巡检仪设计方案.doc

1 引言在当今工业化大生产日趋发张的过程中，检测生产过程温度变化的智能温度巡检仪也被赋予很大的作用，在生产工业生产中起着不可替代的作用。目前温度巡检仪的设计技术已基本成熟，设计方案也各种各样，许多心的设计方案也层出不穷，当然随着当今电子技术的不断进步，温度巡检仪的设计也只能是越来越自动化、智能化，在生产中所发挥的作用也会更加的高效。随着社会的发展和超大规模集成电路的出现，与其他独立的电子元件相比，单片机具有体积小，价钱便宜，控制能力强等优点，在工业、消费品、军事、通讯等领域的应用越来越广泛，利用单片机来设计的新产品实现不同程度的智能化将是历史发展的趋势，各种各样的设备也将会随着单片机的发展而更新换代。应用单片机来设计的新产品具有新颖，结构紧凑和设计灵活、方便等特点。2 总体设计2.1.硬件总体方案主机电路采用以8位单片机为核心的方案，片内要有足够多的资源，尽量减少扩展外部功能芯片，减小体积，降低造价。单片机要有如下资源： 1.足够的片内程序存储器，容量不小于20kb 2.足够的片内数据存储器，容量不小于256b 3.定时器/计数器不少于3个。（通讯和a/d转换要求）。 4.中断源不少于3个 5.有串行通讯接口 6.有通用i/o接口为保证测量精度，前向通道a/d分辨率不低于12位。为了降低造价，8路温度通道通过多路开关技术，公用一个放大器、一个转换器。后向通道的多路模拟量输出，采用一个d/a转换器，路保持器，利用软件定时刷新的方法实现多路模拟量输出。人机接口的显示器采用led数码管，其亮度高，有效观测距离远，成本低。按键采用薄膜按键，手感好，寿命长。 通讯接口采用rs-485传输技术，方便按照总线式网络拓扑组成局域测量网络，而且rs-48传输技术成熟，成本低。2.2软件总体方案软件任务比较简单，不需要嵌入操作系统，主要包括监控程序、人机服务程序、数据采集处理程序、通信服务程序几部分。为了保证实时性要求，提高运行效率，采用asm51汇编语言编制。2.3外形结构方案 按盘装仪表结构设计，其外形结构尺寸、安装尺寸、安装方式、接线方式与常规测试仪表保持一致，便于替代传统测试仪表。3 硬件系统设计8路温度巡检仪的硬件由主机电路、前向通道、后向通道、人机接口电路、通信接口及供电电源几部分组成，如图所示。其中，主机电路由cpu、数据存储器、程序存储器、eeprom存储器、定时器/计数器、通用异步串行收发器、中断控制器、wdt定时器及通用并行接口等部件组成；前向通道电路由pt100转换电路、滤波电路、多路模拟开关电路、放大电路、a/d转换电路组成；后向通道电路由d/a转换电路、多路模拟开关电路、v/i转换电路、继电器驱动电路组成；人机接口电路由按键和led数码管组成；通信接口电路由rs-485接口电路组成；供电电源电路分别向系统数字电路提供逻辑5v电源，向模拟电路提供12v与5v模拟电源。3.1主机电路设计主机电路中主要包括at89c55wd单片机和x5045芯片，就可以满足系统对硬件资源的需求，硬件电路原理图2-3所示。上电复位：若图中电阻取wk，当系统上电时，将在的引脚产生一个高电平有效的复位信号，该信号接到单片机的复位引脚，实现单片机的上电复位。电源电压监测：工作时，监视跌落到一个确定的数值时，的复位引脚将发出一个高电平有效的复位信号，使单片机复位。只要跌落到一个确定的数值以下，并保持在以上时，能够发出单片机需要的高电平的复位信号，保证单片机可靠复位。这就保证在一旦跌落到单片机允许的工作电压以下时，单片机处于复位状态，否则单片机此时可能执行某些错误的指令，产生不可预料的结果。选定跌落到多大数值时，产生复位信号，可以通过对编程决定，一般采用出厂时默认的数值即可。超时周期选择：内部的超时周期有个数值可以编程选定，即、。的超时周期决定了单片机从“死机”状态恢复为重新运行所需的时间。理论上讲，这个时间越短越好，但对于慢速系统来讲，太短的时间不是很有实际意义。时间选得越短，单片机正常运行时，访问的时间间隔也越短，会增加的负担。3.2前向通道电路设计前向通道的任务是接收温度传感器pt100铂电阻的信号，将其转变为单片机能够进行处理的数字信号，由信号转换电路、动态稳零电路、多路模拟开关、阻抗匹配电路、放大电路、a/d转换电路等几部分组成。原理框图如图2-6所示，硬件电路如图2-7所示。3.2.1信号转换电路信号转换电路由图2-7中的9个惠斯登电桥组成（由于图面所限，图中仅绘出第1个、第2个和第9个），实现将8路pt100温度传感器输出的电阻信号转换为电压信号。其中，第1个惠斯登电桥没有外接pt100传感器，设臵它的目的是为动态稳零电路提供零信号（详见5.动态稳零电路）。余下8个惠斯登电桥的工作原理完全一致，这里以第2个电桥为例，它由r5、r6、r7、c3、c4组成。来自pt100温度传感器发出的电阻信号以3线形式接到a1、b1、c1处，a1接pt100的一端，b1、c1接pt100的另一端，于是由pt100、r5、r6、r7构成一个惠斯登电桥，如图2-8所示。当检测到温度变化时，pt100的阻值发生变化，在a、b点对应产生一个变化的电压abv。实现了r/（电阻/电压转换）转换。电路中标有r的3个电阻，是pt100从现场三线连接到仪表的线路电阻。3.2.2a/d转换电路 a/d转换硬件接口电路如图2-13所示。icl7135仅通过两根线与at89c55相接，仅占用at89c55t1、t2两个计数器及外部中断int1。(1) a/d转换结果的读取icl7135的时钟信号源于at89c55的t2计数器方波输出，同时接至at89c55的t1，利用t1计数器记录busy为高电平时的时钟周期数。busy信号接至at89c55的外部中断int1，其意图有两个。第一，控制t1计数。当t1计数器工作于方式1时，通过软件设臵gate控制位为“1”时，t1计数受int1控制，当int1（既busy）为高电平时，t1可对来自外部的脉冲（既icl7135的时钟周期）计数；int1为低电平时，停止计数。第二，在busy信号由高电平跳变为低电平瞬间，以中断形式通知cpu，以读出a/d转换后的数字码。（2）驱动程序a/d转换结果的读取 icl7135的时钟信号源于at89c55的t2计数器的方波输出，让at89c55通过p1.0引脚，为icl7135提供250khz时钟信号时，编程设定at89c55的t2工作于方波产生器方式。当at89c55晶体振荡器取12mhz时，编程如下：movt2con，#04h；t2工作于方波产生器方式movt2mod，#02hmovrcap2h，#0ffh；输出方波频率为250khzmovrcap2l，#0f4ha/d转换结果读出程序如图2-13所示，当busy信号由高跳变到低时，将触发int1中断，在int1中断服务程序中将a/d转换结果读出，存放于内部ram30h、31h中。int1_isr：pushpsw；保护现场pushaccmova,tl1；t1计数减去10001（2711h）后送30h，31h中clrcsubba,#11hmov31h,amova,th1subba,#27hmov30h,amovtl1,#0；清零t1movth1,#0popaccpoppswreti3.3后向通道电路设计后向通道电路由420ma模拟量输出电路与超限报警开关量输出电路两部分组成。3.3.1.420ma模拟量输出电路该电路是将所检测的每路温度都对应地输出一个与之成线性关系的420ma电流信号，以便根据需要供给调节器、记录装臵或dcs系统。硬件电路设计如图2-15所示。3.3.2超限报警开关量输出电路当某路温度超过设定的报警值时，输出一个机械接点信号，便于连接声、光报警装置，进行报警提示。如图2-17所示，利用单片机p3.6引脚控制上限报警接点输出，p3.7控制下限报警接点输出。以上限报警为例，当温度超过上限报警值时，令p3.6为“0”，则三极管导通，继电器j1得电，使接点动作；当温度低于上限报警值时，令p3.6为“1”，则关闭上限报警。3.4人机接口电路设计人机接口电路由按键接口电路与显示器接口电路组成。3.4.1按键接口电路通过仪表前面板上的按键操作，可以查看检测的温度、报警设定值等参数，也可以向仪表内输入一些数据。例如，输入报警设定值、转换输出20ma时对应的温度值、巡回显示时间间隔等数据。仪表按键接口电路如图2-18所示。3.4.2led显示接口电路在仪表的前面板上设计了6位共阴极led数码管显示器，用于显示各路实测温度和设定参数。为了尽量减少仪表的硬件开销，采用了动态刷新显示方法。如图2-20所示。6位led数码管显示器各有8个显示段，每位led数码管相同的段连在一起，由一个i/o扩展芯片u2统一进行段驱动，而各位的共阴极com端则由另一个i/o扩展芯片u1进行位驱动。要在某位显示某一字符，需要由单片机通过数据总线使u2锁存8段显示码，u1锁存位选码。6位全部显示时，需要从第1位到第6位逐位分时进行上述操作，每一位led数码管一次占用一个显示周期的1/6等份时间。理论上，只要显示周期小于人的视觉停留时间100ms，就可以获得连续的显示效果。但工程上，最好将显示周期控制在20ms之内，若大于这个时间，则显示效果可能给人不柔和、“眨眼”的感觉。3.5通信接口电路设计智能仪器设计，必须考虑对某种网络的支持，方便构成局域测控网络，以便实现更高程度的集中监控和更大范围的数据共享。本例设计了以max487e芯片为收发器的rs-485总线通信接口电路，如图2-23所示。当max487e的接收控制端re为低电平时，能将来自引脚6、7上的rs-485差分信号转变为ttl信号，从引脚1输出，传送到单片机的rxd端；当发送控制端de为高电平时，将单片机rxd端发出的ttl信号转变为rs-485差分信号，从引脚6、7端输出，传送到rs-485通讯网络中。控制端re与de连接在一起，受单片机p1.7的控制：当p1.7为高电平时，本机处于发送状态；当p1.7为低电平时，本机处于接收状态。在相应的通信协议和软件支持下，方便构成主从式通信网络。4软件设计4.1人机服务任务与主程序人机服务任务是实现仪器的操作使用，人机服务程序安排在主程序中运行。一开始执行主程序时，需要首先运行系统初始化程序，初始化程序仅需开机时运行一次。主程序仅包括初始化程序和人机服务程序。人机服务程序流程图如图2-24所示。人机服务程序与主程序编制如下：dis_stateequ40hmian：movsp，#0bfh ；设定堆栈指针 lcallinit；调用系统初始化程序m1： jnbs1_lab，m2 ；s1_lab是1秒时间到标志，在中断服务程序中每1秒置1次 clrs1_lab；清除1秒时间到标志 lcalldisplay；实测参数刷新m2：lcallscan_key ；扫描按键 cjne，1，3；是“”键按下 lcalldis_set_data；是，进入设定值显示状态 ljmpm1；转去实时参数刷新显示和扫描按键m3： cjnea，#2，m4；“”键按下 lcalldis_s_tem；是，进入定点显示状态 ljmpm1；转去扫描按键m4： cjnea，#3，m5；“”键按下 lcalldis_r_tem；是，进入巡回显示状态 ljmpm1；转去扫描按键m5： cjnea，#4，m1 lcallset_data；进入参数设定 ljmpm14.2数据采集与温度计算程序根据图2-7与图2-13，每个通道a/d转换结束时，都以中断的形式通知cpu，每个通道的数据采集与温度计算都在中断服务程序中完成。一共用了9路数据通道，0路为动态零点数据，18路为8路温度数据。每次采集数据通道的通道号，都存储在“ch_no”单元中。每次采集的数据首先经过预处理，在预处理中减掉10001个数字码（原因在前向通道关于a/d转换设计中有详细叙述），剩余的为二进制数形式的a/d转换数字码。为便于后级温度计算，还要将二进制数转换为bcd码形式。接下来进行动态稳零处理，即将该通道的a/d转换数字码减去零点数据，则差值是消除了运放漂移影响的、由现场实测温度决定的数据。最后进行温度计算，且通过多路开关为a/d转换器打开下一通道。流程图如图2-25所示。编程如下：pol_lab bitp3.3；icl7135完成a/d转换后的极性输出1为正，0为负zero_pol_labbit 03h；稳零通道的极性存储，1为负，0为正 ch_no equ 50h ；数据采集通道号存储单元 tem_bufequ4ch；各路温度存储单元data_bufequ5c；a/d转换数据经预处理后存储单元int0_isb： pushpsw；保护现场 pushacc pushb pushdph pushrs1 clrrs0 ；使用两组工作寄存器 lcall data_treat；数据预处理 mova，ch_no；查验是否为0通道 cjnea，#0，int0_isb1 setbpol_lab；将0通道的正负极性存于zero_pol_lab中 ；0为正，1为负 movc，pol_lab cplc movzero_pol_lab，c movdata_buf，r5；将动态零点数据存于data_buf中 movdata_buf+1，r6 ljmpint0_isb2int0_isb1： lcallczer0；动态稳零处理 mova，ch_no；将处理后的数据存于data_buf相应的单元中 rla adda，#data_buf mov r0，a movr0，cbuf+10h；cbuf+10、cbuf+11存储处理后的2b数据 ；cbuf为计算缓冲区 incr0 movr0，cbuf+11h lcallctemr；计算该通道的温度值lcallopen_next_ch；打开下一通道int0_isb2：movtl1，#0；t1计数器清零movth1，#0；恢复现场popdplpopdphpopbpopaccpoppswreti ；中断返回数据预处理子程序：data_treat：mova，tl0；减去10001clrcsubba，#11hmovtl0，amova，th0subba，#27hmovth0，amovr2，