1、1摘 要本文所述的闸门开度荷重测控仪是以单片机 AT89C52 为核心部件的工作系统。通过单片机编程的软件程序支持，对从传感器采集到的开度信号和荷重信号进行计算、判断处理，人机交互主要由按键来完成；显示闸门的开度荷重状态并在故障时报警；驱动继电器工作；可以对闸门开度荷重测控仪的各参数通过按键和汉字显示器进行控制与管理；并且该系统还可以与远程监控（PC 机）之间进行通信，数据传输采用 RS485 总线，依靠自主设计的通信协议来保证，具有很好的安全冗余度和良好的人机界面，实现了更高的智能水平。经过实验室实际调试、运行结果表明：系统整体设计合理、性能可靠，实现了预期的目标。关键词： 闸门 ；单片机；
2、 开度； 荷重； 测控仪2AbstractThis gates open degree monitor is a system mainly bases on AT86C52, with the help of software of C. Through calculation between people and system by key, this system can display the stase of open degree and load. It can alert when there are some problems, drive relay work, contr
3、ol and manage the various parameters of this monitor through key and LED. It can also communicate with PC by 485 bus. This self design agreement assured the accuracy and sccurity of this communication. It has a perfect redundant degree and man-machine interface which is intelligent than before.With
4、the adjustment in laboratory and scene, the result indicate: this design is reasonable and reliable. It has been made into production.Key Words: gate; single chip microcontroller; open degree; load value; measure and control monitor1目 录1 绪论 11.1 引言 11.2 国内外研究概况及发展趋势 .21.2.1 水电利自动化的发展历程 21.2.2 闸门开度、荷
5、重监控系统的国内外研究概况 41.3 课题的主要研究内容 .52 系统总体方案设计 72.1 闸门自动化控制系统简介 72.2 微型计算机的选择 .82.3 单片机的选择： .92.4 系统总体方案设计 .122.4.1 闸门控制系统的功能 122.4.2 总体方案 123 系统硬件电路 的设计 143.1 闸门开度的测量 .143.1.1 旋转编码器及部分硬件电路的组合测量法 143.1.2 先进传感器的直接测量 153.2 荷重信号输入接口 .163.3 A/D 转换及 A/D 转换模块 TLC2543 173.4 D/A 转换及 D/A 转换模块 MAX518 .203.5 I/V 转换
6、电路 .213.6 L ED 数码显示与 LED 显示接口电 .233.6.1 LE D 数码显示管原理： .233.6.2 LED 显示接口电路 .243.7 键盘接口电路 .243.8 直流稳压电源的选用 .253.9 驱动电路 .264 系统软件的设计 304.1 软件设计概述 .304.2 系统主程序设计 .305 通信总线的选择 355.1 RS232 总线解决方案 .355.2 RS485 总线解决方案 365.3 RS485 芯片的选用 37结论 382致谢 39参考文献 4011 绪论1.1 引言水是人类的一种十分宝贵的资源，如果没有水，整个世界都将走向灭亡。现在很多国家都在为
7、水的再利用、开发和回收付出了大量的人力、物力和财力。中国河流众多，水系庞大而复杂。全国大小河流总长42万千米，流域面积在1000千米以上的河流有1500多条，从被盗男主要有黑龙江水系、松花江水系、鸭绿江水系、辽河水系、海滦河水系黄河水系、淮河水系、长江水系、珠江水系等;西南有澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等水系;西北有额尔齐斯河、伊犁河水系;还有塔里木河及新疆、甘肃、内蒙、青海等内陆水系，众多水系构成中国水力资源蛛网密布的格局1。要合理的利用水资源，离不开对水资源的有效调度。在我们国家的一些大江、大河、湖泊上，己经建立了一套有效的水资源调度系统，但在广大的中小江河、湖泊、水库上，水资源调度系统并未建
8、立。对这些中小江河、湖泊、水库的水资源调度、监控，对于我国水资源的合理利用，对于解决我国将来的水资源短缺问题具有更为重要的战略意义。随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把遥测遥控、通信及计算机技术应用于闸门及水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，就是水闸监控系统的主要内容和目标。我国先后兴建了许多不同规模的水库与电站，因而闸门控制系统被广泛应用于水利、水电建设，如航运船闸、江河湖泊防汛和沿海防潮等工程中。各种类型水库共有86000多座。目前水闸自动化监控系统在全国的河流、水库上的应用还很少，应用水平参差不齐。鉴于水源在我国国民经济、人民群众生活中的重要性，对用来调闸门、水位数据进行全天
9、候监控是完全必要的。首先，可以实时跟踪、监控江河闸门开度、水位高度的数据，为合理调度水资源提供第一手数据资料。根据闸门上、下游水位高度，以及闸门的当前开度，再根据水资源调度的具体需求，从而确定出当前闸门的具体控制方案。上游水位高了，而此时上游的用水量也呈现增长趋势，那么此时不要急于提升闻门，而要等到上游用水量需求趋减，而下游需求呈现增加趋势时，则可以考虑提升闸门;当下降闸门时，情况与上述相反。因此通过闸门微机监控系统，可以及时掌握闸门、水位的实时数据，为水资源调度提供第一手数据。度这些水资源的。其次，闸门微机监控系统在泄洪抗灾、水利发电等方面具有不可替代的作用。闸门作为水利系统最基层的工程之一
10、在防洪抗灾中扮演了重要角色，除了满足水利部门的用水需求外，防洪、保护工农业生产和人民生命财产安全以及环境保护等诸多方面都发挥了巨大的积极作用。为了进一步发挥泵站的综合利用效益，尽可能减少洪涝灾害的损失，提高调度管理的决策水平，建设闸门综合自动化监控信息系统是必不可少的。特别是在国家南水北调东线工程中，研究建设以闸门综合自动化监控信息系统为基础的全线。由于闸门所处工作环境恶劣、电磁场噪声干扰大，使闸门的实时控制很难准确进行。而其中载荷监控仪器是大中型水库、水电站中保证闸门安全运行的2重要条件。同时，由于水中杂物或机械故障造成闸门启闭机超载，会导致断缆、启闭机损坏等重大事故，若在汛期发生会带来严重
11、后果，因而可以说闸门启闭机载荷监控仪器是不可缺少的配套设备。但是，仅有载荷监控是不够的，闸门的开度测量仪器是提高整个系统灵活性的必要条件，由于不同时期的水位不同或者不同操作的条件，系统所需的开度是多样化的，因而闸门启闭机的开度测量仪器也是非常重要的配套设备。1.2 国内外研究概况及发展趋势1.2.1 水电利自动化的发展历程水电利自动化技术是二十世纪刁.开始发展起来的。至二十世纪四十年代，几乎都是主机与控制一体的直接控制。五十年代则是引进了远方控制技术，可以从远处对设备进行控制，具有监视、控制、保护主机的功能。那时还大多采用电磁式、机械式继电器，采取将继电器装在控制盘中的方法。六十年代则广泛采取
12、晶体管和半导体电子技术，控制回路向电子化、小型化、无触点化方向发展，集中化技术被普遍应用。由于遥测装置的信号传输技术的发展和数字技术的支持，出现了远距离集中监控，进而可以实现大范围控制。到了七十年代，计算机技术不论是在硬件的集成度、可靠度、经济性和综合技术指标，还是在软件配置的丰富程度和适应性等方面均己发展至较高的水平，在发达国家的水电利自动化中得到了普遍的应用，当时主要用于实现运行的监督控制和对设备的直接控制，且己形成比较完整的系统，并取得显著的效益。1974年美国大古力水电站实现闭环控制是水电站自动化发展史的一个重要里程碑。七十年代后期，在电网调度自动化系统发展的同时，自动化技在水电利的应
13、用得到了进一步的发展，有代表性的如加拿大魁北克水电局所属水电站，法国罗纳河水电站群。进入八十年代，随着微电子技术、计算机技术、数据通信技术和自动控制理论的迅猛发展，以微处理器为核心的微型计算机被应用到许多行业，传统的顺序控制器，如继电器控制逻辑、二极管矩阵逻辑以及硬件接线的数字逻辑愈来愈多地被前者所替代。微机技术在水电站自动控制系统中己占压倒优势，计算机技术、控制技术、通讯技术和CRT技术已成为水电利自动控制系统的重要部分2。九十年代，计算机技术进一步发展。著名的摩尔定律可以作为硬件制造技术迅猛发展势头的一个标志，芯片上的晶体管数目每两年会增加一倍。与此同时，软件产业也蒸燕日上，各种应用软件应
14、运而生，充斥于生产生活的各个角落。计算机大量应用于水电站自动控制系统，在价格和技术上己不存在任何问题。网络技术也是在这一时期得到发展并普及。在这之前我们并不知道网络是什么，但是现在在任何一个行业里都会听到网络这一名词，水电行业也不例外。随着网络和计算机通信技术的快速发展，网络在水电站监控和自动化系统中得到成功的应用。通过网络实现数据快速传送、远方监视和操作，以及远程故障排除，节省了时间和经费，因此利用网络已经成为目前水电站自动化的一个发展方向。3近年来，随着水电站自动控制系统硬件设备不断升级，设计人员更多考虑水电站运行的可靠性，采取了很多措施，采用了许多新技术、新理念。1. 采用双主机冗余、网
15、络冗余。水电厂实现“无人值班”(少人值守)后，由于现场值班人员减少，值班人员往往只有两人，当现场设备出现故障时，值班人员一般要等较长时间才能抵达现场，因此对于自动控制系统的可靠性要求更高，要求有较高的冗余度，在系统降阶运行时不影响电站的安全。为 了满 足 要求，水电站自动控制系统的硬件采用多层次的冗余措施，如通讯服务器、网络交换机、网络通道、主控级UPS, LCU的数据采集与控制器、CPU模块、通讯模块、UO通道、现地总线、机箱电源、机柜电源等，全部可以实现冗余配置，由软件实现冗余设备的检测与故障诊断，实现冗余部件的无扰动切换，确保系统中某一部件的故障不影响系统的正常运行。2. 采用分层分布式
16、、集散控制系统。从1959年3月在美国德克萨斯州Texaco炼油厂投入运行的第一套计算机控制系统，一直到七十年代中期以前，各个计算机控制系统均为集中式的体系结构。集中控制系统的主要特点是由单一的计算机完成控制系统的所有功能和对所有被控对象实施控制。集中式控制系统的优点是结构简单、清晰、集中式的数据库很容易管理，并容易保证数据的一致性。但其缺点也很多:由于功能集中在一台计算机上，使得软件系统十分庞大，系统软件可靠性下降，造成系统运行中时有故障发生;系统的可扩性差;所有的功能、所有的处理集中在一台计算机上，大大增加计算机失效或故障对整个系统造成的危害性。随着计算机应用的不断深入，系统功能越来越复杂
17、，系统规模也越来越庞大，集中式控制系统己越来越无法满足应用需求了。人们迫切需要一种新的系统体系，分散故障风险 ，提高自动控制系统的可靠性。针对集中式控制系统存在的种种问题，人们开始寻求解 决方案，逐渐形成了DCS设计的基本原则:每台计算机的处理尽量单一化;用计算机网络 解决系统的扩充与升级的问题。事实上，被控制过程本身具有层次性和可分割性，上述原则符合被控制过程自身的内在规律，因此在1975年由Honeywell公司率先推出基于上述设想的DCS后，很快地得到了广泛的承认和普遍的应用，其后有许多家公司如美国的Foxboro、日本的Yokogawa), Westinghouse, Fisher R
18、osement,Leeds对于信号的输出，是将编码器从计算机中得到的命令通过RS-422总线，送入到5SI接口中，经SSI接口模块转化为二进制代码或BCD码送入到PLC当中。其中，RS-422总线使用差分信号进行5数据传送，使数据传出可靠，SSI接口模块具有较高的抗噪声千扰能力，减少了噪声对信号的影响，并且SSI接口模块本身具有完善的自我监测功能，如对数据转换错误的误差显示功能等。由于基础器件的功能强大，该闸门控制系统的安全保障很可靠。我国目前使用的智能载荷监控仪，其核心功能的实现主要是通过各种类型的单片机，而过去基于模拟技术的载荷限制仪已基本处于淘汰中。徐州科讯传感器研究所生产的SZ系列弧形
19、闸门开度测控仪就是其中之一6。SZ弧形闸门开度测控仪主要由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表是UHQ传感器，安装在启闭机现场，所采用的接触式轴角编码器集测控与A/D转换为一体，一台UHQ感器可以连接两个或两个以上检测显示控制点，一般一台UHQ传感器可供闸门现场显示或在中控室用屏幕显示，以满足两地监视和管理。二次仪表是SZ闸门开度测控仪，主要安装在启闭机现场或中控室内，采用单片机和大规模CMOS集成电路进行码制转换。一台显示器可以配两台UHQ传感器，显示和控制两个闸门的位置。1988年河南省南阳市鸭河口水库除险加固时，改用SZ弧形闸门开度测控仪，方便了工作人员的操作及统一调度管理。1994年河南省
20、安阳市小南海水库除险加固时，也采用了SZ弧门开度测控仪，可单机操作和集中控制。1997年永定河拦河闸、小清河分洪闸自行研制了一套闸门开度电子显示仪其原理是弧型闸门启闭时，电动机带动滚筒转动，卷放连接弧型闸门的钢缆使闸门完成启闭过程。该仪器将编码盘式角位移传感器(简称码盘)与滚筒同轴连接，当滚筒转动时码盘输出随闸门启闭开度成正比的电信号，仪器对此信号经过输入电路的电平转换和译码后，送到LED显示出实际开度值。由于码盘输出的是余三循环码，而且码盘输出值与闸门开度是非线性的关系，因此本仪器关键是完成从余三循环码到闸门开度值的正确转化.电路采用EPROM作为转换的核心部件，以传感器输出的余三循环码作为
21、EPROM的地址，用硬件查表方式完成上述转换过程，并送至LED显示出开度值。当启闭机运行时，滚筒转动引起余三循环码的变化，仪器以查表的形式取出EPROM每个相应地址中存入的闸门实际开度值送入显示电路，即可读出闸门开度值。闸门开度电子显示仪的电路设计比较精简，具有体积小、重量轻、便于安装等优点，解决了弧形闸门的非线性转换，方便了闸门操作人员，节省了人力。以后还可以通过备用接口将各个闸门开度值传入控制室内，实施集中显示控制7。徐州理工计算机工程技术研究所研制的GLL智能闻门启闭机载荷监控仪由荷重传感器传来的模拟信号，经放大电路放大后，由模拟开关送入A/D转换器，转换后的数字量交由中央处理器处理，再
22、送到显示器进行显示。除显示功能外，智能监控仪还具有报警功能，当载荷达到一定值时，系统会有预报鳌，提示当前载荷己经接近额定载荷，在系统超载时，系统会有声音报警。目前比较先进的水库或水电厂都采用这种仪表进行载荷监控。国外的闸门控制系统，与国内相关控制技术发展一样，经历了继电器逻辑控制、集成电路逻辑控制和计算机与PLC技术应用相结合控制的3个阶段。对于小型的闸门控制系统，仅使用一般的智能仪表进行控制，其主要功能都陈列在面板上，在设计与使用上与国内技术大致相同。对于大型的闸门控制系统，有些国家会应用多级监控系统，由总控制系统向下为各个操作员，每个操作员控制不同的工控机，在由各工控机来控制各个闸门的具体
23、动作。61.3 课题的主要研究内容本课题立足于单片机控制系统，运用先进的单片机芯片及外围扩展设备，设计具有良好性能的集成电路，使最终研制的产品做到体积小、精度高、功能齐全、操作方便，达到同类产品国内较先进的水平。该智能仪表的设计是在认真研究了国内外相关产品的优缺点的基础上进行的，在整个设计过程中充分考虑到了用户的需求，力争将该测控仪的设计达到最优。由于本课题来源于工程实际项目，所以更好的提高产品的竞争力，就是本课题的主要任务。这就要求在产品设计时，要吸收现有产品的优点，同时将其不足之处的影响减少到最低，不仅如此，我们还应该在不影响仪器先进性的前提下，尽量提高产品的可移植性，提高产品的以与其他控
24、制器相连，共同组成智能化控制系统。限于篇幅，本文将重点讨论以下几个方面:1).系统总体方案的设计；2).闸门开度的测量方法；3).闸门开度荷重测控仪的硬件电路研制；4).系统软件程序流程设计。72 系统总体方案设计2.1 闸门自动化控制系统简介闸门开度荷重测控仪是水利系统中闸门自动控制系统现场监控的一部分。在讨论本课题的研制过程前，有必要把闸门自动化控制系统做一简要介绍。闸门自动化控制系统结构框图如图2.1所示，它由以下三部分组成:图2.1 闸门自动化控制系统结构框图1. 闸门监控中心闸门监控中心由主计算机、人机接口设备和外围设备组成。采用工控机作为主计算机，配有专用功能键盘和语音装置，实现对
25、闸门的全面监控。闸门监控中心主要完成数据处理、安全监视、远方控制以及自动化管理等功能，具体为:1).定期查询和收集集中监控单元上送的运行过程实时信息，生成现场实时数据库和历史记录图表 。2).实时更新CRT显示的工况画面的参数;实时显示和闸门相关的事件;有故障时 ，系统通过电铃、语音、画面显示报警，给出事故处理指示。3).操作员可通过键盘和鼠标对闸门进行远方控制，即:闸门起闭控制:闸门预置开度设定 。4).系统生成的运行日志、放水流量曲线、操作记录、运行状态等各种报表8均可通过CR7，显示或打印出来。2. 集中监控单元集中监控单元采用集散控制方式，通过与闸门监控中心进行网络数据通信接受控制指令
26、，对现场控制单元发出起闭信号:并通过安装在现场的闸门开度仪接受闸门现场信息，向闸门监控中心反馈现场运行工况、故障信号等信息。集中监控单元采用可编程控制器(PLC)。该可编程控制器具有体积小、高速、模块化、可靠性高、抗干扰能力强等特点，开关量24路输入，16路输出，串口的物理层是RS485接口标准。因系统控制每个闸门需要8入3出开关量，因此我们采用一个PLC外接5个输入模块和1个输出模块来控制7个闸门。PLC开关量输入为:闸门的升、降、全开、全关状态;电源状态;过热;过载以及闸门开度荷重测控仪的开关量输入等。开关量输出为闸门的升、降、停等。整个系统采用4个PLC组成总线型分布式控制系统，控制25
27、个闸门，以主从方式工作。主PLC设计为1个，从PLC设计为3个，主从PLC之间通过屏蔽双绞线相连。主PLC控制4个闸门，与闸门监控中心之间通过RS485/232转换器相连。3. 现场监控单元闸门自动化控制系统的现场监控单元的设备有闸门开度荷重测控仪、水位仪、闸门启闭机电气控制屏等。现场监控单元采用现场总线技术，将微处理器置入传统的测量控制仪表，使其具有数字计算和数字通信能力，采用485总线作为现场总线，将多个智能测控仪连接成网络系统，按规定的通信协议，在位于现场的智能仪表群与集中监控单元之间实现数据传输与信息交换，在现场形成全分布式自动控制系统。现场监控单元可在现场通过闸门开度荷重测控仪和水位
28、仪完成预置闸门开度、报警开度上限、载荷下限、载荷1,载荷2、偏载)值并显示闸门实际开度、实际载荷1,实际载荷2以及报警状态;上、下游水位高度等功能，并且还可以根据不同开度，不同载荷要求而进行设定开度和载荷的额定值，这个是本测控仪所特有的功能;直接通过现场控制屏上的控制按钮进行闸门起闭操作。2.2 微型计算机的选择闸门控制系统所处环境十分恶劣。特别是现场控制单元，环境潮湿，电磁干扰较大。因此，系统选用何种微机控制器就显尤为重要。可供选择的测控装置有3种:工业控制计算机(简称工控机)、PLC(可编程序控制器)和单片机。工控机的功能强大，有相当强的通信功能和人机接口功能，在工业控制和测量中得到了广泛
29、的应用，但是价格高。要求闸门开度测量仪体积小巧，但是工控机的体积较大，便携能力差，故不能满足要求。PLC是在工业控制中广泛使用的控制产品，它具有使用方便，体积适中，功能强大，可靠性高等优点，但价格相对也很昂贵，并且体积不适用于该产品，并且灵活性差，因此也不选用8。单片机全称为单片微型计算机(Single-Chip-MicroC omputer)。它在一个芯片上集成了CPU, ROM, RAM、计数器/定时器、多个阳接口，从而在一个芯片上构成了一台计算机，具有集成度高，体积小，重量轻的特点。由其组成的微机控制系统具有较少的外部引线，因而有较强的抗干扰能力。同时，单片机具有很强的数据处理能力，体现
30、在运算速度和运算精度上，能够满足闸门控制的实时性和准确性要求。单片机拥有丰富的外部信号处理资源。如果能充分利用9单片机本身具有的硬件资源，只需要加少量的辅助电路，就能够构成一个完整的系统，应用灵活方便，硬件结构简单，性价比高，可靠性易于保证的全数字式控制系统。自1971年美国Inte互公司研制出第一片单片机一-MCS-4以来，单片机技术在与其它科学技术的融合中不断发展，已经成为一门应用广泛的成熟技术，应用领域涉及工业控制、通讯、交通、消费电子产品、办公自动化等领域。在我 国 ， 单片机的应用开发已走过二十个春秋。在各个工程应用领域，单片机应用都拥有大批的工程技术人员，他们巧妙地将单片机引入自己
31、熟悉的工程技术领域，解决了许多技术难题，使我国的单片机应用达到一个新的水平。综上所述，以单片机作为闸门控制系统的核心控制部件是必要而可行的。在当今的单片机市场，种类繁多，功能齐备的单片机层出不穷。各种单片机都有其独有特点，至于具体选择哪种单片机型号，则完全遵循设计的先进性和工程应用的实际需要。1. AT89C52 芯片AT89C52 是美国 Atmel 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8KB 的可反复檫写的程序存储器和 12B 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用 Atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内配置通用 8
32、 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52 单片机属于AT89C51 单片机的增强型，与 Intel 公司的 80C52 在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。AT89C52 引脚图如图 2.2 所示：图 2.2 AT89C52 引脚图10AT89C52 为 40 脚 双 列 直 插 封 装 的 8 位 通 用 微 处 理 器 ， 采 用 工 业 标 准的 C51 内 核 ， 在 内 部 功 能 及 管 脚 排 布 上 与 通 用 的 8xc52 相 同 ， 其 主 要 用于 会 聚 调 整 时 的
33、 功 能 控 制 。 功 能 包 括 对 会 聚 主 IC 内 部 寄 存 器 、 数 据 RAM及 外 部 接 口 等 功 能 部 件 的 初 始 化 ， 会 聚 调 整 控 制 ， 会 聚 测 试 图 控 制 ， 红 外 遥控 信 号 IR 的 接 收 解 码 及 与 主 板 CPU 通 信 等 。 主 要 管 脚 有 ： XTAL1（ 19 脚 ） 和 XTAL2（ 18 脚 ） 为 振 荡 器 输 入 输 出 端 口 ， 外 接 12MHz 晶 振 。 RST/Vpd（ 9 脚 ） 为 复 位 输 入 端 口 ， 外 接 电 阻 电 容 组 成 的 复 位 电 路 。 VCC（ 40
34、脚 ） 和 VSS（ 20 脚 ） 为 供 电 端 口 ， 分 别 接 +5V 电 源 的 正 负 端 。 P0P3 为 可 编 程 通 用 I/O 脚 ， 其 功 能 用 途 由 软 件 定 义 ， 在 本 设 计 中 ， P0 端 口 （ 3239 脚 ） 被 定 义 为 N1 功 能 控 制 端 口 ， 分 别 与 N1 的 相 应 功 能 管 脚 相 连 接， 13 脚 定 义 为 IR 输 入 端 ， 10 脚 和 11 脚 定 义 为 I2C 总 线 控 制 端 口 ， 分 别连 接 N1 的 SDAS（ 18 脚 ） 和 SCLS（ 19 脚 ） 端 口 ， 12 脚 、 27
35、脚 及 28 脚 定 义 为 握 手 信 号 功 能 端 口 ， 连 接 主 板 CPU 的 相 应 功 能 端 ， 用 于 当 前 制式 的 检 测 及 会 聚 调 整 状 态 进 入 的 控 制 功 能 。P0 口 ： P0 口 是 一 组 8 位 漏 极 开 路 型 双 向 I/O 口 ， 也 即 地 址 /数 据总 线 复 用 口 。 作 为 输 出 口 用 时 ， 每 位 能 吸 收 电 流 的 方 式 驱 动 8 个 TTL 逻辑 门 电 路 ， 对 端 口 P0 写 “1”时 ， 可 作 为 高 阻 抗 输 入 端 用 。在 访 问 外 部 数 据 存 储 器 或 程 序 存 储
36、 器 时 ， 这 组 口 线 分 时 转 换 地 址 （ 低8 位 ） 和 数 据 总 线 复 用 ， 在 访 问 期 间 激 活 内 部 上 拉 电 阻 。P1 口 ： P1 是 一 个 带 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P1 的 输 出缓 冲 级 可 驱 动 （ 吸 收 或 输 出 电 流 ） 4 个 TTL 逻 辑 门 电 路 。 对 端 口 写 “1”，通 过 内 部 的 上 拉 电 阻 把 端 口 拉 到 高 电 平 ， 此 时 可 作 输 入 口 。 作 输 入 口 使 用 时， 因 为 内 部 存 在 上 拉 电 阻 ， 某 个 引 脚 被 外 部
37、信 号 拉 低 时 会 输 出 一 个 电 流 (IIL)。与 AT89C51 不 同 之 处 是 ， P1.0 和 P1.1 还 可 分 别 作 为 定 时 /计 数 器 2 的 外 部 计 数 输 入 （ P1.0/T2） 和 输 入 （ P1.1/T2EX） 。P2 口 ： P2 是 一 个 带 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P2 的 输出 缓 冲 级 可 驱 动 （ 吸 收 或 输 出 电 流 ） 4 个 TTL 逻 辑 门 电 路 。 对 端 口 P2 写 “1”， 通 过 内 部 的 上 拉 电 阻 把 端 口 拉 到 高 电 平 ， 此 时 可
38、作 输 入 口 ， 作 输 入 口使 用 时 ， 因 为 内 部 存 在 上 拉 电 阻 ， 某 个 引 脚 被 外 部 信 号 拉 低 时 会 输 出 一 个 电流 (IIL)。在 访 问 外 部 程 序 存 储 器 或 16 位 地 址 的 外 部 数 据 存 储 器 （ 例 如 执 行 MOVX DPTR 指 令 ） 时 ， P2 口 送 出 高 8 位 地 址 数 据 。 在 访 问 8 位 地 址的 外 部 数 据 存 储 器 （ 如 执 行 MOVX RI 指 令 ） 时 ， P2 口 输 出 P2 锁 存器 的 内 容 。P3 口 ： P3 口 是 一 组 带 有 内 部 上 拉
39、 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 。 P3 口输 出 缓 冲 级 可 驱 动 （ 吸 收 或 输 出 电 流 ） 4 个 TTL 逻 辑 门 电 路 。 对 P3 口11写 入 “1”时 ， 它 们 被 内 部 上 拉 电 阻 拉 高 并 可 作 为 输 入 端 口 。 此 时 ， 被 外 部 拉 低的 P3 口 将 用 上 拉 电 阻 输 出 电 流 。P3 口 除 了 作 为 一 般 的 I/O 口 线 外 ， 更 重 要 的 用 途 是 它 的 第 二 功 能 。RST： 复 位 输 入 。 当 振 荡 器 工 作 时 ， RST 引 脚 出 现 两 个 机 器 周 期 以 上高
40、 电 平 将 使 单 片 机 复 位 。ALE/PROG： 当 访 问 外 部 程 序 存 储 器 或 数 据 存 储 器 时 ， ALE（ 地 址 锁存 允 许 ） 输 出 脉 冲 用 于 锁 存 地 址 的 低 8 位 字 节 。 一 般 情 况 下 ， ALE 仍 以时 钟 振 荡 频 率 的 1/6 输 出 固 定 的 脉 冲 信 号 ， 因 此 它 可 对 外 输 出 时 钟 或 用 于 定时 目 的 。 要 注 意 的 是 ： 每 当 访 问 外 部 数 据 存 储 器 时 将 跳 过 一 个 ALE 脉 冲。MOVX 和 MOVC 指 令 才 能 将 ALE 激 活 。 此 外
41、， 该 引 脚 会 被 微 弱 拉 高， 单 片 机 执 行 外 部 程 序 时 ， 应 设 置 ALE 禁 止 位 无 效 。PSEN： 程 序 储 存 允 许 （ PSEN） 输 出 是 外 部 程 序 存 储 器 的 读 选 通 信 号， 当 AT89C52 由 外 部 程 序 存 储 器 取 指 令 （ 或 数 据 ） 时 ， 每 个 机 器 周 期 两 次PSEN 有 效 ， 即 输 出 两 个 脉 冲 。 在 此 期 间 ， 当 访 问 外 部 数 据 存 储 器 ， 将 跳 过两 次 PSEN 信 号 。EA/VPP： 外 部 访 问 允 许 。 欲 使 CPU 仅 访 问 外
42、部 程 序 存 储 器 （ 地 址 为 0000HFFFFH） ， EA 端 必 须 保 持 低 电 平 （ 接 地 ） 。 需 注 意 的 是 ： 如 果 加密 位 LB1 被 编 程 ， 复 位 时 内 部 会 锁 存 EA 端 状 态 。 如 EA 端 为 高 电 平 （ 接Vcc 端 ） ， CPU 则 执 行 内 部 程 序 存 储 器 中 的 指 令 。XTAL1： 振 荡 器 反 相 放 大 器 的 及 内 部 时 钟 发 生 器 的 输 入 端 。XTAL2： 振 荡 器 反 相 放 大 器 的 输 出 端 。主要功能特性： 兼容 MCS51 指令系统 8k 可反复擦写(100
43、0 次）Flash ROM 32 个双向 I/O 口 256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时/计数器中断 时钟频率 0-24MHz 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源 共 6 个中断源 2 个读写中断口线 AT89C52 有 256 个字节的内部 RAM，80H-FFH 高 128 个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高 128。RAM 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。2. 8031 芯片与 8051 芯片8031 芯片与 8051 芯片的特点。8031 单片机是 Intel 公司生产的 MCS
44、-51 系列单片机中的一种，它的特点是片内不带程序存储器 ROM，使用时用户需外接12程序存储器和一片逻辑电路 373，外接的程序存储器多为 EPROM 的 2764 系列。如下图 1-1 所示。用户若想对写入到 EPROM 中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。8051 是 Intel 公司推出的通用型单片机，片内有 4k ROM，无须外接外存储器和 373，更能体现“单片”的简练。如下图 1-2 所示。但是所编的程序无法烧写到其 ROM 中，只有将程序交芯片厂代烧写，并是一次的，今后我们和芯片厂都不能改写其
45、内容。图 1-1 8031 引脚图13图 1-2 8051 引脚图依上所述可知：8031 单片机片内没有程序存储器 ROM，而且对写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言；8051 虽有程序存储器 ROM，但是所编的程序无法烧写到其 ROM 中，只有将程序交芯片厂代烧写，并是一次的。在此我们所选用的 AT89C52 芯片不仅能够克服依上缺点，而且其精度更高。所以在此次设计中，我们选用 AT89C52 芯片。2.4 系统总体方案设计2.4.1 闸门控制系统的功能闸门开度荷重测控仪用于测量、显示和控制闸门的开度及起吊荷重，能够适应各种不同吨位、不同开度的闸门启闭机的监控要求。仪表采用面板表
46、式，即可显示闸门的位移（开度）和载荷值，又可控制闸门的升降高度。仪表可设定多级载荷报警值和预置开度设定，可以实现载荷超限报警和预置开度触点值输出，有很好的安全控制冗余度和良好的人机界面。1. 主要技术性能和参数：（1）测量范围：位移（开度）：0100m；荷重：0.5%F.S；（2）综合精度：位移（开度）：0.5 m；荷重：0400T；（3）输出一路420mA的电机速度调节信号；（4）显示器显示闸门开度、荷重、偏载、报警值等；（5）使用电源：正常工作电压；（6）工作环境：工作温度为-1040，相对湿度为90%（RH40）；（7）上限开度、下限开度、任意开度、预置功能：当闸门开度上限预14置、闸门
47、开度下限预置是，光报警信号及继电器触点输出；（8）输入：荷重信号、位移信号；（9）输出：模拟量输出、继电器控制触点、RS485数据通信接口。2. 工作原理：开度传感器其机械部分与启闭机卷扬筒直接相连，通过各种连接方式将闸门的升、降位移量转换成测量轴的角位移量，通过变速器将使编码器码盘转动，从而使得传感器输出相应的编码量，通过多芯信号电缆送到测控仪。荷重传感器安装于启闭机卷扬筒两端轴承座支架上，通过电缆将采集到的荷重信号送人显示仪单片机系统。单片机系统将采集到的开度编码值经软件进行码值转化、标度变化等计算出即时闸门垂直开度值，然后送显示，同时把此值与警戒值做比较，当开度值达到设定值时，驱动相应的
48、继电器动作，以触点形式作为控制输出，并以声光报警指示到位状态。2.4.2 总体方案确定闸门开度荷重测控仪的总体设计思路是：以单片机为中央处理器，辅以强大功能的外围模拟、数字电路功能模块，使测控仪能够接收远端控制中心的控制信号、驱动继电器工作、显示闸门的开度载荷状态并在故障时报警，真正实现测控仪的智能化。从控制系统的信号通道类型来分，测控仪主要由以下几个部分组成（如图2.3所示）：图2.3 测控仪总体方案框图153 系统硬件电路的设计作为一个实现功能丰富、元器件复杂、工作独立的单片机系统，首先要考虑的就是系统的硬件电路的设计。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容，一部分是系统扩展，即
49、单片机的功能单元，如ROM, RAM, VO口、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D, D/A转换器等，要设计合适的接口电路本课题在硬件系统的扩展和配置设计中遵循以下原则:1.尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。2.系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。3.硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是:软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构 。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU的时间(比如延时程序)。4.整个系统的性能要尽量做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片;选择CMOs芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品。165.可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去祸滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。6.单片机外接电路较多时，必须考
