PAGE畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目閘門開度荷重測控儀系別專業(yè)班級姓名學(xué)號指導(dǎo)教師（職稱）日期2013-03-07蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文摘要閘門開度荷重測控儀是一種用于現(xiàn)場測量、控制閘門開度及荷重的智能化儀表。是以單片機(jī)AT89C52為核心部件的工作系統(tǒng)。通過單片機(jī)編程的軟件程序支持，對從傳感器采集到的開度信號和荷重信號進(jìn)行計(jì)算、判斷處理。測控閘門的開度荷重狀態(tài)并在故障時(shí)報(bào)警，另外對閘門開度荷重測控儀的各參數(shù)可以通過LED顯示器進(jìn)行查看。并且該系統(tǒng)還可以與遠(yuǎn)程監(jiān)控（PC機(jī)）之間進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸采用RS485總線，依靠自主設(shè)計(jì)的通信協(xié)議來保證具有很好的安全冗余度和良好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)更高的智能水平。關(guān)鍵詞：閘門，單片機(jī)，開度，荷重，傳感器AbstractThisgate’sopendegreemonitorisasystemmainlybasesonAT89C52,withthehelpofsoftwareofC.Throughcalculationbetweenpeopleandsystembykey,thissystemcandisplaythestaseofopendegreeandload.Itcanalertwhentherearesomeproblems,driverelaywork,controlandmanagethevariousparametersofthismonitoronLED.ItcanalsocommunicatewithPCby485bus.Thisselfdesignagreementassuredtheaccuracyandsccurityofthiscommunication.Ithasaperfectredundantdegreeandman-machineinterfacewhichisintelligentthanbefore.Withtheadjustmentinlaboratoryandscene,theresultindicateKeyWords:gate;singlechipmicrocontroller;opendegree;loadvalue;sensor蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文目錄1緒論 -1-1.1引言 -1-1.2閘門開度荷重監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用 -2-1.3課題的主要研究內(nèi)容 -4-2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) -6-2.1系統(tǒng)的組成與性能 -6-2.2微機(jī)控制器的選擇 -8-2.3系統(tǒng)總體方案的確定 -15-3閘門控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) -16-3.1測量電路 -16-3.1.1閘門開度測量 -16-3.1.2荷重信號采樣 -19-3.2轉(zhuǎn)換電路 -20-3.2.1A/D轉(zhuǎn)換 -20-3.2.2D/A轉(zhuǎn)換 -24-3.2.3I/V轉(zhuǎn)換電路 -26-3.3LED顯示電路 -29-3.4鍵盤接口電路 -32-3.5驅(qū)動電路 -33-4系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) -38-4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述 -38-4.2系統(tǒng)軟件流程 -38-5通信總線的選擇 -40-5.1RS485通信總線 -40-5.2RS485芯片的選用 -41-結(jié)論 -42-致謝 -43-參考文獻(xiàn) -44-附錄A -45-附錄B -46-蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文PAGE511緒論1.1引言水能源是一種十分寶貴的資源，環(huán)境幾乎一切都離開不了水。中國河流眾多，水系龐大而復(fù)雜。主要有黑龍江水系、松花江水系、鴨綠江水系、遼河水系、海灤河水系黃河水系、淮河水系、長江水系、珠江水系等;西南有瀾滄江、怒江、雅魯藏布江等水系;西北有額爾齊斯河、伊犁河水系;還有塔里木河及新疆、甘肅、內(nèi)蒙、青海等內(nèi)陸水系，眾多水系構(gòu)成中國水力資源蛛網(wǎng)密布的格局。鑒于水源在我國國民經(jīng)濟(jì)、人民群眾生活中的重要性，對用來調(diào)閘門、水位數(shù)據(jù)進(jìn)行全天候監(jiān)控是完全必要的。首先，可以實(shí)時(shí)跟蹤、監(jiān)控江河閘門開度、水位高度的數(shù)據(jù)，為合理調(diào)度水資源提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。根據(jù)閘門上、下游水位高度，以及閘門的當(dāng)前開度，再根據(jù)水資源調(diào)度的具體需求，從而確定出當(dāng)前閘門的具體控制方案。因此通過閘門微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可以及時(shí)掌握閘門、水位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為水資源調(diào)度提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)。其次，閘門微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在泄洪抗災(zāi)、水利發(fā)電等方面具有不可替代的作用。閘門作為水利系統(tǒng)基層的工程之一在防洪抗災(zāi)中扮演了重要角色，除了滿足水利部門的用水需求外，防洪、保護(hù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全以及環(huán)境保護(hù)等諸多方面都發(fā)揮了巨大的積極作用。為了進(jìn)一步發(fā)揮泵站的綜合利用效益，盡可能減少洪澇災(zāi)害的損失，提高調(diào)度管理的決策水平，建設(shè)閘門綜合自動化監(jiān)控信息系統(tǒng)是必不可少的。由于閘門所處工作環(huán)境惡劣、電磁場噪聲干擾大，使閘門的實(shí)時(shí)控制很難準(zhǔn)確進(jìn)行,而其中載荷監(jiān)控儀器是大中型水庫、水電站中保證閘門安全運(yùn)行的重要條件。但是，僅有載荷監(jiān)控是不夠的，閘門的開度測量儀器是提高整個(gè)系統(tǒng)靈活性的必要條件，由于不同時(shí)期的水位不同或者不同操作的條件，系統(tǒng)所需的開度是多樣化的，因而閘門啟閉機(jī)的開度測量儀器也是非常重要的配套設(shè)備。1.2閘門開度荷重監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用水電自動化技術(shù)是二十世紀(jì)開始發(fā)展起來的。至二十世紀(jì)，幾乎都是主機(jī)與控制一體的直接控制。之后則是引進(jìn)了遠(yuǎn)方控制技術(shù)，那時(shí)還大多采用電磁式、機(jī)械式繼電器，采取將繼電器裝在控制盤中的方法。六十年代則廣泛采取晶體管和半導(dǎo)體電子技術(shù)，控制回路向電子化、小型化、無觸點(diǎn)化方向發(fā)展，集中化技術(shù)被普遍應(yīng)用。由于遙測裝置的信號傳輸技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字技術(shù)的支持，又出現(xiàn)了遠(yuǎn)距離集中監(jiān)控，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)大范圍控制。計(jì)算機(jī)技術(shù)不論是在硬件的集成度、可靠度、經(jīng)濟(jì)性和綜合技術(shù)指標(biāo)，還是在軟件配置的豐富程度和適應(yīng)性等方面均己發(fā)展至較高的水平，在發(fā)達(dá)國家的水電自動化中得到了普遍的應(yīng)用.隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和自動控制理論的迅猛發(fā)展，以微處理器為核心的微型計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到許多行業(yè)，傳統(tǒng)的順序控制器，如繼電器控制邏輯、二極管矩陣邏輯以及硬件接線的數(shù)字邏輯愈來愈多地被前者所替代。微機(jī)技術(shù)在水電站自動控制系統(tǒng)中己占壓倒優(yōu)勢，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)和CRT技術(shù)已成為水電自動控制系統(tǒng)的重要部分。與此同時(shí)，軟件產(chǎn)業(yè)也蒸蒸日上，各種應(yīng)用軟件應(yīng)運(yùn)而生，充斥于生產(chǎn)生活的各個(gè)角落。計(jì)算機(jī)大量應(yīng)用于水電站自動控制系統(tǒng)，隨著網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)在水電站監(jiān)控和自動化系統(tǒng)中得到成功的應(yīng)用。通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳送、遠(yuǎn)方監(jiān)視和操作，以及遠(yuǎn)程故障排除，節(jié)省了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，因此利用網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為目前水電站自動化的一個(gè)發(fā)展方向。近年來，隨著水電站自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)備不斷升級，設(shè)計(jì)人員更多考慮水電站運(yùn)行的可靠性，采用了許多新技術(shù)、新理念。1.采用雙主機(jī)冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余。水電廠實(shí)現(xiàn)“無人值班”(少人值守)后，由于現(xiàn)場值班人員減少，值班人員往往只有兩人，當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，值班人員一般要等較長時(shí)間才能抵達(dá)現(xiàn)場，因此對于自動控制系統(tǒng)的可靠性要求更高，要求有較高的冗余度，在系統(tǒng)降階運(yùn)行時(shí)不影響電站的安全。為了滿足要求，水電站自動控制系統(tǒng)的硬件采用多層次的冗余措施。由軟件實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)備的檢測與故障診斷，實(shí)現(xiàn)冗余部件的無擾動切換，確保系統(tǒng)中某一部件的故障不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。2.采用分層分布式、集散控制系統(tǒng)。五十年代以集中控制系統(tǒng)為主，其主要特點(diǎn)是由單一的計(jì)算機(jī)完成控制系統(tǒng)的所有功能和對所有被控對象實(shí)施控制。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的不斷深入，系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜，系統(tǒng)規(guī)模也越來越龐大，集中式控制系統(tǒng)己越來越無法滿足應(yīng)用需求了。人們迫切需要一種新的系統(tǒng)體系，分散故障風(fēng)險(xiǎn)，提高自動控制系統(tǒng)的可靠性。針對集中式控制系統(tǒng)存在的種種問題，人們開始尋求解決方案，逐漸形成了DCS設(shè)計(jì)的基本原則:每臺計(jì)算機(jī)的處理盡量單一化;用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)解決系統(tǒng)的擴(kuò)充與升級的問題。事實(shí)上，被控制過程本身具有層次性和可分割性，上述原則符合被控制過程自身的內(nèi)在規(guī)律，因此在1975年由Honeywell公司率先推出基于上述設(shè)想的DCS后，很快地得到了廣泛的承認(rèn)和普遍的應(yīng)用，其后有許多家公司如美國的Foxboro、日本的Yokogawa),Westinghouse,,Taylor(現(xiàn)在屬于瑞士ABB),Moore,德國的Siemens、加拿大的Bailey等紛紛推出各自的DCSo經(jīng)過短短的二十幾年，目前DCS已成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。針對水電站建設(shè)和運(yùn)行的特點(diǎn)，當(dāng)今的水電站自動控制系統(tǒng)多采用分層分布式體系。它是將水電站眾多的設(shè)備單元或?qū)崟r(shí)控制任務(wù)，交由多個(gè)子系統(tǒng)或控制終端來承擔(dān)，各子系統(tǒng)或終端間可以進(jìn)行信息交換，也可以在上位機(jī)的協(xié)調(diào)下協(xié)同工作。采用分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的例子很多，國外的典型實(shí)例有美國的大古力水電站，委內(nèi)瑞拉的古里水電站，國內(nèi)的典型實(shí)例有葛洲壩大江水電站，丹江口水電站等等。3.在控制主回路中取消有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件(如硬盤)的IPC，采用PLC直接上網(wǎng)的技術(shù)。由于工業(yè)控制微機(jī)(簡稱IPC)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件如硬盤、風(fēng)扇等，是LCU乃至監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性瓶頸。一些水電站監(jiān)控系統(tǒng)，如H9000V3.0,在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有較大改進(jìn)，LCU采用了可編程控制器直接上以太網(wǎng)的方式，在控制主回路中取消了IPCIIPC僅作為現(xiàn)場的輔助控制人機(jī)聯(lián)系設(shè)備，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，IPC可以退出運(yùn)行。由于控制主回路取消IPC，使LCU的可靠性大幅度提高，可以很好地滿足下一階段水電廠無人值班運(yùn)行的要求。IPC也可由智能化液晶操作面板代替，可靠性可進(jìn)一步提高。4.采用現(xiàn)場總線、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，使水電站自動控制系統(tǒng)向開放式分布式系統(tǒng)邁進(jìn)。采用現(xiàn)場總線作為通信系統(tǒng)的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)使控制分散，把控制功能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場。滿足各主流總線標(biāo)準(zhǔn)的分布式現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)(LCU)可連接各種遠(yuǎn)程UO模塊、智能儀表和設(shè)備，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。同時(shí)，現(xiàn)場總線雙向數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)保證了測控信息的實(shí)時(shí)性和可靠性。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)將LCU.操作員站、工程師站接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，形成全開放系統(tǒng)，使系統(tǒng)的擴(kuò)展、升級、更新變得更加方便。目前，我國大多數(shù)的閘門控制系統(tǒng)都是將載荷監(jiān)控與開度測控分開設(shè)計(jì)執(zhí)行或是主要應(yīng)用其中一種，由于我國早期的閘門啟閉多采用行程開關(guān)或主令控制器等只能進(jìn)行閘門啟閉極限位置的控制，不能指示閘門的啟升位置高度，因此為了改進(jìn)，在閘門啟閉機(jī)上安裝閘門高度指示表，在閘門啟閉過程中對閘門的啟閉高度進(jìn)行控制并指示閘門的即時(shí)高度。對于大型水電站，是采用光纖傳感技術(shù)與PLC技術(shù)結(jié)合來進(jìn)行開度信號的采集與輸出，并由計(jì)算機(jī)來進(jìn)行總體控制。該系統(tǒng)采用德國生產(chǎn)的增量式編碼器，對閘門的開度信號進(jìn)行采入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析處理，這是信號的采集過程;對于信號的輸出，是將編碼器從計(jì)算機(jī)中得到的命令通過RS-422總線，送入到5SI接口中，經(jīng)SSI接口模塊轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼或BCD碼送入到PLC當(dāng)中。其中，RS-422總線使用差分信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，使數(shù)據(jù)傳出可靠，SSI接口模塊具有較高的抗噪聲干擾能力，減少了噪聲對信號的影響，并且SSI接口模塊本身具有完善的自我監(jiān)測功能，如對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯誤的誤差顯示功能等。由于基礎(chǔ)器件的功能強(qiáng)大，該閘門控制系統(tǒng)的安全保障很可靠。我國目前使用的智能載荷監(jiān)控儀，其核心功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過各種類型的單片機(jī)，SZ弧形閘門開度測控儀主要由一次儀表和二次儀表組成。一次儀表是UHQ傳感器，安裝在啟閉機(jī)現(xiàn)場，所采用的接觸式軸角編碼器集測控與A/D轉(zhuǎn)換為一體，一臺UHQ感器可以連接兩個(gè)或兩個(gè)以上檢測顯示控制點(diǎn)，一般一臺UHQ傳感器可供閘門現(xiàn)場顯示或在中控室屏幕顯示，以滿足兩地監(jiān)視和管理。二次儀表是SZ閘門開度測控儀，主要安裝在啟閉機(jī)現(xiàn)場或中控室內(nèi)，采用單片機(jī)和大規(guī)模CMOS集成電路進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換。一臺顯示器可以配兩臺UHQ傳感器，顯示和控制兩個(gè)閘門的位置。國外的閘門控制系統(tǒng)，與國內(nèi)相關(guān)控制技術(shù)發(fā)展一樣，對于小型的閘門控制系統(tǒng)，僅使用一般的智能儀表進(jìn)行控制，其主要功能都陳列在面板上，對于大型的閘門控制系統(tǒng)，有些國家會應(yīng)用多級監(jiān)控系統(tǒng)，由總控制系統(tǒng)向下為各個(gè)操作員，每個(gè)操作員控制不同的工控機(jī)，在由各工控機(jī)來控制各個(gè)閘門的具體動作。1.3課題的主要研究內(nèi)容本課題立足于單片機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)用先進(jìn)的單片機(jī)芯片及外圍擴(kuò)展設(shè)備，設(shè)計(jì)具有良好性能的集成電路，使最終研制的產(chǎn)品做到體積小、精度高、功能齊全、操作方便，達(dá)到同類產(chǎn)品國內(nèi)較先進(jìn)的水平。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中充分考慮到了用戶的需求，力爭將該測控儀的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。由于本課題來源于工程實(shí)際項(xiàng)目，所以更好的提高產(chǎn)品的競爭力，就是本課題的主要任務(wù)。這就要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，要吸收現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)將其不足之處的影響減少到最低，不僅如此，我們還應(yīng)該在不影響儀器先進(jìn)性的前提下，提高產(chǎn)品的以與其他控制器相連，共同組成智能化控制系統(tǒng)。本文將重點(diǎn)討論以下幾個(gè)方面:1)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)；2)閘門開度的測量方法；3)閘門開度荷重測控儀的硬件電路研制；4)系統(tǒng)軟件程序流程設(shè)計(jì)。2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的組成與性能閘門開度荷重測控儀是水利系統(tǒng)中閘門自動控制系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)控的一部分。在討論本課題的研制過程前，有必要把閘門自動化控制系統(tǒng)做一簡要介紹。閘門自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示，它由以下三部分組成:圖2.1閘門自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.閘門監(jiān)控中心閘門監(jiān)控中心由主計(jì)算機(jī)、人機(jī)接口設(shè)備和外圍設(shè)備組成。采用工控機(jī)作為主計(jì)算機(jī)，配有專用功能鍵盤和語音裝置，實(shí)現(xiàn)對閘門的全面監(jiān)控。閘門監(jiān)控中心主要完成數(shù)據(jù)處理、安全監(jiān)視、遠(yuǎn)方控制以及自動化管理等功能，具體為:1)定期查詢和收集集中監(jiān)控單元上送的運(yùn)行過程實(shí)時(shí)信息，生成現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史記錄圖表。2)實(shí)時(shí)更新CRT顯示的工況畫面的參數(shù);實(shí)時(shí)顯示和閘門相關(guān)的事件;有故障時(shí)，系統(tǒng)通過電鈴、語音、畫面顯示報(bào)警，給出事故處理指示。3)操作員可通過鍵盤和鼠標(biāo)對閘門進(jìn)行遠(yuǎn)方控制，即:閘門開閉控制:閘門預(yù)置開度設(shè)定。4)系統(tǒng)控制的運(yùn)行狀態(tài)等各種報(bào)表均可通過CR7，顯示或打印出來。2.集中監(jiān)控單元集中監(jiān)控單元采用集散控制方式，通過與閘門監(jiān)控中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信接受控制指令，對現(xiàn)場控制單元發(fā)出起閉信號，通過安裝在現(xiàn)場的閘門開度儀接受閘門現(xiàn)場信息，向閘門監(jiān)控中心反饋現(xiàn)場運(yùn)行工況、故障信號等信息。集中監(jiān)控單元采用可編程控制器(PLC)。該可編程控制器具有體積小、高速、模塊化、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，開關(guān)量24路輸入，16路輸出，串口的物理層是RS485接口標(biāo)準(zhǔn)。因系統(tǒng)控制每個(gè)閘門需要8入3出開關(guān)量，因此我們采用一個(gè)PLC外接5個(gè)輸入模塊和1個(gè)輸出模塊來控制7個(gè)閘門。PLC開關(guān)量輸入為:閘門的升、降、全開、全關(guān)狀態(tài);電源狀態(tài);過熱;過載以及閘門開度荷重測控儀的開關(guān)量輸入等。開關(guān)量輸出為閘門的升、降、停等。整個(gè)系統(tǒng)采用4個(gè)PLC組成總線型分布式控制系統(tǒng)，控制25個(gè)閘門，以主從方式工作。主PLC設(shè)計(jì)為1個(gè)，從PLC設(shè)計(jì)為3個(gè)，主從PLC之間通過屏蔽雙絞線相連。主PLC控制4個(gè)閘門，與閘門監(jiān)控中心之間通過RS485/232轉(zhuǎn)換器相連。3.現(xiàn)場監(jiān)控單元閘門自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控單元的設(shè)備有閘門開度荷重測控儀、水位儀、閘門啟閉機(jī)電氣控制屏等?，F(xiàn)場監(jiān)控單元采用現(xiàn)場總線技術(shù)，將微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使其具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用485總線作為現(xiàn)場總線，將多個(gè)智能測控儀連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按規(guī)定的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的智能儀表群與集中監(jiān)控單元之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，在現(xiàn)場形成全分布式自動控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場監(jiān)控單元可在現(xiàn)場通過閘門開度荷重測控儀和水位儀完成預(yù)置閘門開度、報(bào)警〔開度上限、載荷下限、載荷1,載荷2、偏載)值并顯示閘門實(shí)際開度、實(shí)際載荷1,實(shí)際載荷2以及報(bào)警狀態(tài);上、下游水位高度等功能，并且還可以根據(jù)不同開度，不同載荷要求而進(jìn)行設(shè)定開度和載荷的額定值，這個(gè)是本測控儀所特有的功能;直接通過現(xiàn)場控制屏上的控制按鈕進(jìn)行閘門起閉操作。閘門開度荷重測控儀用于測量、顯示和控制閘門的開度及起吊荷重，能夠適應(yīng)各種不同噸位、不同開度的閘門啟閉機(jī)的監(jiān)控要求。儀表采用面板表式，即可顯示閘門的位移（開度）和載荷值，又可控制閘門的升降高度。儀表可設(shè)定多級載荷報(bào)警值和預(yù)置開度設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)載荷超限報(bào)警和預(yù)置開度觸點(diǎn)值輸出，有很好的安全控制冗余度和良好的人機(jī)界面。1.主要技術(shù)性能和參數(shù)：（1）測量范圍：位移（開度）0～100m；荷重：≦0.5%F.S；（2）綜合精度：位移（開度）±0.5m；荷重：0～400T；（3）輸出一路4～20mA的電機(jī)速度調(diào)節(jié)信號；（4）顯示器顯示閘門開度、荷重、偏載、報(bào)警值等；（5）使用電源：正常工作電壓；（6）工作環(huán)境：工作溫度為-10～40℃，相對濕度為≦90%（RH40℃（7）上限開度、下限開度、任意開度、預(yù)置功能：當(dāng)閘門開度≧上限預(yù)置、閘門開度≦下限預(yù)置是，光報(bào)警信號及繼電器觸點(diǎn)輸出；（8）輸入：荷重信號、位移信號；（9）輸出：模擬量輸出、繼電器控制觸點(diǎn)、RS485數(shù)據(jù)通信接口。2.工作原理：開度傳感器其機(jī)械部分與啟閉機(jī)卷揚(yáng)筒直接相連，通過各種連接方式將閘門的升、降位移量轉(zhuǎn)換成測量軸的角位移量，通過變速器將使編碼器碼盤轉(zhuǎn)動，從而使得傳感器輸出相應(yīng)的編碼量，通過多芯信號電纜送到測控儀。荷重傳感器安裝于啟閉機(jī)卷揚(yáng)筒兩端軸承座支架上，通過電纜將采集到的荷重信號送人顯示儀單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)將采集到的開度編碼值經(jīng)軟件進(jìn)行碼值轉(zhuǎn)化、標(biāo)度變化等計(jì)算出即時(shí)閘門垂直開度值，然后送顯示，同時(shí)把此值與警戒值做比較，當(dāng)開度值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動相應(yīng)的繼電器動作，以觸點(diǎn)形式作為控制輸出，并以聲光報(bào)警指示到位狀態(tài)。2.2微機(jī)控制器的選擇閘門控制系統(tǒng)所處環(huán)境十分惡劣。特別是現(xiàn)場控制單元，環(huán)境潮濕，電磁干擾較大。因此，系統(tǒng)選用何種微機(jī)控制器就顯尤為重要?？晒┻x擇的測控裝置有3種:工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(簡稱工控機(jī))、PLC(可編程序控制器)和單片機(jī)。工控機(jī)的功能強(qiáng)大，有相當(dāng)強(qiáng)的通信功能和人機(jī)接口功能，在工業(yè)控制和測量中得到了廣泛的應(yīng)用，但是價(jià)格高。要求閘門開度測量儀體積小巧，但是工控機(jī)的體積較大，便攜能力差，故不能滿足要求。PLC是在工業(yè)控制中廣泛使用的控制產(chǎn)品，它具有使用方便，體積適中，功能強(qiáng)大，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格相對也很昂貴，并且體積不適用于該產(chǎn)品，并且靈活性差，因此也不選用。單片機(jī)全稱為單片微型計(jì)算機(jī)(Single-Chip-MicroComputer)。它在一個(gè)芯片上集成了CPU,ROM,RAM、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、多個(gè)陽接口，從而在一個(gè)芯片上構(gòu)成了一臺計(jì)算機(jī)，具有集成度高，體積小，重量輕的特點(diǎn)。由其組成的微機(jī)控制系統(tǒng)具有較少的外部引線，因而有較強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)，單片機(jī)具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，體現(xiàn)在運(yùn)算速度和運(yùn)算精度上，能夠滿足閘門控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求。單片機(jī)擁有豐富的外部信號處理資源。如果能充分利用單片機(jī)本身具有的硬件資源，只需要加少量的輔助電路，就能夠構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，應(yīng)用靈活方便，硬件結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比高，可靠性易于保證的全數(shù)字式控制系統(tǒng)。自1971年美國Intel公司研制出第一片單片機(jī)一--MCS-4以來，單片機(jī)技術(shù)在與其它科學(xué)技術(shù)的融合中不斷發(fā)展，已經(jīng)成為一門應(yīng)用廣泛的成熟技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域涉及工業(yè)控制、通訊、交通、消費(fèi)電子產(chǎn)品、辦公自動化等領(lǐng)域。在我國單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)已走過二十個(gè)春秋。在各個(gè)工程應(yīng)用領(lǐng)域，單片機(jī)應(yīng)用都擁有大批的工程技術(shù)人員，他們巧妙地將單片機(jī)引入自己熟悉的工程技術(shù)領(lǐng)域，解決了許多技術(shù)難題，使我國的單片機(jī)應(yīng)用達(dá)到一個(gè)新的水平。綜上所述，以單片機(jī)作為閘門控制系統(tǒng)的核心控制部件是必要而可行的。各種單片機(jī)都有其獨(dú)有特點(diǎn)，至于具體選擇哪種單片機(jī)型號，則完全遵循設(shè)計(jì)的先進(jìn)性和工程應(yīng)用的實(shí)際需要。1.AT89C52芯片AT89C52是美國Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)擦寫的程序存儲器和12KB的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C52單片機(jī)屬于AT89C51單片機(jī)的增強(qiáng)型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點(diǎn)和指令系統(tǒng)等方面兼容。AT89C52引腳圖如圖2.2所示：圖2.2AT89C52引腳圖AT89C52為40腳雙列直插封裝的8位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52相同，其主要用于會聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對會聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0~P3為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P0端口（32~39腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13腳定義為IR輸入端，10腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12腳、27腳及28腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個(gè)TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流(IL)。與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）。P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流(IL)。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX@RI指令）時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H—FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。主要功能特性：·兼容MCS51指令系統(tǒng)·8k可反復(fù)擦寫(>1000次）FlashROM·32個(gè)雙向I/O口·256x8bit內(nèi)部RAM·3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷·時(shí)鐘頻率0-24MHz·2個(gè)串行中斷·可編程UART串行通道·2個(gè)外部中斷源·共6個(gè)中斷源·2個(gè)讀寫中斷口線AT89C52有256個(gè)字節(jié)的內(nèi)部RAM，80H-FFH高128個(gè)字節(jié)與特殊功能寄存器（SFR）地址是重疊的，也就是高128。RAM還是訪問特殊功能寄存器。如果指令是直接尋址方式則為訪問特殊功能寄存器。2.8031芯片與8051芯片8031芯片與8051芯片的特點(diǎn)。8031單片機(jī)是Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)中的一種，它的特點(diǎn)是片內(nèi)不帶程序存儲器ROM，使用時(shí)用戶需外接程序存儲器和一片邏輯電路373，外接的程序存儲器多為EPROM的2764系列。如下圖2-3所示。用戶若想對寫入到EPROM中的程序進(jìn)行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。寫入到外接程序存儲器的程序代碼沒有什么保密性可言。8051是Intel公司推出的通用型單片機(jī)，片內(nèi)有4kbROM，無須外接外存儲器和373，更能體現(xiàn)“單片”的簡練。如下圖2-4所示。但是所編的程序無法燒寫到其ROM中，只有將程序交芯片廠代燒寫，并是一次的，今后我們和芯片廠都不能改寫其內(nèi)容。圖2-38031引腳圖圖2-48051引腳圖依上所述可知：8031單片機(jī)片內(nèi)沒有程序存儲器ROM，而且對寫入到外接程序存儲器的程序代碼沒有什么保密性可言；8051雖有程序存儲器ROM，但是所編的程序無法燒寫到其ROM中，只有將程序交芯片廠代燒寫，并是一次的。在此我們所選用的AT89C52芯片不僅能夠克服依上缺點(diǎn)，而且其精度更高。所以在此次設(shè)計(jì)中，我們選用AT89C52芯片。2.3系統(tǒng)總體方案的確定閘門開度荷重測控儀的總體設(shè)計(jì)思路是：以單片機(jī)為中央處理器，輔以強(qiáng)大功能的外圍模擬、數(shù)字電路功能模塊，使測控儀能夠接收遠(yuǎn)端控制中心的控制信號、驅(qū)動繼電器工作、顯示閘門的開度載荷狀態(tài)并在故障時(shí)報(bào)警，真正實(shí)現(xiàn)測控儀的智能化。從控制系統(tǒng)的信號通道類型來分，測控儀主要由以下幾個(gè)部分組成如圖2-5所示：圖2-5總體設(shè)計(jì)方案框圖3閘門控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)作為一個(gè)實(shí)現(xiàn)功能豐富、元器件復(fù)雜、工作獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)，首先要考慮的就是系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)?？傮w電路設(shè)計(jì)見附錄圖一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容，一部分是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)的功能單元，如ROM,RAM,VO口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。另一部分是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D,D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。本課題在硬件系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置設(shè)計(jì)中遵循以下原則:1.盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。2.系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以便進(jìn)行二次開發(fā)。3.硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是:軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件實(shí)現(xiàn)來得長，而且占用CPU的時(shí)間(比如延時(shí)程序)。4.整個(gè)系統(tǒng)的性能要盡量做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時(shí)，存儲器的存取時(shí)間有限，應(yīng)該選擇允許存取速度較高的芯片;選擇CMOS芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中所有的芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品。5.可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去禍濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。6.單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮器件驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠。3.1測量電路3.1.1閘門開度測量閘門由卷揚(yáng)機(jī)控制其升降，閘門的開度測量是一種直線位移(或近似為直線的位移)的測量。蝶閥關(guān)閉時(shí)為0度，全部打開時(shí)為90度，中間任意位置為0～90度。閥門開.光電增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理如下:隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動的脈沖碼盤上有均勻刻制的光柵，即在碼盤上均勻地分布著若干個(gè)透光區(qū)段和遮光區(qū)段。這兩種區(qū)段分布的越密，則分辨率越高。利用由光電發(fā)射管、光電接收管組成的光電藕合器將轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電氣脈沖信號輸出，轉(zhuǎn)軸處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)沒有脈沖輸出。1.增量式編碼器的計(jì)數(shù)起點(diǎn)可任意設(shè)定，并可實(shí)現(xiàn)多圈的無限累加和測量。還可以把每轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)脈沖的Z信號作為參考機(jī)械零位。使用增量式編碼器時(shí)，需要用計(jì)算機(jī)的記憶功能來保存實(shí)際的絕對轉(zhuǎn)角位置，還需要用與位置零點(diǎn)相對應(yīng)的限位開關(guān)來確定零點(diǎn)，或者設(shè)置輸入絕對轉(zhuǎn)角位置的人機(jī)接口。增量式編碼器的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的脈沖輸出，其旋轉(zhuǎn)方向的判別和脈沖數(shù)量的增減需借助判向電路和計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的價(jià)格便宜、信號線少，使用方便。2.絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器也是利用光電藕合器掃描方式的基本原理，但光電藕合器的掃描是經(jīng)過編碼的代碼圖案。每一對光電藕合器掃描編碼器每一位數(shù)據(jù)的變化，編碼器輸出位數(shù)越多，則其內(nèi)部光電藕合器的對數(shù)也就越多，二者一一對應(yīng)。從編碼器輸出代碼大小的變化，即可判別出旋轉(zhuǎn)的正反方向和運(yùn)動物體所處的位置。對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度以格雷碼的形式并行輸出絕對位置值，不需要用計(jì)數(shù)器來計(jì)數(shù)。一般情況下，絕對式編碼器的測量范圍為0'-360'，當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)過完整的1圈后，所旋轉(zhuǎn)的每一圈都重現(xiàn)第1圈的代碼。為了擴(kuò)大測量范圍和提高測量精度，可采用多圈絕對式編碼器。絕對式編碼器輸出的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)反映了編碼器的分辨率，位數(shù)越大，分辨率越高。將旋轉(zhuǎn)編碼器測得的模擬量用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流信號，現(xiàn)在測得的位移已經(jīng)變?yōu)榱穗娏餍盘枺瑸榱藢⒋穗娏餍盘杺鹘o單片機(jī)還必須將它變成低壓直流信號，因此還需要電壓和電流的轉(zhuǎn)換電路才能將測出的位移信號傳給單片機(jī)，被單片機(jī)所處理。通過上述方法我們可以對閘門的開度進(jìn)行測量和控制，但是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是很快的，尤其是電子產(chǎn)品的更換速度是驚人的。而上面的測量方法所需的硬件太多，也太麻煩。3．紅外光電傳感器ST278（見表3-1）表3-1紅外光電特征(25℃)項(xiàng)目符合數(shù)值單位輸入正向電流IF50mA反向電流Vr6V耗散功率P75mW輸出集-射電壓Vceo25V射-集電壓Vceo6V集電極功耗Pc50mW工作溫度Topr-20～+65℃儲存溫度Tstg-30～+75℃ST278傳感器特點(diǎn)1）采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。2）雙光電晶體管，可用于檢測被測物的運(yùn)動方向。3）檢測距離可調(diào)整范圍大，近距離2mm可用,根據(jù)光電開關(guān)在檢測物體時(shí)發(fā)射器所發(fā)出的光線被折回到接收器的途徑的不同可分為漫反射式、鏡反射式、對射式等,其中漫反射式的檢測距離可達(dá)幾十米。4）采用非接觸檢測方式。5）與方向判別電路ST288A結(jié)合使用可判別被測物的運(yùn)動方向及正反轉(zhuǎn)速測量、行程測量等。4.電位器式位移傳感器，它通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現(xiàn)測量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連。物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，以把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。繞線式電位器由于其電刷移動時(shí)電阻以匝電阻為階梯而變化，其輸出特性亦呈階梯形。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號大，使用方便，價(jià)格低廉。根據(jù)本論文中的部分參數(shù)要求：測量范圍：位移（開度）:0～100M;綜合精度:位移（開度）:±0.5M。我們可以選擇紅外光電傳感器ST278（漫反射式）5.開度測量電路（見圖3-2）ST288A電路功能1)具有內(nèi)部整形電路及數(shù)字濾波功能；2)可去除抖動誤差；3)具有正方向脈沖、反方向脈沖、方向指示、雙向脈沖輸出功能4)正方向脈沖輸出(20mA)5)反方向脈沖輸出(20mA)6)雙向脈沖輸出(20mA)7)方向指示輸出(H為反方向,L為正方向)圖3-2開度測量電路3.1.2荷重信號采樣壓力變送器：一般意義上的壓力變送器主要是由測壓元件傳感器（也稱作壓力變壓器）、測量電路和過程連接件三部分組成。它能將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理量壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號（如4～20mADC等），以供給指示報(bào)警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進(jìn)行測量、指示和過程調(diào)節(jié)。壓力變送器的工作原理是將水壓這種壓力的力學(xué)信號轉(zhuǎn)變成電流（4～20mA）這樣的電子信號，壓力和電壓或電流大小呈線性關(guān)系，一般是正比關(guān)系。所以，變送器輸出地電壓或電流隨壓力增大而增大。設(shè)計(jì)中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選用壓力變送器采集荷重值，其原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）專用V/I集成電路，外圍器件少，可靠性高，維護(hù)簡單、輕松，體積小、重量輕，安裝調(diào)試極為方便。（2）鋁合金壓鑄外殼，三端隔離，靜電噴塑保護(hù)層，堅(jiān)固耐用。（3）4-20mADC二線制信號傳送，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)。（4）高準(zhǔn)確度，高穩(wěn)定性。除進(jìn)口原裝傳感器已用激光修正外，對整機(jī)在使用溫度范圍內(nèi)的綜合性溫度漂移、非線性進(jìn)行精細(xì)補(bǔ)償。壓力變送器采集的荷重值，輸出為4～20mA的模擬電流信號，準(zhǔn)確無誤的將此信號量送入單片機(jī)等待處理，對整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作的準(zhǔn)確性、安全性、即時(shí)性是非常重要的。其荷重信號采樣電路如圖3-3所示.圖3-3荷重信號采樣電路圖為了便于單片機(jī)處理模擬量變成電壓信號并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后此送給單片機(jī)。所以有：1.來的電壓信號要經(jīng)過濾波處理，然后再變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電平TTL信號送入A/D轉(zhuǎn)換模塊。2.電路采用電流方式傳入壓力信號，電路則需要一個(gè)I/V轉(zhuǎn)換裝置，將送來的電流模擬量轉(zhuǎn)換為電壓量。3.2轉(zhuǎn)換電路3.2.1AA/D轉(zhuǎn)換接口是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)從一個(gè)或幾個(gè)信號源采集模擬信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便輸入CPU。在A/D轉(zhuǎn)換器件的選擇中，首先要搞清楚A/D轉(zhuǎn)換器的幾個(gè)指標(biāo)量概念：轉(zhuǎn)換時(shí)間：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間就是A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。分辨率：ADC的分辨率是指使所能分辨的輸入模擬量最小值，也就是使輸入數(shù)字量最低位LSB發(fā)生由1～0或0～1變化時(shí)輸入模擬量變化的最小值。示意框圖如圖3-4。其中，為A/D轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換的輸出電壓，；比較器對和電壓進(jìn)行比較，把比較結(jié)果送給控制電路。整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器是在逐次比較過程中形成，形成的數(shù)字量存放在N位寄存器中，先形成最高位，然后是次高位，一位位地最后形成最低位。圖3-4逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器示意框圖對于本課題而言，在選用A/D芯片時(shí)，更重要的是要考慮到由于AT89C52單片機(jī)的I/O口使用緊張，為了充分利用系統(tǒng)資源，使設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)最小，最優(yōu)，避免擴(kuò)展多個(gè)I/O口，本儀器的A/D轉(zhuǎn)換最好采用串行方式，這樣大量節(jié)省了AT89C52的I/O口線，既簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)又使單片機(jī)的引腳得到充分的利用。另外，系統(tǒng)有2路模擬信號，選用的A/D轉(zhuǎn)換器的通道數(shù)不少于2個(gè)?；谏鲜鰩讉€(gè)原因，在系統(tǒng)中選用了美國德州儀器公司(TI)的TLC2543芯片。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）12位轉(zhuǎn)換精度2）10us轉(zhuǎn)換時(shí)間3)11路模擬輸入4）內(nèi)建采樣保持器5)內(nèi)部有片內(nèi)時(shí)鐘系統(tǒng)6)具有轉(zhuǎn)換結(jié)束引腳，方便使用查詢和中斷方式查詢7)有極性或無極性二進(jìn)制輸出8)可編程進(jìn)入斷電模式9)可編程設(shè)定輸出數(shù)據(jù)長度為8、12或16位如圖3-5TLC2543管腳圖所示，TLC2543具有4線制串行接口，分別為片選線（CS），串行時(shí)鐘輸入端（I/OCLOCK）,串行數(shù)據(jù)輸入端（DATAIN）和串行數(shù)據(jù)輸出端（DATAOUT）。它可以直接與SPI器件進(jìn)行連接，不需要其他外部邏輯器件。同時(shí)，它還能在高達(dá)4MHZ的串行速率下與主機(jī)進(jìn)行通信。TLC2543除了具有高速的轉(zhuǎn)換精度外，片內(nèi)還集成了14路多路開關(guān)，其中11路為外部模擬量輸入，3路為片內(nèi)自測電壓輸入。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC引腳變?yōu)楦唠娖?，轉(zhuǎn)化過程中由片內(nèi)時(shí)鐘系統(tǒng)提供時(shí)鐘，無需外部時(shí)鐘。在轉(zhuǎn)換空閑期間，可以通過編程方式進(jìn)入斷電模式，此時(shí)器件耗電只有25uA?？刂谱譃閺腄ATAINPUT端串行輸入TLC2543芯片內(nèi)部的8位數(shù)據(jù)，它告訴TLC2543要轉(zhuǎn)換的模擬量通道轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長度輸出數(shù)據(jù)的格式芯片控制字的前四位（D7-D4）代表11個(gè)模擬通道的地址；當(dāng)其為1100-1110時(shí)，選擇片內(nèi)檢測電壓；當(dāng)其為1111時(shí)，為軟件選擇的斷電模式。此時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器的工作電流只有25mA?？刂谱值?位和第4位（D3-D2）決定輸出數(shù)據(jù)的長度，01表示輸出數(shù)據(jù)長度為8位；11表示輸出數(shù)據(jù)長度為16位；00表示輸出數(shù)據(jù)長度為12位?？刂谱值牡?位（D1）決定輸出數(shù)據(jù)的格式，0表示高位在前；1表示低位在前。控制字的第1位（D0）決定轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出的格式。D0決定輸出數(shù)據(jù)是單極性（二進(jìn)制）還是雙極性（2的補(bǔ)碼），若為單極性，該位為0，反之1對于本系統(tǒng)而言，就是要將ADIN0（載荷1信號）、ADIN1（載荷2信號）、TIAOLING1(載荷1調(diào)零信號)、TIAOMAN1(載荷1調(diào)滿信號)、TIAOLING2(載荷2調(diào)零信號)、TIAOMAN2(載荷2調(diào)滿信號)這六路電壓信號送到A/D轉(zhuǎn)換模塊TLC2543中進(jìn)行模塊轉(zhuǎn)化，得到數(shù)字量，然后再送到單片機(jī)中參加運(yùn)算、處理。在TLC2543中一共有11個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換通道，系統(tǒng)中各通道定義如下：圖3-5TLC2543管腳圖AIN0：載荷1的數(shù)據(jù)采集信號AIN1：載荷2的數(shù)據(jù)采集信號AIN2：載荷1的調(diào)零電位器AIN3：載荷1的調(diào)滿電位器AIN4：載荷1的調(diào)滿電位器AIN5：載荷2的調(diào)零電位器AIN6：備用AIN7：備用AIN8：備用其他通道：（擴(kuò)展口未用）TLC2543與帶有串行外設(shè)接口的微處理器易于接口，而AT89C52單片機(jī)不具有SPI，因此必須用軟件合成SPI的操作。上電后，片選CS必須從高到低，才能開始一次工作周期，此時(shí)EOC為最高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為0，輸出數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容是隨機(jī)的。A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口電路如圖3-6所示。A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí)，片選CS高，I/OCLOCK(P1.1)、DATAINPUT(P1.0)被禁止，DATAOUT(P1.3)呈高阻狀態(tài)，EOC為高。使CS變低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脫離高阻狀態(tài)。12個(gè)時(shí)鐘信號從I/OCLOCK端依次加入，隨著時(shí)鐘信號的加入，控制字從DATAINPUT一位一位的在時(shí)鐘信號的上升沿時(shí)被送如TLC2543（高位先送入），同時(shí)上一周期轉(zhuǎn)換的A/D數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從DATAOUT一位一位的移出。TLC2543收到第四個(gè)時(shí)鐘信號后，通道號也已收到，因此，此時(shí)TLC2543開始對選定通道的模擬量進(jìn)行采樣，并保持到12個(gè)時(shí)鐘的下降沿。在12個(gè)時(shí)鐘下降沿，EOC變低，開始對本次采樣的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間約需10uS，轉(zhuǎn)換完成，EOC變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，等待下一個(gè)工作周期輸出。此后，可以進(jìn)行新的工作周期。值得注意的是，TLC2543是具有12位法分辨率的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其每一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果都要以12位的形式存放。在系統(tǒng)中，要用兩個(gè)字節(jié)的空間容量來存儲，這樣就涉及到一個(gè)雙字節(jié)的存儲數(shù)與實(shí)際4～20mA電流之間的格式轉(zhuǎn)換。圖3-6TLC2543與AT89C52單片機(jī)電路圖3.2.2D/A轉(zhuǎn)換在閘門開度荷重的工作中，對閘門的載荷1和載荷2以及開度，除了要求LED顯示之外，還需要將其模擬電流量送回到控制中心。在后向通道中采用D/A轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對模擬量控制的常用方式，而串行D/A轉(zhuǎn)換器由于接TI電路簡單，易于遠(yuǎn)程操作以及體積小功耗低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備或分布式系統(tǒng)中。通常電路中選用的D/A轉(zhuǎn)換模塊以并行模式的較多，在設(shè)計(jì)時(shí)需要由CPU提供8位數(shù)據(jù)總線和地址選通信號，還需要提供+15V電源和基準(zhǔn)電源給D/A轉(zhuǎn)換芯片，而且輸出電路還要使用運(yùn)放把D/A轉(zhuǎn)換輸出的小電流轉(zhuǎn)換成電壓信號。這只是最基本的部分，如果在此基礎(chǔ)上再加其他電路，那就更復(fù)雜了。基于以上所述原因，系統(tǒng)選用MAX公司生產(chǎn)的二線串行接口的8位D/A轉(zhuǎn)換芯片。這是一種采用二線串行接口的8位D/A轉(zhuǎn)換芯片，采用單5V供電，簡單的雙線接口，與12C總線兼容，輸出緩沖放大雙極性工作方式，基準(zhǔn)輸入可為雙極性，上電復(fù)位將所有閉鎖清零，4uA掉電模式，總線上可掛4個(gè)器件，只有2路8為模擬量輸出口。MAX518芯片結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。圖3-7MAX518芯片結(jié)構(gòu)圖MAX518的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通過SCL和SDA串行輸入，芯片內(nèi)部把輸入數(shù)據(jù)中地址位與AD0，AD1所表示的地址比較，如符合則把數(shù)據(jù)存放在8位數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路和運(yùn)算放大電路分別從OUT0,OUT1輸出1～5V的電壓信號，由于MAX518與CPU之間的接口為二線串行接口，容易實(shí)現(xiàn)光電隔離，解決抗干擾問題。OUT0,OUT1輸出信號為1～5V的電壓信號，實(shí)際應(yīng)用中通常并不直接使用，所以需要轉(zhuǎn)換位常用的0～10MV，4～20MV等電流信號，本系統(tǒng)只適用雙片、三鹿轉(zhuǎn)換信號（其中一例為備用）。MAX518D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入是串行輸入，要輸出其中一路的D/A數(shù)據(jù)，需要順序輸入3個(gè)字節(jié)。第一個(gè)為地址字節(jié)，格式為：01011AD0AD10地址字節(jié)中的AD0和AD1需和MAX518的AD0和AD1一致。第二個(gè)字節(jié)為命令字節(jié)，格式為：0000000A0這里只使用了A0位，A0是表示這次D/A數(shù)據(jù)要送到二路中的哪一路，0表示送至DAC0（OUT0），1表示送至DAC1(OUT1)。智能控制器系統(tǒng)將模擬量送到OUT0。第三個(gè)字節(jié)就是要輸出的D/A轉(zhuǎn)換的8位數(shù)據(jù)00H～0FFH。要注意的是：由于在系統(tǒng)中計(jì)算處理數(shù)據(jù)時(shí)，一直用的是12位數(shù)字量，而這里所用的是8位數(shù)字量處理。MAX518與AT89C52的接口電路如圖3-8所示。圖3-8MAX518與AT89C52的接口電路圖3.2.3I/V轉(zhuǎn)換電路在與電流輸出的傳感器接口的時(shí)候，為了把傳感器(變送器)輸出的1-10mA或者4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號，往往都會在后級電路的最前端配置一個(gè)I/V轉(zhuǎn)換電路，圖3-9就是這種電路最簡單的應(yīng)用示意圖。

圖3-94～20mAI/V轉(zhuǎn)換電路僅僅使用一只I/V轉(zhuǎn)換取樣電阻，就可以把輸入電流轉(zhuǎn)換成為信號電壓，其取樣電阻可以按照Vin/I=R求出，Vin是單片機(jī)需要的滿度A/D信號電壓，I是輸入的最大信號電流。

這種電路雖然簡單，但是卻不實(shí)用，首先，其實(shí)際意義是零點(diǎn)信號的時(shí)候，會有一個(gè)零點(diǎn)電流流過取樣電阻，由于單片機(jī)的A/D最大輸入電壓就是單片機(jī)的供電電壓，這個(gè)電壓通常就是5V，因此，處理這種簡單的輸入轉(zhuǎn)換電路時(shí)比較麻煩。為了達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，就會導(dǎo)致芯片成本增加。LM324組成的4～20mA輸入/5V輸出的I/V轉(zhuǎn)換電路解決上面問題的簡單方法是在單片機(jī)輸入之前配置一個(gè)由運(yùn)算放大器組成的緩沖處理電路，見圖3-10。圖3-10LM324組成的4～20mA輸入/5V輸出的I/V轉(zhuǎn)換電路圖

增加這級運(yùn)算放大器可以起到對零點(diǎn)的處理會變得更加方便，無需耗用單片機(jī)的內(nèi)部資源，尤其單片機(jī)是采用A/D接口來接受這種零點(diǎn)信號不為零電壓的輸入時(shí)，可以保證A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)的資源能夠全部應(yīng)用于有用信號上。

以4～20mA例，圖中的RA0是電流取樣電阻，其值的大小主要受傳感變送器供電電壓的制約，當(dāng)前級采用24V供電時(shí)，RA0經(jīng)常會使用500Ω的阻值，對應(yīng)20mA的時(shí)候，轉(zhuǎn)換電壓為10V，如果僅僅需要最大轉(zhuǎn)換電壓為5V，可以取RA0=250Ω，這時(shí)候，傳感變送器的供電只要12V就夠用了。因?yàn)榧词箓魉途嚯x達(dá)到1000米，RA0最多也就幾百歐姆而已。同時(shí)，線路輸入與主電路的隔離作用，這個(gè)隔離級還可以起到保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)的作用。上圖采用的是廉價(jià)運(yùn)放LM324，其對零點(diǎn)的處理是在反相輸入端上加入一個(gè)調(diào)整電壓，其大小恰好為輸入4mA時(shí)在RAO上的壓降。有了運(yùn)算放大器，還使得RAO的取值可以更加小，因?yàn)檫@時(shí)信號電壓不夠大的部分可以通過配置運(yùn)放的放大倍數(shù)來補(bǔ)足。這樣，就可以真正把4～20mA電流轉(zhuǎn)換成為0～5V電壓了。

3.3LED顯示電路LED是發(fā)光二極管的簡稱，LED有7段和8段之分，有共陰和共陽兩種。（見圖3-11）（a）引腳配置（b）共陽極（c）共陰極圖3-118段LED顯示器結(jié)構(gòu)圖3-11示出8段LED數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)和原路圖。8段LED顯示管由8只發(fā)光二極管組成，編號是a、b、c、d、e、f、g和h，分別和同名管教相連。7段LED顯示比8段LED顯示少一只發(fā)光二極管h，其他和8段相同。LED數(shù)碼顯示管分為共陰和共陽兩種，（a）圖中GND腳為控制端，用于控制LED是否點(diǎn)亮。若GND接地，則LED被點(diǎn)亮；若GND接TTL高電平，則它被熄滅。圖（b）中所有發(fā)光二極管陽極共連后接到GND腳。正常顯示時(shí)GND為+5V，各發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮取決于a～h各引腳是否是低電平。因此共陰和共陽所需字形碼正好相反。8段LED數(shù)碼顯示管字形碼如表3-12所示。閘門開度荷重測控儀作為一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品，必須考慮到一些非常情況，如載荷1載荷2偏載開度上限開度下限達(dá)到額定值時(shí)。這時(shí)單片機(jī)通過繼電器觸點(diǎn)輸出信號給PLC，PLC‘表3-12：8段LED數(shù)碼顯示管字形碼地址偏移量共陰字形碼共陽字形碼所顯字符地址偏移量共陰字形碼共陽字形碼所顯字符SGTB+0H3FHC0H0SGTB+BH7CH83Hb+1H06HF9H1+CH39HC6HC+2H5BHA4H2+DH5EHA1Hd+3H4FHB0H3+EH79H86HE+4H66H99H4+FH71H8EHF+5H6DH929H5+10H00HFFH空格+6H7DH82H6+11HF3H0CHP+7H07HF8H7+12H76H89HH+8H7FH80H8+13H80H7FH.+9H6FH90H9+14H40H8FH-+AH77H88HA就會通過預(yù)定的模式對閘門的電機(jī)進(jìn)行起落停等命令信號，防止出現(xiàn)機(jī)械構(gòu)件被破壞的情況。由于開度的測量范圍為0～100m，荷重的測量范圍為0～400T，所以需要三位LED顯示器。三位LED顯示采用共陰極連接，公用三個(gè)4線7段譯碼驅(qū)動器MC14543來驅(qū)動。MC1454具有4位二進(jìn)制鎖存、BCD7段譯碼和驅(qū)動功能。相應(yīng)電路如圖3-13。圖3-13顯示接口電路同時(shí)，需要系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警提示裝置，以便通知操作人員出現(xiàn)何種情況，報(bào)警裝置采用報(bào)警燈，具體報(bào)警電路如圖3-14所示。圖3-14報(bào)警電路圖這部分電路非常簡單，就是由一個(gè)普通的7407送出的TTL電平驅(qū)動一個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行工作。程序在每次大循環(huán)的開始，都會首先檢查電路控制中心信號輸入電壓的故障狀態(tài)，反饋信號電壓的故障狀態(tài)等，如果電路硬件狀態(tài)正常，軟件狀態(tài)正常，那么每次從7407送出來的位都送高電平，那么正常報(bào)警燈就熄滅，否則報(bào)警燈發(fā)光。3.4鍵盤接口電路鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是一個(gè)關(guān)鍵部位，它能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)的主要手段。獨(dú)立式鍵盤電路是每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根I/O接口引線。每根I/O接口線上的按鍵都不會影響其他的I/O接口線。按鍵輸入采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí)，I/O接口線有確定的高電平。當(dāng)I/O接口內(nèi)部有上拉電阻時(shí)，外電路可不接電阻。這時(shí)，CPU只要檢測I/O接口線的電平高、低就可以很容易地判。鍵盤是由若干獨(dú)立的鍵組成，鍵的按下與釋放是通過機(jī)械觸電的閉合作用與斷開來實(shí)現(xiàn)的，因機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，在閉合與斷開的瞬間均有一個(gè)抖動過程。這種鍵盤占用硬件資源多，適合少量按鍵的情況，比較適合本次設(shè)計(jì)。因此，本設(shè)計(jì)選用獨(dú)立式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤的結(jié)構(gòu)圖3-15如下：圖3-15獨(dú)立式鍵盤的結(jié)構(gòu)圖在此，鍵盤主要用來切換顯示屏的內(nèi)容：上下鍵可以用來上下移動光標(biāo)，或者當(dāng)前設(shè)定值增加或減少，確定鍵按下時(shí)上一步所執(zhí)行的命令得以執(zhí)行，閘門手動/自動切換鍵用來選擇閘門的控制方式斷哪個(gè)按鍵被按下。根據(jù)上述要求，本次設(shè)計(jì)設(shè)置了4個(gè)按鍵，其功能表如下3-16：表3-16按鍵功能分配表如圖3-17給出了鍵盤接口電路，圖中的電阻電容起到消抖、濾波的作用。圖3-17鍵盤接口電路3.5驅(qū)動電路LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動機(jī)驅(qū)動的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動控制系統(tǒng)。LMD18200廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)器人和各種自動化控制領(lǐng)域。以下介紹LMD18200芯片的結(jié)構(gòu)、原理及其應(yīng)用。1.主要性能：峰值輸出電流高達(dá)6A，連續(xù)輸出電流達(dá)3A,

工作電壓高達(dá)55V,具有溫度報(bào)警和過熱與短路保護(hù)功能.芯片結(jié)溫達(dá)145℃，結(jié)溫達(dá)170℃具有良好的抗干擾性。2.主要應(yīng)用：驅(qū)動直流電機(jī)、步機(jī)電機(jī)；伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)位置。與轉(zhuǎn)速應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng),應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)；應(yīng)用于電腦打印機(jī)與繪圖儀。3.內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳說明：LMD18200內(nèi)部電路框如圖3-18所示,它有11個(gè)引腳,采用TO-220和雙列直插式封裝。其引腳圖如下圖3-19所示，引腳名稱及功能見表3-20，邏輯真值表見表3-21。圖3-18LMD18200內(nèi)部電路框圖圖3-19LMD18200引腳圖表3-20：LMD18200引腳名稱及功能引腳名稱功能描述1、11橋臂1，2的自舉輸入電容連接端在腳1與腳2、腳10與腳11之間應(yīng)接入10uF的自舉電容。2、10H橋輸出端

3方向輸入端轉(zhuǎn)向時(shí)，輸出驅(qū)動電流方向見表1。該腳控制輸出1與輸出2（腳2、10）之間電流的方向，從而控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的方向。4剎車輸入端剎車時(shí)，輸出驅(qū)動電流方向見表1。通過該端將馬達(dá)繞組短路而使其剎車。剎車時(shí)，將該腳置邏輯高電平，并將PWM信號輸入端（腳5）置邏輯高電平，3腳的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達(dá)所用的器件。3腳為邏輯高電平時(shí)，H橋中2個(gè)高端晶體管導(dǎo)通；3腳呈邏輯低電平時(shí)，H橋中2個(gè)低端晶體管導(dǎo)通。腳4置邏輯高電平、腳5置邏輯低電平時(shí)，H橋中所有晶體管關(guān)斷，此時(shí)，每個(gè)輸出端只有很小的偏流（1.5mA）。5PWM信號輸入端該端與3腳（方向輸入）如何使用，決定于PWM信號類型。6、7電源正端與負(fù)端

8電流取樣輸出端提供電流取樣信號，典型值為377μA/A。9溫度報(bào)警輸出溫度報(bào)警輸出，提供溫度報(bào)警信號。芯片結(jié)溫達(dá)145℃時(shí)，該端變?yōu)榈碗娖?；結(jié)溫達(dá)170表3-21：LMD18200邏輯真值表PWM轉(zhuǎn)向剎車實(shí)際輸出驅(qū)動電流電機(jī)工作狀態(tài)HHL流出1、流入2正轉(zhuǎn)HLL流入1、流出2反轉(zhuǎn)L×L流出1、流出2停止HHH流出1、流出2停止HLH流入1、流入2停止LXHNONE

LMD18200工作原理：內(nèi)部集成了四個(gè)DMOS管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個(gè)開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個(gè)300kHz左右的工作頻率。可在引腳1、11外接電容形成第二個(gè)充電泵電路，外接電容越大，向開關(guān)管柵極輸入的電容充電速度越快，電壓上升的時(shí)間越短，工作頻率可以更高。引腳2、10接直流電機(jī)電樞，正轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳步到引腳10；反轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳10到引腳2。電流檢測輸出引腳8可以接一個(gè)對地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護(hù)電路設(shè)置的過電流閾值為10A，當(dāng)超過該值時(shí)會自動封鎖輸出，并周期性的自動恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時(shí)間較長，過熱保護(hù)將關(guān)閉整個(gè)輸出。過熱信號還可通過引腳9輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145度時(shí)引腳9有輸出信號。4.典型應(yīng)用：LMD18200典型應(yīng)用電路如圖3-22所示。

圖3-22LMD18200典型應(yīng)用電路圖

LMD18200提供雙極性驅(qū)動方式和單極性驅(qū)動方式。雙極性驅(qū)動是指在一個(gè)PWM周期里電動機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性可逆系統(tǒng)雖然有低速運(yùn)行平穩(wěn)性的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著電流波動大，功率損耗較大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險(xiǎn)，限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機(jī)的控制。本文中將介紹單極性可逆驅(qū)動方式。單極性驅(qū)動方式是指在一個(gè)PWM周期內(nèi),電動機(jī)電樞只承受單極性的電壓。4系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)完成之后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否可靠地工作，除了硬件的合理設(shè)計(jì)外，與功能完善的軟件設(shè)計(jì)是分不開的。本章將詳細(xì)闡述控制系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能、主要軟件的功能及算法的實(shí)現(xiàn)、監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)方案及具體實(shí)現(xiàn)方法。4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)有其自身的特點(diǎn)。首先，單片機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)程序與應(yīng)用程序密不可分，系統(tǒng)程序與應(yīng)用程序必須在一起考慮;其次，在單片機(jī)系統(tǒng)中，硬件與軟件緊密結(jié)合，軟件直接操作硬件，硬件設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到軟件設(shè)計(jì)難易和質(zhì)量.同時(shí)，很多時(shí)候，軟件可以替代硬件的功能，當(dāng)然，需要付出額外占用CPU時(shí)間的代價(jià)。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，往往存在著時(shí)間與空間的矛盾體。在一些程序編譯器中，有著時(shí)間優(yōu)化和空間優(yōu)化的選項(xiàng)，但時(shí)間優(yōu)化與空間優(yōu)化不能同時(shí)存在。這些編譯器在處理這些優(yōu)化時(shí)實(shí)際是在采用時(shí)間換取空間或者空間換取時(shí)間的策略。在設(shè)計(jì)程序時(shí)，可以采取這樣的策略提高系統(tǒng)的性能。比如，目前程序存儲器的容量已不是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，可以利用存儲器的空間實(shí)現(xiàn)程序響應(yīng)速度的加快。單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)同樣具有計(jì)一般軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。首先，應(yīng)有一個(gè)合理的算法，以合理的資源耗費(fèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能;其次，設(shè)計(jì)的軟件應(yīng)有較好的可讀性，可維護(hù)性。本文的軟件設(shè)計(jì)按如下的步驟進(jìn)行:1.分析問題,明確所要解決的問題的要求；2.制定程序框圖,制定出運(yùn)算的步驟和順序，把運(yùn)算過程劃成程序的流程圖；3.確定數(shù)據(jù)格式，分配工作單元，進(jìn)一步將程序框圖畫成詳細(xì)的操作流程圖。4.2系統(tǒng)軟件流程本系統(tǒng)的主程序主要包括以下幾部分:1)初始化部分，由上電復(fù)位后的主程序執(zhí)行來初始化系統(tǒng)的硬件資源和軟件資源；2)完成開機(jī)電信號故障檢測；3)調(diào)用采樣子程序，完成前向通道A/D轉(zhuǎn)換器對信號的轉(zhuǎn)換；4)調(diào)用顯示子程序，將工作人員所需的系統(tǒng)值在LED上進(jìn)行顯示；5)對采集的信號進(jìn)行分析比較，將電流信號通過后向通道進(jìn)行傳輸；6)掃描按鍵，控制器對按鍵功能進(jìn)行解釋，然后執(zhí)行相應(yīng)的動作。上電復(fù)位并行口，顯示，內(nèi)部存儲器初始化被測系統(tǒng)是否有故障調(diào)用載荷采樣子程序調(diào)用載荷顯示子程序調(diào)用位移采樣子程序調(diào)用開度顯示子程序進(jìn)行電流輸出查詢是否有按鍵按下執(zhí)行相應(yīng)按鍵功能上電復(fù)位并行口，顯示，內(nèi)部存儲器初始化被測系統(tǒng)是否有故障調(diào)用載荷采樣子程序調(diào)用載荷顯示子程序調(diào)用位移采樣子程序調(diào)用開度顯示子程序進(jìn)行電流輸出查詢是否有按鍵按下執(zhí)行相應(yīng)按鍵功能圖4-1主程序流程5通信總線的選擇5.1RS485通信總線RS485總線標(biāo)準(zhǔn)是由美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制定的支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的通信標(biāo)準(zhǔn)。RS485總線標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送差分式接收數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線。具體規(guī)格要求：接收器的輸入電阻R≧12K驅(qū)動器能輸出-7V～+7V的共模電壓。輸入端的電容≦50PF。在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)配置了120歐姆終端電阻的情況下，驅(qū)動器至少還能輸出電壓1．5V。接收器的輸入靈敏度為200mv.表5-1：RS485串行總線傳輸距離與波特率的關(guān)系波特率(Kbps)9.619.293.75187.5500150012000傳輸距離（m）1200120012001000400200100

RS485總線傳輸介質(zhì)通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強(qiáng)的抗共模干擾能力，接收靈敏度也相當(dāng)高，同時(shí)最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。RS-485總線優(yōu)點(diǎn)：在要求通信距離為幾十米到上千