徐先峰，魏 文，李常磊，段晨東

(長安大學電子與控制工程學院，西安710064)

工業(yè)現(xiàn)場往往需要對溫度、壓力、流量、液位以及濕度等物理量進行監(jiān)測，而相關(guān)傳感器或變送器的輸出信號往往為4 mA ～20 mA、0～5 V、1 V ～5 V、0～10 V等幾種，給工業(yè)現(xiàn)場實時顯示帶來諸多不便。目前，市場上出現(xiàn)的參數(shù)顯示儀器儀表一般只支持一種或者兩種變送輸出信號，且功能相對單一，參數(shù)標定也較為困難，尤其在同時存在多種變送輸出信號的場合，須采用多個或者多種參數(shù)顯示儀才能實現(xiàn)對各類物理量的監(jiān)測，因而，設(shè)計一種新型的工業(yè)現(xiàn)場顯示儀顯得極為重要［1］。為解決上述問題，提出了一種基于STC系列單片機的智能工業(yè)現(xiàn)場顯示儀設(shè)計方法，以單片機為核心，結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、LED數(shù)碼管動態(tài)顯示、RS232串口通訊與紅外遙控技術(shù)，實現(xiàn)對變送輸出信號的電流電壓轉(zhuǎn)換與采集、越限報警以及遠程操控等功能，顯示儀可與電流或電壓信號輸出的變送器和傳感器配合使用［2］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能顯示儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由核心控制器、LED數(shù)碼管、信號轉(zhuǎn)換與采集模塊、紅外遙控模塊、系統(tǒng)電源模塊以及串口通訊等部分組成。采用高性能的STC系列單片機為控制核心，實現(xiàn)變送輸出信號轉(zhuǎn)換、參數(shù)顯示、報警處理、儀表狀態(tài)指示、儀表設(shè)置、參數(shù)標定和參數(shù)補償?shù)裙δ?為方便與各類變送器、傳感器配合使用，顯示儀同時設(shè)有4 mA～20 mA電流接口與多范圍電壓接口;數(shù)碼管采用大尺寸數(shù)碼管，便于遠距離、多角度參數(shù)觀察;顯示儀的輸出功能采用RS232通訊接口實現(xiàn)，顯示儀的模式設(shè)置、參數(shù)標定等功能通過紅外遙控器實現(xiàn)。

圖1 顯示儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 微控制器及其外圍電路

智能顯示儀的核心控制器選用STC12C5A60S2單片機，該微控制器是宏晶公司最新推出的一款高性能增強型8051單片機，指令系統(tǒng)與傳統(tǒng)8051單片機完全兼容，運行速度卻是傳統(tǒng)8051單片機的8倍～12倍，片上集成1 280 byte RAM，具有8路高速10 bit A/D轉(zhuǎn)換，內(nèi)部包含1 kbyte的EEPROM。STC12C5A60S2豐富的硬件資源以及高速運算性能，使得系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠性高［3-4］。微控制器及其外圍電路如圖2所示，單片機主要實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取、參數(shù)顯示、報警處理、儀表狀態(tài)指示、儀表設(shè)置、參數(shù)標定和參數(shù)補償?shù)裙δ?STC12C5A60S2單片機的通用I/O口具有強推挽/強上拉功能，每個I/O口驅(qū)動能力可達20 mA，顯示儀中用于狀態(tài)指示的LED燈由單片機通用I/O口直接驅(qū)動;單片機采用11.059 2 MHz石英晶振來產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，使得系統(tǒng)定時更加準確，同時也保證了RS232串行通訊的可靠與穩(wěn)定［5］。

圖2 微控制器及其外圍電路圖

圖3 電源模塊電路圖

2.2 電源電路

智能顯示儀由220 V單相交流電直接供電。由于電流/電壓轉(zhuǎn)換器RCV420的供電電壓為±12 V，單片機及其他芯片供電電壓+5 V，所以需設(shè)計相應(yīng)的降壓電路，如圖3所示［5］。AC 220 V經(jīng)降壓變壓器得到AC 15 V，再由二極管1N5408組成的整流橋進行整流，最后通過濾波電容C1、C4，防自激電容C2、C3以及固定式三端穩(wěn)壓器LM7812得到+12 V電壓;-12 V電壓由極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器HT7660實現(xiàn)，只需外接10 μF的小體積電容，HT7660的輸入電壓為+12 V;+5 V電壓由固定式三端穩(wěn)壓器LM7805得到，其輸入電壓為+12 V。LM78xx系列三端穩(wěn)壓器最大輸出電流達1.5 A，自帶過載保護與短路保護，使得電源電路簡單且安全可靠。

2.3 信號轉(zhuǎn)換與采集電路

如圖4所示，電流/電壓轉(zhuǎn)換由精密電流環(huán)接收器芯片RCV420完成，將4 mA～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換成為0～5 V的電壓信號;RCV420采用±12 V雙電源供電，電源去耦電容采用1 μF鉭電容，為避免其他電路引入的增益與共模抑制誤差，去耦電容需盡量靠近RCV420電源管腳;RCV420的CT端、Rcv Com端和Ref Com端單點接地，使其接地電阻為最小，以免形成地線回路而引起轉(zhuǎn)換誤差。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片選用MAX1272，其為儀表專用12 bit ADC轉(zhuǎn)換器，采用+5 V單電源供電，輸入范圍可編程設(shè)置，最大測量范圍達±10 V。

圖4 輸入信號轉(zhuǎn)換與采集電路

圖5 LED數(shù)碼管驅(qū)動電路圖

2.4 數(shù)碼管驅(qū)動電路

數(shù)值顯示采用5 inch共陽極LED數(shù)碼管完成，數(shù)碼管具有發(fā)光強、能耗低、可視性高和成本低等優(yōu)點，而常用的LCD顯示器亮度低，同時遠距離、大角度觀察效果較差。5 inch數(shù)碼管所需驅(qū)動電流較大，不能由單片機直接驅(qū)動，需另外設(shè)計數(shù)碼管驅(qū)動電路，由 MAX7219、ULN2803、74HC540 以及 TD62783 完成LED數(shù)碼管的驅(qū)動，如圖5所示。MAX7219是Maxim生產(chǎn)的串行輸入/輸出共陰極數(shù)碼管顯示驅(qū)動芯片，其可驅(qū)動8個7段(包括小數(shù)點為8段)LED數(shù)碼管，兼容SPI接口，MAX7219工作時，在其內(nèi)部硬件動態(tài)掃面顯示控制電路的作用下，實現(xiàn)8 bit LED數(shù)碼管的動態(tài)顯示;ULN2803是摩托羅拉公司生產(chǎn)的具有高電壓、大電流的8路達林頓驅(qū)動器，各路驅(qū)動電流可達500 mA，滿足5 inch數(shù)碼管對驅(qū)動電流的要求;MAX7219本身用于驅(qū)動共陰極數(shù)碼管，DIG0～DIG7經(jīng)反相器74HC540后作為8位數(shù)碼管的位選控制信號;數(shù)碼管的位選線驅(qū)動由8通道高電壓驅(qū)動器TD62783完成，其單端驅(qū)動電流可達500 mA，輸入電壓達50 V。

2.5 串口通訊電路

串口電路主要實現(xiàn)向連接于顯示儀的其他終端傳送數(shù)據(jù)以及接收上位機的控制命令。STC系列單片內(nèi)部有1個可編程的全雙工串行口，能同時發(fā)送與接收數(shù)據(jù)，單片機內(nèi)部串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收都是通過訪問特殊功能寄存器SBUF來實現(xiàn)，可方便地實現(xiàn)與上位機或者其他帶串口終端實現(xiàn)通訊。STC單片機采用TTL電平傳送數(shù)據(jù)，需要進行電平轉(zhuǎn)換才能實現(xiàn)RS232通信，顯示儀中使用Maxim公司的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)RS232接口電平轉(zhuǎn)換，其電路如圖6所示［4］。MAX232外圍連接五個0.1 μF去耦電容，主要作用是為本電路蓄能、濾除MAX232產(chǎn)生的高頻噪聲以及防止電源攜帶的噪聲對電路產(chǎn)生干擾。

圖6 串口通訊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取、RS232通訊設(shè)計、紅外遙控操作、顯示儀參數(shù)保存和儀表標定等部分。被測物理量的大小主要通過MAX1272轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，配置A/D量程與讀取其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是軟件設(shè)計的重點。MAX1272兼容SPI串行接口，單片機通過I/O口模擬SPI總線時序?qū)崿F(xiàn)與MAX1272的數(shù)據(jù)傳輸;MAX1272的工作模式采用單個寄存器進行配置，設(shè)置控制字節(jié)的BIT6、BIT5可完成0～5 V、-5 V～+5 V、0～+10 V和-10 V～+10 V四種量程的選擇。MAX1272的輸出數(shù)據(jù)為12位，輸出時高位在前，每次讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時需先發(fā)送控制字節(jié)，下一時鐘SCLK的下降沿開始輸出有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

圖7 上位機控制字節(jié)格式

智能顯示儀通過串口連接至上位機，對顯示儀進行配置，同時也可通過串口傳輸顯示數(shù)據(jù)至其他終端。上位機的控制信號為單個字節(jié)，上位機每發(fā)送一個字節(jié)即可完成對顯示儀的參數(shù)配置，控制字節(jié)格式如圖7，其中BP1、BP0位用于選擇A/D轉(zhuǎn)換器量程，D2為串口輸出標志位，0表示關(guān)閉串口輸出功能［6］;串口輸出顯示數(shù)據(jù)時，傳輸格式為“=＊＊＊＊＊＊＊”，‘*’代表一個十進制數(shù)，范圍為0～9，高位在前，輸出數(shù)據(jù)為顯示儀顯示數(shù)值，每一數(shù)據(jù)序列輸出均以‘=’作為開始標志，接收‘=’后7個十進制數(shù)作為有效數(shù)據(jù)。STC12C5A60S2單片機串行口均通過SBUF寄存器接收與發(fā)送數(shù)據(jù)，每發(fā)送或接收數(shù)據(jù)完成都產(chǎn)生串行中斷，查詢TI、RI標志位判斷是否接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，軟件實現(xiàn)流程圖如圖8所示。

圖8 串口通訊流程圖

由于現(xiàn)場變送信號或傳感器信號的非線性以及環(huán)境變化的影響，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果必須通過校正才能得到被測物理量的精確值，而這種校正關(guān)系一般很難通過固定的代數(shù)式表示，智能顯示儀采用了線性插值法完成自動標定。取被測物理量高、低兩個標定樣本，采用標準法得到被測物理量的精確值y0、y1，同時記錄原顯示值、，x0、x1分別表示高、低樣本的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)學建模如下［7］。

對于任意新測值y'，通過k1/k2、y0、y'03個常參數(shù)可得標定后的物理量數(shù)值y。將k1/k2、y0、y＇03 個常參數(shù)寫入單片機內(nèi)部EEPROM中，既能實現(xiàn)掉電保護，同時也能隨時重新標定。

4 測試與分析

智能顯示儀上電后，8位LED數(shù)碼管順序閃爍顯示‘0’～‘9’，說明顯示儀LED數(shù)碼管顯示功能正常;利用PC機作為上位機，通過串口對顯示儀發(fā)送控制命令，顯示儀閃爍顯示“---PC---”，指示上位機鏈接成功，并接收到有效控制命令，通過串口可設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換量程，打開或關(guān)閉報警、狀態(tài)指示、上限、下限和串口輸出等功能，同時上位機可對顯示儀進行復位操作［8-9］。

選擇工業(yè)現(xiàn)場的溫度對顯示儀進行標定與測試，標定完成后，溫度每變化2℃記錄1次，結(jié)果如表1所示，智能顯示儀顯示溫度與使用標準溫度計測量的溫度值誤差均在±0.3℃范圍內(nèi)，線性度較好。

表1 現(xiàn)場溫度測試結(jié)果

5 結(jié)論

智能顯示儀以增強型單片機STC12C5A60S2為核心，外擴電源模塊、數(shù)碼管顯示模塊、RS232通訊模塊以及紅外遙控模塊，采用AC 220 V供電，適用于電流或電壓輸出的各類變送器與傳感器，實現(xiàn)了對工業(yè)現(xiàn)場的溫度、濕度、壓力、液位、流量等物理量的顯示、限值報警控制以及串口輸出;顯示采用大尺寸高亮度LED數(shù)碼管，適合于大空間、遠距離觀察場合的參數(shù)顯示。基于STC系列單片機的智能工業(yè)現(xiàn)場顯示儀設(shè)計方法，不僅設(shè)計成本低廉，顯示儀穩(wěn)定性可靠性高，同時對其他智能顯示儀表也有很強的實用參考價值［10］。

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