农用飞机智能作业记录仪设计Word文档下载推荐.docx
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农用飞机播种自动智能计量仪就是利用单片机控制,准确的计量农用飞机播种时间及面积的一种新型仪器。
长期以来,在农用飞机作业过程中,由于对其工作的诸多参数,如飞行时间、发动机工作时间等只能进行认为地估算,然后,通过计算核算出作业面积。
这就难免不准确,而在地方用户与机场之间产生矛盾。
农用飞机作业智能仪正是为了有效解决这个问题而设计的。
该智能仪可以对农用飞机工作过程中的各种时间及面积参数进行自动记录、计算、存储、显示、打印,具有操作简便、反应速度快、计时准确、适应性强等特点。
第2章农用飞机作业记录仪技术要求
1该纪录仪应具有显示和打印两种功能
因某种原因使一种功能实效时,不影响另一种功能的正常发挥。
2每架次作业后显示和打印内容要求
架次的概念:
从发动机开始工作到停止工作为一个架次。
其中,一个架次可能有几个起落
显示内容:
需要时可显示
1)架次顺序号
2)飞行起止时刻(北京时间)
3)飞行时间(小时,分,秒,且时间为绝对时间)
4)喷洒时间(小时,分,秒,且时间为绝对时间)
打印内容:
1)架次序号
2)飞机起止时刻(北京时间)
3累计显示和打印内容要求
显示内容:
1)总架次
2)飞行总时间
1)年月日
2)总架次
3)发动机工作总时间
4)飞行总时间
5)发动机地面工作总时间
6)作业面积理论(公顷数、保留小数点后一位)
4播种幅宽可任意选择
5本纪录仪没有无效架次起落时间清除键。
在去掉起落时间时,该无效架次的顺序及发动机工作时间应保留
6故障显示
显示部分或打印部分出现故障时,应分别该出警告信号。
工作正常绿灯亮,有故障时红灯亮。
第3章方案论证
3.1设计依据
根据国家民航总局科教司科教处,专业司农业出1989年10月14日及1989年11月13日审定的《农业飞机作业量纪录仪》主要技术要求进行计量仪的电路设计的。
3.2电路的总体结构设计
方案1:
该计量仪采用MCS-51单片机中的8031芯片为核心,配置相应的外部程序存储器和外部数据存储器,构成专用微型计算机。
其专用微
型计算机系统总体结构框图如下:
图3-1系统总体结构框图
该系统是一个专用微型计算机为核心,配置输入输出端口及其它外部设备(显示器、打印机、输入键盘、传感器等)其它控制电路而构成的专用微型计算机系统。
3.3专用的工作程序设计考虑
为配合硬件电路完成规定的计划,其工作程序包括以下主要部分:
1、由于专用微机首先应是一个时间的计测装置,因而软件应保证微机的计时及校时功能,因而应编制计时程序及校时程序。
2、由于操作人员通过键盘进行各种工作状态下的常数设定及对只能仪器发出各种工作命令,因而需设置键盘扫描及键处理程序,以实现操作人员对机器工作状态的干预。
3、实现对各种作业参数的计测,微机应循环检查传感器所处的工作状态。
并根据传感器的状态,进行不同的处理。
因而应设计出传感器的状态及处理程序。
4、由于采集的只是原始数据,不能直接用于显示输出和打印输出,为将其原始数据变换为能用于显示及打印输出的数据,需设置数据运算及数据处理程序。
5、为时输入的数据和计测的结果通过显示输出及打印输出。
因而应设置显示及控制打印程序。
6、设置打印字符的代码字库。
7、设置各命令键的执行程序。
3.4农用飞机智能计量仪键盘设置及操作面板设计说明
1程序运行状态指示:
绿灯显示程序运行状态亮时表示正常,灭时表示故障。
2电源指示:
仪器正常供电时,电源指示灯亮。
3功能及时间、记录参数的显示。
图3-2功能及时间、记录参数的显示
4八个功能键:
分别为架次、校时、参数、幅宽、显示、+、-、键操作过程:
每日使用前可先校时键,其功能是校准月、日、时、分、秒,北京时间,按一次时10~9LCD显示“XX”再按+、-出现月份值;
按2次,使8~7LCD显示“XX”一任意值,再按+、-出现日值,按3次,再按+、-键使5~6LCD显示值,按4次,再按+、-使3~4LCD显示分值,按5次,再按+、-,使1~2LCD显示秒值。
按幅宽键,再按+、-,可在7~8LCD上显示播撒的幅宽值,同理可在9~10LCD上显示架次值。
3.5技术关键及设计思想
该项目的技术关键是提高只能仪器的稳定性和可靠性,设计思想和所采用的技术措施如下:
采用8031单片机组成的系统,EPROM采用低功耗片子,以减轻电源负担。
电路尽可能采用工业品级的芯片,提高工作可靠性。
主机电源采用单片开关集成稳压器和大容量可充电电池并联供电。
优化设计主机硬件电路,尽量减少元件。
第4章硬件设计
本设计以MCS-51单片机系列中的8031为核心,用CTC计时,通过可编程接口8255连接显示设备及输入设备。
其他元器件还包括,数据存储器使用8位8K的6264;
程序存储器选用8位8K的EPROM2764。
4.1电源设计
整机电源的质量直接影响到智能仪器的性能,由于该智能仪器是一个单片机的微机系统,所以供电为+5V,而飞机内的电源为+27V左右。
因此要将27V变为5V,从效率和体积考虑,本系统可以运用集成开关型电源模块。
直流-交流-直流变换方案。
另外,为了保证飞机着陆后(机内电源关闭),系统仍然工作,又可以采用可充电电池供电。
具体框图如下:
图4-1可充电电池框图
4.2专用微机
专用微机以MCS-51单片机系列中的8031为核心,它主要由8个部件组成,分别是:
a)1个8位的中央处理器。
b)128字节的数据存储器(RAM)。
c)32条I/O线(4个8位口,P0,P1,P2,P3)。
d)2个定时器/计数器。
e)1个具有5个中断源,2个优先级的中断嵌套结构。
f)用于多处理机通讯,I/O扩展的串行口。
g)特殊功能寄存器。
h)一个片内振荡器和时钟电路。
其总体结构框图为:
图4-251单片机内部总体结构框图
4.2.1中央处理器
中央处理器是单片机内部的核心部件,他决定了单片机的主要功能特性。
它主要由运算部件和控制部件构成。
1运算部件:
包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器Acc、寄存器B、暂存器TMP1、和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。
运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送操作。
2控制部件:
控制部件是单片机的神经中枢,它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码器以及信息传送控制部件。
它以主振频率为基准发出CPU的时序,对指令进行译码,然后发出各种控制信号,完成一系列定时控制的微操作,用来控制单片机各部分的运行。
其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑,如控制地址锁存的地址锁存信号ALE,控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA,以及片外取址信号PSEN。
4.2.2振荡电路、时钟电路和CPU时序
振荡电路和单片机内部的时钟电路一起构成了单片机的时钟方式,根据硬件电路的不同,连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。
同时,振荡周期和时钟周期又决定了CPU的时序。
1振荡电路与时钟电路
MCS-51单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。
这种接法也就是MCS-51单片机的内部时钟方式。
图4-3HMOS型MCS-51单片机片内振荡器
图4-4片内振荡器的等效电路和外接元件
其中外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中,这时内部振荡器便自激振荡。
外接晶体时,C1和C2值常选择为30pF左右;
外接陶瓷谐振器时,C1和C2的典型值约为47pF。
我们也可以采用外部振荡器,这也就是MCS-51单片机的外部时钟方式。
其中引脚XTAL2就是内部时钟发生器的输入端。
因此,对于HMOS型的芯片只需将外部振荡器的信号接至引脚XTAL2,而把内部反相放大器的输入端XTAL1引脚接地。
通常接的外部信号一般为频率低于12MHz的方波信号。
另外,由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的,故最好接上一个上拉电阻。
2CPU时序
一条指令可以分解为若干基本的微操作,而这些微操作所对应的脉冲信号,在时间上有严格的先后次序,即时序。
1)振荡周期:
是指为单片机提供定时信号的振荡源的周期。
2)时钟周期:
又称状态周期或S周期。
因为时钟发生器就是上述的2分频触发器,所以它是振荡周期的两倍,时钟周期被分为2个节拍,P1和P2节拍。
在每个时钟的前半周期,P1信号有效,这时通常完成算术逻辑操作;
在每个时钟的后半周期,P2信号有效,内部寄存器与寄存器间的传输一般在此状态发生。
3)机器周期:
一个机器周期由6个状态(12个振荡脉冲)组成,即6个时钟周期,12个振荡周期。
每个节拍持续一个振荡周期,每个状态持续2个振荡周期。
可以用机器周期把一条指令划分为若干个阶段,每个机器周期完成某些规定操作。
4)指令周期:
是执行一条指令所占用的全部时间,一个指令周期通常含有1~4个机器周期。
若外接晶振为12MHz时,MCS-51单片机的四个周期具体值为:
振荡周期=1/12µ
s
时钟周期=1/6µ
机器周期=1µ
指令周期=1~4µ
在MCS-51的指令系统中,指令长度为1~3字节,除MUL(乘法)和DIV(除法)指令外,单字节和双字节指令都可能是单周期和双周期的,3字节指令都是双周期的,乘法指令为4周期指令。
所以用12MHz的晶振,则指令执行时间分别为1µ
s,2µ
s和4µ
s。
可以以XTAL2(18脚)端出现的振荡器信号和芯片ALE(30脚)端的信号作为参考。
ALE信号为MCS-51单片机扩展系统的外部存储器地址低8位的锁存信号,在访问程序存储器的机器周期内ALE信号2次有效。
在访问外部数据存储器的机器周期内,ALE信号一次有效。
因此ALE的频率是不稳定的。
所以,把ALE引脚作为时钟输出时,在CPU执行MOVX指令时,会丢失一个周期。
3时钟信号的输出
在系统中,单片机管脚的时钟输出有两个途径:
一个是上面提到的ALE引脚的输出;
另一个就是振荡晶体引脚信号经放大后输出。
如图:
图4-5时钟信号的输出
4.3单片机的复位状态及复位电路
4.3.1复位状态
单片机的复位都是靠外部电路实现的,在时钟电路工作后,只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平,单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠的复位,在设计复位电路时,通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。
只要RST保持高电平,则MCS-51单片机就循环复位;
当RST从高电平变为低电平以后,MCS-51单片机就从0000H地址开始执行程序。
在复位有效期间,ALE、PSEN引脚输出高电平。
复位以后单片机的初始复位状态如下表。
表4-1复位以后单片机的初始复位状态
专用寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
Acc
TCON
B
TH0
PSW
TL0
SP
07H
TH1
DPTR
TL1
P0~P3
FFH
SCON
IP
XXX0000B
SBUF
XXXXXXXXB
IE
0XX00000B
PCON
0XXX0000B
复位后,P0口~P3口输出高电平,且使这些准双向口皆处于输入状态,并且将07H写入栈指针SP(即设定堆栈底为07H),同时,将程序计数器PC和其余的特殊功能寄存器清零(不定的位除外)。
但复位不影响单片机内部的RAM状态。
4.3.2复位电路
HMOS型MCS-51单片机内部复位结构如图:
图4-6单片机内部复位原理图
复位引脚RST、VPD通过一个斯密特触发器与内部复位电路相连。
MCS-51单片机通常都采用上电自动复位和开关复位二种方式。
复位电路的核心就是必须保证RST引脚上出现10ms稳定的高电平。
因此,无论简单还是复杂的复位电路,都是为了保证这个10ms以上的稳定的高电平。
图4-7两种复位电路
在通电瞬间,在RC电路充电过程中,RST端出现正脉冲,从而使单片机复位。
在实际应用系统中,为了保证复位电路可靠的工作,常将RC电路接斯密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。
这特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境。
并且,当系统有多个复位端时,能保证可靠地同步复位。
4.4定时器/计数器
MCS-51单片机内部设置两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1,它们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式以及4种工作模式。
其控制字均在相应的特殊功能寄存器中,通过对控制寄存器的编程,用户可以方便的选择适当的工作模式。
对每个定时器/计数器(T0和T1),在特殊功能寄存器TMOD中都有一控制位,它选择T0或T1为定时器还是计数器。
MCS-51单片机的微处理器和T0及T1的关系,如图:
图4-8单片机内部定时/计数器原理框图
定时/计数器T0由TH0、TL0构成,T1由TH1、TL1构成。
TMOD用于控制和确定各定时器/计数器的功能和工作模式。
TCON用于控制定时器/计数器T0、T1的启动和停止计数,同时包含定时/计数器的状态。
他们属于特殊功能寄存器。
这些寄存器的内容靠软件设置。
系统复位时,寄存器的所有位都被清零。
4.4.1工作方式控制寄存器TMOD
TMOD用于控制定时器/计数器的工作模式,其格式如下所示:
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
GATE
C/T
M1
M0
低4位为定时器T0的方式控制字段,高4位为定时器T1的方式控制字段。
1)工作方式选择位M1M0
定时器的工作方式由M1M0二位状态确定,对应关系如下:
功能说明
方式0,为13位的定时器/计数器
1
方式1,为16位的定时器/计数器(本设计采用)
方式2,为常数自动重新装入的8位定时器/计数器
仅适用于T0,分为两个8位计数器,对T1停止计数
方式1:
当M1M0为01时,定时器/计数器工作于模式1,这时定时器/计数器的等效电路如下图。
图4-9定时器/计数器的等效电路图
模式1为16位的计数器,由THX作为高8位和TLX作为低8位构成(X=0,1)TLX溢出向THX进位,THX计数器溢出置位TCON中的溢出标志位TFX(X=0,1)
2)定时器和外部计数方式选择位C/T
C/T=0为定时器方式,采用晶振脉冲的12分频信号作为计数器的计数信号,亦即对机器周期进行计数。
C/T=1为计数器方式,采用外部引脚(T0为P3.4,T1为P3.5)的输入脉冲作为计数脉冲。
当T0(或T1)输入发生高到低的负跳变时,计数器加1,最高计数器频率为晶振频率的十四分之一。
3)门控位GATE
GATE为1时,定时器/计数器的计数受外部引脚输入电平的控制(INT0控制T0运行,INT1控制T1运行);
GATE为0时定时器/计数器的运行不受外部输入引脚的控制。
4.4.2定时器/计数器控制寄存器TCON
字节地址为88H,位地址为88H~8FH,TCON的格式如下:
D3~D0
TF1
TR1
TF0
TR0
1)TCON的低4位与外部中断有关。
2)TR0为定时器T0的运行控制位
该位由软件置位和复位。
当GATE(TMOD.3)为0时,TR0为1时允许T0计数,TR0为0时停止T0计数。
当GATE(TMOD.3)为1时,仅当TR0=1且INT0(P3.2)输入为高电平时才允许T0计数。
TR0为0或INT0输入低时都禁止T0计数。
3)TF0为定时器T0的溢出标志位
当T0被允许计数以后,T0从初值开始加1计数,最高位产生溢出时置“1”TF0,并向CPU请求中断。
当CPU响应时,由硬件清“0”TF0。
TF0也可以由程序查询或清“0”。
4)TR1为定时器T1的运行控制位
当GATE(TMOD.7)为0时,TR1为1时允许T1计数,TR1为0时禁止T1计数。
当GATE(TMOD.7)为1时,TR1为1且INT1输入高电平时,才允许T1计数。
TR1为0且INT1输入低电平时禁止T1计数。
5)TF1为T1的溢出标志位
当T1被允许计数后,T1从初值开始加1计数,最高位产生溢出时,置“1”TF1,并向CPU请求中断,当CPU响应时,由硬件清“0”TF1,TF1也可以由程序查询或清“0”。
4.5中断系统
中断系统是为使处理机具有对外界异步事件的处理能力而设置的。
当中央处理机CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件请求,要求CPU暂停当前的工作,转而去处理这个紧急事件。
处理完以后,再回到原来被中断的地方,继续原来的工作,这样的过程称为中断。
实现这种功能的部件称为中断系统,请示CPU中断的请求源称为中断源。
每个中断源有一个优先级别。
CPU总是先响应级别最高的中断请求。
8031单片机提供5个中断源,其中两个为外部中断源,由INT0、INT1(P3.2、P3.3)输入;
I/O设备中断请求信号,或掉电故障等异常事件中断请求信号都可以作为中断源连INT0、INT1。
两个为片内的定时器/计数器溢出时产生的中断请求(用TF0、TF1做标志);
另外一个为片内串行口产生的中断请求(TI或RI)。
这些中断请求源分别由MCS-51的特殊功能寄存器TCON和SCON的相应位锁存。
MCS-51单片机CPU对中断源的开放或屏蔽,每一个中断源是否被允许中断,是由内部的中断允许寄存器IE控制的。
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