单片机在机务设备数据采集上的应用.doc

第一章 绪论1.1 研究设计的目的和意义随着计算机技术、网络技术、通信技术等在工业自动化系统中的广泛应用，工业自动化系统和仪表也逐步向数字化、网络化方向发展，即不仅各类控制设备是数字化的，而且测控信号也由模拟化向数字化方向发展，并通过网络将分散的控制装置和各类智能仪表连接起来，实现集中监控和管理。数据采集与处理的新技术、新方法，直接或间接地引发其革新和变 化，实时监控(远程监控)与仿真技术(包括传感器、数据采集、微机芯片数据、现场总线处理、流程控制、曲线与动画显示、自动故障诊断与报表输出等)把数据采集与处理技术提高到一个崭新的水平。 利用机务段各种现有设备，通过加装数据采集接口、文本图样显示器和网络通讯接口，改造传统设备，实现机务设备检修和实验设备的数字化，为机务设备检修过程的计算机管理提供手段。该系统对于实现机务段的科学管理、保证检修质量、降低检修成本都起到了关键的作用!1.2 系统的设计概要本次设计的主要任务是为了实现机务设备检修数据采集。设备数据采集部分要求采集的数据分三类：1. 开关量的检测；2. 脉冲量的检测；3. 模拟量的检测。1.2.1开关量的检测 开关量采集包括事件顺序记录（SOE）型开关量和普通型开关量两种。SOE型开关量信号指事故信号、断路器分合及重要继电保护的动作信号。监控系统采用中断方式迅速响应这些信号并进行记录优先传递。普通型开关量信号是指除SOE型开关量信号以外的那部分开关量信号，包括各类故障信号、隔离开关的位置信号、设备运行状态信号、手动自动方式选择的位置信号等。监控系统对这些信号的采集为扫查方式。对开关量信号的处理包括光电隔离、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效性合理性判断、启支相关量处理功能（如启支事件顺序记录、发事故报警、画面自支推出以及自支停机等），最后经格式经处理后存入实时数据库。1.2.2数字量采集与处理数字量信号主要指水位等BCD码输入量。采用多点开关量并行采集，然后转换为相应模拟量数值。对数字量的处理包括光电隔离、数字滤波、码制变换、数据有效性合理性判断、标度变换等，以格式化处理后存入实时数据库。1.2.3模拟量的检测模拟量分为电气模拟量、非电气模拟量及温度量。对模拟量信号的处理包括回路断线检测、数字滤波、误差补偿、数据有效性合理性判断、标度换算、梯度计算、越复限判断及越限报警，最后经格式化处理后存入实时数据库。数据采集系统一般由数据输入通道、数据存储与管理、数据处理、数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测、采样和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除干扰噪声、无关信息和不必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来的物理量形式，以可输出的形态在输出设备上输出，如打印、显示、绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。在这个过程中主要用到信息采集板，信息采集板包括CPU、RS232讯通接口、RS485通讯网络接口等，信号采集获得开关量和经过标准化处理的传感器信号，进行信号采集，并经过数学处理，然后进行图文显示、储存和网络通讯。系统硬件总体框图如图1所示：开关量并行接口芯片A/D转换器隔离电路8051多路开关信号调理脉冲量传感器 图 1 系统硬件总体框图第二章 系统的硬件设计 2.1 8051与存储器芯片6116的扩展2.1.1单片机8051的性能及特点单片机8051的特点是它的内部有4K字节的ROM、128字节的RAM、2个16位的定时/计数器、4个并行I/O端口和一个全双工的串行I/O端口。8051的逻辑电路如图2-1所示。图2- 1 8051引脚图其引脚功能如下：Vcc、Vss：5V电源的的正端和接地端。RESET：复位输入端，+5V电源通过RC微分电路接至复位端，可实现上电自动复位，也可采用按钮开关复位。:内部和外部程序存储器选择端。ALE：地址锁存允许信号输出端，用作对片外存储器访问时，低字节地址的锁存。ALE以1/6振荡频率的稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或定时。：外部程序存储器读选通信号输出端。P0、P1、P2、P3 ：四个8位的I/O端口，用来输入输出数据。此外在I/O端口还包括了一些控制信号线。2.1.2扩展芯片（6116）的性能及特点内存是计算机系统不可缺少的部件，一台计算机的内存是指CPU能够通过指令中的地址码直接访问的存储器，常用于存放处于活动状态的程序和数据。按照存取方式存储器可分为：随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等。此系统中只用随机存储器。 随机存储器是指计算机可以随意的、个别的对各个存储单元进行访问，访问所需的时间基本固定，与存储单元的地址无关，它的功能主要是存储程序、变量等。可以随时改变并释放内存。常用的有61系列和62系列。随机存储器的管脚分类：总线部分、电源部分、控制部分。各引脚功能如图2-2所示： 图2- 2 6116引脚图 DD数据线。AA地址线，n是地址线个数。Vcc，GND电源线和地线。 写控制线。片选线。2.1.3 8051与存储器芯片6116的扩展扩展图如图2-3所示：图2-3 8051与存储器芯片6116的扩展图如上图所示，通过线选法实现了6116扩展成的8KB程序存储器，6116的输出允许控制线WE与8051的WR连在一起，6116的片选信号CE与8051的地址线的P2.7取反后相连，故当P2.7为1时选中6116。 2.2 模拟量采集设计模拟量的采集模块由8051单片机、A/D转换器AD1674、传感器、信号调理、多路开关等几部分组成。2.2.1传感器的选择 传感器是感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用于输出的信号的器件或装置实现测量和控制的首要环节，是测控系统的关键部件。如果没有传感器对原始被测信号进行可靠的捕捉和转换，测量和控制的任务都无法实现，因此我们需要对传感器和信号处理电路有一个比较清楚的认识，并掌握传感器的使用和信号调理电路 。传感器的种类繁多，分类方法也较多，按照构成原理可分为结构型和物性型两类；按照信号转换效应来分，可分为物理型、化学型及生物型等，而这次的数据采集我们使用的是温度传感器，常用的温度传感器有热电偶、热电阻、光辐射温度计、半导体集成温度传感器、数字式温度传感器等，在数据采集设计中的热电偶传感器是测量中使用最广泛的传感器之一，其测量温区宽，一般在-1802800的温度范围内均可使用，测量的准确度和灵敏度都较高，尤其在高温范围内有较高的精度。热电偶在一般的测量和控制系统中用于高温区的温度检测。在这个模块设计过程中，选择热电耦传感器来测量温度，测量范围在-1802800。2.2.2信号调理电路 测得值经隔离放大电路放大，将模拟量送到DG508。调理电路如图2-4所示：图2- 4 信号调理电路2.2.3多路开关选择 DG508是典型的有译码器的多路开关。由图2-5可见：图2-5 DG508引脚图DG508采用8脚双列直插式封装，具有8个输入信道，一个输出信道的多路CMOS开关。由三个地址线(A0,A1,A2)及使能端EN的状态来选择8个输入信道之一与输出端导通。2.2.4 A/D转换电路设计A/D转换器的功能是把模拟量变换成数字量。AD1674是一种具有采样/保持功能的12位A/D转换器。AD1674有内部时钟、微处理器接口、电容阵列、三态输出缓冲以及内部量程电阻等电路组成。模拟输入范围可以是010V、 020V、5V、10V。最大转换时间不超过8.5s，功耗小于120mW。模拟量经DG508输出后送入A/D转换器AD1674中。AD1674有两个输入口，一个是010V的输入，一个是020V的输入。根据测量范围选择输入端口。模拟量经A/D转换器转换后送入CPU处理。（1）AD1674的引脚排列如图2-6所示。 图2- 6 AD1674引脚图：数据输出方式控制。=1对应12位的并行输出，=0对应8位双字节输出；其中A0=0时，输出高8位，A0=1时，输出低4位 ，并用零补足尾随的4位。芯片选择端，=0时，选中；=1时，未选中。A0：数据输出方式控制。A0=0时，按12位A/D转换方式工作；A0=1时 ，按8位A/D转换方式工作。：工作状态控制端。CE：芯片选择端，高电平有效。REFIN:参考电压输入端。REFOUT:参考电压输出端。BIPOFF:双极性偏置端。10VIN：010V模拟电压输入端。20NIN；020V模拟电压输入端。AGND:模拟地。DB0BD11：12位数据输出端。STS：工作状态输出端。2.3 开关量的输入设计开关量的输入才用了74LS241扩展的并行输入口。74LS241是单向数据缓冲器带两个控制端1OE和2OE，当它们为低电平时，输入端1A01A3、2A02A3的数据输出到1Y01Y3、2Y02Y3。74LS241的引脚排列如图2-7所示 ： 图2- 7 74LS241引脚图1OE、2OE与8051的P2.1、P2.2相连，当P2.1为低电平、P2.2为高电平时，74LS241工作。2.4 脉冲量的输入设计2.4.1脉冲量的输入脉冲量的输入电路如图2-8所示： 图2- 8 脉冲量的输入电路 2.5 MAX232实现串行通信 此本系统采用美国电子工业协会EIA制定的串行总线的物理接口标准RS-232-C，其逻辑电平对地是对称的，采用负逻辑。完全与TTIMOS电平不同。逻辑0电平规定为+5V+15V之间，逻辑1规定为-5V-15V之间，因此RS -232C驱动器与TIZ,电平连接必须经过电平转换。该标准最大传输率是20Kb/s，最大传输距离为1 s/m。此本系统采用MAX232芯片进行RS-232-C和TTL之间的电平转换。MAX232线路驱动器接收器适用于噪声严重环境下的RS-232通信，它有2个驱动器和2个接收器，每个发送器的输入和接收器的输入无需封闭均可抗士15kV的静电放电冲击。通讯电路。其“R1 OUT”和“T l IN”分别接在80551的RXD(10)和TXD (11)脚上。MAX232的接线图如图2-9所示。图2- 9 MAX232与PC机连接图2.6 键盘设计键盘上应键输入操作而设置的，每个键应对应一个键操作内容，该键操作内容由相应键操作程序来完成；键输入处理是完成键输入甄别的操作，要检查有无键按下，有键输入时，找出是哪个键输入，以便使程序转入该键的键操作程序。44键盘接口电路如图2-10所示： 图2-10 44键盘接口电路第三章 软件设计此次设计课程设计软件设计涉及开关量的采集，脉冲量的采集，模拟量的采集和8051单片机主程序的编程。 表1 存储空间分配ROM0000H002BH系统预留区0000H0002H引导区LJMP MAIN0003H000AH外部中断0LJMP WBZD0000BH0012H定时器/计数器0溢出中断LJMP DSZD00013H001AH外部中断1LJMP WBZD10023H002BH串行通信LJMP CXZD0100H0FFFH主程序RAM外部2KB0000H03FFH用于存放模拟量数据点0400H0500H用于存放开关量数据点0600H0700H用于存放脉冲量数据点内部RAM60H7FH堆栈区30H5FH模拟量数据处理暂存区3.1主程序 ORG 0000HAJMP MAINORG 1000HMAIN: NOP NOP NOP NOP MOV 03H,#00H MOV 04H, #00H MOV 05H,#00HKGLCJ: JB 03H, CJKGL SJMP KGLCJMCLCJ: JB 04H, CJMCL SJMP MCLCJMNLCJ: JB 05H, CJMNL SJMP MNLCJJPSMCX:JB 06H CJJP SJMP JPSMCXLEDXS:JB 07H LED SJMP LEDXSCXTX:JB 08H TX SJMP CXTXPCJFS;JB 09H FS SJMP PCJFSFILT5:JB 10H SJ SJMP FILT5开始系统初始化采集模拟量采集完否？NY采集开关量采集完否？NY采集脉冲量采集完否？NNY结束Y图3- 1 主程序流程图3.2 模拟量采集程序8路的模拟量采集系统，由单片机8051，8路模拟开关DG508、模数转换器AD1674完成数据的采集及转换。模拟量的采集流程图如图3-2所示。Y启动A/D（=R/=0,CE=1）读STS状态转换结果允许输出（=0,CE=R/=0）通过8051P0口分别读出12位转换结果存入缓冲地址指针赋值置起始通道数开始NMOV DPTR #83F7HMOVX DPTR ASETB P3.3LOOP: JB P3.3 LOOPINC DPTRMOVX A DPTRMOV EFH AINC DPTRINC DPTRMOVX A DPTRANL A #OFH MOV CFH A RETI返回 图3- 2 模拟量采集程序3.3开关量采集程序开关量的采集流程图如图3-3所示：1OE=02OE=1开始1OE2OE=0 74LS241工作？开关信号采集返回YN 图3- 3 开关量采集程序流程图CJKGL: NOP ；延时 CLR EA ；关中断 MOV DPTR,#8BF7H ；数据指针指向BF00H CLR C ；计数器置0 MOVX A, DPTR ；DPTR所指地址中的数送A中 MOV 04H, A ；A中的数放入内部RAM中 RLC A ；循环左移， JC PDIKG ；有进位则到PDIKGPDIKG: RLC A JC PDIKG SETB 04H LJMP PDIKG 3.4 键盘扫描子程序键盘扫描子程序流程图如图3-4： 开始 有键闭合否？ 调用子程序延迟 有键闭合否？ 判断闭合键键号 闭合键释放否？ 键入键号A 返回 Y Y N N N Y Y 图3-4 键盘扫描子程序流程图JPSMCX:MOV DPTR，#EBF7H MOV A，#00H MOVX DPTR，A MOV R4，#00H MOV P1，#0F0H MOV A，P1 ANL A，#0F0H CJNE A，#0F0H，Pd1 SJMP DNPd1： ACALL DL10ms MOV A，P1 ANL A，#0F0H CJNE A，#0F0H，Pd2 SJMP DNPd2： MOV R2，#04H MOV R3，#01HSCAN： MOV A，R3 CPL A MOV P1，A MOV A，P1 ANL A，#0F0H CJNE A，#0F0H，FN MOV A，R3 RL A MOV R3，A DJNZ R2，SCAN SJMP DNFN： CPL A ADD A，R3 MOV R4，ADN： RET 3.5 LED显示器接口子程序LEDXS: MOV R0，#85H MOV R2，#01HDL1: MOV A，R0 DEC R0 MOV DPTR，#TAB MOVC A，A+DPTR MOV DPTR，#EBF7H MOV DPTR，A DEC DPTR MOV A，R2 MOVX DPTR，A ACALL DL1MS JB ACC.7，LEDXS RR A MOV R2，A AJMP DL1TAB: DB 3FH，06H，5BH，4FHDB 66H，6DH，7DH，07HDB 7FH，6FH，77H，7CHDB 39H，5EH，79H，71HDB 40H，00HDL1MS: MOV R7，#02HDL0: MOV R6，#0F9HDL10: DJNZ R6，DL10 DJNZ R7，DL0 RET3.6 串行通信子程序和单片机发送程序CXTX: MOV TMOD，#20H MOV TH1，#0FEH MOV TL1，#0FEH MOV PCON，#00H SETB TR1 MOV SCON，#50HAT1: MOV SBUF，#0AAHAW1: JBC TI，AR1 SJMP AW1AR1: JBC RI，AR2 SJMP AR1AR2: MOV A，SBUF XRL A，#0BBH JNZ AT1AT2: MOV R0，#30H； MOV R7，#20H； MOV R6，#00HAT3: MOV SBUF，R0 MOV A，R6 ADD A，R0 MOV R6，A INC R0AW2: JBC TI，AT4 SJMP AW2AT4: DJNZ R7，AT3 MOV SBUF，R6AW3: JBC TI，AR3 SJMP AW3AR3: JBC RI，AR4 SJMP AR3AR4: MOV A，SBUF JNZAT2 RET3.7 PC机发送程序PCJFS: MOV TMOD，#20HMOV TH1，#0FEHMOV TL1，#0FEHMOV PCON，#00HSETB TR1MOV SCON，#50HBR1: JBC RI，BR2SJMP BR1BR2: MOV A，SBUFXRL A，#0AAHJNZ BR1BT1: MOV SBUF，#0BBHBW1: JBC TI，BR3 SJMP BW1BR3: MOV R0，#30H； MOV R7，#20H； MOV R6，#0DH；BR4: JBC RI，BR5 SJMP BR4BR5: MOV A，SBUF MOV R0，A INC R0 ADD A，R6 MOV R6，A DJNZ R7，BR4BW2: JBC RI，BR6 SJMP BW2BR6: MOV A，SBUF XRL A，R6 JZ BENDBW3: JBC TI，BR3 SJMP BW3BEND: MOV SBUF，#00H RET3.8 数据处理 为了克服和弥补包括传感器在内的各个环节中硬件本身的缺陷和弱点，提高仪器的综合性能，本系统应用去值平均滤波法消除大幅度的脉冲干扰是数据平滑。其特点是：先用中值滤波算法除采样值中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行平均。去极值平均滤波法的算法为：连续采样N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N-2个采样的平均值。这种方法既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。N=10时的采用边采样边计算的发法，程序流程如图3-5所示。相应得滤波程序如下：FILT5: LCALL INPUT MOV R3，A MOV R2，#00H MOV R4，A MOV R5，A MOV R7，#09HFILT50: LCALL INPUT