控制系统工程设计第2章
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3．外形结构方案
按盘装仪表结构设计，其外形结构尺寸、安装尺寸、安装 方式、接线方式与常规测试仪表保持一致，便于替代传统测试 仪表。
2.3 硬件系统及驱动程序设计
8路温度巡检仪的硬件由主机电路、前向通道、后向通道、人机 接口电路、通信接口及供电电源几部分组成，如图2-1所示。其中， 主机电路由CPU、数据存储器、程序存储器、EEPROM存储器、定 时器/计数器、通用异步串行收发器、中断控制器、WDT定时器及 通用并行接口等部件组成；前向通道电路由Pt100转换电路、滤波 电路、多路模拟开关电路、放大电路、A/D转换电路组成；后向通 道电路由D/A转换电路、多路模拟开关电路、V/I转换电路、继电器 驱动电路组成；人机接口电路由按键和LED数码管组成；通信接口 电路由RS-485接口电路组成；供电电源电路分别向系统数字电路 提供逻辑5V电源，向模拟电路提供±12V与±5V模拟电源。
2.1.2 技术指标
测量范围：200℃～850℃。 测量精度：优于0.5级。 温度巡检周期：1s。 巡回显示周期：以秒为单位，可选定。 工作环境温度：0℃～50℃。 相对湿度：小于85%。 供电电源：220V AC，±10%，50Hz。 结构形式：盘装式。 外形尺寸：160mm（长）×80mm（宽）×160mm（
2.3.1 主机电路设计
主机电路设计的核心是选择一款恰当的嵌入式处理器，其处理速度、内含的存 储器容量、内含的功能部件尽可能满足系统要求，同时，市场售价满足整机硬件 成本要求。
系统对处理速度的要求：根据设计任务中关于温度巡检周期为1s，巡检8路的 要求，处理器应当在1/8s，即125ms内完成1路温度的数据采集、标度变换、线 性化处理、显示等各项任务。可选8位微处理器
系统对EEPROM存储器的要求：EEPROM存储器的使用性能是指，程序运行 时可以向其中写入数据或擦除数据，当系统关机或掉电时，写入的数据能够可靠 长久的保留。它主要用来存储使用者存储的数据，如巡回检测的路数（8路温度 巡检仪在使用中可以根据需要设定巡检路数）、超限报警值、巡回显示周期. 200 ～300B
系统对定时器/计数器的要求：8路温度巡检仪属于实时性很强的嵌入式系统， 实现实时性操作的硬件基础是定时器。对本设计任务来讲，需要1路定时器来产生 时钟节拍，实现实时操作；需要1路定时器来作为串行通信的波特率产生器；需要 1路定时器来实现A/D转换操作，因此至少需要3路定时器/计数器。
系统对程序存储器的要求：就设计任务中规定的功能及技术指标而言，软件 任务的复杂程度一般，当采用汇编语言编程实现时，一般5000条指令可以完成 全部编程任务。MCS-51而言，5000*2B=10KB.
系统对数据存储器的要求：数据存储器主要作为计算缓冲区、堆栈区、实时数 据存储区、中间数据存储区使用，对本设计任务而言，一般200～300B可以满足 需要。
第2章 基于单ຫໍສະໝຸດ Baidu机的智能温度巡检仪设计
2.1 设计任务 2.2 总体设计 2.3 硬件系统及驱动程序设计 2.4 软件设计 2.5 结构设计 2.6工程设计与组装调试
2.1 设计任务
2.1.1 主要功能
为了满足工业生产过程监控的要求，设计的智能温度巡检 仪应当具有如下功能：能与常用温度传感器配合检测多路温 度，本例是与温度传感器Pt100型铂热电阻配合，巡回检测 8路温度；可选择定点显示方式，也可选择巡回显示方式； 在全量程内，可设定超限报警值，当实测温度超过设定值时， 发出报警信号且有常开接点输出；将检测的每路温度转变为 与之线性对应的4～20mA电流输出；支持RS-485通信方式， 方便组成局域监控网络，使实测温度、温度超限设定值等参 数在网络中共享。
④ 中断源要求：中断源不应少于3个，中断级别不应少于2级。
⑤ 有串行通信接口。
⑥ 有足够多的通用I/O接口。
前向通道设计：A/D转换器分辨率不应低于12位，为了降低造价，8路温度通道 通 过多路开关技术，公用一个放大器、一个A/D转换器。
后向通道设计：采用一个D/A转换器，8路保持器，利用软件定时刷新的方法实 现多路模拟量输出。
显示部分：采用LED数码管，其亮度高，有效观测距离远，成本低
按键部分：采用薄膜按键，手感好，寿命长。
通信部分：采用RS-485传输技术，方便按照总线式网络拓扑组成局域测量网络 ，而且RS-485传输技术成熟，成本低。
2．软件总体方案 软件任务比较简单，不需要嵌入操作系统，主要包括监控
程序、人机服务程序、数据采集处理程序、通信服务程序几部 分。为了保证实时性要求，提高运行效率，采用ASM51汇编 语言编制。
深）。 开孔尺寸：152mm×76mm。
2.2 总体设计
首先要确定实现主要功能与技术指标的硬件、软件的总体设计方案。必须遵守 以下三个设计理念。 ① 智能温度巡检仪是以单片机为核心的嵌入式系统，有些功能既可以通过软件 编程实现，也可以通过硬件配置实现，应当遵守“能软不硬”的理念，即凡是能 够用软件方案实现的功能就不用硬件方案实现，其目的是降低制造成本。软件方 案只需在软件开发设计中一次性投入，一旦开发成功，在制造过程中将降低材料 成本和安装成本，同时能够提高整机的可靠性。任何电子元器件都有老化失效的 问题，整机的可靠性与采用元器件的数量成反比，减少使用的元器件数量，就相 当于提高了整机的可靠性。 ② 设计过程应当兼顾技术指标与经济指标，技术指标再高的仪表设备，如果制 造成本高、售价高，将不会有市场前景。 ③ 在设计过程中，选用的元器件与材料的市场供应渠道必须畅通。电子元器件、 电子材料的发展日新月异，必须选用目前市场敞开供应的元器件与材料，否则将 给日后的制造与维护带来很多麻烦。如果设计中选用了一些早已淘汰的元器件， 将无法实现样机的研发。即便样机开发成功，以后生产制造中的材料采购也十分 困难。
1．硬件总体方案
主机电路采用以8位单片机为核心的方案，片内要有足够多的硬件资源，尽 量减少扩展外部功能芯片，减小整机的体积，降低整机造价。选择的8位单片 机应具有如下资源。
① 足够的片内程序存储器，容量应不小于20KB。
② 足够的片内数据存储器，容量应不小于256B。
③ 为了满足实时性要求、通信要求和A/D转换要求，定时器/计数器数量不应 少于3个，容量应在16位以上。
按盘装仪表结构设计，其外形结构尺寸、安装尺寸、安装 方式、接线方式与常规测试仪表保持一致，便于替代传统测试 仪表。
2.3 硬件系统及驱动程序设计
8路温度巡检仪的硬件由主机电路、前向通道、后向通道、人机 接口电路、通信接口及供电电源几部分组成，如图2-1所示。其中， 主机电路由CPU、数据存储器、程序存储器、EEPROM存储器、定 时器/计数器、通用异步串行收发器、中断控制器、WDT定时器及 通用并行接口等部件组成；前向通道电路由Pt100转换电路、滤波 电路、多路模拟开关电路、放大电路、A/D转换电路组成；后向通 道电路由D/A转换电路、多路模拟开关电路、V/I转换电路、继电器 驱动电路组成；人机接口电路由按键和LED数码管组成；通信接口 电路由RS-485接口电路组成；供电电源电路分别向系统数字电路 提供逻辑5V电源，向模拟电路提供±12V与±5V模拟电源。
2.1.2 技术指标
测量范围：200℃～850℃。 测量精度：优于0.5级。 温度巡检周期：1s。 巡回显示周期：以秒为单位，可选定。 工作环境温度：0℃～50℃。 相对湿度：小于85%。 供电电源：220V AC，±10%，50Hz。 结构形式：盘装式。 外形尺寸：160mm（长）×80mm（宽）×160mm（
2.3.1 主机电路设计
主机电路设计的核心是选择一款恰当的嵌入式处理器，其处理速度、内含的存 储器容量、内含的功能部件尽可能满足系统要求，同时，市场售价满足整机硬件 成本要求。
系统对处理速度的要求：根据设计任务中关于温度巡检周期为1s，巡检8路的 要求，处理器应当在1/8s，即125ms内完成1路温度的数据采集、标度变换、线 性化处理、显示等各项任务。可选8位微处理器
系统对EEPROM存储器的要求：EEPROM存储器的使用性能是指，程序运行 时可以向其中写入数据或擦除数据，当系统关机或掉电时，写入的数据能够可靠 长久的保留。它主要用来存储使用者存储的数据，如巡回检测的路数（8路温度 巡检仪在使用中可以根据需要设定巡检路数）、超限报警值、巡回显示周期. 200 ～300B
系统对定时器/计数器的要求：8路温度巡检仪属于实时性很强的嵌入式系统， 实现实时性操作的硬件基础是定时器。对本设计任务来讲，需要1路定时器来产生 时钟节拍，实现实时操作；需要1路定时器来作为串行通信的波特率产生器；需要 1路定时器来实现A/D转换操作，因此至少需要3路定时器/计数器。
系统对程序存储器的要求：就设计任务中规定的功能及技术指标而言，软件 任务的复杂程度一般，当采用汇编语言编程实现时，一般5000条指令可以完成 全部编程任务。MCS-51而言，5000*2B=10KB.
系统对数据存储器的要求：数据存储器主要作为计算缓冲区、堆栈区、实时数 据存储区、中间数据存储区使用，对本设计任务而言，一般200～300B可以满足 需要。
第2章 基于单ຫໍສະໝຸດ Baidu机的智能温度巡检仪设计
2.1 设计任务 2.2 总体设计 2.3 硬件系统及驱动程序设计 2.4 软件设计 2.5 结构设计 2.6工程设计与组装调试
2.1 设计任务
2.1.1 主要功能
为了满足工业生产过程监控的要求，设计的智能温度巡检 仪应当具有如下功能：能与常用温度传感器配合检测多路温 度，本例是与温度传感器Pt100型铂热电阻配合，巡回检测 8路温度；可选择定点显示方式，也可选择巡回显示方式； 在全量程内，可设定超限报警值，当实测温度超过设定值时， 发出报警信号且有常开接点输出；将检测的每路温度转变为 与之线性对应的4～20mA电流输出；支持RS-485通信方式， 方便组成局域监控网络，使实测温度、温度超限设定值等参 数在网络中共享。
④ 中断源要求：中断源不应少于3个，中断级别不应少于2级。
⑤ 有串行通信接口。
⑥ 有足够多的通用I/O接口。
前向通道设计：A/D转换器分辨率不应低于12位，为了降低造价，8路温度通道 通 过多路开关技术，公用一个放大器、一个A/D转换器。
后向通道设计：采用一个D/A转换器，8路保持器，利用软件定时刷新的方法实 现多路模拟量输出。
显示部分：采用LED数码管，其亮度高，有效观测距离远，成本低
按键部分：采用薄膜按键，手感好，寿命长。
通信部分：采用RS-485传输技术，方便按照总线式网络拓扑组成局域测量网络 ，而且RS-485传输技术成熟，成本低。
2．软件总体方案 软件任务比较简单，不需要嵌入操作系统，主要包括监控
程序、人机服务程序、数据采集处理程序、通信服务程序几部 分。为了保证实时性要求，提高运行效率，采用ASM51汇编 语言编制。
深）。 开孔尺寸：152mm×76mm。
2.2 总体设计
首先要确定实现主要功能与技术指标的硬件、软件的总体设计方案。必须遵守 以下三个设计理念。 ① 智能温度巡检仪是以单片机为核心的嵌入式系统，有些功能既可以通过软件 编程实现，也可以通过硬件配置实现，应当遵守“能软不硬”的理念，即凡是能 够用软件方案实现的功能就不用硬件方案实现，其目的是降低制造成本。软件方 案只需在软件开发设计中一次性投入，一旦开发成功，在制造过程中将降低材料 成本和安装成本，同时能够提高整机的可靠性。任何电子元器件都有老化失效的 问题，整机的可靠性与采用元器件的数量成反比，减少使用的元器件数量，就相 当于提高了整机的可靠性。 ② 设计过程应当兼顾技术指标与经济指标，技术指标再高的仪表设备，如果制 造成本高、售价高，将不会有市场前景。 ③ 在设计过程中，选用的元器件与材料的市场供应渠道必须畅通。电子元器件、 电子材料的发展日新月异，必须选用目前市场敞开供应的元器件与材料，否则将 给日后的制造与维护带来很多麻烦。如果设计中选用了一些早已淘汰的元器件， 将无法实现样机的研发。即便样机开发成功，以后生产制造中的材料采购也十分 困难。
1．硬件总体方案
主机电路采用以8位单片机为核心的方案，片内要有足够多的硬件资源，尽 量减少扩展外部功能芯片，减小整机的体积，降低整机造价。选择的8位单片 机应具有如下资源。
① 足够的片内程序存储器，容量应不小于20KB。
② 足够的片内数据存储器，容量应不小于256B。
③ 为了满足实时性要求、通信要求和A/D转换要求，定时器/计数器数量不应 少于3个，容量应在16位以上。