毕业设计-基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计

中南林业科技大学本科毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计第1页1引言在工业生产中，温度是最基本的检测参数之一，温度的检测和控制直接和安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术指标相联系。随着半导体技术的发展，以单片机为主题，将计算机技术与测量控制技术结合起来组成的智能仪表在生产中得到了广泛的应用。这些智能仪器自身带有微处理器，在结构上自成一体，能独立进行测试，使用灵活方便。然而在实际工业生产活动中常常包含许多工业参数需要测量，如：温度、湿度、压力、水位、流量等，单独使用温度计、湿度计、压力计等分别测量温度、湿度、压力等等生产现场的工艺参数已经不能适应生产和生活的需要。数字式智能多路巡检仪可以测量多个传感器数据，通过巡回显示方式，在单台仪表上可以显示多个数据，因而可有效节省成本。随着电子技术的飞跃发展，数据采集巡回检测已成为日益重要的检测技术，广泛应用于工农业等需要同时检测温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节，普通电路已无法满足日常生活及工业的控制需求，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统，日益增大的市场需求，需要我们在这个方面做出更大的努力，因而需要一套完善的解决方案。该设计正是从生产需要出发，低成本的多路数据采集系统的设计，配以不同的传感器完成各类数据的采集、显示、控制与数据汇总保存。因此，数字式智能多路巡检仪具有十分广阔的现实市场和潜在的市场要求。2AT89C51单片机与传感器2.1AT89C51单片机的主要性能参数AT89C51是一种低功耗，高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位COMS微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对存储器重复编程[1]。中南林业科技大学本科毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计第2页2.2AT89C51单片机的结构及特点AT89C51采用40引脚的双列直插式封装(DIP)形式，内部由CPU，4KB的ROM，256B的RAM，2个16位的定时／计数器T0和T1，4个8位的I／O端口和一个全双工串行通信口等部分组成。AT89C51单片机具有系统结构简单，成本低，可靠性高，低功耗等特点。特别是内部集成了4KB的FLASH程序存储器，使单片机系统的结构更加简单，也使其得到了广泛的应用。同时，它还具有高级语言编程的特点，指令丰富，软件开发简单[2]。综上所述AT89C51单片机是一款性价比很高的单片机芯片，特别适合于仪器仪表的应用。所以本课题主要基于AT89C51单片机，设计一个多路传感器数据的测量与显示仪表。2．3传感器2.3.1温度传感器由于在工业生产中，温度是最基本的检测参数之一，温度的检测和控制直接和安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术指标相联系。用于温度检测的传感器有热电偶、热电阻和半导体集成温度传感器。热电偶价格便宜，但需要冷端补偿、电路设计复杂。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，测量范围广，构造简单，使用方便。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。半导体集成温度传感器的主要特点是测温误差小、微功耗、适合远距离测温、线性度好、外围电路简单等[3]。综上所述本次设计是从生产需要出发，低成本的多路数据采集系统的设计，配以不同的传感器完成各类数据的采集、显示、控制与数据汇总保存，单机实现过去多台仪器仪表所具备的功能。中南林业科技大学本科毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计第3页3系统硬件设计3．1系统整体设计方案本设计采用8路输入，每路输入能支持多种形式的传感器接入：电阻式（如：热电阻）、毫伏信号(如：热电偶)及标准信号输入（如：1~5VDC，4~20mA），对于不同传感器接入信号，能进行软件整定与校正；采用4个操作按钮，6位数码管作为显示，其中4位数码管用于显示数据，2位数码管显示功能号或通道号；对每个通道，传感器参数与工程参数都可以通过键盘设定。通常情况下，仪表自动循环显示多路数据，也可通过键盘固定显示任一路数据。硬件总体结构：硬件部分是整个仪表的重要部分，其设计的好坏直接影响到整机的性能，本仪器以AT89C51单片机为核心。整个硬件系统分为以下几个模块：传感器模拟信号采集处理模块，A/D转换模块，键盘及显示模块，单片机系统模块及报警控制模块。图1.系统方框图多路模拟开关信号采集模块A/D转换模块单片机系统键盘LED显示器报警控制模块中南林业科技大学本科毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计第4页3.2多路信号采集模块3.2.1模拟信号放大电路由于有些传感器的输出电流或电压不足以进行A/D处理，需要对信号进行转换和放大。由于LM324四运算放大电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此本设计采用LM324作为运算放大器。模拟信号放大电路如下图所示。图2.模拟信号放大电路放大倍数为1+Rf/R=1+10=11。通过增加或去掉电阻R6可分别接收电流与电压信号。3.2.2多路信号采集通道的选择在本设计中，输入信号为8路的模拟信号，这就需要多通道结构。本系统采用多路分时的模拟量输入通道。这种结构的模拟量通道特点为：（1）对ADC要求高。（2）处理速度慢。（3）硬件简单，成本低。（4）软件比较复杂。中南林业科技大学本科毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计第5页图3.多路信号采集框图3.2.3多路信号采集的实现本设计系统为八路的温度信号采集，而ADC0804仅为一路输入，故采用CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图所示图4.多路模拟输入电路图多路模拟开关信号调理电路信号调理电路．．．信号调理电路Ａ／Ｄ转换器单片机系统中南林业科技大学本科毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计第6页3.2.4多路模拟开关CD4051多路开关，又称“多路模拟转换器”。多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输入端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。反之，当模拟信号有公共输出端输入时，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件[4]。所以本设计选用CD4051多路开关，它是一种单片、COMS、8通道开关。该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成。3.2.5多路模拟开关工作原理CD4051作为8选1功能时，若A、B、C均为逻辑“0”（INH=0），则地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。其它情况下，输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下：表1.CD4051八路通道关系表输入状态接通通道输入状态接通通道INHCBAINHCBA000000101500011011060010201117001131xxx均不显示010043.3A/D转换模块为了把温度、湿度等信号采集电路测出的模拟信号转换成数字信号送CPU处理，本系统选用了A/D转换器ADC0804，它精度高，速度快。由于ADC0804芯片只有一路输入，而本系统检测的多路信号输入，故选用多路选择电子开关CD4051，可输入多路模拟量。中南林业科技大学本科毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计第7页3.3.1ADC0804主要技术指标(1)高阻抗状态输出(2)分辨率：8位(0~255)(3)存取时间：135ms(4)转换时间：100ms(5)总误差：-1~+1LSB(6)工作温度：ADC0804C为0度~70度；ADC0804L为-40度~85度(7)模拟输入电压范围：0V~5V(8)参考电压：2.5V(9)工作电压：5V(10)输出为三态结构3.3.2ADC0804特点及工作原理模数转换采用ADC0804,对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路[5]。ADC0804有20个引脚，其中11-18管脚为数字信号输出端，与单片机P1口相连；cs为片选端，接单片机P3.5口，WR接P3.6口，RD接单片机P3.7口。CLK为时钟输入信号线,因ADC0804的内部有时钟电路，只要在外部“CLKR”和“CLKIN”两端外接一电阻电容即可产生A/D转换所要求的时钟。通常使用2.5V作为为参考电压输入。INTR为中断控制信号，接单片机外部中断端口，当A/D转换完后向单片机发出中断信号，等待读走数字信号，INTR也空可置不接，因为当启动A/D后一段时间后模数转换完后，等待一段时间后单片机也可以读走数字量。中南林业科技大学本科毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计第8页图5.多路模拟开关及A/D转换电路图3.4单片机系统模块3.4.1AT89C51单片机的基本功能AT89C51具有以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个硬件复位[6]。3.4.2AT89C51单片机基本工作电路AT89C51单片机正常工作，必须连接基本电路。基本电路包括晶振电路和复位电路[7]。1.晶振电路单片机的时钟信号通常有两种产生方式：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。内部时钟方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号。外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。本设计所采用的是内部时钟方式。在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），作为单片机内部振荡电路的负载，构成自激振荡器，可在单片机内部产生时钟脉冲信号。C1和C2可以稳定振荡频率，并使快速起振。本电路选用晶振12MHz，C1=C2=30pF。中南林业科技大学本科毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计第9页2.复位电路复位是使单片机处于某种确定的初始状态。单片机工作从复位开始。在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期，单片机就执行复位操作。复位操作有两种基本方式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。本设计采用了后一种复位电路。当RST获得高电平，随着电容C3的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。若该高电平能保持足够2个机器周期，就可以实现复位操作。选择C3=10µF，R1=10KΩ[7]。图6.AT89C51单片机管脚及基本工作电路图3.5键盘显示模块本设计键盘显示模块采用4个操作按钮，6位数码管作为显示。其中4位数码管用于显示数据，2位数码管显示功能号或通道号；对每个通道，传感器参数与工程参数都可以通过键盘设定。通常情况下，仪表自动循环显示多路数据，也可通过键盘固定显示任一路数据。中南林业科技大学本科毕业设计基于89C51单片机的数字式智能多路巡检仪的设计第10页3.5.1键盘控制电路设计键盘控制电路由按键及其接口构成，键盘是单片机最简单的输入设备。常用键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘[8]。本系统的输入控制简单，采用独立式键盘及接口电路。输入电路由4个按钮开关、4个10欧的限流电阻组成；键扫描识别采用软件查询的方法。图7.键盘输入控制电路表2.四个独立键盘对应功能表按键键名功能S2模式切换键自动循环显示与固定显示切换S3参数设定键传感器参数设定S4参数设定键工程参