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多功能数字调节器毕业论文 绪论21.1 设计背景21.2 仪表的功能2 总体设计4 多功能数字调节器的介绍53.1 数字调节器实现的功能53.2 各部分的组成63.2.1输入与输出信号63.2.2控制面板结构83.2.3设置9 系统硬件设计114.1 输入电路124.1.1多路模拟开关的选型134.1.2 A/D转换器ICL7135的电路设计144.2 主电路174.2.1单片机的选择184.2.2 ROM的扩展194.2.3计数器CD4040204.2.4定时器 82C54214.3 输出电路224.4 报警、显示电路244.4.1报警介绍244.4.2继电器介绍254.4.3 ICL7135264.5 通信模块27 软件设计305.1 C语言的特点与优势305.1.1 语言的选择305.1.2 汇编语言的特点与优势31结 论36致 谢37参 考 文 献38附录(一)39附录(二)40 绪论1.1 设计背景 多功能数字调节器它属于智能仪表系列，是在总结国内外智能仪表的基础上，结合国内工业现场的应用特点，运用华斯奥特人的智慧而研制的最新一代智能仪表。目前该仪表首倡了两项国内国际第一：第一个在智能化仪表中大胆引入了模块化集成概念；第一个在智能仪表中采用了全贴片式的焊接工艺。基于以上优势，仪表具有如下主要特点： 仪表现场运行的稳定性、可靠性，仪表的抗干扰性及拥护对仪表的维护能力都得到了大幅的提升。而且在仪表的外观，结构，工艺和操作界面的人性化上都做了较大程度的改进，给用户在安装和维护上带来了极大的方便。u 操作简单，通用性强，一表多用。用户通过键盘设置，可实现多种信号类型输入。u 软件自动校零，消除温漂和时漂引起的测量误差。u 仪表采用数字滤波技术，能够识别，抑制工况系统中测量信号伴随的低频扰动及规则干扰源从而提高了抗干扰能力。u 输出自由可选：继电器触电输出模拟量变送输出；+24VDC电源馈电输出。u 具有软件自动监测故障，报警功能。u 模块化结构，贴片式封装，使仪表美观大大方，抗干扰能力强。u 采用卡入式结构设计，便于安装维修，调换；安装尺寸与国内国外仪表通用。 由于数字调节器在石油，化工，电力，冶金上的广泛应用，在熟悉数字显示仪表的基础上，对数字调节器进行设计。通过对数字调节器的设计，可以综合全面的掌握我们过去所学到知识，是对所学知识的汇总与强化。1.2 仪表的功能多功能数字调节器采用新型单片机作为中央处理器，对PID调节、输入信号、显示、键盘操作等进行处理。调节器控制功能除采用连续PID调节外还具有多种特殊调节功能，各参数均可通过键盘自由设定。可对输入信号进行多种处理。高分辨的A/D转换器使调节器具有很高的测量精度。采用万能输入，输入方式灵活。输出控制信号可是420mA电流信号，也可是固态继电器控制信号。调节器还具有变送、配电和RS485通讯功能，可方便地与上位设备及其他仪表组成控制系统。该仪表具有软件校正功能，可精确方便的进行精度校正，提高了仪表的精度，同时也提高了仪表的可靠性。数字调节器采用模块化设计技术，功能强大，易学易用。该仪表是一种高性能价格比的新型调节器，广泛适用于石油、化工、电力、冶金等工业领域的生产过程控制，可对温度、压力、流量、液位等各种工程物理量进行测量、显示和控制。调节器共有两种状态：运行状态（含报警和异常）及设置状（校正）。调节器上电或复位时直接进入运行状态。显示PV和OUT值，控制状态为手动，输出为0%。设置分为一级设置和二级设置，每级均有各自的密码，所需设置的参数相应分为一级参数和二级参数。一级参数是在运行过程中需调整的参数，二级参数是在运行过程中不允许修改的参数。在设置状态控制程序停止运行，输出参数保持进入设置状态前的值。在设计过程中一个突出的矛盾是在低成本、小空间以及十分有限的资源基础上实现高性能和多功能，以及如何通过低速器件实现实时控制。 总体设计 设计中对数字调节器的功能做一些详细的阐述，多功能数字调节器可对温度、压力、流量、液位等各种工程物理量进行测量、显示和控制。在显示和控制方面操作简单，只需对键盘进行简单的操作就可实现所需的控制。在应用过程中要对数字调节器首先进行设置，设置分一级设置和二级设置，对数字调节器的设置做了简要的叙述。设计把主要工作放在了对数字调节器的内部结构的设计上，包括了对原理图中整体介绍，其中包括对输入电路，主电路，输出电路的详细介绍。这部分电路主要以单片机AT89C52为中心，外加对模数转换器，定时器，计数器等的设计。这部分电路主要是原理图的核心部分，要对其作详细的介绍。其次数字调节器还具有显示和报警的功能，这也是数字调节器的一个重要功能，当输入信号超过了规定的范围时，数字调节器就会产生报警，报警是通过继电器进行报警的，报警时报警指示灯就会亮，论文中对这部分电路做了详细的介绍。对于显示电路论文也做了简单的叙述，显示主要通过芯片ICL7135来控制。所以论文的主要设计思路放在了对数字调节器的工作原理和内部结构的详细设计，最后对其程序的运行做了大量的工作。 该设计中所用到的知识涉及到单片机，定时器，计数器，光耦，模拟开关等方面的知识。在软件设计中还用到了单片机C语言编程。计算机控制技术，PLC技术，误差理论等技术在设计中业有所体现，在原理图方面主要用PROTEL99SE对原理图进行绘制。从而对数字调节器做了深入的解剖与分析。 多功能数字调节器的介绍3.1 数字调节器实现的功能多功能数字调节器采用新型单片机作为中央处理器，对PID调节、输入信号、显示、键盘操作等进行处理。调节器控制功能除采用连续PID调节外还具有多种特殊调节功能，各参数均可通过键盘自由设定。可对输入信号进行多种处理。高分辨的A/D转换器使调节器具有很高的测量精度。采用万能输入，输入方式灵活。输出控制信号可是420mA电流信号，也可是固态继电器控制信号。调节器还具有变送、配电和RS485通讯功能，可方便地与上位设备及其他仪表组成控制系统。该仪表具有软件校正功能，可精确方便的进行精度校正，提高了仪表的精度，同时也提高了仪表的可靠性。数字调节器采用模块化设计技术，功能强大，易学易用。该仪表是一种高性能价格比的新型调节器，广泛适用于石油、化工、电力、冶金等工业领域的生产过程控制，可对温度、压力、流量、液位等各种工程物理量进行测量、显示和控制。调节器共有两种状态：运行状态（含报警和异常）及设置状（校正）。调节器上电或复位时直接进入运行状态。显示PV和OUT值，控制状态为手动，输出为0%。设置分为一级设置和二级设置，每级均有各自的密码，所需设置的参数相应分为一级参数和二级参数。一级参数是在运行过程中需调整的参数，二级参数是在运行过程中不允许修改的参数。在设置状态控制程序停止运行，输出参数保持进入设置状态前的值。在设计中采用了积分分离PID，可获得比一般PID更好的调节效果。在设计过程中一个突出的矛盾是在低成本、小空间以及十分有限的资源基础上实现高性能和多功能，以及如何通过低速器件实现实时控制。多功能数字调节器与现有同类型数显调节器的功能基本相同，其基本功能如下: IO基本功能控制输入信号PV：1点 万能输入。控制输出信号AOI：1点 4mA20mAd.c. PWM：1点 固态继电器控制输出。报警输出信号：2点 继电器触点输出。I/O选用功能外给定信号RSP：1点 4mA20mAd.c.或1V5Vd.c.变送输出AOV：1点 1V5Vd.c.配电输出：1点 24Vd.c. PV信号输入处理 线性化：调节器对热电偶或热电阻信号自动进行线性化处理。 开方：带小信号切除。 数字滤波：滤波时间常数为0.0s999.9s。 报警：2点 报警类型由用户设定。 控制算法PID具有以下功能： 偏差PID或微分先行PID 串级 比率、偏置 积分分离 积分限幅 偏差报警 非线性调节 多种跟踪 手动(MAN) 可进行手动操作和手动/自动无扰切换。 脉宽调制(PWM) 用于时间比例调节，脉冲周期可人为设置。(4) 通信功能 (选用)调节器可通过RS485通信接口与上位设备进行通信。3.2 各部分的组成3.2.1输入与输出信号多功能数字调节器有多种输入信号，其输入信号的种类由下表所示：序号信号种类测量范围01热电偶 K01300 02 E01000 03 J01000 04 T040005 B500180006 S0160007 R0170008热电阻 Pt100-200600 09 Pt100.0-99.9200.0 10 Cu100-50.0150.0 11 Cu50-50.0150.0 12远传电阻 30350 W-19999999 d13直流毫伏 020mV-19999999 d14 050mV-19999999 d15 0100mV-19999999 d16 0200mV-19999999 d17电压信号 15V-19999999 d18 05V-19999999 d19电流信号 420mA-19999999 d20 010mA-19999999 d21 020mA-19999999 d表3.1 输入信号种类数字调节器的输出信号有控制输出：4 mA 20 mA d.c. (负载电阻600) 或 脉宽调制信号(触点容量：24V d.c./1A) 变送输出：1V5Vd.c.或4mA20mA(负载电阻600)可选。 直流24V输出，负载30mA报警输出：1组2组继电器输出。 触点容量：220V a.c./3A或24V d.c./6A 报警方式：下下限、下限、上限、上上限。3.2.2控制面板结构 M/A/C AH PVALSP/OUT SP/OUTMCC CCCCOSETT图1.1 控制面板结构上图为数字调节器的控制面板图形结构图，其具体功能如下： 显示： 大4位数码显示 (红色) 在运行状态显示被控信号PV 。在设置状态显示设置参数代码。 小4位数码显示 (红色) 在运行状态显示给定(SP)/输出(OUT)信号 。在设置状态显示设置参数值。 注：SP信号在串级(C)状态显示的是外给定(RSP)信号。在手动(M)或自动(A)状态通常显示的是内给定(LSP)信号，此时若同时按下“MC”键和“SET”键(注意：“SET”键不可先按下)SP显示窗将显示RSP信号。 指示：LED灯4个。AH：高位报警（红色）AL：低位报警（红色）M/A/C：运行状态指示（黄色） M状态 灯闪； A 状态 灯灭； C 状态 灯亮。SP/OUT：给定值SP与控制输出信号显示切换指示（绿色） 显示SP信号 灯灭； 显示OUT信号 灯亮。异常：输入超限上限超限报警灯AH闪烁 下限超限报警灯AL闪烁 按键 “SET” ： 在运行状态进入一级设置状态。 在一级设置状态按“SET”键超过20秒进入二级设置状态。 在设置状态配合“”/“”键进行设置项的前后顺序调出。 在设置状态进行设置参数确认（写入）。 见“MC”键“”和“” ： 见“SET”键的第三项。 见“MC”键的第一项。 进行运行参数和设置参数的增/减操作。“M C” ： 进行控制状态切换。运行的初态为“M”，配合“”和“”键按MAC顺序来回切换。 在运行状态进行SP/OUT灯指示切换。 对于有外给定功能的调节器，在“M”或“A”状态下“MC”键与“SET”键同时按下时“SP/OUT”显示窗将显示外给定RSP值。 从一级设置状态返回。 在二级设置状态用于初始值调入。“” ：CPU复位。用于 从二级设置状态返回。 人为进行CPU复位。如当调节器出现异常时进行人为复位，重新启动，可消除干扰引起的偶然异常。3.2.3设置调节器有两种工作状态：设置（含校正）状态和运行（含报警和异常）状态。在首次投入运行时，进入运行状态后必须先人为进入二级设置状态对进行设置，调节器才能正常进行校正和运行。 设置类型 设置分为一级设置和二级设置，每级均有各自的密码。所需设置的参数相应分为一级参数和二级参数。一级参数是在运行过程中需调整的。进行一级参数设置时输出参数保持进入设置状态前的值。键盘操作和显示均按一级设置的规定进行。二级参数是在运行过程中不允许修改的。进行二级参数设置时仪表输出参数保持进入设置状态前的值。若这时按下MC键，仪表将对各设置项调入初始值，用户在初始值的基础上进行设置。否则，用户将在原有设置值的基础上进行设置。在用户首次设置时，最好在初始值的基础上设置。以后若需要修改设置就应在原有设置的基础上进行设置。 密码参数设置只能由仪表人员进行。因此，在按“SET”键后必须输入相应的密码才能进入设置状态。调节器内定密码见表9。名 称显示代码内定密码显示初值一级密码CL-101010000二级密码CL-209090000表3.2 设置密码 设置状态的进入和退出一级设置在运行状态按“SET”键，初始显示为一级密码代码和初值。密码设置正确，再按“SET”键进入一级参数的设置。按“”/“”键，进行参数修改（此时对手动状态的控制输出值不起作用）。再按“SET”键将设置好的参数写入调节器。同时按“SET”和“”/“”键进行设置项的前后调出，以进行其它项的修改。按“MC”键退出，返回运行状态。二级设置在一级设置状态按“SET”键超过20秒即可进入二级设置状态。初始显示为二密码代码和初值。密码设置正确，按“SET”键进入二级参数的第一项，以后的操作同一级设置。按“”(复位)键退出，从新运行初始化程序。 系统硬件设计多功能数字调节器的硬件电路按电路模块来分分为第一部分为CPU及外围处理电路，第二部分为电源变压转换电路，第三部分为信号输入处理电路，第四部分为报警电路，第五部分为信号输出电路，第六部分为显示、按键电路。按主电路来分有分为基本输入电路，主电路，输出电路三部分。各部分又由不同的芯片和元器件组成，发挥着各自的作用。为了在低成本、小空间以及十分有限的资源基础上实现高性能和多功能，对数字调节器整机的电路框图设计如下RS232 PWM转换输入电路计数器82C54输出电路 转换89c52处理器8KB ROM256字节RAM上、下限报警A/D转换ICL7135LED显示数据存储X25045键盘输入 +5V -5V +24V电源电路 220Va.c图4.1 整体电路框图4.1 输入电路多功能数字调节器可接收的输入信号包括标准电流/电压信号、热电偶、热电阻及毫伏等21种信号。为此采用了多种类型信号输入处理电路。通过两个八路模拟信号选择开关4051来分别选择输入信号种类和放大倍数，经过处理后的信号再经过高精度双积分A/D转换器ICL7135完成模拟到数字的转换。具体应用时，通过按键对输入信号种类和量程进行设置，并进行精度校正。从而实现了多信号无跳线切换及高精度转换。其具体电路如下图所示：图4.2 输入电路图4.1.1多路模拟开关的选型由于输入信号有热电阻，热电偶，远传电阻，直流电压、直流电流等不同信号，而且不同分度号的热电偶和热电阻信号所需放大的倍数也不同，所以必须根据不同的信号类型来控制模拟信号选择开关4051来选通特定的输入通道和放大倍数。模拟信号选择开关4051的A,B,C端分别由74LS373的Q0,Q1,Q2来控制,由A,B,C的BCD码来决定由哪一路信号输入。同理，另一个4051的A、B、C的值决定该信号的放大倍数。处理过后的信号经模数转换器ICL7135内部进行模拟到数字的转换后，对应的数字量输入到单片机中。下面分别对模拟开关CD4051和模数转换器的作用介绍如下：CD4051是单八路模拟开关，其引脚功能见图2。CD4051相当于一个单刀八掷开关,开关接通哪一通道,由输入的3位地址码ABC来决定。 “INH”是禁止端,当“INH”=1时,各通道均不接通。此外,CD4051还设有另外一个电源端VEE,以作为电平位移时使用,从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关,并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。例如,若模拟开关的供电电源VDD=5V,VSS=0V,当VEE=5V时,只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号,就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。图4 .3 CD4051管脚图使用CD4051应注意的3个要点： 使用单电源时，CD4051的VEE可以和GND相连。 强烈建议A，B，C三路片选端要加上拉电阻。 CD4051的公共输出端不要加滤波电容（并联到地），否则不同通道转换后的电压经电容冲放电后会引起极大的误差。4.1.2 A/D转换器ICL7135的电路设计模拟信号输入单片机之前要先经过模数转换，放大器的输出信号输入到ICL7135的INST断,经转换后将数字信号输入到单片机中.本设计采用模数转换器为ICL7135.在常用的A/D转换芯片（如ADC0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135与其余几种有所不同，它是一种四位半的双积分A/D转换器，具有精度高（精度相当于14位二进制数）、价格低廉、抗干扰等优点 . ICL7135是28脚DIP封装。其引脚功能如下：1脚(V-)-5V电源端;2脚(VREF)基准电压输入端;3脚(AGND)模拟地;4脚(INT)积分器输入端,接积分电容;5脚(AZ)积分器和比较器反相输入端,接自零电容;6脚(BUF)缓冲器输出端,接积分电阻;7脚(CREF+)基准电容正端;8脚(CREF-)基准电容负端;9脚(IN-)被测信号负输入端;10脚(IN+)被测信号正输入端;11脚(V+)+5V电源端;12、1720脚(D1D5)位扫描输出端;1316脚(B1B4)BCD码输出端;21脚(BUSY)忙状态输出端;22脚(CLK)时钟信号输入端;23脚(POL)负极性信号输出端;24脚(DGND)数字地端;25脚(R/H)运行读数控制端;26脚(STR)数据选通输出端;27脚(OR)超量程状态输出端;28脚(UR)欠量程状态输出端。其电路图如下图4.4 ICL7135电路图ICL7135的主要性能特点为： .输入阻抗达109以上,对被测电路几乎没有影响;自动校零;.有精确的差分输入电路; 自动判别信号极性;.有超、欠压输出信号.采用位扫描与BCD码输出。ICL7135的测量周期包括下列四相（节拍）：（1）AUTO-ZERO（自动调零）相在该相时，内部IN+和IN-输入与引脚断开，且在内部连接到ANLG-COMMON，基准电容被充电至基准电压，系统接成闭环并为自动调零（AUTOZERO）电容充电以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。此时，自动调零精度令受系统噪声的限制，以输入为基准的总失调小于10V。（2）SINGAL-INTEGRATE（信号积分）相在该相，自动调零环路被打开，内部的IN+和IN-输入被连接至外部引脚。在固定的时间周期内，这些输入端之间的差分电压被积分。当输入信号相对于转换器电源不反相（NO-RETURN）时，IN-可直接连接至ANJG-COMMON以便输出正确的共模电压。同时，在这一相完成的基础上，输入信号的极性将被系统所记录。（3）DEINTEGRATE（去积分）相该相的基准用于完成去积分（DEINTEGRATE）任务，此时内部IN-在内部连接ANLG-COMMON，IN+跨接至先前已充电的基准电容，所记录的输入信号的极性可确保以正确的极性连接至电容以使积分器输出极性回零。输出返回至零所需的时间正比于输入信号的幅度。返回时间显示为数字读数，并由1000（Vid/Vref）确定。满度或最大转换值发生在Vid等于Vref的两倍时。（4）ZERO-INTEGRATE（积分器返回零）相内部的IN-连接到ANLG-COMMON，系统接成闭环以使积分器输出返回到零。通常这相需要100200个时钟脉冲，但是在超范围（OVERRANGE）转换后，则需要6200个脉冲。 在小型化仪表中,应该以最少的元件完成尽可能多的任务。单片机有32个I/O口，每个口都有各自用途，都很重要。如果利用ICL7135的BCD码和STB选通信号就要占5个I/O口,而利用ICL7135的“busy”端,只要一个I/O和89C52内部的一个定时器就可以把ICL7135的数据送入单片机。 首先介绍ICL7135的“busy”端的功能。ICL7135是以双积分方式进行A/D转换的电路。每个转换周期分为三个阶段： 自动调零阶段 被测电压积分阶段 对基准电压进行反积分阶段以输入电压Vx为例,其积分器输出端（ICL7135的4脚）的波形如图1所示。图4.5 busy 波形图“busy”输出端（ICL7135的21脚）高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。ICL7135内部规定积分时间固定为10001个时钟脉冲时间,反积分时间长度与被测电压的大小成比例。如果利用单片机内部的计数器对ICL7135的时钟脉冲计数,利用“busy”作为计数器门控信号,控制计数器只能在busy为高电平时计数,将这段busy高电平时间内计数图2是MCS-51定时器的逻辑框图。 如果我们把T0规定为模式1定时器方式。定时器控制端（89C52的12脚）接ICL7135的“busy”端。这样就能实现计数器由“busy”控制对单片机1/12时钟频率的计数要求。4.2 主电路调节器核心器件采用AT89C52单片机。它同时提供了ROM、RAM、I/O口和定时器，极大地减少了外围器件和电路。由X25045提供WTD和EEPROM。由于89C52内部定时器数量不够，外加一片可编程定时器82C54产生可编程处理周期Ts。82C54的另外2个定时器通过PWM方式产生控制输出和变送输出。这样82C54的资源也得到全部利用。82C54所产生的输出信号的分辨率达到12位，其精度和分辨率均可满足技术要求。其电路图如下所示：图4.6 主电路图4.2.1单片机的选择AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。此外,AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位封装形式，AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种以适应不同产品的需求。主要功能特性32个双向I/O口 3个16位可编程定时/计数器中断 2个串行中断 2个外部中断源 2个读写中断口线 低功耗空闲和掉电模式 8k可反复擦写(1000次）Flash ROM 时钟频率0-24MHz 256x8bit内部RAM 可编程UART串行通道 共6个中断源 3级加密位 软件设置睡眠和唤醒功能AT89C52 芯片管脚图如下图所示：图4.7 AT89C52芯片4.2.2 ROM的扩展在CPU电路中所选用的单片机为89C52,其内部含有8KB的ROM,和256KB的RAM。原理图中选用了X5045既提供了WTD，又提供了EEPROM， X5045与单片机的连接如下图： 图4.8 CD5045与单片机的连接图 引脚介绍X5045的管脚图排列如下图所示，X5045有8个引脚，各引脚的功能如下：CS; 电路选择端，低电平有效SO: 串行数据输出端SI: 串行数据输入端SCK:串行时钟输入端WP:写保护输入端，低电平有效RESET:复位输出端VCC:电源端VSS:接地端 工作原理 上电复位： 向X5045加电时，会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET引脚有效，该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当VCC超过Vtrip门限时，电路将在200MS延时后释放RESET，以允许系统开始工作。 低电压监测： X5045对VCC电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小Vtrip以下时，系统确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当RESET被确认后，该RESET信号将一直保持有效，直到电压跌到1V，当VCC返回并超过Vtrip时，系统重新开始工作。 看门狗定时器: 看门狗定时器的作用是通过监测WD输入来监视微处理器是否激活，由于微处理器必须周期性的触发CS/WD1引脚必修在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发 SPI串行存储器:串行部分是带块锁保护的CMOS串行EEPROM阵列，阵列的内部组织是8位，X5045提供最少为1000，000次察写种100年的数据保存期，并具有串行外围接口（SPI）软件结构的特点。X5045通过一个8位的指令寄存器来控制器件，其指令代码通过SI输入端(MSB)写入寄存器。4.2.3计数器CD4040图中89C52的ALE引脚接在了计数器4040,4040是多位二进制输出串行计数器，多位二进制计数器主要用于分频和定时，使用极其简单和方便，原理图中单片机的ALE端接在了4040的CLK端，其中4040为一个分频计数器，计数脉冲的频率由ALE端输出经第一个4040其输出频率为计数的二分之一，输出的频率经4040的Q2端输入到ICL7135的CLK引脚上，从而为ICL7135 提供了工作时所需的频率信号，此频率为输入频率的八分之一。为了满足所需的频率信号，又级联一个4040计数器，为82C54提供器工作时所需的频率信号。，从而达到了分频的要求，其具体的连接如原理图所示。CD4040 是12位二进制串行计数器/分配器，其特点是IC内部有12个计数级，每个计数级均有输出端子，即Q0Q11。CD4040计数工作时，Q0是CP脉冲的二分频；Q2又是Q1输出的二分频，所以有频率fQ11=fCP。CD4040也可扩展更多的分频。，CD4040作增量计数。4.2.4定时器 82C54由于89C52内部定时器数量不够，外加一片可编程定时器82C54产生可编程处理周期Ts。82C54的另外2个定时器通过PWM方式产生控制输出和变送输出。这样82C54的资源也得到全部利用。82C54的管脚和工作方式介绍如下：图4.9 82C54管脚图82C54的计数频率高，可高达12MHz。片内包含3个独立的16位计数通道，每个计数通道有6种工作方式，可由程序设置和改变，所有的输入输出电平信号都与TTL兼容。82C54内部包含三个功能完全相同的通道，每个通道内部设置一个16位计数器，可进行二进制BCD码计数。采用二进制时，最大计数值为FFFH。采用BCD码计数时 ，最大计数值为9999。与此计数器相对应，每个计数器通道内部设有一个一个16位计数值锁存器，必要时用锁存器来锁存计数值。当某通道作计数器时，应将计数的次数预置到该通道计数器中，被计数的事件应以脉冲方式从CLK端输入，每输入一个计数脉冲，计数器值减一，待计数器减到0。OUT输出一信号表示计数到，。当作定时器时，从CLK输入一定的时钟脉冲根据要求定时的时间计算出定时所需要的计数值，并预置到计数器中，每输入一个时钟脉冲，计数器值减一，待减到0。OUT输出一信号表示定时时间到。 计数值定时时间时钟脉冲周期对器管脚介绍如下： 与CPU相连的管脚 DOD7 : 双向三态数据总线。 RD,WR : 读写控制信号，低电平有效。CS, : 82C54的片选信号A1,A0 : 通道地址控制信号VCCC,GND : VCC为电源输入端，5V有效。GND为接地端 通道管脚 CLK2CLK0 : 脉冲输入管脚。外部事件或定时器又用三个管脚输入。 OUT2OUT0 : 数尺管脚。当计数器减到零在OUT管脚上输出，输出波形取决于82C54的工作方式。 GATE2GATE0 : 门控信号输入管脚，这是控制计数器工作的一个外部信号，当GATE的管脚输入低电平时，通常时禁止计数器工作的4.3 输出电路82C54产生的PWM信号经光耦PC817送至滤波和输出功放电路，生成稳定的输出信号，其电路图如下图所示:图4.10 输出电路图82C54的输出信号FOUT1和FOUT2分别接入输出电路的输入端，其脉冲的宽度决定了输出信号的大小。再经光耦输出，经两个与非门送入放大器，从而输出信号。与非门在电路图中起到数据缓冲的作用，使电路的驱动能力增强。光耦在的电路图中对输入的干扰信号器到隔离的作作用对于光耦合器具体介绍如下:光耦合器的主要优点是单向传输信号,输入端与输出端完全实现了电气隔离,抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小,因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小,它所能提供的电流并不大,不易使半导体二极管发光;由于光电耦合器的外壳是密封的,它不受外部光的影响;光电耦合器的隔离电阻很大（约1012）、隔离电容很小（约几个pF）所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。线性方式工作的光电耦合器是在光电耦合器的输入端加控制电压,在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级的电路的电压。线性光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成,当发光二极管接通而发光,光敏三级管导通,光电耦合器是电流驱动型,需要足够大的电流才能使发光二极管导通,如果输入信号太小,发光二极管不会导通,其输出信号将失真。在开关电源,尤其是数字开关电源中,利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。此外,在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。电流传输比是光耦合器的重要参数,通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时,它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比4.4 报警、显示电路4.4.1报警介绍除了以上介绍的主要电路外，数字调节器还涉及到报警电路,显示电路和通信电路。报警电路主要是继电器报警，当输出信号超出指定信号范围时，报警指示灯就会亮。其中有四种报警方式。分别位上限报警，上上限报警，下限报警，下下限报警。以温度输入信号为例解释报警的分类：若数字调节器允许输入的温度信号为45度到300度。设45度为下限报警，则300度就为上限报警，使温度从45度升高。由于温度不能立即从45度开始升，要先有个下降的过程，例如下降了5度，此时就设40度时为下下限报警。同理温度要从三百度开始下降，但不能立即开始下降，要先有个升温的过程，如升了5度后开始下降，即305度时开始下降，此时就设305度为上上限报警。调节器处于报警方式1的上限报警、方式2的上上限报警及方式3的下限报警时，AH灯亮，同时报警量1输出。处于报警方式1的下限报警、方式2的上限报警及方式3的下下限报警时，AL灯亮，同时报警量2输出。（报警量1、2不会同时输出。）调节器出现偏差报警时，AL和AH灯亮，无报警输出。具体的报警电路图如下图所示图4.11 报警电路图4.4.2继电器介绍 由于报警电路属于继电器报警，首先要对继电器的工作原理要进行了解，介绍如下：继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。原理图中用到的继电器为常开触点继电器，输入端由单片机的口进行控制，其中三极管在电路图中起到一个信号放大作用，继电器吸合时电路一端的发光二极管就会发光，即显示为报警信号。4.4.3 ICL7135测量的输出信号经LED数码管显示出来，其中利用HD7279芯片管理键盘和数码管显示。显示电路如原理图所示。HD7279(A)是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵。 该芯片内部含有译码器，可直接接受16进制码，HD7279A还同时具有2种译码方式，HD7279(A)还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移特点： 串行接口 各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性 (循环)左移/(循环)右移指令 具有段寻址指令，方便控制独立LED 64键键盘控制器，内含去抖动电路、右移、段寻址等。HD7279的管脚图如下所示：图4.12 HD7279引脚图4.5 通信模块数字调节器还具有通信功能。设计中采用的时RS232串行通信，其中用到的芯片为MAX232，它一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。 RS232标准介绍 串行通信中，只有通信双方采用相同的接口标准，才能进行正常的通信。由于不同设备串行接口的信号线定义、电气规格等特性不尽相同，要使这些设备能够相互连接，需要一个统一的串行通信接口。RS232（又称EIA RS232C）是目前最常用的一种串行通信接口标准。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机生产厂家共同制定的用于串行通信的标准。串行通信接口标准中RS232接口是目前最常用的一种串行通信接口，RS232标准的全称是EIA -RS232C标准，其中EIA（Electronic Industy Association）代表美国电子工业协会，RS（Recommeded Standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表 RS232C代表最近一次修改，该标准对串行通信的连接电缆和机械、电气特性、信号功能以及传送过程都进行了明确的规定，适合用于数据传输速率在020 000bit/s范围内的通信。 RS232C中的引脚介绍下图为两种串口连接器的引脚分布 图4.13 RS232C中的引脚介绍RS232C中定义了20根信号线，使用25芯D型连接器（DB25）实现，其中除了用于全双工串行通信的两根信号线外，标准还定义了若干“握手线”如DSR、DTR、RTS、CTS等，后来为了简化串口的线路连接，出现了简化的9芯D型连接器（DB9）。该接口在引脚定义上与DB25接口完全不同，因此若与配接DB25型连接器的DEC设备连接，必须使用专门的电缆线。RS232C信号特性、电缆长度及波特率 为了确保正确的发送二进制数据和正确的执行设备控制，RS232C标准为数据和管制号提供了电压标准及范围。当RS232C的线路上没有通信的数据信号时，DTE端的发送号保持15V的电压。电压标准如表2.1所示 表3 交换电压标准 电压 逻辑状态信号状态接口控制功能+3V+15V0 间隔接通3V15V1标志断开RS232C标准规定电缆长度限定在15m以内，串行数据传速率的范围为020000b/s。这一规定足以覆盖个人计算机使用的509600b/s范围。电缆长度也足以满足大多数个人计算机通信的要求。 使用MAX220/232/232A构建电平转换电路 由于RS232C标准规定的逻辑电平与TTL等数字电路的逻辑电平不兼容，因此二者之间惊醒相互连接时必须先进行电平转换。目前常用的电平转化新片由MC1488、MC1489、ICL232、MAX220/232/232A等等。 使用MC1488、MC1489建立电平转换电路，需要外接12V对称电源，电路构造较为复杂。因此，一些公司推出了使用单电源供电的电平转换电路，如Intersil公司的ICL232、Maxim公司生产的MAX220/232/232A等。这些芯片可以在5V电源供电的情况下将TTL电平转换为10V的RS232电平，完全可以替代传统的MC1488、 MC1489芯片的功能，简化了电路设计，因此得到了广泛的应用。其具体电路图如下图所示。图4.14 MAX232线路图 软件设计多功能数字调节器的软件设计采用C语言编译环境编制及模块化设计。根据调节器的总体设计，程序划分为初始