【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 6MHz 可編程振蕩器和外部振蕩器（晶體、RC、C、或外部時(shí)鐘） 。C8051F350 單片機(jī)主要資源為：模擬外設(shè)部分， 8 路 24 位 ADC 輸入（轉(zhuǎn)換速率可調(diào)，最高可達(dá) 1 ksps，每一路均含有可編程增益放大器，最大放大倍數(shù)為 128 倍，可以內(nèi)部偏移量或增益校準(zhǔn)） ，2 路 8 位電流輸出型DAC（輸出電流可調(diào)，最大輸出為 2mA） ，一個(gè)可編程電壓比較器；數(shù)字外設(shè)部分， ，提供 UART、SMBus 和增強(qiáng)型 SPI 串口，4 個(gè)通用 16 位計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器，3 個(gè)捕捉/比較模塊；存儲(chǔ)器部分，內(nèi)部 RAM 768 字節(jié)（256+512） ， 8KB 在系統(tǒng)編程的；時(shí)鐘源部分，內(nèi)部振蕩器頻率為、精度 177。2%，外部振蕩器為晶體、 RC、 C、或外部時(shí)鐘，時(shí)鐘乘法器可產(chǎn)生 50MHz 內(nèi)部時(shí)鐘。C8051F340 單片機(jī)主要資源為：模擬外設(shè)部分， 21 路 10 位 ADC，2個(gè)比較器；數(shù)字外設(shè)部分，25 個(gè) I/O 端口，硬件增強(qiáng)型 SPI、SMBus 和 2個(gè)增強(qiáng)型 UART 串口，4 個(gè)通用 16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，16 位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA） ，有 5 個(gè)捕捉/比較模塊； 控制器，可工作于全速(12Mbps)或低速()方式；存儲(chǔ)器部分，4352 字節(jié)數(shù)據(jù)RAM，64K 字節(jié) FLASH；時(shí)鐘源部分，%的精度的內(nèi)部振蕩器，外山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 通用控制平臺(tái)設(shè)計(jì)方案11部振蕩器（晶體、RC 、C 、或外部時(shí)鐘） 。 硬件電路設(shè)計(jì)要求根據(jù)選型的三款單片機(jī)不同特點(diǎn)，將每個(gè)單片機(jī)進(jìn)行外部功能擴(kuò)展，從而組成三個(gè)不同的單片機(jī)系統(tǒng)。硬件平臺(tái)中他們的分工為：020 單片機(jī)用作主控制器，平臺(tái)的主要信號(hào)處理（模擬量信號(hào)采集與輸出、數(shù)字量信號(hào)采集與輸出、脈沖量信號(hào)采集等） 、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信等由它完成；350 分擔(dān)一部分信號(hào)采集與處理，主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高精度采集；340 用作通信中心，通過(guò)串行口擴(kuò)展，可以方便地與其他設(shè)備進(jìn)行通信兼容擴(kuò)展，通過(guò) USB 實(shí)現(xiàn)與計(jì)算的高速通信；340 獲取0350 處理完成的數(shù)據(jù)，通過(guò)不同的通信方式將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)或者其他終端設(shè)備。單片機(jī)之間的工作關(guān)系框圖 所示。C 8 0 5 1 F 0 2 0 單片機(jī)系統(tǒng)C 8 0 5 1 F 3 4 0 單片機(jī)系統(tǒng) C 8 0 5 1 F 3 5 0 單片機(jī)系統(tǒng)圖 硬件平臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)工作關(guān)系為使所設(shè)計(jì)平臺(tái)完成控制對(duì)象仿真的任務(wù)，需要硬件上具備以下設(shè)計(jì)要求：1．設(shè)計(jì) 48 路的開(kāi)關(guān)量輸入通道。每個(gè)輸入通道具備完善的保護(hù)措施，在發(fā)生錯(cuò)誤接線時(shí)（接入過(guò)大正電壓或負(fù)電壓）不至于損壞單片機(jī)或其他部分。該通道對(duì)輸入 0~1V 幅值范圍的信號(hào)理解為低電平， 以上的信號(hào)電平應(yīng)被理解為高電平。輸入的高低電平可硬件通過(guò)發(fā)光二極管指示。2．設(shè)計(jì) 48 路的開(kāi)關(guān)量輸出通道。開(kāi)關(guān)量輸出通道應(yīng)具有一定的電壓山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 通用控制平臺(tái)設(shè)計(jì)方案12驅(qū)動(dòng)能力或電流輸出能力。當(dāng)有開(kāi)關(guān)量輸出高低電平時(shí)，可通過(guò)硬件方式發(fā)光二極管進(jìn)行狀態(tài)指示。3．設(shè)計(jì) 16 路模擬量輸入通道。每個(gè)輸入通道能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量輸入信號(hào)的限幅、濾波調(diào)理，能對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行一定的放大與衰減，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電壓信號(hào)或電流信號(hào)的輸入并轉(zhuǎn)化為單片機(jī) AD 可以采集的電平范圍。輸入通道放大倍數(shù)可調(diào)，輸入的模擬信號(hào)可以是單端方式或差分方式，能夠?qū)ξ⑷跣盘?hào)進(jìn)行放大及采集。4．設(shè)計(jì) 20 路的模擬量輸出通道。輸出通道應(yīng)能輸出10V~10V 范圍的的模擬電壓，20mA~20mA 范圍的模擬電流，輸出信號(hào)幅值可根據(jù)寫(xiě)入的控制字的不同方便地調(diào)節(jié)，通過(guò)短路套連接可方便選擇電壓型或電流型模擬量信號(hào)輸出。輸出電壓信號(hào)時(shí)，應(yīng)為低阻輸出狀態(tài)，輸出電流信號(hào)時(shí)應(yīng)為高阻輸出狀態(tài)。5．通信方式可選，可以提供符合 RS485 通信規(guī)范的接口。6．具有對(duì)單片機(jī)有限的串口資源進(jìn)行擴(kuò)展，具有至少 6 路串行接口。7．具有鍵盤(pán)、顯示接口，可顯示漢字、引文字符，有圖片顯示功能。8．?dāng)U展外部非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，至少 64KB 以上外擴(kuò)空間。9．上述資源應(yīng)由一個(gè)單片機(jī)統(tǒng)一管理，以減少上位機(jī)的負(fù)擔(dān)。10．易于與同類硬件平臺(tái)組網(wǎng)。11．穩(wěn)壓電源。硬件平臺(tái)系統(tǒng)組成模塊框圖如圖 所示。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 通用控制平臺(tái)設(shè)計(jì)方案134 8 路開(kāi)關(guān)量輸入 4 8 路開(kāi)關(guān)量輸出1 6 路模擬量輸入 2 0 路模擬量輸出4 * 4 矩陣鍵盤(pán)2 路 R S 4 8 5 接口復(fù)位電路外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電源電路液晶顯示單片機(jī)C 8 0 5 1 F 0 2 0C 8 0 5 2 F 3 4 0C 8 0 5 1 F 3 5 0圖 硬件平臺(tái)組成模塊框圖 控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)過(guò)程 1．硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。根據(jù)選擇 C8051F 單片機(jī)，分析其接口特性，采用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)以及單片機(jī)接口技術(shù)，進(jìn)行單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)。利用電路仿真軟件 Multisim 對(duì)設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真或計(jì)算確定電路參數(shù)。利用 Protel 99 SE 軟件進(jìn)行制作 PCB 板，然后在 PCB 上焊接元器件并進(jìn)行電路功能測(cè)試，從而完成整個(gè)硬件平臺(tái)的研制。2．對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的建立。根據(jù)控制對(duì)象運(yùn)行規(guī)律及實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，按照機(jī)理法來(lái)建立傳遞函數(shù)模型，然后盡量采用簡(jiǎn)約化處理逐步逼近真實(shí)模型。對(duì)于無(wú)法運(yùn)用機(jī)理法來(lái)建模的，可以采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法( 一般采山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 通用控制平臺(tái)設(shè)計(jì)方案14用最小二乘法)來(lái)建立相應(yīng)的模型。3．控制器控制算法。對(duì)于控制算法方面，根據(jù)控制對(duì)象的特點(diǎn)以及要完成的控制任務(wù)，選用不同的控制算法。4．控制器與控制對(duì)象下位機(jī)程序開(kāi)發(fā)。由于 Keil 具有庫(kù)函數(shù)豐富和開(kāi)發(fā)調(diào)試方便的特點(diǎn)，C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性、可移植性等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此通過(guò)在 Keil 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上對(duì) C8051F單片機(jī)進(jìn)行 C 語(yǔ)言編程。5．參數(shù)設(shè)定與顯示界面設(shè)計(jì)。選用計(jì)算機(jī)面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言 Visual Basic，計(jì)算機(jī)與下位機(jī)通過(guò) RS232 或 RS485 進(jìn)行通信獲取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并在對(duì)象框中顯示，一方面用于觀察下位機(jī)運(yùn)行效果，另一方面用于提供給組態(tài)被控對(duì)象數(shù)據(jù)。6．組態(tài)界面設(shè)計(jì)。利用組態(tài)王提供的圖庫(kù)以及開(kāi)發(fā)菜單，可以對(duì)具體的控制對(duì)象進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)。選用組態(tài)王 與 Visual Basic 數(shù)據(jù)交換，將虛擬控制對(duì)象的運(yùn)行規(guī)律和控制規(guī)律，以動(dòng)畫(huà)界面和各種曲線呈現(xiàn)。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 平臺(tái)硬件功能模塊設(shè)計(jì)153 平臺(tái)硬件功能模塊設(shè)計(jì) 模擬量輸入模塊實(shí)際控制系統(tǒng)中，傳感器將生產(chǎn)過(guò)程的工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換為直流輸出的電壓或電流信號(hào)，但由于傳感器輸出的信號(hào)一般比較微弱，需要將測(cè)量元件的輸出信號(hào)通過(guò)一定的變換，變成行業(yè)統(tǒng)一的 0~10mA 或 4~20mA 信號(hào) [11]。模擬量通道檢測(cè)變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，將其轉(zhuǎn)變成微控制器能處理的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。本平臺(tái)硬件部分所設(shè)計(jì)的模擬量輸入模塊，可以將傳感器輸出的上述標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，也可以將標(biāo)準(zhǔn) 0~10V 電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，然后送入單片機(jī)的 ADC 完成信號(hào)采集。 主要技術(shù)指標(biāo)根據(jù)所選 C8051F020 和 C8051F350 各自特點(diǎn)，所所設(shè)計(jì)的模擬量輸入模塊主要技術(shù)指標(biāo)為：（1）設(shè)計(jì) 16 個(gè)模擬量輸入通道。其中 020 單片機(jī)有 8 個(gè)模擬量輸入通道，350 單片機(jī)有 8 個(gè)模擬量輸入通道。（2）可采集標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的 0mA~10mA 或 4mA~20mA 電流信號(hào)，以及 0V~10V 電壓信號(hào)；（3）所設(shè)計(jì)模擬量采集模塊既允許單端信號(hào)輸入，也可以對(duì)差分信號(hào)采集； 模擬量輸入模塊結(jié)構(gòu)模擬量輸入模塊的結(jié)構(gòu)如圖 所示。模擬量輸入模塊能夠?qū)ψ兯推鬏敵龅臉?biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓，可以對(duì)輸入的電壓進(jìn)行放大或衰減，從而送入到單片機(jī)的 AD 進(jìn)行轉(zhuǎn)化。為保證電路的可靠性，設(shè)計(jì)中采取了保護(hù)措施，主要是對(duì)放大器輸入端及輸出端的進(jìn)行了保護(hù)，從而不至于信號(hào)輸入或輸出過(guò)大，損壞放大器或者單片機(jī) [12]。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 平臺(tái)硬件功能模塊設(shè)計(jì)16圖 模擬量輸入模塊電路組成結(jié)構(gòu)模擬量輸入模塊，設(shè)計(jì)了兩種電路。一種是以 OP07 為放大器構(gòu)成的單端信號(hào)采集電路，電路具有最大增益為 32 倍，主要用于控制對(duì)象仿真信號(hào)的處理；另一種是以 AD620 為放大器構(gòu)成的差分信號(hào)采集電路，具有對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大 256 倍，可對(duì)很微弱的信號(hào)進(jìn)行采集。這兩種電路的基本結(jié)構(gòu)基本與上圖類似。 單端模擬量信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)1．電路原理設(shè)計(jì)根據(jù)上述指標(biāo)及思路設(shè)計(jì)的電路原理圖為：+ININ VV+OUTINPUTS1 S2S3S4120 20KAGND 1K1K4148*2+12V12V OP07AGND7320K64212V 30P30K91091 1N60AGND1K+12V1K18S5R1 R2R3 R4C1 C2R5R6R7 R8C3D1D2D3 D4C4C5ADC0ViV0圖 單端模擬量信號(hào)輸入電路原理設(shè)計(jì)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 平臺(tái)硬件功能模塊設(shè)計(jì)174~20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)要轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，才能夠使單片機(jī) AD 能采集與處理。采用無(wú)源器件電阻 來(lái)完成電流到電壓的轉(zhuǎn)換?？紤]到單片機(jī)1RAD 最大輸入電壓為 ，因此選用的電阻值為 ???電壓變換電路采用滑動(dòng)電阻器 ，利用其分壓特性達(dá)到將輸入電壓2R衰減到合適的值已輸入到運(yùn)放。由于平臺(tái)有多個(gè)集成運(yùn)放共用同一直流電源，通過(guò)電源內(nèi)阻的耦合有時(shí)會(huì)產(chǎn)生低頻震蕩。利用小容量電容對(duì)高頻信號(hào)形成低阻抗通路，在電源端連接小容量的瓷片電容 CC5（ ）起到高頻濾波的效果 [13]。為了濾除輸入信號(hào)中混入的高頻干擾，在放大器的輸入端用RCRC2 構(gòu)成二階低通濾波器 [12]，圖 所示電路的輸出電壓即單片機(jī)的輸入電壓 為：0V0ADCV （）iADCR????????5601根據(jù)式（） ，配置 R6=31001Ω，R 5=1KΩ，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)放大32 倍。運(yùn)放工作在閉環(huán)狀態(tài)時(shí)，容易因共模電壓超出運(yùn)放承受的極限值而損壞 [12]，二極管 、 構(gòu)成運(yùn)放輸入端的防止共模電壓過(guò)大的保護(hù)電路，1D2可保證加在輸入端的的電壓不超過(guò)177。(12+)V，在 OP07 輸入電壓177。范圍 [14]要求之內(nèi)。在運(yùn)放的輸出端，限流電阻 和穩(wěn)壓管 構(gòu)成限幅輸8R3D出電路，既可以對(duì) OP07 的輸出電流進(jìn)行限制，也對(duì) OP07 的輸出電壓幅值進(jìn)行限制，從而對(duì)單片機(jī)的 ADC 輸入端進(jìn)行了保護(hù)。IN60 采用鍺二極管，保證 V0 ； 穩(wěn)壓管保證 V0 端的正電壓不超過(guò) ，滿足所選 C8051 單片機(jī)端口引腳極限參數(shù)要求。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 平臺(tái)硬件功能模塊設(shè)計(jì)18精密電位器 R7 用于對(duì) OP07 的外調(diào)零，失調(diào)調(diào)節(jié)范圍177。4mV。調(diào)零時(shí)將輸入端接地測(cè)試 OP07 放大器的輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)電位器 R7 直到輸出端信號(hào)為零即可 [13]。2．電路的使用電路在使用時(shí)，要明確輸入的信號(hào)類型，以及信號(hào)的特性及大小。對(duì)于輸入 4~20mA 電流信號(hào)，只需將短路塊 SS3 短接即可；對(duì)于輸入信號(hào)是大電壓信號(hào)，需要將 SS4 短接，再調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器 R2，將信號(hào)衰減到單片機(jī)能夠采樣的范圍之內(nèi)；對(duì)于輸入的是標(biāo)準(zhǔn) 0~ 范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，可以直接輸入到單片機(jī)的模擬量采集端。通過(guò)調(diào)整滑動(dòng)變阻器，若信號(hào)電壓值在 0~ 范圍內(nèi)，此時(shí)需將 SS5 短接，信號(hào)放大 1 倍；若輸入端輸入的電壓或電流信號(hào)很微弱，這時(shí)還需要將短路套 S5 斷開(kāi)，先將微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大，然后輸入給單片機(jī)的 ADC 進(jìn)行采樣。由于020 單片機(jī)內(nèi)部可編程增益最大可設(shè)定為 16 倍，可知單端模擬量輸入模塊最大放大倍數(shù)為 32*16=512 倍。 模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊是平臺(tái)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)輸出的關(guān)鍵，其任務(wù)是把控制器輸出的控制量轉(zhuǎn)換成模擬量的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù) [11]。本模塊由 020 單片機(jī)擴(kuò)展的模擬量輸出電路和 350 單片機(jī)自帶的電流源兩部分組成。 主要技術(shù)指標(biāo)（1）采用多路 DA 擴(kuò)展芯片，通過(guò) SPI 總線擴(kuò)展 16 路模擬量輸出通道，020 單片機(jī)自帶 2 路 DA 輸出，350 單片機(jī)自帶 2 路恒流源輸出。總共有 20 路模擬量輸出信號(hào)；（2）輸出信號(hào)可以是10~10V 的模擬電壓，也可以