基于单片机的通用测控系统的设计.docx

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基于单片机的通用测控系统的设计

摘要：

目前，随着芯片技术及单片机功能的不断发展和成熟，单片机技术已经在工业测控系统中得到了广泛的使用。

市场上出现了很多型号的单片机和相应的外围模块化产品，尤以8051系列。

功能强大的各种单片机的确减轻了控制系统设计人员的工作量，但它存在两个问题：

其一，在选定单片机过程中没有考虑软硬件的综合设计，即只考虑了硬件的方便性，没有考虑和之相应的软件，所以在系统设计周期中，硬件和软件的设计过程分离且相互独立，在系统集成前没有交互作用；其二，在硬件选择过程中，没有考虑系统开发周期及成本，往往需要购买专用的开发系统及编程器，开发人员还要花费一定的时间熟悉指令和仿真器，延长开发周期。

显然，这种依据项目功能选择单片机的设计方法限制了平衡软硬件的能力，不能充分发挥软硬件各自的潜力。

当最后软件和硬件组合到一起时，很可能要对硬件或软件进行修改，有时甚至要增加部分特制的硬件，从而导致开发周期延长、系统综合性能下降及潜在开发费用的增加。

为此，要在开发周期和费用的限制下设计完整的控制系统，需要主要是硬件综合设计的方法。

正是在软硬件综合设计思想的基础上，考虑到单片机测控系统的独特性及其在大多数使用领域中的相似性，以一种通用的硬件平台和软件平台来实现计算机测控系统快速有效的综合设计。

用户只需依据项目要求编制相应程序，即可完成整个系统的设计。

关键词：

单片机测控系统硬件平台

一、系统总体设计框图

图1系统总体框图

在基于单片机的通用测控系统的设计中，选用了mcs-51作为系统核心，外围电路中主要使用了X25045看门狗芯片、EEPROM芯片ATC24C02、MAX232C串口接口芯片、Intel8255A并行口扩展芯片、等等。

二、单元电路

1、单片机

本设计中所选用的单片机型号是mcs-51，围绕单片机构建的单片机最小系统如下图所示。

图2单片机系统

2、看门狗电路

对于大型的系统设计，必须考虑系统在运行过程中的“程序跑飞”问题。

为防止系统程序跑飞，可在系统中设置看门狗电路。

本设计中使用的单片机AT89C52内部集成了硬件看门狗电路，可以放心省去外部的看门狗电路。

内部集成的硬件看门狗电路缺省时为关闭状态，一旦打开就不能关闭，可以单倍速和双倍速反复设置。

对于使用的单片机中没有集成内部看门狗电路的设计中，可以选用一些专门的集成的看门狗芯片，这些芯片也可以进行软件编程，使用非常方便。

在本设计中，介绍了X25045看门狗芯片的使用方法。

图3X25045看门狗电路硬件连接图

采用单片机AT89C52和X25045组成的看门狗电路,X25045硬件连接图如图3所示。

X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。

在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。

图2电路中，CPU的复位信号共有3个：

上电复位（C1、R2），人工复位（S、R1、R2）和Watchdog复位（C2、R3），通过或门综合后加到RESET端。

C2、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。

看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。

如表2所示，X25045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。

表1X25045状态寄存器

WD1＝0，WD0=0，预置时间为1.4s。

WD1＝0，WD0=1，预置时间为0.6s。

WD1＝1，WD0=0，预置时间为0.2s。

WD1＝1，WD0=1，禁止看门狗工作。

看门狗电路的定时时间长短可由具体使用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。

编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。

当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。

3、EEPROM的扩展

在测控系统中，通常需要存储大量的数据，这就需要你较大的存储空间，而单片机自带的存储空间有限，所以就需要我们对外部存储空间进行扩展。

EEPROM主要有以下特点：

1）、对硬件电路没有特殊要求，无需主用电路，编程简单，早期的EEPROM芯片是靠外加电压电源进行擦写，现在把升压电路集成在芯片内部，使得擦写操作在+5V电源下即可完成。

2）、采用+5V电源供电，一般不需要设置单独的擦除操作，在写入的过程中自动擦除。

EEPROM擦写时间较长，约10ms,需要保证有足够的写入时间。

现在许多EEPROM芯片都设有写入结束标志，可供查询或中断使用，为编程提供了方便。

3）、EEPROM有并行总线传输的芯片和串行总线传输的芯片两种。

串行的EEPROM芯片具有体积小、成本低、电路连接简单，占用系统地址线和数据线少的特点。

但在数据传送时相对的来说速度较慢。

本设计中介绍了EEPROM芯片ATC24C02的扩展，该芯片和单片机的连接示意图如图4示。

图4ATC24C02的扩展

4、通信接口电路

MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。

采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。

它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。

其引脚结构图如图5所示。

从图中可以看出，MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。

RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，和单片机连接时只需分别和单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。

在和单片机连接时接线非常简单。

只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。

同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。

图5PC机和单片机串行通信连接图

5、单片机并行口的扩展

Tntel8255A是一个通用的可编程的并行口芯片，它有3个并行Ｉ／Ｏ口，又可通过编程设置多种工作方式，价格低廉，使用方便，可以直接和Tntel系列的芯片连接使用，在中小系统中有着广泛的使用。

图6单片机I/O口扩展

二、测量部分

1、状态量检测

设计要求：

4路（0，+5V）状态量检测；4路（0，+12V）状态量检测.

本设计中使用TLP521-4光耦进行光电隔离。

图78路开关量检测

2、模拟量检测

设计要求：

1）使用A/D转换器，12位分辨率，8通道，串行通信方式；2）4路直流量转换，4路交流量转换。

常见的A/D转换器输出多为并行方式输出，占用单片机得Ｉ／Ｏ资源较多。

而对于这样的通用测控系统的设计，单片机的Ｉ／Ｏ资源非常有限，因此节省Ｉ／Ｏ资源就非常必要了。

因此，本设计中选用了串行方式输出的ＭＡＸ１２０２　模数转换器。

ＭＡＸ１２０２是内含8通道的多路转换器、宽带的跟踪/保持电路和串行接口。

其4线的串行口可以直接和51单片机直接连接。

串行口速率达2MHz。

图8串口和单片机连接图

MAX1202具有精度高、速度快、使用灵活和体积小的优点，为设计人员提供了一种高性价比的选择。

它可广泛使用于数据采集、高精度过程控制、电池电源装置、医疗仪器等。

3脉冲量的测量

在计算机测控系统中，常常要求有计数器能对外部事件计数，如测速电机的转速、频率、工件个数等。

脉冲量的测量就可以通过计数器来实现。

可将脉冲输入接单片机引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）。

在这种情况下，当检测到输入引脚上的电平由高跳变到低时，计数器加1，这个过程需要两个机器周期来识别一个从1到0的跳变，故最高计数频率为晶振频率的1/24。

三、输出部分

1开关量输出

设计要求：

1）要求光电隔离；2）4路接220V交流负载，4路接+12V直流负载。

图9+12V直流负载接线图

图10220V交流负载接线图

2模拟量输出

图11数模转换电路

3、PWM信号输出

图3所示的主电路（部分），由开关频率较高的IRFP450开关管及相应的续流、稳压元件组成。

根据控制信号将直流电以PWM波的形式输出，通过控制占空比调节输出电压。

而且主电路部分属于高压部分，元件的选取要适合高压的要求。

主电路开关S1用来切换直流220V和25V，进行同步发电，机励磁控制和模拟汽门（直流电动机转速）控制的切换。

快速二极管D01（MUR3060PT）的作用是可以防止反向导通，而快速二极管DO2（MUR3060PT）的作用是给感性负载提供续流通道，防止过压。

电阻R4和R5组成一个分压电路，给lRFP450开关管的栅极提供一个+12VPWM电压信号，使得开关管能够跟PWM关断或者导通。

F1是一个3A的熔断丝，PWM4-和PWM2分别PWM直流调制电压的正、负端输出。

3.4电源模块

因为单片机工作电源为+5V，且底层电路功耗很小。

采用7805三端稳压片即可满足要求。

图12电源模块

四、人机接口

人机接口，又称输入/输出接口（I/O接口），是计算机和人机交互设备之间的交接界面，通过接口可以实现计算机和外设之间的信息交换。

人机交互设备是计算机系统中最基本的设备之一，是人和计算机之间建立联系、交换信息的外部设备，常见的人机交互设备可分为输入设备和输出设备两类。

1、输入设备——矩阵键盘

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。

在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。

这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。

由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

键盘的工作原理：

按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。

行线通过上拉电阻接到+5V电源上。

无按键按下时，行线处于高电平的状态，而当有按键按下时，行线电平和此行线相连的列线电平决定。

2、输出设备

单片机系统中常用的显示器有：

发光二极管LED（LightEmittingDiode）显示器。

八段LED

（1）静态显示LED显示器工作方式有两种：

静态显示方式和动态显示方式。

静态显示的特点是每个数码管必须接一个8位锁存器用来锁存待显示的字形码。

送入一次字形码显示字形一直保持，直到送入新字形码为止。

这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。

缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。

（2）动态显示

动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。

这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。

选亮数码管采用动态扫描显示。

所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。

动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。

使用LED显示器时，要注意区分这两种不同的接法。

为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。

七段数码管加上一个小数点，共计8段。

因此为LED显示器提供的编码正好是一个字节。

用共阴LED显示器显示16进制数的编码已列在下表。

共阴数码管码表

v0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,

v012345

v0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,

v6789AB

v0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00

vCDEF无显示

硬件连接图

图13硬件连接图

五、典型使用举例

对于电热锅路的温度测控系统的设计。

其原理如下：

以AT89S51单片机为核心的温度控制器的设计,在该设计中采用高精度的温度传感器AD590对电热锅炉的温度进行实时精确测量,用超低温漂移高精度运算放大器OP07将温度-电压信号进行放大,再送入12位的AD574A进行AD转换,从而实现自动检测,实时显示及越限报警。

控制部分采用PID算法,实时更新PWM控制输出参数,控制可控硅的通断时间,最终实现对炉温的高精度控制。

图14温度测控系统原理图

图16程序控制流程图

参考文献

1、姜志海.单片机原理及使用（第2版）[M].北京：

电子工业出版社，2009。

2、魏佩瑜.电工学（电工技术）[M].北京：

机械工业出版社，2007。

3、刘润华,李震梅.模拟电子技术基础[M].山东东营：

中国石油大学出版社，2008。

4、董传岱,李震梅,杨雪岩.数字电子技术基础[M].山东东营：

中国石油大学出版社，2009。

5、万隆,巴奉丽.单片机原理及使用技术[M].北京：

清华大学出版社，2010。

设计总结：

通过此次设计，我们进一步加深了对工业测控系统知识的认识和理解，掌握了单片机测控的设计方法。

更加熟练的运用理论知识，并学习了运用硬件测试、调试、改进电路。

培养了独立思考、分析、解决问题的能力，并培养了我们的动手能力。

本次设计是个综合电路。

因而在许多方面都还不熟练,不如说对一些元器件的功能还不完全了解，不能熟练运用，因而不能完全的一次性设计好该电路。

不过通过本次的课程设计我学到了学多的知识，学会了protel的一些基本使用方法，培养了我们独立思考问题解决问题的能力，加深了我们对所学知识的理解，巩固了我们的学习知识，有助于我们今后的学习。

考核成绩及评语

指导教师签字

年月日

系（教研室）意见

系（教研室）主任签字

年月日