空气压缩机监控系统设计.doc

空气压缩机监控系统设计1 绪论1.1空气压缩机监控系统研究的目的与意义目前空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机、往复式压缩机、离心式压缩机。容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；离心式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力；往复式压缩机（也称活塞式压缩机）的工作原理是直接压缩气体，当气体达到一定压力后排出。目前主要用的是活塞式压缩机。活塞式压缩机主要是向大容量、高压力、低噪声、高效率、高可靠性等方向发展；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，提高气阀寿命1。回顾工业生产过程和发展历程，在20世纪40年代前后，大多数工业生产过程均处于手工操作状态。当时人们主要凭经验由工人控制生产，生产过程中的关键参数靠人工观察，生产过程靠人工去执行，生产效率很低。而如今科学技术有了飞速的发展，在短短的几十年中，生产过程有了深远的变革，自动化水平也在不断进步，实现了全车间，全厂，甚至全企业无人或很少人参与操作管理，实现了过程控制的最优化与现代化的集中调度管理相结合的方式。随着技术的发展，我国许多企业存在着严重的设备老化的问题，有大量设备面临着淘汰。而同时，在国内企业中又普遍存在着资金不足，很难进行大规模的设备更新换代。因此，如何利用现有设备，并对其进行合理的技术改造，使其发挥最大的作用，产生最大的效益，是我们所面临的一个急待解决的重要问题。1.2空气压缩机监控系统的发展早期空气压缩机监控产品多采用分立式常规仪表、限压阀等元件，对空气压缩机的各个分系统进行分别测量、控制，并通过指针表显示各个参数。这些仪表分布在压缩机的不同位置，主要靠操作人员的观察获得数据，虽然这些系统具有价格便宜、结构简单、工作可靠的优点，但其计算、显示粗糙，功能单一，难于调整，无记录能力，对操作人员的依赖很大，已不符合现代自动监测控制系统的发展潮流。90年代以来，压缩机机组采用微电脑进行全自动控制，自动显示压缩机的各项运行参数，实现优化节能运行状态、优化联机运行、运行参数异常显示、报警与保护等。通过改进螺杆齿型和压缩机结构设计，改善滤油结构性能，提高螺杆压缩机的综合性能，使其更为高效、节能、紧凑、低噪、美观，并使排气得到净化，安装、维护更加方便。现代化工业的飞跃发展，生产装置的规模不断扩大，生产技术及工艺过程愈趋复杂，对企业生产自动化和各种信息的集成要求也越来越高。同时，控制技术、计算机数字技术、通讯技术、显示技术、软件技术、安装布线技术等系统技术的发展，为这种要求的实现提供了技术基础。随着微型计算机技术的发展和应用的普及，在现代工业自动化系统、智能仪器仪表及国防尖端科技领域中，处处可见PC微机与单片机的联结应用。单片机又称微控制器，由于其体积小、成本低、结构简单、设计应用方便、易扩展、抗干扰及在各种环境下适应能力强等特点，常用在工业控制或测量现场采集各种数据和信息2，因而被称之为工业自动化系统中的前端处理器或称之为下位机。单片机（下位机）既是一个控制器也是一个处理器，它接收称之为上位机的PC微机下达的命令，对现场进行相关的控制，同时又可对采集的数据进行简单的数据处理后送到微机（上位机）。利用微机强大数据处理能力及友好的人机界面，将来自单片机（下位机）的信息和数据，经处理后在微机界面上显示出来。同时向单片机（下位机）下达命令，通过微机（上位机）对单片机（下位机）的控制，从而达到对现场的控制。1.3本设计的任务和要求1.学习空气压缩机工作的基本原理和过程。 2.掌握传感器的原理及选型、单片机的原理、接口技术等相关知识。 3.提出空压机监控系统设计方案并进行分析。4.完成监测系统各模块硬件电路设计。5.采用模块化设计方法完成监测系统软件设计，利用单片机实现对温度、湿度、压强等参数的采集、传送和控制。6.研究解决系统的抗干扰问题。7熟悉电子设计相关应用软件的使用2设计方案论证尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展，并且适用于通用微机（如IBM PC系列）使用的板卡级数据采集产品也大量出现，组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡，把它插在扩展槽内，并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集处理系统产生影响，因为单片机功能强大、抗干扰能力强，可靠性高、灵活性好。开发容易等优点，使得基于单片机为核心的数据采集处理系统在许多领域得到了广泛的应用。本监控系统采用了基于单片机为控制核心的数据采集调控系统，整个数据采集系统由单片机AT89S51为控制核心元件，由数模转换器ADC0809对传感器测得的被测物理量（一级排气温度，二级排气温度，一级排气压力，二级排气压力等）进行数据采集，将采集的模拟量转换成数字量并传送到控制部分。在单片机中对传送来的数据进行显示分析并作出相应的控制（包括自动报警和自动掉电）。单片机通过RS-485接口电路与上位PC机相连接，依靠上位PC机进行网络监控。方案一：该方案的系统原理图如图2.1所示，它能基本完成所要求的功能，但不足之处就是整体设计比较复杂。传感器A/D转换AT89S51故障检测开关输入量LCD液晶显示控制键盘光电隔离参数图2.1 方案一系统框图方案二：该方案的系统的原理图如图2.2所示，它采用AT89S51作为控制核心，显示部分采用LED显示。温度压力数据采集A/D转换器AT89S51单片机LED显示数据存储图2.2 方案二系统框图方案比较：方案一和方案二采用的模块相似，它们都能达到目的的要求。但是方案二更具结构化，结构简单易懂，编程也比较方便。总上分析，本课题就采用方案二来设计。 3 监控系统的电路设计3.1 硬件总体组成框图图3.1 空气压缩机监控系统硬件总体框图由图3.1所示，本次设计我拟测定一级排气温度，二级排气温度，一级排气压力和二级排气压力四组数据。由传感器测量电路把外部测得的被测量转化为电信号，通过A/D转换器ADC0809把模拟量转化为8位数字信号。然后传输入单片机AT89S51，单片机显示输入的数据并根据输入的信号做出控制，并通过RS-485转换器传入上位PC机进行数据显示。3.2 传感器检测电路的设计国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节【3】。我拟定使用温度传感器和压力传感器采集四路数据：一级排气温度、二级排气温度、一级排气压力和二级排气压力。3.2.1 温度检测电路温度传感器的主要任务是把对外部感测到的温度转化为电信号，从而方便其后端电路对电信号的处理。目前，在工业应用上的温度传感器的种类比较多，有膨胀式温度传感器、热电式温度传感器、电阻式温度传感器、半导体热敏电阻式传感器等等。由于空气压缩机内部温度在150以下，所以我选择了集成温度传感器AD590来获得空气压缩机的温度的模拟量数据。集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测 。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。该温度感测芯片的测温范围是55150，电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1mA相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏，且它的线性误差为0.3(4)。图3.2 AD590的内部结构在图3.2中， (3-1)我们要得到V0的值但是不能使电流I分流出来，所以我们使用电压跟随器使得 (3-2)由于我选用的A/D转换器ADC0809对输入模拟量的电压要求在05V之间。利用可变电阻分压，使输出电压V1调整至2.73V。使用差动放大器使其输出电压为 (3-3)即每1的电压值为0.02V输出电压接A/D转换器，那么A/D转换输出的数字量就和摄氏温度成线性比例关系。ADC0809为8位，电源电压5V，ADC0809把05V模拟电压转换成二进制数值0000000011111111，即00HFFH，0V对应00H，5V对应FFH，分辨率为5V/2560.02V，在数值表示上即0.02V对应于01H，在本文设计中的标度转换中的温度范围为0150，对应电压范围是03V，所以当温度为150时，数值为96H。标度变换即每1数值为01H。电路图如图3.3所示图3.3 温度检测检测电路3.2.2 压力检测电路压力传感器的主要任务是把对外部感测到的压力转化为电信号，从而方便其后端电路对电信号的处理。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。压力传感器采用HT100系列标准型压力变送器，它能达到的检测范围是00.85MPa；工作电压为+12V+36V。我采用+12V，可以和温度传感器共用一个电源；工作环境温度可达150；响应时间只有不到1ms。HT100系列高性能标准型压力变送器采用进口的高精度、高稳定性力敏芯片，经激光调阻和先进的厚膜技术进行温度补偿、线性补偿、信号放大、V/I 转换、逆极性保护、压力过载限流等信号处理，输出工业标准的420mA 或010mA 信号。它有多种接口方式和多种引线方式。其电路图如3.4，在输出部分加入一个滤波器为了滤除一些低频率的信号，增加一个RC环节，这样可以使滤波器的过渡带变窄，衰减斜率的值加大，为了改变斜率频率f0附近的频率特性，该电路采用了一种多路反馈的方法。图3.4 压力检测电路空气压缩机的压力限值分别为0.25MPa和0.85MPa，我们取0.85MPa为满量程，而数字量的满量程取FFH，能够到达的精度为0.01MPa，则可以知道标度转换后的数字量为03H。3.3 A/D转换电路的设计A/D转换器我选用的是ADC0809芯片。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口5。3.3.1 ADC0809的内部逻辑结构由图3.5可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、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。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3.5 ADC0809的内部逻辑结构3.3.2 ADC0809的引脚结构图3.6 ADC的引脚结构ADC0809各脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D转换）.EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线表3-1 通道选择表ADDCADDBADDA选通输入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7本次设计中我拟采集两路温度与两路压力，所以在模拟量的输入端只要四路通道，即TN0、TN1、TN2、TN3即可，那么端口地址即为BFF8HBFFBH。ADDA、ADDB和ADDC通过74LS373芯片与P0口的低三位地址连接，74LS373是一个带清零的8位地址锁存器芯片，通过对P0口的低三位控制来选择模拟量的输入通道。3.4 AT89S51单片机AT89S51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes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（CPU）和Flash存储单元，功能强大的的AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域6。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器7。图3.7 AT89S51引脚图表3-2 本设计中单片机AT89S51管脚说明 名称 管脚号 类型 名称和功能 VSS 20 1 接地 VCC 40 1 电源正端输入P0.0-0.7 39-32 I/OP0口设计中既作为地址线又作为数据线，在与ADC0809的接口电路中，先通过对P0口进行地址查询，然后P0口作为数据线将A/D转换的结果输入单片机内。而且低三位的地址作为ADC0809的通道选择端口。P1.0-1.7 1-8 I/OP1.5与自动报警电路相连，当需要报警时，通过控制P1.5来实现报警功能。P1.6连接一个固态继电器，当压缩机报警时，通过控制P1.6来使空压机自动掉电。P1.7与ADC0809的EOC口相连，用来查询A/D转换是否完成。P2.0-2.7 21-28 I/OP2.6口先与连接，再连接到ADC0809的OE端。然后又与连接，再连接到ADC0809的ALE端。即由P2.6来控制ADC0809的启动和关闭。其他端口都作为地址端口来使用。P3.0-3.7 10-17 I/OP3口是带内部上拉的双向I/O口向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流P3口会因为内部上拉而输出电流P3口还具有特殊功能。RXD(P3.0)串行输入口。TXD(P3.1)串行输出口。INT0(P3.2)外部中断0输入。INT1（P3.3）外部中断1输入。T0(P3.4)定时器0外部输入，在本设计中使用定时中断来调用温度检测和A/D转换部分。T1(P3.5)定时器1外部输入。WR(P3.6)外部数据存储器写信号，本系统中与P2.6连接。RD(P3.7)外部数据存储器读信号，本系统中与P2.6连接。3.5 控制电路的设计本次设计对监控的要求有自动报警和自动掉电功能。空气压缩机的应用比较广泛，工作环境也很复杂。当空气压缩机的参数达到它的上限值时，我们就可以采用自动报警对控制者提出警报，然后继续监测这路数据，当这路数据连续出现三次报警时，我们可以将空气压缩机自动掉电8。3.5.1 自动报警电路因为空气压缩机自身的限制，其工作状态不可能达到无限制。我们在本文中只对两路温度和两路压力达到空气压缩机的工作上限时，我们可以对它进行自动报警。因为报警电路比较多，有发光二极管指示报警，单频音报警和音乐报警等，我们使用的是单频音报警。实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件采用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需在其两根引线上加3V15V的直流电压就能产生3KHZ左右的蜂鸣振荡音响，而且耗电较少，可以使用TTL系列集成电路7406低电压驱动。图3.8 自动报警电路其连接电路如图3.8，将单片机的P1.5口作为控制自动报警口，空气压缩机工作参数达到上限时，通过对P1.5进行控制而实现报警功能。当P1.5输出高电平“1”时，7406输出为低电平，使得压电式蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压而产生蜂鸣音响，当P1.5输出低电平“0”时，7406的输出端升高到+5V，压电蜂鸣器两引线之间的直流电压降至接近0V，发音停止。我们每次让它连续鸣音，也可适当的增加或减少连续鸣音的时间。图中的PB2130UP002A是一个蜂鸣器，它的特点是：.PB系列产品的压电陶瓷组件，用一个完整自激的电烫电路结构而成。.相比电磁单件，功率消耗非常较低。.结构并无交换接触，提高耐用性，无电力噪声。.体积小，很小的电压便可制造高的声音输出。这样就可以通过单片机控制来实现自动报警功能，我们根据空气压缩机的性能，将我们的上限温度值设置为150，当空气压缩机汽缸内的一级排气温度或二级排气温度达到150时通过控制蜂鸣电路报警。压力的上限值有两个，一级排气压力上限值为0.25MPa，二级排气压力上限值为0.85MPa，当汽缸内的排气压力达到这两个值时报警。3.5.2 自动掉电电路在单片机的电子电路和电气电路互相连接的问题中，一方面要使单片机的控制信号能够控制电气电路的执行元件如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等负载，另一方面，又要为单片机的电路和电气电路提供良好的电隔离，以保护单片机电路和人身的安全。通过使用固态继电器（Solid State Relay，简称SSR）就能很好地完成这一桥梁作用。SSR是一种无触点功率半导体器件，它的其特点是：.输入控制电压低 314 V，直流或脉冲电压均能作输入控制信号，驱动电流小， 输入控制电压与TTL、HTL、CMOS、PMOS电平兼容。.输出与输入之间一般采用光电隔离，隔离绝缘大于2kV，符合国际电气安全标准。.输出无触点、无噪声、无火花，开关速度快。 .有交流、直流输出方式 输出电压有多种规格选择。.采用环氧树脂全灌封装，防尘、耐湿、耐振、使用寿命长。我采用的是STG80Z3型SSR交流固态继电器，它的输入部分控制电压在430V，输入电流小于30mA，输出部分的工作电压为380V，峰值电压为1200V。ATC89S51负载P1.6100+5V+STG80Z35V图3.9 单片机通过固态继电器驱动交流负载的接口电路本文中，我使用P1.6口作为固态继电器的控制位，当P1.6端输出低电平时，负载即接通，这里的负载就是我们的空气压缩机，当我们接通负载的时候，空气压缩机工作，而当我们将P1.6置1时，空气压缩机停机，这就达到了自动掉电的效果。同时可以通过看发光二级管了解是否已经掉电，当发光二极管亮时说明已经掉电，同时将掉电标志位置1，在主程序中通过对掉电标志位的查询来结束，也可以通过硬件复位按键K停止单片机工作。 在对空气压缩机的控制中，我们先让它报警，再掉电。即当空压机工作在上限温度值或上限压力值时，通过控制P1.5自动报警，然后再监测该数据，当该数据累计报警三次时，通过控制P1.6口让空压机自动掉电。这样使得对空压机的控制方便，而且实时性较高，使得空气压缩机的工作性能有了很大的提高。3.6 显示电路由于LED数码显示器成本比较低，编程容易。所以本文设计的系统也使用LED来显示当前显示的数据，这样可以使得控制者更加直观了解空气压缩机的工作状态。LED数码管是由七个呈长条状的发光二极管组成一个“S”字型，通过点亮发光二极管使它显示出相应的字型，它与单片机的显示接口分为静态和动态两种：（1）静态显示接口技术。所谓静态显示就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔画段字形代码，单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路就可以了，静态显示电路主要有以下几种形式：通过单片机的I/O口线显示接口电路；通过单片机的I/O口线和译码驱动的显示接口；利用串行总线控制的显示接口9。（2）动态显示接口技术。动态显示是一位一位的轮流点亮各个数码管，这种逐位点亮显示器的方式叫做动态扫描。通常，各个数码管的段选线相应的并联在一起，由一个8位的I/O端口控制；动态方式显示时，各个数码管分时选通，要使其稳定显示，必须采用动态扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并选出相应的字形代码。依次规律循环，逐个循环点亮各个数码管，每位显示1ms左右，即可使各个数码管显示要显示的字符。虽然这些是在不同的时刻分别显示的，但由于人眼存在视觉暂留效应，可以给人以同时显示的感觉。动态显示方式节省I/O端口，硬件电路比静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示较多时，CPU要依次扫描，仍占用CPU比较多的时间。显示器有共阴和共阳两种结构。在这里采用共阳结构如图3.10，即将显示器的所有VCC端外加一个5V的电压，当ah的值为0时，数码管点亮3。图3.10 共阳极LED结构原理图本文的设计中，采用的是动态扫描方式来显示4位数据，第一位为显示通道位，后三位是数据位。软件实现通道位的显示的效果是让显示器的第一位依次显示1、2、3和4。对于显示器的接口，我们将单片机的P0口连接到显示器的笔画段ah用来显示字形，而将显示器的公共极COM分别与P1.0P1.3连接作为位选控制，在软件设计时，我们设置一个固定单元来放置要显示的数据，将要显示的数据直接传送到该单元即可，这样就可以使得显示程序被多个部分调用。接口电路如图3.7，将4个数码管的段码位共同接到P0口，通过P0口来控制字形的显示，而P1.0P1.4分别作为它们的位码选择。P0.0口接笔画段a，依次到P1.6口接笔画段g，而P0.7口接到数码管的公共端dp即接地端。这样连接后，可以通过向P0口输入0C0H显示字形1，如表33所列的字形码表，由0到9的字形码都在表中。图3.11 单片机动态显示扫描电路表33LED字形码显示字符共阳极字形码显示字符共阳极字形码00C0H5092H10F9H6082H20A4H70F8H30B0H8080H4099H9090H3.7 下位机和PC机的连接电路3.7.1 通信方式的选择微机（上位机）与单片机（下位机）有许多种通信方式，即串行通信、并行通信、USB接口通信、I2C及CAN总线等，在这许多通信方式中，各有其优点和不足，这里选择一种通信距离远、结构简单、易以实现的通信方式，经比较选择串行通信方式。串行通信常采用RS-232标准或RS-485标准两种，而单片机与微机之间通信以RS-232标准最为常见，且微机对外的两个串行接口COM1、COM2均是专门为RS-232标准通信而设的。然而，虽然RS-232标准的通信方式比较方便，但是仅能实现短距离通信（仅为10m左右），若要实现远距离通信，还有赖于调制解调器或其它的方式，同时RS-232标准通信口对地是共模信号传输方式，对各种电器的干扰大多也是对地共模方式，虽然其传输电平提高到-15V+15V，但是抗干扰能力仍不理想。若采用RS-485标准进行通信具有以下特点：它可以实现多点通信方式，且通信距离比RS-232标准要远得多，可以做到数百米甚至千米以上，甚至可以建立一个小范围的局域网。RS-485标准采用差模信号传输方式，与地电平关系不大，它的抗干扰能力比RS-232标准强得多，即使信号电压较小的情况下也能获得稳定的传输10。因此，若想完成单片机与微机的远程通信，应采用的串行通信方式应为RS-485标准通信方式。3.7.2 单片机的RS-485接口电路本系统采用MAX485作系统收发器。MAX485是RS-485收发器，每个器件含1个接收器和1个驱动器11。只要DE脚为高电平就为发送态，所以本系统将RE脚恒接低电平（接GND），通过单片机的P2.5脚控制DE脚，以决定是接收态还是发送态。为了提高通信的抗干扰能力，MAX485与CPU的连接通过三个快速光电隔离器进行隔离。如图3.11所示，单片机的TXD接MAX485的发送端，RXD接接收端，SDE接CPU的P2.5口，CPU通过控制P2.5口来确定是接收还是发送状态。A、B接上位机的通信线。图3.12 MAX的连接电路3.7.3 RS485转化器微机与单片机采用RS-485标准通信，而PC微机的标准串行口是RS-232标准，单片机的串行口输出的又是TTL电平（即+5V为“1”，0V为“0”），它们的工作方式及控制机理也有差别。所以需将通信逻辑电平转换成RS-485通信标准，利用微机RS-232标准的COM1、COM2串行接口来实现RS-485标准通信，还需要有电平的转换电路。RS485转化器的分类：无源串口RS232转RS485转换器；有源串口RS232转RS485转换器；光电隔离串口RS232转RS485转换器；及带地址RS232转RS485光电隔离串口转换器。我在本次设计中选用的是光电隔离串口RS232转RS485转换器。P-581 是一款专为工业设计的带隔离的RS-232与RS-485双向转换器，它可以延长RS-232的传输距离，而且通过485总线可以轻松把多个串口或485设备连成一个网络。由于该产品内部带有光电隔离和浪涌保护模块，可以有效的保护接口不被雷击或强电磁信号损坏。表3.4 DB9孔端引脚定义引脚235RS-232定义TXDRXDGND表3.5 接线端子引脚定义RS-485TX+TX-电源（8-15V）VCCGND 表3.6 P-581与RS-232/485设备的连接：RS-232连接 RS-485连接P-581232设备P-581485设备TXD RXD 485+ 485+ RXD TXD 485- 485- GND GND 使用时通常DB9孔直接插到PC机的串口上，也可根据引脚定义连到单片机或其他终端上。RS-485信号从另一边的绿色端子引出，之后通过电线直接连到485设备上，或者接到485总线上。其接线方法如图3.13图3.13 RS485网络接线图4 监控系统的软件设计4.1 系统软件设计总体思想单片机应用系统中，应用程序设计内容主要有功能性设计，可靠性设计及运行管理设计。功能设计中，在充分满足系统功能情况下，要有最简单，最快捷，最可靠的运行路径。在设计过程中要按功能操作实现进行任务模块划分。任务是应用系统最为完整的功能独立单元，是结构化程序设计的基本单元。任务划分是软件模块化设计的基础。软件的模块化设计有利于软件平台的建设与完善，也有利于实现按任务编排的系统程序设计，以便今后进一步扩展系统的功能。 任务划分应遵循原则：相对独立的硬件环境，最简单的人物交接面和最少的相互制约条件划定任务的边界条件，边界条件包括任务交接条件，数据类型，资源分配及资源占用允许等。在系统的软件设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。系统软件设计中的程序包括：主程序，系统中断程序，单片机定时器/计数器设定程序，LED显示程序，A/D转换器和单片机接口程序，系统自恢复程序，软件抗干扰程序。 可靠性设计是应用程序设计中十分重要的一环，是系统安全可靠运行的保证。应用程序中的可靠性设计与系统的可靠性等级有关。可靠性等级越高，可靠性设计投入就越大。可靠性设计的主要内容有本质可靠性设计，最大限度减少程序设计中的错误与缺陷，要有足够的时序冗余度，要有足够的容错设计12。 4.2 主程序设计开始系统端口初始化系统数据采集处理程序显示电路程序比较结果是否超出设定值测量值和设定值比较YN报警和延时关机图4.1主程序设计流程图4.2.1 系统端口初始化系统的初始化部分包括CPU各端口输入设置，输出设置，中断设置，外围数据RAM的初始化。程序不停的顺序查询各种软件标志，并根据其变化调用有关子程序和执行相应的中断服务子程序，以完成对各种实时事件的处理。系统端口初始化主要是通过串口初始化。AT89S51提供了4种串口操作模式：模式0： 串行接口的方式为同步移位寄存器方式，其波特率是固定的，为时钟频率的1/12。模式1：方式1是波特率可变的8位异步通信接口。TXD发送端，RXD接收端，一桢信息为10位，包括一位起始位，8位数据位，1位停止位。模式2：方式2是9位异步通信接口。TXD发送端，RXD接收端，一桢信息为11位，包括一位起始位，8位数据位等。模式3：方式3是波特率可变的9位异步通信方式，除了波特率有所区别之外，其余方式斗与方式2相同。在设计中，串口工作在方式1状态，波特率由定时器1的溢出速率决定。其初始化程序见附录。4.2.2 数据采集处理子程序数据采集子程序使单片机控制转换器读出空压机的各种数据包括一级排气温度，二级排气温度，一级排气压力，二级排气压力。假如超过设定值就通过报警延时关机程序对空压机自动控制。系统地数据采集子程序的功能是在定时中断程序中完成的。在定时中断服务程序中子程序主要进行采集，采样数据存储，标度变换以及判断与输出等操作。数据采集处理子程序在主程序中是最重要的。采集子程序使单片机控制转换器读出空压机的各种数据。数据采集子程序见附录。发送数据采集应答启动A/D转换选择转换通道发送数据采集处理结果返回子程序返回主程序图4.2 数据采集子程序方框图4.3 单片机系统中断程序外部中断INT0和ITN1可根据寄存器TCON中的IT0和IT1位状态分别设置为电平或者边沿触发。实际产生的中断标志是TCON的IE0和IE1。当产生外部中断时，如果是边沿触发，进入中断服务程序后由硬件清除中断标志位，如果中断是电平触发，由外部请求源而不是由片内硬件控制请求标志。定时器0和定时器1中断由TF0和TF1各自的定时/计数寄存器控制。定时器0工作在模式3时，启动定时器中断服务程序后由片内硬件清除标志位。串口中断由R1和T1的逻辑或产生。进入中断服务程序后这些标志均不能被硬件清除，实际上中断服务程序通常需要确定是由R1还是T1产生的中断，然后由软件清除中断标志。所有这些产生中断的位都可通过软件置位或清零，与通过硬件置位或清零的效果相同。简而言之中断可由软件产生推迟或取消。每个中断源可通过置位或清零。寄存器IE可以立即禁止所有的中断优先级结构。每个中断源都可通过编程中断优先级结构。寄存器IP单独设置优先级一个中断。2个同优先级的中断源同时申请中断，内部查询顺序将确定首先响应哪一个中断请求查询顺序。中断源 同级 优先级IE0 外部中断0 最高TF0 定时器0IE1 外部中断1TF1 定时器1TF2，EXF2 定时器2 最低中断的处理：中断标志在每个机器周期采样，在下一个周期查询该采样，如果在采样时有一个标志位，查询周期将发现它，然后中断系统产生一个LCALL调用对应的服务程序，由硬件产生的LCALL在下面任意一种情况下都会推迟执行：（1）同级或更高级的中断已在处理中。（2）当前的周期不是正在执行指令的最后一个周期。（3）正在处理的指令是RETI或任何IE或IP寄存器的指令。条件2确保正在处理的指令在进入任何中断服务程序前可以执行，条件3确保了如果正在处理的指令是RET1或任何访问IE或IP寄存器的指令，那么在进入任何中断服务程序之前至少再执行一条指令。查询周期在每个机器周期都会重复，查询的值是在前一个机器周期的S5P2出现的值。需要注意的是如果一个中断标志位有效但仍然没有被响应，是因为出现上面所述的情况。如果当阻碍条件撤除时，中断标志不再有效中断不再响应。外部中断源可配置为电平触发或边沿触发。通过寄存器TCON中的IT1或IT0置位或清零实现，如果INTX=1，外部中断为边沿触发。该模式下对INTX脚连续采样，如果在一个周期高电平而下一个周期低电平，则中断标志IEX将置位，然后通过IEX请求中断，由于外部中断每个机器周期采样一次，应当保持至少12个振荡周期以确保能够采样到，如果外部中断为边沿触发，外部中断源应当将中断引脚至少保持一个周期高电平，然后至少保持一个机器周期低电平，这样就确保了边沿能够被检测到，以使INTX置位。当调用中断服务程序后，CPU自动将IEX清零，如果外部中断为电平触发，外部中部中断源必须一直保持请求有效，直到产生所请求的中断响应时间INT0和INT1电平在每个机器周期的S5P2取锁存。IE0和IE1在下一个周期之前该值不会被电路查询，如果请求有效且应答的条件正确，下个执行的指令就是硬件子程序调用请求中断CALL指令，需要至少3个完整的机器周期。如果中断被前面所述的3个条件之一被阻滞，中断就需要更长的响应时间，如果优先级的中断已经在处理额外的等待时间，就取决于其它中断服务程序所耗的时间，如果正在执行的指令不是它的最后一个周期，额外的等待时间不会超过3个周期，因为最长的指令MUL和DIV为4个周期，如果正在处理的是RET1或者任何访问IE或IP的指令，额外的等待时间不会超过5个周期，完成正在处理的指令需要一个周期。中断服务程序段见附录。中断返回保护寄存器装入数据数据标度变换是否完成恢复寄存器N中断向量数据中断服务程序入口Y图4.3 中断服务程序流程图4.4系统延时子程序见附录4.5显示部分程序显示部分是实现人机对话的重要组成部分，只有通过显示部分显示的数据才能让我们了解到空压机的工作状态，以便对空压机进行控制。本文设计的显示部分是采用数码管显示4位数据，在数码管的第一位显示正在采集的数据的通道号，而在后三位显示要显示的数据，在显示程序中设计了4个显示缓冲区，当要显示数据时只需要将数据送到显示缓冲区即可，然后在显示程序中直接调用这4个单元来显示，根据电路的连接方式可以知道，显示器的位码放在P1口，而段码（字形码）通过P0口来点亮，首先将FEH送入P1口点亮第一位，因为硬件电路中将P1.0口接到第一位数码管，通过循环左移来依次点亮其他的三位数码管，通过判断P1口的第五位是否为零来判断是否已经完成4位显示，本文在将字形码送入P0口后即将字位码的值循环左移一位，只有当它的第五位为零时才表示已经显示完了4位，我们使用的延时是5ms，这样就因为人眼存在的视觉暂留效应给人以4位同时显示的效果。在完成4位显示后将通道显示位的内容加1，就可以显示下一通道，然后在主程序中对通道显示位的内容进行判断和处理。使数码管的通道位只循环显示14。流程图如图4.4所示。显示R0指向的数据单元的程序和延时程序见附录。取显示缓冲区首址送字位码初值字位码送P1口取显示数据查字段码字段码送入P0口延时5ms指向下一显示单元字位码循环左移一位4位显示完毕通道显示位内容加1YN开始返回图4.4 显示程序流程图4.6 单片机和A/D转换器接口程序进入采样程序后依次选通转换所得的数字量按序存入片内ROM的30H37H单元；采样是否完成以标志F0是否建立为标志。具体程序见附录。4.7 单片机定时器/计时器子程序AT89S51定时器0和1的操作：定时器0和1定时和计数功能由特殊功能寄存器TMOD的控制位C/T进行选择，这两个定时/计数器有4种操作模式，通过TMOD的M1和M0 选择两个定时/计数器。 模式0将定时器设置成模式0时，即8位计数器带32分频的预分频器，此模式工作下定时器寄存器配置为13位寄存器，当计数器从全位1翻转为全为0时，定时器中断标志位TFN置位TRN=1，同时GATE0或INTN=1。模式1模式1除了使用了THN及TLN全部16位外，其他模式与模式0相同。模式2此模式下定时器寄存器作为可自动重装的8位计数器。TLN的溢出不仅置位TFN而且将THN内容重新装入TLN，软件预置安装时THN内容不变。模式2的操作对于定时器0及定时器1时相同的。模式3在模式3中定时器1停止与将TR1设置为0相同，此模式下定时器0的TL0及TH0作为两个独立的8位计数器，为模式3时的定时器0。TL0占用定时器0的控制位C/T，GATE TR0 INT0 及TF0，TH0限定为定时器功能，计数器周期占用定时器1的TR1，此时TH0控制定时器1中断。对定时器的初始化程序见附录。4.8 控制部分程序设计作为一个监控系统，控制部分是它不可缺少的部分，本文设计的控制部分主要包括自动报警和自动掉电两部分。其流程图如图4.5，在空压机的温度或压力超过限值时就会调用控制程序部分对空压机进行控制。自动报警报警次数是否达到3次自动掉电并点亮发光二极管掉电标志位置1返回开始通道显示位内容减1返回重新检测该路通道NY图 4.5 控制程序流程图4.8.1 自动报警部分根据硬件电路的结构，可以通过设定P1.5的值来实现报警功能，当空气压缩机的工作状态不正常时，则调用自动报警程序。报警程序实现程序见附录。4.8.2 自动掉电部分自动掉电部分也可以通过设置P1.6来实现，根据电路图，设置P1.6使固态继电器工作让空气压缩机断开电源，程序见附录。 当调用完自动报警程序后，判断它报警次数是否达到3次，如果没有达到则返回A/D转换部分继续检测该路通道数据，同时将通道显示位内容减1，表示采集的仍然是该路数据，并且通过判断ADDB口来确定是返回温度检测还是压力检测部分。如果该路数据的连续报警次数达到三次则调用自动掉电程序使空压机切断电源，并点亮发光二极管以查看固态继电器的状态，同时结束程序。本文通过对系统的硬件和软件设计共同让单片机实现对空气压缩机的监控，达到能够显示数据，让控制者直观的了解空气压缩机的工作状态，同时在空气压缩机出现参数超标时可以实现自动控制，主要包括自动报警和自动掉电，这样就使得空气压缩机的工作性能得到了很大的提高。4.9 系统自恢复程序设计4.9.1 硬件复位与软件复位的识别硬件复位指开机复位与看门狗复位，硬件复位对寄存器有影响，如复位后PC=0000H，SP=07H，PSW=00H等。而软件复位则对SP，SPW无影响。对于本测控系统，当程序正常运行时，将SP设置地址大于07H，或者将PSW的第5位用户标志位在系统正常运行时设为1，那么在系统复位只需检测PSW.5或SP值可判此是否硬件复位。开始PSW=1？转向出错处理程序系统恢复主程序YN图4.6 PSW.5作为上电标志位判别硬软件复位的程序图此外，由于硬件复位时片内RAM状态是随机的，而软件复位片内RAM则可保持复位前状态，因此可选取片内某一个或两个单元作为上电标志。如果40H用来作上电标志，上电标志为78H，若系统复位后40H单元内容不等于78H，则认为是硬件复位，否则认为是软件复位，转向出错处理。若用两个单元作上电标志，则这种判别方法的可靠性更高。4.9.2 正常复位后系统自恢复运行的程序设计在本系统中需要对失控模块或任务进行恢复运行。所以在本系统中要做好重要数据单元，参数的备份，如系统运行状态，系统的进程值，当前输入，输出的值，当前时钟值，观测单元值，这些数据既要定时备份，同时若有修改也应立即予以备份。当在已判别出系统非正常复位的情况下，先要恢复一些必要的系统数据，如串口的初始化，片内ROM初始化等。其次对单片机测控系统的系统状态，运行参数等予以恢复。再把复位前的任务，参数，运行时间等恢复，再进入系统运行状态，真实的恢复系统的运行状态需要极为细致地对系统地重要数据予以备份，并加以数据可靠性检查，以保证恢复的数据的可靠性。开始恢复系统状态运行参数系统基本初始化恢复系统状态故障提示复位初始化回主程序NY正常复位？图4.7 系统自恢复运行的程序设计流程图图中恢复系统基本数据是指取出备份地数据覆盖当前的系统数据。系统基本初始化是指对芯片，显示，输入输出方式等进行初始化，要注意输入输出地初始化不应造成误动作，而复位前任务的初始化是指任务的执行状态，运行时间。4.10 上位PC机和下位机的通信协议通信协议程序见附录。5 系统的抗干扰本次设计的空气压缩机监控系统主要应用于实际的工业生产过程，在现在工作环境比较恶劣，干扰较大，这些干扰有时会严重损坏监控系统的器件和程序，导致一起不能正常运行。因此，为了保证仪器长期稳定可靠运行、提供测控系统的输出精度，必须要周密考虑和解决抗干扰的问题13。5.1 系统的硬件抗干扰电子系统中的干扰源是多方面的，但具体到我这次的设计，引起干扰的原因主要有：系统与各元件接地策略的不尽合理、电源噪声、PCB的分布参数等。当然，除此之外，还有许多次要因素，诸如电磁辐射，感应噪声等。在系统的设计与实现中，应用硬件抗干扰措施是经常采用的一种有效的方法。实践证明，通过合理的硬件电路设计可以消除或抑制绝大部分干扰。在工程中广泛采用的一些硬件抗干扰措施有