【摘要】：隨著感測器技術、微電子技術、微控制器技術的不斷發展,為智慧型控制儀表測控功能的完善、測控精度的提高和抗干擾能力的增強等提供了條件。本設計介紹了一種用變送器現場採集的溫、濕度等訊號再經a/d轉換送微控制器進行處理,最後通過數碼顯示器,鍵盤等硬體設計實現了工作過程的自動化。
一般的微控制器系統在工業現場等惡劣的環境下容易宕機,所以在本文中外加監視電路對系統起保護作用。
第1章引言
儀器儀表是人類認識世界的工具,人們借助於各種儀器儀表對各種物理量進行度量,反映其大小與變化規律. 隨著人類認識能力的提高與科學技術不斷進步,儀器儀表技術得到了飛速發展.50 年代以前,儀器儀表多為指標式,其理論基礎是機電學.
從50 年代起,電子技術特別是數字技術的發展,給儀表行業帶來了生機,各種數字式儀表相繼問世,許多傳統的指標式儀表相繼被淘汰,數字儀表使儀表外觀耳目一新,資料表達能力與總體效能都大幅提高. 70 年代中期,隨著微處理器的出現以及微控制器的興起與應用,設計者將計算機特有的許多優點引入儀表設計,隨之產生了一代嶄新的智慧型儀表,使儀表逐漸由數字型向智慧型化發展,其功能也由單一顯示功能轉變為具有資訊處理、傳輸、存貯、顯示、控制等功能,使儀表效能產生了質的飛躍.,品種繁多.
目前,我國儀器儀表有13 大類,1 300 多個產品. 其中自動化儀表及控制系統是和國民經濟各產業部門關係最為密切的一類產品,其感測變送單元與主控裝置及i/o介面均正朝智慧型化方向發展.在本設計中採用以微控制器作為儀表核心控制器件，可以利用a/d轉換晶元對標準訊號進行採集、轉換，將輸入的模擬量轉換成微控制器能夠檢測的數字量進行分析和監測控制，同時可以利用鍵盤顯示電路將相關資料進行顯示。
與此同時通過所查閱的資料我還了解到隨著測量技術的發展和微處理器的廣泛應用，微控制器系統的電路越來越複雜，而系統的可靠性問題也越來越突出，一般的微控制器系統在工業現場等惡劣的環境下容易宕機，因此系統在這些場合要保證能夠穩定的工作就必須外加監視電路，在設計中採用了美國集把關定時器、電壓監控和序列eeprom三項功能於一體的專用整合晶元x5045。該晶元的應用將有利於簡化微控制器系統的結構，增強功能、降低系統的成本，尤其是大大的增加了系統的可靠性。x5045中的看門狗對系統提供了保護功能。
當系統發生故障而超過設定時間時，電路中的看門狗將通過reset訊號向cpu作出反應。x5045提供了三個時間值供使用者選擇使用。它所具有的電壓臨控功能還可以保護系統免受低電壓的影響，當電源電壓降到允許範圍以下時，系統將復位，直到電源電壓返回到穩定值為止。
本次畢業設計旨在掌握智慧型控制儀表的設計方法，同時掌握在開發系統下實現部分軟體的**方法。
第2章控制系統的硬體設計
硬體組成智慧型儀表的硬體方框圖如圖2.1
圖2.1 智慧型控制儀表的原理框圖
2．1 cpu的選擇[6]
at89c52 晶元有40 個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出（i/o）埠。同時內含2 個外中斷口，3 個16 位可程式設計定時計數器，2 個全雙工序列通訊口，2 個讀寫口線。at89c52 可以按照常規方法進行程式設計，也可以**程式設計。
其將通用的微處理器和flash 儲存器結合在一起，特別是可反覆擦寫的flash儲存器可有效地降低開發成本。基於上述特點，可使電路極大地簡化，而且程式的編寫及固化也相當方便、靈活。
at89c52的引腳如圖2.2所示。
2．2 標準訊號轉換電路[5]
設計要求實現0～5v,1～5v,0～10ma,4～20ma標準訊號變換電路的設計,輸入訊號範圍確定,輸出電壓範圍則取決於所選取的a/d轉換晶元的輸入電壓範圍，a/d轉換器選用的序列a/d轉換器tlc2543，它的最大輸入電壓範圍為，因此需完成四種不同訊號與電壓訊號的轉換。
1. /轉換及/轉換
（1）/轉換：此轉換電路只需在輸入與輸出電壓之間加一電壓跟隨器即可。電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器作為同相放大器的特例，在低頻情況下其放大倍數接近1，故稱為電壓跟隨器，電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。
輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。因此常在訊號處理中作用阻抗變換器。在電路中，電壓跟隨器一般做緩衝級及隔離級。
因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那麼訊號就會有相當的部分損耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩衝。起到承上啟下的作用。
應用電壓跟隨器的另外乙個好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應用高品質的電容提供了前提保證。電壓跟隨器的另外乙個作用就是隔離。具體電路如圖2.
3所示。
（2）/轉換：採用同相放大器電路，如圖2.4所示。
2. 的轉換及的轉換
（1）的轉換電路
下圖2.5為所設計的i/v轉換電路。其實質是一同相放大器電路，利用電流在電阻r上產生輸入電壓。
在輸出端接負載時，需考慮轉換器的輸出驅動能力，一般在輸出端可再接乙個電壓跟隨器作為緩衝器，的轉換也同此，由於採用同相端輸入，因此放大器a應選用共模抑制比較高的運算放大器，從電路結構可知，其輸入阻抗較低。
（2）的轉換電路如圖2.6。
2．3 a/d轉換器的選型設計[3] [8]
在微控制器開發中,很多都要涉及到將模擬量轉換為數字量,因此使用adc的場合很多. 選擇一款合適的adc晶元就顯得尤為重要. 由於微控制器往往要控制比較多的i/o口,因此使用並行adc會限制系統i/o口功能的擴充套件,採用序列adc比較適合那些低速取樣而控制管腳又比較多的系統.
tlc2543是有11個輸入端的12 bit模數轉換器,具有轉換快、穩定性好、與微處理器介面簡單、**低等優點. 由於它帶有序列外設介面(spi) ,而51系列微控制器沒有spi, 為了與tlc2543介面，可利用軟體合成spi操作，完成a/d資料的採集。
2.3.1 tlc2543的特點及引腳
tlc2543是12 bit序列a/d轉換器,使用開關電容逐次逼近技術完成a /d轉換過程. 由於是序列輸入結構,能夠節省微控制器的i/o資源.
tlc2543的引腳排列如圖2.7所示
圖1中a in0～a in10為模擬輸入端; /cs為片選端; din為序列資料輸入端;dout為a/d轉換結果的三態序列輸出端; eoc為轉換結束端; clk為i/o時鐘; ref +為正基準電壓端; ref - 為負基準電壓端;vcc為電源; gnd為地.
2.3.2 tlc2543使用方法
控制字的格式：
控制字為從date input端序列輸入的8 bit資料, 它規定了tlc2543要轉換的模擬量通道、轉換後的輸出資料長度以及輸出資料的格式. 其功能為：資料暫存器的前4位(d7-d4 )資料，用來選擇要求轉換的通道，d7d6d5d4=0000時選擇0通道，d7d6d5d4=0001時選擇1通道，依此類推。
1011到1110代表分別選中測試電壓。d3d2d1用來選擇輸出資料長度，共有三種位數可供選擇：8位（精度較低，方便單位元組序列資料傳輸），12位（標準位數），16位（低四位為零，便於16位序列資料傳輸）。
選擇輸出資料長度為12位時，即d3d2=00或d3d2=10；d1，d0選擇輸入資料的導前位，d1：為「0」表示輸出資料的最大位導前（msb），為「1」時表示最小位導前，d0為「0」時表示輸出資料是單極性（無符號二進位制），為「1」時表示雙極性（有符號二進位制）。本設計採用的是輸出資料長度為8位。
tlc2543在每次i/o 週期讀取的資料都是上次轉換的結果，當前的轉換結果在下乙個i/o週期中被序列讀出，第一次讀數由於內部調整，讀取的轉換結果可能不準確。應丟失。
轉換過程：
tlc2543每次轉換和資料傳送使用16個時鐘週期，並且在每次傳送週期之間插入 /cs時序。片選/cs為高, i/o clock、data input被禁止,data out呈高阻狀態, eoc為高. 使/cs變低, i/o clock、data input使能, data out脫離高阻狀態.
12個時鐘訊號從i/o clock端依次加入,隨著時鐘訊號的加入,控制字從data input一位一位地在時鐘訊號的上公升沿時被送入tlc2543 (高位先送入) ,同時上一週期轉換的a /d資料,即輸出資料暫存器中的資料從data out一位一位地移出. tlc2543收到第4個時鐘訊號後,通道號也已收到,此時tlc2543開始對選定通道的模擬量進行取樣,並保持到第12個時鐘的下降沿. 在第12個時鐘下降沿, eoc變低,開始對本次取樣的模擬量進行a /d轉換,轉換時間約需10μs,轉換完成後eoc變高,轉換的資料在輸出資料暫存器中,待下乙個工作週期輸出.
此後,可以進行新的工作週期.
2.3.3 tlc2543與at89c52微控制器的介面：
89c52微控制器沒有sp i介面,為了與tlc2543介面可以用軟體功能來實現sp i介面,其硬體介面如圖2.8所示.
圖2.8
2．4 鍵盤、顯示電路的設計[7]
在設計中我採用了hd7279a鍵盤顯示晶元做為鍵盤顯示驅動電路晶元。hd7279a 是標準28 引腳雙列直插式晶元。其介面電路和外圍電路簡單，且占用口線少，加之它具有較高的效能**比。
hd7279a可同時驅動8位共陰式數碼管（或64只獨立led）的顯示驅動晶元，該晶元同時可連線多達64鍵的鍵盤矩陣，一片即可完成led顯示及鍵盤介面的全部功能。hd7279a內部含有解碼器，可以直接接收bcd 碼或16進製製碼，並同時具有2種解碼方式。此外，還具有多種控制指令，例如：
消隱、閃爍、左移、右移、段定址等。hd7279a是一種管理鍵盤和 led顯示器的專用智慧型控制晶元。它能對多達的鍵盤矩陣情況進行監視，具有自動消除鍵抖動並識別按鍵**的功能。
下面表2-1是hd7279引腳說明。
2.4.1 hd7279a的特點
1．各位可獨立控制解碼／不解碼、消隱和閃爍等屬性；
2．具有（迴圈）左移／（迴圈）右移指令；
3．具有段定址指令，可方便地用來控制獨立的led顯示管；
4．64鍵鍵盤控制器內含消抖電路。
表2-1 hd7279引腳說明
解釋：reset 為復位端。該端由低電平變成高電平並保持25ms 即復位結束。
通常, 該端接+5v 電源。在需要較高可靠性的情況下, 可以連線一外部的復位電路,或直接由微控制器控制。dig0~dig7 分別為8 個led 管的位驅動輸出端。
sa~sg 分別是led 數碼管的a 段~g 段的輸出端dp為小數點的驅動輸出端。dig0~dig7 和sa~sg 同時還分別是64 鍵盤的列線和行線埠, 完成對鍵盤的監視、解碼和鍵碼的識別。hd7279a 片內具有驅動電路, 可以直接驅動1 英吋及其以下的led 數碼管, 使外圍電路變的簡單可靠。
hd7279a 與微處理器間僅需4 條介面線, 其中cs 為片選訊號( 低電平有效) 。當微處理器訪問hd7279a 時, 應將片選端置為低電平。data 為序列資料端, 當向hd7279a 傳送資料時, data 為輸入端;當通過hd7279a 輸出鍵盤**時, data 為輸出端。
clk 為資料序列傳送的同步時鐘輸入端, 時鐘的上公升沿表示資料有效。key 為按鍵訊號輸出端, 在無鍵按下時為高電平; 而在有鍵按下時變為低電平, 並一直保持到按鍵釋放為止。
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