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基于单片机的智能温度巡检仪设计

第2章基于单片机的智能温度巡检仪设计

对于工业过程小型测控设备或者专用的智能化仪表，自动化工作者一般是采用以单片微型计算机为核心，配以相应接口电路的模式来实现。

单片机本身只是一个微控制器芯片，只有当它和外围电路有机地组合在一起，并配置适当的工作程序后，才能构成为一个单片机智能应用系统。

本章以工业生产过程中最基本的温度参数测量为例，说明一台智能温度巡检仪的设计思路、硬件配置、软件编程、系统结构及调试考核过程。

2.1设计任务

2.1.1主要功能

为了满足工业生产过程监控的要求，设计的智能温度巡检仪应当具有如下功能：

能与常用温度传感器配合检测多路温度，本例是与温度传感器Pt100型铂热电阻配合，巡回检测8路温度；可选择定点显示方式，也可选择巡回显示方式；在全量程内，可设定超限报警值，当实测温度超过设定值时，发出报警信号且有常开接点输出；将检测的每路温度转变为与之线性对应的4～20mA电流输出；支持RS-485通信方式，方便组成局域监控网络，使实测温度、温度超限设定值等参数在网络中共享。

2.1.2技术指标

•测量范围：

-200℃～850℃。

•测量精度：

优于0.5级。

•温度巡检周期：

1s。

•巡回显示周期：

以秒为单位，可选定。

•工作环境温度：

0℃～50℃。

•相对湿度：

小于85%。

•供电电源：

220VAC，±10%，50Hz。

•结构形式：

盘装式。

•外形尺寸：

160mm（长）×80mm（宽）×160mm（深）。

开孔尺寸：

152mm×76mm。

2.2总体设计

首先要确定实现主要功能与技术指标的硬件、软件的总体设计方案。

必须遵守以下三个设计理念。

①智能温度巡检仪是以单片机为核心的嵌入式系统，有些功能既可以通过软件编程实现，也可以通过硬件配置实现，应当遵守“能软不硬”的理念，即凡是能够用软件方案实现的功能就不用硬件方案实现，其目的是降低制造成本。

软件方案只需在软件开发设计中一次性投入，一旦开发成功，在制造过程中将降低材料成本和安装成本，同时能够提高整机的可靠性。

任何电子元器件都有老化失效的问题，整机的可靠性与采用元器件的数量成反比，减少使用的元器件数量，就相当于提高了整机的可靠性。

②设计过程应当兼顾技术指标与经济指标，技术指标再高的仪表设备，如果制造成本高、售价高，将不会有市场前景。

③在设计过程中，选用的元器件与材料的市场供应渠道必须畅通。

电子元器件、电子材料的发展日新月异，必须选用目前市场敞开供应的元器件与材料，否则将给日后的制造与维护带来很多麻烦。

如果设计中选用了一些早已淘汰的元器件，将无法实现样机的研发。

即便样机开发成功，以后生产制造中的材料采购也十分困难。

1.硬件总体方案

主机电路采用以8位单片机为核心的方案，片内要有足够多的资源，尽量减少扩展外部功能芯片，减小体积，降低造价。

单片机要有如下资源：

1.足够的片内程序存储器，容量不小于20KB

2.足够的片内数据存储器，容量不小于256B

3.定时器/计数器不少于3个。

（通讯和A/D转换要求）。

4.中断源不少于3个

5.有串行通讯接口

6.有通用I/O接口

为保证测量精度，前向通道A/D分辨率不低于12位。

为了降低造价，8路温度通道通过多路开关技术，公用一个放大器、一个Ａ／Ｄ转换器。

后向通道的多路模拟量输出，采用一个D/A转换器，８路保持器，利用软件定时刷新的方法实现多路模拟量输出。

人机接口的显示器采用LED数码管，其亮度高，有效观测距离远，成本低。

按键采用薄膜按键，手感好，寿命长。

通讯接口采用RS-485传输技术，方便按照总线式网络拓扑组成局域测量网络，而且RS-48５传输技术成熟，成本低。

2．软件总体方案

软件任务比较简单，不需要嵌入操作系统，主要包括监控程序、人机服务程序、数据采集处理程序、通信服务程序几部分。

为了保证实时性要求，提高运行效率，采用ASM51汇编语言编制。

3．外形结构方案

按盘装仪表结构设计，其外形结构尺寸、安装尺寸、安装方式、接线方式与常规测试仪表保持一致，便于替代传统测试仪表。

2.3硬件系统及驱动程序设计

8路温度巡检仪的硬件由主机电路、前向通道、后向通道、人机接口电路、通信接口及供电电源几部分组成，如图所示。

其中，主机电路由CPU、数据存储器、程序存储器、EEPROM存储器、定时器/计数器、通用异步串行收发器、中断控制器、WDT定时器及通用并行接口等部件组成；前向通道电路由Pt100转换电路、滤波电路、多路模拟开关电路、放大电路、A/D转换电路组成；后向通道电路由D/A转换电路、多路模拟开关电路、V/I转换电路、继电器驱动电路组成；人机接口电路由按键和LED数码管组成；通信接口电路由RS-485接口电路组成；供电电源电路分别向系统数字电路提供逻辑5V电源，向模拟电路提供±12V与±5V模拟电源。

2.3.1主机电路设计

主机电路设计的核心是选择一款恰当的嵌入式处理器，其处理速度、内含的存储器容量、内含的功能部件尽可能满足系统要求，同时，市场售价满足整机硬件成本要求。

系统对处理速度的要求：

根据设计任务中关于温度巡检周期为1s，巡检8路的要求，处理器应当在1/8s，即125ms内完成1路温度的数据采集、标度变换、线性化处理、显示等各项任务。

在一般情况下，以上所列任务在８位微处理器中可以通过执行２０００条指令实现，以执行每条指令需要２ｕｓ来计算，共需要４０００ｕｓ，即４ｍｓ。

比起系统要求的１２５ｍｓ来说明相差甚远。

所以，对８路温度巡检仪这样一个系统来讲，一般８位微处理器的处理器的处理速度完全可以满足需要。

系统对程序存储器的要求：

就设计任务中规定的功能及技术指标而言，软件任务的复杂程度一般，当采用汇编语言编程实现时，一般5000条指令可以完成全部编程任务。

以ＭＣＳ５１指令代码效率推算，每条指令平均占有２Ｂ，共需１００００Ｂ即１０ＫＢ的程序存储器容量。

系统对数据存储器的要求：

数据存储器主要作为计算缓冲区、堆栈区、实时数据存储区、中间数据存储区使用，对本设计任务而言，一般200～300B可以满足需要。

系统对EEPROM存储器的要求：

EEPROM存储器的使用性能是指，程序运行时可以向其中写入数据或擦除数据，当系统关机或掉电时，写入的数据能够可靠长久的保留。

它主要用来存储使用者存储的数据，如巡回检测的路数（8路温度巡检仪在使用中可以根据需要设定巡检路数）、超限报警值、巡回显示周期。

也可以存储系统标定数据，如各路温度Ａ／Ｄ转换的零点值与满度值、零点迁移值等，这些数据都是以微处理器为核心的智能仪表基本的系统数据。

对本设计任务而言，一般２００～３００Ｂ能够满足要求。

系统对定时器/计数器的要求：

8路温度巡检仪属于实时性很强的嵌入式系统，实现实时性操作的硬件基础是定时器。

对本设计任务来讲，需要1路定时器来产生时钟节拍，实现实时操作；需要1路定时器来作为串行通信的波特率产生器；需要1路定时器来实现A/D转换操作，因此至少需要3路定时器/计数器。

系统对中断控制的要求：

根据设计任务要求，软件任务主要有：

通信服务、每路A/D转换完成时的数据采集与打开下一输入通道、温度计算、人机接口服务共4项任务。

其中，通信服务、A/D转换服务的实时性很强，需要通过2个中断源，2级中断管理实现。

系统时钟需要通过中断提供实时操作。

因此，必须有不少于3个中断源、2级中断的中断控制机制，以便根据各项任务的实时性要求进行抢占式调度。

系统对通用异步串行收发器（UART）的要求：

为了支持RS-485通信，必须有1路UART。

系统对硬件抗干扰的要求：

迄今为止，看门狗定时器（WDT，WatchdogTimer）是微机系统唯一完全有效的硬件抗干扰措施，因此系统必须采用WDT。

系统对通用并行接口（GPIO）的要求：

为了实现主机电路与前向通道、后向通道、人机接口部分的硬件接口，主机电路应当具备20～30个GPIO。

综合上述各项要求，采用以ＭＣＳ－５１为内核的美国ＡＴＭＥＬ公司生产的ＡＴ８９Ｃ５５ＷＤ单片机比较适宜。

1．AT89C55WD单片机的片内资源及性能

与MCS-51系列单片机指令系统兼容，引脚兼容。

内部具有可重复编程的20KB的Flash型程序存储器，重复编程次数达1000次。

工作电压范围：

4～5.5V。

时钟频率：

静态到33MHz，当时钟频率选择33MHz时，以每条指令执行时间平均为2个机器周期进行计算，CPU处理速度达1.375MIPS，即每秒可执行137.5万条指令，处理速度非快。

256B数据存储器。

32根可编程I/O口线。

3个16位定时器/计数器。

6个中断源，2级中断优先级。

1个可编程的UART。

具有闲置方式与掉电方式两种省电工作方式。

1个WDT硬件定时器。

2个数据指针。

2．X5045性能简介

由于选定的单片机AT89C55WD内部没有EEPROM存储器，而单片机上电时必须有自动复位电路，因此主机电路中除了单片机外，必须扩展EEPROM存储器和上电复位电路。

美国XICOR公司生产的X5045集成芯片，集4项功能于一身，除了内部具有EEPROM存储器外，还有上电复位功能、WDT功能、电源电压监控功能。

具体指标如下：

①内部具有WDT电路，可以编程选择WDT超时周期。

②具有低电压监测和强制复位功能。

③具有上电复位控制功能。

图2-2X5045的引脚布置

④内含4Kbit的EEPROM存储器，可以编程选定进行分块保护，保证重要数据存储的可靠性

⑤支持高达33MHz的时钟频率。

⑥功耗低，工作电流小于50mA，便于电池供电。

（1）引脚描述

　　Ｘ５０４５的引脚布置图如上图所示，由于Ｘ５０４５采用ＳＰＩ接口，因此使用有限几条Ｉ／Ｏ口线，就能实现与单片机的接口。

各引脚功能说明如下。

串行输出（ＳＯ）：

ＳＯ是串行数据输出引脚。

在读周期内，数据在此引脚上移出，数据由串行时钟的下降沿同步输出。

串行输入（ＳＩ）：

ＳＩ是串行数据输入引脚。

所有操作码、字节地址及写入存储器的数据均在此引脚上输入。

数据由串行时钟上升沿锁存。

串行时钟（ＳＣＫ）：

串行时钟用于数据输入和输出的串行总线定时。

操作码、地址或出现在ＳＩ引脚上的数据在时钟输入的上升沿锁存，而ＳＯ引脚上的数据在时钟输入的下降沿之后发生改变。

片选信号（

）：

当

为高电平时，Ｘ５０４５不被选择，ＳＯ输出引脚处于高阻状态。

写保护（

）：

当

为低电平时，向Ｘ５０４５的写操作被禁止，但是器件的其他功能仍正常。

当

保持高电平时，所有的功能，包括写操作，都正常。

复位（ＲＥＳＥＴ）：

Ｘ５０４５的ＲＥＳＥＴ高电平有效。

漏极开路的输出端，只要Ｖｃｃ下降至低于最小Ｖｃｃ检测电平，ＲＥＳＥＴ变为高电平。

它将保持高电平直至Ｖｃｃ上升到最小Ｖｃｃ检测电平２００ｍｓ为止。

如果允许看门狗定时器工作且

保持低电平的时间大于看门狗超时周期，那么ＲＥＳＥＴ也变为高电平。

的上升沿将复位看门狗定时器。

Ｖｃｃ、Ｖｓｓ为ｘ５０４５的电源引脚和地引脚。

（2）指令集

X5045的各种操作，包括写使能锁存器的置位与复位、读/写状态寄存器、读/写EEPROM，都是通过向X5045发出有关指令进行的。

指令集如表2-1所示。

指令名

指令格式

操作

ＷＲEN

00000110

设置写使能锁存器（允许写操作）

WRDI

00000100

复位写使能锁存器（禁止写操作）

RDSR

00000101

读状态寄存器

WRSR

00000001

写状态寄存器（块锁定位）

READ

0000A8011

从开始于所选地址的存储器阵列中读出数据

WRITE

0000A8010

把数据写入开始于所选地址的存储器阵列（1～4B）

表2-1　Ｘ５０４５指令集

（3）写使能锁存器

X5045包含一个写使能锁存器。

在内部完成写操作之前，此锁存器必须被设置（SET）。

WREN指令可设置锁存器而WRDI指令将复位锁存器。

在上电情况下和字节、页或状态寄存器写周期完成之后，该锁存器自动复位。

如果变为低电平，则锁存器也被复位。

（4）状态寄存器

RDSR指令提供对状态寄存器的访问。

在任何时候都可以读状态寄存器，即使在写周期也如此，状态寄存器的格式如表2-2所示。

表2-2状态寄存器的格式

WD1

WD0

BL1

BL0

WEL

WIP

WD1

WD0

超时周期

1.4s

600ms

200ms

禁止

状态寄存器各位的意义说明如下

WIP（Write_In_Process）:

该位表示“正在写”状态。

当该位为“l”时，写操作正在进行；当该位为“0”时，没有写操作在进行。

在写期间，所有其他位全置为“l”。

WIP位是只读的。

WEL（Write_Enable_Latch）：

该位表示“写使能锁存”状态。

当该位为“1”时，锁存器置位；当该位为“0”时，锁存器复位。

WEL位是只读的，它由WREN指令置位，由WRDI指令复位，或者在成功地完成了写周期后复位。

BL1

BL0

被保护的阵列地址

无

180H～1FFH

100H～1FFH

000H～1FFH

BL0、BL1：

块保护位，用于选择EEPROM被保护的范围。

这两位由发出WRSR指令来设置，允许用户选择4种保护方式之一。

被选择保护的部分只允许读，不允许写。

EEPROM的保护范围如表2-3所示。

WD0、WD1：

这两位用于选择看门狗定时器（WatchdogTimer）的超时周期，选择范围如表2-4所示。

通过发出WRSR指令来设置WD0、WD1。

3．主机电路硬件原理

主机电路中主要包括

AT89C55WD单片机和X5045芯片，

就可以满足系统对硬件资源的

需求，硬件电路原理如图2-3所

示。

上电复位：

若图２－３中电阻Ｒ１取１０

，当系统上电时，将在Ｘ５０４５的引脚７产生一个高电平有效的复位信号，该信号接到单片机的复位引脚ＲＳＴ，实现单片机的上电复位。

电源电压监测：

Ｘ５０４５工作时，监视Ｖｃｃ跌落到一个确定的数值时，ｘ５０４５的复位引脚７将发出一个高电平有效的复位信号，使单片机复位。

只要Ｖｃｃ跌落到一个确定的数值以下，并保持在１Ｖ以上时，Ｘ５０４５能够发出单片机需要的５Ｖ高电平的复位信号，保证单片机可靠复位。

这就保证在Ｖｃｃ一旦跌落到单片机允许的工作电压以下时，单片机处于复位状态，否则单片机此时可能执行某些错误的指令，产生不可预料的结果。

选定Ｖｃｃ跌落到多大数值时，产生复位信号，可以通过对Ｘ５０４５编程决定，一般采用Ｘ５０４５出厂时默认的数值即可。

ＷＤＴ超时周期选择：

Ｘ５０４５内部的ＷＤＴ超时周期有３个数值可以编程选定，即２００ｍｓ、６００ｍｓ、１．４ｓ。

ＷＤＴ的超时周期决定了单片机从“死机”状态恢复为重新运行所需的时间。

理论上讲，这个时间越短越好，但对于慢速系统来讲，太短的时间不是很有实际意义。

时间选得越短，单片机正常运行时，访问Ｘ５０４５的时间间隔也越短，会增加ＣＰＵ的负担。

4．驱动程序

（1）WDT驱动程序

X5045中WDT的驱动程序有两个，一个用于在单片机正常工作时访问WDT，使WDT不产生复位信号，注意，这个程序应当每隔一个确定的时间间隔运行一次，该时间间隔应当小于WDT超时周期；另一个驱动程序设定WDT的超时周期。

访问WDT驱动程序：

根据X5045的使用规则，只要其引脚发生从高电平到低电平的跳变，就实现对内部WDT定时器的复位，因此，根据图2-3所示，只要在连接X5045引脚的P1.4输出一个低电平脉冲即可，即做一次输出低再变高的操作。

程序如下：

CSBITP1.4

RST_WDT:

CLRCS

SETBCS

RET

设定WDT超时周期的驱动程序：

根据X5045的使用要求，通过设定X5045的状态寄存器实现超时周期的设置。

本系统选定WDT的超时周期为600ms，X5045的状态寄存器中WD1、WD0两位分别设置为0、1。

不考虑保护EEPROM时，状态寄存器内容可以设置为10H（参见X5045状态寄存器的格式）。

在设置状态寄存器之前，需要先完成两个操作：

设置写使能寄存器和发送写状态寄存器命令。

设置流程如图2-4所示。

驱动程序：

WREN_INSTEQU06H；状态存储器写使能命令为06H

WRSR_INSTEQU01H；写状态寄存器命令为01H

CSBITP1.4；连接5045之

引脚的I/O口线为P1.4

SCKBITP1.5；连接5045之SCK引脚的I/O口线为P1.5

SIBITP1.6；连接5045之SI引脚的I/O口线为P1.6

SOBITP1.7；连接5045之SO引脚的I/O口线为P1.7

SET_WDT：

LCALLWREN_CMD；设置写使能寄存器

CLRSCK；准备发送写状态寄存器命令

CLRCS

MOVA，#WRSR_INST；发送写状态寄存器命令

LCALLOUTBYT

MOVA，#10H；发送状态寄存器内容

LCALLOUTBYT

CLRSCK；退出设置WDT

SETBCS

RET

以上设置WDT的子程序“SET_WDT”，用到了两个底层的子程序“WREN_CMD”和“OUTBYT”。

“WREN_CMD”是一个设置写使能寄存器的子程序，“OUTBYT”是一个发送1B内容子程序。

这两个子程序是根据X5045“写使能锁存时序”和“写状态寄存器操作时序”编写的。

由于篇幅所限，X5045的相关操作时序不在这里介绍，请读者参阅有关的技术手册。

两个子程序如下:

WREN_CMD:

CLRSCK;准备发送写使能寄存器命令

CLRCS

MOVA，#WREN_INST；将写使能寄存器命令送A

LCALLOUTBYT；将1B命令发送出去

CLRSCK；退出发送

SETBCS

RET

OUTBYT：

MOVR0，#8；1B，需要发送8个BIT位

OUTBYT1：

CLRSCK；在SCK的上升沿，通过SI将内容送入X5045

RLCA

MOVSI，C

SETBSCK

DJNZR0，OUTBYT1；循环发送

CLRSI；退出发送

RET

图2-5EEPROM写入流程

2）EEPROM写入程序

根据X5045的使用规则，向EEPROM内写入内容，按图2-5所示的流程进行。

；******************************************************************

；子程序名：

PAGE_WRITE

；功能：

将R1中的内容为首地址的单片机内部RAM的不超过1页的内容写入以DPTR内容为首地址的EEPROM中

；底层子程序调用：

OUTBYT、WREN_CMD

；入口条件：

（R1）=待写入到EEPROM中的内部RAM中内容的首地址

；（DPTR）=待写入的EEPROM的首地址

；（R2）=要写入的字节数，不大于1页（4B）

；使用的寄存器：

A、DPTR、R1、R2

；******************************************************************

WRITE_INSTEQU02H；写数据命令为02H

PAGE_WRITE：

LCALLWREN_CMD；设置写使能寄存器

CLRSCR；准备发送写数据命令

CLRCS

MOVA，DPH；将EEPROM地址的最高位连同写数据命令一起发送

MOVC，ACC.0

MOVA，#WRITE_INST

MOVACC.3，C

LCALLOUTBYT

MOVA，DPL；发送EEPROM的低8位地址

LCALLOUTBYT

PAGE_WRITE1：

MOVA，@R1；发送1B内容

INCR1

LCALLOUTBYT

DJNZR2，PAGE_WRITE1；循环发送

CLRSCK；退出发送

RET

（3）EEPROM读出程序

；******************************************************************

；子程序名：

SEQU_READ

；功能：

将DPTR中内容为首地址的EEPROM中的内容读出到以R1中内容为首地

；址的单片机内部RAM中

；底层子程序调用：

OUTBYT、INBYT

；入口条件：

（R1）=单片机内部RAM的首地址

；（DPTR）=EEPROM的首地址

；（R2）=要读出的字节数

；使用的寄存器：

A、DPTR

；******************************************************************

READ_INSTEQU03H；读数据命令为03H

SEQU_READ:

CLRSCK；准备读数据

CLRCS

MOVA,DPH；将EEPROM地址的最高位连同读数据命令一起发送

MOVC,ACC.0

MOVA,#READ_INST

MOVACC.3,C

LCALLOUTBYT

MOVA,DPL；发送EEPROM的低8位地址

LCALLOUTBYT

SEQU_READ1:

LCALLINBYT；读出1B内容

MOV@R1,A；将读出的1B数据存入单片机RAM中

INCR1

DJNZR2,SEQU_READ1；循环读数据

CLRSCK；推出读数据

SETBCS

RET

“SEQU_READ”子程序用到了一个底层子程序“INBYT”，该子程序用于从EEPROM中读出1B内容，程序如下：

INBYT:

MOVR0,#8；1B，8个BIT位

INBYT1:

SETBSCK；准备读出

CLRSCK

MOVC,SO；读出内容存于C中

RLCA；将C中内容存于A中

DJNZR0,INBYT1；循环读出

RET

2.3.2前向通道电路设计

前向通道的任务是接收温度传感器Pt100铂电阻的信号，将其转变为单片机能够进行处理的数字信号，由信号转换电路、动态稳零电路、多路模拟开关、阻抗匹配电路、放大电路、A/D转换电路等几部分组成。

原理框图如图所示，硬件电路如图2-7所示。

1．信号转换电路

信号转换电路由图2-7中的9个惠斯登电桥组成（由于图面所限，图中仅绘出第1个、第2个和第9个），实现将8路Pt100温度传感器输出的电阻信号转换为电压信号。

其中，第1个惠斯登电桥没有外接Pt100传感器，设置它的目的是为动态稳零电路提供零信号（详见5.动态稳零电路）。

余下8个惠斯登电桥的工作原理完全一致，这里以第2个电桥为例，它由R5、R6、R7、C3、C4组成。

来自Pt100温度传感器发出的电阻信号以3线形式接到a1、b1、c1处，a1接Pt100的一端，b1、c1接Pt100的另一端，于是由Pt100、R5、R6、R7构成一个惠斯登电桥，如图2-8所示。

当检测到温度变化时，Pt100的阻值发生变化，在A、B点

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