毕业设计（论文）-棉花拔杆机液压驱动装置测控系统的设计.doc

绪论棉花拔杆机液压驱动装置测控系统的设计学 生：程龙飞，电子信息学院指导教师：杨友平，电子信息学院1 绪论1.1 前言棉花拔杆液机压驱动装置测控系统的设计是通过检测驱动装置输出力的大小，来控制液压伺服阀的流量大小，并且通过流量的大小来进行计量，满足生产过程中的需求。整个过程进行智能化的处理。1.2 课题背景近年来，随着纺织工业的逐步发展和棉纺织品需求量的增加，棉花价格随之上涨，我国的棉花播种面积也将继续保持与往年持平或略有增加的趋势。以2006年为例，我国的棉花播面积为53333万hm2左右，比2005年增加了2667万hm2。棉花播种面积如此之大，也提供了大量的棉花秸秆。据统计，平均棉柴产量为3 792kghm2，虽然我国各地区棉花播种情况不同，但由此也可看出棉柴资源非常丰富。棉柴是一种重要的可再生生物质能源，通过生物质能的转化技术，将棉柴进行周化、炭化或汽化处理，可以转化成木炭、可燃气体或电力。据统计，每吨棉秆原料可产木炭300kg、木焦油24kg、木醋油220kg，每100万t棉秆，产值可达10亿元。棉柴发电燃烧后的草木灰，还可以作为高品质的钾肥还田使用。棉柴还可用于造纸、制作人造板等。目前世界范围内的产棉区对棉柴处理方式主要有两种：是田间粉碎还田，如美国棉花种植区秋季收花后将棉柴粉碎还田；二是收获，如俄罗斯、苏丹等。棉柴木质化程度高，留在地内不易腐烂，对后茬作物生长不利，且易造成病虫害的传播因此我国主张收集棉柴。由于棉柴收获程序多、劳动强度大，我国农民对棉柴收获机械化的要求十分迫切。早在20世纪60年代中期我国就开始了对棉柴收获机的研制，70年代末80年代初达到高潮，但由于种种原因，都未能定型生产和推广应用。到了20世纪90年代，棉柴收获机的研制又一次活跃起来，但由于棉柴主秆粗细不一致，枝权多，长势特殊，收获技术和收获机械仍不完善，至今人工拔棉柴仍为主要收获方式拉J。棉柴收获技术发展停滞不前，严重制约了我国棉柴资源的开发和利用。机械拔棉杆技术的推广和应用将有效地减轻棉农劳动强度，改变广大棉农种棉容易拔杆难的劳动现状。该技术的推广应用，结束了孝感地区长期无棉花拔杆机的历史，提高了劳动效率。目前，我国所研制的棉柴收获机按收获原理大致可分为：铲切式和提拔式以及将两者结合在一起的刀辊式3种形式。按照起拔部件和结构进行划分则有锄铲式、拔辊式、刀辊式、圆盘式、链夹式、齿盘式等多种形式。锄铲式采用铲切原理，利用“V”型双翼锄铲深人土壤下一定深度(100mm左右)，在动力机牵引下将棉根铲断，并使棉柴向上抬起；锄铲后牵引一耧耙，把棉柴集成堆。这种方式原理简单，机构制造和使用方便，成本低，对棉花行距适应性强；但消耗动力大，残留棉根较多且铺放不整齐。提拔式机械的工作过程为当动力机前进时，起拔机构遇到棉柴即迅速将其夹住，动力机继续前进，带动起拔机构产生向上的提拔力，把棉根从地下提拔到地面上来，部分机械设计有输送机械，可将棉柴从侧面送出，成条状斜躺在地面上。这类机械原理及结构比较复杂，制造成本高，对棉花行距要求也高，但消耗动力少，残留棉根也较少，铺放整齐。提拔式收获机械的起拔机构多采用拔辊、圆盘、链条或齿盘等。拔辊式起拔机构应用较多，其拔辊有半圆柱型、圆锥(圆台)型、圆锥圆柱复合型3种。半圆柱形拔辊每对由4个半圆柱辊组成，圆周面上设有纵横交错的沟槽，以增加摩擦减少打滑。拔辊每转1周，前半周喂入后半周起拔，特点是喂入断续起拔连续，夹持和起拔性好，但喂人性差。圆锥(圆台)型拔辊两辊水平安装，自然形成喂入角，其特点是喂人连续，但遇到秆细而直根长的棉柴时，就会出现由于起拔不充分而造成漏拔或堵塞倒伏现象。圆锥圆柱复合型拔辊吸取了前两者的优点，因而喂人性和起拔效果较好。刀辊式收获机械工作原理是铲切式和提拔式两者的结合，收获部件采用旋转刀辊，工作时随着机架前进，刀辊旋转切人棉柴根部，同时将棉根铲断，将棉柴从地下提拔起来。刀辊在整个机具宽度内都入土作业，无需考虑棉柴行距，克服了受棉柴行距及直线度限制的缺点，提高了工作效率和适应性。圆盘式收获机械采用提拔工作原理，其结构为一对在空间成一定夹角配置的圆盘，两盘在轴向横断面上形成夹持点，夹持点处有夹持间隙，当机构随着机具沿棉柴前行时，棉柴通过两盘形成的夹持点，棉秆根部被夹持住，随着盘的滚动向前，棉柴被拔起并抛向后方。链夹式起拔机械也采用提拔工作原理，靠两条以同方向运动的链条夹持棉柴并将其拔出。图2为一种浮压链夹式起拔机构。当动力机沿棉柴对行前进时，在分禾器的作用下棉柴进入两组对称的链枢的夹缝中，受到压链装置的挤压随机组前进而被拔出，并沿链条移至拨禾轮处被拨划沿挡禾板排出。该机构采用了浮压装置，内部装有弹簧，靠弹簧力的作用增强了链条中部的夹紧力，克服了传统的链夹式起拔机构存在着链条中间部位夹持不紧致使棉秆漏拔等缺陷。齿盘式起拔机构的齿盘为两个开有齿槽的圆盘。常用的齿形有锯形齿、梯形齿、矩形齿等。两齿盘并行安装，在其前方中部装有扶禾器。工作时，两齿盘反方向旋转，齿盘转动并与扶禾器挤压，通过齿盘切入棉柴根部将棉柴拔起，抛至后面通过收铺器收集成堆旧。棉柴收获机构与动力机的联结方式主要有前悬挂式和后悬挂式两种。前悬挂式工作时将悬挂架悬挂于手扶拖拉机的机头上，然后再由机架的后固定架同定于手扶拖拉机的底盘上，从而使得整机安装在拖拉机的前端。后悬挂式工作时悬挂架、拉杆与拖拉机三点悬挂装置连接，在拖拉机牵引下整机向前运动收获棉柴。相比而言，前悬挂式更便于操作者的观察和使用。第 51 页（共 51 页）方案设计2 方案设计2.1 主要研究的内容棉花拔杆机液压驱动装置测控系统的设计是通过检测驱动装置输出力的大小，来控制液压伺服阀的流量大小，并且通过流量的大小来进行计量，满足生产过程中的需求。2.2 重点研究的关键问题a)设计压力检测电路。b)设计液压伺服阀流量控制电路。c)设计流量大小检测电路。d)主控机与压力、水位和检测控制调节阀的相互调制。e）画出控制系统原理图并用软件实现流程图。2.3 解决思路在系统输出力的传动装置上使用压力传感器将压力转化为可被测量的电压模拟量，经过数模转换电路转化为数字信号送给微控制器进行处理。微处理器根据检测到的输出力大小来控制液压系统中伺服阀的开度，从而控制液压系统中液体的流量，并检其大小，将流量的大小作为计量依据，满足生产需要。机械动力器电磁离合器滚筒液压系统皮带盘由于系统输出力的检测是控制阀门开度和检测计量流量的基础，也是本设计中最重要的部分，所以本设计中主要研究系统输出力的检测并显示。设计中以ATS52单片机为核心，压力、流量等原始参数通过传感器转换为电压模拟量，使用ADC0809进行模数转换，得到的数字信号传递给ATS52单片机进行处理，并输出信号控制阀门开度。具体的系统框图如下： 图1 系统框图设计框图如下：A/D转换单片机压 力显示屏驱动驱动溢流阀伺服阀图2 设计框图软硬件的选择3 软硬件的选择3.1 压力传感器的选择随着现代测量和自动化技术的发展， 压力传感器的用量每年以20%的速度增长。目前市场上的压力传感器品种繁多， 规格及技术性能不一， 价格差别也很大。摆在使用者面前的问题是， 应选用怎样的压力传感才能满足需要？哪些指标是最重要的？应考虑哪些问题？这就涉及到传感器的选用。选用的原则便是以最经济的价格买到满足其用途、压力量程、精度要求、温度范围、电和机械要求的压力传感器，传感器装到设备上后，运行正常、稳定，测量准确。以下是选用压力传感器时必须考虑的几个重要方面。根据用途和结构不同， 压力传感器可以分为测定绝对压力、对大气的相对压力和差压。测定绝对压力时，传感器内自身带有真空参考压，所测压力与大气压力无关，是相对于真空的压力，对大气的相对压力是以大气力为参考压，因此传感器弹性膜一侧始终与大气是连通的。由于大气压力与离地面的高度、四季中大气中水汽含量的变化以及不同地点和组成大气的各种气体的含量的变化有关。因此，所测得的相对压力便与上述因素有关。此外，还可从传感器弹性膜两侧分别导人流体压力，这样能测定流体不同地点或流体间的差压。针对不同用途应选用不同结构的压力传感器。压力量程范围方面，压力传感器的压力适用范围是分级的。这是因为压力传感器的弹性膜承受流体压力有一个限度。这就是通常所说的耐压极限，超过此极限弹性膜便破裂了。一般来说， 每一传感器都有20-300%的过压能力。因此，产品说明书上的压力最大量程为耐压极限的30-80%。选用过高的压力量程是不必要的。压力量程的选用应主要考虑三个方面的因素：即传感器的最大过压能力、精度与压力量程的关系和传感器的价格与压力量程的关系。对于传感器的最大过压能力，传感器承受静压力与动压力情况下是有很大区别的。后者往往会出现冲击压力，甚至冲击波。冲击压力远高于静压力。如果选用的最大工作压力量程是指静压力的话，传感器在承受动压力时， 应选用较大的过压能力。否则冲击压力很容易达到极限耐压，使压力传感器受到破坏。对于精度与压力量程的关系，压力传感器的热零点漂移和热灵敏度漂移系数及非线性误差是影响传感器精度的重要指标。对同一压力传感器来说，热零点漂移系数随工作压力增加而减小，而热灵敏度系数和非线性误差随工作压力增加而增加。因此，工作压力增加有利于减小热零点漂移，而不利于热灵敏度漂移和非线性误差。热零点漂移比较大时，提高敏度漂移和非线性误差，热零点漂移比较大时，提高工作压力量程有利于提高压力传感器的精度。热零点漂移比较小时，减小工作压力量程有利于提高精度。对不同压力量程的传感器来说，灵敏度是不同的。低压力量程传感器的灵敏度高分辨率自然也高。对于传感器的价格与压力量程的关系，一般来说，0.3-1MPa的压力传感器的价格较便宜，0.1Mpa以下或以上的压力传感器价格比较贵。测定2-3kPa压力时可选购10-50kPa的压力传感器。特别是使用者自己设计和选用补偿电路时，能使精度进一步提高。这样可以使成本大幅度降低。一般而言，质量好的压力传感器，满量程输出都可以达到100mV/10V。如果只用一半的压力量程，则对应的输出便只有50mV/10V。因此最大工作量程应尽可能接近产品说明书上所标明的该压力传感器的量程级。精度方面，压力传感器可用作压力计量元件或作敏感元件进而进行自动控制。特别对前一用途，对它提出比较高的精度要求。由于用半导体芯片制成的压力传感器的精度受温度的影响， 因此应注意传感器的使用温度范围。静态精度是指某一特定温度（室温 25）下应达到的精度。可以分为四档：0.01-0.1%FS为超高精度：0.1-1%FS为高精度：1-2%FS为普通精度：2-10%FS为低精度。全温度范围精度是指压力传感器在整个使用温度范围内都应达到的精度 同样可以分四档：0.01-1%FS，0.1-1%FS，1-2%FS，2-10%FS。静态精度达到0.1-1%FS，也许全温度范围精度只够1-2%FS，甚至只够2-10%FS。对使用者来说，往往希望压力传感器的精度越高越好 但是压力传感器达到高精度时，必然在制作过程中增添了许多附加工艺以及校淮过程和补偿技术，相应成本提高了，当然其售价也随之大幅度增加。因此应根据压力传感器实际应用场合和要求，提出合理的精度要求及相应的温度范围。电学要求方面，一般普通压力传感器的输出为模拟信号，近距离满量程输出电压可达100-150mV，输出电流为0-0.01mA。远距离输出信号电压便会衰减，应采用电流信号输出。经压力变送器将电流放大后可以输出20mA以下的电流信号。这样，价格就成倍增加。另外，只有经过A/D和V/F变换后才能得到数字信号和频率信号。恒流源和恒压源都是通常传感器采用的两种激励源。两种激励方法是有区别的，其作用不同。恒流源激励有利于热灵敏度漂移的补偿作用。因为桥臂电阻器的温度系数为正，而灵敏度温度系数为负，恒流源激励时的输出信号电压的温度系数是两者的代数和。而恒压激励不能直接提供灵敏度温度补偿效果。但用恒压源激励时可在桥外串接热敏电阻或二极管以补偿热灵敏度漂移。用恒流源激励时，这种灵敏度补偿方法便不起作用。可见，恒压源激励和恒流源激励相互之间不能随意互换。一般精度测量时用恒流源激励。恒压源激励时，测量的精度取决于恒压源稳压器件的精度。另外，又可将压力传感器的激励电源分为正比激励和固定激励。前者是将压力传器电桥直接接到电源上，当电源改变时，压力传感器的灵敏度和零点都随之发生变化。后者内部有一个参照电压，压力传感器电桥由参照电压供电激励。参考电压是恒定的，与电源电压无关。只要电源电压在一指定电压范围内变化，参照电压不变。因而传感器的输出不变，不受电源电压的影响。压力传感器可以用电池供电，但更普遍的是采用直流稳压电源技术。电池供电时噪声小， 但随电池使用，供电电压逐渐降低，特别是当传感器用正比激励时，灵敏度便逐渐减小。这就会造成读数不准。因此要采用补偿办法 （例如压力传感器和A/D变换器共用一个电池供电）,或者使用低功耗、小电流的压力传感器，长寿命电池，或者测量压力时接上电源，测量完毕后， 将电池关闭节省电能.换上新电池后,压力传感器需要重新校准标定.这是因为不同牌号的电池其电动势、内阻都存在一定的差异.压力传感器的电桥激励电压的变化会造成灵敏度的改变。作业方式也是需要考虑的重要问题。例如传感器用于气体压力的测量与液体压力的测量时情况便不同。气体是可压缩流体，增夺时会贮存一定的压缩能，减压时又以动能释放出来， 给传感器弹性膜施加冲击波。要求压力传感器有较大的过载能力。液体是不可压缩流体，在压力传感器安装时，拧紧螺拴又无可压缩空间则可使液体压力升高超过弹性膜的耐压极限，导致弹性膜破裂。由于这种情况屡屡发生，也要求压力传感器有较大的过压能力。压力传感器的工作环境恶劣时，例如有大的振动、冲击，大的电磁干扰，对传感器提出更为严格的要求。不仅过压能力强，而且要求机械密封可靠，防松动，传感器安装正确。传感器自身的引线、引脚以及外导线都应加以电磁屏蔽，并将屏蔽良好接地。此外，应考虑压力传感器与所测流体介质的相容性问题。例如传感器的弹性膜结构应与腐蚀性介质相隔开，此时采有不锈钢波纹套传感器，传感器内用硅油作传压介质。传感器检测易燃、易爆介质压力时，使用小激励电流，防止弹性膜破裂时产生火花、火星，并增加压力传感器外套的耐压能力。对温度的要求方面，用半导体芯片制备的压力传感器的特点是受温度的影响大，不仅存在热零点漂移还存在热灵敏度漂移。温度明显影响压力传感器的精度。为了消除温度的影响， 就需应用各种温度补偿技术。温度范围越宽，补偿技术难度越大，且校准工作量越大，所能保证的全温度范围的精度便越低。为此应根据压力传感器所应用的实际温度范围和精度要求提出合理的要求。一般将压力传感器的使用温度范围分为四类：普通商业级，范围为-10-60；工业级，范围为-25-80；军事级，范围为-55-125；特殊级，范围为-60-350。压力传感器在室内应用时，可选择商业级；有室外应用时可选择工业级$也可以采取措施使传感器与环境热隔离或进行加热或冷却，选择普通商业级用在-10以下或 60以上的环境中。选择什么温度范围还应考虑传感器的电子学温度特性和机械温度特性。对压力密封的要求方面，通常用的压力密封是橡胶垫（或称O型环）、环氧树脂、聚四氟乙烯垫、锥孔配合、管螺纹配合及焊接等方式。所用的密封材料决定了压力传感器的工作温度范围。广义的讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的种类繁多的传感器，都可称为压力传感器。它们在工业、军事和民用等各方面得到一定的应用。压电式压力传感器可用来测量压力范围为104-106Pa、频率为Hz至几十Hz（甚至上百千Hz）的动态压力，在内燃机的气缸、油管、 进排气管的压力测量、枪炮的膛压、生物医学及航空航天等领域都得到广泛的应用。它们的弹性元件是由膜片、膜盒等把压力收集起来，转换成集中力，再传递给压电元件。为了保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶片并联组合方式。压力传感器在应用中应注意以下几点：（1）确保弹性膜片与后传力件有良好的面接触，用以实现减小滞后与线性误差，提高静、动态特性；（2）传感器的基体和壳体要有足够刚度，保证被测压力能够尽可能地传递到压电元件上；（3）压电弹性元件的选择要考虑到频率覆盖：弯曲（0.4-100kHz）， 压缩（40kHz），剪切（100kHz-125kHz）；（4）涉及传力的元件要采用高声速材料和扇薄结构，以利于快速、无损失的传递弹性元件的弹性波，提高动态特性；（5）要考虑加速度、温度等环境干扰的补偿。本设计中选用了东莞市华兰海电子有限公司的PT517中温型压力变送器,该产品属于高精度压力变送器，广泛用于工业设备、水利、液压、气动控制系统、电力、空调、环保、空压机、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇自控与恒压供水等压力测量与控制，满足本设计的要求。PT517中温型压力变送器如图3：图3 中温型压力变送器PT517其技术参数如表1：表1 PT517中温型压力变送器技术参数压力范围：0-6MPa0-100MPa综合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.3%FS、0.5%FS、1.0%FS输出信号：420mA、05V、15V、010V工作温度：-1080-150供电电压：936V, 1536V防护等级：IP6567螺纹连接：M201.5 或 根据客户要求定制安全过载：120%极限过载：150%选用量程0-6Mpa，输出信号05V，工作电压9V，其他参数按实际要求定制。其05V的输出信号可以直接通过ADC0809芯片进行采集。3.2 微处理器芯片的选择3.2.1 微处理器芯片介绍微处理器芯片的选择是液压系统状态监测方案的一个重要环节，它直接影响到监测系统的性能、成本及开发难度。目前能够满足本监测系统使用要求且应用广泛的处理器芯片主要有下面几种：单片机(MCU)：单片机易于实现数字监测和控制，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、IO口的逻辑操作以及位处理功能；具有低功耗、低电压特点，便于生产便携式产品；外部总线增加了12C、SPI等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。尤其是新型的8位、16位单片机有优异的性能价格比，集成度高、体积小、内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。单片机的系统扩展、系统配置较典型规范，容易构成各种规模的应用系统。数字信号处理器(DSP)：DSP比单片机的推出时间稍晚，而复杂度、运算处理能力要比单片机高出许多。以简单的性能指标MIPS为例，单片机为110MIPS，DSP为30200MIPS。DSP片内有多总线，片外的地址、数据总线分开，还有比异步串口速度高许多的同步串行和通信口，因此，数据输入输出能力很强。DSP数据位宽、乘法器、加法器位宽也比单片机大，进行数字信号处理时速度要高于单片机。两者软件设计比较类似，但在成本上，DSP价格比单片机要高出十倍或数十倍以上。ARM微处理器：32位RISC微处理器ARM具有体积小、功耗低、性能高等优点，但ARM在开发过程中需要经过操作系统移植才能进入应用设计阶段，该移植过程需要运用大量的专业知识储备并花费大量的设计时间。另外，ARM微处理器的许多资源和功能在设计中大量闲置。与单片机相比较，ARM设计复杂且价格昂贵不适合作为系统的核心。通过以上比较和分析，考虑到液压状态监测系统的实际情况，选择价格低廉、功能丰富、应用范围广泛的单片机作为系统的核心芯片。3.2.2 单片机芯片的选择从发展情况看，单片机大致可以分为通用型专用型，总线型月E总线型，工控型家电型。总的来说，单片机芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的单片机由于应用场合、应用目的等不尽相同，对单片机芯片的选择也是不同的。下面分别对C51系列，PIC系列和AVR系列单片机性能进行比较。51系列：该系列有一套完整的按位操作系统，又称作位处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不仅能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能对位进行逻辑运算。51系列的IO口的设置和使用非常简单，引脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平(复位时，各IO口均置高电平)，作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。IO口低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；为高电平时，输出电流仅数十u A甚至更小，基本上没有驱动能力。51系列单片机的典型产品是Intel公司8051，片内有4K字节的次性程序存储器。Atmel公司就将其改为电可改写的闪速存储器(Flash)，容许擦写1000次以上，这给编程和调试带来极大的便利；ISP功能能够实现在系统可编程，单片机可以在用户板上直接下载和烧录用户程序，而无需将单片机从生产好的产品上取下，加快了产品的开发速度。PIC系列：该系列单片机是美国微芯公司(Microchip)的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令(视单片机的级别而定)，属精简指令集。而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指令，都比前者复杂。采用Harvard双总线结构，运行速度快(指令周期约160-200ns)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成执行指令和从程序存储器读取下一条指令的任务。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。PIC系列单片机共分三个级别，即基本级、中级、高级。其中又以中级的PICl6F873(A)、PICl6F877(A)用的最多。PIC系列单片机具有在线调试及编程(ISP)功能。PIC单片机通过工作寄存器W(相当于51系列的累加器A)来进行数据传送，而51系列的还可以通过寄存器相互之间直接传送(如：MOV 30H，20H；将寄存器20H的内容直接传送至寄存器30H中)，因而PIC单片机的瓶颈现象比51系列还要严重，这在编程中很有感受。AVR系列：该单片机是Atrnel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用48MHz，故最短指令执行时间为250125ns。AVR的通用寄存器一共32个(R0R31)，前16个寄存器(R0R15)都不能直接与立即数打交道，因而通用性有所下降。而在51系列中，它所有的通用寄存器(地址007FH)均可以直接与立即数打交道，显然要优于前者。AVR系列没有类似累加器A的结构，它主要是通过16R31寄存器来实现A的功能。在AVR中，没有像51系列的数据指针DPTR，而是由X、Y、Z三个16位的寄存器来完成数据指针的功能(相当于有三组DPTR)，而且能作后增量或先减量等的运行。AVR的专用寄存器集中在00-3F地址区间，无需像PIC那样得先进行选存储体的过程，使用起来比PIC方便。它们占用的是数据空间的地址，这些片内RAM仅仅是用来存储数据的，通常不具备通用寄存器的功能。当程序复杂时，通用寄存器R0-R31就显得不够用；而51系列的通用寄存器多达128个(为AVR的4倍)，编程时就不会有这种感觉。综上所述，考虑到监测对象中含有电压信号，因而单片机应具有一定规格的运算速度、较丰富的中断功能、方便的通讯功能、易于编程和擦写，在此基础上考虑最优的价格，最终选用Atmel公司的AT89S52作为本系统的微控制器。AT89S系列是AT89系列中推出的高档型系列，AT89S52是本系列的增强型，几乎包含了整个S系列的硬件结构。AT89S52是一种低功耗高性能的CMOS 8位微处理器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适用于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52的主要功能如下：8位字长CPU；振荡器和时钟电路，全静态操作；8KB系统内可编程Flash存储器；256B内部RAM；4个IO端口共32线；3个16位定时计数器；全双工(UART)串行口通道；ISP端口；定时监视器(看门狗)；双数据指针(DPTR)；20多个特殊功能寄存器；电源下降标志。3.3 数模转换芯片的选择3.3.1 数模转换芯片概述A/D转换器的种类很多，就位数来说，可以分为8位、10位、12位和16位等。位数越高其分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转换器型号很多，而其转换时间和转换误差也各不相同。(1)逐渐逼近式A/D转换器：它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。(2)双积分A/D转换器：它是一种间接式的A/D转换器，优点是抗干扰能力强，精度比较高，缺点是数度很慢，适用于对转换数度要求不高的系统。(3)并行式A/D转换器：它又被称为flash（快速）型，它的转换数度很高，但她采用了很多个比较器，而n位的转换就需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也很贵，只适用于视频A/D转换器等数度特别高的领域。目前常用的A/D芯片有AD0809，AD0832，TLC2543C等几种。下面简单介绍一下这三种芯片。AD0809是8位逐次逼近型A/D转换器，它是由一个8路的模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。些A/D转换器是的特点是8位精度，属于并行口，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。AD0832也是8位逐次逼近型A/D转换器，可支持致命伤个单端输入通道和一个差分输入通道。它易于和微处理器接口或独立使用；可满量程工作；可用地址逻辑多路器选通各输入通道。TLC2543C是12位开关电容逐次逼近A/D转换，每个器件有三个控制输入端，片选，输入/输出时钟以及地址输入端。它可以从主机高速传输转换数据。它有高速的转换，通用的控制能力，具有简化比率转换，刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离，耐高温等特点。本设计中需要测量压力，流量等多路参数，以上几种方案中，在价格、转换速度等多种标准考量下，在本设计选用的是逐渐逼近式A/D转换器ADC0809，能满足工作要求，且可测量8路参数，利于以后的扩展。3.3.2 ADC0809芯片介绍ADC0809是八通道的八位逐次逼近式A/D转换器。由单一的5V电源供电，片内带有锁存功能的8选1的模拟开关。由C、B、A的编码来决定所选的模拟通道。转换时间为100us。转换误差为1/2LSB。ADC0809的内部逻辑结构图如图4所示。图4 ADC0809内部逻辑结构图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表2为通道选择表。 表2 通道选择表ADC0809信号引脚介绍：ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图5。图5 ADC0809芯片引脚图对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST.A、B、C地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDAADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表2。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高 OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc +5V电源。 Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).3.3.3 ADC0809时序图及其接口电路ADC0809的时序图如图6所示： 图6 ADC0809的时序图其工作过程是：ALE的上升沿将A、B、C端选择的通道地址锁存到8位A/D转换器的输入端。START的下降验启动8位A/D转换器进行转换。A/D转换开始使EOC端输出低电平。A/D转换结束，EOC输出高电平。该信号通常可作为中断申请信号。OE为读出数据允许信号。OE端为高电平时，可以读出转换的数字量。硬件电路设计时，需根据时序关系及软件进行设计。ADC0809与MCS-51单片机的连接如图7所示。电路连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。图7 ADC0809与MCS-51的连接如图8所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H0FEFFH.此外，通道地址选择以作写选通信号，这一部分电路连接如图8所示。 图8 ADC0809的部分信号连接图9 信号的时间配合从图中可以看到，把ALE信号与START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。启动A/D转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动A/D转换：MOV DPTR , #FE00H ；送入0809的口地址MOVX DPTR , A ；启动A/D转换（IN0）注意：此处的A与A/D转换无关，可为任意值。3.3.4 转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。所用的指令为MOVX 读指令，仍以图5所示为例，则有MOV DPTR , #FE00HMOVX A , DPTR该指令在送出有效口地址的同时，发出有效信号，使0809的输出允许信号OE有效，从而打开三态门输出，是转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。这里需要说明的示，ADC0809的三个地址端A、B、C即可如前所述与地址线相连，也可与数据线相连，例如与D0D2相连。这是启动A/D转换的指令与上述类似，只不过A的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号IN0IN7相一致。例如当A、B、C分别与D0、D1、D2相连时，启动IN7的A/D转换指令如下： MOV DPTR， #FE00H；送入0809的口地址MOV A ，#07H ；D2D1D0=111选择IN7通道MOVX DPTR， A ；启动A/D转换3.4 显示器件的介绍和选择3.4.1常用显示器件简介本次设计中有显示模块，而常用的显示器件比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。数码管是最常用的一种显示器件，它是由几个发光二极管组成的8字段显示器件，其特点是价格非常的便宜，使用也非常的方便，显示效果非常的清楚。小电流下可以驱动每光，发光响应时间极短，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长。但数码管只能是显示09的数据。不能够显示字符。这也是数码管的不足之处。LED点阵显示器件是由好多个发光二极管组成的。具有高亮度，功耗低，视角大，寿命长，耐湿，冷，热等特点，LED点阵显示器件可以显示数字，英文字符，中文字符等。但用LED点阵显示的软件程序设计比较麻烦。1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。12864液晶也是一种工业字符型液晶，它不仅能够显示1602液晶所可以显示的字符，数字等信息，而且还可以显示8*4个中文汉字和一些简单的图片，显示信息也非常的清楚。使用时也直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。不过它的价格比1602液晶贵了很多。在本设计中，我们只需要显示最后电压的数字值和电压的单位，综合上面各种显示器件的特点：数码管只能显示数字，不能显示单位字符，不符合本设计的要求。而点阵显示器件驱动显示软件程序编写麻烦，占用的引脚相对也较多。也不是理解的显示器件。所以在本设计中，我们考虑用液晶显示器件，虽然12864液晶比1602液晶的功能强，不过在价格方面却贵了好多。而1602液晶也足够满足本设计的需要。因此，在本设计实验我们选择1602液晶显示器件。3.4.2 1602液晶显示器的参数资料1接口信号说明：表3 1602液晶显示器接口信号编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端5R/W读/写选择端6E使能信号8-14D0-D7Data I/O15BLA背光源正极16BLK背光源负极2基本操作时序：1) 读状态：输入：RS=0，RW=1，E=1。输出：D0-D7为状态字2) 写状态：输入：RS=0，RW=0，D0-D7为指令码，E为高脉冲。输出：无3) 读数据：输入：RS=1，RW=1，E=1。输出：D0-D7为数据。4) 写数据：输入：RS=1，RW=0，D0-D7为数据，E为高脉冲。输出：无3状态字说明表4 1602液晶显示器状态字STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0STA0-6当前数据地址指针的数值STA7读写操作使能1：禁止 0：允许4指令的说明。 显示模式设置 表5 1602液晶显示器显示模式设置 指令码 功能00111000设置16*2显示，5*7点阵，8位数据口显示开/关及光标设置表6 1602液晶显示器显示显示开/关及光标设置 指令码 功能00001DCBD=1开显示；D=0关显示C=1显示光标；C=0不显示关标B=1光标闪烁；B=0光标不显闪烁000001NSN=1当读写一个字条款后地址指针加一，且光标加一。N=0当读或写一个字符后地址指针减一，且光标减一。S=1当写一个安条款，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光标不移动而屏幕移动的效果。S=0当写一个字符，整屏显示不移动。数据控制：表7 1602液晶显示器数据控制 指令码 功能80H+地址码（0-27H，40H-67H）设置数据地址指针01H显示清屏：1，数据指针清0 2，所有显示清002H显示回车：数据指针清03.5 软件环境本设计以C语言作为开发语言，利用Proteus软件做电路仿真，利用keil软件做程序设计，结合两个软件运行。下面分别对其进行介绍：3.5.1 Keil软件简介Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也很实用。 Keil c51 uVision 集成开发环境内以多种复合当前同业标准的开发工具，可以完成从工程建立、管理、编译、连接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程。尤其c编译工具在产生代码的准区域性和洗脑率性达到了较高的水平，而可以附加灵活的控制选项。KeilC51集成开发环境的主要环境的主要功能是以下几点：uVision 如 Windows： 是一个集成开发环境，它将项目管理，源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中。C51 国际标准有话C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的目标模板。A51 宏汇编器：从80C51汇编源代码产生可重定位的目标模板。BL51连接/定位器：组合由C51和A51产生的可重定位目标模板，生成结对目标模板。LIB51库管理器：从目标模板生成连接器可以使用的库文件。OH51 目标文件至HEX格式的转换器：从绝对目标模块生成IntelHEX文件。RTX51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。这个工具套件足为专业软件开发人员设计的，但任何层次的变成人员都可以使用，并获得80C51微控制器的部分应用。 3.5.2 Proteus软件简介 Proteus 软件是来自英国 Labcenter electronics 公司的 EDA 工具软件，Proteus 软件有近 20年的历史，在全球广泛使用。它除了具有和其它 EDA 工具一样的原理布图、PCB 自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是交互的，可视化的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，可以测量仿真的波形及记录仿真数据。在不需要硬件设备投入的情况下，Proteus 软件可以建立完整的电子学习设计开发环境，缩短研发周期，并且降低开发成本。 Proteus 组合了高级原理布图、混合模式 SPICE 仿真,PCB 设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于多年来的持续开发,被电子世界在其对 PCB 设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的 VSM 技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232 终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。 该软件的特点： 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS一232动态仿真、1 C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。 支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大 ，可仿真51、AVR、PIC。3.5.3 Keil和Protreus使用方法 在Keil中首先在pr