巡檢儀設(shè)計(jì)方案

1、1 1 引言 在當(dāng)今工業(yè)化大生產(chǎn)日趨發(fā)張的過程中， 檢測生產(chǎn)過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)也只能是越來越自動化、智能化，在生產(chǎn)中所 發(fā)揮的作用也會更加的高效。 隨著社會的發(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) 用越來越廣泛，利用單片機(jī)來設(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， 各種各

2、樣的設(shè)備也將會隨著單片機(jī)的發(fā)展而更新?lián)Q代。 應(yīng)用單片機(jī)來設(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)程序存儲器，容量不小于 20kb 2.足夠的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，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） 。 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

3、 路溫度通 道通過多路開關(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，有效觀測距離遠(yuǎn)，成本低。按鍵采 用薄膜按鍵，手感好，壽命長。 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 2 asm51 匯編語言編制。

4、 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 試儀表保持一致，便于替代傳統(tǒng)測試儀表。 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成，如圖所示。其中，主機(jī)電路由 cpu、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲 器、eeprom 存儲器、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 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、多路模擬開關(guān) 電路、v/i 轉(zhuǎn)換電路、

5、繼電器驅(qū)動電路組成；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)電路中主要包括at89c55wd 單片機(jī)和 x5045 芯片，就可以滿足系統(tǒng)對硬件 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k，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， 該信號接到單片機(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：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， 使單片機(jī)

6、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， 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) 3 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，可以通過對 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， 但對于慢速系統(tǒng)來講， 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)，訪問的 時(shí)間間

7、隔也越短，會增加的負(fù)擔(dān)。 3.2 前向通道電路設(shè)計(jì) 4 前向通道的任務(wù)是接收溫度傳感器 pt100 鉑電阻的信號， 將其轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)能夠進(jìn) 行處理的數(shù)字信號，由信號轉(zhuǎn)換電路、動態(tài)穩(wěn)零電路、多路模擬開關(guān)、阻抗匹配電路、 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。 5 3.2.1信號轉(zhuǎn)換電路 信號轉(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轉(zhuǎn)換為電壓信號。 其中， 第 1 個(gè)惠斯登電橋沒有外接 pt100 傳感器， 設(shè)

8、臵它的目的是為動態(tài)穩(wěn)零電路提供 零信號（詳見 5.動態(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?r5、r6、r7、c3、c4 組成。來自 pt100 溫度傳感器發(fā)出的電阻信 號以 3 線形式接到 a1、b1、c1 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)檢測到溫度變化時(shí)， pt100 的阻值發(fā)生變化，在 a、b 點(diǎn)對應(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

9、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 僅通過兩根線與 at89c55 相接， 僅 占用 at89c55t1、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 6 icl7135 的時(shí)鐘信號源于 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)，通過軟 件設(shè)臵 gate 控

10、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 可對來自外部的脈沖（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)動程序 a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取 icl7135的時(shí)鐘信號源于at89c55的t2計(jì)數(shù)器的方波輸出， 讓at89c55通過p1.0 引腳，為 icl7135 提供 250khz 時(shí)鐘信號時(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

11、下： movt2con，#04h；t2 工作于方波產(chǎn)生器方式 movt2mod，#02h movrcap2h，#0ffh；輸出方波頻率為 250khz movrcap2l，#0f4h a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出程序 如圖 2-13 所示，當(dāng) busy 信號由高跳變到低時(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 ram30h、31h 中。 int1_isr： pushpsw；保護(hù)現(xiàn)場 pushacc mova,tl1；t1 計(jì)數(shù)減去 10001（2711h）后送 30h，31h 中 clrc subba,#11h mov31h,a mova,th1

12、subba,#27h mov30h,a movtl1,#0；清零 t1 movth1,#0 popacc poppsw reti 3.3 后向通道電路設(shè)計(jì) 7 后向通道電路由 420ma 模擬量輸出電路與超限報(bào)警開關(guān)量輸出電路兩部分組成。 3.3.1. 420ma 模擬量輸出電路 該電路是將所檢測的每路溫度都對應(yīng)地輸出一個(gè)與之成線性關(guān)系的 420ma 電流 信號，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)警開關(guān)量輸出電路 當(dāng)某路溫度超過設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，輸出一個(gè)機(jī)械接點(diǎn)信號，便于連接聲、光報(bào)警裝 置， 進(jìn)行報(bào)警提示。 如圖 2-17 所

13、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)溫度超過上限報(bào)警值時(shí)，令 p3.6 為“0” ， 則三極管導(dǎo)通， 繼電器 j1 得電， 使接點(diǎn)動作； 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。 8 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 通過儀表前面板上的按鍵操作，可以查看檢測的溫度、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

14、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)測溫度和 設(shè)定參數(shù)。為了盡量減少儀表的硬件開銷，采用了動態(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， 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。要在某位顯示某一字符，需要由單片機(jī)通過數(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

15、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”的感覺。 9 3.5 通信接口電路設(shè)計(jì) 智能儀器設(shè)計(jì)，必須考慮對某種網(wǎng)絡(luò)的支持，方便構(gòu)成局域測控網(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。 10 當(dāng) max487e 的接收控制端 re 為低電平時(shí)，能將來自引腳 6、7 上的 rs-485 差分

16、信 號轉(zhuǎn)變?yōu)?ttl 信號，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 信號轉(zhuǎn)變?yōu)?rs-485 差分信號，從引腳 6、7 端輸出， 傳送到 rs-485 通訊網(wǎng)絡(luò)中。控制端 re 與 de 連接在一起，受單片機(jī) p1.7 的控制：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。 一開始 執(zhí)行主程序時(shí)，需要首先運(yùn)行系

17、統(tǒng)初始化程序，初始化程序僅需開機(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。 11 人機(jī)服務(wù)程序與主程序編制如下： dis_stateequ40h mian： movsp，#0bfh；設(shè)定堆棧指針 lcallinit；調(diào)用系統(tǒng)初始化程序 m1： jnbs1_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 clrs1_lab；清除 1 秒時(shí)間到標(biāo)志 lcalldisplay；實(shí)測參數(shù)刷新 m2：lcallscan_key；掃描按鍵 cjne，1，3；是“”鍵按下 lcalldis_set_data；是，進(jìn)入設(shè)

18、定值顯示狀態(tài) ljmpm1；轉(zhuǎn)去實(shí)時(shí)參數(shù)刷新顯示和掃描按鍵 m3： cjnea，#2，m4； “”鍵按下 lcalldis_s_tem；是，進(jìn)入定點(diǎn)顯示狀態(tài) ljmpm1；轉(zhuǎn)去掃描按鍵 12 m4： cjnea，#3，m5； “”鍵按下 lcalldis_r_tem；是，進(jìn)入巡回顯示狀態(tài) ljmpm1；轉(zhuǎn)去掃描按鍵 m5： cjnea，#4，m1 lcallset_data；進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定 ljmpm1 4.2 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)

19、據(jù)通道，0 路為 動態(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， 都存儲在 “ch_no” 單元中。每次采集的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過預(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。 為便于后級溫度計(jì)算，還要將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為 bcd 碼形式。接下來進(jìn)行動態(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 實(shí)測溫度決定的數(shù)據(jù)。 最后進(jìn)行溫度計(jì)算， 且通過多路開關(guān)為 a/d 轉(zhuǎn)換器打開下一通道。 流程圖如圖 2-25 所示。 13 編程如

20、下： pol_labbitp3.3；icl7135 完成 a/d 轉(zhuǎn)換后的極性輸出 1 為正，0 為負(fù) zero_pol_labbit 03h；穩(wěn)零通道的極性存儲，1 為負(fù)，0 為正 ch_no equ 50h；數(shù)據(jù)采集通道號存儲單元 tem_bufequ4ch；各路溫度存儲單元 data_bufequ5c；a/d 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后存儲單元 int0_isb： pushpsw；保護(hù)現(xiàn)場 pushacc pushb pushdph pushrs1 clrrs0；使用兩組工作寄存器 lcalldata_treat；數(shù)據(jù)預(yù)處理 mova，ch_no；查驗(yàn)是否為 0 通道 cjnea，#0，int0

21、_isb1 setbpol_lab；將 0 通道的正負(fù)極性存于 zero_pol_lab 中 ；0 為正，1 為負(fù) movc，pol_lab cplc movzero_pol_lab，c movdata_buf，r5；將動態(tài)零點(diǎn)數(shù)據(jù)存于 data_buf 中 movdata_buf+1，r6 ljmpint0_isb2 int0_isb1： lcallczer0；動態(tài)穩(wěn)零處理 mova，ch_no；將處理后的數(shù)據(jù)存于 data_buf 相應(yīng)的單元中 rla adda，#data_buf movr0，a movr0，cbuf+10h；cbuf+10、cbuf+11 存儲處理后的 2b 數(shù)據(jù) ；cbuf 為計(jì)算緩沖區(qū) incr0 movr0，cbuf+11h lcallctemr；計(jì)算該通道的溫度值 14 lcallopen_next_ch；打開下一通道 int0_isb2： movtl1，#0；t1 計(jì)數(shù)器清零 movth1，#0；恢復(fù)現(xiàn)場 popdpl popdph popb popacc poppsw reti；中斷返回 數(shù)據(jù)預(yù)處理子程序： data_treat： mova，tl0；減去 10001 clrc subba，#11h movtl0，a mova，th0 s