机车轴承温度监测.doc

中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 1 1 1 绪绪 论论 1 11 1 课题意义课题意义 机车车辆在运行过程中车轴与轴承之间相互摩擦 容易使轴温升高 温 度达到一定程度就会引起燃轴 轻则轴体变形 热轴 固死 造成机破 影 响机车的正常运转 重则造成热切轴 车毁人亡 严重影响铁路运输安全 对国家造成巨大的经济损失 对于机车轴承的温度控制不但可以防止火灾 而且对于延长仪器的工作寿命都有着极其重要的作用 为此铁道部于 2000 年 颁发了关于机车轴承温度监测报警装置技术条件 暂行 的通知 对机车轴 承温度监测报警装置的研制生产提出了明确的规定和严格的技术要求 以便 能及时 可靠 准确的对机车轴温进行监测报警 确保机车车辆的安全运行 以前铁路工人采用手摸的方式对车轴进行温度检查 在每趟列车进站停 稳后 几十名列检工人钻入车下用手触摸轴箱判断温度 工人要在 5 10 分 钟内检查完毕 劳动强度 安全保障率低 后来使用红外线探测轴温装置 当列车通过安装在咽喉道岔处的探测装置时 红外线探头就会将车轴温度情 况显示出来 值班列检人员根据显示 就能准确判断这趟列车是否有热轴发 生 红外线探测只须一个人坐在室内 仅用一分钟就能把整趟列车的情况探 测清楚 减轻了列检人员的劳动强度 提高了检查的准确性 可靠性和工作 效率 更提高了经济效益 车轴温度随火车运输速度不断变化 长途列车的轴温又是怎样控制呢 所以又有了轴温报警装置 当轴温超限时 显示器的报警装置便发出声响或 红色信号 有关人员即可根据此采取防护措施 不管列车跑多远 轴温报警 装置都能随时发出信号 有效防止热轴 裂轴等重大事故发生 极大地保证 了行车安全 1 21 2 解决方案解决方案 那么如何设计一台机车轴承温度监测报警装置呢 DS18B20 芯片可以把 温度信号直接转换为数字量 而无须 A D 转换器与数据调理电路 而且它采 用单总线原理 易于电路扩展 只需在相应单总线上继续挂接器件即可 我 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 2 们可以利用 DS18B20 的这些优点 把 4 个 DS18B20 连接到轴承的上下左右 组成一个数据采集电路 对轴承的温度进行监测 系统选用 AT89C51 作为微 处理器 为了能够根据不同的情况设置不同的超温报警值 系统需要有一个 键盘和一个显示以及一个参数保存电路 系统还需要一个报警电路 当温度 超过温度报警值时产生声 光报警 1 31 3 本文主要工作本文主要工作 1 键盘显示电路设计 2 键盘显示软件设计与编程 3 看门狗电路及报警电路设计 4 看门狗及报警软件设计与编程 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 3 2 2 总体设计总体设计 2 12 1 系统特点系统特点 本系统实时地对温度信号进行采集 并送单片机处理 处理结果送 LED 显示 该系统还可以将采集到的值与报警值比较 若超出报警值 则发出声 光报警 本系统有如下特点 1 采用数字式温度传感器 与单片机接口简单 采集到的数据准确可 靠 2 实现 4 路温度检测 由于采用单总线温度传感器 扩展容易 只要将 器件挂接在单总线上即可 3 有看门狗电路 系统可靠性高 4 EEPROM 保存键盘输入参数 系统掉电后保存的参数不会丢失 2 22 2 系统总体设计系统总体设计 该系统由数据采集电路 键盘显示电路 报警电路 看门狗电路及 E2PROM 组成 主控机采用 AT89C51 单片机 完成对 4 个测温点温度信号的采 集 显示 报警 系统结构框图如图 2 1 所示 图 2 1 系统结构框图 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 4 2 2 12 2 1 数据采集系统数据采集系统 本系统采用数字式温度传感器 DS18B20 完成对 4 个测温点温度的数据采 集 DS18B20 可以把温度信号直接转换为数字量 而无须 A D 转换器与数据 调理电路 既简化电路 又提高电路的可靠性 采用单总线原理 易于电路 扩展 只需在相应单总线上继续挂接器件即可 是现代集成式温度传感器的 首选器件 2 2 22 2 2 键盘显示系统键盘显示系统 本系统采用 HD7279 完成数据输入与数据显示 HD7279 是一片具有串行 接口的 可同时驱动 8 位共阴式数码管的智能显示驱动芯片 该芯片同时能 对多达 8 8 的键盘矩阵的按键情况进行监视 具有自动消除键抖动并识别按 键代码的功能 从而可以提高 CPU 工作的效率 HD7279 和微处理器之间采用 串行接口 其接口电路和外围电路简单 占用口线少 具有较高的性能价格 比 2 2 32 2 3 报警电路报警电路 本电路完成系统报警功能 即在温度超出报警值时 发光二极管灯亮 蜂鸣器响 显示报警状态 2 2 42 2 4 看门狗电路及看门狗电路及 E E2 2ROMROM 看门狗电路及 E2ROM 本电路采用 Xicor 公司的 X25045 芯片 X25045 是 可编程看门狗监控 E2ROM 它把看门狗电路 电压监控和 E2ROM 组合在一起 降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求 此芯片实时检测单片机 使 其正常工作 一旦单片机因干扰而程序走失 可通过复位电路使单片机复位 保证系统可靠运行 该芯片还含有内部 512 字节的 E2ROM 可存储键盘输入 的温度报警值以及数字式温度传感器 DS18B20 的序列号 保证掉电时不丢失 信息 因而不必每次开机时重新写入这些数据 X25045 还具有允许简单的三 线总线工作的串行外设接口和软件协议 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 5 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 6 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 在硬件设计的过程中 为使硬件电路简单 可靠 合理 设计的基本思 路如下 1 为简化电路 我们尽可能采用功能强的芯片 例如本系统中采用的 AT89C51 DS18B20 X25045 HD7279A 等芯片 因为功能强的芯片可以代替 若干块普通芯片 便于电路设计 使其集成度更高 同时可增强整个电路的 抗干扰性 另外 随着生产工艺的提高 新型芯片的价格不断下降 并不比 若干块普通芯片价格的总和高 2 在单片机的硬件设计中 很多场合下要考虑以软代硬 因为硬件多了 不但增加成本 而且使系统出故障的机会也增加 单片机和数字电路本质的 区别 就是它具有软件系统 很多硬件能完成的工作 软件也可以完成 用 软件来代替硬件 其实质是以时间代替空间 因为软件执行过程需要消耗时 间 所以 这种代替带来的不足就是实时性下降 因此 当系统对某些事物 的反应有严格的时间限制时 往往增加硬件电路是唯一选择 但对一些实时 性要求不是很高的场合 以软件代替硬件是很合算的 3 监测电路的设计 在系统运行过程中有可能出现故障 如何及时采取 措施 防止事态扩大 及时向操作者提出报警 这就要求系统具有自诊断功 能 为此 必须为系统设计有关的监测电路 如本监测仪电路中设计的 看 门狗 电路 4 一件产品的形成必须考虑其工艺设计 它主要包括面板 配线 插接 件等 必须考虑到安装 调试 维修的方便 另外 硬件抗干扰措施也必须 在硬件设计时一并考虑进去 下面我将对所使用的 3 种芯片作一详细的介绍 3 13 1 单片机单片机 本系统的单片机采用 AT89C51 它是一种低功耗 高性能的 8 位单片机 它内含 4K 字节的 FLASH 程序存储器 可在现场进行在线编程 指令与 MCS 51 完全兼容 它含有 4K 字节的 FLASH ROM 128 字节的 RAM 32 条 I O 口线 两个 16 位的定时 计数器 5 个中断源 两个优先级 一个全双工串行口 工作频率 0 24MHz 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 7 3 1 13 1 1 AT89C51AT89C51 单片机的特点单片机的特点 AT89C51 单片机对于一般用户来说 存在下列很明显的优点 1 内部含有 Flash 存储器 由于内部含有 F1ash 存储器 因此在 系统的开发过程中可以十分容易地进行程 序的修改 这就大大缩短了系统的开发周 期 同时 在系统工作过程中 能有效地 保存一些数据信息 即使外界电源损坏也 不影响信息的保存 2 和 AT80C51 插座兼容 AT89C51 单片机的引脚和 80C51 是 一样的 所以 当用 AT89C51 单片机取 代 80C51 时 可以直接进行代换 这时 不管采用 40 引脚还是 44 引脚的产 品 只要用相同引脚的 AT89C51 单片机取代 80C51 的单片机即可 3 静态时钟方式 AT89C51 单片机采用静态时钟方式 所以可以节省电能 这对于降低便 携式产品的功耗十分有用 4 错误编程亦无废品产生 一般的 OTP 产品 一旦错误编程就成了废品 而 AT89C51 单片机内部 采用了 Flash 存储器 所以 错误编程之后仍可以重新编程 直到正确为止 故不存在废品 5 可反复进行系统试验 用 AT89C51 单片机设计的系统 可以反复进行系统试验 每次试验可以 编入不同的程序 这样可以保证用户的系统设计达到最优 而且随用户的需 要和发展 还可以进行修改 使系统能不断追随用户的最新要求 6 性价比相对较高 现在市场上较为流行的几中品牌的单片机芯片中 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机芯片的功能能够满足一般用户的要求 而价格较同类产品相 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 8 比较低 3 1 23 1 2 AT89C51AT89C51 单片机结构简介单片机结构简介 AT89C51 单片机的内部结构和 80C51 相近 主要含有如下一些部件 803l CPU 振荡电路 总线控制部件 中断控制部件 片内 Flash 存储器 片内 RAM 并行 I O 接口 定时器 串行 I O 接口 由于 AT89C51 片内带有 EPROM 只要将单片机接上时钟电路和复位电路 即构成单片机最小系统 由于集成度的限制 该最小应用系统具有如下特点 1 有可供用户使用的大量 1 0 口线 因没有外部存储器扩展 这时 EA 接高电平 P0 P1 P2 P3 都可作用户 I 0 口使用 2 内部存储器容量有限 3 应用系统开发具有特殊性 应用系统程序量不大 外电路简单 便 于采用模拟开发手段 4 AT89C5l 片内有 EPROM 具有 64K 数据存储单元 其内部资源丰 富 芯片功耗较低 其成本低 体积小 可达性好 扩展容易的优点是我们选 择它的主要原因 3 23 2 键盘显示电路键盘显示电路 3 2 13 2 1 概述概述 键盘实质上是一组按键开关的集合 通常按键所用开关为机械弹性开关 均利用了机械触点的断合作用 键的闭合与否 反映在电压上就是呈高电平 或低点平 如果高电平表示断开的话 那么低电平则表示闭合 所以通过电 平的高低状态的检测 便可确定健的闭合与否 按键按连接方式可分为独立式按键和矩阵式按键 独立式按键就是各按 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 9 键相互独立 每个按键各接一根输入线 一根输入线上的按键的工作状态不 会影响另一根 因此 通过检测输入线上的电平状态就可以很容易判断哪个 健按下 独立式按键电路配置灵活 软件结构简单 但每个键都需要一根输 入线相连 故这种按键一般用在按键较少而速度较高的场合 矩阵式键盘运 用于按键较多的场合 它由行线和列线组成 按键位于行线和列线的交叉点 上 很明显 在按键较多的场合 矩阵式键盘与独立式键盘相比 要节省好 多的 I O 口 LED 显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器 有共阴极和共阳极 之分 共阴极 LED 各发光二极管阴极连在一起 当某个发光二极管的阳极为 高电平时 发光二极管点亮 相应的段被显示 LED 显示器包含两种显示方式 静态显示方式和动态显示方式 静态显 示器的亮度较高 而动态显示方显示亮度相对较低 且软件实现要比静态显 示复杂 我们采用显示与键盘操作控制芯片 HD7279A 与 89C51 单片机进行串行 通讯并通过相应的程控实现了这部分的功能 其相对于常用的 Intel8279 可编 程键盘 显示接口芯片来讲 具有以下特点 数据传输采用串行方式 可以少占用 CPU 的 I O 口线 可以直接驱动 LED 减少硬件的开销 具有段寻址指令 可方便独立控制 LED 自身带有定时电路 外加定时元件可完成对键盘和现实的扫描 3 2 23 2 2 HD7279AHD7279A 的结构及特点的结构及特点 HD7279A 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 单片即可完成 LED 显示 键盘接口的全部功能 其内部含有译码器 可 直接接受 BCD 码或 16 进制码 并同时具有 2 种译码方式 此外 还具有多种 控制指令 如消隐 闪烁 左移 右移 段寻址等 HD7279A 还具有片选信 号 可方便地实现多于 8 位的显示或多于 64 键的键盘接口 HD7279A 可以应 用于仪器仪表 工业控制 条形显示器 控制面板 1 典型应用 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 10 仪器仪表 工业控制器 条形显示器 控制面板等 2 特点 串行接口 无需外围组件可直接驱动 LED 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 方便控制独立的 LED 键盘控制器 内含去抖动电路 3 HD7279A 引脚图如图 3 2 所示 4 引脚说明如表 3 1 所示 5 HD7279A 的实物如图 3 3 所示 图 3 3 HD7279A 实物图 6 工作原理 HD7279A 采用串行方式与微处理器进行通讯 串行数据从 DATA 引脚送入 芯片 并由 CLK 同步 当片选信号变为低电平后 DATA 引脚上的数据在 CLK 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 11 引脚的上升沿被写入 HD7279A 的缓冲寄存器 表 3 1 引脚说明 引脚名称说明 1 2 VDD 正电源 3 5 NC 无连接 必须悬空 4VSS 接地 6CS 片选输入端 此引脚为低电平时 可向芯片发送指 令及读取键盘数据 7CLK 同步时钟输入端 向芯片发送数据及读取键盘数据 时 此引脚电平上升沿表示数据有效 8DATA 串行数据输入 输出端 当芯片接收指令时 此引脚 为输入端 当读取键盘数据时 此引脚在 读 指 令最后一个时钟的下降沿变为输出端 9KEY 按键输出有效端 平时为高电平 当检测到有效按 键时 此引脚变为低电平 10 16SG SA 段 g 段 a 驱动输出 17DP 小数点驱动输出 18 25DIG0 DIG7 数字 0 数字 7 驱动输出 26CLKO 振荡输出端 27RC RC 振荡器连接端 28RESET 复位端 HD7279A 对数码管的显示及键盘操作的控制是通过由单片机向该芯片发 送或接收来自该芯片的串行数据来实现的 其中 LED 的显示采用循环扫描方 式 7 控制指令 HD7279A 指令系统由 6 条纯指令 7 条带数据指令和 1 条读键盘指令组成 1 6 条纯指令如表 3 2 所示 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 12 表 3 2 纯指令表 纯指令指令代码 功 能 复位指令 A4H 清除所有显示 包括字符消隐属性和闪烁属 性 测试指令 BFH 将所有的 LED 点亮并闪烁 主要用于测试 左移指令 A1H将所有的显示左移 1 位 移位后 最右位空 无显示 不改变消隐和闪烁属性 右移指令 A0H与左移指令相似 但所做移动为自左向右 移 动后 最左边一位为空 循环左移指令 A3H将所有的显示循环左移 1 位 移位元后 最 左位内容移至最右位 不改变消隐和闪烁属 性 循环右移指令 A2H与循环左移指令相似 只是方向相反 2 7 条带数据指令为 按方式 0 译码下载指令 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 0 0 a2 a1 a0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DP X X X d3 d2 d1 d0 命令由两个字节组成 前半部分为指令 其中 a2 a1 a0为位地址 具体分配如下 a2a1 a0 显示位 0000 0011 0102 0113 1004 1015 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 13 1106 1117 d0 d3为数据 收到此指令时 HD7279A 按以下规则译码 方式 0 如 表 3 3 所示 表 3 3 方式 0 译码规则 d3 d0d3d2d1 d0 7 断显示 00H000 00 01H000 11 02H001 02 03H001 13 04H010 04 05H010 15 06H011 06 07H011 17 08H100 08 09H100 19 0AH101 0 0BH101 1E 0CH110 0H 0DH110 1L 0EH111 0P 0FH111 1 空 无显示 X 表示无影响 其中 DP 为小数点控制位元 DP 1 小数点显示 DP 0 小数点熄灭 按方式 1 译码下载指令 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 1 0 0 1 a2 a1 a0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DP X X X d3 d2 d1 d0 此指令与上一条指令基本相同 所不同的只是译码方式 如表 3 4 所示 不译码下载指令 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 14 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 1 0 a2 a1 a0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DP A B C D E F G 表 3 4 方式 1 译码规则 d3 d0d3d2d1d0 7 断显示 00H00000 01H00011 02H00102 03H00113 04H01004 05H01015 06H01106 07H01117 08H10008 09H10019 0AH1010A 0BH1011B 0CH1100C 0DH1101D 0EH1110E 0FH1111F 其中 a2 a1 a0仍为位地址 第 2 字节仍为显示内容 分别代表小数 点和 LED 显示器的 7 段 相应位为 1 时 该段点亮 为 0 时 该段熄灭 闪烁控制指令 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 0 1 0 0 0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 该指令规定了每个数码管的闪烁属性 d8 d1分别对应第 1 到第 8 个数 码管 该位为 1 不闪烁 该位为 0 闪烁 缺省状态为所有数码管均不闪烁 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 15 消隐控制指令 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 1 1 0 0 0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 该指令规定了每个数码管的消隐属性 d1 d8分别对应第 1 到第 8 个数码 管 该位为 1 显示 该位为 0 消隐 当某一位被赋予了消隐属性后 HD7279A 在扫描时将跳过该位 因此在这种情况下 无论对该位写入何值 均不会被 显示 但写入的值将被保留 在将该位重新设为显示状态的时候 将不用的 位设为消隐属性 可以提高显示的亮度 应该注意的是至少要有 1 位保持显示状态 如果全部消隐则该命令无效 段点亮指令 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 1 1 0 0 0 0 0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 X X d5 d4 d3 d2 d1 d0 该指令的作用是点亮某个 LED 数码管中的某一段或 64 个 LED 发光管中的 某一个 d0 d5的范围是 00H 3FH 具体分配为 第一个数码管的 G 段地址位 00H F 段为 01H A 段为 06H 小数点 DP 为 07H 第 2 个数码管的 G 段为 08H F 段为 09H 依此类推直至第 8 个数码管的小数点 DP 地址为 3FH 段关闭指令 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 1 0 0 0 0 0 0 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 16 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 X X d5 d4 d3 d2 d1 d0 该指令的作用是关闭某个数码管中的某一段 其对应关系同段点亮指令 2 读取键盘指令 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 0 0 1 0 1 0 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 该指令的作用是读取当前的键盘代码 与其它带数据的指令不同 它的 前 1 个字节为微控制器传送到 HD7279A 的指令 它的第 2 个字节不是写入 HD7279A 的数据 而是从 HD7279A 读回的按键代码 其范围是 00H 3FH 8 时序 HD7279A 的指令结构由三种类型 不带数据的纯指令 带有数据的指令 读取键盘数据指令 1 纯指令时序 微处理器发出 8 个 CLK 脉冲 向 HD7279A 传送 8 位元指令 DATA 引脚为 高阻状态 如图 3 4 所示 图 3 4 纯指令时序图 2 带数据指令时序 微处理器发出 16 个 CLK 脉冲 前 8 个向 HD7279A 传送 8 位元指令 后 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 17 8 个向 HD7279A 传送 8 位资料 DATA 引脚为高阻状态 如图 3 5 所示 3 读键盘指令时序 微处理器发出 16 个 CLK 脉冲 前 8 个向 HD7279A 传送 8 位元指令 DATA 引脚为高阻状态 后 8 个由 HD7279A 向微处理器返回 8 位按键代码 DATA 引脚为输出状态 在最后 1 个 CLK 脉冲的下降沿 DATA 引脚恢复高阻状 态 如图 3 6 所示 图 3 5 带数据指令时序图 图 3 6 读键盘指令时序图 9 键盘 键盘部分所要实现的功能是 键入相应的参数 并将键入的参数显示于 LED 显示器 然后将此资料存储于单片机内相应的存储单元 如图 3 7 所示 对应于图 3 7 各键功能介绍如表 3 5 所示 设定设定 S0 1 S2 运运 行行 S1 1 S3 左移左移 S4 右移右移 S5 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 18 图 3 7 键盘设置外形图 表 3 5 键盘功能表 键盘功能 S0 设定 当数码管 1 处在闪烁状态 等待键入设定值 S1 运行 使当前所输入的数值得到单片机的确认 S2 加 1 使当前显示位显示的数值加 1 S3 减 1 使当前显示位显示的数值减 1 S4 左移 使当前显示位左移一位 S5 右移 使当前显示位右移一位 3 33 3 可靠性设计可靠性设计 3 3 13 3 1 概述概述 微机测控系统的抗干扰和数据长期可靠保存是设计人员在设计中面临的 两个重要问题 根据专家统计 目前在微机测控系统中 电源的接通和关断 瞬时的电源电压不稳是造成系统死机 数据丢失和误动作的主要原因 占 90 以上 虽然很多设计人员采取了不少措施 但是问题还是没有根本解决 单片机系统以集成度高 功能强大 具备完善的自检测 自诊断等性能 从 而在仪表产品中占有日益增加的比重 本部分针对广泛采用的 MCS 51 系列 单片机 运用 Xicor 公司的 X25045 芯片 构成功能较完善的控制单元 在单片机系统中通常需要外围看门狗电路以防止程序走飞 大多数单片机 系统在上电和掉电过程中 正常运行以及在切换工作模式过程中 都需要进行 监控 诸如上电和掉电复位 后备电池管理 存储器写保护 低电压早期告警 以及看门狗等 同时 单片机系统通常需要监测电源电压情况 以便在系统掉 电时能及时复位 避免因电源干扰波动时影响系统的正常工作 其中 上电和 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 19 掉电复位是 CPU 最基本也是必不可少的硬件功能 在单片机应用中需要预先 设置一些参数 比如时钟初值 控制算法参数等需要用户设置 一旦设置完成 后这些参数往往需要掉电保存 看门狗 即 WATCHDOG 是针对机器语言程序设 置的抗干扰措施 这两项基本功能体现在单片机系统的设计中 可以提高智能 仪表整机的可靠性能 传统的阻容复位电路存在问题 而基于供电电源监视技术研制的复位电路 在欠压状态下 可提供稳定的复位脉冲输出 对智能仪表的可靠性设计提供了 强大的技术支持 采用专用的看门狗监控电路和非易失存储器 EEPROM 电路来 达到上述要求 但往往有成本较高 电路板空间较大 接口复杂等不利因素 Xicor 公司最新研制生产的 X25045 芯片可以较好地和较简单地解决这个 难题 该芯片将微机测控系统中常用的功能 看门狗定时器 电源电压监控 上电复位 串行 E2PROM 集成在一块 8 只引脚的集成芯片内 这种组合大大减 少了对电路板的空间要求 简化了硬件设计 提高了系统的可靠性 降低了成本 和功耗 X25045 与单片机的数据传输采用串行同步方式 占用单片机软件资 源少 不需再外加电路即可与单片机协调工作 因此我们在设计中采用此芯片 看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统 当系统故障时 在可选 的超时周朗 timeout interval 之后 X25045 看门狗将以 RESET 信号作出响 应 用户可从三个预置的值中选择此周期 一旦选定 即使在电源周期变化之 后 此周期也不改变 利用 X25045 低 Vcc 检测电路 可以保护系统使之免受低电压状况的影响 当 Vcc 降到最小 Vcc 转换点以下时 系统复位 复位一直确保到 Vcc 返回且稳 定为止 X25045 的存贮器部分是 CMOS 的 4096 位串行 E2PROM 它在内部按 5l2 8 来组织 X25045 的特点是具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口 Serial Perpheral Interface SPI 和软件协议 X25045 利用了 Xicor 公司专有的 Diect WriteTM晶片 提供最小为 l00 000 周朋 字节的使用期限 endurance 和最小为 l00 年的数据保存期 3 3 23 3 2 X25045X25045 的结构及特点的结构及特点 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 20 1 特点 可编程的看门狗定时器 低 Vcc 检测 直至 Vcc lV 复位信号有效 lMHz 时钟速率 5l2 8 位串行 E2PROM 4 字节页方式 低功耗 CMOS l0 A 备用电流 3mA 工作电流 2 7V 至 5 5V 电源电压 块锁定 BlockLockTM 保护 l 4 l 2 或所有 E2PROM 阵列 内建偶然性的 Inadvertent 写保护 上电 掉电保护电路 写锁存 写保护引脚 高可靠性 使用期限 100 000 周期 字节 数据保存期 100 年 ESD 保护 所有引脚 2000v 8 引脚小型 DIP 封装 8 引脚 SOIC 封装 X25045 RESET 高有效 2 引脚排列 图 3 8 X25045 管脚图 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 21 3 引脚说明见表 3 6 串行输出 SO SO 是推挽串行数据输出引脚 在读周期内 数据在此引脚 上移出 数据由串行时钟的下降沿同步输出 串行输入 SI SI 是串行数据输 入引脚 所有操作码 字节地址以及写入存贮器的数据在此引脚上输入 数据 由串行时钟的上升沿锁存 串行时钟 SCK 串行时钟控制用于数据输入和输出的串行总线定时 操 作码 地址或出现在 SI 引脚上的数据在时钟输入的上升沿锁存 而 SO 引脚上 的数据在时钟输入的下降沿之后发生改变 表 3 6 引脚说明 芯片选择 CS 当 CS 为高电平时 X25045 不被选择 SO 输出引脚处于高阻 状态 除非内部写操作正在进行 否则 X25045 将处于备用电源方式 standby power mode CS 为低电平使 X25045 能工作 把它置于工作电源方式 active power mode 应当注意 在上电之后 在任何操作开始之前需要 CS 从高电平 至低电平的跳变 写保护 WP 当 WP 为低电平时 向 X25045 的非易失性写操作被禁止 但 是器件的其它功能仍正常 当 WP 保持高电平时 所有的功能 包括非易失性 写操作都正常 在 CS 仍为低电平时 WP 变为低电平将中断对 X25045 的写操 作 如果内部写周期已经开始 WP 变为低电平将不影响写操作 复位 RESET X25045 的 RESET 是低电平有效 漏极开路的输出端 只要 VCC下降至低于最小 VCC检测电平 RESET 便变为低电平 它将保持低电平直至 Vcc 上升到最小 Vcc 检测电平 200ms 为止 如果允许看门狗定时器工作且 CS 符 号 说 明 CS 芯片选择输入 SO 串行输出 SI 串行输入 SCK 串行时钟输入 WP 写保护输入 VSS 地 VCC 电源电压 RESET RESET 复位输出 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 22 保恃高电平或低电平的时间长于看门狗超时周期 那么 RESET 也变为低电平 CS 的下降沿将复位看门狗定时器 X25045 的 RESET 是高电平有效 其工作情况类似 4 工作原理 X25045 是设计成直接与许多常用微控制器系列的同步串行外设接口 SPI 相接的 5l2 8E2PROM X25045 包括一个 8 位指令寄存器 它可通过 Sl 输入来访问 数据在 SCK 的上升沿由时钟同步输入 在整个工作期内 CS 必须是低电平且 WP 输入必须 是高电平 X25045 监视总线 如果在预置的时间周期内没有总线的活动 那么 它将捉供 RESET 输出 表 3 7 包括指令及其操作码的列表 所有的指令 地址与数据都以 MSB 最高有效位 在前的方式传送 读和写指令的位 3 包含了高地址位 表 3 7 指令及操作码列表 最左的位置表示指令的最高有效位 MSB 以最高有效位在先的方式传送 指令 输入的数据在 CS 变为低电平之后的 SCK 第一个上升沿被采样 SCK 是静 态的 允许用户停止时钟并在其后恢复燥作 写使能锁存器 X25045 包含一个 写使能 锁存器 在内部完成写操作之前必须先设置 此锁存器 SET WREN 指令设置该锁存器 WRDI 指令复位该锁存器 上电情 指令 名 指令格式 操作 WREN00000110设置写使能锁存器 允许写操作 WRDI00000100复位写使能锁存器 禁止写操作 RDSR00000101读状态寄存器 WRSR00000001写状态寄存器 块锁定位 READ0000A8011从开始于所选地址的寄存器阵列中读出数据 WRITE0000A8010把数据写入开始于所选地址的存储器阵列 1 至 4 字 节 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 23 况下 在字节 页 或状态寄存器写周期完成后 该锁存器自动复位 WP 变为低 电平 该锁存器也被复位 状态寄存器 在任何时间都可以访问状态寄存器 即使在写周期亦如此 读指令为 RDSR 写指令为 WRSR 状态寄存器的格式如下 76 5 432 10 XXWD1WD0BL1BL0WELWIP 当发出 WREN WRDI 和 RDSR 命令时 不必发送字节地址或数据 正在写 Write In Process WIP 位表示 X25045 是否忙于写操作 1 表示写操作正在进行 0 表示没有写操作 在写期间 所有其它位全 置为 1 WIP 位是只读的 写使能锁存器 Write Enable Latch WEL 位表示 写使能 锁存器 的状态 1 表示锁存器置位 0 表示锁存器复位 WEL 位是只读的 它 由 WREN 指令置位 由 WRDI 指令或成功地完成了写周期后复位 块保护 Block Protect BL0 或 BL1 位表示所使用的保护范围 这些非易 失性的位由发出 WRSR 指令来设置 允许用户选择四种保护级别之一和对看门 狗定时器编程 X25045 分为四个 1024 位的段 可以锁定一个 两个或全部 四个段 即 在选定的段内用户可以读这些段但是不能改变 写 数据 用 BL0 和 BL1 位状态可以控制范围的划分 且说明如下 表 3 8 被保护的阵列地址 状 态 寄 存 器 位 BL1 BL0 被保护的阵列地址 0 0 无 0 1 180 1FF 1 0 100 1FF 1 1 000 1FF 看门狗定时器 Watchdog Time WD0 和 WD1 位允许如表 3 9 所示那样设 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 24 置看门狗的超时功能 这些非易失性的位由发出 WRSR 指令来设置 时钟和数据定时 在 SI 线上输入的数据在 SCK 的上升沿被锁存 数据在 SCK 的下降沿输出到 SO 线上 读时序 当从 E2PROM 存储器阵列读数据时 首先把 CS 拉至低电平以选择芯片 发送 8 位 READ 指令 紧接是 8 位字节地址 读指令的位 3 包含地址 A8 此位用于选择器件的上半部或下半部 在发送了读操作码和字节地址之后 在 表 3 9 看门狗超时周期 状 态 寄 存 器 位 WD1 WD0 看门狗超时周期 典型 值 0 0 1 4 秒 0 1 600 毫秒 1 0 200 毫秒 1 1 禁止 所选定地址的存储器中储存的数据被移出到 SO 线上 继续提供 SCK 使它读出 下一地址储存的数据 在每一个数据字节移出之后 字节地址自动增量至下 一个较高的地址 当字节地址到达最高地址 1FF 时 地址计数器自动翻至 000 CS 置高电平终止读操作 图 3 9 为其时序图 图 3 9 读时序 为了读状态寄存器 首先把 CS 置低电平 发送 8 位 RDSR 指令 在发出读状 态寄存器操作码之后 状态寄存器的内容被移出到 SO 线上 写时序 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 25 首先发出 WREN 指令使 写使能 锁存器置位如图 3 10 CS 首先被拉 至低电平 然后 WREN 指令由时钟同步送入 X25045 在指令的所有 8 位被发送 之后 必须接着使 CS 变为高电平 如果用户在发出指令 WREN 之后不把 CS 变为高电平而继续写操作 那么写操作将会被忽略 为了把数据写入 E2PROM 存储器阵列 CPU 首先发 WRITE 指令 后继以地 址 接着是要写的数据 写指令的位 3 包含地址 A8 此位用于选择器件的上 半 部或下半部 只是最少为 24 个时钟的操作 在此操作期内 CS 必须变为低 电平且保持在低电平 主机可以继续写多达 4 个字节的数据至 X25045 唯一 的 图 3 10 写使能锁存的时序 限制是 4 个字节必须驻留在同一个页上 页地址从地址 XXXXXXX00 开始 至 XXXXXXX11 结束 如果字节地址计数器达到 XXXXXXX11 而时钟仍继 续 那么计数器将翻转至页的首址并重写可能写入的任何数据 为了结束写操作 写字节或页 只能在第 24 32 40 和 48 个时钟之后 将 变高电平 在其他时间变高都不能结束写操作 字节和页的写操作时序 见图 3 11 图 3 12 所示 复位 RESET 操作 无论何时 只要 VCC降至低于最小转换电压或看门狗定时器已计到可编 程的超时极限值 Time out limit RESET 输出 X25045 便变为高电平 运用注释 X25045 上电时进入以下状态 器件处于低功耗的备用状态 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 26 为了进入工作状态并接收指令 需要在 CS 上有一个高电平至低电平的跳 变 SO 引脚为高阻状态 写使能 锁存器被复位 数据保护 为了防止偶然的写操作 器件中包含了以下电路 上电时 写使能 锁存器被复位 为了使 写使能 锁存器置位 必须发出 WREN 指令 为了启动写周期 必须在时钟计数达到适当数值时使 CS 变为高电平 当 WP 变为低电平时 写使能 锁存器复位 X25045 应用到 MCS 51 单片机系列中 可大大提高单片机系统的工作可 靠性和稳定性 且体积小 成本较低 功能强等特点可广泛用于 MCS 51 系列 单片机组成的系统之中 同时 它的 E2PROM 阵列也是许多单片机应用场合所 需的非易失 RAM X25045 代表了新一代串行 E2PROM 的发展趋势 是可编程看门狗定时器 微处理器监控电路和非易失性串行 E2PROM 的完美组合 它的运用极大地节省 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 27 了系统的空间和资源 同时简化了电路设计 缩短产品开发周期 在便携式仪器 仪表和低功耗器件中有很广泛的应用前景 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 28 4 4软件设计及编程软件设计及编程 系统的软件设计包括两部分 一部分是主程序的设计 它是由系统初始 化程序及调用各个功能模块程序的语句组成 另一部分是子程序的设计 包 括温度传感器的读写子程序 超温报警子程序 各种设置子程序 键值以及 显示子程序等等 4 14 1 主程序的设计主程序的设计 软件主程序主要功能是对各种变量的定义 调用各个子程序并把各个子 程序组合起来 完成整个程序要实现的功能 其流程图如图 4 1 否 是 图 4 1 主程序设计流程图 4 24 2 子程序设计子程序设计 子程序包括由键盘输入与显示 E2PROM 存储子程序及超限报警子程序 等子程序组成 4 2 14 2 1 显示子程序显示子程序 温度超过限 定值吗 开始 调超温报警 子程序 初始化 自检 调数据保存 子程序 调键值子程序 调显示子程序 调温度传感器子程 序 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 29 此子程序所实现的功能是将键盘键入的温度报警值顺序显示在相应的 LED 中 显示使用的 4 个 LED 中 第 4 个显示温度传感器的编号 第 3 个 和第 2 个分别显示温度的十位和个位 第 1 个显示小数位 程序框图如图 4 2 所示 图 4 2 显示子程序 4 2 24 2 2 键盘输入子程序键盘输入子程序 此子程序主要是进行键盘功能和温度报警值的设定并将其存入指定的存 储单元 键盘实现的功能包括 设定 运行 左移 右移 加 1 减 1 此子 程序可改变温度报警值 并且可以控制程序的运行过程 程序框图如图 4 3 所示 开始 送第二位显示数据 P0 口初始化 延时约 20 毫秒 发第一位显示指令 送第一位显示数据 发第二位显示指令 发第三位显示指令 送第四位显示数据 发第四位显示指令 送第四位显示数据 显示器复活 返回 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 30 图 4 3 键盘输入子程序 4 2 34 2 3 E E2 2PROMPROM 看门狗子程序 看门狗子程序 单片机初始化后 先从 X25045 中把设定的温度报警值取出 存于 CPU 的内部数据存储单元 然后调用键盘输入子程序 如果重新输入极限值 输 入完后 把新的报警值存入 X25045 的 E2PROM 中 程序框图如图 4 4 所示 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 31 图 4 4 EEPROM 读写数据子程序 4 2 44 2 4 超温报警子程序超温报警子程序 当采集到的温度值超过设定的报警值时 发光二极管亮 蜂鸣器蜂鸣报 警 程序流程图如图 4 5 所示 开 始 初始化 设置写使能锁存器 写状态寄存器 设置写使能锁存器 把单片机中温度 报警值写到 X25045 从 X25045 中把温度 报警值读到单片机数据 单元中 设置写使能锁存器 返回 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 32 图 4 5 超温报警子程序 程序如下 I O 定义 H7279 DAT BIT P0 6 HD7279 的 DATA 连接于 P0 4 H7279 KEY BIT P0 7 HD7279 的 KEY 连接于 P0 5 H7279 CSBIT P0 4 HD7279 的 CS 连接于 P0 6 H7279 CLK BIT P0 5 HD7279 的 CLK 连接于 P0 7 X25045 CS BIT P1 7 X25045 的 CS 连接于 P1 7 X25045 SI BIT P1 5 X25045 的 SI 连接于 P1 5 X25045 SCK BIT P1 6 X25045 的 SCK 连接于 P1 6 X25045 SO BIT P1 4 X25045 的 SO 连接于 P1 4 DQBIT P1 0 DS18B20 的 DQ 连接于 P1 0 DS BIT P2 4 报警电路的 DS 代表温度 RAM 定义 BIT COUNT EQU 07FH TIMEREQU 07EH NO 开 始 初始化 发光二极管 蜂鸣器报警 检测温度是否超限 返回 YES 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 33 TIMER1EQU 07DH DATA INEQU 020H DATA OUTEQU 021H FLASH CTR EQU 073H KEY NUMBER EQU 074H RUNEQU 022H RUN 1 表示按下运行键 WREN EQU 00000110B 设置写使能锁存器 WRDI EQU 00000100B 复位写使能锁存器 RDSR EQU 00000101B 读状态寄存器 WRSR EQU 00000001B 写状态寄存器 READ EQU 00000011B 读 0 FFH 中的内容 WRITE EQU 00000010 写到 000H 0FFH 中去 ORG 0000H AJMP START ORG0080H START MOVSP 2FH 定义堆栈 MOV60H 00H MOV61H 00H MOV62H 00H MOV63H 00H MOVP0 10011111B I O 口初始化 MOVTIMER 50 延时约 25ms START DELAY MOVTIMER1 200 START DELAY1 DJNZTIMER1 START DELAY1 DJNZTIMER START DELAY MOVDATA OUT 10111111B 发测试指令 LCALLSEND LCALLLONG DELAY LCALLKEY PART LCALLGET TEM LCALLDISPLAY1 LCALLX25045 MAIN 中国矿业大学 北京校区 毕业设计 论文 34 LCALLALARM 显示部分 将 60H 63H 单元的内容显示于 LED DISPLAY1 MOV DATA OUT 11001000B 显示个位 LCALLSEND MOV DATA OUT 60H LCALL SEND MOV DATA OUT 11001001B 显示十位 LCALL SEND MOV DATA OUT 61H LCALL SEND MOV DATA OUT 11001010B 显示百位 LCALL SEND MOV DATA OUT 62H LCALL SEND MOV DATA OUT 11001011B 显示千位 LCALL SEND MOV DATA O