（电气工程专业论文）多路巡检控制仪的研制.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 随着单片机技术不断提高，仪表行业正在迅速发展，由功能单一和功能固定不 变的结构形式，转向多功能化、智能化、数字化、网络化的结构形式。由此而设计 的仪表功能强大、硬件结构简单、抗干扰能力强、操作方便具有很强的竞争力。 本文介绍的是多路巡检控制仪的研制方法。多路巡检控制仪是以单片机 p i c l 6 f 8 7 7 为核心、信号转换处理接口、l e d 显示接口、按键输入接口、继电器输 出控制接口、模拟量输出接口等组成。其实现了多种输入信号转换处理功能；自动 测量和手动测量转换功能：自动测试和手动测试状态指示功能；超限( 上限或下限) 报警指示功能：超限报警控制功能；参数设定输入功能；模拟量输出功能。 多路巡检控制仪设计的特点如下： 硬件功能软件化 软件设计模块化 参数设定与修改实时化和简单化 硬件平台通用化 在多路巡检控制仪设计中解决的关键技术如下： 多种输入信号转换处理电路的硬件设计和软件设计。硬件设计保证了不同信号 的通用性；软件设计保证了不同信号放大倍数的设定。 抗干扰设计：电源设计解决电网干扰：看门狗电路设计解决程序跑飞与死机； 软件滤波解决测量信号的稳定性。 通讯设计：通讯协议设计保证了单片机与p c 机之间的无误码传输；通讯设计 使仪表的参数设定和修改更加简单。 测量精度的保证：硬件设计保证了输入电路测量精度；软件设计保证了a d 转 换电路测量精度。 关键词：单片机电路设计程序设计 通讯 沈阳工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fm u l t i c h a n n e l p a t r o l i n s p e c t i o na n d c o n t r o li n s t r u m e n t a b s t r a c t d u et ot h e s i n g l e c h i pc o m p u t e rt e c h n o l o g yd e v e l o p i n gr a p i d l y , t h ei n s t n m a e n t i n d u s t r yi sp r o g r e s s i n gi ns a m es p e e d t h es t r u c t u r eo fi n s t r u m e n ti sc h a n g i n gf r o mt h e s t r u c t u r eo fs i n g l ea n di n f l e x i b l ef u n c t i o nt o m u l t i p l e ，f l e x i b l e ，i n t e l l i g e n t ，d i g i t a la n d n e t w o r k e df u n c t i o n s s ot h ei n s t r u m e n td e s i g n e dw i t hm o d e m t e c h n o l o g yh a v em o r e f u n c t i o n s ，s i m p l e rh a r d w a r e ，s t r o n g e ra n t i i n t e r f e r e n c ea n de a s i e ro p e r a t i o n a n dt h e y h a v e v e r ys t r o n gc o m p e t i n g f o rm a r k e t t h er e s e a r c hm e t h o df o ram u l t i c h a n n e lp a t r o li n s p e c t i o na n d c o n t r o li n s t r u m e n ti s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ei n s t r u m e n ti sc o m p o s e d o f p i c l 6 f 8 7 7 ，w h i c hi ss i n g l e c h i p c o m p u t e r a sah a r d c o r eo f t h ei n s t r u m e n t ，s i g n a lc o n v e r s i o n p a r t ，l e dd i s p l a y , k e y b o a r d ， r e l a yo u t p u tc o n t r o lp a r ta n da n a l o go u t p u tp a r te t c t h ei n s t r u m e n th a st h et r a n s f o r m i n g a n d h a n d l i n g f u n c t i o nf o r v a r i e t yi n p u ts i g n a l s ，a u t o a n dm a n u a lm e a s u r e m e n t c o n v e r s i o na n dd i s p l a yf u n c t i o n ，e x c e e dl i m i t ( u p p e rl i m i ta n dl o w e rl i m i oa l a r m i n g i n d i c a t i o nf u n c t i o n ，e x c e e dl i m i ta l a r m i n gc o n t r o lf u n c t i o na n d a n a l o go u t p u tf u n c t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i c h a n n e l p a t r o li n s p e c t i o na n dc o n t r o li n s t r u m e n ta r e s h o w na sf o l l o w s ： p a r th a r d w a r ef u n c t i o n sa r er e a l i z e d b ys o f t w a r e t h e d e s i g no fs o f t w a r ei sm o d u l a r i z e d p a r a m e t e r ss e t u pa n dm o d i f i c a t i o ni ss i m p l i f i e da n dr e a l - t i m e t h eh a r d w a r e p l a t f o r mi su n i v e r s a l t h ek e yt e c h n o l o g ys o l v e di nt h ed e s i g no fm u l t i c h a n n e l p a t r o li n s p e c t i o na n d c o n t r o li n s t r u m e n ti ss h o w nb e l o w ： t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nf o rv a r i o u s i n p u ts i g n a l sc o n v e r s i o n a n d p r o c e s s t h eh a r d w a r em a k e ss u r et h ec i r c u i ti su n i v e r s a lf o rd i f f e r e n ts i g n a l s t h es o f t w a r e e n s u r e st os e t u pa p r o p e ra m p l i f y i n g f o rd i f f e r e n t s i g n a l s i i 沈阳工业大学硕士学位论文 a n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g n ：t h ep o w e r d e s i g nr e m o v e st h ei n t e r f e r e n c ef r o mp o w e r s u p p l y t h ew a t c h i n g d o gs o l v e st h ep r o g r a mt h a tp r o g r a m r u na w a y t h es o f t w a r ef i l t e i m p r o v e t h er e l i a b i l i t yo f s i g n a lm e a s u r e m e n t c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ：c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ld e s i g ne n s u r e sf r e eo fe r r o r c o d et r a n s m i t i o nb e t w e e ns i n g l e - c h i pc o m p u t e ra n dp c c o m m u n i c a t i o nu s e i n gm a k e s t h ei n s t n m a e n t p a r a m e t e r ss e t u pa n d m o d i f i e d b e s i m p l i f i e r e n s u r em e a s u r e m e n ta c c u r a c y ：t h eh a r d w a r ed e s i g nm a k e ss u r et h em e a s u r e m e n t a c c u r a c yo f i n p u ts i g n a l t h es o f t w a r ed e s i g n e n s u r e st h ea dc o n v e r s i o na c c u r a c y k e y w o r d s ： s i n g l e - c h i pc o m p u t e r c i r c u i td e s i g n p r o g r a md e s i g n e o m m u n i c a t i o n i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：匡五 日期： 关于论文使用授权的说明 锄0 3 苦2 3 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：逗丕 导师签名：日期：z 哆! 墨： ! 沈阳工业大学硕士学位论文 插图或附表清单 硬件电路组成框图( 图3 1 ) 子程序组成框图( 图3 2 ) 系统主程序设计流程图( 图3 3 ) c p u 的i 0 口的逻辑功能分布设计图( 图4 1 ) 输入电路设计图( 图4 2 ) 放大倍数的软件设计流程图( 图4 3 ) 参数设定输入电路设计图( 图4 4 ) 参数设定程序设计流程图( 图4 5 、4 6 ) 显示模块电路设计图( 图4 7 ，图4 8 ) 显示模块的软件设计流程图( 图4 9 ) 报警控制的电路设计图( 图4 1 0 ) 报警控制的软件设计流程图( 图4 1 1 ) d a 模块的电路设计图( 图4 1 2 ) d a 模块的软件设计流程图( 图4 1 3 ) p i c l 6 f 8 7 7 片内a d 转换模块的内部结构图( 图4 1 4 ) p i c l 6 f 8 7 7 片内a d 转换模块的输入电路图( 图4 1 5 ) p i c l 6 f 8 7 7 片内a d 转换模块的工作流程图( 图4 1 6 ) p i c l 6 f 8 7 7 片内a d 转换的传递函数图( 图4 1 7 ) a d 电路的硬件设计图( 图4 1 8 ) a d 模块的软件设计流程图( 图4 t 9 ) 上位机软件主界面设计图( 图2 0 、图2 1 ) r s 一2 3 2 通讯模块的电路设计图( 图4 2 2 ，图4 2 3 ) r s - 2 3 2 通讯模块的软件设计流程图( 图4 2 4 、图4 2 5 ) 开关电源模块的电路设计图( 图4 2 6 ) 各种信号放大倍数设置表( 表4 1 ) p l o p l l p 1 2 只。 p ld p 1 6 p 1 8 r ， p 扛 p z b p 2 7 p 3 2 p 3 2 p 。 p 耵 p r 。 r o p d l p p 5 p 幅 r 6r 7 p 8 p h 2 0 0 0 6 ， 8 9 m n 地 他 m 垢 拍 掩 均 加 n 船 船 弘 弱 沈阳工业大学硕士学位论文 2 6 控制发光二极管工作的代码表( 表4 2 ) 2 7c 5 0 信号的公式计算依据( 表6 1 ) 2 8p t l 0 0 信号的公式计算依据( 表6 2 ) p p 州 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 近年来，我们引进了大批的国际上高水平的仪器仪表，不仅对国内测量仪器的 设计研制、元器件、生产工艺带来了强烈的冲击，更是对我国仪器仪表的设计理论 和制造方法的巨大震动。仪表行业发展非常迅速，具备一定实力的大公司都开发具 有自主版权的专用芯片，由此而设计的仪表功能强大、结构简单、抗干扰能力强、 操作方便具有很强的竞争力，在我所配套仪表中每年对“多路巡检控制仪”都有一 定的需求量，基于这种需求决定开发“多路巡检控制仪”产品。 在研制设计中以多功能化、智能化、数字化、网络化为主导思想。在完成基本 功能前提下，使仪表的设计具有功能强大、硬件结构简单、抗干扰能力强、操作方 便等特点。软件设计具有硬件功能软件化、软件设计模块化、参数设定与修改实时 化和简单化、硬件平台通用化等特点。 多路巡检控制仪研制是以单片机p i c l 6 f 8 7 7 为核心、信号转换处理接口、l e d 显示接口、按键输入接口、继电器输出控制接口、模拟量输出接口等组成。其实现 了多种输入信号转换处理功能；自动测量和手动测量转换功能；自动测试和手动测 试状态指示功能；超限( 上限或下限) 报警指示功能：超限报警控制功能：参数设 定输入功能；模拟量输出功能。 在多路巡检控制仪设计中要解决的关键技术有： 多种输入信号转换处理电路的硬件设计和软件设计。硬件设计保证了不同 信号的通用性；软件设计保证了不同信号放大倍数的设定。 抗干扰设计 电源设计解决电网干扰；看门狗电路设计解决程序跑飞与死机；软件滤波 解决测量信号的稳定性。 通讯设计 通讯协议设计保证了单片机与p c 机之间的无误码传输。 通讯设计使仪表的参数设定和修改更加简单。 测量精度的保证 硬件设计保证了输入电路测量精度；软件设计保证了a d 转换电路测量精 度。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 仪表的发展 1 国内外发展现状及方向 国外的仪器仪表制造厂家，其产品系列化工作做得很好。几乎每一种类型产品， 都先后推出系列产品。有简单到复杂的功能型系列：有低到高的量程范围型系列； 有仪表附件及接口等不同的附件系列等。这样会给用户带来巨大的吸引力，而带来 的效益也十分可观。 先进的智能式仪器仪表，其通用性都很强。这突出反映在绝大多数产品都有通 用接口系统，可以很方便地将仪表互联并与计算机组建成自动测试系统，这样就使 得仪器仪表的用途和使用范围大大地扩展了。 仪表系统的发展方向是数字化、智能化、网络化，完成自动化仪表从模拟技术 向数字技术的转变。现代仪器仪表不再是功能单一的和固定的不可变结构，而是越 来越表现出柔性化和智能化，适应性越来越强，功能越来越丰富。相应地，仪器仪 表的设计需要更宽的知识面，因而也更富于挑战性。 当今仪器仪表的特点。”。”： 特点1 ：硬件功能软件化 随着微电子技术的发展，微处理器的速度越来越快，价格越来越低，已被广泛 应用于仪器仪表中，使得一些实时性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以通过 软件来实现。甚至许多原来用硬件电路难以解诀或根本无法解决的问题，也可以采 用软件技术很好地加以解决。数字信号处理技术的发展和高速数字信号处理器的广 泛采用，极大地增强了仪器的信号处理能力。数字滤波、f f t 、相关、卷积等是信 号处理的常用方法。 特点2 ：集成化、模块化 大规模集成电路l s i 技术发展到今天，集成电路的密度越来越高，体积越来越 小，内部结构越来越复杂，功能也越来越强大，从而大大提高了每个模块进而整个 仪器系统的集成度。模块化功能硬件是现代仪器仪表的一个强有力的支持，它使得 沈阳工业人学硕十学位论文 仪器更加灵活，仪器的硬件组成更加简洁，比如在需要增加某种测试功能时，只需 增加少量的模块化功能硬件，再调用相应的软件来使用此硬件即可。 特点3 ：参数整定与修改实时化 随着各种现场可编程器件和在线编程技术的发展，仪器仪表的参数甚至结构不 必在设计时就确定，而是可以在仪器使用的现场实时置入和动态修改。 特点4 ：硬件平台通用化 现代仪器仪表强调软件的作用，选配一个或几个带共性的基本仪器硬件来组成 一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系统。一 台仪器大致可分解为三个部分：1 ) 数据的采集；2 ) 数据的分析与处理；3 ) 存储、显 示或输出。传统的仪器是由厂家将上述三类功能部件根据仪器功能按固定的方式组 建，一般一种仪器只有一种或数种功能。而现代仪器则是将具有上述一种或多种功 能的通用硬件模块组合起来，通过编制不同的软件来构成任何一种仪器。 1 2 单片机的发展 单片机就是把中央处理器c p u 、随机存取存储器r a m 、只读存储器r o m 、输入 端口、输出端口等功能部件都集成在一块集成电路芯片上，使其具有性能高、速度 快、体积小、价格低、等优点。由4 位单片机到8 位单片机和1 6 位单片机的发展， 使单片机的功能由简单到强大，使单片机的广泛应用得到了保障。如在电信领域、 家用电器领域、办公自动化领域、工业控制领域、商用电子领域、玩具领域、仪器 仪表领域、汽车电子领域、军用电子领域等都得到了应用“1 。 1 3 单片机的选型 本课题开发的多路巡检控制仪是以单片机为基础而开发的智能仪表。单片机的 种类繁多，因此选型时要从以下几方面考虑：c p u 的指令系统：随机存取存储器r a m 的容量；只读存储器r o m 的容量；输入输出端口的驱动能力；集成多功能化；在保 证多路巡检控制仪的功能基础上，尽量减少外围器件，使仪表向小型化、廉价、减 少故障率方向发展，。 沈阳工业大学硕士学位论文 本课题开发的多路巡检控制仪选用p i c l 6 f 8 7 7 。 p i c l 6 f 8 7 7 单片机的特点“”如下： 核心特点： 特点1 使用高性能的r i s cc p u 核心 特点2 除了部分程序分支( b r a n c h ) 的指令需要2 个指令周期外，所有的指令执 行时间都只需要1 个指令周期。 特点3 操作时钟速度范围：d e 到2 0 m h z 特点4程序存储器( f l a s h ) 最多可到8 k 的字( 1 4 位) 数据存储器( r a m ) 最多到3 6 8 的字节( 8 位) e e p r o m 数据存储器为2 5 6 字节 特点5 支持中断处理( 1 4 个中断源) 特点68 层的硬件堆栈结构 特点7 有直接、间接、相对寻址三种模式 特点8 具有上电复位功能 特点9 内置上电延时定时器p w r t 与振荡器起振定时器0 s t 特点l o 内部的看门狗定时器w d t 有自己的r c 振荡器 特点1 l 提供可编程代码保护功能 特点1 2 具有省电功能的休眠模式 特点1 3 多种振荡时钟形式的选择 特点1 4 采用低功率、高速的c m o sf l a s h e e p r o m 技术 特点1 5 使用两个引脚来完成串行烧写的工作，既支持i c s p 功能 特点1 6 操作电源范围由2 o v 到5 5 v 特点1 7 引脚可吸入或提供电流高达2 5 m a 特点1 8 低功耗，在5 v 4 e 4 z 下低于2 m a ，在5 v 4 删z 下低于2 0 u a 外围特点： 特点l8 位定时器计数器t i m e r 0 特点21 6 位定时器计数器t i m e r l 特点38 位定时器计数器t i m e r 2 特点42 个集捕捉、比较、脉宽调制3 项功能于一身的c c p 模式 沈阳工业大学硕士学位论文 特点51 0 位8 通道a d 模数转换器 特点6 提供了同步串行口 特点7 提供3 个8 位并行从动端口 特点8 电源电压低侦测 沈阳工业大学硕士学位论文 2 多路巡检控制仪技术指标与功能 2 1 技术指标： 测量精度 测量范围 显示方式 控制报警方式 参数设定 模拟量输出 开关量输出 通讯输出 馈电输出 2 2 功能： 士0 5 f s ：t ：i 字 一9 9 9 9 9 9 9 字 l 1 6 测量通道号显示 发光二极管工作状态显示 l e d 数码显示 通道巡回与锁定显示功能 1 1 6 通道可分别设定报警上限、报 警下限， 发光二极管指示 面板轻触式按键数字设定 参数设定值断电后永久保存 d c4 2 0 m a ( 负载电阻 2 5 0 k q ) 继电器控制输出a c 2 2 0 v 3 a 或 d c 2 4 v ，6 a 标准串行双向通讯接e l ：r s 一2 3 2 c d c 2 4 v ，负载里5 m a 功能1自动测量和手动测量转换功能 功能2自动测试和手动测试状态指示功能 功能3 超限( 上限或下限) 报警指示功能 功能4 超限报警控制功能 沈阳工业大学硕士学位论文 功能5 功能6 功能7 功能8 功能9 功能1 0 功能l i 参数设定输入功能 多种输入信号转换处理功能 a d 功能 d a 功能 多种输入信号零点、满量程计算与补偿功能 r s 2 3 2 通讯功能 l e d 显示功能 2 3 关键技术 关键技术1多种输入信号转换处理电路的硬件设计和软件设计。硬件设计保 证了不同信号的通用性；软件设计保证了不同信号放大倍数的设定。 关键技术2 抗干扰设计 电源设计解决电网干扰；看门狗电路设计解决程序跑飞与死机；软件滤 波解决测量信号的稳定性。 关键技术3 通讯设计 通讯协议设计保证了单片机与p c 机2 _ 1 司i f 3 无误码传输。 通讯设计使仪表的参数设定和修改更加简单。 关键技术4 测量精度的保证 硬件设计保证了输入电路测量精度；软件设计保证了a d 转换电路测 量精度。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 3 总体设计方案 3 1 多路巡检控制仪的硬件设计方案 为实现多路巡检控制仪的功能( 功能要求见2 2 ) ，硬件电路包括c p u 、按键、 l e d 显示器、发光二极管、a d 、d a 、增益可调放大电路、译码电路、r s 一2 3 2 、 继电器控制电路、电源等。硬件电路组成见框图3 ，l 圈3 1 硬件电路组成 电路的工作原理：仪表上电进入1 6 路信号巡回检测状态，同时将检测的结果 经过计算再送入显示，并经过d a 转换送入模拟信号输出端，当某路信号与设定报 警限比较超差时，使输出控制继电器动作；当有按键按下，产生中断信号通知c p u 进入参数设定状态；当r s 一2 3 2 产生中断信号时，c p u 进入解码状态，判断上位机传 送的信息，进入不同的通讯程序。在仪表运行过程中，看门狗一直监视程序的运行 状态。 o 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 多路巡检控制仪的软件设计方案 为实现多路巡检控制仪的功能( 功能要求见2 2 ) ，软件设计采用模块化结构。 共分为1 1 个模块，包括以下予程序。子程序组成见图3 2 。系统主程序设计流程图 见图3 3 。各部分子程序设计流程图见各部分说明。 1 6 路 巡 检 仅 子 程 序 组 成 初始化子释序 参数设定子稗序 柱键输入子稗序 写e e p r o m 子程序 鼹示子稗序 放大倍数设定子辉序 读a d 子释序滤波 数据处理子释序 报警处理子稗序 d a 子挥序 通讯子舞序 图3 2子程序组成 沈阳工业大学硕士学位论文 框图3 3 主程序设计流程 一1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 4 设计内容与实施方案 4 1c p u 的i o 口的逻辑功能设计 根据多路巡检控制仪的功能要求和硬件电路组成，合理的利用c p u 的i o 口的 逻辑功能，会使仪表的设计具有外围电路合理；简单：程序设计结构合理等优点。 在进行多种方案设计后，最终采用的c p u 的i o 口的逻辑功能分布见图4 1 1 6 r r 丌 圈4 1c p u 的i 0 口的逻辑功能分布 4 2 信号的输入电路设计 输入电路要具有接受1 2 种信号的能力。对不同的信号要有不同的放大倍数。为 此要完成放大倍数设置的硬件与软件设计该课题采用模拟开关4 0 5 2 实现放大倍数 的不同设置。 沈阳工业大学硕士学位论文 4 2 1 输入电路的硬件设计 在电路设计中，用模拟开关控制反馈电阻的大小，将其接入放大器的反馈回路， 通过c p l 3 的指令控制4 0 5 2 的开关动作，来实现4 种放大倍数的设置目的。该电路 的实际测试结果与理论计算结果相符。输入电路设计见图4 2 4 2 2 放大倍数设置的设计 图4 2 输入电路设计 4 0 5 2 芯片控制代码为bh 当b a = 0 0y 0 接通；当b a = 0 1y 1 接通 当b a = 1 0y 2 接通；当b a = 1 1y 3 接通 表4 t各种信号放大倍数设置表 输入信号放大代码 代码 类型倍数ba 0 - 1 0 m al a 3 = 1 3 ol “2 0 m a2a ，= 9lo 0 - 5 v3 a 1 = 1 1 1 1 5 v 4 a i = l l1 0 1 0 0 m v5a f 910 0 - 5 0 0 m v6a i = 1l1 d 沈阳工业大学硕士学位论文 p t l 0 07a ，- 910 c u 5 08a 4 = 4 6 0o k 偶 1 0a 4 = 4 6 o0 线性输入 1 la ，= 910 变送器输入 1 2a ，= 91o 当代码：o o 时，放大倍数4 = 1 + 岛屿峨卅矽磊 当代码：0 1 时，放大倍数鸣= l + 日哦卅矽曷+ 惋) 当代码：1 0 时，放大倍数a 2 = l + 固+ 乞翘+ 马+ 魄) 当代码：1 l 时，放大倍数a 1 = l + 哆彘十民十码+ ) 由式( 4 一1 ) 、式( 4 2 ) 、式( 4 3 ) 、式( 4 - 4 ) 联立，得出求解电阻廊 的计算公式： r = a 4x r 8 r 4 = ( a 1 1 ) r a l r 5 = ( a 2 一a 1 ) r ( 彳lx a 2 ) r 6 = ( a 3 一a 2 ) r ( 爿3 一a 2 ) r 7 = r r 4 一r s 一兄6 一r 8 4 2 3 放大倍数设置的软件设计 ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 4 ) r 5 、r 6 r z r s ( 4 5 ) ( 4 - 6 ) ( 4 7 ) ( 4 - 8 ) ( 4 9 ) 根据输入信号的类型，决定相应的放大倍数。输入信号的类型是存放在 e e p r o m 存储器内，1 6 路的4 0 5 2 控制代码是由4 片7 4 l s 5 7 3 来控制，4 片7 4 l s 5 7 3 的片选信号由7 4 l s 2 3 8 来控制，4 片7 4 l s 5 7 3 的位信号由c p u 的d 口来控制， 7 4 l s 2 3 8 的控制代码由c p u 的b 口控制。所以程序首先读e e p r o m 数据，再给c p u 沈阳工业大学硕士学位论文 的bv i 、d 口发数据。最终实现放大倍数的软件设计。放大倍数的软件设计流程图 见图4 3 l竺竺竺i ， 读e e p r o m 数据 i 置r b 3 = 0r b 2 = 0r b i = 0 选第一片7 4 l s 5 7 3 向d1 3 发命令，给1 4 路的信号设置放大倍数 i置r b 3 ：0r b 2 ：0r b l ：1 选第二片7 4 l s 5 7 3 向d 口发命令，给5 8 路的信号设置放大倍数 置r b 3 = 0r b 2 = ir b i = 0 选第三片7 4 l s 5 7 3 向d 口发命令，给9 - 1 2 路的信号设置放大倍数 士 置r b 3 = 0r b 2 = ir b i = i 选第四片7 4 l s 5 7 3 向d 口发命令，给1 3 1 6 路的信号设置放大倍数 图4 3 软件设计流程图 一1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 4 3 参数设定输入的设计 该课题参数设定输入的方式采用触摸式按键，共有4 个按键，采用单键和复 合键的方法来完成仪表的参数设定。 1 、捌“设定键”i 选择参数功能1 、2 、3 、4 、5 2 、按1 “数字键”l 选择数字0 1234567 89 3 、按l “, 1 1 卜键”i 左右移位键 4 、按| “确认键”l 保存当前参数 5 、先按注匪丽习涵圈再捌i 覆趸再圈进入手动测试状态 6 、先按注i “卜键”i 再按i “设定键”i 退出手动测试状态 4 3 1 参数设定的功能 功能1 ：通道转换时间设定。时间单位“秒” 功能2 ：d a 通道号设定。选数字l 1 6 表示设为对应单一通道有d a 输出功 能；选数字0 表示设为所有通道有d a 输出功能。 功能3 ：报警通道号设定。选数字1 1 6 表示设为对应单一通道有报警输出功能： 选数字0 表示设为所有通道有报警输出功能。 功能4 ：每路测量信号设定参数为： 测量信号类型1 1 2 小数位数o 3 测量上限测量下限 报警上限报警下限 功能5 ：每路测量信号校正设定参数为： 窭l墨 i 一 沈阳工业大学硕士学位论文 零点校正满量程校正 4 3 2 参数设定输入的硬件设计 该课题中按键数量少，采用一键一线的方法。无按键按下时，输入线被拉为高 电平；有按键按下时，输入线被拉为低电平。 按下k 1 参数设定键，产生中断信号1 n t 0 = 0 进入设定参数程序。 按下k 2 数字键，b 6 = o ，选择数字0 - 9 按下k 3 移位键，b 5 = o ，选择被修改数据的位 按下k 4 确认键，b t = 0 参数设定输入电路设计如图4 4 g d n 图4 4 参数设定输入电路 4 3 3 参数设定输入的软件设计 对键盘的输入扫描采用“中断+ 查询”方式。当中断信号i n t 0 = 0 时，进入设 定参数子程序，通过对b 5 ，b 6 ，b 7 进行逐一扫描，来判断哪个按键被按下，然 后程序进入不同的子程序。程序设计流程图4 5 、4 6 沈阳工业大学硕士学位论文 图4 5程序设计流程图 一1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 k 道： y 输入信号类型、小数位数吗数据 薯 、 y 保存数据 一t 输入测量上限、测量下限数据 2 l 意 、 y 保存数据 y 输入报警上限、报警下限数据 y 保存数据 、麴抿吗? ， 工y 输入零点校正数据 + 斗 、7 y 保存数据 输入满量程校正数据 人 k 、 y i 保存数据 i 设计流程图 沈阳工业大学硕士学位论文 4 4 显示模块的设计 该课题显示方式采用l e d 和发光二极管，共有6 个l e d 和2 0 个二极管来完成 仪表的各种信息的显示。 4 4 1 显示模块的功能 显示模块包括：设定显示：测量显示；报警显示 4 4 2 显示模块的硬件设计 专用集成电路t e c 9 6 0 7 是5 * 8 段l e d 数码管显示驱动电路。该芯片与单片机 接口不仅简单，而且占用单片机接口资源少。电路设计简单。显示模块采用专用集 成电路t e c 9 6 0 7 驱动l e d 和7 4 l s 5 7 3 驱动发光二极管的方案。选用r c 5 控制s i ， r c 0 控制s c p 。选用r d 0 、r d i 、r d 2 、r d 3 、r d 4 、r d 5 、r d 6 、r d 7 作为7 4 l s 5 7 3 的输入信号，r b l 、r b 2 、r b 3 作为7 4 l s 5 7 3 的片选译码信号。从而达到用1 1 位 信号控制2 0 个发光二极管的目的。显示模块电路设计见图4 7 ，图4 8 。发光二极 管控制代码见表 圈4 7 显示模块电路设计 沈阳工业大学硕士学位论文 圈4 8 显示模块电路设计 4 4 3 专用集成电路他c 9 6 0 7 动态扫描显示的原理 专用集成电路t e c 9 6 0 7 为共阳极5 * 8 段l e d 数码管显示驱动电路”1 ，是全定制专用 集成电路。该电路由开机自清电路、振荡电路、位扫描驱动电路、5 * 8 位移位寄存 器电路、5 * 8 位数据锁存器电路、多路选择器、共阳极段驱动电路组成。它可与各 种形式的微处理器之串行接口，专供驱动五位十迸制8 段。 位扫描信号按s 1 、s 2 、s 3 、s 4 、s 5 顺序依次出现，循环反复。s 1 显示第一位 ( 个位) 、s 2 显示第二位( 十位) 、s 3 显示第三位( 百位) 、s 4 显示第四位( 千位) 、 s 5 显示第五位( 万位) 。要显示的段码a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、d p 是由s 1 、s 2 、s 3 、 s 4 、s 5 分别选通送出。s l 选通a 1 、b 1 、c 1 、d l 、e l 、f l 、g l 、d p l ，显示个位，其 他四位不显示。s 2 选通a 2 、b 2 、c 2 、d 2 、e 2 、f 2 、9 2 、d p 2 ，显示十位，其他四位 表4 2控制发光二极管工作的代码表 灯 b 口 d 口p r o t d b 3b 2b ld 7d 6d 5d 4 d 3d 2 d ld 0 l l1oo1111111of e l 2loo11ll11o1f d l 3ioo11l11o11f b l 410o1ll1oll1f 7 l 5loo 1llo1l11e f l 6l0o 11o11111d f l 71ooloi1 1111b f l 81oool111 1117 f l 91ol111l1 llof e l 1 01o111111 1o1f d l 1 11o1l1111ol1 f b l 1 2 iollll1 oi1lf 7 l 1 3lo1111o 1111e f l 1 41011 1ol1111d f l 1 51o11 o1l1111b f l 1 61o1o11 1l1117 f l 1 71101ol1 1l11b f l 1 811oo111 1 1117 f l 1 911011 1o1il1e f l 2 0110110 11111d f 2 3 沈阳工业大学硕士学位论文 不显示。s 3 选通a 3 、b 3 、c 3 、d 3 、e 3 、f 3 、9 3 、d p 3 ，显示百位，其他四位不 显示。s 4 选通a 4 、b 4 、c 4 、d 4 、e 4 、f 4 、9 4 、d p 4 ，显示千位，其他四位不显示。 同样的s 5 选通a 5 、b 5 、c 5 、d 5 、e 5 、巧、西、d p 5 ，显示万位，其他四位不显示。 这就是位扫描的原理。 送人串行移位寄存器中的数是段a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、d p 数据，不是b c d 码 数据，t e c 9 6 0 7 无译码功能，这样编程要有从b c d 码到显示段码的转换程序。每 次送入的8 位段码数据，是按a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、d p 顺序排列的，a 是高位，d p 是低位。移入5 * 8 位串行移位寄存器中的段数据最先进入的是第一位，最后进入的 是第五位。移位数据s i ，移位脉冲s c p ，移位脉冲个数由程序产生。t e c 9 6 0 7 字符 段码表见表。 表4 ，3t e c 9 6 0 7 字符段码表 字型a b c d e f g d p1 6 进制代码 o1 1 1 1 1 1 0 0f c h 10 1 1 0 0 0 0 06 0 h 21 1 0 l 1 0 1 0d a h 31 i l l 0 0 1 0f 2 h 40 1 1 0 0 1 1 06 6 h 51 0 1 1 0 1 1 0b 6 h 61 0 1 1 1 1 1 0b e h 71 1 1 0 0 0 0 0 e o h 81 1 1 1 1 1 l of e h 91 l l l 0 1 1 0 f 6 h 不显示0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 h 沈阳工业大学硕士学位论文 4 4 4 显示模块的软件设计 显示模块的软件设计流程图见图4 9 图4 9 显示模块的软件设计流程图 4 5 报警控制模块的设计 当程序判断被测量信号高于上限报警值时，要求上限报警继电器动作。当程序 判断被测量信号低于下限报警值时，要求下限报警继电器动作。同时要实现单片机 与被控制设备的电器隔离。可有效防止被控制设备对单片机的干扰。 沈阳工业大学硕士学位论文 该课题利用r c l 口作为上限报警的控制端：r c 21 ：3 作为下限报警的控制端。 4 5 1 报警控制模块的功能 可分别设定1 1 6 通道的报警上限值、报警下限值。可通过报警通道号设定来 实现对某路信号的报警控制。选数字1 1 6 表示设为对应单一通道有报警输出功能； 选数字0 表示设为所有通道有报警输出功能 4 5 2 报警控制模块的硬件设计 报警控制电路采用光电耦合器传递c p u 的控制指令，光电耦合器起到了信号 隔离作用。同时起到了c p u 的电源5 v 与继电器的电源2 4 v 隔离的作用。当控制 指令为0 时，光电耦合器导通，三极管导通，继电器线圈得电，继电器动作：当控 制指令为1 时，光电耦合器截止，三极管截止，继电器线圈失压，继电器复位；r 7 0 起到限流作用，d 1 起到续流作用。 报警控制的电路设计如图4 1 0 v 图4 1 0报警控制电路 4 5 3 报警控制模块的软件设计 g n d 用单片机的r c l 口控制上限报警，r c 2 口控制下限报警。 当测量值高于上限报警设定值时，置位r c l = l ，r c 2 = 0 ，同时让上限报警指示 灯亮，相应路号报警指示灯亮；当测量值底于下限报警设定值时，置位r c 2 = i ， 一2 6 沈阳工业大学硕士学位论文 r c l = 0 ，同时让下限报警指示灯亮，相应路号报警指示灯亮；无报警时置位r c 2 = 0 r c l = 0 。报警控制的软件设计流程图见图4 1 1 图4 1 l 报警控制的软件设计流程国 沈阳工业大学硕士学位论文 4 6 d a 模块的设计 d a 转换器种类很多。按输入特性分为并行方式、串行方式。按输出特性分电 压输出方式、电流输出方式。按转换的分辨率分8 位、1 0 位、1 2 位、1 4 位等等， 转换的分辨率越高价格越贵。并行方式工作的d a 转换器占用单片机的接口资源较 多，运行速度较快：串行方式工作的d a 转换器占用单片机的接口资源较少，运行 速度较慢。因此选择d a 转换器要根据实际需求，综合d a 转换分辨率、接口资 源情况、运行速度、外围电路简单、价格等各项要求。该课题选用t l c 5 6 1 5 d a 转 换器，是串行方式工作，利用r c 3 、r c 4 口作为d a 输出控制端。 4 6 1d a 模块的功能 将被测量信号的大小转换为对应5 v 或4 - - 2 0 m a 模拟信号输出。 可分别设定1 1 6 通道的d a 输出。选数字1 1 6 表示设为对应单一通道有d a 输出功能；选数字0 表示设为所有通道有d a 输出功能。 4 6 2d a 专用集成电路t l c 5 6 1 5 工作原理 d a 专用集成电路t l c 5 6 1 5 是美国德洲仪器公司的产品吲，是串行接口的 1 0 位数模转换器。输出为电压型。 t l c 5 6 1 5 是带有缓冲基准输入( 高阻抗) 的l o 位电压输出数字一模拟转换 器d a c 。d a c 具有基准电压两倍的输出电压范围，且d a c 是单调变化的。器件使用 简单，用单5 v 电源工作。器件具有上电复位( p o w e r o n r e s e t ) 功能以确保可重 复启动。 t l c 5 6 1 5 的数字控制通过3 线( t h r e e w i r e ) 串行总线，它是c m o s 兼容的且易 于和工业标准微处理器和微控制器接口。器件接收1 6 位数据字以产生模拟输出。 数字输入端的特点包括带有斯密脱( s c h m i