基于W77E58單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集和通訊儀的設(shè)計(jì)

0 引言

單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是指利用單片機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)，包括：非電量信號(hào)(如溫度、壓力、流量等)，電信號(hào)(電壓、電流)，以及開關(guān)量，頻率量信號(hào)等進(jìn)行采集，存儲(chǔ)，顯示，傳輸?shù)南到y(tǒng)。目前，8位單片機(jī)由于其控制功能強(qiáng)大、品種多、價(jià)格低廉，正廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集，設(shè)備控制等方面，是單片機(jī)應(yīng)用中的主流機(jī)種。本文采用臺(tái)灣華邦公司生產(chǎn)的高性能Turbo-51系列單片機(jī) W77E58，實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集和通訊儀的研制，具有較高的實(shí)用價(jià)值。為了使設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集儀應(yīng)用方便，系統(tǒng)利用PTR2000無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位機(jī)進(jìn)行通訊，以便能隨時(shí)響應(yīng)控制中心的PC機(jī)的數(shù)據(jù)上傳命令，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳給控制中心。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的通用數(shù)據(jù)采集和通訊儀能夠?qū)Ω鞣N現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)進(jìn)行采集，包括傳感器輸出的0-5V／4-20mA模擬信號(hào)；開關(guān)量信號(hào)；頻率量信號(hào)；此外系統(tǒng)還具有RS-485接口，以便能夠與現(xiàn)場(chǎng)具有485接口的智能儀表相連接。為了實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，系統(tǒng)擴(kuò)展了鍵盤輸入，液晶顯示，實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及現(xiàn)場(chǎng)故障報(bào)警指示電路等模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1．1 電源模塊電路設(shè)計(jì)

在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，電源的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。本儀表設(shè)計(jì)采用電網(wǎng)和充電電池雙電源供電。電源設(shè)計(jì)如圖2所示。

當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，220V交流電經(jīng)過24V穩(wěn)壓電源，電解電容器C1濾波后的電壓經(jīng)二極管D1后分成兩路，一路通過三極管Q1到7805三端穩(wěn)壓芯片，完成穩(wěn)壓輸出+5V電壓，供單片機(jī)W77E58等芯片所需的電源；另一路通過電阻R1對(duì)鎳鎘電池9V進(jìn)行充電，充電電流選擇約40mA。如果電網(wǎng)停電， C1放電為0V，這時(shí)，電池通過D2、Q1到7805向電路供電，使輸出端仍有+5V電壓，從而完成電網(wǎng)短時(shí)停電時(shí)，單片機(jī)后備電源的功能。

二極管D1起隔離作用，使得當(dāng)電網(wǎng)偶爾停電時(shí)，能夠阻止電池電流流向24V穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓管D3(5．6V)的作用，是防止電池(+9V)過放電，即當(dāng)電池放電下降到約6V時(shí)，因D3作用，三極管Q1截止，電池放電停止，此時(shí)單片機(jī)將停電。

1．2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS12887

為了能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)時(shí)間以及實(shí)現(xiàn)按時(shí)間日期保存采集到的數(shù)據(jù)的功能，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片并行實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片DS12887。DS12887是DALLAS半導(dǎo)體公司推出的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，采用CMOS技術(shù)制成，把時(shí)鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關(guān)電路集成于芯片內(nèi)部。DS12887芯片具有微功耗、外圍接口簡(jiǎn)單、精度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)控制及智能儀器儀表中有著廣泛的用途。

1．3 鍵盤接口電路

為便于人機(jī)交互，采用專用鍵盤接口芯片8279，配合74LS138譯碼器，系統(tǒng)擴(kuò)展了3×8=24鍵的鍵盤。鍵盤上設(shè)置有0～9數(shù)字鍵，以便輸入各種信息。同時(shí)還設(shè)有各種控制按鍵。通過鍵盤能夠控制對(duì)各種類型數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。為提高CPU的效率，鍵盤采用中斷方式。

1．4 LCD液晶顯示模塊

為便于實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)及人機(jī)交互，系統(tǒng)擴(kuò)展了圖文液晶顯示模塊MGLS-12032，MGLS-12032是由香港精電公司生產(chǎn)的內(nèi)置SED1520控制驅(qū)動(dòng)器的LCD模塊，使用簡(jiǎn)單方便。液晶顯示模塊MGLS-12032與W77E58的硬件接口

其中D0～D7與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，A0、A1為單片機(jī)的P0口經(jīng)74LS373地址鎖存器后產(chǎn)生的低兩位地址線，系統(tǒng)用74LS138譯碼器產(chǎn)生的Y5、Y6作為MGLS12032兩個(gè)控制驅(qū)動(dòng)器工作的選通信號(hào)。

1．5 模擬信號(hào)采集電路

系統(tǒng)采用12位并行A／D轉(zhuǎn)換器MAX197對(duì)傳感器輸出的0-5v／4-20mA 模擬電信號(hào)進(jìn)行采集。MAX197是美國Maxim公司推出的多量程(本系統(tǒng)采用0-5V量程)、8通道、12位快速A／D轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近工作方式，片內(nèi)含有高精度的參考電壓源和時(shí)鐘電路，使它可以在不需要任何外部電路和時(shí)鐘的情況下完成一切A／D轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。并且MAX197內(nèi)部具有輸入跟蹤／采樣保持電路，其并行輸出口很容易與單片機(jī)連接，僅需外接幾個(gè)電容即可。

MAX197與單片機(jī)的典型接口電路如圖4所示。設(shè)計(jì)采用MAX197的CH0-CH6通道采集7路0-5V電壓信號(hào)。而4-20mA電流信號(hào)則經(jīng)過8選 1模擬開關(guān)CD4051輪流選通，再經(jīng)靈敏電阻，放大器轉(zhuǎn)化為0-5V電壓信號(hào)后，進(jìn)入MAX197的CH7通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而系統(tǒng)可以采集8路電流信號(hào)。

1．6 開關(guān)量采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過一片8255芯片來擴(kuò)展并行口。編程使8255的A口為輸入，用于采集8路開關(guān)信號(hào)。B口為輸出，用于8路開關(guān)量的輸出。為了增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，開關(guān)量輸入／輸出通道都采用光電隔離。開關(guān)量采集電路圖略。

1．7 頻率信號(hào)測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用8253芯片的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1和2對(duì)兩路待測(cè)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行記數(shù)，8253的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器0用來定時(shí)，利用W77E58有多個(gè)中斷源的特性，定時(shí)結(jié)束產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中，讀取8253定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1和2的當(dāng)前記數(shù)值，通過計(jì)算便可得到待測(cè)頻率量。

頻率信號(hào)測(cè)量電路如圖5所示。其中D0-D7與W77E58數(shù)據(jù)總線相連，單片機(jī)P2口高三位經(jīng)138譯碼器譯出的Y0與8253的CS引腳相連，用來選通8253芯片，8253的A0、A1直接與低二位地址線相連，因此8253的端口地址為1FFCH～1FFFH。

作者：丁明亮,張娟 曲阜師范大學(xué) 來源：電子技術(shù)