自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文---遠(yuǎn)程液位采集裝置的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題 目： 遠(yuǎn)程液位采集裝置的設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 部： 工學(xué)部 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p&g

2、t;<p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師職稱： </p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　摘要：本設(shè)計(jì)完成了基于AT89S52的液位數(shù)據(jù)顯示儀表

3、的軟硬件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)首先根據(jù)液位測(cè)量?jī)x表的總體功能要求和國(guó)內(nèi)外顯示儀表發(fā)展趨勢(shì)，確定了液位數(shù)據(jù)顯示儀表的設(shè)計(jì)要求和總體設(shè)計(jì)方案。對(duì)本系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊的軟、硬件設(shè)計(jì)逐一進(jìn)行闡述、分析、論證。本設(shè)計(jì)是基于過程控制實(shí)驗(yàn)室中過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中的水箱作為液位測(cè)量對(duì)象，設(shè)計(jì)了I/V轉(zhuǎn)換電路，將4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)變換成0~2.5V電壓信號(hào)，送入具有SPI串行接口功能的TLC2543模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)

4、的低功耗，高性能COMS型8位單片機(jī)AT89S52作為微處理器。同時(shí)采用HD7279作為人機(jī)接口電路，完成了4按鍵的輸入和4位LED實(shí)時(shí)顯示液位數(shù)字量。本設(shè)計(jì)同時(shí)考慮了可靠性設(shè)計(jì)采用看門狗X25045作為低電壓監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)掉電保護(hù)和防止程序跑飛。設(shè)計(jì)完成了RS485通信接口電路和軟件協(xié)議。數(shù)顯儀表具有測(cè)量值溢出報(bào)警功能。在軟件方面，設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波子程序，按鍵處理子程序和顯示子程序，通信中斷子程序。本設(shè)計(jì)完成的是一種專用的數(shù)據(jù)顯示儀表的設(shè)計(jì)

5、，可用于生產(chǎn)過程中的液位數(shù)據(jù)的顯示，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的有效監(jiān)控</p><p>　　關(guān)鍵詞：液位檢測(cè)；A/D轉(zhuǎn)換；RS485；顯示儀表；X25045</p><p>　　Abstract: This design completed based on the liquid level data display instrument AT89S52 design of the softw

6、are and hardware. This design according to the overall level measurement instrument function requirement and domestic and international display instrument development trend, and determine the level data display instrumen

7、t design requirements and overall design scheme. Modules of this system of software and hardware design, detail by detail discussion and analysis demonstrated. This design</p><p>　　Key words: Level detection

8、; A/D conversion；RS485 ; Display instrument; X2504</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 引言1</b></p><p>　　1.1 課題研究背景1</p><p>　　1.2 顯示儀表及其特點(diǎn)1<

9、/p><p>　　1.3 顯示儀表國(guó)內(nèi)外概況2</p><p>　　1.4 本設(shè)計(jì)的研究目的及意義2</p><p>　　第2章 液位數(shù)據(jù)顯示儀表的硬件設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1 硬件總設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.2 單片機(jī)介紹及最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.2.1

10、 單片機(jī)介紹3</p><p>　　2.2.2 最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.3 液位信號(hào)采集部分的設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.3.1差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器介紹5</p><p>　　2.3.2 液位信號(hào)采集的設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.4 A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543電路設(shè)計(jì)7&

11、lt;/p><p>　　2.4.1 TLC2543介紹8</p><p>　　2.4.2 TLC2543與單片機(jī)電路設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.5 按鍵及顯示驅(qū)動(dòng)芯片HD7279A電路設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.5.1 HD7279A介紹9</p><p>　　2.5.2 按鍵與顯示電路設(shè)計(jì)12</

12、p><p>　　2.6看門狗電路及聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　2.6.1 X25045芯片的功能14</p><p>　　2.6.2 基于X25045的看門狗電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　2.6.3 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　2.7 本章小結(jié)15</p><p

13、>　　第3章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.1 主程序設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.2 數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.3 按鍵處理子程序設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)顯示子程序設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.5 中斷通訊子程序設(shè)計(jì)21</p>

14、;<p>　　3.6 系統(tǒng)數(shù)字濾波抗干擾設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.7 本章小結(jié)24</p><p>　　第4章 RS485通訊24</p><p>　　4.1 通訊方式介紹24</p><p>　　4.2 RS485通訊電路的設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.2.1 MAX485芯片介紹

15、27</p><p>　　4.2.2 基于MAX485芯片的通訊電路設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.3 RS485方式構(gòu)成的多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)28</p><p>　　4.4 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議29</p><p>　　4.5 本章小結(jié)31</p><p>　　5.1 系統(tǒng)硬件抗干擾技術(shù)31</p>&

16、lt;p>　　5.2 系統(tǒng)軟件抗干擾技術(shù)34</p><p>　　5.3 本章小結(jié)35</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　致 謝38</b></p>

17、<p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　1.1 課題研究背景</p><p>　　液位測(cè)量一直與自動(dòng)化密切相關(guān)，液位的測(cè)量幾乎遍及生產(chǎn)與生活的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是工業(yè)生產(chǎn)過程領(lǐng)域?；?、石油、礦山等企業(yè)總是有許多盛液的反應(yīng)鍋(罐)或貯槽需要測(cè)定液位；水電、港務(wù)、航道等部門也需要測(cè)定水庫(kù)、港口或航道的水位；國(guó)防部門等需要測(cè)定飛機(jī)、坦克之類的動(dòng)

18、力油箱中的油位。從測(cè)量范圍來說，小的只有幾十個(gè)厘米，大的可達(dá)幾十米；從精度要求來說，有的只允許1毫米誤差，有的卻允許幾厘米甚至幾十厘米的誤差；從測(cè)量環(huán)境和條件來說，有的很簡(jiǎn)單，有的卻非常復(fù)雜。</p><p>　　近年來由于微電子技術(shù)的發(fā)展使得液位檢測(cè)技術(shù)發(fā)生了根本性變化。新的檢測(cè)原理與電子部件的應(yīng)用使得液位測(cè)量?jī)x更趨向小型化和微型化，特別是一些小型現(xiàn)場(chǎng)液位開關(guān)發(fā)展極快，如超聲液位計(jì)和振動(dòng)式液位開關(guān)，由于沒有可動(dòng)

19、部件，所以可靠性高，不僅可現(xiàn)場(chǎng)顯示，而且可以發(fā)出控制信號(hào)。與此同時(shí)，液位檢測(cè)也在向著智能化發(fā)展，在液位測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用微處理技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)故障診斷和報(bào)警，目的是提高測(cè)量的精確度、可靠性、安全性和多功能化。</p><p>　　1.2 顯示儀表及其特點(diǎn)</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制過程中，顯示儀表應(yīng)用十分廣泛且是測(cè)控系統(tǒng)中不可缺少的一部分。顯示儀表與不同的傳感器、變送器配合使用，可

20、把生產(chǎn)過程中人們感興趣的溫度、壓力、流量、物位等測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示，以方便人們正確把握生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，有效控制整個(gè)生產(chǎn)流程，保證生產(chǎn)能穩(wěn)定、有序、安全地進(jìn)行。</p><p>　　顯示儀表是一種智能儀表，智能儀表是一類新型的電子儀器，它由傳統(tǒng)的儀表發(fā)展而來，但與傳統(tǒng)的儀表有很大的區(qū)別。</p><p>　　智能儀表具有如下新特點(diǎn)和新功能：校零功能在每次采樣后對(duì)傳感器的輸出值自動(dòng)校零，從而大大

21、降低了因漂移變化造成的誤差；量程的自動(dòng)切換功能可根據(jù)測(cè)量值和控制值的大小改變測(cè)量范圍和控制范圍，在保證測(cè)量和控制范圍的同時(shí)提高分辨率；多點(diǎn)快速測(cè)控可對(duì)多種不同的參數(shù)進(jìn)行快速測(cè)量和控制；數(shù)字濾波功能利用微處理器對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可抑制各種干擾和脈沖信號(hào)；自動(dòng)修正誤差許多傳感器和控制器的特性是非線性的，且受環(huán)境參數(shù)變化的影響比較嚴(yán)重，從而給儀表帶來了誤差；利用微處理技術(shù)，可以依靠軟件在線或者離線修正；數(shù)據(jù)處理功能利用微處理器可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀

22、表無(wú)法實(shí)現(xiàn)的各種復(fù)雜的處理和統(tǒng)計(jì)功能；比如統(tǒng)計(jì)分析、函數(shù)變換和頻譜分析等等；復(fù)雜控制規(guī)律利用微處理器不僅可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的PID控制，還可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制規(guī)律，例如，自適應(yīng)技術(shù)、模糊控制等；多媒體功能可以利用液晶技術(shù)顯示豐富的畫面，實(shí)現(xiàn)多頁(yè)顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)碼管顯示；通信和網(wǎng)絡(luò)功能利用通信各種通信接口，可以大大增加儀表的數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)功能；自我診斷功能采用微處理器后，可以對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)故障則立即進(jìn)行報(bào)警，并可顯示故障部位或

23、可能的故障原因，對(duì)排出故障的方法進(jìn)</p><p>　　1.3 顯示儀表國(guó)內(nèi)外概況</p><p>　　鑒于顯示儀表在工業(yè)控制領(lǐng)域的重要性，國(guó)內(nèi)外對(duì)其都有較為深入的研究?，F(xiàn)今常用的數(shù)據(jù)顯示儀表主要有三大類：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、通用顯示儀表、專用顯示儀表。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是一種具備特殊性能的計(jì)算機(jī)。工控機(jī)能夠在苛刻的外界環(huán)境下連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，具有抗惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)特性好、電壓適用范圍寬、各種I/

24、O設(shè)備配套齊全以及它對(duì)普通PC軟件的完全兼容性等諸多優(yōu)點(diǎn)。工控機(jī)配套相應(yīng)的外設(shè)和專門的軟件即能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程中的液位狀況進(jìn)行監(jiān)控，但目前我國(guó)的嵌入式工控機(jī)幾乎全部采用進(jìn)口的微處理器和芯片組，關(guān)鍵技術(shù)受制于人，所以其價(jià)格一般比較昂貴，管理和維護(hù)也比較復(fù)雜。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)應(yīng)我國(guó)的實(shí)際國(guó)情和并不復(fù)雜的工業(yè)測(cè)量控制系統(tǒng)，其昂貴的價(jià)格使得成本太高。通用顯示儀表一般在結(jié)構(gòu)上考慮得比較全面，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系

25、統(tǒng)的特征，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)所需要的監(jiān)控和顯示功能。專用顯示儀表則主要針對(duì)不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特征，“量體裁衣”地對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，既簡(jiǎn)化了管理和維護(hù)、節(jié)約了成本，又能很好地滿足所要求的數(shù)據(jù)顯示功能[2]。</p><p>　　1.4 本設(shè)計(jì)的研究目的及意義</p><p>　　本設(shè)計(jì)的研究目的：鑒于工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)顯示儀表的應(yīng)用局限，根據(jù)液位測(cè)量的特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)良、功能全面、價(jià)格

26、低廉的液位數(shù)據(jù)顯示儀表，使其不僅能滿足對(duì)液位數(shù)據(jù)的顯示，而且具有超限報(bào)警等功能。儀表不僅能接收變送器輸出的4-20mA的工業(yè)電流，而且還可以與遠(yuǎn)程變送器組成多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)RS-485串行通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)儀表對(duì)多個(gè)液位信息的顯示和監(jiān)控。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的研究意義：實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)人值守、全自動(dòng)的多界面液位測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示，提高工業(yè)生產(chǎn)中液位的自動(dòng)化測(cè)量水平，節(jié)約生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)管理。</p>&l

27、t;p>　　液位測(cè)量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)顯示儀表是本課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容。顯示儀表通過4～20mA電流獲得變送器所采集到的液高，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?，顯示在LED數(shù)碼管上。當(dāng)顯示儀表檢測(cè)到液位數(shù)據(jù)超過設(shè)定的警戒線時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警器報(bào)警。</p><p>　　第2章 液位數(shù)據(jù)顯示儀表的硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1 硬件總設(shè)計(jì)</b></p>

28、<p>　　硬件設(shè)計(jì)是本裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，考慮到設(shè)計(jì)的要求及設(shè)計(jì)的目的，硬件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集，A/D處理，中央處理器，HD7279顯示及RS485通訊部分組成。其硬件總框圖如圖1所示。</p><p>　　2.2 單片機(jī)介紹及最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1 單片機(jī)介紹</p><p>　　AT89S52單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)

29、的低功耗，高性能COMS型8位單片機(jī)，片內(nèi)8Kbytes可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，具有高密度、非易失性等存儲(chǔ)技術(shù)特色，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器，可在線編程（ISP）又可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用的8位微處理器集于單片芯片中。</p><p>　　AT89S52單片機(jī)引腳圖如圖2所示。</p><p>　　AT89S52具有如下特性：</p&g

30、t;<p>　　1、與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容[5]；</p><p>　　2、8K字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲(chǔ)器；</p><p>　　3、全靜態(tài)工作模式：0Hz～33MHz；</p><p>　　4、256字節(jié)×8位內(nèi)部RAM；</p><p>　　5、32個(gè)可編程I/O口線、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)

31、數(shù)器、8個(gè)中斷源；</p><p>　　6、全雙工串行UATR通道；</p><p>　　7、低功耗空閑模式喚醒系統(tǒng)；</p><p>　　8、看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針；</p><p>　　9、掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性；</p><p>　　10、靈活的在線系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁(yè)寫模式）。</p>

32、<p>　　2.2.2 最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　AT89S52單片機(jī)內(nèi)部有8K閃存，芯片本身就是一個(gè)最小系統(tǒng)。在能滿足系統(tǒng)性能要求的情況下，可優(yōu)先考慮采用此種方案。用這種芯片的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠，在使用AT89S52單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘和復(fù)位電路即可，由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的測(cè)控單元。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生微處理器工作的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘電路通常有

33、石英時(shí)鐘、石英振蕩器、RC時(shí)鐘等，本系統(tǒng)采用最常用的石英時(shí)鐘。微處理器外接一個(gè)石英晶體和兩個(gè)電容，共同構(gòu)成一個(gè)自激多諧振蕩器。系統(tǒng)時(shí)鐘取決于晶體的固有頻率，為11.0582MHz，電容C1和C2均選22pF。AT89S52的復(fù)位輸入引腳RST為AT89S52提供了初始化的手段。在AT89S52的時(shí)鐘電路工作后，只要在RST引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部則初始復(fù)位。只要RST保持高電平，則單片機(jī)循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng)RST由高

34、電平變底電平以后，AT89S52才開始執(zhí)行程序。復(fù)位電路中C選10uF, RK選10K，RS選0.2K。單片機(jī)最小化系統(tǒng)電路圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 AT89S52單片機(jī)最小化系統(tǒng)</p><p>　　2.3 液位信號(hào)采集部分的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.3.1差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器介紹</p><p>　　力學(xué)傳感器的

35、種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器，它具有較低的價(jià)格和較高的精度靈敏度以及較好的線性特性。故本次設(shè)計(jì)選用差動(dòng)電容式壓力傳感器。</p><p>　　改變電容兩平行板間距d的測(cè)量方式有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時(shí)非線性嚴(yán)重。采用差動(dòng)電容法可以改善非線性、提高靈敏度、并可減

36、小因ε受溫度影響引起的不穩(wěn)定性。 </p><p>　　圖4是一種電容式差壓傳感器示意圖。左右對(duì)稱的不銹鋼基座內(nèi)有玻璃絕緣層，其內(nèi)側(cè)的凹形球面上除邊緣部分外鍍有金屬膜作為固定電極，中間被夾緊的彈性膜片作為可動(dòng)測(cè)量電極，左、右固定電極和測(cè)量電極經(jīng)導(dǎo)線引出，從而組成了兩個(gè)電容器。不銹鋼基座和玻璃絕緣層中心開有小孔，不銹鋼基座兩邊外側(cè)焊上了波紋密封隔離膜片，這樣測(cè)量電極將空間分隔成左、右兩個(gè)腔室，其中充滿硅油

37、。當(dāng)隔離膜片感受兩側(cè)壓力的作用時(shí)，通過硅油將差壓傳遞到彈性測(cè)量膜片的兩側(cè)從而使膜片產(chǎn)生位移。電容極板間距離的變化，將引起兩側(cè)電容器電容值的改變。</p><p>　　圖4 電容式差壓傳感器</p><p>　　對(duì)于差動(dòng)平板電容器，其電容變化與板間距離變化的關(guān)系可表示為： </p><p><b>　　C0=△d/d0</b></

38、p><p>　　式中 C0為初始電容值；d0為極板間初始距離；△d為距離變化量。 此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反映被測(cè)差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。 這種傳感器結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達(dá)±0.25％～±0.05％；可以測(cè)量壓力和差壓。</p><p>　　當(dāng)隔離膜片感受兩側(cè)壓力的作用時(shí)，通過硅油將差壓傳遞到彈性測(cè)量膜片的兩側(cè)從而使膜片產(chǎn)生

39、位移。電容極板間距離的變化，將引起兩側(cè)電容器電容值的改變，從而使加在平板電容器上的電壓發(fā)生變化。再通過應(yīng)變電橋，傳感器的電路能夠保證應(yīng)變電橋電路的供電，并將應(yīng)變電橋的失衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號(hào)輸出（4-20mA或0-5V）并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 </p><p>　　2.3.2 液位信號(hào)采集的設(shè)計(jì)</p><p>　　由

40、數(shù)據(jù)采集傳感器輸出的4～20mA的電流可以通過125的標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)化為0.5～2.5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，而設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓為2.5V，因此需要將0.5～2.5V的信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～2.5V的信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路所需2.5V的基準(zhǔn)電壓可由TL431搭接的簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電路獲取。其電路可見TLC2543與單片機(jī)借口電路中的基準(zhǔn)電壓電路部分。轉(zhuǎn)化電路見圖5。</p><p>　　圖5 4-20mA到0-2.5V轉(zhuǎn)換電路</p

41、><p><b>　?。?.2）</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　　（2.4）</b></p><p>　　取V，則K，K，K，K，K，K，K，K。</p><p>　　2.4 A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543電路

42、設(shè)計(jì)</p><p>　　2.4.1 TLC2543介紹</p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及多學(xué)科，所研究的對(duì)象是物理或生物等各種非電或電信號(hào)。根據(jù)各種電或非電物理信號(hào)的特征，利用相應(yīng)的歸一化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換成為可真實(shí)反映事物特征的電信號(hào)后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的有限長(zhǎng)二進(jìn)制數(shù)字編碼，以此作為研究自然科學(xué)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)時(shí)控制的重要依據(jù)。</p><p>　

43、　在單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制和智能儀表等應(yīng)用系統(tǒng)中，控制或測(cè)量對(duì)象的有關(guān)變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、速度等物理量。這些模擬量必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。若輸入的是非電模擬信號(hào)，還需經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為核心，利用少量的I/O接口，采用TLC2543串行A/D轉(zhuǎn)換芯片，擴(kuò)展出一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。</p><p>　　TLC2543引腳如圖6所示。

44、圖中的AIN0-AIN10為模擬輸入端，11路輸入信號(hào)由內(nèi)部多路器選通；為片選端，在端由高變低時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位。由低變高時(shí)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)禁止DATA INPUT和 I/O CLOCK；DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端，由4位的串行地址輸入來選擇模擬量的輸入通道；DOUT為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端，為高時(shí)，處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，為低時(shí)，處于激活狀態(tài)；EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束端，在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成

45、和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸為止；CLK為I/O時(shí)鐘，其接收串行信號(hào)并完成以下4個(gè)功能:(1)在I/O CLOCK的前8個(gè)上升沿，8位輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器；(2)在I/O CLOCK的第4個(gè)下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到I/O CLOCK的最后一個(gè)下降沿為止；(3)將前一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的11位輸出到 DATA OUT端，在I/O CLOCK的下降沿時(shí)數(shù)據(jù)開始變化；(4) I/O CLOCK的最后一個(gè)下降沿，將轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)傳送到

46、內(nèi)部狀態(tài)控制位；REF+為正基準(zhǔn)電壓端；REF-為負(fù)基準(zhǔn)電壓端；VCC為電源；GND為內(nèi)部</p><p>　　圖6 TLC2543的引腳圖</p><p>　　2.4.2 TLC2543與單片機(jī)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　TLC2543與AT89S52的接口電路如圖7所示。以片選信號(hào)的電平為參考，TLC2543的工作過程可分為A/D轉(zhuǎn)換周期和I/O周期兩部分交替

47、進(jìn)行。</p><p>　　圖7 TLC2543與AT89S52芯片的接口電路圖</p><p>　　1.=1，A/D轉(zhuǎn)換周期</p><p>　　此時(shí)I/O CLOCK、DATA IN被禁止，DATA OUT引腳呈現(xiàn)高阻態(tài)，EOC為高，TLC2543被禁止，為共同使用串行總線的其他芯片讓出了總線使用權(quán)。這個(gè)周期是A/D轉(zhuǎn)換周期，TLC2543仍在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其

48、A/D轉(zhuǎn)換通道是上一次I/O周期從DATA IN輸入信號(hào)高4位所確定的通道。</p><p>　　2.=0，I/O周期</p><p>　　此時(shí)I/O CLOCK、DATA IN可用，DATA OUT脫離高阻狀態(tài)，TLC2543既通過DATA IN腳讀入數(shù)據(jù)，又通過DATA OUT腳輸出數(shù)據(jù)。12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)從I/O CLOCK端依次加入，隨著時(shí)鐘信號(hào)的加入，控制字從DATA IN一位一位地

49、在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)被送入TLC2543(高位先送入)，同時(shí)上一周期轉(zhuǎn)換的A/D數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從DATA OUT一位一位地輸出。TLC2543收到第4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后，通道號(hào)也己經(jīng)收到，此時(shí)TLC2543開始對(duì)選定通道的模擬量(液位值)進(jìn)行采樣，并保持到第12個(gè)時(shí)鐘的下降沿，EOC變低，開始對(duì)本次采樣的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為10us，轉(zhuǎn)換完成后EOC變高，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在輸出寄存器中，等待下一個(gè)時(shí)鐘周期輸出。然后進(jìn)

50、行下一個(gè)工作周期。</p><p>　　2.5 按鍵及顯示驅(qū)動(dòng)芯片HD7279A電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.5.1 HD7279A介紹</p><p>　　1.HD7279的主要特點(diǎn)</p><p>　?。?）與CPU間采用串行接口方式，僅占用4根口線；</p><p>　?。?）內(nèi)部含有譯碼器，可直接接收BCD

51、碼或16進(jìn)制碼，同時(shí)具有兩種譯碼方式，實(shí)現(xiàn)LED數(shù)碼管位尋址和段尋址，消引和閃爍屬性等多種控制指令，編程靈活；</p><p>　?。?）循環(huán)左移和循環(huán)右移指令；</p><p>　　（4）內(nèi)部含有驅(qū)動(dòng)器，無(wú)需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED；</p><p>　　（5）具有級(jí)連功能，可方便的實(shí)現(xiàn)多于8位顯示或多于64鍵的鍵盤接口；</p><p>

52、　　（6）具有自動(dòng)消除抖動(dòng)并識(shí)別按鍵值的功能。</p><p>　　2.HD7279的引腳說明</p><p>　　鍵盤顯示專用接口芯片HD7279的引腳如圖8所示。</p><p>　　圖8 HD7279引腳圖</p><p>　　DIG0～DIG7分別為8個(gè)LED管的位驅(qū)動(dòng)輸出端。SA～SG分別為L(zhǎng)ED數(shù)碼管的A段～G段的輸出端。DP為小

53、數(shù)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)輸出端。DIG0～DIG7和SA～SG同時(shí)還分別是64鍵盤的列線和行線端口，完成對(duì)鍵盤的監(jiān)視、譯碼和鍵碼的識(shí)別。在8×8陣列中每個(gè)鍵的鍵碼是用16進(jìn)制表示的，可用讀鍵盤數(shù)據(jù)指令讀出，其范圍是00H～3FH。</p><p>　　HD7279與微處理器僅需4條接口線，其中為片選信號(hào)。當(dāng)MCU訪問HD7279時(shí)，應(yīng)將片選端置為低電平。DATA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，當(dāng)向HD7279發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，DA

54、TA為輸入端；當(dāng)HD7279輸出鍵盤代碼時(shí)，DATA為輸出端。CLK為數(shù)據(jù)串行傳送的同步時(shí)鐘輸入端，時(shí)鐘的上升沿表示數(shù)據(jù)有效。KEY為按鍵信號(hào)輸出端，在無(wú)鍵按下時(shí)為高電平；而有鍵按下時(shí)此引腳變?yōu)榈碗娖讲⑶乙恢北３值芥I釋放為止[4]。</p><p>　　RC引腳用于連接HD7279的外接振蕩元件，其典型值為R=1.5K，C=15pF 。</p><p>　　為復(fù)位端。該端由低電平變成高電平

55、并保持25ms即復(fù)位結(jié)束。通常，該端接+5V即可。</p><p>　　CLKO為振蕩輸出端。</p><p>　　VDD為正電源（+5V）；VSS接地。</p><p>　　3.HD7279的控制時(shí)序</p><p><b>　?。?）純指令時(shí)序</b></p><p>　　不帶數(shù)據(jù)的純指令的指

56、令寬度為8個(gè)bit，即單片機(jī)需發(fā)送8個(gè)CLK脈沖，向HD7279發(fā)送8位指令，DATA引腳最后為高阻態(tài)，如圖9所示。 </p><p><b>　　圖9 純指令時(shí)序</b></p><p>　?。?）帶數(shù)據(jù)指令時(shí)序</p><p>　　帶有數(shù)據(jù)的指令的寬度為16個(gè)bit，即單片機(jī)需發(fā)送16個(gè)CLK脈沖，前8個(gè)向HD7279發(fā)送8位指令；后8個(gè)向

57、HD7279傳送8位顯示數(shù)據(jù)，DATA最后為高阻態(tài)，</p><p><b>　　如圖10所示</b></p><p>　　圖10 帶數(shù)據(jù)指令時(shí)序</p><p>　　（3）讀鍵盤指令時(shí)序</p><p>　　讀取鍵盤數(shù)據(jù)指令的寬度為16個(gè)bit，前8個(gè)為單片機(jī)發(fā)送到HD7279的指令，后8個(gè)bit為HD7279返回的鍵

58、盤代碼。執(zhí)行此指令時(shí)，HD7279的DATA端在第9個(gè)CLK的上升沿變?yōu)檩敵鰻顟B(tài)，并與第16個(gè)CLK的下降沿恢復(fù)為輸入狀態(tài)，等待接收下一個(gè)指令，如圖11所示。</p><p>　　圖11 讀鍵指令時(shí)序</p><p>　　2.5.2 按鍵與顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　HD7279A應(yīng)連接共陰極式數(shù)碼管。應(yīng)用中，無(wú)須用到的鍵盤和數(shù)碼管可以不連，省去的數(shù)碼管或?qū)?shù)

59、碼管的設(shè)置屬性均不會(huì)影響鍵盤的使用。</p><p>　　如果不用鍵盤，則典型電路圖中連接到鍵盤的8只10K電阻和8只100K下拉電阻均可省去。如果使用了鍵盤，則下拉的8只100K的電阻就不得省去。除非不接入數(shù)碼管，否則串入DP及SA-SG連線的8只200的電阻不能省去。實(shí)際用中8只下拉電阻和8只鍵盤連接位選線DIG0-DIG7的8只電阻，應(yīng)遵從一定的比例關(guān)系，下拉電阻應(yīng)大于位選電阻的5倍而小于50倍，典型值為1

60、0；下拉電阻的取值范圍是10K~100K，位選電阻的取值范圍是1K~10K。在不影響顯示的前提下，下拉電阻應(yīng)盡可能取較小值，這樣可以提高鍵盤部分的抗干擾能力。按鍵顯示電路如圖12所示。</p><p>　　HD7279A需要一個(gè)外接的RC振蕩電路以供系統(tǒng)工作，其典型值是K。pF。如果芯片無(wú)法正常工作，就檢查這個(gè)振蕩電路。</p><p>　　HD7279A的復(fù)位端在一般的應(yīng)用情況下，可以直

61、接與正電源連接，在需要較高可能性的情況下，連接一個(gè)外復(fù)位電路，或直接由MCU控制。在上電或復(fù)位端由低電平變?yōu)楦唠娖胶?，HD7279A大約需要經(jīng)過18~25ms的時(shí)間才會(huì)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。</p><p>　　上電后，所有的顯示都為空，所有顯示的顯示位的屬性均為“顯示”和“不閃爍”。當(dāng)有鍵按下時(shí)，KEY引腳輸出變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)如果接到“讀鍵盤”指令，HD7279A將輸出所按下的鍵的代碼。如果在收到“讀鍵盤” 指令

62、時(shí)沒有有效按鍵，它將輸出FFH。</p><p>　　程序中，盡可能減少CPU對(duì)HD7279A的訪問次數(shù)，可以使得程序變的有效率[5]。</p><p>　　圖12 按鍵與顯示電路原理圖</p><p>　　因?yàn)樾酒苯域?qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示，電流較大，且為動(dòng)態(tài)掃描方式，故如果該部分電路電源連線較細(xì)較長(zhǎng)，可能會(huì)引入較大的電源噪聲干擾，將HD7279A的正負(fù)電源端上并入

63、去耦電容可以提高電路抗干擾能力。</p><p>　　2.6看門狗電路及聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，通常會(huì)遇到各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)干擾，抗干擾能力就顯得尤為重要，看門狗(Watch Dog)電路是自行檢測(cè)系統(tǒng)的重要保障。本設(shè)計(jì)選用美國(guó)Xicor公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化8腳集成電路芯片X25043，它將E2PROM、看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個(gè)芯片之內(nèi)，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)

64、計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本和系統(tǒng)功耗。本設(shè)計(jì)不僅用到X25043的看門狗功能，而且還用到了它的E2PROM來存儲(chǔ)設(shè)定的的液位報(bào)警值[6]。</p><p>　　2.6.1 X25045芯片的功能</p><p>　　X25045有三種常用的功能：看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和E2PROM[7]。</p><p>　　（1）看門狗:看門狗定時(shí)器對(duì)微機(jī)控制系統(tǒng)提供了獨(dú)

65、立的保護(hù)系統(tǒng)。它提供了三種定時(shí)時(shí)間，可編程選擇200ms, 600ms和1.4s。在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)如果沒有對(duì)X25045進(jìn)行訪問，則看門狗以RESET信號(hào)做輸出響應(yīng)，即變?yōu)楦唠娖?，延時(shí)200ms后，RESET由高電平變成低電平，進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。</p><p>　?。?）電壓監(jiān)控:上電時(shí)，電源電壓超過4.5V后，經(jīng)過約200ms的穩(wěn)定時(shí)間后，RESET信號(hào)由高電平變成低電平。掉電時(shí)，如電源電壓低于4.5V，RESET

66、信號(hào)就立刻由低電平變?yōu)楦唠娖讲⒁恢北３值诫娫措妷夯謴?fù)到穩(wěn)定為止。</p><p>　?。?）E2PROM功能:X25045芯片內(nèi)部的儲(chǔ)存器采用CMOS工藝的4096為串行E2PROM，按512×8組織，每個(gè)字節(jié)可以擦寫10萬(wàn)次以上，內(nèi)部數(shù)據(jù)可以保存100年以上。芯片具有編程塊鎖定功能。采用簡(jiǎn)單的三線總線的串行外設(shè)接口就可以對(duì)該芯片進(jìn)行讀寫。</p><p>　　2.6.2 基于X

67、25045的看門狗電路設(shè)計(jì)</p><p>　　X25045與微處理器的接口十分簡(jiǎn)單，圖13即為該芯片與AT89S52單片機(jī)的接口電路。該電路為AT89S52上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、電源電壓監(jiān)控、可編程看門狗定時(shí)器、串行E2PROM等功能[8]。</p><p>　　圖13 X25045與AT89S52的接口電路</p><p>　　圖2.12是X25045與AT89S

68、52的一種接口方式，通過4根口線，SCK，SI，SO完成對(duì)X25045的操作。X25045內(nèi)部操作的時(shí)序符合SPI總線接口協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)看門狗的復(fù)位由輸入電平的下降沿完成，SCK是外部輸入的同步時(shí)鐘信號(hào)；在對(duì)芯片發(fā)出指令或?qū)懭霐?shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘前沿將SI引腳信號(hào)輸入；在讀數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘后沿將數(shù)據(jù)位輸出到SO引腳上。數(shù)據(jù)不管輸入/輸出都是高位在先。</p><p>　　X25045芯片是設(shè)計(jì)成直接與許多常用微控制器系列的同

69、步外設(shè)接口(SPI)相接的512×8的E2PROM。X25045包括一個(gè)8位的指令寄存器，它可通過SI輸入來訪問。數(shù)據(jù)在SCK的上升沿由始終同步輸入。在整個(gè)工作周期內(nèi)，必須是低電平且WP輸入必須是高電平。X25045監(jiān)視總線，如果在預(yù)置的時(shí)間內(nèi)沒有總線活動(dòng)，那么它將提供RESET輸出。</p><p>　　（1）指令寄存器：X25045內(nèi)有一個(gè)8位的指令寄存器，對(duì)該芯片所有的操作都需要通過對(duì)指令寄存器寫

70、命令來完成，共有6條指令。所有指令、數(shù)據(jù)和地址都是以高位(MSB)在前的方式串行傳送。讀和寫指令的第三位包含了高八位A。</p><p>　?。?）狀態(tài)寄存器：X25045內(nèi)部有一個(gè)狀態(tài)寄存器。RDSR指令提供對(duì)狀態(tài)寄存器的訪問。在任何時(shí)候都可以讀狀態(tài)寄存器。</p><p>　　2.6.3 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)</p><p>　　聲光報(bào)警電路如圖14所示，該電路用于

71、當(dāng)采集到的液位數(shù)據(jù)超過設(shè)定的警戒線時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警。</p><p>　　圖14 聲光報(bào)警電路</p><p><b>　　2.7 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要是硬件電路的設(shè)計(jì)。硬件電路的設(shè)計(jì)主要有數(shù)據(jù)采集部分、輸出部分、標(biāo)準(zhǔn)電壓電流信號(hào)接口部分以及鍵盤顯示的電路設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集基于TLC2543的A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)；輸出部分主

72、要是報(bào)警驅(qū)動(dòng)；鍵盤顯示主要設(shè)計(jì)了采用HD7279A鍵盤顯示驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)的人機(jī)界面。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　任何一個(gè)控制系統(tǒng)必須通過軟、硬件的結(jié)合才能構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)，執(zhí)行應(yīng)的操作。通過軟件的設(shè)計(jì)可以彌補(bǔ)硬件的不足，優(yōu)化控制系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮出最大的潛力，獲得最佳的控制效果。</p><p><b>　　3.1

73、主程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)軟件的總體設(shè)計(jì)流程圖如圖15所示。</p><p>　　圖15 主程序流程圖</p><p>　　以下幾節(jié)著重討論數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)、按鍵處理及顯示子程序設(shè)計(jì)、中斷通訊子程序設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)數(shù)字濾波抗干擾的設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.2 數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)</p><

74、;p>　　編程過程中應(yīng)特別注意TLC2543的工作時(shí)序。其I/O CLOCK引腳接收串行輸入信號(hào)，在I/O CLOCK的前8個(gè)上升沿，DIN引腳的8位輸入數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；在I/O CLOCK的第4個(gè)下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到I/O CLOCK的最后一個(gè)下降沿為止；將前一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的其余n位輸出到DATA OUT端，在I/O CLOCK的下降沿時(shí)，數(shù)據(jù)開始變化；I/O CLOCK的最后一個(gè)下降沿，將轉(zhuǎn)換的

75、控制信號(hào)傳送到內(nèi)部狀態(tài)控制位。因此，TLC2543在每次I/O周期讀取到的數(shù)據(jù)都是前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，應(yīng)該丟棄，再讀一次，即為當(dāng)前轉(zhuǎn)換值。數(shù)據(jù)采集子程序的程序流程圖如圖16所示：</p><p>　　圖16 數(shù)據(jù)采集子程序流程圖</p><p>　　3.3 按鍵處理子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　鍵盤是由若干按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是微型計(jì)算機(jī)最常用的輸入設(shè)備，也是幾乎

76、所有微控制器必不可少的設(shè)計(jì)單元，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。一般單片機(jī)系統(tǒng)中采用非編碼鍵盤，非編碼鍵盤是由軟件來識(shí)別鍵盤上的閉合鍵，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。</p><p>　　液位控制裝置的按鍵共有4個(gè)，分為兩類：第一類，狀態(tài)設(shè)置按鍵，即D1：CORV，D4：STEP；第二類，增加、減少等數(shù)字設(shè)定鍵，即D2：＋，D3：－。其中，CORV鍵是復(fù)用的，長(zhǎng)按

77、時(shí)是進(jìn)入菜單鍵，當(dāng)進(jìn)入菜單后CORV又為確定鍵。STEP鍵就是步態(tài)轉(zhuǎn)換鍵。具體的程序見附錄B。</p><p>　　工業(yè)控制設(shè)備中使用“＋”和“－”二鍵控制顯示數(shù)值，要求按一次“＋”鍵是顯示值加1，按一次“－”鍵使顯示數(shù)值減1。如果按“－”鍵超過一定的時(shí)間，則顯示值就很快地增加，例如一秒加10個(gè)數(shù)字，“－”鍵亦如此。這樣就可以用很少的鍵完成多位數(shù)的輸入工作。也可以將長(zhǎng)按的一鍵作為進(jìn)入菜單的鍵。</p>

78、<p>　　按鍵實(shí)現(xiàn)流程如圖17和圖18所示。</p><p>　　圖17 讀按鍵流程圖</p><p>　　圖18 使用“＋”和“－”二鍵控制顯示數(shù)值鍵盤程序流程</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)顯示子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　HD7279A實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管和鍵盤的硬件連接圖參照?qǐng)D11所示。</p><p&g

79、t;　　下面以按鍵控制A/D采集并在數(shù)碼管顯示的整個(gè)工作流程加以介紹，具體的工作流程圖如圖19所示。</p><p>　　在程序開始后，在主程序中循環(huán)運(yùn)行判斷是否有按鍵按下，掃描按鍵以查詢的方式進(jìn)行，直到有按鍵按下，單片機(jī)接受指令發(fā)送控制指令給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行A/D采集，同時(shí)HD7279A發(fā)送數(shù)碼管顯示指令，將采集到的A/D值在數(shù)碼管上顯示出來，此程序設(shè)計(jì)包含了按鍵驅(qū)動(dòng)，數(shù)碼管顯示和A/D采集，通過此程序設(shè)計(jì)能夠

80、掌握HD7279A是如何驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示和按鍵的原理。</p><p>　　圖19 HD7279A顯示和鍵盤程序流程圖</p><p>　　3.5 中斷通訊子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　中斷是為處理器對(duì)外界異步事件具有處理能力而設(shè)置的，中斷技術(shù)的引入把計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用大大地推進(jìn)一步。中斷是指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行某一程序的過程中，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)、外的某種原因，而必須終止原

81、程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，待處理結(jié)束之后，再回來繼續(xù)執(zhí)行被終止原程序的過程。能產(chǎn)生中斷的外部或內(nèi)部事件稱為中斷源。幾個(gè)中斷源同時(shí)申請(qǐng)中斷時(shí)，或者CPU正在處理某中斷事件時(shí)，又有另一事件申請(qǐng)中斷，CPU必須區(qū)分哪個(gè)中斷源更重要，從而優(yōu)先處理，這就是中斷優(yōu)先級(jí)問題。優(yōu)先級(jí)高的事件可以中斷CPU正在處理的低級(jí)的中斷服務(wù)程序，待完成了高級(jí)中斷服務(wù)程序之后，再繼續(xù)被中斷的低級(jí)中斷服務(wù)程序，這就是中斷的嵌套。</p><

82、;p>　　當(dāng)數(shù)據(jù)顯示儀表需要與PC機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)就需要用到中斷通訊子程序。本設(shè)計(jì)中中斷通訊子程序由中斷發(fā)送子程序和中斷接收子程序組成，中斷發(fā)送子程序和中斷接收子程序流程圖分別如圖20和21所示。</p><p>　　圖20 中斷發(fā)送子程序 圖21 中斷接收子程序</p><p>　　3.6 系統(tǒng)數(shù)字濾波抗干擾設(shè)計(jì)</p>

83、<p>　　從傳感器或者變送器送過來的信號(hào)中，通常會(huì)摻雜一些噪聲和干擾。模擬系統(tǒng)中，一般采取在信號(hào)輸入端裝RC低通濾波器的方法來抑制某些干擾信號(hào)，但其對(duì)高頻干擾信號(hào)有較好的抑制，而對(duì)低頻干擾信號(hào)濾波效果不佳。所謂數(shù)字濾波器就是通過一定的計(jì)算和判斷程序減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中的比重，故數(shù)字濾波器是一種程序?yàn)V波。數(shù)字濾波器可以對(duì)極低頻率的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，以彌補(bǔ)RC濾波器的不足，并且可以根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參

84、數(shù)，使用上極其靈活、方便，而且降低了硬件成本。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用了算術(shù)平均濾波法，算術(shù)平均濾波法是連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。N值較大時(shí)，信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較底；N值較小時(shí)，信號(hào)平滑度較底，但靈敏度較高。算術(shù)平均濾波法的優(yōu)點(diǎn)在于適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，這樣信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)。缺點(diǎn)是對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用

85、，比較浪費(fèi)RAM。程序設(shè)計(jì)中將采集到的數(shù)據(jù)去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，再將余下數(shù)值除3求得平均值，其程序流程圖如圖22所示。</p><p>　　圖22 數(shù)字濾波程序流程圖</p><p><b>　　3.7 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要針對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。主要包括主程序的設(shè)計(jì)和各部分子程序的設(shè)計(jì)即包括

86、數(shù)據(jù)采集子程序、按鍵處理子程序、數(shù)據(jù)顯示子程序、中斷通訊子程序以及系統(tǒng)數(shù)字濾波抗干擾設(shè)計(jì)。</p><p>　　第4章 RS485通訊</p><p>　　4.1 通訊方式介紹</p><p>　　在設(shè)計(jì)下位機(jī)的工作中，還涉及到將液位數(shù)據(jù)顯示儀表的測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。這時(shí)，將整個(gè)液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)由微機(jī)與單片機(jī)組成的上位機(jī)與下位機(jī)的分布式控制系統(tǒng)，下位機(jī)深入到

87、液位測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，采集液位數(shù)據(jù)，最后將狀態(tài)信息與處理結(jié)果數(shù)據(jù)傳至上位PC機(jī)。這時(shí)就涉及到PC機(jī)與下位機(jī)的通信的設(shè)計(jì)問題。</p><p>　　對(duì)于異步串行通信接口來說，有以下四類:</p><p>　　1、RS232C (RS232A，RS232B)</p><p>　　2、RS449，RS422，RS423，RS485</p><p><

88、b>　　3、20mA電流環(huán)</b></p><p><b>　　4、USB通信接口</b></p><p>　　在實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)間的串行通信時(shí)，通常采用標(biāo)準(zhǔn)通信接口。所謂標(biāo)準(zhǔn)接口，就是明確定義若干信號(hào)線，使接口電路標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。采用標(biāo)準(zhǔn)接口后，能很方便地把各種計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、測(cè)量?jī)x器有機(jī)地連接起來，構(gòu)成一個(gè)測(cè)量、控制系統(tǒng)。RS2

89、32C是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)正式公布的、在異步串行通訊中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線。它包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C(jī)械方面的規(guī)定，適合于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通訊場(chǎng)合。為了提高數(shù)據(jù)傳輸率和通訊距離，EIA又公布了RS449，RS422，RS423和RS485串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。20mA電流環(huán)是一種非標(biāo)準(zhǔn)的串行接口電路，但由于它具有簡(jiǎn)單、對(duì)電氣噪聲不敏感的優(yōu)點(diǎn)，因而在串行通訊中也得到廣泛使用。為保證高可靠性的通信要求，在選擇接口標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，須注意

90、以下兩點(diǎn):</p><p>　?。?）通信速度和通信距離</p><p>　　通常的標(biāo)準(zhǔn)串行接口的電氣特性，都有滿足可靠傳輸時(shí)的最大通信速度和傳送距離指標(biāo)。但這兩個(gè)指標(biāo)之間具有相關(guān)性，適當(dāng)?shù)亟档屯ㄓ嵥俣?，可以提高通訊距離，反之亦然。例如，采用RS232C標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為20Kbit/S最大傳送距離為15m。改用RS422標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，最大傳輸速率可達(dá)10Mbit/S，適

91、當(dāng)降低數(shù)據(jù)傳輸速率，傳送距離可達(dá)到1200m。</p><p><b>　?。?）抗干擾能力</b></p><p>　　通常選擇的標(biāo)準(zhǔn)接口，在保證不超過其使用范圍時(shí)都有一定的抗干擾能力，以保證可靠的信號(hào)傳輸。但在一些工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，通訊環(huán)境往往十分惡劣，因此在通訊介質(zhì)選擇、接口標(biāo)準(zhǔn)選擇時(shí)要充分注意其抗干擾能力，并采取必要的抗干擾措施。例如在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，使用RS42

92、2標(biāo)準(zhǔn)，能有效地抑制共模信號(hào)干擾；使用20mA電流環(huán)技術(shù)，能大大降低對(duì)噪聲的敏感程度。在高噪聲污染環(huán)境中，通過使用光纖介質(zhì)減少噪聲干擾，通過光電隔離提高通訊系統(tǒng)的安全性都是一些行之有效的辦法。</p><p>　　RS232接口標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)EIA與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0-20000bit/S范圍內(nèi)的通信。它最初是為遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE而制

93、訂的。它是早期為促進(jìn)使用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，其邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱的，完全與TTL，MOS邏輯電平不同。邏輯0電平規(guī)定為+5V～+15V之間。因此，RS232驅(qū)動(dòng)器與TTL電平連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。</p><p>　　RS232由于發(fā)送器和接收器之間具有公共信號(hào)地，不可能使用雙端信號(hào)。其信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)位乃是參考地線而來的，傳送端參考到接地端而用以傳送數(shù)據(jù):接收端則參考接地端而還原出傳送端的訊號(hào)準(zhǔn)位。在兩個(gè)

94、接地端同電位的前提下，傳送與接收端的訊號(hào)準(zhǔn)位會(huì)呈現(xiàn)一樣的結(jié)果。如果有噪聲進(jìn)到傳輸線路中的話，干擾的噪聲訊號(hào)在地線及訊號(hào)上均會(huì)產(chǎn)生影響，原始訊號(hào)在加上噪聲后依然是傳送到接收端;而地線部分的訊號(hào)則被地標(biāo)準(zhǔn)位給平均掉了，這樣，信號(hào)整個(gè)都不對(duì)了。因此，共模標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)傳輸速率也只能達(dá)到20Kbit/S，而且最大距離僅為15m。只有在這種條件下才能可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。</p><p>　　RS485是一種平衡傳輸方式的串行接

95、口標(biāo)準(zhǔn)，它和RS422A兼容，擴(kuò)展了RS422A的功能。所謂平衡，是指雙端發(fā)送和雙端接收。RS485的訊號(hào)被傳送出去時(shí)會(huì)先分成正負(fù)兩條線路，當(dāng)?shù)竭_(dá)接收端，再將訊號(hào)相減還原成原來的信號(hào):</p><p>　　若將原始訊號(hào)標(biāo)示成(DT)，而被分成后的訊號(hào)分別標(biāo)示成(D+)及(D-)，則原始訊號(hào)與離散信號(hào)在由傳送端傳送出去時(shí)的運(yùn)算關(guān)系如下式。(DT)=(D+)－(D-)

96、 （4.1）</p><p>　　同樣地，接收端在接收到訊號(hào)后，也依上式的關(guān)系將訊號(hào)還原成原來的樣子。若此線路受到干擾，此時(shí)兩條傳輸線上的訊號(hào)分別為(D+)+Noise及(D-)+Noise，如果接收端接收此訊號(hào)，它必須依照一定的方式將其合成，其合成的方程式如下式。</p><p>　　(DT)=[(D+)+Noise]－[(D)+Noise]=(D+)－(D) （4.2）

97、</p><p>　　此式與前式的結(jié)果是一樣的。所以使用RS485標(biāo)準(zhǔn)可以有效地防止噪聲的干擾，傳輸速率高，傳送距離遠(yuǎn)。采用雙絞線，不用MODEM的情況下，在100bit/S的速率時(shí)，可傳送的距離為1.2km，若速率為9600bit/S，則傳送距離可達(dá)15km。它允許的最大速率可達(dá)10Mbit/S，并且允許平衡電纜上連接32個(gè)發(fā)送器/接收器。</p><p>　　當(dāng)信號(hào)采集系統(tǒng)前端信號(hào)采集

98、的采樣頻率約為150Hz。鑒于此，本設(shè)計(jì)中PC機(jī)與下位機(jī)的通信采用了RS485通信標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)傳輸速率達(dá)到1Mbit/S時(shí)，傳輸距離可達(dá)120m[9]。</p><p>　　4.2 RS485通訊電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 MAX485芯片介紹</p><p>　　MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS485芯片。采用單一電源+5v工作，額定電流

99、為300uA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。</p><p>　　MAX485的引腳結(jié)構(gòu)圖如圖23所示。從圖中可以看出，MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可。 /RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為

100、邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)。因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單。只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和</p><p><b>　　發(fā)送即可[10]。</b></p><p&

101、gt;　　圖23 MAX485的引腳圖</p><p>　　4.2.2 基于MAX485芯片的通訊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用MAX485芯片實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)之間的有效通訊，其通訊接口電路如圖24所示。其中RXD和TXD分別連接到單片機(jī)的P3.1和P3.0腳。</p><p>　　圖24 通訊接口電路</p><p>　　4.3 R

102、S485方式構(gòu)成的多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　在由單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)串行通信系統(tǒng)中，一般采用主從式結(jié)構(gòu)：從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。因此在一個(gè)多機(jī)通信系統(tǒng)中，只有一臺(tái)單機(jī)作為主機(jī)，各臺(tái)從機(jī)之間不能相互通信，即使由信息交換也必須通過主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。采用RS485構(gòu)成的多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)如圖25所示。</p><p>　　圖25 采用RS485構(gòu)成的多級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)圖</p>

103、<p>　　上位機(jī)(PC機(jī))的RS232串行口通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS485總線，各下位機(jī)通過MAX485芯片連接到總線上。各個(gè)下位機(jī)設(shè)有自己唯一的地址，且下位機(jī)之間不能通訊，一切通訊受上位機(jī)(PC機(jī))控制開始時(shí)，下位機(jī)都處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待上位機(jī)發(fā)出指令。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出指令時(shí)，所有下位機(jī)都接收并且將其中的地址幀與自己的地址比較，如果相同則繼續(xù)解釋后面的指令或數(shù)據(jù)，若不同則不予理睬。</p>&l

104、t;p>　　單片機(jī)晶振頻率為11.0592MHZ，串口通信波特率為9600bit/S，設(shè)置32字節(jié)的隊(duì)列緩沖區(qū)用于接收發(fā)送，其中主機(jī)發(fā)送的信息可為各從機(jī)接收，而各從機(jī)發(fā)送的信息只能由主機(jī)接收，從機(jī)與主機(jī)間不能互相通信。</p><p>　　在多機(jī)通信中，SM2位扮演了重要角色。當(dāng)一臺(tái)89S52的SM2為1時(shí)，該89S52只接收地址幀（第9位數(shù)據(jù)為1），對(duì)數(shù)據(jù)幀（第9位數(shù)據(jù)為0）不理睬。而當(dāng)SM2=0時(shí)，該機(jī)

105、接收所有發(fā)來的消息。</p><p>　　多機(jī)通信的過程如下：</p><p>　　所有從機(jī)的SM2位開始置1，處于只接收地址幀的狀態(tài)。</p><p>　　主機(jī)發(fā)送一幀地址信息，包含8位地址，第9位為1，表示發(fā)送的幀為地址幀。</p><p>　　從機(jī)接收地址幀后，進(jìn)入中斷，把發(fā)來的地址與自身比較。</p><p>

106、　　地址一致的從機(jī)就是被尋址的從機(jī)，它清除SM2位，接收主機(jī)發(fā)來的所有后續(xù)幀信息（數(shù)據(jù)信息）。未尋址的所有其他從機(jī)仍維持SM2=1，對(duì)主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀不理睬，直到發(fā)來新地址幀。</p><p>　　主機(jī)發(fā)送控制信息和數(shù)據(jù)幀（第9位為0）給已被尋址的從機(jī)。</p><p>　　多機(jī)通信一般需要符合一定的規(guī)范，對(duì)應(yīng)于不同場(chǎng)合的通信需要。這些人為規(guī)定的規(guī)范就是通信協(xié)議，圖TCP/IP協(xié)議、CAN

107、總線通信協(xié)議、232協(xié)議等。在本設(shè)計(jì)中，用到了幾條簡(jiǎn)單的協(xié)議，并針對(duì)其編程。當(dāng)然，這些協(xié)議并不完善，不能在實(shí)際通信中應(yīng)用。</p><p>　　系統(tǒng)允許接255臺(tái)從機(jī)，地址從00H～FEH。</p><p>　　地址FFH對(duì)所有從機(jī)置位SM2。</p><p>　　對(duì)已經(jīng)尋址到的從機(jī)再發(fā)送地址幀時(shí)，該從機(jī)SM2=1，恢復(fù)初始狀態(tài)，以和其他從機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。</p>

108、;<p><b>　　主機(jī)命令類型為：</b></p><p>　　00：要求從機(jī)接收數(shù)據(jù)；01：要求從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；其他為非法命令。</p><p>　　數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度：8字節(jié)。</p><p>　　從機(jī)返回的狀態(tài)字格式如表1所示。</p><p><b>　　表1 狀態(tài)字格式表</b>&

109、lt;/p><p>　?。∕SB）(LSB)</p><p>　　其中，ERR=1：接收到非法命令；TRDY=1：從機(jī)發(fā)送準(zhǔn)備就緒；RRDY=1：從機(jī)接收準(zhǔn)備就緒。</p><p>　　4.4 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議</p><p>　　由于RS485通信是一種半雙工通信，發(fā)送和接收共用同一物理通道，在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)單機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)，因此要求應(yīng)答的單