機務(wù)設(shè)備檢修數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計樣本

目錄1、概述 11.1開關(guān)量采集 11.2數(shù)字量采集和處理 21.3模擬量采集 22、溫度傳感器選擇 33、單片機硬件電路設(shè)計 43.1AT89C51和存放器芯片擴展 43.1.1AT89C51芯片性能及特點 43.1.2拓展芯片6116性能及特點 73.1.3 AT89C51和存放器芯片6116擴展 83.2多路開關(guān)選擇 93.3A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計 93.4MAX232實現(xiàn)串行通信 104、系統(tǒng)軟件設(shè)計 114.1系統(tǒng)主程序 114.2模擬量采集程序 124.3開關(guān)量采集程序 124.4脈沖量采集程序 135、小結(jié) 14參考文件： 15機務(wù)設(shè)備檢修數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計1、概述機務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)采集是機務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)采集和通訊系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分,它和系統(tǒng)硬件相配合,對機務(wù)段檢修設(shè)備工作進行正確檢測和數(shù)據(jù)處理,并把檢測數(shù)據(jù)立即送監(jiān)控計算機,進入數(shù)據(jù)庫,進行統(tǒng)計、打印和歸檔,既為確保檢修質(zhì)量提供了可靠依據(jù),同時也為機務(wù)段加強科學管理、提升經(jīng)濟效益、降低物料和工時浪費、提升檢修效率提供了科學手段和工具。此次課程設(shè)計關(guān)鍵內(nèi)容在于進行機務(wù)設(shè)備檢修數(shù)據(jù)處理功效模塊設(shè)計，其關(guān)鍵功效在于數(shù)據(jù)采集，包含8路開關(guān)量、8路模擬量、1路脈沖量數(shù)據(jù)采集。設(shè)計原理：依據(jù)任務(wù)書中提供數(shù)據(jù)進行分析和計算，選擇適宜單片機芯片組成測試、通訊系統(tǒng)，選擇A/D轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理電路、鎖存器、多路開關(guān)選擇器等元件。模擬量采集需要用傳感器對實際物理量進行采集，轉(zhuǎn)換成相關(guān)電壓或電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后輸出對應(yīng)數(shù)字量，進入單片機處理并保留在擴展存放器中；數(shù)字量采集需進行隔離放大以后將信號輸入單片機處理并保留；脈沖量采集需對信號進行防抖、放大處理，使輸入信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)TTL電平。依據(jù)連接成型硬件元件圖進行軟件設(shè)計，分配口地址并給出每個功效模塊對應(yīng)程序段。1.1開關(guān)量采集開關(guān)量采集包含事件次序統(tǒng)計（SOE）型開關(guān)量和一般型開關(guān)量兩種。SOE型開關(guān)量信號指事故信號、斷路器分合及關(guān)鍵繼電保護動作信號。監(jiān)控系統(tǒng)采取中止方法快速響應(yīng)這些信號并進行統(tǒng)計優(yōu)先傳輸。一般型開關(guān)量信號是指除SOE型開關(guān)量信號以外那部分開關(guān)量信號，包含各類故障信號、隔離開關(guān)位置信號、設(shè)備運行狀態(tài)信號、手動自動方法選擇位置信號等。監(jiān)控系統(tǒng)對這些信號采集為掃查方法。對開關(guān)量信號處理包含光電隔離、硬件及軟件濾波、基按時間賠償、數(shù)據(jù)有效性合理性判定、啟支相關(guān)量處理功效（如啟支事件次序統(tǒng)計、發(fā)事故報警、畫面自支推出和自支停機等），最終經(jīng)格式經(jīng)處理后存入實時數(shù)據(jù)庫。1.2數(shù)字量采集和處理數(shù)字量信號關(guān)鍵指水位等BCD碼輸入量。采取多點開關(guān)量并行采集，然后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)模擬量數(shù)值。對數(shù)字量處理包含光電隔離、數(shù)字濾波、碼制變換、數(shù)據(jù)有效性合理性判定、標度變換等，以格式化處理后存入實時數(shù)據(jù)庫。1.3模擬量采集模擬量分為電氣模擬量、非電氣模擬量及溫度量。對模擬量信號處理包含回路斷線檢測、數(shù)字濾波、誤差賠償、數(shù)據(jù)有效性合理性判定、標度換算、梯度計算、越復(fù)限判定及越限報警，最終經(jīng)格式化處理后存入實時數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)輸入通道、數(shù)據(jù)存放和管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個部分組成。輸入通道要實現(xiàn)對被測對象檢測、采樣和信號轉(zhuǎn)換等工作。數(shù)據(jù)存放和管理要用存放器把采集到數(shù)據(jù)存放起來，建立對應(yīng)數(shù)據(jù)庫，并進行管理和調(diào)用。數(shù)據(jù)處理就是從采集到原始數(shù)據(jù)中，刪除干擾噪聲、無關(guān)信息和無須要信息，提取出反應(yīng)被測對象特征關(guān)鍵信息。另外，就是對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，方便于檢索；或把數(shù)據(jù)恢復(fù)成原來物理量形式，以可輸出形態(tài)在輸出設(shè)備上輸出，如打印、顯示、繪圖等。在這個過程中關(guān)鍵用到信息采集板，信息采集板包含CPU、RS232訊通接口、RS485通訊網(wǎng)絡(luò)接口等，信號采集取得開關(guān)量和經(jīng)過標準化處理傳感器信號，進行信號采集，并經(jīng)過數(shù)學處理，然后進行圖文顯示、儲存和網(wǎng)絡(luò)通訊。系統(tǒng)硬件總體框圖圖1所表示：AT89C51AT89C51并行接口芯片隔離電路脈沖量開關(guān)量A/D轉(zhuǎn)換多路開關(guān)傳感器信號調(diào)理LED顯示器矩陣鍵盤圖1系統(tǒng)硬件總體框圖2、溫度傳感器選擇傳感器是感受要求被測量并根據(jù)一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用于輸出信號器件或裝置實現(xiàn)測量和控制首要步驟，是測控系統(tǒng)關(guān)鍵部件。假如沒有傳感器對原始被測信號進行可靠捕捉和轉(zhuǎn)換，測量和控制任務(wù)全部無法實現(xiàn)，所以我們需要對傳感器和信號處理電路有一個比較清楚認識，并掌握傳感器使用和信號調(diào)理電路。在這個模塊設(shè)計過程中，選擇K型熱電偶傳感器來測量溫度，K型熱電偶作為一個溫度傳感器，K型熱電偶通常和顯示儀表，統(tǒng)計儀表和電子調(diào)整器配套使用。K型熱電偶能夠直接測量多種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍液體蒸汽和氣體介質(zhì)和固體表面溫度。K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等關(guān)鍵部件組成。k型熱電偶是現(xiàn)在用量最大廉金屬熱電偶，其用量為其它熱電偶總和。K型熱電偶絲直徑通常為1.2～4.0mm。正極（KP）名義化學成份為：Ni：Cr=92：12，負極（KN）名義化學成份為：Ni：Si=99：3，其使用溫度為-200~1300℃。K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替氣氛中和真空中，通常不用于弱氧化氣氛。熱電偶測溫必需由熱電偶、連接導線及顯示儀表三部分組成。圖2是最簡單熱電偶測溫示意圖。\o"查看圖片"圖2熱電偶溫度計示意圖按圖2組成熱電偶蕊及測溫電偶絲1，假如將熱電偶熱端加熱，使得冷、熱兩端溫度不一樣，則在該熱電偶回路中就會產(chǎn)生熱電勢，這種物理現(xiàn)象就稱為熱電現(xiàn)象(即熱電效應(yīng))。在熱電偶回路中產(chǎn)生電勢由溫差電勢和相接觸電勢兩部分組成接觸電勢：它是兩種電子密度不一樣導體相互接觸時產(chǎn)生一個熱電勢。當兩種不一樣導體A和B相接觸時，假設(shè)導體A和B電子密度分別為Na和Nb而且Na>Nb，則在兩導體接觸面上，電子在兩個方向擴散率就不相同，由導體A擴散到導體B電子數(shù)比從B擴散到A電子數(shù)要多。導體A失去電子而顯正電，導體B獲很電子而顯負電。所以，在A、B兩導體接觸面上便形成一個由A到B靜電場，這個電場將阻礙擴散運動繼續(xù)進行，同時加速電子向相反方向運動，使從B到A電子數(shù)增多，最終達成動態(tài)平衡狀態(tài)。此時A、B之間也形成一電位差，這個電位差稱為接觸電勢。此電勢只和兩種導體性質(zhì)相接觸點溫度相關(guān)，當兩種導體材料一定，接觸電勢僅和其接點溫度相關(guān)。溫度越高，導體中電子就越活躍，由A導體擴散到B導體電子就越多，致使接觸面處所產(chǎn)生電場強度越高，所以接觸電勢也就越大。這么將1產(chǎn)生溫差熱電勢經(jīng)過連接導線2在顯示儀表3中顯示出來。3、單片機硬件電路設(shè)計3.1AT89C51和存放器芯片擴展3.1.1AT89C51芯片性能及特點該系統(tǒng)采取是AT89C51，AT89C51是一個帶4K字節(jié)FLASH存放器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一個帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存放器單片機。單片機可擦除只讀存放器能夠反復(fù)擦除1000次。該器件采取ATMEL高密度非易失存放器制造技術(shù)制造，和工業(yè)標準MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。因為將多功效8位CPU和閃爍存放器組合在單個芯片中，ATMELAT89C51是一個高效微控制器，AT89C2051是它一個精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一個靈活性高且價廉方案。外形及引腳排列圖3所表示。AT89C51是一個帶4K字節(jié)FLASH存放器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一個帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存放器單片機。單片機可擦除只讀存放器能夠反復(fù)擦除1000次。因為將多功效8位CPU和閃爍存放器組合在單個芯片中，ATMELAT89C51是一個高效微控制器，AT89C2051是它一個精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一個靈活性高且價廉方案。引腳排列圖2所表示圖3AT89C51引腳結(jié)構(gòu)關(guān)鍵特征：·CS-51兼容·4K字節(jié)可編程FLASH存放器·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時間：·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz·128×8位內(nèi)部RAM·128×8位內(nèi)部RAM·三級程序存放器鎖定·128×8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中止源·可編程串行通道·低功耗閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路下面分別敘述這些引腳功效。(1)主電源引腳Vcc：電源端。GND：接地端。(2)外接晶體引腳XTAL1和XTAL2①XTAL1：接外部晶體一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是組成片內(nèi)振蕩器反相放大器輸入端。當采取外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。②XTAL2：接外部晶體另一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是上述振蕩器反相放大器輸出端。采取外部振蕩器時，此引腳應(yīng)懸浮不連接。(3)控制或和其它電源復(fù)用引腳RST，ALE/，/Vpp①RST：復(fù)位輸入端。當振蕩器運行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期高電平將使單片機復(fù)位。②ALE/：當訪問外部存放器時，ALE（地址鎖存許可）輸出用于鎖存地址低位字節(jié)。即使不訪問外部存放器，ALE端仍以不變頻率（此頻率為振蕩器頻率1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號。所以，它可用作對外輸出時鐘，或用于定時目標。然而要注意是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存放器時，將跳過一個ALE脈沖。在對Flash存放器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。③：程序存放許可（）輸出是外部程序存放器讀選通信號。當AT89C51由外部程序存放器取指令（或常數(shù)）時，每個機器周期兩次有效（即輸出2個脈沖）。但在此期間內(nèi)，每當訪問外部數(shù)據(jù)存放器時，這兩次有效信號將不出現(xiàn)。④/Vpp：外部訪問許可端。要使CPU只訪問外部程序存放器（地址為0000H～FFFFH），則端必需保持低電平（接到GND端）。然而要注意是，假如保密位LB1被編程，復(fù)位時在內(nèi)部會鎖存端狀態(tài)。當端保持高電平（接Vcc端）時，CPU則實施內(nèi)部程序存放器中程序。在Flash存放器編程期間，該引腳也用于施加12V編程許可電源Vpp（假如選擇12V編程）。(4)輸入/輸出引腳P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7和P3.0～P3.7。①P0端口（P0.0～P0.7）：P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流方法驅(qū)動8個TTL輸入，對端口寫1時，又可作高阻抗輸入端用。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存放器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。②P1端口（P1.0～P1.7）：P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻8位雙向I/O端口。P2輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方法）4個輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部信號拉低引腳會輸出一個電流（IIL）。在對Flash編程和程序校驗時，P1接收低8位地址。③P2端口（P2.0～P2.7）：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻8位雙向I/O端口。P2輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方法）4個TTL輸入。對端口寫1時，經(jīng)過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P2作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部信號拉低引腳會輸出一個電流（IIL）。④P3端口（P3.0～P3.7）：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻8位雙向I/O端口。P3輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方法）4個TTL輸入。對端口寫1時，經(jīng)過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部信號拉低引腳會輸出一個電流（IIL）。在AT89C51中，P3端口還用于部分復(fù)用功效。復(fù)用功效如表1所列：表2-1P3各端口引腳和復(fù)用功效表端口引腳復(fù)用功效P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中止0）P3.3（外部中止1）P3.4T0（定時器0外部輸入）P3.5T1（定時器1外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存放器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存放器讀選通）3.1.2拓展芯片6116性能及特點內(nèi)存是計算機系統(tǒng)不可缺乏部件，一臺計算機內(nèi)存是指CPU能夠經(jīng)過指令中地址碼直接訪問存放器，常見于存放處于活動狀態(tài)程序和數(shù)據(jù)。根據(jù)存取方法存放器可分為：隨機存放器（RAM）和只讀存放器（ROM）等。此系統(tǒng)中只用隨機存放器。隨機存放器是指計算機能夠隨意、部分對各個存放單元進行訪問，訪問所需時間基礎(chǔ)固定，和存放單元地址無關(guān)，它功效關(guān)鍵是存放程序、變量等。能夠隨時改變并釋放內(nèi)存。常見有61系列和62系列。隨機存放器管腳分類：總線部分、電源部分、控制部分。各引腳功效圖4所表示： 圖46116引腳圖D～D—數(shù)據(jù)線。A～A—地址線，n是地址線個數(shù)。Vcc，GND—電源線和地線?！獙懣刂凭€?！x線。AT89C51和存放器芯片6116擴展擴展圖圖5所表示：圖5AT89C51和存放器芯片6116擴展圖3.2多路開關(guān)選擇該系統(tǒng)用DG508經(jīng)典有譯碼器多路開關(guān)。引腳圖及其它說明以下：圖6DG508引腳圖DG508采取8腳雙列直插式封裝，含有8個輸入信道，一個輸出信道多路CMOS開關(guān)。由三個地址線(A0,A1,A2)及使能端EN狀態(tài)來選擇8個輸入信道之一和輸出端導通。3.3A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器是把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號轉(zhuǎn)換裝置。AD574A是一個高性能12位逐次逼進式A/D轉(zhuǎn)換器，它同ADC0809一樣是常見A/D轉(zhuǎn)換器。圖7引腳圖轉(zhuǎn)換時間為25μs，線性誤差為±1/2LSB，內(nèi)部有時鐘脈沖源和基準電壓源，單通道單極性或雙極性電壓輸入，采取28腳雙立直插式封裝。AD574A由12位A/D轉(zhuǎn)換器，控制邏輯，三態(tài)輸出鎖存緩沖器，10V基準電壓源四部分組成。⑴12位A/D轉(zhuǎn)換器能夠單極性也能夠雙極性。單極性應(yīng)用時，BIPOFF接0V，雙極性時接10V。量程能夠是10V也能夠是20V。2輸入信號在10V范圍內(nèi)改變時，將輸入信號接至10V(IN);輸入信號在0V范圍內(nèi)改變時，將輸入信號接至20V(IN);所以量化單位對應(yīng)就是10V/（2^12）和20V/（2^12）。⑵三態(tài)輸出鎖存緩沖器用于存放12位轉(zhuǎn)換結(jié)果D（D=0～2^12-1）。D輸出方法有兩種，引腳12/8=1時（8上面有一橫杠），DD(11)~D(0)并行輸出；引腳12/8=0時（8上面有一橫杠），D高8位和低4位分時輸出。⑶邏輯控制。任務(wù)包含：開啟轉(zhuǎn)換，控制轉(zhuǎn)換過程和控制轉(zhuǎn)換結(jié)果D輸出3.4MAX232實現(xiàn)串行通信在實際測量和控制過程中，常常需要進行信息傳輸和交換。數(shù)據(jù)傳送方法可分為并行傳輸和串行傳輸，對應(yīng)通信總線被稱為并行總線和串行總線。串行傳輸比并行傳輸所用導線數(shù)少，傳輸距離比并行傳輸要遠得多。而且多年來，因為新型串行總線標準如USB、IEEE1394出現(xiàn)，使串行總線傳輸速度有了很大提升，所以串行總線應(yīng)用越來越廣。MAX232芯片引腳圖8所表示。引腳說明以下：C0+、C0-、C1+、C1-是外接電容端。R1IN、R2IN是兩路RS-232C電平信號接收輸入端。R1OUT、R2OUT是兩路轉(zhuǎn)換后TTL電平接收信號輸出端，送80C320RXD接收端。T1IN、T2IN是兩路TTL電平發(fā)送輸入端，接80C320TXD發(fā)送端。T1OUT、T2OUT是兩路轉(zhuǎn)換后發(fā)送RS-232C電平信號輸出端，接傳輸線。圖8MAX232芯片V+經(jīng)電容接電源+5V。6）V-經(jīng)電容接地。通信距離通常不超出15m，傳輸速率小于20kbit/s。在要求信號傳輸快、距離遠時，可采取RS-422A、RS-485等其它標準通信。采取MAX232芯片雙機串行通信接口電路圖9所表示。從MAX232芯片中兩路發(fā)送接收中任選一路連接。請注意其發(fā)送和接收引腳對應(yīng)，不然可能對元器件或計算機串口造成永久性損壞。ATC8951圖9單片機和PC通信4、系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)主程序依據(jù)所設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：采集模擬量（8路）、采集開關(guān)量（8路）、采集脈沖量（1路）。步驟圖10所表示。ORG0000HLJMPMAINORG0013HLJMPMNLCJORG001BHLJMPKGLCJORG0100HLJMPMCLCJMAIN:NOPCLR00HSETBIT1SETBEX1SETBEAMAIN0：JBKGLCJ結(jié)束SJMPMAINO結(jié)束圖10系統(tǒng)主程序步驟圖4.2模擬量采集程序AD574A單片機經(jīng)過P1口控制模擬開關(guān)DG508輸入通道選通端A、B、C，按次序選通8個輸入通道，以下是模擬量采集子程序和圖10所表示步驟圖。地址指針賦值地址指針賦值置起始通道數(shù)地址指針加1通道地址加1讀地址和數(shù)據(jù)并存放AD1674進行12位A/D轉(zhuǎn)換延時開啟采樣/保持器8通道模擬量采集完否？返回子程序開始YNA/D轉(zhuǎn)換結(jié)束MNLCJ:SAMPLE:MOVRO，#38HMOVB，#0HMOVDPTR，#FF2FHMOVX@DPTR，AWBZD1:PUSHACCCLREAWBZD2：MOVDPTR，#FF3FHMOVXA，@DPRTMOV@R0，AMOVDPTR，#FF7FHINCR0MOVXA，DPTRMOX@R0，AINCBINCR0CJNEB，#7,WBZD2JX:NOPFH:POPACCSETBEASETB00HRETI圖10模擬量采集步驟圖4.3開關(guān)量采集程序開關(guān)量經(jīng)過光電耦合器隔離，減小干擾后進入74LS241，然后直接接入AT89C51進行處理，它處理程序以下所表示。KGLCJ：NOPCLREAMOVDPTR,#7DFFHMOVXA,@DPTRCPLACJNEA,#80H,KP1LJMPKBS1KP1：CJNEA,#40H,KP2LJMPKBS2KP2：CJNEA,#20H,KP3LJMPKBS3KP3：CJNEA,#10H,KP4LJMPKBS4KP4：CJNEA,#08H,KP5LJMPKBS5KP5：CJNEA,#04H,KP6LJMPKBS6KP6：CJNEA,#02H,KP7LJMPKBS7KP7：CJNEA,#01HESCLJMPKBS8ESC:CLROOHSETBEALJMPMAIN04.4脈沖量