基于单片机的智能温度巡检仪设计概述.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章,基于单片机智能温度巡检仪设计,2.1,设计任务,2.2,总体设计,2.3,硬件系统及驱动程序设计,2.4,软件设计,2.5,结构设计,2.6,工程设计与组装调试,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第1页,2,.1.1,主要功效,为了满足工业生产过程监控要求，设计智能温度巡检仪应该含有以下功效：能与惯用温度传感器配合检测多路温度，本例是与,温度传感器,Pt100,型,铂热电阻配合，,巡回检测,8,路温度；可选择定点显示方式,，也可选择巡回显示方式；在全量程内，可设定超限报警值，当实测温度超出设定值时，发出报警信号且有常开接点输出；将检测每路温度转变为与之线性对应,4,20mA,电流输出；支持,RS-485,通信方式,，方便组成局域监控网络，使实测温度、温度超限设定值等参数在网络中共享。,2.1,设计任务,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第2页,2,.1.2,技术指标,测量范围：,200,850,。,测量精度：优于,0.5,级。,温度巡检周期：,1s,。,巡回显示周期：以秒为单位，可选定。,工作环境温度：,0,50,。,相对湿度：小于,85%,。,供电电源：,220V AC,，,10,%,，,50Hz,。,结构形式：盘装式。,外形尺寸：,160mm,（长）,80mm,（宽）,160mm,（深）。,开孔尺寸：,152mm76mm,。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第3页,2,.2,总体设计,首先要确定,实现主要功效与技术指标硬件、软件总体设计方案,。必须恪守以下三个设计理念。,智能温度巡检仪是以单片机为关键嵌入式系统，有些功效既能够经过软件编程实现，也能够经过硬件配置实现，应该恪守,“,能软不硬,”,理念，即凡是能够用软件方案实现功效就不用硬件方案实现，其目标是降低制造成本。软件方案只需在软件开发设计中一次性投入，一旦开发成功，在制造过程中将降低材料成本和安装成本，同时能够提升整机可靠性。任何电子元器件都有老化失效问题，整机可靠性与采取元器件数量成反比，降低使用元器件数量，就相当于提升了整机可靠性。,设计过程应该,兼顾技术指标与经济指标,，技术指标再高仪表设备，假如制造成本高、售价高，将不会有市场前景。,在设计过程中，,选取元器件与材料市场供给渠道必须通畅,。电子元器件、电子材料发展日新月异，必须选取当前市场敞开供给元器件与材料，不然将给日后制造与维护带来很多麻烦。假如设计中选取了一些早已淘汰元器件，将无法实现样机研发。即便样机开发成功，以后生产制造中材料采购也十分困难。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第4页,1,硬件总体方案,主机电路采取以,8,位单片机,为关键方案，片内要有足够多硬件资源，尽可能降低扩展外部功效芯片，减小整机体积，降低整机造价。,选择,8,位单片机应含有以下资源,。,足够片内程序存放器，容量应大于,20KB,。,足够片内数据存放器，容量应大于,256B,。,为了满足实时性要求、通信要求和,A/D,转换要求，定时器,/,计数器数量不应少于,3,个，容量应在,16,位以上。,中止源要求：中止源不应少于,3,个，中止级别不应少于,2,级。,有串行通信接口。,有足够多通用,I/O,接口。,前向通道设计：,A/D,转换器分辨率不应低于,12,位，,为了降低造价，,8,路温度通道通 过多路开关技术，公用一个放大器、一个,A/D,转换器。,后向通道设计：,采取一个,D/A,转换器，8路保持器，利用软件定时刷新方法实现多路模拟量输出。,显示部分：,采取,LED,数码管，其亮度高，有效观察距离远，成本低,按键部分：,采取薄膜按键，手感好，寿命长。,通信部分：,采取,RS-485,传输技术，方便按照总线式网络拓扑组成局域测量网络，而且,RS-485,传输技术成熟，成本低。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第5页,2,软件总体方案,软件任务比较简单，不需要嵌入操作系统，主要包含,监控程序、人机服务程序、数据采集处理程序、通信服务程序,几部分。为了确保实时性要求，提升运行效率，采取,ASM51,汇编语言编制。,3,外形结构方案,按盘装仪表结构设计，其外形结构尺寸、安装尺寸、安装方式、接线方式与常规测试仪表保持一致，便于替换传统测试仪表。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第6页,2,.,3,硬件系统及驱动程序设计,8,路温度巡检仪硬件由,主机电路、前向通道、后向通道、人机接口电路、通信接口及供电电源,几部分组成，如图,2-1,所表示。其中，,主机电路,由,CPU,、数据存放器、程序存放器、,EEPROM,存放器、定时器,/,计数器、通用异步串行收发器、中止控制器、,WDT,定时器及通用并行接口等部件组成；,前向通道电路,由,Pt100,转换电路、滤波电路、多路模拟开关电路、放大电路、,A/D,转换电路组成；,后向通道电路,由,D/A,转换电路、多路模拟开关电路、,V/I,转换电路、继电器驱动电路组成；,人机接口电路,由按键和,LED,数码管组成；,通信接口电路,由,RS-485,接口电路组成；,供电电源电路,分别向系统数字电路提供逻辑,5V,电源，向模拟电路提供,12V,与,5V,模拟电源。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第7页,2,.3.1,主机电路设计,主机电路设计关键,是选择一款恰当嵌入式处理器，其处理速度、内含存放器容量、内含功效部件尽可能满足系统要求，同时，市场售价满足整机硬件成本要求。,系统对处理速度要求：,依据设计任务中关于温度巡检周期为,1s,，巡检,8,路要求，处理器应该在,1/8s,，即,125ms,内完成,1,路温度数据采集、标度变换、线性化处理、显示等各项任务。可选,8,位微处理器,系统对程序存放器要求：,就设计任务中要求功效及技术指标而言，软件任务复杂程度普通，当采取汇编语言编程实现时，普通,5000,条指令能够完成全部编程任务。,MCS-51,而言，,5000,*,2B=10KB.,系统对数据存放器要求：,数据存放器主要作为计算缓冲区、堆栈区、实时数据存放区、中间数据存放区使用，对本设计任务而言，普通,200,300B,能够满足需要。,系统对,EEPROM,存放器要求：,EEPROM,存放器使用性能是指，程序运行时能够向其中写入数据或擦除数据，当系统关机或掉电时，写入数据能够可靠长久保留。它主要用来存放使用者存放数据，如巡回检测路数（,8,路温度巡检仪在使用中能够依据需要设定巡检路数）、超限报警值、巡回显示周期,.,200,300B,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第8页,系统对定时器,/,计数器要求：,8,路温度巡检仪属于实时性很强嵌入式系统，实现实时性操作硬件基础是定时器。对本设计任务来讲，需要,1,路定时器来产生时钟节拍，实现实时操作；需要,1,路定时器来作为串行通信波特率产生器；需要,1,路定时器来实现,A/D,转换操作，所以最少需要,3,路定时器,/,计数器。,系统对中止控制要求：,依据设计任务要求，软件任务主要有：通信服务、每路,A/D,转换完成时数据采集与打开下一输入通道、温度计算、人机接口服务共,4,项任务。其中，通信服务、,A/D,转换服务实时性很强，需要经过,2,个中止源，,2,级中止管理实现。系统时钟需要经过中止提供实时操作。所以，必须有不少于,3,个中止源、,2,级中止中止控制机制，方便依据各项任务实时性要求进行抢占式调度。,系统对通用异步串行收发器（,UART,）要求：,为了支持,RS-485,通信，必须有,1,路,UART,。,系统对硬件抗干扰要求：,迄今为止，看门狗定时器（,WDT,，,Watchdog Timer,）是微机系统唯一完全有效硬件抗干扰办法，所以系统必须采取,WDT,。,系统对通用并行接口（,GPIO,）要求：,为了实现主机电路与前向通道、后向通道、人机接口部分硬件接口，主机电路应该具备,20,30,个,GPIO,。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第9页,1,AT89C55WD,单片机片内资源及性能,与,MCS-51,系列单片机指令系统兼容，引脚兼容。,内部含有可重复编程,20KB,Flash,型程序存放器，重复编程次数达,1000,次。,工作电压范围：,4,5.5V,。,时钟频率：静态到,33MHz,，当初钟频率选择,33MHz,时，以每条指令执行时间平均为,2,个机器周期进行计算，,CPU,处理速度达,1.375MIPS,，即每秒可执行,137.5,万条指令，处理速度非常快。,256B,数据存放器。,32,根可编程,I/O,口线。,3,个,16,位定时器,/,计数器。,6,个中止源，,2,级中止优先级。,1,个可编程,UART,。,含有闲置方式与掉电方式两种省电工作方式。,1,个,WDT,硬件定时器。,2,个数据指针。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第10页,2,X5045,性能介绍,因为选定单片机,AT89C55WD,内部没有,EEPROM,存放器，而单片机上电时必须有自动复位电路，所以主机电路中除了单片机外，必须扩展,EEPROM,存放器和上电复位电路。美国,XICOR,企业生产,X5045,集成芯片，集,4,项功效于一身，除了内部含有,EEPROM,存放器外，还有上电复位功效、,WDT,功效、电源电压监控功效。,详细指标,以下：,内部含有,WDT,电路，能够编程选择,WDT,超时周期。,含有低电压监测和强制复位功效。,含有上电复位控制功效。图,2-2 X5045,引脚布置,内含,4Kbit,EEPROM,存放器，能够编程选定进行分块保护，确保主要 数据存放可靠性,支持高达,33MHz,时钟频率。,功耗低，工作电流小于,50,A,，便于电池供电。,（,1,）引脚描述,图,2-2 X5045,引脚布置,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第11页,（,2,）指令集,X5045,各种操作，包含写使能锁存器置位与复位、读,/,写状态存放器、读,/,写,EEPROM,，都是经过向,X5045,发出相关指令进行。指令集如表,2-1,所表示。,表,2-1 X5045,指令集,指 令 名,指 令 格 式,操 作,WREN,00000110,设置写使能锁存器（允许写操作）,WRDI,00000100,复位写使能锁存器（禁止写操作）,RDSR,00000101,读状态存放器,WRSR,00000001,写状态存放器（块锁定位）,READ,0000A,8,011,从开始于所选地址存放器阵列中读出数据,WRITE,0000A,8,010,把数据写入开始于所选地址存放器阵列（14B）,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第12页,（,3,）写使能锁存器,X5045,包含一个写使能锁存器。在内部完成写操作之前，此锁存器必须被设置（,SET,）。,WREN,指令可设置锁存器而,WRDI,指令将复位锁存器。在上电情况下，和字节、页或状态存放器写周期完成之后，该锁存器自动复位。假如变为低电平，则锁存器也被复位。,（,4,）状态存放器,RDSR,指令提供对状态存放器访问。在任何时候都能够读状态存放器，即使在写周期也如此，状态存放器格式如表,2-2,所表示。,表,2-2,状态存放器格式,7,6,5,4,3,2,1,0,X,X,WD1,WD0,BL1,BL0,WEL,WIP,状态存放器各位意义说明以下,WIP,（,Write,_In_,Process,）,:,该位表示,“,正在写,”,状态。当该位为,“,l,”,时，写操作正在进行；当该位为,“,0,”,时，没有写操作在进行。在写期间，全部其它位全置为,“,l,”,。,WIP,位是只读。,WEL,（,Write_Enable_Latch,）：,该位表示,“,写使能锁存,”,状态。当该位为,“,1,”,时，锁存器置位；当该位为,“,0,”,时，锁存器复位。,WEL,位是只读，它由,WREN,指令置位，由,WRDI,指令复位，或者在成功地完成了写周期后复位。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第13页,BL0,、,BL1,：,块保护位，用于选择,EEPROM,被保护范围。这两位由发出,WRSR,指令来设置，允许用户选择,4,种保护方式之一。被选择保护部分只允许读，不允许写。,EEPROM,保护范围如表,2-3,所表示。,WD0,、,WD1,：,这两位用于选择看门狗定时器（,Watchdog Timer,）超时周期，选择范围如表,2-4,所表示。经过发出,WRSR,指令来设置,WD0,、,WD1,。,BL1,BL0,被保护阵列地址,0,0,无,0,1,180H,1FFH,1,0,100H,1FFH,1,1,000H,1FFH,表,2-3 EEPROM,保护范围,表,2-4 WDT,超时周期选择范围,WD1,WD0,超 时 周 期,0,0,1.4s,0,1,600ms,1,0,200ms,1,1,禁止,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第14页,3,主机电路硬件原理,主机电路中主要包含,AT89C55WD,单片机和,X5045,芯片,，,就能够满足系统对硬件资源,需求，硬件电路原理如图,2-3,所,示。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第15页,4,驱动程序,（,1,）,WDT,驱动程序,X5045,中,WDT,驱动程序有两个,，一个用于在单片机正常工作时,访问,WDT,，使,WDT,不产生复位信号，注意，这个程序应该每隔一个确定时间间隔运行一次，该时间间隔应该小于,WDT,超时周期；另一个驱动程序,设定,WDT,超时周期,。,访问,WDT,驱动程序：依据,X5045,使用规则，只要其引脚发生从高电平到低电平跳变，就实现对内部,WDT,定时器复位，所以，依据图,2-3,所表示，只要在连接,X5045,引脚,P1.4,输出一个低电平脉冲即可，即做一次输出低再变高操作。,程序以下：,CS BITP1.4,RST_WDT:CLRCS,SETBCS,RET,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第16页,设定,WDT,超时周期驱动程序：依据,X5045,使用要求，经过设定,X5045,状态存放器实现超时周期设置。本系统选定,WDT,超时周期为,600ms,，,X5045,状态存放器中,WD1,、,WD0,两位分别设置为,0,、,1,。不考虑保护,EEPROM,时，状态存放器内容能够设置为,10H,（参见,X5045,状态存放器格式）。在设置状态存放器之前，需要先完成两个操作：设置写使能存放器和发送写状态存放器命令。设置流程如图,2-4,所表示。,图,2-4,设置,WDT,超时周期流程图,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第17页,(2,）,EEPROM,写入程序,依据,X5045,使用规则，向,EEPROM,内写入内容，按图,2-5,所表示流程进行。,图,2-5 EEPROM,写入流程,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第18页,（,3,）,EEPROM,读出程序,；*,；子程序名：,SEQU_READ,；功效：将,DPTR,中内容为首地址,EEPROM,中内容读出到以,R1,中内容为首地,；址单片机内部,RAM,中,；底层子程序调用：,OUTBYT,、,INBYT,；入口条件：（,R1,）,=,单片机内部,RAM,首地址,；（,DPTR,）,=EEPROM,首地址,；（,R2,）,=,要读出字节数,；使用存放器：,A,、,DPTR,；*,READ_INST EQU 03H,；读数据命令为,03H,SEQU_READ:,CLR SCK,；准备读数据,CLR CS,MOV A,DPH,；将,EEPROM,地址最高位连同读数据命命令一起发送,MOV C,ACC.0,MOV A,#READ_INST,MOV ACC.3,C,LCALL OUTBYT,MOV A,DPL,；发送,EEPROM,低,8,位地址,LCALL OUTBYT,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第19页,SEQU_READ1:,LCALL INBYT,；读出,1B,内容,MOV R1,A,；将读出,1B,数据存入单片机,RAM,中,INC R1,DJNZ R2,SEQU_READ1,；循环读数据,CLR SCK,；推出读数据,SETB CS,RET,“,SEQU_READ,”,子程序用到了一个底层子程序,“,INBYT,”,，该子程序用于从,EEPROM,中读出,1B,内容，程序以下：,INBYT:,MOV R0,#8,；,1B,，,8,个,BIT,位,INBYT1:,SETB SCK,；准备读出,CLR SCK,MOV C,SO,；读出内容存于,C,中,RLC A,；将,C,中内容存于,A,中,DJNZ R0,INBYT1,；循环读出,RET,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第20页,2,.3.2,前向通道电路设计,前向通道任务,是接收温度传感器,Pt100,铂电阻信号，将其转变为单片机能够进行处理数字信号，由信号转换电路、动态稳零电路、多路模拟开关、阻抗匹配电路、放大电路、,A/D,转换电路等几部分组成。原理框图如图,2-6,所表示，硬件电路如图,2-7,所表示。,图,2-6,前向通道电路原理框图,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第21页,图,2-7,前向通道硬件电路图,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第22页,1,信号转换电路,信号转换电路由图,2-7,中,9,个惠斯登电桥组成（因为图面所限，图中仅绘出第,1,个、第,2,个和第,9,个），实现将,8,路,Pt100,温度传感器输出电阻信号转换为电压信号。其中，第,1,个惠斯登电桥没有外接,Pt100,传感器，设置它目标是为动态稳零电路提供零信号（详见,5.,动态稳零电路）。余下,8,个惠斯登电桥工作原理完全一致，这里以第,2,个电桥为例，它由,R5,、,R6,、,R7,、,C3,、,C4,组成。,采取惠斯登电桥方式进行,R/V,转换主要优点,是，利用桥路对称平衡特点，有效地克服供电电源,V,a,波动，克服,Pt100,引线电阻影响，克服桥路电阻温漂问题。,图,2-8 R/V,转换电路,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第23页,克服桥路供电电源,V,a,波动影响，克服桥路电阻温漂影响,。图,2-8 R/V,转换电路,在图,2-8,电路中，忽略引线电阻影响，认定,r,=0,，则,R,pt,为,Pt100,阻值，当取,R,6=,R,7,，,R,5=,R,pt,时，。,只要桥路,4,臂电阻对应相等，则桥路输出电压与桥路供电电源波动无关。当桥路电阻,R,5,、,R,6,、,R,7,随周围环境温度发生改变，即出现温漂时，只要,R,6,与,R,7,漂移幅度、方向一致，,R,6=,R,7,R,5,，则桥路输出电压受温漂影响很小。,克服,Pt100,引线电阻影响,如图,2-8,所表示，当安装在现场,Pt100,传感器经过三线连接到仪表时，要求三线长度、线径、材质一致，这么做能够确保三线线路电阻相等为,r,，当,rR,6,（,R,7,）时，桥路输出：,取,R,6=,R,7,，,R,5=,R,Pt,时，。,说明与引线电阻无关，即能够有效地克服引线电阻影响问题。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第24页,2,多路模拟开关,图,2-7,中,CD4052,（,U1,、,U2,、,U3,）是一个双端,4,路（相当于双刀四掷）模拟开关，由,A,、,B,、,INH,三个控制引脚选择将,X,、,Y,切向,0,、,1,、,2,或,3,通道。控制引脚状态与导通通道关系如表,2-5,所表示。,4,个,I/O,口状态与接通电阻桥路关系如表,2-6,所表示。,表,2-5,控制引脚状态与导通通道关系,INH,B,A,导 通 通 道,0,0,0,X0,、,Y0,0,0,1,X1,、,Y1,0,1,0,X2,、,X2,0,1,1,X3,、,Y3,1,X,X,不通,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第25页,表,2-6 4,个,I/O,口状态与接通电阻桥路关系,P2.3,P2.2,P2.1,P2.0,导 通 桥 路,0,0,0,0,稳零桥路,0,0,0,1,0,通道,0,0,1,0,1,通道,0,0,1,1,2,通道,0,1,0,0,3,通道,0,1,0,1,4,通道,0,1,1,0,5,通道,0,1,1,1,6,通道,1,0,0,0,7,通道,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第26页,3,阻抗匹配电路,阻抗匹配电路由图,2-7,中,U4A,、,U4B,两个运算放大器组成跟随器实现。假如没有这一级阻抗匹配电路，测量桥路输出阻抗与多路模拟开关导通电阻以串联形式接到运算放大器输入端，作为运算放大器输入电阻存在。因为,8,路测量桥路测量温度不可能完全一样，多路模拟开关各通道导通电阻不一致，决定了运算放大器在接通不一样通道信号时，其输入电阻不一致，因而增益不一致，产生误差。为了处理这一问题，引入阻抗匹配电路。各路信号经过阻抗匹配电路接到运算放大器时，各路信号输出阻抗统一为两个跟随器输出阻抗，处理了不一样通道信号输出阻抗不一致问题。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第27页,4,放大电路,在图,2-7,中，由,U4D,、,R29,、,R30,、,R31,、,R32,组成反相放大器，增益,A,由下式确定：,式中，为测量上限桥路输出电压。,A/D,转换器,ICL7135,满码输出对应模拟电压（模拟输入信号上限）为,2V,，考虑动态稳零需要，这里取,1.8V,。,Pt100,测量上限温度为,850,，对应阻值为,R,Ptmax=390.26,。依据图,2-8,测量桥路，当,R,6=,R,7=10k,，,R,5=100,时，忽略引线电阻影响，测量上限桥路输出电压：,取,R,29=1k,，,R,32=13k,，反相放大器增益为,13,。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第28页,5,动态稳零电路,作用：,抑制温漂和时漂电压,工作原理：,如图,2-9,所表示，运放,U4D,与,R,29,、,R,30,、,R,31,、,R,32,组成反相放大器，其增益：，运放输出为,V,o,。开关,SW,切向上，接通,V,ab,有效输入信号；开关,SW,切向下，接通零输入信号。,图,2-9,动态稳零电路原理,当,SW,切向下时，放大器输出为：,式中，,V,IO,为运算放大器失调电压。,当,SW,切向上时，放大器输出为：,式中，,V,IO,为运算放大器失调电压。,将两次输出相减：,上式说明,，假如运放在每次测量有效信号之前，先接通零信号测量出运放失调电压，再接通有效信号，将得到输出减去失调电压作为运放有效输出，就从根本上克服了失调电压影响。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第29页,6,A/D,转换电路,A/D,转换电路设计关键,是,A/D,转换器选择,，选择时主要考虑三项技术指标：转换精度、转换速度和对单片机接口资源耗用。,影响,A/D,转换精度指标,普通有分辨率、量化误差和线性度。从当前市场供给,A/D,转换器来看，量化误差与线性度两个指标普通都很高。转换精度主要取决于分辨率，对于,n,位,A/D,转换器，转换精度为 ；,转换速度选取依据,是测量信号改变频率。依据香农定理，采样周期（主要取决于,A/D,转换时间）最少是测量信号改变周期,1/2,以下。,对于本设计任务而言,，测量是工业过程温度参数，其改变迟缓，普通场所，在,1,秒内极少有超出,0.5,改变，所以能够选择转换精度较高，速度较慢双向积分式,A/D,转换器，而且在,A/D,转换器之前无须加采样保持器。,对于测量,8,路温度温度巡检仪而言，依据上述分析，,选择转换速度为,16,次,/,秒,A/D,转换器,，能够满足要求。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第30页,在本设计中，选取美国,Intersil,企业生产,ICL7135,双向积分生式,A/D,转换器。,ICL7135,主要技术指标,以下：,转换精度为,1/19999,；,双极性转换，数字满码输出为,19999,；,自动稳零技术，确保,0V,信号输入时，数字码,0,输出；,高输入阻抗，输入,1pA,漏电流；,差分输入；,零点极性检测；,仅需单一参考电源；,含有过量程与欠量程指示，便于实现自动量程转换；,全部输出电平符合,TTL,电平标准；,含有并行与串行两种输出信号形式。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第31页,（,1,）,ICL7135,输出方式选择,ICL7135,引脚布置图如图,2-10,所表示,。经,A/D,转换后数字码有两种输出时序：,串行输出时序与分时并行输出时序,，分别如图,2-11,和图,2-12,所表示。从图,2-11,所表示时序能够看到，一个完整测量周期包含三个阶段：自动稳零（即,AZ,）阶段，信号积分（即,SI,）阶段，参考电压积分（即,RI,）阶段。,图,2-10 ICL7135,引脚布置图,图2-11 串行输出时序图,图2-12 分时并行输出时序图,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第32页,（,2,）硬件接口电路,依据图,2-11,所表示时序设计,A/D,转换硬件接口电路如图,2-13,所表示。,ICL7135,仅经过两根线与,AT89C55,相接，仅占用,AT89C55 T1,、,T2,两个计数器及外部中止,INT1,。,图,2-13 A/D,转换接口电路,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第33页,图,2-14 T2,计数器工作于方波产生器时逻辑框图,ICL7135,时钟信号提供,I CL7135,时钟信号直接来自,AT89C55,P1.0,。,P1.0,是,AT89C55,复用口，当,AT89C55,T2,计数器工作于方波产生器方式（,Programmable Clock Out,）时,经过该引脚可输出连续方波信号，其占空比为,50%,，频率可经过编程确定，如图,2-14,所表示。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第34页,A/D,转换结果读取,ICL7135,时钟信号源于,AT89C55,T2,计数器方波输出，同时接至,AT89C55,T1,，利用,T1,计数器统计,BUSY,为高电平时时钟周期数。,BUSY,信号接至,AT89C55,外部中止,INT1,，其意图有两个。第一，控制,T1,计数。当,T1,计数器工作于方式,1,时，经过软件设置,GATE,控制位为,“,1,”,时，,T1,计数受,INT1,控制，当,INT1,（既,BUSY,）为高电平时，,T1,可对来自外部脉冲（既,ICL7135,时钟周期）计数；,INT1,为低电平时，停顿计数。第二，在,BUSY,信号由高电平跳变为低电平瞬间，以中止形式通知,CPU,，以读出,A/D,转换后数字码。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第35页,（,3,）驱动程序,A/D,转换结果读取,ICL7135,时钟信号源于,AT89C55,T2,计数器方波输,出，让,AT89C55,经过,P1.0,引脚，为,ICL7135,提供,250kHz,时钟信号时，编程设定,AT89C55,T2,工作于方波产生器方式。当,AT89C55,晶体振荡器取,12MHz,时，编程以下：,MOVT2CON,，,#04H,；,T2,工作于方波产生器方式,MOVT2MOD,，,#02H,MOVRCAP2H,，,#0FFH,；输出方波频率为,250kHz,MOVRCAP2L,，,#0F4H,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第36页,A/D,转换结果读出程序,如图,2-13,所表示，当,BUSY,信号由高跳变到低时，将触发,INT1,中止，在,INT1,中止服务程序中将,A/D,转换结果读出，存放于内部,RAM 30H,、,31H,中。,INT1_ISR,：,PUSHPSW,；保护现场,PUSHACC,MOVA,TL1,；,T1,计数减去,10001,（,2711H,）后送,30H,，,31H,中,CLRC,SUBBA,#11H,MOV31H,A,MOVA,TH1,SUBBA,#27H,MOV30H,A,MOVTL1,#0,；清零,T1,MOVTH1,#0,POPACC,POPPSW,RETI,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第37页,2,.3.3,后向通道电路设计,后向通道电路由,4,20mA,模拟量输出电路与超限报警开关量输出电路两部分组成。,1,4,20mA,模拟量输出电路,该电路是将所检测每路温度都对应地输出一个与之成线性关系,4,20mA,电流信号，方便依据需要供给调整器、统计装置或,DCS,系统。硬件电路设计如图,2-15,所表示。,图,2-15,多路,4,20mA,输出电路,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第38页,多路模拟开关,CD4051,控制导通关系,如表,2-7,所表示，经过单片机,P2.4,、,P2.5,、,P2.6,三个引脚高低电平不一样输出，能够将,D/A,转换模拟电压输出到与前向,8,路通道相对应输出通道保持电路中。,输 入 状 态,导 通 通 道,INHIBIT,C,B,A,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,输 入 状 态,导 通 通 道,INHIBIT,C,B,A,0,0,1,0,2,0,0,1,1,3,0,1,0,0,4,0,1,0,1,5,0,1,1,0,6,0,1,1,1,7,1,均不导通,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第39页,该模拟保持电路还同时兼有,电压,/,电流转换功效,。转换输出电流,I,在,OUT+,与,OUT,（外接负载）之间输出，,I,与,D/A,转换输出电压,V,out,之间关系由式确定，,D/A,转换器满量程输出电压,V,out,与,D/A,转换器参考电压由式,V,out=2,V,ref,确定。所以，当取,V,ref=1V,，,R,1=100,时，,D/A,转换满量程输出电流为：,依据,TLC5615,输入时序,能够编写其驱动程序。输入时序如图,2-16,所表示,图,2-16 TLC5615,输入时序,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第40页,2,超限报警开关量输出电路,当某路温度超出设定报警值时，输出一个机械接点信号，便于连接声、光报警装置，进行报警提醒。如图,2-17,所表示，利用单片机,P3.6,引脚控制上限报警接点输出，,P3.7,控制下限报警接点输出。以上限报警为例，当温度超出上限报警值时，令,P3.6,为,“,0,”,，则三极管导通，继电器,J1,得电，使接点动作；当温度低于上限报警值时，令,P3.6,为,“,1,”,，则关闭上限报警。,图,2-17,超限报警输出电路,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第41页,2,.3.4,人机接口电路设计,人机接口电路由,按键接口电路,与,显示器接口电路,组成。,1,按键接口电路及驱动程序,经过仪表前面板上按键操作，能够查看检测温度、报警设定值等参数，也能够向仪表内输入一些数据。比如，输入报警设定值、转换输出,20mA,时对应温度值、巡回显示时间间隔等数据。仪表按键接口电路如图,2-18,所表示。,本设计中，仅用,3,个按键,，即可实现各种操作需要。因为按键个数少，不需要对按键进行编码访问，直接连接在单片机,P1.5,、,P1.6,、,P1.7,上即可。单片机,P1,口内部含有上拉电阻，所以，当无按键按下时，对应,I/O,口为高电平；当有按键按下时，对应,I/O,口为低电平，据此可识别按键按下是否。,图,2-18,按键接口电路,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第42页,对,于,3,个按键而言，最多能够有,8,种按键方式。图,2-18,所表示,3,个按键，从左到右分别称为键、键与键。,8,种按键方式以下，而且设计按键驱动程序，每调用一次，都有以下,8,种结果之一：,键单独按下；结果则累加器,A,中返回,“,1,”,；,键单独按下；结果则累加器,A,中返回,“,2,”,；,键单独按下；结果则累加器,A,中返回,“,3,”,；,键与键同时按下；结果则累加器,A,中返回,“,4,”,；,键与键同时按下；结果则累加器,A,中返回,“,4,”,；,键与键同时按下；结果则累加器,A,中返回,“,6,”,；,键、键与键同时按下；结果则累加器,A,中返回,“,7,”,；,三键均未按下。结果则累加器,A,中返回,“,0,”,；,按键驱动程序要考虑另一个问题是按键,“,消抖,”,问题。,图,2-19,按键抖动干扰,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第43页,2,LED,显示接口电路及驱动程序,在仪表前面板上设计了,6,位共阴极,LED,数码管显示器,，用于显示各路实测温度和设定参数。为了尽可能降低仪表硬件开销，采取了,动态刷新显示方法,。,6,位,LED,数码管显示器各有,8,个显示段，每位,LED,数码管相同段连在一起，由一个,I/O,扩展芯片,U2,统一进行段驱动，而各位共阴极,COM,端则由另一个,I/O,扩展芯片,U1,进行位驱动。要在某位显示某一字符，需要由单片机经过数据总线使,U2,锁存,8,段显示码，,U1,锁存位选码。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第44页,图,2-20 LED,显示接口电路,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第45页,图,2-20,中，,U1,与,U2,采取八,D,型透明锁存器和边缘触发器,74HC374,，作为,I/O,口扩展。,74HC374,内部组成如图,2-21,所表示，其真值表如表,2-8,所表示,。,表,2-8 74HC374,真值表,输 出 控 制,Clock,D,输 出,L,H,H,L,L,L,L,L,X,Q,0,H,X,X,Z,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第46页,在,74HC374,内部集成了,8,个,D,触发器,。,8,个触发器输出控制端连接到一起作为共同输出控制端,OE,，经过引脚,1,引出；,8,个触发器时钟输入端连接到一起作为共同时钟输入端,CLK,，经过引脚,11,引出。,图,2-21 74HC374,内部组成,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第47页,驱动程序设计思绪是,，采取,“,内存映射,”,显示原理，即,6,位,LED,显示内容分别对应单片机内部,6B RAM,，显示周期设计为,12ms,，每位,LED,显示时间为,2ms,，周而复始地轮番扫描，就实现了动态显示。为了严格地确保显示周期和每位,LED,显示时间，能够经过单片机内部定时器定时中止，在中止服务程序中进行动态显示。,设计驱动程序要考虑另一个问题是小数点显,示，允许小数点在,6,位,LED,任何一位显示，实现方法是利用,1,字节内部,RAM,标注小数点显示位置，该字节内容为,0,5,，分别表示小数点显示位置在最左,1,位到最右,1,位。,因为仪表前面板面积有限，所以只设计了,3,个按键。当需要向仪表中输入数据时，只能,采取,“,逐位加,1,输入,”,法,，即利用一个按键输入,0,9,这,10,个数，每按动一次按键，该位数值加,1,，加至,9,后则回至,0,，同时该位,LED,呈闪烁显示状态。该位数据输入完成后，再移位进行下一位输入。实现某位,LED,闪烁显示方法是，让该位,LED,按某个时间周期交替亮、灭，这个时间周期必须大于人视觉停留时间，普通可取,120ms,。在程序设计中，使用一个,BIT,变量，每过,120ms,，将该变量数值取反。当该变量数值为,“,1,”,时显示，为,“,0,”,时不显示。需要利用,1,字节内部,RAM,标注闪烁显示位位置，该字节内容为,0,5,，分别表示闪烁显示位位置在最左,1,位到最右,1,位。,基于单片机的智能温度巡检仪设计概述,第48页,3,数据输入驱动程序,上述电路及其驱动程序完成了响应按键与显示字符功效，还有,一个主要任务,就是经过按键和显示器，向仪表输入数据。输入数据包括仪表操作，应尽可能使操作简单、有序，符合多