[电力/水利]闸门开度荷重测控仪

[电力/水利]闸门开度荷重测控仪 题目 闸门开度荷重测控仪 系 别 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师,职称, 日 期 2013-03-07 兰州工业学院 毕业论文 毕业论文答辩ppt模板下载毕业论文ppt模板下载毕业论文ppt下载关于药学专业毕业论文临床本科毕业论文下载 摘 要 闸门开度荷重测控仪是一种用于现场测量、控制闸门开度及荷重的智能化仪表。是以单片机AT89C52为核心部件的工作系统。通过单片机编程的软件程序支持，对从传感器采集到的开度信号和荷重信号进行计算、判断处理。测控闸门的开度荷重状态并在故障时报警，另外对闸门开度荷重测控仪的各参数可以通过LED显示器进行查看。并且该系统还可以与远程监控(PC机)之间进行通信，数据传输采用RS485总线，依靠自主 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的通信协议来保证具有很好的安全冗余度和良好的人机界面，实现更高的智能水平。 关键词: 闸门 ，单片机， 开度， 荷重， 传感器 兰州工业学院毕业 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 Abstract This gate’s open degree monitor is a system mainly bases on AT89C52, with the help of software of C. Through calculation between people and system by key, this system can display the stase of open degree and load. It can alert when there are some problems, drive relay work, control and manage the various parameters of this monitor on LED. It can also communicate with PC by 485 bus. This self design agreement assured the accuracy and sccurity of this communication. It has a perfect redundant degree and man-machine interface which is intelligent than before. With the adjustment in laboratory and scene, the result indicate. Key Words: gate; single chip microcontroller; open degree; load value; sensor 兰州工业学院毕业论文 目 录 1 绪 论 .................................................................................................................................................... - 1 - 1.1引言 ...................................................................................................................... - 1 - 1.2闸门开度荷重监控系统的发展应用 .................................................................... - 2 - 1.3 课题的主要研究内容 .......................................................................................... - 4 - 2 系统总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计 ........................................................................................................................... - 6 - 2.1系统的组成与性能 ............................................................................................... - 6 - 2.2微机控制器的选择 ............................................................................................... - 8 - 2.3系统总体方案的确定 ......................................................................................... - 15 - 3 闸门控制系统硬件设计 ................................................................................................................ - 16 - 3.1测量电路 ............................................................................................................ - 16 - 3.1.1闸门开度测量 ........................................................................................... - 16 - 3.1.2 荷重信号采样 .......................................................................................... - 19 - 3.2转换电路 ............................................................................................................ - 20 - 3.2.1 A/D转换 ................................................................................................ - 20 - 3.2.2 D/A转换 ................................................................................................ - 24 - 3.2.3 I/V转换电路 .......................................................................................... - 26 - 3.3 LED显示电路 .................................................................................................... - 29 - 3.4 键盘接口电路 .................................................................................................... - 32 - 3.5 驱动电路 ........................................................................................................... - 33 - 4 系统软件的设计.......................................................................................................... - 38 - 4.1 系统软件设计概述 ............................................................................................ - 38 - 4.2系统软件流程 ..................................................................................................... - 38 - 5 通信总线的选择 .............................................................................................................................. - 40 - 5.1 RS485通信总线 ................................................................................................. - 40 - 5.2 RS485芯片的选用 ............................................................................................. - 41 - 结 论 ............................................................................................................................. - 42 - 致 谢 ............................................................................................................................. - 43 - 参考文献 ......................................................................................................................... - 44 - 附录A .............................................................................................................................. - 45 - 附录B .............................................................................................................................. - 46 - 兰州工业学院毕业论文 兰州工业学院毕业论文 1 绪 论 1.1引言 水能源是一种十分宝贵的资源，环境几乎一切都离开不了水。中国河流众多，水系庞大而复杂。主要有黑龙江水系、松花江水系、鸭绿江水系、辽河水系、海滦河水系黄河水系、淮河水系、长江水系、珠江水系等;西南有澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等水系;西北有额尔齐斯河、伊犁河水系;还有塔里木河及新疆、甘肃、内蒙、青海等内陆水系，众多水系构成中国水力资源蛛网密布的格局。 鉴于水源在我国国民经济、人民群众生活中的重要性，对用来调闸门、水位数据进行全天候监控是完全必要的。 首先，可以实时跟踪、监控江河闸门开度、水位高度的数据，为合理调度水资源提供第一手数据资料。根据闸门上、下游水位高度，以及闸门的当前开度，再根据水资源调度的具体需求，从而确定出当前闸门的具体控制方案。因此通过闸门微机监控系统，可以及时掌握闸门、水位的实时数据，为水资源调度提供第一手数据。 其次，闸门微机监控系统在泄洪抗灾、水利发电等方面具有不可替代的作用。闸门作为水利系统基层的工程之一在防洪抗灾中扮演了重要角色，除了满足水利部门的用水需求外，防洪、保护工农业生产和人民生命财产安全以及环境保护等诸多方面都发挥了巨大的积极作用。为了进一步发挥泵站的综合利用效益，尽可能减少洪涝灾害的损失，提高调度管理的决策水平，建设闸门综合自动化监控信息系统是必不可少的。 由于闸门所处工作环境恶劣、电磁场噪声干扰大，使闸门的实时控制很难准确进行,而其中载荷监控仪器是大中型水库、水电站中保证闸门安全运行的重要条件。但是，仅有载荷监控是不够的，闸门的开度测量仪器是提高整个系统灵活性的必要条件，由于不同时期的水位不同或者不同操作的条件，系统所需的开度是多样化的，因而闸门启闭机的开度测量仪器也是非常重要的配套设备。 - 1 - 兰州工业学院毕业论文 1.2闸门开度荷重监控系统的发展应用 水电自动化技术是二十世纪开始发展起来的。至二十世纪，几乎都是主机与控制一体的直接控制。之后则是引进了远方控制技术，那时还大多采用电磁式、机械式继电器，采取将继电器装在控制盘中的方法。六十年代则广泛采取晶体管和半导体电子技术，控制回路向电子化、小型化、无触点化方向发展，集中化技术被普遍应用。由于遥测装置的信号传输技术的发展和数字技术的支持，又出现了远距离集中监控，进而可以实现大范围控制。 计算机技术不论是在硬件的集成度、可靠度、经济性和综合技术指标，还是在软件配置的丰富程度和适应性等方面均己发展至较高的水平，在发达国家的水电自动化中得到了普遍的应用. 随着微电子技术、计算机技术、数据通信技术和自动控制理论的迅猛发展，以微处理器为核心的微型计算机被应用到许多行业，传统的顺序控制器，如继电器控制逻辑、二极管矩阵逻辑以及硬件接线的数字逻辑愈来愈多地被前者所替代。微机技术在水电站自动控制系统中己占压倒优势，计算机技术、控制技术、通讯技术和CRT技术已成为水电自动控制系统的重要部分。 与此同时，软件产业也蒸蒸日上，各种应用软件应运而生，充斥于生产生活的各个角落。计算机大量应用于水电站自动控制系统，随着网络和计算机通信技术的快速发展，网络在水电站监控和自动化系统中得到成功的应用。通过网络实现数据快速传送、远方监视和操作，以及远程故障排除，节省了时间和经费，因此利用网络已经成为目前水电站自动化的一个发展方向。 近年来，随着水电站自动控制系统硬件设备不断升级，设计人员更多考虑水电站运行的可靠性，采用了许多新技术、新理念。 1. 采用双主机冗余、网络冗余。水电厂实现“无人值班”(少人值守)后，由于现场值班人员减少，值班人员往往只有两人，当现场设备出现故障时，值班人员一般要等较长时间才能抵达现场，因此对于自动控制系统的可靠性要求更高，要求有较高的冗余度，在系统降阶运行时不影响电站的安全。为了满足要求，水电站自动控制系统的硬件采用多层次的冗余措施。由软件实现冗余设备的检测与故障诊断，实现冗余部件的无扰动切换，确保系统中某一部件的故障不影响系统的正常运行。 - 2 - 兰州工业学院毕业论文 2. 采用分层分布式、集散控制系统。五十年代以集中控制系统为主，其主要特点是由单一的计算机完成控制系统的所有功能和对所有被控对象实施控制。随着计算机应用的不断深入，系统功能越来越复杂，系统规模也越来越庞大，集中式控制系统己越来越无法满足应用需求了。人们迫切需要一种新的系统体系，分散故障风险 ，提高自动 决方案，控制系统的可靠性。针对集中式控制系统存在的种种问题，人们开始寻求解 逐渐形成了DCS设计的基本原则:每台计算机的处理尽量单一化;用计算机网络 解决系统的扩充与升级的问题。事实上，被控制过程本身具有层次性和可分割性，上述原则符合被控制过程自身的内在规律，因此在1975年由Honeywell公司率先推出基于上述设想的DCS后，很快地得到了广泛的承认和普遍的应用，其后有许多家公司如美国的Foxboro、日本的Yokogawa), Westinghouse, , Taylor(现在属于瑞士ABB), Moore,德国的Siemens、加拿大的Bailey等纷纷推出各自的DCS o经过短短的二十几年，目前DCS已成为计算机控制系统的主流产品。 针对水电站建设和运行的特点，当今的水电站自动控制系统多采用分层分布式体系。它是将水电站众多的设备单元或实时控制任务，交由多个子系统或控制终端来承担，各子系统或终端间可以进行信息交换，也可以在上位机的协调下协同工作。采用分层分布式监控系统的例子很多，国外的典型实例有美国的大古力水电站，委内瑞拉的古里水电站，国内的典型实例有葛洲坝大江水电站，丹江口水电站等等。 3. 在控制主回路中取消有机械旋转部件(如硬盘)的IPC，采用PLC直接上网的技术。由于工业控制微机(简称IPC)结构复杂，有机械旋转部件如硬盘、风扇等，是LCU乃至监控系统的可靠性瓶颈。一些水电站监控系统，如H9000 V3.0,在系统结构有较大改进，LCU采用了可编程控制器直接上以太网的方式，在控制主回路中取消了IPCI IPC仅作为现场的辅助控制人机联系设备，系统正常运行时，IPC可以退出运行。由于控制主回路取消IPC，使LCU的可靠性大幅度提高，可以很好地满足下一阶段水电厂无人值班运行的要求。IPC也可由智能化液晶操作面板代替，可靠性可进一步提高。 4. 采用现场总线、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化技术，使水电站自动控制系统向开放式分布式系统迈进。采用现场总线作为通信系统的控制系统称为现场总线控制。现场总线控制系统使控制分散，把控制功能转移到现场。满足各主流总线标准的分布式现场总线结构(LCU)可连接各种远程UO模块、智能仪表和设备，具有很强的扩展性。同时，现场总线双向数字通信 - 3 - 兰州工业学院毕业论文 的优点保证了测控信息的实时性和可靠性。根据这些标准将LCU.操作员站、工程师站接入系统网络，形成全开放系统，使系统的扩展、升级、更新变得更加方便。 目前，我国大多数的闸门控制系统都是将载荷监控与开度测控分开设计执行或是主要应用其中一种， 由于我国早期的闸门启闭多采用行程开关或主令控制器等只能进行闸门启闭极限位置的控制，不能指示闸门的启升位置高度，因此为了改进，在闸门启闭机上安装闸门高度指示表，在闸门启闭过程中对闸门的启闭高度进行控制并指示闸门的即时高度。对于大型水电站，是采用光纤传感技术与PLC技术结合来进行开度信号的采集与输出，并由计算机来进行总体控制。该系统采用德国生产的增量式编码器，对闸门的开度信号进行采入计算机中进行分析处理，这是信号的采集过程;对于信号的输出，是将编码器从计算机中得到的命令通过RS-422总线，送入到5SI接口中，经SSI接口模块转化为二进制代码或BCD码送入到PLC当中。其中，RS-422总线使用差分信号进行数据传送，使数据传出可靠，SSI接口模块具有较高的抗噪声干扰能力，减少了噪声对信号的影响，并且SSI接口模块本身具有完善的自我监测功能，如对数据转换错误的误差显示功能等。由于基础器件的功能强大，该闸门控制系统的安全保障很可靠。 我国目前使用的智能载荷监控仪，其核心功能的实现主要是通过各种类型的单片机， SZ弧形闸门开度测控仪主要由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表是UHQ传感器，安装在启闭机现场，所采用的接触式轴角编码器集测控与A/D转换为一体，一台UHQ感器可以连接两个或两个以上检测显示控制点，一般一台UHQ传感器可供闸门现场显示或在中控室屏幕显示，以满足两地监视和管理。二次仪表是SZ闸门开度测控仪，主要安装在启闭机现场或中控室内，采用单片机和大规模CMOS集成电路进行码制转换。一台显示器可以配两台UHQ传感器，显示和控制两个闸门的位置。国外的闸门控制系统，与国内相关控制技术发展一样，对于小型的闸门控制系统，仅使用一般的智能仪表进行控制，其主要功能都陈列在面板上，对于大型的闸门控制系统，有些国家会应用多级监控系统，由总控制系统向下为各个操作员，每个操作员控制不同的工控机，在由各工控机来控制各个闸门的具体动作。 1.3 课题的主要研究内容 本课题立足于单片机控制系统，运用先进的单片机芯片及外围扩展设备，设计具有 - 4 - 兰州工业学院毕业论文 良好性能的集成电路，使最终研制的产品做到体积小、精度高、功能齐全、操作方便，达到同类产品国内较先进的水平。在整个设计过程中充分考虑到了用户的需求，力争将该测控仪的设计达到最优。 由于本课题来源于工程实际项目，所以更好的提高产品的竞争力，就是本课题的主要任务。这就要求在产品设计时，要吸收现有产品的优点，同时将其不足之处的影响减少到最低，不仅如此，我们还应该在不影响仪器先进性的前提下，提高产品的以与其他控制器相连，共同组成智能化控制系统。本文将重点讨论以下几个方面: 1)系统总体方案的设计; 2)闸门开度的测量方法; 3)闸门开度荷重测控仪的硬件电路研制; 4)系统软件程序流程设计。 - 5 - 兰州工业学院毕业论文 2 系统总体方案设计 2.1系统的组成与性能 闸门开度荷重测控仪是水利系统中闸门自动控制系统现场监控的一部分。在讨论本课题的研制过程前，有必要把闸门自动化控制系统做一简要介绍。闸门自动化控制系统结构框图如图2.1所示，它由以下三部分组成: 图2.1 闸门自动化控制系统结构框图 1. 闸门监控中心 闸门监控中心由主计算机、人机接口设备和外围设备组成。采用工控机作为主计算机，配有专用功能键盘和语音装置，实现对闸门的全面监控。闸门监控中心主要完成数据处理、安全监视、远方控制以及自动化管理等功能，具体为: 1)定期查询和收集集中监控单元上送的运行过程实时信息，生成现场实时数据库和历史记录图表 。 2)实时更新CRT显示的工况画面的参数;实时显示和闸门相关的事件;有故障时 ，系统通过电铃、语音、画面显示报警，给出事故处理指示。 3)操作员可通过键盘和鼠标对闸门进行远方控制，即:闸门开闭控制:闸门预置开度 - 6 - 兰州工业学院毕业论文 设定 。 4)系统控制的运行状态等各种报表均可通过CR7，显示或打印出来。 2. 集中监控单元 集中监控单元采用集散控制方式，通过与闸门监控中心进行网络数据通信接受控制指令，对现场控制单元发出起闭信号，通过安装在现场的闸门开度仪接受闸门现场信息，向闸门监控中心反馈现场运行工况、故障信号等信息。 集中监控单元采用可编程控制器(PLC)。该可编程控制器具有体积小、高速、模块化、可靠性高、抗干扰能力强等特点，开关量24路输入，16路输出，串口的物理层是RS485接口标准。因系统控制每个闸门需要8入3出开关量，因此我们采用一个PLC外接5个输入模块和1个输出模块来控制7个闸门。PLC开关量输入为:闸门的升、降、全开、全关状态;电源状态;过热;过载以及闸门开度荷重测控仪的开关量输入等。开关量输出为闸门的升、降、停等。整个系统采用4个PLC组成总线型分布式控制系统，控制25个闸门，以主从方式工作。主PLC设计为1个，从PLC设计为3个，主从PLC之间通过屏蔽双绞线相连。主PLC控制4个闸门，与闸门监控中心之间通过RS485/232转换器相连。 3. 现场监控单元 闸门自动化控制系统的现场监控单元的设备有闸门开度荷重测控仪、水位仪、闸门启闭机电气控制屏等。 现场监控单元采用现场总线技术，将微处理器置入传统的测量控制仪表，使其具有数字计算和数字通信能力，采用485总线作为现场总线，将多个智能测控仪连接成网络系统，按规定的通信协议，在位于现场的智能仪表群与集中监控单元之间实现数据传输与信息交换，在现场形成全分布式自动控制系统。 现场监控单元可在现场通过闸门开度荷重测控仪和水位仪完成预置闸门开度、报警〔开度上限、载荷下限、载荷1,载荷2、偏载)值并显示闸门实际开度、实际载荷1,实际载荷2以及报警状态;上、下游水位高度等功能，并且还可以根据不同开度，不同载荷要求而进行设定开度和载荷的额定值，这个是本测控仪所特有的功能;直接通过现场控制屏上的控制按钮进行闸门起闭操作。 闸门开度荷重测控仪用于测量、显示和控制闸门的开度及起吊荷重，能够适应各种不同吨位、不同开度的闸门启闭机的监控要求。仪表采用面板表式，即可显示闸门的位 - 7 - 兰州工业学院毕业论文 移(开度)和载荷值，又可控制闸门的升降高度。仪表可设定多级载荷报警值和预置开度设定，可以实现载荷超限报警和预置开度触点值输出，有很好的安全控制冗余度和良好的人机界面。 1.主要技术性能和参数: 1)测量范围:位移(开度)0,100m;荷重:?0.5%F.S; ( (2)综合精度:位移(开度)?0.5 m;荷重:0,400T; (3)输出一路4,20mA的电机速度调节信号; (4)显示器显示闸门开度、荷重、偏载、报警值等; (5)使用电源:正常工作电压; (6)工作环境:工作温度为-10,40?，相对湿度为?90%(RH40?); (7)上限开度、下限开度、任意开度、预置功能:当闸门开度?上限预置、闸门开度?下限预置是，光报警信号及继电器触点输出; (8)输入:荷重信号、位移信号; (9)输出:模拟量输出、继电器控制触点、RS485数据通信接口。 2. 工作原理: 开度传感器其机械部分与启闭机卷扬筒直接相连，通过各种连接方式将闸门的升、降位移量转换成测量轴的角位移量，通过变速器将使编码器码盘转动，从而使得传感器输出相应的编码量，通过多芯信号电缆送到测控仪。 荷重传感器安装于启闭机卷扬筒两端轴承座支架上，通过电缆将采集到的荷重信号送人显示仪单片机系统。 单片机系统将采集到的开度编码值经软件进行码值转化、标度变化等计算出即时闸门垂直开度值，然后送显示，同时把此值与警戒值做比较，当开度值达到设定值时，驱动相应的继电器动作，以触点形式作为控制输出，并以声光报警指示到位状态。 2.2微机控制器的选择 闸门控制系统所处环境十分恶劣。特别是现场控制单元，环境潮湿，电磁干扰较大。因此，系统选用何种微机控制器就显尤为重要。可供选择的测控装置有3种:工业控制计算机(简称工控机)、PLC(可编程序控制器)和单片机。 工控机的功能强大，有相当强的通信功能和人机接口功能，在工业控制和测量中得 - 8 - 兰州工业学院毕业论文 到了广泛的应用，但是价格高。要求闸门开度测量仪体积小巧，但是工控机的体积较大，便携能力差，故不能满足要求。 PLC是在工业控制中广泛使用的控制产品，它具有使用方便，体积适中，功能强大，可靠性高等优点，但价格相对也很昂贵，并且体积不适用于该产品，并且灵活性差，因此也不选用。 单片机全称为单片微型计算机(Single-Chip-MicroC omputer)。它在一个芯片上集成了CPU, ROM, RAM、计数器/定时器、多个阳接口，从而在一个芯片上构成了一台计算机，具有集成度高，体积小，重量轻的特点。由其组成的微机控制系统具有较少的外部引线，因而有较强的抗干扰能力。同时，单片机具有很强的数据处理能力，体现在运算速度和运算精度上，能够满足闸门控制的实时性和准确性要求。单片机拥有丰富的外部信号处理资源。如果能充分利用单片机本身具有的硬件资源，只需要加少量的辅助电路，就能够构成一个完整的系统，应用灵活方便，硬件结构简单，性价比高，可靠性易于保证的全数字式控制系统。 自1971年美国Intel公司研制出第一片单片机一--MCS-4以来，单片机技术在与其它科学技术的融合中不断发展，已经成为一门应用广泛的成熟技术，应用领域涉及工业控制、通讯、交通、消费电子产品、办公自动化等领域。在我国单片机的应用开发已走过二十个春秋。在各个工程应用领域，单片机应用都拥有大批的工程技术人员，他们巧妙地将单片机引入自己熟悉的工程技术领域，解决了许多技术难题，使我国的单片机应用达到一个新的水平。 综上所述，以单片机作为闸门控制系统的核心控制部件是必要而可行的。各种单片机都有其独有特点，至于具体选择哪种单片机型号，则完全遵循设计的先进性和工程应用的实际需要。 1. AT89C52芯片 AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的程序存储器和12KB的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在 - 9 - 兰州工业学院毕业论文 引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。AT89C52引脚图如图2.2所示: 图2.2 AT89C52引脚图 AT89C52为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有:XTAL1(19 脚)和XTAL2(18 脚)为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd(9 脚)为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40 脚)和VSS(20 脚)为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口(32~39 脚)被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口，12 脚、27 脚及28 脚定 - 10 - 兰州工业学院毕业论文 义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 P0 口:P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8 位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 P1 口:P1 是一个内部带上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IL)。 与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。 P2 口:P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IL)。 在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR 指令)时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器(如执行MOVX @RI 指令)时，P2 口输出P2 锁存器的内容。 P3 口:P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流。 P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。 RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 - 11 - 兰州工业学院毕业论文 ALE/PROG: 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。 MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。 PSEN:程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH)，EA 端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(接Vcc端)，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 主要功能特性: ? 兼容MCS51指令系统 ? 8k可反复擦写(>1000次)Flash ROM ? 32个双向I/O口 ? 256x8bit内部RAM ? 3个16位可编程定时/计数器中断 ? 时钟频率0-24MHz ? 2个串行中断 ? 可编程UART串行通道 ? 2个外部中断源 ? 共6个中断源 ? 2个读写中断口线 - 12 - 兰州工业学院毕业论文 AT89C52 有256 个字节的内部RAM，80H-FFH 高128 个字节与特殊功能寄存器(SFR)地址是重叠的，也就是高128。RAM 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。 2. 8031芯片与8051芯片 8031芯片与8051芯片的特点。8031单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，它的特点是片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。如下图2-3所示。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。 8051是 Intel公司推出的通用型单片机，片内有4kb ROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。如下图2-4所示。但是所编的程序无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代烧写，并是一次的，今后我们和芯片厂都不能改写其内容。 - 13 - 兰州工业学院毕业论文 图2-3 8031引脚图 图2-4 8051引脚图 - 14 - 兰州工业学院毕业论文 依上所述可知:8031单片机片内没有程序存储器ROM，而且对写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言;8051虽有程序存储器ROM，但是所编的程序无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代烧写，并是一次的。在此我们所选用的AT89C52芯片不仅能够克服依上缺点，而且其精度更高。所以在此次设计中，我们选用AT89C52芯片。 2.3系统总体方案的确定 闸门开度荷重测控仪的总体设计思路是:以单片机为中央处理器，辅以强大功能的外围模拟、数字电路功能模块，使测控仪能够接收远端控制中心的控制信号、驱动继电器工作、显示闸门的开度载荷状态并在故障时报警，真正实现测控仪的智能化。 从控制系统的信号通道类型来分，测控仪主要由以下几个部分组成如图2-5所示: 图2-5 总体设计方案框图 - 15 - 兰州工业学院毕业论文 3 闸门控制系统硬件设计 作为一个实现功能丰富、元器件复杂、工作独立的单片机系统，首先要考虑的就是系统的硬件电路的设计。总体电路设计见附录图 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容，一部分是系统扩展，即单片机的功能单元，如ROM, RAM, VO口、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。另一部分是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D, D/A转换器等，要设计合适的接口电路。 本课题在硬件系统的扩展和配置设计中遵循以下原则: 1.尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 2.系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。 3.硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是:软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构 。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU的时间(比如延时程序)。 4.整个系统的性能要尽量做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片;选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品。 5.可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去祸滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 6.单片机外接电路较多时，必须考虑器件驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。 3.1测量电路 3.1.1闸门开度测量 闸门由卷扬机控制其升降，闸门的开度测量是一种直线位移(或近似为直线的位 - 16 - 兰州工业学院毕业论文 移)的测量。蝶阀关闭时为0 度，全部打开时为90 度，中间任意位置为0,90 度。阀门开.光电增量式旋转编码器的工作原理如下:随转轴一起转动的脉冲码盘上有均匀刻制的光栅，即在码盘上均匀地分布着若干个透光区段和遮光区段。这两种区段分布的越密，则分辨率越高。利用由光电发射管、光电接收管组成的光电藕合器将转轴转过 轴处于静止状态时没有脉冲输出。 的角度转换为相应的电气脉冲信号输出，转 1.增量式编码器的计数起点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量。还可以把每转发出一个脉冲的Z信号作为参考机械零位。使用增量式编码器时，需要用计算机的记忆功能来保存实际的绝对转角位置，还需要用与位置零点相对应的限位开关来确定零点，或者设置输入绝对转角位置的人机接口。增量式编码器的轴旋转时，有相应的脉冲输出，其旋转方向的判别和脉冲数量的增减需借助判向电路和计数器来实现。增量式旋转编码器的价格便宜、信号线少，使用方便。 2.绝对式旋转编码器也是利用光电藕合器扫描方式的基本原理，但光电藕合器的扫描是经过编码的代码图案。每一对光电藕合器扫描编码器每一位数据的变化，编码器输出位数越多，则其内部光电藕合器的对数也就越多，二者一一对应。从编码器输出代码大小的变化，即可判别出旋转的正反方向和运动物体所处的位置。对应的旋转角度以格雷码的形式并行输出绝对位置值，不需要用计数器来计数。一般情况下，绝对式编码器的测量范围为0'-360'，当编码器转过完整的1圈后，所旋转的每一圈都重现第1圈的代码。为了扩大测量范围和提高测量精度，可采用多圈绝对式编码器。绝对式编码器输出的二进制数的位数反映了编码器的分辨率，位数越大，分辨率越高。 将旋转编码器测得的模拟量用A/D转换器转换成电流信号，现在测得的位移已经变为了电流信号，为了将此电流信号传给单片机还必须将它变成低压直流信号，因此还需要电压和电流的转换电路才能将测出的位移信号传给单片机，被单片机所处理。通过上述方法我们可以对闸门的开度进行测量和控制，但是科学技术的发展是很快的，尤其是电子产品的更换速度是惊人的。而上面的测量方法所需的硬件太多，也太麻烦。 3(红外光电传感器ST278 (见表3-1) - 17 - 兰州工业学院毕业论文 表3-1红外光电特征(25?) 项目 符合 数值 单位 IF 50 mA 输入 正向电流 Vr 6 V 反向电流 P 75 mW 耗散功率 Vceo 25 V 输出 集-射电压 Vceo 6 V 射-集电压 Pc 50 mW 集电极功耗 Topr 工作温度 -20,+65 ? Tstg 储存温度 -30,+75 ? ST278传感器特点 1)采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。 2)双光电晶体管，可用于检测被测物的运动方向。 3)检测距离可调整范围大，近距离2mm可用,根据光电开关在检测物体时发射器所 发出的光线被折回到接收器的途径的不同可分为漫反射式、镜反射式、对射式 等,其中漫反射式的检测距离可达几十米。 4)采用非接触检测方式。 5)与方向判别电路ST288A结合使用可判别被测物的运动方向及正反转速测量、行 程测量等。 4.电位器式位移传感器，它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。绕线式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。 它的优点是:结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。 - 18 - 兰州工业学院毕业论文 根据本论文中的部分参数要求: 测量范围:位移(开度):0,100M; 综合精度: 位移(开度):?0.5M 。 我们可以选择红外光电传感器ST278(漫反射式) 5.开度测量电路(见图3-2) 电路功能 ST288A 1) 具有内部整形电路及数字滤波功能; 2) 可去除抖动误差; 3) 具有正方向脉冲、反方向脉冲、方向指示、双向脉冲输出功能 4) 正方向脉冲输出(20mA) 5) 反方向脉冲输出(20mA) 6) 双向脉冲输出(20mA) 7) 方向指示输出(H为反方向,L为正方向) 图3-2开度测量电路 3.1.2 荷重信号采样 压力变送器:一般意义上的压力变送器主要是由测压元件传感器(也称作压力变压器)、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理量压力参数转变成标准的电信号(如4,20mADC等)，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。压力变送器的工作原理是将水压这种压力的力学信号转变成电流(4,20mA)这样的电子信号，压力和电压或电流大小呈 - 19 - 兰州工业学院毕业论文 线性关系，一般是正比关系。所以，变送器输出地电压或电流随压力增大而增大。 设计中，根据现场实际情况，选用压力变送器采集荷重值，其原因主要有以下几点: (1)专用V/I集成电路，外围器件少，可靠性高，维护简单、轻松，体积小、重量轻，安装调试极为方便。 (2)铝合金压铸外壳，三端隔离，静电喷塑保护层，坚固耐用。 (3)4-20mA DC二线制信号传送，抗干扰能力强，传输距离远。 (4)高准确度，高稳定性。除进口原装传感器已用激光修正外，对整机在使用温度范围内的综合性温度漂移、非线性进行精细补偿。 压力变送器采集的荷重值，输出为4,20mA的模拟电流信号，准确无误的将此信号量送入单片机等待处理，对整个系统结构工作的准确性、安全性、即时性是非常重要的。其荷重信号采样电路如图3-3所示. 图3-3荷重信号采样电路图 为了便于单片机处理模拟量变成电压信号并经过A/D转换后此送给单片机。所以有: 1.来的电压信号要经过滤波处理，然后再变为标准电平TTL信号送入A/D转换模块。 2.电路采用电流方式传入压力信号，电路则需要一个I/V转换装置，将送来的电流 模拟量转换为电压量。 3.2转换电路 3.2.1 A/D转换 A/D转换接口是数据采集系统前向通道的一个重要环节，数据采集和转换系统从一个或几个信号源采集模拟信号，并将这些信号转换为数字信号，以便输入CPU。 - 20 - 兰州工业学院毕业论文 在A/D转换器件的选择中，首先要搞清楚A/D转换器的几个指标量概念: 转换时间:A/D转换器完成一次转换所需要的时间就是A/D转换时间。 分辨率:ADC的分辨率是指使所能分辨的输入模拟量最小值，也就是使输入数字量最低位LSB发生由1,0或0,1变化时输入模拟量变化的最小值。示意框图如图3-4。 其中，为A/D转换器被转换的输出电压，;比较器对和电压进行比较，把VxVxVs比较结果送给控制电路。整个A/D转换器是在逐次比较过程中形成，形成的数字量存放在N位寄存器中，先形成最高位，然后是次高位，一位位地最后形成最低位。 图3-4逐次逼近式A/D转换器示意框图 对于本课题而言，在选用A/D芯片时，更重要的是要考虑到由于AT89C52单片机的I/O口使用紧张，为了充分利用系统资源，使设计出的系统最小，最优，避免扩展多个I/O口，本仪器的A/D转换最好采用串行方式，这样大量节省了AT89C52的I/O口线，既简化了系统的结构又使单片机的引脚得到充分的利用。另外，系统有2路模拟信号，选用的A/D转换器的通道数不少于2个。 基于上述几个原因，在系统中选用了美国德州仪器公司(TI)的TLC2543芯片。它具有以下几个特点: 1)12位转换精度 2)10us转换时间 3) 11路模拟输入 4)内建采样保持器 - 21 - 兰州工业学院毕业论文 5) 内部有片内时钟系统 6) 具有转换结束引脚，方便使用查询和中断方式查询 7) 有极性或无极性二进制输出 8) 可编程进入断电模式 可编程设定输出数据长度为8、12或16位 9) 如图3-5 TLC2543管脚图所示，TLC2543具有4线制串行接口，分别为片选线(CS)，串行时钟输入端(I/O CLOCK),串行数据输入端(DATA IN)和串行数据输出端(DATA OUT)。它可以直接与SPI器件进行连接，不需要其他外部逻辑器件。同时，它还能在高达4MHZ的串行速率下与主机进行通信。 TLC2543除了具有高速的转换精度外，片内还集成了14路多路开关，其中11路为外部模拟量输入，3路为片内自测电压输入。在转换结束后，EOC引脚变为高电平，转化过程中由片内时钟系统提供时钟，无需外部时钟。在转换空闲期间，可以通过编程方式进入断电模式，此时器件耗电只有25 uA。 控制字为从DATAINPUT端串行输入TLC2543芯片内部的8位数据，它告诉TLC2543要转换的模拟量通道转换后的输出数据长度输出数据的格式芯片控制字的前四位(D7-D4)代表11个模拟通道的地址;当其为1100-1110时，选择片内检测电压;当其为1111时，为软件选择的断电模式。此时A/D转换器的工作电流只有25mA。 控制字第3位和第4位(D3-D2)决定输出数据的长度，01表示输出数据长度为8位;11表示输出数据长度为16位;00表示输出数据长度为12位。控制字的第2位(D1)决定输出数据的格式，0表示高位在前;1表示低位在前。控制字的第1位(D0)决定转换结果输出的格式。D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码)，若为单极性，该位为0，反之1 对于本系统而言，就是要将ADIN0(载荷1信号)、ADIN1(载荷2信号)、TIAOLING1(载荷1调零信号)、TIAOMAN1(载荷1调满信号)、TIAOLING2(载荷2调零信号)、TIAOMAN2(载荷2调满信号)这六路电压信号送到A/D转换模块TLC2543中进行模块转化，得到数字量 ，然后再送到单片机中参加运算、处理。 在TLC2543中一共有11个模拟量转换通道，系统中各通道定义如下: - 22 - 兰州工业学院毕业论文 图3-5 TLC2543管脚图 AIN0:载荷1的数据采集信号 AIN1:载荷2的数据采集信号 AIN2:载荷1的调零电位器 AIN3:载荷1的调满电位器 AIN4:载荷1的调满电位器 AIN5:载荷2的调零电位器 AIN6:备用 AIN7:备用 AIN8:备用 其他通道:(扩展口未用) TLC2543与带有串行外设接口的微处理器易于接口，而AT89C52单片机不具有SPI，因此必须用软件合成SPI的操作。 上电后，片选CS必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为最高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器内容是随机的。 A/D转换器与单片机的接口电路如图3-6所示。A/D转换开始时，片选CS高，I/O CLOCK(P1.1)、DATAINPUT(P1.0)被禁止，DATAOUT(P1.3)呈高阻状态，EOC为高。使CS - 23 - 兰州工业学院毕业论文 变低，I/O CLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脱离高阻状态。12个时钟信号从I/O CLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATAINPUT一位一位的在时钟信号的上升沿时被送如TLC2543(高位先送入)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位的移出。 TLC2543收到第四个时钟信号后，通道号也已收到，因此，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到12个时钟的下降沿。 在12个时钟下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10uS，转换完成，EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，等待下一个工作周期输出。此后，可以进行新的工作周期。 值得注意的是，TLC2543是具有12位法分辨率的高精度模数转换器，其每一次的转换结果都要以12位的形式存放。在系统中，要用两个字节的空间容量来存储，这样就涉及到一个双字节的存储数与实际4,20mA电流之间的格式转换。 图3-6 TLC2543与AT89C52单片机电路图 3.2.2 D/A转换 在闸门开度荷重的工作中，对闸门的载荷1和载荷2以及开度，除了要求LED显示之外，还需要将其模拟电流量送回到控制中心。在后向通道中采用D/A转换器是计算机实现对模拟量控制的常用方式，而串行D/A转换器由于接TI电路简单，易于远程操作以及体积小功耗低等优点而广泛应用于便携式设备或分布式系统中。 - 24 - 兰州工业学院毕业论文 通常电路中选用的D/A转换模块以并行模式的较多，在设计时需要由CPU提供8位数据总线和地址选通信号，还需要提供+15V电源和基准电源给D/A转换芯片，而且输出电路还要使用运放把D/A转换输出的小电流转换成电压信号。这只是最基本的部分，如果在此基础上再加其他电路，那就更复杂了。 基于以上所述原因，系统选用MAX公司生产的二线串行接口的8位D/A转换芯片。这是一种采用二线串行接口的8位D/A转换芯片，采用单5V供电，简单的双线接口，与12C总线兼容，输出缓冲放大双极性工作方式，基准输入可为双极性，上电复位将所有闭锁清零，4uA掉电模式，总线上可挂4个器件，只有2路8为模拟量输出口。MAX518芯片结构如图3-7所示。 图3-7 MAX518芯片结构图 MAX518的数据转换通过SCL和SDA串行输入，芯片内部把输入数据中地址位与AD0，AD1所表示的地址比较，如符合则把数据存放在8位数据缓冲寄存器，然后经过D/A转换电路和运算放大电路分别从OUT0,OUT1输出1,5V 的电压信号，由于MAX518与CPU之间的接口为二线串行接口，容易实现光电隔离，解决抗干扰问题。 OUT0,OUT1输出信号为1,5V的电压信号，实际应用中通常并不直接使用，所以需要转换位常用的0,10MV，4,20MV等电流信号，本系统只适用双片、三鹿转换信号(其中一例为备用)。MAX518 D/A转换的数据输入是串行输入，要输出其中一路的D/A数据，需要顺序输入3个字节。 - 25 - 兰州工业学院毕业论文 第一个为地址字节，格式为: 0 1 0 1 1 AD0 AD1 0 地址字节中的AD0和AD1需和MAX518的AD0和AD1一致。 第二个字节为命令字节，格式为: 0 0 0 0 0 0 0 A0 这里只使用了A0位，A0是表示这次D/A数据要送到二路中的哪一路，0表示送至DAC0(OUT0)，1表示送至DAC1(OUT1)。智能控制器系统将模拟量送到OUT0。第三个字节就是要输出的D/A转换的8位数据00H,0FFH。要注意的是:由于在系统中计算处理数据时，一直用的是12位数字量，而这里所用的是8位数字量处理。MAX518与AT89C52的接口电路如图3-8所示。 图3-8 MAX518与AT89C52的接口电路图 3.2.3 I/V转换电路 在与电流输出的传感器接口的时候，为了把传感器(变送器)输出的1-10mA或者4-20mA电流信号转换成为电压信号，往往都会在后级电路的最前端配置一个I/V转换电路，图3-9就是这种电路最简单的应用示意图。 - 26 - 兰州工业学院毕业论文 图3-9 4,20mAI/V转换电路 仅仅使用一只I/V转换取样电阻，就可以把输入电流转换成为信号电压，其取样电阻可以按照Vin/I=R求出，Vin是单片机需要的满度A/D信号电压，I是输入的最大信号电流。 这种电路虽然简单，但是却不实用，首先，其实际意义是零点信号的时候，会有一个零点电流流过取样电阻，由于单片机的A/D最大输入电压就是单片机的供电电压，这个电压通常就是5V，因此，处理这种简单的输入转换电路时比较麻烦。 为了达到A/D转换的位数，就会导致芯片成本增加。 LM324组成的4,20mA输入/5V输出的I/V转换电路 解决上面问题的简单方法是在单片机输入之前配置一个由运算放大器组成的缓冲处理电路，见图3-10。 - 27 - 兰州工业学院毕业论文 输出 图3-10 LM324组成的4,20mA输入/5V输出的I/V转换电路图 增加这级运算放大器可以起到对零点的处理会变得更加方便，无需耗用单片机的内部资源，尤其单片机是采用A/D接口来接受这种零点信号不为零电压的输入时，可以保证A/D转换位数的资源能够全部应用于有用信号上。 以4,20mA 例，图中的RA0是电流取样电阻，其值的大小主要受传感变送器供电电压的制约，当前级采用24V供电时，RA0经常会使用500Ω的阻值，对应20mA 的时候，转换电压为10V，如果仅仅需要最大转换电压为5V，可以取RA0=250Ω，这时候，传感变送器的供电只要12V就够用了。因为即使传送距离达到1000米，RA0最多也就几百欧姆而已。 同时，线路输入与主电路的隔离作用，这个隔离级还可以起到保护单片机系统的作用。上图采用的是廉价运放LM324，其对零点的处理是在反相输入端上加入一个调整电压，其大小恰好为输入4mA时在RAO上的压降。有了运算放大器，还使得 RAO的取值可以更加小，因为这时信号电压不够大的部分可以通过配置运放的放大倍数来补足。这样，就可以真正把4,20mA电流转换成为0,5V电压了。 - 28 - 兰州工业学院毕业论文 3.3 LED显示电路 LED是发光二极管的简称，LED有7段和8段之分，有共阴和共阳两种。(见图3-11) (a)引脚配置 ( b)共阳极 (c)共阴极 图3-11 8段LED显示器结构 图3-11示出8段LED数码显示管的结构和原路图。 8段LED显示管由8只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和h，分别和同名管教相连。7段LED显示比8段LED显示少一只发光二极管h，其他和8段相同。 LED数码显示管分为共阴和共阳两种，(a)图中GND脚为控制端，用于控制LED是否点亮。若GND接地，则LED被点亮;若GND接TTL高电平，则它被熄灭。图(b)中所有发光二极管阳极共连后接到GND脚。正常显示时GND为+5V，各发光二极管是否点亮取决于a,h各引脚是否是低电平。因此共阴和共阳所需字形码正好相反。8段LED数码显示管字形码如表3-12所示。 闸门开度荷重测控仪作为一个工业产品，必须考虑到一些非常情况，如载荷1载荷2偏载开度上限开度下限达到额定值时。这时单片机通过继电器触点输出信号给PLC，PLC ‘ - 29 - 兰州工业学院毕业论文 表3-12:8段LED数码显示管字形码 地址 共阴共阳 所显 地址偏 共阴共阳所显 偏移量 字形码 字形码 字符 移量 字形码 字形码 字符 SGTB+0H 3FH C0H 0 SGTB+BH 7CH 83H b +1H 06H F9H 1 +CH 39H C6H C +2H 5BH A4H 2 +DH 5EH A1H d +3H 4FH B0H 3 +EH 79H 86H E +4H 66H 99H 4 +FH 71H 8EH F +5H 6DH 929H 5 +10H 00H FFH 空格 +6H 7DH 82H 6 +11H F3H 0CH P +7H 07H F8H 7 +12H 76H 89H H +8H 7FH 80H 8 +13H 80H 7FH . +9H 6FH 90H 9 +14H 40H 8FH - +AH 77H 88H A 就会通过预定的模式对闸门的电机进行起落停等命令信号，防止出现机械构件被破 坏的情况。由于开度的测量范围为0,100m，荷重的测量范围为0,400T，所以需要三 位LED显示器。三位LED显示采用共阴极连接，公用三个4线7段译码驱动器MC14543 来驱动。MC1454具有4位二进制锁存、BCD7段译码和驱动功能。相应电路如图3-13。 - 30 - 兰州工业学院毕业论文 +5VG1G2CCVA1Y1A2Y2AIN0 VccADCON0 1 20 VccA3Y3P1.0 VccAIN1 REF+A4Y4ADCON1 2 14 ASVaaaP1.1 P0.0A5Y574LS240AIN2ADCON2 3A6Y6fbfbbfP1.2 P0.1AIN3 DATA IPUTA7Y7TIAD1 4 17 P1.0gggP1.3 P0.2A8Y8GNDAIN4 I/O CLOCTIAD2 5 18 P1.1P1.4 P0.3cceeceTIAD3 6 15 P1.2AIN5 CSP1.5 P0.4dddAT89C52TIAD4 7 16 P1.3AIN6 DATA OUTP1.6 P0.5TIAD5 8 19 P1.4AIN7 EDCegegP1.7 P0.6egddffTIAD6 9AIN8dfGGGGPST/Vpd P0.7GGcaca 11AIN91AV+5VCCcaspspbbP3.0 EA/Vpp1BGNDsp 12bAIN102B1Y75451P3.1 ALE/PROG2A2YTCL2543P3.2 PSENGND 10GND+5V1AVCCP3.3 P2.7GND 13REF-1BGNDP3.4 P2.62B1Y754512A2YP3.5 P2.5 P3.6 P2.4 P3.7 P2.3 XTAL1 P2.2 XTAL2 P2.1 Vss P2.0 7407 图3-13 显示接口电路 同时，需要系统发出报警提示装置，以便通知操作人员出现何种情况，报警装置采 用报警灯，具体报警电路如图3-14所示。 P2.0R18 VCC 330 7407 图3-14 报警电路图 这部分电路非常简单，就是由一个普通的7407送出的TTL电平驱动一个发光二极管进行工作。 程序在每次大循环的开始，都会首先检查电路控制中心信号输入电压的故障状态，反馈信号电压的故障状态等，如果电路硬件状态正常，软件状态正常，那么每次从7407送出来的位都送高电平，那么正常报警灯就熄灭，否则报警灯发光。 - 31 - 兰州工业学院毕业论文 3.4 键盘接口电路 键盘在单片机应用系统中是一个关键部位，它能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预的主要手段。 独立式键盘电路是每个按键单独占有一根I/O接口引线。每根I/O接口线上的按键都不会影响其他的I/O接口线。按键输入采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O接口线有确定的高电平。当I/O接口内部有上拉电阻时，外电路可不接电阻。这时，CPU只要检测I/O接口线的电平高、低就可以很容易地判。键盘是由若干独立的键组成，键的按下与释放是通过机械触电的闭合作用与断开来实现的，因机械触点的弹性作用，在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程。 这种键盘占用硬件资源多，适合少量按键的情况，比较适合本次设计。因此，本设计选用独立式键盘。独立式键盘的结构图3-15如下: 图3-15 独立式键盘的结构图 在此，键盘主要用来切换显示屏的内容:上下键可以用来上下移动光标，或者当前设定值增加或减少，确定键按下时上一步所执行的命令得以执行，闸门手动/自动切换键用来选择闸门的控制方式断哪个按键被按下。根据上述要求，本次设计设置了4个按键，其功能表如下3-16: - 32 - 兰州工业学院毕业论文 表3-16 按键功能分配表 如图3-17给出了键盘接口电路，图中的电阻电容起到消抖、滤波的作用。 R21VccGND 10KKEY125R 2KLWP16V29R 10K26KEY2R 2KLWP16V 30RGND 10K27RKEY2 2KLWP16VR31 10K28RKEY3 2KLWP16V 图3-17 键盘接口电路 3.5 驱动电路 LMD18200是美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。LMD18200广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。以下介绍 LMD18200芯片的结构、原理及其应用。 1. 主要性能:峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A, 工作电压高达55V,具有温度报警和过热与短路保护功能.芯片结温达145?，结温达170?时，芯片关断, - 33 - 兰州工业学院毕业论文 具有良好的抗干扰性。 2.主要应用:驱动直流电机、步机电机;伺服机构系统位置。与转速应用于机器人控制系统,应用于数字控制系统;应用于电脑打印机与绘图仪。 3.内部结构和引脚说明:LMD18200内部电路框如图3-18所示,它有11个引脚,采用 -19所示，引脚名称及功能见表3-20，逻TO-220和双列直插式封装。其引脚图如下图3 辑真值表见表3-21。 图3-18 LMD18200内部电路框图 图3-19 LMD18200引脚图 - 34 - 兰州工业学院毕业论文 表3-20:LMD18200引脚名称及功能 引脚 名称 功能描述 1、11 桥臂1，2的自举输入电容连 在脚1与脚2、脚10与脚11之间应接入 接端 10uF的自举电容。 2、10 H桥输出端 转向时，输出驱动电流方向见表1。该脚3 方向输入端 控制输出1与输出2(脚2、10)之间电流的 方向，从而控制马达旋转的方向。 刹车时，输出驱动电流方向见表1。通过 该端将马达绕组短路而使其刹车。刹车时，将 该脚置逻辑高电平，并将PWM信号输入端(脚 5)置逻辑高电平，3脚的逻辑状态决定于短4 刹车输入端 路马达所用的器件。3脚为逻辑高电平时，H 桥中2个高端晶体管导通;3脚呈逻辑低电平 时，H桥中2个低端晶体管导通。脚4置逻辑 高电平、脚5置逻辑低电平时，H桥中所有晶 体管关断，此时，每个输出端只有很小的偏流 (1.5mA)。 该端与3脚(方向输入)如何使用，决定 5 PWM信号输入端 于PWM信号类型。 6、7 电源正端与负端 8 电流取样输出端 提供电流取样信号，典型值为377 µA/A。 温度报警输出，提供温度报警信号。芯片9 温度报警输出 结温达145?时，该端变为低电平;结温达 170?时，芯片关断。 - 35 - 兰州工业学院毕业论文 表3-21:LMD18200逻辑真值表 PWM 转向 刹车 实际输出驱动电流 电机工作状态 H H L 流出1、流入2 正转 H L L 流入1、流出2 反转 L × L 流出1、流出2 停止 H H H 流出1、流出2 停止 H L H 流入1、流入2 停止 L X H NONE LMD18200工作原理: 内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300kHz左右的工作频率。可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚 2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚步到引脚10;反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号。 4.典型应用:LMD18200典型应用电路如图3-22所示。 - 36 - 兰州工业学院毕业论文 图3-22 LMD18200典型应用电路图 LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性驱动是指在一个PWM周期里电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性可逆系统虽然有低速运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电动机的控制。本文中将介绍单极性可逆驱动方式。单极性驱动方式是指在一个PWM周期内,电动机电枢只承受单极性的电压。 - 37 - 兰州工业学院毕业论文 4 系统软件的设计 硬件电路设计完成之后，系统的主要功能将依赖于系统软件来实现。系统能否可靠地工作，除了硬件的合理设计外，与功能完善的软件设计是分不开的。本章将详细阐述控制系统所需实现的功能、主要软件的功能及算法的实现、监控软件的设计方案及具体实现方法。 4.1 系统软件设计概述 单片机的程序设计有其自身的特点。首先，单片机系统的系统程序与应用程序密不可分，系统程序与应用程序必须在一起考虑;其次，在单片机系统中，硬件与软件紧密结合，软件直接操作硬件，硬件设计的优劣直接影响到软件设计难易和质量.同时，很多时候，软件可以替代硬件的功能，当然，需要付出额外占用CPU时间的代价。在程序设计时，往往存在着时间与空间的矛盾体。在一些程序编译器中，有着时间优化和空间优化的选项，但时间优化与空间优化不能同时存在。 这些编译器在处理这些优化时实际是在采用时间换取空间或者空间换取时间的策略。在设计程序时，可以采取这样的策略提高系统的性能。比如，目前程序存储器的容量已不是设计的关键因素，可以利用存储器的空间实现程序响应速度的加快。单片机的程序设计同样具有计一般软件设计的特点。 首先，应有一个合理的算法，以合理的资源耗费实现预定的功能;其次，设计的软 件应有较好的可读性，可维护性。本文的软件设计按如下的步骤进行: 1. 分析问题,明确所要解决的问题的要求; 2. 制定程序框图,制定出运算的步骤和顺序，把运算过程划成程序的流程图; 3. 确定数据格式，分配工作单元，进一步将程序框图画成详细的操作流程图。 4.2系统软件流程 本系统的主程序主要包括以下几部分: 1) 初始化部分，由上电复位后的主程序执行来初始化系统的硬件资源和软件资源; 2) 完成开机电信号故障检测; 3) 调用采样子程序，完成前向通道A/D转换器对信号的转换; 4) 调用显示子程序，将工作人员所需的系统值在LED上进行显示; - 38 - 兰州工业学院毕业论文 5) 对采集的信号进行分析比较，将电流信号通过后向通道进行传输; 6) 扫描按键，控制器对按键功能进行解释，然后执行相应的动作。 主程序流程图如图4-1所示。子程序里的载荷值的数据采集流程图见附录，该系统因为设和不同闸门、不同开度、不同吨位闸门启闭机的监控要求，所以为了方便，设置了闸门开度设定、载荷额定值的设定。在这里计算机向控制器发送命令的流程图及计算机接收数据的流程图附录。 上电复位 并行口，显示，内部存储 器初始化 被测系统是 否有故障 调用载荷采样子程序 调用载荷显示子程序 调用位移采样子程序 调用开度显示子程序 进行电流输出 查询是否有按 键按下 图4-1主程序流程 执行相应按键功能 - 39 - 兰州工业学院毕业论文 5 通信总线的选择 5.1 RS485通信总线 RS485总线标准是由美国电子工业协会EIA制定的支持多节点、远距离和接收高灵敏度的通信标准。 RS485总线标准采用平衡式发送差分式接收数据收发器来驱动总线。具体规格要求: , 接收器的输入电阻R?12K , 驱动器能输出-7V,+7V的共模电压。 , 输入端的电容?50PF。 , 在节点数为32个配置了120欧姆终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压 1(5V。 , 接收器的输入灵敏度为200mv. , 表5-1:RS485串行总线传输距离与波特率的关系 波特率9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000 (Kbps) 传输 1200 1200 1200 1000 400 200 100 距离(m) RS485总线传输介质通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰能力，接收灵敏度也相当高，同时最大传输速率和最大传输距离也大大提高。 RS-485总线优点: 1. 在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准; 2. RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。能检测低至 200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复; 3. RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送 电路须由使能信号加以控制。 对于本系统而言，正在实现基本功能的前提下，开发出来的产品应具有极高的性价比。经过分析最终选择了RS485总线方案。 - 40 - 兰州工业学院毕业论文 5.2 RS485芯片的选用 电气上，RS485方式采用差分信号，与51系列单片机的串行口TTL电平方式无法直接相连，中间必须通过转换电路实现，TTL电平与RS 485协议差分信号之间的转换芯片很多，有单工的、半双工的、全双工的等，本研究中采用半双工方式，选用MAX485芯片。 MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS485芯片采用单一电源+5工作，额定电流300uA，采用半双工通信方式。它完成TTL电平与RS485差分信号的转化。其引脚结构图及电路连线如图5-2所示。 从图中可以看出，MAX485芯片内部还有一个驱动器和接收器，RO和DI 端分别为接收器的输出驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可;RE和DE端口分别为接收和发送的使能端，当RE为逻辑0时，器件处于接收状态，当RE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作于半双工状态，所以只需要单片机的一个管脚控制这两个引脚即可;A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1;当A2的电平低于B端时，代表发送的数据为0。 图5-2 远程通信接口芯片MAX485电路图 从上图还可以看出，在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时，将A和B端之间加匹配电阻，一般可选12欧的电阻。 - 41 - 兰州工业学院毕业论文 结 论 本课题的设计目前基本达到了预期的要求，研究设计的闸门自动控制系统具有可靠性高、功耗低、性价比高、维护简便等优点，可以由单片机的串行口实现与上位机的通讯，具有较强的使用价值，大大提高了水电站的经济效益和社会效益。对课题的设计过程是一个不断学习和创新的过程，是一个对课题不断完善和深化的过程，在经过了对课题资料查询、理论学习以及后期的软硬件设计后，得出结论如下: 1.闸门开度荷重测控仪的总体解决方案正确可行的，其主要功能基本得以实现。系统运行正确，使用方便，为产品化打下了良好的基础。 2.系统的硬件、软件和人机界面设计对通用性作了充分的考虑，适应性强，无论在小型的水电控制系统中，还是在大型的水利工程中，都可以使用。 3.系统集开度测量和载荷测量一体，性价比好，并且.系统结构简单，性能可靠，测量范围宽，开度的精度可以满足?0.5m，载荷的精度可以达到0.5% F S以上。系统的工作原理简单实用，可非常方便的完成系统的调试工作。 4.闸门开度荷重测控仪与远程闸门监控中心能够通过RS485精确串行通信。 通过对本课题的设计，总结整个设计过程的工作，本人有以下几点展望: 1.建立良好的误差补偿数学模型，以便对闸门实际工作中由机械结构和环境造成的工作参数测量误差进行补偿，提高测量结果的精度;如钢丝绳的伸缩引起的闸门开度误差，加减速动载荷造成的实际起载荷的测量误差等。 2.选择更先进合理的器件及电路方案，不断提高系统硬件设计水平，促进整机各项性能的提高。如为提高系统在多任务环境下的实时性和可扩展性可以运用基于实时操作系统(RTOS)的设计思想，相应的微控制器可以选择更高端的DSP, ARM等。 3.将网络技术引入到系统的控制中，将闸门开度荷重测控仪与远程监控机引入到局域网中，以及考虑无线数据传输的开发，从而更好的实现信息的共享与系统的远程监控。 - 42 - 兰州工业学院毕业论文 致 谢 论文完成之际，我的心情非常激动。这标志着我大学三年的个人学习、生活当前阶段的结束和即将走入社会的一个新阶段的开始。 在三年的大学学习生活中，老师张维玲副教授在学习上给予了我们很大的帮助，在本次设计过程中，她作为我的毕业设计指导老师在资料的分析和整个论文的写作上给予了我严谨细致的指导。她知识渊博，业务能力出色，为人谦逊和蔼，处处求真务实，给我树立了一个优秀知识分子的良好形象，是值得我爱戴和学习的好老师。在这里向张维玲老师致以崇高的敬意和衷心的感谢～于此也要感谢我们小组的每个人，因为靠大家的努力我们才完成此次毕业设计。 最后 ，向学校的领导、老师们致以最诚挚的感谢，正是他们给了我良好的学习环境，使我在大学有了顺利毕业的机会，有了我在今后不断学习的动力。 - 43 - 兰州工业学院毕业论文 参考文献 [1] 颜成贵.单片机在小型水电站计算机监控系统中的应用研究.西北农林科技大学，2000届硕士研究生学位论文:2-3 [2] 大坝安全监测自动化网络系统的现状及发展趋势.北京木联能工程科技有限公司，2003(7) [3] 彭兵.单片机在中、小水电站闸门监控系统中的应用.西北农林科技大学，2004届硕士研究生学位论文:3-6 [4] 李西平.张庆军.SZ弧形闸门开度测控仪.水利电力机械，1996(2): 25-26 [5] 陈希红.弧形闸门开度电子显示仪的研制.北京水利，1997(3). 39-41 [6] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计— 系统配置与接口技术.北京:北京航空航天大学出版社，1990: 18-23, 137-138, 225-229, 322-366, 371-376, 474-490 [7] 朱元清.12位串行AD转换器的原理与应用.电子技术应用，1998( 10): 6 6-68 [8] 卢鑫.庞伟正新型模数转换器TLC2543的串行接口及运用，半导体技术，2001(6):7-9 [9] 王宜怀.12位A/D转换器TLC2543与51系列单片机接口技术.苏州丝绸工业学院学报，1999(5):45-50 [10] 秦恩亮，李亚芬.12位A/D转换器TLC2543及与89C51的接口.微计算机信息， 2001(2):64-67 [11]刘汉民.LED显示驱动器MAX7219的单片机接口技术及编程[J]，仪表技术与传感器，2002,4 www.51kaifa.com/yyfa/ [12] 黄小兵，王立琦.并行LED显示驱动器MAX7219[J],电测与仪表,2000,37 - 44 - 兰州工业学院毕业论文 附录A - 45 - 兰州工业学院毕业论文 附录B - 46 - 兰州工业学院毕业论文 R1 250Ω C6 103R2 1KINPUTADCON0 1 20 VccAIN0 VccAIN1 REF+20pFADCON1 2 14 ASVAIN2TIAD1 4 17 P1.0TCL2543AIN4 I/O CLOCTIAD2 5 18 P1.1TIAD3 6 15 P1.2AIN5 CSTIAD4 7 16 P1.3AIN6 DATA OUTTIAD5 8 19 P1.4AIN7 EDCAIN88.2K 11AIN9 12AIN10 GND 10GNDGND 13REF- P1.0 PSENP1.1 P0.0P1.2 P0.1AT89C52P1.4 P0.3P1.5 P0.4P1.6 P0.5P1.7 P0.6Vcc P0.7P3.0 /VppP3.1 RST/VPDP3.2 ALE/PROGP3.3 P2.7图号P3.4 P2.6 1 24P3.5 P2.5 AD0 VccP3.6 P2.4比例 AD1 PB7 3 22 AD2 PB6 4 21XTAL1 P2.2 AD3 PB5设计班级 5 LD81200 20XTAL2 P2.1 AD4 PB4 6 19 AD5 PB3Vss P2.0 7 18审核日期 AD6 PB2兰州工业学院 AD7 PB18155 9 16 10 15 PA7 PA6 11 14 T/IN PA5 12 13 IO/M PA4 T/OUT PC2 RESET PC1 ALE PC0 RD PA3 WR PA2 CE OR CE PA1 Vss PA0 继电器 3M~ A3 刘向荣电力10-2闸门开度荷重测控仪硬 件电路原理图2013.3.7- 47 - 兰州工业学院毕业论文 48 毕业设计(论文)评语 题目 闸门开度荷重测控仪 专业 班级 姓名 指导教师评语:(根据完成“毕业设计(论文)任务书”规定工作的情况:创新性评价、写作的规范化程度、存在的问题、是否可以提交答辩等。) 指导教师(签名) 年 月 日 答辩委员会(小组)评语:(根据学生答辩回答问题时知识面掌握、逻辑思维努能力、口头表达能力、回答问题的正确性等综合填写) 答辩委员会(小组)负责人(签名) 年 月 日 49