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学位论文-—基于单片机的智能传感器设计.doc
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2023-07-01
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学位论文-—基于单片机的智能传感器设计.doc
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基于单片机的智能传感器设计
摘要
随着自动化技术的发展和微电子技术的进步,以及现场总线技术的日益成
熟,数控技术在生产过程中的应用越来越广泛,对现场信号的采集、传输和数
据处理提出更高的要求。
本论文阐述了现场信号通信的发展概况和智能变送器的现状,分析了智能
变送器的作用和工作原理,针对应用中使用的不同的传感器输出不同幅值的弱
直流电信号的要求,设计了智能变送器系统。它实现了弱直流电信号放大,并
能根据信号的幅值大小来自动改变放大系数,提高测量灵敏度,对采样数据处
理后,既能输出 4~20mA DC 标准电流信号,又能通过 RS—485 总线与其他上
位机或同位机进行数字通信。系统根据传感器输出的信号范围通过编程设定由
集成测量放大器 AD623 和非易失性数控电位器 X9241 组成的放大环节的增益,
将弱信号放大到 0~5V DC,通过多通道 12 位串行 A/D 转换器 TLC2543 进行
A/D 转换,将采集到的数据送给单片机 80C52,由单片机进行滤波、标度变换
等数据处理后,通过 8 位并行 D/A 转换器 DAC0832 将数据转换成 4~20mA DC
信号输出,或通过隔离后的 RS—485 总线将数据传送给上位机。系统设计有独
立的看门狗电路和 EEPROM 存储器电路,提高了系统可靠性。系统软件采用
MCS—51 单片机汇编语言,模块化程序设计方法,设计了仪表监控主程序、放
大器增益设定程序、ADC 转换和处理子程序、DAC 转换等子模块,并设计了相
应的通信协议。
关键词 智能变送器;通信;单片机;现场总线;测量信号
Intelligent sensor based on single-chip design
Abstract
With the development of Automation and the progress of the micro electronics
technology, and the mature of Field Bus, digital control technology is widely used in
production process, so collection, transition and treatment of signal should meet
higher requirements.
This thesis is about general development of field signal communication and
status of intelligent transducer, analyzes function and operation principle of intelligent
transducer. The transducer is designed chiefly for different weak output signal of non-
standard sensors. It can amplify the weak signal, alter the amplification factor
according to the size of the weak signal and improve system sensitivity. After sample
data processed, it not only can output 4~20mA standard direct current, but also can
communicate with other computers and single chip by mean of RS—485 bus.
According to the output signal range of the sensor, the system sets the gain of
amplification link which is composed of AD623 and X9241 by way of program,
amplifies the weak signal to DC 0 ~ 5V, then makes A/D transition through ,
multi—passages and 12bit TLC2543, brings the sampled data to single chip 89C52,
filtering the data, and transferring surveyor etc ,then transits the data to 4~20mA DC
signal by DAC0832,or sends the data to other computers through isolated RS—485
bus. The design of the system has its own separate watchdog and EEPROM memory
circuit; Therefore it can improve system reliability. Software of the system designs
main program, amplifier gain setting program, ADC transition program, DAC
transition program and processing subprogram by adopting assemble language of
MCS—51 single chip and modularization program design method, and also designs
corresponding communication protocol.
Keywords Intelligent;Transducer;Communication;Single-chip;Field-bus;
Measuring signal
目录
摘要……..........................................................................................................................I
Abstract...........................................................................................................................II
第 1 章 绪论...................................................................................................................1
1.1 课题背景..............................................................................................................1
1.2 智能变送器的现状..............................................................................................2
1.3 现场信号通信的发展概况..................................................................................4
1.4 本论文的主要工作..............................................................................................6
第 2 章 硬件电路设计...................................................................................................8
2.1 单片机选择..........................................................................................................9
2.2 输入信号增益自调节电路设计..........................................................................9
2.3 模—数转换器选择及接口电路设计................................................................11
2.3.1 TLC2543C 简介...........................................................................................11
2.3.2 TLC2543C 的主要性能...............................................................................12
2.3.3 TLC2543C 的转换过程...............................................................................13
2.4 数—模转换器接口电路设计............................................................................15
2.5 V/I 变换电路设计...............................................................................................15
2.6 复位及运行监视电路设计................................................................................16
2.7 RS—485 总线接口电路设计 .............................................................................18
2.8 显示器接口电路设计........................................................................................19
2.9 键盘接口电路设计............................................................................................19
2.10 电源..................................................................................................................20
2.11 本章小结..........................................................................................................20
第 3 章 应用软件设计.................................................................................................21
3.1 监控程序模块....................................................................................................21
3.2 输入信号增益自调节模块................................................................................22
3.3 数据采集和处理模块........................................................................................22
3.4 通信模块设计....................................................................................................23
3.4.1 串行通信接口的基本任务.........................................................................24
3.4.2 RS—485 简介和串行通信协议的实现 ......................................................24
3.5 通信模块设计....................................................................................................29
3.6 键盘模块的设计................................................................................................29
3.7 软件抗干扰的设计............................................................................................30
3.8 本章小结............................................................................................................31
结论...............................................................................................................................32
致谢...............................................................................................................................33
参考文献.......................................................................................................................34
附录 A ...........................................................................................................................35
附录 B ...........................................................................................................................40
附录 C ...........................................................................................................................44
附录 D ...........................................................................................................................45
第1章 绪论
1.1 课题背景
自动化仪表主要由检测仪表和控制仪表两大部分组成。随着生产的不断发
展,生产规模越来越大,相应的自动化管理系统日趋复杂。由于计算机技术的
高度发展和广泛应用,近 10 年来在控制系统方面有了很大进展。控制系统的各
功能环节在信息的传送、管理和操作上紧密配合,形成了高度复杂的分散型过
程控制系统。随着计算机技术的发展,微机价格的大幅度下降,PC 机和各种单
片机在工业和各行业应用日益广泛。在控制网络中,各种测量仪表往往用单片
机作数据处理单元,而在主控室,有微机对整个生产过程的数据进行统一的显
示、存储和汇总。随着工业控制系统的发展,测量系统也逐渐发展,使得智能
仪表的发展也越来越迅速。这样就使常规的模拟仪表日薄西山。DCS、工业控
制计算机(IPC)、PLC、可编程单回路调节器等基本上主宰了这一领域。过程控
制系统有以下几种发展趋势:
1.控制中心向现场转移
传统过程控制系统中的回路级或装置级的控制功能将下放到现场,使系统
成为真正的、彻底分散的系统。
2.开放系统的实现
开放系统要求互连性和互操作性,即不同厂家生产的仪表、装置应能在一
个系统中协同工作。计算机网络技术与软件技术的高速发展给开放系统带来了
曙光。DI 公司(Control System International Inc)推出一种 UCOS(用户可配置开放
系统)DCS,它采用冗余的以太网或光纤局域网将控制台、各工作站计算机及各
现场控制单元(FCU)连接起来,它采用可来自多方厂商的商用软硬件和商用网
络,操作系统采用 Windows NT,非专利的现场控制单元可提供多任务和网络直
接访问能力,与其连接的 I/O 子系统亦可来自多方厂商。毫无疑问,这种系统
将成为真正的开放系统。
3.智能控制技术将得到进一步应用
专家系统、模糊控制、人工神经网络等智能控制技术,已在直接数字控制
及优化控制中得到了初步应用。目前,在控制领域中,智能控制理论与技术是
一个研究热点,这种研究“热”无疑将会使智能控制技术的应用水平得到较快
的提高。
4.多媒体技术的应用
多媒体技术无疑可以引入过程控制领域。操作员、工程师将可以坐在控制
室里,从 DCS 的计算机屏幕上看到现场的真实画面,听到来自现场的声音,以
此来监视设备的关键部位。由于智能仪表和现场总线技术的发展,过程控制的
主流系统 DCS 的结构将发生转折性变化,控制功能向现场转移和分散,专利系
统将向用户可配置(集成)的开放系统过渡。这种控制系统的发展又使智能系统成
为当今控制系统发展的热点。由于控制系统的快速发展,而测量系统的进展却
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