题t目：基于单片机的通用智能测控系统--下位机部分

题t目：基于单片机的通用智能测控系统--下位机部分内容摘要：

用软件实现串口通信 、 模拟量和数字量的采集以及输出。 1. 在正常情况下，即 A/D 转换器通道 CH0 的值大于通道 CH1 的值时单片机执行串口 写 操作，经过软件处理后将数字量经过 RS485 总线传送到上位系统中去。 2. 在非正常情况下，即 A/D 转换器通道 CH0 的值大于通道 CH1 的值时 启动报警系统，此时 单片机执行开关量采集操作 ， 并输出开关量去控制现场执行机构。 这种将程序固化在单片机微处理器中， 既降低了成本又提高了运行速度及工艺精度，同时为了实现工业自动化的信息化网络化，利用单片机的中断通讯功能，同样用软件去实现上位机与下位机的通讯功能。 为了实现控制参数的实时性和有效性，用报警装置来控制。 转换器设计 1. 在设计转换器时，要考虑的因素有： 1) 稳定时间（ Setting Time）： D/A 从输入数字码发生变动到输出稳定的电压值所占的时间，或称置位时间。 2) 摆动时间 （ Slew Time） ： D/A 的辅助放大器改变输出电压所需要的时间。 2. 在使用 转换器时，要考虑的因素有： 1) 温度系数（ Temperature Coefficient）： A/D、 D/A 内部元件的温度系数将产生或增加某些误差。 例如放大器、比较器输出电压、电流因温度变化发生偏移时，内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 将影响转换器零误差。 电阻网络、电流开关的温度系数将影响转换器的线性误差等。 所以，要注意转换器工作环境温度变化对各种技术性能的影响，说明书里给的技术性能指标一般是在 25℃工作环境温度下测定的，如果工作环境温度不是 25℃，并且相差甚大，则实际技术性能指标会有变化。 2) 元件老化（ Components Agieg）： A/D、 D/A 中的元件老化将产生技术性能指标的偏移，和温度系数的影响一样，将使零点误差、线性误差、满量程误差等发生变化。 3) 电源干扰（ Supply Rejection）：当电源电压发生变动时，也会影响转换器的技术性能指标。 同时模数转换器需要几组电源电压，一般来说 +5V 是供数字部分使用的， +15V是供模拟部分使用的。 这两组电源的地应分别接数字地和模拟地，并要注意这两组电源的变压器绕组之间应具有良好的绝缘和良好的静电隔离。 3. 使用转换器时，还要注意和外部线路的合理配接，不然也会影响转换器的技术性能指标。 例如： 1) 外部时钟的时 钟频率 （ Clock Rate） ： 每种 A/D 转换器都要求一定范围的时钟频率。 要按其规定配接外部时钟电路，保证合适的时钟频率，不然将影响 A/D 的转换时间甚至精确度。 2) A/D 的输入阻抗 （ Input Impedance）。 3) D/A 及 A/D 的输出带负载能力 （ Output Drive Capability）。 4. 另外 DAC0832 数模转换器设计时应考虑的因素还有： 1) 内部无参考电压 ,需外部参考电源电路。 2) 该芯片为电流输出型 D/A 转换器件，要获得模拟电压输出时，需外加转换电路。 3) 当该芯片与单片机连接时，为保证正常工作， 有两个重要的时钟关系必须考虑：第一，最小的 WR 存储脉冲宽度 .对于全部有效工作的电源电压和温度，它都被内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 定义为 500ns，但若 Vcc=15V，典型的脉冲宽度只有 100ns；第二，要保证 90ns的最小数据保持时间或误差数据被锁存的时间。 可靠性设计 任何产品的开发最终都应用于现场，现场的环境不如实验室稳定可靠，因此设计时应注意现场环境，如温度，噪音，振动，灰尘等因素，可靠性设计是提高产品可靠性的重要手段，而可靠性保障技术是长期总结的一套提高可靠性的具体方法。 要注意简化电路结构 必须使电路尽量简化，即“越简单越可 靠”性工程的重要定理，“简单”在产品中表现为电路简单和元器件少，这就要求使用尽量功能多、性能好的元器件。 采用成熟技术和通用器件 成熟技术和通用技术器件意味着经过了长期的可靠性再增长过程，具有较完整的可靠性有关数据，使研制产品的可靠性有了基本保证。 成本设计 功能不是越多越好，只要能达到控制目的即可，否则只追求功能的多样化将导致软件和硬件成本的大大提高，考虑可靠性及抑制干扰方面去选择性价比高的器件，同时也要注意工艺上的要求，设计要符合现行的工艺生产能力，对工艺生产过高，将导致成本升高。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 第四章 系统硬件设计 不同系统中的智能仪表的硬件结构有所不同。 设计智能仪表硬件结构时要注意以下几点： 1. 在满足仪表功能要求、工作可靠的前提下，尽量简化智能仪表的硬件结构，以便仪表体积小、成本低。 2. 硬件结构设计要便于仪表的调试、维修以及用户的操作使用。 3. 要考虑和检测部件、控制部件等外部部件的连接方便、工作可靠。 4. 元件的布置和走线要合理 ， 以便抑制噪声干扰。 5. 考虑硬件结构有一定的灵活性和可扩充性。 6. 硬件结构的设计要考虑机壳造型的美观和加工方便。 硬件原理框图 本设计主要包括：数据采集、数据输出、工作状态切换和串口通信，它们之间的关系如 图： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 I / V 变 换 电路A / D 转 换 器D / A 转 换 器光 电 耦 合 器R S 4 8 5 总 线V / I 变 换 电路现 场 设 备单 片 机4 ～ 2 0 m A 电 流 信 号0 ～ 5 V 电 压 信 号0 ～ 5 V 电 压 信 号4 ～ 2 0 m A 电 流 信 号开 关 信 号继 电 器热 工 仪 表上 位 机 图 硬件结构图 器件选择 单片机 —— AT89C51 AT89C51 是美国 ATMEL公司生产的具有 MCS51 内核的 8 位单片机产品。 该单片机具有时钟频率高 ( 最 高 24MHz)、运行速度快、内含 4KB EEPROM、 P0 口驱动能力强（ 最大 20mA) 等特点 ， 在智能化仪器仪表中得到了广泛的应用。 AT89C51 有 40 条引脚，其引脚图如下图： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 15 J un 2 00 8 S he e t o f F i l e : C : \ D o c um e nt s a n d S e tt i ng s \ A d m i ni s t r a t or \桌面 \ M yD e s i g bD r a w n B y :P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T / V P D9P 3. 0/ R xD10P 3. 1/ T xD11P 3. 2/ I N T 012P 3. 3/ I N T 113P 3. 4/ T 014P 3. 5/ T 115P 3. 6/ W R16P 3. 7/ R D17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P S E N29A L E / P R O G30E A / V pp31P 0. 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039V C C40A T 89 C 5 1 图 AT89C51 引脚图 1. 主要性能参数：  与 MCS51 系列的单片机在指令系统和引脚 上完全兼容  片内有 4k 字节在线可复编程快擦写程序存储器  全静态工作，工作范围： 0Hz~24MHz  三级程序存储器加密  128 8 位内部 RAM  32 位双向输入输出线  两个十六位定时器 /计数器  五个中断源，两级中断优先级  一个全双工的异步串行口  间歇和掉电工作方式 2. 功能特性概述 ： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 AT89C51 是一种低损耗、高性能、 CMOS 八位微处理器 ， 片内有 4k 字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器 ， 能重复写入 /擦除解 1000 次 ， 数据保存时间为十年。 它与 MCA51 系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替 MCS51 系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS51 系列产品没有的功能。 AT89C51 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。 只要程序长度小于 4k，四个 I/O 口全部提供给用户。 可用 5V电压编程，而且擦写时间仅需 10 毫秒，仅为 8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与 8751/87C51 的 12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。 工作电压范围宽 ~6V，全静态工作，工作频率宽在 0Hz~24MHz 内，比 8751/87C51 等 51系列的 6MHz~12MHz 更具有灵活性，系统能快能慢。 AT89C51 芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。 另外，AT89C51 还具有 MCS51 系列单片机的所有优点。 128 8 位内部 RAM， 32 位双向输入输出线，两个十六位定时 /计时器， 5 个中断源 ， 两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等。 3．管脚功能 ： GND：接 地 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL门电流。 当 P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口 ， P1 口缓冲器能接收输出 4个 TTL门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1 口内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。 当 P3 口写入 “ 1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口。 如表 所示 ， P3 口同时为闪烁编程内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 和编程校验接收一些控制信号。 表 AT89C51 的 特殊功能 接口 端口 管脚 备选功能 RXD 串行输入口 TXD 串行输出口 INT0 外部中断 0 INT1 外部中断 1 T0 定时器 0 外部输 入 T1 定时器 1 外部输入 WR 外部数据存储器写选通 RD 外部数据存储器读选通 控制口线： PSEN（ 片外取控制 ） 、 ALE（ 地址锁存控制 ） 、 EA （ 片外储器选择 ） 、RESET （ 复位控制 ）。 电源及时钟： VCC、 VSS； XTAL XTAL2。 A/D 转换装置 本设计选用 的 8 位 A/D 转换器是 TLC0832 八位逐次逼近模数转换器。 TLC0832 具有通道或多路器选用的双通道，并可选单端或差分输入，其输入电压为标准电压信号。 分辨率为 （ 5V/256=）。