采用C8051F020單片機(jī)設(shè)計(jì)船舶氣象儀

1、作者簡介 :宋文杰 , 男 , 1971年生 , 1989年中國海洋大學(xué)畢業(yè) , 學(xué)士學(xué)位 , 副研究員 , 主要從事海洋儀器研究。第 6期 (總第 93期 機(jī) 械 管 理 開 發(fā)2006年 12月No.6(SUM No.93 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENTDec.2006引 言氣象信息是船舶航行的重要導(dǎo)航信息 , 直接影響船舶的航行安全。 氣象參數(shù)屬船舶的環(huán)境參數(shù) , 環(huán)境條 件的好壞直接影響船舶在各種狀態(tài)下的安全 , 尤其是 高科技的現(xiàn)代化船舶 , 現(xiàn)代化程度越高 , 對環(huán)境因素的 要求也越高 , 因此對環(huán)境氣象的測算和預(yù)測是現(xiàn)代化 船舶安全航行

2、的一個重要組成部分。船舶氣象儀可連 續(xù)測量風(fēng)、 溫、 濕、 壓等多項(xiàng)氣象參數(shù) , 為船舶航行提供 實(shí)時、 連續(xù)的氣象服務(wù)。下面介紹的以 C8051F020單片 機(jī)為核心的船舶氣象儀 , 能自動完成多種氣象參數(shù)的 采集、 計(jì)算、 編輯、 顯示、 傳輸功能 , 是一種集成度高、 體 積小、 功能強(qiáng)、 可靠性高的氣象參數(shù)測量儀器。1儀器特點(diǎn)1.1采用功能強(qiáng)大的 C8051F020單片機(jī)C8051F020單片機(jī)是 Cygnal 公司推出的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片 (SOC , 具有與 8051指令集完 全兼容的 CIP-51內(nèi)核。它在一個芯片內(nèi)集成了一個單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有的模

3、擬和 數(shù)字外設(shè)及其它功能部件 , 包括 :2個多通道 ADC 子系 統(tǒng) (每個子系統(tǒng)包括一個可編程增益放大器和一個模 擬多路選擇器 、 2個電壓輸出 DAC 、 2個電壓比較器、 電 壓基準(zhǔn)、 SMBus/I2C 總線接口、 2個 UART 、 SPI 總線接口、 5個通用的 16位定時器、一個具有 5個捕捉 /比較模塊的 可編程計(jì)數(shù)器 /定時器陣列 (PCA 、 內(nèi)部 /外部振蕩器、 8個 8位 通 用 數(shù) 字 I/O 端 口 、 64KB FLASH 程 序 存 儲 器 。 CIP-51與標(biāo)準(zhǔn)的 8051結(jié)構(gòu)相比 , 指令執(zhí)行速度有很大 的提高。 70%指令的執(zhí)行時間為 1個或 2個系統(tǒng)時

4、鐘周 期 , 只有 4條指令的執(zhí)行時間大于 4個系統(tǒng)時鐘周期。 CIP-51工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率為 25MHz 時 , 它的峰 值速度達(dá)到 25MIPS 。C8051F020實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)模擬與數(shù)字電路的 3V 供電標(biāo)準(zhǔn) (電壓范圍為 2.73.6V , 大大降低了系統(tǒng)功耗。完 善的時鐘系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)在滿足響應(yīng)速度要求下 , 使系統(tǒng)的平均時鐘頻率最低。 因此 , C8051F020具有極 佳的最小功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境。1.2輕巧的外型易于滿足船舶的安裝要求根據(jù)船上船艙狹窄、 空間有限的特點(diǎn) , 外型設(shè)計(jì)成壁掛式或嵌入式結(jié)構(gòu) (用戶可選 , 大大節(jié)省了空間。1.3功能齊全 界面友好氣象儀具有系統(tǒng)自檢

5、、 參數(shù)裝訂、 清除裝訂、 傳感 器測試、 大風(fēng)報(bào)警等功能。它通過參數(shù)裝訂獲得航速、 航向數(shù)據(jù) , 或通過串行通信接口自動接收其它導(dǎo)航設(shè) 備發(fā)出的航速和航向信息 , 從而計(jì)算出真風(fēng)速和真風(fēng) 向。 氣象儀采用 320×240點(diǎn)陣的液晶顯示器顯示實(shí)時氣 象信息 , 同時通過串口向其它導(dǎo)航設(shè)備發(fā)送這些數(shù)據(jù)。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 氣象儀的原理框圖見圖 1。2.1電源設(shè)計(jì)由于船上環(huán)境復(fù)雜 , 設(shè)備眾多 , 電磁干擾嚴(yán)重 , 為采用 C8051F020單片機(jī)設(shè)計(jì)船舶氣象儀宋文杰1劉伯峰2楊 慧1于宏波1王平1姜 冰3(1. 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所 ; 2. 海軍駐青島造船廠軍事代表室山東青島

6、266001; 3. 青島文達(dá)通科技發(fā)展有限公司山東青島266500【摘 要】 以 C8051F020單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的船舶氣象儀 , 集成度高、 體積小、 功能強(qiáng)、 可靠性高 , 特別適用于船艙狹窄 , 空間有限 , 但對氣象參數(shù)又有較高要求的中小型民船。 【關(guān)鍵詞】 船舶氣象儀 C8051F020系統(tǒng)設(shè)計(jì)【中圖分類號】 TP368.1【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 B【文章編號】 1003-773X (2006 06-0108-02圖 1氣象儀的原理框圖108 第 6期 (總第 93期 機(jī) 械 管 理 開 發(fā) 2006年 12月 圖 2系統(tǒng)軟件流程圖保證氣象儀工作穩(wěn)定可靠 , 在單片機(jī)的前端通道 (風(fēng) 速

7、 、 風(fēng) 向 串 行 信 號 輸 入 和 后 端 通 道 (232/422信 號 輸 出 均加光電隔離 , 故設(shè)備采用雙 +5V 開關(guān)電源 , 其中 外 +5V 給各傳感器、 濾波、 整形和電平轉(zhuǎn)換電路供電。 由于 C80512F020需要 3.3V 供電電壓 , 采用 TPS7333將 內(nèi) +5V 轉(zhuǎn)換為 3.3V 輸出。另外采用 AD584產(chǎn)生 A/D 轉(zhuǎn)換 所需要的 2.5V 基準(zhǔn)電壓。2.2傳感器信號處理風(fēng)速信號是脈沖信號 , 經(jīng)過濾波、 驅(qū)動、 光隔后送到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器 T0。風(fēng)向信號是一組電流信號 , 加100K 排阻將其轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿虚_關(guān)量 , 然后用施密特觸發(fā)器整形 , 再經(jīng)驅(qū)動和

8、光隔后送入單片機(jī)的 P2口。溫度 和相對濕度信號都是 420mA 電流信號 , 分別加 100歐 精密電阻后變?yōu)?0.42V 電壓信號 , 經(jīng)過模擬放大器AD623AN 放大后送入 MCU 。氣壓傳感器輸出的是 05V 電壓信號 , 而 C8051F020要求信號電壓低于基準(zhǔn)電壓 2.5V , 所以必須分壓后才能送入 MCU 。 2.3串行通信接口C8051F020有兩個完全相同的 UART , 通過設(shè)置交 叉 開 關(guān) 控 制 寄 存 器 將 TX0、 RX0、 TX1、 RX1分 別 連 到P0.0、 P0.1、 P1.0和 P1.1。 UART0和 UART1經(jīng)光隔、驅(qū)動、 電平轉(zhuǎn)換 ,

9、成為雙向 RS422接口 , UART0與顯示控制單 元實(shí)現(xiàn)全雙工通信。 UART1用來向 VDR 發(fā)送氣象信息 , 同時接收其它導(dǎo)航設(shè)備發(fā)送的航向、航速數(shù)據(jù)。另 外 , 系統(tǒng)用 PHILIP 公司的雙通道異步收發(fā)器 SCC2692擴(kuò)展了 2路雙向 RS232/RS422(可選 接口和 2路單向RS422接口 (發(fā)送 , 用做備用接口。3軟件設(shè)計(jì) 2系統(tǒng)軟件流程見圖 2。主程序的工作是每 2s 采樣一次風(fēng)速和風(fēng)向 (相對于船艏 , 解算真風(fēng)速和真風(fēng)向 (相對于正北 , 向顯示控 制 單 元 和 VDR 發(fā) 送 氣 象 信息 , 并計(jì)算 2min 平均風(fēng) 速和多數(shù)風(fēng)向 ; 每 10s 采樣 一次

10、氣溫、 相對濕度、 氣壓 , 并計(jì)算平均值。 如果顯示控 制單元發(fā)出聯(lián)機(jī)請求 , 則進(jìn) 行聯(lián)機(jī)操作。 系統(tǒng)有 UART0中斷和 T3中斷。 UART0中斷 優(yōu)先級高于 T3。 當(dāng)顯示控制 單元發(fā)出聯(lián)機(jī)命令時 , 則產(chǎn) 生 UART0中斷 , 系統(tǒng)執(zhí)行聯(lián) 機(jī) 處 理 子 程 序 。 系 統(tǒng) 采 用11.0592MHz 晶 振 產(chǎn) 生 系 統(tǒng)時鐘 , 用定時器 T3計(jì)時 , T3每 50ms 產(chǎn) 生 一 次 中 斷 , 當(dāng) 產(chǎn)生 40次中斷 , 即 2s 時執(zhí)行2s 子程序 ; T3產(chǎn)生 200次中斷時 , 即 10s , 系統(tǒng)執(zhí)行 10s子程序。4結(jié)束語船舶氣象儀研制成功后 , 先后做了裝船所需

11、的各項(xiàng)試驗(yàn) , 包括溫度循環(huán)應(yīng)力、 電源拉偏等可靠性試驗(yàn) , 以及沖擊試驗(yàn)、 電磁兼容試驗(yàn)、 各項(xiàng)測量參數(shù)的精度標(biāo) 定試驗(yàn) , 試驗(yàn)中船舶氣象儀工作穩(wěn)定可靠 , 現(xiàn)已安裝在 國內(nèi) 60m 海監(jiān)船上 , 并將在國內(nèi)許多中小型民船上推 廣應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1潘琢金 , 施國君 .C8051FXXX 高速 SOC 單片機(jī)原理及應(yīng)用 M. 北京 :北京航空航天大學(xué)出版社 , 2003.2張培仁 , 等 . 基于 C 語言編程 MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用 M. 北京 :清華大學(xué)出版社 , 2003.(收稿日期 :2006-06-05The Ship Meteorological Instrument Co

12、ntrolled by C8051F020Single-chip MicroprocessorSong Wenjie Liu BofengYang HuiYu HongboWang PingJiang Bing Abstract A kind of Ship Meteorological Instrument is introduced in this paper, which uses C8051F single -chipmicroprocessor as the core, and you will know the design method of hardware circuit a

13、nd software. Key words Ship meteorological instrument C8051F020System design簡 訊 百名院士建議 17項(xiàng)重大節(jié)約工程中國工程院士張彥仲最近透露 , 為促進(jìn)節(jié)約型社會的建設(shè) , 由上百名院士、 專家參加的課題組 , 經(jīng)過反復(fù)論證 , 建議有關(guān)部門實(shí)施 17項(xiàng)關(guān)鍵 工程。這 17項(xiàng)重大節(jié)約工程分別是 :農(nóng)業(yè)節(jié)水與高效利用工程 , 水污染治理和污水資源化工程 , 中低產(chǎn)田改造過程 , 廢舊木材和廢紙回利用工程 , 提高一次能源資源探明率和采收率工程 , 大型、 高效發(fā)電和輸配電工程 , 汽車環(huán)保節(jié)油與燃料替代工程 , 可再生能源規(guī)?；霉こ?, 新一代 多功能鋼鐵制造工程 , 有色金屬再生工程 , 提高石化工業(yè)資源利用率工程 , 磷資源節(jié)約及綜合利用工程 , 水泥和墻體材料節(jié)約制造工程 , 建筑節(jié)能 工程 , 城市廢棄物回收利用工程 , 機(jī)電產(chǎn)品回收利用與再制造工程。張彥仲院士表示 , 這 17項(xiàng)重大節(jié)約工程和其中的關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目如果完成并得到實(shí)施 , 到 2020年 , 我國可節(jié)能 5.5億噸標(biāo)煤 ; 提供 4.5億噸標(biāo)煤的可再生能源 ; 改造中低產(chǎn)田 3億畝 ; 節(jié)水 600億立方米 ; 節(jié)約有