多路压力监测系统硬件设计

本科毕业设计（论文）

题目：多路压力监测系统硬件设计

院 （系）： 电子信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 050412 学 生： 董洁茹 学 号： 050412128 指导教师： 毕雪芹

2009年 06月

多路压力监测系统硬件设计

摘要 在企业生产中，准确及时地得到压力参数对生产管理、产品质量和生产安全具有十分重要的意义。本文论述了基于单片机的多路压力监测系统硬件设计。该硬件的主要模块包括：信号采集、信号调理、结果显示、报警电路、看门狗模块。本系统运行可靠、性能稳定、性价比高、应用前景十分广阔。本文提出了针对多压力点进行计算机集中实时监测系统,介绍了它的基本原理、硬件组成，所以其结构清晰，易于修改,调试方便，大大提高了系统开发效率。

关键词：单片机；传感器；LCD显示；压力监测

I

Hardware Design of Multi-Channel Pressure Monitoring

System

Abstract In production, access to accurate and timely pressure parameters on production management, product quality and production safety is of great significance. This paper discusses the hardtware design of multi-channel pressure monitoring system based on SCM（The single chip machhine）. The main modules of the hardware include: signal acquisition, signal processing, the result showed and watchdog module. The system has reliable operation, stable performance, cost-effective and very broad prospects for application. This paper presents a multi-point pressure real-time monitoring system, and introduces its basic principle, components of hardware, so its structure is clear and easy to transplant and also convenient to debug. These greatly increase the efficiency of the system’s development.

Key words : SCM , sensors, LCD Display, Pressure Monitoring

II

目录

摘要 ...................................................................................................... I Abstract ............................................................................................. II 1 绪论 ............................................................................................... 1

1.1课题的背景................................................... 1 1.2课题的研究意义............................................... 1 1.3压力监测技术的现状及发展趋势................................. 2 1.4 课题的主要内容及技术指标 .................................... 2

1.4.1课题的主要内容 ......................................... 2 1.4.2课题的技术指标 ......................................... 2

2 系统的要求及设计原则 ................................................................. 3

2.1系统的要求................................................... 3 2.2系统的设计原则............................................... 3

3 系统硬件电路设计 ........................................................................ 4

3.1系统的组成................................................... 4 3.2系统的工作原理............................................... 4 3.3系统主要芯片简介............................................. 5

3.3.1压力变送器 ............................................. 5 3.3.2多路选择开关 ........................................... 7 3.3.3I/V转换器 .............................................. 8 3.3.4信号放大器 ............................................. 9 3.3.5A/D转换器 ............................................. 10 3.3.6单片机AT89C51......................................... 12 3.3.7 8255.................................................. 15 3.3.8外部时钟DS12877....................................... 17 3.3.9液晶显示电路 .......................................... 18 3.3.10外部存储电路 ......................................... 19

i

3.3.11报警电路 ............................................. 21 3.3.12复位电路 ............................................. 22 3.3.13串行口电路 ........................................... 24 3.3.14电源电路 ............................................. 26

4.系统电路板设计及调试 ................................................................. 28

4.1 Protel 简介 ................................................ 28 4.2 PCB布局、布线基本原则...................................... 28

4.2.1 元件布局基本规则...................................... 28 4.2.2 元件布线规则.......................................... 29 4.3 系统调试 ................................................... 29

5 结论 ............................................................................................. 31 参考文献 ........................................................................................... 32 致谢 ................................................................................................... 33 毕业设计（论文）知识产权声明 ..................................................... 34 毕业设计（论文）独创性声明 ......................................................... 35 附录 ................................................................................................... 36

ii

西安工业大学毕业设计（论文）

外部环境温度范围 接触液体温度范围

防爆等级

电气管道连接

涂装

输出 供给电源

哈氏合金C

密封件 氟橡胶 丁腈橡胶 聚四氟乙烯 外壳 铝合金

-30℃- +70℃ -40℃- +110℃

隔爆型Exd ll c T6 1区(不含乙炔)

本安型号Exia lic T4 0区 G1/2 内螺纹，1/2NPT内螺纹

丙烯烘漆，金属绿

4-20mA DC 二线制 Hart数字通讯 11.5-30V DC

说明：量程范围/测量范围/精度/最大工作电压：请参照 “标准量程表”外型尺寸如表3.2所示：

表3.2外形尺寸

过程接口 G1/2外螺纹 1/2NPT内螺纹 M20X1.5外螺纹

标准量程表如表3.3所示：

型号 G4 N4 PH

表3.3标准量程表

L(mm) 134

测量方式 表压 绝压 负压

正负压复合

量程范围 40-800KPa 0.1-2MPa 0.5-10MPa 1.25-25MPa 40-800KPa 0.1-2MPa

测量范围 0-800KPa 0-2MPa 0-10MPa 1-25MPa 0-800KPa 0-2MPa

订货代号

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 1 2 3 4

精度 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

最大工作压力 1.6MPa 4MPa 20MPa 60MPa 1.6MPa 4MPa 20MPa 60MPa 0.6MPa 0.6MPa 200KPa 800KPa 4MPa 20MPa

0.5-10MPa 0-10MPa 1.25-25MPa 0-35MPa -35-3.5KPa -35-0KPa -100-10KPa -100-0KPa 9.8-100KPa -100-100KPa 4-400KPa -100-400KPa 0.2-2MPa 0.1-2MPa 1-10MPa -0.1-10MPa

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西安工业大学毕业设计（论文） 端子说明如表3.4a,3.4b，3.4c所示：

表3.4a端子说明

记号 SUPPLY+ SUPPLY-

端口名称 G200串行通讯口

记号 SET + -

序号 3 2 1

表3.4b端子说明

端子 电源和输出信号+ 电源和输出信号-

接地

端子说明 电源+

USART同步时钟线 USART同步数据线

电源-

功能 设定键 增加键 减少键

端子序号

1 2 3 4

表3.4c端子说明

序号 3 2 1

打开变送器后盖，可见端子，方为接线端子，序号由左至右为1-3，左侧为通讯端子，序号由上到下为1-4，详见表3.4a，表3.4b。打开变送器后盖，拧松键盘盖板锁定螺丝可取下键盘盖板，进行参数设置。键的序号由左至右为1-3。功能定义见表3.4。

电气连接：

2 出线方式：具有180度双侧出线口，G1/2螺纹配标准的密封电缆接头。 2 防护等级：IP65

负载特性：供给电源/负荷阻抗特性。 3.3.2多路选择开关

多路选择开关采用CD4067,CD4067的引脚图见图3.3。CD4067相当于一个单刀十六掷开关，具体接通哪一通道，由输入地址码ABCD来决定,其真值表如表3.5所示。

图3.3CD4067引脚图

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西安工业大学毕业设计（论文） 表3.5CD4067真值表

D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 X

C 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 X

B 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 X

A 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 X

INH 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

接通通道

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 均不接通

CD4067是模拟开关，数字电路中模拟开关是很有用的器件，用它来切换数字信号的传输是十分方便的。CD4067是单16路（单刀16位）模拟开关，各开关由外部输入二进制的地址码A、B、C、D来切换。其中脚10、11、13和14是地址码A、B、C、D的输入端；脚2～9和16～23是开关的输入/输出端（开关位）；脚1是开关的输出/输入公共端（开关刀）；脚15为控制端，低电平有效（选通），高电平禁止（开关开路）。CD4067的4位二进制码A、B、C、D共有16种状态，所以可以控制16个开关的通断。 3.3.3I/V转换器

I/V转换器采用ISO-A-P-O系列，其规格如表3.6所示：

表3.6ISO-A-P-O系列I/V转换器规格

输入额定电流 A1:0-1mA A2:0-10mA A3:0-20mA A4:4-20mA A5:自定义

辅助电源 P1:24VDC P2:12VDC P3:5VDC P4:15VDC P5:自定义

输出 01:4-20mA O2:0-20mA O4:0-5V O5:0-10V O6:1-5V

ISO-A-P-O系列I/V转换器具有如下特性：

●低成本，精度等级：0.1级，0.2级，0.5级；

●输入:0-20mA/4-20mA等（阻抗≤250Ω）标准电流信号 ；

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西安工业大学毕业设计（论文） ●输出:0-10mA/0-20mA/4-20mA隔离变换的电流信号；0-5V/0-10V/1-5V等隔离变换的的电压信号；

●信号输入/输出/辅助电源：隔离电压3000VDC三隔离； ●全量程内很高的线性度（非线性度＜0.2%）； ●小体积12Pin SIP，符合UL94-0标准阻燃封装； ●工业级宽温度范围:-40°C ～ +85°C ；

ISO-A-P-O 系列直流电流信号隔离放大器是一种将电流信号转换成按比例输出的隔离电流或电压信号的混合集成电路。该IC内部含有一组高隔离的DC/DC电源和电流信号高效率耦合隔离变换电路等，可以将直流电流小信号进行隔离放大（I/I）输出或直接转换为直流电压（I/V）信号输出。很小的输入电阻（≤250Ω）,较强的带负载能力（电流输出＞650Ω,电压输出≥2KΩ）能实现小信号远程无失真的传输。IC内部可采用陶瓷基板、印刷电阻全SMT的可靠工艺制作及使用新技术隔离措施，使器件能满足信号输入/输出/辅助电源之间3KV三隔离和工业级宽温度、潮湿震动等现场环境。要求外接200K的满度校正多圈电位器，可实现4-20mA/0-20mA/0-5V/0-10V/1-5V等信号隔离转换和一进二出、二进二出功能的变换。 3.3.4信号放大器

美国国家半导体公司(National Semiconductor Corporation)近日宣布推出一款偏置电流低于所有竞争产品的高精度放大器。这款型号为LMP7721的芯片无论在室温之下还是在摄氏-40度至125度的广阔温度范围内，其输入偏置电流保证只有20fA，因此可大幅提高光电二极管及高阻抗传感器的系统灵敏度及准确度。换言之，这款放大器可大幅提高便携式系统及电化传感器接口电路的灵敏度及准确度。LMP7721芯片是美国国家半导体高能源效率Powerwise系列的最新型号产品，该芯片仅用1.3mA电流就可提供高达17MHz的增益带宽。

LMP7721芯片采用美国国家半导体专有VIP50 BiCMOS工艺技术制造，因此内置输入偏置电流消除电路可降低输入偏置电流。而其他竞争产品在高温区的输入偏置电流便远比LMP7721芯片高。以摄氏85度的温度为例来说，LMP7721芯片的输入偏置电流保证只有900fA，比最强劲的竞争对手还低50%。此外，美国国家半导体还为高精度系统提供一个完备的信号路径解决方案。

（1）LMP7721高精度放大器的主要特色：

LMP7721高精度放大器的输入偏置电流最低可达3fA，摄氏25度时输入偏置电流保证不超过20fA，摄氏85度时这个电流值保证不超过900fA，摄氏125度时则保证不超过5pA，而且在整个输入共模电压范围内输入偏置电流都能保持在极低的水平。此外，这款放大器芯片的增益带宽也极高，开环增益更高达120dB，因此可确保信号调整更为准确。此外，LMP7721输入电压噪声只有6.5nV/sqrtHz，摄氏25度时直流偏移电压不超过±150uV，偏移电压温度系数只有1.5uV/°C，上述优点对改善系统的灵敏度及准确度极有帮助。

LMP7721芯片可在1.8V至5.5V的供电电压范围内操作。其采用的8引脚SOIC封装特别将放大器的供电输入与输出引脚相隔离。这种独特的设计可以避免印制电路板的

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西安工业大学毕业设计（论文） 漏电流流入输入引脚，进一步减少系统错误。系统设计工程师只要采用这款LMP7721芯片，便可取代放大器及分立式双输入MOSFET晶体管，为印制电路板节约约50%的空间。 （2）LMP7721高精度放大器的技术指标如表3.7所示：

表3.7LMP7721高精度放大器的技术指标

25°C输入偏置电流 85°C输入偏置电流

失调电压 失调电压漂移 DC开环增益 DC共模抑制比 输入电压噪声（在f=1kHz）

THD 电源电流

增益带宽积（GBW） 压摆率（下降边沿）

电源电压 工作温度范围

3.3.5A/D转换器

±20fA ±900fA ±26uV -1.5uV/°C 120dB 100dB 6.5nV/sqrtHz 0.0007% 1.3mA 17MHz 12.76V/us 1.8V-5.5V -40°C - +125°C

AD574A 是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速 12 位逐次比较型 A/D 转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的 A/D 转换器。

（1）AD574A主要功能特性如下：

●分辨率：12 位

●非线性误差：小于±1/2LBS 或±1LBS ●转换速率：25us

●模拟电压输入范围：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种 ●电源电压：±15V和5V

●数据输出格式：12位/8位

●芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式 （2）AD574A引脚说明如下：

[1]pin1(+5V)——+5V电源输入端；

[2]pin2(12/8)——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8

位输出；

[3]pin3(CS)——片选端；

[4]pin4(A0)——字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数

据输出格式。须注意的是，12/8端TTL电平不能直接与+5V或0V连接；

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西安工业大学毕业设计（论文） [5]pin5(R/C)——读转换数据控制端；

[6]pin6(CE)——使能端；

AD574A的CE、12/8、CS、R/C和A0对其工作状态的控制过程：在 CE=1,CS=0同时满足时,AD574A才会正常工作,在AD574A处于工作状态时,当R/C=0时A/D 转换,当R/C=1时进行数据读出。12/8和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0=0时,启动是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。当R/C =1,也即当 AD574A 处于数据状态时，A0和12/8控制数据输出状态的格式。当12/8=1时,数据以12位并行输出,当12/8=0 时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。其控制逻辑真值表如表3.8所示。

表3.8AD574A控制逻辑真值表

CE 0 X 1 1 1 1 1

CS X 1 0 0 0 0 0

R/C X X 0 0 1 1 1

12/8 X X X X 按+5V 按0V 按0V

A0 X X 0 1 X 0 1

工作状态 禁止 禁止

启动12位转换 启动8位转换 12位并行输出有效 高8位并行输出有效 低4位并行输出有效

[7]pin7(V+)——正电源输入端，输入+15V电源；

[8]pin8(REF OUT)——10V基准电源电压输出端； [9]pin9(AGND)——模拟地端；

[10]pin10(REF IN)——基准电源电压输入端；

[11]pin11(V-)——负电源输入端，输入-15V电源； [12]pin12(V+)——正电源输入端，输入+15V 电源； [13]pin13(10V IN)——10V量程模拟电压输入端； [14]pin14(20V IN)——20V量程模拟电压输入端； [15]pin15(DGND)——数字地端；

[16]pin16—pin27(DB0—DB11)——12条数据总线，通过这12条数据总线向

外输出A/D转换数据；

[17]pin28(STS)——工作状态指示信号端,当STS=1时,表示转换器正处于转

换状态,当STS=0时,声明A/D转换结束,通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态,作为单片机的中断或查询信号之用；

AD574A的工作模式：以上我们所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A 工作于单一模式,只需将CE、12/8端接至+5V电源端，CS和A0接至0V,仅用R/C 端来控制A/D转换的启动和数据输出。当R/C =0时,启动A/D转换器，经25us后STS=0,表明A/D转换结束,此时将R/C置1,即可从数据端读取数据。

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西安工业大学毕业设计（论文） 3.3.6单片机AT89C51

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

制造工艺为CMOS的AT89C51单片机采用的是40只引脚的双列直插封装（DIP）方式如图3.4所示，其片内的结构如图3.5所示。如果按功能划分，它由8个部件组成，即微处理器（CPU），数据存储器（RAM），程序存储器（E2PROM），I/O 口（P0口、P1口、P2口、P3口），串行口，定时器/计数器，中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。

图3.4AT89C51引脚图

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西安工业大学毕业设计（论文）

图3.5AT89C51片内结构图

（1）对各功能部件的说明：

a、数据存储器（RAM）：片内为256个字节（单元），片外最多扩至64K字节。

b、程序存储器（E2PROM）：AT89C51单片机含有8K字节的快擦写可编程/擦除只读存储器（E2PROM）,片内最多可扩至64K字节。

c、中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。

d、定时器/计数器:3个16位的定时器/计时器，具有四种工作方式。 e、串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。

f、P0 口、P1 口、P2 口、P3 口：为4个并行8 位I/O 口。

g、特殊功能寄存器（SFR）：共有21个，用于对于片内各功能模块进行管理，

控制监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区。

h、微处理器（CPU）：为8位的CPU，且内含一个1位CPU（微处理器），不仅可

处理字节数据，还可进行位变量的处理。 （2）AT89C51芯片的特性： 2与MCS-51 兼容

24K字节可编程闪烁存储器 2寿命：1000写/擦循环 2数据保留时间：10年 2全静态工作：0Hz-24Hz 2三级程序存储器锁定 2128*8位内部RAM

232条可编程I/O线

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西安工业大学毕业设计（论文） 2两个16位定时器/计数器

25个中断源 2可编程串行通道

2低功耗的闲置和掉电模式 2片内振荡器和时钟电路 （3）AT89C51芯片引脚功能： [1]VCC：供电电压。

[2]GND：接地。 [3]P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

[4]P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能

接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平时，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

[5]P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收、

输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入，P2口被外部拉低将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

[6]P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个

TTL门电流。当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平并用作输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.9所示：

表3.9AT89C51P3口的特殊功能口

口 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

管脚 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD

备选功能 串行输入口 串行输出口 外部中断0 外部中断1 计时器0外部输入 计时器1外部输入 外部数据存储器写选通 外部数据存储器读选通

I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚，读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再

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西安工业大学毕业设计（论文） 写回到端口锁存器，只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心。

读引脚时也就是把端口作为外部输入线时首先要通过外部指令把端口锁存器置1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错。如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0，Q端为0，Q非为1加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入。由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口。AT89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。

[7]RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

[8]ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

[9]PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

[10]EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间不管是否有内部程序存储器读

外部程序存储器（0000H-FFFFH）。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间读内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

[11]XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 [12]XTAL2：来自反向振荡器的输出。 （4）振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3.3.7 8255

单片机系统里常用的8255芯片是一个典型的可编程通用并行接口芯片,用来扩展单片机的端口，8255内部包括三个并行数据输入/输出端口，两个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和8位总线缓冲器。其引脚图如图3.6所示。

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西安工业大学毕业设计（论文） 页面写可以一次写入整页（256B）的数据。而且由于没有写延时，数据写入速度很快（一般为us级），特别是在页面写的时候，不需要数据缓冲，可以一次写入256B的数据，真正实现页面写，这是其他E2PROM做不到的，比如AT24C16，在页面写的时候，每次最多能写入16B数据。

FM24C16的写操作时序中可分为起始位（START）、数据位、从应答位、停止位（STOP），其中，从应答位（因为FM24C16为从器件，MCU为主器件，所以称为从应答）是FM24C16在每接收一个字节数据后发出的应答信号，是检验数据写入是否成功的惟一标志。写入过程为：MCU通过SDA，SCL发出起始位，然后从SDA输出从器件固定地址位(1010)，再输出3 B页选择位（选择写入数据到FM24C16的哪一页），再输出写控制位0（读为1，写为0），然后接收来自FM24C16的从应答位，如果没有收到从应答，则退出操作。在接收到从应答后，MCU从SDA串行输出8位FM24C16字节地址以确定写入数据的字节单元，并在收到从应答后发送1 B数据写入到FM24C16，然后等待从应答信号确认数据写入成功。如果是字节写，则由MCU发出停止位，结束写操作。如果是页面写，MCU输出第2个字节数据，FM24C16判断出MCU要继续写入数据后，自动使其内部的地址指针加1，并把数据写入到加1后的字节单元，然后给出从应答，MCU就继续写入数据到FM24C16。页面写操作时，当地址指针到7FH（页尾地址）单元的时候，在下一个写入周期时自动翻转到00H，写入的数据覆盖掉00H单元原来的数据。

FM24C16读操作比写操作较为复杂，相应也可以分为2种：字节读和页面读，相应于字节写和页面写，两种读的功能也是单字节和整页的区别。读操作的另一种分法可分为：立即读和任意读（包括连续读），其区别在于立即读是在写入数据后马上读数，而任意读和连续读则是随时读，所以，在他们操作时，必须先执行伪写，然后再读数。所谓伪写，是指执行写操作到写入数据之前，其目的是确定要读出的字节单元地址。下面对任意读的操作过程给予说明：执行写操作到写入数据前，也就是在收到输入字节单元地址后的从应答后，MCU再发送起始位，然后发送从器件固定地址（1010）、3B页选择位和读控制位1，在收到从应答后，MCU从FM24C16里面读出1 B的数据。如果只读1 B的数据，则MCU发送一个无需应答信号，然后发送停止位结束读操作。如果是页面读，MCU就发一个主应答信号，继续读下一个字节数据，直到读出最后一个字节数据后，MCU发出无需应答信号和停止位结束读操作。

在对FM24C16进行读、写操作的过程中，应该注意以下2个问题：

●时序问题，这主要是指SDA，SCL的高低电平的时序。如果在读、写过程中时序不对或者不稳定，都会引起读、写失败，所以为了保证稳定，可以在程序中适当加入NOP语句延时，但不要过多，以免影响读、写速度。

●SDA数据只能在SCL为低期间变化，在SCL为高期间，SDA数据要保持不变，否则会被错误地认为是控制位而不是数据位，导致读、写失败。 3.3.11报警电路

当P2.7电平置高，NPN三极管导通，发光二极管会亮同时蜂鸣器也会响。当压力大于一个设定值会产生一个高电平使得蜂鸣器响。报警电路如图3.9所示:

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图3.9报警电路

3.3.12复位电路

工控系统在运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。看门狗(Watchdog)电路是自行监测系统运行的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。在8096系列单片机和增强型8051系列单片机中，该系统已经做在芯片内部，用户只要用软件开放它就可以，使用很方便。但目前工控系统仍在使用廉价的普通型8051系列单片机，则看门狗电路必须由用户自己建立。 看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠。

看门狗(Watchdog)电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一。本文用X25045芯片设计了一种新的看门狗电路，具有体积小、占用I/O口线少和编程方便的特点，可广泛应用于仪器仪表和各种工控系统中。 （1）X25045芯片简介： X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。X25045引脚如图3.10所示：

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图3.10X25045引脚图

（2）X25045芯片引脚功能如下：

CS：片选择输入；

SO：串行输出，数据由此引脚逐位输出；

SI：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X25045；

SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；

WP：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止； Vss：地；

Vcc：电源电压；

RESET：复位输出。

X25045在读写操作之前，需要先向它发出指令，指令名及指令格式如表3.13所示。

表3.13X25045指令名及指令格式

指令名 WREN WRDI RDSR WRSR READ WRITE

指令格式 00000110 00000100 00000101 00000001 0000A8011 0000A8010

操作

设置写使能锁存器（允许写操作） 复位写使能锁存器（禁止写操作） 读状态寄存器 写状态寄存器

把开始于所选地址的存储器中的数据读出 把数据写入开始于所选地址的存储器

（3）X25045看门狗电路设计：

X25045硬件连接图如图3.11所示。X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C6、R20输出一个正脉冲，使CPU复位。图3.11电路中，CPU的复位信号共有3个：上电复位(C5、R19)，人工复位(S、R18、R19)和Watchdog复位(C6、R20)，通过或门综合后加到RESET端。C1、R10的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。

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图3.11看门狗电路

看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。如表3.14所示，X25045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。

表3.14X25045状态寄存器

D7 X

D6 X

D5 WD1

D4 WD0

D3 BL1

D2 BL0

D1 WEL

D0 WIP

WD1＝0，WD0=0，预置时间为1.4s。 WD1＝0，WD0=1，预置时间为0.6s。 WD1＝1，WD0=0，预置时间为0.2s。 WD1＝1，WD0=1，禁止看门狗工作。

看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。 3.3.13串行口电路

（1）MAX232资料简介：

该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口RS232电平是-10V- +10V，而一般的单片机应用系统的的信号电压是TTL电平0- +5V，

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西安工业大学毕业设计（论文） MAX232就是一种把电脑的串行口RS232电平转换为单片机所用到的TTL信号电平的芯片。该器件包含2个驱动器，2个接收器和1个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。 （2）MAX232芯片特点： ●单5V电源工作

●LinBiCMOSTM工艺技术 ●两个驱动器及两个接收器

●±30V输入电平

●低电源电流：典型值是8mA ●符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28 ●ESD保护大于MIL-STD-883(方法3015)标准的2000V

MAX232芯片如图3.12所示：

图3.12MAX232芯片图

RS232引脚功能如表3.15所示：

表3.15RS232引脚功能

引脚 1 2 3 4 5 6 7 8 9

符号 DCD RXD TXD DTR SG DSR RTS CTS RI

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功能 载波检测 接收数据 发送数据 数据终端就绪 信号接地 数据准备就绪 请求发送 清除发送 振铃提示

西安工业大学毕业设计（论文） 3.3.14电源电路

一般单片机系统如果采用电池供电，其输入电压为+3V，而LCD显示输出除了需要提供+5V工作电压外，还需要提供-10V的对比度调节电压。所以电源部分的设计要求为+3V输入，+5V和-10V双电压输出。这里介绍一种采用电压转换芯片MAX1677进行电源供电的方案。

MAX1677是双电压输出升压DC-DC变换器，适用于两种可调电压输出的便携式仪表。MAX1677输入电压范围（0.7-5.5V）较大，可以依据不同系统提供的安装电池的空间和所需的不同电池与容量，灵活地选择电池的种类，1-3节普通干电池、碱性电池、镍镉充电电池或一节锂电池均可以使系统正常工作。其主要性能如下：

? 允许的输入电压范围：0.7-5.5V；

? 主要输出：2.5-5.5V可调电压输出，默认输出电流可达350mA； ? 第二输出：可为LCD对比度调节提供-28—+28V范围内的电压； ? 电源效率：可达95%；

? 封装形式：16管脚DIP封装，体积很小，不需要外部场效应管； ? 其他性能：还包括20uA关断维持电流和电池欠电压检测。

MAX1677是一种专为LCD提供电源的芯片，它的实际使用电路如图3.13所示：

图3.13电源电路

图中电路主要使用的器件及其参数如下：

MAX1677：电压转换芯片，输入为3V，输出两路电压，分别是+5V和-10V， 作为系统电源和液晶显示模块的背光电源。

L1、L2：磁芯电感，选用CoilCraft（线艺）的Do1608C-103标贴磁芯电感， 电感值为10uH。

R27、R28：电阻，R4和R3的比值决定了LCD对比度输出的电压值Vlcd（对 应图中Vout2），关系式为：R28=R27*|Vlcd|/1.25 （R28为500-2000K）。

R25、R26：电阻，R25和R26比值决定了主输出电压值Vout2 （对应图中Vout1），

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西安工业大学毕业设计（论文） 关系式为：R25=R26*（Vout/1.25-1） （R26为10——200K）。

R23、R24：电阻，R24和R23的比较值决定了系统欠电压检测的门槛电压值Vtrip， 关系式为：R24=R23*(Vtrip/0.614-1) （R23《130k）。

当电池电压正常时，电池电压过低，输出引脚LBO（Low-Battery Output）输出保持高电平；一旦电池电压低于门槛电压Vtrip时，LBO引脚输出为低电平。如果不使用欠电压检测的话，只需将第3引脚（LBI）接地。

在图中Vin为电源电路的输入端，连接两节1.5V的电池，形成便携式仪表的电源：Vout1连接MAX1677的16引脚，输出+5V的电压，作为系统的电源电压：Vout2连接MAX1677的10引脚，输出-10V的电压，作为液晶显示模块的背光电源电压：Low-Battery Ootput连接MAX1677的4引脚，输出电源电压不足的报警信号，也就是MAX1677中的LBO信号。

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4系统电路板设计及调试 4.系统电路板设计及调试 一个合理的布线不但可以缩小成品的体积，还可以提高本系统的性能以及抗干扰能力，提高系统的稳定性，如何在原理成熟的基础上，尽可能提高电路板的质量，这是恒温箱控制系统电路板制作所需解决的问题。

4.1 Protel 简介

Protel99是Protel technology公司1999年4月推出的全新EDA软件。它不仅是以往版本的升级，更主要的是融合了目前许多先进的技术和新成果而使其功能和品质有了质的飞跃。

Protel99是一个全面﹑集成﹑全32位的电路设计系统。它提供了在电路设计时从概念到成品过程中所需的一切输入原理图设计，建立可编程逻辑器件，直接进行电路混合信号仿真，进行PCB设计和布线并保持电气连接和布线规则，检查信号完整性，生成一套加工文件。

Protel99的根本点在于采用了三个技术：SmartDoc﹑SmartTool﹑SmartTeam。这些技术把产品开发的三个方面有机地结合到一起，即设计人员﹑由设计人员建立的文件和建立文件的工具三者合为一体。

4.2 PCB布局、布线基本原则

4.2.1 元件布局基本规则

●按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开；

●定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm 内不得贴装元、器件，螺钉等安装孔周围3.5mm（对于M2.5）、4mm（对于M3）内不得贴装元器件；

●卧装电阻、电感（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路；

●元器件的外侧距板边的距离为5mm；

●贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm； ●金属壳体元器件和金属件（屏蔽盒等）不能与其它元器件相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于2mm。定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其它方孔外侧距板边的尺寸大于3mm；

●发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均衡分布； ●电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。特别应注意不要把电源插座及其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊接及电源线缆设计和扎线。电源插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔。

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西安工业大学毕业设计（论文） ●其它元器件的布置：所有IC元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一印制板上极性标示不得多于两个方向，出现两个方向时，两个方向互相垂直；

●板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状铜箔填充，网格大于8mil(或0.2mm)；

●贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。重要信号线不准从插座脚间穿过；

●贴片单边对齐，字符方向一致，封装方向一致；

●有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致。 4.2.2 元件布线规则

●画定布线区域距PCB板边小于等于1mm的区域内，以及安装孔周围1mm内禁止布线；

●电源线尽可能的宽，不应低于18mil；信号线宽不应低于12mil；CPU出入线不应低于10mil（或8mil）；线间距不低于10mil； ●正常过孔不低于30mil；

●双列直插：焊盘60mil，孔径40mil；

1/4W电阻：51355mil（0805表贴）；直插时焊盘62mil，孔径42mil；

无极电容：51355mil（0805表贴）；直插时焊盘50mil，孔径28mil； ●注意电源线与地线应尽可能呈放射状，以及信号线不能出现回环走线。

4.3 系统调试

对硬件的调试目的是在进行软件编程之前，对硬件各部分电器检查和对数字芯片进行初始化，使硬件各个部分稳定工作，为软件的使用提供一个稳定、高效的平台。本设计的主要调试任务为在正常运行的情况下进行软件的调试工作。调试的步骤有以下三步：

●电路电气检查：对PCB板上的印刷线路进行线路检查；查看焊点有无虚点、焊点孔是否符合标准。所有连线是否存在虚联和冉线。

●对模拟元件的检查：对模拟芯片，电源转换芯片的检查，用万用表在输出端进行测量，之后用示波器查看电源滤波电路对杂波的滤除程度；对继电器的检查，在电源上按原理图所示在键盘上打开/关闭电源，看继电器有无闭合。

●对数字芯片的调试；通过AT89C51仿真器对各元件进行初始化编程，在IAR境下将硬件程序灌入主芯片点击调试，然后在子菜单下编写不同的小程序，芯片是否能正常工作，检查存储单元是否能正确读写。如正常则说明硬件电路状况良好，否则需要检查硬件配置及各元件间的连接是否良好及合理。 在软件下载到芯片中后对系统进行测试:

●电源测试：给报警器供18V电压后检查电源部分电路是不是正常工作，所得到的电压是不是符合要求。

●显示和报警测试：给芯片一个压力信号，检查数码管的显示是否正常，在达到报

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西安工业大学毕业设计（论文） 警压力值时能不能正常报警，声音的强度是否达到要求。

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5结论 5 结论 在企业生产中，准确及时地得到压力参数对生产管理、产品质量和生产安全具有十分重要的意义。本文论述了基于单片机的多路压力监测系统硬件设计，以单片机为基础，设计一个可靠、精度高的监测系统。该监测系统的工作原理是：每一通道压力变送器的输出信号经多路选择开关选择一路信号送入电流电压转换器转换为电压信号后经放大器进行线性放大，然后由A\\D转换器转换成数字量，再经I\\O并行接口输入到单片机进行运算，运算处理后的通道号和压力值最后经I\\O并行接口送至显示器显示，如果压力大于6.5MPa,则报警。本系统运行可靠、性能稳定，性价比高，应用前景十分广阔。本文提出了针对多压力点进行的计算机集中实时监测系统,介绍了它的基本原理、硬件组成和模块化设计，所以其结构清晰，易于修改移植,调试方便，大大提高了系统开发效率。

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参考文献 参考文献 [1] 余成波，胡新宇，赵勇.传感器与自动检测技术.北京：高等教育出版社.2006 [2] 张靖，刘少强.检测技术与系统设计.北京：中国电力出版社.2002 [3] 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用.成都：电子科技大学出版社.1999 [4] 张福学.传感器电子学.北京：国防工业出版社.1991

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致谢 致谢 本文的全部工作是在导师毕雪芹老师的悉心指导下完成的。虽然此次毕业设计只有短短四个多月的时间，但是老师给予了我极大的鼓励、支持和帮助。论文的完成，无不渗透着老师的谆谆教诲和大量心血。老师在理论方面的深厚造诣，丰富的实践经验令学生受益匪浅。老师严谨求实的治学态度，胸怀若谷的高尚品德，渊博的学识和广阔的视野给我留下了深刻的印象，使我受益终生。她学术上孜孜不倦的进取精神，永远是我学习的典范。毕老师对学生严格要求、精心指导，每周组织学生进行学习和讨论，听取学生的意见，不断激励学生开拓新的思路，及时地解决了毕业设计中的各种问题，使毕业设计能够如期完成。老师对学生的毕设倾注了大量的心血，感激之情，无以言表，惟有在此对老师真诚地说声谢谢！

感谢每一位在毕设期间关心和支持我的人们。

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毕业设计（论文）知识产权声明 毕业设计（论文）知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：本科学生在校攻读学士学位期间毕业设计（论文）工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用毕业设计（论文）工作成果或用毕业设计（论文）工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送交的毕业设计（论文）的原文或复印件，允许毕业设计（论文）被查阅和借阅；学校可以公布毕业设计（论文）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文）。 （保密的毕业设计（论文）在解密后应遵守此规定）

毕业设计（论文）作者签名：

指导教师签名：

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毕业设计（论文）独创性声明 毕业设计（论文）独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。

毕业设计（论文）与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

毕业设计（论文）作者签名：

指导教师签名： 日期：

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附录 附录 36

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