基于单片机的应急灯控制设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上基于单片机的应急灯控制设计 目 录 中文摘要1英文摘要21 绪论31.1 消防应急照明技术背景介绍31.2 相关技术的发展现状及趋势41.3 课题意义及其目的52 消防应急灯具工作原理62.1 常用消防应急灯62.2 自带电源型消防应急灯具工作原理82.3 消防应急灯具的国家标准92.4 本消防应急灯设计的总体结构112.4.1 系统硬件设计112.4.2 应急灯单元112.4.3 系统通信部分设计123 硬件电路分析133.1 电源模块133.1.1 主电电路143.1.2 Li电池模块153.2 单片机模块183.2.1 器件选型193.2.2 分析电路243.3

2、 通信模块243.3.1 器件选型253.3.2 分析电路284 软件分析294.1 主控制器软件设计294.2 应急灯单元软件设计294.2.1电池检测软件流程图305 抗干扰措施325.1 抗干扰技术325.1.1 串模干扰及其抑制方法325.1.2 共模干扰及其抑制方法335.1.3 长线传输干扰及其抑制方法345.2 抗干扰措施的设计34结论35谢辞36参考文献37基于单片机的应急灯控制器设计摘要:本文设计了一种基于单片机的应急灯控制器。该设计以MCS-51单片机为核心,符合消防应急灯具国家标准GBl7945-2000。论文首先分析了消防应急疏散照明的技术背景及目前的发展现状和未来的发

3、展趋势,说明设计的意义及目标。接着介绍了常用消防应急灯的分类,着重说明了自带电源消防应急灯具的工作原理,提出了符合国家标准的总体结构框图。随后,合理的选择了主要器件,给出了三个关键模块的具体电路图,包括电源模块、单片机模块和通信模块,并分析其工作原理,实现了掉电检测与电源转换、电池状态检测、光源状态检测以及RS-485通信等功能。在软件设计方面,分析了控制器的工作逻辑,画出了系统主程序框图和电池开路、短路及正常状态分析流程图。最后讨论了串模干扰、共模干扰及长线传输干扰,并介绍隔离、屏蔽以及滤波的抗干扰措施。关键词:单片机,应急灯,消防,RS-485通信A Design of MCU-based

4、 Controller of Emergency LuminaryAbstract:This paper presents an emergency luminary controller based on single-chip microcomputer. The design uses the MCS-51 microcontroller as the core and meets the requirement of the national standards for fire emergency luminary GBl7945-2000. Firstly, the technic

5、al background, the current study and the development trend of the fire emergency evacuation lighting as well as the significance and the objectives of this design are expound. Then, the classification of the fire emergency luminary widely used and the principle of self-powered emergency luminary for

6、 fire fighting are highlighted. The overall structure diagram according to the national standard is also presented. Subsequently, after the key devices were reasonably chosen, the specific circuit diagram of three important modules including the power modules, the CPU module and the photo-electrical

7、 isolated communication module are presented. The operation of every module is analyzed. The functions of power-down detection, power conversion, battery state detection, lighting LED state inspection and RS-485 communication are achieved. In the design of software, the work logic of the controller

8、and the main block diagram of the system are introduced. The flowchart to analyze the three states of battery, open circuit, short circuit and the normal are drawn. Finally, the series mode interference, the common mode interference and the long-term transmission interference are discussed. Some ant

9、i-jamming measures, such as photo-electric isolation, shielding and filtering are described.Keywords:Single-chip microcomputer,Emergency luminary,Fire fighting,RS-485 communication1 绪论1.1 消防应急照明技术背景介绍 所谓应急照明,是指在非正常状态下才使用的照明设施,包括:备用照明、疏散照明、安全照明。随着我国综合国力的不断增强,人民生活水平的日益提高,公众聚集场所越来越多,公众聚集场所火灾事故也日趋频繁,特别是

10、群死群伤恶性火灾时有发生,不但造成了大量人员伤亡,而且影响了社会政治稳定。这些火灾的发生,大多是因为这些场所发生火灾时缺少必要可靠的应急照明和疏散指示,致使火灾发生后被困人员不能及时疏散,被烟熏窜息而死1。 消防应急灯具作为一种重要的消防器材,广泛应用于宾馆、商场、娱乐场所等公众聚集场所,其功能是这些场所发生火灾断电后,应急灯具自动照明,引导被困人员疏散。消防应急疏散照明技术是一项重要的救生疏散技术。近几年,随着国民经济的高速发展,高大而复杂的智能建筑日益增多,对消防安全的要求越来越高,消防应急灯具的品种不断增多如表1.1,性能不断改进,技术水平有了很人提高1。表1.1 消防应急灯的分类按功能

11、分照明或标志照明和标志消防应急灯按工作方式分持续工作型、非持续工作型按应急供电方式分自带电源型、集中电源型按工作实现方式分独立控制型、集中控制型、字母控制型按安装高度分高位安装型、低位安装型、高低位复合安装型按用途分消防应急照明灯、消防应急标志灯、消防应急照明标志灯 欧美等发达国家消防应急疏散照明技术发展较早、较快,一直处于领先地位,上述各种灯具已被大量生产和广泛应用。我国起步较晚,但近年来发展也很快。目前,国内已申请到国家公安部消防产品认证的应急灯制造商大约300余家,但产品质量、性能和品种同发达国家相比还有一定的差距。只有少数大型企业及一些合资企业的产品与国外产品相差无几,并向智能环保型方

12、向发展,但价格稍高。现在,自带电源独立控制型消防应急灯具是我国的主要应急灯具产品1。应急疏散照明技术未来发展有以下几大特点: 1.荧光灯、白炽灯光源技术被场致发光光源技术所取代 场致发光器件标志灯具具有节能、美观、表面亮度和匀光度都易控制等优点,其耗电极低,发展前景广阔。我国过去曾长期使用荧光灯及自炽灯作为光源,其缺点是效率低下,场致发光器什的使用得益于技术的进步及智能建筑中的大量需求。 2.低位应急照明安装技术将得到广泛应用 低位应急照明技术是指在靠近地面或地面高度上提供疏散应急照明的一项新的安装应用技术,与传统的高位安装技术相比,它具有特殊的优点和独到之处。传统的高位应急照明安装技术常用于

13、有较高天棚的较大空间和疏散走道的天棚或墙壁距地面有一人高度的位置处,为空间和走道提供均匀的照度,并为走道提供清楚的信息和方向标志,一般采用传统的持续型应急照明灯具和8瓦充电应急标志灯具。然而,在更多的有限空间里,如带有相对低的天棚的走廊,高位应急照明系统提供的照度往往不如低位应急照明系统。原因是当着火时,靠近地面处烟少,氧气多,便于人的匍匐行动;另一方面,低位应急照明系统采用能发出穿透烟强光的发光二极管光源,可产生理想的局部高照度,使疏散人员更容易识别疏散走道,迅速而安全地找到安全出口。所以,低位照明在火灾和其它应急情况下对于人的安全疏散十分重要。在图纸设计上一般也主要采用这种作法。 3.向智

14、能化、环保等高科技方向发展 新型的电力电子技术相结合的高科技电子产品,综合了计算机测量与控制技术、电力电子逆变技术、网络通讯技术、系统在线检测等技术,组成了光机电一体化的应急电源及应急照明系统产品,具有高效率、高技术含量、高可靠性的特点。并且在减少谐波对电网的污染方面有较多的考虑。1.2 相关技术的发展现状及趋势 目前蓄电池供电方式主要采用如下两种形式:一种是独立式供电,每个应急灯自带备用蓄电池,平时由市电供电,只有当市电电源切断时,备用电源才自动投入运行;另一种是采用集中式供电,每个应急灯本身不带电源,市电故障时,由专用集中式应急电源供电。针对两种不同的供电方式必须提供不同的内部控制电路。本

15、文设计的控制电路是独立式供电的应急灯具。 目前国内大部分的应急灯具采用的都是由分离器件搭配通用lC如555、LM358构建控制系统。国家对消防应急灯具有完整的国家标准GBl7945-2000,要求应急灯具具备完善的应急转换、充电保护和故障检测、保护和显示等功能,这要求有当数量的分离元件,同时对单个元件的特性要求也较高。部分厂商出于降低成本的目的,只能提供应急转换、充电计时等功能,而不能完整的提供的故障检测、故障显示和保护等国家标准所强制要求达到的指标。国内市场也出现了应急灯具的控制芯片,但是其存在的主要问题: 1.对电池的保护不够。大多采用慢速充电的方式给应急电源进行持续充电,应急电源充满后没

16、有涓流充电过程,容易导致应急电源的过充; 没有充电时间可选,不能适应于不同型号的电池; 应急照明灯和应急标志灯需要采用不同的控制芯片; 应急工作时间达不到标准要求的90min; 终止电压偏低,未能满足标准规定额定电压要求的80%; 充放电耐久试验末次放电时间达不到首次放电时间的85%。 随着国家对消防措施的日益重视,对消防应急疏散灯具的要求越来越高,用功能更加完善的控制芯片取代目前的由分离器件或简单控芯片构成的系统成为必然趋势2。1.3 课题意义及其目的 据应急灯行业权威人士估计,全国应急灯一年的市场总需求量大概在4亿左右。随着国民经济的发展、社会安全意识的提高,对公众安全的要求只会越来越高,

17、意味着应急灯具市场必然从不成熟走向成熟。如前所述,目前的应急灯具大部分不同程度的存在着质量不过关、安全隐患,直接威胁到公众的安全。造成这种局面的直接原因来源于应急控制电路。设计安全性能更好、稳定性更高的消防应急灯控制芯片是必然的趋势。2 消防应急灯具工作原理2.1 常用消防应急灯 自19世纪40年代开始,国家及地方权威性机构就明文规定了应急灯在商业楼房,工业设施及公共场所方面的使用,以确保人们远离由于火灾或其他事故引起的恐慌所带来的对生命财产安全的威胁。应急灯广泛运用于大型场所如银行营业厅,商场等人口聚集比较多的地方,以有效的确保外出人员的安全。 目前市场上的应急灯按应急供电方式大致分为:自带

18、电源型和集中电源型。自带电源型单个系统自带备用蓄电池,平时由市电供电,只有当市电电源切断时,备用电源自动投入运行;集中电源型单个应急灯本身不带电源,市电故障时,由专用集中式应急电源供电。 目前集中电源型应急灯具主要用于智能化程度很高的大中型建筑中,并且需要有人值守,同时由于其需要统一的备用电源,如果备用电源发生故障,将导致整个系统无法工作。所以,目前国内的公共建筑里大多采用自带电源型应急灯具。因为其备用电源独立,一个系统的故障不会影响剑另外的系统。同时其线路的敷设也较为简单。 a 常明应急疏散标志灯 b 双头应急疏散照明灯图2.1 常用自带电源型消防应急灯具 图2.1是市场上最常见的两种自带电

19、源型应急灯具:图2.1a是常明应急疏散标志灯,其内部使用的光源是LED:图2.1b是双头应急疏散照明灯,其内部使用的光源可以是荧光灯、白炽投射灯、EL等。 常明应急疏散标志灯主要给楼道拐角等采光不理想的地方提供常明的光源,以确保疏散指示标志能够正常的显示,其在市电正常的情况由市电提供光源电源,而在发生消防状况时,由于市电被切断,内部的蓄电池提供电源以保证在一定的时间90min内疏散指示标志仍然能正常的显示。双头应急疏散照明灯主要用于展览馆、会所等人口聚集的公共建筑。正常情况下,其光源不发光。而在发生紧急情况后,其光源需要提供足够亮度的光源以保证人员能够及时的疏散。其提供应急光源的时间和常明疏散

20、灯的标准一样。2.2 自带电源型消防应急灯具工作原理 自带电源型消防应急灯具主要由以下器件构成:应急灯具、蓄电池、控制电路、状态显示灯、测试开关等。对于常明应急疏散标志灯和应急疏散照明灯米说,由于应用要求的多样性,他们在这些元件的选择上也会有很大的差异。下面简要说明两种应急灯具的器件构成和工作原理: 对于常明应急疏散标志灯来说,目前市场上一般采用绿光散射LED做为光源,也有部分厂家会使用EL场致发光源和荧光灯。由于绿光LED的功耗较小,其使用的蓄电池一般为3.6V。且电池容量也不大800mAH。常明应急疏散标志灯的外观一般偏薄,内部不能直接使用电力变压器降压以提供控制电路所需工作电源,一般在控

21、制电路中引入由电子变压器为主体的开关电源。目前其控制电路主要由分离器件搭配通用IC如555、LM358完成。状态显示灯一般由红黄绿三色LED灯来表示,状态显示灯一般安装在应急灯具的侧边。测试开关一般和状态显示灯放置在一起,一般采用普通的按钮开关,它的作用主要是便于建筑管理人员的日常维护和检查3。 常明应急疏散标志灯的工作原理:如果市电电压正常并且电池电压和光源状况也正常,则状态指示灯绿灯、充电状态灯红灯亮,故障指示灯灭,控制电路控制开关电源给LED灯供电,保持疏散显示正常,同时控制电路检测市电电压、电池电压和光源,提供充电回路给蓄电池进行慢速充电;如果慢速充电完成,则充电指示红灯灭。如果在市电

22、正常情况下,出现电池开路、电池短路等故障,故障指示灯黄灯亮,提示管理人员需要对系统进行检查和维修;当市电电压低于应急转换电压时,控制电路转入应急状态,此时备用电源和光源的同路被打开,保证光源能正常的二作;当电池电压低于规定的放电电压时,控制电路应断开电池的所有放电回路,同时整个控制电路应停止工作以避免蓄电池的漏电。 对于双头应急疏散照明灯,其光源可以是白炽投射灯、荧光灯、卤素灯等,由于一般对照明灯亮度要求较高,很少会使用LED作为光源;基于同样的原因,应急疏散照明灯使用的蓄电池种类更多、电池容量更大。目前使用的有3.6V、6V、12V等多种电池,同时一般要求电池额定容量大于1000mAH。由于

23、应急疏散照明灯对体积要求不高,所以市场上人部分采用的是小功率电力变压器。控制电路相对常明急疏散灯控制电路简单,因为不需要提供常明通路。状态显示灯和测试开关的功能和设置和常明急疏散灯类似,不过安放位置在应急灯具的正面。 应急疏散照明灯的工作原理和常明急疏散灯类似,不同的是市电正常情况下,光源不亮,因此,应急疏散照明灯应能检测光源开路与否,如果出现光源故障,故障指示灯应亮3。表2.1 对两种工作方式应急灯具的比较状态充电状态光源断路电池断路电池短路充电完成应急状态标志灯光源×× 绿灯×× 红灯××× 黄灯××

24、××照明灯光源××××× 绿灯××××× 红灯××× 黄灯×××2.3 消防应急灯具的国家标准 消防应急灯具的质量好坏直接关系到人民生命财产安全,因此,国家对消防应急灯具有严格的国家标准,目前国内实行的是GBl7945-2000。表2.1列出了和控制电路设计直接相关的标准,本课题的主体设计完全遵循这个标准,同时考虑到该标准属于对消防应急灯的基本要求,出于提高产品性能的目的,需要在控制电路加入一些实用功能。表2.2 G

25、Bl7945-2000对控制电路的要求标准序号参数具体标准5.1.1应急转换时间消防应急灯具应急转换时间应不大于5s,离危险区域使用的消防应急灯具应急转换时间不大于0.25s。5.1.2应急工作时间消防应急照明灯具的应急工作时间应不小于90min。5.1.7主电故障保护应急状态应不受主电供电线路短路、接地的影响。5.1.8测试按钮消防应急照明灯具应设有模拟交流电源供电故障的自复式试验按钮,不应设影响应急功能的开关。 5.1.9故障显示自带电源型消防应急照明灯具应设置主电、充电、故障状态指示灯。主电状态用红色,充电状态用绿色,故障状态用黄色。5.1.10光源故障保护消防应急灯具在未接入光源、光源

26、不能正常工作或光源规格不符台要求等异常状态时,内部元件表面温度应不超过90,且不影响电池的正常充电。光源正常后,消防应急灯具应能正常工作。5.1.15充电保护消防应急灯具应具有过充电保护和充电回路短路保护,充电回路短路时其内部器件表面温度不应超过90.重新安装电池后,应急灯具应能正常工作。消防应急灯的充电时间应犬于24h,最大连续过充电电流不应超过0.05 CsA。5.1.16过放电保护电池放电终止电压应不小于额定电压的80%,放电终止后,在未重新充电条件下,即使电池电压回复,消防应急灯具也不应重新启动,且静态泄放电流应不大于0.1CsA。5.1.185.1.19转换电压消防应急灯具在主电电压

27、为132-187v范围内,不应由主电状态转入应急状态。由主电状态转入应急状态时的主电电压应在132-187v范围内,由应急状态转为正常状态的时间应不大于187v。5.1.20连续转换照明状态消防应急照明灯具应能完成10次“完全充电-放电终止-完全充电”循环的充电、放电过程。末次放电时间应不低于首次放电时间的85%2.4 本消防应急灯设计的总体结构 2.4.1 系统硬件设计 该系统主要由主控制器和应急灯单元两部分构成。主控制用MCS-51系列单片机作微处理器,应急灯单元也用MCS-51系列单片机作微处理器。主控制器和应急灯单元共同构成多单片机通信系统,应急灯嵌入的单片机主要完成应急灯状态采集、点

28、亮或熄灭应急灯的功能,并与主控制器进行通信。应急灯的状态及时送往上位主控制器,并在主控制器上显示出来,如果是故障状态则主控制器会有相应的声光显示见图2.24。 图2.2 主控制器与分散应急灯之间连接原理框图 2.4.2 应急灯单元 应急灯状态主要有应急灯应急状态、故障状态、充电和主电状态。应急灯的状态采集由单片机完成。用3个发光二极管来表示应急灯的4个状态,同时留出串行通信口和主控制器进行通信。本设计主要完成应急灯单元的设计,结构框图见图2.3。 图2.3 系统结构框图 2.4.3 系统通信部分设计 集散型应急灯控制系统所要求的传输距离较远必须采用串行通信总线技术实现远距离串行通信。而具体的通

29、信方法,是通过串行总线技术或者是通过电力载波实现。本系统可采用串行通信的方法来实现主控制器与应急灯之问的串行通讯信。 3 硬件电路分析3.1 电源模块 图3.1为电源模块框图,图3.2为此模块的电路图。下面将对每一模块所需用的器件进行选型,并分析每个模块所要完成的功能。 图3.1 电源模块框图图3.2 电源模块电路图 3.1.1 主电电路 1.器件选型 1)电源稳压器 LM78XX系列主要有LM712、LM709、LM705和LM733等几种,都是三端电源,在单片机中最为常用的有LM705和LM733两类。这些元件都使用了电流限制、热关断和安全区补偿技术,使他们在大多数工作条件下都非常稳定可靠

30、。如果采用合适的散热器,他们的输出电流可以超过1.5A。 图3.2中的U7/U8/U9/U10为LM78XX系列电源稳压器,其引脚分布及功能如表3.1及图3.3所示。此元件使用了7806输出6V电压,7809输出电压为9V。表3.1 LM78XX系列电源稳压器引脚功能一览表引脚编号引脚符号引脚功能1Vin电源输入端2GND接地端3Vout电源输出端图3.3 7806引脚图 2)整流电路桥 本电路常用于小功率单相交流输入的场合。目前大量普及的微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源中,他将交流电变为直流电,应用十分广泛。 2.电路分析主电电源模块主要有变压器、整流桥和电源稳压器组成(见图3.4)

31、。图3.4 主电源电路A、C端提供9V电压,B、D端提供6V电压。D1路电源给485电路供电,D2路电源给单片机及A/D转换器供电。注:图3.4中的发光二极管D2为主电源供电标识灯(绿灯)。 3.1.2 Li电池模块 Li电池模块有电池充电电路、电池检测电路和电源转换电路组成(见图3.5)。Li电池由主电电源充电,当没有市电时,应急灯工作电源需要由Li电池提供。图3.5 Li电池模块电路图 1.Li电池充电电路 应急灯电池的充电非常重要,如果电池出现过充电或者充电不够,直接导致应急灯具电池的使用寿命。考虑到精确的快速充电模式需要非常复杂的电路,目前几乎所有的应急灯具都采用固定时间慢充的方式给电

32、池充电,结合国家标准“5.1.15”,目前普遍采用的慢充充电方法是:以0.1CC为电池的额定容量,单位为mAH的速度给电池充电,考虑到电池的静态泄放电流,充电时间应为15小时:当慢速充电完成后,转为涓流充电,以保证电池继续处于充满状态,从国家标准来看,要求涓流充电电流小于0.05C。 本设计由单片机P1.5和P1.6引脚控制Li电池的充电。当P1.5为高电平时NPN三极管Q1导通,Q1的发射机有电流,即Q2的基极有了电流使Q2管导通,这时由主电电源给Li电池充电。若单片机P1.5为低电平Q1管不能导通,Q2管没有基极电流,从而Q2管不会导通Li电池不能充电。单片机P1.6引脚同样控制三极管Q3

33、、Q4给Li电池充电。单片机P1.5和P1.6引脚同时为高电平可使Li电池快速充电(见图3.6)。图3.6 Li电池充电电路 2.电池检测电路 自带电源型消防应急灯具由于使用的独立电源作为备用电源,电池的特性会直接影响到应急时间、光源的亮度,因此采用合适的电池非常重要。本设计采用Li充电电池。同时,控制系统必须对电池进行检测: 检测到的电压输入A/D转换器中变为数字信号送到单片机中进行处理。A/D转换器的输入值在05V之间(见图3.7)。 当输入到A/D转换器IN1中的电压为00.5V时,电池为短路状态。 当输入到A/D转换器IN1中的电压为0.63.2V时,电池为正常状态。 当输入到A/D转

34、换器IN1中的电压为3.35V时,电池为断路状态。图3.7 电池检测电路 3.电源转换电路 当有市电时,应急灯的电源由市电提供。市电通过LED D2供电给A点。当无市电时,Q6管马上导通,随即Q5导通,由Li电池供点给A点。由此电路可完成电源转换功能(见图3.8)。图3-8 电源转换电路3.2 单片机模块 单片机模块电路主要由看门狗电路、A/D转换电路和光源检测电路等组成。单片机模块框图见图3.9,电路图见图3.10。 图3-9 单片机模块框图图3-10 单片机模块电路图 3.2.1 器件选型 1.单片机 本设计采用MCS-51系列单片机。MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年

35、推出的8位的微型计算机。其结构与性能大大优越于MCS-48系列单片机,它包含51和52两个子系列。51单片机的典型产品有8031,8051和8751三种机型,除片内程序存储器的容量不同外,其内部结构与引脚完全形同。本设计采用的是8051,其引脚配置图见图3.11。 HMOS的MCS-51单片机采用双列直插式封装,有40个引脚,分为地址总线、数据总线、控制总线3类见图3-11。MCS-51系列单片机的引脚有些是单功能的,有些是具有第二功能,各引脚的功能如下: 主电源引脚Vcc,VssVcc:接+5V电源Vss:接地 外接晶振引脚XTAL1,XTAL2XTAL1:片内反相放大器输入端XTAL2 :

36、片内反相放大器输出端图3.11 51单片机引脚图外接晶体时XTAL1,、XTAL2各接晶体一端构成振荡器 输入/输出引脚P0,P1,P2,P3P0.0P0.7:P0口的8各引脚,P0口是8位漏极开路型双向I/O扩展接口时, P0.0P0.7分时复用,做低8位地址总线与双向8位数据总线。P1.0P1.7:P1口的8个引脚,P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,对于52子系列,P1.0还可以用于定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2,P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部控制端T2EX。 P2.0P2.7:P2口的8个引脚,P2口也是一个带内部上拉电阻的双向I/O口,在访问片外存储器或扩展

37、I/O接口是,还用于提供高8位地址。P3.0P3.7:P3口的8个引脚,P3口也是一个带上拉电阻的I/O口,除可工作为双向的输入输出口外,还具有第2功能,见表3.2。表3.2P3口第2功能表引脚第二功能P3.0RXD(串行口输入)P3.1TXD(串行口输出)P3.2/INT0(外部中断0输入)P3.3/INT2(外部中断1输入)P3.4T0(定时器0的外部输入)P3.5T1(定时器1的外部输入)P3.6/WR(片外数据存储器械控制信号)P3.7/RD(片外数据存储器读控制信号) 4控制线(4条) ALE/PROG:双功能引脚。由于P0口的8个引脚是低8位地址总线与数据总线分时复用,因此必须将P

38、0口输出的低8位地址进行锁存。在访问片外存储器时,每机器周期该信号出现2次。其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址。即使不访问片外存储器,访问引脚上仍出现上述频率的周期性信号,因此也可作为对外输出的时钟脉冲,频率为振荡器频率的1/6。必须注意的是:在访问片内外存储器时,ALE脉冲会跳空1个。 对片内含有EPROM的机型,此引脚在编程时可作为编程脉冲/PROG的输入端。 /PSEN:片外程序存储器读选通信号输出端,在CPU从片外程序存储器取址期间,此信号每个机器周期两次有效,已通过P0口读入指令,在访问片外数据存储器时,该信号不出现。/EA/Vpp:双功能引脚,卫片外程序存储器选用端。当该引

39、脚信号有效(低电平)时,选择片外程序存储器,否则,即/EA/Vpp1时,访问片内程序存储器。对片内含有EPROM的机型,此引脚在编程器件用于施加+21V的编程电压。RST/VP0:双功能引脚,在单片机工作期间,当引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可实现复位操作。在VCC掉电期间,若该引脚接备用电源(+5V),可向片内RAM供电,以保存片内RAM中的信息。 多通道并行A/D ADC0809ADC0809是NS公司生产的CMOS、8位、8通道、逐次比较型A/D转换芯片。它的主要特点如下: 1逐次比较型,单电源供电,具有三台输出所存。 2输出与TTL兼容,无需外部进行0点和满度调整。 3 8位分辨

40、率,最大非线性误差0.4%LSB。 4)转换时间为100us,存取时间为135us。 5)功耗为15mW。 ADC0809的引脚分布图如图3.12所示。引脚功能说明如下: 1)IN0IN7:8路输入通道的模拟量输入端口。 2)2-12-8:8位数字量输出端口。 3)START、ALE:START为启动控制输入端口,ALE为地址锁存控制信号端口,这两个端口可以连接在一起,输入一个正脉冲时,便启动模/数转换。 4)EOC、OE:EOC为转换输出结束信号脉冲输出端口,OE端的电平由低变高,打开三态输出锁存器,将转换结果数字量输出到数据总线上。 5)REF(+)、REF(-):REF(+)和REF(-

41、)为参考电压输入端。 6)CLK:时钟输入端。 7)ADD_A、ADD_B、ADD_C:8路模拟量的三位地址选通输入端,已选择对应的输入通道,类似3-8译码器的选通。图3.12 8089引脚图 3.锁存器扩展并行输出口74LS373 74LS373的引脚功能如下: 1)1D8D:8位数据输入端。 2)OE:三态允许控制端(低电平有效) 3)LE:锁存允许端 4)1Q8Q:8位数据输出锁存端。 74LS373的输出端D0D7可以直接总线相连。当三态允许控制端/OE为低电平时,Q0Q7为正常逻辑状态,可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时,Q0Q7程高祖状态,即不驱动总线,也不为总线的负载,但锁存

42、器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时,Q随数据D而变;当LE为低电平时,D被锁存在已建立的数据电平。LE端施密特触发器的输入滞后作用,使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV(见图3.13)。图3.13 74LS373引脚图 4.看门狗芯片X25045 看门狗的作用是防止程序发生死循环,或者说程序跑飞。工作原理:在系统运行以后就启动了看门狗的计数器,看门狗就开始自动计数,如果到了一定时间还不去清零看门狗,那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断,造成系统复位。其引脚图如3.14。 1)SO:串行数据输出脚,在一个读操作的过程中,数据从SO脚移位输出。在时钟的下降沿时数据改变。

43、2)SI:串行数据输入脚,所有的操作码、字节地址和数据从SI脚写入,在时钟的上升沿时数据被锁定。 3)SCK:串行时钟,控制总线上数据输入和输出的时序。 4)/CS :芯片使能信号,当其为高电平时,芯片不被选择,SO脚为高阻态,除非一个内部的写操作正在进行,否则芯片处于待机模式;当引脚为低电平时,芯片处于活动模式,在上电后,在任何操作之前需要CS引脚的一个从高电平到低电平的跳变。 5)/WP:当WP引脚为低时,芯片禁止写入,但是其他的功能正常。当WP引脚为高电平时,所有的功能都正常。当CS为低时,WP变为低可以中断对芯片的写操作。但是如果内部的写周期已经被初始化后,WP变为低不会对写操作造成影

44、响。图3.14 X25045引脚图 3.2.2 分析电路 本设计中,51单片机工作于11.0592MHz,P0口用于读取8位A/D转换数据,P2口的P2.7用于ADC0809的片选控制,51单片机通过外部中断0触发对A/D数据的读取。模拟信号输入端IN0用于输入待转换的光源检测电压,IN1用于输入待转换的Li电池检测电压。51单片机P0口的低三位地址数据经锁存后送入ADC0809的通道选择端ADD_A、ADD_B、ADD_C。 在图3-10中,ADC0809的A/D启动端START由51单片机的P27与写控制信号/WR经过或非门后控制,转换完成后ADC0809的EOC端信号反相后送入51单片机

45、的INT0端,触发51单片机外部中断服务程序,在终端中读取A/D数据。 用X25045芯片设计了一种新的看门狗电路,X25045硬件连接图如图3-10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。3.3 通信模块 通信模块电路图见图3.15图3.15 通信模块电路图 3.3.1 器件选型 光耦合器 TPL521-1非线性光耦。光耦合器(optical coupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。光

46、耦合器以光为媒介传输电信号,它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。光耦合器一般由三部分做成:光的发射、光的接收及信号的放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定的波长的光,被光探测器接收而产生光电流,在经过进一步放大后输出。这就完成了电?光?电的转换,从而引起到输入输出隔离的作用。由于光耦合器的输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。所以,他在长线传输信息中作为终端隔离与案件可以大大提高信噪比,在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件可以大大增加计算

47、机工作的可靠性。 普通光耦合器只能传输数字(开关)信号,不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号,使其应用领域大为拓宽。 光耦合器有双列直插式、管式、光导纤维式等多种封装形式,其种类达数十种。8种典型产品的型号:通用型无基极引线、通用型有基极引线、达林顿型、高速型、光集成电路、光纤型、光敏晶闸管型和光敏场效应管型。? 光耦合器的主要优点是单向传输信号,输入端与输出端完全实现了电气隔离,抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离 、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器SSR、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在

48、单片开关电源中,利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的(见图3.16)。当在输入端加一正向导通电压,LED发光,光敏三级管受光照,发射结导通,三级管相当于开关。此“开关”的通断由输入端决定。 图3.16 TPL521-1引脚图1A?阳极 1K?阴极 1C?发射极1E?集电极2.RS-485接口 51单片机仅含有一个具有UART全部功能的串口,该接口可以同时进行数据的发送和接收,也可以作为一个同步移位寄存器使用。需要说明的是,这个串口的信号电平是TTL电平,在近距离传输过程中可以比较好的满足要求,一般可以实现稳定串口数据通信的距离是510m,如果进一

49、步提高通信距离,误码率会明显增加。在很多需要提高串口通信距离的应用场合RS-485可以很好的满足要求。 RS-485标准采用平衡式发送、差分式接收的数据收发器来驱动总线,具体技术参数如下: 接收器的输入电阻RIN12。 驱动器能输出7V的共模电压。 输入端的电容50. 在节点数为32个,配置120的终端电阻的情况下,驱动器至少还能输出电压1.5V。 接收器的输入灵敏度为200mV(即VA-VB0.2V,表示信号“1”;VA-VB-.02V,表示信号“0”) 需要说明的是,RS-485接口标准中12接收器输入阻抗被称为单位阻抗,在一个总线上最多只能连接32个单位阻抗的收发器。这使单个总连接多于3

50、2个节点成为可能,因为一些输入阻抗更高的接收器被广泛使用。此外,在RS-485总线末端接入120的电阻是为了对通信线路进行阻抗匹配。因为信号在传送时,若遇到阻抗不连接的情况,会出现反射现象从而影响信号的远距离传输,所以必须采用匹配的办法来消除反射。双绞线的特性阻抗一般在110130之间,它与线的绝缘材料的厚度及导线的直径有关,与绞合的松紧程度关系不是很大,所以通常在传输线末端连接120的电阻进行阻抗匹配。 在总线负载及阻抗匹配都符合技术要求的前提下,RS-485标准所达到的理论最高传输速度为10Mbps,在此速率下的传输距离为10m。当数据传输速率在105107bps范围内时,通信距离主要由传

51、输线欧姆阻抗、集肤效应等损耗引起信号畸变而受限制由于损耗与频率有关,数据传输距离会随着数据传输速率的降低而增加。其关系可以用经验公式计算:数据传输速率(pbs)传输距离108(bpsm)。当数据传输速率在105bps以下时,传输距离往往可以达到1200m以上。IM公司生产的差分平衡型收发器芯片共有8种型号:481、483、485以及487-491。每种型号的IC芯片包含一个驱动器和一个接收器,符合RS-485通信标准。 本设计采用的是485芯片。其工作电源为+5V,额定电流为300uA,采用双工通讯方式。它完成奖TTL电平转换为RS-485电平的功能(见图3.17)。RO?接收器的输出/RE?接收器输出使能。/RE0,允许接收器输出;/RE1接收器被禁止,输出端为高祖。DE?驱动器输出使能,DE1,允许驱动器工作;DE0.,驱动器被禁止,输出端为高祖。DI?驱动器输入,DI1输出端A输出为高,B输出为低;DI0,反之。A?接收器非反相输出和驱动器非反向输出端。B?接收器反相输入和驱动器反相输出端。图3.17 485引脚图 3.BA151N贴片防雷管 BA151N BA/BC系列 本品为防感应雷用贴片防雷管。主要用于高速数据通讯回路中起保护作用(见图3.18)。主要特性有: 比陶瓷管式封装体积更小,更薄,适合