基于51單片機的經(jīng)濟型高精度變送器設計

1 引言

自動(dòng)化儀表主要由檢測儀表和控制儀表兩大部分組成。隨著(zhù)生產(chǎn)的不斷發(fā)展,生產(chǎn)規模越來(lái)越大,相應的自動(dòng)化管理系統日趨復雜。由于計算機技術(shù)的高度發(fā)展和廣泛應用,近 10 年來(lái)在控制系統方面有了很大進(jìn)展。變送器是工業(yè)過(guò)程重要的基礎自動(dòng)化設備之一。主要完成物理信號的測量和變換處理。隨著(zhù)高參數、大容量設備的增加和過(guò)程工藝的復雜化。對自動(dòng)化的依賴(lài)性越來(lái)越大,變送器用量不斷增多,要求不斷提高。在實(shí)際工程應用項目中,因項目資金有限,選用市售智能變送器會(huì )大大增加項目資金的投入,項目指標要求也許僅僅為了觀(guān)測某點(diǎn)參數的情況,選用模擬變送器達不到系統要求,選用市售智能變送器會(huì )造成功能浪費。因此,系統設計往往采用傳感器+主機構成現場(chǎng)儀表形式,可降低系統成本,實(shí)現所需功能。

2 系統功能

由于同一種傳感器制作時(shí)材料、工藝的差別,使每只傳感器輸出信號幅值都不一樣,不同作用的傳感器同樣存在輸出信號不同一的問(wèn)題。這給主機的設計、調試、維修帶來(lái)了很大困難。所以,對選用輸出不同幅值的弱信號傳感器應用系統,設計一種通用的主機,實(shí)現信號的變送和傳輸,可降低系統成本,便于調試、維修,是相當必要和有實(shí)用意義的。www.51kaifa.com

3 智能變送器硬件電路設計

3.1 智能變送器工作原理框圖

變送器是工業(yè)過(guò)程重要的基礎自動(dòng)化設備之一。主要完成物理信號的測量和變換處理。隨著(zhù)高參數、大容量設備的增加和過(guò)程工藝的復雜．對自動(dòng)化的依賴(lài)性越來(lái)越大,變送器用量不斷增多．要求不斷提高。智能變送器都是以 CPU為核心構成的數字化儀表,工作原理如圖1所示:

圖1 智能變送器工作原理

3.2 智能變送器硬件電路設計框圖

本論文智能變送器的硬件電路設計主要包括單片機選擇、弱信號增益自調節電路設計、A/D 轉換器選擇及接口電路設計、D/A 轉換器電路選擇及接口設計、看門(mén)狗電路、存儲器電路設計、RS—485 總線(xiàn)接口電路設計、4～20mA 轉換電路設計、鍵盤(pán)和顯示器接口電路設計等。硬件設計原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件設計原理框圖

3.3 各部分功能電路設計

3.3.1 單片機選擇

因 MCS-51 系列單片機已被國內用戶(hù)廣泛認可和應用,貨源充足,資料豐富,仿真工具種類(lèi)繁多且成熟,因此設計選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列的89C52單片機,其本身具有 8051CPU 內核,片內 256 字節 RAM、特殊功能寄存器 SFR、8KB FLASH 程序存儲器、4個(gè)8位并行 I/O 口、2個(gè)16位定時(shí)計數器、全雙工串行口、布爾處理器、2個(gè)優(yōu)先級的6個(gè)中斷源等內部資源。硬件擴展方便,用途廣泛。

3.3.2 輸入信號增益自調節電路設計

圖3 增益自調節電路原理圖

本設計采用非易失性數控電位器和高精度運放組成程控增益放大器。由新型的集成儀表放大器 AD623 和非易失性數控電位器 X9241 組成。設計采用的電路具有增益范圍寬、占用uP口的線(xiàn)少,成本低,適用做單片機數據采集系統的傳感器與 ADC 之間的信號放大器。增益自調節電路原理如圖3所示。

3.3.3 模-數轉換器選擇及接口電路設計

TLC2543 是具有11個(gè)輸入端的12位串行模數轉換器。是近幾年推出的一種性能價(jià)格比較優(yōu)越的12位A/D轉換芯片,具有多種封裝形式,TLC2543 具有轉換快、穩定性好、與微處理器接口簡(jiǎn)捷、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),因此本設計采用TLC2543作為模-數轉換器。www.51kaifa.com

3.3.4 數-模轉換器接口電路設計

本設計數-模轉換器選用具有兩個(gè)輸入數據寄存器的8位 D/A 轉換器DAC0832,它能直接與 MCS—51 單片機相接口,不需要附加任何其他 I/O 接口芯片。

3.3.4 V/I變換電路設計

本部分主要由多通道模擬開(kāi)關(guān)CD4051,采樣保持集成電路LF398,及放大器組成。具有多路轉換,采樣保持,及 V/I 變換功能。由于設計的是六個(gè)通道采集輸入和六個(gè)通道分別輸出的系統,所以用8選1的模擬開(kāi)關(guān)CD4051。CD4051由電平轉換電路、譯碼電路和開(kāi)關(guān)電路三部分組成。www.51kaifa.com

3.3.4 復位及運行監視電路設計

由于80C51單片機內沒(méi)有獨立的監視定時(shí)器(Watchdog Timer),所以需另行設計監視電路以提高系統的可靠性。設計中采用了專(zhuān)用集成電路X5045。X5045是一種集成看門(mén)狗、電壓監控和串行 EEPROM 三種功能于一身的可編程電路。設計時(shí)應考慮以下幾方面問(wèn)題:1.上電復位;2.電壓監視;3.看門(mén)狗定時(shí)器;4.SPI 串行非易失數據存儲器。

3.3.5 RS-485 總線(xiàn)接口電路設計

該部分電路為通信協(xié)議物理層硬件設計。其中采用高速光電藕合器6N137,以適應高速串行數據通信要求,提高通信電路的抗干擾能力;采用 SN75LBCl84,它是一種RS—485接口芯片,該芯片在傳輸率為250kbps的情況下可傳輸的最遠距離可達1.5km,可以完成 TTL 電平與RS—485電平之間的轉換。該芯片還有一個(gè)獨特的設計．即當輸入端開(kāi)路時(shí),其輸出為高電平,這樣,即使在接收器輸入端電纜有開(kāi)路故障時(shí),也不影響系統的正常工作。

3.3.6 顯示器接口電路設計

設計使用的顯示器采用的是型號為QH2001的128×64點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊LCM,與CPU接口簡(jiǎn)單, 顯示器可以直接顯示漢字、ASCII 碼字符,使顯示信息清晰易懂,符合閱讀習慣。

3.3.7 鍵盤(pán)接口電路與電源設計

74LS373 作為鍵盤(pán) I/O 接口,共設計９個(gè)按鍵。電源由 220V AC 供電,采用集成開(kāi)關(guān)電源,分別供出+5V 和 2A(單片機系統使用)、+5V 和 1A(RS—485 接口隔離使用)、±12V(放大電路使用)三種規格的值。

4 智能變送器軟件設計www.51kaifa.com

智能變送器的軟件部分采用MCS—51匯編語(yǔ)言、模塊化程序設計方法,主要模塊有監控程序模塊、信號增益自調節模塊、數據采集和處理模塊、信號輸出模塊、通信模塊、鍵盤(pán)掃描模塊、采樣定時(shí)模塊等。下面分別予以介紹。

4.1 監控程序模塊

系統監控程序是控制單片機系統按預定操作方式運轉的程序。是單片機系統程序的框架。其主要任務(wù)完成系統自檢、初始化、處理鍵盤(pán)命令、處理接口命令、處理條件觸發(fā)并完成顯示功能。在設計監控程序時(shí),在通信、定時(shí)采集數據、鍵盤(pán)掃描、數據顯示等功能中,為及時(shí)響應其它儀器通信要求,通信功能的優(yōu)先級別應最高,次之為定時(shí)采集數據,優(yōu)先級別最低為數據顯示,各作業(yè)之間具有明顯優(yōu)先級的差別,所以監控程序采用作業(yè)優(yōu)先調度型,優(yōu)先級高者先運行。www.51kaifa.com

4.2 輸入信號增益自調節模塊

此模塊根據上位機傳送過(guò)來(lái)的弱信號的最大值VMAX來(lái)設定放大環(huán)節的放大系數。將弱信號放大到0～5V,即放大系數等于5000除以VMAX。

4.3 數據采集和處理模塊

該部分模塊主要包括 A/D 轉換子程序、去脈沖干擾平均值濾波子程序、標度轉換子程序等。為更好的消除脈沖干擾的影響,系統采用去極值平均濾波。即連續采樣7次,將其累加求和同時(shí)找出其中的最大值和最小值,再從累加和中減去最大值和最小值,按5個(gè)采樣值求平均,即得有效采樣值。

4.4 通信模塊設計

數字通信是智能變送器的基本功能,硬件設計采用 RS—485 總線(xiàn)將多臺變送器連接成一個(gè)分布式數據采集系統。這種 RS—485 網(wǎng)絡(luò )結構具有接口簡(jiǎn)單、靈活性好、價(jià)格低、易于控制等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應用于工業(yè)控制系統中。

4.5 采樣定時(shí)模塊

采樣定時(shí)利用單片機內部定時(shí)器 T0 完成。T0基準定時(shí)時(shí)間為50MS。采樣時(shí)間判斷分兩部分完成,一是在T0中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生一個(gè)1秒的時(shí)基信號,二是在主程序中調采樣時(shí)間判斷子程序,判斷是否到某通道采集時(shí)間。

5 智能變送器軟件抗干擾的設計

串入單片機系統內部的干擾會(huì )對單片機的工作造成很?chē)乐氐挠绊?將造成軟件系統失控,即程序跑飛。其后果將不可設想,因此,必須盡可能早地發(fā)現并采取補救措施。軟件功能設計完成后,為提高系統抗干擾性能,采取一些軟件抗干擾措施。主要有:

1.指令冗余

當程序跑飛、跑亂后,當程序執行到單字節指令上時(shí),使自己自動(dòng)納入正軌。為了使跑飛的程序迅速納入正軌,應多用單字節指令,在對程序流向起決定作用的指令(如 RET RETI ACALL LCALL LJMP JZ JNZ JC JNC DJNZ)前,加兩條 NOP指令,形成指令冗余。如www.51kaifa.com

NOP

NOP

LJMP CHULI; 數據處理子程序

2. 軟件陷阱

當程序進(jìn)入非程序區(如空閑 EPROM 區),或表格區時(shí),采用冗余指令無(wú)法使程序恢復正軌,此時(shí)可以設定軟件陷阱,攔截亂飛的程序,將其迅速引入一個(gè)指定位置,并有專(zhuān)門(mén)對程序運行出錯處理的程序。軟件陷阱由三條指令構成:

NOP

NOP

LJMP ERR; ERR錯誤處理程序入口

3. 看門(mén)狗復位

當程序陷入死循環(huán)后,軟件攔截技術(shù)無(wú)法將程序拉回正軌,經(jīng)一定時(shí)間后看門(mén)狗就自動(dòng)給 CPU 發(fā)送復位信息,強迫程序返回到 0000H 入口?？撮T(mén)狗喂狗程序為:

SETB CS5045; CS5045 為 X5045 的片選引腳

CLR CS5045

SETB CS5045

6 本文作者創(chuàng )新點(diǎn):

智能變送器,是計算機技術(shù)、檢測技術(shù)與通信技術(shù)匯合的結果,本文按照經(jīng)濟、實(shí)用、可靠的設計要求,對選用輸出不同幅值的弱信號多傳感器應用系統,設計一種通用的主機,利用儀表運算放大器AD623和數控電位器X9241設計了增益自調節mvDC信號高精度放大電路,采用12位串行接口、具自診斷功能 A/D轉換器TLC2543完成模擬信號到數字信號轉換,經(jīng)89C52單片機采集處理后,由D/A、V/I轉換電路變換為DC標準信號,以保持與模擬儀表兼容,同時(shí)經(jīng)光電隔離和RS-485接口,實(shí)現遠程數字信號傳輸。進(jìn)行了軟件、硬件設計。

參考文獻:

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[3] 郝曉弘等,基于 FF 協(xié)議的智能變送器的設計與開(kāi)發(fā),儀表技術(shù)與傳感器,2003.5

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