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3 本课题的来源及主要研究内容的结构安排1.3.1课题的来源本课题来源于四川省某天然气输配站的一个存储罐压力自动监控项目，用户要求当存储罐中的压力低于或高于设定的下限或上限压力值时，能启动报警程序进行声光报警，同时能通过步进电机来控制阀门，以实现自动调节储气罐中的压力，使之达到正常压力范围之内；除了这些控制功能外，用户还要求有人机交互，即通过按键可以设置储气罐中的压力范围参数，通过显示器能实时显示当前压力值及运行状况，便于数据记录与生产管理。2 主要研究内容的结构安排（1） 在绪论中，主要描述了天然气利用及输配技术的现状。（2） 第二章首先叙述了设计一个测控系统的一般指导思想、原则与过程，然后根据这些原则及用户的功能要求，给出了本文所设计的天然气压力监控系统的总体设计方案。（3） 第三章主要是进行天然气压力监控系统的硬件设计，首先简单介绍了MCS-51系列单片机的结构与原理，然后根据本应用系统的功能要求及应用特点，以8051为微处理器对本监控系统进行系统的扩展与外围电路的配置，从而满足系统功能设计的要求，同时考虑到今后系统的维修、扩展与改造，在硬件电路设计时留有一定的余量。（4） 第四章主要是进行了天然气压力监控系统的软件设计，根据软件设计的设计思想与设计过程，给出了本监控系统的控制程序流程图。（5） 第五章主要是针对各种干扰因素，进行了系统抗干扰技术的论述，包括干扰源、软硬件抗干扰技术。（6） 第六章给出了PCB设计的一般原则及注意事项，以设计出一块优秀的PCB板来保证应用系统稳定、可靠、连续地工作。第二章 天然气压力监控系统的总体方案设计一个测控系统时，首先应根据具体的应用环境、用户的要求来制定总体设计方案，并论证方案的正确性，作出初步的评估；然后分别进行硬件和软件的具体设计工作。在硬件设计方面，要选用合适的单片机和其它外围器件，制成功能模板，以满足系统的各种需要；在软件设计方面，主要包括画出监控程序的总体流程图、划分功能模块、按模块进行结构化程序设计。图2.1所示为一般的设计过程。总体方案设计确定功能选择处理器硬件电路设计硬件电路调试软件程序设计软件程序调试软硬联调系统总体性能测试满足要求？总结设计编制技术文件修改设计方案重新设计YN 图2-1 测控系统设计的流程框图2单片机应用系统设计的指导思想与一般过程2.1.1 总体设计指导思想在进行总体设计时，一般要考虑以下几点：1从整体到局部(自顶向下)的设计原则 在硬件或软件设计时，应遵循从 / 整体到局部也即自顶向下的设计原则。它是把复杂的、难处理的问题，分为若干个较简单的、容易处理的问题，再一个个地加以解决。开始时，设计人员根据系统和设计要求提出总任务并绘制硬件和软件总框图。然后将总任务分解成一批可以独立表征的子任务，这些子任务再向下分，直到每个低级的子任务直接而且容易实现为止。这些低级子任务可用模块方法来实现，可以采用某些通用化的模块，也可以作为单独的实体进行设计和调试。并对它们进行各种试验和改进，直至能够最低的难度和最大的可靠性组成高一级的模块。将各种模块有机地集合起来便完成了原设计任务。2经济性要求 为了获得较高的性能价格比，设计系统时不应盲目地追求复杂高级的方案。在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案。系统的造价取决于研制成本和生产成本。研制成本只花费一次，就第一台样机而言，主要的花费在于系统设计、调试和软件研制，样机的硬件成本不是考虑的主要因素。当样机投稿生产时，生产数量越大，第一台产品的平均研制费用就越低。如果硬件成本比较低，生产量越大，造价就越低，在市场上就有竞争力。相反，当产量较小时，研制成本则决定了系统的造价，在这种情况下，宁可多花费一些硬件开支，也要尽量降低研制经费。在考虑经济性时，除造价外还应顾及系统的使用成本，即使用期间的维护费用、管理与培训费用等，必须综合考虑后才能看出真正的经济效果，从而作出选用方案的正确决策。3可靠性要求 所谓可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性指标除了可用完成功能的概率表示外，还可用平均无故障时间、故障率、失效率先或平均寿命等来表示。对于智能化测量控制系统来说，无论在原理上如何先进，在功能上如何全面，在精度上如何高级，如果可靠性差、故障频繁、不能正常运行，则该系统就没有使用价值，更谈不上生产中的经济效益。因此在设计过程中，对可靠性的考虑应贯穿于每一环节，采取各种措施提高系统的可靠性，以保证系统能长时间地稳定工作。对硬件而言，其器件质量的优劣和结构工艺是影响可靠性的主要因素，应合理地选择元器件和采用极限情况下试验的方法。所谓合 / 理地选择元器件是指在设计时对元器件的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数应留有一定的安全量，并对元器件进行老化和筛选；极限情况下的试验是指在研制过程中，一台样机要承受低温、高温、冲击、振动、干扰、盐雾和其它试验，以证实其对环境的适应性。为了提高系统的可靠性，还可以采用“冗余结构”的方法，即在设计时安排双重结构(主件和备用件)的硬件电路，这样当某部件发生故障时，备用件自动切入，从而保证了系统的长期连续运行。对软件来说，应尽可能地减少故障，如前所述，采用模块化设计方法，易于编程和调试,可减少故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。与硬件类似，也要对软件进行各种“应力”试验。4操作和维护的要求 在系统的硬件和软件设计时，应当考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用。系统的控制开关或按钮不能太复杂，操作程序应简单明了，输入输出应用十进制表示。操作者无需专门训练，便能掌握系统的使用方法。其次，系统还应有很好的可维护性，为此系统结构要规范化、模块化，并配有现场故障诊断程序，一旦发生故障时，能保证有效地对故障进行定位，以便调换相应的模块，使系统尽快恢复正常运行。2.1.2 单片机应用系统的一般设计过程与步骤1设计步骤设计一个单片机测控系统，一般可以分为以下四个步骤：(1)需求分析、方案论证和总体设计阶段； 需求分析，方案论证是单片机测控系统设计工作的开始，也是工作的基础。只在经过深入细致的需求分析，周密而科学地方案论证才能使系统设计工作顺利完成。需求分析的内容主要包括：被测参数的形式(电量、非电量、模拟量、数字量等)、被测控参数的范围、性能指标、系统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。方案论证是根据用户要求，设计出符合现场条件的软硬方案，在选择测量结果输出方式上，既要满足用户要求，又要使系统简单、经济、可靠，这是进行方案论证与总体设计要坚持的原则。(2)元器件选择、电路设计制作、数据处理、软件的编制阶段； / (3)整个系统的设计与性能测定；(4)文件编制阶段 文件不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维修以及进一步再设计的依据。因此，一定要精心编写，描述清楚，使数据及资料齐全。文件包括：设计的指导思想及设计方案论证；性能测定及现场试用报告与说明；使用指南、软件资料(流程图、子程序使用说明、地址分配、程序清单)；硬件资料(电路原理图、电路图、注意事项)。2设计内容(1)系统扩展 通过系统扩展，构成一个完整的单片机系统，它是单片机应用系统中的核心部分。系统的扩展方法、内容、规模与所选用的单片机系列以及状态有关。不同系列的单片机，内部结构、外部总线特性均不相同。(2)通道与接口设计 这些通道大都是通过I/O口进行配置的，与单片机本身联系不甚紧密，应都能方便的移植到其他类型的单片机应用系统中去。(3)系统抗干扰设计 抗干扰设计要穿在应用系统设计的全过程。从总体方案、器件选择到电路系统设计，从硬件系统设计到软件程序、PCB设计等都要把抗干扰设计列为一项重要工作。(4)应用软件设计 应用软件设计是根据单片机的指令系统功能及应用系统的要求进行的，因此，指令系统功能好坏对应用系统软件设计影响很大。22 天然气压力监控系统的性能指标及总体方案设计这个监控系统来源于生产实际，首先根据用户及应用环境的要求，我们来进行需求分析：用户要求此系统应用于储气罐的压力监控，使压力保持在正常压力范围，当低于或高于设定的下限或上限压力值时，能启动报警程序进行声光报警，同时能通过步进电机来控制阀门，以实现自动调节储气罐中的压力，使之达到正常压力范围之内；除了这些控制功能外，用户还要求有人机交互，即通过按键可以设置储气罐中的压力范围参数，通过显示器能实时显示当前压力值及系统运行状况，便于数据记录与生产管理。很明显，这是一个具有反馈环节的闭环自动控制系统。根据上一节所述的总体设计指导思想及用户的功能要求，秉着既满足用户要 / 求，又使系统简单、经济、稳定、可靠的原则，通过方案比较与筛选，最终把系统划分为数据采集模块、数据存储与显示模块、参数设置模块、声光报警模块、步进电机驱动模块五个部分。总体方案框图如图2-2所示的：压力传感器调理电路A/D 转换8051单片机扩展RAM、ROMI/O 扩展芯片 8155键盘、LED显示声光报警接口LCM 驱动器LCD显示步进电机驱动系统监控 图2-2 系统硬件电路原理框图 在硬件方面，首先进行系统的扩展。由于8051只有2K的ROM和256个数据存储单元，只有进行RAM、ROM的扩展才能满足系统要求；然后进行系统的配置，如信号测量功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、自动控制功能模块等。根据系统功能要求配置相应的键盘、显示器、打印机等外围设备。在本系统中，通过扩散硅压力传感器将压力非电量转换为微弱的电信号，通过信号调理电路将微弱信号调理到A/D能转换的阈值，然后通过数据采集卡将模拟信号转换为数字信号传送给8051微处理器进行数据的处理；同时通过按键来设置上、下限压力参数，将当前被测压力与所设置的压力上下限相比较来启动相应的报警与控制程序。当低于或高于设定的下限或上限压力值时，能启动报警程序进行声光报警，同时能通过步进电机来控制阀门，自动调节储气罐中的压力，使之达到正常压力范围之内；整个系统运行状况的数据都能在LED及LCD上进行显示。用LCD进行显示的目的是便于显示系统运行状况，用LED主要是为了在工业现场进行醒目地显示，因为相对LCD来说其高度要高很多，LCD只适合于在室内或便携式仪器仪表进行显示。在软件方面，在编制的过程中，如无特殊情况，应遵循上一节所述的软件设计的总体指导思想与原则，即自顶向下来分解任务、划分功能模块，然后按照模块进行结构化编程的方法。根据硬件电路划分的功能模块，软件方面可划分相应的模块，主要包括以下几大功能模块：数据采集模块、数据存储与显示模块、参数设置模块、声光报警模块、步进电机驱动模块；除了要实现所要求的控制功能外，还要进行数据码制的转换，也即将采集到的数据转换为十进制数（BCD码）进行显示，符合人们常用十进制数的日常习惯，同时还要将用户设置的压力参数值（BCD码）转换为二进制数便于8051微处理器的处理。第三章天然气压力监控系统的硬件设计31 硬件电路设计的一般设计过程3.1.1 硬件电路设计过程一般有如下步骤：(1)自顶向下 2017/kelakeyulechang/ 的设计 硬件电路设计一般也采用自顶向下的设计方法，对硬件电路作一步步 /dafatiyu/ 细分，直到最后的单元电路是一个独立的功能模块，并提出设计方案和绘制粗By-gnksguybb 略电路图。(2)技术评审 组织有关专家和软件设计师、结构设计师一起对上述粗略的硬件电路图进行评审，看它是否符合设计的总目标和总决策，是否与软件设计的要求相符合，对工艺结构提出的要求是否可以实现等。进而可对硬件电路设计方案作进一步的修改。(3)设计准备工作 硬件电路设计的准备工作包括：拟定工作进度计划，人力、工作场所及设备的安排，订购元器件和作出经费预算等。(4)电路的设计与计算 根据设计要求将设计指标进一步细化，绘制详细电路图并进行参数计算。对具有重大创新部分的电路除了进行详细的分析与计算外，还要对具体电路进行多次反复试验和修改。(5)试验板的制作 电路的书面设计完成之后，还必须根据设计的硬件电路图制作相应的试验板，以便验证并帮助修改电路图，使之臻于完善。 (6)试验板的调试 通过试验板的调试可以验证、修改和改进设计，并要求在硬件、软件联调开始前，查明并排除硬件电路设计中存在的缺陷，否则将会给以后的联调带来很大的麻烦。(7)组装、焊接、连线电路板 (8)编写调试程序 一旦对所设计的硬件电路完成安装调试后，就要设计一些调试程序或采用软件设计中的某些子程序，来对相应的硬件工作进行检查。(9)利用仿真器来调试电路板 (10)制作印刷电路板 (11)印刷电路板的调试 待印刷电路板调试成功后，就可进行硬件和软件的联合调试。3.1.2 具体设计内容包括两大部分：(一) 单片机系统的扩展部分它包括存储器扩展和接口扩展。存储器的扩展指EPROM 、RAM的扩展，接口扩展是指8155、8255、8279以及其它功能器件的扩展。(二) 各功能模块的设计(配置部分)如信号测量功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通讯功能模块等，根据系统功能要求配置相应的键盘、显示器、打印机等外围设备。为使硬件设计尽可能合理，应重点考虑以下几点：（1） 留有余地 在设计硬件电路时，要考虑到将来修改、扩展的方便。（2） ROM空间 （3） RAM空间 （4） I/O端口 在样机研制出来以后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题是不能单靠软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端，有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果硬件设计之初就多设计出一些I/O端口 ，这问题就会迎刃而解。3.1.3 工艺设计包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安装、调试、维修的方便。另外，硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。32 单片机的原理与应用3.2.1单片机的概述1单片机的发展历史与发展趋势单片机专业名称Micro Controller Unit(微控制器件),它是由大名鼎鼎的INTEL公司发明的。最早的系列是MCS-48后来有了MCS-51以及其它公司的系列产品。单片机的发展历史可划分为三个阶段：第一阶段：(1974年1976年)为单片机初级阶段。因受工艺和集成度的限制，单片机采用双片形式。例如：仙童公司的F8必须外接一块3851电路才能构成一个完整的微型计算机。第二阶段：(1976年1978年)为低性能单片机阶段。单片机由一块芯片构成，但性能低、品种少。以Intel公司的MCS-48系列单片机为典型代表。它具有CPU、并行口、定时器、RAM及ROM。这是一个真正的单片机。但CPU功能不强，I/O口种类和数量很少，其ROM/和RAM也很有限。只能应用于比较简单的场合。例如，90年代中期以前的PC机键盘几乎无一例外地使用MCS-48系列单片机作为控制部件。第三阶段：(1978年)为高性能单片机阶段。在这一阶段出现了很多新型单片机，这些新型单片机不仅有功能很强的CPU、比较多I/O口种类和数量，而且具有容量较大的ROM和RAM及种类繁多的功能部件。90年代后期至今单片机的发展可以说是进入了一个新的阶段，其发展趋势主要有以下几个方面：(1)大容量化：传统的单片机片内程序存储器一般为1K8K，片内数据存储器为256字节以下。在某些复杂的应用上，片内不论是程序存储器还是数据存储器其容量都不够，必须采用外接方式进行扩充。而新型单片机(例如PHILIPS P89C66x) 片内程序存储器可达64K，片内数据存储器可达8K。今后，随着工艺技术的不断发展，单片机片内存储器容量将进一步扩大。(2)单片机的高性能化：主要是指进一步提高CPU的性能，加快指令运算速度，并加强了位处理功能、中断、定时功能。其主频从4MHz12 MHz向0MHz (全静态)40 MHz以上发展。同时采用流水线结构，让指令以队列形式出现在CPU中，从而进一步提高运算速度。有的单片机基本采用了多流水线结构，这类单片机的运算速度要比标准的单片机高出10倍以上