題t目：基于單片機的通用智能測控系統--下位機部分(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 用軟件實現串口通信 、 模擬量和數字量的采集以及輸出。 1. 在正常情況下，即 A/D 轉換器通道 CH0 的值大于通道 CH1 的值時單片機執行串口 寫 操作，經過軟件處理后將數字量經過 RS485 總線傳送到上位系統中去。 2. 在非正常情況下，即 A/D 轉換器通道 CH0 的值大于通道 CH1 的值時 啟動報警系統，此時 單片機執行開關量采集操作 ， 并輸出開關量去控制現場執行機構。 這種將程序固化在單片機微處理器中， 既降低了成本又提高了運行速度及工藝精度，同時為了實現工業自動化的信息化網絡化，利用單片機的中斷通訊功能，同樣用軟件去實現上位機與下位機的通訊功能。 為了實現控制參數的實時性和有效性，用報警裝置來控制。 轉換器設計 1. 在設計轉換器時，要考慮的因素有： 1) 穩定時間（ Setting Time）： D/A 從輸入數字碼發生變動到輸出穩定的電壓值所占的時間，或稱置位時間。 2) 擺動時間 （ Slew Time） ： D/A 的輔助放大器改變輸出電壓所需要的時間。 2. 在使用 轉換器時，要考慮的因素有： 1) 溫度系數（ Temperature Coefficient）： A/D、 D/A 內部元件的溫度系數將產生或增加某些誤差。例如放大器、比較器輸出電壓、電流因溫度變化發生偏移時，內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文） 7 將影響轉換器零誤差。電阻網絡、電流開關的溫度系數將影響轉換器的線性誤差等。所以，要注意轉換器工作環境溫度變化對各種技術性能的影響，說明書里給的技術性能指標一般是在 25℃工作環境溫度下測定的，如果工作環境溫度不是 25℃，并且相差甚大，則實際技術性能指標會有變化。 2) 元件老化（ Components Agieg）： A/D、 D/A 中的元件老化將產生技術性能指標的偏移，和溫度系數的影響一樣，將使零點誤差、線性誤差、滿量程誤差等發生變化。 3) 電源干擾（ Supply Rejection）：當電源電壓發生變動時，也會影響轉換器的技術性能指標。同時模數轉換器需要幾組電源電壓，一般來說 +5V 是供數字部分使用的， +15V是供模擬部分使用的。這兩組電源的地應分別接數字地和模擬地，并要注意這兩組電源的變壓器繞組之間應具有良好的絕緣和良好的靜電隔離。 3. 使用轉換器時，還要注意和外部線路的合理配接，不然也會影響轉換器的技術性能指標。例如： 1) 外部時鐘的時 鐘頻率 （ Clock Rate） ： 每種 A/D 轉換器都要求一定范圍的時鐘頻率。要按其規定配接外部時鐘電路，保證合適的時鐘頻率，不然將影響 A/D 的轉換時間甚至精確度。 2) A/D 的輸入阻抗 （ Input Impedance） 。 3) D/A 及 A/D 的輸出帶負載能力 （ Output Drive Capability） 。 4. 另外 DAC0832 數模轉換器設計時應考慮的因素還有： 1) 內部無參考電壓 ,需外部參考電源電路。 2) 該芯片為電流輸出型 D/A 轉換器件，要獲得模擬電壓輸出時，需外加轉換電路。 3) 當該芯片與單片機連接時，為保證正常工作， 有兩個重要的時鐘關系必須考慮：第一，最小的 WR 存儲脈沖寬度 .對于全部有效工作的電源電壓和溫度，它都被內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文） 8 定義為 500ns，但若 Vcc=15V，典型的脈沖寬度只有 100ns；第二，要保證 90ns的最小數據保持時間或誤差數據被鎖存的時間。 可靠性設計 任何產品的開發最終都應用于現場，現場的環境不如實驗室穩定可靠，因此設計時應注意現場環境，如溫度，噪音，振動，灰塵等因素，可靠性設計是提高產品可靠性的重要手段，而可靠性保障技術是長期總結的一套提高可靠性的具體方法。 要注意簡化電路結構 必須使電路盡量簡化，即“越簡單越可 靠”性工程的重要定理，“簡單”在產品中表現為電路簡單和元器件少，這就要求使用盡量功能多、性能好的元器件。 采用成熟技術和通用器件 成熟技術和通用技術器件意味著經過了長期的可靠性再增長過程，具有較完整的可靠性有關數據，使研制產品的可靠性有了基本保證。 成本設計 功能不是越多越好，只要能達到控制目的即可，否則只追求功能的多樣化將導致軟件和硬件成本的大大提高，考慮可靠性及抑制干擾方面去選擇性價比高的器件，同時也要注意工藝上的要求，設計要符合現行的工藝生產能力，對工藝生產過高，將導致成本升高。 內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文） 9 第四章 系統硬件設計 不同系統中的智能儀表的硬件結構有所不同。設計智能儀表硬件結構時要注意以下幾點： 1. 在滿足儀表功能要求、工作可靠的前提下，盡量簡化智能儀表的硬件結構，以便儀表體積小、成本低。 2. 硬件結構設計要便于儀表的調試、維修以及用戶的操作使用。 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。 4. 元件的布置和走線要合理 ， 以便抑制噪聲干擾。 5. 考慮硬件結構有一定的靈活性和可擴充性。 6. 硬件結構的設計要考慮機殼造型的美觀和加工方便。 硬件原理框圖 本設計主要包括：數據采集、數據輸出、工作狀態切換和串口通信，它們之間的關系如 圖： 內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文） 10 I / V 變 換 電路A / D 轉 換 器D / A 轉 換 器光 電 耦 合 器R S 4 8 5 總 線V / I 變 換 電路現 場 設 備單 片 機4 ～ 2 0 m A 電 流 信 號0 ～ 5 V 電 壓 信 號0 ～ 5 V 電 壓 信 號4 ～ 2 0 m A 電 流 信 號開 關 信 號繼 電 器熱 工 儀 表上 位 機 圖 硬件結構圖 器件選擇 單片機 —— AT89C51 AT89C51 是美國 ATMEL公司生產的具有 MCS51 內核的 8 位單片機產品。 該單片機具有時鐘頻率高 ( 最 高 24MHz)、運行速度快、內含 4KB EEPROM、 P0 口驅動能力強（ 最大 20mA) 等特點 ， 在智能化儀器儀表中得到了廣泛的應用 。 AT89C51 有 40 條引腳，其引腳圖如下圖： 內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文） 11 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 : 15 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 :P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T / V P D9P 3. 0/ R xD10P 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 119G N D20P 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 pp31P 0. 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039V C C40A T 89 C 5 1 圖 AT89C51 引腳圖 1. 主要性能參數： ? 與 MCS51 系列的單片機在指令系統和引腳 上完全兼容 ? 片內有 4k 字節在線可復編程快擦寫程序存儲器 ? 全靜態工作，工作范圍： 0Hz~24MHz ? 三級程序存儲器加密 ? 128 8 位內部 RAM ? 32 位雙向輸入輸出線 ? 兩個十六位定時器 /計數器 ? 五個中斷源，兩級中斷優先級 ? 一個全雙工的異步串行口 ? 間歇和掉電工作方式 2. 功能特性概述 ： 內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文） 12 AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器 ， 片內有 4k 字節的在線可重復編程快擦快寫程度存儲器 ， 能重復寫入 /擦除解 1000 次 ， 數據保存時間為十年。它與 MCA51 系列單片機在指令系統和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機，而且能使系統具有許多 MCS51 系列產品沒有的功能。 AT89C51 可構成真正的單片機最小應用系統，縮小系統體積，增加系統的可靠性，降低了系統成本。只要程序長度小于 4k，四個 I/O 口全部提供給用戶。可用 5V電壓編程，而且擦寫時間僅需 10 毫秒，僅為 8751/87C51 的擦除時間的百分之一，與 8751/87C51 的 12V電壓擦寫相比，不易損壞器件，沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。工作電壓范圍寬 ~6V，全靜態工作，工作頻率寬在 0Hz~24MHz 內，比 8751/87C51 等 51系列的 6MHz~12MHz 更具有靈活性，系統能快能慢。 AT89C51 芯片提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統不被仿制。另外，AT89C51 還具有 MCS51 系列單片機的所有優點。 128 8 位內部 RAM， 32 位雙向輸入輸出線，兩個十六位定時 /計時器， 5 個中斷源 ， 兩級中斷優先級，一個全雙工異步串行口及時鐘發生器等。 3．管腳功能 ： GND：接 地 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門電流。當 P0 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據 /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ， P1 口緩沖器能接收輸出 4個 TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文） 13 作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當 P3 口寫入 “ 1” 后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故 。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口 。 如表 所示 ， P3 口同時為閃爍編程內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文） 14 和編程校驗接收一些控制信號。 表 AT89C51 的 特殊功能 接口 端口 管腳 備選功能 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 INT0 外部中斷 0 INT1 外部中斷 1 T0 定時器 0 外部輸 入 T1 定時器 1 外部輸入 WR 外部數據存儲器寫選通 RD 外部數據存儲器讀選通 控制口線： PSEN（ 片外取控制 ） 、 ALE（ 地址鎖存控制 ） 、 EA （ 片外儲器選擇 ） 、RESET （ 復位控制 ） 。 電源及時鐘： VCC、 VSS； XTAL XTAL2。 A/D 轉換裝置 本設計選用 的 8 位 A/D 轉換器是 TLC0832 八位逐次逼近模數轉換器。 TLC0832 具有通道或多路器選用的雙通道，并可選單端或差分輸入，其輸入電壓為標準電壓信號。分辨率為 （ 5V/256=）。