【文章內(nèi)容簡介】 用軟件實現(xiàn)串口通信 、 模擬量和數(shù)字量的采集以及輸出。 1. 在正常情況下，即 A/D 轉(zhuǎn)換器通道 CH0 的值大于通道 CH1 的值時單片機執(zhí)行串口 寫 操作，經(jīng)過軟件處理后將數(shù)字量經(jīng)過 RS485 總線傳送到上位系統(tǒng)中去。 2. 在非正常情況下，即 A/D 轉(zhuǎn)換器通道 CH0 的值大于通道 CH1 的值時 啟動報警系統(tǒng)，此時 單片機執(zhí)行開關(guān)量采集操作 ， 并輸出開關(guān)量去控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。 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(xiàn)工業(yè)自動化的信息化網(wǎng)絡(luò)化，利用單片機的中斷通訊功能，同樣用軟件去實現(xiàn)上位機與下位機的通訊功能。 為了實現(xiàn)控制參數(shù)的實時性和有效性，用報警裝置來控制。 轉(zhuǎn)換器設(shè)計 1. 在設(shè)計轉(zhuǎn)換器時，要考慮的因素有： 1) 穩(wěn)定時間（ 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(zhuǎn)換器時，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。例如放大器、比較器輸出電壓、電流因溫度變化發(fā)生偏移時，內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 7 將影響轉(zhuǎn)換器零誤差。電阻網(wǎng)絡(luò)、電流開關(guān)的溫度系數(shù)將影響轉(zhuǎn)換器的線性誤差等。所以，要注意轉(zhuǎn)換器工作環(huán)境溫度變化對各種技術(shù)性能的影響，說明書里給的技術(shù)性能指標一般是在 25℃工作環(huán)境溫度下測定的，如果工作環(huán)境溫度不是 25℃，并且相差甚大，則實際技術(shù)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(chǎn)生技術(shù)性能指標的偏移，和溫度系數(shù)的影響一樣，將使零點誤差、線性誤差、滿量程誤差等發(fā)生變化。 3) 電源干擾（ Supply Rejection）：當電源電壓發(fā)生變動時，也會影響轉(zhuǎn)換器的技術(shù)性能指標。同時模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要幾組電源電壓，一般來說 +5V 是供數(shù)字部分使用的， +15V是供模擬部分使用的。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。 3. 使用轉(zhuǎn)換器時，還要注意和外部線路的合理配接，不然也會影響轉(zhuǎn)換器的技術(shù)性能指標。例如： 1) 外部時鐘的時 鐘頻率 （ Clock Rate） ： 每種 A/D 轉(zhuǎn)換器都要求一定范圍的時鐘頻率。要按其規(guī)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(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)計時應(yīng)考慮的因素還有： 1) 內(nèi)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(zhuǎn)換器件，要獲得模擬電壓輸出時，需外加轉(zhuǎn)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(guān)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(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)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(shù)據(jù)保持時間或誤差數(shù)據(jù)被鎖存的時間。 可靠性設(shè)計 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)境不如實驗室穩(wěn)定可靠，因此設(shè)計時應(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。 要注意簡化電路結(jié)構(gòu) 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(chǎn)品中表現(xiàn)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(shù)和通用器件 成熟技術(shù)和通用技術(shù)器件意味著經(jīng)過了長期的可靠性再增長過程，具有較完整的可靠性有關(guān)數(shù)據(jù)，使研制產(chǎn)品的可靠性有了基本保證。 成本設(shè)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(shè)計要符合現(xiàn)行的工藝生產(chǎn)能力，對工藝生產(chǎn)過高，將導致成本升高。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 9 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 不同系統(tǒng)中的智能儀表的硬件結(jié)構(gòu)有所不同。設(shè)計智能儀表硬件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，以便儀表體積小、成本低。 2. 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計要便于儀表的調(diào)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(jié)構(gòu)有一定的靈活性和可擴充性。 6. 硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計要考慮機殼造型的美觀和加工方便。 硬件原理框圖 本設(shè)計主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出、工作狀態(tài)切換和串口通信，它們之間的關(guān)系如 圖： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 10 I / V 變 換 電路A / D 轉(zhuǎn) 換 器D / A 轉(zhuǎn) 換 器光 電 耦 合 器R S 4 8 5 總 線V / I 變 換 電路現(xiàn) 場 設(shè) 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(guān) 信 號繼 電 器熱 工 儀 表上 位 機 圖 硬件結(jié)構(gòu)圖 器件選擇 單片機 —— AT89C51 AT89C51 是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的具有 MCS51 內(nèi)核的 8 位單片機產(chǎn)品。 該單片機具有時鐘頻率高 ( 最 高 24MHz)、運行速度快、內(nèi)含 4KB EEPROM、 P0 口驅(qū)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(yīng)用 。 AT89C51 有 40 條引腳，其引腳圖如下圖： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)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 2 008 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 ngs \ A d m i ni s t r a t or \桌面 \ M yD e s i g 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 89C 5 1 圖 AT89C51 引腳圖 1. 主要性能參數(shù)： ? 與 MCS51 系列的單片機在指令系統(tǒng)和引腳 上完全兼容 ? 片內(nèi)有 4k 字節(jié)在線可復編程快擦寫程序存儲器 ? 全靜態(tài)工作，工作范圍： 0Hz~24MHz ? 三級程序存儲器加密 ? 128 8 位內(nèi)部 RAM ? 32 位雙向輸入輸出線 ? 兩個十六位定時器 /計數(shù)器 ? 五個中斷源，兩級中斷優(yōu)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(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 12 AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器 ， 片內(nèi)有 4k 字節(jié)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(shù)據(jù)保存時間為十年。它與 MCA51 系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒有的功能。 AT89C51 可構(gòu)成真正的單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于 4k，四個 I/O 口全部提供給用戶?？捎?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(lǐng)域。工作電壓范圍寬 ~6V，全靜態(tài)工作，工作頻率寬在 0Hz~24MHz 內(nèi)，比 8751/87C51 等 51系列的 6MHz~12MHz 更具有靈活性，系統(tǒng)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(tǒng)不被仿制。另外，AT89C51 還具有 MCS51 系列單片機的所有優(yōu)點。 128 8 位內(nèi)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(yōu)先級，一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)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(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /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(nèi)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(nèi)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(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 13 作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)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(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)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(shù)據(jù)存儲器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換裝置 本設(shè)計選用 的 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器是 TLC0832 八位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)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=）。 內(nèi)蒙古科技大