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第2章基于单片机的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2.1.1主要功能为了满足工业生产过程监控的要求，设计的智能温度巡检仪应当具有如下功能：能与常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，当实测温度超过设定值时，发出报警信号且有常开接点输出；将检测的每路温度转变为与之线性对应的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：220VAC，±10%，50Hz。结构形式：盘装式。外形尺寸：160mm（长）×80mm（宽）×160mm（深）。开孔尺寸：152mm×76mm。2.2总体设计首先要确定实现主要功能与技术指标的硬件、软件的总体设计方案。必须遵守以下三个设计理念。①智能温度巡检仪是以单片机为核心的嵌入式系统，有些功能既可以通过软件编程实现，也可以通过硬件配置实现，应当遵守“能软不硬”的理念，即凡是能够用软件方案实现的功能就不用硬件方案实现，其目的是降低制造成本。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，同时能够提高整机的可靠性。任何电子元器件都有老化失效的问题，整机的可靠性与采用元器件的数量成反比，减少使用的元器件数量，就相当于提高了整机的可靠性。②设计过程应当兼顾技术指标与经济指标，技术指标再高的仪表设备，如果制造成本高、售价高，将不会有市场前景。③在设计过程中，选用的元器件与材料的市场供应渠道必须畅通。电子元器件、电子材料的发展日新月异，必须选用目前市场敞开供应的元器件与材料，否则将给日后的制造与维护带来很多麻烦。如果设计中选用了一些早已淘汰的元器件，将无法实现样机的研发。即便样机开发成功，以后生产制造中的材料采购也十分困难。1．硬件总体方案主机电路采用以8位单片机为核心的方案，片内要有足够多的硬件资源，尽量减少扩展外部功能芯片，减小整机的体积，降低整机造价。选择的8位单片机应具有如下资源。①足够的片内程序存储器，容量应不小于20KB。②足够的片内数据存储器，容量应不小于256B。③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。④中断源要求：中断源不应少于3个，中断级别不应少于2级。⑤有串行通信接口。⑥有足够多的通用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：采用一个D/A转换器，8路保持器，利用软件定时刷新的方法实现多路模拟量输出。显示部分：采用LED数码管，其亮度高，有效观测距离远，成本低按键部分：采用薄膜按键，手感好，寿命长。通信部分：采用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。2．软件总体方案软件任务比较简单，不需要嵌入操作系统，主要包括监控程序、人机服务程序、数据采集处理程序、通信服务程序几部分。为了保证实时性要求，提高运行效率，采用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，便于替代传统测试仪表。2.3硬件系统及驱动程序设计8路温度巡检仪的硬件由主机电路、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所示。其中，主机电路由CPU、数据存储器、程序存储器、EEPROM存储器、定时器/计数器、通用异步串行收发器、中断控制器、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。2.3.1主机电路设计主机电路设计的核心是选择一款恰当的嵌入式处理器，其处理速度、内含的存储器容量、内含的功能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。系统对处理速度的要求：根据设计任务中关于温度巡检周期为1s，巡检8路的要求，处理器应当在1/8s，即125ms内完成1路温度的数据采集、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储器的要求：就设计任务中规定的功能及技术指标而言，软件任务的复杂程度一般，当采用汇编语言编程实现时，一般5000条指令可以完成全部编程任务。MCS-51而言，5000*2B=10KB.系统对数据存储器的要求：数据存储器主要作为计算缓冲区、堆栈区、实时数据存储区、中间数据存储区使用，对本设计任务而言，一般200～300B可以满足需要。系统对EEPROM存储器的要求：EEPROM存储器的使用性能是指，程序运行时可以向其中写入数据或擦除数据，当系统关机或掉电时，写入的数据能够可靠长久的保留。它主要用来存储使用者存储的数据，如巡回检测的路数（8路温度巡检仪在使用中可以根据需要设定巡检路数）、超限报警值、巡回显示周期.200～300B系统对定时器/计数器的要求：8路温度巡检仪属于实时性很强的嵌入式系统，实现实时性操作的硬件基础是定时器。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的波特率产生器；需要1路定时器来实现A/D转换操作，因此至少需要3路定时器/计数器。系统对中断控制的要求：根据设计任务要求，软件任务主要有：通信服务、每路A/D转换完成时的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转换服务的实时性很强，需要通过2个中断源，2级中断管理实现。系统时钟需要通过中断提供实时操作。因此，必须有不少于3个中断源、2级中断的中断控制机制，以便根据各项任务的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）的要求：为了支持RS-485通信，必须有1路UART。系统对硬件抗干扰的要求：迄今为止，看门狗定时器（WDT，WatchdogTimer）是微机系统唯一完全有效的硬件抗干扰措施，因此系统必须采用WDT。系统对通用并行接口（GPIO）的要求：为了实现主机电路与前向通道、后向通道、人机接口部分的硬件接口，主机电路应当具备20～30个GPIO。1．AT89C55WD单片机的片内资源及性能与MCS-51系列单片机指令系统兼容，引脚兼容。内部具有可重复编程的20KB的Flash型程序存储器，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，当时钟频率选择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数据存储器。32根可编程I/O口线。3个16位定时器/计数器。6个中断源，2级中断优先级。1个可编程的UART。具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。2．X5045性能简介由于选定的单片机AT89C55WD内部没有EEPROM存储器，而单片机上电时必须有自动复位电路，因此主机电路中除了单片机外，必须扩展EEPROM存储器和上电复位电路。美国XICOR公司生产的X5045集成芯片，集4项功能于一身，除了内部具有EEPROM存储器外，还有上电复位功能、WDT功能、电源电压监控功能。具体指标如下：①内部具有WDT电路，可以编程选择WDT超时周期。②具有低电压监测和强制复位功能。③具有上电复位控制功能。图2-2X5045的引脚布置④内含4Kbit的EEPROM存储器，可以编程选定进行分块保护，保证重要数据存储的可靠性⑤支持高达33MHz的时钟频率。⑥功耗低，工作电流小于50A，便于电池供电。（1）引脚描述图2-2X5045的引脚布置（2）指令集X5045的各种操作，包括写使能锁存器的置位与复位、读/写状态寄存器、读/写EEPROM，都是通过向X5045发出有关指令进行的。指令集如表2-1所示。表2-1X5045的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（块锁定位）READ0000A8011从开始于所选地址的存储器阵列中读出数据WRITE0000A8010把数据写入开始于所选地址的存储器阵列（1～4B）（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、页或状态寄存器写周期完成之后，该锁存器自动复位。如果变为低电平，则锁存器也被复位。（4）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，状态寄存器的格式如表2-2所示。表2-2状态寄存器的格式76543210XXWD1WD0BL1BL0WELWIP状态寄存器各位的意义说明如下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，所有其他位全置为“l”。WIP位是只读的。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位是只读的，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。BL0、BL1：块保护位，用于选择EEPROM被保护的范围。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。被选择保护的部分只允许读，不允许写。EEPROM的保护范围如表2-3所示。WD0、WD1：这两位用于选择看门狗定时器（WatchdogTimer）的超时周期，选择范围如表2-4所示。通过发出WRSR指令来设置WD0、WD1。BL1BL0被保护的阵列地址00无01180H～1FFH10100H～1FFH11000H～1FFH表2-3EEPROM的保护范围表2-4WDT的超时周期选择范围WD1WD0超时周期001.4s01600ms10200ms11禁止3．主机电路硬件原理主机电路中主要包括AT89C55WD单片机和X5045芯片，就可以满足系统对硬件资源的需求，硬件电路原理如图2-3所示。4．驱动程序（1）WDT驱动程序X5045中WDT的驱动程序有两个，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，这个程序应当每隔一个确定的时间间隔运行一次，该时间间隔应当小于WDT超时周期；另一个驱动程序设定WDT的超时周期。访问WDT驱动程序：根据X5045的使用规则，只要其引脚发生从高电平到低电平的跳变，就实现对内部WDT定时器的复位，因此，根据图2-3所示，只要在连接X5045引脚的P1.4输出一个低电平脉冲即可，即做一次输出低再变高的操作。程序如下：CSBITP1.4RST_WDT:CLRCSSETBCSRET设定WDT超时周期的驱动程序：根据X5045的使用要求，通过设定X5045的状态寄存器实现超时周期的设置。本系统选定WDT的超时周期为600ms，X5045的状态寄存器中WD1、WD0两位分别设置为0、