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1、毕业设计说明书题 目：基于CAN总线的远程数据采集系统-下位机部分93内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于CAN总线的远程数据采集系统-下位机部分摘 要CAN总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的技术，以其稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低及其独特的设计越来越受到人们的重视，并被公认为是最有前途的现场总线之一。基于CAN总线的远程数据采集系统分为上位机、CAN总线和下位机三个部分。上位机建立友好的人机交互界面；CAN总线采用总线型拓扑结构，通信电缆采用双绞线；下位机部分是两个传感器节点。本论文重点介绍了下位机传感器节点的设计。首先介绍了系统总体设计方案，然后对
2、温度传感器节点使用的K型热电偶、温度传感器AD590和压力传感器节点使用的MPX53DP做简要介绍，并分析设计放大电路；接着介绍单片机AT89C52及其附属电路，特别对键盘做了重点分析介绍；分析软件算法，使用C51语言编程；最后介绍系统调试。本设计实现了下位机对现场温度信号和压力信号的采集，通过键盘在线更改测量范围、报警值等参数。关键词：CAN总线；数据采集；下位机；AT89C52单片机The Long-distance Data Collection Based on CAN Bus - The Lower ComputerAbstractCAN bus technology, which
3、efficiently supports distributed real-time with a very high level of security, attract attention with a very high level of capability. CAN bus has some advantages such as high level of security, strong anti-interference, high communication speed and low of maintenance cost. It is a particular design
4、, and it is regarded a field-bus with expansibility. The long-distance data collection based on CAN bus is divided into three parts: upper computer and CAN bus and lower computer. The upper computer is established friendly Human-Machine Interface.CAN bus uses bus topology structure, and use UTP cabl
5、e communications. The lower computer uses two sensor nodes. This papers emphasis is to introduce the design of the lower computer sensor node.This design firstly introduced the system overall project design. It introduced briefly the K-thermocouple which uses temperature sensor node, and the MPX53DP
6、 which uses temperature sensor AD590 and pressure sensor node.It analyzed the design enlargement electric circuit. It also introduced AT89C52 MCU and its subsidiary circuit, especially focused on analyzing the keyboard.Then it analyzed software algorithm, and used the C51 language for its programmin
7、g. It introduced the system debugging finally. This design has realized the lower computer to the scene temperature signal and pressure signal collection; through the keyboard it can change online measurement range and alarms and so on. Key words: CAN bus; data collection; lower computer; AT89C52 MC
8、U目 录摘 要IAbstractII第一章 基于CAN总线的远程数据采集系统总体方案11.1 研究背景11.2 方案的选择11.2.1数据采集分析11.2.2 现场总线概述21.2.3 CAN总线31.3系统设计方案4第二章 温度传感器节点72.1 热电偶及其放大电路72.1.1 热电偶测温原理72.1.2 热电偶的种类及结构形成82.1.3 热电偶的选择及其放大电路92.2 热电偶的冷端温度补偿112.2.1热电偶的冷端温度补偿方法112.2.2 AD590及其放大电路12第三章 压力传感器节点153.1压力传感器及其测温原理153.2 放大电路16第四章 单片机数据处理模块184.1 芯片
9、选择184.1.1单片机的选择184.1.2 A/D芯片的选择184.1.3看门狗选择184.2硬件电路连接194.3 显示方式204.4 键盘224.4.1 键盘接口技术224.4.2 键盘设置224.5看门狗及复位电路24第五章 软件编程265.1 软件编程概述265.2 温度传感器节点软件设计265.3 压力传感器节点软件设计365.4 编程心得42第六章 系统调试446.1下位机节点调试446.1.1 模拟放大电路调试446.1.2 显示电路调试456.1.3 单片机模块调试456.1.4 键盘调试466.2 综合调试466.3 设计结果47参考文献48附录A 基于CAN总线的远程数据
10、采集系统硬件原理图49附录B 温度传感器节点硬件原理图50附录C 压力传感器节点硬件原理图51附录D 下位机C51程序清单52致 谢93内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 基于CAN总线的远程数据采集系统总体方案1.1 研究背景随着现代工业技术的发展，特别是计算机、控制、网络通信技术在工业中各个具体行业的广泛应用，促进了计算机、控制、网络通讯技术的发展，同时这些技术又与各个行业中的其它技术融合，促进了各个行业的飞速发展1。自从微处理器问世以来，其微型化、低成本的特点使计算机控制技术深入到工业技术最核心、最基本的环节，并逐步形成了单片机、可编程控制器、工业控制计算机三大主流系列，实现
11、了多层次、全过程的计算机控制。单片机作为内嵌式控制器构成了各种智能测试系统或智能仪表，实现了计算机控制的底层化；可编程控制器作为各种工控机的主控模块，实现了计算机控制的单机化；而以工业控制计算机作为上位机，以单片机、可编程控制器作为下位机的分布式控制系统则实现了计算机控制的网络化。特别是单片机的出现，使计算机控制可以达到元件级，因而出现了越来越多的新型自控元件，甚至出现了集成有单片机的智能元件。计算机控制技术已经成为工业技术中最重要的核心技术2。在工业生产中，数据采集、数据传输、数据处理、数据存储都是保证设备正常运行的关键技术。数据采集是保证设备正常运行的第一步，数据的准确快速采集就显得尤为重
12、要。在数据采集领域，各种数据采集仪器都向智能化、集成化、高精度的方向发展，而且要求数据能传输到远离现场的控制中心，所以有必要设计一种智能化的、集成化的远程数据采集系统。1.2 方案的选择1.2.1数据采集分析本文设计了一个远程数据采集系统。采集的信号为两个温度信号和两个压力信号，经过微处理器处理后在下位机上显示，并且要把采样信号送到远程上位机的工控机上集中显示。由于传感器输出的信号一般是毫伏电压或毫安电流信号，而工业标准的电压和电流信号是05V和420mV，所以必须把传感器输出的信号放大成05伏的标准电压信号或420mV的标准电流信号，以便信号的传输和做进一步处理。所以本设计使用了模拟放大电路
13、。数据的采集可以选用FPGA、单片机、FPGA与单片机结合的方法来实现，但是相对于单片机而言，FPGA造价高，在一般的工业控制场合，单片机具有价格便宜，功能齐全等优点，单片机就已经能够达到本设计的要求。本设计选用单片机作为下位机传感器节点的智能芯片。由于数据要进行远距离的传输，所以远距离的数据传输是一个必须考虑的问题。1.2.2 现场总线概述RS-485总线在过程控制中应用广泛，但随着科技的发展，RS-485的总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点慢慢暴露出来，面临着被市场所淘汰的局面。而现场总线由于
14、在通信能力、可靠性、实时性、灵活性、易用性、传输距离远、成本低等方面有着明显的优势，在工业中应用越来越广泛，逐渐取代了RS-485总线。在传统的工业控制中，现场的传感器与控制器之间总是以420mA的直流电流或1-5V的直流电压来传递信息的1。随着工业控制技术的不断发展，工业控制系统正向着数字化、智能化、网络化和开放化的方向发展，模拟传输渐渐被数字传输所取代。而现场总线则可以很好地适应工业控制技术发展的趋势，是对成熟控制系统结构的根本变革。现场总线是用于过程控制中现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通信系统。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，现场总线正在迅速发展。
15、现场总线技术将各种智能芯片置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有数字计算和通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微型计算机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统3。现场总线的种类主要有：基金会现场总线FF、ProfiBus总线、WorldFIP总线、ControlNet总线、CAN总线等 。1.2.3 CAN
16、总线CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作4。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据
17、块的标识码由11位或29位二进制数组成。这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。CAN 总线采用多主竞争的工作方式和非破坏性总线仲裁技术，总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，各节点之间实现自由通信。当多个节点同时向总线发信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级较高的节点不受影响，大大节省了总线冲突仲裁时间。在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。CAN总线通信格式采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备
18、的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯4。1.3系统设计方案由于CAN总线具有上述优点，所以本设计采用基于CAN总线的数据采集系统。系统的设计总体上分为三个部分，上位机部分（包括CAN总线接口），CAN总线，下位机部分（包括CAN总线接口）。系统框图在CAN总线上挂接两路传感器节点和一路监测节点。温度传感器节点使用K型热电偶和集成温度传感器AD590采集温度信号；压力传感器节点使用两个MPX53DP压力传感器采集信号；上位机使用工控机或通用
19、PC机对所采集的数据进行在线监测。本设计主要负责下位机传感器节点的设计。下面分别介绍下位机节点中的温度传感器节点和温度传感器节点的设计。温度传感器节点设计。K型热电偶把现场温度转换成对应的毫伏信号，经放大电路放大成标准电压信号05V后，送A/D转换芯片TLC0832的数据采集输入端口CH0进行A/D转换，AD590传感器采集到的毫伏电流信号经电流/电压转换电路转换成对应毫伏电压信号，再经放大电路放大，送TLC0832的数据采集输入端口CH1进行A/D转换，两个传感器对应的标准电压信号分时经TLC0832的8位A/D转换后送单片机89C52。AD590采集到的温度既作为一路采集温度在上位机上显示
20、，又作为K热电偶的冷端补偿温度。采样信号在单片机中做相应处理后在下位机上进行显示，同时采用定时中断的方式把采集的温度、压力信号经CAN总线传输到工控机上进行远程监测。 图1.1 基于CAN总线的远程数据采集系统结构框图压力传感器节点设计。两个MPX53DP压力传感器把压力转换成对应的毫伏电压信号，再经放大电路放大后，经TLC0832分时采集送单片机89C52，单片机处理后送显示，通过定时中断把采样的压力数字信号经CAN总线送到上位机上实时显示。在2个下位机传感器节点上，单片机89C52都接看门狗复位电路、键盘和数码管等附属电路。看门狗X5045监视单片机的正常运行，数码管用于显示相应的值，键盘
21、用于改变报警值等参数，修改参数后能通过CAN总线把修改的参数上传给上位机。在CAN总线中，系统通过CAN-RS232转接接口把数据传输给上位机。上位机接收CAN总线上的压力数字信号和温度数字信号，经处理后存储到数据库并实时显示,同时可以调出历史数据进行显示，也可以远程在线修改下位机的参数。第二章 温度传感器节点本节点通过两个传感器采集温度信号，并通过放大电路放大信号，经A/D转换送到单片机中进行处理后送显示；每隔一定时间把采样数字信号经CAN总线通信，在上位机显示；通过键盘可以更改上、下限报警值和热电偶线性化的折点坐标。本章主要介绍温度传感器节点，其它部分在后续章节中将有详细介绍。2.1 热电
22、偶及其放大电路2.1.1 热电偶测温原理热电偶传感器是一种将温度变化转换为电势变化的传感器。在工业生产中，热电偶是应用最广泛的测温元件之一。其主要优点是测温范围广，精度高、性能稳定、结构简单、动态性能好，把温度转换为电势信号便于处理和远距离传输5。热电偶把两种不同的金属A和B构成一个闭合电路，当两个接触端温度不同，即TT0时,回路中会产生热电势EAB(T,T0),如图2.1所。图2.1 热电偶原理图由于不同的金属材料内部的自由电子密度不相同，当两种金属材料A和B接触时，自由电子就要从密度大的金属材料扩散到密度小的金属材料中去，从而产生自由电子的扩散现象，如图2.2所示。图2.2 热电偶接触热电
23、势示意图当金属材料A的自由电子密度比金属材料B大，则有自由电子从A扩散到B，当扩散达到平衡时，这样金属材料A失去电子带正电荷，而金属材料B得到电子带负电荷。这样，在A，B接触处形成一定的电位差，这就是接触电势（也叫帕尔帖电势），其大小可表示为 （2.1）式中，为电极A和电极B在温度为T时的接触电势；为玻耳兹曼常数；T为接触面的绝对温度；为单位电荷量；、分别为金属电极A和B的自由电子密度。2.1.2 热电偶的种类及结构形成 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
24、非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型标准热电偶5。K型（镍铬镍硅）是使用量最大的廉金属热电偶，用量为其他热电偶的总和。其使用温度01300。优点是线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性较好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。但K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。2.1.3 热电偶的选择及其放大电路本设计选用K型热电偶作为测温元件。其分度表如下：表2.1 K型热电偶分度表温度（）01020304050607
25、08090热电动势（mV）00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.27417.66418.08818.51318.96919.36319.78820.214
26、50020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.74760024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.709图2.3是由表2.1得到的K热电偶温度和输出热电势关系图。由表2.1和图2.3可知，K型热电偶输出的是毫伏电压信号，而单片机采样接收的是标准的电压信号，所以必须把毫伏电压信号放大成05V的标准电压信号。在设计模拟放大电路时,必须考虑电路的零点漂移、抗干扰等问题。 图2.3 K型热电偶温度-输出热电势关系图放大电路如图2.4所示：图2.4 K热电偶
27、放大电路如图所示，INP+接热电偶的正极，INP-接热电偶的负极，R22起上拉电阻的作用，电容起到滤波抗干扰的作用。放大器为高阻态运算放大器。RW4电位器用于零位调节。RW5用于调节放大倍数。由图可求出放大电路的放大倍数 （2.2）式中RW5为接入电阻，单位为k。本设计采集的温度为0到400，K热电偶对应产生的热电势为0到16.395mV，而A/D转换的输入电压为0到5V，所以放大倍数为 （2.3）从而RW5=0.5k。2.2 热电偶的冷端温度补偿2.2.1热电偶的冷端温度补偿方法由热电偶测温公式可知，热电偶的热电势大小不仅和热端温度有关，还和冷端温度有关，只有当冷端温度恒定的时，才能通过测量
28、热电势的大小得到热端温度。当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用冷端温度补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为0。这就是热电偶的冷端处理和补偿5。常用补偿方法如下：1补偿导线法：补偿导线在100以下的温度范围内，具有与热电偶相同的热电特性，用它连接热电偶可以起到延长热电偶冷端的作用。2热电偶冷端温度恒温法：这种方法就是通过一定的方法把热电偶的冷端温度保持在恒定的温度，一般为0。由于这种方法特别麻烦，在工业生产中不适用，目前这种方法只在实验室的精确测量和检定热电偶时使用。3冷端补偿电桥法：这种方法是利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势
29、的变化值。补偿电桥的4个桥臂中有一个臂是铜电阻作为感温元件，其余3个臂由阻值恒定的锰铜电阻制成。4软件计算修正法：在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0，而是环境温度T1，这时测量出的回路热电势比实际温度对应的热电势要偏小，因此必须加上环境温度T1与冰点T0之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶的分度表的要求。根据连接导体和中间温度定律则有 （2.4）可以用室温计测出环境温度T1，从分度表查出E（T1,0）的值，然后加上热电偶回路热电势E（T,T1），得到E（T,0）值，反查分度表即可得到准确的被测温度T值。本设计采用软件计算修正的方法来实现热电偶的冷端温度补偿。2.2.2 AD590及其放大
30、电路由上一小节可知，软件修正法中必须知道冷端温度，所以必须测量冷端温度，本设计用AD590传感器采集冷端温度。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。AD590温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点。AD590的外部形状及管脚如图2.5所示。图2.5 AD590外型管脚图它的主要特性如下：流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： mA/K 其中Ir流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T为热力学温度，单位为K。AD590的测温范围为-55+150。AD590的电源电压范围为4V30V，输出电阻为710M。精度高。AD
31、590可以承受44V,正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。 图2.6 AD590放大电路如图2.6所示，AD590的放大电路采用三运放差分放大电路。放大器的第I级由U1A和U2A等器件组成，主要用来提高整个放大电路的输入阻抗。第II级主要由U3A等器件组成，采用差动电路用以提高共模抑制比。图中是将U1A、U2A两个同相输入运放电路并联，再与U3A差分输入串联的三运放差分放大电路，根据虚短、虚断的概念，不难分析U1A、U2A前置放大电路仅对差模信号有放大作用，差模放大倍数为（RW3
32、+R15+2R14）/（RW3+R15）倍。U1A、U2A提高了差模信号与共模信号之比，即提高了信噪比。电路的另一个特点是对共模输入信号没有放大作用，共模电压增益接近于零。这个因素不仅与实际的共模输入有关，而且也与U1A和U2A的失配电压和漂移有关。当U1A和U2A有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作为共模信号出现，没有被放大，还能被第二级抑制。这样对于U1A和U2A的漂移要求就会降低。U1A和U2A前置放大级的差模增益要做得尽可能高，相比之下，第二级的漂移和共模误差就可以忽略，对放大器的要求就可以大大降低。当R18=R19，R20=R21时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即：
33、 （2.5）代入电阻的阻值，可得 （2.6）式中的RW3为接入电阻。在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530V的电源相连，并在输出端串接一个1k的恒值电阻R8，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。通过R8的取压，在放大器U1A的正输入端产生对应的电压。通过RW1和RW2的调节，可在U2A的正输入端产生0.273V的电压。相当于0时，AD590在1K负载上产生的电压。调节三运放的RW3，使Avd=50，RW3的接入电阻约为525时，经过三运放差分放大电路后，输出的电压与温度的关系为 50mV/，即测量温度为0时，输出为0V，测量温
34、度为100时，输出为5V。从而实现线性放大的目的。第三章 压力传感器节点压力传感器节点采集两路压力信号，转化成电压信号并放大成标准的电压信号，经A/D转换送到单片机中进行处理并显示。每隔一定时间把采样值送CAN总线接口与CAN总线通信，最终送上位机。并可以通过键盘更改上、下限报警值和压力的测量范围。3.1压力传感器及其测温原理本设计采用的是美国MOTOROLA公司的MPX53DP扩散型压阻式压力传感器，输入信号为差压信号，正端接待测压力，负端与大气相通。该传感器具有体积小，结构简单，动态性能好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低等优点。因此，
35、它是一种目前比较理想的压力传感器。MPX53DP压力传感器的核心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上，利用扩散工艺设置有4个阻值相等的电阻，用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆环（硅杯）固定，膜片的两边有两个压力腔，一个是与被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔，一般与大气相通。当膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片各点产生应力。4个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压。该电压与膜片两边的压力差成正比。这样测得不平衡电桥的输出电压，就测出了膜片受到的压力差的大小。MPX53DP压力传感器主要以气压测量为主，适合用于医疗器械，气体压力控制等领域。图3.1是MPX53DP压
36、力传感器的压力-输出电压曲线图，MPX53DP的测压范围为050 KPa，对应输出的电压为20mV80mV，灵敏度为1.2 mV / KPa。从图中可知，实际曲线和理论曲线有一定的偏差，但这些偏差在正常范围内。在一定范围内不用进行补偿。本设计压力测量范围设计为030KPa，对应的输出电压为20mV56 mV。 图3.1 MPX53DP压力-输出电压曲线图3.2 放大电路放大电路如图3.2所示： 图3.2 MPX53DP放大电路图放大电路用了4个放大器，前边的A1、A2、A3及附属的电阻组成了三运放差分放大电路，在前边的AD590温度传感器的放大电路中就用的三运放差分放大电路，放大电路的分析可参
37、照第二章AD590放大电路部分。图中A4极其附属电阻构成了反同相比例运算电路，放大倍数 （3.1）其中RW3为接入电阻。从而放大电路总的放大倍数 （3.2）代入阻值，可得 （3.3）为使差动放大电路的参数保持对称，应使两个差分对基极对地的电阻一致，以免静态基流流过这两个电阻时，在运放输入端产生附加的偏差电压，所以A4的正极接的电阻应等于RW3和R8的并联电阻。调节RW3后，再调节RW2到合适的阻值，即可避免产生偏差电压。本设计设计的测压范围为030KPa，输出的电压范围为20mV56mV，所以放大倍数为 （3.4）这样在压力节点采样时，采样来的二进制值是在00xFF之间，在软件编程中，通过0x
38、000xFF和030KPa之间的线形关系来求解压力值。第四章 单片机数据处理模块单片机数据采集模块主要负责对放大后信号的采集、处理、显示、报警、看门狗及系统复位和通过键盘修改相关的数值。温度节点和压力节点中的单片机数据采集模块的硬件部分基本是一样的，所以本章一起介绍。4.1 芯片选择4.1.1单片机的选择本设计要求两个下位机传感器节点不但能接收A/D采样信号，还能输出送显示，并且要求能与CAN控制器进行通信。AT89C52是ATMEL公司生产的增强型8051单片机，它是8位CPU，具有256个字节片内RAM和8K片内ROM，一个全双工串行口，3个定时器/计数器，5个中断源和2个中断优先级，32
39、根I/O口6。它能够满足本设计的要求，故采用AT89C52作为下位采样节点的主芯片。4.1.2 A/D芯片的选择本设计采集的温度范围为0400，压力范围为0 30KPa，若使用分辨率为8位的A/D转换芯片TLC0832，最大不可调误差为0.78或0.06 KPa，这已经能够满足设计的要求，TLC0832采用单5V供电，输入范围为05V，能分时采集两路单端输入信号或一路差分输入信号，并且TLC0832还具有抗干扰性较好等优点，选用TCL0832作为本设计的A/D采样芯片。4.1.3看门狗选择看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在
40、许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗复位系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不可靠。X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程控制电路。向X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。X5045具有体积小、反应速度快，抗干扰能力强、占用I/O口少和编程方便等优点，本设计选用X5045作为看门狗芯片。4.2硬件电路连接下边主要
41、设计分析单片机的电路连接，具体的分析在后面相关小节。图4.1单片机电路连接图如图所示， TLC0832的CS口与89C52的P1.1连接，用于片选TLC0832；TLC0832的CLK与P1.2连接，用于控制A/D的时钟；由于A/D通道选择和输出采样值的时间不同，所以可以把DI、DO都和P1.3连接，用于通道选择和逐位把采样的数值送89C52，这样也节省了单片机端口。TLC0832的CH0和CH1分别和K型热电偶和AD590的放大电路连接。X5045的CS、SO、SCK、SI分别与P1.4、P1.5、P1.6、P1.7连接，就能通过单片机控制X5045。X5045的RST与上电复位和手动复位相
42、或后接89C52的RST；电容C6、R65构成上电复位电路；R67、开关SW1、R65构成手动复位电路；当任何一个复位生效时，通过或门就能使单片机复位。单片机外接12MHz的晶振作为内部时钟源。P3.0接串口显示的输入端，P3.1作为显示的时钟输入。P2口接键盘。由于只使用片内存储器，所以/EA接高电平。P0口与CAN控制器连接。其它电路连接如图所示。4.3 显示方式 在工业显示技术中，常用的显示方式有二极管显示、LED显示、LCD显示、CRT显示。二极管显示主要用于报警显示。而CRT、LCD等由于系统比较复杂，价格也比较贵，所以目前在工业中广泛使用LED数码管7。LED数码管由若干个发光二极
43、管组成，能显示出各种字符，常用的器件有7段或“米”字型数码管。在系统显示中，常用到的显示方法有两种：一种为动态显示，一种为静态显示。动态显示，就是单片机定时地对显示器件进行扫描。在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉有暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。这种显示的优点是使用硬件少，因而价格便宜，线路简单。但它占用机市时长，只要单片机不执行显示程序，就立即停止显示。由此可见，这种显示将使单片机的开销增大，在工业控制为主的控制系统中很少使用7。静态显示就是在单片机一次输出模型后，就能保持显示结果，直到下次发送新的显示模型为止。静态显示电路的最大优点就是只要不送
44、数据，则显示值不变化。而且单片机不用如动态显示那样不间断的去扫描，因而节省了大量机时，使单片机能运行其它的程序7。本设计要显示的数据是0400的温度值和030KPa的压力值，以及热电偶产生的毫伏电压值等参数。根据显示的需要，使用5位LED数码管串口静态显示电路，数码管使用共阴极接法，电路如图4.2所示。图4.2 串行口静态显示电路4.4 键盘 4.4.1 键盘接口技术 键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预指令及数据的接口设备。键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。前者能自动识别按下的键并产生相应的代码，并行或串行方式发给CPU。它使用方便，接口简单，响应速度快，但需要专用的硬件电路
45、。后者则通过软件来确定按键并计算键值。这种方法虽然没有编码键速度快，但它不需要专用的硬件来支持，因此得到了广泛的应用7。在键盘设计时，必须考虑按键的确认、重键和连击的处理、按键防抖技术、键盘的设置等问题。在键数较少时，可以使用独立式键盘，即每个按键接一根输入线，各键的工作状态互不影响。在键数较多时，一般都使用矩阵键盘。键盘与单片机的I/O口连接时，单片机通过对I/O口进行扫描，而对键盘进行扫描的方法又可分为程控扫描法、中断扫描法和定时扫描法。程控扫描法是由程序控制键扫描的方法。定时扫描方式是CPU每隔一定时间（如10ms）对键盘扫描一遍。当发现有键按下时，便进行读入键盘操作，求出键值，并分别做相应的处理。当对时间要求严格时，可以使用中断扫描法。中断扫描法就是当没有键按下时，CPU不对键盘进行扫描，当有键按下，立即向CPU申请中断，CPU中断后，立即转到响应的中断服务子程序，对键盘扫描，并做相应的处理。4.4.2 键盘设置本设计中由于用到的键数较多，所以使用4*4的矩阵键盘，使用软件去抖。并且单片机对时间的要求不是特别严，所以本设计采样扫描键盘。键盘的键值设置如图4.3所示。图4.3 键盘示意图图4.3中，09是数字键，.小数点按键，ENTER键是确认键，H-L键是更改上下限报警值键，Key-Lock键是锁键盘键，Delete键是取消键，在温度节点中，T-spot键表示显示更