第9章 MCS -51单片机的应用系统实例

第9章MCS-51单片机的应用系统实例129.1压力、流速数据采集系统9.2单片机控制的家用电加热锅炉电路返回9.1压力、流速数据采集系统9.1.1设计目标本系统使用89C51作为控制芯片，对来自压力及流速传感器的信号进行采集，并把采集到的数据存放在数据存储器中。系统可以工作在标定和实际测量两种工作状态下。标定状态是为了修正系统误差而在测量前进行一组标准压力和流速数据的测量。具有可与通用计算机连接的串行通信接口。在等待状态时，系统工作在低功耗方式。系统具有工作状态显示系统，可以显示标定、测量、通信、等待等不同的工作状态。9.1.2设计描述为取得特定油井深度下的原油压力及流速数据，本系统的工作时序必须与钻头进入油井的时间和所到达的深度相符合。下一页返回9.1压力、流速数据采集系统钻头进入油井后的确定时间内，系统处于等待状态;当钻头达到预定的深度以后，系统自动开启并开始采集第一次数据;随后进入等待状态，等待下一次的数据采集。这样的采集进行六次，然后系统便停止工作，处于低功耗状态;待钻头重新回到地面后，再与计算机连接，把采集到的数据输入计算机进行进一步的处理。由于系统在工作前可以进行标定，所以处理后的数据能比较准确地反映油井内原油的压力和流速的真实情况。由于系统处于地下高温的工作环境中，对于所有芯片的温度要求比较苛刻;上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统再者，受钻头尺寸大小的限制，需要整个系统小型化;系统一次工作时间可能长达八小时，仅靠小型电池供电，所以要求整个系统的功耗极低，选用89C51芯片，它丰富的I/0功能满足了系统的需要，其特有的低功耗工作方式用于系统的等待状态，可以极大地降低功耗。系统总体框图如图9-1所示。9.1.3硬件系统组成压力、流速数据采集系统由主机板、信号电路板及通信接口板三部分组成。1)主机板上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统主机板电路原理图如图9-2所示，包含单片机89C51(U1)、扩展外部数据存储器6264(U2)、工作状态指示单元、复位电路及晶振等为了降低功耗，晶振的频率选得较低，为便于通信波特率的计算，晶振频率选3.686411MHz。片外数据存储器6264为8KB的随机存储器，用于存放采集的数据。2)信号电路板信号电路板电路原理图如图9-3所示。它通过插座W1与主机板连接，通过插座W与压力传感器相连，通过插座W’与流速传感器相连。信号电路板电路原理图包含压力信号调理电路、流速信号调理电路和模拟电源控制电路。上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统(1)压力信号调理电路压力信号调理电路又包含稳电源电路、仪表放大器、负电压发生电路及VF变换电路等。①稳电源电路是为压力传感器桥路提供恒压源，由稳压管Z(LM136)、电阻R3及运放U6:B(LM224}组成。运放U6:B(LM224)的作用是增强驱动能力。②负电压发生电路主要产生一个-5V的电压，为仪表放大器U4(INA118)提供负电源。电路由U7(7660)和电容C5,C6组成。③仪表放大器U4(INAl18)可将压力传感器桥路输出的毫伏(mV)级电压放大，以适应VF变换器US(AD654)的需要。电阻R7是调节仪表放大器的放大倍数用的。上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统④VF变换电路:由VF变换US(AD654)、输入电阻R10,R11及电容C3组成。输入信号的范围为0~1V，频率输出范围在0~100kHz。频率输出信号输入单片机的T0端，用定时器/计数器T0来记录脉冲数，以与传感器感受的压力成比例关系。(2)流速信号调理电路由磁电式转速传感器输出的慢变信号经电容C,隔直之后，先由运放U6:A放大，然后经运放U6:C,U6:D和相关的电阻、电容整形输出到单片机的T1端，用定时器/计数器T1来记录脉冲数，以与传感器转数成比例关系。(3)模拟电源控制电路上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统为了降低整个系统的功耗，模拟电路的电源仅在采集压力信号和流速信号时才开通，而在其他时间是关闭的。电源开关由三极管P1(9012)担当，其基极由单片机的P1.0口线控制。3)通信接口板电路通信接口板电路的原理图如图9-4所示。当系统从井下采集完数据回到地面或进行标定实验时，该板用插座W1’与主机板上的W1连接。通信接口板电路的用途有两点:一是系统与主机通信时，利用U9(MAX232)进行接口电平的转换;二是按钮S2与单片机的外部中断0(IN'PO)相接，既用做工作/标定选择开关，也作为通信中断申请开关当系统进行标定时，压下按钮S2，接通系统电源，系统将开始运行标定程序;若不压下按钮S2接通电源，系统将开始运行工作程序。上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统在系统采集完标定数据或井下数据与PC机通信时，此时系处于体眠状态。压下按钮S2，唤醒单片机，从而开始数据传送工作。9.1.4.软件的描述1.主程序主程序的流程见图9-5。由流程图可以看出，整个程序分为数据采集程序和流速标定程序两部分。系统上电或复位之后，经系统初始化，首先判断P3.2(INTO)的状态:若为1，转入数据采集程序;若为0，则转入流速标定程序。1)数据采集程序从数据采集的流程看，程序的执行可以分为四个阶段:等待数据采集、数据采集、采集结束等待返回及数据回放。上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统在等待数据采集阶段，系统处于低功耗的等待状态，主要是等待油井钻头深入地下，达到预定部位后再开始采集数据。计时采用定时器T0,IDL方式等待中断，时间约4个小时。时间达到4个小时后，系统进入数据采集阶段。本阶段共采集6组数据，每组数据约需10min。完成6组数据采集后，系统进入采集结束等待返回阶段，等待钻头返回地面。到达地面之后，即可将系统与主机连接。压下52键，向系统发出中断请求，系统结束IDE状态，转入数据回放阶段。在数据回放阶段，系统首先处于等待串行口中断，等待主机将数据回收、存盘。至此就完成了一次数据采集任务。上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统2)标定程序整个标定程序主要是为了修正系统误差而测定的一组标准压力和流速数据，据此计算出实际传感器的压力和流速系数，作为最后数据处理的依据。整个标定程序又分压力标定程序和流速标定程序两部分。标定的过程与数据采集的过程相似，只是起始的等待时间缩短为20min，每组数据的采集间隔为2min。2.子程序1)压力数据采集子程序设定定时器T1为定时方式，定时时间为20ms。晶振为3.686411MHz时，定时时间常数为0E804H。同时设定定时器T0为计数方式，所计压力脉冲写入片外PRAM中。上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统

上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统2)流速数据采集子程序设定T0为定时器，定时时间为100ms/次，采集时间为6s(100ms/次x60次);设定T1为计数方式，所计流量脉冲写入片外PRAM中。上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统3)串行口设置和串行中断服务子程序串行口设置SM0(SCON.7)=1,SM1(SOON.6)=1，9位，波特率可变，SM2(SOON.5)=0,REN=1允许串行接收。上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统上一页下一页返回4)IDL方式，延时等待子程序IDL方式，定时器TO定时中断，每100ms一次，晶振为3.686411MHz时定时时1}7常数为8814H(34836)。9.1压力、流速数据采集系统上一页下一页返回9.1压力、流速数据采集系统上一页返回9.2单片机控制的家用电加热锅炉电路9.2.1工作原理本电路设计是单片机系统的综合应用。它包含了LCD显示接口，键盘组成的人机交互接口，I2C总线接口的时钟芯片和E2PROM存储器芯片，单总线接口的温度传感器芯片和输出负载接口电路，工作原理如图9-6所示。本电路采用8位单片机(U1;87C51)作为主控制芯片，晶振采用12MHz。1.LCD显示接口液晶显示屏的控制器为HD16202，与单片机87C51(U1)的接口如图9-7所示。下一页返回9.2单片机控制的家用电加热锅炉电路单片机87C51(Ul)通过高位地址All(P2.3)控制CSB,A10(P2.2)控制CSA，以选通液晶显示屏上各区的控制器HD16202;同时8051用地址A9(P2.1)作为R/W信号控制总线的数据流向;用地址A8(P2.0)作为D/I信号控制寄存器的选择;E(使能)信号由87C51的P2.7产生。这样就实现了单片机对内置HD16202图形液晶显示模块的电路连接。电位器用于显示对比度的调节。液晶显示的第一、二位显示当前时间小时的十位、个位;第三、四位显示当前时间分钟的十位、个位;第五、六位显示当前温度的十位、个位(由于在大部分地区开水温度达不到100℃，因而两位显示就足够了)。上一页下一页返回9.2单片机控制的家用电加热锅炉电路2.温度传感器的接口DS18B20(U2)系列芯片是由美国DALLAS公司推出的一种单片集成温度传感器。它具有体积小、接口简单和使用方便等优点。采用单总线接口的数字温度计，测试温度为-55~+125℃:，精度可达0.06750G，最大转换时间为200msP1.0口连接单总线温度传感器DS18B20(U2)，如图9-8所示。3.时钟芯片的接口本装置主要是通过设置定时时刻表，由单片机查对当时的时间与时刻表是否相同，如果相同则控制负载工作，否则不输出。上一页下一页返回9.2单片机控制的家用电加热锅炉电路本装置使用的时钟芯片为PCF8563(U3)，它是PHILIPS公司生产的低功耗CMOS时钟/日历芯片，芯片具有I2C接口，其最大总线速度为400Kbit/s，每次读写数据后，其内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。P1.1,P1.2连接到时钟芯片(U3)PCF8563的SDA,SCL接口，如图9-9所示。4.数据存储器的接口数据存储器采用24C04(U4)，它是一种低功耗CMOS的E2PP}OM芯片，具有工作电压宽(2.5~5.5V)、擦写次数多(大于10000次)、写入速度快(小于10MS)等特点。VCC为电源，VSS为接地端。SDA为串行数据输入/输出，SCL为串行时钟输入线，数据通过这条双向I2C总线串行传送，WP为写保护端。上一页下一页返回9.2单片机控制的家用电加热锅炉电路P1.3,P1.4连接到数据存储器U4:24C04的SDA,SCL接口，P1.5接写保护端WP，如图9-10所示。5.功能键盘接口P3.0~P3.5为开关S0,S1,S2,S3,S4和SS输入端，接口电路如图9-11所示。图中，S0为定时功能选择键;S1为时间调整功能键;S2为控制温度调整功能键;S3、S4为时间和温度增量、减量调整键;S5为功能退出键。5.负载及报警电路图9-12为负载电路，P1.6口通过光藕MOC3041(U3)输出负载控制信号。图9-13为报警电路，P1.7口输出报警信号。上一页下一页返回9.2单片机控制的家用电加热锅炉电路9.2.2电路工作过程首先，通电后显示窗显示“00:00℃”表示机器处于待命状态。按是功能键，显示窗显示小时的个位与十位，通过功能键S3,S4来设置当前的时间的小时位，第二次按S1键显示分钟的个位与十位，小时位显示窗关闭，通过功能键S3,S4来设置当前的时间的分钟位。按S2进入温度设置状态，时间显示窗关闭，温度窗显示并通过功能键S3,S4来设置温度的上限和下限值。按S0功能键来设置定时功能，首先会进入小时设置状态，按S1键，调S3,S4设置小时，再按S1键进入设置分钟状态，调S3,S4设置分钟，显示窗的第五、六位显示定时的序号。按S5退出设置调整状态，显示正常的时间和温度。上一页下一页返回9.2单片机控制的家用电加热锅炉电路电路操作简单，可以100个定时时段点，在定时开启锅炉运行中，还受到设定温控的限制，并且在锅炉启动和停止时还会有轻轻的蜂鸣声和运行时有指示灯点亮。9.2.3软件设计程序采用模块化、结构化设计，并采用了软件抗干扰技术，其软件的可靠性好，可维护性强，其程序模块有:(1)主程序:主程序流程图见图9-14。(2)菜单(设置)程序:菜单程序完成同步时间设置和定时时间的设定。(3)到点工作程序:到点工作程序控制输出工作方式。上一页下一页返回9.2单片机控制的家用电加热锅炉电路(4)采样程序:采样程序中，有温度采样程序方式和时间输出，并检测是否达到定时时段，并作出处理。