基于新型单片机计时计费系统设计毕业设计论文.docx
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基于新型单片机计时计费系统设计毕业设计论文
基于新型单片机计时计费系统设计
本设计首先介绍了系统的设计方案思路与原理图,进而阐明了设计电话计时计费系统的意义。
文章采用分块模式,对整个系统的硬件与软件设计进行分析,其中硬件部分着重介绍了电源电路,单片机80C31控制芯片及其外围电路,专用键盘/显示器接口芯片8155,实时时钟日历芯片DMF5001等,软件部分就针对一些具体模块进行编程
关键词:
电子,单片机,数码显示,单片机,电话计费
Abstract
Thedesignfirstintroducedthesystemofideasanddesignschematics,designfurtherclarifythemeaningofthetelephonebillingsystem.Thearticlebyblockmodeloftheentiresystemofhardwareandsoftwaredesignanalysis,whichfocusedonthehardwarepartofthepowercircuit,theMCU80C31chipanditsperipheralcircuits,specialkeyboard/displayinterfacechip8155,real-timeclockchipDMF5001calendar,Onthepartofsoftwaremodulesforspecificprogramming.MCUsystemasawholebymeansofcommunication,thepaperalsointroducedamicrocontrollerinterfacewiththecontroller,aswellasthecommunicationbetweenthesystem'sboardPCBproduction,installationandcommissioningoftherelevantcontent.
Keyword:
electronics,calculation,figuresshowing,MCU,telephonebillingenquiries
前言
目前,随着通信事业的发展及人们生活水平的提高,手机、小灵通各种先进的通信设备纷纷涌现,并愈来愈普及。
但固定电话面对如此冲击,并未退出历史舞台,而因其信号强的固有优势,走进了各家各户。
伴随随着现代化通信技术的发展人们越来越迫切需要一种实用而价廉的自动计时计费装置,它能规范管理电话和传真机的计时费,并且能在掉电时保存数据,防止他入滥用电话和传真机的计时计费,保护所有者和使用者的合法权益。
为此,我试验性的设计了这种以单片机为核心的新型单片机计时计费系统。
该电话计费器采用80C31单片机控制,可实现国际长途电话(IDD)、国内长途电话(DDD)、市内电话、农村电话、本地网电话及特殊服务电话(如移动电话、168等)等的自动计时、计费,能适用于脉冲和双音频电话机。
计费器可同时进行双路计费(即一只计费器用于二只电话机的计费),并具有停电能继续工作8小时以上的功能(利用计费器内的充电干电池)。
本文就是针对这一现状,具体介绍了基于Intel80C31单片机的电话计费器的设计及其工作原理,并简单穿插了该计费器的使用及可完成的功能。
该计费器具有如下特点:
(1)能实现电话机基本的计时计费功能;
(2)在非计费时,能作为电子时钟;
(3)具有停电后的继续工作能力;
(4)能实现一只电话以上的计费。
软件部分采用C语言进行程序设计,运算速度快,编译效率高,有良好的可移植性,而且可直接实现对系统硬件的控制。
第一章电话计时计费系统的总体设计思路
在第一章中,我们将对电话计时计费系统的总体设计及其主要的功能特点进行简单的分析,并概括出它的特点、实现的功能以及系统的简单操作,以促进对单片机及其控制系统的了解。
1.1计算机电子技术发展的概述与系统问题的提出
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展,单片机的发展正朝着CMOS化,低功耗,小体积,大容量,高性能,低价格和外围电路的内装化等几个方面发展。
近几年,由于某种原因CHMOS技术的进步,大大地促进了单片机的CMOS化,此种芯片除了低功耗外,还具有功耗的可控性,使单片机可以工作在功耗精细管理状态,并且单片机一般采用精简指令集结构和流水线技术,可以大幅度提高运行速度,提升信息处理功能,中断和定时控制功能,在一般上还具有串行扩展技术,随着低价位OTP及各种类型片内程序存储器的发展,加之外围接口不断进入片内,特别是IIC,API等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化。
这就引导我们利用单片机来实现电话计费器来实现电话计费的可靠与便捷。
随着电子技术的迅速发展,计算机已深入地渗透到我们的生活中,就51系列而言,由于Intel公司将其内核使用权以专利互换或出售的形式转给世界许多著名IC制造商,随着计算机技术的不断发展,在工业测量控制领域内单片机的应用越来越广泛。
同时,随着超大规模集成电路工艺和集成制造技术的不断完善,单片机的硬件集成度也不断提高,已经出现了能满足各种不同需求、具有各种特殊功能的单片机,这类单片机具有集成度高、性能价格比优越、货源充足等优点,在工业测量领域内获得了极为广泛的应用价值。
目前,随着通信事业的发展及人们生活水平的提高,手机、小灵通各种先进的通信设备纷纷涌现,并愈来愈普及。
但固定电话面对如此冲击,并未退出历史舞台,而因其信号强的固有优势,走进了各家各户。
电话机用户数以亿计,计费依据来自电信局交换机给出的清单。
清单方式是准确的,但电话机用户并不能及时方便地看到费用清单。
各类卡式电话机可以实时显示计费,但却不宜进入家庭。
各种常见的LED公用电话计费器,则不能较好适应有时会发生变化的电话费率。
如果能向家庭内的电表、水表、气表一样,能有一款家庭型的电话计时计费器,将会给人们的生活带来许多方便。
用户可以在打完一次电话后方便地查看话单信息及一段时间内的话费累计总额。
为了加强技术创新力度,要为产品市场定位。
这是电话计时计费行业发展的基础,未来此行业所面临的将不但是国内企业之间的竞争,更重要的是如何应对世界经济洪流的冲击。
加入WTO后我们的电话计费器市场将由向以国内市场为主,转变为以国际市场为主。
目前多数生产企业对国际需求尤其是中高档电话计费器的需求了解不深,在通过各种手段加以了解。
国外的精品店、大卖场、大超市和大批发市场都有特定的消费人群,应根据不同的类别,针对不同的消费层次,正确区分高中低档次,开发适销品,畅销品,做到有的放矢。
电话计费器是集计算机技术、电子技术、智能计费技术为一体的机电一体化高科技产品,具有可靠性高,使用方便等优点。
电话计费器由于其自身的优势,必将为社会所接受。
其利润也是很可观,且国内市场广阔,很有开发生产价值。
其特点是:
可自动识别所拨号码,实现自动计费;可自动实现全价和折价的转换;计费准确,可方便地查询话单信息;具有可配置性,可通过按键重新设置时间、日期、费率等参数;成本低,功耗小。
电话计费器具有很高的便利性、可靠性,应用日益广泛。
1.2方案的设计思路与原理方框图
本文具体介绍了怎样利用51单片机设计和实现一款低成本的可配置性的单路电话计费器。
其可配置性保证了该计费器可适应电信局费率的调整而重新设置计费参数,并可调整计时以与当前时间日期相吻合。
1.2.1电话计时计费系统设计思路
电话计时计费系统有四种工作状态:
1.能够实现电话机的计时计费功能;2.在非计时,能够作为电子钟;3.具有停电后的继续工作能力;4.能实现一只电话以上的计费。
工作于以上四种状态,循环体中用if条件语句判断是哪个状态的条件发生,则进入该状态的执行语句中。
主程序开始时先进行一些初始化,如8155的初始化:
清除显示器RAM、FIFORAM,设置键盘、显示方式以及时钟分频使8279工作于100KHZ的最佳状态;DMF5001时钟芯片的初始化:
时标置初值,并启动芯片开始工作;定时器/计数器0,1初始化:
置计数初值,设置T/C0和T/C1的工作方式。
开中断后便进入循环体。
1.2.2原理方框图
该系统主要由80C31单片机、费率表、话单打印、键盘、状态显示,时钟,话单储存,串行口,其结构框图如图1.1所示。
图1.1
1.3电话计时计费系统的主要特点
利用Intel公司的80C31单片机设计和实现一款低成本的可配置性的单路电话计费器。
其可配置性保证了该计费器可适应电信局费率的调整而重新设置计费参数,并可调整计时以与当前时间日期相吻合。
该计费器具有如下特点:
(1)能实现电话机基本的计时计费功能;
(2)在非计费时,能作为电子时钟;
(3)具有停电后的继续工作能力;
(4)能实现一只电话以上的计费。
第二章具体的功能要求,设计指标以及方案论证
2.1电话计时计费系统的功能要求
随着现代化通信技术的发展,电话机和传真机已进入办公室和千家万户。
人们越来越迫切需要一种实用而价廉的自动计时计费装置,它能规范管理电话和传真机的计时费,并且能在掉电时保存数据,防止他入滥用电话和传真机的计时计费,保护所有者和使用者的合法权益。
为此,我试验性的设计了这种以单片机为核心的新型单片机计时计费系统。
该电话计费器采用80C31单片机控制,可实现国际长途电话(IDD)、国内长途电话(DDD)、市内电话、农村电话、本地网电话及特殊服务电话(如移动电话、168等)等的自动计时、计费,能适用于脉冲和双音频电话机。
计费器可同时进行双路计费(即一只计费器用于二只电话机的计费),并具有停电能继续工作8小时以上的功能(利用计费器内的充电干电池)。
2.2电话计时计费系统的设计指标
(1)能实现电话机基本的计时计费功能;
(2)在非计费时,能作为电子时钟;
(3)具有停电后的继续工作能力;
(4)能实现一只电话以上的计费。
2.3电话计时计费系统的方案论证
随着我国通信事业的发展,国内国际长途电话业务的开展越来越广泛,对电话机费的管理相应的提出了许多要求。
国内现有的大型程控交换机本身就具有计费功能;而一些小型的用户交换机,或仅能提供简单的计费功能,或不具备这一能力,因而很不适应日益增长的社会需求,在这种情况下,各种型号的电话计费器应运而生,蓬勃发展起来。
电话计费器结构如图2.1所示。
图2.1
电话计费器一般按电气性能一般分为适于安装在交换机中的用户交换机计费器,安装在外线电路上的外线电路计费器和智能密码电话计费系统。
1.用户交换机电话计费器:
主要功能有:
显示功能,能实时显示个话机的使用情况,一般可显示线路号,主叫号,被叫号,被叫地区,通话开始时间,通话终止时间,通话时长,话费等信息;计费功能,能根据通话使用的话路权限选择相应的费率进行计费,有半价,全价,附加费等;存储功能,实时存储所有计费话单;查询打印功能,可根据用户要求查询打印出电话的使用及费用情况;费率管理,可增加,修改费率等。
2.外线电路计费器
外线电路计费器除了具有用户交换机电话计费器的全部功能外,还能进行话机监听,话机控制等。
此类计费器按照服务对象可进一步分为:
单双路直拨电话计费器,是用于公共电话亭,长途代办处;长话营业厅用电话计费器,具有磁卡电话的某些特点,对每个电话进行自动计费;多路外线电话计费器,一般有4路,16路,20路,24路,32路,48路,64路和96路。
3.智能密码电话计费系统
此计费方式可以有效的防治盗打电话,其余功能同上。
2.3.1基于NIOS软核CPU技术的多路电话计费系统
电话计费系统采用Altera公司的Cyclone芯片,结合NIOS软核嵌入式CPU来设计开发。
在此Cyclone芯片上,除串口、键盘等接口外,将实时显示部分也集成进去,同时通过标准的I/0口外接了1片cMX868的Modem芯片来实现远端拨号功能,最大限度地使用了Cyclone芯片的资源。
该设备的主要功能有:
话机状态实时显示;实时计费,自动结算;免费、禁打等电话设置;押金控制功能;详尽的话单查询及统计功能;远程实时管理功能,网管中心可通过Modem对计费器进行费率更新等实时管理操作。
设备的实时显示部分,准备在Cyclone芯片中做出一个显示逻辑,通过普通的AV端外接一个监视器或小电视,显示各路话机的当前状态;计费结算、免费、禁打的设置、押金控制、话单查询及统计等功能在软件流程设计中给予充分考虑;远程实时管理部分,采用CMX868调制解调器芯片编程实现,拨号与远端的Modem互联,通过电话线进行费率的下载与更新。
Cyclone芯片结构如下图所示(图2.2)。
图2.2Cyclone芯片内部结构
2.3.2基于微机与交换机的电话计费系统
该电话计费系统具有以下功能:
1.根据通话距离的远近和通话时间的长短进行计次计费;
2.每月末或需要时可打印出全部或部分用户的话费表;
3.可随时查询任一用户的累积通话次数;
4.可超次报警(即一次通话累计超过256次,能自动报警,并显示出超次电话号码);
5.当用户与电话局发生争议时,可在约定时间内对通话时间和次数进行核对;
6.便于对用户电话号码及其类别进行更动;
7.对节假日和晚8点到次日早8点的通话,可设置半费;
8.软硬件技术结合对系统进行故障定位。
该计费系统框图如下图所示(图2.3):
图2.3系统框图
2.3.3基于80C31单片机可编程电话计费器
该电话具有很高的性价比,对我们来说便于实现。
其采用80C31单片机控制,可实现国际长途电话(IDD)、国内长途(DDD)、市内电话、农村电话、本地网电话及特殊服务电话(如移动电话、168等)等的自动计时、计费,能适用于脉冲和双音频电话机。
计费器可同时进行双路计费(即一只计费器用于二只电话机的计费),并具有停电能继续工作8小时以上的功能(利用计费器内的充电干电池)。
第三章控制系统的硬件设计
为使装配流水线控制系统能够具有更好的实用性,并且具有更高的性能,需对该系统的硬件进行精心的设计。
该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。
按实现的功能来分,可分为以下几个部分。
其中,51单片机是整个电路的核心,它控制其他模块来完成各种复杂的操作。
3.1中央控制器——Intel80C31单片机
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计算机,这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。
3.2.180C31单片机的特点
80C31单片机是MCS-51系列单片机的一个产品。
MCS-51系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机。
80C31单片机是HMOS工艺的,它的片内程序存储器ROM为掩膜型的,在制造芯片是已将应用程序固化进去,使它具有了某种专用功能。
其特点如下:
·数据存储器(RAM):
片内为128个字节(单元),片外最多可外扩至64K字节。
·程序存储器(ROM):
片内为4K字节,片外最多可外扩至64K字节。
·中断系统:
及有5个中断源,2级中断优先权。
·定时器/计数器:
2个16位的定时器/计数器,具有四种工作方式。
·串行口:
1个全双工的串行口,具有四种工作方式。
·并行口:
4个8位并行I/O口,即P0口、P1口、P2口、P3口。
·特殊功能寄存器(SFR):
共有21个,用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。
实际上是一些控制寄存器和状态寄存器,是一个特殊功能的RAM区。
·位处理器(CPU):
为8位的CPU,且内含一个1位CPU(位处理器)不仅可处理字节数据,还可进行位变量的处理。
·片内振荡器及时钟电路。
·具有布尔代数的运算能力。
3.2.280C31单片机的功能描述
80C31单片机,它是8位高性能单片机。
属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,标准MCS-51单片机的体系结构和指令系统。
80C31内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
但80C31片内并无程序存储器,需外接ROM。
此外,80C31还可工作于低功耗模式,可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下,保存RAM数据,时钟振荡停止,同时停止芯片内其它功能。
80C31有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。
3.2.380C31单片机的管角说明
8031芯片具有40根引脚,其引脚图如图所示:
80C31管脚图
40根引脚按其功能可分为四类:
1.电源线2根
Vcc:
编程和正常操作时的电源电压,接+5V。
Vss:
地电平。
2.晶振:
2根
XTAL1:
振荡器的反相放大器输入。
使用外部震荡器是必须接地。
XTAL2:
振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。
当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。
3.I/O口共有p0、p1、p2、p3四个8位口,32根I/O线,其功能如下:
1)P0.0~P0.7(AD0~AD7)
是I/O端口O的引脚,端口O是一个8位漏极开路的双向I/O端口。
在存取外部存储器时,该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口。
(在此时内部上拉电阻有效)
2)P1.0~P1.7
端口1的引脚,是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道,专供用户使用。
3)P2.0~P2.7(A8~A15)
端口2的引脚。
端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,在访问外部存储器时,它输出高8位地址A8~A15
4)P3.0~P3.7
端口3的引脚。
端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口,该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。
作为第一功能使用时,口的结构与操作与P1口完全相同,第二功能如下示:
口引脚第二功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2(外部中断)
P3.3(外部中断)
P3.4T0(定时器0外部输入)
P3.5T1(定时器1外部输入)
P3.6(外部数据存储器写选通)
P3.7(外部数据存储器读选通)
3.2专用键盘8155/显示器DMF5001
3.2.18155各引脚功能说明
8155图
RST:
复位信号输入端,高电平有效。
复位后,3个I/O口均为输入方式。
AD0~AD7:
三态的地址/数据总线。
与单片机的低8位地址/数据总线(P0口)相连。
单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。
RD:
读选通信号,控制对8155的读操作,低电平有效。
WR:
写选通信号,控制对8155的写操作,低电平有效。
CE:
片选信号线,低电平有效。
IO/M:
8155的RAM存储器或I/O口选择线。
当IO/M=0时,则选择8155的片内RAM,AD0~AD7上地址为8155中RAM单元的地址(00H~FFH);当IO/M=1时,选择8155的I/O口,AD0~AD7上的地址为8155I/O口的地址。
ALE:
地址锁存信号。
8155内部设有地址锁存器,在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及,IO/的状态都锁存到8155内部锁存器。
因此,P0口输出的低8位地址信号不需外接锁存器。
PA0~PA7:
8位通用I/O口,其输入、输出的流向可由程序控制。
PB0~PB7:
8位通用I/O口,功能同A口。
PC0~PC5:
有两个作用,既可作为通用的I/O口,也可作为PA口和PB口的控制信号线,这些可通过程序控制。
TIMERIN:
定时/计数器脉冲输入端。
TIMEROUT:
定时/计数器输出端。
VCC:
+5V电源。
3.3.2DMF5001的硬件结构及接口
图1为DMF5001的内部电路框图。
它由一片160×128点的单屏结构液晶显示器NRD7353、两片行驱动器T6961B、两片列驱动器T7778A、一片控制器T6963C及8k的RAM和相关配套电路组成。
由图1可以看出,外部电路与DMF5001的接口实际上就是与控制器T6963C的接口。
它通过执行T6963C的内部命令来控制8kRAM的读写和显示板的显示。
DMF5001的接口引线如图1所示。
其中,D0-D7为双向数据总线,WR和RD为读写控制线,CE为片选信号,C/D为命令/数据控制线。
C/D控制信号可与WR、RD控制信号配合工作。
当C/D=1时,系统将认为向T6963C写入的8位数据是命令,而从T6963C读出的8位数据则认为是当前T6963C的内部工作状态;当C/D=0时,系统的写入和读出均为显示数据。
HALT为功耗控制端,当HALT=1时为正常工作,HALT=0时,为低功耗状态。
该电路选择的是+5V(Vcc)工作电源,液晶显示板的电源VEE为-20V。
DMF5001的显示对比度控制电压为Vadj=0-VEE。
DMF×××可以与8051系统直接接口。
其实际接口电路如图2所示。
其中,74LS138的地址译码输出信号Y6可作为DMF5001的CS控制信号,地址范围为C000H-DFFFH。
同时,74LS373输出的地址线A0应接到DMF5001的C/D控制端。
因此,向DMF5001写
3.4复位电路的设计
3.4.1单片机复位电路基本原理及特点
在51系列单片机中,在振荡器运行时,RST引脚上保持到少两个机器周期的高电平输入信号,复位过程即可完成。
为响应这一不定期程,CPU发出内部复位信号。
内部复位操作是在发现RST为高电平后的第二个周期进行的,并且此后每个周期都重复进行复位操作,直到RST变成低电平为止。
针对复位电路对时间的需要,我们对上电复位电路进行精心设计。
一般来讲,Vcc电源的上升时间不超过1ms,片内振荡器启动时间在10ms之内。
在这种情况下,把RST引脚通10uF电容接到Vcc并同时经过10K电阻和地相连,就可获得上电自动复位的结果。
其具体的复位电路如图3.1所示:
图3.1复位电路图
接通电源后,Vcc便对电容通过电阻进行充电。
RST脚的电压等于Vcc与电容两端电压之差。
在充电过程中,随着电容电压逐步趋于Vcc,RST引脚上之电压最终将接近于0。
此过渡过程之长短取决于电阻和电容值的大小。
10uF电容足可使RST脚上的电压在振荡器启振后尚有两个机器周期以上的时间保持高于施密特触发器的低门槛电平,从而使整个复位过程得以完成。
3.5时钟电路的设计与工作原理分析
3.5.1振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.5.2时钟电路的设计
8031/80C31单片机的时
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