基于单片机的通用测控系统的设计

摘要：目前，随着芯片技术及单片机功能的不断发展和成熟，单片机技术已经在工业测控系统中得到了广泛的应用。市场上出现了很多型号的单片机和相应的外围模块化产品，尤以8051系列。功能强大的各种单片机的确减轻了控制系统设计人员的工作量，但它存在两个问题：其一，在选定单片机过程中没有考虑软硬件的综合设计，即只考虑了硬件的方便性，没有考虑与之相应的软件，所以在系统设计周期中，硬件与软件的设计过程分离且相互独立，在系统集成前没有交互作用；其二，在硬件选择过程中，没有考虑系统开发周期及成本，往往需要购买专用的开发系统及编程器，开发人员还要花费一定的时间熟悉指令和仿真器，延长开发周期。显然，这种依据项目功能选择单片机的设计方法限制了平衡软硬件的能力，不能充分发挥软硬件各自的潜力。当最后软件与硬件组合到一起时，很可能要对硬件或软件进行修改，有时甚至要增加部分特制的硬件，从而导致开发周期延长、系统综合性能下降及潜在开发费用的增加。为此，要在开发周期和费用的限制下设计完整的控制系统，需要主要是硬件综合设计的方法。正是在软硬件综合设计思想的基础上，考虑到单片机测控系统的独特性及其在大多数应用领域中的相似性，以一种通用的硬件平台和软件平台来实现计算机测控系统快速有效的综合设计。用户只需依据项目要求编制相应程序，即可完成整个系统的设计。关键词：单片机测控系统硬件平台一、系统总体设计框图图1系统总体框图在基于单片机的通用测控系统的设计中，选用了mcs-51作为系统核心，外围电路中主要使用了X25045看门狗芯片、EEPROM芯片ATC24C02、MAX232C串口接口芯片、Intel8255A并行口扩展芯片、等等。二、单元电路1、单片机本设计中所选用的单片机型号是mcs-51，围绕单片机构建的单片机最小系统如下图所示。P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0'P3.3/INT1'P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WR'P3.7/RD'XTAL2XTAL1VSSP1.0/T2VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA'ALE/PROG'PSEN'P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0PDIP-4022pFC122pFC212Y0XTALGNDXTAL1XTAL2XTAL1GNDP00P01P02P03P04P05P06P07P25P26P2710uFC4VCCS10KR3GNDC510uFVCCGNDVCCAT89C52P22P23P24单片机最小系统P20P21WR'脉冲计数P10P11P12P13RESET123U96AARESETRST图2单片机系统2、看门狗电路对于大型的系统设计，必须考虑系统在运行过程中的“程序跑飞”问题。为防止系统程序跑飞，可在系统中设置看门狗电路。本设计中使用的单片机AT89C52内部集成了硬件看门狗电路，可以放心省去外部的看门狗电路。内部集成的硬件看门狗电路缺省时为关闭状态，一旦打开就不能关闭，可以单倍速和双倍速反复设置。对于使用的单片机中没有集成内部看门狗电路的设计中，可以选用一些专门的集成的看门狗芯片，这些芯片也可以进行软件编程，使用非常方便。在本设计中，介绍了X25045看门狗芯片的使用方法。CS'SOWP'VSSSISCKRESETVCCX25045P10P11P12GNDP13RESET看门狗模块图3X25045看门狗电路硬件连接图采用单片机AT89C52和X25045组成的看门狗电路,X25045硬件连接图如图3所示。X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。图2电路中，CPU的复位信号共有3个：上电复位(C1、R2)，人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3)，通过或门综合后加到RESET端。C2、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。如表2所示，X25045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。表1X25045状态寄存器WD1＝0，WD0=0，预置时间为1.4s。WD1＝0，WD0=1，预置时间为0.6s。WD1＝1，WD0=0，预置时间为0.2s。WD1＝1，WD0=1，禁止看门狗工作。看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。3、EEPROM的扩展在测控系统中，通常需要存储大量的数据，这就需要你较大的存储空间，而单片机自带的存储空间有限，所以就需要我们对外部存储空间进行扩展。EEPROM主要有以下特点：1）、对硬件电路没有特殊要求，无需主用电路，编程简单，早期的EEPROM芯片是靠外加电压电源进行擦写，现在把升压电路集成在芯片内部，使得擦写操作在+5V电源下即可完成。2）、采用+5V电源供电，一般不需要设置单独的擦除操作，在写入的过程中自动擦除。EEPROM擦写时间较长，约10ms,需要保证有足够的写入时间。现在许多EEPROM芯片都设有写入结束标志，可供查询或中断使用，为编程提供了方便。3）、EEPROM有并行总线传输的芯片和串行总线传输的芯片两种。串行的EEPROM芯片具有体积小、成本低、电路连接简单，占用系统地址线和数据线少的特点。但在数据传送时相对的来说速度较慢。本设计中介绍了EEPROM芯片ATC24C02的扩展，该芯片与单片机的连接示意图如图4示。A0A2A3VSSSDASCLWPVDDAT24C02GND+5VP15P36图4ATC24C02的扩展4、通信接口电路MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。其引脚结构图如图5所示。从图中可以看出，MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。图5PC机与单片机串行通信连接图5、单片机并行口的扩展Tntel8255A是一个通用的可编程的并行口芯片，它有3个并行Ｉ／Ｏ口，又可通过编程设置多种工作方式，价格低廉，使用方便，可以直接与Tntel系列的芯片连接使用，在中小系统中有着广泛的应用。CS'A1A2RD'WR'D0D1D2D3D4D5D6D7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC78255AP22P23P24RD'WR'P00P01P02P03P04P05P06P07PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7单片机I/O口扩展模块123456781615141312111091KVCCLOADLDACPWM输出图6单片机I/O口扩展二、测量部分1、状态量检测设计要求：4路（0，+5V）状态量检测；4路（0，+12V）状态量检测.本设计中使用TLP521-4光耦进行光电隔离。12348765SWDIP-412348765SWDIP-4TLP521-413572468911131510121416TLP521-413572468911131510121416GNDGNDGNDGNDPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA78路开关量检测模块GNDGND1KR211KR221KR231KR244.7KR254.7KR264.7KR274.7KR28+5V+12V图78路开关量检测2、模拟量检测设计要求：1）使用A/D转换器，12位分辨率，8通道，串行通信方式；2)4路直流量转换，4路交流量转换。常见的A/D转换器输出多为并行方式输出，占用单片机得Ｉ／Ｏ资源较多。而对于这样的通用测控系统的设计，单片机的Ｉ／Ｏ资源非常有限，因此节省Ｉ／Ｏ资源就非常必要了。因此，本设计中选用了串行方式输出的ＭＡＸ１２０２模数转换器。ＭＡＸ１２０２是内含8通道的多路转换器、宽带的跟踪/保持电路和串行接口。其4线的串行口可以直接与51单片机直接连接。串行口速率达2MHz。VDDSCLKCS'DINSSTRB'DOUTCHOCH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7VSSSHCN'VLGNDREFADJREFMAX12020.01uFC104.7uFC11GNDGNDP1.0P1.1P1.2P1.3+3V0.1uFC13+5V0.1uFC14GND4.7uFC15GND+5V5KR115KR125KR135KR14GNDGNDGNDGND+12V7KR10Res15KR155KR165KR175KR18GNDGNDGNDGND图8串口与单片机连接图MAX1202具有精度高、速度快、使用灵活和体积小的优点，为设计人员提供了一种高性价比的选择。它可广泛应用于数据采集、高精度过程控制、电池电源装置、医疗仪器等。3脉冲量的测量在计算机测控系统中，常常要求有计数器能对外部事件计数，如测速电机的转速、频率、工件个数等。脉冲量的测量就可以通过计数器来实现。可将脉冲输入接单片机引脚T0（P3.4）或T1(P3.5)。在这种情况下，当检测到输入引脚上的电平由高跳变到低时，计数器加1，这个过程需要两个机器周期来识别一个从1到0的跳变，故最高计数频率为晶振频率的1/24。三、输出部分1开关量输出设计要求：1）要求光电隔离；2）4路接220V交流负载，4路接+12V直流负载。1234TLP521220R1+12V10KR2+12VGND2N39068.2R3D11N4001231A-++12VDC-DC继电器开关量输1图9+12V直流负载接线图1246MOC3041M+12200R4开关量输入5360R5330R639R70.1uFCQ4025RC220VMMotor图10220V交流负载接线图2模拟量输出GNDREFAREFBREFCREFDDATACLKLOADDACDDACCDACBDACALDACVDDTLC5620C+5V0.01uFC20P20P21GNDLOADLDAC模拟量输出1模拟量输出2模拟量输出3模拟量输出44路数模（D/A）转换模块图11数模转换电路3、PWM信号输出图3所示的主电路(部分)，由开关频率较高的IRFP450开关管及相应的续流、稳压元件组成。根据控制信号将直流电以PWM波的形式输出，通过控制占空比调节输出电压。而且主电路部分属于高压部分，元件的选取要适合高压的要求。80C51P2.7P0WRCSXFERWR1WR2ILEVCC+5V-+RfbVODAC0832IOUT1IOUT21kΩ1MΩDI0DI7DGNDVSS主电路开关S1用来切换直流220V和25V，进行同步发电，机励磁控制和模拟汽门(直流电动机转速)控制的切换。快速二极管D01(