單片機數(shù)據(jù)采集在沖天爐中的應用.doc

摘要 本系統(tǒng)以單片機 sst89e564 為核心，設計了一個用于對沖 天爐中溫度的高精度自動調(diào)控和對料位、風壓及風量等指標進行 檢測并顯示的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。在總結(jié)分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基 本構(gòu)成、種類及其特點的基礎(chǔ)上，本著方便、實用、可靠及經(jīng)濟 等設計原則，詳細介紹了將單片機數(shù)據(jù)采集應用到?jīng)_天爐中的具 體實現(xiàn)步驟，設計開發(fā)了基于單片機 sst89e564 的數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)_天爐傳送過來的四路 15v 的模擬量進行 采集，并對其進行監(jiān)控，以判斷沖天爐的當前工作狀態(tài)是否正常， 并在必要時給出相應的報警信息。此外，該系統(tǒng)配有能實時顯示 數(shù)據(jù)采集結(jié)果的 led 顯示器模塊同時為了滿足數(shù)據(jù)處理和傳輸 的需要，系統(tǒng)還留出了串行通信接口，可以通過 rs-232c 總線 將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到 pc 機顯示和處理。數(shù)據(jù)的運算和處理都 是由單片機 sst89e564 調(diào)用不同的多字節(jié)浮點數(shù)子程序來實現(xiàn) 的。本設計當中，子程序主要有四字節(jié)浮點數(shù)加法、乘法、除法 等。本系統(tǒng)借助 51 單片機集成開發(fā)環(huán)境 medwin 來進行編程和 離線仿真，這使得設計開發(fā)過程變得更方便、快捷。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：沖天爐，數(shù)據(jù)采集，單片機 2 abstract this system bases on sst89e564 microcontroller. i have designed data collection system that it is used for regulating and controling temperature ,detecting feed place and wind pressure and measure. for the proper of the convenience, practical and dependable and economic etc, this paper designs principle in tallying up to analyze data collecting the system based on constitute, the foundation between category and its characteristics. this paper detailed introduces the actually procedure of the single machine data to apply to the cupola. and design the data system based on single chip sst89e564.this system can collect 1-5v four-way simulation transmits by chongtian stove, it is also be supervised and gives as occasion arise to report to the police the information homogonously. in addition, this system has the led display mold correspondence. .in order to satisfying the needs of data andling and transfer, the system has designed the serial communication interface, and it can ransmit the frequency to personal computer by way of rs-232c bus. these accurate data handlings are all realized by the different multibyte float-point number broutines of sst89e564 microcontroller. in this design, subroutines chiefly have four bytes floating number addition, multiplication and division etc. this system proceeds to weave the distance with off-line imitate true with the help of 51 single chip gather development environment medwin.it makes the design evelopment process become more convenient and fast. keykey wordswords：cupola、data collecting、single-chip 目錄 摘摘 要要 ii abstract.iiabstract.ii 目目 錄錄 iiiiii 第一章第一章 引言引言 3 3 第二章第二章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展概況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展概況 5 5 2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本概念 5 2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成 5 2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的種類及其特點 6 2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 8 第三章第三章 系統(tǒng)設計方案選擇系統(tǒng)設計方案選擇 9 9 3.1 方案選擇 .9 3.1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 9 3.1.2 微控制電路 .11 第四章第四章 系統(tǒng)硬件原理及設計系統(tǒng)硬件原理及設計 1414 4.1 硬件設計的主要步驟 .15 4.2 關(guān)鍵器件說明 .16 4.2.1 sst89e564.16 4.2.2 adc080919 4.2.3 8279.21 4.3 單片機模塊電路 .22 4.3.1 時鐘電路.23 4.3.2 復位電路.23 4.3.3 數(shù)據(jù)存儲器電路.24 4.3.4 地址分配.24 4.4 光電隔離電路 .25 4.5 電源電路 .26 4 4.6 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路 26 4.7 人機交互部分電路 .28 4.7.1 鍵盤顯示接口電路28 4.7.2 串行通訊接口電路29 第五章第五章 系統(tǒng)軟件原理及設計系統(tǒng)軟件原理及設計 3030 5.1 軟件設計的主要步驟 .30 5.2 軟件主程序 .31 5.3 0809 中斷子程序.32 5.4 鍵盤中斷子程序 .33 5.5 顯示中斷子程序 .33 5.6 串行通訊子程序 .36 第六章第六章 系統(tǒng)的抗干擾及可靠性設計系統(tǒng)的抗干擾及可靠性設計 3838 6.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的常見干擾現(xiàn)象 .38 6.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常用的抗干擾措施 .39 第七章第七章 系統(tǒng)的主要性能指標系統(tǒng)的主要性能指標 4141 致謝致謝 4242 參考資料參考資料 4343 附錄附錄 系統(tǒng)完整電路圖系統(tǒng)完整電路圖 4444 附錄附錄 單片機源程序清單單片機源程序清單 4545 第一章 引言 進入 20 世紀 90 代年，隨著科技的發(fā)展和各行各業(yè)的激烈 競爭，鑄造業(yè)開始采用新技術(shù)、新材料和新設備，來增強自身的 競爭能力。沖天爐熔煉控制是獲得優(yōu)質(zhì)鐵水及鑄件的必要條件。 因此鑄造工作者一直在不懈地研究沖天爐熔煉控制技術(shù)，來提高 熔煉控制水平，促進鑄造業(yè)發(fā)展?？刂瓶茖W產(chǎn)生于本世紀 30 年 代，已經(jīng)經(jīng)歷了 60 年的發(fā)展歷程。在上個世紀 4060 年代， 是經(jīng)典控制理論發(fā)展階段，但投入使用的較少。在 6070 年代， 由于計算機技術(shù)的發(fā)展，為求解高階微分方程提供了方便，因而 出現(xiàn)了現(xiàn)代控制理論。這兩種控制理論都必須建立精確的數(shù)學模 型。本世紀 70 年代末，控制技術(shù)發(fā)展的新方向為“智能控制” ， 它研究和模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研 制具有模仿人的智能控制系統(tǒng)。 目前，世界各國鑄鐵熔煉仍以沖天爐為主，而且將來很長時 期內(nèi)仍將廣泛地存在。這是因為沖天爐熔煉效率高，生產(chǎn)成本低 和適應性強，能大量使用價格低的廢鐵、廢鋼，可以連續(xù)生產(chǎn)。 這些優(yōu)點鞏固了它在鑄鐵熔煉中的地位。多年來全世界各國都在 大力發(fā)展沖天爐熔煉技術(shù)。 沖天爐由前爐、后爐和送風系統(tǒng)三大部分組成的。后爐是主 體，主要操作有加料口處加燃料于爐體底部，再加入鐵料和溶劑， 爐內(nèi)燃料燃燒，并從風口處向爐內(nèi)送風等。燃燒產(chǎn)生的熱量使鐵 料融化成鐵水。前爐是用于盛放鐵水的，并可開爐出鐵。后爐的 鐵水是通過“過橋”流入前爐的。若要提高鑄件質(zhì)量，鐵水的溫 度是一個關(guān)鍵的因素，為了能做到對溫度的調(diào)控，需要對料位、 風壓及風量等指標進行實時的檢測和控制，這就需要把這些連續(xù) 變化的物理量變成相應的數(shù)字量送入計算機內(nèi)進行加工，處理； 6 反之，也需要將計算機計算結(jié)果的數(shù)字量轉(zhuǎn)為連續(xù)變化的模擬量， 用以控制，調(diào)節(jié)相對應的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對被控對象的控制，這 就需要用到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 第二章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展概況 2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本概念 在現(xiàn)代工業(yè)控制、自動檢測技術(shù)及信號處理中，數(shù)據(jù)是指 現(xiàn)場采集來的電壓、電流、壓力、流量、溫度和角度等信號，此 外還包括一些開關(guān)量信號。在微型計算機應用于智能化儀器儀表、 信號處理和工業(yè)自動化等過程中，都存在著模擬量的測量與控制 問題即將溫度、壓力、流量、位移及角度等模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信 號，再收集到微型機上進一步予以顯示、處理、記錄和傳輸，這 個過程即稱作“數(shù)據(jù)采集”2。相應的系統(tǒng)即為微機數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)。 2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成 一個典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應該具備如下三部分: （1）數(shù)據(jù)采集器 包括多路開關(guān) mux、測量放大器 ia、采樣保持器及模數(shù)轉(zhuǎn) 換器等?？蓪⒍鄠€現(xiàn)場模擬信號逐個采樣再量化成為數(shù)字信號后 送往微型計算機(單片機)。典型的數(shù)據(jù)采集器硬件框圖如圖 2-1 所示。 多 路 模 擬 開 關(guān) 模擬通道 1 模擬通道 2 模擬通道 n . . . 測 量 放 大 器 采 樣 保 持 器 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 器 c p u 控制邏輯 圖 2-1 數(shù)據(jù)采集器原理框圖 （2）微機接口電路 用來傳送數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行所需要的數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息以及控 制信號等。 （3）數(shù)模轉(zhuǎn)換器 將微機輸出的數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換為模擬信號，以實現(xiàn)系統(tǒng)要求 控制任務。一般將包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 也稱為模擬輸入與輸出系統(tǒng)。 可以從數(shù)字信號處理的觀點來理解數(shù)據(jù)采集的全過程3: 從輸入端輸入的模擬信號(時間、幅值均在連續(xù)范圍內(nèi)取值)， 首先經(jīng)過一個連續(xù)時間的預采樣濾波器，由采樣器每隔 t 秒讀出 一次數(shù)據(jù)，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)碼，即微機可接受的 數(shù)字信號。信號的采樣脈沖應做得很窄，以便在脈沖空余時間可 以進行多路復用。在微機輸出端，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可將數(shù)字信 號再轉(zhuǎn)換為模擬信號。在此轉(zhuǎn)換過程中，二進制數(shù)首先轉(zhuǎn)換為連 續(xù)時間脈沖。脈沖之間空隙則利用“再建濾波器”填充恢復平滑。 2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的種類及其特點 一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可分為四類： 1、基于通用微型計算機(比如 pc 機)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 8 這種系統(tǒng)主要功能是將采集來的信號經(jīng)過外部的采樣和 a/d 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過接口電路送入微機內(nèi)進行處理，然后 再顯示處理結(jié)果或經(jīng)過 d/a 轉(zhuǎn)換輸出。它主要有以下幾個特點： (1)系統(tǒng)較強的軟、硬件支持。通用微型計算機系統(tǒng)所有的 軟、硬件資源都可以用來支持系統(tǒng)進行工作。 (2)具有自開發(fā)能力。 (3)系統(tǒng)的軟硬件的應用/配置比較小，系統(tǒng)的成本較高，但 二次開發(fā)時，軟硬件擴展能力較好。 (4)在工業(yè)環(huán)境中運行的可靠性差，對安放的環(huán)境要求較高， 程序在 ram 中運行，易受外界干擾破壞。 2、基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 它是由單片機及其一些外圍芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是 近年來微機技術(shù)快速發(fā)展的結(jié)果，它具有如下特點: (1)系統(tǒng)不具有自主開發(fā)能力。因此，系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)必 須借助開發(fā)工具。 (2)系統(tǒng)的軟硬件設計與配置規(guī)模都是以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 功能要求為原則，因此具有最佳的性價比。 (3)系統(tǒng)的可靠性好、使用方便。應用程序在 rom 中運行 不會因外界的干擾而破壞，而且上電后系統(tǒng)立即進入工作狀態(tài)， 系統(tǒng)的實時性較好。 3、基于 dsp 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) dsp 數(shù)字信號微處理器從理論上而言就是一種單片機的形 式，常用的數(shù)字信號處理芯片有兩種類型，一種是專用 dsp 芯 片，一種是通用 dsp 芯片?；?dsp 數(shù)字信號微處理器的數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)的特點如下:精度高、靈活性好、可靠性好、容易集成、 分時復用等，但其開發(fā)工具，芯片價格均高于普通的單片機，因 此設計出的產(chǎn)品成本較高，同類產(chǎn)品在市場上的競爭力會明顯降 低。 4、基于混合型計算機采集系統(tǒng) 這是一種近年來隨著 8 位單片機出現(xiàn)而在計算機應用領(lǐng)域 中迅速發(fā)展的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。它是由通用計算機(pc 機)與 單片機通過標準總線(例如 rs-232 標準)相連而成。單片機及其 外圍電路構(gòu)成的部分是專為數(shù)據(jù)采集等功能的要求而配置的，主 機則承擔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的人機對話、大容量的計算、記錄、打印、 圖形顯示等任務。混合型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下特點： (1)通常具有自開發(fā)能力。 (2)系統(tǒng)配置靈活，易構(gòu)成各種大中型測控系統(tǒng)。 (3)主機可遠離現(xiàn)場而構(gòu)成各種局域網(wǎng)絡系統(tǒng)。 (4)充分利用主機資源，但不會占有主機的全部 cpu 時間。 2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 微電子技術(shù)的一系列成就以及微型計算機的廣泛應用，不僅 為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用開拓了廣闊的前景，也對數(shù)據(jù)采集技術(shù)的 發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以 下幾個方面： （1）新型快速、高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部件不斷涌現(xiàn)，大大 提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。 （2）高性能單片機的問世和各種數(shù)字信號處理器的涌現(xiàn)， 進一步推動了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應用。 （3）智能化傳感器的發(fā)展，將對今后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展 產(chǎn)生深遠的影響。 （4）與微型機配套的數(shù)據(jù)采集部件的大量問世，大大方便 了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各個領(lǐng)域里應用并有利于促進數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技 術(shù)的進一步發(fā)展。 （5）分布式數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的一個重要趨勢。 10 第三章 系統(tǒng)設計方案選擇 3.1 方案選擇 3.1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 在單片機的實時測控和智能化儀表等應用系統(tǒng)中，常需將檢 測到的連續(xù)變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等轉(zhuǎn)換成離 散的數(shù)字量，才能輸入到單片微機中進行處理。然后再將處理結(jié) 果的數(shù)字量經(jīng)過 d/a(數(shù)模)變換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，實現(xiàn)對儀 器、儀表、機電設備、裝置的控制。若輸入的是非電的模擬信號， 還需經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號。實現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量的設備 稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)，簡稱 a/d。 （1）a/d 轉(zhuǎn)換器的基本原理 根據(jù) a/d 轉(zhuǎn)換器的原理可將 a/d 轉(zhuǎn)換器分成兩大類。一類是 直接型 a/d 轉(zhuǎn)換器，另一類是間接型 a/d 轉(zhuǎn)換器。在直接型 a/d 轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何中 間變量；在間接型 a/d 轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成 某種中間變量(時間領(lǐng)串、脈沖寬度等等)，然后再把這個中間變 量轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼輸出，圖 3-1 是 a/d 轉(zhuǎn)換器的基本分類圖。 a/d 轉(zhuǎn)換器 恢復現(xiàn)場 間接型 a/d 電荷再分配型 a/d 反饋比較型 a/d 非反饋比較型 a/d 逐次逼近型 a/d 跟蹤讀數(shù)式 a/d 串聯(lián)方式 a/d 并聯(lián)方式 a/d 串/并聯(lián)方式 a/d 電壓/時間變換型 單積分型 a/d 雙積分型 a/d 四重積分型 a/d 五重積分型 a/d 脈寬調(diào)制積分型 a/d 電壓/頻率變換型 a/d(v/f 變換器) 圖 3-1 a/d 轉(zhuǎn)換器分類圖 盡管 a/d 轉(zhuǎn)換器的種類很多，但目前應用較廣泛的主要有三 種類型。逐次迫近式 a/d 轉(zhuǎn)換器、雙積分式 a/d 轉(zhuǎn)換器和 v/f(電壓/頻率)變換式 a/d 轉(zhuǎn)換器。 在大規(guī)模集成電路技術(shù)飛速發(fā)展的今天，對于單片機應用系 統(tǒng)的設計、研制人員，重要的是正確、合理地選用商品化的 a/d 集成電路芯片，并了解它們的應用功能和與單片機的接口方法。 （2）v/f 型 a/d 轉(zhuǎn)換器 v/f 轉(zhuǎn)換器是把電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號的器件，有良好的 精度、線性和積分輸入特點，此外，它的應用電路簡單，體積小 巧、外圍組件性能要求不高，對環(huán)境適應能力強、價格低等優(yōu)點， 但其轉(zhuǎn)換速度低，因此其只能在一些非快速、精度要求不高的 a/d 中使用。 （3）逐次逼近式 a/d 轉(zhuǎn)換器 12 下圖是逐次逼近式 a/d 轉(zhuǎn)換器的電路原理固。其主要原理為： 將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號 uin 與一個推測信號 ui 相比較，根 據(jù)推測信號大于還是小于輸入信號來決定增大還是減少該推測信 號，以便向模擬輸入信號迫近。推測信號由 d/a 從轉(zhuǎn)換器的輸出 獲得，當推測信號與模擬信號相等時，向 d/a 轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字 就是對應模擬輸入量的數(shù)字量。逐次逼近式 a/d 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時 間可從幾微秒到 100 微秒左右，屬于中速 a/d 轉(zhuǎn)換器，常用于工 業(yè)多通道單片機控制系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。 鑒于這些優(yōu)點，本設計選取常用的逐次逼近型 a/d 轉(zhuǎn)換器 adc0809 作為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。 3.1.2 微控制電路 微控制器（單片機）是整個電路的核心，它就是一個微型的 計算機系統(tǒng)，它作為一個中央控制單元在整個電路中起著至關(guān)重 要的作用。 下面列列舉一些單片機應用的主要領(lǐng)域： 測控系統(tǒng)：用單片機可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適 應控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如，溫室人工氣候控制、 水閘自動控制、電鍍生產(chǎn)線自動控制、車輛檢測系統(tǒng)等。 智能儀表：用單片機改造原有的測量、控制儀表，能促 進儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化方向發(fā)展。 如溫度、壓力、流量、濃度顯示、控制儀表等。通過用 單片機軟件編程技術(shù)，使長期以來測量儀表中的誤差修 正、線性化處理等難題迎刃而解。 機電一體化：單片機與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品結(jié)合，使傳統(tǒng)機 械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，控制智能化，構(gòu)成新一代的機、電一 體化產(chǎn)品。 常見單片機的種類常見單片機的種類 目前常用的單片機有 8 位、16 位和 32 位幾種，它們在性能、 價格上都有極大的差異，因此在不同的領(lǐng)域都有著廣泛的應用。 以 arm 為代表的 32 位單片機：該系列的單片機采用 risc（精簡指令集）架構(gòu)，支持 thumb（16 位） /arm（32 位）雙指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器 件，本身在不停的發(fā)展，當前已經(jīng)發(fā)展到了 arm9 版 本，性能非常優(yōu)秀。但相對于 8、16 位單片機其價格高、 指令系統(tǒng)及硬件電路結(jié)構(gòu)復雜，其主要應用于手機、 gba、掌上電腦等尖端電子產(chǎn)品中。 以 8098 為代表的 16 位單片機：該單片機均擁有 16 位 的微處理器內(nèi)核，并且 cpu 直接在由寄存器陣列與特 殊功能寄存器所構(gòu)成的寄存器空間內(nèi)進行操作，這此寄 存器均具有累加器的功能，可使 cpu 對運算前后的數(shù) 據(jù)進行快速交換，同時又提供調(diào)整數(shù)據(jù)處理能力和頻繁 的輸入輸出能力，消除了采用累加器結(jié)構(gòu)中存在的瓶頸 問題；8098 單片機還具有豐富的指令系統(tǒng)，帶符號運算 的功能，不但速度快，而且可以提高編程效率；8 位的 外部數(shù)據(jù)接口可以使 8098 單片機與常用的外部接口芯 片進行連接，而不用添加任何的轉(zhuǎn)換電路；由于 8098 單片機內(nèi)無 rom 或 eprom，而且片內(nèi) ram 的存儲空 間也有限，因此在實際的應用中需要擴展存儲器。8098 單片機內(nèi)含有四路 a/d 轉(zhuǎn)換器，引腳為 ach4ach7，可以對外部的四路模擬信號進行巡回檢 測，因此用它作為數(shù)據(jù)采集器件可以省掉外接的 a/d 芯 片。但 8098 單片機是一種較老的產(chǎn)品，它本身沒有什 么升極替換產(chǎn)品，現(xiàn)如今已經(jīng)很難在電子市場看見它的 身影。 以 8051 為代表的 8 位單片機：此系列的單片機擁有 8 位的系統(tǒng)內(nèi)核與 8 位的外部接口；它使用了 risc 精簡 14 指令集系統(tǒng)，僅有的 111 條指令有利于學習與使用；它 內(nèi)部集成了一定的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器，因此在小 型應用領(lǐng)域可以不必給它外擴存儲器；它的存儲器分為 數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器兩類，并且單獨編址，互不干 擾，各占 64k 的存儲空間；8051 單片機在內(nèi)部還集成 了全雙工串口、16 位定時/計數(shù)器、中斷源、布爾處理 器、i/o 口等，使其能夠使用內(nèi)部資源輕松的實現(xiàn)各種 功能。最重要的是 8051 單片機的發(fā)展一直均沒有停止 過，全球絕大多數(shù)知名硬件公司均有自己的以 8051 內(nèi) 核為基礎(chǔ)擴展其功能，改進其結(jié)構(gòu)以增加其存儲器容量 與指令執(zhí)行速度，因此當前市場上的 51 系列高性能單 片機完全取代了傳統(tǒng)的 8051 單片機，并且這些單片機 價格非常便宜，有極高的性能/價格比，并且其各方面 的技術(shù)也非常成熟，在各個領(lǐng)域均能看見它的身影，用 它來開發(fā)產(chǎn)品有利于降低市場風險，降低產(chǎn)品成本，使 同等產(chǎn)品在市場上更具有競爭力。 第四章 系統(tǒng)硬件原理及設計 沖天爐上四路需要被檢測的信號分別為底部燃料高度、過橋 鐵水溫度、進風的風量和風壓。他們經(jīng)各自的變送器變換后，均 得到0v+5v范圍內(nèi)變化的信號，并分別送到a/d轉(zhuǎn)換器的四個引 腳上。經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換后，再將采集到的信號讀入單片機中，進行 數(shù)字濾波, 將濾波后的數(shù)據(jù)存儲到單片機中再進行后期處理；包 括將采集到的信號顯示到led數(shù)碼管上,或通過串行接口傳送到上 位機等。 為了增加電路的安全性，我們在電路的檢測輸入級增加了一 級光電隔離電路，避免沖天爐現(xiàn)場惡劣的環(huán)境對測控電路產(chǎn)生影 響。 圖4-1是本設計總體方案框圖。 16 被采集信號 模/數(shù)轉(zhuǎn)換 adc0809 光 電 隔 離 電 路 數(shù)據(jù)處理 at89s52 控制被采集信號 ram 擴 展電路 1.底部燃料高度 2.過橋鐵水溫度 3.進風風量 4.進風風壓 沖天爐控制電路 圖 4-1 總體設計方案框圖 自動調(diào)節(jié)控制信號 被采集信號 mcu sst89e564 鍵盤電 路 ram 擴展 電路 1.底部燃料高度 2.過橋鐵水溫度 3.進風風量 4.進風風壓 沖天爐控制電路自動調(diào)節(jié)控制信號 顯示電 路 4.1 硬件設計的主要步驟 在確定系統(tǒng)硬件電路之前，首先應該系統(tǒng)的分析一下當前設 計需達到的目的，根據(jù)此目的來選擇合適的硬件，這樣就可以最 大限度地節(jié)約設計成本。 當整體框架設計完畢以后，可以具體到各個子電路的設計。 在設計子電路時，具體的方案可能不止一個，因此可以將這些方 案一一列舉出來，然后具體的分析各個電路：包括每個器件的價 格，是否容易購買，資料是否齊全等，從各個方面進行綜合比較 后就可以從中找出一個最適合的方案進行設計，或者將這些方案 重新組合出一個新的方案，以達到最佳組合。 當具體的電路方案確定以后，就可以畫圖、制板、買件、組 裝并調(diào)試各個單元模塊，使其能夠正常的工作。 當各個模塊電路設計制作完成后，就可以將它們組合到一塊 進行綜合調(diào)試，依此找出電路中存在的問題并加以解決，比如電 磁兼容性是否達標，地線設計是否合理，器件布局是否美觀，如 果是高頻電子電路還應該測試其高頻特性是否良好等，當這些問 題均解決后，整個硬件電路設計完畢。 如果硬件電路中含有微控制器部件，那么硬件電路的選擇與 設計還得考慮取對應軟件方面的因素，比如微控制器編程所使用 的計算機語言自己是否明白，開發(fā)工具的操作是否方便，價格是 否合理，可靠性如何等，只有明確了這方面的問題后才可以確定 電路方案。 本設計采用 sst89e564 八位單片機作為系統(tǒng)主控 cpu，此 單片機的管腳排列與指令系統(tǒng)均與傳統(tǒng) 8051 單片機完全兼容， 但各方面的性能均明顯優(yōu)于傳統(tǒng) 8051 單片機，比如它的內(nèi)部帶 有 64k 的 flash rom，因此它完全不用外擴 rom，它可工 作于 35v 的寬電壓下，并且時鐘頻率最高可達 40m 等等這些 優(yōu)良的特性均成為選擇它的理由。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用的是 8 路/8 位的通用高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 adc0809，此模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的性 能比較穩(wěn)定，并且資料眾多，在市場上有一定的占有率，使用起 來比較方便。在進行人機交互的鍵盤與顯示器方面，選擇了 8279 作為主控芯片，這主要是因為 8279 自身集成了鍵盤自動掃 描與 led 顯示器自動掃描功能，有了它的加入，使得單片機對 鍵盤、顯示部分的工作就變得非常輕松，不用再花大量的時間去 處理這些部分，使得單片機在數(shù)據(jù)處理方面的性能大為提升。 4.2 關(guān)鍵器件說明 4.2.1 sst89e564 sst89e564 屬于 sst 公司的以 cmos 半導體處理技術(shù)設計 和制造的 8 位 mcu。 18 sst89e564 的基本特性如下： 器件使用與 8051 完全相同的指令集，并與標準的 8051 器件 管腳對管腳兼容 工作電壓范圍：35v；3v 時工作頻率為 033mhz，5v 時 工作頻率為 040mhz 片內(nèi)有 64k 字節(jié)主塊8k 字節(jié)次塊的 flash rom 獨立的塊密碼，可實現(xiàn)程序的高度加密 支持在系統(tǒng)可編程 三個 16 位定時計數(shù)器，第三個實時器可產(chǎn)生高精度的串行通 訊波特率 全雙工增強型 uart，可以硬件實現(xiàn)幀錯誤檢測與自動地址 識別。 一個可編程看門狗定時器 可編程計數(shù)陣列 四個八位 i/o 口 雙 dptr 寄存器 低 emi 模式（抑制 ale） ttl 和 cmos 兼容邏輯電平 圖 4-2 為 sst89e564 的管腳排列圖： ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u1 sst89e564rd 圖 4-2 sst89e564 管腳排列圖 表 4-1 為 8279 的各管腳符號及其功能說明： 表表 4-1 sst89e564 管腳詳細介紹管腳詳細介紹 管腳符號類型名稱及功能 p07:0i/oport0：p0 口為 8 位開路雙向 i/o 口。 p10i/ot2：定時器/計數(shù)器 2 的外部輸入，或為來 自于定時器/計數(shù)器 2 的時鐘輸出 p11it2ex：定時器/計數(shù)器 2 的捕捉/重載觸發(fā) 和方向控制 p12ieci：外部時鐘輸入 該信號為 pca 的外部時鐘輸入 p13i/ocex0：捕捉/pca 模塊 0 的外部 i/o 比較 每個捕捉/比較模塊連接至 p1 口作為外部 i/o。當不使用 pca 時該腳可以作為標準 i/o 使用。 管腳符號類型名稱及功能 p14i/oss#：spi 的從端口輸入選擇（slave port select input for spi） 或為 cex1：pca 模塊 1 的捕捉/比較外部 i/o p15i/omosi：spi 的主輸出口，從輸出口 或 cex2：pca 模塊 2 的捕捉/比較外部 i/o p16i/omiso：spi 的主輸入口，從輸出口 或 cex3：pca 模塊 3 的捕捉/比較外部 i/o p17i/osck：spi 的主時鐘輸出口，從時鐘輸入口 或 cex4：pca 模塊 4 的捕捉/比較外部 20 i/o p27:0帶內(nèi)部上 拉的 i/o p2 口：p2 口為一個 8 位的雙向 i/o 口，同 時帶有內(nèi)部上拉電阻。 p37:0帶內(nèi)部上 拉的 i/o p3 口：p3 口為帶內(nèi)部上拉的 8 位雙向 i/o 口。 p30irxd：通用異步收發(fā)器（uart）的接收輸 入。 p31otxd：uart 的發(fā)送輸出。 p32iint0#：外部中斷 0 輸入。 p33iint1#：外部中斷 1 輸入。 p34it0：定時器/計數(shù)器 0 外部計數(shù)輸入。 p35it1：定時器/計數(shù)器 1 外部計數(shù)輸入。 p36owr#：外部數(shù)據(jù)存儲器寫命令。 p37ord#：外部數(shù)據(jù)存儲器讀命令。 psen#i/o程序存儲使能。 rsti復位。 ea#i外部進入使能。 ale/prog#i/o地址鎖存使能。 dnui/odnu：該腳應保持懸空。 rstoutl帶內(nèi)部上 拉輸出 rstoutl：在看門狗定時器復位和 brown-out 復位時低電平有效。 disiaplidisiapl：如果該腳被驅(qū)動至 vil，iap 功 能將被禁止。在復位器件被采樣和鎖存。 此為硬件禁止 iap 功能。復位后，該腳上 的任何變化都沒有效果。 xtal1i晶振 1：反向振蕩放大器的輸入和內(nèi)部時鐘 發(fā)生器的輸入。 xtal2o晶振 2：反向振蕩放大器的輸出。 vddi電源輸入 vssi地 4.2.2 adc0809 adc0809 八位逐次逼近式 a/d 轉(zhuǎn)換器是一種單片 cmos 器 件，包括 8 位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、8 通道多路轉(zhuǎn)換器和與微處理器 兼容的控制邏輯。8 通道多路轉(zhuǎn)換器能直接連通 8 個單端模擬信 號中的任何一個。adc0809 設計時考感到了若干種模/數(shù)轉(zhuǎn)換技 術(shù)的長處，適用于控制領(lǐng)域。 adc0809 的基本特性如下： 分辨率8位 最大不可調(diào)誤差小于1lsb 5v單電源供電，模擬輸入電壓范圍05v 具有鎖存功能的8路模擬開關(guān) 可鎖存三態(tài)輸出，輸出兼容ttl電平 不必進行零點和滿度調(diào)整 轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的clock 端速度，范圍為 101280khz。 可方便的同各種單片機進行接口 圖 4-3 為 adc0809 的管腳排列圖： 22 . . in-0 26 msb2-1 21 2-2 20 in-1 27 2-3 19 2-4 18 in-2 28 2-5 8 2-6 15 in-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 in-4 2 eoc 7 in-5 3 add-a 25 in-6 4 add-b 24 add-c 23 in-7 5 ale 22 ref(-) 16 ena ble 9 st art 6 ref(+) 12 clo ck 10 u2 adc0809 圖 4-3 adc0809 管腳排列圖 下表為 8279 的各管腳符號及其功能說明： 表表 4-2 adc0809 管腳定義管腳定義 管腳符號類型名稱及功能 in7:0i8 路輸入通道的模擬量輸入端口 2-8:1o8 位數(shù)字量輸出端口 starti啟動控制輸入端口 alei地址鎖仔控制信號端口 eoco轉(zhuǎn)換結(jié)束信號脈沖輸出端口 oeo輸出允許控制端口 ref(+) ref(-) i參考電壓輸入端，一般 ref(+)與 vcc 接 在一起，ref(-)與 gnd 接在一起 clki時鐘輸入端 adda,b,ci8 路模擬開關(guān)的三位地址選通輸入端，用 以選擇對應的輸入通道 4.2.3 8279 8279 是一種通用可編程鍵盤、顯示器接口芯片，它能完成 鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。 8279 的基本特性如下： 可與 64 個按鍵的矩陣鍵盤連接，自動對鍵盤進行不間 斷掃描，自動消抖、自動識別出按下的鍵并給出編碼、 能對雙鍵或 n 鍵同時按下實行保護 顯示部分采用動態(tài)的自動掃描工作方式，最多可顯示 16 位的字符或數(shù)字 圖 4-4 為 8279 的管腳排列圖： outa 0 27 outb0 31 outa 1 26 outb1 30 outa 2 25 outb2 29 outa 3 24 outb3 28 db0 12 bd 23 db1 13 db2 14 sl 0 32 db3 15 sl 1 33 db4 16 sl 2 34 db5 17 sl 3 35 db6 18 db7 19 rl0 38 rl1 39 irq 4 rl2 1 rl3 2 cs 22 rl4 5 rd 10 rl5 6 wr 11 rl6 7 a0 21 rl7 8 clk 3 shift 36 reset 9 cntl /s 37 8279 表 4-3 為 8279 的各管腳符號及其功能說明： 4.3 單片機模塊電路 如前所述，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心電路為單片機電路，其原理 圖如圖 4-5 所示；圖中的單片機采用 sst89e564 高性能 51 單片 機，圖中的電容 c6c8 為電源退耦電容。 表表 4-3 8279 的管腳定義的管腳定義 圖 4-4 8279 管腳排列圖 24 管腳符號類型名稱及功能 d7:0i/o雙向三態(tài)數(shù)據(jù)總線，用于 cpu 與 8279 之 間傳遞命令或數(shù)據(jù) clki用于 8279 內(nèi)部定時，以產(chǎn)生其工作所需 時序 reseti復位端，高電平有效 csi片選，低電平有效 a0i當 a01 時，若 cpu 進行寫操作，則寫 入字節(jié)是命令字。若進行讀操作測從 8279 讀出的字節(jié)是狀態(tài)字。當 a00 時， 寫入字節(jié)或讀出字節(jié)均為數(shù)據(jù) rd、wri讀、寫信號線，低電平有效 irqo中斷請示，高電平有效 sl3:0o用來掃描鍵盤和顯示器 rl7:0i鍵盤矩陣或傳感器矩陣的列信號輸入線 shifti高電乎有效，通常用來補充鍵盤開關(guān)的功 能，用作鍵盤上下檔功能鍵 outa3:0 oa 組顯示信號輸出線 outb3:0ob 組顯示信號輸出線 bdo消隱顯示輸出線，低電平有效 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u1 sst89e564rd vcc c1 10uf r1 100 r2 1k sw y11.059mhz c2 30p c15 30p vcc c6 0.1u c7 0.1u c8 0.1u vcc a 1 b 2 c 3 g2a 4 g2b 5 g1 6 y7 7 y6 9 y5 10 y4 11 y3 12 y2 13 y1 14 y0 15 u4 74ls138 80008fff 90009fff a000afff b000bfff c000cfff d000dfff e000e fff f000ffff 圖 4-5 單片機核心電路原理圖 4.3.1 時鐘電路 單片機內(nèi)部的各種功能電路絕大多數(shù)是由數(shù)字電路構(gòu)成的。 數(shù)字電路的工作過程，尤其是時序邏輯電路的工作過程，離不開 時鐘脈沖信號，每一步細微的動作都是在一個共同的時間基準信 號驅(qū)動之下完成的。本單片機可以采用兩種時鐘接入方式：一種 是外部時鐘拉入方式，這種方式下的時鐘是從外部時鐘源引入的， 主要應用在與其它設備同步工作的場合；另一種連接方式（本電 路采用的方式）即在單片機的兩個時鐘管腳外接晶振，通過晶振 高度精確的頻率特性配合單片機內(nèi)部的振蕩電路可以得到單片機 工作所必須的工作時鐘。為了得到高精度的串行通訊波特率，本 電路選擇的晶振頻率為 11.0592m，電容為 30pf。 4.3.2 復位電路 單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后， 只過在單片機的 rst 引腳上出現(xiàn) 24 個時鐘振蕩脈沖(2 個機器周 期)以上的高電平，單片機便可正常復位，為了保證應用系統(tǒng)能 可靠地復位，在設計復位電路時通常要使復位信號引腳 rst 26 保持 10ms 以上的高電平，只要 rst 從高電平變?yōu)榈碗姾跻院螅?單片機便從 0000h 號地址開始執(zhí)行程序。本復位電路由電阻 r1 和 r2、電容 c1 及復位按鈕 sw 組成。其作用有兩個： 上電自動復位 人工復位 4.3.3 數(shù)據(jù)存儲器電路 由于本數(shù)據(jù)采集電路需要臨時存放大量的數(shù)據(jù)，因此在此單 片機最小系統(tǒng)中使用 62256 擴展了 32k 的 ram，如圖 4-6 所示： oc 1 c 11 1d 2 2d 3 3d 4 4d 5 5d 6 6d 7 7d 8 8d 9 1q 19 2q 18 3q 17 4q 16 5q 15 6q 14 7q 13 8q 12 u6 74ls573 a0 10 a1 9 a2 8 a3 7 a4 6 a5 5 a6 4 a7 3 a8 25 a9 24 a10 21 a11 23 a12 2 ce 20 a13 26 we 27 oe 22 d0 11 d1 12 d2 13 d3 15 d4 16 d5 17 d6 18 d7 19 a14 1 u7 62256 p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p27 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p2.0.p2.7 ale p0.0.p0.7 圖 4-6 存儲器擴展電路原理圖 62256 采用 cmos 工藝制造，單一 5v 供電，功耗小于 200mw，存取時間小于 200ns，而且價格便宜，購買容易，是 一種經(jīng)濟實惠的外部 ram 擴展方案，由圖中可以看出， 32kram 所占地址空間為：0000h7fffh。 4.3.4 地址分配 本電路使用了多個總線接口器件，包括存儲器 62256，a/d 轉(zhuǎn)換器 adc0809，d/a 轉(zhuǎn)換器 adc0832、鍵盤顯示接口芯片 8279，它們的正常使用均得占用一定的存儲空間。由于存儲器 62256 占用了 0000h7fffh 的一段 32k 連續(xù)空間，因此將單片 機的 p2.7 口作為片選信號，用于選通存儲器與譯碼器，當 p2.7 為低電平時，單片機的 cs 端為低電平，存儲器被選中；當 p2.7 為高電平時，74ls138 被選中，62256 取消選中，因此通過譯碼 器 74ls138 對剩余的地址空間進行分配，具體分配方案如下： 表表 4-4 地址空間分配地址空間分配 地址空間分配方案 0000h7fffh 存儲器 62256 8000h8fffh 鍵盤、顯示接口芯片 8279 9000h9fffh a/d 轉(zhuǎn)換芯片 adc0809 a000hafffh d/a 轉(zhuǎn)換芯片 adc0832 4.4 光電隔離電路 信號隔離電路的主要作用就是將一個信號的輸入級與輸出 級完全劃分開，它們之間不存在任何的物理連接，這樣做可以防 止電路之間的互相干擾，增加電路的抗干擾能力。能夠?qū)崿F(xiàn)這種 功能的器件非常多，比如常見的隔離放大器、繼電器、光耦均可 實現(xiàn)此功能。但最常見并且電路最簡單的是采用光耦來進行信號 隔離，由于采用光耦有體積小、無糟音、耗電小等優(yōu)點，因此本 設計也采用光耦進行信號隔離，如圖 4-7 所示： 1 2 16 15 3 4 14 13 5 6 12 11 7 8 10 9 g1 q2 2n1893 q4 2n1893 q3 2n1893 q1 2n1893 12v 200 200 200 200 in03500 500 500 500 vcc in0 in1 in2 in3 out0 out1 out2 out3 channe l1 channe l2 channe l3 channe l4 28 圖 4-7 光電隔離電路原理圖 在如圖所示的電路中可以看出，左邊為信號的輸入端，右邊 為信號的輸出端，它們之間采用相互獨立的電源，中間除光以外 沒有任何通路。 4.5 電源電路 電源是一個系統(tǒng)最基本的部件，它為整個電路提供能量，它 不僅給單片機供電，同時還給 a/d 轉(zhuǎn)換電路，鍵盤顯示電路提 供能量。電源部分是由一個整流硅堆、一個三端穩(wěn)壓塊 lm7805、四個濾波電容組成的輸出為 5v 的穩(wěn)壓電源。其原理 圖如圖 4-7 所示： 1 2 3 4 d? 470uf 100uf 0.1uf0.1uf vin 1 gnd 2 vout 3 lm7805 vcc 圖 4-7 電源電路原理圖 4.6 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路 adc0809 與單片機有兩種基本的連接方式，分別為查詢方 式與中斷方式。 在查詢方式下，單片機啟動 adc0809 的轉(zhuǎn)換后，要求單片 機不停的查詢 0809 的 eoc 端口，直到 eoc 端口電平由低電平 轉(zhuǎn)變到高電平時，判斷為轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時讀出的 adc0809 的數(shù) 據(jù)，完成一次轉(zhuǎn)換任務。 在中斷方式下，將 0809 的 eoc 端通過一個反相器連接到 單片機的外部中斷源 int0 或 int1 上。在進行程序設計時，將 外部中斷的中斷觸發(fā)方式設置為邊沿觸發(fā)方式，將數(shù)據(jù)采集程序 放入中斷程序中；當 0809 采集完一次數(shù)據(jù)后，eoc 端電平由低 變高，經(jīng)過一級反相器，因此在單片機的外部中斷上產(chǎn)生一個下 降沿，觸發(fā)里面的中斷服務程序，完成數(shù)據(jù)采集的任務。 in-0 26 msb2-1 21 2-2 20 in-1 27 2-3 19 2-4 18 in-2 28 2-5 8 2-6 15 in-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 in-4 2 eoc 7 in-5 3 add-a 25 in-6 4 add-b 24 add-c 23 in-7 5 ale 22 ref(-) 16 enable 9 st art 6 ref(+) 12 clock 10 u2 adc0809 vcc chann el1 chann el2 chann el3 chann el4 oc 1 c 11 1d 2 2d 3 3d 4 4d 5 5d 6 6d 7 7d 8 8d 9 1q 19 2q 18 3q 17 4q 16 5q 15 6q 14 7q 13 8q 12 u3 74als573 p00 p01 p02 1 2 3 u5a 4 5 6 u5b 74ls02 1 2 3 u4a 74ls00 4 5 6 u4b 90009fff wr rd int1 ale p0.0.p0.7 d 2 q 5 q 6 clk 3 74f74 d 2 q 5 q 6 clk 3 74f74 圖 4-8 a/d 轉(zhuǎn)換電路原理圖 在上圖所示的電路中，利用單片機的地址鎖存允許信號 ale 經(jīng)兩級 d 觸發(fā)器 4 分頻后給 adc0809 提供時鐘信號，由 于 51 單片機的 ale 頻率為其時鐘頻率的 1/6，因此當單片機選 擇 12mhz 的晶振時，其 ale 信號頻率為 (1/6*12) /4=0.5mhz=500khz，滿足 adc0809 的工作頻率要求。 由于 adc0809 的信號輸出端具有三態(tài)輸出功能，因此將其 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳直接與單片機的 p0 口數(shù)據(jù)總線連接； adc