单片机测控系统

单片机测控系统（精选8篇）

单片机测控系统 第1篇

一、基于单片机的温度测控系统的设计思路

当前, PID控制技术已经逐步趋于成熟, 不但控制结构得到了简化, 且对于参数的调整也极为便利, 其调节的实现, 摆脱了被控对象数字模型的限制。因此, 而在温度测控系统中引入PID算法的应用就显得十分必要, 但因控制对象方面, 通常表现差异化的特征, 进而使得PID算法参数形成差异性。因此, 设计一种强调单片机应用的温度测控系统, 通过机内多组PID参数的预设, 结合具体的受控对象, 通过对合适PID参数的自动选择来控制温度。同时, 工作人员还可结合特定要求, 来针对给定温度实施控制, 并在线修改各种PID参数。

二、基于单片机的温度测控系统的硬件设计

整体来讲, 闭环控制系统是设计的思路, 首先是对温度传感器的应用, 来进行温度的检测, 其后, 经A/D转换, 输送至计算机, 来同设定值作出比较, 并应用PID算法来对得出的偏差实施修正, 得出控制量控制驱动器, 以温度控制为目标, 来对被控对象实施调节。在系统的实际工作当中, 对被控温度进行转换, 通过电路变换、温度检测环节, 来进行向电压信号的转换。后经A/D转换器来将该电压信号转换成数字信号, 并向单片机中进行输送, 同对应的给定的多组温度值实施比较, 来将温度值范围找出, 进行PID参数的预载, 从而将相应的温度初值输出。后经D/A转换器来将与温度初值相对应的受控对象转速初值转换为模拟连续的电压控制可调控制器, 并将A/D转换器和被控对象转速向单片机进行反馈, 待PID程序将其同输出转速初值的偏差后计算出后, 在规定时间内进入到输出的循环当中, 直至在误差允许范围内转速初值相等于输出转速值。

温度信号的检测工具通常包括温度传感器、热电阻、热电偶, 其电流的产生同绝对温度为正比关系;A/D转换电路为单片机和TLC的接口, 片内具有14位通道, 是一种对12位开关进行利用, 电容同模拟信号逐步逼近的模拟转换器, 具有12位分辨率, 输出的数据长度可编程;D/A转换电路时单片机与TLC的又一接口, 采用10位电压数据输出模拟转换器TCL (带有缓冲基准输入) , 其具有的输出电压范围是基准电压的两倍。且为促进TLC的更好使用, 在设计中将器件一端同系统模拟地进行连接, 使用分离的数据地和模拟地, 依靠良好的接地连接, 来促进系统性能的提高;显示电路和键盘采用显示器专用接口芯片和可编程键盘, 能够自动扫描显示器, 并对键盘上键盘加以识别。且在实际设计中, 可考虑用8275单片机, 来进行显示器和键盘的接口操作, 单片机负担得意减轻的同时, 实现CPU工作效率的明显提高;在进行输出控制通道的设计时, 通常采用继电器, 但因机械性能差、噪声大等因素, 可考虑采用无极调速, 来实现优化, 并同时解决强电控制和强电与弱点隔离的问题。

三、基于单片机的温度测控系统的PID控制算法

控制算法作为系统的核心所在, 其同控制系统的调节品质与稳定性息息相关。本系统属于计算机直接控制系统的范畴, 其原理是按照一定采样周期来对被控温度实施采样, 后经控制算法来将控制量算出, 并以此为依据对被控对象实施控制。简化以单片机为控制核心的自动控制系统, 包括单片机、D/A电路、可调控制器、A/D电路四个部分。该系统采用增量式PID算法, 具有积分分离特性, 所需要的控制变量U即为单片机内寄存的随时更新的u-1数值与△u的和。从而在将积分饱和克服的同时, 使得误差大大减小, 进而得出控制偏差的算式:e=w-y>z, (PD运算) ;e=w-yz, (PID运算) 。其中, e为计算误差, w为基础变量, y为过程变量;z为设定值。

四、基于单片机的温度测控系统的软件设计

基于单片机的温度测控系统, 在软件方面主要由监控程序、控制程序、TO中断处理程序、闭环温度控制系统、INTO中断处理程序等组成, 设计的目的是使得系统具备对温度信号的采集、处理及显示, PWM输出, 键盘PID参数调整等, 其主程序在于完成的功能包括:系统初始化、温度显示、参数设计、转速采样、输出量控制等, 且模块化为整个程序的设计结构。

其中, 监控系统的组成涵盖自检、转速显示、温度显示, 其作用在于对系统程序实施自我的调整、修复, 对被控对象转速与所测对象温度作出实时的显示;闭环温度控制程序的组成涵盖增量PID控制算法、数据量化算法、偏差和偏差变化率等, 对实际数字化转速的读取是首要环节, 其依靠单片机的应用来实现, 后将结构同设定转速实施比较, 后单片机以差值为依据, 通过PID公式的引入, 来实施针对于被控对象转速大小的合理调节。与此同时, 将最优条件找出, 对PID参数进行优化改变;温度采样中断程序的组成涵盖了温度显示、温度采样、数字滤波, 对于温度信号的转化是首要环节, 经过数字滤波、运算放大器两个过程, 经A/D转换后向单片机进行输送, 并通过LED来对具体温度数字进行显示;中断处理程序的组成涵盖了传送、键盘控制和PID参数显示, 通过键盘操作可对每个回路PID参数进行直接的输入, 并通过现场调试, 来讲同该系统相符合的各项参数值得出, 以此为依据, 来实现对温度的检测与控制。

五、结语

基于单片机的温度测控系统具有诸多优势, 是温度测控系统的发展趋势, 借鉴上述设计的一般思路, 结合温度测量控制实际与具体单片机类型, 来进行科学、合理地应用, 从而确保温度测控的有效性, 使得温度测控系统中, 单片机应有作用的充分发挥。

参考文献

[1]张寿钢.单片机在温度测控中的应用[J].计算机应用研究.201 (011)

单片机测控系统 第2篇

关键词：MSP430单片机；优点；设计

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 04-0000-01

MSP430单片机在工业控温领域被广泛应用，要想提高其实用效率，就必须从发展现状、方案设计等方面进行入手，将其引用优势清晰的体现出来，下面我进行逐一分析。

一、MSP430单片机的应用现状

随着工业化进程的不断加深，工业温度控制占据了十分重要的地位，越来越多的领域对于温度的控制精度要求逐渐提高，例如有机物仓储、消防监测、医疗控温等方面的应用十分广泛，就此可以MSP430单片机在社会生产中发挥着十分重要的作用，该装置在实际应用上有着更加广阔的发展前景。

二、MSP430单片机的优点

（一）处理能力巨大。MSP430单片机的运行速率为12位，整体结构是由RISC形式，并且在信息收集方面分布很广。最大内核处理指令高达27条，同时在设备中布置了大量信息存储设备，可以根据存储形式进行多种方面的运算。可以同时使用查表处理方法，并且拥有一个8MHZ驱动内核，使其指令周期为125μs。这些特点在很大程度上能够保证高性能的准确信息的输出，在加上其高兼容的特点可以直接内嵌于多种设备。

（二）能耗较低。MSP430单片机的内部布置了可以直接降低芯片电源盒电压的可控式运行时钟，这使其在使用中能够达到超低的能耗。MSP430单片机的电源不高于3.6V。这可以使其在1MHz的时钟运行时，只需要0.1～400μA之间电流就可以工作，另外MSP430单片机所好似用的系统为时钟系统模式。并且在种类上分为基本时钟系统和锁频环时钟系统，这会使它在应用上有更多的选择。在CPU的构成上可以根据需求进行一或二个晶体振荡器的调整。系统在构成时所做的CPU和多种模块能够最大程度的降低并且能够用在系统运行的过程中进行多种模块的使用，并且采取不同的工作模块，使芯片的能耗江东啊最低。

（三）系统运行稳定。系统运行都是先启动时钟系统在开启CPU，这样就能保证程序从正确的位置进行执行，同时保证晶体振荡器能够处于一个相对稳定的时间中。在应用中系统兼容的软件可以通过存储器来确定系统的时钟频率。例如当晶体振荡器最为CPU时会加大故障的产生率，但DCO的激动可以弥补这一缺点，在保证系统正常运行的同时将系统程序进行复位。

三、MSP430单片机的整体设计方案

（一）温控设计。很多温度控制系统都是以MSP430单片机作为核心控制，系统中的硬件部分主要负责温度检测、信息放大、温度预警、程序控制等方面，这也使温度的传感器能够通过温度信息直接转换为模拟电压信号。在电压信号放大后可以直接应用到单片机的控制范围之内，这样就能完成奖温度控制系统转换为电压预警信号，同时电压信号也被放大到单片机能够接纳的范围内。在将受干扰的滤波进行过滤，再将其送入单片机。MSP430单片机在信号的采集过程中为了提高精度，都会对信号进行数字滤波。这种采集形式对于单片机来说能够进一步的提高精度。单片机能够将收集到的温度信息进行比较，如果出现程序上的调节和定值就会对检测形式和差值提出温度控制的方法，并且合理的触发程序的控制单元进行单元控制。当检测值高于设定值时，可以控制制冷系统来降低环境的温度，当检测值低于设定值时，需要启动加热程序，并且环境温度，使其达到控制温度的目的。

（二）信号放大部分设计。信号质量是保证温度控制准确性的重要因素之一。所以必须要使用电压对电压信号进行放大，需要放大的信号一般都是由温度传感器直接发送，电压信号发生的信号较低，这就是使放大器能够将信号放大到足够的强度。然后再将洗好传送到单片机进行分析，使其能够进行合理的温度控制。

（三）共发射极放大器结构。共发射极放大器，能够把输入的交流信号电压叠加在直流电压上，使晶体管基极、发射极之间的正向电压发生变化，通过晶体管的控制作用，使集电极电流有更大的变化，它的变量在集电极电阻上产生大的电压变量，从而实现电压放大。共发射极的电压需要进行合理的放大，并且将电压实现按需求的变量。

（1）电路运行中多需要的能源要由集电极电源VCC进行放大，要将发射结处于正向偏置的位置，同时将集电结处于反向的位置。这样进行能够将晶体管的工作能力增强，但需要注意VCC的取值范围，要设置为几伏到几十伏的范围内。（2）晶体管V是放大电路的核心元件。利用晶体管在放大区的电流控制作用，即Ic=βIb的电流放大作用，将微弱的电信号进行放大。（3）集电极负载电阻Rc是晶体管的集电极负载电阻。它将集电极电流的变化转换为电压的变化，实现电路的电压放大作用。Rc一般为几千欧到几十千欧。（4）在工作范围内基极电阻RB，也要被放大才能达到使用的状态，这需要适当提升其静态工作点的位置，并且在保证RB的电阻在几十千欧到几百千欧。（5）耦合电容C1、C2起隔直流、通交流的作用。在信号频率范围内，认为容抗近似为零。所以分析电路时，在直流通路中电容视为开路，在交流通路中电容视为短路。C1、C2一般为十几微法的有极性电解电容。

四、结束语

本文针对MSP430单片机的优势和设计应用进行分析，使我们知道MSP430单片机在低功耗、处理能力强等方面有着十分显著地优势，同时MSP430单片机在作为主控制器时，对环节温度和室内温度能够进行精密的控制，它的可靠性、结构性、低成本等有优势使其具备了十分广泛的发展前景。

参考文献：

[1]杜德.基于MSP430单片机的温度控制系统的设计[J].山东纺织经济，2006（03）.

[2]于莲芝，刘国现.基于MSP430单片机的温度控制系统[A].第六届全国信息获取与处理学术会议论文集（02）[C].2008.

单片机测控系统的数字滤波算法研究 第3篇

为了提高测量的可靠性和精度,常常用数字滤波的方法来抑制干扰,获得有用的信号。数字滤波是通过计算机软件编程来实现的,即在程序控制算法前附加一段数字滤波程序,它不需要增加硬件设备,不存在阻抗匹配的问题,可靠性高。目前基于单片机的数字滤波方法有很多,本文主要介绍基于单片机的滤波算法。

1 中值滤波法

对某一个被测量连续采样N次(一般N取奇数),然后把N个采样值从小到大(或从大到小)排队,再取中值作为本次采样值,这就是中值滤波算法。一般来说,N值不宜太大,否则滤波效果反而不好,且总的采样时间增长。其算法程序代码如下:

中值滤波对静态或动态测量中相同位置测量点有效,可以对由于采样器等不稳定因素造成的误码等脉冲干扰起到抑制的作用,对温度、液位、位移等变化缓慢的测量信号处理采用中值滤波有良好的效果,但对于流量、压力等变化急速的参数一般不宜采用。

2 算术平均值法

设数据采样值为Xi(i=1、2N),算术平均值法就是寻找undefined作为本次采样的平均值,使该值与本次各采样值之间的误差ei的平方和E最小,即:

undefined

其算法程序代码如下:

通过该方法滤波后,信号会在某一数值范围附近上下波动,因此这种方法对周期性干扰噪声的信号比较有效;明显的突变信号会使该组信号的平均值远离平均值undefined,因此,该方法对脉冲如尖峰脉冲干扰抑制能力弱,数据处理速度慢。另外,平均值的平滑程度完全取决于采样个数N,N较大时,平滑度相对较高,但伴随着计算量的增大,灵敏度相对降低;N较小时,反之。对实际物理量如温度、流量、压力、液平面等测量时,应视具体情况选取N,如对一般流量,可取N=8～16,压力测量取N=4。

3 一阶滞后滤波法(惯性滤波法)

惯性滤波法是用数字形式实现低通滤波的动态滤波方法。它的算法与加权滤波相似,平滑系数为α。惯性滤波的表达式为:

undefined。

其中:undefinedn为第n次采样值;undefinedn-1为上次滤波结果输出值;undefinedn为第n次采样后滤波结果输出值。其算法程序代码如下:

惯性滤波法对慢速随机变化量效果好,能很好地消除周期性干扰,但同时会引起相位滞后、灵敏度下降等现象的发生。除此之外,平滑系数的选取对系统滤波效果也有直接的影响。

4 限幅滤波

工程实践表明,采样器相邻两次采样值yn和yn-1之间存在变化,且有一定限度,限幅滤波就是利用这个现象进行滤波。首先确定出相邻两次采样值之间的最大偏差Δe,其次进行判别,若实际相邻两次采样值超出此值,则表明发生干扰,剔除该数据,并用yn-1代替yn,若小于此偏差,则为yn,即:

其算法程序代码如下:

限幅滤波主要对克服随机干扰和尖脉冲效果比较明显,但是数据处理速度比较慢,适合对缓慢变化的物理量进行处理。最关键的问题是最大差值Δe的选取, Δe值太大干扰信号将保留, Δe太小有用信号被剔除,因此可以通过对标准量多次测量后校验取得。

5 中位值平均滤波

中位值平均滤波又称防脉冲干扰复合滤波法,它的特点是将中值滤波法和算术平均值法合并,即先用中值滤波法除去由于脉冲干扰而有偏差的采样值,然后将剩下的采样值求取平均值。其算法程序如下:

由于这种滤波方法兼容了平均滤波算法和中值滤波算法的优点,所以能取得较好的滤波效果。

6 结束语

基于单片机系统的数字滤波方法多种多样,如何选择适合的滤波方法显得很重要。由于单片机算术能力和存储空间有限,所以在选择滤波方法时,首先要考虑单片机的存储量、运算时间、运算能力以及实时性是否能够满足。另外,如果干扰比较复杂,对结果影响比较严重,或者对数据处理要求比较高,可以考虑将几种滤波算法混合使用,并根据具体情况对方法进行改进,从而使得测量数据与真实值尽可能逼近,以达到最佳的滤波效果。

参考文献

[1]孙传有,孙晓彬.测控系统原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[2]王庆河,王庆山.数据处理中的几种常用滤波算法[J].计量技术,2003(4):53-54.

浅谈基于单片机的温度测控系统设计 第4篇

现代工业生产过程中，温度的测量和控制极为普遍，特别是在冶金、化工、机械各类行业中，广泛使用加热炉、热处理炉、反应炉等，约占所有被控对象的50%。实时采集其信息，及时发现潜在故障，并采取相应的处理措施，对确保其良好运行状态具有重要意义。单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高等显著优点，将其用于温度检测和控制系统中可大大地提高控制质量和自动化水平，具有良好的经济效益和推广价值。利用单片机对温度进行测控的技术，日益得到广泛应用。

2. 器件简介

2.1 AT89C52简介

DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器芯片，具有结构简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用简单等优点。它的ROM中存有其芯片的唯一标识码，即任意两个DS18B20的标识码是不同的，特别适合与微处理芯片构成多点温度测控系统。DS18B20是DS1820的改进型，分辨率为9～12位可编程控制，由其寄存器R0、R1两位的状态决定。

DS18B20的主要特性如下：

1) 测温范围-55℃～+125℃，分辨率0.5℃;

2) 转换一次的典型时间200ms;

3) 输出为带符号的9bit数字量，无需A/D;

4) 单线通讯接口，片内固化着不同的地

5) 址序列号，可多片共用一条通讯线;

6) 有超温搜寻功能;

7) 2字节EEPROM设定上下限或作它用;

8) +5V电源，具有寄生电源功能。

2.2 AT89C52简介

AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52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，但不可以在线编程 (S系列的才支持在线编程) 。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。

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

主要功能特性：

1) 兼容MCS51指令系统8k可反复擦写 (>1000次)Flash ROM

2) 32个双向I/O口256x8bit内部RAM

3) 3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz

4) 2个串行中断可编程UART串行通道

5) 2个外部中断源共6个中断源

6) 2个读写中断口线3级加密位

7) 低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能

3. 系统设计

3.1 硬件设计

3.1.1 整体设计

本系统采用AT89C52作为处理器来实现其对温度的控制，传感器采用DS18B20.为了方便初期的调试，本系统设计师加入了串口即RS485接口，目的就是问了方便将采集的数据进行转换后通过串口RS485发往PC机上进行实时的监控，同时为了实施现实温度值，系统采用了七段数码管实时显示温度采集值。

3.1.2 人机通讯设计

人机接口控制面板由LED显示、键盘电路和报警电路组成。LED十进制数码显示，方便人工监视;键盘用于操作系统的启动、复位、停止、温度设定等功能。

3.1.3 通信接口设计

系统同PC机的数据通信要通过RS485接口进行电平转换系统采用最常用的MAXIM公司生产的、包含2路接收器和驱动器的MAX485作为接口的电平转换芯片。RS485总线相对于其它的总线系统而言，具有结构简单、成本低廉、软件支持丰富、安装方便，与传统的DCS、PLC兼容等特点。系统采用继电器，一旦内部出现过热故障，温度升高到一定限度，除在面板上显示报警状态，还通过继电器接点输出报警信号，从而避免故障的进一步发展，减少损失。掉电保护功能的实现采用备用电源，供电正常状态下由稳压电源向系统供电，一旦失电，CPU可由充电电池供电。硬件电路中使用了光耦合器，实现了主机电路和输入输出电路的电隔离，从而大大提高了测试系统的抗干扰能力。

4. 软件设计

4.1 开发工具

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种Keil软件图标是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU, 16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选(目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件)，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

4.2 软件整体设计

软件设计可以根据不同的需要进行相应的改进，由于单片机技术相对比较的成熟，因此改动也相对比较的方便。根据系统的需求可以采用一个或者是多个数字传感器DS18B20进行温度的采集。但是其操作的步骤基本是一致的，当系统采用一个数字传感器DS18B20进行温度的采集是他的温度点就以一个数字传感器DS18B20采集的温度为准，当系统有多个数字传感器DS18B20进行温度的采集的时候，可以采用求平均值等方法来确定整个系统的温度值。

以DS18B20为传感器，AT89C52单片机为控制核心组成的温度巡回检测系统如图2所示。DS18B20的供电方式为外部电源，其中I/0数据线与P1.0相连。在DS18B20接入系统之前，分别从器件的ROM中读出其序号，然后分别赋予在系统中的编号1～N。系统需要键盘设置温度报警界限值，还需要七段LED显示器显示DS18B20的编号和测量的温度值。具体代码就不在详述。

5. 结束语

本设计有较强的通用性，由于51系列单片机十分成熟，开发难度不大，适用于传统的温度测控系统的改造设计。本系统的设计具有功能强、成本低、元件少、可靠性好、抗干扰性强、简单易行、具有实效性、使用范围广等特点。同时这种改造设计根据具体情况可作相应的扩展，使其满足更多更高的使用要求。

摘要：随着电子通信技术的发展, 电子通讯技术的应用也变的越来越广泛了, 尤其是现代工业的发展, 自动化系统在工业中的应用, 使得工业控制越来越准确。本文采用单片AT89C52和温度传感器DS18B20设计了一个简单的温度控制系统。

关键词：单片机,传感器,控制系统,设计

参考文献

[1]卿燕玲, 李蕾.基于单片机的温度测控系统的设计与实现[J].信息技术与信息化, 2006, (03)

[2]万力, 彭玉楼.单片机在注塑机温度控制中的应用[J].机械与电子, 1997, (01)

[3]檀永, 陈小平.基于DS1620的温度变送器设计[J].江苏电器, 2006, (04)

[4]宿元斌.数字温度传感器LM83及其应用[J].仪表技术, 2006, (04)

单片机测控系统的抗干扰措施分析 第5篇

单片机的测控系统不仅需要配置诸如单片机等核心主机单元, 同时还要配置相应的外围电路, 以实现测量控制和人机对话等功能。这其中不同形式的干扰都会影响到单片机测控系统的性能及作用。由于干扰源所产生的干扰对测控系统产生电磁干扰作用是借助耦合通道来实现的, 干扰通常都是经过导线、空间以及大地进行传递。可以说单片机测试系统最大的干扰来自于传导型干扰, 干扰信号采用直接传导的方法传导至系统, 也就是说经过主机单元、测量单元、D/A和A/D转换单元以及输入输出单元和电源系统等模块进行传导。

要形成干扰通常需具备以下3个基本要素:干扰源、传播途径以及敏感器件。其中, 干扰源是指会产生干扰的一些元件、设备或者信号, 比如可控硅、自然雷电、高频时钟以及电机等等;传播途径是指从干扰源生成的干扰向敏感器件进行传播的路径或者媒介, 其包括电源电路公共阻抗耦合、电导性的直接耦合、电磁感应耦合以及静电和电场耦合等等;而敏感器件则是指诸如单片机、数字IC、弱信号放大器等易被干扰的器件。主要的干扰方式包括空间电磁干扰、交流电源干扰以及I/O通道干扰等几种。

2 单片机测控系统抗干扰措施

2.1 软件措施

2.1.1 数据保护及恢复技术

在进行测控系统程序的编写过程中, 有些数据由于指令发生改变其结果性质也相应的发生了改变, 这时就需在数据改变后对其进行保护, 便于在必要时进行数据恢复。有时候计算机进行强制复位后, I/O端口以及SFR (特殊寄存器) 等内容会还原为出厂时的设定值, 从而导致系统运行的混乱。所以在重启单片机后第一步就是要做数据恢复, 将重要寄存器所保护的内容进行还原。

2.1.2 软件陷阱

其实我们所说的软件陷阱指的是一条引导指令, 其作用就是把捕获的程序强行的引入指定的地址, 该地址设置有专门处理出错程序的程序。假如把该程序的入口标号称作ERROR, 那么相应的软件陷阱即为LJMP ERROR指令, 通常还会在它的前面再加2条NOP指令, 以加强其捕获的效果。所以由此可以看出, 软件陷阱具体由3条指令组成, 即:

NOP

NOP

LJMP ERROR

一般软件陷阱都安排在以下几个位置:第一, 空间相对较大的EEPROM区, 一般单片机系统的EEPROM芯片都有比较大的冗余空间, 这些EEPROM未进行编程, 所以保持原有状态, 内容是0FFH, 0FFH为一种单字式的指令, 一旦程序执行到该指令时就会以顺序向后的形式继续执行, 除非遇到新的干扰, 否则就不再跳跃。此时在该EEPROM空间隔一段地址就设置了一个软件陷阱, 从而获取跑飞程序。第二, 表格:一种是数据表格, 另一种是散装表格。因为表格的内容和检索值都有其对应的关系, 如果在表格中设置软件陷阱, 则会破坏其对应关系及连续性, 所以可以把软件陷阱设置在表格的最后。第三, 程序区, 一系列的指令构成了程序区, 因此如果在其他位置随便设置软件陷阱, 则有可能破坏正常的程序流程。不过一旦程序执行至无条件转移指令时, PC值就会发生正常的跳变, 阻止了程序继续向下执行, 这时可以在此处设置软件陷阱, 从而在不影响执行程序正常运作的情况下捕获跑飞程序。

2.1.3 指令冗余

如果传导至系统内部的干扰开始作用于CPU, PC (程序计数器) 就会被破坏, 此时CPU无法进行正常的程序执行, 程序就会在地址空间内“乱飞”即所谓的“跑飞”。如果出现“死循环”, 那么将造成系统失控的严重后果。如果程序出现了跑飞现象, 复位CPU是最简单的处理办法, 复位CPU后, 程序会重新运行。不过这时系统所完成的工作量将会全部作废, 这是控制系统所不允许的。假如在干扰传导至CPU后其可以进行自动补救, 然后自动复位, 那么各控制系统才会接受。CPU获取指令的过程如下:先获取操作码, 接下来获取操作数, 如果干扰对PC产生影响出现了错误, 就会造成“乱飞”的问题。如果“乱飞”至某个双字节指令, 而且取指令时刻与操作数重叠, 把操作数误作为操作码, 那么程序就会出现错误。如果“乱飞”至三字节的指令, 由于存在2个操作数, 那么出错的概率就会更大。所以关键的地方要人为的插入一些单字节的空操作指令, 要么把有效的单字节指令重新编写为指令冗余。一般插入2条以上的NOP在双字节指令及三字节指令后, 由于NOP的存在, 即使“乱飞”程序与操作数重叠, 那么也可以避免后面的指令被误作操作数来执行, 程序恢复正常。此外, 如果在对系统的流向起重要作用的指令前插入2条NOP, 也可以把“乱飞”的程序纳入正常的轨道中。不过需要注意, 在一个程序中, 指令冗余的数量不能太多, 不然程序的执行效率会有所降低。

2.2 硬件抗干扰技术

2.2.1 电源

一般电源会对系统产生干扰, 是由于变压器漏磁通, 或者用电器的功率较大, 在通断时会在电网上产生浪涌电压、电压波动以及整流后的脉动直流而产生纹波干扰, 所以要进行电源的抗干扰, 首先在选择电源时要注意选择纹波系数、温度系数以及输出电阻都相对较小的开关电源以及连续电源。一般输出电阻较小的电源可以减少共阻抗耦合干扰。如果系统的工作电流比较小, 可以选择具备一定电源保护功能和低通滤波性能较好的集成稳压器。如果系统的工作电流以及功率都相对较大, 可以选择开关电源。采用共模或者差模的方法会存在一定的干扰, 可以通过以下3种方法来抑制这种干扰, 即将线路滤波器加入输入端, 或者采用有屏蔽层的变压器, 要么就选择诸如压敏电阻等吸波元器件来抑制瞬变干扰。

2.2.2 通道隔离技术

隔离技术。隔离一般可以分为隔离数字信号以及隔离模拟信号2种。其中隔离数字信号可以通过光电耦合器来实现, 因为该方法的信号传递是由光信号来实现的, 并没有连接直接电信号。不过该方法不能实现感应干扰及辐射干扰的隔离, 而且其隔离干扰的能力仅为1 000 V左右。在进行具体的电路设计时, 可以在A/D前添加一个光电耦合器, 不过要注意光电耦合器的电源要和微机的电源保持独立, 干扰通路被切断也避免了环流的形成。如果传输线路过长或者干扰较强, 也可以采用二次隔离的措施, 其不仅消除了干扰, 也可解决阻抗匹配以及长线驱动等一系列问题。在隔离模拟信号时一般都使用隔离放大器, 当然也可以采用光电耦合器, 用VFC (电压频率转换器) 将模拟信号转换为数字信号, 再经过光电耦合器的隔离, 输出信号经过光电耦合器之后, 再经过FVC (频率电压转换器) 把数字信号转换为模拟信号。

通道中的器件选择和抗干扰措施。在多路转换器输入的过程中, 会受到环境中各种噪声的污染, 特别是共模噪声干扰。此时, 在多路转换器的输入端接入一个共模扼流圈就可以对由外部传感器传导进来的高频共模噪声进行有效的抑制。在进行转换器高频采样时会产生高频噪声, 因此可以采用光电耦合在单片机和A/D间进行隔离。如果传感器的工作环境相对恶劣且比较复杂, 那么就可以选择测量放大器, 选择该器件的目的是帮助其在处于微弱信号的系统中用作前置放大器。可以采用隔离放大器阻止共模噪声传导至系统。

在采样保持器的电路进行采样和保持状态转换时, 会受到一定的干扰, 为了降低误差, 在电路布线的印刷过程中, 就要把模拟端和逻辑输入端的走线尽量拉远距离, 或者也可以用地线把模拟输入端包围起来, 从而实现隔断电通路以及降低线间的寄生电容耦合的目的。如果逻辑输入信号的幅度有所降低, 那么漏电耦合以及寄生耦合所产生的干扰也会相应的降低。要提高总线整体的负载能力, 可以在其中配置总线驱动器, 从而使信号的波形得到改善。如果总线的负载与负载总线的驱动能力相接近时, 总线信号的逻辑电平有可能受到一定的影响, 此时可以连接I/O线的数据线使得总线的不平均程序得到完善, 系统整体的可靠性均得到提高, 此外如果在总线上安装接地电阻, 那么总线信号传输的可靠性也会得到相应的提高。

2.2.3 正确的接地、屏蔽

如果有干扰来自于空间, 那么设置有效的屏蔽可以阻断磁力线或者电力线所带来的干扰。通常屏蔽又分为电场屏蔽、磁屏蔽以及电磁屏蔽3种。在厂家生产集成电路时, 设计ADC及DAC的过程中, 都会分别把模拟地及数字地利用不同的引脚引出。在设计线路时, 要把所有的模拟地以及数字地分别连接, 接着在整个电路中把模拟地及数字地均连接至一点, 从而消除模拟电路及数字电路利用地线回路而产生线相干扰。

3 结语

单片机测控系统的抗干扰措施在于硬件结构的优化, 而软件抗干扰起到一个补充作用。在进行系统的设计时, 要将2个方面互相结合、互相补充, 才可以实现更好的抗干扰效果。

摘要：抗干扰技术是一项系统性的工程, 因此在系统开发的整个过程、每个环节均要进行抗干扰措施的设计与实施。现从软件及硬件2个方面, 针对单片机测控系统的抗干扰措施展开讨论。

关键词：单片机,测控系统,抗干扰措施

参考文献

[1]毛楠, 孙英.电子电路的抗干扰实用技术[M].北京:国防工业出版社, 2006

[2]杨国山.单片机测控系统软件抗干扰技术浅析[J].装备制造技术, 2008 (9)

[3]朱宇光.单片机应用新技术教程[M].北京:电子工业出版社, 2000

[4]霍晓丽, 刘三军.单片机测控系统的软件抗干扰技术分析和设计[J].焦作大学学报, 2009 (7)

[5]曲辉, 郗福兵, 张海军.测控系统中单片机抗干扰技术[J].内蒙古农业大学学报, 2009 (8)

单片机测控系统 第6篇

近十几年来, 我国果蔬种植面积和产量迅速增长, 已成为世界水果和蔬菜第一生产大国。但是, 由于果蔬产品流通不畅和贮藏加工业相对薄弱, 不能满足种植业发展的需要, 每年都有相当一部分果蔬产品因滞销和缺乏贮藏加工措施而腐烂, 损失严重[1]。果蔬的贮藏保鲜加工成为当代农产品加工中的重要研究课题之一, 也是以后相当长时间内需要深入研究、解决的问题。

传统的保鲜技术采用加热消毒、添加防腐剂等方法会破坏保鲜对象的营养成分, 且防腐剂伴有副作用。近年来, 国内外许多学者开展了大量基于静电场生物学效应的高压静电场保鲜技术研究, 表明从电场改变生物膜电位从而导致酶的活性改变这一角度进行果蔬保鲜是可行的[2-3]。

为此, 人们对果蔬保鲜的自动控制技术开展了大量的研究, 主要集中在对高压静电保鲜[4-6]和自动测控技术[7-10]的研究方面。笔者基于前人所做的大量研究工作, 设计了基于51 单片机的果蔬保鲜自动测控系统。

1 系统总体设计

系统的总体框图如图1 所示。在保鲜装置库体内部安装有温度传感器DS18B20, 经过51 单片机的AD模块采集, 并通过显示电路驱动LED数码管显示库体内温度信息。

单片机通过串口模块将实时的温度信息经串口模块发送至上位机进行显示, 以便上位机进行实时监控。上位机一方面实时显示、监测下位机传送来的实时数据, 另一方面将实际测得的库体内温度数据与上位机设定的要求保持恒定温度值进行比较: 当实时温度高于设定值时, 经串口通信发送启动压缩机命令给下位机, 下位机单片机系统通过驱动电路驱动压缩机给库体内部降温, 同时启动蜂鸣器进行报警提示。

2 系统硬件设计

关于系统的硬件部分, 设计重点是单片机现场控制模块以及下位机与上位机数据通信两部分。

1) 单片机及其外围电路的供电电源设计。由于电路输入为220V /50Hz的市电, 而需要的输出为直流5V电压, 因此需要对直流稳压电路进行集中设计。

2) 借助单片机最小控制系统, 设计相关的外围控制电路, 实现对被控对象控制的需要。

3) 温度传感器获取保鲜装置库体内部的相关数据, 并经单片机实时采集显示。

4) 对串口通信部分进行设计, 从而保证下位机现场测控模块可以与上位机 ( 中心计算机) 进行可靠的数据通信。

5) 设计用于测控的上位机系统, 用以实时监测现场数据和控制下位机。

下位机现场测控模块总体原理图如图2所示。

2. 1 单片机介绍

关于微型控制单片机的种类有许多种, 选择灵活性高且物美价廉的单片机, 不但能保证现场控制的相关需求, 而且能实现对现场相关数据的精确采集和可靠控制。在此, 选择带4k字节FLASH存储器的高性能CMOS8 位微控制器AT89C51 型单片机。该微处理器采用了ATMEL公司的高密度存储器技术进行制造, 具有数据不易丢失的优点, 并且其指令集和输出管脚与相关工业标准兼容性较好。因此, 采用高效微控制器AT89C51, 其物美价廉并且具有高效的处理速度, 能够满足在工程应用中的相关要求。

2. 2 直流稳压电源模块

在前面已经述及, 由于电路输入为220V /50Hz的市电, 需要将其转化成输出为稳定的直流5V电压, 因此专门为电路设计了直流稳压电源模块。该模块的整体设计结构如图3 所示。左端的电源变压器对市电进行变换, 调节为合适的交流电压, 经过桥式整流电路3N250 进行整流, 将交流点变换为直流电。由于此时电源中仍还有谐波, 因此借助滤波电容对其进行滤波, 得到较为平稳的电压波形, 最后借助LM7805 模块对电源输出进行稳压。

2. 3 库体温度测量模块

DS18B20 是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器传感器。

其主要特点是: 1单线接口方式, 只需一个接口引脚即可与单片机通信; 2使用中不需要任何外围元件; 3测温范围-55 ~ 125℃ , 分辨率最大可达0. 062 5℃ , 输出为标准的单片机接入信号; 234 与单片机的连接简单可靠, 外围电路大大减少, 具有使用方便并且成本低的优点; 5测量结果以9 位数字量方式串行传送; 6可用数据线供电, 电压范围+3. 0V ~ +5. 5V。另外, 传感器用不锈钢封装防水、防潮可靠性高。

本设计中DS18B20 引脚如图4 所示。其中, GND为电源地; VDD为外接供电电源输入端; DQ为数字信号输入/输出端, 用于把采集到的数据传递给单片机。

2. 4 降温驱动电路

单片机对采集到的库体温度与设定的保鲜温度值进行比较: 当单片机采集到的库体温度值高于设定的保鲜温度值时, 需要启动压缩机工作, 将库体内的温度控制在设定的范围内; 另一方面, 当单片机采集到的库体温度低于设定的保鲜温度值时, 此时需要关闭压缩机工作, 使压缩机由工作状态停运, 直到库体内的温度控制在设定的预定值。从以上分析可以看出: 需要对压缩机的工作状态进行开关控制, 而单片机的输出功率较小, 不足以驱动压缩机工作。因此, 需要设计相应的驱动电路, 在这里选择固态继电器可以实现对压缩机的驱动控制。

固态继电器是一种无触点开关, 采用用隔离器件实现了单片机输出端与负载端的隔离, 可以借助微小的控制信号实现对大电流负载的直接驱动。本系统中单片机28 引脚输出高电平时, 三极管Q2 导通, 驱动继电器导通, 带动压缩机工作, 达到降温目的。

2. 5 显示电路

借助LED数码管可以实时显示现场的温度信息。要对LED数码管进行编程, 首先需要掌握LED数码管的相关工作原理。LED数码管实际上是由多个发光二极管按照一定的顺序排列组合形成的显示型器件, 其接法有两种, 分别是共阴极接法和共阳极接法。共阴极接法需要借助高电平进行驱动, 而共阳极接法需要借助低电平进行驱动。关于数码管的数字显示, 一般需要显示0 ~ 9 共10 个数字, 当所有发光二极管全亮时, 数字显示为“8”, 对应于数字0 ~ 9 分别进行编程, 驱动相应码段的二极管, 使得LED数码管显示期望的温度信息数据。

数码管在单片机实际应用中大多是以动态显示的方式工作。对每个二极管的公共极增加位选通控制功能, 采用独立的输入输出I /O接口进行选择, 将需要显示的二极管的选通控制打开, 不需要显示的关闭, 就可以显示出期望的数字信息。实际中由于人的眼睛存在的视觉暂留现象, 看起来仍然是静态显示。

2. 6 串口通信模块

本设计采用串行通信, 串口即串行接口, 现在的PC机一般有两个串行口COM1 和COM2。串行口不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位地传送出去的。

目前, 人们普遍采用的单片机和PC机的通信方式仍然是RS-232 ( DB-9) 串口为主。其原因是RS-232 串口的线路简单, 技术标准比较成熟, 使用广泛。但在某些情况下, RS-232 串口存在抗干扰能力差的缺点, 并且由于RS-232 串口电压较高, 有时需要借助电压转换模块才可以与其它电路进行连接, 给使用带来不便。如今USB接口技术取得了巨大的发展, PC机都带有若干个高速USB接口, USB接口和RS-232串口通信技术相比表现出极大的优越性。因此, 随着USB接口技术的持续发展, USB接口通信技术大有取代RS-232 串口通信技术的可能。

USB接口通信技术和普通的RS-232 串口通信技术相比, 具有以下特点:

1) USB具有即插即用的优点, 可在设备运行工程中进行热插拔; 而RS-232 串口通信技术不具备这样的优点, 串口安装完成后需要重启设备方可正常使用。

2) USB串口通信比RS-232 串口通信具有更高的传输速度。RS-232 串口通信速率最高只有19 ~ 200波特率, 而USB串口通信速度可达480Mbps。

3) USB串口通信的使用比RS - 232 串口更方便, 体积小, 简单可靠。

因此, 本设计的串行通信模块采用USB接口实现通信。目前, 常用的USB转接芯片包括PL2303、FT232、CH341 及CP2101 等。 本设计中采用CH341为USB转接芯片, 其基本引脚如图5 所示。CH341T转接芯片可以与USB2. 0 兼容, 并提供全速USB接口, 需要的外围电路很少, 只需配备相关的晶体和电容, 成本低廉, 可以满足本设计的通信要求。串口USB通信模块电路如图6 所示。

3 系统软件设计

系统软件设计框图如图7 所示。下位机单片机采集系统首先采集温度传感器的现场数据, 并经过单片机的串口将温度数据传送至上位机测控系统。上位机一方面实时显示下位机传送来的现场数据, 另一方面通过与设定的要求的恒定温度进行比较: 当判断得到库体内实时温度高于设定温度时, 通过传输通信模块发送启动压缩机命令给下位机。下位机接收到命令之后启动压缩机进行降温, 同时启动蜂鸣器进行报警提示。

4 下位机与上位机通信

设计中采用USB通信模块电路完成上位机与下位机的可靠通信。串行通信程序主要包括两方面: 一方面是下位机的通信程序, 另一方面为上位机的通信程序。在编写程序之前, 制定其双方通信协议是十分重要的, 否则将无法保证通信数据的可靠性, 从而失去通信的意义。

对转接芯片CH341T的各接口与单片机和上位机的连接方式要相匹配, 其20 引脚VCC接电源供电电压5V, 其7 引脚UD-和8 引脚UD+与USB接口的差分数据线对应连接。在电源电压为5V时, CH341T转接芯片的6 号引脚V3 口需要外接一退耦电容, 其数值为0. 01μF。CH341T的19 号引脚TEN#为发送数据使能端, 当该端子接低电平时有效使能。同时, CH341T转接芯片由于其硬件要求必须使用12MHz晶振, 以保证正常工作。此时, 单片机的晶振取为11. 059 2MHz, 其目的是与上位机的波特率相匹配。

为实现下位机和上位机的可靠数据通信, 下位单片机和USB高速通信接口两者应该使用同一通信协议, 并保证USB接口通信畅通。在采用汇编指令对下位单片机进行软件编程时, 设置单片机的串口通信率为9 600bit /s。在上位机设备管理器中, 设置串口通信的波特率与下位机保持一致, 当下位机每接收到一个8 位数据时, 将数据通过USB串口发送至上位机, 实现下位机和上位机之间通过USB接口的可靠通信。

5 结语

基于C51 系列单片机通信技术设计了果蔬保鲜自动测控系统, 完成了系统的硬件设计, 包括下位机单片机现场控制模块、220V /50Hz市电转5V的直流稳压电源模块、库体温度测量模块、降温驱动电路、显示电路和通讯接口模块。同时, 完成了系统的软件设计, 并成功实现下位单片机系统与上位机之间的串口通信。设计的测控系统成本低、性能优, 为果蔬保鲜系统的设计提供了借鉴。

摘要：针对目前我国传统保鲜技术采用加热消毒、添加防腐剂会破坏保鲜对象的营养成分且有副作用的问题, 基于51单片机设计了果蔬保鲜自动测控系统。通过温度传感器DS18B20测量保鲜装置的温度, 经下位机单片机系统采集, 并通过串口通信将采集温度发送至上位机;上位机能够实时监测现场数据, 并通过与设定的恒定温度进行比较, 若达到降温要求则发送命令至下位机, 启动压缩机降温。设计的测控系统成本低、性能优, 为果蔬保鲜系统的设计提供了借鉴。

关键词：果蔬保鲜,51单片机,传感器,高压静电,测控系统

参考文献

[1]郑嘉希, 姜力群.温州果蔬保鲜技术的现状和建议[J].农机化研究, 2006 (11) :25-27.

[2]孙贵宝, 王新馨, 裴国栋.利用高压静电场保鲜鸡蛋试验[J].农业工程学报, 2009, 25 (10) :318-323.

[3]朱丽霞, 张佰清.橘青霉菌的高压静电场生物效应及抑菌机理[J].沈阳农业大学学报, 2007, 38 (1) :118-121.

[4]解华东, 布丽君, 葛良鹏, 等.超高压处理对卤制鹅胗灭菌保鲜与品质的影响[J].农业工程学报, 2011, 27 (2) :247

[5]徐树来, 张守勤, 刘静波, 等.切分蔬菜高压保鲜技术的研究进展及发展对策[J].农业机械学报, 2003, 34 (2) :132-135.

[6]Wang Jie, Li Lite, Ye Qing, et al.Effect of high voltage electrostatic field on the post-harvest quality of"red delicious"apple[J].Transactions of the CSAE, 2003, 19 (5) :135-140.

[7]郁晓庆, 郭文川, 孙先鹏.果品臭氧保鲜监控系统研究设计[J].农机化研究, 2009, 31 (3) :112-114.

[8]刘振全, 王朝玉.基于单片机的冬枣保鲜库温、湿度监控系统[J].天津轻工业学院学报, 2003, 18 (3) :39-42.

单片机测控系统 第7篇

1 主从式测控系统的整体方案

笔者设计的主从式测控系统(图1)由上位机(一台PC机)和下位机(AT89C51单片机)组成,系统中作为主机的PC机通过调用软件中的串行口控件和硬件RS232C接口与下位机进行通信[2,3,4]。串行通信中,只有通信双方采用相同的接口标准才能进行正常的通信。由于RS232电平和下位单片机的TTL逻辑电平不一致,所以必须进行电平转换,该系统中的逻辑电平转换采用MAX232芯片实现。系统的工作过程为:上位机通过串口向下位机发送数据或接收下位机发送的信号和数据,主要实现对下位机的实时控制,完成参数的设定和数据的显示、存储及打印等功能。下位机用来接收数据或向上位机传输数据,同时执行相应的操作以实现相应的控制功能,下位单片机完成数据采集及传送等实时控制任务。为了检验系统的有效性,设计了两个应用控制模块交通灯的延时控制模块和电机控制模块。下位机处理接收到的数据,选择执行模块一或模块二,这两个功能模块皆由数字控制,前者控制着红/绿/黄灯的延时时间,后者实现对某一电机的运转进行控制。

该主从测控系统之所以选用串口通信,除了串口通信自身的优点之外,另一个原因是Delphi有一个现成、免费且较为成熟的串口通信控件SPCOMM,具有开发程序简单、通信稳定、参数齐全并且能满足各项串口设置等突出优点[5]。在串口通信中,要求发送端与接收端的波特率必须一致。串行通信的数据传送方向有3种形式,每种方式都有其独特优势,本设计采用全双工方式。

2 系统电路

为了验证主从测控系统的有效性,设计了交通灯的延时控制模块和电机控制模块,其中交通灯延时控制模块用以模拟交通灯延时控制模块的红/黄/绿灯,在电路中分别连接到单片机的P1.0、P1.3和P1.7口,由这3个端口电平的高/低来实现3个LED灯的亮和灭[6];电机控制模块的6台直流电机连接到单片机P2口的P2.0～P2.5端口,并由PC机操作界面来控制6台直流电机,实现物体向前、后、左、右、上和下驱动的运转与停止。整个电路原理如图2所示,其中DB9为上位机接口。

3 上位机界面及软件模块

上位机操作界面和相关软件模块以Windows为平台,采用Delphi 7.0作为工具进行开发,主要包括登录界面、系统主界面、交通灯延时控制界面、电机控制界面及数据库设计等,以实现下列功能:

a. 向下位机发送3个数据用以控制与单片机连接的3个LED灯;

b. 模拟实际情况下的交通灯运行状况;

c. 控制与单片机连接的直流电机的运转与停止;

d. 将每次发送下去控制交通灯的3个数据存入数据库,便于日后查阅;

e. 接收到的数据可以通过3种方式呈现给用户;

f. 从单片机传输来的数据可以另外保存,保存后可以查看或打印;

g. 对串口的通信参数进行灵活设置。

3.1 主界面

PC机与单片机主从系统的主界面如图3所示,通过主界面可以设置串口参数,包括端口、波特率、校验位、数据位和停止位,设置后打开串口,随后设置交通灯延时时间并将其发送给单片机,在发送区域上方有交通灯模拟显示区域,可以根据所设置的数据进行模拟。界面的接收区用来接收从单片机上发送来的数据,并以3种方式显示:一种为直接显示,如ASCII字符;另两种分别将接收的数据转换成十进制和十六进制字符后再进行显示。接收到的数据可以通过工具栏中的保存接收数据按钮或“文件保存”对接收到的数据进行保存操作[7]。

3.1.1 交通灯模块数据库

通过主界面文件菜单查看历史设置记录或者通过常用工具栏点击查看,操作员通过口令验证后进入交通灯延时数据库(图4)[8]。

3.1.2 电机控制模块

电机控制模块也是通过主界面的文件电机控制模块进入。该模块的界面没有复杂的串口参数设置或者接收区,只有6个控制电机按键(由鼠标控制),每个按键对应控制一台电机,每次操作都会得到指示界面的提示。电机控制系统通过按键的操作实现,在编程过程中每个按键都会有两个事件:一个是OnmouseDown事件,通过鼠标按键按下触发;另外一个是OnmouseUp事件,鼠标按下后放开触发该事件。在每次按下、放开鼠标的操作中向单片机发送不同的数据,这些数据将被赋给单片机的P2口来控制P2口所有端口的电平,实现对某一电机运转/停止的精确控制。

3.2 下位单片机软件

采用单片机C语言编写下位机程序(图5),主要实现辨别当前状态下是何种模块,如选择模块一,则接收PC机传来的数据,对传来的数据进行相应处理,利用处理后的数据进行模块一中交通灯的延时控制;如选择模块二,则根据发送来的数据控制模块二电机的运转。

模块一采用的是串口中断方式接收数据,而模块二采用的是查询方式对PC机的数据进行接收。其中延时函数、主函数和串口中断函数的具体程序如下[9]:

4 系统测试与仿真

用Proteus软件对PC机与单片机主从测试系统进行仿真。仿真PC机与单片机串口通信时,需要用到虚拟串口,可以用Vspd 7.0软件进行添加和设置[10]。虚拟串口添加完成后,就可以设置上位机的端口了,在上位机的端口下拉菜单中选择COM1,同时在Proteus的COMPIM中选择COM2。除此之外,COMPIM还设置了其他的串口通信参数。COMPIM设置好之后,就可以进行测试与仿真了[11]。

将模式开关闭合,选择模块一,进行交通灯的仿真测试,打开上位机界面设置上位机串口通信参数,打开端口输入需要延时的时长数字并点击发送,可以看到交通灯开始按照所设置的时长交替亮、灭。上位机交通灯模块的仿真界面和电路如图6、7所示。

电机控制系统仿真测试过程为:断开模式开关,选择模块二,进行电机控制系统仿真测试。打开电机控制系统界面(图8),用鼠标点击相应的按键,可以控制对应电机的运转与停止,仿真测试结果符合设计要求。

5 结束语

单片机具有集成度高、控制功能强、系统结构简单及价格优廉等优点,但是它的存储器容量太小,无法存储大量的数据,而且速度较慢,无法完成海量高速数值计算和对所接收的数据进行处理、分析及打印等功能。而PC机可充分利用其在数据处理、模拟仿真、图像处理和网络通信方面的强大功能,既可以通过软件对单片机进行控制,又能将接收的数据进行存储、处理和分析。笔者设计开发的主从式测控系统的上位机的操作界面和数据库采用Delphi 7.0进行开发,下位机程序采用单片机C语言开发。上位机发送的数据可存入专门的数据库。上位机还可作为数据串口接收终端,对单片机所发送的数据进行接收并以3种方式(ASCII、十进制、十六进制)中的任意一种显示出来,接收后可将数据保存到文本文件,供查阅或打印。

参考文献

[1]李伟,吴超群,王艳茹,等.基于小波神经网络的FRP复合材料损伤声发射信号识别[J].化工机械,2011,38(3):294～297.

[2]阐保强,王建业.基于DELPHI实现PC机与MCS-51单片机的串行通信[D].咸阳:空军工程大学导弹学院,2003.

[3]李生军,李少蒙.单片机与PLC之间的串行通信实现[J].化工自动化及仪表,2010,37(2):73～77.

[4]黄从智,白焰,刘向杰.一类网络化串级控制系统的性能分析[J].化工自动化及仪表,2009,36(5):34～39.

[5]黄军,熊勇,刘燕,等.Delphi串口通信编程[M].北京:人民邮电出版社,2001:128～134.

[6]林士胜.单片机技术及工程实践[M].北京:机械工业出版社,2010:76～80.

[7]李俊平,薛海燕.Delphi面向对象程序设计[M].北京:高等教育出版社,2005:349～393.

[8]储启明,周旭.Delphi7典型实例开发篇(基础开发篇)[M].北京:清华大学出版社,2003:352～354.

[9]龚运新,罗慧敏,彭建军.单片机接口C语言开发技术[M].北京:清华大学出版社,2009:77～83.

[10]江士明.基于Proteus的单片机应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009:86～88.

单片机测控系统 第8篇

在石油开采中, 有些区域的石油渗透率不高, 石油油位形成比较慢, 这样抽油机工作一段时间后, 就会空转, 从而消耗电能[1]。为降低抽油机能耗, 有时需人工观测油管出油情况, 以便控制抽油机的运行。这样即费时, 又费人力, 抽油效率又不高。为此, 我们将超声波探头及回波接收器安装在抽油机底部, 采用超声波测距方法对油井油位进行测量, 以单片机主控制器, 设计油井油位测控系统。因超声波在传播中衰减较小、反射能力强[2], 故可准确地检测井下油位。测控系统根据油位高低自动控制抽油机工作状态 (运行或停止) , 降低了损耗, 节省了人力成本, 提高了抽油机的采油效率。

1 测控系统组成及工作原理

1.1 测控系统组成

本系统采用AT89C2051单片机为主控制器, 它与超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路、油位显示器及抽油机驱动电路构成一测控系统, 实现对油井油位测量及控制抽油机工作状态的控制, 如图1所示。AT89C2051是低电压、高性能的微控制器, 是油井油位测控系统核心, 它根据油井油位高度来控制抽油机的工作状态。

超声波发射电路如图2所示它主要由反相器74LS04和超声波发射器T/R40构成。工作时, 接受单片机AT89C2051输出给的方波信号, 经过反相器输给发射器的两个电极上, 使其内部共振板振动产生超声波。超声波接收电路主要有超声波接收器T/R40 (发射与接受配对) 和检波接受芯片CX20106A组成, 如图3所示。它接受超声波遇到油位界面反射回来的回波信号, 经过滤波、检波、整形后送入单片机中。采用美国DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DS18B20, 具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点;由它构成温度补偿电路如图4所示, 系统运行中, 温度补偿电路测量系统工作的环境温度, 用来减少环境温度变化对超声波速度的影响[3], 提高测量油位精度。油位显示器采用LED, 实时显示油井油位的高度, 以供操作人员监测。

1.2 系统工作原理

在测控系统启动后, 在单片机控制下, 超声波发射电路接受单片机发送一定频率的脉冲信号作, 激励超声波发射器产生超生波如图5所示, 于此同时启动片内定时器工作。超声波在油井中通过空气介质到达原油液面, 将形成反射波;反射波再经过空气介质传播返回到超声波接收器 (图5所示) , 通过接受电路把声波信号转换为电信号, 此电信号经过放大和整形处理后输入到单片机中, 如图1所示。由单片机中定时器确定超声波发射后到接受回脉冲的时间间隔, 再根据超声波在传播介质的传播速度, 按下式1可计算出传播距离[4]。

式中S为探头与石油液面之间的距离, ν为空气介质中声波的传播速度, t为从发射超声波开始至接收到反射回来超声波之间所经过的时间。

由S值再经过与固定距离比较换算后, 即得出油井油位高度H。由于超声波在介质中的传播速度v与环境温度有关[5,6], 在空气中可表示为:

式中T为环境温度。

由2式可以看出, 温度每升高1℃, 声速增加约为0.6 m/s, 这将使测量产生一定的误差。为此采用温度传感器DS18B2为核心的温度补偿电路, 修正声速, 以提高测量精度。当油井油位高度达到一定值时, 发出信号控制抽油机工作, 开始抽油;当油位高度很低时, 停止抽油机工作, 防止抽油机空转。

2 系统软件设计

整个系统软件都由C51系列单片机C语言实现。油井油位值及显示和抽油机工作控制是在主程序中完成的。整个系统软件功能的实现可以分为主程序、温度测试子程序、测距中断服务子程序、显示子程序等几个主要部分。主程序是单片机程序的主体, 整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的, 在此过程中主程序调用了各个子程序及中断服务程序。如图6所示为系统的主程序流程。

3 结束语

本文设计的油井油位测控系统, 可广泛应用低渗透率油田和生产后期油层形成比较缓慢区域。由于采用非接触的超声波检测方式及高性能的单片机AT89C2051, 使得系统测量准确、控制稳定。有效的解决了大功率抽油机空转问题, 节约能源、提高了抽油机的使用寿命及采油效率。

参考文献