基于单片机的智能控制仪表简单设计.docx
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基于单片机的智能控制仪表简单设计
智能控制仪表课程设计
----基于51单片机地智能控制仪表简单设计
学校:
红河学院
专业:
电气工程及其自动化
*******************************
学号:
************
班级:
10级电气叁班
******
第1章引言
仪器仪表是人类认识世界地工具,人们借助于各种仪器仪表对各种物理量进行度量,反映其大小与变化规律.随着人类认识能力地提高与科学技术不断进步,仪器仪表技术得到了飞速发展.50年代以前,仪器仪表多为指针式,其理论基础是机电学.从50年代起,电子技术特别是数字技术地发展,给仪表行业带来了生机,各种数字式仪表相继问世,许多传统地指针式仪表相继被淘汰,数字仪表使仪表外观耳目一新,数据表达能力与总体性能都大幅提高.70年代中期,随着微处理器地出现以及单片机地兴起与应用,设计者将计算机特有地许多优点引入仪表设计,随之产生了一代崭新地智能仪表,使仪表逐渐由数字型向智能化发展,其功能也由单一显示功能转变为具有信息处理、传输、存贮、显示、控制等功能,使仪表性能产生了质地飞跃.,品种繁多.目前,我国仪器仪表有13大类,1300多个产品.其中自动化仪表及控制系统是和国民经济各产业部门关系最为密切地一类产品,其传感变送单元与主控装置及I/O接口均正朝智能化方向发展.在本设计中采用以单片机作为仪表核心控制器件,可以利用A/D转换芯片对标准信号进行采集、转换,将输入地模拟量转换成单片机能够检测地数字量进行分析和监测控制,同时可以利用键盘显示电路将相关数据进行显示.与此同时通过所查阅地资料我还了解到随着测量技术地发展和微处理器地广泛应用,单片机系统地电路越来越复杂,而系统地可靠性问题也越来越突出,一般地单片机系统在工业现场等恶劣地环境下容易死机,因此系统在这些场合要保证能够稳定地工作就必须外加监视电路,在设计中采用了美国集把关定时器、电压监控和串行EEPROM三项功能于一体地专用集成芯片X5045.该芯片地应用将有利于简化单片机系统地结构,增强功能、降低系统地成本,尤其是大大地增加了系统地可靠性.X5045中地看门狗对系统提供了保护功能.当系统发生故障而超过设置时间时,电路中地看门狗将通过RESET信号向CPU作出反应.X5045提供了三个时间值供用户选择使用.它所具有地电压临控功能还可以保护系统免受低电压地影响,当电源电压降到允许范围以下时,系统将复位,直到电源电压返回到稳定值为止.本次毕业设计旨在掌握智能控制仪表地设计方法,同时掌握在开发系统下实现部分软件地仿真方法.
第2章控制系统地硬件设计
硬件组成智能仪表地硬件方框图如图2.1
图2.1智能控制仪表地原理框图
2.1CPU地选择[6]
AT89C52芯片有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口.同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线.AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程.其将通用地微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写地Flash存储器可有效地降低开发成本.基于上述特点,可使电路极大地简化,而且程序地编写及固化也相当方便、灵活.
AT89C52地引脚如图2.2所示.
2.2标准信号转换电路[5]
设计要求实现0~5V,1~5V,0~10ma,4~20ma标准信号变换电路地设计,输入信号范围确定,输出电压范围则取决于所选取地A/D转换芯片地输入电压范围,A/D转换器选用地串行A/D转换器TLC2543,它地最大输入电压范围为
因此需完成四种不同信号与
电压信号地转换.
1.
/
转换及
/
转换
(1)
/
转换:
此转换电路只需在输入与输出电压之间加一电压跟随器即可.电压跟随器,顾名思义,就是输出电压与输入电压是相同地,就是说,电压跟随器作为同相放大器地特例,在低频情况下其放大倍数接近1,故称为电压跟随器,电压跟随器地显著特点就是,输入阻抗高,而输出阻抗低,一般来说,输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到地.输出阻抗低,通常可以到几欧姆,甚至更低.因此常在信号处理中作用阻抗变换器.在电路中,电压跟随器一般做缓冲级及隔离级.因为,电压放大器地输出阻抗一般比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级地输入阻抗比较小,那么信号就会有相当地部分损耗在前级地输出电阻中.在这个时候,就需要电压跟随器来从中进行缓冲.起到承上启下地作用.应用电压跟随器地另外一个好处就是,提高了输入阻抗,这样,输入电容地容量可以大幅度减小,为应用高品质地电容提供了前提保证.电压跟随器地另外一个作用就是隔离.具体电路如图2.3所示.
(2)
/
转换:
采用同相放大器电路,如图2.4所示.
2.
地转换及
地转换
(1)
地转换电路
下图2.5为所设计地I/v转换电路.其实质是一同相放大器电路,利用
电流在电阻R上产生输入电压.在输出端接负载时,需考虑转换器地输出驱动能力,一般在输出端可再接一个电压跟随器作为缓冲器,
地转换也同此,由于采用同相端输入,因此放大器A应选用共模抑制比较高地运算放大器,从电路结构可知,其输入阻抗较低.
(2)
地转换电路如图2.6.
2.3A/D转换器地选型设计[3][8]
在单片机开发中,很多都要涉及到将模拟量转换为数字量,因此使用ADC地场合很多.选择一款合适地ADC芯片就显得尤为重要.由于单片机往往要控制比较多地I/O口,因此使用并行ADC会限制系统I/O口功能地扩展,采用串行ADC比较适合那些低速采样而控制管脚又比较多地系统.TLC2543是有11个输入端地12bit模数转换器,具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简单、价格低等优点.由于它带有串行外设接口(SPI),而51系列单片机没有SPI,为了与TLC2543接口,可利用软件合成SPI操作,完成A/D数据地采集.
2.3.1TLC2543地特点及引脚
TLC2543是12bit串行A/D转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程.由于是串行输入结构,能够节省单片机地I/O资源.
TLC2543地引脚排列如图2.7所示
图1中AIN0~AIN10为模拟输入端;/CS为片选端;DIN为串行数据输入端;DOUT为A/D转换结果地三态串行输出端;EOC为转换结束端;CLK为I/O时钟;REF+为正基准电压端;REF-为负基准电压端;VCC为电源;GND为地.
2.3.2TLC2543使用方法
控制字地格式:
控制字为从DATEINPUT端串行输入地8bit数据,它规定了TLC2543要转换地模拟量通道、转换后地输出数据长度以及输出数据地格式.其功能为:
数据寄存器地前4位(D7-D4)数据,用来选择要求转换地通道,D7D6D5D4=0000时选择0通道,D7D6D5D4=0001时选择1通道,依此类推.1011到1110代表分别选中测试电压.D3D2D1用来选择输出数据长度,共有三种位数可供选择:
8位(精度较低,方便单字节串行数据传输),12位(标准位数),16位(低四位为零,便于16位串行数据传输).选择输出数据长度为12位时,即D3D2=00或D3D2=10;D1,D0选择输入数据地导前位,D1:
为“0”表示输出数据地最大位导前(MSB),为“1”时表示最小位导前,D0为“0”时表示输出数据是单极性(无符号二进制),为“1”时表示双极性(有符号二进制).本设计采用地是输出数据长度为8位.TLC2543在每次I/O周期读取地数据都是上次转换地结果,当前地转换结果在下一个I/O周期中被串行读出,第一次读数由于内部调整,读取地转换结果可能不准确.应丢失.
转换过程:
TLC2543每次转换和数据传送使用16个时钟周期,并且在每次传送周期之间插入/CS时序.片选/CS为高,I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止,DATAOUT呈高阻状态,EOC为高.使/CS变低,I/OCLOCK、DATAINPUT使能,DATAOUT脱离高阻状态.12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入,随着时钟信号地加入,控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号地上升沿时被送入TLC2543(高位先送入),同时上一周期转换地A/D数据,即输出数据寄存器中地数据从DATAOUT一位一位地移出.TLC2543收到第4个时钟信号后,通道号也已收到,此时TLC2543开始对选定通道地模拟量进行采样,并保持到第12个时钟地下降沿.在第12个时钟下降沿,EOC变低,开始对本次采样地模拟量进行A/D转换,转换时间约需10μs,转换完成后EOC变高,转换地数据在输出数据寄存器中,待下一个工作周期输出.此后,可以进行新地工作周期.
2.3.3TLC2543与AT89C52单片机地接口:
89C52单片机没有SPI接口,为了与TLC2543接口可以用软件功能来实现SPI接口,其硬件接口如图2.8所示.
图2.8
2.4键盘、显示电路地设计[7]
在设计中我采用了HD7279A键盘显示芯片做为键盘显示驱动电路芯片.HD7279A是标准28引脚双列直插式芯片.其接口电路和外围电路简单,且占用口线少,加之它具有较高地性能价格比.
HD7279A可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)地显示驱动芯片,该芯片同时可连接多达64键地键盘矩阵,一片即可完成LED显示及键盘接口地全部功能.HD7279A内部含有译码器,可以直接接收BCD码或16进制码,并同时具有2种译码方式.此外,还具有多种控制指令,例如:
消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等.HD7279A是一种管理键盘和LED显示器地专用智能控制芯片.它能对多达
地键盘矩阵情况进行监视,具有自动消除键抖动并识别按键代码地功能.下面表2-1是HD7279引脚说明.
2.4.1HD7279A地特点
1.各位可独立控制译码/不译码、消隐和闪烁等属性;
2.具有(循环)左移/(循环)右移指令;
3.具有段寻址指令,可方便地用来控制独立地LED显示管;
4.64键键盘控制器内含消抖电路.
表2-1HD7279引脚说明
引脚
名称
功能
1,2
VDD
正电源
3,5
NC
无连接,必须悬空.
4
VSS
接地
6
CS
片选输入端,此引脚为低电平时,可向芯片发送指令及读取键盘数据
7
CLK
为数据串行传送地同步时钟输入端,向芯片发送数据及读取键盘数据时,次引脚垫平上升沿表示数据有效.
8
DATA
串行数据输入/输出端,当芯片接收指令时,此引脚为输入端,当读取键盘数据时,此引脚在“读”指令最后一个时钟地下降沿变为输出端.
9
KEY
按键有效输出端,平时为高电平,而检测到有效按键时此引脚边为低电平,
10-16
SG-SA
段g-段a驱动输出端.
17
DP
小数点地驱动输出端
18-25
DIG0-DIG7
数字0-数字7驱动输出,即8个LED管地位驱动输出端.
26
CLKO
振荡输出端.
27
RC
RC振荡连接端.其典型值为R=1.5KΩ,C=15Pf
28
RESET
复位端.该端由低电平变成高电平并保持25ms即复位结束.通常,该端接+5V即可
解释:
RESET为复位端.该端由低电平变成高电平并保持25ms即复位结束.通常,该端接+5V电源.在需要较高可靠性地情况下,可以连接一外部地复位电路,或直接由单片机控制.DIG0~DIG7分别为8个LED管地位驱动输出端.SA~SG分别是LED数码管地A段~G段地输出端DP为小数点地驱动输出端.DIG0~DIG7和SA~SG同时还分别是64键盘地列线和行线端口,完成对键盘地监视、译码和键码地识别.HD7279A片内具有驱动电路,可以直接驱动1英寸及其以下地LED数码管,使外围电路变地简单可靠.
HD7279A与微处理器间仅需4条接口线,其中CS为片选信号(低电平有效).当微处理器访问HD7279A时,应将片选端置为低电平.DATA为串行数据端,当向HD7279A发送数据时,DATA为输入端;当通过HD7279A输出键盘代码时,DATA为输出端.CLK为数据串行传送地同步时钟输入端,时钟地上升沿表示数据有效.KEY为按键信号输出端,在无键按下时为高电平;而在有键按下时变为低电平,并一直保持到按键释放为止.
HD7279A地控制指令格式分为纯指令和带有数据地指令两大类,以下分别给予介绍.
1.纯指令:
2.带有数据地指令:
带有数据地指令包括以下5种:
(1)下载数据且按方式0译码.
这种指令地格式为:
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
0
0
0
0
a2
a1
a0
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
dp
x
x
x
d3
d2
d1
d0
该命令由二字节组成,前半部分为指令,后半部分为显示内容,其中a2~a0为位地址,d0~d3为数据.
(2)下载数据且按方式1译码
此指令与上一条指令基本相同,所不同地只是译码方式.该指令地译码方式为:
d0~d3地值对应于0~9和A~F.格式如下:
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
1
0
0
1
a2
a1
a0
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
dp
x
x
x
d3
d2
d1
d0
(3)下载数据但不译码
该指令地格式如下:
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
0
0
1
0
a2
a1
a0
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
dp
A
B
C
D
E
F
G
在该指令格式中,a2,a1,a0为位地址A~G和DP为显示数据,分别对应7段LED数码管地各段.当相应地数据位为1时,该段点亮,否则该段不亮.
(4)闪烁控制88H.此命令用于控制各个数码管地闪烁属性,d1~d8分别对应数码管1~8.在相应地各位中0表示闪烁,1表示不闪烁.开机后地缺省状态为各位均不闪烁.具体指令格式如下:
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
0
0
0
1
0
0
0
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
d8
d7
d6
d5
d4
d3
d2
d1
(5)读键盘数据指令15H
该指令地格式如下:
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
0
0
0
1
0
1
0
1
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
d7
d6
d5
d4
d3
d2
d1
d0
该指令主要用于从HD7279A读出当前地按键代码.
2.4.2HD7279A与单片机地接口设计
HD7279A驱动地键盘显示地接线如图3.8所示.在键盘方面可以不用到地键,可以不用按钮.
可以根据你地需要,进行按钮地增减.本设计用到一个键——“显示键”.
图2.9HD7279A驱动地键盘显示电路
2.5
图2.13HD7279A与单片机地接口
D/A转换器选型设计
在后向通道中采用D/A转换器是计算机实现对模拟量控制地常用方式,而串行D/A转换器由于接口电路简单、易于远程操作以及体积小、功耗低等优点而广泛应用于便携式设备或分布式控制系统中.本设计对于D/A转换器地转换速度要求不高.设计中选用串行12位D/A转换器TLC5617,完全满足系统对分辨率地要求.图2.10为TLC5617地引脚图,表2-2是TLC5617引脚排列及引脚功能说明.
表2-2TLC5617引脚排列及引脚功能说明
引脚名称
编号
I/O
说明
DIN
1
I
串行数据输入
SCLK
2
I
串行时钟输入
CS
3
I
芯片选择,低电平有效
OUTB
4
O
DACB模拟输出
AGND
5
模拟地
REFIN
6
I
基准电压输入
OUTA
7
O
DACA模拟输出
VDD
8
正电源
单片机与TLC5617地接口电路如图3.10所示.P0.6通过光电耦合器接TLC5617地SCLK端,P0.5通过光电耦合器接TLC5617地DIN端,P0.7通过光电耦合器接TLC5617地CS端.当片选CS为低电平时,输入数据由时钟定时以最高有效位在前地方式输入TLC5617地16位移位寄存器.SCLK输入地下降沿把数据移入寄存器.然后CS地上升沿把数据送到TLC5617地内部DAC寄存器.所有CS地跳变应当发生在SCLK输入为低电平时.
2.6RS-232串行通讯电路
由于AT89C52单片机具有集成度高、面向控制、系统结构简单、价格便宜等诸多优点,因而在智能化仪器仪表、数据采集、数据测量等方面有着广泛地应用.但是,实际应用中单片机在数据处理能力、人机交互等方面往往不能满足要求,因而通常用PC机来弥补单片机地这些不足.
串行通信端口(SerialCommunicationPort)在系统控制地范畴中一直扮演着极其重要地角色,它不仅没有因为时代地进步而遭淘汰,反而在规格上越来越先进,应用也越来越广泛.现在,串行通信端口(RS—232)是计算机上地标准配置,用途上则以连接调制解调器来传输数据最为常见.
RS—232通信端口是每台计算机上地必要配置,通常有COMl与COM2两个端口.计算机上地RS—232均是公头,在一般个人计算机上地外观如下图.
图3-11计算机上地串行端口
端口共有9个引脚,每一个引脚都有其特定地名称与用途,它们在计算机和连接线上地位置和定义如图2.12
1:
CD-CarrierDetect,
载波检查
6:
DSR-DataSetReady,
传输端待命
2:
RXD-Receive,
数据接受
7:
RTS-RequestToSend,
要求传输
3:
TXD-Transmit,
数据传输
8:
CTS-ClearToSend,
清除并传输
4:
DTR-DataTerminalReady,
数据端待命
9:
RI-RingIndicator,
响铃指示
5:
GND-Ground,
地线
图2.12
RS-232电路是单片机采集电路部分与上位机之间地接口电路.单片机就是利用RS-232串口通讯向PC机发送指令,以完成数据地远距离传输.RS-232是美国电子工程师协会正式公布地串行总线标准,也是目前最常用地串行接口标准,主要用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间地数据通讯.RS-232串行通讯是全双工地,可以同时接受和发送,它地逻辑“1”是-5V~-15V,逻辑“0”是+5V~+15V.RS-232串行接口总线适用于设备之间地通讯距离不大于15m,并且传输速率最大为20Kbps.由于RS-232和TTL各自规定了自己地电气标准,互不兼容,因此RS-232与TTL电路接口时需进行电平单介绍一种电平转换.
单电源RS-232电平转换集成电路:
MAXIM公司出品MAX系列单电源供电RS-232接收发送器可大大简化RS-232电平转换电路.它具有功耗低、通信速率高、封装形式多、单一电源供电、外接器件少等特点.它由充电泵电压变换器、驱动器(发送器)和接收器三个部分组成.
2.6.1+5V到±10V双充电泵电压变换器
+5V到±10V地变换是由一种专利产品双充电泵电压变换器(见图2.13)完成地.第一个充电泵电压变换器地电容器C1被充上+5V电压,输出滤波电容器C3上也充有+5V电压,输出电压V+为+10V.第二个充电泵电压变换器用电容器C2将+10V反相为-10V,保存-10V在V-输出滤波电容器C4上.
在停机方式下,V+通过一个1K地内部下拉电阻连接到VCC,同时V-通过一个1K地内部上拉电阻连接到地.
图2.13电压变换器电路
2.6.2RS-232发送器
发送器地输入为TTL/CMOS电平,输出RS-232电平,当MAX系列地电压倍增器(CPE)地工作电压为+5V,而RS-232接受端负载为5K时,发送器地输出电压为+8V左右;空载时输出电压从(V+-0.6)V-之间变化,发送器地输入端内置400K地上拉电阻,当输入端悬空时,被上拉到Vcc,经反相器,输出端为低电平,上拉电阻耗电为15uA.所以悬空时地功耗最低
2.6.3RS-232接收器
接受器输入为RS-232电平,输出为TTL/CMOS电平.不使用地接受器输入、输出端可以悬空.其输入端内置5K地下拉电阻.当输入端悬空时,被下拉至地,经反相器,输出为高电平.
图2.14MAX232引脚图
MAX232芯片是美信公司专门为电脑地rs-232标准串口设计地接口电路,使用+5v单电源供电.内部结构基本可分三个部分:
第一部分是电荷泵电路.由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成.功能是产生+12v和-12v两个电源,提供给rs-232串口电平地需要.
第二部分是数据转换通道.由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道.其中13脚(r1in)、12脚(r1out)、11脚(t1in)、14脚(t1out)为第一数据通道.8脚(r2in)、9脚(r2out)、10脚(t2in)、7脚(t2out)为第二数据通道.Ttl/cmos数据从t1in、t2in输入转换成rs-232数据从t1out、t2out送到电脑dp9插头;dp9插头地rs-232数据从r1in、r2in输入转换成ttl/cmos数据后从r1out、r2out输出.
第三部分是供电.15脚dng、16脚vcc(+5v).正常工作时对C1-C4地电容类型要求不是很高,例如MAX202需要0、1uF地电容,而MAX232需要1uF地电容,在所有地情况下10uF以内地电容均可使用.本系统选用MAX232芯片实现TTL与232电平之间地转换,与接口电路相连地一侧是AT89C52单片机,另一侧是GPRSMODEM,由它们来实现数据地无线传输.系统地RS-232串行通讯电路如图2.15.
图2.15RS-232串口电路原理图
2.7看门狗电路[2]
测量技术地发展和微处理器地广泛应用,单片机系统地电路越来越复杂,而系统地可靠性问题也越来越突出,一般地单片机系统在工业现场等恶劣地环境下容易死机,要求系统在这些场合可靠稳定地工作,就必须外加监视电路.X5045是在单片机系统中广泛应用地一种看门狗芯片,他把上电复位、看门狗定时器、电压监控和E2PROM四种常用功能组合在单个芯片里,以降低系统成本、节约电路板空间.其看门狗定时器和电源电压监控功能可对系统起到保护作用;512×8位地E2PROM可用
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- 基于 单片机 智能 控制 仪表 简单 设计