題t目：基于單片機(jī)的通用智能測控系統(tǒng)--下位機(jī)部分(專業(yè)版)

　　

【正文】 兩路輸入信號中一路信號 (熱工儀表輸出的控制信號 )為標(biāo)準(zhǔn)的大電流信號 (4~20mA)，經(jīng) I/V轉(zhuǎn)換器 (精密電阻 )轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號后送入 A/D 轉(zhuǎn)換器，通過內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 26 A/D 變換后送入單片機(jī)；另一路信號為 +5V的模擬信號，也送入 A/D 轉(zhuǎn)換器，通過 A/D變換后送入單片機(jī)。 由硬件連接圖所示， X25045 芯片內(nèi)包含有一個(gè)看門狗定時(shí)器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間。原理圖如圖 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 22 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 18 J un 2 00 8 S he e t o f F i l e : C : \ D o c um e nt s a n d S e tt i ng s \ A d m i ni s t r a t or \桌面 \ M yD e s i g bD r a w n B y :I C 1R5R6R3R4V+VI n+I nR1R2WYR8 R9R 11W R 3W R 2R 10V++I C 2 V o utW R 1V1V2 圖 由運(yùn)放和電阻等組成的 I/V轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換原理：由熱工儀表送來的 0～ 10mA 或 4～ 20mA 的電流信號經(jīng) R1 電阻將其轉(zhuǎn)換為 0～ 5V或 1～ 5V， 為了使 Vout 能輸出正向信號，前邊加了一級反向比例放大電路 (即IC1 部分 )，同時(shí)也具有阻抗變換等作用 ，第二級是一個(gè)加法器， 它的作用是當(dāng)變送器送來的是 4～ 20mA 電流信號時(shí)，第一級放大電路輸出為 1～ 5V，而不是 0～ 5V，為了使1～ 5V變成 0～ 5V，而加了第二級的加法器調(diào)解 WR2 電位器使 V2 端電壓為 1V，經(jīng) 過調(diào)解加法器的 WR3 電位器 (即放大倍數(shù) )即可使輸出為 0～ 5V。 G 端控制鎖存器的狀態(tài)，當(dāng) G 為高電平時(shí)，鎖存器輸出（ 1Q～ 8Q）狀態(tài)和輸入端（ 1D～ 8D）狀態(tài)相同； G 端從高電平返回低電平（下降沿）時(shí)，輸入端（ 1D～ 8D）的數(shù)據(jù)鎖入 1Q～ 8Q 中。為了降低成本，某些 D/A 轉(zhuǎn)換器只包含解碼網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)陣列。 如表 所示 ， P3 口同時(shí)為閃爍編程內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 14 和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。當(dāng) P0 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 3. 要考慮和檢測部件、控制部件等外部部件的連接方便、工作可靠。這兩組電源的地應(yīng)分別接數(shù)字地和模擬地，并要注意這兩組電源的變壓器繞組之間應(yīng)具有良好的絕緣和良好的靜電隔離。 數(shù)據(jù)輸出模塊 數(shù)據(jù)輸出模塊 的 設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)通過 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器和 V/I變換電路輸出控制信號去控制現(xiàn)場 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 。 本設(shè)計(jì)主要是結(jié)合單片機(jī)的應(yīng)用 ， 單片機(jī)采用美國 ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C51，串口通信模塊選擇 RS485總線， A/D轉(zhuǎn)換器選擇 TLC0832， D/A轉(zhuǎn)換器選擇 DAC0832，同時(shí)還包括 I/V變換電路、 V/I變換電路和光電耦合器，將這些元件通過外圍電路連接起來實(shí)現(xiàn)模擬量和開關(guān)量的采集和輸出。自 20世紀(jì) 90年代以來，國際航天技術(shù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 2 出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的局面，首先是載人航天第二次高潮的興起，世界各航天大國均爭相發(fā)展自己的載人航天技術(shù)，以求開發(fā)宇宙資源并顯示大國的實(shí)力和軍力；其次是重返月球，再回去開發(fā)那些曾被忽視了的月球資源，并占領(lǐng)月球領(lǐng)地；第三是火星著陸，這已成為震動 1997年的國際十大科 技新聞之一；第四是人造衛(wèi)星大規(guī)模地進(jìn)入了應(yīng)用衛(wèi)星時(shí)代，為了拓寬衛(wèi)星應(yīng)用的領(lǐng)域，從而促進(jìn)了小衛(wèi)星蓬蓬勃勃地發(fā)展。 該系統(tǒng)硬件部分詳細(xì)論述了由 AT89C51 系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的智能測控系統(tǒng)，采用光電耦合器件、 TLC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 I/V 變換電路等部件實(shí)現(xiàn)前向通道數(shù)據(jù)采集功能以及采用 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器和 VI 變換電路實(shí)現(xiàn)后向通道數(shù)據(jù)的輸出功能，同時(shí)該系統(tǒng)采用了 RS485 總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信。 前者利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，只需通過軟件編程就可以實(shí)現(xiàn) 對數(shù)據(jù)的采集 ，具有性價(jià)比高、接口電路 簡單 等優(yōu) 點(diǎn)，但時(shí)間控制精度受到晶振頻率和所選擇的數(shù)據(jù)傳輸方式等方面的影響，從而導(dǎo)致精度不高；而后者是利用 光電耦合器的去除干擾等特點(diǎn) ，它具 有 使用靈活 和 誤差較小等優(yōu)點(diǎn)。在發(fā)展 MCU 方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù) Philips 公司。 系統(tǒng)組成 數(shù)據(jù)采集模塊 本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集主要包括模擬量的采集和開關(guān)量的采集。 2. 在使用 轉(zhuǎn)換器時(shí)，要考慮的因素有： 1) 溫度系數(shù)（ Temperature Coefficient）： A/D、 D/A 內(nèi)部元件的溫度系數(shù)將產(chǎn)生或增加某些誤差。 可靠性設(shè)計(jì) 任何產(chǎn)品的開發(fā)最終都應(yīng)用于現(xiàn)場，現(xiàn)場的環(huán)境不如實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定可靠，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意現(xiàn)場環(huán)境，如溫度，噪音，振動，灰塵等因素，可靠性設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品可靠性的重要手段，而可靠性保障技術(shù)是長期總結(jié)的一套提高可靠性的具體方法。只要程序長度小于 4k，四個(gè) I/O 口全部提供給用戶。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。而當(dāng) DO 脫離高阻狀態(tài)時(shí)，可提供一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間間隔的前導(dǎo)低電平，以使多路器穩(wěn)定。 (2) 單緩沖與直通方式 在不需要雙緩沖的場合，為了提高數(shù)據(jù)通過率，可采用這兩種方式。 74LS373 作為擴(kuò)展 I/O 使用，既可以作為輸入口，也可 以作為輸出口。它帶來的最大壞處是 V2端的值不是穩(wěn)定的+1V， 為了使系統(tǒng)檢測值比較精確 ， 總得調(diào)整 WR2。就其硬件處理方法不外乎兩類：其一是選用帶有隔離作用的專用集成芯片，但其價(jià)格就目前看昂貴，不利于推廣應(yīng)用；其二就是采用各種光電耦合器件，將現(xiàn)場信息通過電─光─電方式與控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，進(jìn)而達(dá)到抑制干擾的一種簡便易行的隔離方法。 電路如圖 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 27 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 0 J u n 2 0 08 S he e t o f F i l e : C : \ D o c u m e n t s a n d S e t t i n gs \ A d m i n i s t r a t o r \桌面 \ M y D e s i g n .d dbD r a w n B y:+_+△ ∞NR1R2R5R4R3R7RLR6V1N P NV2N P NUiUb+EIo 圖 V/I 變換電路 分析如下： 利用疊加原理，可求出在 iu ， bu ，及輸出電流 oI 作用下，運(yùn)算放大器 N 的 同相及反相輸入。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 0 J u n 2 0 08 S he e t o f F i l e : C : \ D o c u m e n t s a n d S e t t i n gs \ A d m i n i s t r a t o r \桌面 \新建文件夾 \ M y D e s i g n .d dbD r a w n B y:C1123ANDC2R4R6R5V C CS1V C C8R E S E T7S C K6SI5CS1SO2WP3V S S4V5X 2 40 4 5P 1. 6P 1. 5P 1. 7P 1. 4P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T / V P D9P 3. 0 / R x D10P 3. 1 / T xD11P 3. 2 / I N T 012P 3. 3 / I N T 113P 3. 4 / T 014P 3. 5 / T 115P 3. 6 / W R16P 3. 7 / R D17X T A L 218X T A L 119GND20P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P S E N29A L E / P R O G30E A / V p p31P 0. 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039V C C40I C 28 9C 5 1V C CV C C1 0K2 0μ F1 0K1K0 .1 μ F 圖 復(fù)位電路及看門狗 開關(guān)量光隔離電路 工業(yè)生產(chǎn)過程中各種干擾來自電源、強(qiáng)電、磁場等居多。如果這里的精度不夠 ， 那么后面的轉(zhuǎn)換精度也無從說起。 74LS373 作為擴(kuò)展 I/O 使用 ： 74LS373 作為擴(kuò)展 I/O 使用時(shí)，把它看作外部數(shù)據(jù)存儲器的一個(gè)單元，和外部數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，可以對其進(jìn)行讀寫操作。即數(shù)據(jù)在進(jìn)入倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)之前，必須經(jīng)過兩個(gè)獨(dú)立控制的寄存器。CS 在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中必須置為低電平，接 著從處理器接受一個(gè)時(shí)鐘。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。它與 MCA51 系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒有的功能。 2) 該芯片為電流輸出型 D/A 轉(zhuǎn)換器件，要獲得模擬電壓輸出時(shí)，需外加轉(zhuǎn)換電路。 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì) 1. 在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器時(shí)，要考慮的因素有： 1) 穩(wěn)定時(shí)間（ Setting Time）： D/A 從輸入數(shù)字碼發(fā)生變動到輸出穩(wěn)定的電壓值所占的時(shí)間，或稱置位時(shí)間。單片機(jī) AT89C51控制串口通信模塊主要是通過串口中斷指令實(shí)現(xiàn)的。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展 MCU 的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。 Measurement and control system。該系統(tǒng)能夠應(yīng)用于一般工業(yè)測控要求的場合，系統(tǒng)具有低耗能、結(jié)構(gòu)簡單、 可靠性高、速度快、連接方便 等特點(diǎn)。 單片機(jī)的技術(shù)發(fā)展史 單片機(jī)誕生于 20 世紀(jì) 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SOC 三大階段。其中電流信號須經(jīng)過 I/V變換電路，將其變換成 0～ 5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號然后再經(jīng)過 TLC0832轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這樣單片機(jī)才能采集。 在單片機(jī)內(nèi)部利用軟件實(shí)現(xiàn)串口通信 、 模擬量和數(shù)字量的采集以及輸出。例如： 1) 外部時(shí)鐘的時(shí) 鐘頻率 （ Clock Rate） ： 每種 A/D 轉(zhuǎn)換器都要求一定范圍的時(shí)鐘頻率。 5. 考慮硬件結(jié)構(gòu)有一定的靈活性和可擴(kuò)充性。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 電源及時(shí)鐘： VCC、 VSS； XTAL XTAL2。電子開關(guān)陣列與 D/A 轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制位相 對應(yīng)，每閉合一個(gè)電子開關(guān)，就增加一個(gè)二進(jìn)制權(quán)電流（或電壓）增量，并加到輸出求和總線上。 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA2D a t e : 2 4 J u n 2 0 08 S he e t o f F i l e : C : \ D o c u m e n t s a n d S e t t i n gs \ A d m i n i s t r a t o r \桌面 \新建文件夾 ( 2 ) \ P R E V I O ~ 1 D BD r a w n B y:1Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19OE11D32D43D74D85D136D147D178D18LE11U27 4L S 3 73 圖 74LS373 引腳 其中： ? 1D～ 8D 為數(shù)據(jù)輸入端 ? 1Q～ 8Q 為數(shù)據(jù)輸出端 ? E 為輸出控制端，當(dāng) E