乳化液泵站监测系统的设计

乳化液泵站监测系统的设计内容摘要：

片外部程序存储器的选择信号 PSEN 29 外部程序存储器读选通信号 ,低电平有效 ALE/ PROG 30 低 8 位地址锁存信号 /编程脉冲输入 XTAL2 XTAL1 18~19 芯片内振荡器反相放大器的输出端和输入端 VCC 40 电源电压的输入引脚 ,~ GND 20 电源地引脚 AT89S52 的 存储器和 I/O 接口电路 1) AT89S52 单片机的存储器 AT89S52 单片机芯片内配置有 8KB的 Flash 程序存储器和 256B 的数据存储器 RAM，根据需要可外扩最大 64KB 的程序存储器和 64KB的数据存储器，因此 AT89S52 的存储器结构可分为 4 部分：片内程序存储器、片外程序存储器 、片内数据存储器和片外数据存储器。 2) I/O 接口电路 [8] CPU 的数据处理速度要远高于外围设备，同时各外围设备的数据处理速度也不尽相同，因此在 CPU 与外围设备之间进行信息交换时要解决处理速度的匹配问题，以有效地提高 CPU 的工作效率；与此同时还要对外围设备进行驱动， I/O 接口电路正是为了上述问题而设计的。 AT89S52 单片机内部集成 4 个可编程的并行 I/O 口（ P0~P3） ,每个输出接口电路都具有锁存器和驱动器，输入接口电路都具有三态门控制，这是接口电路的基本特征。 AT89S52 单片机引脚 1. 多功能 I/O 口引脚 P0~P3 1) P0 口 39~32 引脚 8 位并行、双向、开漏输出的 I/O 口，作为输出时可驱动 8 个 TTL负载。 该口内无上拉电阻，由两个 MOS 管串接，既可断开漏极输出又可处于高阻状态，因此称为双向、漏极开路 I/O 口。 对片外程序存储器和数据存储器进行访问时，该口作为低 8 位地址线和数据总线复用。 对片内 Flash 存储器编程时，该口接收指令的字节代码，而对程序进行校验刘婉如 ： 乳化液泵站监测系统的 设计 16 时该口输出指令的字节代码，程序校验时需要外接 10 的上拉电阻。 该口作为 通用 I/O 口 使用时，需要外接上拉电阻。 作为输入口使用，需对每个引脚写入 1 成为高阻抗输入口，这时该口为准双向 I/O 口。 2) P1 口 1~8 引脚 具有内部上拉电阻的 8 位、准双向 I/O 口，可驱动 4 个 TTL 负载，当编程和校验程序时定义为低 8 位的地址线。 用作输入时需要先将每个引脚置成 1。 引脚 同时还是定时 /计数器 T2 的外部计数输入，引脚 同时还是定时 /计数器T2 捕捉 /重装操作的控制信号。 3) P2 口 21~28 引脚 具有内部上拉电阻的 8 位、准双向 I/O 口，可驱动 4 个 TTL 负载。 访问片外 16 位地址的程序存储器和 数据存储器时，该口作为高 8 位地址线。 而当只需要 8 位地址时，该口将输出特殊功能寄存器 P2 中的内容。 编程和校验程序时，该口接收高字节地址和一些控制信号。 4) P3 口 10~17 引脚 具有内部上拉电阻的 8 位、准双向 I/O 口，可驱动 4 个 TTL负载。 作为普通 I/O 口的输入口使用时，应该先将该口的各引脚写 1。 除此之外， P3 口还提供了一些第二功能，如表 22 所示。 表 22 AT89S52 单片机 P3 口的第二功能 The second function of P3 mouth of AT89S52 引脚 第二功能 说明 RXD 串行数据接收 TXD 串行数据发送 0INT 外部中断 0 请求 1INT 外部中断 1 请求 T0 定时器 0 外部事件计数输入 T1 定时器 1 外部事件计数输入 WR 外部 RAM 写选通 RD 外部 RAM 读选通 2. 复位、控制和选通引脚 共有 4 根控制信号线， RST、 EA /VPP、 PSEN 和 ALE/ PROG。 1) RST（ 9 脚） 该引脚为复位信号输入端，高电平有效。 在振荡器稳定工作情况下，该引脚被置成高电平并持续 2 个机器周期以上时系统复位。 辽宁工程技术大学 毕业设计（论文） 17 当定时监视器 WDT（看门狗）溢出时，该引脚置成高电平并持续 98 个震荡周期。 2) EA /VPP（ 31 脚） EA 为访问芯片内部和芯片外部程序存储器的选择信号。 EA 为低电平（接地） 时 ，对程序存储器的操作限定外部程序存储器进行，地址 0000H~FFFFH。 EA 为高电平（接 电源电压） VCC 时， CPU 首先从芯片内程序存储器（ 0000H~1FFFH）的 0000H 单元开始读取所存储的指令代码；若芯片外部有扩展的程序存储器，则 CPU 在执行完芯片内部程序存储器中的程序后，自动转向去执行外部 程序存储器中的程序。 Vpp 为片内 Flash 存储器的编程电压。 对片内 Flash 存储器进行编程时，该引脚接编程电压 Vpp（ 5V 或 12V）；对程序进行校验时，该引脚接电源电压 Vcc。 3) ALE/ PROG （ 30 脚） 低字节地址 锁存允许信号 /编程脉冲输入端。 ALE 为低字节地址锁存信号，当系统扩展时 ALE 的下降沿将 P0 口输出的低 8 位地址锁存信号到外接地址锁存器中，以实现低字节地址和数据的分时复用。 当对 Flash 存储器编程时，该引脚用作编程脉冲（ PROG ）输入端；在非访问外围器件期间， ALE 连续输出 1/6 振荡频率的正脉冲，可作为外部计数器或时钟信号。 4) PSEN （ 29 脚） PSEN 为外部程序存储器读选通信号，低电平有效。 CPU 读取外部程序存储器中的指令代码时，被读取的指令代码被送至 P0口；读写片外数据存储器 RAM时， PSEN 无效。 5) 外部晶振引脚 XTAL1（ 19 脚）：芯片内振荡 器 反相放大器和时钟发生器的输入端。 XTAL2（ 18 脚）：芯片内振荡器反相放大器的输出端。 复位操作和复位电路 复位操作是使单片机的 CPU以及系统各部件处于初始状态，并从这个状态开始运行。 单片机在运行过程中可能会受到外界的干扰使程序陷入死循环或“跑飞”，发生这种情况时需要将单片机复位，以重新启动运行 [12]。 RST 引脚是复位信号的输入端口，高电平有效。 在时钟振荡器稳定工作情况下，该引脚若由低电平上升到高电平并持续 2 个机器周期。 复位操作有手动复位和上电复位， 图 23（ a）为一种上电自动复位电路，图（ b）为 具有上电 自动复位和手动复位两 种操作方式的复位电路。 刘婉如 ： 乳化液泵站监测系统的 设计 18 （ a） （ b） 图 23 两种复位电路 Two clear circuit 在复位电路上电的瞬间， RC 电路充电， RST 引脚出现高电平。 RST 引脚出现的高电平将会随着 对电容 C的充电过程而逐渐回落，为了保证 RST引脚出现的高电平持续两个机器周期以上的时间，须合理地选择其电阻和电容的参数值，而电阻和电容参数的取值随着时钟频率的不同而变化。 本文中选择图（ b）复位电路。 振荡器、时钟电路 在 AT89S52 芯片内部，有一个振荡器电路和时钟发生器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 之间接入晶体振荡器和电容后构成内部时钟方式。 也可以使用外部振荡器，由外部振荡器产生的信号直接加载到振荡器的输入端，作为 CPU 的时钟源，称为外部时钟方式。 大多数的单片机均采用内部时钟方式，图 24 为两种方式的电路连接 ，本文选用的是片内振荡器接法。 采用外部时钟方式时，外部振荡器的输出信号接至 XTAL1， XTAL2 悬空。 （ a） 使用片内振荡器接法 （ b）使用片外振荡器接法 图 24 AT89S52 振荡器的连接方式 The placement of oscillator of AT89S52 辽宁工程技术大学 毕业设计（论文） 19 3 系统 硬件设计 硬件电路的整体设计 硬件电路设计的基本要求 对系统硬件电路的设计，提出如下要求： 1） 系统的可维护性要好。 这个要求对任何系统来说都是很重要的，这不仅要求系统设计能方便操作人员使用，还要求操作简便快捷。 2） 系统的 可扩充性要好。 随着用户要求的不断提高，系统应能够不断升级，扩充 功能，或控制新对象。 3） 系统的可靠性要高。 实时控制系统的可靠性是极为重要的，一旦 系统出现故障就可能影响乳化液泵和采煤工作面正常安全工作。 因此系统要注意抗干扰设计，提高系统可靠性。 4） 系统的防爆性能要好。 由于本系统工作在含瓦斯和煤尘的环境中，因此要求该系统设计应严格满足国家煤炭生产防爆标准。 整个硬件电路最 终实现的功能包括： 1） 乳化液 泵 站 工作关键参数信号的采集：包括泵输出端口压力、 曲 轴箱润滑油油温、油位、乳化液箱乳化液液温、液位五个 关键参数信号的采集； 2） 压力温度参数的实时动态显示：把采集到的压力、温度参数在 LED 显示屏上显示出来，同时可以通过按键切换显示状态，及时显示需要观察的参 数； 3） 超限报警：当传感器监测的参数超限时，控制系统及时进行 声光 报警。 硬件电路的结构组成框图 硬件电路的结构组成框图如图 31 所示。 该系统采用模块化设计，控制器核心采用AT89S52 单片机。 硬件电路包括单片机电路、信号采集电路 、 LED 显示电路、报警处理电路以及电源电路等组成。 其中信号采集电路是将各 个传感器采集到的模拟信号或者数字信号，进行调理处理后送入单片机。 单片机电路是包括单片机本身在内的，用 来保证单片机能正常运行的电路，其中包括时钟电路和调试接口电路等。 刘婉如 ： 乳化液泵站监测系统的 设计 20 图 31 硬件电路 结构组成框图 Block diagram of the hardware circuit LED显示电路是利用 4位 LED数码管显示把采集到的压力和温度参数实时的显示出来； 报警处理电路是通过声光报警 器来实现系统在异常状态下能发出报警； 电源电路是将输入的工作电压转换成系统所需的 +12v、 +9v、 9V以及 +5V电压。 电源模块设计 控制系统能否稳定、可靠的工作，电源的设计非常重要，它为系统提供稳定的直流 供电电压。 本系统液位传感器电压为 +12V，温度调理电路要用到 +9V、 9V 电压，而系 统芯片供电电压为 +5V，因此需要进行电压转换 ， 如图 32 为电源模块电路原理图。 辽宁工程技术大学 毕业设计（论文） 21 图 32 电源电路图 Power circuit 本电源模块选用 781 780 790 7805 芯片作为调压电路核心。 7812 负责把 电压转换为 +12V， 7809 的作用是把 电压 转换为 +9V， 7909 负责把电压转换为 9V。 7805 负责把电压转换为 +5V。 A/D 转换器与单片机的连接 由于 AT89S52 单片机中不含有 A/D转换器，并且 温度与压力传感器输出量是模拟量，因而在 传感器与单片机 之间需要一个 A/D 转换器进行连接， 本设计选用 的是 ADC0809 转换器。 ADC0809 的简介 0809 是具有 8个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任意通道进行 A/D 转换，得到 8位二进制数字量。 0809 与单片机 AT89S52 的连接 如图 33所示。 刘婉如 ： 乳化液泵站监测系统的 设计 22 图 33 ADC0809 的 连接 图 The connect chart of ADC0809 ADC0809 主要技术指标如下： 电源电压： 5V 分辨率： 8位 时钟频率： 640KHZ 转换时间 100us 未经调整误差： 1/2LSB 和 1LSB 模拟量输入电压范围： 0～ 5V 功耗： 15mW ADC0809 芯片有 28 条引脚 ， 下面说明各引脚功能。 IN0～ IN7： 8 路模拟量输入端。 21～28： 8位数字量输出端。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3 位地址输入线，用于选通 8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A／ D 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽）使其启动（脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动A/D 转换）。 EOC： A/D 转换结束信号，输出 ，当 A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。 当 A／ D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端 ， 要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基准电压。 Vcc：电源，＋ 5V。 GND：地。 辽宁工程技术大学 毕业设计（论文） 23 压力信号采集 压力传感器的选用 系统选用西安西科监控设备有限责任公司研制的 GD307 型矿用顶板压力传感。