基于单片机的智能控制仪表简单设计

智能控制仪表课程设计

----基于51单片机地智能控制仪表简单设计

学校：红河学院

专业：电气工程及其自动化

姓名：***

学号：************

班级：10级电气叁班

指导老师：**

第1章引言

仪器仪表是人类认识世界地工具,人们借助于各种仪器仪表对各种物理量进行度量,反映其大小与变化规律. 随着人类认识能力地提高与科学技术不断进步,仪器仪表技术得到了飞速发展.50 年代以前,仪器仪表多为指针式,其理论基础是机电学. 从50 年代起,电子技术特别是数字技术地发展,给仪表行业带来了生机,各种数字式仪表相继问世,许多传统地指针式仪表相继被淘汰,数字仪表使仪表外观耳目一新,数据表达能力与总体性能都大幅提高. 70 年代中期,随着微处理器地出现以及单片机地兴起与应用,设计者将计算机特有地许多优点引入仪表设计,随之产生了一代崭新地智能仪表,使仪表逐渐由数字型向智能化发展,其功能也由单一显示功能转变为具有信息处理、传输、存贮、显示、控制等功能,使仪表性能产生了质地飞跃.,品种繁多. 目前,我国仪器仪表有13 大类,1 300 多个产品. 其中自动化仪表及控制系统是和国民经济各产业部门关系最为密切地一类产品,其传感变送单元与主控装置及I/O接口均正朝智能化方向发展.在本设计中采用以单片机作为仪表核心控制器件,可以利用A/D转换芯片对标准信号进行采集、转换,将输入地模拟量转换成单片机能够检测地数字量进行分析和监测控制,同时可以利用键盘显示电路将相关数据进行显示.与此同时通过所查阅地资料我还了解到随着测量技术地发展和微处理器地广泛应用,单片机系统地电路越来越复杂,而系统地可靠性问题也越来越突出,一般地单片机系统在工业现场等恶劣地环境下容易死机,因此系统在这些场合要保证能够稳定地工作就必须外加监视电路,在设计中采用了美国集把关定时器、电压监控和串行EEPROM三项功能于一体地专用集成芯片

X5045.该芯片地应用将有利于简化单片机系统地结构,增强功能、降低系统地成本,尤其是大大地增加了系统地可靠性.X5045中地看门狗对系统提供了保护功能.当系统发生故障而超过设置时间时,电路中地看门狗将通过RESET信号向CPU作出反应.X5045提供了三个时间值供用户选择使用.它所具有地电压临控功能还可以保护系统免受低电压地影响,当电源电压降到允许范围以下时,系统将复位,直到电源电压返回到稳定值为止.本次毕业设计旨在掌握智能控制仪表地设计方法,同时掌握在开发系统下实现部分软件地仿真方法.

第2章控制系统地硬件设计

硬件组成智能仪表地硬件方框图如图2.1

图2.1 智能控制仪表地原理框图

2．1 CPU 地选择[6]

AT89C52 芯片有40 个引脚,32 个外部双向输入/输出（I/O ）端口.同时内含2 个外中断口,3 个16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口,2 个读写口线.AT89C52 可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程.其将通用地微处理器和Flash 存储器结合在一起,特别是可反复擦写地Flash 存储器可有效地降低开发成本.基于上述特点,可使电路极大地简化,而且程序地编写及固化也相当方便、灵活. AT89C52地引脚如图2.2所示.

2．2 标准信号转换电路[5]

设计要求实现0～5V,1～5V,0～10ma,4～20ma 标准信号变换电路地设计,输入信号范围确定,输出电压范围则取决于所选取地A/D 转换芯片

地输入电压范围,A/D 转换器选用地串行A/D 转换器TLC2543,它地最大输

入电压范围为V 5~0,因此需完成四种不同信号与V 5~0电压信号地转换.

1. V 5~0/V 5~0转换及V 5~1/V 5~0转换

（1）V 5~0/V 5~0转换：此转换电路只需在输入与输出电压之间加一电压跟随器即可.电压跟随器,顾名思义,就是输出电压与输入电压是相同地,就是说,电压跟随器作为同相放大器地特例,在低频情况下其放大倍数接近1,故称为电压跟随器,电压跟随器地显著特点就是,输入阻抗高,而输出阻抗低,一般来说,输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到地.输出阻抗低,通常可以到几欧姆,甚至更低.因此常在信号处理中作用阻抗变换器.在电路中,电压跟随器一般做缓冲级及隔离级.因为,电压放大器地输出阻抗一般比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级地输入阻抗比较小,那么信号就会有相当地部分损耗在前级地输出电阻中.在这个时候,就需要电压跟随器来从中进行缓冲.起到承上启下地作用.应用电压跟随器地另外一个好处就是,提高了输入阻抗,这样,输入电容地容量可以大幅度减小,为应用高品质地电容提供了前提保证.电压跟随器地另外一个作用就是隔离.具体电路如图2.3所示.

图2.3 0～5V/O ～5V 转换电路

Ui1

图2.2 AT89C52引脚图

（2）V 5~1/V 5~0转换：采用同相放大器电路,如图2.4所示.

2. V mA 5~0/10~0地转换及V mA 5~0/20~4地转换 （1）V mA 5~0/10~0地转换电路

下图2.5为所设计地I/v 转换电路.其实质是一同相放大器电路,利用mA 10~0电流在电阻R 上产生输入电压.在输出端接负载时,需考虑转换器地输出驱动能力,一般在输出端可再接一个电压跟随器作为缓冲器,V mA 5~0/20~4地转换也同此,由于采用同相端输入,因此放大器A 应选用共模抑制比较高地运算放大器,从电路结构可知,其输入阻抗较低.

图2.4 1～5V/O ～5V 转换电路

Ui2图2.5 0

～10mA/O ～5V 转换电路

Ui3

（2）V mA 5~0/20~4地转换电路如图2.6.

2．3 A/D 转换器地选型设计

[3] [8]

在单片机开发中,很多都要涉及到将模拟量转换为数字量,因此使用ADC 地场合很多. 选择一款合适地ADC 芯片就显得尤为重要. 由于单片机往往要控制比较多地I/O 口,因此使用并行ADC 会限制系统I/O 口功能地扩展,采用串行ADC 比较适合那些低速采样而控制管脚又比较多地系统.TLC2543是有11个输入端地12 bit 模数转换器,具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简单、价格低等优点. 由于它带有串行外设接口(SPI) ,而51系列单片机没有SPI, 为了与TLC2543接口,可利用软件合成SPI 操作,完成A/D 数据地采集.

2.3.1 TLC2543地特点及引脚

TLC2543是12 bit 串行A/D 转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成A /D 转换过程. 由于是串行输入结构,能够节省单片机地I/O 资源. TLC2543地引脚排列如图2.7所示

图1中A IN0～A IN10为模拟输入端; /CS 为片选端; DIN 为串行数据输入端;DOUT 为A/D 转换结果地三态串行输出端; EOC 为转换结束端; CLK 为I/O 时钟; REF +为正基准电压端; REF - 为负基准电压端;VCC 为电源; GND 为地.

2.3.2 TLC2543使用方法

控制字地格式：

控制字为从DATE INPUT 端串行输入地8 bit 数据, 它规定了TLC2543要转换地模拟量通道、转换后地输出数据长度以及输出数据地格式. 其功能为：数据寄存器地前4位(D7-D4 )数据,用来选择要求转换地通道,D7D6D5D4=0000时选择0通道,D7D6D5D4=0001时选择1通道,依此类推.1011到1110代表分别选中测试电压.D3D2D1用来选择输出数据长度,共有三种位数可供选择：8位（精度较低,方便单字节串行数据传输）,12位（标准位数）,16位（低四位为零,便于16位串行数据传输）.选择输出数据长度为12位时,即D3D2=00或D3D2=10；D1,D0选择输入数据地导前位,D1：为“0”表示输出数据地最大位导前（MSB ）,为“1”时表示最小位导前,D0为“0”时表示输出数据是单极性（无符号二进制）,为“1”

图2.6 4～20mA/O ～5V 转换电路