（电路与系统专业论文）冰厚测报仪及系统.pdf

太原理工大学倾l 学位论文 摘要 y 5 伯3 18 本文首先对国内外冰厚检测系统的发展现状进行了论 述并指出了不足之处，然后全面介绍了本文的研究对象 冰厚测报仪系统。本系统利用了水和冰的不同的导电特性， 集成编译码的电特性，以及磁弦控电路等各项技术实现了一 种新型的冰厚检测方法。 在本文中，主要从两个方面对冰厚测报仪系统进行了介 绍，首先介绍了系统的硬件( 传感器、采集处理仪、面板显 示电路) ，然后介绍了系统的软件情况：包括主程序、秒中断 程序、通信中断程序，这其中还对, 8 0 3 1 中的内存使用情况进 行了介绍。 本冰厚测报仪系统可广泛应用于渠道、河流、水库和湖 泊冰层厚度、水位变化的自动检测中，为国家的水利系统提 供可靠的数据，具有很高的社会推广价值。 关键词：集成编译码，冰厚检测仪，串行通信，传感器 太原理t 人学顾| ：学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t a t u so ft h em e a s u r i n go ft h e i c e s1 e n g t hi no u rc o u n t r ya n da b r o a da n di n d i c a t e st h e s h o r t a g e ，t h e ns h o w st h er e s e a r c ho b j e c t - - t h ei n s t r u m e n t m e a s u r in gt h e1 e n g t ho fi c ea n di t ss y s t e m t h es y s t e mu s e s d i f f e r e n ti n d u c t iv ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e ra n di c e ，t h e i n t e g r a t e de n c o d i n ga n dd e c o d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e o f t h e c ir c u i to fs t r i n g ，a n dr e a i z e sanewm e t h o do fm e a s u r i n gt h e 1 e n g t ho fi c e t h ea r t i c l em a i n l yn a r r a t e st h es y s t e mi nt w op a r t s f i r s t l y ，i td e s c r i b e st h eh a r d w a r ei n c l u d i n gt h es e n s o r c o l1 e c t i n ga n dp r o c e s s i n gc i r c u i t ，a n dt h ed i s p l a yc i r c u i t s e c o n d y ，itp r e s e n t st h es y s t e m ss o f t w a r ec o m p o s e do ft h em a i n p r o g r a m ，t h e s e c o n di n t e r r u p tp r o g r a m ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o n n t e r r u p tp r o g r a m ，a n dd iscnsst h es t a t u so fr a m t h es y s t e mc a rb ew i d e l ya p p l i e dt ot h em e a s u r i n go ft h e 1e n g t ho fi c ei nt h ec h a n n e l ，r j v e r ，r e s e r v o i r ，t h e1 a k e ，a n ds o o n t h es y s t e mcanp r o v i d et h ec r e d i b l ed a t af o rt h ew a t e r c o n s e r v a n c ys y s t e m isp r o m is in gint h ep r o s p e c to fm a l k e t k e y w o r d s ：i n t e g r a t e de n c o d i n ga n dd e c o d i n g ，t h ei n s t r u m e n to f m e a s u r i n gt h ei c e sl e n g t h ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，s e n s o r 太原里l ! t 学颂i ：学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 冰冻现象普遍存在于我国北方地区，它给我国水利工程设施的运行带 术影响。凌汛义威胁着沿岸人民韵生命安全，2 0 0 1 年1 2 月2 ： 川发，卜任内 蒙一如的斑洲冰凌决堤就址。实例之。仪仪犬时m ，托”i 凌汁l 决埋 的河水已淹没了内蒙古自治区乌海市乌达区桥西镇和乌兰乡5 个村，3 个 养殖场、养鱼场；2 所学校，1 3 个加工厂，受灾面积近5 0 平方公罩。其 中受灾农户近9 0 0 户，人口4 0 0 0 余人，大量房屋倒塌；死亡大小牲畜4 9 0 0 余头；水毁乡村公路1 5 公里，扬水站6 座等，给国家和人民造成r 臣天 的损失、 从冬季水文水资源管理和水工结构物抗冰能力设计都需要了解冰的基 本条件。而在受气象和水文条件控制的冰条件中，最直观且重要的指标之 是冰的厚度及其变化过程。它是冰塞形成、凌汛发生和冰对结构物件。司 力的基础。而其他相关冰指标，如冰的温度、强度等都相对简单并容易 得到4 f 吖i 7 妤_ 究、我m 北方目前已运行的k 距离输水1 ：柑冰：壹f f ： 关- 巴、白0 首要问题 。驯将启动的南水北调工程，其穿越北方地区，冬季藉 冰在明渠段是不可避免的现象”。冰层厚度、冰下水位的现场自动检测在 国内外都是个尚未解决的难题。解决冰凌问题的理论和实践都需要冰事 及其冰形成觇律“1 ，这就要求提高冰生消过程检测的程度和自动化水正： 太原理下人学硕l ? 学位论史 1 2 课题的确立 对网内外很少的几种检测冰层厚度的方法，凌汛对人民的生活、经济 带来的人灾难，以及此项研究课题的实际意义和应用前景等方面的相关 文献进行了检索，并阅读了3 0 多篇文献，对国内外研究状况有了一定的 了解，掌握了完成系统功能所具备的一系列基础知识，调研了检测冰层厚 度方面的知识。 针对以l 情况，我们提出了一种全新的检测冰层厚度的方法。“感应式 数字水位传感器”及数字化水位检测系统已经在“万家寨引黄入晋调水工 程”等多项大型水利工程中成功地进行了试验性应用，由此而获得2 0 0 0 年国家技术发明二等奖，使我国在利用水的导电特性进行水位检测的工程 应用研究领域处于国际领先水平o “。在此基础上，根据水、冰的不同导电 特点和集成编泽码技术，设计了一种新型的磁弦控编译码数字检测电路， 寻求种新的检测冰层厚度的理论和设备，实现对冰层厚度变化和冰卜水 位自动化检测，达到掌握冰生消过程的目的。这一思路在固定冰层中是完 全可行的。本系统着重介绍了一种新的设备和传感器来检测冰层厚度。 1 3国内外发展状况 由于人们对冰生消过程检测的程度和自动化水平的要求提高，以避免 发生大的灾难。但是现在国内外很少有人对这方面进行研究。目前国内外 冰q 消检测技术有二类：一是直接测量方法，二是物理方法。 1 直接测量法 卣接测量法即人工测量法，它依靠人工凿冰或打钻直接测量冰厚和水 位，我国北方水文站主要采用这种方法。它的优点是数据可靠，但缺点是 劳动强度高、危险性大不能保证在同一地点进行定时检测。 太捞c 理覃人学颂i ：学位论文 2 物理办法 物理方法，如电磁学、声学。它们的优点是操作简单、迅速，但缺点 是误差大。对于南北极冰厚度测量，物理方法的2 0 c m 的误差是可以接受 的“”1 。但对于类似我国北方最大冰厚度小于1 m 的情况，特别是冰生消 过程资料应用1 ：防灾减灾措施，这个误差是不能被工程界，管理界和科学 界接受和承认的。冰厚度物理探测方法的误差主要是来自冰性质对电磁波 或声波的影响，但渤海海冰物理和力学性质研究成果表明冰的温度随时问 和空问在不断地变化“。，这种温度变化控制着冰声学性质、电学性质和 光学性质的变化。所以物理方法测试结果就被复杂多变的气象条件和冰 结构条件影响着，使得难以得到合理的方法消除和降低这些误筹。存气一 冰一水系统中，水的性质相对最为稳定。回避气象和冰条件，依赖水环境 来自动检测冰厚度将具有更广阔的前景。这在理论上有可行性，但在技术 上由于过去缺少手段，所以没有从基础工作上寻求突破。 1 4 本研究课题的市场前景 渠道、河流、水库和湖泊冰层厚度、水位变化的自动检测在我国有广 阔的应用前景： 1 准确掌握冰形成过程，为提高我国冰凌、冰塞形成机制预报研宄 的水平提供科学保证；通过安装技术的改进，实现对春季凌汛浮冰厚度的 检测，为凌汛防治科学管理提供依据。 2 新设备将给我国的南水北调工程及其它长距离调水工程冬季水应 和冰厚度变化的自动化监测提供经验与借鉴技术，另外，对结构物冰厚麦 和冰破碎堆积厚度的自动检测，能够为结构物抗冰能力的评估和设计提供 依掘。 3 新技术能为北方水文站的常规冰厚观测提供良好的装备。 ： 奎竖墨王尘堂塑竖丝兰兰一 1 5 本课题的研究内容和方法 本论文研究的主要内容： 1 分析综述了国内外冰厚检测的现状和发展，陈述了本课题对我 舀的水利水电工程、沿岸人们的生命财产、科学研究以至整个国民经济的 重要性，并提出了一种新型的检测方法。 2 介绍了整个系统的硬件工作原理。从传感器到处理仪器电路和 硅示电路。 3 讨论了和系统硬件电路配套的m c s 5 1 软件系统。 4 展望了本研究课题的市场前景。 。 太舔理翌叭学糠i 趟 位论- 交 第二章冰厚测报仪 2 1 冰厚测报仪系统概述 包含有各种导电离子的自然水( 包括海水、湖水，河水，雨水、自来 水和地下水等) 在外施电场的作用下，水中的离子( n a 、h + 、c d + 、c l 一、 n 0 、h c o ：等) 作定向运动而形成电流。冰具有晶体结构，不存在导电介 质，所以电信号在其中不能传播。利用水和冰的导电特性与集成编译码( 编 译码的地址和水冰的高度有一定的对应关系) 可以区分出冰水的分界面， 根据此原理设计了此设备。 冰厚测报仪系统由系统硬件和系统软件组成。系统硬件主要包括冰 厚传感器和冰厚数据采集仪，以及相应的电缆等，如图2 1 1 所示。 图2 1 1整个系统的框图 系统软件是由m c s 5 1 编写的单片机程序，主要分为主程序、秒中断 程序和通信程序三个部分。本章主要介绍硬件电路，软件在下一章中介绍。 整个系统硬件电路主要包括以下两个部分： 1 冰厚传感器：是由一系列的m c l 4 5 0 2 8 集成译码芯片、m c l 4 5 0 2 6 集 成编码芯片和一些相应的辅助电路组成，主要来检测冰下水位和冰层厚 ； 度，将信号通过通信电缆传输给处理仪。这些芯片焊接在一铝制的长方形 的槽中，用环氧树脂浇灌，一方面用于固定芯片，另一方面是用于防水。 之后盖好盖，伸出通信电缆和处理仪相接。 2 数据处理仪：它是由i n t e l 8 0 c 3 1 作为微处理器的二次仪表，外接 8 2 7 9 显示电路、2 7 6 4 e p r o m 程序存储器和h k l 2 3 5 数据存储电路、d s l 2 8 8 7 。 ， 太原理丁人学颂i ：学位论文 时钟电路( 提供系统时钟) 、5 5 5 定时电路( 产生一个定时信号给系统供电， 使系统的功耗达到最小，因为只需要5 分钟循检一次) 、通信电路( 仪表 配有标准的r s 2 3 2 串行通信接口，可与p c 上位机进行采样数据实时串行 通信) 和打印l 乜路( 根据需求打印历史数掘或当前数掘) 。 3 前丽板l e d 显示电路。主要用来实时显示冰厚值，并且可以通 过按键输入控制信号，显示当前时间。 2 2 冰厚传感器硬件电路 冰厚传感器主要用来将冰厚物理量转换成数据采集仪可以识别的数 字信号。下图是传感器的内部结构简图。 函2 2 1抟感器的内部结构简图 在介绍传感器之前，先简单的介绍下其中的几个主要的芯片。 一、集成编译码器m c l 4 5 0 2 6 2 8 性能简介”2 1 【“美国摩托罗拉公司生产的编码器m c l 4 5 0 2 6 和译码器m c l 4 5 0 2 8 ( 系 列产晶中还包括有m c l 4 5 0 2 7 ，m c l 4 5 0 2 9 ，m c l 4 5 0 3 0 等) ，作为一种新型实 用的编、译码器已广泛应用予通信与控制领域。编码器的抗干扰能力强， 工作稳定可靠，译码器也具有很强的脉冲鉴别能力，可靠性好。编、译码 6 。 太原理下人学顾l ：学位论史 器之间的发送和接收可以是有线传输，亦可以通过无线电波、超声波、红 外线等方式进行无线传输，其工作电压可在4 5 1 8 v 范围内选择。编、译 码器芯片的静态工作电流分别为零点几微安、几百微安，其引脚排列如图 2 2 2 所示： a l d l a 2 d 2 a a d 3 a 4 d 4 a 5 d 5 a 6 d 6 a ，d ， v s s m c 1 4 5 0 2 6 一 m 一 c 一 l 。4 。5 0 一 2 。8 图2 2 2m c l 4 5 0 2 6 和m c l 4 5 0 2 8 引脚排列图 编码器m c l 4 5 0 2 6 的1 9 脚是地址或数据输入端，每位可有三种状态： 高电平、低电平、丌路，利用其不同的组合与m c l 4 5 0 2 8 配对时可产生 一3 9 = 1 9 6 8 3 种不同的编码。数据从第l ，脚d a t ao u t 串行输出，每位数据用 两个数字脉冲表示( 如图3 所示) ：两个连续的宽脉冲表示“l ”，两个连 续的窄脉冲表示“0 ”，一宽一窄表示开路。r s 、c t 、r t 外接电阻电容决定 其内部时钟振荡器的振荡频率。z e 是发送控制端低电平有效。若t e 为 低电平时，振荡器起振( t e 平时处于高电平，使编码振荡器停振，此时 静念电流非常小) ，发送数据，1 个发送周期将9 位数据重复发送2 次。 瓯嘶隗岛m嘶 m 舢舢m a 讥 太原理t 火学硕i ：学位论文 脚1 2 振荡波形厂 厂 厂 厂 厂 厂l 。n 厂 厂 1 ，电平厂 厂 0 ，也平 厂厂 j r 念 f 包平。厂n l 一 塑塑丝塑型 一 图2 2 3m c l 4 5 0 2 6 工作波形 m c l 4 5 0 2 8 的a i a 9 是9 位地址码输入端。外部数据从引脚9 输入，当其 9 位地址丌关设定的状念与编码器连续二次发送来的数据相同时，第1 l 脚 v t ，也即其状念输出端，出低电平变为高电平，表示数据接收有效。r i 、 c i 、r 2 c 2 外接电阻电容决定频率范围。 二、其他的一些芯片介绍 三极管在此处所起的作用是反向器的作用，7 4 l s l 3 3 是1 6 脚的双 列直插式集成芯片，1 4 吟引脚输入值相与再取反，从第9 脚输出。7 4 l s 0 0 是1 4 脚的双列直插式集成芯片，集成了四个两输入的与非门。 三、传感器的工作原理 用集成编、译码器组成的主从式有线测控系统的一般结构如图 2 2 4 所示，其基本工作原理是每个现场控制模块或探j 煲i 模块上曲译码器 都可预先通过拨码开关设定一个固定的地址码( 根据测控系统完成任务的 一i 同，各模块地址可以是互相独立的，也可以是相同或局部相同的) ，计 算机要检测或控制某个模块时，由嵌入在控制器中的编码器通过数据通汛 总线向各现场模块发出相应的地址检测编码信号，各现场模块会同时接收 到这一信号并。j 自己设定的译码信号进行比较判断，若某一模块的译码器 被设定的地t j l ：6 ， 与数据通讯总线上接收到的地址码相同，就通过应答编码 器向数据通讯总线上发送应答信号并改变自己输出端的输出状念去执厅 太原理工大学硬士学位论文 相应的控制或检测功能，计算机则根据应答信号对模块的当前状态作m 判 断。 数据通讯总线 、 图2 2 4 有线测控系统 水的导电率是指在特定温度下，l c m 2 水溶液相对两面间的电阻。以p 表 示，单位为q c m 。水的电阻率值与溶液中离子的种类、浓度，水温及测 量方式等有关，在定条件下，电阻率值可以反映水中总电解质的量。“。 电导率为电阻率的倒数，以c r 表示，单位为s c m 。溶液的电导率具有 加和性，即总电导率等于各离子的电导率的总和，离子电导率等于其摩尔 浓度与无限稀释离子摩尔电导率之积 仃= 盯l + 盯2 + + q + = 矸c ， 1 d 2 一 仃 式中，万为i 离子的无限稀释离子摩尔电导率，c 为i 离子的摩尔 浓度。 ： 设水中仪含n a + 和c l ( 其浓度为c ) ，则水的电阻率( 2 5 c ) 为 1 d = o 斗o c r 七o h + + o o h 一 设水为中性，则 h + = o h 一 = 1 0 。( m o l l ) 盯h + q 州= ( a h + t 拊一) 1 0 = 5 4 8 1 x 1 0 _ 8 ( s c m ) 9 茎墼罢娶丛塑：! ：兰竺燮 则水的电阻率为 舻胃亲两1 ( q c m ) c：1-5481x10-9(gml)21 6 , 0 。 用上式可以求出不同电阻率的水中电解质浓度，表2 2 1 及图2 2 5 给别给出了水的电阻率与电解质浓度的关系。 ”亍一_ 1 吉一 求柏毫l - o c m 蹦1 - ? 承的电酣弗。4 舾艟饿魔柏篾幂 图2 2 5 水的电阻率和杂质浓度的关系 囊1 1 0 木的t 事与皇i t 藩垂的舞象 电囊壤崖融1 一m n c m 2 5 cj n ic “kf 棚， l 。! r 、 ? ? f：挣 1 8j# n “ 表2 2 i 水的电艘率与电解质浓度的关系 包含有各种导电离子的自然水( 包括海水、湖水，河水，雨水、自来 0 太潦瑶下大学谈l ：学位论奠 承秘溉下承等 在终藏毫场莪俸舞l 下，零串熬离子( 辩a 、珏、c a + 、c t + 、 n o 。、h e f t 。等) 作寇向运动丽形成电流。我们称其为水具裔的导l ! 乜特性。 冰具有晶体结构，不存在静电介质，所以电储号在篡中不能传播。但是如 鬃港懿褥不怒特嗣磺的话，其串述存在少量瓣导毫离子，矮可瑷撼电。翻 j j 水矛n 冰的导f 乜特性与集成编译码技术可以在很多领域实现测控的f l 的。 下面我们讨论以美国摩托罗拉公司生产的编码器m c l 4 5 0 2 6 和译码嚣 m c l 4 5 0 2 8 为基磕构成的辕浮、农位裣灏系统。 刹用水、冰豹譬电特性与集成编秘器m c l 4 5 0 2 6 和译码器m c l 4 5 0 2 8 i 盯以i j i 靠地实现对冰厚、水位的数字化自动检测与控制。我们的实验系统 框图如图2 2 7 所示。冰簿裣灏仪主要出8 0 c 3 1 和舞豳扩展芯片m c l 4 5 0 2 6 ， 躲1 4 5 0 2 8 缀戏。为了适盛计算撰采翅二进制处理售惑豹特点，使梭测系统 能可靠工作。在地址编码时只采用高电平与低电平两种编译码状态，最多 可以麓送2 9 = 5 1 2 种编码。现场检测模块则龟括编译码苍片m c l 4 5 0 2 6 ， m c l 4 5 0 2 8 秘螅应的其 龟一些芯片组成，各译码器地蜓设定不网。霹姆地蛙 从小到大递增设定，每一厘米( 或根据检测精度要求设置) 相对应一个检 测模状( 地址) ，报据此判断冰厚和水位的商低。 魏銎2 2 6 囊示：系缝王 乍辩，处建经逶过8 0 c 3 1 控裁扩震熬编璐电 路m c l 4 5 0 2 6 发送递增地址码( 初值和译码电路m c l 4 5 0 2 8 的最小的地址鸦 相同) ，信号经数獭通讯总线和水介质发送到处于水下的释个译码电路接 浚端。各译潞窀路在援救翻信母后将之与鸯惑疼部产生鳃译码信号遗行晓 较，只有地址码和处理仪发送的地址码相同的译码电路接收才有效。此时 该电路输出端v t 将变高，并将此信息通过专门的电路和数据通讯总线反 馈圈处理 殳。经楚遴仪内部斡m c l 4 5 0 2 8 译弼荠经8 0 c 3 1 缝理螽转换为裙 应的冰蓐值鞠水经瞧。译妈器的地址臻号是从0 0 h 开始，从下到上依次递 增。编码器发射的数据从0 0 h 丁r 始依次递增，在b 点以下直有相应的译 太擐理下夫学联“l ：掌毽论史 羁器寿效，即处理仪始终能捻测到此信号。假设8 点樱对应的译码嚣的地 址为2 0 h 钢铉事先和译码器的一个地址端相接，此时使钢铉和此地址端分 歼。b 点猁a 点乏黼由于在冰中所以译码器的绝蟪编码没有发玺变纯，获 2 0 h 玎始发射售号，依次递减，到a 点之翦处理仪都熊检测剿信号。a 点 之1 f ，由于钢铉和译码器一个地址码分丌，此时译码器的地址发生了变化， 所睽处壤仪接i i 殳不到信号。 点就为冰水分赛面。在传感器敖篱簿，魏已 经过fc 点豹缕，e 点数傻减去a 点我毽裁是冰的淳度。a 点熬蕊鼓是冰 下水的高度。 图2 ，2 传感器测量示意匿 1 2 太鲧理t 大学硕 ：学位论文 啡 数据i 卤 键总线、 图2 2 7 冰厚检测蜜验系统框图 该传感嚣的基本设计原理脱开了传统的传感器设计原理，采用了脉冲 售号发瓣与接收的设计愚怒，它楚一个7 5 * 4 5 毫米蟛柱式全圈薅疆线铡传 感器，其中两线为电源，线为信号接收，另线为信号发射，内部为组 合集成的电路，外部用环氧树脂材料浇铸而成。 零蒋惑嚣豹突懑特点： 1 测量准确可靠：该传感器采用了数字式直接取样捻测的方式， 与传统的模拟量检测方式相比，信号稳定、可靠、漂移小：测量精度可达 l c m 。 2 + 出于采用了环氧擗脂整体浇铸工艺，固化了电子爨 牛，使它能够 在高寒的情况下工作且不怕冰层的挤凰，成为种经久耐用的传感器。 3 使餍维护简单，安装方使，可整直懋挂或豢直曩占艇固定，无须其 它辅助工程。 2 3 数据处理仪硬件电路 r 数据处邂仪是戬8 0 c 3 1 微处理器为核心的智能冰厚、承位采集处璎纹 表。它其有瓣冰瀑信号逡行实孵采集、存麓、实薅驻示和努印戆功能；矮 1 3 = ：。： 查堕堡三查堂堡! ：! 整竺丝苎 有5 5 5 定时电路( 产生一个定时信号给系统供电，使系统的功耗达到最小， 埘为只需要5 分钟循检一次) ；启动钢铉的继电器电路。仪器配有标准 r s 2 3 2 c 串行通信接口，可与p c 机进行串行通信或通过m o d e m 或数传电台 进行远程通信。 数据处理仪的功能及特点如下： 1 数字量信号输入信道。 2 采样周期为3 0 秒且每1 分钟存储一次数据，每3 0 秒通过r s 2 3 2 门 发送次f 1 期、时问及冰厚数据。 3 具有实时时钟系统，带掉电保护，误差1 分月。 4 数据存储器带掉电保护，数据存储包括日期、时间( 年、月、日、 时、分) 和冰厚值和水位值，存储容量为3 2 k ，存储形式为压缩b c d 码。 5 l e d 显示冰厚值，显示格式为三位整数和两位小数，显示刷新间隔 为3 0 秒：微型打印机打印冰厚值，打印格式为日期、时间、冰厚值。 6 键盘包括数字键和功能键，其中数字键为0 - 9 共十个，功能键为设 置键( 可设置日期、时间、基准值、上下限值) 、打印控制键、日期及时 问显示键、冰厚显示键和一个保留功能键。 7 5 5 5 定时电路。产生一个定时信号给系统供电，使系统的功耗达到 最小，因为只需要5 分钟循检一次。适合于野外工作。 8 具有隔离型r s 2 3 2 c 串行通信接口；标准d b 9 接口。 9 系统上电、死机时自动复位，低功耗( d c 1 2 v 、5 v 3 a 工作电 压) ，高可靠性( m t b f 2 年) 。 l o 工作环境：温度2 0 。c - - + 5 0 c 。 数据处理仪的硬件组成主要有以下几大部分：微处理器8 0 c 3 1 ，程序 存储器扩展电路，数据存储器扩展电路，复位电路，键盘及显示接口电路， 打印机接口电路，串行通信电路，同历时钟电路，5 5 5 定时电路。硬件结 太琢璎下天学籁1 。学盟论空 搴毒挺甏懿下灞濒示。 击 行 通 信 电 路 2 3 1 系统硬件的结构框窝 下甄具捧奔缓冬部分电路： 、5 5 5 定时电路l “ 5 5 5 定辩器惫路是一种双极鳌集成窀鼹，由予茭结擒狱特，只要在外部 引脚配上适当的阻容元l 牛便可构成不嗣的脉冲产生与变换电路，因此运羽 非常灵活，在自动控制、定时、防盗报臀等方馘应用广泛。 一 太臻理了又学嫒l ? 举链论文、 5 5 5 定辩器邀臻熟蠹部结构如辫l 爨示，宅蠢两令比较器c i 窝c 2 , 每 个比较器的一个输入端接到由三个电阻( r ) 组成的分服器上，输出分剐接 s r 触发器输入端。5 5 5 集成电路的输出极为推拉式结构，此外芯片内部还 毫敷龟燕体管下l 。 图2 , 3 25 5 5 定时器结构框图 5 5 5 定时器的功熊主要幽上、下两个比较器c l 、c 2 的工作状况决定。 眈较器的参考电压由分压嚣提供，在电源与地端之间加上v c c 电压，髓控制 璇v m 懋空，刘上魄较爨e l 熬反稳端“”嬲上豹参考魄压失2 3 v c c ，- f i t ； 较器c 2 的同棚端“+ ”加上的参考电压为1 3 v c c 。若触发端s 的输入电 压v 2 i 3 v c c ，下比较器c 2 输出为“l ”电平，s r 触发器的s 输入端接受 “l ”信号可侵触发秣输出端q 魏“l ”，跌恧使熬令5 5 5 电籍输出秀“l ”； 若鲷值端r 的输入电n - v 6 t 2 3 v c c ，上比较器c 1 输如为“l ”电平，s r 触 发器的r 输入端接受“i ”信号，可使触发器输出端q 为“0 ”，从而使整个 5 5 5 电路输出梵“0 ”。控制惫压鞴v m 矫加电舔冒改变两个院较嚣熬参考 毫压，不娥时。通常将它通过彀容( o 。o lpf 左右) 接地。放电管tl 的输出端q 为集电极j i ：路输出，其集电极最大电流可达5 0 ma ，因此，具肖较大的带灌 魄流负载能力。若复佼端r d 搬低电平或接连，可使电潞强裁复位，不管5 5 5 1 6 太壤壤t 太学撩j ：学位论文 电路琢处手骨么袄秦，均瑶傻它的输密q 为0龟警。 只要在5 5 5 定时器魄路外部配上两个电阻及两个电容元件，势将某些 引脚相连，就可方便地构成多谐振荡器。 1 多谐振荡嚣的电路形式 蹦2 为。个出5 5 5 定时器构成的多谐振荡器的电路图，其中，定对元件 除i u 容c 外，还有两个电阻r a 和r b ，它们串接在一起，电容c 与的连接 点接副强个魄较嚣c l 、c 2 的输入端疑稀s ( 6 瓣黧2 辩1 r a 与r 啦的连接 点接剿放电镣t l 的输出蠛q7 ( 7 脚) 。 图2 3 3 多谐振荡器的电路形式 接通电源瞬间，电容c 来不及充电，v c 为“0 ”电平黔“0 ”，s = “1 ”， 触发器置“1 ”。v o = q = i ，输出高电平。同时，由于o = o ，放嘏管t l 截止，电 容e 开始充电，进入誊稳态l 。一般多谐振荡器懿王俸过糕必4 个羚段，凌 以5 5 5 定时器构成的振荡器柬说明。 ( 1 ) 暂稳态i 。_ 电容c 由阐路v c c r c 一地充电，充电时问常数t i = r + 粒c ，惫容e 上毫霞v c 随辩闼t 按撵数媛捧上舜，趋两v c c 镶，在鼗除 段内，输出电压v o 暂稳农高电平。 ( 2 ) 自动翻转i 。电容上电位v c 上升别2 3 v c c 时，由于s = “o ”，r = “1 ”，僮籁发器霄“o ”。毽由“l ”一“0 ”，输鑫奄匿￥o 由高电平魏转必 低电乎，电容e 的充电过程结柬。 太瓣理互是学颇_ i 学位论文 ( 3 ) 暂稳态i i 。由于此轧q = “o ”，q = “l ”，因此放电管t l 导通且 饱和，电容c 通过回路c r b 一放电管t 1 一地放电，放电时间常数t 2 = r b c ( 忽略tl 管饱和电阻r c e s l ) ，电容上电位v c 按指数规律下降，趋向 o v ，同时使输出电压v 0 暂稳在低电平。 ( 4 ) 自动翻转i i 。当电容上电位v c 下降到1 3 v c c 时，s = “l ”，r = “0 ”， 触发器置“1 ”。q 由“o ”一“l ”，输出电压v o 由低电平跳转为高电平， 电容c 的放i u 过程结束。出于0 = 0 ，放电管t l 截止，电容c 义j i ：始允电， 进入暂稳态i 。以后，电路重复上述过程，来回振荡，其工作波形如图2 3 4 所示。 2 拿 董 3 o 图2 3 4 多谐振荡器的工作波形 由上述分析，在电容充电时，暂稳态持续时间为 t 。= 0 7 ( r + r 。) c 在电容c 放电时，暂稳态持续时间为 t ：= o 7r b c 因此，电路输出矩形脉冲的周期为 t = t ，+ t ：= 0 ，7 ( r + 2r ，。) c 输出矩形脉冲的占空比 。：生生 1 尺 + 2 冠8 。，。；一。一一。：查塾銎玉生i ! ! 丝：! 鲎竺堡墨二： 可以通过调节r 和r b 的值来调整占空比。在本系统中r 。r ：接在一 拨码开关上，可以调节6 、7 脚间接钓电阻，通过调节和r fr 。来调节 占空比，使后接的继电器出现吸合和断开状态状态。 在本系统中的控制电源电路是继电器、接触器等感性负载它们在断 丌的瞬| 日j ，电感线圈要产生很高的感生电动势。这个很高的电动势本身既 能在线路上造成电磁感应干扰，又能造成接点间电火花或电弧干扰，影响 单片机的讵常工作，甚至“死机”现象。其原因是电磁线圈中原来存储了 定的磁场能量，切断它的电路时，由于电源加于感性负载中的电流由一 ? 定数量突变为零，因而电流变化率非常大，因为e 1 = 一三半。所以，感性 刎 负载就会产生一个很高的反电动势。这个反电动势有阻止电流变化，维持 电流继续流动的趋势。 我们采取的抑制措施是：在线圈两端并联吸收装罱。具体措施如下图 所示，是在继电器线圈两端并联放电二极管。在电源给线圈正常供电时， 二极管反向截止，阻值极大，可以近似地看作开路；当切断电路的瞬间， 二极管对反电动势而言，是正向连接，阻值很小，从而实现了给反电动势 提供通路，使之不再加于接点之间的要求，以消耗掉切断线圈所释放的磁 场能量。出于二极管的正向电阻很小，所以电流衰减较慢，切断电源后需 经一定延时后才能使电磁继电器动作。采用这种做法能量损耗小，瞬变电 压低，电源和二极管的极性相对关系不可任意改变。对于二极管的选择， 一定要保证其最大正向电流i - 小于电磁继电器的正常工作电流i 。；反向击 0 穿电压v 。大于施加在线圈上的电源电压e ，般选取：i ( 1 5 2 0 ) i 。， v 。( 1 5 2 o ) e 。 9 太燎强- 于人学硕i ：学位论文 图2 3 55 5 5 定时电路 二、看门狗复位电路 在恶劣的工业现场中长期运行的微机系统肩负着重要的使命，不允许 有丝毫的差错，这就要求系统本身有自诊断、自免疫及自修复的能力。所 谓”自诊断”是指在线系统的各个部件品质如发现异常则报警或提示，以便 维修。“自免疫”是指能够随时抵抗工业现场环境中的电磁干扰、电网尖 蜂或浪涌干扰、尘埃、有害气体及振动等等，工控微机系统也会因不可预 测的因素造成故障。例如死机现象等这类故障也称为飞程序。这种自免疫 能力是抵抗工业现场中各种干扰的最积极最有效的方法。单片机由于受到 干扰而失控，引起程序乱飞，有时可能使程序陷入“死循环”。指令冗余、 软件陷阱等软件抗干扰技术都不能使失控的程序摆脱“死循环”。通常单 2 0 焘藩撩王舂学臻上学链论文 片橇鹳应臻程净采爝程痔簸撬鼓零，又称“番门狻”鼓本，镬程枣脱离“瑟 循环”。 “看门狗”技术就是不断监视程序循序远行时阊，若时间超过已知的 循环设定靖蠲，赠认为程痔己錾入“琵德环”，然嚣强遣程跨返醚到0 0 0 0 1 - 1 入口。在0 0 0 0 h 处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正轨。 薇本系统设计巾我们选用美国m a x i m 公司推出的微处理监控芯片 m a x i m 8 2 4 ，它其奢以下萌能： ( 1 )在微处理嚣上电、掉电及低愿供电时。产生一个复位输蹬信号。 ( 2 ) 具有看门狗电路，该电路的外触发脉冲时间伽隔超过1 6 s 时，将 产生一个复使输出。 在本电路设计巾我们将p 1 7 日接到m a x i m 8 2 4 芯片抟看门狗输入端 w d i 。单片机正常工作时，p 1 7 口定期( 小于1 6 s ) 改变w d i 输入端的电 平( 在程序中加两条语句：c p lp 1 7 ) ，使看门狗电路不发滋复位信号。当 由予菜秘于捷瑟出现“甄枫”隧，单片枧将不定期敬变w d i 电警，蕾f l 狗电路便会在1 6 s 后产生一个复位信号，使单片机复位。待经过2 0 0 m s 复位脉宽后，单片机复位结束，程序从0 0 0 0 h 开始踅新执行，保证了系统 涎委繁运转。 u b 2 v c c m a x 8 2 4 j r 圈2 3 6系统的复能电路图 太原理正大学硕l j 学位论文 三、外部程序存储器及数据存储器扩展 数据处理仪内部采用微处理器8 0 c 3 l ，8 0 c 3 1 礴帮有2 5 6 个字节的 r a m ，无r o m 。对于水文上测量规范要求的大容量存储并不满足。因此， 设计中需外扩程序存储器及数据存储器。 本电路中选用的程序存储器是2 7 6 4e p r o m ，容量是8 k 。数据存储器 选用h k l 2 3 5 ，其容量为2 5 6 k 。特点是：存储速度 i 0 年；低功耗性，工作电流 数据指针d l _ 也是 1 6 位的寄存器，这样，就使8 0 c 5 1 单片机具有6 4 k b 的数据存储器扩展能 力。下面分别对两种存储器简单介绍一下。 1 片内数据存储器 片内数据存储器是最灵活的地址空问。它在物理上又分成两个独立的 功能不同的区。 片内数据r a m 区：对8 0 c 5 1 型单片机，为地址空间的低1 2 8 b ； 对8 0 c 5 2 型单片机，为地址空间的低2 5 6 b ： 特殊功能寄存器s f r 区：地址空间的高1 2 8 b 。 对于8 0 c 5 2 型单片机，高1 2 8 b 的r a m 区和s f r 区的地址空间是重叠 的。究竟是访问哪一个医是通过不同的寻址方式来加以区别，即访问高 1 2 8 br a m 区时，选用间接寻址方式；访问s f r 区，则选用直接寻址方式 太原理王大学颂： ：学位论文 | 器 吖 2 5 5 2 5 52 4 8 s f r 位4 址区 1 2 8 1 3 51 2 8 4 8 用户区 1 2 71 2 0 位寻址区 3 2 70 r 7 r o 3 组 2 4 r 7 、r o 2 组 1 6 8 r 7 、r 0 1 组 0r 7 0 组 图3 1 2片内数据存储器各部分地址空间分布图 ( 1 ) 片内数据r a m 区 在片内数据r a m 区，根据不同的寻址方式又可分为以下几个区域： 工作寄存器：这是一个用寄存器直接寻址的区域，指令的数量 最多，均为单周期指令，执行的速度最快。片内数据r a m 区的3 l ( 0 0 h 1 f h ) ，共3 2 个单元，是4 个通用工作寄存器组，每个组包含8 个8 位寄存器，编号为r 0 r 7 。在某一时刻，只能选用一个工作寄存器组使用。 本程序经常用到工作寄存器。比如在秒中断中： c l rr s l s e t br s 0 ：选用工作寄存器1 为当前工作寄存器，单元地址为0 8 h 、0 f h m o yr 0 并3 0 h m o vr 2 ，8 4 8 太原理工大学硕上学位论文 位寻址区：从片内数据r a m 内的3 2 , - - 4 7 ( 1 0 h 2 f h ) 的1 6 个字节 单元，共包含1 2 8 位，是可位寻址的r a m 区。这1 6 个字节单元，即可进 行宁节寻址，又可实现位寻址。 2 l h 存放按键的种类。比如说( 2 1 ) = 钓，表示是冰厚键按下，进行字 节寻址。2 0 h 中0 位存放秒中断标志，秒中断到来时置位此位，处理完 后，复位此位，用位寻址。 字节寻址区：从片内数据r a m 区的4 8 1 2 7 ( 3 0 h 7 f h ) ，共8 0 个字节单元，可以采用直接字节寻址的方法访问。用户可以使用此部分空 间。 本系统中将当前要显示的八段码放到3 0 h 3 7 h 中。 堆栈区及堆栈指示器：堆栈是在片内数据r a m 区中，数据先进后 出或后进先出的区域。堆栈指示器在8 0 c 5 1 中存放当前的堆栈栈顶所指存 储单元地址的一个8 位寄存器。 堆栈共有两种操作：进栈和出栈。不论是数据进栈还是数据出栈，都 是对栈顶单元进行的，即对栈顶单元的读和写操作。 系统复位后，s p 内容为0 7 h 。通过软件对s p 的内容重新定义，使堆 栈区设定在片内数据r a m 区中的某一区域内，堆栈深度以不超过片内 r a m 空间为限。在本程序中，m o vs p ，# 6 0 h ，设定堆栈新的地址。 堆栈是为子程序调用和中断操作而设立的。其具体功能有两个：保护 断点和保护现场。在8 0 c 5 1 单片机中，既有与子程序调用和中断程序相伴 随的自动进栈和出战，还有对堆栈的进栈和出栈的指令操作。 ( 2 ) 特殊功能寄存器s f r 区 特殊功能寄存器s f r 是8 0 c 5 1 单片机中各功能部件所对应的寄存器， 用以存放相应功能部件的控制命令、状态或数据的区域。这是8 0 ( ；5 1 系列 单片机中最有特色的部分。 。 太腰理工大学颈士学位论文 8 0 c 5 1 系列单片机设有1 2 8 b 片内数据r a m 结构的特殊功能寄存器空问 区。除程序计数器p c 和4 个通用工作寄存器组外，其余所有的寄存器都 在这个地址空| 、j 之内。 2 片外数据存储器 片外数据存储器是在外部存放数据的区域，这一区域用寄存器间接 寻址的方法访问，所用的寄存器为d p i r 、r l 或r 0 。 当用r i 、r 0 寻址时，由于r i 、r 0 为8 位寄存器，因此最大寻址范 围为2 5 6 b ：当用d p t r 寻址时，由于d p t r 为1 6 位寄存器，因此最大寻 址范围为6 4 k b 。 本系统采用了非易失片位数据存储器h k l 2 3 5 来存储历史数据，以备 在适当的时候调用和打印。 数据采集仪程序分为三个模块：主程序模块、秒中断模块、通信中断 程序模块。每个模块分别完成相对独立的系统功能，其中有的模块还包含 一些子模块，既相互独立又相互联系，低级模块可以被高级模块调用。其 总体性能如下： 1 可以对数字信号进行采集、存储、打印、信号通信、实时时间 和r 期、模拟l e d 显示。 2 每分钟处理一次，每l o 分钟( 或根据需要) 存储、打印一次 实时数据。采用非易失性r a m 集成电路h k l 2 3 5 ，存贮容量为2 5 5 k ，码 存贮信息在掉电情况下可保存1 0 年以上。 t 3 通过面板8 位l e d 可对采样时间、日期、冰厚等进行显示。 4 5 位l e d 进行物理量显示，分辨精度可达厘米级，最大量程 为9 9 9 9 9 m 。单路处理量程可由软件设定，分辨精度为l c m 。 5 内部配置有标准r s 2 3 2 通信接口，可通过光纤与上位机直接 进行数据通信( 波特率为9 6 0 0 b p s ) ，也可以通过外置m o d e m 进行远程 太鲰理t 人学硕i 学位论义 数据通信。 6 键盘控制：通过面板设置按键可以进行基准设最，可以设置时 问和f 1 期。 7 1 6 键、8 个8 段l e d 数码显示器、2 个工作状态显示l e d 发 光二极管。 其下位机显示格式如下：f 2 3 】 1 工作状态显示l e d 发光二极管依次为：采样、通信发光二极管。 采样：当程序到3 0 秒时，根据秒中断奇、偶次数，采样l e d 发光二 极管亮暗交替点亮，表示系统进行正常的采样、数据存贮及处理。 通信：仪器响应通信中断后，该指示灯点亮：通信结柬即熄泵。 2 l e d 数码显示器8 个：对应的显示代码暂存区为8 0 3 1 内部r a m 存储单元3 0 h 到3 7 h 。如表3 1 2 所示： 表3 1 28 0 3 1 中3 0 h - 3 7 h 个单元字节对应显示内容 3 0 h 3 l h 3 2 h3 3 h3 4 h3 5 h3 6 h3 7 h 姓4 1 ， 1 0 21 0 11 0 01 0 。11 0 。2 符 i o 圭e i o年，时百米1 0 月1 1 0 分月9 米1 0e l 1 0 秒 t 秒厘米 时l o 米，分米 3 2 主程序 主程序流程图见附录l 。主程序是整个数据采集仪处理数据程序的核 心。 差程序的功能如下： 1 根据秒中