采用C8051F020单片机设计船舶气象仪

1、作者简介 :宋文杰 , 男 , 1971年生 , 1989年中国海洋大学毕业 , 学士学位 , 副研究员 , 主要从事海洋仪器研究。第 6期 (总第 93期 机 械 管 理 开 发2006年 12月No.6(SUM No.93 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENTDec.2006引 言气象信息是船舶航行的重要导航信息 , 直接影响船舶的航行安全。 气象参数属船舶的环境参数 , 环境条 件的好坏直接影响船舶在各种状态下的安全 , 尤其是 高科技的现代化船舶 , 现代化程度越高 , 对环境因素的 要求也越高 , 因此对环境气象的测算和预测是现代化 船舶安全航行

2、的一个重要组成部分。船舶气象仪可连 续测量风、 温、 湿、 压等多项气象参数 , 为船舶航行提供 实时、 连续的气象服务。下面介绍的以 C8051F020单片 机为核心的船舶气象仪 , 能自动完成多种气象参数的 采集、 计算、 编辑、 显示、 传输功能 , 是一种集成度高、 体 积小、 功能强、 可靠性高的气象参数测量仪器。1仪器特点1.1采用功能强大的 C8051F020单片机C8051F020单片机是 Cygnal 公司推出的完全集成的混合信号系统级芯片 (SOC , 具有与 8051指令集完 全兼容的 CIP-51内核。它在一个芯片内集成了一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有的模

3、拟和 数字外设及其它功能部件 , 包括 :2个多通道 ADC 子系 统 (每个子系统包括一个可编程增益放大器和一个模 拟多路选择器 、 2个电压输出 DAC 、 2个电压比较器、 电 压基准、 SMBus/I2C 总线接口、 2个 UART 、 SPI 总线接口、 5个通用的 16位定时器、一个具有 5个捕捉 /比较模块的 可编程计数器 /定时器阵列 (PCA 、 内部 /外部振荡器、 8个 8位 通 用 数 字 I/O 端 口 、 64KB FLASH 程 序 存 储 器 。 CIP-51与标准的 8051结构相比 , 指令执行速度有很大 的提高。 70%指令的执行时间为 1个或 2个系统时

4、钟周 期 , 只有 4条指令的执行时间大于 4个系统时钟周期。 CIP-51工作在最大系统时钟频率为 25MHz 时 , 它的峰 值速度达到 25MIPS 。C8051F020实现了片内模拟与数字电路的 3V 供电标准 (电压范围为 2.73.6V , 大大降低了系统功耗。完 善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度要求下 , 使系统的平均时钟频率最低。 因此 , C8051F020具有极 佳的最小功耗系统设计环境。1.2轻巧的外型易于满足船舶的安装要求根据船上船舱狭窄、 空间有限的特点 , 外型设计成壁挂式或嵌入式结构 (用户可选 , 大大节省了空间。1.3功能齐全 界面友好气象仪具有系统自检

5、、 参数装订、 清除装订、 传感 器测试、 大风报警等功能。它通过参数装订获得航速、 航向数据 , 或通过串行通信接口自动接收其它导航设 备发出的航速和航向信息 , 从而计算出真风速和真风 向。 气象仪采用 320×240点阵的液晶显示器显示实时气 象信息 , 同时通过串口向其它导航设备发送这些数据。2系统的硬件设计 气象仪的原理框图见图 1。2.1电源设计由于船上环境复杂 , 设备众多 , 电磁干扰严重 , 为采用 C8051F020单片机设计船舶气象仪宋文杰1刘伯峰2杨 慧1于宏波1王平1姜 冰3(1. 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 ; 2. 海军驻青岛造船厂军事代表室山东青岛

6、266001; 3. 青岛文达通科技发展有限公司山东青岛266500【摘 要】 以 C8051F020单片机为核心设计的船舶气象仪 , 集成度高、 体积小、 功能强、 可靠性高 , 特别适用于船舱狭窄 , 空间有限 , 但对气象参数又有较高要求的中小型民船。 【关键词】 船舶气象仪 C8051F020系统设计【中图分类号】 TP368.1【文献标识码】 B【文章编号】 1003-773X (2006 06-0108-02图 1气象仪的原理框图108 第 6期 (总第 93期 机 械 管 理 开 发 2006年 12月 图 2系统软件流程图保证气象仪工作稳定可靠 , 在单片机的前端通道 (风 速

7、 、 风 向 串 行 信 号 输 入 和 后 端 通 道 (232/422信 号 输 出 均加光电隔离 , 故设备采用双 +5V 开关电源 , 其中 外 +5V 给各传感器、 滤波、 整形和电平转换电路供电。 由于 C80512F020需要 3.3V 供电电压 , 采用 TPS7333将 内 +5V 转换为 3.3V 输出。另外采用 AD584产生 A/D 转换 所需要的 2.5V 基准电压。2.2传感器信号处理风速信号是脉冲信号 , 经过滤波、 驱动、 光隔后送到单片机的计数器 T0。风向信号是一组电流信号 , 加100K 排阻将其转变为并行开关量 , 然后用施密特触发器整形 , 再经驱动和

8、光隔后送入单片机的 P2口。温度 和相对湿度信号都是 420mA 电流信号 , 分别加 100欧 精密电阻后变为 0.42V 电压信号 , 经过模拟放大器AD623AN 放大后送入 MCU 。气压传感器输出的是 05V 电压信号 , 而 C8051F020要求信号电压低于基准电压 2.5V , 所以必须分压后才能送入 MCU 。 2.3串行通信接口C8051F020有两个完全相同的 UART , 通过设置交 叉 开 关 控 制 寄 存 器 将 TX0、 RX0、 TX1、 RX1分 别 连 到P0.0、 P0.1、 P1.0和 P1.1。 UART0和 UART1经光隔、驱动、 电平转换 ,

9、成为双向 RS422接口 , UART0与显示控制单 元实现全双工通信。 UART1用来向 VDR 发送气象信息 , 同时接收其它导航设备发送的航向、航速数据。另 外 , 系统用 PHILIP 公司的双通道异步收发器 SCC2692扩展了 2路双向 RS232/RS422(可选 接口和 2路单向RS422接口 (发送 , 用做备用接口。3软件设计 2系统软件流程见图 2。主程序的工作是每 2s 采样一次风速和风向 (相对于船艏 , 解算真风速和真风向 (相对于正北 , 向显示控 制 单 元 和 VDR 发 送 气 象 信息 , 并计算 2min 平均风 速和多数风向 ; 每 10s 采样 一次

10、气温、 相对湿度、 气压 , 并计算平均值。 如果显示控 制单元发出联机请求 , 则进 行联机操作。 系统有 UART0中断和 T3中断。 UART0中断 优先级高于 T3。 当显示控制 单元发出联机命令时 , 则产 生 UART0中断 , 系统执行联 机 处 理 子 程 序 。 系 统 采 用11.0592MHz 晶 振 产 生 系 统时钟 , 用定时器 T3计时 , T3每 50ms 产 生 一 次 中 断 , 当 产生 40次中断 , 即 2s 时执行2s 子程序 ; T3产生 200次中断时 , 即 10s , 系统执行 10s子程序。4结束语船舶气象仪研制成功后 , 先后做了装船所需

11、的各项试验 , 包括温度循环应力、 电源拉偏等可靠性试验 , 以及冲击试验、 电磁兼容试验、 各项测量参数的精度标 定试验 , 试验中船舶气象仪工作稳定可靠 , 现已安装在 国内 60m 海监船上 , 并将在国内许多中小型民船上推 广应用。参考文献1潘琢金 , 施国君 .C8051FXXX 高速 SOC 单片机原理及应用 M. 北京 :北京航空航天大学出版社 , 2003.2张培仁 , 等 . 基于 C 语言编程 MCS-51单片机原理与应用 M. 北京 :清华大学出版社 , 2003.(收稿日期 :2006-06-05The Ship Meteorological Instrument Co

12、ntrolled by C8051F020Single-chip MicroprocessorSong Wenjie Liu BofengYang HuiYu HongboWang PingJiang Bing Abstract A kind of Ship Meteorological Instrument is introduced in this paper, which uses C8051F single -chipmicroprocessor as the core, and you will know the design method of hardware circuit a

13、nd software. Key words Ship meteorological instrument C8051F020System design简 讯 百名院士建议 17项重大节约工程中国工程院士张彦仲最近透露 , 为促进节约型社会的建设 , 由上百名院士、 专家参加的课题组 , 经过反复论证 , 建议有关部门实施 17项关键 工程。这 17项重大节约工程分别是 :农业节水与高效利用工程 , 水污染治理和污水资源化工程 , 中低产田改造过程 , 废旧木材和废纸回利用工程 , 提高一次能源资源探明率和采收率工程 , 大型、 高效发电和输配电工程 , 汽车环保节油与燃料替代工程 , 可再生能源规模化利用工程 , 新一代 多功能钢铁制造工程 , 有色金属再生工程 , 提高石化工业资源利用率工程 , 磷资源节约及综合利用工程 , 水泥和墙体材料节约制造工程 , 建筑节能 工程 , 城市废弃物回收利用工程 , 机电产品回收利用与再制造工程。张彦仲院士表示 , 这 17项重大节约工程和其中的关键技术项目如果完成并得到实施 , 到 2020年 , 我国可节能 5.5亿吨标煤 ; 提供 4.5亿吨标煤的可再生能源 ; 改造中低产田 3亿亩 ; 节水 600亿立方米 ; 节约有