跳变将低 8 位地址打入锁存器。在 FLASH 编程时输入编程脉冲（PROG） 。 在非访问外部器件期间，ALE 仍以 1/6 振荡频率的常量输出，可用于外部 计数或时钟信号。当访问外部数据器件期间时将跳过一个 ALE 脉冲。如果 需要，可对特殊功能寄存器区的地址为 8EH 单元的 D0 位置“1” ，可禁止 ALE 输出，而只有在执行 MOVX 或 MOVC 等指令时 ALE 才被激活，仍输出锁 存有效，否则被微弱拉高。在执行外部程序时，该设定禁止 ALE 位无效。 ? PSEN（29 引脚） ：访问外部程序存储器读选通信号。在访问外部程序存储 器读取指令码时，每个机器周期产生两次有效倍，即输出两个 PSEN 有效 脉冲。 在执行片内程序存储器取指令时不产生此脉冲， 在读写外部数据时， 亦不产生 PSEN 信号。 ? EA/V PP （31 脚） ：EA 为访问内部或外部程序存储器选择信号，当 CPU 一开 始就访问外部程序存储器，则 EA 必须保持低电平（接 GND 端） ，如果保密 位被编程，则复位时内部会锁存 EA 端的状态。当 EA 端保持高电平（接 VCC 端）时则 CPU 首先从片内 0000H 单元开始执行内部程序存储器程序；10兰州理工大学毕业设计说明书如果外部还有扩展程序存储器， CPU 在执行完内部程序存储器程序后自 则 动转向执行外部程序存储器程序。 ? V PP 为 FLASH 编程电压。在对片内 FLASH 编程时，此引脚施加 12V 编程允许 电压。3.3 模拟量的采集3.3.1 温度采集LM35 系列是美国国家半导体公司生产的 电压输出式单片精密 集成温度传感 器。其性能特点如下： ? 测温范围宽（-55～+150℃） 。 ? 测量精度高。在-55～+150℃温度范围内，LM35 系列的精度为±0.4～± 0.8℃非线性误差范围是：±0.15～±0.3℃ ? 电压输出式温度传感器，电压温度系数为 10mV/℃，输出电压直接校准在 摄氏温标上。 ? 低功耗。电源电压范围是+4～+30V，静态电流小于 60uA。 ? 低阻抗输出，通过 1mA 电流时输出阻抗仅为 0.1Ω 。 ? 适合远距离测温用。 由 LM35 系列构成的简易型摄氏温度传感器电路，分别如下图所示 ，在图 3-3（a）中所示电路的测温范围为+2～+150℃，图 3-3（b）所示的电路能测量满 量程（-55～+150℃）的摄氏温度。为测量负温度值，需采用双电源供电，在输出 端接上电阻 R，R 的下端接负电源-U S 。R 值由下式确定：图 3-3 举例说明， US=+5V。 当 -US=-5V 时， R=100KΩ 。 此时， t=-55℃jf ,Uo=-550mV; 当 当 t 分别为+25℃、+150℃时，Uo 依次为 250 mV 和 1500 mV。11兰州理工大学毕业设计说明书其与系统的连接图如图 3-41 1 U10 1 VEE D G N D A G N D 9 5 1 6 D 1 7 D 1 8 D 1 9 2 1 0 D 3 2 0 O REF 1 8 D 4 2 1 D 2 2 5 IN REF 0100D23614R13U12D724RNG20V132D8RNG10VVOUT251D9BIPO2GN2627D102R14100D112812/84P0.1/AD11R1500KLM35STATAVCC0C1E36VL+C7S5P0.0/AD0574(1)CS-V+R/CU13ADC574AJH+图 3-43.3.2 湿度采集HM1500 是美国 Humirel 公司于 2002 年新推出的一种电压输出式集成湿度传 感器。它是将侧面接触式湿敏电容与湿度信号调理器集成在一个模块中封装而成 的。由于集成度高，因此不需要外围元件，使用非常方便。 HM1500 的性能特点： ? 内部包含由 HS1101 型湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大 器，能输出与相对湿度成线性关系的直流电压信号，输出阻抗为 70Ω ， 适配带 ADC 的单片机。 ? HM1500 属于通用型湿敏传感器，测量范围是 （0-100%）RH，输出电压 范围是+1V～+4V。相对湿度为 55%RH 时的标称输出电压为 2.48V。测量 精度为±3%RH，灵敏度为+25mV/RH，温度系数为+0.1%RH/℃，响应时间 为 10s。 ? 采用管状结构，不受水凝结的影响，长期稳定性指标为 0.5%RH/年。 ? 产品的互换性好，抗腐蚀性强。 ? 采用+5V 电源（允许范围是+4.75～+5.25V） ，工作电流为 0.4mA（典型 值） ，漏电流≤300μ A。工作温度范围是-30～+60℃。 HM1500 的外形如右图所示，湿敏电容就位于传感器的顶部。在（10%～95%） RH 范围内，T A =+23℃时，HM1500 的输出与相对湿度的对应关系见表 3-1： 表 3-1 HM1500 的 U o 与 RH 的对应关系RH/（%） U o /（%） RH/（%） U o /（%） 10 1．325 55 2．480 15 1．465 60 2．605 20 1．600 65 2．370 25 1．735 70 2．860 30 1．860 75 2．990 35 1．990 80 3．125 40 2．110 85 3．260 45 2．235 90 3．405 50 2．360 95 3．555输出电压的计算公式为 U o =1.079+0.2568RH 当 T A ≠+23℃时,可按下式对读数值加以修正: RH′=RH?[1-2.4(T A -23)e -3 ]12Component_2P3.7/RDP3.6/WR53D+VS1VCC兰州理工大学毕业设计说明书其与系统的连接图如图 3-5U14 1 G N 1 6 D 2 2 3 REF1 2 ALE 2 3 A ALE/PROG 2 REF+ C ADD 2 4 A VCC 7 B ADD 2 5 A EOC 2 1 A ADD 5 0 1U16D720IN742D6IN6VOUT19D5IN53GN182U17D48IN412D3IN3VOUT1528+VS1VCCD2IN2GN1427U18VCCDD117IN1262D0IN0VOUT+VS1U19P3.7/RDGNVCC9DOESTART61110≥VCCCLKNOR0809CSADC0809FNU20≥NOR÷4图 3-53.3.3 气压采集气压传感器在气压检测中占据核心位置。设计时可根据测量精度、测量范围、 温度补偿、测量绝对气压值等几个性能指标来选取气压传感器。 为此，我们选用 Motorola 的 MAX4100A 气压传感器来测量绝对气压值。该传 感器的温度补偿范围为-40～＋125℃；压力范围为 20KPa～1050KPa；输出电压信 号 s ＝5.0V） （V 范围为 0.3～4.65V； 测量精度为 0.1％VFSS， 同时在 20KPa～1050KPa 时具有良好的线性，具体输出关系如下： V out ＝V s (0.01059 P－0.1528)±E rror 式中，V S 是工作电压, P 是大气压值，V out 为输出电压。 其与系统的连接图如图 3-53.3.4 风向采集风向传感器是用于测量风的水平风向的仪器,应用广泛.EL15-2D 的技术指标 为: ? ? ? ? ? 测量范围: 0°～360° 允许误差: ±5° 分辨力: 3° 响应灵敏度: 0.5m/s 风向输出: 0V～2.5V? 抗风强度: 75m/s ? 工作电压: DC10V～14V ? 使用环境: -40℃～+60℃ 0～100RH 由 于 它的 输 出 电 压 比 较小 ,我 们 用 运 算 放 大器 放 大 两 倍 ,也 就 是说, 0°～ 360°将对应输出电压 0V～5V,当经 AD 转换后的转换值在 0～15 或 240～255 时, 我 们 认 为 它 是 东 风 ,当 转 换 值 在 16～47 之 间 时 我 们 认 为 是 东 南 风 ;当 转 换 值 在 48～79 之间时,我们认为它是南风;当转换值在 80～111 之间时,我们认为它是西 南风;当转换值在 112～143 之间时,我们认为它是西风;当转换值在 144～175 之间13ALE/PROGP3.6/WRLM35AH3LM35AH3LM35AH3D+VS1VCC兰州理工大学毕业设计说明书时,我们认为它是西北风;当转换值在 176～207 时之间时,我们认为它是北风;当 转换值在 208～239 时,我们认为它是东北风。 其与系统的连接图如图 3-53.4 数字量的采集3.4.1 风速采集EL15-1/1A 型杯式风速传感器是用于测量风速并转换为电脉冲信号的仪器。 它的技术指标： ? 测量范围：0.3m/s～60m/s ? 启动风速: 小于 0.3m/s ? 分辨力: 0.5 m/s ? 抗风强度: 75m/s ? 准确度: ±0.3 ? 输出信号: 0～122HZ ? 工作电压: DC5～15V ? 使用环境: -40℃～+60℃ 0～100RH 在采集时，由 T0 定时 30 秒，在此期间，由 T1 对风速脉冲数进行计数，根据 风速与脉冲数成正比的关系,我们有 （30*X）/60=N/1221,由上式可知,风速值 X= （20*N）/1221 它直接与单片机的 T1 口相连,由 T0 定时,对它进行脉冲计数。3.4.2 雨量采集SL2-1 型雨量传感器是引进德国先进技术制造的用于测量地面降水的仪器。 该产品测量精度高，使用不锈钢材料，坚固耐用。并能通过电缆直接与自动气象 站连接，实现了计算机自动控制，填补了我国单翻斗传感器的空白，适合我国自 动气象站使用。 SL2-1 型 雨 量 传 感 器 的 结 构 为 遥 测 单 翻 斗 型 式 ， 雨 水 通 过 一 个 表 面 积 为 200cm 2 的接收器，再通过一个过滤斗流入翻斗里，翻斗的每次翻转通过干簧管转 换成脉冲信号，传输到采集系统。 它的技术指标： ? 承水口内径:Φ 159.6mm(200cm 2 ) ? 分辨力: 0.1mm ? 测量范围: 0～4mm/min ? 允许误差:±0.4mm(≤10mm)±4(&10mm) ? 环境温度: 0℃～+60℃ -25℃～+60℃(带加热装置) 它每分钟接收脉冲数为 0～40 个,即 0～20 个/30 秒,我们利用 T0 定时器定时14兰州理工大学毕业设计说明书30 秒,在这个期间用 T2 计数器对脉冲数进行计数,最后雨量值为:2*N mm/min。 它直接与单片机 T2 口相连,也是由 T0 定时,对接收到的脉冲进行计数。3.5 人机交互部分3.5.1 键盘键盘采用 3×3 矩阵式键盘,行分别接于单片机的 P1.2、P1.3、P1.4，列分 别接于单片机的 P1.5、P1.6、P1.7,这样形成 9 个按键。其中包括查询/设定键， 打印/开始键，解除警报/停止键，查询设定值键，查询当天值键，查询历史值键， 上一页/加一键，下一页/减一键以及返回/确定键。对键盘直接查询（即不是在进 入中断 0 后再查询）可以分别实现对时钟芯片设定初始值，程序开始运行，停止 采集并回到设定时钟芯片初始值处，时钟芯片的设定值由加一键和减一键以及确 定键来共同完成，也是直接查询。在进入中断 0 后，键盘功能可以实现对当前值， 设定值，当天值，历史值的查询和打印。 如果想查询设定值，当天值，历史值，以及打印时，先按下中断 0 的那个键， 然后才能进行查询。VCC VCC R16 R17 1 0 K 1 0 K 1 R18 0 S 3 S 4 S 查 询 / 设 定 打 印 / 开 始 解 除 5 警 报 / 停 止 K P1.2 S 6 S 7 S 8 1 R19 0 设 定 值 当 天 值 历 史 值 P1.3 S 9 S10 S11 1 R20 0 上 一 页 / 加 一 下 一 页 / 减 一 返 回 / 确 定 P1.4 1 R21 0 P1.7 P1.6 P1.5图 3-63.5.2显示OCMJ5×10 中文模块液晶显示器内含 GB
点阵国际一级简体汉字和 ASCII8*8（半高）及 8*16（全高）点阵英文字库，用户输入区位码或 ASCII 码即 可实现文本显示。 OCMJ5×10 中文模块液晶显示器也可用作一般的点阵图形显示器之用。提供有 位点阵和字节点阵两种图形显示功能，用户可在指定的屏幕位置上以点为单位或 以字节为单位进行图形显示。完全兼容一般的点阵模块。 本系列模块具有上/下/左/右移动当前显示屏幕及清除屏幕的命令。 OCMJ5×10 中文模块所有的设置初始化工作都是在上电时自动完成的，实现了“即插即用” ， 同时具有一条专用的复位线供用户选择使用，可对工作中的模块进行软件或硬件15KKK兰州理工大学毕业设计说明书强制复位。规划整齐的 10 个用户接口命令代码，非常容易记忆。标准用户硬件接 口采用 REQ/BUSY 握手协议，简单可靠。 用户可通过命令调用 OCMJ5×10 液晶显示器的各种功能。 命令分为操作码及操 作数两部分，操作数为十六进制。共分为三类 10 条。分别是： (一)字符显示命令：1、显示国际汉字：2、显示 8X8 ASCII 字符；3、显示 8X16 ASCII 字符； (二)图形显示命令：4、显示位点阵；5、显示字节点阵； (三)屏幕控制命令：6、清屏； 7、上移； 8、下移 9、左移； 10、右移； 在本次设计中，需要显示时间，包括年，月，日，时，分，温度值，湿度值， 气压值，风向值，风速值，雨量值。显示模式如： 08 年 08 月 08 日 08 点 08 分 温度：+30℃ 湿度：20%RH 气压：1012KPa 风向：东南风 风速：10m/s 雨量：2.3mm/s 在查询期间，显示模式为： 08 年 08 月 08 日/ 08 月 08 日 08 时 温度： -5℃～+5℃ 湿度：25%RH～50%RH 气压：1000KPa～1020KPa 风向：东南风 风速：10m/s 雨量：2.3mm/s 其与系统的连接图如图U U 3 VCC 4 2 V D D 1 2 5 LEDPA0 DB0 1 3 6 LED+ PA1 DB1 VSS 3 2 1 VCC 1 1 4 7 1 A 0 PA2 DB2 1 5 8 BUSY 1 4 3 PA3 DB3 2 1 6 9 REQ 1 5 A 1 PA4 DB4 1 7 1 0 RES 1 PA5 DB5 N 3 1 8 1 1 C 1 C S PA6 DB6 1 9 1 2 RT1 1 PA7 DB7 4 D 0 2 0 5 PB0 2 1 PB1 PB0 D 1 PB1 2 2 PB2 OCMJ-5X10 RT2 8 7 6 RST PB0 R 6 PB2 2 3 PB3 1 0 4 D 2 PB3 2 4 PB4 7 2 D 3 PB5 5 PB6 PB5 PB4 K 2 6 U PB6 PB7 8 2 D 4 PB7 7 VCC 4 8 V D D 9 2 8 5 LEDD 5 PC0 DB0 2 9 6 LED+ PC1 DB1 1 0 3 0 7 VSS 1 3 2 1 D 6 PC2 DB2 3 1 8 BUSY 1 4 3 PC3 DB3 REQ 1 1 3 2 9 1 D 7 PC4 DB4 3 3 1 0 RES 1 PC5 DB5 N 3 4 1 1 C 1 PC6 DB6 1 3 5 2 RT1 1 PC7 DB7 8 2 5 5 A OCMJ-5X10 RT2 8 7 6 5 RST PB1 1 R10 0图 3-716KVCC兰州理工大学毕业设计说明书3.5.3打印TPuP-60A 是一种由单片机控制的智能型打印机，它的主要技术性能： ? 采用单片机控制，具有 2KB 控打程序及标准的圣特罗尼克并行接口，便于 与各种计算机应用系统或智能仪器仪表联机使用。 ? 具有较丰富的打印命令，命令代码均为单字节，格式简单。 ? 可产生全部标准的 ASCII 码字符以及 128 个非标准字符和图符。有 16 个 代码（6X7 点阵）可由用户通过程序自行定义。 ? 可打印出 8X240 点阵的图样，代码字符和点阵图样可在一行中混合打印。 ? 字符、图符和点阵可在宽和高的方向放大为 X2、X3、X4 倍。 ? 每行字符和点行数可用命令更换，即字符间距空点行在 0～256 任选。 ? 带有水平和垂直制表命令，便于打印表格。 ? 具有重复打印同一个字符命令，以减少输送代码的数量。 ? 带有命令格式的检错功能，当输入错误命令时，打印机立即打印出错误代 码信息。3.5.4报警电路VCCU?AQR3PB2122KSN74F04DDS1上限报警RPB35VCCR1KDS2下限报警RPB41DS3设定时间中RKPB51DS4中断中RKPB61DS5历史值/当天值/设K定987值查询PB71R11K图 3-8 报警电路的接口分别接 8255 的 PB4、PB5、PB6、PB7 口，如果有某个值超过 设定值时，就会出现报警，且蜂鸣器开始鸣叫。如果超过设定的上限值时就会亮 红灯，如果超过设定的下限值时就会亮黄灯，黄灯有时也代表雨量的橙色警报。 在报警后，如果进入按键子程序后，查询到要解除警报时，就会使灯和蜂鸣器熄 灭。17中Res26PNP1BuzzerLS1兰州理工大学毕业设计说明书3.6 时钟电路3.6.1 时钟芯片 DS1302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。3.6.3 引脚排列图 3-9 示出 DS1302 的引脚排列,3.6.4DS1302 的控制字节DS1302 的控制字如图 3-10 所示。 控制字节的最高有效位(位 7)必须是逻辑 1， 如果它为 0，则不能把数据写入 DS1302 中，位 6 如果为 0，则表示存取日历时钟 数据，为 1 表示存取 RAM 数据;位 5 至位 1 指示操作单元的地址;最低有效位(位 0)如为 0 表示要进行写操作，为 1 表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始 输出。3.6.7 DS1302 的寄存器DS1302 有 12 个寄存器，其中有 7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数 据位为 BCD 码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表 2。18兰州理工大学毕业设计说明书3.7A/D 转换3.7.1 A/D574A 的内部结构与引脚功能在此次设计中,由于温度传感器 LM35 的输出电压为双极性(-5V～+5V),所以 我们选用双极性的 A/D574A 转换器。 AD574A 是美国模拟器件公司生产的 12 位逐次逼近型快速 A/D 转换器。转换 速度最大为 35μ s，转换精度≤0.05%，是目前我国市场应用最广泛，价格适中的 A/D 转换器。AD574A 片内配有三态输出缓冲电路，因而可直接与各处典型的 8 位 或 16 位的微处理器连接，而无须附加逻辑接口电路，且能与 COMS 及 TTL 电平兼 容。由于 AD574A 片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何 外部电路和时钟信号的情况下完成一切 A/D 转换功能，应用非常方便。 AD574A 的主要特点如下： ? 非线性误差：AD574AJ 为±1LSB。 ? 转换速度；最大转换时间 35μ s，属于中档速度。 ? 输入模拟信号范围可为 0～+10V，0～+20V 也可以双极性±5V，±10V。 ? AD574A 有两个模拟输入端，分别用于不同的电压范围；10V IN 适用于的± 5V 模拟输入， IN 适用于的±10V 模拟输入。 20V 输出为 12 位， DB0～DB11。 即 ? 利用不同的控制信号，既可实现高精度的 12 位变换，又可作快速的 8 位 转换。转换后的数据有两种读出方式；12 位一次输出；8 位、4 位分两次 输出。设有三态输出缓冲器，可直接与 8 位或 16 位的微处理器接口。 ? 需三组电源：±5V，V CC（+12～+15V） EE（-12～-15V） ，V 。由于转换精度高， 所提供电源必须有良好的稳定性，并加以充分滤波，以防止高频噪声的干 扰。 ? 内设高精度的参考电压（10.00V） ，只需外接一只适当阻值的电阻，便可 向 DAC 部分的解码网络提供 I REF ，转换操作所需的时钟信号由内部提供， 不需外接任何元器件。19兰州理工大学毕业设计说明书? 低功耗：典型功耗为 390mW AD574A 为 28 引脚双列直插式封装，其引脚如图 3-11：图 3-113.7.2AD574A 控制信号的功能及应用特性AD574A 的工作状态由 CE、CS、R/C、12/8、A0 五个控制信号决定，这些控 制信号的组合控制功能如表 3-3： 表 3-3 AD574A 控制信号的组合功能 CE 0 X 1 1 1 1 1 CS X 1 0 0 0 0 0 R/C X X 0 0 1 1 1 12/8 X X X X 接 1 脚（+5V） 接地 接地 A0 X X 0 1 X 0 1 工作状态 禁止 禁止 启动 12 位转换 启动 8 位转换 12 位并行输出有效 高 8 位并行输出有效 低 4 位加上尾随 4 个 0 有效由上表可见， CE=1， 当 CS=0 同时满足时， AD574A 才能处于工作状态。 AD574A 当 处于工作状态时，R/C=0 时启动 A/D 转换；R/C=1 时进行数据读出.12/8 和 A0 端 用来控制转换字长和数据格式。A0=0 时启动转换，则按完整的 12 位 A/D 转换方 式工作，如果按 A0=1 启动转换，则按 8 位 A/D 转换方式工作。当 AD574A 处于数 据读出工作状态时，A0 和 12/8 成为数据输出格式控制器。12/8=1，对应 12 位并 行输出，12/8=0 则对应 8 位位双字节输出。其中 A0=0 时输出高 8 位。A0=1 时输 出低 4 位，并以 4 个 0 补足尾随的 4 位，必须指出 12/8 端与 TTL 电平不兼容，故 只能通过布线接至+5V 或 0V 以上。另外 A0 在数据输出期间不能变化。3.7.3AD574A 的输入特性通过改变 AD574A 引脚 8、10、12 的外接电路，可使 AD574A 进行单极性和双 极性模拟信号的转换，单极性转换电路如下图所示，其系统模拟信号的地线应与 引脚 9 相连，使其地线的接触电阻尽可能的小，双极性转换电路如下图所示 。20兰州理工大学毕业设计说明书图 3-12 在图 3-12 中，电位器 RP 1 用于调节零点，电位器 RP 2 用于调节增益，模拟地 AG 和数字地 DG 要一点共地。3.7.4AD0809 的介绍ADC0809 是 8 位逐次逼近式 A／D 转换器，具有 8 个模拟量输入通道，最大 不可调误差小于±1LSB， 典型时钟频率为 640kHz， 每通道的转换时间约为 100μ s。 ADC0809 没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为 10～1280kHz。3.8系统复位电路系统对复位信号的要求是一致的，实现复位的方法很多。硬件复位常有以下几 种：3.8.1 常用复位方式图 3-13（1） 电平式开关与上电复位电平式开关与上电复位电路如图 3-13，既可上电复位，也可手动复位。 图中电容，电阻为参考值。一般电阻，电容的取值随时钟频率的不同而变化， 可通过实验取得合适值。 上述两种简单的复位电路中，干扰易串入复 位端，在大多数情况下不会造成 单片机的错误复位，但有可能引起内部某些寄存器的错误复位。这时，可在 RST2150HZ 50HZ AC220VAC220V50HZAC220V1FuseF1FuseF321FuseF110:1T10:1T3.9 电源电路3210:1T1U17U20U141C151C111C231C1900000000uuuuFF3.8.2 定时监视器（看门狗，WDT）复位兰州理工大学毕业设计说明书脚接一个去耦电容。如果应用现场干扰严重，影响单片机的正常复位，可采用屏 蔽的办法解决。WDT 可以根据应用程序正常运行周期进行设定。当应用程序在运行过程中受 到干扰而进入非正常运行状态时，WDT 定时计数器产生溢出信号，复位主机，恢 复正常运行状态。在该系统中，需要使用±5V，±15V 和+12V 的直流电源，其整流电路如下图 所示：221 C 0 9 0 0.1uF C14 0.1uF C10 u F 7 VR3 7 VR2 VR4 Vin 0 0 VinFF0.1uFC220.1uFC18图 3-147VR5798981Vin1Vin555 G 0.1uF5CG D N6D NND图 3-15Vout Vout GNDVoutVout图 3-167 8 1 2 G N D 0.33uF C16 0.33uF C12 0.33uF C 7 0.1uF C17 0.1uF C13 0.1uF C 8 +5V -5V +15VGVR1VinVout0.33uFC240.33uFC200.1uFC250.1uFC21-15V+12V兰州理工大学毕业设计说明书第四章4.1 主程序设计软件设计及流程图系统上电或复位后先进行初始化,包括对 8255 工作方式、串行口工作方式、 定时器 T0 的定时值、计数器 T1、T2 计数初值、以及外部中断的触发方式等进行 初始化。系统初始化后就直接查询按键，如果按下“设定”键，就进入设定时钟 芯片初始值的程序，并在设定好初始值后再一次来查询是否需要继续设定还是程 序开始运行。如果在直接查询按键时查询到是“开始”键按下，也就是不需要对 时钟芯片初始值进行设定而程序直接开始运行。运行过程中，系统不断的读时钟 芯片，如果发现年值与上次采集时间的年值相比较变化了，就进入子程序 1 中； 如果年值未发生变化，而月值变化了，就进入子程序 2；如果年值，月值均未发 生变化，而日值变化了，就进入子程序 3；如果年值，月值，日值均未发生变化， 而时值变了，就进入子程序 4；如果年值，月值，日值，时值都未发生变化，而 分值变了但除以 5 后余数不为零（即分钟值不是 5 的倍数） ，系统就继续读时钟 芯片，直到分值除以 5 后余数为零。这时系统开始采集数据，并经过数据处理后 在 LCD 上显示出来。4.2中断 0 服务子程序设计中断 0 主要实现对当前值进行打印或对设定值，当天值，历史值的查询或打 印。如果需要，就先按下“中断”键，进入中断服务子程序。 进入服务子程序后， 先亮 2，然后就查询按键，如果按下“打印”键，就对 当前值进行打印；如果按下“查询”键，就进入查询子程序。如果按下“返回” 键，就灭灯 2，从而退出中断服务子程序。4.3查询子程序设计查询子程序主要完成对当天值，历史值，设定值的查询。 在进入查询子程序后，就亮灯 5，如果按下“设定值”键，就进入查询设定 值子程序；如果按下“当天值”键，就进入查询当天值子程序；如果按下“历史 值”键，就进入查询历史值子程序；如果按下“返回”键，就退出查询子程序。4.4 定时中断服务子程序设计定时中断主要完成对数字量风速脉冲和雨量脉冲的计数定时。 在数据采集过 程中，如果定时时间到后，就进入定时中断服务子程序。在子程序中，将读取 T1、 T2 的计数值，分别作为当时的风速和雨量计数值。23兰州理工大学毕业设计说明书4.5显示，打印子程序设计显示和打印子程序分别完成对查询的 存储值的显示和打印。在显示和打印子 程序中，都是按时间，温度值，湿度值，气压值，风向值，风速值，雨量值来显 示或打印的。只不过是在打印不同功能的值时的时间格式不同，例如，显示设定 值时，显示时间格式为 00 年 00 月 00 日；在显示历史值时，显示时间格式为 XX 年 XX 月 XX 日；在显示当天值时，显示时间格式为 XX 月 XX 日 XX 时。 主程序流程图：开始系统初始化读时钟芯片调显示时间子程序Y是否需要调整时间N N调设定时间子程序 是否开始运行Y读时钟芯片年值变了没?N N日值变了没?Y月值变了没?N N NY小时值变了没?Y Y分值变了没?Y分值/5是否余0?NY调数据采集子程序 调子程序1 调子程序2 调子程序3 调子程序4 调数据处理子程序调显示子程序1是否停止NY24兰州理工大学毕业设计说明书中断 0 服务子程序流程图：开始现场保护亮灯2是否是查询键?NY是否是打印键?NY是否是解除警报键NY是否是返回键?NY调查询子程序 调打印子程序 解除警报 灭灯2现场恢复返回查询子程序流程图：开始亮灯5查询设定值?NY查询当天值?NY查询历史值?NYN是否返回?调查询设定值子程 序调查询当天值子程 序调查询历史值子程 序Y灭灯5返回25兰州理工大学毕业设计说明书各子程序流程图：子程序1 子程序2 子程序3 子程序4开始开始开始开始调存储前一小时值 子程序调存储前一小时值 子程序调存储前一小时值 子程序调存储前一小时值 子程序调存储前一天值子 程序调存储前一天值子 程序调存储前一天值子 程序数据地址3复位数据地址1复位数据地址2复位数据地址2复位将时值存入时间地 址2中数据地址2复位数据地址3复位数据地址3复位返回数据地址3复位将月,日,时值存入 时间地址2中将日,时值存入时间 地址2中将年,月,日,时值存 入时间地址2中返回返回返回采集、显示、打印子程序流程图：26兰州理工大学毕业设计说明书数据采集子程序T0定时中断子程序显示子程序打印子程序开始开始开始开始开T0,T1,T2中断T1,T2停止计数显示时间打印时间T0开始定时,T1,T2 开始计数保护现场显示温度值打印温度值采集温度值存储T1计数值显示湿度值打印湿度值采集湿度值存储T2计数值显示气压值打印气压值采集气压值对T1,T2重新赋值显示风向打印风向采集风向值现场恢复显示风速值打印风速值T0定时是否结束?返回显示雨量值打印雨量值返回返回返回4.6 存储资源分配历史值的存储地址：0000H～13EBH 每天值的存储地址：13F0H～153FH 设定值的存储地址: 1541H～1554H 共 5110 个字节 共 336 个字节 共 14 个字节27兰州理工大学毕业设计说明书第五章总结5.1 毕业设计的主要工作情况及独特之处：1．本次毕业设计的主要工作情况可以归纳如下： 本次毕业设计基本上完成了毕业设计任务，满足了毕业设计要求。 在查阅 了 大 量 的 文 献 资 料 后 ， 对 数 据 采 集 系 统 有 了 一 定 的 了 解 。 对 ATMEL 公 司 的 AT89S8252 单片机有了更深的了解。 2． 本次毕业设计的独特之处： ? 在本次设计中，尤其是在软件设计中，对键盘的使用采用了一键双功能的 设计思想，在中断子程序中还采用了分级设计思想，用“返回”键逐级返 回到上一级中，并且在不同的级中，用不同的指示灯来指示。 ? 在数据采集过程中，对数据进行采集 2 的 n 次方次来实现滤波，考虑到数 据的溢出，我们选用两次，而在求平均值时，用 移位指令即可实现求平均 值，这样就会提高系统采集效率，从而提高了数据采集的实时性。 ? 在数据处理中，将转换值变换为 BCD 码后再进行存储，这样在数据显示和 打印中，对数据的处理将会减少，从而提高系统的效率。 ? 在程序设计中， 使用固定的寄存器存放固定的存储地址， 再加上 AT89S8252 单片机固有的双数据指针，使得程序编程更加有序，并且使用方便。5.2 毕业设计不足之处及展望? 在本次设计中，在数据采集模块中，由于温度模拟量是双极性的，故而使 用了两个 A/D 转换器， AD574 和 AD0809，这将给系统带来硬件种类增 多从而使系统实现难度加大的问题， 在以后的设计中， 可以尝试将 AD0809 接成双极性的工作方式来减少 AD 转换器的数量，如果数据采集精度不能 满足的话采用运放来补偿， 或者也可以选用双极性的多通道的 10 位或 12 位的 AD 转换器来实现。 ? 此次设计中，还对 I/O 口进行了扩展，这会对系统的可靠性带来影响，在 以后的设计中，可以尝试使用多端口（例如 64 口）的单片机来实现。 ? 本次设计只是对气象数据进行了简单的采集，处理，存储，显示和打印， 未和计算机实现通信，由于时间问题，这个只能在以后来实现了。5.3 心得体会在本次设计中，由于一直以为只要有了总体设计思路就可以了，所以在设计 中尤其是在硬件设计中，对 8255 进行了错误的使用，直到后来才发现；在硬件 图中，也有好多的细节错误，还是在王老师耐心指导下一一改正过来的， 这也28兰州理工大学毕业设计说明书让我认识到总体设计和具体细节的区别和我自己的基础知识的不扎实。 本次设计对于我来说是一次对自己性格锻炼，它让我充分的认识自己所学习 知识的不够，让我明白小事、小细节对于全局的重要性，使我认识到自己的学 习和生活的关系，让我知道自己以后做事的态度和行为，所以本次设计对我自 身的是起到很重要的审视作用。29兰州理工大学毕业设计说明书参考文献[1] 蔡美琴 MCS-51 系列单片机系统及其应用 [2] 涂时亮 单片微机控制技术 [3] 潘新民 微型计算机控制技术 [4] 付家才 单片机控制工程实践技术 [5] 房小翠 单片机实用系统设计技术 社 [7] 李建忠 单片机原理及应用高等教育出版社复旦大学出版社 电子工业出版社 化学工业出版社 国防工业出版社 国防工业出版[6] 徐爱钧 单片机高级语言 C51 Windows 环境编程与应用 西安电子科技出版社[8] 姜学军 计算机控制技术 清华大学出版社 2005 [9] 顾德英 计算机控制技术 北京邮电大学出版社 2006 [10] 余成波 传感器与自动检测技术 高等教育出版社 200630兰州理工大学毕业设计说明书外文原稿Features? Low-voltage and Standard-voltage OperationC 2.7 (V CC = 2.7V to 5.5V) C 1.8 (V CC = 1.8V to 5.5V)? Internally Organized 128 x 8 (1K), 256 x 8 (2K), 512 x 8 (4K),1024 x 8 (8K) or 2048 x 8 (16K)? Two-wire Serial Interface ? Schmitt Trigger, Filtered Inputs for Noise Suppression ? Bidirectional Data Transfer Protocol ? 100 kHz (1.8V) and 400 kHz (2.7V, 5V) Compatibility ? Write Protect Pin for Hardware Data Protection ? 8-byte Page (1K, 2K), 16-byte Page (4K, 8K, 16K) Write Modes ? Partial Page Writes Allowed ? Self-timed Write Cycle (5 ms max) ? High-reliabilityC Endurance: 1 Million Write Cycles C Data Retention: 100 Years? Automotive Grade and Lead-free/Halogen-free Devices Available ? 8-lead PDIP, 8-lead JEDEC SOIC, 8-lead MAP, 5-lead SOT23,8-lead TSSOP and 8-ball dBGA2 Packages? Die Sales: Wafer Form, Waffle Pack and Bumped WafersDescriptionThe AT24C01A/02/04/08A/16A provides 96/ bits of serial electrically erasable and programmable read-only memory (EEPROM) organized as 128/256/512/ words of 8 bits each. The device is optimized for use in many industrial and commercial applications where low-power and low-voltage operation are essential. The AT24C01A/02/04/08A/16A is available in space-saving 8-lead PDIP, 8-lead JEDEC SOIC, 8-lead MAP, 5-lead SOT23 (AT24C01A/AT24C02/AT24C04), 8lead TSSOP, and 8-ball dBGA2 packages and is accessed via a Two -wire serial interface. In addition, the entire family is available in 2.7V (2.7V to 5.5V) and 1.8V (1.8V to 5.5V) versions.31兰州理工大学毕业设计说明书*NOTICE: Stresses beyond those listed under “Absolute Maximum Ratings” may cause permanent damage to the device. This is a stress rating only and functional operation of the device at these or any other conditions beyond those indicated in the operational sections of this specification is not implied. Exposure to absolute maximum rating conditions for extended periods may affect device reliability32兰州理工大学毕业设计说明书Pin Descriptiondata into eachSERIAL CLOCK (SCL): The SCL input is used to positive edge clockEEPROM device and negative edge clock data out of each device. SERIAL DATA (SDA): The SDA pin is bidirectional for serial data transfer. This pin is open-drain driven and may be wire-ORed with any number of other open-drain or opencollector devices. DEVICE/PAGE ADDRESSES (A2, A1, A0): The A2, A1 and A0 pins are device address inputs that are hard wired for the AT24C01A and the AT24C02. As many as eight 1K/2K devices may be addressed on a single bus system (devi ce addressing is discussed in detail under the Device Addressing section). The AT24C04 uses the A2 and A1 inputs for hard wire addressing and a total of four 4K devices may be addressed on a single bus system. The A0 pin is a no connect. The AT24C08A only uses the A2 input for hardwire addressing and a total of two 8K devices may be addressed on a single bus system. The A0 and A1 pins are no connects. The AT24C16A does not use the device address pins, which limits the number of devices on a single bus to one. The A0, A1 and A2 pins are no connects. WRITE PROTECT (WP): The AT24C01A/02/04/08A/16A has a Write Protect pin that provides hardware data protection. The Write Protect pin allows normal Read/Write33兰州理工大学毕业设计说明书operations when connected to ground (GND). When the Wri te Protect pin is connected to V CC , the write protection feature is enabled and operates as shown in Table 2.Memory Organization16 pages of 8 bytes each,AT24C01A, 1K SERIAL EEPROM: Internally organized withthe 1K requires a 7-bit data word address for random word addressing. AT24C02, 2K SERIAL EEPROM: Internally organized with 32 pages of 8 bytes each, the 2K requires an 8-bit data word address for random word addressing. AT24C04, 4K SERIAL EEPROM: Internally organized with 32 pages of 16 bytes each, the 4K requires a 9-bit data word address for random word addressing. AT24C08A, 8K SERIAL EEPROM: Internally organized with 64 pages of 16 bytes each, the 8K requires a 10-bit data word address for random word addressing. AT24C16A, 16K SERIAL EEPROM: Internally organized with 128 pages of 16 bytes each, the 16K requires an 11-bit data word address for random word addressing.34兰州理工大学毕业设计说明书Device Operationhigh with an externalCLOCK and DATA TRANSITIONS: The SDA pin is normally pulleddevice. Data on the SDA pin may change only during SCL low time periods (see Figure 4 on page 7). Data changes during SCL high periods will indicate a start or stop condition as defined below. START CONDITION: A high-to-low transition of SDA with SCL high is a start condition35兰州理工大学毕业设计说明书which must precede any other command (see Figure 5 on page 8). STOP CONDITION: A low-to-high transition of SDA with SCL high is a stop condition. After a read sequence, the stop command will place the EEPROM in a standby power mode (see Figure 5 on page 8). ACKNOWLEDGE: All addresses and data words are serially transmitted to and from the EEPROM in 8-bit words. The EEPROM sends a zero to acknowledge that it has received each word. This happens during the ninth clock cycle. STANDBY MODE: The AT24C01A/02/04/08A/16A features a low-power standby mode which is enabled: (a) upon power-up and (b) after the receipt of the STOP bit and the completion of any internal operations. MEMORY RESET: After an interruption in protocol, power loss or system reset, any 2 wire part can be reset by following these steps: 1. Clock up to 9 cycles. 2. Look for SDA high in each cycle while SCL is high. 3. Create a start condition.36兰州理工大学毕业设计说明书Device Addressingdevice address wordThe 1K, 2K, 4K, 8K and 16K EEPROM devices all require an 8 -bitfollowing a start condition to enable the chip for a read or write operation (refer to Figure 7). The device address word consists of a mandatory one, zero sequence for the first four most significant bits as shown. This is common to all the EEPROM devices . The next 3 bits are the A2, A1 and A0 device address bits for the 1K/2K EEPROM. These 3 bits must compare to their corresponding hard -wired input pins. The 4K EEPROM only uses the A2 and A1 device address bits with the third bit being a memory page address bit. The two device address bits must compare to their corresponding hard-wired input pins. The A0 pin is no connect. The 8K EEPROM only uses the A2 device address bit with the next 2 bits being for memory page addressing. The A2 bit must compare to its corresponding hard-wired input pin. The A1 and A0 pins are no connect. The 16K does not use any device address bits but instead the 3 bits are used for memory page addressing. These page addressing bits on the 4K, 8K and 16K devices should be considered the most significant bits of the data word address which follows. The A0, A1 and A2 pins are no connect. The eighth bit of the device address is the read/write operation select bit. A read operation is initiated if this bit is high and a write operation is initiated if this bit is low. Upon a compare of the device address, the EEPROM will output a zero. If a compare is not made, the chip will return to a standby state.Write Operationsfollowing theBYTE WRITE: A write operation requires an 8-bit data word addressdevice address word and acknowledgment. Upon receipt of this address, the EEPROM37兰州理工大学毕业设计说明书will again respond with a zero and then clock in the first 8 -bit data word. Following receipt of the 8-bit data word, the EEPROM will output a zero and the addressing device, such as a microcontroller, must terminate the write sequence with a stop condition. At this time the EEPROM enters an internally timed write cycle, t W R , to the nonvolatile memory. All inputs are disabled during this write cycle and the EEPROM will not respond until the write is complete (see Figure 8 on page 11). PAGE WRITE: The 1K/2K EEPROM is capable of an 8-byte page write, and the 4K, 8K and 16K devices are capable of 16-byte page writes. A page write is initiated the same as a byte write, but th e microcontroller does not send a stop condition after the first data word is clocked in. Instead, after the EEPROM acknowledges receipt of the first data word, the microcontroller can transmit up to seven (1K/2K) or fifteen (4K, 8K, 16K) more data words. The EEPROM will respond with a zero after each data word received. The microcontroller must terminate the page write sequence with a stop condition (see Figure 9 on page 11). The data word address lower three (1K/2K) or four (4K, 8K, 16K) bits are internal ly incremented following the receipt of each data word. The higher data word address bits are not incremented, retaining the memory page row location. When the word address, internally generated, reaches the page boundary, the following byte is placed at t he beginning of the same page. If more than eight (1K/2K) or sixteen (4K, 8K, 16K) data words are transmitted to the EEPROM, the data word address will “roll over” and previous data will be overwritten. 10AT24C01A/02/04/08A/16A0180VCSEEPRC8/05ACKNOWLEDGE POLLING: Once the internally timed write cycle has started and the EEPROM inputs are disabled, acknowledge polling can be initiated. This involves sending a start condition followed by the device address word. The read/write bit is representative of the operation desired. Only if the internal write cycle has completed will the EEPROM respond with a zero allowing the read or write sequence to continue.Read OperationsRead operations are initiated the same way as write operations with the exception that th e read/write select bit in the device address word is set to one. There are three read operations: current address read, random address read and sequential read. CURRENT ADDRESS READ: The internal data word address counter maintains the last address accessed during the last read or write operation, incremented by one. This address stays valid between operations as long as the chip power is maintained. The address “roll over” during read is from the last byte of the last memory page to the first byte of the first page. The address “roll over” during write is from the last byte of the current page to the first byte of38兰州理工大学毕业设计说明书the same page. Once the device address with the read/write select bit set to one is clocked in and acknowledged by the EEPROM, the current address data word is serially clocked out. The microcontroller does not respond with an input zero but does generate a following stop condition (see Figure 10 on page 12). RANDOM READ: A random read requires a “dummy” byte write sequence to load in the data word address. Once the device address word and data word address are clocked in and acknowledged by the EEPROM, the microcontroller must generate another start condition. The microcontroller now initiates a current address read by sending a device address wit h the read/write select bit high. The EEPROM acknowledges the device address and serially clocks out the data word. The microcontroller does not respond with a zero but does generate a following stop condition (see Figure 11 on page 12). SEQUENTIAL READ: Sequential reads are initiated by either a current address read or a random address read. After the microcontroller receives a data word, it responds with an acknowledge. As long as the EE