巡檢儀設(shè)計(jì)方案

1、1 引言在當(dāng)今工業(yè)化大生產(chǎn)日趨發(fā)張的過(guò)程中，檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程溫度變化的智能溫度巡檢儀也被賦予很大的作用，在生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)中起著不可替代的作用。目前溫度巡檢儀的設(shè)計(jì)技術(shù)已基本成熟，設(shè)計(jì)方案也各種各樣，許多心的設(shè)計(jì)方案也層出不窮，當(dāng)然隨著當(dāng)今電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，溫度巡檢儀的設(shè)計(jì)也只能是越來(lái)越自動(dòng)化、智能化，在生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用也會(huì)更加的高效。 隨著社會(huì)的發(fā)展和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，與其他獨(dú)立的電子元件相比，單片機(jī)具有體積小，價(jià)錢便宜，控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、消費(fèi)品、軍事、通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，利用單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)不同程度的智能化將是歷史發(fā)展的趨勢(shì)，各種各樣的設(shè)備也將會(huì)隨著單片

2、機(jī)的發(fā)展而更新?lián)Q代。應(yīng)用單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品具有新穎，結(jié)構(gòu)緊湊和設(shè)計(jì)靈活、方便等特點(diǎn)。2 總體設(shè)計(jì)2.1.硬件總體方案 主機(jī)電路采用以8位單片機(jī)為核心的方案，片內(nèi)要有足夠多的資源，盡量減少擴(kuò)展外部功能芯片，減小體積，降低造價(jià)。單片機(jī)要有如下資源：   1.足夠的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，容量不小于20kb   2.足夠的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，容量不小于256b         3.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器不少于3個(gè)。（通訊和a/d轉(zhuǎn)換要求）。    &

3、#160;   4.中斷源不少于3個(gè)       5.有串行通訊接口       6.有通用i/o接口 為保證測(cè)量精度，前向通道a/d分辨率不低于12位。為了降低造價(jià)，8路溫度通道通過(guò)多路開(kāi)關(guān)技術(shù)，公用一個(gè)放大器、一個(gè)轉(zhuǎn)換器。 后向通道的多路模擬量輸出，采用一個(gè)d/a轉(zhuǎn)換器，路保持器，利用軟件定時(shí)刷新的方法實(shí)現(xiàn)多路模擬量輸出。 人機(jī)接口的顯示器采用led數(shù)碼管，其亮度高，有效觀測(cè)距離遠(yuǎn)，成本低。按鍵采用薄膜按鍵，手感好，壽命長(zhǎng)

4、。  通訊接口采用rs-485傳輸技術(shù)，方便按照總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M成局域測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，而且rs-48傳輸技術(shù)成熟，成本低。2.2軟件總體方案 軟件任務(wù)比較簡(jiǎn)單，不需要嵌入操作系統(tǒng)，主要包括監(jiān)控程序、人機(jī)服務(wù)程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、通信服務(wù)程序幾部分。為了保證實(shí)時(shí)性要求，提高運(yùn)行效率，采用asm51匯編語(yǔ)言編制。 2.3外形結(jié)構(gòu)方案  按盤裝儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其外形結(jié)構(gòu)尺寸、安裝尺寸、安裝方式、接線方式與常規(guī)測(cè)試儀表保持一致，便于替代傳統(tǒng)測(cè)試儀表。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)8路溫度巡檢儀的硬件由主機(jī)電路、前向通道、后向通道、人機(jī)接口電路、通信接口及供電電源幾部分組

5、成，如圖所示。其中，主機(jī)電路由cpu、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、eeprom存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、通用異步串行收發(fā)器、中斷控制器、wdt定時(shí)器及通用并行接口等部件組成；前向通道電路由pt100轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、多路模擬開(kāi)關(guān)電路、放大電路、a/d轉(zhuǎn)換電路組成；后向通道電路由d/a轉(zhuǎn)換電路、多路模擬開(kāi)關(guān)電路、v/i轉(zhuǎn)換電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路組成；人機(jī)接口電路由按鍵和led數(shù)碼管組成；通信接口電路由rs-485接口電路組成；供電電源電路分別向系統(tǒng)數(shù)字電路提供邏輯5v電源，向模擬電路提供±12v與±5v模擬電源。3.1  主機(jī)電路設(shè)計(jì) 主機(jī)電路中主要包

6、括 at89c55wd單片機(jī)和x5045芯片， 就可以滿足系統(tǒng)對(duì)硬件資源的 需求，硬件電路原理圖2-3所示。上電復(fù)位：若圖中電阻取wk，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，將在的引腳產(chǎn)生一個(gè)高電平有效的復(fù)位信號(hào)，該信號(hào)接到單片機(jī)的復(fù)位引腳，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的上電復(fù)位。 電源電壓監(jiān)測(cè)：工作時(shí)，監(jiān)視跌落到一個(gè)確定的數(shù)值時(shí)，的復(fù)位引腳將發(fā)出一個(gè)高電平有效的復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)復(fù)位。只要跌落到一個(gè)確定的數(shù)值以下，并保持在以上時(shí)，能夠發(fā)出單片機(jī)需要的高電平的復(fù)位信號(hào)，保證單片機(jī)可靠復(fù)位。這就保證在一旦跌落到單片機(jī)允許的工作電壓以下時(shí)，單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，否則單片機(jī)此時(shí)可能執(zhí)行某些錯(cuò)誤的指令，產(chǎn)

7、生不可預(yù)料的結(jié)果。選定跌落到多大數(shù)值時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，可以通過(guò)對(duì)編程決定，一般采用出廠時(shí)默認(rèn)的數(shù)值即可。 超時(shí)周期選擇：內(nèi)部的超時(shí)周期有個(gè)數(shù)值可以編程選定，即、。的超時(shí)周期決定了單片機(jī)從“死機(jī)”狀態(tài)恢復(fù)為重新運(yùn)行所需的時(shí)間。理論上講，這個(gè)時(shí)間越短越好，但對(duì)于慢速系統(tǒng)來(lái)講，太短的時(shí)間不是很有實(shí)際意義。時(shí)間選得越短，單片機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，訪問(wèn)的時(shí)間間隔也越短，會(huì)增加的負(fù)擔(dān)。  3.2  前向通道電路設(shè)計(jì) 前向通道的任務(wù)是接收溫度傳感器pt100鉑電阻的信號(hào)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)能夠進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)，由信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、動(dòng)態(tài)穩(wěn)零電路、多路模擬開(kāi)關(guān)、阻

8、抗匹配電路、放大電路、a/d轉(zhuǎn)換電路等幾部分組成。原理框圖如圖2-6所示，硬件電路如圖2-7所示。 3.2.1信號(hào)轉(zhuǎn)換電路   信號(hào)轉(zhuǎn)換電路由圖2-7中的9個(gè)惠斯登電橋組成（由于圖面所限，圖中僅繪出第1個(gè)、第2個(gè)和第9個(gè)），實(shí)現(xiàn)將8路pt100溫度傳感器輸出的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。其中，第1個(gè)惠斯登電橋沒(méi)有外接pt100傳感器，設(shè)臵它的目的是為動(dòng)態(tài)穩(wěn)零電路提供零信號(hào)（詳見(jiàn)5.動(dòng)態(tài)穩(wěn)零電路）。余下8個(gè)惠斯登電橋的工作原理完全一致，這里以第2個(gè)電橋?yàn)槔?，它由r5、r6、r7、c3、c4組成。來(lái)自pt100溫度傳感器發(fā)出的電阻信號(hào)以3線形式接到a1、b1、c

9、1處，a1接pt100的一端，b1、c1接pt100的另一端，于是由pt100、r5、r6、r7構(gòu)成一個(gè)惠斯登電橋，如圖2-8所示。當(dāng)檢測(cè)到溫度變化時(shí)，pt100的阻值發(fā)生變化，在a、b點(diǎn)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)變化的電壓abv 。實(shí)現(xiàn)了r/（電阻/電壓轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換。電路中標(biāo)有r的3個(gè)電阻，是pt100從現(xiàn)場(chǎng)三線連接到儀表的線路電阻。 3.2.2a/d轉(zhuǎn)換電路  a/d轉(zhuǎn)換硬件接口電路如圖2-13所示。icl7135僅通過(guò)兩根線與at89c55相接，僅占用at89c55 t1、t2兩個(gè)計(jì)數(shù)器及外部中斷int1。 (1)  a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取icl

10、7135的時(shí)鐘信號(hào)源于at89c55的t2計(jì)數(shù)器方波輸出，同時(shí)接至at89c55的t1，利用t1計(jì)數(shù)器記錄busy為高電平時(shí)的時(shí)鐘周期數(shù)。busy信號(hào)接至at89c55的外部中斷int1，其意圖有兩個(gè)。第一，控制t1計(jì)數(shù)。當(dāng)t1計(jì)數(shù)器工作于方式1時(shí)，通過(guò)軟件設(shè)臵gate控制位為“1”時(shí)，t1計(jì)數(shù)受int1控制，當(dāng)int1（既busy）為高電平時(shí)，t1可對(duì)來(lái)自外部的脈沖（既icl7135的時(shí)鐘周期）計(jì)數(shù)；int1為低電平時(shí)，停止計(jì)數(shù)。第二，在busy 信號(hào)由高電平跳變?yōu)榈碗娖剿查g，以中斷形式通知cpu，以讀出a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼。 （2）驅(qū)動(dòng)程序  a/d

11、轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取   icl7135的時(shí)鐘信號(hào)源于at89c55的t2計(jì)數(shù)器的方波輸出，讓at89c55 通過(guò)p1.0引腳，為icl7135提供250khz時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，編程設(shè)定at89c55 的t2工作于方波產(chǎn)生器方式。當(dāng)at89c55 晶體振蕩器取12mhz時(shí)，編程如下： mov  t2con，#04h  ；t2工作于方波產(chǎn)生器方式mov  t2mod，#02h mov  rcap2h，#0ffh ；輸出方波頻率為250khz 

12、;mov  rcap2l，#0f4h  a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出程序   如圖2-13所示，當(dāng)busy信號(hào)由高跳變到低時(shí)，將觸發(fā)int1中斷，在int1中斷服務(wù)程序中將a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出，存放于內(nèi)部ram 30h、31h中。int1_isr： push  psw  ；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) push  acc mov  a,tl1  ；t1計(jì)數(shù)減去10001（2711h）后送30h，31h中clr 

13、; c subb  a,#11hmov  31h,a mov  a,th1 subb  a,#27h mov  30h,a mov  tl1,#0  ；清零t1 mov  th1,#0 pop  acc pop  psw reti3.3  后向通道電路設(shè)計(jì) 后向通道電路

14、由420ma模擬量輸出電路與超限報(bào)警開(kāi)關(guān)量輸出電路兩部分組成。3.3.1. 420ma模擬量輸出電路 該電路是將所檢測(cè)的每路溫度都對(duì)應(yīng)地輸出一個(gè)與之成線性關(guān)系的420ma電流信號(hào)，以便根據(jù)需要供給調(diào)節(jié)器、記錄裝臵或dcs系統(tǒng)。硬件電路設(shè)計(jì)如圖2-15所示。3.3.2超限報(bào)警開(kāi)關(guān)量輸出電路   當(dāng)某路溫度超過(guò)設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，輸出一個(gè)機(jī)械接點(diǎn)信號(hào)，便于連接聲、光報(bào)警裝置，進(jìn)行報(bào)警提示。如圖2-17所示，利用單片機(jī)p3.6引腳控制上限報(bào)警接點(diǎn)輸出，p3.7控制下限報(bào)警接點(diǎn)輸出。以上限報(bào)警為例，當(dāng)溫度超過(guò)上限報(bào)警值時(shí)，令p3.6為“0”，則三極管導(dǎo)通，

15、繼電器j1得電，使接點(diǎn)動(dòng)作；當(dāng)溫度低于上限報(bào)警值時(shí)，令p3.6為“1”，則關(guān)閉上限報(bào)警。  3.4  人機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 人機(jī)接口電路由按鍵接口電路與顯示器接口電路組成。 3.4.1按鍵接口電路通過(guò)儀表前面板上的按鍵操作，可以查看檢測(cè)的溫度、報(bào)警設(shè)定值等參數(shù)，也可以向儀表內(nèi)輸入一些數(shù)據(jù)。例如，輸入報(bào)警設(shè)定值、轉(zhuǎn)換輸出20ma時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值、巡回顯示時(shí)間間隔等數(shù)據(jù)。儀表按鍵接口電路如圖2-18所示。3.4.2led顯示接口電路 在儀表的前面板上設(shè)計(jì)了6位共陰極led數(shù)碼管顯示器，用于顯示各路實(shí)測(cè)溫度和設(shè)定參數(shù)。為了盡量減少儀表的

16、硬件開(kāi)銷，采用了動(dòng)態(tài)刷新顯示方法。如圖2-20所示。6位led數(shù)碼管顯示器各有8個(gè)顯示段，每位led數(shù)碼管相同的段連在一起，由一個(gè)i/o擴(kuò)展芯片u2統(tǒng)一進(jìn)行段驅(qū)動(dòng)，而各位的共陰極com端則由另一個(gè)i/o擴(kuò)展芯片u1進(jìn)行位驅(qū)動(dòng)。要在某位顯示某一字符，需要由單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線使u2鎖存8段顯示碼，u1鎖存位選碼。6位全部顯示時(shí)，需要從第1位到第6位逐位分時(shí)進(jìn)行上述操作，每一位led數(shù)碼管一次占用一個(gè)顯示周期的1/6等份時(shí)間。理論上，只要顯示周期小于人的視覺(jué)停留時(shí)間100ms，就可以獲得連續(xù)的顯示效果。但工程上，最好將顯示周期控制在20ms之內(nèi)，若大于這個(gè)時(shí)間，則顯示效果可能給人不柔和、“眨眼”的感

17、覺(jué)。3.5  通信接口電路設(shè)計(jì) 智能儀器設(shè)計(jì)，必須考慮對(duì)某種網(wǎng)絡(luò)的支持，方便構(gòu)成局域測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)現(xiàn)更高程度的集中監(jiān)控和更大范圍的數(shù)據(jù)共享。本例設(shè)計(jì)了以max487e芯片為收發(fā)器的rs-485總線通信接口電路，如圖2-23所示。 當(dāng)max487e的接收控制端re為低電平時(shí)，能將來(lái)自引腳6、7上的rs-485差分信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閠tl信號(hào)，從引腳1輸出，傳送到單片機(jī)的rxd端；當(dāng)發(fā)送控制端de為高電平時(shí)，將單片機(jī)rxd端發(fā)出的ttl信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閞s-485差分信號(hào)，從引腳6、7端輸出，傳送到rs-485通訊網(wǎng)絡(luò)中?？刂贫藃e與de連接在一起，受單片機(jī)p1.7的控

18、制：當(dāng)p1.7為高電平時(shí)，本機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)p1.7為低電平時(shí)，本機(jī)處于接收狀態(tài)。在相應(yīng)的通信協(xié)議和軟件支持下，方便構(gòu)成主從式通信網(wǎng)絡(luò)。4  軟件設(shè)計(jì) 4.1  人機(jī)服務(wù)任務(wù)與主程序 人機(jī)服務(wù)任務(wù)是實(shí)現(xiàn)儀器的操作使用，人機(jī)服務(wù)程序安排在主程序中運(yùn)行。一開(kāi)始執(zhí)行主程序時(shí)，需要首先運(yùn)行系統(tǒng)初始化程序，初始化程序僅需開(kāi)機(jī)時(shí)運(yùn)行一次。主程序僅包括初始化程序和人機(jī)服務(wù)程序。人機(jī)服務(wù)程序流程圖如圖2-24所示。人機(jī)服務(wù)程序與主程序編制如下： dis_state    equ  

19、;  40h mian：       mov sp，#0bfh  ；設(shè)定堆棧指針  lcall init    ；調(diào)用系統(tǒng)初始化程序 m1：  jnb s1_lab，m2  ；s1_lab是1秒時(shí)間到標(biāo)志，在中斷服務(wù)程序中每1秒置1次  clr  s1_lab     ；清除1秒時(shí)間到標(biāo)志 

20、; lcall   display   ；實(shí)測(cè)參數(shù)刷新m2：lcall scan_key  ；掃描按鍵  cjne  ，1，3  ；是“”鍵按下  lcall dis_set_data   ；是，進(jìn)入設(shè)定值顯示狀態(tài)  ljmp  m1       ；轉(zhuǎn)去實(shí)時(shí)參數(shù)刷新顯示和掃描按鍵 m3：  cjne

21、  a，#2，m4    ；“”鍵按下  lcall  dis_s_tem    ；是，進(jìn)入定點(diǎn)顯示狀態(tài)  ljmp   m1       ；轉(zhuǎn)去掃描按鍵 m4：  cjne     a，#3，m5     ；“”鍵按下  lca

22、ll    dis_r_tem    ；是，進(jìn)入巡回顯示狀態(tài)   ljmp     m1      ；轉(zhuǎn)去掃描按鍵 m5：  cjne     a，#4，m1     lcall    set_data   ；進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)

23、定  ljmp     m14.2  數(shù)據(jù)采集與溫度計(jì)算程序 根據(jù)圖2-7與圖2-13，每個(gè)通道a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，都以中斷的形式通知cpu，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集與溫度計(jì)算都在中斷服務(wù)程序中完成。一共用了9路數(shù)據(jù)通道，0路為動(dòng)態(tài)零點(diǎn)數(shù)據(jù)，18路為8路溫度數(shù)據(jù)。每次采集數(shù)據(jù)通道的通道號(hào)，都存儲(chǔ)在“ch_no”單元中。每次采集的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)預(yù)處理，在預(yù)處理中減掉10001個(gè)數(shù)字碼（原因在前向通道關(guān)于a/d轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中有詳細(xì)敘述），剩余的為二進(jìn)制數(shù)形式的a/d轉(zhuǎn)換數(shù)字碼。為便于后級(jí)溫度計(jì)算，還要將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為bcd

24、碼形式。接下來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)零處理，即將該通道的a/d轉(zhuǎn)換數(shù)字碼減去零點(diǎn)數(shù)據(jù)，則差值是消除了運(yùn)放漂移影響的、由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度決定的數(shù)據(jù)。最后進(jìn)行溫度計(jì)算，且通過(guò)多路開(kāi)關(guān)為a/d轉(zhuǎn)換器打開(kāi)下一通道。流程圖如圖2-25所示。   編程如下： pol_lab  bit p3.3  ；icl7135完成a/d轉(zhuǎn)換后的極性輸出1為正，0為負(fù)zero_pol_lab bit 03h ；穩(wěn)零通道的極性存儲(chǔ)，1為負(fù)，0為正 ch_no equ 50h  ；數(shù)據(jù)采集通道號(hào)存儲(chǔ)單元 tem_buf e

25、qu  4ch  ；各路溫度存儲(chǔ)單元 data_buf equ 5c   ；a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后存儲(chǔ)單元 int0_isb：  push psw    ；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)        push acc  push b  push dph  push rs1  clr rs

26、0    ；使用兩組工作寄存器  lcall data_treat   ；數(shù)據(jù)預(yù)處理  mov a，ch_no     ；查驗(yàn)是否為0通道  cjne a，#0，int0_isb1  setb pol_lab     ；將0通道的正負(fù)極性存于zero_pol_lab中  ；0為正，1為負(fù)  mov  c，pol_lab 

27、; cpl  c  mov  zero_pol_lab，c  mov data_buf，r5 ；將動(dòng)態(tài)零點(diǎn)數(shù)據(jù)存于data_buf中  mov  data_buf+1，r6  ljmp  int0_isb2 int0_isb1：  lcall czer0    ；動(dòng)態(tài)穩(wěn)零處理  mov a，ch_no   ；將處理后的數(shù)據(jù)存于data_b

28、uf相應(yīng)的單元中  rl a  add a，# data_buf  mov  r0，a  mov r0，cbuf+10h  ；cbuf+10、cbuf+11存儲(chǔ)處理后的2b數(shù)據(jù)  ；cbuf為計(jì)算緩沖區(qū)  inc r0  mov r0，cbuf+11h  lcall ctemr ；計(jì)算該通道的溫度值 lcall open_next_ch  ；打開(kāi)下一通道 int0_isb2： mov  tl1，#0  ；t1計(jì)數(shù)器清零 mov th1，#0 ；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) pop dpl pop dph pop b pop acc pop psw reti     ；中斷返回&#