基于51单片机智能控制仪表简单设计

智能控制仪表简单设计

龙岩学院电子信息工程

学号：200402208 姓名：邓晶晶指导老师：吴春富

【摘要】：随着传感器技术、微电子技术、单片机技术的不断发展,为智能控制仪表测控功能的完善、

测控精度的提高和抗干扰能力的增强等提供了条件。本设计介绍了一种用变送器现场采集的温、湿度等信号再经A/D 转换送单片机进行处理,最后通过数码显示器,键盘等硬件设计实现了工作过程的自动化。一般的单片机系统在工业现场等恶劣的环境下容易死机,所以在本文中外加监视电路对系统起保护作

用。

关键词】：AT89C52 单片机;HD7279A; 看门狗;

第1章引言

仪器仪表是人类认识世界的工具，人们借助于各种仪器仪表对各种物理量进行度量，反映其大小与变化规律.随着人类认识能力的提高与科学技术不断进步，仪器仪表技术得到了飞速发展.50年代以前,

仪器仪表多为指针式，其理论基础是机电学?从50年代起，电子技术特别是数字技术的发展，给仪表行业带来了生机，各种数字式仪表相继问世，许多传统的指针式仪表相继被淘汰，数字仪表使仪表外观耳目

一新，数据表达能力与总体性能都大幅提高? 70年代中期，随着微处理器的出现以及单片机的兴起与应

用，设计者将计算机特有的许多优点引入仪表设计，随之产生了一代崭新的智能仪表，使仪表逐渐由数字型向智能化发展，其功能也由单一显示功能转变为具有信息处理、传输、存贮、显示、控制等功能，使仪

表性能产生了质的飞跃.，品种繁多?目前，我国仪器仪表有13大类，1 300多个产品.其中自动化仪表及控制系统是和国民经济各产业部门关系最为密切的一类产品，其传感变送单元与主控装置及I/O接口

均正朝智能化方向发展?在本设计中采用以单片机作为仪表核心控制器件，可以利用A/D转换芯片对标

准信号进行采集、转换，将输入的模拟量转换成单片机能够检测的数字量进行分析和监测控制，同时可

以利用键盘显示电路将相关数据进行显示。与此同时通过所查阅的资料我还了解到随着测量技术的发展

和微处理器的广泛应用，单片机系统的电路越来越复杂，而系统的可靠性问题也越来越突出，一般的单

片机系统在工业现场等恶劣的环境下容易死机，因此系统在这些场合要保证能够稳定的工作就必须外加

监视电路，在设计中采用了美国集把关定时器、电压监控和串行EEPRO三项功能于一体的专用集成芯

片X5045。该芯片的应用将有利于简化单片机系统的结构，增强功能、降低系统的成本，尤其是大大的增加了系统的可靠性。X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET言号向CPU作出反应。X5045提供了三个时间值供用户选择使用。它所具

有的电压临控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。本次毕业设计旨在掌握智能控制仪表的设计方法，同时掌握在开发系

统下实现部分软件的仿真方法。

第2章控制系统的硬件设计

硬件组成智能仪表的硬件方框图如图 2.1

图2.1 智能控制仪表的原理框图

2

图2.3 0?5V/O ?5V 转换电路

2. 1 CPU 的选择⑹

AT89C52芯片有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O )端口。 同时内含2个外中断口， 3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行 通信口，2个读写口线。AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以 在线编程。其将通用的微处理器和

Flash 存储器结合在一起，特别是可反

复擦写的Flash 存储器可有效地降低开发成本。基于上述特点，可使电路极 大地简化，而且程序的编写及固化也相当方便、灵活。

AT89C52的引脚如图2.2所示。

2. 2标准信号转换电路

设计要求实现 0?5V,1?5V,0?10ma,4?20ma 标准信号变换电路的 设计,输入信号范围确定，输出电压范围则取决于所选取的

A/D 转换芯片

的输入电压范围，A/D 转换器选用的串行 A/D 转换器TLC2543,它的最大 输入电压范围为0 ~ 5V ,因此需完成四种不同信号与 0 ~ 5V 电压信号的 转换。

1. 0 ~ 5V / 0 ~ 5V 转换及 1 ~ 5V / 0 ~ 5V 转换

(1) 0~5V /0~5V 转换：此转换电路只需在输入与输出电压之间加一电压跟随器即可。电压跟 随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器作为同相放大器的特例，在 低频情况下其放大倍数接近

1,故称为电压跟随器，电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出

阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至 更低。因此常在信号处理中作用阻抗变换器。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电 压放大器的输出阻抗一般比较高，

通常在几千欧到几十千欧， 如果后级的输入阻抗比较小， 那么信号就

会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。

在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。

起到承上

启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样， 输入电容的容量可以大幅

度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。电压跟随器的另外一个作用就是隔离。具体电路如图

2.3所示。

1 P10 C P00 39 ~2~

P11 V

P01 ~38~ 3 P12 P02 37~ 4 P13 P03 36 ~5~ P14 P04 ~35~ ~6~

P15 P05 ~34~ 7 P16 P06 33 8

P17 P07 32 13七

INT1

P20 21 INT0

AT89C52

P21 22

P22 23 15 T1 P23 24 14

T0 P24 P25 25

26 31

EA7VP

P26 27

P27

28

19 X1 18 X2

9

RFSFT

RXD

TXD ALE/P 一

PSFN 10

11

RD WR

30

口 29

图2.2 AT89C52引脚图

图2.4 1 ?5V/0?5V转换电路

2. 0~10mA/0~5V 的转换及4~20mA/0~5V 的转换

(1) 0 ~ 10mA/ 0 ~ 5V的转换电路

下图2.5为所设计的l/v转换电路。其实质是一同相放大器电路，利用0~10mA电流在电阻R上产生输入电压。在输出端接负载时，需考虑转换器的输出驱动能力，一般在输出端可再接一个电压跟随

器作为缓冲器，4?20mA/0 ~ 5V的转换也同此，由于采用同相端输入，因此放大器A应选用共模抑制比较高的运算放大器，从电路结构可知，其输入阻抗较低。

(2) 1~ 5V / 0 ~ 5V转换：采用同相放大器电路，如图 2.4所示。

图2.5 0 ?10mA/O^ 5V转换电路

（2） 4~20mA/0~5V 的转换电路如图 2.6。

图2.6 4

?20mA/O H 5V 转换电路

在单片机开发中，很多都要涉及到将模拟量转换为数字量，因此使用ADC 勺场合很多.选择一款合适 的ADC 芯片就显得尤为重要?由于单片机往往要控制比较多的

I/O 口 ,因此使用并行AD 会限制系统I/O 口

功能的扩展，采用串行ADC 比较适合那些低速采样而控制管脚又比较多的系统

.TLC2543是有11个输入端

的12 bit 模数转换器，具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简单、价格低等优点 ?由于它带有串行

外设接口（SPI ）,而51系列单片机没有SPI,为了与TLC2543接口，可利用软件合成 SPI 操作，完成A/D 数 据

的采集。

2.3.1 TLC2543的特点及引脚

TLC2543是 12 bit 串行A/D 转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成 A /D 转换过程.由于是串行输入 结构，能够节省单片机的I/O 资源. TLC2543的引脚排列如图2.7所示

图1中A IN0?A IN10为模拟输入端；/CS 为片选端；DIN 为串行数据输入端；DOU ■为A/D 转换结果的三态串 行输出端；EOC 为转换结束端；CLK 为I/O 时钟；REF +为正基准电压端；REF -为负基准电压端；VCC 为电 源；GND 为地.

2.3.2 TLC2543使 用方法

控制字的格式：

控制字为从DATEINPUT 端串行输入的8 bit 数据，它规定了 TLC2543 要转换的模拟量通道、 转换后的输出数据长度以及输出数据的格式

.其功

能为：数据寄存器的前 4位（D7-D4 ）数据，用来选择要求转换的通道， D7D6D5D4=0000时选择0通道，D7D6D5D4=000时选择1通道，依此类推。 1011到1110代表分别选中测试电压。 D3D2D1用来选择输出数据长度， 共 有三种位数可供选择：8位（精度较低，方便单字节串行数据传输）

，12

位（标准位数），16位（低四位为零，便于 16位串行数据传输）。选择输 出数据长度为12位时，即D3D2=00或D3D2=10 D1, D0选择输入数据的 导前位，D1:为“ 0”表示输出数据的最大位导前（ MSB ，为“ 1”时表示

2. 3 A/D 转换器的选型设计

[3] [8]

1 AIN0 VCC 20

2 AIN1 EOC 19

3 AIN2 I/O CLOCK 18

4 AIN3 AIN4 DATAINPUT DATAOUT

17 5 16 6 AIN5

CS 15

7

AIN6

8

AIN7

REF+ 14 9

AIN8

REF- 13

AIN1 0 12 10

GND

AIN9 11

最小位导前，DO 为“ 0 ”时表示输出数据是单极性（无符号二进制） ，为“ 1”时表示双极性（有符号二

进制）。本设计采用的是输出数据长度为 8位。TLC2543在每次I/O 周期读取的数据都是上次转换的结

果，当前的转换结果在下一个 I/O 周期中被串行读出，第一次读数由于内部调整，读取的转换结果可能 不准确。应

丢失。

转换过程：

TLC2543每次转换和数据传送使用 16个时钟周期，并且在每次传送周期之间插入 /CS 时序。片选

/CS 为高，I/O CLOCK 、DATA INPUT 被禁止，DATA OUT 呈高阻状态，EOC 为高.使/CS 变低,I/O CLOCK 、 DATA INPUT 使能，DATA OUT 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，即输出数据寄存器中的数据从

DATA OUT-位一位地移出.TLC2543收到第4

个时钟信号后，通道号也已收到，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样 ，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,开始对本次采样的模拟量进行 A /D 转换,转换时间约需10

卩s,转换完成后EOC 变高,转换的数据在输出数据寄存器中 ，待下一个工作周期输出?此后,可以进行新

的工作周期?

2.3.3 TLC2543 与 AT89C52单片机的接口：

89C52单片机没有SP I 接口，为了与TLC2543接口可以用软件功能来实现 SP I 接口，其硬件接口如 图2.8 所示.

图2.8

在设计中我采用了 HD7279A t 盘显示芯片做为键盘显示驱动电路芯片。

HD7279A 是标准28引脚双列

直插式芯片。其接口电路和外围电路简单，且占用口线少，加之它具有较高的性能价格比。

HD7279A 可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED 的显示驱动芯片，该芯片同时可连接多 达64键的键盘矩阵，一片即可完成 LED 显示及键盘接口的全部功能。 HD7279A 内部含有译码器，可以 直接接收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，例如：消隐、 闪烁、左移、右移、段寻址等。 HD7279A 是一种管理键盘和 LED 显示器的专用智能控制芯片。它能对多

达8 8的键盘矩阵情况进行监视，具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能。下面表

2-1是HD7279

引脚说明。

2.4.1 HD7279A 的特点

g 2

O-IO OL A

斗-20mA *

J

I

7

*

8

9

fJHd

we

roc

AUK

IO CLOCK

KIH3

ADJ*

DMAOCri

7LC3543

许

EIN*

EEF

RE 岛

AlWld

哇HD

2. 4 键盘、显示电路的设计

Ml 试

+JV1

U12

13瓒厲

H MJ

13 HJ3

13

1 ?各位可独立控制译码/不译码、消隐和闪烁等属性；

2 ?具有（循环）左移/（循环）右移指令；

3 ?具有段寻址指令，可方便地用来控制独立的LED显示管;

4. 64键键盘控制器内含消抖电路。

解释：RESET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电

源。在需要较高可靠性的情况下，可以连接一外部的复位电路，或直接由单片机控制。DIG0~DIG7分别为8个LED 管的位驱动输出端。SA~SG分别是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。

HD7279A片内具有驱动电路，可以直接驱动1英寸及其以下的LED数码管，使外围电路变的简单可靠。

HD7279A与微处理器间仅需4条接口线，其中CS为片选信号（低电平有效）。当微处理器访问HD7279A 时，应将片选端置为低电平。DATA为串行数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA为输入端；当通过

HD7279A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；而在有键按下时变为低电平，并一直保持到按键释放为止。

HD7279A的控制指令格式分为纯指令和带有数据的指令两大类，以下分别给予介绍。

1 .纯指令：