智能仪表主控电路设计.docx

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智能仪表主控电路设计

引言

仪表是实现生产过程自动化的重要工具，智能仪表是以微电子技术和计算机技术为基础的，是以微型计算机为主体将计算机技术和检测技术相结合所产生的。

由于采用了微处理器核心，因而具备了计算机所具备的数据存储、数据处理等功能，通过不同的软件组合其功能也表现出了传统仪表所不能达到的智能化功能。

近年来，随着智能技术的不断发展和微处理器的运算能力不断增强，智能算法也被大量引入到智能仪表的应用领域，仪表的智能程度也在不断的提高，已成为现代仪器仪表发展的主流。

随着新技术、新器件、新标准的不断涌现和应用领域的不断扩大，智能仪器仪表的体系结构、设计和实现的方法在不断变革之中。

新世纪，仪器仪表的概念将是一个开放的系统概念。

以PC机和工作站为基础，通过组建网络来构成各种实用测控系统，提高工作效率并实现信息资源共享，已成为现代仪器仪表发展的方向之一。

仪器仪表的不断更新给我们许多生活领域带来很大方便，并且能够准确测量，避免了一些人为方面的误差。

本设计简要的介绍了智能仪表的体系结构、基本硬件设计原理。

设计共分五章，第一章概述，简要论述了智能仪表的发展概况及其组成；第二章微处理器选取及最小系统设计，主要说明了构成智能仪表主电路的元件选取；第三章简单论述了A/D转换电路；第四章介绍了键盘及LED显示器的接口设计；第五章用相关芯片设计了主控电路的串行口。

第一章绪论

1.1智能仪表概述

仪表所采用的电子器件经历了真空管、晶体管和集成电路三个时代；从组成结构、工作原理和功能特点等方面考察，仪表则经历了模拟式、数字式和智能化三个发展阶段。

人们通常把模拟式仪器称为第一代，大量指针式的电压表、电流表、功率表及一些通用的测试仪器均是典型的模拟式仪器。

模拟式仪器功能简单、精度低、响应速度慢。

第二代是数字式仪器，它的基本特点是将待测的模拟信号转换数字信号进行测量，测量结果以数字形式输出显示并向外传送。

数字式万用表、数字式频率计等均是典型的数字式仪器。

数字式仪器响应速度快，读数清晰、直观，测量结果可打印输出，也容易与计算机技术相结合。

同时因数字信号便于远距离传输，所以数字式仪器也便于遥测、遥控。

智能仪器属于第三代，它是在数字化的基础上发展起来的，是计算机技术与仪器仪表相结合的产物。

工业自动化仪表是用以实现信息的获取、传输、变换、存储、处理与分析,并根据处理结果对生产过程进行控制的重要技术工具。

其中包括检测仪表、分析仪表、执行与控制仪表、记录仪表等几大类,也有将几部分功能集成在一起的仪表,是工业控制领域的基础和核心之一。

微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展,引起了仪器仪表结构的根本性变革,即以微型计算机为主体,代替传统仪表的常规电子线路,成为新一代具有某种智能的灵巧仪表。

这类仪表的设计重点,己经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板或微机功能部件、接口电路和输入/输出通道的设计,以及应用软件的开发。

传统模拟式仪表的各种功能是由单元电路实现的,而在以单片机或嵌入式系统为主体的仪表中,则由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件,来完成众多的数据处理和控制任务。

这类仪表已经实现人脑的一部分功能,例如四则运算、逻辑判断、命令识别等,有的还能够进行自校正、自诊断,并具有自适应、自学习的能力,因此习惯上称之谓“智能仪表”。

概括地讲，微处理器在智能仪器中的作用主要体现在对测试过程的控制和对测试数据的处理两个方面：

对测试过程的控制表现在微处理器可接受来自键盘或通讯接口的命令，解释并执行这些命令，从而控制仪器仪表各部分的工作过程，同时对工作状态进行监测；对测试数据的处理则表现为硬件电路只须具备最基本的测试能力，向微型计算机提供原始数据。

对数据的进一步加工处理，如信号滤波、数据的组装、运算、确定小数点位置和工程单位、将最终结果转换成七段数码送显示器显示，或按规定格式从通讯接口输出等工作均可由专门的软件来完成。

1.2智能仪表组成及应用

本设计的智能仪表属于微机嵌入式智能仪器。

微机嵌入式智能仪器将微处理器及外围芯片与仪器有机地结合在一起，嵌入式微型计算机在其中主要起测量过程控制及数据处理的作用。

这类智能仪器一般为专用或多功能产品。

具有小型化、便携式、低功耗、易于密封、适应恶劣环境、成本低廉等特点。

目前在工业控制、科学研究、军工企业、家用电器等方面广为应用。

微机嵌入式智能仪器仍保持着仪器原有的面貌，是智能仪器最基本的组织形式。

以CPU为仪器的核心,它通过内部总线及接口电路与仪器内存、输入通道、输出通道、仪器面板以及标准通信总线接口相连。

程序存储器和数据存储器分别存放智能仪器的监控程序、应用程序和各类数据。

外部数字信号须转换为微计算机可以接收的电平，直接送微型计算机或经过隔离电路处理再送入微型计算机，为使智能仪器能够快速灵活地对外部事件做出反应，设有若干外部中断申请。

模拟输入通道往往是决定智能仪器测量准确度的关键部位，各类测量信号先由相应的传感器变换成电信号放大器、滤波器、多路转换器、采样/保持器、A/D转换器、三态缓冲器等部分，特殊场合尚需有模拟量输出通道（D/A），它主要由D/A转换器，多路分配器、模拟保持器、低通滤波器等部分构成。

智能仪器的数字量输出一方面根据控制需要进行隔离、电平转换和驱动处理；另一方面也可与磁盘、光盘驱动器、X-Y绘图仪或打印机相接，以获得测量结果数据的拷贝和记录。

通信接口起着沟通与外部系统联系的作用，需符合某种通信总线的标准。

与传统仪器相比，智能仪表仪器的面板功能强大、传递的信息更丰富、操作更方便。

功能简单的仪器一般采用LED或液晶显示器显示数据。

智能仪器仪表由于功能强大、性能优越、体积小、操作方便等，在传统的测量领域得到广泛应用并涌现出诸如频谱分析仪、医疗监护仪、再线检测仪、再线分析仪等众多的新型仪器，进一步扩大了应用领域。

1.3智能仪表的特点

1、仪表功能强大

智能仪器仪表是硬件和软件的综合体。

由于软件强大的运算能力和灵活性，在数据存储、数据处理和测量过程自动控制等方面，仪器仪表的功能大大增强。

2、仪表性能优越

智能仪器仪表中通过微处理器进行数据存储和运算处理，很容易实现多种自动补偿、自动校正、多次测量平均等技术，使测量精度大大提高。

通过执行适当和巧妙的算法，常常可以克服或弥补仪器硬件本身的缺陷或弱点，改善仪器仪表的性能。

3、仪表操作自动化

智能仪器仪表自动化程度高，被称之为自动测试仪器仪表。

智能仪器仪表通常都能自动选择量程、自动校准，有的还能自动调整测试点，既方便了操作，也排除了人为因素的影响，提高了测试的准确性和可靠性。

4、数据传送与通信

本设计的智能仪表采用标准的RS-485串行通信接口，能够很方便地接入自动测试系统，接受遥控命令、实现自动测试。

第二章微处理器的选取及最小系统

2.1MCS-51系列单片机的硬件结构特点

MCS-51系列是美国Intel公司生产的8位单片机。

硬件结构的主要特点：

1、内部程序存储器（ROM）和内部数据存储器（RAM）容量

MCS-51系列的8051片内部ROM是4KB，内部RAM是128B。

2、输入/输出（I/O）口

MCS-51单片机内的I/O口的数量和种类多且齐全，尤其是它有一个全双工的串行口。

该串口是利用两根I/O口线构成的，有四种工作方式，可通过编程选定,MCS-51有32根I/O口线。

3、外部程序存储器和外部数据存储器寻址空间

MCS-51可对64KB的外部数据存储器寻址且不受该系列中各种芯片型号的影响，而对程序存储器是内外总空间为64KB，MCS-51外部程序存储器最大寻址范围为64KB。

4、中断与堆栈

MCS-51有5个中断源,分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的。

它的堆栈位置也是可编程的，堆栈深度可达128字节。

5、定时/计数器与寄存器区

MCS-51子系列有2个16位定时/计数器，通过编程可以实现4种工作模式。

MCS-51在内部RAM中开设了四个通用寄存器区，共32个通用寄存器,以适应多种中断或子程序嵌套的要求。

6、指令系统

MCS-51有一个功能很强的指令系统,主要是有减法、乘法、除法、比较、堆栈操作（压入和弹出）和多种位操作指令。

指令系统共分五大类，111条。

7、布尔处理器

特别值得一提的是MCS-51的布尔处理器。

它实际上是一个完整的一位微计算机，这个一位微机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。

一位机在开关决策、逻辑电路仿真和实时测控方面非常有效，而八位机在运算处理、智能仪表常用的数据采集方面有明显的长处。

在MCS-51系列单片机中八位机和一位机（布尔处理器）的硬件资源是复合在一起的，二者相符相承，这是MCS-51在设计上的精美之处，也是一般微机所不具备的。

8、串行口

MCS-51有一个可编程的全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。

该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为移位器使用。

RxD脚为接收端口，TxD脚为发送端口。

2.2微处理器8051的简介

2.2.18051引脚功能及特性

HMOS制造工艺的8051芯片采用40引脚的双列直插封装，图2-1是8051的单片机的引脚图。

在40条引脚中有两条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。

图2-18051引脚配置图

下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。

1、主电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）接+5V电压。

Vss（20脚）接地。

2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。

在主控电路中它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

当采用外部振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2（18脚）接外部晶体管的另一端。

在主控电路中接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接到内部时钟发生器的输入端。

3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/

、

和

/VPP

①RST/VPD（9脚）：

当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使主电路复位。

Vcc掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。

当Vcc主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

②ALE/

（30脚）：

当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端也以不变的频率周期地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此，它可以做对外输出时钟，或用于定时目的。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。

对于有EPROM时，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（

）。

③

（29脚）：

此脚的输出是外部程序存储器的读选信号。

在从外部程序存储器取指令（或常数）期间,每个机器周期两次

有效。

同样可以驱动（吸收和输出）8个LS型的TTL输入电路。

④

/VPP（引脚）：

当

端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在8051内值超过0FFFH，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

当

保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。

当扩展EPROM时，在对EPROM编程期间，此引脚也用于施加5伏的编程电源。

4、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）

①P0口（39脚～32脚）：

是双向8位三态I/O口，在外部存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。

外部扩展存储器时，当作数据总线（如图2-2中的P0.0～P0.7为数据总线接口）；外部扩展存储器时，当作地址总线（如图2-2中的P0.0～P2.7为地址总线接口）。

②P1口（1脚～8脚）：

是8位准双向I/O口。

由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。

P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。

当只作I/O口使用，其内部有上拉电阻。

③P2口（21脚～28脚）：

是8位准双向I/O口。

在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。

扩展外部存储器时，当作地址总线使用，做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。

④P3口（10脚～17脚）：

是8位准双向I/O口，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。

除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。

作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和方法与P1口相同。

作为第二功能使用时，各引脚的另有定义。

值得注意的是，P3口的每一条引脚均可独立定义第一功能的输入输出或第二功能。

P1、P2、P3口均有内部上拉电阻。

当它们用作输入方式时，各口相对应的锁存器必须先置1，由此关断输出驱动器（场效应管）。

这时P1、P2、P3口相应引脚的上拉电阻可将电平上拉成高电平，然后进行输入操作；当输入低电平时，它能拉低电平输入。

P0口与其它I/O口不同，内部没有上拉电阻，驱动器上的场效应管仅用于外部存储器读/写时，作为地址/数据线用。

其它情况下，场效应管被开路，因而P0口具有开漏输出。

如果在给锁存器置入“1”状态，使输出的两个场效应管均关断，使引脚处于“浮空”，成为高阻状态。

每个I/O口均有两种读入方法，即读锁存器和读引脚，并有相应的指令。

2.2.28051片内总体结构

8051片内片内总体结构框图如图2-2所示。

图2-28051片内总体结构框图

它主要有九个部件组成，这九个部件是：

1个8位的中央处理器；4KB的只读存储器（ROM）；128字节的数据存储器（RAM）；32条I/O口线（四个8位口P0、P1、P2、P3）；2个定时器/计数器；1个具有5个中断源、2个优先级的中断嵌套结构；用于多机处理通讯、I/O口扩展或全双工UART（通用异步接受发器）的串行口；特殊功能寄存器（SFR）；一个片内振荡器和时钟电路。

这九个部件都是通过单一总线连接而成，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式。

但在功能单元上却有了重大变化，采用了特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方法。

2.2.3中央处理器及振荡器、时钟电路和CPU时序

一、中央处理器

中央处理器是仪表主控电路的核心部件，它决定了智能仪表的主要功能。

中央处理器主要有运算部件和控制部件组成。

1、运算部件：

它包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器Acc、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态寄存器PSW以及十进制调整电路等。

运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送操作。

运算部件ALU的功能十分强大，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可进行加、减、乘、除等基本运算。

为了乘除的需要，还设置了B寄存器。

在执行乘法指令时，用来存放其中一个乘数的高8位数；在执行除法运算指令时，B中存放除数及余数。

主控电路指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与CPU中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对字节（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”、等操作。

在实现位操作时，借用了程序状态标志寄存器（PSW）中的进位标志位Cy作为操作的“累加器”。

运算部件中的累加器Acc是一个8位的累加器（Acc也可简称为A）。

需要说明的是Acc的进位标志Cy就是布尔处理器进行以位操作的一位累加器。

8051的程序状态寄存器PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。

2、控制部件

控制部件是主控电路的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码器以及信息传送控制部件。

它以主振频率为基准发出CPU时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的操作，用来控制电路的各部分运行。

通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器（CentralProcessingUnit）,简称CPU。

二、振荡电路、时钟电路和CPU时序

时钟电路就是振荡电路，向主控电路提供一个正弦波信号作为基准，决定智能仪表的执行速度。

时钟电路与8051的连接如图2-3所示。

图2-3时钟电路

晶振：

石英晶体振荡器的简称，通常用来构成振荡电路，产生各种频率信号。

外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在8051芯片的XTAL1和XTAL2端一起构成智能仪表主电路的时钟。

对外接电容C1和C2的值虽然没有严格要求，但电容的大小多少会影响振荡器的频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。

外接晶体时，通常选C1和C2的值为30pF左右，经实验证明这里取为30pF。

为了提高温度的稳定性，通常晶体可以在1.2MHz～12MHz之间选择，经实验证实取12MHz为最好。

一条指令可以分解为若干基本的微操作，而这些微操作所对应的脉冲信号，在时间上有严格的先后次序，这些次序就是单片机的时序。

它指明主电路内部与外部互相联系所遵守的规律。

①振荡周期：

是为主控电路提供定时钟信号的振荡周期。

②时钟周期：

又称状态周期，由两个振荡周期构成。

③机器周期：

一个机器周期由6个状态（12个振荡脉冲）组成，即6个时钟周期，12个振荡周期。

可以用机器周期把一条指令分成若干个阶段，每个机器周期完成某些规定操作。

④指令周期：

是执行一条指令所占用的全部时间，一个指令周期通常含有1～4个机器周期。

时钟电路振荡频率fosc=晶振频率

时钟电路振荡周期=1/fosc

单片机机器周期=振荡周期×12

在8051的指令系统中，指令长度为1～3字节，除MUL（乘法）和DIV（除法）指令外，单字节和双字节指令都可能是单周期和双周期的，3字节指令都是双周期的，乘法指令为4周期指令。

所以，若用12MHz晶振，则指令执行时间分别是1μs、2μs、和4μs。

2.2.48051复位状态及复位电路

一、复位状态

电路复位都是靠外部电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在8051的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，主电路便实现初始化复位。

为了保证应用系统可靠的复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。

只要RST保持高电平，则8051主电路就循环复位；当RST从高电平变为低电平以后，8051主电路从0000H地址开始执行程序。

在复位期间，ALE、

引脚输出高电平。

复位后，P0口～P3口输出高电平，且使这些准双向口皆处于输入状态，同时，将程序计数器PC和其余的特殊功能寄存器清为零。

但复位不影响8051内部的RAM状态。

二、复位电路

复位电路产生复位信号，使单片机从固定的起始状态开始工作，完成单片机的“启机”过程。

复位电路如图2-4所示。

图2-4电平式开关复位与上电位复位

8051通常都采用上电自动复位和开关复位二种方式，但智能仪表主电路设计采用这两种复位的组合电路，也称混合式复位。

复位电路的核心就是必须保证RST引脚上出现10ms以上的高电平，这样就能实现可靠地复位。

当采用12MHz时钟时，取电容为10μF，电阻R为5.6K。

在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠的工作，常将RC电路接斯密特电路后在接入单片机复位端和外围电路复位端。

这样特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当有多个复位端时，能保证可靠地同步复位。

2.2.5存储器、特殊功能寄存器及位地址空间

8051的存储器可分为五类：

1、程序存储器；

2、内部数据存储器；

3、特殊功能寄存器；

4、位地址空间；

5、外部数据存储器；

8051单片机的存储器、特殊功能寄存器（SFR-SpecialRegister）及位地址空间的结构如图2-5所示。

程序存储器内部数据存储器外部数据存储器

（a）（b）（C）

图2-5存储器结构

（1）程序存储器结构及运行操作

程序存储器的结构如图2-5（a）所示。

程序存储器用于存放编好的程序和表格常数，它以程序计数器PC作地址指针。

一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，微处理器是完全按照人们预先编写的程序而执行。

那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器（ROM）。

程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。

其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。

只是程序代码则存放于程序存储器中。

8051具有64kB程序存储器寻址空间，它是用于存放用户程序、数据和表格等信息。

对于8051等单片机，正常运行时，则需单片机的端接高电平，使CPU先从内部的程序存储中读取程序，当PC值超过内部ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。

当

=1时，程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部ROM空间。

当

=0时，程序从外部存储器开始执行。

8051片内有4kB的程序存储单元，其地址为0000H～0FFFH，单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H，所以系统将从0000H单元开始执行程序。

但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意。

（2）内部数据存储器结构及操作

8051片内数据存储器结构如图2-5（b）所示。

它由工作寄存器、位寻址区和和数据缓冲器组成，不同的地址区域内，功能不完全相同。

8051内的数据存储器的特点之一是工作寄存器和数据存储器是统一编址的。

内部RAM的00～1FH为工作寄存器区，共分4个区，每区有8个工作寄存器R0～R7，共32个内部RAM单元。

当前程序使用的工作寄存器是由程序状态字PSW的第3位（RS0）和第4位（RS1）二位指示的，用户可以通过指令改变PSW中的RS1和RS0这二位来切换寄存器区，CPU通过修改PSW中的RS1和RS0二位的状态，就能任选一个工作寄存器区。

（3）特殊功能寄存器

特殊功能寄存器是用来对片内各功能模块进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区。

8051片内的I/O口锁存器、定时器、串行口缓冲器以及各种控制寄存器和状态寄存器都以特殊功能寄存器的形式出现，它们位于片内数据存储器之上，离散的分布在80H～FFH的地址空间范围内。

特殊功能寄存器的总数为26个，其中有12个位寻址，用户可以通过使用位能标记对12个寄存器的任一个有效位进行位操作。

（4）位地址空间及外部数据存储器

位地址空间共分两个区域，外部数据存储器结构如图2-5（c）所示。

在片外数据存储器中，数据区与扩展的I/O口统一编址。

2.3外部程序存储器及数据存储器扩展

2.3.1扩展32K字节EPROM

一、外部程序存储器的扩展原理

8051单片机扩展外部程序存储器的硬件电路如图2-6所示。

图2-68051单片机程序存储器的扩展

8051单片机访问外部程序存储器所使用的控制信号有：

ALE：

低八位地址锁存器。

：

外部程序存储器“读取”控制。

在外部程序存储器取指期间，P0口和P2口的16根I/O线输出地址码，其中P0口作为分时复用地址/数据总线，它送出程序计数器中的低八位地址（PCL），由ALE信号选通进入地址锁存器，然后变成浮置状态等待从程序存储器读取指令码，而P2口输出的程序计数器中的高八位地址（PCH）保持不变。

最后，用

作为选通EPROM的信号，将指令码读入单片机。

二、27256EPROM芯片

本设计须扩展为32K的程序存储器，27256是32K×8位的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为10mA，维持电流40mA，读出时间最大为250ms，28