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1、摘要石油资源是世界各国的重要资源，它关系到国民经济的正常运行，所以油井的管理和监控成为备受关注的大事。本论文设计了一个油井远程数据的采集的系统。本系统以AT89S52单片机为核心构建硬件平台，对温度、压力和流量进行检测。并将传感器输出的电流信号转换为电压信号后经滤波放大后送入A/D转换器件，由AT89S52进行数据的分析处理。由于AT89S52单片机自身I/O口有限，系统通过扩展一片8255芯片，实现了采样、键盘设定、显示、报警等功能。在软件的设计上，使用C语言编程，包括主程序模块、CAN总线接口的数据通信模块、显示模块、数据采集模块、显示模块、键盘模块和A/D转换模块的设计。本设计实现了下位
2、机对现场温度信号、压力信号以及流量信号的采集，通过CAN总线将分布在现场的数据采集模块连接在一起，通过网络进行远程数据采集和控制的功能，实现作业现场环境的远程监控和操纵。关键词：AT89S52；CAN总线；数据采集系统AbstractOil resources are the important resources of all countries in the world, it is related to the normal operation of the national economy, Therefore,wellss management and monitoring are
3、big matter which were concerned. This paper designed of a oil well remote datat system.This system takes the AT89S52 as the core of the hardware platform, to detect the temperature, pressure and flow. And the output signal of sensor into voltage signal after filtering and amplification are sent to A
4、/D converter, for data analysis and processing by AT89S52. Since the AT89S52 I/O Export Co, system by extending a 8255 chip, realizes the functions of sampling, keyboard, display, alarm. In the software design, the use of C language programming, including the main program module, CAN bus interface d
5、ata communication module, display module, data acquisition module, display module, keyboard module and A/D conversion module design.The design achieved that lower machine gathering temperature signal, pressure signal and the flow of signal on site, data acquisition module will be distributed at the
6、scene through CAN bus are connected together, the remote data acquisition and control through the network functions, realizing on-site environmental remote monitoring and control.Key words：AT89S52；CAN bus；DA目 录第1章 绪 论11.1 课题的来源及意义11.2 CAN总线21.3 国内外研究现状21.4 论文研究的内容3第2章 方案论证52.1 概述52.2 方案论证52.2.1 控制器模
7、块论证52.2.2 电源模块论证62.2.3 压力采集模块论证72.2.4 流量采集模块论证72.2.5 温度采集模块论证82.3 远程数据采集系统设计方案82.4 系统总体设计方案9第3章 硬件设计113.1 AT89S52单片机113.2 复位电路123.3 晶振电路123.4 A/D转换电路133.5 电源电路153.6 报警电路173.7 显示电路183.8 CAN总线接口电路193.9 I/O口扩展电路203.10 滤波电路213.11 放大电路223.12 键盘电路233.13 压力传感器的选择243.14 温度传感器的选择263.15 流量传感器的选择27第4章 软件设计294.
8、1 软件设计概述294.2 主程序流程图294.3 CAN总线通信模块的程序设计314.4 传感器节点流程图334.5 A/D转换软件流程图344.6 显示电路流程图354.7 键盘电路流程图36第5章 结论38参考文献39致谢40附录I41附录II48附录III50第1章 绪 论1.1 课题的来源及意义随着信息技术的飞速发展，各种实时数据的采集和处理在现代工业控制中已成为必不可少的。现代控制系统的发展逐渐向开放式、分布式系统发展，即是一个集实时数据采集、数据处理与决策于一体的数据控制系统。这样的控制系统采集的数据准确、及时，能够提供准确而又及时的系统决策。20世纪90年代中后期掀起的信息浪潮
9、，极大的推动人类社会各行业技术革新的迅速发展。随着石油科技的发展，石油工业正向智能化和信息化过渡。石油资源是世界各国的重要资源，它关系到国民经济的正常运行，所以油井的管理和监控成为备受关注的大事。全球经济的发展使国际原油价格对我国的采油行业产生了很大的影响，减员曾效，降低生产成本，提高劳动效率，减少安全隐患，使油田行业当前和今后一段时期的主要任务。油田很多位于沼泽、沙漠、盆地和浅海等地区，远离城市，交通不便。传统的人工巡检、数据采集以及相对落后的监控手段，往往需要投入大量的人力、物力、财力来维护生产设备的运转。如果没有一套行之有效、切实可行网络化监测管理手段，加之油田存在一些不安全因素，就有可
10、能导致油井的正常生产秩序遭到破坏。通过CAN总线通信设备监测油井的流量、压力、温度等参数，通过计算机处理和分析，在中心控制室就能迅速准确的获得这些油井参数，这些对于实现油井管理的自动化、提高工作效率、保证数据采集的准确性及加强现场事故应急处理等都具有非常重要的意义。本设计是利用CAN网络通信对油井进行远程监控，目的就是实现油井管理的无人看守，即使油井处于边缘地区、距离较远，本系统也能监测到油井的实时数据信息，并且如果油井出现漏油现象系统会发出报警，管理人员可以即使做出处理。因此本项研究设计符合油田的发展需要，是油田数字化、自动化的基础。本课题充分利用单片机集成度高、运行可靠、价格低廉等特点，把
11、单片机作为现场数据采集的核心，结合各种传感器，采集油井的各项参数数据，利用覆盖面广、技术成熟的CAN总线通信技术，将数据实时传送到中心控制室，使管理者不必到现场就可以及时、准确的获取第一手资料。1.2 CAN总线CAN总线（Cont roller Area Network 控制器局域网）是现场总线的一种。它是德国Bosch公司在1986年为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。CAN总线与其它通信网的不同之处有二：一是报文传送中不包括目标地址，它是以全网广播为基础，各接受站报文中反映数据性质的标识过滤报文该收的收下，不该收的弃而不用。其好处可即插即用和多
12、站接收；二是特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高数据系统要求。CAN总线具有下列主要特性：（1）多主站依据优先权进行总线访问；（2）非破坏性的基于优先权的总线仲载；（3）借助接受滤波的多地址帧传送；（4）远程数据请求；（5）配置灵活；（6）全系统的数据相容性；（7）错误检测和出错信令；（8）发送时间若丢失仲载或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送；（9）暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动逃脱CAN总线。1.3 国内外研究现状我国是从二十世纪六十年代开始研究和开发油井远程监控系统的，已经有数百家企业涉及油井远程监控系统的研究工作，而且有不少的油田已经安装了远程监控系统因
13、为技术还不是很成熟，实际应用中遇到过许多问题，油井远程监控系统的研究开发工作曾经陷入停滞状态，于是导致了我国一直是由人工到油井现场进行数据采集和对油井工作状态进行检测。目前，我国油井远程监控系统与传统的监控模式相比已经有了很大的进步。华讯、华盛、吉纳等公司开发的几种系统在国内当属油井监控方面比较领先的系统。华讯抽油机自动化系统是将华讯通信公司的全数字无线数据采（SCADA）、传输电台（MDS）、与安控公司生产的抽油机控制器（RTU）集成为一个系统，通过传输电台传输数据。吉纳远程监控系统是通过微波、光缆等高速网络将数据上传至油田的局域网，实现对油井过程的全面控制。华盛井网信息控制系统通过通用的M
14、odbus现场总线协议转换为TCP/IP以太网协议，实现上级站与底层终端设备之间的数据通信。国外也有一些公司设计出技术先进的油井监控系统，如：美国CME公司设计的油井采集装置自动化监控系统；美国国际著名石油公司MOBIL OIL公司设计的油井数据采集及SCADA自动化监控系统；哥伦比亚ECOPETROL石油公司的SCADA综合性自动化监控系统。毋庸置疑，我国开发的远程监控系统取得了不错的成绩，但仍然存在不足之处，其缺点总结如下：（1）产品硬件设备成本高，一次性投入较大；（2）传输距离短，一般传输距离为10公里，不利于长距离的数据传输；（3）为了增加传输距离，必须把天线架高，这样存在易遭受雷击、
15、静电等问题；（4）微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中断转发；（5）光缆通信属于有线通信，需要铺光缆，在环境恶劣、地势险要的地方不宜采用有线方式进行通信。本文针对国内油井监控系统存在的不足，结合现代传感器技术、单片机控制、CAN总线通信等各种高新技术而设计了一套远程油井数据采集系统。该系统充分利用外网资源，易于构成覆盖整个油田区域的无线网路，具有投入成本低、功能强大、操作简单等特点。1.4 论文研究的内容本文是根据国内外技术现状和油井需要而设计的一种远程无线监测系统。该系统利用CAN总线无线网路进行数据传输，使其易于构成覆盖整个油田区域的无线监控网路，具有报警及时、适应性好等特点。
16、本系统经过不断修改和完善已经能够完成油井参数的数据采集和分析处理工作。本文研究的主要内容如下：（1）油井数据采集。通过安装在油井上的各种传感器进行数据采集，油井井口的压力、抽油管的流量、温度等；（2）远程无线数据传输。利用CAN总线模块的无线传输功能把采集到数据传送至监控中心；（3）监控中心软件设计。对接收的数据进行分析和处理，根据情况绘制曲线和图形。本文具体章节安排如下：第一章介绍了课题的来源以及研究的目的和意义，然后介绍了目前油井监测技术的国内外现状；第二章介绍了系统的方案论证以及总体方案设计；第三章介绍了系统的硬件组成部分，包括单片机、传感器、复位电路、A/D转换等；第四章介绍了系统的软
17、件的实现及其功能，包括发送、接收、保存、处理等诸多功能；第五章为论文的结束语，对论文进行总结。第2章 方案论证2.1 概述在油田采油作业中，经常需要采集油井的压力、流量、温度等数据，这些数据时油井作业的重要信息，它们反应了油井的工作状况。由于油井一般设在野外空旷的地区，不宜于频繁的人工巡井和现场数据采集。我国陆上油田无论沙漠、高原还是严寒地带，油井的数据采集基本上靠人工完成，无论盛夏酷暑还是冰雪寒天，采油工都必须到现场采集油井压力、流量、温度等数据，工人劳动强度大，数据的准确可靠性依赖于采油工人的工作责任心。海上油田的生产就更加困难了，常常要借助于庞大的运输管线来降低现场管理难度，采集的油井数
18、据经常受到天气变化和交通工具的影响而无法正常获得，严重影响了油井的正常管理。本文就是根据上面存在的问题设计的一套无线采集油井参数的监控系统。该系统可以在室内获得大量的、准确的现场数据，可降低工人的劳动强度，便于及时掌握生产情况，利于科学管理。2.2 方案论证2.2.1 控制器模块论证方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，对系统处理信息的要求不太高，在这一点上，MCU就已经可
19、以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二：采用AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52是一种超低功耗，和标准51系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持ISP在线编程，片内含8k空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，2个16位可编程定时计数器。其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉。方案三：采用AT89C2051单片机为主控制器。AT89C2051是一种带4
20、K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。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，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C2051单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方
21、案。综合以上方案我们选择比较普通的更为熟悉的方案二，使用AT89S52单片机为我们整个系统的控制核心。图2.1 AT89S52单片机2.2.2 电源模块论证方案一：单相半波整流电路。单相半波整流简单，使用器件少，它只对交流电的一半波形整流，只要横轴上面的半波或者只要下面的半波。但由于只利用了交流电的一半波形，所以整流效率不高，而且整流电压的脉动较大，无滤波电路时，整流电压的直流分量较小，变压器的利用率低。方案二：单相全波整流电路。使用的整流器件较半波整流时多一倍，整流电压脉动较小，比半波整流小一半。无滤波电路时的输出电压Vo=0.9Vi，变压器的利用率比半波整流时高。变压器二次绕组需中心抽头。
22、整流器件所承受的反向电压较高。方案三：单相桥式整流电路。使用的整流器件较全波整流时多一倍，整流电压脉动与全波整流相同，每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值，变压器利用率较全波整流电路高。综合以上方案，单相桥式整流电路在相同整流器的情况下，变压器利用率最高，最经济。本设计选用方案三。2.2.3 压力采集模块论证方案一：采用压阻式压力传感器。压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。用作压阻式传感器的基片（或称膜片）
23、材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。方案二：采用电阻应变式压力传感器。传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。方案三：采用热电阻压力传感器。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料
24、为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200+500范围内的温度。通过以上方案论述，从实用性上考虑，压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。所以本设计选择方案一。2.2.4 流量采集模块论证方案一：采用涡流流量传感器。高精度，在所有流量计中，属于最精确的流量计；重复性好；无零点漂移，抗干扰能力好；范围度宽。采用抗机械震动，抗冲击和抗脏污的结构新设计。采用最先进的集成电路，信号处理精度高，高抗干扰性，可靠性高。可选用加宽量程型号，获得优越的小流量性能和扩宽的流量范围。可选用潜水型流量计，允许长期浸泡在水中工作。方案二：采用电磁流量传
25、感器。测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流体，如纸浆、泥浆、污水等；不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响；流量范围大，口径范围宽；可应用腐蚀性流体。但不能测量电导率很低的液体，如石油制品；不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；不能用于较高温度。方案三：采用容积式流量传感器。积式流量传感器的特点是计量精度高；安装管道条件对计量精度没有影响；可用于高粘度液体的测量；范围度宽；直读式仪表无需外部能源可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便；但结果复杂，体积庞大；被测介质种类、口径、介质工作状态
26、局限性较大；不适用于高、低温场合；大部分仪表只适用于洁净单相流体；产生噪声及振动。根据油井远程数据采集的环境要求，方案一更适合，并且也满足性能上的需求。所以本设计选择方案一。2.2.5 温度采集模块论证方案一：热电阻传感器具有高温系数，高电阻率，物理特性稳定，良好的线性输出等优点。方案二：热电偶传感器具有结构简单，测量范围广，热惯性小，精准度高，输出信号远等优点，但价格比较高。方案三：新型可编程温度传感器DS18B20，精度高，成本低，易于采集信号。由于本设计是远程的数据采集，与其他两种传感器相比，热电偶传感器具备输出信号远的特点。所以本设计选择方案二。2.3 远程数据采集系统设计方案数据采集
27、系统用于采集工业现场的各种信号，并将采集到得信号经过信号调理后输出给CAN总线。信号调理电路的作用是实现对传感器采集信号进行简单的放大滤波，使其符合数据采集系统的输入要求。以单片机为核心的数据采集系统具有高性能的数据采集能力，包括现场信号的调理、数据采集、信号处理等，具有灵活强大的通信能力，可以通过CAN总线接口方便与现场总线连接，进而通过网路互连实现远程数据采集和控制。远程数采集系统是由中央控制机构、计算机网路、现场总线以及分布在工作现场的各种传感器构成。数据采集系统主要实现在远程的作业现场采集数据并进行必要的信号处理之后，通过现场网路以及其他网路将数据发送到中央控制机构。远程数据采集系统的
28、系统总体结构图如图2.2所示。中央控制机构上位控制计算机网关 CAN总线模块1模块2 远程数据采集模块模块3 .图2.2 远程数据采集系统的结构2.4 系统总体设计方案系统的工作原理如下：一方面，中央控制机构通过internet、局域网络、CAN总线向分布在现场的远程数据采集模块发送数据采集或者执行动作的命令；另一方面，现场远程数据采集模块接受到中央控制机构或现场控制计算机的命令后，根据不同的命令完成相应的功能（数据采集或者执行动作），然后将相关的采集数据或者状态数据经过处理后发送到总线上，通过总线发送到现场控制计算机或中央控制机构。节点的硬件结构是以单片机为核心，包括模块转换、各种传感器、C
29、AN控制器、CAN驱动器等组成如图2.3所示。由于数据通信方式采用CAN总线，构成了开放式结构，由传感器构成的节点模块可以方便的接入数据采集系统，或从数据采集系统分离，即底层的设备和总线的开放互联与即插即用，实现了从传统集中式数据采集系统向模块化、分布式数据采集系统的结构转变。电源电路A/D转换模块压力传感器滤波放大显示电路单片机放大流量传感器复位电路滤波滤波放大晶振电路温度传感器报警电路键盘电路CAN控制器CAN驱动器CAN总线接口CAN总线图2.3 总体结构图第3章 硬件设计3.1 AT89S52单片机AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有以下标准功能：8k字节Fl
30、ash，256 字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。芯片引脚图如图3.1所示。图3.1 AT89S52单片机3.2 复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电
31、源为5V5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作 目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：（1）微分型复位电路；（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。ISA总线的复位信号到南桥之间会有一个非门，跟随器或电子开关，常态时为低电平,复位时为高电平。IDE的复位和ISA总线正好相反，通常两者之间会有一个非门或是一个反向电子开关，也就是说IDE常态时为高电平，复位时为低电平，这里的高电平为5V或3.3V，低电平为
32、0.5V以下的电位。电路图如图3.2所示。图3.2 复位电路3.3 晶振电路没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。单片机工作时，是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12MHz晶振，它的时钟周期是1/12us，它的一个机器周期是12(1/12)us，也就是1us。MCS52单片机的所有指令中，有一些完成得比较快，只要一个机器周期就行了，有一些完成得比较馒，得要2个机器周期，还有两条指令要4个机器周期才行。为了衡量指令执行时间的长
33、短，又引入一个新的概念：指令周期。所谓指令周期就是指执行一条指令的时间。例如，当需要计算DJNZ指令完成所需要的时间时，首先必须要知道晶振的频率，设所用晶振为12MHz，则一个机器周期就是1us。而DJNZ指令是双周期指令，所以执行一次要2us。如果该指令需要执行500次，正好1000us，也就是1ms。机器周期不仅对于指令执打有着重要的意义，而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了12MHz晶振，那么当定时器的数值加1时，实际经过的时间就是1us，这就是单片机的定时原理。电路图如图3.3所示。图3.3 晶振电路3.4 A/D转换电路在数据采集系统中，A/D转换的速
34、度和精度又决定了采集系统的速度和精度。MAX197是Maxim公司推出的具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供电，且转换时间很短(6us)，具有8路输入通道，还提供了标准的并行接口8位三态数据I/O口，可以和大部分单片机直接接口，使用十分方便。 MAX197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。它可分为内部采样模式和外部采样模式，采样模式由控制寄存器的D5位决定。在内部采样控制模式(控制位置0)中，由写脉冲启动采样间隔，经过瞬间的采样间隔(芯片时钟为2MHz时，为3ms)，即开始A/D转换。在外部采样模式(D5=1)中，由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。在第一个写脉冲出
35、现时，写入ACQMOD为1，开始采样间隔。在第二个写脉冲出现时，写入控制字ACQMOD为0，MAX197停止采样，开始A/D转换。这两个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间。当一次转换结束后，MAX197相应的INT引脚置低电平，通知处理器可以读取转换结果。内部采样模式的数据转换时序对于模拟到数字量的转换，时序要求非常严格，由于MAX197的数字信号输出引脚是复用的，要正确读出转换结果，时序要求尤其重要。在一次采样开始前，可以通过单片机的8位数据线把这些控制字写入MAX197来初始化相应的参数。然后按照一定的时序进行采样和转换。 MAX197的主要特性:（1）12位分辨率，1/2LSB线形度；（
36、2）+5V单电源供电；（3）输入电压范围可通过软件编程在-10V-10V，-5V-+5V，0 -10V，0-5V之间任选一种；（4）8路模拟量输入通道及过压保护；（5）6us转换时间，100kSPS采样速度；（6）内/外部采集控制；（7）内部4.096V或外部参考电压；（8）具有两种节电（掉电模式）工作方式；（9）具有内部和外部两种数据采集模式；（10）参考电源内外任选；（11）时钟频率内外任选。MAX197是一种通用A/D芯片，可以和多种微机接口，在此选用AT89S52单片机作为主处理器。通过8255的PA0PA7与MAX197的D0D7相连，既用于输入MAX197的初始化控制字，也用于读取
37、转换结果数据。 用AT89S52单片机的P1.3作片选信号，则MAX197的高位地址为7FH。选择MAX197为软件设置低功耗工作方式，所以置SHDN脚为高电平。本文采用外部基准电压，所以REFDJ接高电平，而REF则接外部输入参考电压。AT89S52单片机的P1.4脚用做判读高、低位数据的选择线，直接与HBEN脚相连。MAX197的INT脚可与AT89S52的INT0相连,以便实现中断，读取转换结果。MAX197的硬件电路设计如图3.4所示。图3.4 A/D转换电路3.5 电源电路随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用
38、性等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍。对于大多数电子仪器、设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。1.直流稳压电源设计思：（1） 电网供电交流电压220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。2.工作原理:直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换
39、成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图3.5。 稳 压 滤 波 整流 负载工频交流 脉冲直流 直流图3.5 直流稳压电源方框图其中：（1）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。 （2）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（3）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。图3.6 电源电路I图3.7 电源电路II3.6 报警电路蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。蜂鸣器与家用电器
40、上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，这一点与家用电器中的功放有相似之处。 采用了一个很简单的电路来实现蜂鸣器的联接，由上所述，一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音，所以增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流，见下方原理图。蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源上面，另一端联接到三极管的集电极，三极管的基级由单片机的P1.5管脚通过一个与非门来控制，当P1.5管脚为低时，与非门输出高电平，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。当P1.5管脚为高时，与非门输出低电平，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。在这里与非
41、门是作为非门来用的，这里采用一个非门的作用是为了防止系统上电时峰鸣器发出声音，以为系统复位以后，I/O口输出的是高电平。通过程序控制P1.5管脚的置低和置高来使蜂鸣器发出声音和关闭。 蜂鸣器的声音大小及音调可以通过调整P1.5管脚的置高时间及输出的波形进行控制，这一点可以在调试程序的时候来试验。电路图如图3.8所示。图3.8 蜂鸣器结构图3.7 显示电路在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。本节重点介绍字符型液晶显示器的应用。在单片机系统中应用晶液显示器作为显示器件有以下几
42、个优点：（1）显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。（2）数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。（3）体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。（4）功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。本设计中LCD1602显示器利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示。用来显
43、示数字信号。硬件电路图如图3.9所示。图3.9 液晶显示3.8 CAN总线接口电路数据采集系统由数据采集模块和数据传输模块组成，其中数据传输通过CAN总线来实现。控制器局域网CAN属于现场总线范畴，它是一种有效支持分布式控制或实现控制的串行通信网络。系统采用总线式网络拓扑结构。CAN总线上的节点是网络上的信息接收和发送帧，由于节点主要由单片机和可编程的CAN通信控制器组成，能通过编程设置工作方式、ID地址、波特率等参数，故称为智能节点。CAN的节点原理图如图3.10所示。AT89S52是节点的微处理器，作为一个存储器I/O映像设备，负载对控制器SJA 1000初始化，并控制其实现数据的收发等通
44、信任务。在CAN总线通信接口中使用PH IL IPS公司的SJA 1000和82C250芯片。SJA 1000是独立的CAN通信控制器，用于完成CAN总线通信协议的物理层和数据链路层的功能。82C250为高性能、高速CAN收发器，使用它可增大收发距离，提高系统瞬间抗干扰能力，改良系统的抗电磁干扰辐射，保护总线，降低射频干扰，实现热防护等。电路图如图3.10所示。图3.10 CAN节点原理图为了进一步提高抗干扰能力，在CAN总线控制器SJA 1000和驱动器82C250之间使用高速光耦器件6N137构成了隔离电路，传输介质使用双绞线（或同轴电缆）分别接在CAN收发器的CANH和CANL引脚。同时
45、在总线两端CANH和CANL之间加上分离中断的终端电阻，对总线抗匹配起着相当重要的作用。此外，为了使CAN控制器和微处理器能同时可靠复位，外加了手动复位电路。SJA 1000的中断输出信号（INT）接至单片机的INT0引脚，通过中断方式实现单片机与CAN总线控制器之间的通信。在电路实际调试中，必须注意以下两点：（1）总线两端终端电阻不可忽略。否则会使数据通信的抗干扰性和可靠性降低，严重时可导致无法通信。（2）82C250的“VREF”引脚对总线DC稳压很有效。如果“VREF”用于共模电压的DC稳压，“VREF”这个引脚要连接到分离中断的中间分接头。若“VREF”不使用，则保持开路即可。3.9
46、I/O口扩展电路由于单片机的I/O口不够用，所以需要对单片机的I/O口扩展，本设计选择用芯片8255进行I/O口的扩展。8255是常用的可编程并行I/O扩展芯片，优点是：一个芯片可扩展多个并行I/O口、可用软件改变接口功能、可直接与单片机连接，进行并行数据传输。8255是Intel系列的可编程并行接口芯片，扩展一片可获得3个8位的并行I/O口，是一种单片机与外设之间的接口电路。扩展电路方框图如图3.11所示。硬件电路图如图3.12所示。外设单片机8255图3.11 扩展电路方框图图3.12 I/ O口扩展电路图3.10 滤波电路滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。本设计中选用二阶低通滤波器对来自传感器采集到得模拟信号进行滤波。滤波电路是一种能使有用频率通过，同时抑制无用成分的电路。滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，有一定的放大能力和带负载能力。由于受到集成运算放大器特性的限制，有源滤波器主要用于低频场合。有源
