單片機(jī)通用測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 矩陣槌盤 LCB液晶顯示 璐開關(guān)量輸人 隔一 電離 光 AT89C52 蹄中輸入 圖1系統(tǒng)總體框圖 在基于單片機(jī)的通用測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了mcs-51作為系統(tǒng)核心，外圍電路中主 要使用了 X25045看門狗芯片、EEPROM芯片ATC24C02、MAX232C 串口接口芯片、In tel 8255A并行口擴(kuò)展芯片、等等。 二、單元電路 1、單片機(jī) 本設(shè)計(jì)中所選用的單片機(jī)型號是mcs-51，圍繞單片機(jī)構(gòu)建的單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖所 示。 圖2單片機(jī)系統(tǒng) 2、看門狗電路 對于大型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須考慮系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的程序跑飛”問題。為防止系統(tǒng)程序 跑飛，可在系統(tǒng)中設(shè)置看門狗電

2、路。本設(shè)計(jì)中使用的單片機(jī)AT89C52內(nèi)部集成了硬件看門 狗電路，可以放心省去外部的看門狗電路。內(nèi)部集成的硬件看門狗電路缺省時(shí)為關(guān)閉狀 態(tài)，一旦打開就不能關(guān)閉，可以單倍速和雙倍速反復(fù)設(shè)置。 對于使用的單片機(jī)中沒有集成內(nèi)部看門狗電路的設(shè)計(jì)中，可以選用一些專門的集成的看 門狗芯片，這些芯片也可以進(jìn)行軟件編程，使用非常方便。在本設(shè)計(jì)中，介紹了X25045 看門狗芯片的使用方法。 圖3 X25045看門狗電路硬件連接圖 采用單片機(jī) AT89C52和X25045組成的看門狗電路，X25045硬件連接圖如圖3所示。 X25045芯片內(nèi)包含有一個(gè)看門狗定時(shí)器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間。在看門狗定時(shí) 器預(yù)

3、置的時(shí)間內(nèi)若沒有總線活動(dòng)，則X25045將從RESET輸出一個(gè)高電平信號，經(jīng)過微分 電路C2、R3輸出一個(gè)正脈沖，使 CPU復(fù)位。圖2電路中，CPU的復(fù)位信號共有3個(gè)：上 電復(fù)位（C1、R2），人工復(fù)位（S、R1、R2）和 Watchdog復(fù)位（C2、R3），通過或門綜合后加到 RESET端。C2、R3的時(shí)間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因?yàn)檫@時(shí)CPU的振蕩器已經(jīng) 工作。 看門狗定時(shí)器的預(yù)置時(shí)間是通過 X25045的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來設(shè)定的。如表 2所 示，X25045狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中 WD1、WD0和看門狗電路有關(guān)，其余位和 EEPROM的工作設(shè)置有關(guān)。 DT D6 D5 D

4、4 13 D2 D1 10 I I W 1L1 BL0 IIL 表1 X25045狀態(tài)寄存器 WD1 = 0, WD0=0，預(yù)置時(shí)間為 1.4當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡單。只需 要一個(gè)信號控制 MAX485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，一般可 選100Q的電阻。 8051 RXD TXD P3,2 MAX485 RC DI RE DE GND 485ffl2 電平轉(zhuǎn) 換接口 PC 串行口 圖5 PC機(jī)與單片機(jī)串行通信連接圖 5、單片機(jī)并行口的擴(kuò)展 Tn tel 8255A是一個(gè)通用的可編程的并行口芯片，它有3個(gè)并行I/O口，又可通過

5、編程 設(shè)置多種工作方式，價(jià)格低廉，使用方便，可以直接與Tntel系列的芯片連接使用，在中 小系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。 圖6單片機(jī)I/O 口擴(kuò)展 二、測量部分 1、狀態(tài)量檢測 設(shè)計(jì)要求：4路（0, +5V ）狀態(tài)量檢測；4路（0, +12V ）狀態(tài)量檢測 本設(shè)計(jì)中使用TLP521-4光耦進(jìn)行光電隔離。 圖7 8路開關(guān)量檢測 2、模擬量檢測 設(shè)計(jì)要求：1)使用A/D轉(zhuǎn)換器，12位分辨率，8通道，串行通信方式；2)4路直流量轉(zhuǎn) 換，4路交流量轉(zhuǎn)換。 常見的A/D 轉(zhuǎn)換器輸出多為并行方式輸出，占用單片機(jī)得I/O資源較多。而對于這 樣的通用測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，單片機(jī)的I/O資源非常有限，因此節(jié)省I/O資源就非

6、常必 要了。因此，本設(shè)計(jì)中選用了串行方式輸出的MAX 1 2 0 2模數(shù)轉(zhuǎn)換器。MAX12 0 2是內(nèi)含8通道的多路轉(zhuǎn)換器、寬帶的跟蹤/保持電路和串行接口。其 4線的串行口可以 直接與51單片機(jī)直接連接。串行口速率達(dá)2MHz 。 圖8串口與單片機(jī)連接圖 MAX1202具有精度高、速度快、使用靈活和體積小的優(yōu)點(diǎn)，為設(shè)計(jì)人員提供了一種高性價(jià) 比的選擇。它可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、高精度過程控制、電池電源裝置、醫(yī)療儀器等。 3脈沖量的測量 在計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)中，常常要求有計(jì)數(shù)器能對外部事件計(jì)數(shù)，如測速電機(jī)的轉(zhuǎn)速、頻 率、工件個(gè)數(shù)等。脈沖量的測量就可以通過計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)?？蓪⒚}沖輸入接單片機(jī)引腳TO (P3.

7、4)或T1(P3.5)。在這種情況下，當(dāng)檢測到輸入引腳上的電平由高跳變到低時(shí)，計(jì)數(shù) 器加1,這個(gè)過程需要兩個(gè)機(jī)器周期來識別一個(gè)從1到0的跳變，故最高計(jì)數(shù)頻率為晶振 頻率的1/24。 三、輸出部分 1開關(guān)量輸出 設(shè)計(jì)要求：1 )要求光電隔離；2)4路接220V交流負(fù)載，4路接+12V直流負(fù)載。 圖10 220V交流負(fù)載接線圖 2模擬量輸出 圖11數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 3、PWM信號輸出 圖3所示的主電路（部分），由開關(guān)頻率較高的I R F P450開關(guān)管及相應(yīng)的續(xù)流、穩(wěn)壓 元件組成。根據(jù)控制信號將直流電以PWM波的形式輸出，通過控制占空比調(diào)節(jié)輸出電 壓。而且主電路部分屬于高壓部分，元件的選取要適合高壓的

8、要求。 主電路開關(guān)S 1用來切換直流2 2 0 V和2 5 V ,進(jìn)行同步發(fā)電，機(jī)勵(lì)磁控制和模擬汽 門(直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)控制的切換?？焖俣O管 DO 1 ( MUR 3 0 6 0 P T )的作用是可以防止 反向?qū)ǎ?而快速二極管 DO2( MUR 3 0 6 0 P T ) 的作用是給感性負(fù)載提供續(xù)流通道，防 止過壓。電阻 R 4和R 5組成一個(gè)分壓電路，給IRFP450開關(guān)管的柵極提供一個(gè)+12V PWM電壓信號，使得開關(guān)管能夠跟PWM關(guān)斷或者導(dǎo)通。F1是一個(gè)3A的熔斷絲，PWM4 -和PWM2分別PWM直流調(diào)制電壓的正、負(fù)端輸出。 3.4電源模塊 因?yàn)閱纹瑱C(jī)工作電源為 +5V，且底層

9、電路功耗很小。采用7805三端穩(wěn)壓片即可滿足要求。 4- 二二 圖12電源模塊 四、 人機(jī)接口 人機(jī)接口，又稱輸入 /輸出接口（ I/O 接口），是計(jì)算機(jī)和人機(jī)交互設(shè)備之間的交接界 面，通過接口可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的信息交換。 人機(jī)交互設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基本的設(shè)備之一，是人和計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系、交換 信息的外部設(shè)備，常見的人機(jī)交互設(shè)備可分為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備兩類。 1、輸入設(shè)備 矩陣鍵盤 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如 圖 1 所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個(gè)按 鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口（如 P1

10、 口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個(gè)按鍵，比之直接將端口線 用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20 鍵的 鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9 鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采 用矩陣法來做鍵盤是合理的。 鍵盤的工作原理：按鍵設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩 端。行線通過上拉電阻接到 +5V 電源上。無按鍵按下時(shí)，行線處于高電平的狀態(tài)，而當(dāng)有 按鍵按下時(shí)，行線電平與此行線相連的列 線電平?jīng)Q定。 2、輸出設(shè)備 單片機(jī)系統(tǒng)中常用的顯示器有： 發(fā)光二極管 LED（Light Emitting Diode） 顯示器。 八段 LED （

11、 1）靜態(tài)顯示 LED 顯示器工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示的 特點(diǎn)是每個(gè)數(shù)碼管必須接一個(gè) 8 位鎖存器用來鎖存待顯示的字形碼。送入一次字形碼顯示 字形一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是占用 CPU 時(shí)間少，顯示便于監(jiān) 測和控制。缺點(diǎn)是硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。 （ 2）動(dòng)態(tài)顯示 動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有 效。這樣一來，就沒有必要每一位數(shù)碼管配一個(gè)鎖存器，從而大大地簡化了硬件電路。選 亮數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的 位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用

12、，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯 示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路 中的。 使用 LED 顯示器時(shí)，要注意區(qū)分這兩種不同的接法。為了顯示數(shù)字或字符，必須對數(shù) 字或字符進(jìn)行編碼。七段數(shù)碼管加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，共計(jì) 8 段。因此為 LED 顯示器提供的編 碼正好是一個(gè)字節(jié)。用共陰 LED 顯示器顯示 16 進(jìn)制數(shù)的編碼已列在下表。 共陰數(shù)碼管碼表 0 x3f , 0 x06 , 0 x5b , 0 x4f , 0 x66 , 0 x6d , 0123 4 5 0 x7d , 0 x07 , 0 x7f , 0 x6f , 0 x77 , 0 x7c ,

13、 6789 A B 0 x39 , 0 x5e , 0 x79 , 0 x71 , 0 x00 C D E F 無顯示 硬件連接圖 U1 P101 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15- 6 P16 7 P17 8 INT 1 13 INI 0 12 T1 15 T0- 14 31 P10 P00 ,P11 P01 P12 P02 .P13 P03 P14 P04 P15 P05 ,P16 P06 ,P17 P07 INT 1 P20 INT 0 P21 T1 P22 89C52 P23 ,T0 P24 P25 .EA/VP P26 P27 X1 X2 VCC GND RES

14、ET RXD TXD RD AL E/P WR PSEN 9 19 18 RD 17 =O WR 16 5V 6令1笛令中 9 1 5 f e a a R 1K DPY a 21P20 3 g dp 39P00 38P01 37P02 36P03 35P04 34P05 40 20 10-RXD 11 TXD 30AL E 29PSEN D 圖13硬件連接圖 fb fTb fTb : e d .c e d c e d ,c e d ； dpdp 0 2 C C dp 34 C C 8 dp DPY 4-L ED LED 五、典型應(yīng)用舉例 ，在該設(shè)計(jì)中采用高精度的溫度傳感器 對于電熱鍋路的溫度測

15、控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其原理如下： 以AT89S51單片機(jī)為核心的溫度控制器的設(shè)計(jì) AD590對電熱鍋爐的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測量 電壓信號進(jìn)行放大再送入12位的AD574A 限報(bào)警?？刂撇糠植捎肞ID算法，實(shí)時(shí)更新 終實(shí)現(xiàn)對爐溫的高精度控制。 ，用超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器OP07將溫度- 進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測，實(shí)時(shí)顯示及越 PWM控制輸出參數(shù)，控制可控硅的通斷時(shí)間，最 EA XTAL1 P2 6 P2 5 P2lO*P2l4 ALEI P3I3 + 74LS373 XTAL2 74LS138 0 Y0I 3 Y1 * Y2 31 Y3 jZA 52B AWI2 6264 CE OED帥 D7

16、WE TTVT 去0809 / ., rWR CS 氣 0832 D7T1L 12 2 1 3 CLKHD 4 DATA 7279 1 5 EYJ I EOC 0809 艸帥7WK k 8155 AT89C52 鍵盤、顯示 P2I0 pin P1I06TORBE 圖14溫度測控系統(tǒng)原理圖 圖16程序控制流程圖 參考文獻(xiàn) 1、姜志海 .單片機(jī)原理及應(yīng)用（第 2版） M. 北京：電子工業(yè)出版社， 2009。 2、魏佩瑜 .電工學(xué)（電工技術(shù)） M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2007。 2009。 3、劉潤華 ,李震梅 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) M. 山東東營：中國石油大學(xué)出版社，2008。 4、董傳岱 ,李震梅 ,楊雪巖 .數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) M. 山東東營：中國石油大學(xué)出版社， 5、萬隆 ,巴奉麗 .單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù) M. 北京：清華大學(xué)出版社， 2010 。 掌、 的程靑今 , 比 件 課 思 們 理