毕业设计（论文）-PIC单片机的煤炭监控系统.doc

j i a n g s u u n i v e r s i t y成 教 本 科 毕 业 设 计（论 文） pic单片机的煤炭监控系统pic mcu coal monitoring system学 院 名 称： 江 苏 大 学 专 业 班 级： 2010级机械电子工程专业 学 生 姓 名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 教 授 函 授 站： 徐州中大学院 2012年 5月江苏大学本科毕业设计pic单片机的煤炭监控系统专业班级： 机械电子工程2010级 学生姓名： 指导教师： 职 称： 教授摘要 现阶段煤矿安全问题已经成为全社会关注的焦点，成为关系到人民生命财产，甚至影响建立和谐社会的重大问题。研发出高质量、高性能、高可靠性、低成本的煤矿瓦斯监控系统无疑对解决这一重大问题有很大帮助。本文提出了一种瓦斯监控系统的整体解决方案，该系统集数据采集，分析处理状态下工作。瓦斯监控系统主要有两部分构成，瓦斯检测系统和监控分站，且都以pic单片机为核心构成。瓦斯检测系统采用新型载体催化元件作为检测传感器，具有高精，控制及数据通讯等功能于一体，能有效地对瓦斯抽放状态进行连续跟踪监测和实时调控，使之在最佳度，高可靠性，功能强大，功耗低的特点。监控分站既可以采集各种现场信号，进行判断处理，又可将数据传送至地面的监控主机，由地面的监控主机也进行控制，实现对对象的“双重控制”，增加了整个系统的可靠性。关键词：瓦斯监控；新型载体催化元件；监控分站；pic单片机 abstractthe security problem of coal mines has been a focus that all the society is looking for it now. it has been an important problem relating to the property and life of people even influencing building harmonious society. so the research on the monitor and control system of gas with high quality ,high capability, high reliability and low cost will help to resolve this important problem deeply.in this paper, a gas monitoring system of the overall solution is raised. this design scheme includes collection,analysis and treatment of data function, control function and data communication function. it can continuously monitor gas concentration and control gas deflation to make it work in the best condition.the monitor and control system of gas can be divided into two main part, the gas detection system and control unit ,and they are all based on mcu of pic. in the gas detection system, a new carrier catalytic components is used for the detection sensors,and it can satisfy the user demand of high precision, high reliability,multi function and low power demand.the monitor and control unit can gather ,process, and transmit the data of gas to the main computer. the main computer on the ground also control the system to achieve the object of dual control,and it can increase the reliability of the entire system.key words: gas monitor and control; new carrier catalytic components; the monitor and control unit;mcu of pic.目 录第一章 绪论iii1.1 问题的提出及研究意义iii1.2 论文主要内容iii1.2.1 基于pic单片机的瓦斯检测系统iii1.2.2 监控分站iii第二章 方案设计和基本工作原理v2.1 方案设计v2.1.1 主要功能v2.1.2 技术指标v2.1.3 系统组成v2.2 基本原理v第三章 基于pic单片机的瓦斯检测系统的设计vi3.1 硬件电路的设计vi3.1.1 单片机的选型vi3.1.2 硬件总体结构ix3.1.3 检测系统输出信号类型的选择ix3.1.4 传感元件x3.1.5 输入量采集处理xii3.1.6 led显示及接口xiii3.2 程序模块xv3.2.1 a/d转换子程序xv3.2.2 led显示子程序xvii3.2.3 频率信号输出子程序xviii第四章 监控分站的设计xix4.1 分站硬件设计xix4.1.1 总体结构xix4.1.2 频率及开关信号接口单元xx4.1.3 串行通讯单元xx4.2 程序模块xxv4.2.1 分站主程序流程图xxv4.2.2 数据采集与处理子程序xxvii4.2.3 监控分站与主机通讯子程序xxviii结束语xxviii致谢xxx参考文献xxxi 第一章 绪 论1.1 问题的提出及研究意义煤炭是我国的基础能源，在能源生产消费中占主导地位，目前我国煤炭可供利用的储量约占世界煤炭储量的11.67%，位居世界第三。但煤炭安全问题一直困扰着我国煤炭行业， 频发的煤炭事故对从业人员的安全一直存在着很大的威胁。国家一直很重视煤炭安全问题，投入了大量的人力、物力、财力来解决这个问题，但安全风险仍未得到有效控制。全国煤炭事故死亡人数2007年、2006年分别为4746和3786人。煤炭事故有各种各样的原因，瓦斯爆炸、坑顶坍塌是煤炭死亡事故最主要的原因，占所有事故的75%，因此对瓦斯参数进行监控并对其抽放进行智能控制已势在必行。采用瓦斯监控系统，能有效地对瓦斯抽放状态进行连续跟踪监测和实时调控，使之在最佳状态下工作，改变了过去瓦斯抽放只靠人工单一控制的局面，保证了安全抽放。高精度和高灵敏度瓦斯检测系统保证了瓦斯监控的效果，能确保瓦斯浓度的有效控制，提高煤炭生产的安全系数。监控分站能实时显示瓦斯浓度并能将数据传送至监控主机，确保了瓦斯浓度的实时控制。1.2 论文主要内容1.2.1 基于pic单片机的瓦斯检测系统矿井瓦斯是多种易燃易爆气体的总称，其主要成分是甲烷ch4，它与空气混合，当其体积百分比为3.5%-16%时，遇明火就会发生爆炸。因此，对瓦斯进行实时监控显得非常重要，要实现瓦斯监控的自动化、智能化，高性能的检测系统是必不可少的。瓦斯检测系统由传感头，传感头供电电源，仪表供电电源，检测电桥，直流放大器，单片机以及显示电路和输出电路等部分组成。检测头mculed显示检测电桥前置放大信号输出图1.1 瓦斯检测系统框图1.2.2 监控分站接受来自检测系统的信号，分析处理并将数据传送至监控主机。各分站通过rs485与监控主机通讯。监控主机分站mcu瓦斯检测系统液晶显示图1.2监控分站系统结构框图第二章 方案设计和基本工作原理2.1 方案设计2.1.1 主要功能检测瓦斯浓度，风速，负压、一氧化碳，烟雾，风门开关等环境参数，各种机电设备开停等生产参数和电压，电流，功率，电度等电量参数。瓦斯检测系统可以测量瓦斯浓度并将其转换为200-1000hz的频率信号，数字显示瓦斯浓度。监控分站接受来自检测系统的信号，分析处理并将数据传送至监控主机，并能液晶显示所配接的各类模拟量和开关状态。2.1.2 技术指标 系统容量:128台分站级设备数据传输速率:1200/2400bps通讯方式:rs485电缆芯线:2芯中心站到分站之间无中继最大传输距离:20km分站到检测系统之间的最大传输距离:2km模拟量检测系统信号:200-1000hz及其它标准制式信号开关量检测系统信号:0，5ma，无电位节点供电:地面中心站为ac220v，井下设备为ac127v，380v或660v2.1.3 系统组成系统主要有监控主机及其外设，数据传输接口，传输电缆，分站和各种传感器组成。主要设备配置如图2.1所示。2.2 基本原理如图2.1所示，监控主机连续不断地轮流与各个分站进行通讯，各个分站接收到主机的讯问后，立即将该分站接受的各测点的信号传给主机，各分站又不停的对接受到的各传感器信号(开关量，模拟量)进行检测变换和处理，时刻等待主机的询问，以便把检测的参数送到地面。对井下设备进行控制是由监控主机和分站共同进行，也就是说其中有一个要求井下设备断电就必须断电，这是为了更好的保证安全生产，也是国家最新规范所要求的。监控主机将接收到的实时信号进行处理和存盘，并通过本机显示器，大屏幕，模拟盘等外设显示出来。可显示各种工艺过程模拟盘，测量参数表，各种参数的实时或历史曲线，柱状图，圆饼图等，也可以通过打印机打印各种报表，或通过绘图仪绘制各种图表和曲线。在通讯接口方面，我们采用rs485通讯。该系统要求的通讯距离较长，又基于成本考虑，采用较低的通讯速率，专用的通讯电缆。采用rs485通讯能够满足系统对通讯的要求。液晶显示监控主机模拟盘通讯接口打印机备用机电力参数变送器监控分站本安电源监控分站执行机构执行机构本安电源传感器传感器图2.1 煤矿综合监控系统主要设备配置图第三章 基于pic单片机的瓦斯检测系统的设计3.1 硬件电路的设计 3.1.1 单片机的选型当今世界上涌现出各种各样的单片机，目前应用较广的主要有美国intel公司开发和生产的mcs-51，mcs-96系列、台湾icsi公司的8051系列、美国motorola公司的mc68系列和美国microchip公司的pic系列等，其中各个系列的单片机都有其各自的优点，与其它系列相比，美国microchip公司近几年推出的系列pic单片机，它的最大优点表现在引脚少、功能强、可直接带led负载；具有低耗能工作方式，较简便地实现掉电保护；外围配置简单、明晰、提高了整机的可靠性；并且具有较强的抗干扰性，大大提高了抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力，从而提高了工业电脑自动控制器的适应能力。以下分几个方面通过与其它类单片机的比较来说明它的优越之处。(1) 哈佛总线结构pic系列单片机在架构上采用了与众不同的设计手法，pic系列单片机不仅采用了哈佛体系结构(也就是两种存储器位于不同的逻辑空间里，这种架构的微控制器、微处理器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称为哈佛体系结构)，而且还采用了哈佛总线结构。在pic系列单片机中采用的这种哈佛总线结构，就是在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度，这样做的好处是，便于实现指令提取的“流水作业”，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作；便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高cpu执行指令的速度。在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的(即时分复用)。motorola公司开发的mc68hc05/08系列单片机，其程序存储器和数据存储器统一编址(也就是两种存储器位于同一个逻辑空间里，这种架构的微控制器、微处理器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称为普林斯顿体系结构)，早期在国内市场上最流行的单片机产品intel开发生产的mcs-51系列单片机，其程序存储器和数据存储器虽然独立编址；但是它们与cpu之间传递信息必须共用同一条总线，而仍然摆脱不了瓶颈效应的制约，于是影响到cpu运行速度的进一步提高。cpu程序数据存储器数据存储器cpu程序存储器普林斯顿结构哈佛结构图2.2 普林斯顿结构与哈佛结构比较(2) 指令单字节化因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序存储器rom和数据存储器ram的寻址空间(即地址编码空间)是互相独立的，而且两种存储器宽度也不同。这样设计不仅可以确保数据的安全性。还能提高运行速度和实现全部指令的单字节化。在此所说的字节，特指pic单片机的指令字节，而不是常说的8位字节。(3) 精简指令集(risc)技术pic系列单片机的指令系统(就是该单片机所能识别的全部指令的集合，叫做指令系统或者指令集)只有35条指令。pic系列单片机不仅全部指令均为单字节指令，而且绝大多数指令为单周期指令，以利于提高执行速度。这给指令的学习、记忆、理解带来很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流都带来极大的便利。(4) 寻址方式简单寻址方式就是寻找操作数的方法。pic系列单片机只有4种寻址方式(即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址)，容易掌握，而mcs-51单片机则有7种寻址方式，68hc05单片机有6种寻址方式。(5) 代码压缩率高1kb的存储器空间，对于pic系列单片机则能够存放的指令条数可达1024条。对于像mcs-51这样的单片机，大约只能存放600条指令，而与几种典型的单片机相比，pic系列单片机是一种最节省程序存储器空间的单片机。(6) 寻址空间设计简洁pic系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址(或地址编码)空间，而且前两者的地址安排不需要用户操心，这会受到大家的欢迎。而mc68hco5和mc68hcii单片机的寻址空间只有一个，编程时需要用户对程序区、堆栈区、数据区和i/0端口所占用的地址空间作精心安排，这样会给开发人员在设计上带来很大的麻烦。(7) 外接电路简洁与mcs-51系列及其它单片机相比，pic单片机内集成了上电复位电路、1/0引脚上拉电路、看门狗定时器尤其是集成了adc模块和ccp模块(输入捕捉/输出比较/脉宽调制)，可以最大程度的减少和免用外接器件，以便实现“纯单片”化，这样，不仅便于开发，而且还可以节省电路板空间和制造成本。(8) 存储器容量大pic16f877系列单片机具有多达368x8字节的数据存储器(ram)，多达256x8字节的eeprom数据存储器，另外还有多达8k x 14字节的可多次重复写入的闪速flash程序存储器。而mcs-51单片机只有4k字节的eeprom。 128字节ram以及64k的外部数据、程序存储器空间，无flash程序存储器。(9) 定时器数目多、功能全pic系列单片机具有3个定时器:带有8位预分频器的8位定时器/计数器timer0；带有预分频器的16位定时器/计数器timerl，并且在休眠期间经外部晶振/时钟可以工作；以及带有8位周期寄存器、预分频器和后分频器的8位定时器/计数器timer2。而mcs-51只有两个16位的定时器/计数器。(10) 独特具有的功能pic系列单片机具有两个捕获(capture)、比较(compare)、脉宽调制(pwm)模式、多通道10位a/d转换器、带有spi和tic的同步串行端口ssp、带有9位地址检测的同步异步接收发送器usart (usart/sci)。 8位宽并行从属端口(psp)、有节电锁定复位的节电检测电路等；而mcs-51系列单片机没有。3.1.2 硬件总体结构本系统在硬件电路设计时主要从以下原则出发:1. 硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用cpu时间。但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本。因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。2. 可靠性及抗干扰设计根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少，因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的片。3. 灵活的功能扩展一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级。功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改变的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。根据系统要求及上面几个硬件设计原则，系统以单片机pic16f877为中央处理单元，由传感元件，测量电桥，放大电路，数字显示，信号输出等单元电路组成。下面对主要的电路设计做详细介绍。3.1.3 检测系统输出信号类型的选择根据煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器技术条件，矿用传感器输出信号必须满足以下要求：直流模拟量信号:1-5ma (优先使用)直流模拟量信号:4-20ma (现用于地面)频率模拟量信号:200-1000hz(优先使用)频率模拟量信号:5-15hz开关量信号:1-5ma对于模拟量使用频率信号有许多优势:1. 提高了模拟量信号的传输精度对一般的电压或电流的模拟量来说在井下用电缆进行远距离传输时(lkm)，都会产生较大的畸变。频率脉冲信号尽管在长线传输时也会发生较大的畸变，但在一定的长线条件下，每个脉冲的畸变都是一样的，在接受端不管采用哪种方式接受还原时，是不会产生精度损失的。2. 提高了模拟量信号传输的抗干扰能力频率模拟量传输的是脉冲的有无，而电压或电流模拟量传输的是连续变化的电量值，很显然前者的抗干扰能力要强得多。3. 隔离性好频率信号传输的是脉冲的有无，那么作为信号接受端的分站就可以采用光耦器件的开关电路进行接收，可方便地实现信号隔离。对于井下低频电子设备，干扰主要来自地线，这样就可以彻底消除了因地线而引起的干扰。不仅如此，传感器与分站之间没有电和磁的联系，从而使传感器与分站各自的本安系统完全隔离，特别适合于煤矿使用，而电压或电流模拟量实现这一隔离就困难多了。4. 模拟量的采集成本低对电压或电流模拟量的采集一般都要采用a/d转换器之类的较昂贵的芯片，超过8位的a/d转换器芯片的价格与一般单片机的价格相当，且印刷电路板的制作工艺也较高。而对于频率模拟量的采集，用定时器，计数器，和少量的开关电路即可，可其成本低的多。基于以上考虑，本系统的模拟量信号选用频率信号，选用的检测系统输出频率范围为200-1000hz。3.1.4 传感元件传感元件的性能对检测系统有着很大的影响，在选用传感元件时一是测量精度要高，二是工作可靠，三是工作条件能适应恶劣环境的要求。矿用传感元件最重要的是应具有防爆功能。通过慎重调查对比最后选用了郑州炜盛电子科技有限公司生产的新型载体催化元件，其优于传统的催化元件，在响应特性，长期储存特性，温度特性和长期稳定性方面都有了明显的改进。载体催化元件由一个带催化剂传感元件(俗称黑元件)和一个不带催化剂的补偿元件(俗称白元件)组成，白元件与黑元件的结构和尺寸完全相同。但白元件表面没有催化剂，仅起环境温度补偿作用。黑元件由铂丝线圈，al2o3，载体和表面的催化剂组成。其中铂丝线圈用来给元件加温，提供甲烷催化燃烧所需要的温度，同时，甲烷燃烧放出的热量使其升温，通过测量其电阻变化，就可以测得空气中的甲烷浓度。al2o3载体用来固定铂丝线圈，增强元件的机械强度。涂在元件表面的铂(pt)和把(pb)等重金属催化剂，使吸附在元件表面的甲烷无焰燃烧。其反应方程式为:甲烷无焰燃烧放出的热量，使黑元件升温，从而使铂丝线圈的电阻增大，通过电桥，就可测得由于甲烷无焰燃烧使铂丝线圈电阻增大的值。当然，由于环境温度的变化也会使铂丝线圈的电阻发生变化。为克服环境温度变化对甲烷温度测量的影响，在电桥中引入了与黑元件结构尺寸完全相同的白元件，如图3.1所示。由于白元件表面没有催化剂，因此甲烷不会在白元件表面燃烧，白元件铂丝线圈的电阻变化仅与环境温度有关，由于黑元件r1与白元件r2处于电桥的同一侧，通过的电流相等(不考虑电压测量电路的漏电流)。因此，在甲烷(可燃性气体)浓度为零的新鲜空气中，其电阻相等(不考虑由于制造过程中的结构差异)。即r1=r2，这时，电桥处于平衡状态，输出电压uab为零。若环境温度发生变化或通过黑白原件的电流发生变化，使黑白元件电阻发生变化，但由于变化后的黑白元件电阻仍相等，不会使电桥失衡。因此，白元件具有环境温度补偿作用。图3.1 传感器检测电桥当空气中甲烷浓度不为零，吸附在黑元件表面的甲烷在黑元件表面催化燃烧，燃烧放出的热量与甲烷浓度成正比(在浓度9.5% 的低浓度情况下)，在燃烧热量的作用下，黑元件温度升高，黑元件铂丝电阻也随之增大，因此，通过测量的变化，就可测得空气中的甲烷浓度(低浓度情况下)。在图3.1所示电桥中，若用e表示向电桥供电的恒电源，用uab表示电桥输出电压，则有：r1=r2 r3=r4 r1不难看出，由于e，r1设计为常数，可由常数k1表示。因此，电桥输出电压uab正比于黑元件电阻变化，即uab=k1*。若用表示铂丝电阻温度系数，表示甲烷燃烧热量，h表示黑元件热容量，d表示甲烷扩散系数，c表示被测环境中的甲烷浓度，q表示甲烷分子燃烧热，ro表示铂丝0时的阻值，则有:由于，h，ro 与黑元件材料，性质，结构尺寸有关，元件出厂后为一常数。因此，可用常数k2表示，即:=k2*c uab=k1*k2*c不难看出，在低浓度下，电桥输出电压与空气中的甲烷浓度成正比。3.1.5 输入量采集处理由于电桥输出的电压uab为毫伏级的，所以要首先进行放大处理，本系统采用了tlc279mj运算放大器作放大器件。由于在一定的电压范围内，可以通过压缩vref+和vref-之间的电压差值，来提高转换器的分辨率。所以将放大器的输出电压调整在0-3.5v 的范围内(对应0%-4%的瓦斯浓度)。其输出接至单片机的模拟量输入端口rao。单片机pic16f877的a/d转换器的参考电压采用外部输入，这就需要在单片机外部电路中增加一个精度高，温度漂移小的电压基准专用芯片。本系统选用了lm2671开关电源以及lm358an运算放大器构成参考电压电路。pic16f877芯片具有实时数据处理能力，当其输入量为模拟量时，可以通过内部自带的10位精度的a/d转换通道进行转换，无需另外扩展a/d转换器，这样可以简化电路设计，降低成本。adc模块的内部结构包含4个组成部分:8选1选择开关，双刀双掷切换开关，a/d转换电路，采样/保持电路。如图3.2所示：模/数转换adc（+采样/保持电路）内部数据总线图3.2 adc模块的内部结构图该图中的“模/数转换器adc”方框中，实际包含采样/保持电路和a/d转换电路两个部分，下面来分析一下各个部分的功能和组成关系：1) 8选1选择开关由控制寄存器adcono中的chs2chso位控制，用于在引脚anoan7中选定将要进行转换的输入模拟通道，选中者与内部采样/保持电路接通。2) 双刀双掷切换开关由控制寄存器adconi中的pcfg3pcfgo位控制，用于选择a/d转换器所需要的参考电压源的获取途径。该参考电压有正，负两个接入端vref+和vref-。正端既可选择片内的正电源vdd，也可以选择从引脚ra3/an3/vref+接入的外部基准电压；负端既可以选择片内的负电源vss，也可以选择从引脚ra2/an2/vref-接入的外部基准电压。当选择外接参考电压方式时，就需要在单片机外部电路中增加一个精度高，温度漂移小的电压基准专用芯片。本系统使用的芯片为lm2671。3) a /d转换电路其工作原理教材上有（不再论述），用来实现将模拟信号转换为数字信号。4)采样保持电路电路结构如图3.6所示，用于对输入模拟信号电平进行抽样，并且为后续a/d转换电路保持一个平稳的电压样值。电路中的核心元件是一只采样开关rss和一只120pf的电荷保持电容chold；两个反向偏置的二极管，起电压钳位保护作用，防止高压侵入芯片内部；如果开关rss闭合，va信号源的模拟电压就会通过其信号源自身的内阻rs，芯片内部连线等效电阻ric和采样开关ss向电荷保持电容chold充电。随看充电时间的增加，电容的端电压也随之上升，并最终趋近于信号源的开路电压。va图3.3 采样保持电路结构图3.1.6 led显示及接口1. led介绍led即发光二极管，它是一种由某些特殊的半导体材料制作成的pn结，由于掺杂浓度很高，当正向偏置时，会产生大量的电子空穴复合，把多余的能释放变为光能。led显示器具有工作电压低、体积小、寿命长(约十万小时)、响应速度快，颜色丰富等特点。led的正向电压降一般在1.22.6v ，发光工作电流在5ma-20ma。七段led显示器由数个led组成一个阵列，并封装于一个标准的外壳中。为适用于不同的驱动电路，有共阳极和共阴极两种结构。本文采用的是共阴极结构。为了显示某个数或字符，就要点亮对应的段，这就需要译码。译码有硬件译码和软件译码。硬件译码电路的优点是计算机时间开销比较小，但硬件开支大。软件译码与硬件电路相比，省去了硬件译码器。其bcd码转换为对应的段码由软件来完成。表3.1显示的是共阳极情况下段码与数字、字母的关系：字符共阳极段码字符共阳极段码字符共阳极段码0coh592ha88h1f9h682hb83h2a4h7f8hcc6h3boh880hda1h499h990h灭ffh表3.1 共阳极情况下段码与数字、字母的对应关系2. 七段led的显示接口1) 显示方式的选择按照显示的方式，七段led数码管显示有静态显示和动态显示之分。在静态显示系统中，每位显示器都应有各自的锁存器、译码器与驱动器。用以锁存各自待显示数字的bcd码或反码。因此静态显示系统在每一次显示输出后能够保持显示不变，仅在待显示数字需要改变时，才更新其数字显示器中锁存的内容。这种显示占用机时少，显示稳定可靠。缺点是，当显示的位数较多时，占用的器件也较多。在采用动态显示的系统中，微处理器或控制器应定时地对各个显示器进行扫描，显示器件分时轮流工作，每次只能使一个器件显示，但由于人的视觉暂留现象，仍感觉所有的器件都在同时显示。此种显示的优点是使用硬件少，占用i/o口少。缺点是占用机时长，只要不执行显示程序，就会立即停止显示。本文采用了动态显示模式。2）引脚功能设定本文要求显示接口电路完成四位十进制数字的显示。由于pic单片机可以直接驱动数码管，所以节省了外围电路。将pic16f877单片机的portd端口的rdord7作为显示器的数据bcd码传送端口，如图3.2所示。portb端口的rb5、rb3、rb2、rb1作为的地址线，分别选中不同的led数码管。数据显示的过程是首先由rb5，rb3，rb2与rb1确定当前该选中的数码管，然后portd将相应位要显示的数字送入对应的数码管显示。rb1 rb2 rb3 rb5 rd0/psp0 rd1/psp1 rd2/psp2 rd3/psp3 rd4/psp4 rd5/psp5 rd6/psp6 rd7/psp7pic16f877aa b c d e f g dp ba b c d e f g dpca b c d e f g dpda b c d e f g dp图3.2 单片机与led接口电路图3.2 程序模块3.2.1 a/d转换子程序a/d转换子程序依照以下步骤进行:(1)设置adc模块；(2)开放a/d中断功能，开放相应的中断使能位；(3)等待所需要的采样时间；(4)将控制位兼状态位置1，启动a/d转换过程；(5)等待a/d转换完成；(6)读取相应的a/d转换结果寄存器送入指定地址进行处理。详细见图3.1所示流程图及程序。开始设置输入端口a/d转换设置为：8分频，一路a/d通道设置定时器0：与分频器分配给定时期0，分频比1：256设置adc0n1开始a/d转换写a/d结果到指定寄存器定时器0溢出？ a/d转换结束？图3.1 a/d转换子程序流程图程序片断:bsf status， rpo ；选择ram数据存储体bcf status， rplclrf adconi ；选定全部引脚为模拟输出通道bsf piei， adie ；开放adc模块中断bcf staus， rpomovlw b01001001movwf adcono ；选择通道并确定钟时钟源为fosc/8，允许adc工作call delay20bsf adcono，go ；开始a/d转换btfss piri， adif ；等待转换完成goto $-1bcf piri，adif ；清除adc模块中断标志位movf adresh，w ；将转换结果送出3.2.2 led显示子程序对采集的数据进行滤波，零点补偿，非线性补偿后，经过数制转换转换为bcd码后，通过rb口的rb1，rb2，rb3，rb5端口打开相应的位，并将转换来的数据调用相应的段码送去显示。其流程图如图3.2 所示:初始化 将浓度值转换成bcd码 选中所要显示的位取bcd码的一位查表送查表结果到portd口其他程序是否四位显示完毕？图3.2 led显示流程图movlw oooh ；先熄灭数码管以免闪烁movwf portdmovlw 002h ；先显示低位，置rb1=1movwf portbmovf hbcd_l，w ；计数值存入w后调用转换表子程序 call h_convertmovwf portd ；送rd口显示call h_delay ；延迟4.7ms movlw 004h ；同样方法显示十位，rb2=1movwf portbmovf h_bcd_t，w call h_convert movwf portd ；送rd口显示call h_delay clrf portb movlw 010h ；同样方法显示百位，rb4=1movwf portbmovf h_bcd_m，waddlwooah call h_convertmovwf portdcall h_delayclrf portd3.2.3 频率信号输出子程序频率信号的输出可以采用对普通i/o端口实行电平翻转的办法实现，浓度0%-4%对应频率输出为200-1ooohz，根据浓度可计算出相应的频率值，随之计算出相应的周期值，周期值的一半即为定时器的定时值，每当定时器溢出时将输出口的电平进行翻转即可。banksel c_densitylmovf c_d ensityh，wmovwf wzy_tempmovf c_densityl，waddlw 100btfsc status，cincf wzy_tempmovwf subtrhend_lmovf wzy_temp，wmovwf subtrhend_hmovlw oxdomovwf sub_result_lmovww 0x12movwf sub_result_mmovlw 0x13movwf sub_result_hcall dividemovf div_r esult_l，wsublw oxffmovwf wcplmovf div_result_m ，wsublw oxffmovwf wcph第四章 监控分站的设计 4.1 分站硬件设计4.1.1 总体结构监控分站的主板由频率及开关信号接口单元，485通讯单元，同步串行通讯单元，开关量输出单元等组成。如图4.2所示，其工作过程是，由单片机的raora3给出被测变量的通道号，有两个八选一开关74hc151来译码将所选择的通道和单片机的rc1口接通。单片机根据监控主机给出的通道定义是频率量或是开关量，来决定对这个通道采用什么样的测量方法。测完所有的通道后，将测得的数值进行处理、转换、存贮，然后将数据传送给显示板和监控主机显示、记录、存储。cpupic16f877a液晶显示开关量输出地址设定rs485通讯选择开关-执行机构图4.1 监控分站结构框图4.1.2 频率及开关信号接口单元如图4.2所示，分站接收的检测系统信号为200-1000hz的频率信号或电平信号，由单片机的rao-ra3位给出选通通道的地址，两个八选一选通开关选择接通16路信号输入中的一路，送入单片机的rc1口，单片机根据上位机对这一通道的定义，来决定采用什么方法测量。本电路开关量与模拟量采用了统一电路，使电路简单，提高了设备的可靠性。d0 wd1d2d3 ad4 bd5 cd6d7 stbd0 wd1d2d3 ad4 bd5 cd6d7 stbra0ra1ra2rc1ra3pic16f877a图4.2 信号采集电路4.1.3 串行通讯单元一串行通信1. 串行通信协议介绍两个设备之间交换信息时，必须有条线路(或是多条线路)将两者连接，而通过线上电压的改变来达到交换数据的目的。串行通信指的是两个欲交换信息者的信息流动，而且其信息流动的方式是一个位接着一个位，有顺序地由一个方向向另一个方向流动。这种通信方式传送信息己经有一段久远的历史，而且是一种使用相当广泛的通信方式，其速度虽然没有并行通信那样快，可是由于配线数少，实现容易，所以长久以来大家一直乐于采用；另一方面，速度上的改进也是厂商一直的努力方向。常用的串行通信标准有rs232，rs422，rs485，usb，ieee-1394，它们的区别主要在传输距离和稳定性等方面。2. 串行通信的两种基本方式串行通讯又分为异步传送和同步传送两种基本方式。(1)异步传送方式在线路上，异步传送的数据是以“字符”为单位来传送的(即面向字符的)。各个字符之间可以是连续的，也可以是断续的。异步传送时，其同步作用的时钟脉冲并不传送到对方。从物理线路的连接来看，进行异步通信的双方之间的连线，只有信息传输线，而没有时钟传输线。串行异步通信方式下有位同步、帧同步、数据包同步三种同步机制，这样才能保证两个或多个计算机之间的正确通讯。在异步通信方式下，位的同步是依靠相同的波特率，帧的同步是依靠预定的起始位、数据有效位、奇偶校验位、可编程的第9位和停止位等组成，数据包的同步是依靠特定的标识和预定的数据内容来完成。(2) 同步传送方式在异步传送中，由于每一个字符都要用到起始位和停止位作为字符开始和结束的标志位，因而增加了额外开销，降低了传送效率。不仅如此，还需要通信双方必须预先约定通信的信息格式(即帧结构)、通信的速率等内容。这样既给通信双方的硬件增加了复杂程度和制造成本；也给通信双方的软件设计增加了负担；而且还降低了处理器对不同通信对象的广泛适应性和灵活性。因此，在单片机与外围芯片之间的近距离通信中，同步传送方式得到了广泛的应用。例如spi，microwire， i2c等，均属于同步传送方式。从物理线路的连接上看，进行同步通信双方之间的连线，不仅有信息传输线，而且也有时钟传输线。同步时钟由主控方负责提供。由此可见，同步传送方式比异步传送方式增加了双方之间的连接线路，但通信的传输效率提高了。二 pic单片机的串行接口1. 通用同步/异步收发器usartusart也叫串行通信接口即sci，可以设定以下几种工作方式:(1) 全双工异步方式；(2) 半双工同步主控方式；(3) 半双工同步从动方式。本文选择全双工异步方式。usart的异步工作方式：在异步工作方式下，串行通信接口usart将采用标准的不归零(nz)格式(即1位起始位、9位数据位和1位停止位)。片内提供的8位波特率发生器brg，用来自振荡器的时钟信号产生标准的波特率频率。usart发送和接收顺序都是从低位开始。usart的异步工作方式，由以下一些重要的部件组成:波特率发生器brg；采样电路；异步发送器；异步接收器。图4 .1是usart异步发送器的结构示意图，发送器核心是发送移位寄存器(tsr)，发送移位寄存器从发送缓冲器txreg获得要发送的数据。txreg是由用户用软件装入数据，前次装入的停止位p发送出去之后，寄存器txreg中的数据就被装入tsrd一旦把txreg中的数据送入tsr(在一个tcv周期里)，则txreg就空状态，同时，发送中断标志位txif被置1，这个中断是否被cpu响应，可通过设置发送中断使能位txte来决定。不管txie的状态如何，中断标志位txif都被置1，并且txif位不能用软件清零，只有当新发送的数据送入txreg寄存器后，txif位刁能被硬件复位。用txif表示txreg的状态，而用另1位trmt表示tsr的状态。trmt是一个只读位，当tsr寄存器为空时，trmt位被置1。将txen位置i就可以使能发送，但是只有在txreg寄存器装入数据和波特率发生器(brg)产生移位时钟之后，才发生实际的数据发送。在发送过程中将txen位清零会引起发送被终止或者对发送器复位，rc6引脚就会回到高阻状态。txifspbrgtxreg寄存器8 0tx9dtrmtspen引脚缓冲器和控制图4.1 usart异步发送器结构示意图为了选择9位发送方式，则应当将发送位tx9(txsta寄存器的第9位)数据写到tx9d位，且必须在将8位数据写入txreg寄存器之前，把第9位数据写入tx9d位。在设置异步发送时，按照以下步骤: 选择合适的波特率，对spbrg进行初始化； 置sync=o和spen=1，使其工作在异步串行口工作方式； 若需要中断，置txie=1； 若需要传送第9位数据，置tx9=1； 置txen=1，使usart工作在发送方式，这也会使txif被置1； 若选择发送9位数据，第9位数据应该写入tx9d； 把数据送入txreg缓冲器(启动发送)； 如果使用中断方式，务必确保gie和peie位被置1。图4.2为usart异步接收器的结构原理框图。从rc7引脚接收串行信号并送入数据接收器。这个数据接收器实际和是1个以16倍波特率工作的高速移位寄存器，而主接收器的串行移位操作是以时钟频率fosc的速率工作的。一旦选择异步方式之后，将cren位置1就使能异步接收。接收器的核心是一个接收(串行)移位寄存器(rsr)。在采样到stop位之后，rsr中的数据被送到rcreg寄存器(如果rcreg寄存器为空)，在数据传送完之后，标志位rcif (pir1寄存器的bit5位)被置1。可以通过将rcie位置1(或清零)来使能(或解蔽)接收中断标志位rcif是1个只读位，它是在rcreg寄存器被读之后，或者是rcreg寄存器为空时被硬件清零。由于rcreg寄存器是1个两级的缓冲寄存器，因此，可以在两个字节的数据接收到并传送给rcreg之后，第3个字节再移位到rsr寄存器。在检测到第3个字节的stop位之后，如果rcreg的fifo仍是满的，则数据传送越位(overrun)标志位oerr就会被置1， rsr寄存器中的数据就会被丢失。可以对rcreg寄存器连续读两次以找回fifo中的两个字节。但标志位oerr必须由软件清零，这可以通过重新设置接收逻辑(将cren位清零之后再1)来实现。如果oerr位被置1，则rsr中fifo的数据被禁止传送到rcreg寄存器，而且，也不会接收更多的数据，因此，如果oerr位被置1时，必须将它清零。如果stop位被检测到为零时，帧出错标志位ferr(rcsta寄存器的bit2位)被置1。标志位fer