【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。P3口： P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST： 復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/： 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。： 程序儲(chǔ)存允許（）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次信號(hào)。/VPP： 外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存端狀態(tài)。如端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。XTAL1： 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)多種多樣，為了滿足各種不同的檢測(cè)技術(shù)和控制任務(wù)的需要，大量的結(jié)構(gòu)不同，性能不同的A/D轉(zhuǎn)換器層出不窮。 本文選用ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器，它是一種逐次比較式8路模擬輸入，8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。由單一的+5V電源供電，里面帶有所存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由A、B、C,引腳的編碼來決定所選的通道。0809完成一次轉(zhuǎn)換需要100us左右輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩存器，可以直接連接到單片機(jī)總線上。ADC0809引腳圖如圖31。圖31ADC0809引腳圖 由于AT89C52微處理器的,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只有256個(gè)字節(jié)，而本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)設(shè)定、顯示控制以及對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算等功能, 所以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,因而要對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。本文選用了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256。 62256是一種328的高集成度的RAM，采用單一+5V電源供電，雙列直插式28引腳封裝。其芯片引腳排列如圖32。圖32 62256芯片引腳排列圖塔式起重機(jī)接近開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路繼電器、接觸器整形光電耦合隔離8255接口A/D模擬信號(hào)處理電路變送器起重傳感器、力矩限制器AT89C52LCD顯示鍵盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)報(bào)警 圖33塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖在塔機(jī)工作時(shí)，傳感器采集到的塔機(jī)工作狀信息先進(jìn)行信號(hào)調(diào)理放大，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再送給單片機(jī)進(jìn)行分析處理。處理后的數(shù)據(jù)通過LCD進(jìn)行顯示，同時(shí)與與所設(shè)定的預(yù)警值和報(bào)警值進(jìn)行比較。當(dāng)達(dá)到或者超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，切斷塔機(jī)向危險(xiǎn)方向運(yùn)動(dòng)的控制電路。同時(shí)單片機(jī)會(huì)將塔機(jī)出現(xiàn)異常狀態(tài)的時(shí)間、相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)的信息存放到外擴(kuò)RAM中。塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖33。本系統(tǒng)所需電壓有5V DC以及12V DC。5V DC為單片機(jī)、譯碼器、鎖存器、光電編碼器、LCD顯示器等系統(tǒng)模塊提供電源電壓。12V DC為傾角傳感器以及軸銷式起重量傳感器提供電源電壓。本文采用220V交流電經(jīng)變壓、整流、濾波后分別通過固定輸出穩(wěn)壓模塊LM781 LM7805轉(zhuǎn)成+12V、+5V直流電源。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,減少尖峰脈沖電流對(duì)元器件的影響,在固定式三端穩(wěn)模塊的輸入端接入了大數(shù)值的電解電容,以濾除高次諧波,電壓電路圖如圖34所示。圖34供電電路圖 傳感器輸出的模擬信號(hào)很微弱,不能直接送到A/D轉(zhuǎn)換器,還需要經(jīng)過放大、濾波、限幅等調(diào)理電路后才能輸入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,電路如圖35所示。為了匹配傳感器的輸出阻抗與放大器的輸入阻抗，減小誤差，放大電路采用了超低漂移高精度運(yùn)算放大器OPA827。它具有高增益、低失調(diào)電壓和電流、低電壓漂移、高輸入阻抗、高共模抑制比、低溫度漂移等特點(diǎn)。圖中R6和R12為調(diào)零電阻,輸入信號(hào)經(jīng)U11后變?yōu)榉聪螂妷狠斎脒\(yùn)算放大器U12,調(diào)節(jié)R8的大小可以改變U12的放大倍數(shù),信號(hào)經(jīng)反相放大后變?yōu)?~5V電壓信號(hào)。為了保護(hù)A/D口，電路中加入濾波電容C13，以D3和D4構(gòu)成限幅電路。圖35起重重量模擬信號(hào)處理電路圖 A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中傳感器所采集到的起重重量、塔機(jī)傾角的信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量,其中還含有許多干擾信號(hào)，會(huì)影響傳感器輸入處理器的數(shù)據(jù)保真性，所以必須清除干擾。單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)量，傳感器輸出的模擬信號(hào)不能直接輸入單片機(jī)，必須先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后單片機(jī)才能進(jìn)行分析、和處理。 在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器必須要達(dá)到一定的精度要求，為了保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，A/D轉(zhuǎn)換器還必須具有較高的轉(zhuǎn)換速度。本文選擇的是ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器，其與系統(tǒng)硬件電路連接如圖36。圖36A/D轉(zhuǎn)換電路圖 小車變幅采用電感式接近開關(guān)檢測(cè)，電路如圖37所示。圖中1腳接電源，3腳接地，2腳為輸出。當(dāng)接近開關(guān)的感應(yīng)端接近某金屬時(shí)，三極管TR導(dǎo)通，2腳與3腳導(dǎo)通，電阻R13短路，LM339的同相輸入端接地,比較器輸出低電平；當(dāng)近開關(guān)斷開時(shí),比較器輸出高電平，這樣即可采集到所需的脈沖信號(hào)。圖37開關(guān)量輸入通道電路圖由于比較器LM339輸出為0~12V，不能與系統(tǒng)的TTL5V邏輯電平兼容。本文利用光電偶合器4N25組成邏輯變換電路，將12V的脈沖電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL5V電平的脈沖信號(hào)。光電偶合器的輸入端電流至少應(yīng)為6mA以上才能使光電耦合器的輸出端光敏三極管導(dǎo)通,則限流電阻R17取500Ω，LM339輸出端上拉電阻取1K。由光電耦合器輸出的信號(hào)經(jīng)非門74HC04進(jìn)一步整形后送入單片機(jī)。塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，單片機(jī)利用后向通道實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象控制操作。其主要功能有驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)，來控制斷電停機(jī)裝置以及聲光報(bào)警輸出。一般來說單片機(jī)I/O輸出的開關(guān)量不足以驅(qū)動(dòng)一些功率開關(guān)（比如繼電器、電機(jī)等），所以在后向通道的一些大功率開關(guān)量控制接口中，常采用功率開關(guān)電路。在本文中利用繼電器來將低電壓、小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成高電壓、大電流信號(hào)，此處選用的繼電器輸入端額定電壓為DC12V，線圈驅(qū)動(dòng)電流為80mA。同時(shí)為了隔離弱電與強(qiáng)電，還應(yīng)加入隔離裝置。本文選用達(dá)林頓輸出型光電耦合器TIL113，其集電極輸出電流在100mA以上，輸入端可直接由TTL電平驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流只需l0mA。接口電路如圖38，圖中R22為限流電阻，D6為保護(hù)用二極管。圖38繼電器輸出電路聲光報(bào)警由三極管2SC1815來驅(qū)動(dòng)，輸入端接單片機(jī)I/0口，C4和C5起濾波作用，D7起保護(hù)作用，聲光報(bào)警電路如圖39。圖39聲光報(bào)警電路本系統(tǒng)采用的是4x4行列式鍵盤作為輸入設(shè)備。行列式鍵盤掃描電路如圖310所示。按鍵設(shè)置在行列式交叉點(diǎn)上,行列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端,行線通過上拉電阻接+5V電源被鉗制在高電平狀態(tài)。圖310鍵盤掃描電路識(shí)別有無按鍵按下時(shí)，將所有列線置低電平,將行線電平狀態(tài)讀入,如果有鍵按下,則有一根行線電平被拉至低電平,從而使行輸入不全為1。識(shí)別按下的鍵時(shí)，依次置某一列線為低電平,其余列線為高電平,檢查各行線電平的變化,若某行線電平變低,可確定對(duì)應(yīng)行、列線的交叉點(diǎn)處的鍵被按下，通過掃描法找到哪個(gè)按鍵被按下,就可以對(duì)其賦鍵值。采用中斷掃描方式接入一個(gè)四輸入與門來確保能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又不過多占用CPU工作時(shí)間。 液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)本文采用SED1330 (320240點(diǎn)陣)液晶顯示，高分辨率。自帶背光，背光均勻亮度高，不受光線強(qiáng)弱等條件的限制。與同類產(chǎn)品相比具有如下特點(diǎn)：有功能較強(qiáng)的I/O緩沖器；指令功能豐富；四位數(shù)據(jù)并行傳送，最大驅(qū)動(dòng)能力為640256點(diǎn)陣；能夠顯示圖形和文本。SED1330的硬件結(jié)構(gòu)可分為MUP接口部分、管理控制部分以及顯示驅(qū)動(dòng)部分三個(gè)部分。LCD顯示模塊與單片機(jī)的接口電路，雖然實(shí)現(xiàn)的功能比較復(fù)雜，但接口電路比較簡(jiǎn)單，實(shí)際上設(shè)計(jì)的是單片機(jī)與液晶顯示控制器SED1330的連接電路。液晶顯示模塊接口電路如圖311所示。圖311LCD顯示模塊接口電路 由于單片機(jī)的I/O口不足以滿足系統(tǒng)的需求，因而要對(duì)其接口進(jìn)行擴(kuò)展。目前普遍采用8255來進(jìn)行接口擴(kuò)展。8255有PA、PB、PC三個(gè)擴(kuò)展I/0接口，一個(gè)2K位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和一個(gè)14位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以擴(kuò)展系統(tǒng)的靜態(tài)存儲(chǔ)器，滿足系統(tǒng)外擴(kuò)256字節(jié)RAM的需要，與51系列單片機(jī)的接口也比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)與8255外圍接口擴(kuò)展電路圖如圖312。圖312系統(tǒng)外圍接口擴(kuò)展第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)還需要有相應(yīng)的系統(tǒng)軟件才能有效地完成塔機(jī)監(jiān)控。本文運(yùn)用通用C語言軟件，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，增強(qiáng)了程序的可讀性和兼容性。 本文的信號(hào)采集、處理、分析和報(bào)警等模塊都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的。軟件系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)傳輸模塊、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集模塊以及外擴(kuò)存儲(chǔ)器、報(bào)警、輸出控制模塊的數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)軟件是人機(jī)交互的渠道，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)處理以及對(duì)各硬件模塊進(jìn)行調(diào)度和控制的功能。系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分，系統(tǒng)軟件采取順序掃描，不斷循環(huán)的工作方式。各模塊的主要功能如下:(1) 系統(tǒng)主程序模塊的主要功能包括:初始化和對(duì)各子函數(shù)的調(diào)用，系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、復(fù)位等。(2) A/D轉(zhuǎn)換模塊的主要功能包括:將傳感器所采集到的模擬信號(hào)（如角度、起重量等）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行通道的選擇，以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取等。(3) 1330液晶顯示模塊:對(duì)采集來的起重量、塔機(jī)傾角、小車變幅、起重力矩等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。(4) 外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊:由于單片機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間有限，利用外擴(kuò)RAM存儲(chǔ)器來滿足塔機(jī)數(shù)據(jù)記錄和事故查詢的功能。(5) 報(bào)警模塊：對(duì)塔機(jī)各種異常情況，進(jìn)行報(bào)警。(6) D/A轉(zhuǎn)換和輸出控制模塊：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬型號(hào)，然后將此控制信號(hào)送給輸出繼電器、電機(jī)等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)切斷塔機(jī)向危險(xiǎn)方向運(yùn)動(dòng)的控制回路。系統(tǒng)主程序流程圖如圖41：程序啟動(dòng)緊急停車系統(tǒng)初始化調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用D/A轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用LCD顯示子程序數(shù)據(jù)處理超限、超載判斷結(jié)束數(shù)據(jù)存儲(chǔ)報(bào)警YNYN圖41塔機(jī)監(jiān)控主程序流程圖 A/D轉(zhuǎn)換是塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，只有將傳感器采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)才能對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。本文根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求和硬件布局設(shè)計(jì)了如圖42的軟件工作模塊: ADC的全部操作都是通過ADC寄存器進(jìn)行。 ADC寄存器由ADC控制寄存器、ADC通道選擇排序寄存器、ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器、ADC最大轉(zhuǎn)換通道數(shù)寄存器（它們都是16位寄存器）組成 ，其地址外圍是0x0000~7100到0x0000~711F。 ADC轉(zhuǎn)換時(shí)，首先設(shè)置采樣窗的寬度，寬度范圍為0~15。再標(biāo)定ADC內(nèi)核時(shí)一鐘，設(shè)置觸發(fā)模式（0表示啟動(dòng)或停止，1表示連續(xù)觸發(fā)），最后設(shè)置采樣模式（0表示順序采樣，1表示同時(shí)采樣）。本次設(shè)計(jì)由于要同時(shí)提取塔機(jī)傾角、起重量、起重力矩等信息，采取同時(shí)采樣模式。由于不能完全使用16個(gè)通道，可采用2個(gè)通道分別采集同一種信號(hào)，然后取其平均值，這樣可以提高ADC的轉(zhuǎn)換精度。每次啟動(dòng)排序器，同時(shí)采樣ADCINA0和ADCINB0到ADCINA7和ADCINB7等信號(hào)，由于一個(gè)周期內(nèi)各采樣兩次，則一次排序中共轉(zhuǎn)換8對(duì)模擬引腳的電壓。開始關(guān)中斷初始化PIE寄存器初始化ADC采樣模式設(shè)置延時(shí)等待SPI發(fā)送緩沖是否為空啟動(dòng)排序器開始轉(zhuǎn)換存入結(jié)果寄存器讀取數(shù)據(jù)液晶實(shí)時(shí)顯示開中斷返回NY圖42 ADC子程序流程圖LCD顯示模塊主要是對(duì)塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集到的塔機(jī)的塔機(jī)傾角、起重量、小車變幅、起重力矩等信息進(jìn)行顯示。模塊工作時(shí)采用不斷刷新的模式，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。首先，初始化模塊，在一個(gè)周期的數(shù)據(jù)采集完成之后，液晶顯示開，并寫入控制命令和數(shù)據(jù)，對(duì)所采集到的塔機(jī)信息進(jìn)行顯示。LCD顯示流程圖如圖43：開始系統(tǒng)初始化LCD初始化配置LCD命令口延時(shí)等待數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換是否完成清屏、顯示開寫命令寫數(shù)據(jù)顯示起重量顯示小車變幅顯示起重力矩顯示傾角YN返回圖43LCD顯示流程圖