单片机的瓦斯警报系统的设计毕业设计说明

图2-1瓦斯监控系统框图CPU通过P1.5口输出高电平经放大后控制继电器的吸合，从而控制催化元件电源端，使催化元件开始工作，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，此电压经过放大电路放大后，分别送到A/D转换、报警电路，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送入CPU，CPU对采样值进行数值计算，处理后，驱动显示器显示出被测气体中的甲烷浓度值，若被测气体中甲烷浓度超过报警电路预定的数值时，报警电路即发出声、光报警信号。当计算机控制系统需要查询甲烷浓度时，只要发出相应信息，报警仪即可将测量结果经串行口与通信电路传送出去，最长传输距离可达到20km。第4章硬件电路设计为适应安全生产的需要，同时满足体积小、耗电少、精度高的要求，硬件电路设计中尽可能选用功耗小，性能稳定的集成电路芯片。4.1微控制器CPU4.1.1AT89C51单片机是监控报警仪的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能，选择通用性强、功耗小、性能稳定良好的8位CMOS微处理器芯片AT89C51，，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1.主要特点·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：1000写/擦循环

·数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片振荡器和时钟电路2.管脚说明

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚备选功能如下：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

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）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.振荡器的特点

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡器。石晶振荡和瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4.芯片的擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。4.2敏感元件4.2.1催化元件的特性在选择敏感元件时，主要从以下几个方面来衡量:1.活性元件活性是指元件对甲烷氧化燃烧的速率。元件活性高，通过电桥测量甲烷时，可以得到较高的电压输出。2.稳定性元件的稳定性是指元件在新鲜空气与一定浓度的甲烷中，在规定的连续工作时间里的活性下降率。下降率其值越低越好，活性下降率越低，表明元件工作性能越稳定。3.工作点与工作区间元件工作点是指元件的标准工作电压和电流值。实际使用为了便于组成电桥和选定电桥电流，通常是指一对元件(即一只黑元件和一只白元件)的标准工作电压或电流值。在工作点上，元件具有较大的输出，较好的稳定性和最小的零点飘移。目前国元件的工作点有:直流l.2V、2.2V、2.8V、5V与320mA等几种。当元件的工作电压或工作电流变动时，在同一甲烷浓度下输出活性大小是不一样的。只有当工作电压或工作电流在某一围变动时，输出活性才接近直线。这个电压或电流的变动围称为元件的工作区间。区间越宽越好。目前元件的工作区间只能达到标准电压的士10%。4.输出特性元件输出特性。是指在不同的甲烷浓度下，元件的活性与甲烷浓度的关系。在O-5%CH4围，电桥输出信号与甲烷浓度呈线性关系。当甲烷浓度在9.5%处时，曲线出现拐点，以后随着甲烷浓度的增大，电桥输出信号不断下降，出现了高浓度和低浓度输出信号一样现象。产生的原因是由于高浓度甲烷气体中缺氧使燃烧不完全所造成的。所以，这种原理的甲烷检测仪只能测量低浓度甲烷。5.元件的寿命元件的寿命是指元件在使用过程中，其活性下降到某一规定值的时间。6.元件的中毒现象矿井空气中的硫化氢、二氧化硫等气体会使元件产生中毒现象，使活性降低。其原因主要是由于这些毒性气体元件活性下降。此外，井下电气设备用的硅油、硅绝缘材料等挥发物，也会使元件中毒。这主要是由于硅分子量大，一旦吸附在元件表面，就会阻止甲烷进入而影响元件氧化速率，致使活性下降。为防止元件中毒，可以加过滤器，例如用活性炭吸收管，1cm厚活性炭的吸收管，可使工作在有毒环境中的元件寿命延长数百倍。经过一段时间工作的元件，遇到较高浓度，工作数分钟后，元件的活性将升高，高浓度消失后，元件在几十小时活性才会逐步下降到原值附近，以后又保持稳定的活性。这种现象称为元件被浓甲烷激活。元件的激活特性是一个缺点，因为被激活的元件在一段时间会造成输出不稳，这是在使用中应该加以注意和调整的。载体催化元件与纯铂丝元件相比，其抗毒性能较弱，在有毒气体的环境中，宜采用铂丝元件。7.反应速度反应速度是工作元件的一个重要指标。特别是当元件应用到各种运动机械上时，就更为突出。在井下空气中，当甲烷浓度发生变化时，元件的反应速度由两个因素决定，一是元件本身的时间常数下，二是甲烷向元件扩散的速度。4.2.2敏感元件的组成与作用敏感元件是准确检测甲烷气体含量的核心元件之一，它由工作元件和补偿元件组成，将这两个元件分别接在惠斯登电桥上，在元件的电源端加入高电平时元件开始工作，当环境中无甲烷气体时，调整电桥使之输出为零，当有甲烷气体时，甲烷气体以扩散方式进入仪器原测量气室，部接于桥臂的热催化元件或热导元件发生氧化一还原反应，引起元件温度升高，阻值增大，使原来平衡的电桥失去平衡，输出与甲烷浓度相对应的电压信号，测量该电压信号即可知甲烷浓度。它的基本测试电路图如图4-1所示。图4-1传感器组成电路4.3小信号放大电路小信号放大电路采用LM324集成运放，放大敏感元件输小电压信号。电桥输出的较弱的双端信号，经过差分放大后，成为较强的端信号，送入A/D转换电路。4.4A/D转换电路A/D转换电路采用AD0809，系统中AD0809转换器的片选信号由P2.7线选控制。当AT89C51产生写信号时，由一个或非门产生转换器的启动START和地址锁存信号ALE(高电平有效)，同时将地址总线送出的通道地址A、B、C锁存，模拟量通过被选中的通道送到A/D转换器，并在START下降沿时开始逐位转换，当转换结束时，转换结束信号EOC变位高电平。经反相器可向CPU发中断请求，当AT89C51产生信号时，由一个或非门产生OE输出允许信号(高电平有效),使A/D转换结果读入AT89C51单片机，系统使用一个D触发器进行分频。4.4.1ADC0809的部结构ADC也有两大类：一类在电子线路中使用，不带使能控制端：另一类带有使能控制端，可和微机直接接口。ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口。ADC0809的姐妹芯片是ADC0808，可以相互代换。1.部结构ADC0809由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成，如图4-2所示：ADC0809也有两大类：一类在电子线路中使用，不带使能控制端；另一类带使能控制端，可和微机直接接口。ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器可以和微机直接接口。ADC0809的姐妹芯片是ADC0808，可以相互代换。图4-2ADC0809的部结构2.引脚功能ADC0809是采用双列直插式封装，共有28和引脚，如图4-3所示。ADC0809性能指标很多，例如分辨率，线性度，偏移物误差，温度灵敏度和功能一些问题，本文分四组介绍所用的ADC0809芯片的因脚功能。IN3IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLKVCCVREF(+)GNDD1IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D3VREF(-)D212345678910111213142827262524232221201918171615图4-3ADC0809引脚图现分组简述如下：（1）IN0-IN7（8条）IN0-IN7为8路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压。（2）地址输入的控制（4条）ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线，用于选择IN0-IN7上那一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。（3）数字量的输出与控制线（11条）START为“启动脉冲”输入线，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升清零片逐次逼近寄存器SAR，下降沿启动ADC工作。EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。（4）2-1－2-8为数字量输出线2-1为最高位。OE为“输出允许”线，高电平时能使2-1－2-8引脚上输出转换后的数字量。（5）电源线用其它（5条）CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需640KHZ时钟脉冲序列。VCC为＋5电源输入线，GND为地线。VREF（＋）和VREF（－）为参考电压输入线，用于给电阻阶梯网络供给标准电压。VREF（＋）常和VCC相连，VREF（－）常接地。ADC0809部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量，故它本身既可以看作一输入设备，也可认为是并行I/O接口芯片。因此ADC0809可以直接和AT89C51接口，如图4-4所示。由图可见START和ALE互连可使ADC0809在接收模拟量路数地址时启动工作。START启动信号由AT89C51中的WR和译码器输出端FOH经或门M2产生。平时，START因译码器输出端FOH上高电平而封锁。当AT89C51执行如下程序ADC0809的IN0和变送器输出端相连，IN0上输入的0V－＋5V围的模拟电压经A/D转换后可由CPU通过程序从P0口读入到它的部RAM单元。在P2.2=0和WR＝0时，8031可使ALE和START变为高电平而启动ADC0809工作；在P2.2＝0和RD＝0时，AT89C51可以从ADC0809接收A/D转换后的数字量。这就是说:ADC0809可以视为AT89C51的一个外部RAM单元，地址为03F8H（有很大的地址重叠围）。因此AT89C51执行如下程序可以启动ADC0809工作。MOVDPTR，＃03F8HMOVXDPTR，A若AT89C51改为执行：MOVDPTR，＃03F8HMOVXA，DPTR则可以从ADC0809的输入A/D转换的数字量。图4-4ADC0809和AT89C51接口ADC0809的CLK由AT89C51的ALE上信号经过6分频提供，EOC经反向器用作AT89C51的INT1中断请求输入线，这说明AT89C51是采用中断方式和ADC0809传送A/D转换后的数据量的，为了给OE线分配一个地址，图中把AY89C51RD和译码器输出FOH经过或门M²和OE相连。平时因为译码器输出FOH为高电平而使OE处于低电平封锁状态。在相应中断后，AT89C51执行中断服务程序如下两条指令就可以使OE变为高电平，从而打开三态锁存器，让CPU提取A/D转换后的数字量。MOVR0,#0F0HMOVXA,R0:OE变为高电平，数字量送入A4.5通信电路4.5.1串行通讯随着微机特别是单片机的发展，其应用已从单机逐渐向多机或联网，而多机应用的关键又在于微机之间的相互通讯，互传数据信息。在微型计算机系统中，CPU与外部的基本通讯方式有两种:并行通讯-数据的各位同时传送;串行通讯-数据一位一位顺序传送。在并行通讯中，数据有多少位就需要多少条传送线，而串行通讯只需要一对传送线，故串行通讯能节省传送线，特别是当数据位数很多和远距离数据传送时，这一优点更加突出。但串行数据也有缺点，那就是速度比并行通讯要慢。串行通讯是指将构成字符的每个二进制数据位，依据一定的顺序逐位进行传送的通讯方法。在串行通讯中，有二种基本的通讯方式:异步通讯和同步通讯。1.异步通讯异步串行通讯规定了字符数据的传送格式，即每个数据以一样的帧格式传送，每一帧信息起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。(l)起始位在通讯线上没有数据传送时处于逻辑“l”状态。当发送设备要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑“0”(2)数据位当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5、6、7或8位的数据，在字符数据传送过程中，数据位从最小有效位(最低位)开始传送。(3)奇偶校验位数据位发送完之后，可以发送奇偶校验位。奇偶校验用于有限差错检测，通讯双方在通讯时须约定一致的奇偶校验方式。就数据传送而言，奇偶校验位是冗余位，但它表示数据的一种性质。这种性质用于检错，虽有限但很容易实现。(4)停止位在奇偶位或数据位(当无奇偶校验时)之后发送的是停止位。可以是1位、1.5位或2位。停止位是一个字符数据的结束标志。在异步通讯中，字符数据是一个接一个的传送。在发送间隙，即空闲时，通讯线路总是处于逻辑，’1”状态(高电平)，每个字符数据的传送均以逻辑“0”(低电平)开始。2.同步通讯在异步通讯中，每一个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，以致占用了时间。所以数据块传送时，为了提高通讯速度，常去掉这些标志，而采用同步传送。同步通讯不像异步通讯那样，靠起始位在每个字符数据开始时使发送和接收同步，而是通过同步字符在每个数据块传送开始时使收/发双方同步。串行通讯中，要把数据从一个地方传送到另一个地方，必须使用通讯线路。数据在通讯线路两端的工作(通讯线路或计算机)之间传送。按通讯方式，可将数据传输线路分成三种。（1）单工方式在单工方式下，通讯线的一端联接发送器，另一端联接接收器，它们形成单向联接，只允许数据按照一个固定的方向传送。（2）半双工方式在半双工方式下，系统中的每个通讯设备都由一个发送器和一个接收器组成，通过收发开关接到通讯线路上。在这种方式中，数据能从A站传到B站，也能从B站传送到A站，但是不能同时在二个方向上传送，即每次只能一个站发送，另一个站接收。（3）全双工方式在全双工方式下，数据不是交替发送和接收，而是可同时发送和接收。全双工通讯系统的每一端都包含发送器和接收器，数据可同时在两个方向上传送。有一点需要注意，尽管许多串行通讯接口电路具有全双工通讯能力，但在实际使用中，大多数情况只工作于半双工方式，即两个工作站通常并不同时收发。这种用法并无害处，虽然没有充分发挥效率，但简单，实用。4.5.2信号的调制和解调串行通讯中传输的信号是数字信号(方波脉冲序列)，它要求通讯媒介必须有比方波本身频率更宽频带，否则高频分量将被滤掉，使方波出现毛刺而变形。解决这一问题的办法是:利用调制手段，将数字方波信号变换成某种能在通讯线上传输而不受影响的波形信号，正弦波正是最理想的选择。这不仅因为产生正弦波很方便，更重要的正弦波不易受通讯线固有频率的影响。所谓调制，就是将载波信号(待传送的数字信号)通过一种信号进行编码，而将信号的恢复称为解调，相应的设备称为调制器和解调器。信号发送端的调制器将待传输的数字信号转换成模拟信号，接收方用解调器检测此模拟信号，再把它转换成数字信号。由于串行通讯大都是双向进行的，通讯线路的任一端既需要调制器也需要解调器，将调制器和解调器合二为一的装置称为调制解调器。4.5.3芯片的选择通信电路采用

MAX232芯片。是由仪器公司（TI）推出的一款兼容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5VTTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。其特性满足或超过TIA/EIA-232-F规要求，符合ITUv.28标准，单5V电源供电和4个1.0uF充电泵电容，包含2个驱动器和2个接收器，低工作电流—典型值为8mA，2000VESD保护。AT89C51单片机通过串行口直接接收PC机传送来的串行数据，然后把收到的数据存到数据存储器。同样，TA89C51通过串行口直接把数据传送给PC机。首先TA89C51从数据存储器取出数据，接着送到串行口，由串行口发送给PC机。由于PC机的串行口都是RS-232C标准口，所以，其输入输出在电平上和采用TTL电平的TA89C51在接口时会产生电平不同的问题。为了解决这个问题，在PC机和TA89C51单片机的串行通信中加入了MAXIM公司的MAX232芯片。这种芯片可以实现TTL电平和RS—232C接口之间的转换，也就可以保证把5V电平表示为“1”，0V电平表示为“0”的逻辑，转换成-3到15V电平表示“0”串行接口有同步和异步两种基本的通行方式。TA89C51和PC机之间进行通信时采用异步通信方式.在实际通信中，可以根据PC机和TA89C51通信时所约定的波特率，进行有效的通信。一般情况下，TA89C51采用方式1的串行工作方式，这样和PC机可以顺利的进行异步通信。除了电路结构外要实现PC机和TA89C51之间的异步通讯，还需要恰当的通信软件。4.5.4串行通信的软件在PC和TA89C5进行通信时，需要两部分软件，以部分是PC机串行通信软件，另一部分是TA89C51串行通信软件，这两部分软件以不同的方式和软件编程。PC机的通信软件采用VB语言编程，而TA89C51采用汇编语言进行编程，下面分别介绍。1.PC机串行通信软件PC机采用VB编程。目前，VB已成为WINDOWS系统开发的主要语言，以其高效简单易学与功能强大的特点越来越成为广大程序爱好者所青睐。VB支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程么模式并可以使用无限扩增的控件，而且可以十分简便的作出良好的人机界面。在标准化串行通信方面，VB提供了具有强大功能的通信控件MSCOMM，文件名为MSCOMM.VBX。该控件可设置串行通信的数据发送和接收，对串行口状态与串行口通信的信息格式和协议进行设置。这是一个标准的10位串行通信，包括8位标准数据和数据的起始位和停止位。VB设计软件如下：Globalcomm-timeAsIntegerGlobaldata(1000)AsIntegerGlobalReceive(1000)AsIntegerPrivateSubForm-Load()’CommlmPort=1Comml.Setings=”9600,N,8,1Comml.InputLen=0Comml.InBufferSize=256Comml.PortOpen=TrueComml.Threshokd=1EndSubPublicSubsend-data()Fori=0TonComml.Output=Chr(data(i))NextiEndSubPublicsubCommml-OnComm()SelectCaseCommlmEvenCasecomEvReceiveReceive（comm-time）=Asc(Comml.Inoput)Comm-time=comm-time=comm-time+1EndSelectEndSub2.AT89C51串行通信软件单片机AT89C51采用MCS51系列的汇编语言编程。他又一个标准的串行口，有4种工作方式，其中方式1是标准的10位异步通信方式，10位数据和PC机的标准口相对应，由串行口控制寄存器SCON设置状态，其字节地址为98H。本系统中AT89C51串行口控制器SCON设置为50H，SM0，SM1为“0”“1”，即为串行工作方式1；REN为“1”，即允许串行接收。另外，还应使AT89C51的中断允许寄存器IE开放或禁止所有中断位EA为“1”，开放后禁止串行通道中断位ES为“1”，即允许串行口中断。执行串行通信时AT89C51的程序如下: MOVSP,#07HINIT:MOVTH1,#FDHMOVTL1,#00HMOVTMOD,#20HMOVTCON,#40HSETBESMOVSCON,#50HSTATT:CLREAMOVR0,#DATA1MOVR1,#DATA2MOVR2,#NSETBEAWAIT:DJNZR2,WAITCLREAEND…INTS:PUSHACCPUSHPSWTI,SENDWAITI:JNBR1,WAITIMOVA,SBUFMOVR0,ACLR98HINCR0AJMPOUTINSEND:MOVA,R1MOVSUBF,AINCR1CLR99HOUTIN:POPPSWPOPACCDECR2RETI在上面的程序中，INTS是串行口中断入口，也就是地址0023H。串行口中断处理程序所做的工作就是把R1容所指明的地址的容发送出去，把接收的数据存入R0容所指明的地址中。接收中断标志R1的位地址是98H，而发送中断标志T1的地址是99H。故清R1标志是对地址98H执行清0，清T1是对地址99H执行清0。在中断处理返回之前对寄存器减1，用于监视传送的数据个数。在程序中要特别注意的是：串行口的发送SBUF和接收SBUF是两个独立的电路，他们的工作互不影响。MAX232与PC机的接口电路如图4-5：图4-5MAX232与PC机接口电路4.6可编程看门狗电压监控电路可编程看门狗电压监控电路选用Xicor公司的X25045集成芯片，它是集看门狗定时器功能，电压监控功能，快闪E2PROM存储功能为一体的集成芯片。看门狗定时器电路对微控制器提供了独立的保护系统，可编程设置三种周期，当系统出现故障时，在预先设定的周期之后产生复位信号，该周期一旦设定，即使在电源周期变化之后也不改变。电压监控功能可以保护系统使之免受低电压状况的影响，当Vcc。降到最小转换点以下时，系统复位，直到电压升高且稳定为止，E2PROM可存放数据，安全可靠，这种组合不仅降低系统成本，减少电路板空间要求，而且与CPU接口简单，性能稳定。1.芯片的性能特点·可编程的看门狗定时器;·低Vcc检测，直到Vcc等于IV时有效;·IMHZ的时钟频率;·sl2xs位串行E2PROM·低功耗CMOS设计，工作时电流3mA，备用时10uA;·电源电压为2.7V-5.5V;·片写保护;·高可靠性:使用期限:100000周期/字节;·数据保存期:100年;·ESD保护:所有引脚2000V:·RESET高电平有效;2.引脚排列X25045引脚排列如图4-6所示，图4-6X25045引脚排列3.X25045的指令集X25045指令集见表4-1。表中所有的指令、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A8。4.X25045的寄存器与分析（1）写使能锁存器X25045包含了1个写使能锁存器。在部进行写操作时，写使能锁存器必须被设置（SET）。WREN指令可以设置锁存器，而WRDI指令起复位锁存器的作用。表4-1X25045指令集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READ0000A2011开始于所选地址的存储器中读出数据WRITE0000A2010把数据写入开始存储器上电情况、字节、页与状态寄存器写周期完成以后，该锁存器被自动复位。如果变为低电平，锁存器也被复位。（2）状态寄存器RDSR指令提供对状态寄存器的访问。在任何时候都可以读状态寄存器，即使在写周期也如此。状态寄存器格式如表4-2下：表4-2状态寄存器格式D7D6D5D4D3D2D1D0//WD1WD0BL1BL0WELWIP当发出WREN，WRDI与RDSR命令时，不必发送字节地址或数据。“正在写”WIP（writeinprocess）位表示X25045是否忙于写操作。当为“1”时，写操作正在进行；当为“0”时，没有写操作。在写期间，所有其他位全置为“1”。WIP位是只读的。“写使能锁存”WEL（writeenableprotect）位表示“写使能”锁存器的状态。当设置位“1”时，表示锁存器置位；当设置为“0”时，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。“快保护”BL0或BL1（blockprotect）位表示所使用的保护围。这些非易失性的位由WRSR指令来设置，允许用户选择4种保护级别之一。X25045分为4个1024位的段，可以锁定1个、2个或全部4个段，即在选定的段可以读这些段，但是不能改变（写）数据。用BL1和BL0的状态可以控制围的划分，如表4-3所列。“看门狗定时器”WD0和WD1（watchdogtimer）,允许如表4-4所列那样设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。表4-3块保护地址围BL1BL0被保护阵列地址围00无01X180～X1FFH10X100H～X1FFH11X000H～X1FFH表4-4看门狗超时周期WD1WD0看门狗超时周期（典型值）/ms001400016001020011禁止3.X25045与AT89C51的连接如图4-7所示。图4-7X25045与AT89C51的连接4.7显示电路显示部分主要由串入并出移位寄存器74LS164和数码管等组成。图4-8显示部分原理组成框图图4-974LS164逻辑表图4-1074LS164引脚定义它共有四个接线端子，均有主板提供，74LS164为8位串入并出移位寄存器，它将串行输入的数据由各触发器输出端并行输出。在时钟脉冲上升沿作用下将已存入的数据右移一次，通过软件控制显示出来。在单片机系统中，如果并行口的IO资源不够，而串行口又没有其他的作用，那么我们可以用74LS164来扩展并行IO口，节约单片机资源。74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器。并带有清除端。其中;Q0—Q7并行输出端。A,B串行输入端。MR清除端，为0时，输出清零。CP时钟输入端。4.8声光报警电路4.8.1光报警电路经过A/D转换后变成的数字信号通过输入输出口进入AT89C51，用这个数字值与瓦斯浓度的标准值进行比较，如果这个数值的大于或等于标准值，那么给光报警电路的输出口一个高电平，使其报警。电路如图4-11。4.8.2声报警电路用P1.4输出1KHz和500Hz的音频信号驱动扬声器，作报警信号，要求1KHz信号响100ms，500Hz信号响200ms,交替进行，进行控制。信号出来后通过LM386（音频功率放大器）进行放大，然后驱动扬声器报警，如图4-12。图4-11光报警电路图4-12声报警电路4.9排风电路现代自动控制设备中，都存在一个电子电路与电气电路的互相连接问题，一方面要使电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件（电动机，电磁铁，电灯等），另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电隔离，以保护电子电路和人身的安全。电子继电器便能完成这一桥梁作用。

继电器电路中一般都要在继电器的线圈两头加一个二极管以吸收继电器线圈断电时产生的反电势，防止干扰。本电路的控制端为1，当1端为高电平时，继电器工作，常开触点吸合，当1端为低电平时，继电器不工作。执行时，对应的LED将随继电器的开关而亮灭。KM为交流接触器当线圈通电时其常开开关闭合，使电动机带动风扇开始排风。R-C为交流接触器的吸收回路。图4-13排风电路图4.10电源电路电源供电由24V电池和基于UC3842组成的DC-DC的转换器组成的。1．UC3842的部结构和特点

UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片。

UC3842为8脚双列直插式封装，其部原理框图如图4-14所示。主要由5.0V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率MOSFET的大电流推挽输出电路等构成。端1为COMP端；端2为反馈端；端3为电流测定端；端4接Rt、Ct确定锯齿波频率；端5接地；端6为推挽输出端，有拉、灌电流的能力；端7为集成块工作电源电压端，可以工作在8～40V；端8为部供外用的基准电压5V，带载能力50mA。2.电路结构与工作原理图4-14UC3842部结构图图4-15电源原理图图4-15为电源原理图。输入电压为24V直流电。三路直流输出，分别为+5V/4A、+12V/0.3A和-12V/0.3A。所有的二极管都采用快速反应二极管，核心PWM器件采用UC3842。开关管采用快速大功率场效应管。

（1）启动过程

首先由电源通过启动电阻R36提供电流给电容C9充电，当C9电压达到UC3842的启动电压门槛值16V时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由6端输出推动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲。高电压脉冲期间，场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据同名端标识情况，此时变压器各路副边没有能量输出。当6脚输出的高电平脉冲结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感生电动势，此时副边各路二极管导通，向外提供能量。同时反馈线圈向UC3842供电。UC3842部设有欠压锁定电路，其开启和关闭阈值分别为16V和10V，如图4－16所示。在开启之前，UC3842消耗的电流在1mA以。电源电压接通之后，当7端电压升至16V时UC3842开始工作，启动正常工作后，它的消耗电流约为15mA。因为UC3842的启动电流在1mA以，设计时参照这些参数选取R1，所以在R1上的功耗很小。图4－16UC3842启动时电流变化图当然，若VCC端电压较小时，在R36上的压降很小，全部供电工作都可由R36降压后来完成。但是，通常情况下，VCC端电压都比较大，这样完全通过R36来提供正常工作电压就会使R36自身功耗太大，对整个电源来说效率太低。一般来说，随着UC3842的启动，R36的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压来为UC3842供电。故R36的功率不必选得很大，1W、2W就足够了。笔者认为，虽然理论上UC3842启动电流在1mA以，但实际应用时，按1.6～2.0mA设计则工作比较便利。即当VCC端电压为U伏时：R36=（U-17）/2KΩ（2）稳压过程

当场效应管导通时，整流电压加在变压器T初级绕组Np上的电能变成磁能储存在变压器中，在场效应管导通结束时，Np绕组中电流达到最大值Ipmax，根据法拉第电磁感应定律：Ipmax=（E/Lp）T式中：E——整流电压；Lp——变压器初级绕组电感；Ton——场效应管导通时间。

在场效应管关闭瞬间，变压器次级绕组放电电流为最大值Ismax，若忽略各种损耗应为Ismax=nIpmax=n（E/Lp）T式中：n——变压器变比，n=Np/Ns，Np、Ns为变压器初、次级绕组匝数。

高频变压器在场效应管导通期间初级绕组储存的能量与场效应管关闭期间次级绕组释放的能量相等：n（E/Lp）T=（Uo/Ls）Toff式中：Ls——变压器次级绕组电感；Uo——输出电压；Toff——场效应管关闭时间。Uo=（T/nToff）E上式说明，输出电压Uo与Ton成正比，与匝比n与Toff成反比。比如，由于电源电压变化或负载变化而引起输出电压降低时，反馈线圈的输出电压则会变低，从而使2端电压变低，则脉宽调制器会相应的增大输出PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变长；反之，当电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉宽调制器会相应的减小PWM输出脉冲波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，从而维持输出电压为一恒定值。

UC3842为固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整占空比，控制场效应管的导通时间。反馈电压输入2脚，此脚电压与部2.5V基准进行比较，产生控制电压，从而控制脉冲宽度；输出脉冲的频率由4脚外接定时电阻Rt与定时电容Ct决定，f=1.8/（R1*C1）KHZ的单位取kΩ，Ct取μF。3脚为电感电流传感器端，当取样超过1V时，缩小导通脉宽，使电源处于间隙工作状态；6脚，输出端，部为图腾柱式，上升、下降时间仅50ns，驱动能力为±1A；7脚，供电输入，起振后工作电压为10～13V，低于10V停止工作，功耗为15mW；8脚，部基准5V(50mA)。

（3）过流保护原理

当负载电流超过额定值或短路时，场效应管电流增加，R34上的电压反馈至3脚(电压大于1V)，通过部电流放大器使导通宽度变窄，输出电压下降，直至使UC3842停止工作，没有触发脉冲输出，使场效应管截止，达到保护功率管的目的。短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。

（4）过压保护原理

当因某种原因使输出电压过高时，由反馈绕组形成的电压也高，从而使2脚的电压过高，部保护电路起动，使6脚输出脉冲高电平时间变短，或不输出高电平使开关管截止。

（5）开关管保护电路

由D10、R30、C12与R35、C13、D13构成，消除由变压器漏感产生的反峰电压，从而使开关工作电压不至于太高而毁坏。

第5章软件设计5.1系统软件设计原则由于计算机系统软件的进步和飞速发展，在系统设计中，我们耗用了很长的开发时间，充分发挥软件功能，尽可能拓展软件的应用围，这就相对地简化了硬件结构，降低了成本，提高了系统的性能。监控系统软件是整个系统所有监测功能实现的核心，根据系统的设计情况，软件设计应具备如下功能:·数据采集·实时数据显示·历史数据的存贮为了在有限的硬件资源上实现这些功能，系统软件全部采用汇编语言编制。5.2软件实现功能系统软件采用模块化结构程序设计方法进行设计。程序模块主要包括主程序，定时器中断服务程序，串行口中断服务程序，各子程序模块等。5.2.1主程序流程图主程序流程图如图5-1所示。主程序如附录1。主程序模块完成系统初始化，打开催化元件，查询各种状态标志，并控制相应操作等功能。图5-1瓦斯浓度监测报警系统软件流程图主程序在附录1。初始化部分主要完成以下功能:(l)设置TMOD(定时器/计数器工作方式控制字)，TCON(定时器/计数器启停控制寄存器)，SCON(串行口控制寄存器)THl(CTl计数器高8位)，TLI(CTI计数器低8位)，THO(CTO计数器高8位)，TLO(CTO计数器低8位)，IE(中断允许寄存器)，PCON(波特率选择寄存器);(2)设置X25045的复位时间;(3)从X25045中调出报警值，断电值，零点，线性度，报警仪地址等。5.2.2定时器中断服务程序定时器中断服务程序完成10ms定时，置位刀D转换允许标志等功能，流程图见图5-2所示。定时器工作于方式0，每隔10ms中断一次，显示器采用静态显示方式，每次户以D转换完成后，经单片机数据处理后，输出表头显示。图中，20H单元为CPU部RAM，其容在系统上电复位时为零，定时器中断一次(约10ms)其容加1，约过100次加1，即经过约1秒，定时中断程序部完成秒分时日月时钟程序，为主程序使用做好准备。5.2.3串行口中断服务程序串行口中断服务程序完成数据发送和接收等功能，可接收上位机发送给本报警仪的各种命令，也可将本报警仪的结果传送给上位机，流程图见图5-3所示。为避免干扰信号造成接收、发送数据错误，程序规定在接收数据时，依次接收同步信号、分站号、分站号反码、报警仪地址号、地址号反码、测量数据值、测量数据值反码，这七个数之和若为事先确定的某一固定值，表明接收正确，保存测量数据，否则，重新判断。图5-2定时器中断服务程序流程图图5-3串行口中断服务流程图第6章仪器标定与主要技术指标6.1仪器的标定仪器通电工作稳定后，在新鲜空气中调调零电位器，使显示为零，仪器通2.10%的标准气，流量为200ml/min。待读数稳定后，调灵敏度电位器，使仪器的显示与所使用的标准气浓度一致。6.2仪器的主要技术指标1.测量围:O-4%甲烷2.基本误差0-l%CH4时，士0.1%1-2%CH4时，士0.2%2-4%CH4时，士0.3%3.显示方式:4位LED数字显示4.报警方式:持续声、光方式5.响应时间:10秒6.报警点:可调7.电源:5V，+/－12V8.使用环境条件:温度:O-40℃湿度:98%RH;气压:80-106Pa;风速:0-8m/6.3仪器的校正方法仪器在使用中，每隔一周应重新标定一次，以确保测量的准确性，现将仪器的校正方法叙述如下:1.校正工作开始之前，须准备下列材料:(1)标准气装置，包括:0-4%甲烷标准3-4种(如1%，2%，3%，4%四种)，与标准气钢瓶相配套的气体减压阀，玻璃转子气体流量计，塑料式橡胶通气管。(2)稳压电源(3)数字万用表(4)大小螺丝刀2.通气校正:打开电源，由于机延时电路的作用，此时的显示应为0.00，延时结束后，即可开始调整。(1)整定报警点:先调节W，使仪器显示在报警点上，调节电位器的过程中，观察报警是否正常。(2)调输出零点:调电位器使仪器显示0.00。(3)显示校正:仪器通2%CH4标准气，流量约20Oml/min，待读数稳定后，调W使仪器的显示与所使用的标准气浓度一致，观察输出信号是否与显示相对应。结论本监控仪以AT89C51单片CPU为核心，采用高精度敏感元件，LM324新型集成运算放大器，，ADC0809A/D转换器，以与MAX232芯片远距离传送，高可靠性通信芯片，并能实时显示，是一种电路设计新颖，参数测量准确，操作方便的瓦斯浓度报警监控仪。作为一个完整的安全系统监控仪，它具有以下特点:1.测量围宽，精度高，可检测的瓦斯浓度为0.00_4.00%，2.测量结果以数字形式输出。3.具有通讯功能，监控仪与地面计算机之间采用数字通讯，准确可靠，克服了模拟传送中小信号易失真的缺点，并且传输距离长，可达20KM。4.具有显示功能和声、光报警功能。5.仪器输出为低功耗，工作电压为12V，正常工作时输出电流8OmA，报警状态时12OmA。参考文献[l]毅刚.MCS-51单片机应用设计.国家科委高技术研究发展心，2000.[2]华MCS-51系列单片机实用接口技术.航空航天大学2001。[3]何立民.单片机实用文集.航空航天大学，1993.[4]伟.MCS-51系列单片机实用子程序集锦.清华大学，1999.[5]马共立MCS-51单片机实用子程序库.工业大学，1996.[6]传感器世界.国家科委高技术研究发展中心，N0.8，1997.[7]迎春.传感器原理设计与应用.工业大学，1999.[8]广玉.新型传感器技术与应用.航空航天大学，NO.6，95。[9]朱伯中.数字式传感器.理工大学，NO.8，96.[10]国梁，国昌.浅谈便携式瓦斯报警器作用与维护.煤炭，N0.1，1994.[11]史桂梅，路战红.燃气锅炉电控系统设计.工业大学学报，N0.2，2001.[12]宝成，裴志利，喜军.单片机系统报警器.民族大学学报，NO.1，2001.[13]维华，俞永娟.燃气泄漏报警器检测装置的研制.煤气与热力，N0.5，1998.[14]高昆，余锋，华少雄一种管道燃气自动监测系统的实现.电测与仪表，N0.1，1998.[15]永奎.KTB一127(36V)矿用隔爆本安自动报警器煤矿安全，N0.6，2001[16]岗.变电所监控系统中单片机抗干扰技术.煤矿自动化，N0.1，1998.[17]钟实.实用电子报警器精选百例.科学技术，1999.[18]王若鲸.数据通信系统入门.人民邮电，1994.[19]多层自动布线印制版的设计与实例.希望电脑公司，NO.6，92.[20]西南西北九所高校会编.模拟与数字电路.科技，1984.[2l]计量编缉部译.电子电路大全.计量编缉部译.计量.[22]马国琳.数字电子电路.高教，1992.[23]北方交大电信系.低频电子电路.中国铁道，1992.附录1计算机与制造业计算机正在将制造业带入信息时代。计算机长期以来在商业和管理方面得到了广泛的应用，它正在作为一种新的工具进入到工厂中，而且它如同蒸汽机在100年前使制造业发生改变那样，正在使制造业发生着变革。尽管基本在金属切削过程不太可能发生根本性的改变，但是它们的组织形式和控制必将发生改变。从某一方面可以用说，制造业正在完成一个循环。最初的制造业是家庭手工业：设计都本身也是制造者，产品的构思与加工由同一个人完成，后来，形成了零件的互换性这个概念，生产被依照专业功能分割开来，可以用成批生产数以千计的零件。今天，尽管设计者与制造者不可能再是同一个人，但在向集成制造系统前进的途中，这两种功能已经越来越近了。可能具有讽刺意味的是，在市场需求高度多样化的时候，提高生产率和降低成本的必要性促使着制造业朝着集成为紧凑的系统方向变化。这是一个连续的过程，在其中零件不需要花费多达95%的生产时间用在运输和等待加工上。计算机是满足这两项要求中任何一项的关键。它是能够提供快速反应能力、以性和来满足多样化市场的唯一工具。而且，它是实现制造系统集成所需要的、能够进行详细分析和利用精确数据的唯一工具。在将来计算机可能会是一个企业生存的基本条件，许多现今的企业将会被生产能力更高的企业组合所取代。这些生产能力更高的企业组合是一些具有非常高的质量、非常高的生产率的工厂。目标是设计和运行一个能够以高生产率的方式生产100%合格产品的工厂。一个采用先进技术的、竞争的世界正在促使制造业开始做更多的工作，使其本身采用起早摸黑技术。为了适应竞争，一个公司会满足一些在某种程度上相互矛盾的要求，诸如产品多样化、提高质量、增加生产率、降低价格。在努力满足这些要求的过程中，公司需要一个采用先进技术的工具，一个能够对顾客的需求作出快速反应，而且从制造资源中获得最大收益的工具。计算机就是这个工具。成为一个具有“非常高的质量、非常高的生产率”的工厂，需要对一个非常复杂的系统进行集成。这只有通达采用计算机对机械制造的所有组成部分——设计、加工、装配、质量保证、管理和材料装卸与输送进行集成电路才能完成。例如，在产品设计期间，人机对话式的计算机辅助设计系统使得完成任务给图和分析工作所需要的时间比原来减少了几倍，而且精确程度得到了很大的提高。此外样机的试验与评价程序进一步加快了设计过程。在制订工艺规程时，计算机辅助编制工艺规程可以从数以千计的工序和加工过程中选择最好的加工方案。在车间里，许多独立的微型计算机在控制着机床，操纵着自动装卸材料设备和收信关于当前车间状态的信息。但是这些各自独立的改革还远远不够。我们所需要的是由一个共同的软件从始端到终端进行控制的全部自动化的系统。整个系统都会从中受益。基本上，计算机集成可以提供广泛的。与时的和精确的信息，可以改进各部门之间的交流和磋商，实施更严格的控制，而且通常能增强整个系统的全面质量和效率。例如，改进交流和磋商意味着会使设计具有更好的可制造性。数控编程人员和工艺装备设计人员有机会向产品设计人员提出意见，反之亦然。因而可以减少技术方面的变更，而对于那些必要的变更，可以更有效地进行处理。计算机不公能够更快地对变更之处作出详细说明，而且还能能把变更之后的数据告诉随后的使用者。利用即时更新的生产控制数据可以制订更好的工艺规程和更有效率的生产进度。因而，可以使昂贵的设备得到更好的利用，提高零件在生产过程中的运送效率，减少加工成本。产品质量也可以得到改进。例如，不公可以提高设计精度，还可以使质量保证部门利用设计数据，避免由于隔阂而产生错误。可以使人们更好地完成他们的工作。通过避免冗长的计算和书写工作——这还不算查找资料所浪费的时间——计算机不仅使人们更有效地工作，而且还能把他们解放出来去做只有人类才能做工作：创造性地思考。计算机集成制造还会吸引新的人才进入制造业。人才被吸引过来的原因是他们希望得到一个现代化的。技术先进的环境中工作。在制造工程中，CAD/CAM减少了工艺装备设计。数控编程和编制工艺规程所需要的时间。而且，在同时加快了响应速度，这最终将会使目前外加式的工作由公司部人员来完成。根据《工具与制造工程手册》，工艺过程是能够经济地和有竞争力地将产品制造出来的一整套的方法。它主要由选择、计算成本和建立工艺文件组成。对加工方法、机床、刀具、工序和顺序必须进行选择。对于一些参数如进给量、速度、公差、尺寸和成本等应该进行计算。最后，应该建立工作过程安排、加工说明、带工序简图的工艺过程卡片和加工路线等方面的工艺文件。工艺过程是产品设计和制造的中间环节。那么，它是如何将设计与制造连接起来的呢？大部分制造工程师都会同意这个看法，即如果10个不同的工艺人员编制同一个零件的工艺规程，他们很可能得出10种不同的方案。显然，所有这些方案都不能反映最适当的制造方法，而且，事实上也不能保证它们中的任何一个方案是由加工这个零件的最好的方法组成的。在目前的制造过程中的一个更为混乱的事情是，对于一个零件来说，现在所编制的工艺规程可能与以前在制造过程中所编制的同一个零件或者相似零件的工艺规程相差很多，而且这个工艺规程可能再也不会应用于同一个零件或者说相似零件。这说明很多工作都被浪费了，而且在工艺路线、工艺装备、对工人的要求和成本等方面都不一至，甚至对外购件的要求都不一样。当然工艺规程不应该是一成不变的。随着产品批量的变化和新技术。新设备、新的加工方法的出现，加工制造某一种特定零件最适当的方法也会发生变化，而且这些变化应该在车间目前使用的加工工艺规程中反映出来。工艺人员应该管理和检索大量的数据和很多文件，其中包括：已经建立了的标准、可加工性数据、机器的规格、工艺装备的清单、原材料库存量和一些目前正在应用的工艺方件。这主要是一些信息处理工作，而计算机是完成这项工作的一个理想助手。在编制工艺水平规程时计算机还有一个优点。因为这项工作涉与到许多相互关联的事情，在确定最优的方案时，需要进行许多次迭代。由于计算机可以很容易地进行大量的比较工作，它比人工能够分析的可供选择的方案要多得多。采用计算机辅助编制工艺规程的第三个优点是所编制的规程具有一致性。采用计算机辅助编制工艺规程可以获得以下几点好处：●在准备工艺文件时，减少了书写工作量。●减少了在进行人工计算时所产生的错误。由于交互式计算机程序的提示功能而减少了逻辑和说明方面的疏漏。●通过中心数据库可以直接利用最新的信息。●由于第一个工艺人员都利用一样之处的数据库，因此，可以保证信息的一致性。●对由其他部门的工程人员所提出的修改意见作出快速反应。●自动地利用最新版本的零件图纸。●采用方字处理技术，产生更详细、更一致的工艺文件。●更有效地利用库存的刀具、量具、夹具，减少这些物品的和数。●由于能够使工艺规程适合于某一项特定的工作，面具最清楚的。有理有据的语言表达出来，因此可以与车间的人员进行更好的交流。●可以用更好地获得编制工艺规程所需的信息，其中包括：刀具寿命、预测、材料需求计划、进度和库存控制。对计算机集成制造最为重要的是，计算机辅助编制规程可以生成机器可以阅读的数据，而不是手写的规程。这种数据可以传递到计算机集成电路制造体系中的另一个系统中，用以编制工艺规程。计算机辅助编制工艺规程通常有两种类型：派生式和创成式。在派生中，对采用成组技术确定的一个零件族中的所有零件编制一套标准的加工工艺规程。这个标准工艺规程存贮在计算机的存储器中，根据新零件的零件族代号进行检索。成组技术可以帮助把新零件归类于适当的零件族上。通过对标准工艺规程的编辑，可以满足选定工作的专门要求。在创成式中，通过采用确定加工制造过程中各种工艺决策的适当算法，将各个单独的工艺规程综合起来。在一个真正的创成式计算机辅助编制工艺规程系统中，工序的排列和所有的加工过程参数都可以在不用参考以前的工艺堆积的情况下自动生成。在它最终实现之后，这种方式将会是普遍适用的：将任何一个计划提交给这个系统，计算机都会产生最优的工艺规程。然而，这种系统目前还不存在。所谓的创成式计算机辅助编制工艺系统——大概在可以预料到的将来——仍然是应用于一个特定的工序或特定的加工过程的专用系统。其逻辑原理是以过去的经验与基本理论的组合为基础的。芯片多处理是CPU设计中即将商品化的技术，它把两个或更多的处理器核做在一个硅片（称做衬底）上，以增强计算性能，使之超过有单个或多个分立CPU的服务器。它也称做“芯片上多处理”或“芯片上多处理器系统”。明年早些时候，顶级的强力用户将发现“三个臭皮匠顶个诸亮”。到那时，Sun、IBM、Compaq、HP和其它的公司将开始推出利用芯片多处理（CMP）技术的高档服务器，这是从目前的将多个分立芯片模块装进机箱的系统向前迈进了一步。（引人注目的是这个集团中没有英特尔公司，它将赌注下在增强速度的指令级并行处理上，它是一种成本较低的提升性能技术。）加州山景市的微处理器咨询公司TheLinleyGroup的首席分析师LinleyGwennap称，“其驱动力不是设计更复杂的处理器，为什么不把两个放进同一模块？”他还说，随着时间的推移，操作系统能支持多处理芯片，但编程的障碍很难克服。早期的测试表明，单个模块中的两个处理器比多个分立处理器的性能提高50%以上。把两个CPU放到单片硅片上，当在两个CPU之间传送数据时，就能利用更短的距离和更快的总线速度。据位于奥斯汀市的IBM服务器集团的技术总监JoeTendler称，IBM的产品（叫Power4处理器）达到每秒处理100GB的数据能力，这相当于每秒处理20满容量的DVD。类似这样的数据处理就可能带来天价的系统—几十万乃至几百万美元，这将直接把CMP系统送到高档的技术和商业市场，包括为石油勘探公司处理地震数据的机器、能处理没法预测的流量负荷和高峰的电子商务服务器、数据密集的图形处理器硬件以与处理基因数据的计算机。然而不是每一种高端应用都适合用CMP的。财务上顺序地处理一个分类账人物的批处理程序仍只能依靠单处理器一样。由于芯片制造技术不断改进、允许更高密度地封装集成电路，商业上可行的CMP系统的时代已经到来。（省出的）额外衬底面积为多个CPU腾出了空间—最初的系统中有两个CPU、但在以后的几代CMP模块中可多达8个CPU。但只简单地把两个橡皮塞进一个封装块并不一定能做出高效得多处理器。对工程师来说，最大的挑战实施有两个头的发电厂（即处理器）烧掉数据（即处理数据），这就是将在芯片厂家之间浮现出来的最大的设计差别。预定下一个季度问世的Sun公司的MSJC-5200模块将包括两个500MHz的CPU和一个数据传输引擎。峰值I/O的数据传输率为4.8GB/ps。处理器共享16KB德路成组相连的数据高速缓存，每个CPU还有自己的16KB2路成组相连的指令高速缓存。MSJC-5200中的另一项诀窍是多线程：硬件能将处理任务分成以字节为长度单位的数据块，它们以有序的方式输送到每个（处理器）核，以避免丢失任何处理周期。但是很多软件应用不能优化为多线程。为补偿之，MAJC-5200利用Java虚拟机有选择地在Java程序中生成线程。于此相反，IBM在其速度更高的1GHz的Power4芯片中没有采用多线程。为使数据有效传送，把每个CPU中32MB的存储器分为二级和三级的高速缓存，以保持CPU到CPU的通信流畅，并缓冲从系统存中检索到的信息。虽然最初的Power4系统是为大于1GHz的总线速度设计的，以便适应随时间的推移处理器越来越高的速度，但该系统将使用500MHz的总线速度，即只有处理器钟频的一半。Sun和IBM两家公司一致的地方是：芯片多处理是CPU设计的下一个大动作。过去，工程师们利用更好的工艺技术、更好的微体系结构和更好的编译器设计更快的性能。芯片多处理增加了另一个提高性能的工具，直接针对处理器发展的要害。芯片多处理器技术有可能将工业界带进超越摩尔定律的时代。这对大用户来说是好消息，但对软件程序员来说却是更多的挑战。附录2TheComputerandManufacturingThecomputerisbringingmanufacturingintotheInformationAge.Thisnewtool,longafamiliaroneinbusinessandmanagementoperations,ismovingintothefactory,anditsadventischangingmanufacturingascertainlyasthesteamenginechangedit100yearsago.Thebasicmetalworkingprocessesarenotlikelytochangefundamentally,buttheirorganizationandcontroldefinitelywill.INonerespect,manufacturingcouldbesaidtobecomingfullcircle.Thefirstmanufacturingcouldwasacottageindustry:thedesignerwasalsothemanufacturer,conceivingandfabricatingproductsoneatatime.Eventually,theconceptoftheinterchangeabilityofpartswasdeveloped,productionwasseparatedintospecializedfunctions,andidenticalpartswereproducedthousandsatatime.Today,althoughthedesignerandmanufacturermaynotbecomeoneagain,thefunctionsarebeingdrawncloseinthemovementtowardanintegratedmanufacturingsystem,Itisperhapsironicthat,atatimewhenthemarketdemandahighdegreedofproductdiversification,thenecessityforincreasingproductivityandreducingcostsisdrivingmanufacturingtowardintegrationintoacoherentsystem,acontinuousprocessinwhichpartsdonotspendasmuchas95%ofproductiontimebeingmovedaroundorwaitingtobeworkedon.Thecomputeristhekeytoeachofthesetwinrequirements.Itistheonlytoolthatcanprovidethequickreflexes,theflexibilityandspeed,tomeetadiversifiedmarket.Anditistheonlytoolthatenablesthedetailedanalysisandtheaccessibilityofaccuratedatanecessaryfortheintegrationofthemanufacturingsystem.Itmaywellbethat,inthefuture,thecomputermaybeessentialtoacompany’ssurvival.Manyoftoday’sbusinesseswillfadeawaytobereplacedbymore-productivecombinations.Suchmore-productivecombinationsaresuperquality,superproductivityplants.Thegoalistodesignandoperateaplantthatwouldproduce100%satisfactorypartswithgoodproductivity.Asophisticated,competitiveworldisrequiringthatmanufacturingbegintosettleformore,tobecomeitselfsophisticated,Tomeetcompetition,forexample,acompanywillhavetomeetthesomewhatconflictingdemandsforgreaterproductdiversification,higherquality,improvedproductivity,andlowprices.Thecompanythatseekstomeetthesedemandswillneedasophisticatedtool,onethatwillallowittorespondquicklytocustomerneedswhilegettingthemostoutofitsmanufacturingresources.Thecomputeristhattool.Becominga“superquality,superproductivity”plantrequirestheintegrationofanextremelycomplexsystem.Thiscanbeaccomplishedonlywhenallelementsofmanufacturing—design,fabricationandassembly,qualityassurance,management,materialshandling—arecomputerintegrated.Inproductdesign,forexample,interactivecomputer-aided-design(CAD)systemsallowthedrawingandanalysistaskstobeperformedinafractionofthetimepreviouslyrequiredandwithgreateraccuracy.Andprogramsforprototypetestingandevaluationf