远程液位采集装置的设计文档格式.docx
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在软件方面,设计了数字滤波子程序,按键处理子程序和显示子程序,通信中断子程序。
本设计完成的是一种专用的数据显示仪表的设计,可用于生产过程中的液位数据的显示,不仅实现了对工业生产的有效监控,而且在降低生产成本、简化管理等方面效果显著,具有一定的应用价值。
关键词:
液位检测;
A/D转换;
RS485;
显示仪表;
X25045
Abstract:
ThisdesigncompletedbasedontheliquidleveldatadisplayinstrumentAT89S52designofthesoftwareandhardware.Thisdesignaccordingtotheoveralllevelmeasurementinstrumentfunctionrequirementanddomesticandinternationaldisplayinstrumentdevelopmenttrend,anddeterminetheleveldatadisplayinstrumentdesignrequirementsandoveralldesignscheme.Modulesofthissystemofsoftwareandhardwaredesign,detailbydetaildiscussionandanalysisdemonstrated.Thisdesignisbasedonprocesscontrollaboratoryinprocesscontrolexperimentdeviceasthewatertanklevelmeasurementobject,designI/Vswitchingcircuits,will4~20mAstandardcurrentsignaltransforminto0~2.5Vvoltagesignal,intotheserialinterfacefunctionwithSPITLC2543d/aconverter,d/achange.ThisdesignUSEStheAmericanATMELcompanyproductionoflowpowerconsumption,highperformanceCOMStypeeightmonolithicintegratedcircuitAT89S52asmicroprocessors.AdoptedHD7279astheman-machineinterfacecircuit,completedthe4buttonsinputandfourlendsreal-timedisplaylevelthedigitalquantity.ThisdesignbyconsideringthereliabilitydesignwatchdogX25045aslowvoltagemonitoring,dataoffelectricalprotectionandpreventprogramrunfly.DesigncompletedRS485communicationinterfacecircuitandsoftwareagreement.Digitalinstrumenthasmeasuredvaluesoverflowalarmfunction.Insoftware,designthedigitalfilteringsubroutine,keyprocessingprocedureanddisplaysubroutine,communicationinterruptsubroutines.Thisdesignisakindofspecialfinishedthedesignofthedatadisplayinstrumentcanbeusedintheproductionprocess,theliquidleveldatadisplay,notonlyrealizetheeffectivecontrolofindustrialproduction,andinlowerproductioncost,simplifythemanagementetc,hascertaineffectsignificantlytheapplicationvalue.
Keywords:
Leveldetection;
A/Dconversion;
RS485;
Displayinstrument;
X2504
第一章引言
1.1课题研究背景
液位测量一直与自动化密切相关,液位的测量几乎遍及生产与生活的各个领域,尤其是工业生产过程领域。
化工、石油、矿山等企业总是有许多盛液的反应锅(罐)或贮槽需要测定液位;
水电、港务、航道等部门也需要测定水库、港口或航道的水位;
国防部门等需要测定飞机、坦克之类的动力油箱中的油位。
从测量范围来说,小的只有几十个厘米,大的可达几十米;
从精度要求来说,有的只允许1毫米误差,有的却允许几厘米甚至几十厘米的误差;
从测量环境和条件来说,有的很简单,有的却非常复杂。
近年来由于微电子技术的发展使得液位检测技术发生了根本性变化。
新的检测原理与电子部件的应用使得液位测量仪更趋向小型化和微型化,特别是一些小型现场液位开关发展极快,如超声液位计和振动式液位开关,由于没有可动部件,所以可靠性高,不仅可现场显示,而且可以发出控制信号。
与此同时,液位检测也在向着智能化发展,在液位测量领域内广泛应用微处理技术,以实现故障诊断和报警,目的是提高测量的精确度、可靠性、安全性和多功能化。
1.2显示仪表及其特点
在工业生产自动控制过程中,显示仪表应用十分广泛且是测控系统中不可缺少的一部分。
显示仪表与不同的传感器、变送器配合使用,可把生产过程中人们感兴趣的温度、压力、流量、物位等测量结果进行显示,以方便人们正确把握生产的现场状态,有效控制整个生产流程,保证生产能稳定、有序、安全地进行。
显示仪表是一种智能仪表,智能仪表是一类新型的电子仪器,它由传统的仪表发展而来,但与传统的仪表有很大的区别。
智能仪表具有如下新特点和新功能:
校零功能在每次采样后对传感器的输出值自动校零,从而大大降低了因漂移变化造成的误差;
量程的自动切换功能可根据测量值和控制值的大小改变测量范围和控制范围,在保证测量和控制范围的同时提高分辨率;
多点快速测控可对多种不同的参数进行快速测量和控制;
数字滤波功能利用微处理器对测量数据进行处理,可抑制各种干扰和脉冲信号;
自动修正误差许多传感器和控制器的特性是非线性的,且受环境参数变化的影响比较严重,从而给仪表带来了误差;
利用微处理技术,可以依靠软件在线或者离线修正;
数据处理功能利用微处理器可以实现传统仪表无法实现的各种复杂的处理和统计功能;
比如统计分析、函数变换和频谱分析等等;
复杂控制规律利用微处理器不仅可以实现经典的PID控制,还可以实现各种复杂的控制规律,例如,自适应技术、模糊控制等;
多媒体功能可以利用液晶技术显示丰富的画面,实现多页显示,代替传统的数码管显示;
通信和网络功能利用通信各种通信接口,可以大大增加仪表的数据传输和网络功能;
自我诊断功能采用微处理器后,可以对测控系统进行监控,一旦发现故障则立即进行报警,并可显示故障部位或可能的故障原因,对排出故障的方法进行提示[1]。
1.3显示仪表国内外概况
鉴于显示仪表在工业控制领域的重要性,国内外对其都有较为深入的研究。
现今常用的数据显示仪表主要有三大类:
工业控制计算机、通用显示仪表、专用显示仪表。
工业控制计算机是一种具备特殊性能的计算机。
工控机能够在苛刻的外界环境下连续长时间稳定运行,具有抗恶劣环境、结构特性好、电压适用范围宽、各种I/O设备配套齐全以及它对普通PC软件的完全兼容性等诸多优点。
工控机配套相应的外设和专门的软件即能很好地实现对生产过程中的液位状况进行监控,但目前我国的嵌入式工控机几乎全部采用进口的微处理器和芯片组,关键技术受制于人,所以其价格一般比较昂贵,管理和维护也比较复杂。
在工业发达国家,工业控制计算机得到了广泛的应用。
对应我国的实际国情和并不复杂的工业测量控制系统,其昂贵的价格使得成本太高。
通用显示仪表一般在结构上考虑得比较全面,可以根据实际应用系统的特征,通过软件编程实现所需要的监控和显示功能。
专用显示仪表则主要针对不同系统的数据特征,“量体裁衣”地对其进行设计,既简化了管理和维护、节约了成本,又能很好地满足所要求的数据显示功能[2]。
1.4本设计的研究目的及意义
本设计的研究目的:
鉴于工业生产的现状和国内外数据显示仪表的应用局限,根据液位测量的特点,专门设计一种性能优良、功能全面、价格低廉的液位数据显示仪表,使其不仅能满足对液位数据的显示,而且具有超限报警等功能。
仪表不仅能接收变送器输出的4-20mA的工业电流,而且还可以与远程变送器组成多点对多点RS-485串行通信网络,实现单个仪表对多个液位信息的显示和监控。
本设计的研究意义:
实现远程无人值守、全自动的多界面液位测量数据的显示,提高工业生产中液位的自动化测量水平,节约生产成本,简化生产管理。
液位测量系统中的数据显示仪表是本课题的主要设计内容。
显示仪表通过4~20mA电流获得变送器所采集到的液高,对这些数据进行适当的处理后,显示在LED数码管上。
当显示仪表检测到液位数据超过设定的警戒线时,启动声光报警器报警。
第2章液位数据显示仪表的硬件设计
2.1硬件总设计
硬件设计是本装置设计的一个重要环节,考虑到设计的要求及设计的目的,硬件系统由数据采集,A/D处理,中央处理器,HD7279显示及RS485通讯部分组成。
其硬件总框图如图1所示。
2.2单片机介绍及最小系统的设计
2.2.1单片机介绍
AT89S52单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能COMS型8位单片机,片内8Kbytes可系统编程的Flash只读程序存储器,具有高密度、非易失性等存储技术特色,兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器,可在线编程(ISP)又可用传统方法进行编程及通用的8位微处理器集于单片芯片中。
AT89S52单片机引脚图如图2所示。
AT89S52具有如下特性:
1、与MCS51产品指令系统完全兼容[5];
2、8K字节在系统编程(ISP)Flash闪速存储器;
3、全静态工作模式:
0Hz~33MHz;
4、256字节×
8位内部RAM;
5、32个可编程I/O口线、3个16位定时/计数器、8个中断源;
6、全双工串行UATR通道;
7、低功耗空闲模式唤醒系统;
8、看门狗(WDT)及双数据指针;
9、掉电标识和快速编程特性;
10、灵活的在线系统编程(ISP字节或页写模式)。
2.2.2最小应用系统的设计
AT89S52单片机内部有8K闪存,芯片本身就是一个最小系统。
在能满足系统性能要求的情况下,可优先考虑采用此种方案。
用这种芯片的最小系统简单、可靠,在使用AT89S52单片机构成最小应用系统时,只要将单片机接上时钟和复位电路即可,由于集成度的限制,最小应用系统只能用作一些小型的测控单元。
时钟电路用于产生微处理器工作的时钟信号,时钟电路通常有石英时钟、石英振荡器、RC时钟等,本系统采用最常用的石英时钟。
微处理器外接一个石英晶体和两个电容,共同构成一个自激多谐振荡器。
系统时钟取决于晶体的固有频率,为11.0582MHz,电容C1和C2均选22pF。
AT89S52的复位输入引脚RST为AT89S52提供了初始化的手段。
在AT89S52的时钟电路工作后,只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平时,单片机内部则初始复位。
只要RST保持高电平,则单片机循环复位。
只有当RST由高电平变底电平以后,AT89S52才开始执行程序。
复位电路中C选10uF,RK选10K,RS选0.2K。
单片机最小化系统电路图如图3所示。
图3AT89S52单片机最小化系统
2.3液位信号采集部分的设计
2.3.1差动变极距式电容压力传感器介绍
力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
但差动变极距式电容压力传感器,它具有较低的价格和较高的精度灵敏度以及较好的线性特性。
故本次设计选用差动电容式压力传感器。
改变电容两平行板间距d的测量方式有较高的灵敏度,但当位移较大时非线性严重。
采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因ε受温度影响引起的不稳定性。
图4是一种电容式差压传感器示意图。
左右对称的不锈钢基座内有玻璃绝缘层,其内侧的凹形球面上除边缘部分外镀有金属膜作为固定电极,中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极,左、右固定电极和测量电极经导线引出,从而组成了两个电容器。
不锈钢基座和玻璃绝缘层中心开有小孔,不锈钢基座两边外侧焊上了波纹密封隔离膜片,这样测量电极将空间分隔成左、右两个腔室,其中充满硅油。
当隔离膜片感受两侧压力的作用时,通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移。
电容极板间距离的变化,将引起两侧电容器电容值的改变。
图4电容式差压传感器
对于差动平板电容器,其电容变化与板间距离变化的关系可表示为:
C0=△d/d0
式中C0为初始电容值;
d0为极板间初始距离;
△d为距离变化量。
此电容量的变化经过适当的变换器电路,可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。
这种传感器结构坚实,灵敏度高,过载能力大;
精度高,其精确度可达±
0.25%~±
0.05%;
可以测量压力和差压。
电容极板间距离的变化,将引起两侧电容器电容值的改变,从而使加在平板电容器上的电压发生变化。
再通过应变电桥,传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电,并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出(4-20mA或0-5V)并通过后续的仪表放大器进行放大,再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。
2.3.2液位信号采集的设计
由数据采集传感器输出的4~20mA的电流可以通过125
的标准电阻转化为0.5~2.5V标准信号,而设计中A/D转换模块的参考电压为2.5V,因此需要将0.5~2.5V的信号转化为0~2.5V的信号。
转换电路所需2.5V的基准电压可由TL431搭接的简单稳压电路获取。
其电路可见TLC2543与单片机借口电路中的基准电压电路部分。
转化电路见图5。
图54-20mA到0-2.5V转换电路
(2.2)
(2.3)
(2.4)
取
V,则
K
,
。
2.4A/D转换器TLC2543电路设计
2.4.1TLC2543介绍
数据采集系统涉及多学科,所研究的对象是物理或生物等各种非电或电信号。
根据各种电或非电物理信号的特征,利用相应的归一化技术,将其转换成为可真实反映事物特征的电信号后,经A/D转换器转换为计算机可识别的有限长二进制数字编码,以此作为研究自然科学和实现工业实时控制的重要依据。
在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统中,控制或测量对象的有关变量,往往是一些连续变化的模拟量,如温度、压力、流量、速度等物理量。
这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到单片机中进行处理。
若输入的是非电模拟信号,还需经过传感器转换成模拟电信号。
本设计以AT89S52单片机为核心,利用少量的I/O接口,采用TLC2543串行A/D转换芯片,扩展出一个数据采集系统。
TLC2543引脚如图6所示。
图中的AIN0-AIN10为模拟输入端,11路输入信号由内部多路器选通;
为片选端,在
端由高变低时,内部计数器复位。
由低变高时,在设定时间内禁止DATAINPUT和I/OCLOCK;
DIN为串行数据输入端,由4位的串行地址输入来选择模拟量的输入通道;
DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端,
为高时,处于高阻抗状态,
为低时,处于激活状态;
EOC为转换结束端,在最后的I/OCLOCK下降沿之后,EOC从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止;
CLK为I/O时钟,其接收串行信号并完成以下4个功能:
(1)在I/OCLOCK的前8个上升沿,8位输入数据存入输入数据寄存器;
(2)在I/OCLOCK的第4个下降沿,被选通的模拟输入电压开始向电容器充电,直到I/OCLOCK的最后一个下降沿为止;
(3)将前一次转换数据的11位输出到DATAOUT端,在I/OCLOCK的下降沿时数据开始变化;
(4)I/OCLOCK的最后一个下降沿,将转换的控制信号传送到内部状态控制位;
REF+为正基准电压端;
REF-为负基准电压端;
VCC为电源;
GND为内部电路的地回路端[3]。
图6TLC2543的引脚图
2.4.2TLC2543与单片机电路设计
TLC2543与AT89S52的接口电路如图7所示。
以片选信号
的电平为参考,TLC2543的工作过程可分为A/D转换周期和I/O周期两部分交替进行。
图7TLC2543与AT89S52芯片的接口电路图
1.
=1,A/D转换周期
此时I/OCLOCK、DATAIN被禁止,DATAOUT引脚呈现高阻态,EOC为高,TLC2543被禁止,为共同使用串行总线的其他芯片让出了总线使用权。
这个周期是A/D转换周期,TLC2543仍在进行A/D转换,其A/D转换通道是上一次I/O周期从DATAIN输入信号高4位所确定的通道。
2.
=0,I/O周期
此时I/OCLOCK、DATAIN可用,DATAOUT脱离高阻状态,TLC2543既通过DATAIN脚读入数据,又通过DATAOUT脚输出数据。
12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入,随着时钟信号的加入,控制字从DATAIN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,即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地输出。
TLC2543收到第4个时钟信号后,通道号也己经收到,此时TLC2543开始对选定通道的模拟量(液位值)进行采样,并保持到第12个时钟的下降沿,EOC变低,开始对本次采样的模拟量进行A/D转换,转换时间约为10us,转换完成后EOC变高,转换后的数据在输出寄存器中,等待下一个时钟周期输出。
然后进行下一个工作周期。
2.5按键及显示驱动芯片HD7279A电路设计
2.5.1HD7279A介绍
1.HD7279的主要特点
(1)与CPU间采用串行接口方式,仅占用4根口线;
(2)内部含有译码器,可直接接收BCD码或16进制码,同时具有两种译码方式,实现LED数码管位寻址和段寻址,消引和闪烁属性等多种控制指令,编程灵活;
(3)循环左移和循环右移指令;
(4)内部含有驱动器,无需外围元件可直接驱动LED;
(5)具有级连功能,可方便的实现多于8位显示或多于64键的键盘接口;
(6)具有自动消除抖动并识别按键值的功能。
2.HD7279的引脚说明
键盘显示专用接口芯片HD7279的引脚如图8所示。
图8HD7279引脚图
DIG0~DIG7分别为8个LED管的位驱动输出端。
SA~SG分别为LED数码管的A段~G段的输出端。
DP为小数点的驱动输出端。
DIG0~DIG7和SA~SG同时还分别是64键盘的列线和行线端口,完成对键盘的监视、译码和键码的识别。
在8×
8阵列中每个键的键码是用16进制表示的,可用读键盘数据指令读出,其范围是00H~3FH。
HD7279与微处理器仅需4条接口线,其中
为片选信号。
当MCU访问HD7279时,应将片选端置为低电平。
DATA为串行数据输入/输出端,当向HD7279发送数据时,DATA为输入端;
当HD7279输出键盘代码时,DATA为输出端。
CLK为数据串行传送的同步时钟输入端,时钟的上升沿表示数据有效。
KEY为按键信号输出端,在无键按下时为高电平;
而有键按下时此引脚变为低电平并且一直保持到键释放为止[4]。
RC引脚用于连接HD7279的外接振荡元件,其典型值为R=1.5K
,C=15pF。
为复位端。
该端由低电平变成高电平并保持25ms即复位结束。
通常,该端接+5V即可。
CLKO为振荡输出端。
VDD为正电源(+5V);
VSS接地。
3.HD7279的控制时序
(1)纯指令时序
不带数据的纯指令的指令宽度为8个bit,即单片机需发送8个CLK脉冲,向HD7279发送8位指令,DATA引脚最后为高阻态,如图9所示。
图9纯指令时序
(2)带数据指令时序
带有数据的指令的宽度为16个bit,即单片机需发送16个CLK脉冲,前8个向HD7279发送8位指令;
后8个向HD7279传送8位显示数据,DATA最后为高阻态,
如图10所示
图10带数据指令时序
(3)读键盘指令时序
读取键盘数据指令的宽度为16个bit,前8个为单片机发送到HD7279的指令,后8个bit为HD7279返回的键盘代码。
执行此指令时,HD7279的DATA端在第9个CLK的上升沿变为输出状态,并与第16个CLK的下降沿恢复为输入状态,等待接收下一个指令,如图11所示。
图11读键指令时序
2.5.2按键与显示电路设计
HD7279A应连接共阴极式数码管。
应用中,无须用到的键盘和数码管可以不连,省去的数码管或对数码管的设置属性均不会影响键盘的使用。
如果不用键盘,则典型电路图中连接到键盘的8只10K
电阻和8只100K
下拉电阻均可省去。
如果使用了键盘,则下拉的8只100K
的电阻就不得省去。
除非不接入数码管,否则串入DP及SA-SG连线的8只200
的电阻不能省去。
实际用中8只下拉电阻和8只键盘连接位选线DIG
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