【正文】 CAN總線上，他們之間實現(xiàn)CAN總線方式實現(xiàn)雙工通信，其硬件電路設計如圖33所示。本文CAN總線電路設計采用SJA1000和82C250芯片，SJA1000是Philips公司提供的高性價比的CAN總線獨立控制器，用于移動目標和工業(yè)環(huán)境下的區(qū)域網(wǎng)絡控制。 圖32 顯示硬件電路設計CAN總線作為一種功能完善性價比高的網(wǎng)絡通訊控制技術(shù)，已被廣泛應用于自動控制各個領(lǐng)域。這樣連續(xù)重復8位就完成SRAM中的顯示數(shù)據(jù)。要寫入控制字，先將MODE信號置“1”，CPU將控制字送到數(shù)據(jù)線上，然后CPU送出一寫入信號到ICM7218WR腳上，即可將控制字節(jié)寫控制寄存器。控制寄儲器與8X8位SRAM之間與數(shù)據(jù)總線轉(zhuǎn)換由MODE控制，MODE=“1”,選擇控制寄儲器；MODE=“0”，一定先要寫入控制字節(jié)，接著按順序?qū)懭?位要顯示的數(shù)據(jù)即可。若采用ICM7218驅(qū)動LED數(shù)碼管，則可克服上述缺點，可大大簡化硬件電路和減少軟件的工作量，如圖32所示。外圍接口電路簡單，使用方便。它集BCD譯碼器、多路掃描器、段驅(qū)動和位驅(qū)動于一體，內(nèi)含8X8位SRAM，可保存8位LED數(shù)據(jù)：還有一個控制邏輯單元，寫入控制字協(xié)調(diào)整個芯片正常運作。芯片的輸入/輸出A口連接風向傳感器的七位并行格雷碼輸出口，進行風向數(shù)據(jù)的讀取，利用該芯片C口每一位都可以單獨設置，并能單獨進行讀入或輸出的特性，系統(tǒng)所設計的三行四列鍵盤共七位掃描線接口接在C口，方便鍵盤的按鍵輸入信息讀取。由于該芯片的集成度高，使得數(shù)據(jù)采集處理器幾乎所有控制功能集中在這一芯片上。本系統(tǒng)采用NEC公司的低功耗CMOS并行接口芯片82C55，其電路方框圖如31所示。 考慮80C320單片機輸入/輸出接口可用數(shù)量有限，本系統(tǒng)在硬件設計時增加輸入/輸出硬件電路。12V電平輸入接口，其對應輸出引腳是3和20，輸出接口電平為05V，可與單片機串行接口引腳對接。如圖所示，電路設計將引腳11與15，引腳10與16，引腳12與17短接，電源供電引腳7接到+5V電源，電源引腳6和9接到電源地；該芯片引腳1和2是05V電平輸入接口，其對應輸出引腳是18和5，輸出接口電平為177。本文采用MAX233芯片，完成系統(tǒng)所需的電平轉(zhuǎn)換，其電路如圖35電路原理圖所示，U13為通信接口芯片MAX233。RS232接口電路時單片機與計算機、智能傳感器和通信模塊通信的橋梁，電路設計要符合計算機上使用RS232接口電信號要求。若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。RS232標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、7100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。圖中Y1為石英晶體振蕩器，通常簡稱為晶振，接在單片機的XTAL1(19)和XTAL2(18)引腳構(gòu)成振蕩電路，產(chǎn)生單片機所需要的頻率信號，作為整個儀器的時鐘基準，串行通信波特率是由時鐘信號分頻后得到，考慮計算方便和波特率的精準，另外根據(jù)單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電路設計圖中C1，C2一般采用30P的電容，有助于穩(wěn)定時鐘振蕩頻率。80C320單片機外接晶振引腳XTAL1和XTAL2，在單片機內(nèi)部，XTAL1是一個反相放大器的輸出端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器；XTAL2接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。時鐘振蕩電路產(chǎn)生正弦波信號，作為80C320單片機的時鐘基準，它決定單片機的運行速度。RST引腳與VSS引腳之間連接一個10KΩ的下拉電阻R6，與VCC引腳之間連接一個10uF的電容C7，以保證開始儀器加電壓運行時可靠的復位。在本論文中看門狗復位電路設計見圖35電路原理圖中所示。這樣，當程序走飛后，其進入陷阱的可能性將大大增加。即在初始化時壓入堆棧一個地址，在此地址內(nèi)執(zhí)行的是一條關(guān)中斷和一條死循環(huán)語句。因為定時器中斷一真在產(chǎn)生，即使程序不正常，看門狗也能被正常復位。然而，有時這種設計仍然會引起程序走飛或工作不正常。附件中的復位電路的可靠性主要取決于軟件設計，即將定時向復位電路發(fā)出脈沖的程序放在何處。電源指示功能需要發(fā)光二極管LED作為指示燈，指示電源供電是否正常，當電源正常時，發(fā)光二極管發(fā)光；當電源不足停止供電時，發(fā)光二極管熄滅。另外電路中所需的+5V電源可通過芯片7805產(chǎn)生，芯片周圍需配置電容作為穩(wěn)壓和濾波。12V直流電壓是該儀器的基本工作電壓，氣象監(jiān)測儀中其他直流工作電壓應由此轉(zhuǎn)換而成，該電壓由蓄電池提供，需另外配置輔助電源對蓄電池充電。電源是組成地面自動氣象監(jiān)測儀的外面設備之一。第三章 地面自動氣象監(jiān)測儀的硬件電路設計 根據(jù)系統(tǒng)方案的設計要求，硬件電路還包含電源電路、接口電路、實時時鐘電路、LED顯示電路、RS232通信電路等，下面給出各段的設計和說明。當計數(shù)翻斗翻動時，磁鋼對干簧管掃描，使干簧接點因合一次，送出一個電路導通脈沖。當上翻斗盛積的水量達到一定的數(shù)量值時，上翻斗翻倒，另一半翻斗開始盛水，翻倒雨水經(jīng)錯匯集漏斗流入，計量翻斗翻倒，把雨水倒入計數(shù)翻斗，使計算翻斗翻動一次。在測量過程中，隨著翻斗間歇翻到動作，帶動開關(guān)，發(fā)出一個個脈沖信號，將非點亮轉(zhuǎn)換成電量輸出。 圖27 PTB220氣壓傳感器 圖28風速風向傳感器 圖29 翻斗式雨量傳感器 雨量傳感器采用翻斗式雨量傳感器，該傳感器由盛水器、上翻斗、計量翻斗、計數(shù)翻斗、匯集漏斗、調(diào)節(jié)螺釘、干簧管等構(gòu)成。當風杯受水平風力作用而扭轉(zhuǎn)時，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動，輸出頻率信號。當風向發(fā)生變化時，尾翼轉(zhuǎn)動通過軸桿帶動電位器軸心轉(zhuǎn)動，從而在電位器的活動端產(chǎn)生變化的電阻信號輸出。風向傳感器采用精密電位器，并選用低慣性輕金屬風向標響應風向，動態(tài)性能好。風速傳感器用來測量水平風的大小，用“米/秒”這個計量單位進行亮度。測風傳感器由風傳感器支架，風速傳感器和風向傳感器組成。5. 可選1個，2個或者3個氣壓傳感器6. 多種輸出可選：RS232C/TTL、RS485/RS422串行口或者RS232C/0~5V DC測風傳感器有機械式和超聲風傳感器兩大類，考慮測量分別率和精度的需要，選擇傳統(tǒng)機械式測風傳感器，測風傳感器可采用下列三個廠家，分別為天津氣象儀器廠生產(chǎn)的EL15型、長春氣象研究所生產(chǎn)的EC91型和無錫所生產(chǎn)的JQJTFH型，他們的硬件接口相同，可交換，但風速換算修正公式有小小的差別。(A級)，177。其有兩種低功耗工作模式：軟件可控的睡眠模式；外部激勵觸發(fā)模式。如:串行總線、平均時間、輸出間隔、輸出格式、顯示格式、錯誤信息、壓力單位、壓力分辨率；甚至可以選擇不同的電數(shù)據(jù)傳輸模式，如：RUN、STOP、SEND模式。所有的調(diào)整參數(shù)都存儲在EEPROM中，用戶不可改變出廠設置。微處理器自動進行壓力線性補償及溫度補償。BAROCAP具有很好的滯后性和重復性以及溫度特性、長期穩(wěn)定性。 氣壓傳感器采用VAISALA公司生產(chǎn)的PTB220數(shù)字式氣壓傳感器，實物圖如圖27所示，PTB220是完全補償?shù)臄?shù)字式氣壓傳感器，具有較寬的工作溫度和氣壓測量范圍。HMP45A/D探頭可在寬電壓條件下操作，耗電量低。如有必要，用維薩拉HM141濕度顯示器可對HMP45溫濕度讀數(shù)進行現(xiàn)場校驗。HMP45D傳感器可在現(xiàn)場進行點單或兩點校準。濕度傳感元件采用的是高分子濕敏電容，供電+7~35V DC，輸出0~1V電壓信號，對應濕度0~100%。外殼封裝一般采用不銹鋼，內(nèi)部填充導熱材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，適用于精密儀器、恒溫設備、流體管道等溫度的測量，非常經(jīng)濟適用。其電阻和溫度的變化的關(guān)系式如下：R=R0(1+aT),其中a=，R0為100Ω,T為攝氏溫度。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當PT100溫度為0℃時它的阻值為100歐姆，在100℃。大多數(shù)電阻式溫度傳感器是以金屬作成的，其他以白金（Pt）制作成的電阻式溫度傳感器，精度高、穩(wěn)定性好，而且耐酸堿、不會變質(zhì)、線性也好，應用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業(yè)測量，而且被制成各種標準溫度計，廣受各行各業(yè)的采用。 地面自動氣象監(jiān)測儀主要包括傳感器，數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等部分，其中最能決定它性能的是氣象要素傳感器，隨著對氣候變化研究的深入，這對溫度傳感器的精度和長期運行穩(wěn)定性提出了很高的要求；濕度方面存在的主要問題是濕度傳感器難以在全濕度兩成范圍內(nèi)達到同樣的測量準確度，在低溫低濕條件下濕度傳感器性能變差，響應遲緩，這是世界范圍內(nèi)大氣探測的主要難題之一，等待突破；氣壓方面，由于振筒氣壓儀和硅壓阻氣壓傳感器發(fā)展比較成熟，符合自動氣象站的觀測要求，目前對氣壓傳感器的相關(guān)研究較少，但國內(nèi)生產(chǎn)的氣壓傳感器在精確度、穩(wěn)定度、可靠性等方面與進口傳感器有一定差距；風速、風向方面，傳統(tǒng)方向標和風杯的機械結(jié)構(gòu)決定了其系統(tǒng)誤差不可避免，且易受惡劣環(huán)境影響，而超聲波風速儀、橫向傳感器等固態(tài)測風傳感器的出現(xiàn)，不僅解決了機械摩擦問題，提高了測量準確度，而且環(huán)境適應度大大提高，在惡劣環(huán)境下仍可正常工作，成為風速、風向測量的主要發(fā)展方向；降水量方面，自動氣象站主要是利用翻斗式雨量計對降水量進行觀察和記錄。正好滿足80C320單片機對外16位地址線，8位數(shù)據(jù)接口的要求。在程序存貯芯片中，通用的有光擦出和電擦除兩種，光擦除芯片進行重新寫入必須進行一次紫外線照射大約30分鐘后才可以使用；電擦除芯片只要瞬間加規(guī)定的電壓就可以完成。本文使用DALLAS公司的DS1644貯存芯片，該存貯器是8位32K Bytes的非易失靜態(tài)數(shù)據(jù)存貯器，內(nèi)置電池，具有記憶功能，數(shù)據(jù)在正常斷電情況下能保存十年以上。因為片內(nèi)沒有程序存貯器，片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器有256bytes，所以系統(tǒng)要擴展片外數(shù)據(jù)存貯區(qū)和程序存貯區(qū)，圖24就是80C320外部存貯器的配置圖。 物理上，單片機80C320有3個存儲器空間：片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器、片外數(shù)據(jù)存貯器和片外程序存貯器。在訪問程序存貯器時，DPTR可用作基址寄存器，這時有一條基址+變址方式的指令MOVC A，A+DPTR,常用于讀取存放在程序存貯器內(nèi)的表格常數(shù)。數(shù)據(jù)指針DPTR是一個16位專用寄存器，既可以作為一個16位寄存器DPTR來處理，也可以作為2個獨立的8位寄存器DPTR1和DPTR0來處理。內(nèi)部數(shù)據(jù)貯存器共256BYTES，在物理上可以分為3個不同的塊：00H~7FH(0~127)單元組成的低128字節(jié)的RAM；80H~FFH(128~255)單元組成的高128字節(jié)的RAM快；以及128字節(jié)的專用寄存器(SFR)塊。1個8位中央處理機，通過數(shù)據(jù)總線（DATA BUS），控制32個輸入/輸出口與內(nèi)部各功能寄存器鏈接在一起，而地址寄存器則通過地址總線(ADDRESS BUS)和P0和P2聯(lián)接。其中8位數(shù)據(jù)線與地址線低8位同用同一個端口，通過多時分路控制識別，ALE的輸出就是用于鎖存地址的低8位字節(jié)。其管腳配置如圖22所示，40條引腳的功能描述見表21。5. 2個全雙工串行口，可編程看門狗計數(shù)器；6. 實現(xiàn)4時鐘/機器周期（8051為12），單指令周期不大于121ns；7. 最大工作時鐘達33MHz，有內(nèi)置的時鐘振蕩器；8. 低電壓自動復位，13個中斷源/6個外部中斷。 80C320單片機的硬件結(jié)構(gòu)1. 兼容8051單片機匯編語言、管腳及其功能；2. 32個輸入/輸出端口，可位尋址；3. 3個16位定時器/計數(shù)器；256字節(jié)RAM。(2)實用性:要從單片機的供貨渠道、信譽程序等角度，對單片機的生產(chǎn)廠家進行選擇以保證單片機應用系統(tǒng)在能長期、可靠運行；(3)可開發(fā)性：選用的單片機要有可靠的可以開發(fā)手段，如程序開發(fā)工具、仿真調(diào)試手段等。 單片機芯片選型時,總的原則是: 1.“芯片含有功能或數(shù)量略大于設計需求”,設計需求盡可能用芯片完成； 2.“選大廠生產(chǎn)的、選供應量多的、選名牌的但要量保證。但是如果選擇的單片機功能過大,不但沒必要,還會造成浪費。如果選擇得不合適,就會造成經(jīng)濟浪費,影響單片機應用系統(tǒng)的正常運行,甚至根本就達不到預先設計的功能。 圖21 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖該氣象監(jiān)測儀主要采用單片機控制技術(shù)，80C320作為整個系統(tǒng)的主處理器，通過接口電路，從不同的氣象傳感器獲取不同的氣象要素，從時鐘芯片讀取時間數(shù)據(jù)，按照氣象規(guī)范要求進行運算處理，將實時資料經(jīng)驅(qū)動后由LCD顯示器顯示出來，方便現(xiàn)場閱讀；同時將氣象資料存放在本地數(shù)據(jù)存儲器RAM中，另外氣象資料按照氣象編碼要求進行編碼后，通過無線通信模塊GPRS DTU傳回信息中心。 氣象監(jiān)測儀系統(tǒng)的總體設計根據(jù)設計要求，地面自動氣象監(jiān)測儀由硬件和軟件兩大部分組成，其中硬件部分由單片機、總線接口電路、氣象傳感器、電源、時鐘電路、顯示電路、存儲數(shù)據(jù)芯片和無線傳送電路組成。數(shù)據(jù)采集接口有RS232,A/D轉(zhuǎn)換，脈沖等多種形式，方便各種不同型號、各類通信接口的氣象傳感器介入，數(shù)據(jù)可暫時存放在RAM芯片中，可記錄1個月以上的氣象數(shù)據(jù)，并且可實時傳回到信