矿井生产安全检测的测斜仪系统设计

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 54 页矿井生产安全检测的测斜仪系统设计摘 要随钻测斜仪是钻斜井、钻定向井时，测量其井身轨迹的专用仪器。20 世纪 90年代以来，各类岩土工程对钻孔孔斜精度的要求越来越高，早期研制和生产的各种钻孔测斜仪大多数不能适应新的市场需求，因此，传统结构原理的测斜仪纷纷被淘汰，新型结构原理的测斜仪不断涌现。本文从测斜仪的系统组成和工作原理出发，结合基于 51 系列单片机的系统开发原理及过程，重点研究了井下测试系统的软硬件设计。该测斜仪的井下测试系统采用 Atmel 公司 89S52 单片机为处理器核心，ADXL330 和 L3G462A 三轴传感器为测斜器件，使用 AD590 温度传感器，MPX4115 为压力传感器，ICL7135 为 A/D 转换器件，并采用多路开关选通八路传感器通道，通过 RS485 总线与地面监控系统进行通信。 在数字电路系统迅速发展的今天，51 系列单片机仍然以其不断加强的新系列以及超强的性价比发挥着重要的作用。单片机稳定性强，能适应野外恶劣的自然环境，适合处理运算量不是很大的控制系统，开发周期短，系统易于维护和扩展。故本系统采用单片机提供了一个低成本，高效率的测斜仪实现方案，并于实际使用当中取得了良好的结果。关键词：测斜仪，51 单片机，数据采集中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 54 页AbstractInclinometer is deviated drilling, drilling directional wells, measured wellbore trajectory special instruments. Since the 1990s, various geotechnical drill hole deviation for the increasingly high demand precision, early development and production of various borehole inclinometer most adapt to the new market demands, therefore, the traditional structural principles inclinometer have been eliminated, new structural principle inclinometer emerging.This article from the inclinometer system composition and working principle, combined with a system based on 51 MCU development principles and processes, focus on the underground test system hardware and software design. The downhole inclinometer test system using Atmel 89S52 microcontroller processor core, ADXL330 and L3G462A axis inclinometer sensor devices, using AD590 temperature sensor, MPX4115 as pressure sensors, ICL7135 for the A / D conversion devices and multi-way switch strobe eight sensor channels, through the RS485 bus to communicate with the ground control system.In the digital circuitry rapid development of today, 51 series still continue to strengthen its new series as well as superior cost plays an important role. SCM stability, able to adapt to the wild harsh natural environment, suitable for handling computing is not a great control system, short development cycle, the system is easy to maintain and extend. Therefore, the system uses the MCU provides a low-cost, high-efficiency inclinometer implementations, and in actual use of them achieved good results.Keywords:Inclinometer,51 microprocessor, Data collection中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 54 页目 录1 绪论 11.1 研究背景及目的意义 11.2 国内外研究现状 11.3 该课题主要研究内容 32 测斜仪的整体设计方案 42.1 测斜仪的测斜原理 42.1.1 测斜原理 42.1.2 传感器选择 9 2.2 测斜仪的总体设计方案 102.2.1 系统硬件设计方案 102.2.2 系统软件设计方案 113 测斜仪的硬件设计 123.1 测斜仪的总体架构 123.2 测斜仪的硬件系统的器件选择 123.2.1 控制核心 AT89S52 133.2.2 A/D 转换模块 ICL7135 163.2.3 温度传感器 AD590 193.2.4 压力传感器 MPX4115 203.2.5 三轴加速度计 ADXL330 223.2.6 三轴陀螺仪 L3G462A 233.2.7 多路开关 AD7501 253.2.8 RS485 接口254 仿真过程 275 程序设计 29中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 54 页5.1 测斜仪的主程序 295.2 AD 采样子程序 306 PCB 设计 326.1 PCB 布局 326.1.1 布局一般原则 326.1.2 测斜仪仪器布局 336.2 PCB 布线 337 结论 357.1 说明书总结 357.2 不足与进一步改进 35附录 A 36附录 B 44附录 C 45参考文献46致谢 49中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 54 页1 绪论11 研究背景及其目的意义钻孔测斜仪是钻斜井、定向井时，测量其井身轨迹的专用仪器，主要用来测量钻井过程中各点的倾斜角、方位角和工具面角等。它是目前国内外在岩体土建工程中应用最广泛的一种精密的检测仪器，可用以观测土石坝、堤防、土体边坡、建筑物基坑、地下建筑工程土体内部以及铁路、港口、公路、水利、高层建筑等基地内部层面的倾斜角度变化和水平位移变化 29。山西省具有丰富的矿产资源，特别是煤炭产业是我省的支柱产业，安全生产一直是困扰煤炭生产的一大难题 5。钻孔测斜仪是钻斜井、钻定向井时，测量其井身轨迹的专用仪器。20 世纪 90 年代以来，各类岩土工程对钻孔孔斜精度的要求越来越高，早期研制和生产的各种钻孔测斜仪大多数不能适应新的市场需求，因此，传统结构原理的测斜仪纷纷被淘汰，新型结构原理的测斜仪不断涌现。它是目前国内外在岩体土建工程中应用最广泛的一种精密的检测仪器，可用以观测土石坝、堤防、土体边坡、建筑物基坑、地下建筑工程土体内部以及铁路、港口、公路、水利、高层建筑等基地内部层面的倾斜角度变化和水平位移变化圈。在煤层地质异常体探测（如断层）与采前瓦斯抽采、煤矿井下定向钻进施工作业中，难免会发生钻孔偏斜和偏离设计位置，如果不能实时精确确定钻孔姿态和位置信息，会给施工带来很大的盲目性而容易导致钻孔报废，钻孔事故频繁或其它安全事故的发生 6。迫切要求矿井施工中能够实时、精确地掌握钻孔的位置信息，以避免安全事故的发生。测斜仪系统设计的完成，对我省的矿产资源开发，特别是煤炭生产安全监测有重大的社会意义 。测斜仪该成果还可应在油田生产、矿产勘探、井下找孔、旧井及老井的二次开发等领域中，为我国的矿产资源生产带来了极大的安全保障，提高了不可再生资源有效利用率，具有重大的社会价值 11。12 国内外研究现状先进国家在设计钻孔测斜仪时采用加速度计和磁通门研制成功的钻孔测斜仪产品极为广泛普遍。而在采用新型陀螺发展钻孔测斜技术方面，美国采用了双轴加速度计的电动调谐的双轴速率陀螺和挠性陀螺，提高了陀螺测斜仪的性能 3。这些新型陀螺具有可以减少漂移、提高精度、不需要地面对准等技术优点 4。我中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 54 页国钻孔倾斜仪的研究起步较晚，一些重要工程所急需的钻孔倾斜仪，都是从国外进口。面向矿井生产安全监测的随钻测量和定位问题一直以来是困扰业界的一项技术难题，目前市面上随钻测斜系统主要有采用惯性导航技术和磁测技术两大类。国外公司的导向定位仪器实现了钻头姿态参数的测量以及钻头的定位与定深，但价格昂贵、操作复杂、过于依赖操作人员等不足，有的还存在这样或那样的使用限制，无法有效满足地下自动定向钻进测量的要求。通过对其文献的研究和仪器的具体分析，发现多数都是在某一方面致力于解决工程问题，对随钻测量方法和定位技术并没有从理论上进行系统的研究，已有的测量方法还不成熟、不完善，精度和误差等因素也没有进行深入的探讨，得出指导性的结论 9。我国的煤田测井始于 1954 年，经过近六十年的发展，测井技术经历了从模拟测井到数字测井、数控测井、成像测井的发展历程，特别是随钻测井技术的快速发展，现已成为煤田地质勘探不可缺少的勘探手段。随着电子技术、计算机技术和新材料等现代科学技术的发展，测井方法和技术装备不断完善，测井解决地质问题的能力越来越强 7 。20 世纪 80 年代，南京水利科学院和南京自动化设备厂等一些单位研制成功了电阻应变片式钻孔倾斜仪;1986 年航天部 33 所与北京水科院联合研制成功伺服加速度计式钻孔倾斜仪，正式定型为 CX 一 01 型数字显示测斜仪，在国内使用广泛;随后航天部 702 所开发研究成功 5512 型滑动式测斜仪(伺服加速度计式);冶金工业部武汉勘察研究院研制成功 CX 一 56 型高精度钻孔测斜仪(液体泡光电式);为解决测斜管扭转问题，1990 年中国水科院仪表研究所研制成功了 CN 型测扭仪。到 90 年代，很多厂家已生产出多种类型用于土工测试的倾斜仪。目前在滑坡监测领域，国内外深部位移监测设计孔深多在 80m 以内，销售的仪器也多配以 5080m 电缆，采用人工提拉、有缆测量。但是，在孔深超过80m，甚至达 300 多米，有缆人工提拉测量受到先天制约 15。目前，测斜仪的在测斜技术上取得了一些最新进展，随着微位移检测技术的发展和对地壳形变观测仪器要求的不断提高，短基线倾斜仪的研究也取得了很大的进展，新的测量原理和新的结构设计不断涌现。这里面比较有代表性的研究成果有折叠摆倾斜仪、激光倾斜仪以及二维垂直摆倾斜仪等 8。从研究方面看，高精度倾斜仪的发展方向主要集中在以下几个方面:1、追求仪器的小型化、实用化，拓宽仪器的安装场所，方便倾斜仪的使用。2、尽可能拓中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 54 页展仪器测量频带，监测不同频段地面倾斜运动，以获取丰富的地倾斜信息。3、实现倾斜仪的数字化 29。倾斜仪的数字化是新一代地壳形变观测仪器的显著特点，很多地震台站不仅要求新型倾斜仪具有数字化功能，而且不断对已有的倾斜仪进行数字化改造。4、改进仪器灵敏度标定方法和对比不同倾斜仪器的观测结果。高精度倾斜仪观测精度的提高除了与仪器、使用环境和设备管理等密切相关以外，在很大程度取决于其自身灵敏度标定的准确性。倾斜仪灵敏度标定工作是研究的重要方面之一，尤其是避免中间环节不确定性的直接标定法 28。13 该课题主要研究内容本设计要求采用加速度计和陀螺仪研制测斜仪系统，用于解决矿井钻孔施工中实时精确掌握钻孔姿态和位置测量的难题。本设计面向矿井生产安全监测领域，主要应用在矿井施工、煤矿井下定向钻进、石油测井，避免矿井钻孔事故发生。设计主要是测斜仪地下采集部分的设计 30。本课题主要研究内容：1、学习测斜仪系统原理及测井方法，完成面向矿井生产安全监测的测斜仪系统设计；2、对所设计的系统进行仿真分析；3、完成系统硬件电路原理图设计、PCB 版图等；中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 54 页2 测斜仪的整体方案设计21 测斜仪的测斜原理2.1.1 测斜原理将三轴 MEMS 加速度计和陀螺仪沿钻具的基本轴线安装，就构成基于以钻具为载体的 MEMS 陀螺随钻测量系统，如图 1 所示。图 2.1 基于三轴 MEMS 陀螺仪和加速度计的随钻测斜系统矿井钻孔施工中，钻具不仅可以沿三个坐标轴平动，亦可以沿三个坐标轴转动。三轴加速度计实时监测系统的平移运动，输出沿钻具三个坐标轴的比力信息：（2.1）Tzyxbff而三轴陀螺仪实时监测系统的旋转运动，输出沿钻具三个坐标轴的角速度信息：（2.2）Tbbzxyi 于是，钻具随钻测量系统就可以视为基于地下钻具这个特殊载体的捷联惯性导航系统，剩下的关键问题在于如何通过加速度计和陀螺仪的测量输出解算出钻具的姿态。基于 MEMS 加速度计和陀螺仪的随钻测量系统的解算过程如图 2.2 所示。通过解算不仅可以得到方位角、倾角和面向角等姿态信息，而且能够得到钻孔位置信息实现定位。针对随钻测量系统的工作特点，我们对解算过程作进一步的优化设计。考虑到钻具在地层中钻进时速率很小，由速度变化引起的加速度可以忽略，可以认为加速度计仅仅受地球重力的影响。根据惯性导航基本方程：(2.3)(2)eTieTedVfVgt中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 54 页载体静止，则有：(2.4)bbnfgC所以：由cosinsicosinsicosinc0iiiibxyzff g 上式可解出：倾角： (2.5)22arctn()(byxzf面向角： (2.6)rtbzf又由: (2.7)()bnbnniiiieC载体静止时:(2.8)()()bn niieyyieCR 可得到:(2.9)() ()Tbnnyyiieyie(2.10) cos0scosiicoinni bx xiey yz zieL 由上式(2.10) 可解出：方位角： (2.11)arct()yx所以，根据三轴 MEMS 加速度计和三轴 MEMS 陀螺仪测量值可由公式（2.5） 、（2.6）和（2.11）解出方位角 、倾角 (顶角为 )和面向角 ，完成姿态的解算。钻孔轨迹一般是由直线或曲线段组成的空间曲线，对其的描述可分为设计钻孔轨迹、实际钻孔轨迹和与实际近似的绘制钻孔轨迹。其中，实际钻孔轨迹是指施工时钻头沿孔底破碎面中心移动时形成的点的实际几何轨迹。为了正确地描述中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 54 页钻孔轨迹，空间每个测点上需要测量的对象包括三项，即该点处的孔深、顶角（或倾角）和方位角，这些也被称为钻孔轨迹的基本要素。直观起见，我们在常用的地理坐标系中对其进行描述，如图 4 所示。其中，O 代表开孔点，X 轴代表北向（N） ，Y 轴代表东向（E） ，Z 轴代表垂向（D ） ，路径 OABC 为实际的钻孔轨迹，而 A、 B、 C分别为测点 A、 B、 C 在水平面的投影。下面以 A 点为例，给出各基本要素的具体定义。图 2.2 钻孔轨迹的基本要素孔深：测点处的钻孔深度，分为斜深和垂深两种，前者是指孔口到测点的钻孔曲线实长，通常由钻杆长度来衡量，图中用 LA 表示，后者是指测点距地表的铅垂距离，图中用 HA 表示。顶角（倾角）：钻孔当前点的切线与铅垂线之间的夹角，如图中 A 所示。而且该切线与铅垂线相交确定一个平面，该平面叫做终点平面（或钻孔弯曲平面） 。可见，钻孔顶角就在该平面内，顶角的余角称为钻孔的倾角，用 A 表示。方位角：钻孔当前点的切线在水平面的投影与北向之间的夹角，如图中 A 所示。假设钻孔轨迹空间上第 个测点和第 个测点的坐标分别用N1和 表示，测量得到的斜深、垂深、顶角和方位角分别用(,)Nxyz11(,)Nxyz和 表示，则这个测段内的基本参数可表示如,LH1,)NNLH下：（2.12）11()/2NL中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 54 页上式（2.12）利用了两测点间测段为直线且直线方向以前、后测点的平均方向为准的假设，根据这些要素，可以逐点计算出轨迹上任一点的空间坐标。由于深度有斜深和垂深两种表示方法，对应的轨迹计算方式也有两种。当采用斜深 L表示时，空间测点的三维坐标递推公式（2.13）为：（2.13）cosin1LzyxN若是采用垂深 H 表示，空间测点的坐标递推公式（ 2.14）为：HzyxNN1sincota（2.14）通过逐点递推，就可得到各点的空间位置，进而描绘出钻孔三维可视化轨迹。就传统的姿态解算算法，对大井斜角时测量精度比较高，但在小井斜角测量时，存在方位角和滚转角测量精度差，因此急需寻求一种适用于小角度井斜角测量的姿态解算算法。在表示陀螺测斜仪的姿态时，测斜仪系统采用北东地(NED)地理坐标系为导航坐标系，用 或 表示，测斜仪坐标系三轴分别指向载体的前部、右部和下部，用 表示，其中 、 、 为加速度计和陀螺仪的敏感轴方向，井下测斜仪的姿态也就是井管的姿态。测斜仪的姿态所对应的方位角 、俯仰角 、滚转角 所确定的导航坐标系与载体坐标系变换矩阵为：(2.15)姿态矩阵的 定义为： (2.16)中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 54 页由矩阵元素之间的关系可推导得到： (2.17)在井斜角接近垂直测井时，利用式(2.17)提取姿态角，偏航角 和滚动角 会出现较大的提取误差，偏航角 和滚动角 的姿态提取公式中 ， 、 、和 也将同时趋于 0，方位角 和滚转角 的计算变得不确定，甚至根本无法正确分辨 和 。由矩阵元素之间的关系可推导得到：(2.18)因此由式（2.18）可得到方位角 和滚转角 之间的另一种表示：(2.19)当测井垂直时，俯仰角 ，式（14）姿态阵 退化为：(2.20)此时，由姿态阵 不能解算得到方位角 和滚转角 ，只能解算出 的值，在姿态提取时，可以通过其它辅助测量方法，只要先确定方位角 和滚转角其中之一，再由式（2.19）就能计算出另一个姿态角值。测斜仪的方位角 、俯仰角 和滚转角 的随时间的变化率与测斜仪载体坐标系相对于地理坐标系转动的角速度分量 、 和 ，它们之间的关系可表示为式（2.21）：(2.21)中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 54 页而角速度分量 的另一种表达方式（2.9）：(2.22)当测斜仪采用静态测斜的工作方式 为零，或采用随钻测斜的工作方式时，因为钻进的速度很慢， 可以近似为零处理。可由式（2.22）整理为式（2.23）：(2.23)则可推导得到式(2.23) ：(2.24)式中 和 分别是地球自转速率和纬度，当方位的变化率 很小时，由式（24）可近似得到下式：(2.25)而无论测斜仪任何工作情况下，对于俯仰角 的提取，俯仰角 的均可以按下式（2.17）提取，其提取的误差主要取决于姿态变换阵 的准确度，判断计算所得的仰角是否 ，若是，由此可初步判断测井接近垂直状态，利用安装在测斜仪纵轴向的高精度陀螺仪 的输出按式(2.22)积分解算出滚转角 ，而方位角的提取按式（2.19）进行解算。当判断不是小角度井斜角测量时，方位角 和滚转角 可按下式（2.17）提取。2.1.2 传感器选择根据本设计测斜模型的原理，需要对 X、Y、Z 三轴的数据进行测量，故本设计选用三轴加速度计 ADXL330 和三轴陀螺仪 L3G462A 作为倾角测量工具。通过测量加速度与角速度来计算出倾角，以便于完成安全监测。22 测斜仪的总体设计方案中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 54 页在建立了测斜仪的数学模型，并选定测试数学参数的传感器之后，就需要对整个系统进行严谨而镇密的系统设计，包括系统的硬件设计和软件设计。2.2.1 系统硬件设计方案测斜仪的整个硬件系统包括井下仪器部分和地面监控系统两个部分。本设计的只涉及井下部分，需要完成数据的采集、处理、存储部分。整个系统硬件原理框图如下图 2.3。三轴加速度计三轴陀螺仪温度传感器压力传感器多路开关模 / 数转换 模块控制核心单片机R S 4 8 5接口地面监控系统图 2.3 系统硬件原理框图本系统中，井下仪器部分主要完成对倾斜角参数的精密测量，并使用微控制器把测得数据经过处理后传递到地面。采用三轴传感器，测量方向为 X 轴、Y 轴、Z 轴，相比以前的测斜仪更精确。这是一个典型的数据采集系统，当传感器完成测量后，将数据传入 A/D 芯片进行模数转换，之后再由单片机对数据进行处理。2.2.2 系统软件设计方案系统硬件离不开软件的支持，只有软件与硬件相结合才能实现测斜仪的功能。所以软件主要是配合硬件完成数据采集、处理等功能。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 54 页3 测斜仪的硬件设计31 测斜仪的总体架构测斜仪是以单片机为核心的数据采集系统，三轴加速度计、三轴陀螺仪、温中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 54 页度传感器、压力传感器的八路信号送到 A/D 转换器进行模数转换，之后在单片机中进行处理。其硬件结构如图 3.1：三轴加速度计 A D X L 3 3 0三轴陀螺仪L 3 G 4 6 2 A温度传感器A D 5 9 0压力传感器M P X 4 1 1 5多路开关A D 7 5 0 1模 / 数转换模块I C L 7 1 3 5控制核心单片机A T 8 9 S 5 2串行数据总线M A X 4 8 5地面监控系统图 3.1 硬件结构图32 测斜仪的硬件系统的器件选择在器件选择方面单片机选择 AT89S52，AD 转换器选择 ICL7135，温度传感器选择 AD590，压力传感器选择 MPX4115，三轴加速度计选择 ADXL330，三轴陀螺仪选择 L3G462A。由于测斜仪需要在地下 1000 米以下工作所以需要适应温度与压强。根据地温梯度，地层每加深 100 米，温度升高 3C，假设地上温度是 25，则1000 米以下是 50以上。每下降 10 米压强增大 100Pa,则 1000 米大约增大10000Pa，地下 1000 米大约是 100000Pa。在选择陀螺仪、加速度计、温度传感器，压力传感器需要考虑这些因素 30。3.2.1 控制核心 AT89S52中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 54 页AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止 【17】 。图 3.2 AT89S52 引脚图 DIP 封装各引脚功能如下：P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个TTL 逻 辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 54 页数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 不具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。此外，P1.0 和 P1.1 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX） 。 在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。引脚号第二功能：P1.0 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入） ，时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）P2 口： P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。 在 flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。P3 口： P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下所示。 在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断 0)中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 19 页 共 54 页P3.3 INT1(外中断 1)P3.4 TO(定时/计数器 0)P3.5 T1(定时/计数器 1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 FLASH 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。EA/VPP：外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 Vcc 端） ，CPU 则执行内部程序存储器的指令。FLASH 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。看门狗定时器：WDT 是一种需要软件控制的复位方式。WDT 由 13 位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。WDT 在默认情况下无法工作；为了激活 WDT，用户必须往 WDTRST 寄存器（地址：0A6H）中依次写中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 20 页 共 54 页入 01EH 和 0E1H。当 WDT 激活后，晶振工作，WDT 在每个机器周期都会增加。WDT计时周期依赖于外部时钟频率。除了复位（硬件复位或 WDT 溢出复位） ，没有办法停止 WDT 工作。当 WDT 溢出，它将驱动 RSR 引脚一个高电平输出。WDT 的使用：为了激活 WDT，用户必须向 WDTRST 寄存器（地址为 0A6H 的SFR）依次写入 01EH 和 0E1H。当 WDT 激活后，用户必须向 WDTRST 写入 01EH 和0E1H 喂狗来避免 WDT 溢出。当计数达到 8191（1FFFH）时，13 位计数器将会溢出，这将会复位器件。晶振正常工作、WDT 激活后，每一个机器周期 WDT 都会增加。为了复位 WDT，用户必须向 WDTRST 写入 01EH 和 0E1H（WDTRST 是只读寄存器） 。WDT 计数器不能读或写。当 WDT 计数器溢出时，将给 RST 引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续 96 个晶振周期（TOSC） ，其中 TOSC=1/FOSC。为了很好地使用 WDT，应该在一定时间内周期性写入那部分代码，以避免 WDT 复位 【20】 。掉电和空闲方式下的 WDT：在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这 WDT 也停止了工作。在这种方式下，用户不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式：硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过硬件复位退出掉电模式后，用户就应该给 WDT 喂狗，就如同通常 AT89S52 复位一样。通过中断退出掉电模式的情形有很大的不同。中断应持续拉低很长一段时间，使得晶振稳定。当中断拉高后，执行中断服务程序。为了防止 WDT 在中断保持低电平的时候复位器件，WDT 直到中断拉低后才开始工作。这就意味着 WDT 应该在中断服务程序中复位。为了确保在离开掉电模式最初的几个状态 WDT 不被溢出，最好在进入掉电模式前就复位 WDT。在进入待机模式前，特殊寄存器 AUXR 的 WDIDLE 位用来决定 WDT 是否继续计数。默认状态下，在待机模式下，WDIDLE=0，WDT 继续计数。为了防止 WDT 在待机模式下复位 AT89S52，用户应该建立一个定时器，定时离开待机模式，喂狗，再重新进入待机模式 【22】 。3.2.2 A/D转换模块 ICL7135ICI7135 是 4 位双积分 A/D 转换芯片,可以转换输出20000 个数字量,有 STB选通控制的 BCD 码输出,与微机接口十分方便.ICL7135 具有精度高(相当于 14 位A/D 转换),价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:自校准(调零),正向积分(被测模拟电压积分),反向积分(基准电压积分)和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为 10001 个脉冲,正向积分时间为 10000 个脉冲,反向积中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 21 页 共 54 页分直至电压到零为止(最大不超过 20001 个脉冲).故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数.将计数的脉冲个数减 10000,即得到对应的模拟量.图 1 给出了 ICL7135 时序,由图可见,当 BUSY 变高时开始正向积分,反向积分到零时 BUSY 变低,所以 BUSY 可以用于控制计数器的启动/停止。MAx1M公司生产的 ICL7135 便是这类 A/D 转换器中之一，其数据以 BCD 码格式输出，很容易与 LED、LCD、显示器及 CPU 连接，因而成为首选。图 3.3 ICL7135 时序ICL7135 为 DIP28 封装,芯片引脚排列如图 2 所示,引脚功能及含义如下:图 3.4 ICL7135 引脚图与供电及电源相关的引脚(共 7 脚)： -V:ICL7135 负电源引入端,典型值-5V,极限值-9V;+V:ICL7135 正电源引入端,典型值+5V,极限值+6V;DGND:数字地,ICL7135 正,负电源的低电平基准;中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 22 页 共 54 页REF:参考电压输入,REF 的地为 AGND 引脚,典型值 1V,输出数字量=10000(VIN/VREF);AC:模拟地,典型应用中,与 DGND(数字地)一点接地;INHI:模拟输入正;INLO:模拟输入负,当模拟信号输入为单端对地时,直接与 AC 相连.与控制和状态相关的引脚 (共 12 脚) ：CLKIN:时钟信号输入.当 T=80ms 时,fcp=125kHz,对 50Hz 工频干扰有较大抑制能力,此时转换速度为 3 次/s.极限值 fcp=1MHz 时,转换速度为 25 次/s.REFC+:外接参考电容正,典型值 1F.REFC-:外接参考电容负.BUFFO:缓冲放大器输出端,典型外接积分电阻.INTO:积分器输出端,典型外接积分电容.AZIN:自校零端.LOW: 欠量程信号输出端,当输入信号小于量程范围的 10%时,该端输出高电平.HIGH:过量程信号输出端,当输入信号超过计数范围(20001)时,该端输出高电平.STOR:数据输出选通信号(负脉冲),宽度为时钟脉冲宽度的一半,每次 A/D 转换结束时,该端输出 5 个负脉冲,分别选通由高到低的 BCD 码数据(5 位),该端用于将转换结果打到并行 I/O 接口.R/H:自动转换/停顿控制输入.当输入高电平时;每隔 40002 个时钟脉冲自动启动下一次转换;当输入为低电平时,转换结束后需输入一个大于 300ns 的正脉冲,才能启动下一次转换.POL:极性信号输出,高电平表示极性为正.BUSY:忙信号输出,高电平有效.正向积分开始时自动变高,反向积分结束时自动变低.与选通和数据输出相关的引脚(共 9 脚)：B8B1:BCD 码输出.B8 为高位,对应 BCD 码;D5:万位选通;D4D1:千,百,十,个位选通.中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 23 页 共 54 页图 3.5 A/D 转换图3.2.3 温度传感器 AD590AD590是美国 ANALOG DEVICES 公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4 V 至 30 V 电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1 A/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K (25C)时输出 298.2 A 电流。AD590适用于150C 以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用 AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。AD590特别适合远程检测应用。它提供高阻抗电流输出，对长线路上的压降不敏感。任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。这种输出特性还便于 AD590实现多路复用：输出电流可以通过一个 CMOS 多路复用器切换，或者电源电压可以通过一个逻辑门输出切换。AD590符合本设计测斜仪的温度测量要求。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 24 页 共 54 页AD590 的主要特性有：（1） AD590 的测温范围为- 55+150；(2) AD590 的电源电压范围为 430 V，可以承受 44 V 正向电压和 20 V 反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；(3) 输出电阻为 710 m；(4) 精度高，AD590 在- 55+-150范围内，非线性误差仅为0.3。AD590 的引脚使用：AD590 的引脚共有 3 个,只用了两个引脚(即“+ ”和“-”)第三个脚可以不用,是接外壳做屏蔽用的。测量温度是把整个器件放到需要测温度的地方。图 3.6 AD590 引脚图3.2.4 压力传感器 MPX4115本设计要实现的数字气压计显示的是绝对气压值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的气压传感器。经过综合考虑，本设计选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感器。MPX4115 可以产生与所加气压呈线性关系的高精度模拟输出电压。MPX4115 系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器。这个传感器结合了高级的微电机技术，薄膜镀金属。还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。在 085的温度下误差不超过 1.5%，温度补偿是-40 -125 。MPX4115 符合本设计测斜仪的压强测量要求。它的实物如图 3.7 所示。图 3.7 MPX4115 实物图中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 25 页 共 54 页气压传感器 MPX4115 的管脚说明如表所示：表 3.1 气压传感器 MPX4115 的管脚说明1 2 3 4 5 6VOUT GND VS N/S N/S N/S气压传感器 MPX4114 的特性参数如表 3.2 所示：表 3.2 气压传感器 MPX4114 的特性参数参 数 符 号 最 小 典 型 最 大 单 位压力范围 Pop 15 - 115 KPa供电电压 Vs 4.85 5.1 5.35 Vdc供电电流 Lo - 7.0 10 mAdc最大压力偏置 （085）Vs=5.0VVpss 0.135 0.204 0.273 Vdc满量程输出 （085）Vs=5.0VVoff 4.725 4.794 4.863 Vdc满量程比例 （085）Vs=5.0VVFSS 4.521 4.590 4.695 Vdc精度（085）- - - 1.5 %VPSS灵敏度 V/P - 45.9 - mV/KPa响应时间（10%90%） tR - 1.0 - ms上升报警时间 - - 20 - ms偏置稳定性 - - 0.5 - %VFSS中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 26 页 共 54 页图 3.8 MPX4115 电路图