热裱画全自动控制系统设计

SHANDONG 毕业设计说明书 热裱画全自动控制系统设计 学 院：电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 王晨明 学 号： 0812102322 指导教师： 张清洁 2012 年 6 月 摘 要 I 摘 要 传统的裱画技术以冷裱画为主，即仅在相纸上表一层膜，这样的工艺存在 很多缺点，效率也低，保存时间也短。随着科学技术的发展，热裱画逐渐占据 裱画市场，并很快显示出其优势，耐高温、不易变形、耐潮湿等。热裱画的核 心技术就是单片机检测控制温度与压力，传统的温度检测技术利用的是热敏电 阻，它具有成本低的优势，但是也有需要外加信号处理电路，测温准确度低， 有一定的误差等缺点。与传统的温度检测技术不同，本次设计基于 DS18B20 数 字温度计，因为它具有测温范围广，测温精确，读数方便，数字显示，适用范 围宽等特点。 整个设计以 P87LPC767 为主控制器，以 DS18B20 芯片为温度传感器，以 140PC 为压力传感器，实现对温度信息的采集、控制,并用 LED 数码管进行实时 显示。当测试温度达到或超过温度预定值时，系统能够报警，并且能够检测到 真空状态。 本设计主要由两部分构成，一是系统硬件部分的设计，包括温度采集及数 据处理电路、压力检测电路、温度显示和报警电路以及电源电路等；二是对系 统软件部分的设计，使用汇编语言编程。整个系统应用范围较广，在现实生活 中有很好的应用性。 关键词：关键词：P87LPC767,DS18B20,140PC,LED 数码管 Abstract II Abstract The traditional framed paintings technology is based on cold framed paintings, which only over a piece of membrane on the painting paper. But this process has many shortcomings, low efficiency and short storage time. With the development of science and technology, hot fram paintings occupy framed paintings market soon, and show its superiorit. It resistants high temperature and moisture, hard to distortion, etc. The core technology of hot framed paintings is that single chip microcomputer control and tests the temperature and pressure. The traditional testing technology of temperature takes advantage of the thermal resistor, which has the advantages of low cost, and also has the shortcomings that need external signal handle circuits,accuracy rating is low, and have some errors. Different from the traditional temperature detection technology, this design based on the chip DS18B20 digital thermometer, because it can test a wide range of temperature which is more accurate and convenient to read, and it display digital figure and has a wide application, etc. The whole design makes P87LPC767 as main control device, DS18B20 chip as temperature sensor, 140 PC series as pressure sensor to collect and control the temperature information, and use LED digital to display. When the testing temperature reaches or exceeds the temperature target value, system can sound an alarm, and has the ability to detect a vacuum. This design mainly include two parts, one is the system hardware, including temperature sampling and data processing circuit, pressure measure circuit, temperature display, alarm circuit and power circuit, etc. The other is the system software，and use assembly language to program. The entire system has a wide and good application scope in real life. Keywords: P87LPC767, DS18B20, 140PC, LED 目 录 III 目 录 摘 要 ABSTRACT 目 录 第一章 引 言.1 1.1 课题背景及来源1 1.2 近年来国内外研究现状1 1.3 课题内容及要求.2 第二章 系统方案论证 3 2.1 课题分析3 2.1.1 主要设计指标和参数 .3 2.1.2 系统设计具体要求 .3 2.2 整体设计方案3 2.3 数据采集处理4 2.4 电源的选择5 第三章 系统硬件设计 6 3.1 数据采集模块6 3.1.1 差动输入方式 6 3.1.2 V/F 转换 .7 3.2 按键设计9 3.2.1 按键的作用 9 3.2.2 温度和时间参数的设置 .9 3.3 温度传感器的选择9 3.3.1 模拟集成温度传感器 .9 3.3.2 数字集成温度传感器 . 10 3.4 压力传感器的选择 15 3.5 显示器的选择 15 3.6 单片机的选择 18 目 录 IV 3.7 X25045 芯片简介 24 3.8 直流电源的设计 25 3.9 驱动继电器 26 第四章 系统软件设计 27 结论.29 参考文献30 致谢.31 附录 A 系统程序清单. 32 附录 B 整机电路图 64 第一章 引言 - 1 - 第一章 引言 1.1 课题背景及来源 热裱画技术的集中体现便是热裱机的生产，随着热裱画技术的逐步完善， 冷裱画已经逐渐淡出了人们的视线，目前市场上热裱机的功能已经非常完善， 人们不断地向全自动化控制迈进，热裱画的核心技术其实是基于单片机的温度 控制与压力检测。 温度检测技术的发展也有不短的历史，从起初的利用热敏电阻测量温度到 现如今的数字温度传感器 DS18B20，温度检测技术已经相当成熟，同时 DS18B20 数字温度传感器具有很多优点，它与单片机连接使用很好的实现了温 度的检测与控制。目前国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化 向智能化的方向飞速发展。压力传感器利用压阻效应与微加工技术制作而成， 目前正向小型化、集成化、智能化、系列化和标准化的方向发展。 1.2 近年来国内外研究现状 随着科学技术的不断发展，热裱画温度控制系统越来越接近全自动化控制， 各种新型元器件不断推出，性能也得到了不断的提高，尤其是传感器方面，近 几年得到了飞速的发展，热敏电阻式检测温度的方法也将退出历史的舞台。新 型的数字集成温度传感器获得了越来越多的使用，它们具有独特的数字信号处 理能力，又有高集成度、低功耗、性能稳定等优点。而新型单片机的使用也使 得热裱画技术更加性能稳定，功能不断齐全。 由于这些新型元器件的使用，使得当今的热裱画技术更趋成熟，更接近全 自动化、智能化，市场上销售的热裱机也是种类繁多，价格相差也较大，在功 能上也是良莠不齐，越来越多的功能被添加在热裱机上，使其在日常生活中的 应用也更加广泛。 1.3 课题内容及要求 本设计主要介绍了热裱画的核心技术即利用单片机和数字温度传感器 DS18B20 相结合的方法来实现温度的采集和控制，并利用压力传感器来实现压 第一章 引言 - 2 - 力的检测。以单片机 P87LPC767 为核心，以温度传感器 DS18B20 和压力传感器 140PC 系列以及 LED 数码管及必要的外围电路为辅，构成了一个基于单片机的 既能检测和控制温度又能检测和控制压力的系统，并且能实时显示温度值，并 且实现报警功能。 第二章 系统方案论证 - 3 - 第二章 系统方案论证 2.1 课题分析 此毕业设计介绍的是热裱画温度控制系统，核心是温度和压力的检测与控 制系统，此设计要求能够测量温度和压力，能够显示温度，并且在发生异常情 况时能进行控制调整，并且能在温度超过预定值时报警，能够抽空空气并能检 测真空信号状态。 2.1.1 主要设计指标与参数 1、温度测量范围 -18+150 2、温度测量精度 0.1 3、温度控制范围 800.1 2.1.2 系统设计具体要求 根据设计的要求，当温度高于预定值时，报警电路开启实现报警作用，当 温度低于预定值时，调节电阻丝电流使其工作，使温度达到预定的温度范围内。 当压力不为零时，调节抽真空机电流使其工作，达到真空状态时停止工作。本 设计的主要任务是能对温度和压力进行自动的检测与控制。温度与压力的控制 为基于单片机的控制，整个系统需要数据采集处理电路，键盘显示电路，控制 电路，报警电路，电源电路等几部分。 2.2 整体设计方案 本设计大体可由三个模块电路构成，分别是数据采集、数据处理、显示与 报警。温度传感器采集温度信号，经过处理后传输给单片机 P87LPC767，单片 机计算存储后通过 74LS164 连接 LED 数码显示管，将温度值实时显示，在未 达到预定值前，单片机输出控制信号，控制继电器，使电阻丝处于加热工作状 态，当温度达到或超过预定值时报警电路开启，电阻丝停止工作。压力传感器 采集到压力信号，数据通过检测、放大、A/D 转换然后送入单片机，未检测到 真空信号前单片机控制抽空机工作，直到检测到真空信号为止。温度传感器有 两种选择，可以选择传统的热敏电阻，经过放大电路、差动电路、A/D 转换后 第二章 系统方案论证 - 4 - 送入单片机中；也可以选择新型的数字集成式温度传感器，电路更显简单，操 作更容易完成。设计方案总体框图如图 2-1 所示： 数 据 处 理 温 度 采 集 单片机 P87LPC767 真 空 信 号 数 据 存 储 显 示 电 路 键 盘 接 口 报 警 图 2-1 设计方案总体框图 2.3 数据采集处理 数据的采集由传感器完成，转换通过压频转换实现，P87LPC767 内部虽有 一个 8 位的 A/D 转换器，但考虑到精度问题，在电路中加入了 A/D 转换与压频 转换，其原理框图如图 2-2 所示： 检测 信 号 放大/滤波V/F 转换CPU 图 2-2 数据采集原理方框图 2.4 电源的选择 电源对于任何电子类产品都是必不可少的，供电方式也是各种各样，例如 当今市场上存在的各种干电池、蓄电池，因为生活中最常用的电源是 220V 交 流电源，所以利用交流电源通过变换得到直流电源的方式在生活中是最容易办 第二章 系统方案论证 - 5 - 到也比较经济的方法。同时，这种供电方式还具有稳定、经济、方便的优点， 而且可以长时间提供稳定的电压。本设计中要用到的电压为+5V 和+12V，可以 通过同一电源经过不同处理获得。原理方框图如图 2-3 所示 变 压 器整流电路滤波电路稳压电路 图 2-3 电源原理方框图 第三章 系统硬件设计 - 6 - 第三章 系统硬件设计 3.1 数据采集模块 在数据采集模块中，由于裱画的输出信号极其微弱，所以本设计采用在小 信号的基础上加基准电压的方式，然后通过放大电路使其信号放大，在此采用 的是差动输入的方式。放大电路采用了 LM324A 四低功耗功率运算放大器。取 得电压信号后，连接到电压频率转换器上，使电压信号转换成频率信号便于单 片机的信号识别1。同时还要在此基础上考虑到信号的可靠性，所以要加上光 电隔离器，本设计采用的是高速隔离器 6N137。 3.1.1 差动输入方式 在运放电路设计中，我们一般采取差动输入方式来抑制干扰，这样的话对 测量电路会有一些基本的要求：因为共模干扰可能会引入误差，所以要采用高 共模抑制比；如果信号源和网络的电阻是不对称的，就会引入误差，所以采用 高输入阻抗；为了适应信号源电平的范围，采用高增益带宽调节范围。 以上要求通常采用多运放组合的电路来满足，典型的组合方式有以下几种： 同相串联式高阻测量放大器；同相并联式高阻测量放大器。在本设计中采用第 一种方式-同相串联式。放大转换电路在本系统中采用的是 LM324A 四低功 耗功率运算放大器，其差动输入电路图如图 3-1 所示。 R12 P4 R11R15 C5 C6 R16 R13 R14 6 LM324A -12 R17 10K P5 5K R18 7 LM324A C7 5 6 -12 +12 +12 图 3-1 差动输入电路图 第三章 系统硬件设计 - 7 - 3.1.2 V/F 转换 A/D 转换器可将输入的模拟电压转换为频率信号送入单片机，进行 A/D 转 换，其原理如下：采用 V/F 转换器将模拟电压输入信号转换成对应的频率信号， 同时启动频率计数器和定时器，频率计数器用 V/F 转换器输出的频率信号为计 数脉冲，定时器采用基准频率作为定时脉冲，当定时结束时，定时器产生输出 信号使频率计数器停止计数，则计数器的计数值与输入频率成正比关系，由于 通常采用的 V/F 转换器的输出频率与输入模拟电压成正比，则计数器的计数值 正比于输入模拟电压2。 V/F 变换其实际上是一个震荡频率随控制电压变化而变化的振荡电路。其 特点是有良好的精度、线性度和积分输入，且电路简单。通过调整 AD654 可输 出 0-500KHZ 的脉冲串，将输出与单片机的定时器/计数器 T1 相连进行计数， 并用定时器 T0 进行定时。通过对所计的数进行计算与转换，便可得到传感器 当前温度值。AD654 是一种廉价的 V/F 转换器，它是有漂移输入放大器，精密 震荡器系统和大电流输出级组成。使用时只需一个 RC 网络就可防止高达 500KHZ 任何满量程频率及30V 的满量程输入。低漂移（4V/）输出放大器 允许直接输入小信号，可以提供高达 250M 输入电阻。输出级为宽范围的开 路式集电极级输出，可提供足够电流使 TTL，CMOS，光电耦合器或脉冲变压 器工作。 为了提高数据采集系统的采集速度，每个模拟输入通道都需要使用单独的 电压频率转换/光藕合器，主要优点是：通过光电耦合与 CPU 接口，抗干扰能 力强；容易实现与多单片机系统的多 CPU 接口3。 本系统低成本 V/F 转换的实现，采用芯片 AD654 与 6N137 连接。 AD654（VFC）的工作原理：当输入电压 Uin=0 时，由于 4 端接地输出信号是 频率为 250KHz 和等宽的脉冲波。当输入是交流信号时，经 VFC 变换后输出的 信号是被 Uin 交流信号调制了的等幅脉冲调频波。由于 VFC 的工作频率远高于 工频 50Hz，因此就一瞬间而言，交流信号频率几乎不变，所以 VFC 在这瞬间 变换输出的波形是一连串频率不变的数字脉冲4。 V/F 转换原理框图及转换特性如图 3-2 所示，V/F 转换电路图如图 3-3 所示： 第三章 系统硬件设计 - 8 - Out fmax 500KHZ 250KHZ 250khz -5v 0v +5v In V/F 转换器 图 3-2 V/F 转换原理图 +VIN 4 COMMON 2 RT 3 FOOT 1 +VS 8 CT 7 CT 6 -VS 5 AD1 N.C. 1 ANODE 2 CATH ODE 3 N.C. 4 VCC 8 EN 7 OUT 6 GND 5 4 6N137 R9 R10 +12 C4 P3 5 +5 3 +12 图 3-3 V/F 转换电路图 VFC 的 A/D 变换方式与单片机的接口，要比 ADC 变换方式简单，单片机无 需控制 AD654 芯片。其优点有： 1、工作稳定，线性好，精度高，电路简单； 2、抗干扰能力强。VFC 是数字脉冲式的电路，不是模拟电路，因此没有脉 冲干扰和随机高频噪声。在 VFC 输出与计数器之间接入光电隔离器 6N137，使 第三章 系统硬件设计 - 9 - 系统抗干扰能力更强。 3.2 按键设计 3.2.1 按键的作用 键盘设定系统共设有三个按键，即： 设置键：让循环显示停止下来，定为一路显示，接着再按一下，用于确定 上限，再按一下确定下限。 加 1 键：按一下设置键后表示让下一通道显示。在确定上下限时表示显示 温度值加 1。 减 1 键：按一下设置键后表示让上一通道显示。在确定上下限时表示显示 温度值减 1。 3.2.2 温度和时间参数的设置 按下“设置”键，进入设置状态，同时“设置”指示黄灯长亮，提示当前的工 作状态时设定参数。首次进入温度参数的设定。此时的上排的大数码管显示上 一次温度设定值，此数值是闪烁的，在此状态按“”“”键可设定制温度的大 小。再按下“设置”键，即进入时间的分设置，再按进入时间的秒的设定。其设 定方法同温度设置一样。由温度到时间的设置称为一个循环。每设置一个循环 需要按四次“设置”键，最后按的“设置”键是退出设置状态，此时“设置”小黄灯 灭。 当达到真空度时，设置指示灯小绿灯亮，当超出所设温度范围时，设置 指示灯小红灯亮，并发出报警5。 3.3 温度传感器的选择 3.3.1 模拟集成温度传感器 AD590 是美国模拟器件公司利用 PN 结构正向电流与温度的关系制成的电 流输出型两端温度传感器6。器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数在数 值上等于流过器件的电流值，AD590 的测温范围完全能够满足该设计的要求， 所需电压范围 4V6V，温度每变化 1K 电流变化 1A。 其输出电流是以绝对温度零度(-273)为基准,每增加 1,它会增加 1A 输 第三章 系统硬件设计 - 10 - 出电流,因此在室温 25时,其输出电流 Io=(273+25)=298A。AD590 把被测温 度这一模拟值转换为电流值，然后通过放大电路与 A/D 转换器，将数字量送给 单片机，从而实现单片机对温度的检测和控制7。 AD590 的封装及基本应用电 路如图 3-4 所示： 图 3-4 AD590 的封装及基本应用电路 由于流过 AD590 的电流值正比于热力学温度值，所以我们可以让电阻 R1 的值和电位器 R2的电阻值加在一起是 1000，这时输出电压 VO与每发生 1mV 的变化，就会相应地引起温度变化 1K。为了消减 AD590 的增益和电阻自身带 来的误差，我们必须对电路进行一定的调整。调整的具体方法：先准备冰水混 合物，将 AD590 放于其中，通过调节电位器 R2，使 VO=273.2mV。或在室温下 (25)条件下调整电位器,使 VO=273.2+25=298.2（mV） 。但这样调整可保证在 0或 25附近有较高精度8。 3.3.2 数字集成温度传感器 DS18B20 温度传感器是一款最新推出的改进型智能温度传感器，与传统的 热敏电阻等测温元件存在很大的不同，它能直接得到数字信号并直接传输给单 片机，而且 DS18B20 可以利用程序设定 912 位的分辨率，温度精确度会受到 分辨率的影响，能够根据不同的精度要求设定不同的分辨率位数。除此之外， DS18B20 的封装方式比较灵活，如果条件有限制可以选择更小的封装形式，更 第三章 系统硬件设计 - 11 - 宽的电压适用范围9。至于分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中，即使在掉电的情况下，分辨率的设定值与温度报警值依然能够保 存。如果省略掉用户定义的报警温度值与分辨率参数的 EEPROM，那么精度将 会降低为2C，这种情况适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，属于 经济型产品。数字温度传感器 DS18B20 把采集到的温度通过数据引脚传到单片 机的 P1.0 口，单片机便能够接收到该信号并存储。DS18B20 的问世使电压、 封装有了更多的选择，我们在构建测温系统的时候有了更多的经济型的选择。 一、DS18B20 的主要特性 DS18B2O 的测温范围为55125，而且在测量-10+85之间 的温度时精确度仅为0.5，这样的精确度是不能满足设计要求的，但是 DS18B2O 可通过编程改变分辨率，分辨率可以设置为 912 位之间，而且位数 越高分辨率越高，最高能够达到 0.0625，完全可以满足本设计的要求，分辨 率的改变也会改变温度值转换为数字的时间，分辨率越高相应的时间就会越长 10。 DS18B2O 的正常工作电压范围也比较宽，为 3.0V5.5V，供电方式也有 两种，一般是寄生电源方式供电，这种供电方式是由数据线提供电源； DS18B2O 要想实现与微处理器的双向通讯非常简单，因为它拥有独特的单线接 口方式，连接时仅需一条口线，这条口线除了可以直接传输数字温度信号以外， 还能传送 CRC 校验码，目的是增强 DS18B20 的抗干扰纠错能力；用多个 DS18B20 还可以实现多点测温，支持多点组网功能；DS18B20 的外形像三极管， 里面包含着全部的传感元件及转换电路，它在与单片机的连接使用时，不需要 其他的任何元器件作为辅助电路，电路更简单，更容易实现测量；DS18B20 的 电源极性即使接反也不会被损坏，因为电源接反时芯片不会发热，但是也不会 工作，此特性称为负压特性。 二、DS18B20 的外形和内部结构 DS18B20 内部结构主要由温度传感器、配置寄存器、64 位光刻 ROM、非 挥发的温度报警触发器 TH 和 TL 组成。 外部封装形式如图 3-5 所示，传感器 电路图如图 3-6 所示： 第三章 系统硬件设计 - 12 - 图 3-5 外部封装形式 图 3-6 传感器电路图 三、DS18B20 工作原理 因为二者的测温原理基本相同，首先介绍 DS1820 的测温原理， 。它们都既 可寄生供电也可由外部 5V 电源供电。在寄生供电情况下，当总线为高电平时， DS1820 从总线上获得能量并储存在内部电容上；当总线为低电平时，由电容 向 DS1820 供电。 DS18B20 的内部有一个受温度影响的电路，当到达某一设置高温时振荡器 的脉冲无法通过门电路。计数器设置的值为-55时，门电路在计数器到达 0 之 前没有关闭，则温度寄存器的值增加，表示当前温度高于-55。同时，计数器 复位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计 数直到回零。如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。温度表示值为 9bit， 高位为符号位，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时 的延时时间由 2s 减为 750ms。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小， 用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。高温度系数晶振随温度变化其振 荡率明显改变，所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。计数器 1 和温度寄存 器被预置在55所对应的一个基数值。计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉 第三章 系统硬件设计 - 13 - 冲信号进行减法计数，当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1 的预置将重新被装入，计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生 的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值 的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。根据 DS18B20 的通讯协议， 主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后发送 RAM 指令， 这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微 秒，然后释放，DS18B20 收到信号后等待 1660 微秒左右，后发出 60240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。 图 3-7 DS18B20 内部结构框图 温度传感器 DS18B20 的内部存储器还包括一个高速暂存 RAM 和一个非易 失性的可电擦除的 EERAM。高速暂存 RAM 的结构为 8 字节的存储器。 其中，前 2 个字节包含测得的温度信息，第 3 和第 4 字节 TH 和 TL 的拷 贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第 5 个字节，为配置寄存器，它的内 容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换 第三章 系统硬件设计 - 14 - 为相应精度的温度数值。要想使 DS18B20 进行精确的温度转换，I/O 线必须保 证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个 DS18B20 在温度转换期间工作电 流达到 1mA，当几个温度传感器挂在同一根 I/O 线上进行多点测温时，只靠 4.7K 上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。 四、DS18B20 使用中注意事项 DS1820 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等 优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： (1) 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS1820 与微处理 器间采用串行数据传送，因此，在对 DS1820 进行读写编程时，必须严格的保 证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用 PL/M、C 等高级语言进行系 统程序设计时，对 DS1820 操作部分最好采用汇编语言实现。 (2) 在 DS1820 的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS1820 数量问题，容 易使人误认为可以挂任意多个 DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上 所挂 DS1820 超过 8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进 行多点测温系统设计时要加以注意。 (3) 连接 DS18B20 的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号 电缆传输长度超过 50m 时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双 绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双 绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电 容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用 DS18B20 进行长距离测温系统设计 时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 (4) 在 DS18B20 测温程序设计中，向 DS18B20 发出温度转换命令后，程 序总要等待 DS18B20 的返回信号，一旦某个 DS18B20 接触不好或断线，当程 序读该 DS18B20 时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行 DS18B20 硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视11。 测温电缆线建议采用屏蔽 4 芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一 组接 VCC 和地线，屏蔽层在源端单点接地。 第三章 系统硬件设计 - 15 - 3.4 压力传感器的选择 压力传感器之所以选择 140PC 系列，因为该系列的压力传感器具有如下的 特点：它的温度补偿范围为-1863，全量程温度补偿 050，范围都比 较宽，而且具有零点及量程校整和量程校整低电平复位功能；它可以满量程 16V 输出，还可以测量差压，绝压，真空压，表压；它还具有可编程 I/O 口 输出模式准双向口,开漏输出,上拉和只有输入功能。 除此之外，它还可以选择施密特触发输入；该传感器在使用片内上电复位 时是不需要外接任何元件的；看门狗定时器具有独立的片内振荡器，还具有振 荡器失效检测功能，因此它还可以用于振荡器的失效检测；它的可配置片内振 荡器及其频率范围和 RC 振荡器选项(用户通过对 EPROM 位编程选择)选择 RC 振荡器时不需外接振荡器件12。 3.5 显示器的选择 在显示器的选择上，此设计选择用 LED 数码管，选用它的原因大体上归 功于它的那些主要特点。LED 数码管的发光响应时间极短，一般不会大于 01s，而且它的高频特性及其单色性都很好，亮度也高，并且能在低电压、 小电流条件下驱动发光。除此之外，LED 在外形上还具有体积小、重量轻的特 点，抗冲击的性能也不错。LED 的使用寿命都比较长，一般都在 10 万小时到 100 万小时之间，有的甚至超过 100 万小时，它的成本也不高，再加上它的使 用寿命很长，使得 LED 的经济性很好，性价比很高，正因为如此，LED 数码 显示管在生活与工业中得到了广泛的使用，它还被广泛用作数字仪器仪表、数 控装置、计算机的数显器件。 1性能简易检测 LED 数码管在使用前需要进行检测，确保其能够正常工作，首先我们要观 察它的外观，颜色是不是均匀，不能存在局部变色的现象，不能看见里面有气 泡。在条件允许下我们还可以用干电池做进一步的检查。最常见的检查方法是 利用共阴数码管做的检查。 首先我们准备好一节 3 伏干电池，在其负极上引出一条线并固定在 LED 数 第三章 系统硬件设计 - 16 - 码管的公共负极端上，保证其稳定接触，在电池的正极上也引出一条线，并依 次移动接触数码管的正极端。当这一根正极引出线接触到某一笔画的正极端时， 该笔画就应该显示出来。这种方法简单实用，成本又低，能够轻易的检查出数 码管是否有断笔，即某笔画不能够完全显示，是否有连笔现象，即某些笔画连 在一起，并且可通过移动接触各正极端让各个比划发亮的方法，通过对比，比 较出不同笔划发光的强弱性能。也可以用同样的方法检查共阳极数码管，只是 在检查时需将电池正负极引出线对调一下，方法相同。 LED 数码管的每个笔画的工作电流约在 510mA 之间，若电流过大会损 坏数码管，因此必须加限流电阻，其阻值可按式 3-1 计算： R 值=(UULED)ILED （3-1） 式中 U 代表 LED 两端的电压，ULED 表示 LED 数码管的每个笔画的压降 (约 2 伏)，ILED 则表示每个笔画上的电流。 还可以利用数字万用表比较方便地检查 LED 数码管的发光情况。例如 检查 LTS547R 型共阴极 LED 数码管时，从 E 孔插入一根单股细导线，导线引 出端接 9 极(第脚与第脚在内部连通，可任选一个作为)；再从 C 孔引出一 根导线依次接触各笔段电极，可分别显示所对应的笔段。 2使用注意事项 （1）检查时首先看数码管的发光情况，如果发光比较暗淡，则说明该数 码管件已经老化，它的发光效率太低。如果显示残缺不全，则说明数码管的某 部分已经损坏，应该废弃，不能再继续使用13。 （2）对于那些型号不明、而且又没有管脚排列图的 LED 数码管，可以用 数字万用表的 h 挡完成如下的测试工作：首先要判定数码管的结构形式，属于 共阴极的还是共阳极的；然后识别它的管脚；最后检查全亮笔段。在开始前我 们可以假定某个电极为公共极，然后还可以根据笔段发光还是不发光来加以验 证。如果笔段的电极接反或者公共极判断错误，那么该笔段就不能发光。 （3）LED 数码管有不同的亮度级别，分为一般亮和超亮等，大小也有不 同的尺寸，常见的尺寸有 0.5 寸和 1 寸。那些小尺寸的数码管，他们的显示笔 第三章 系统硬件设计 - 17 - 画通常只用一个发光二极管组成，而那些尺寸较大的数码管则由二个或更多个 发光二极管组成。一般来说，单个的发光二极管的管压降为 1.8V 左右，电流一 般不会超过 30mA。发光二极管可分为共阳极数码管与共阴极数码管，共阳数 码管里面的二极管的阳极连接到一起，然后在连接到电源上；共阴数码管里面 的发光二极管的阴极连接到一起，绕后在连接到电源负极上。常用 LED 数码管 显示的数字和字符是 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。 图 3-8 LED 数码显示管 3、静态显示驱动： 静态驱动也称为直流驱动，它的特点是每个数码管的每一个段码都由一个 单片机的 I/O 脚进行驱动，也可以使用如 BCD 码的二-十进位器进行驱动。显 示亮度高和编程简单是静态驱动最大的优点，而占用 I/O 脚过多则是静态驱动 存在的最大的缺点，例如我们要驱动 4 个 LED 数码管来实现静态显示，那么我 们需要 48=32 根 I/O 脚用来来驱动，但是一般的单片机根本就不会设置那么多 的 I/O 口，所以在实际应用时我们必须增加驱动器来进行驱动，这样做便增加 了硬件电路的复杂性。 4、动态显示驱动： 动态显示是 LED 数码管最常用的显示方式，也是单片机中应用最为广泛的 一种显示方式，动态驱动其实就是将所有数码管的 8 个显示笔划 “a、b、c、d、e、f、g、dp”的同名端连接在一起，另外还要为每个数码管的公 共极 COM 增加位元选通控制电路，这个位元选通控制电路由各自独立的 I/O 第三章 系统硬件设计 - 18 - 线控制，如果单片机输出字形码，那么所有的数码管都会接收到相同的字形码， 但是究竟哪个数码管会显示出字形，则取决于单片机对位元选通 COM 端电路 的控制，所以我们只要打开我们需要它显示的那些数码管的选通控制，则相应 的位元就会显示出字形，没有打开选通的数码管就不会发亮。 所谓的动态驱动就是透过分时轮流控制各个 LED 数码管的 COM 端，就能 使各个数码管轮流受控显示。在动态显示过程中，每位元数码管的点亮时间仅 为 12ms，因为人的视觉存在暂留现象，以及发光二极体存在的余辉效应，虽 然实际上各位数码管并不是同时点亮的，但只要扫描的速度足够快，给人的印 象就是一组稳定的显示资料，而且不会存在闪烁感，在视觉上便会感觉到动态 显示的效果和静态显示的效果是一样的，动态显示还能够节省大量的 I/O 脚， 而且功耗比静态显示更低。 3.6 单片机的选择 P87LPC767 是 PHILIPS 公司基于 80C51 内核技术设计而成，是一款具有 20 脚封装的单片机，它的定位是低价位、多功能、小管脚，主要适合用于许多 要求低成本、高集成度的场合，基于它的这些特点，所以该单片机能够满足诸 多方面的要求。P87LPC767 不仅提供了高速和低速的晶振，还提供了 RC 振荡 方式，它的工作电压范围也比较宽泛。P87LPC767 的内部还包含一个 8 位中央 处理器，并且有内部看门狗定时器。P87LPC767 采用的是 80C51 加速处理器结 构，属于 OTP 单片机，指令执行速度是标准 80C51 的 MCU 的两倍，也就是说 P87LPC767 在 10MHZ 时性能和标准 80C51 采用 20MHZ 时性能一样。 除此之外，P87LPC767 还有上电复位、空闲和掉电模式、低电平中断唤醒 功能。在选择片内震荡器时，是无需外接任何元件的，我们仅需要为它接上适 当的电源以及底线即可。P87LPC767 还具有独立的看门狗振荡电路，这个电路 的存在使它可以侦测到时钟源的工作状态。 P87LPC767 作为一款很优秀的单片机，它的特性远不止上面的简单介绍， 下面我将逐条介绍一下 P87LPC767 的特性： （1） 4K 字节 OTP 程序存储器，128 字节的 RAM，32Byte 用户代码区； 第三章 系统硬件设计 - 19 - （2） 4 通道多路 8 位 A/D 转换器，在振荡器频率 fosc=20MHz 时转换时 间为 9.3s； （3） 操作频率为 20MHz 时，除乘法和除法指令外，加速 80C51 指令执 行时间为 300-600ns，VDD=4.5-5.5V 时，时钟频率可达 20MHz，VDD=2.7 - 4.5V 时，时钟频率最大为 10MHz； （4） 用于数字功能时，操作电压范围为 2.7V6.0V； （5） 振荡器失效检测，看门狗定时器具有独立的片内振荡器，因此它可 用于振荡器的失效检测； （6） 2 个 16 位定时/计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应 端口输出； （7） 内含 2 个模拟比较器； （8） 八个键盘中断输入，另加 2 路外部中断输入； （9） 4 个中断优先级； （10） 看门狗定时器利用片内独立振荡器，无需外接元件，看门狗定时 器溢出时间有 8 种选择； （11） 低电平复位，使用片内上电复位时不需要外接元件； （12） 低电压复位，选择预设的两种电压之一复位，可在掉电时使系统 安全关闭，也可将其设置为一个中断源； （13） 可配置的片内振荡器及其频率范围和 RC 振荡器选项选择 RC 振荡 器时不需外接振荡器件； （14） 所有口线均有 20mA 的驱动能力； （15） 可编程 I/O 口输出模式，准双向口,开漏输出,上拉和只有输入功能， 可选择施密特触发输入； （16） 如果选择片内振荡及复位时,P87LPC767 仅需要连接电源线和地线； 第三章 系统硬件设计 - 20 - （17） 可控制口线输出转换速度以降低 EMI,输出最小上升时间约为 10ns； （18） 最少 15 个 I/O 口,选择片内振荡和片内复位时可多达 18 个 I/O 口； （19） 串行 EPROM 编程允许在线编程 2 位 EPROM 安全码可防止程序被 读出； （20） 空闲和掉电两种省电模式，提供从掉电模式中唤醒功能，低电平 中断输入启动运行典型的掉电电流为 1A； 图 3-9 P87LPC767 的引脚图 P87LPC767 的 20 个引脚，其中 P0 口有 8 个，P1 口有 8 个，P2 口有 2 个， 还有一个 VCC 和一个 VDD 引脚，其中 P0 口是一个可以定义输出的类型的 8 位 I/O 口， P0 锁存器在准双向模式中配置由 UCFG 中的 PRH 位确定复位后写 入 1 还是 0，P0 口由口配置寄存器设定为输出或输入模式，每一位均可单独设 定，P0 口还具有键盘输入中断功能。P1 口是一个用户可定义输出类型的 8 位 第三章 系统硬件设计 - 21 - I/O 口，P1 锁存器在准双向模式中配置由 UCFG1 中的 PRHI 位确定复位后写入 1 还是 0，P1 口由口配置寄存器设定为输出或输入模式，每一位均可单独设定。 除此之外，该单片机还具有如下几种功能。 （1）模拟功能 P87LPC767 的内部自带有 A/D 转换器和 D/A 转换器，除此之外还带有 2 个模拟比较器，有些管脚可以作为模拟功能使用，这些管脚一般需要关闭数字 信号输入及输出功能，但也有特殊的，比如说 DAC 输出管脚。当我们把口线 输出功能转为只有输入功能时，数字信号就不能很好的输出了，因为会变的阻 抗比较高，下面以 I/O 口部分为例，讲解一下，它使用的是 PT0AD 寄存器，能 够有效地阻止 PORT0 口的数字输入功能。PT0AD 寄存器中有很多位，它们都 能够一一对应 PORT0 的相应位，PT0AD 中的相应位置位后还可以禁止此管脚 作为数字信号输入，这样一来数字输入功能便被有效的禁止，而一旦禁止该功 能，此后任何的指令在读取该位时都只会读取到 0。 （2）A/D 转换器 P87LPC767 内部自身带有 A/D 转换器，而且该转换器为 8 位四通道，可选择 作为 A/D 转换输入的引脚有四个，这四个引脚全部为 P0 引脚，至于 A/D 转换 的电源，它和 MCU 共用 Vcc 和 Vss，这是因为 P87LPC767 的引脚比较少，而 且它们的电源电压有共同的范围。A/D 转换器的工作电压较宽，最低可正常工 作电压为 3.0V。 A/D 转换器能够由 ADCON 通过将 ENADC 置位使数据能够 A/D 转换，但 是 A/D 转换不能够立刻稳定下来，需要等待一小段时间，一般情况下是过 10s 以后才能启动 A/D 转换，上面提到的 ADCON 其是一个特殊功能寄存器。 在 A/D 转换之前，我们需要比较在 A/D 转换进行当中不能改变的这两个位 的状态，具体方法是通过 AADR1 和 AADR0 来选择一个模拟输入端。还可以 通过设置 ADCS 位启动 A/D 转换，转换进行过程中 ADCS 位保持为 1，当转换 结束以后 ADCS 位会清零，ADC 位则会置位。当 ADCI 置位时，如果中断系统 及 A/D 中断使能，通过设置 IE1 中的 EAD 位，将产生中断 A/D 中断为挂起 的中断的最高优先级。当 A/D 转换完成后，其结果将被保存到 DAC0 里面，当 第三章 系统硬件设计 - 22 - A/D 转换又重新启动之前，保存到 DAC0 里面的数据是不会改变的。我们可以 利用也仅可以利用软件编程来将 ADCI 位清零，再次启动 A/D 转换时，置位 ADCS 和 A/D 通道选择是可以使用同一条指令的，但是 A/D 通道选择的指令和 清除 ADCI 的指令不能用相同的。A/D 转换器电路包括一个 8 位逐次逼近 ADC 和一个 4 输入模拟多路开关选择器。 （3）A/D 时序 A/D 时钟的提供方式有两种，一般我们只用这两种方式中默认的那一种， 即将 MCU 时钟作为 A/D 转换器的时钟源，这就是默认的时钟提供方式，也是 最常用的时钟提供方式。使用这种时钟方式要想完成 A/D 转换最长也可以在 31 个机器周期内完成，还可以使用最大 MCU 时钟频率，在这种情况下进行转换 的时间仅为 9.3s。在使用默认方式下的 MCU 时钟率时，我们可以利用公式来 计算 A/D 转换时间，该公式为：186s/MCU 时钟频率(MHz)。 如果我们想要获得精确的 A/D 转换结果，那么，我们在选择 MCU 时钟频 率时要选择频率在 1MHZ 以上的时钟频率，RC 振荡器也可以作为 A/D 转换的 时钟源，但是这样做有个前提，就是片内 RC 振荡器没有用作 MCU 时钟，它 的实现其实就是通过将 ADCON 中的 RCCLK 置位。我们通过这种设置来得到 A/D 转换时钟频率， 具有以下几个特点： 首先，这种设置下的 MCU 可以工作在 1MHz 以下