基于--单片机温度检测设计.pdf

-第 1 章 引 言 1.1 测温系统设计目的和意义 温度作为一个物理参量，在我们日常生活中非常重要，并且在 现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反响炉和锅炉中的温度进展检测和控制。良好的温度检测系统不仅是平安生产的前提，同时较高精度的温度检测还能间接的实现降低能耗。例如，在一些精细机械加工行业和制药行业等，良好的温度检测就可以提高产品的合格率，降低生产消耗。1.2 开展现状 伴随着科技的开展温度传感器已经有许多的类型如：传感器 AD590、传感器DS1820、热敏电阻、热电偶等。但是由于本设计所要实现的是对工业温度500-1500检测进展检测，同时参考其所能实现的精度，该设计采用热电偶，其具有以下诸多优点。构造简单，其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端接在一起而成的；具有较高的准确度；测量温度围宽，厂用的热电偶，低温可测到-50，高温可到达 1600左右，配有特殊材料的热电偶，最低可测到-180，最高可到达2800的温度；具有良好的敏感度；使用方便等。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用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。非标准化热电偶在使用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*些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从 1988 年 1 月 1 日起，热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。该设计根据设计任务要求出发，选取 K 型热电偶为本设计的测温原件。热电偶的构造形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的构造要求如下。组成热电偶的两个热电极的焊接必须结实；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔12。本设计以热电偶为测温元件经过单片机进展相应的数据处理，能够比拟准确的实现温度的检测。同时也可以进展扩展，实现远距离的串行通信。因此能够较好的适应对温度要求较高的工业应用场合，同时也可应用在楼宇等温度检测及显示。1.3 本文主要工作 本文主要阐述了一款基于 AT89S52 单片机控制，以 E 型热电偶为温度传感器的温度仪表的设计。在整个系统的设计过程中为了到达 0.5 级误差的设计要求，对热电偶采取电桥补偿法进展冷端补偿，分段折线法进展线性拟合。由 AT89S52、HD7279及仪用仪表放大电路等构成整个系统的硬件组成。同时考虑网络控制在现代工业控制中的作用，系统同时设计了 RS-485 通讯。第 2 章 系统的总体设计 按任务书的设计要求，可将整个系统分为四大局部：K 型热电偶测温单元、单片机及其外围硬件电路设计、数据处理及软件设计及系统电源设计。图 2.1 为整个系统的构造框图。图2.1 系统构造框图 AT89s52 单片机 显示电路 时钟电路-框图中温度传感器的作用是对工业现场中的温度参数进展采集，信号处理作用是对温度传感器的输出信号进展放大、滤涉及数模转换，AT89S52 单片机的作用是对系统的相关数据进展处理，显示和键盘的显示数据及输入控制。时钟芯片的作用是为整个系统体提供时间参数。整个系统的工作过程中采用温度传感器K型热电偶对工业现场中的温度参数进展采集，温度传感器的输出信号经过放大、滤波、A/D 转换信号处理这一环节，被送入AT89S52 进展数据的相关处理。上位机通过 RS-485 通讯这一环节对下位机进展相应的控制，如显示、读取相关时间参数。第 3 章 K 型热电偶测温单元 K型热电偶的概述 K 型热电偶作为一种温度传感器，K 型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0到1300围的液体蒸汽和气体介质以及固体的外表温度。K 型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。3.1 热电偶工作原理 将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来，构成一个闭合回路，如图 3.1所示。当导体 A 和 B 的两个执着点 1 和 2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。实验证明，当电极材料选定后，热电偶的热电动势仅与两个接点的温度有关，即 d EAB(t1,t2)=SABd t 3.1 图3.1 热电偶原理图 工作端 自由端 A A B 1 2-比例系数SAB称为热电动势率，它是热电偶最重要的特征量。3.2 K 型热电偶的冷端补偿 一 热电偶测温时冷却补偿的必要性 理论上测量是以冷端在零度为标准测量的。所以，使用时必须遵守该条件。如果参考端温度不是 0，尽管被测温度不变，热电势(t,tn)将随参考端温度的变化而变化。,然而，通常测量时仪表是处于室温之下的，由于冷端不为零度，造成热电势差减小，使测量不准，出现错误。所做的补偿措施就是冷端温度补偿.热电偶测量温度时要求其冷端测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。假设测量时，冷端的环境温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。热点偶的分度表等都是以热电偶参考温度等于 0为条件的。因此，一般工程测量中参考端处于室温或波动的温区，此时要测得真实温度就必须进展修正或采取补偿等措施。二 常用的补偿方法 在实际应用的过程中冷端补偿的方法有很多种,下面就常用的三种方案进展讨论。1热点偶补偿法 在热电偶回路中反向串联一支同型号的热电偶，称为补偿热电偶，并将补偿热电偶的测量端置于恒定的温度 T0处向热电势来补偿工作热电偶的参考端热电势，如图 3.2所示。这里 T1等于 Tn，T0等于 0,则可得到完全补偿。当 T0不等于 0时，再利用上述方法进展修正。此法适合用于多点测量，可应用一个补偿热电偶同多个工作热电偶采取切换的方法相对接。图 3.2 热电偶补偿法 2，0恒温法 Tn mV T0 T0 A A T0 T-把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的参考端置于其中，在一个大气压的条件下，即可保持冰水保持在 0，这时热电偶输出的热电势与分度值一致。实验室常采用这种方法。今年来，已生产一种半导体制冷器件，可恒温在 0。3电桥补偿法 在热电偶的正端接入一个直流不平衡电桥，也称冷端补偿器，它的输出端与热电偶串接，电桥的三个桥臂Ra,Rb,Rc由电阻温度系数很小的锰铜丝绕制，使其值不随温度变化；另一桥臂(Rc)由温度系数较大的铜丝绕制，其阻值在20时为Rc 等于1,此时电桥平衡，a,b两端没有电压输出。当电桥所处的环境温度变化时，电阻Rc的阻值随之改变。于是电桥将有不平衡电压输出。Rc 电阻经过适当的选择，可使电桥的输出电压特性与配用的热电偶的热电特性相似，同时电位差的方向在超过 20时与热电偶的热电势方向一样；假设低于 20时与热电偶的热电势方向相反，从而自动地得到补偿。这种补偿的原理可用如下电势关系描述。EAB(T,Tn)=EAB(T,T0)-EAB(Tn,T0)3.3 假设使电桥的不平衡输出电压随温度的变化值等于EAB(T0，Tn)，则显示仪表的示值为：EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)=EAB(T,T0)3.4 这就是被测温度的真实值。如图 3.3 所示-使用电桥补偿法的考前须知 在使用这种补偿器时，由于所设计的电桥是在 20输出为零，故必须把显示仪表的起始点调整到 20所对应的位置。此外，必须注意，各种冷端温度补偿器只能与相应型号的热点偶及在所规定的温度围配套使用，因为热电偶的输出特性是非线性的，只在*一温度区能实现近似的线性。冷端温度补偿器与热电偶连接时，极性切勿接反，否则会增大温差。3.3 K 型热电偶的放大电路 1，放大电路的作用 热电偶的放大电路主要是将热电偶测量温度所得的电压信号进展放大，以到达下一步 A/D 所需要的电压围，因此需要放大电路有较高的放大系数、稳定性等。一些简单的应用电路如图。图 3.5 同向比例放大电路 这是一种常见的放大电路，根据本设计中使用环境的需要，本设计采用仪用仪表放大电路如图 3.6 所示。根据上述方案，放大电路的原理图如图 3.6 所示。U8A，U8B，U10A 及相应电图 3.3 电桥补偿法-阻构成前置仪用仪表放大器。本级分配的差模电压增益为：其中 U8A，U8B 构成的差放分配 13，U10A 构成的差放分配 2，为保证仪用仪表放大器有较好的抗共模干扰能力，应选用对称的电阻参数，既R20=R23，R17/R16=R29/R26。根据两虚的概念和增益的分配有。13v22202322i211RRRRvvAVDoo3.5 116172132RRvvvAVDooo3.6 由于对电路的功耗和分布参数没有特殊，所以可选取参考的要求电阻R22=2K,R16=16K。由 上 述 关 系 算 出：R20=R23=12K，R26=R16=10K，R17=R29=10K。此时前置仪用仪表放大器差模电压增益满足设计的要求。为防止输入端开路时放大器出现饱和状态，在两个输入端到地之间分别串界两个电阻R18，R25。为满足差模输入阻抗大于 107的要求，取R18=R25=20M。第二级及电阻、电容组成带通滤波器，由于总增益要求，前置级已分配，所以本级通带的差模电压增益应为：21272833RRVVAVDOO3.7 取R28=48K，则R27=48K。此时，总的差模电压增益为。AVD=AVD1AVD2AVD3=23 3.8 C1、R8构成高通滤波器，设计要求为fL=0.05HZ。取R8=1M,则根据fL=1/(2piC1R8)可算出C1=3.18F,取C1=3.3F 标称值的电容器，则可满足要求。图 3.6 仪用仪表放大器-同理C2,R10构成低通器，要求上限频率为 100HZ.则根据fH=1/(2piC2R10)和R10=48K,可算出C2=0.03316F,取C2=0.033F 标称值，则可满足要求。3.4 K 型热电偶的非线性校正 由于热电偶的温度特性有较严重的非线性特性，如不加校正是无法到达 0.5 级的显示精度，所以非线性校正环节是直接影响仪表显示准确度的关键环节。方案一：以函数发生电路对热电偶的非线性校正13。首先，观察 E 型热电偶的温度毫伏特特性，如图 3.8 所示。为补偿其非线性，要求在放大器中串入线性化环节，其特性如图 3.9 所示。参加线性化组件后，两曲线叠加，热电偶温度 t 和输出电压之间就有线性关系以下分函数发生器实现图 3.8 曲线将曲线分成 2 段：OA 段曲线和 AB 段直线，先设计出产生曲线 OA 的函数发生器，再设计出产生直线 AB 的函数发生器，OA 与 AB 相加，即为整条曲线。图3.10为三段线段相加形成一条线性化电路总特性曲线过程。K型热电偶的温度毫伏特特性 线性化环节特性图 方案二：用改变参考电压来校正热电偶非线性9。热电偶非线性校正的原理如图3.7 所示。热电偶产生的热电势经参比端补偿和调起点处理后，经过放大倍数可调的放大器成为输送至 7107 的 VIN+端的信号 V0。约为 2.5V 的基准电压 E 经两个阻值相等的电阻 R0分压后加至 7107 的 VREFHI 端。7107 的端、VREFLO端相连并接地。7107 的VIN-端可接端仪表起点温度为 0，或接一迁移电压仪表起点温度不为0。这里，热电偶的非线性校正，只是增加一个阻值适当的电阻R1，使加到 7107V t 0 0 B A VOO Vt-的VREFHI端上的电压Vr随测量信号而变。这样就可以使仪表在测量围两端即起点温度tmin和终点温度tma*及中间任选温度ta点上无显示误差。ta一般可选为 0.5tma*tmin，但对 K 型等热电偶可用试凑ta的方法，使整个测量围正负误差绝对值相等且为最小。设tmin，tma*，ta和热电偶分度号为，由分度表可查出对应的电势参考为 0为emin，ema*和ea，放大器的输出电压为)(mineeKVO3.9 VOmin0，用迁移VIN的方法将 7107 的显示温度调到tmin值上。当测量温度t介于 tmin和 tma*之间时，7107 的参考电压Vr可用下式表示 )()1(5.0mineeKSESVr3.10 式中：)5.0/(011RRRS3.11 由公式3.10可知，当tta和ttma*时的Vra和Vrma*分别可用下面式表示。)()1(5.0mineeaKSESVra3.12)()1(5.0minmaxmaxeeKSESVr3.13 众所周知，7107 的显示值td与V0，Vr和tmin之间成如下的关系。图 3.7 非线性校正原理图 VIN 7107 放大倍数 K可调 VO V R1 E R0 VREFH R0-10001000minttVVdrO3.14 3.5 本章小结 本章通过对 K 型热电偶采用电桥法对其进展冷端补偿，采用仪用仪表对其进展放大、滤波和线性化处理，从而使其到达了本设计的要求。第 4 章 温度仪表的硬件设计 4.1 单片机 AT89S51 简介 本设计采用的CPU为AT89S51单片机如图4.1所示，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚构造，芯片集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。图4.1 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片含4k Bytes ISP(In-system-programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚构造，芯片集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51有40个引脚，4k Bytes Flash片程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器RAM，32个外部双向输入/输出I/O口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗WDT电路，片时钟振荡器。4.2 12 位 A/D 转换器 由放大器输出的信号是不能被单片机直接进展处理的，需要 A/D 转换器对其进展转换。本设计采用的是 12 位 A/D 转换器 TLC2543。具有11个输入端的 12位模数转换器TLC2543是美国仪器公司于近几年推出的一种性能价格比拟优的 12 位 A/D 转换芯片，具有多种封装形式，并具有民用级工业级、军用级产品。在产品型号、规格、封装形式、适用围等方面，已形成一个系列。一九九八年以来开场在我国推广使用。就 12 位 A/D 转换器来说，TCL2543 具有转快、稳定性好、与价格低等优点，相信在我国单片机应用领域将会很快推广。鉴于 51系列单片机是我国单片机应用领域的主流型号，一批与之兼容的单片机(如 AT89 C51、GMS97C51 等)于近几年相继推广使用，51 系列术语含义可以扩大,我们可以把与 51 系列兼容的单片机称为广义 51 系列或 51 系列兼容机，可以预计，51 系列单片机的开发应用，在我国的单片机应用领域仍将是主地位，因此，探讨 TLC2543与 51 系列单片机接口具有实际意义。但是，TLC2543 与带有行外设接口(SPI,Serial Peripheral Interface)的微处理器易于接口，而 51 系列单片机不具有 SPI,因此必-须用软件合成 SPI 的操作。1TLC2543 的引脚及功能 TLC2543 是 12 位开关电容逐次逼近模数转换器,有多封装种形式，其中 DB、DW 或 N 封装的管脚图见图 4.2。TLC2543 有 20 根引脚，其它封装形式引脚数及引脚功能一样。引脚的功能简要分类说明如下。(1)控制引脚 CS,15 脚，片选端，由高到低有效，由外部输入。EOC,19 脚，转换完毕端，向外部输出。I/OCLOCK,18 脚，控制输入输出的时钟，由外部输入。(2)电源引脚 Vcc，20 脚，正电源端，一般接+5V。GND，10 脚，地。REF+，14 脚，正基准电压端，一般接+5V。REF-，13 脚，负基准电压端，一般接地。(3)控制字输入引脚 DATA T INPUT，17 脚，控制字输入端,选择通道及输出数据格式的控制字由此输入。0.3V。(4)模拟输入引脚 AIN0AIN10，19 脚、1112 脚，11 路模拟输入端，输入电压围，0.3VVcc+(5)转换数据输出引脚 DATA OUT，16 脚，A/D 转换结果输出的 3 态串行输出端。2TLC2543 的部存放器 图 4.2 TLC2543 引脚图 -从编程角度看，TLC2543 部存放器有输入数据存放器与输出数据存放器。输入数据存放器存放从 DATA IN PUT 端移入的控制字。输出数据存放器存放转换好的数据，以供从 DATA OUT 端移出。3控制字的格式 控制字为从 DATA INPUT 端串行输入 TLC2543 芯片部的 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。其中高4 位(D7D4)决定通道号，对于 0 通道至 10 通道，该 4 位分别为 0000、0001、1010，该 4 位为其它数字时的功能，用于检测校正，本文不作具体介绍。低4位决定输出数据长度及格式，其中 D3、D2 决定输出数据长度，TLC2543 的输出数据长度 8 位、12 位、16 位，但由于 TLC2543 为 12 位 A/D 转换芯片，经过分析可以看出，8 位、16 位输出对 TLC2543 的应用意义不大，宜定在 12 位输出，D3、D2 两位为 00 即可。D1 决定输出数据是高位先送出，还是低位先送出，假设为高位先送出，该位为 0，反之为 1。D0 决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2 的补码)，假设为单极性，该位为 0，反之为 1。举例说明，设采集第 6 通道、输出数据为 12 位、高位先送出、输出数据的格式为二进制，则控制字为:0110 0000，用十六进制表示即为 60H。4转换过程 上电后,片选 CS 必须从高到低，才能开场一次工作周期，此时 EOC 为高，输入数据存放器被置为 0，输出数据存放器的容是随机的。开场时，片选 CS 为高，I/OCLOCK、DATA INPUT 被制止，DATA OUT 呈高阻状态，EOC 为高。使 CS 变低，I/O CLOCK、DATA IN PUT 使能，DATA OUT 脱离高阻状态。12 个时钟信号从 I/O CLOCK 端依次参加，随着时钟信号的参加，-控制字从 DATA INPUT 一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入 TLC2543(高位先送入),同时上一周期转换的 A/D 数据,即输出数据存放器中的数据从 DATA OUT 一位一位地移出。TLC2543 收到第 4 个时钟信号后，通道号也已收到，因此，此时TLC2543开场对选定通道的模拟量进展采样，并保持到第12 个时钟的下降沿。在第12 个时钟下降沿，EOC 变低,开场对本次采样的模拟量进展A/D 转换,转换时间约需10s,转换完成EOC 变高,转换的数据在输出数据存放器中，待下一个工作周期输出。此后，可以进展新的工作周期。5TLC2543 与单片机的接口 本设计中 TLC2543 与单片机的接口如图 4.3 所示，图中 TLC2543 与单片机之间只用 4 根线，转换完毕 EOF 未接入单片机，这是基于二个工作周期之间的单片机指令一般大于 10s，转换已经完成,不必判断 EOF，也可以通过试验或计算指令执行时间确定转换是否完毕，这样可以省去一根接线。4.3 显示电路 本设计采用 HD7279A 见图 4.4 对键盘输入和 LED 显示进展控制，HD7279A是一片具有串行接口的可同时驱动 8 位共阴式数码管 或 64 只独立 LED 的智能显示驱动芯片该芯片同时还可连接多达 64 键的键盘矩阵单片即可完成 LED 显示键盘接口的全部功。一，HD7279A 的简介。HD7279A 部含有译码器可直接承受 BCD码或16进制码并同时具有 2 种译码方式。此外还具有多种控制指令如消隐闪烁、左移、右移、段-寻址等。HD7279A具有片选信号可方便地实现多于8 位的显示或多于64键的键盘接口。二串行接口，无需外围元件可直接驱动LED；各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性；循环左移/循环右移指令；具有段寻址指令，方便控制独立的LED；64键键盘控制 器，含去抖动电路；有DIP和SOIC两种封装形式供选择；HD7279A 应连接共阴极式数码管。无须使用的键盘和数码管可以不连接,省去数码管或对数码管设置消隐属性均不会影响键盘的使用。HD7279A 的典型应用电路如图 4.5 所示及硬件使用。HD7279A 以串行方式 CPU 通信,这里使用了单片机的 P1 口的 4 根口线:P1.2、P1.3、P1.4 和 P1.5。HD7279A需要外接RC振荡电路供系统工作,其典型值为R=1.5k,C=15pF,当单片机的主频为6MHz时,可以稳定工作。HD7279A的引脚RESET在一般情况下,可以直 接与正电源连接,假设对可靠性要求较高,可以外接复位电路,或直接由 CPU 控制。HD7279A上电后,所有的显示为空,所有的显示位的属性为 显示及不闪烁。当有键按下时,引脚 KEY 变为低电平,此时如果收到读键盘指令,HD7279A将输出所按下键的代码。键盘代码的定义见表 4.1,表 4.1 中代码以十进制表示。如果有 2 个键同时按下,HD7279A 只能给出其中一个键的代码,因此,HD7279A 不适合用在需要 2个或 2 个以上键同时按下的场合。另外,HD7279A 的空脚(NC)必须悬空,即不得有任何外部连接。4.4 时钟电路 图 4.4 HD7279 的引脚图 图 4.5 HD7279 的典型应用电路图-Dallas(如图 4.6 所示)公司生产的串行时钟芯片 DS1302 具有实时时钟和静态RAM，采用串行通信，可以方便地与单片机接口。DS1302 是美国 Dallas 公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附带 31 字节静态 RAM，采用 SPI 三线接口与 CPU 进展 同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节时钟信号或 RAM 数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于 31 日时可自动调整，包括闰年，有效至 2100 年。可采用 12h和 24h 方式计时，采用双电源主电源和备用电源供电，可设置备用电源充电方式，同时提供了对后备电源进展涓涓电流充电的方式。芯片为 8 引脚 DIP 封装15。DS1302 时钟芯片的引脚及其功能*1、*2，连接到 32.768KHZ 晶振，为芯片提供时钟脉冲；GND，电源地；RST，复位引脚，用于对芯片的操作；SCLK，串行时钟输 表 4.1 HD7279A 引脚及功能 引脚 名称 说明 1，2 VDD 正电源 3，5，26 NC 无连接，须悬空 4 VSS 接地 6 CS 片选输入端，为低电平时，向芯片发送指令及读键盘数据 7 CLK 同步时钟输入端，向芯片发送指令及读取键盘数上升沿表示数据有效 8 DATA 串行数据输入/输出 9 KEY 按键有效输出端，平时为高电平，当检测到有按键按下时，此引脚变为低电平 1016 SGSA 段g段a驱动输出 图 4.6 DS1302 引脚图-17 DP 小数点驱动输出 1825 DIG0DIG7 字位0字位7驱动输出 27 RC RC振荡器连接端 28 RESET 复位端 入；VCC1、VCC2，主电源与备用电源引脚。1DS1302 时钟芯片的控制字及其存放器 DS1302 的控制字如表 4.2 所示。控制字的最高有效为位 7必须是逻辑 1，如果它为 0，则不能把数据写入到 DS1302 中：位 6 如果为 0，则表示存取日历时钟数据，为 1 则表示存取 RAM 数据；位 5位 1 指示操作单元的地址，最低有效位位0为 0，表示写操作，为 1 表示进展读操作，控制字总是从最低位开场输出。表 4.2 DS1302 的控制字 7 6 5 4 3 2 1 0 1 RAM/CLK A4 A3 A2 A1 A0 RAM/K 在 DS1302 芯片中，通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位存放器；其次，RST 提供了终止单字节或多字节的传送手段。当 RST 为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 DS1302 进展操作。如果在传送的过程中置 RST 为低电平，则会终止此次数据传送，并且 I/O 引脚变为高阻态。在控制指令字输入后的下一个 SCLK 时钟的上升沿时数据被写入 DS1302，数据输入从低位即位 0 开场。同样，在紧跟 8 位的控制指令字后的下一个 SCLK 脉冲的下降沿读出 DS1302 的数据，读出数据时从低位 0 位至高位 7。-DS1302 时钟芯片共有 12 个存放器，其中有 7 个存放器与日历、时钟相关，存放的数据位为 BCD 码形式。此外，DS1302 还有年份存放器、控制存放器、充电存放器，时钟突发存放器及与 RAM 相关的存放器。时钟突发存放器可一次性顺序读写除充电存放器外所有的存放器的容。DS1302 与 RAM 相关的存放器分为两类，一类是 RAM 单元，共 31 个，每个单元的组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的 RAM 存放器，此方式下可一次性的读写所有的RAM31 个字节，命令控制字为 FEH写，FFH读。2DS1302 时钟芯片典型应用电路 如图 4.7 所示 DS1302 时钟芯片与单片机相连仅需要 3 条线，即 SCLK、I/O、RST。VCC2在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份。VCC2在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式下 VCC1连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息及数据。DS1302 由两者中较大者供电。当 VCC2 VCC1+0.2V 时,VCC2给 DS1302 供电。当 VCC2小于 VCC1时，DS1302 由 VCC1供电。4.5 通讯电路 在现代工业自动化系统中，经常用到单片机及微机。由于单片机的机构简单，设计应用方便，抗干扰及在各种环境下适应能力强。因而被称为工业自动化系统中的前端处理器被称之为下位机，常常被设置到现场采集各种数据及信息，同时也可进展简单的数据处理后送到微机称之为上位机。而且单片机下位机同时也是一种控制器，承受微机上位机下达的命令，对现场进展相关的自动控制。单片机从一个 I/O 引脚逐位传输一系列二进制编码数据，就是串行通信。所谓的图 4.7 DS1302 时钟芯片典型应用电路-串行通信是指外设和计算机间使用一根信号线另外需要地线，可能还需要控制线，数据在一根数据信号线上一位一位地进展传送，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节省本钱。当然，其传输的速度比并行传输的速度慢。串行通信的优点在于远程通信和上下位机通信，缺点在于通信的速度较慢。51 系列单片机是通过自身的串口完成通信的。该串口是一个可编程的全双工串行通信接口。它可用作异步通信方式UART，与串行通信的外部设备相连接。单片机的串行通信需要以下3 个方面的支持。(1)硬件构成，单片机的串口构造和通信接口连接;(2)通信协议，RS-232 通信协议;(3)收发程序，单片机的数据传输程序;串行通信接口标准经过使用和开展，目前已经有比拟成熟的几种。这几种都是在RS-232 标准的根底上经过开展而形成的。RS-232 标准是美国 EIA电子工业联合会与 BELL 等公司一起开发的 1969 年公布的通信协议。他适用于数据传输速率在020 000bit/s 围的通信。这个标准对串行通信接口有关的问题，如信号线的功能、电气特性等都做了明确的规定。由于通信设备厂商都生产与 RS-232C 制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已经在通信接口中获得广泛的应用。RS-232C 标准的全称是 EIA-RS-232C 标准，它规定了串行数据传递的连接电缆、机械特性、电气特性、信号功能及传递过程的标准。目前在 IBM PC 机上的 1 2接口就是RS-232C接口。1RS-232C电气特性 RS-232C标准对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都做了规定。对于数据，-逻辑0的电平低于-3V，逻辑1的电平高于+3V；对控制信号，接通状态ON 既信号有效的电平电平高于+3V，断开状态OFF即信号无效的电平低于-3V。也就是当传输电平的绝对值大于3V 时，电路可以检查出来，介于-3V+3V 之间的电压无意义，低于-15V 或高于+15V 的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在315V 之间。EIA-RS-232C 使用正负电压来表示逻辑状态的，与 TTL 以上下电平表示逻辑状态的规定不同。因此,为了能够同计算机接口或同终端的 TTL 器件连接，必须在EIARS232C与 TTL之间进展电平和逻辑关系的转换。实现这种转换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛集成电路转换芯片,如 MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而 MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。MA*232如图4.8所示芯片可以完成两者的双向转换。与 RS-232C相匹配的连接器有 DB-25、DB-15 和DB-9，其引脚的定义也各不一样。2RS-232 标准通讯与 RS-485 标准通讯比拟 计算机通信有串行与并行之分。串行又有同步和异步之分。串口通信一般采用RS-232 标准或 RS-485如图 4.9 所示标准两种。而单片机与微机间的通信以RS-232 标准最为常见，且微机对外的两个串口1、2 均是专门为 RS-232 标准通信而设计的。虽然 RS-232 的通信方式比拟方便，但是仅能实现短距离通信仅为 10余米长。假设要实现远距离通信，还有赖于调制解调器或其他的方式，同时 RS-232 标准通信口对地是共模信号传图 4.8 MA*232 的引脚图-输方式，对各种电器的干扰大多也是对地共模方式，虽然传输电平提高到-12V+12V，但是抗干扰能力仍不理想。采用 RS-485 标准进展通信有以下优点，它可以实现多点通信方式；而通信距离比 RS-232 标准要远得多；可以作到数百米甚至千米以上；从而可以建立一个小围的局域网。RS-485 标准采用差模信号输入方式，与地电平关系不大。它的抗干扰能力比 RS-232 标准强得多。即使信号电压较小的情况下也能获得稳定的传输。假设想完成单片机与微机的远程通信，应采用串口通信方式应为 RS-485 标准通信方式。3单片机与微机电路连接及设计 由于单片机采用 RS-485 标准通信口，而微机采用的是 RS-232 标准，而且单片机的 I/O 端口输出的是 TTL 电平+5V 为1，-5V 为0与 RS-485 标准的电平一致，而与 RS-232 标准不符合，工作方式及控制机理也有差异。假设想利用微机现成的 1、2 串口来实现 RS-485 标准通信，就需要有电平的转换电路。对其硬件、软件进展相应的设计。单片机下位机与微机上位机的 RS-485 标准远距离通信原理如图 4.10 所示。单片机下位机与微机上位机的 RS-485 标准远距离通信工作原理为：单片机将收集到的数据以 TTL 电平的数据送到 RS-485中，而 RS-485将TTL 电平的数据转换成差模信号送出。经 RS-485 传输线送到 RS-485中，而RS485将差模信号转换为共模信号输出并通过电平转换到微机的串口中，在微机显示器中显示出数据来。同理，微机发出指令并通过串口输出一共模信号指令，经电平转换后到 RS-485中，RS-485将输入的共模信号转换成 TTL 电平的差模信号输出，并经过 RS-485 传输线传送到 RS-485，经 RS-485图 4.10 单片机与微机的 RS-485 标准远距离通信原理图 图 4.9 MA*491 引脚图-将 TTL 差模信号转换成 TTL 电平数据信号送到单片机中，由单片机去完成各种控制指令，这样就完成了单片机与微机串口的远程通信任务。4.6 系统电源设计 在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电压供电。本设计中需要9V、+5V 的稳压直流电源，单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路就可以转换为一定幅值的直流电。电源的整体框图如图 4.11 所示1617。1整流电路的设计 本设计采用单相桥式整流电路构成整流电路，如图 4.12 所示，它由四只二极管组成，在桥式整流电路中，每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有电阻上的一半，即 LAVOAVDRUII2)()(45.02 (4.1)与半波整流电路中二极管的平均电流一样。二极管承受的最大反向电压为 2max2UUR (4.2)考虑到电网电压的波动围一般为%10，在实际选择二极管时，应至少有 10%余量，选择最大的整流电流 IF和最高的反向电压 UR分别为 LAVOFRUII2)(21.121.1 (4.3)221.1UUR (4.4)电源 变压器 整流 电路 滤波 电路 稳压 电路 9V，+5V 220V 图 4.11 直流稳压电源方框图 -由三端稳压电源所要求的最小输入电压可知，U2为 12V，电流为 1A 即可。所以本设计所选择的二极管的最大反向电压为 0.191221.121.12UURV (4.5)最大的整流电流为 55.0211.121.121.12)(ARUIILAVOFA (4.6)所以本设计选择四只二极管的型号为 4007，它的最大整流电流为 1A，最大反向电压为 50V。2变压器的设计 变压器的变比 K 57.111922021UUK(4.7)因此变压器选用变比为 11 的副边双绕线的变压器 3滤波电路的设计 整流电路输出的电压是单向脉动的电压，其中含有较大的脉动分量，因此必须在整流电路后加接滤波电路，使脉动电压变成平滑的电压，接近于理想的直流电压，滤波电路采用并联电容 C 可选用电容器为 1000F，耐压为 50V 的电容。图 4.13 +5V 直流电源原理图 图 4.12 9 直流电源原理图 -4稳压器的选择 本设计所需要的是输出为正负的双向的直流电源，因此可利用 CW7800 系列的稳压器，该电路能同时输出固定的正负电压，要得到9V 的电压，可选用 CW7809的集成稳压器，按电路图 4.11 所示的接法，即可得到9V 的精细电源。5防震电容的选择 使用集成稳压器是为了提高电源稳压性能和减少输出纹波，可以在集成稳压器后面参加防震电容，一般电容取值较小，C33，C36为 0.01F 即可。同时在集成稳压器前端并联电容C32和C35，它可以用于抵消输入线性较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，可以取 0.1F。通过上述设计即可得到的9V 精细电源,采用同样的方法即可得到+5V 精细电源。4.7 本章小结 本章主要介绍