基于CAN总线的油井远程数据采集系统设计

本科生毕业设计（论文）摘 要随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时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数据控制系统。这样的控制系统采集的数据准确、及时，集成了完善的专家系统，能够提供准确而又及时的系统的决策。油井远程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，通过现场网络以及其他网络将数据发送到中央控制机构。系统采集的数据准确、及时，集成了完善的专家系统，能够提供准确而又及时的系统的决策。通过CAN 总线将分布在现场的数据采集模块连接在一起，构成一个开放式的智能感知模块，可以方便地增减节点的数目和种类，可以实现现场的数据采集模块的即插即用，并可以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：CAN总线；SJA1000；单片机；数据采集AbstractIn recent years, bio-chip is a developing high-tech in the field of life sciences which is the second large-scale integrated circuits after another far-reaching scientific and technological revolution. Not only of great value in basic theoretical research, but also it has a significant industrial prospect. After more than 10 years of development of technology, this study and research has been widely used in many area such as the molecular disease detection, drug development, drug guide, food safety monitoring. Preparation of a bio-chip, chip equipment biological samples must have the requirements for high precision, high speed and a high degree of automation features, making bio-chip plotter will be in the low-cost, high accuracy, high speed, high-throughput of a Improve the development direction of development. This paper on the subject of controlling system of preparation microarray chip is based on the background of preparation bio-chip which design a system using PC and SCM by the numbers and that provides a theoretical basis for the same type of system design. The design of the hardware elements include: control circuit design, communication circuit between PC and SCM design, D / A, A / D converter circuit design, temperature and humidity detection circuit design and implementation and drive circuit design. The major of designing software include the process control system program and communication program for PC and SCM.Key words: SCM; bio-chip; plotter; multi-machine communication目 录第1章 绪 论11.1 生物芯片点样仪国内外研究现状11.1.1 生物芯片点样仪国外研究现状11.1.2 生物芯片点样仪国内研究现状11.2 设计生物芯片点样仪控制系统的意义2第2章 设计方案32.1 设计方案32.2 生物芯片点样仪的结构4第3章 硬件设计53.1 控制电路的设计53.1.1 下位机的控制系统设计53.1.2 运动控制芯片的选择73.1.3 LM628控制信号的输出83.1.4 D/A转换电路设计93.1.5 反馈信号的读取113.1.6 AT89C51与LM628的硬件连接113.1.7 光栅尺的选择113.1.8 伺服电机以及驱动器的选择123.2 上位机与多单片机之间的通讯电路设计133.2.1 PC机与单片机之间的通讯介绍133.2.2 基于RS-422总线通讯网络133.2.3 上位机与MAX485之间的硬件连接图153.2.4 下位机与MAX485之间的连接163.3 辅助功能电路的设计163.3.1 温度检测电路163.3.2 湿度检测电路173.3.3 控制输出电路设计183.3.4 A/D转换电路设计203.3.5 电源电路设计22第4章 软件设计244.1 生物芯片点样仪工作流程244.2 通讯程序设计254.3 运动控制系统软件设计274.4 附加功能系统软件设计29第5章 总结31致 谢32参考文献33附 录35附 录38附 录58IV第1章 绪 论1.1 课题背景1.1.1 CAN总线的发展现场总线 (Field bus)是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。而传统的控制系统采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带。把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统(DCS)、可编程控制器(PLC)在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革，自动化设备的制造厂被迫面临产品更新换代的又一次挑战。传统的模拟仪表将逐步让位于智能化数字仪表，并具备数字通信功能。出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器;出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器;出现了带控制模块和具有故障信息的执行器，并由此大大改变了现有的设备维护管理方法。控制器局域网络 CAN(Control Area Network)总线是德国Bosch公司在20 世纪80 年代为解决汽车众多控制设备与仪器仪表之间的数据交换的一种串行通信协议随着技术的发展 , 它作为现场总线己广泛应用于各行各业的工业现场 , 以其极高的可靠性和独特的设计 , 以及高速率长距离的传输特点 , 特别适合现场监控设备的互连。由于煤矿生产的特殊性 , 地面正常运行的系统并不能直接应用于井下 , 因而煤矿监控系统的发展并没有与常用的工业控制系统一并经历了模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统和现场总线控制系统这一连续的发展阶段 。随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线(Fieldbus)就是顺应这一形式于20世纪80年代发展起来的新技术，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要的影响。由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已经不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织工业、农业机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展，CAN已经形成国际标准，并被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN总线是一种以多主工作方式、非常适合于分布式的控制系统,且具有很高的实时性和可靠性,因此CAN总线非常适用于煤矿井下的各项数据的传输。CAN的性能特点总线：(1) CAN可实现全分布式多机系统,且无主从之分，网络上任意一个结点均可在任意时刻、主动地向其他结点发送信急，通讯方式灵活，利用这一特点，可以方便地构成多机备份系统。(2) CAN可以点对点、一点对多点及全局广播几种方式传送和接收数据。成多机备份系统。(3) CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当2个结点同时向网络上发送消急时，优先级低的结点主动停止发送数据，而优先级高的结点可以不受影响继续发送信息，有效地避免了总线冲突;按结点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。(4) CAN支持4类报文帧:数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。采用短帧结构，每帧有效字节数为8个。这样传输时间短，受干扰的概率低，重发时间短，且具有良好的检错效果。(5) CAN采用循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)及其他校验措施，保证了极低的信息出错率。(6) CAN结点具有自动关闭功能，当结点错误严重时，自动切断与总线的联系，这样可以不影响总线的正常工作。(7) CAN直接通讯距离最远可达10km(传输率为5kb/s)，通讯速率最高可达1Mb/s(传输距离为40m),CAN总线上结点可达110个。通讯介质采用双绞线、同轴电缆或光导纤维。(8) CAN总线用户接口简单，编程方便，很容易构成用户系统。CAN中的总线数值为2种互补逻辑数之一:“显性”或“隐性”。“显性”( Dominant)数值表示逻辑“O”，而“隐性”(Recessive)数值表示逻辑“1”。总线位原理图如图2.1所示。“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线数值为“显性”，在“隐性”状态下，Vcan-H 和Vcan-L被固定于平均电压电平，Vdiff近似为0在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。“显性”状态以大于最小阀值的差分电压表示。如图2.2所示，在“显性”位期间，“显性”状态改写“隐性”状态并发送。1.1.2 油井远程数据采集系统的发展自德国 BOSCH 公司推出现场总线至今 ,现场总线以其系统的实用性、可靠性和经济性而倍受控制界人士青睐 ,并获得长足进步。现场总线最初用于汽车内部的测量与执行部件间的数据通信 ,如今是自动化领域技术发展的热点之一 ,被誉为自动化领域的计算机局域网。它多应用于生产现场的微机化测量控制设备间实现通信的系统 ,现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表内 ,使其各自具有数字计算和数字通信能力 ,采用可进行简单连接的双绞线等做为总线 ,把多个测量控制仪表连接成的网络系统 ,按照公开、规范的通信协议 ,在位于现场的多个微机化测量控制设备间以及现场仪表与远程件控计算机之间 ,实现数据传输与信息交换 ,形成各种适应实际需要的自动控制系统。因此 ,现场总线技术是一个控制技术新时代的开端。CAN总线通信是根据CAN 2.0B协议进行的，CAN通讯协议的实现，包括各种通讯帧的组织发送，由集成在CAN控制器中的电路来实现的，因此，CAN通信的实现主要是CAN控制器的初始化以及发送与接收数据的实现。在主控制器中，为了保证采样周期的精确性，采用硬件定时的方式；在控制节点中，采用中断的方式接收和发送相应的执行信息数据。CAN总线的初始化部分要特别注意模式寄存器MOD、接收代码寄存器ACR、接收屏蔽寄存器AMR、时钟分频器CDR、总线时序寄存器BTR0、BTR1以及输出控制寄存器OCR的初始化设置。主要确定各种通信参数，如波特率、位周期宽度、采样点位置、采样次数、输出方式等。信息的发送与接收是由SJA1000自动完成，本文无论是信息的发送还是信息的接收都是采用中断程序控制的。我国油井远程数据采集系统信息传输中广泛应用的是串行通信总线 , 主要有 RS-232、RS-485或基于上述的调制解调器传输方式等。现有采集系统在信息采集方面尚存在许多无法克服的缺点,主要表现在:采集系统主要是主从式结构,无法构成多主冗余系统; 各种形式的分站虽功能相似,但缺乏统一的规范和通信协议; 可靠性和实时性均无法满足实时测控功能的要求。CAN 总线的出现克服了以上总线的缺点 , 以其诸多的优点可较好地满足油井远程数据采集系统的要求。相比于串行通信系统 , 具有较好的差错控制能力 , 可靠性高 , 数据采集速率快 , 完善的规范和协议等优点。1.2 设计油井远程采集系统的意义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、高速数据采集、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，进而通过网络互连实现远程数据采集和控制。远程数据采集系统是由中央控制机构、各种计算机网络、现场总线以及分布在工作现场的各种传感器节点所构成的。同时可以对油井的压力、流速等进行数据的采集，以达到更好的控制。远程数据采集系统的设计思想广泛适用于工业控制系统。其底层的智能感知部分是通过CAN总线将分布在现场的数据采集模块（连接在一起，构成一个开放式的智能感知模块，可以方便地增减节点的数目和种类，可以实现现场的数据采集模块的即插即用，并可以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，有广阔的应用前景。第2章 总体设计方案2.1 远程数据采集系统设计方案数据采集系统用于采集工业现场的各种信号，并将采集到的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的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、高速数据采集、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，进而通过网络互连实现远程数据采集和控制。远程数据采集系统是由中央控制机构、各种计算机网络、现场总线以及分布在工作现场的各种传感器节点所构成的。图1 远程数据采集系统结构上位控制计算机中央控制机构网关2其他网络CAN总线模块1模块2模块n.远程数据采集模块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，通过现场网络以及其他网络将数据发送到中央控制机构。远程数据采集系统的系统总体结构如图1 所示。2.2 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收到中央控制机构或现场（ 上位）控制计算机的命令后，根据不同的命令完成相应的功能（ 数据采集或执行动作），然后将相关的采集数据或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，包括模数转换、大容量数据单元及各种传感器/执行器、CAN 控制器、CAN 驱动器等组成。如图2所示。图2 总体结构图现场数据单元控制通道前向通道单片机CAN控制器器CAN驱动器模数转换CAN接口CAN总线由于数据通信方式采用CAN总线，构成了开放式结构，各种由传感器/执行器构成的节点模块可以方便地接入数据采集系统，或从数据采集系统分离，即底层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。第3章 硬件设计3.1 电源电路的设计电源电路是指车载功放的电源部分的设计，使用的电路形式和特点。对于一个功放来说，其电源部分非常重要，专业功放的电源电路的容量往往是根据放大器的实际消耗，再加足够的富裕量，因此比同样标称功率的普通功放的容量大得多，因此电源电路可以从一个侧面反映出整个功放的好坏。稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计中需要的电源是双极性电源，分别为12V和5V。下面设计一种通过7805和7912实现的双极性电源，它的功能将AC220V电源转换为DC12V和5V的电源。用分立元件组装的直流稳压电源不但装调、维修麻烦，而且所占的体积很大。在电子设备日益小型化、微型化、智能化的今天，集成电路越来越多的代替了传统的用分立元件组装的电子电路，这同样也是直流稳压电源电路发展的趋势。随着功率集成技术的不断发展，人们已经可以把直流稳压电源电路中的电源调整管、比较放大电路、基准电压电路、取样电路、过压过流保护电路等集成在一块芯片上，制成集成稳压器。成稳压器由于使用方便，体积小，成本低，性能优良，一致性好等优点，在各种电子设备中得到了广泛的应用。在实际生产生活中，最常用的三端稳压集成电路有78系列稳压集成电路和79系列稳压集成电路。，它们的共同特点是输出的直流电压是不可调的，不同点是78系列稳压集成电路是输出直流正电压的，而79系列稳压集成电路是输出直流负电压的。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。电源电路如图3.0所示：+5V-5V-12V+12V图3.0 电源电路图3.2 传感器的选择3.2.1 压力传感器的选择压力传感器是一种将压力转换成电流/电压的器件，可用于测量压力、位移等物理量。压力传感器的种类很多，其中硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的应用。硅压阻式传感器属于其中的一种，它是在硅片上用扩散或离子注入法形成四个阻值相等的电阻条，并将它们接成一个惠斯登电桥。当没有外加压力时，电桥处于平衡状态，电桥输出为零。当有外加压力时，电桥失去平衡而产生输出电压，该电压大小与压力有关，通过检测电压，即可得到相应的压力值。但这种传感器由于四个桥臂电阻不完全匹配而引起测量误差，零点偏移较大，不易调整。Motorola公司生产的X型硅压力传感器则可以克服上述缺点。如图3.1所示，与惠斯登电桥不同，Motorola专利技术采用单个X型电阻元件，而不是电桥结构，其压敏电阻元件呈X型，因而称为X型压力传感器。该X型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上，并采用计算机控制的激光修正技术，温度补偿技术，使Motorola硅MPX系列压力传感器的精度很高，其模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。此系列中的MPX2100DP压力传感器是一种高精度硅压式压力传感器。图3.1 X型硅压力传感器具有如下特点：由于采用激光微调技术，使电桥零漂输出很小，一般小于1mV；传感器灵敏度较高，为40mV1.5mV；传感器由热敏电阻组成温度补偿网络，在-40 +125范围内有较好的温度补偿效果，从而提高了传感器的精度；具有极好的线性度（0.25%F.S）；有较宽的工作温度范围（-40 +125）；溃散电流：350A；允许过载大（400%）。；3.2.2 流速传感器的选择流速传感器选用LF-06/XS12JK磁电式转速传感器。磁电转速传感器，能将转角位移转换成电信号供计数器计数，只要非接触就能测量各种导磁材料如：如齿轮、叶轮、带孔（或槽、螺钉）圆盘的转速及线速度。传感器具有：体积小、结实可靠、寿命长、不需电源和润滑油等优点，与一般的二次仪表均可配用。输出波形：近似正弦波（50r/min时）；输出信号幅值：50r/min时300mV，信号幅值大小，与转速成正比，与铁芯和齿顶间隙的大小成反比；测量范围：505000Hz；使用时间：连续使用；外形尺寸：外径M161总长120mm(总长可根据用户定制)；工作环境：温度 -20+60C；图3.2 LF-06/XS12JK磁电式转速传感器重量：约100g（不计输出导线）；如图3.2所示：3.3 数据采集系统电路的设计3.3.1 CPU的选择AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，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。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定器/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。图3.3 AT89S52引脚图AT89S52单片机引脚如图3.1所示。AT89S52单片机最小系统如图3.2所示。图3.4 AT89S52最小系统图引脚功能说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL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FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。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4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，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。 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。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，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。 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。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。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地位字节。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指令是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。/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。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。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）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。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。芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89S52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。单片机的内部复位：复位（RST）是使主机有关部件恢复为初始状态。RST引脚为主机提供一个外部复位信号的输入端口。在时钟振荡器已正常运行后，加在RST端口上的正电平信号应至少保持两个机器周期，以实现一次复位操作。CPU响应复位信号并进行内部初始化操作，将ALE和PSEN两引脚置成输入方式（高电平）。主机在RST有效（高电平）后的第二个机器周期开始执行内部复位操作，并且在RST变为低电平前的每个机器周期均重复执行内部复位。复位后内部有关寄存器的初始状态如表3.1所示。表3.1 复位后主机内部有关寄存器的初始状态寄存器初始状态寄存器初始状态PC0000HT2MOD（00）ACC00HTCON00HB00HT2CON00HSP07HTL0200HDPTR（0.1）00HTH0200HP0P3FFHRCAP2L00HIP（000000）RCAP2H00HIE（0000000）AUXR（000）SCON00HAUXR1（0）TMOD00H3.3.2 压力、流速采集系统设计在石油开采过程中，需要确切地了解油井内部的原油压力和流速，这对于有效地提高油井的产量有十分重要的意义。本系统可以随油井钻头深入地下，实地采集并存储第一手的压力和流速数据。返回地面后，把数据送入计算机内，为分许油井状况提供准确的原始资料。为取得特定的油井深度下的原油压力和流速数据，本系统的工作时序必须与钻头进入油井的时间和所达到的深度相符合。钻头进入油井后的确定时间内，系统处于等待状态；当钻头达到预定的深度以后，系统自动开启并开始采集第一次数据；随后进入等待状态，等待下一次的数据采集。由于系统在工作前可以进行标定，所以处理后的数据能比较准确的反应油井内原油的压力和流速的真实情况。由于系统处于地下高温的工作情况下，对于所有芯片的温度的温度要求比较苛刻；再者受钻头尺寸大小的限制，需要整个系统小型化；系统一次工作时间可能长达八个小时，仅靠小型电池供电，所以要求整个系统的功耗极低。系统整体框图示于图3.2单片机压力传感器流量传感器电源电路放大器V-F变换器脉冲整形、放大状态指示外部数据存储器复位电路晶振图3.5总体框图3.3.3 压力信号调理电路的设计压力信号调理电路又包含仪表放大器、负电压发生电路及VF变换电路等。1.仪表放大器采用INA118，可将压力传感器输出的毫伏级电放大以适应VF变换器的需要。电阻R是调节仪表放大器的放大倍数。INA118是美国BB公司生产的精密仪表放大器系列中的一种，它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点，适合对各种微小信号进行放大。INA118独特的电流反馈结构使得它在较高的增益下也能保持很高的频带宽度(G=100时带宽为70kHz)。INA118由三个运算放大器组成差分放大结构，内置输入过压保护，且可通过外置不同大小的电阻实现不同的增益(从1到1000)，因而应用范围很广。INA118的主要参数如下：最大偏移电压：50V；最大温漂：0.5V/；最大输入基极电流：5nA；最小共模抑制比：110dB；输入过压保护电压：40V；电源电压：1.35V18V；溃散电流：350A；带宽：单位增益时为800kHz；稳定时间：单位增益时为25s；过载恢复时间：20s；工作温度范围：4085；2.负电压发生电路主要产生一个-5V的电压，为仪表放大器提供负电源。电路由NJU 7660和电容组成。 NJU7660的主要特点如下：可进行电平反向转换；可进行倍压转换；采用CMOS结构及DIPDMP封装；电压转换效率高达999（无负载时）；用级连的方法可实现2N倍的电压输出；工作电压在35105V之间；输出电阻为55；振荡频率为5kHz；3. VF变换电路由VF变换器AD654、电阻和电容组成。输入信号的范围0-1V，0-100KHz，输入单片机的T0端，用定时器计数器T0来记录脉冲数，以与传感器感受的压力成比例关系。AD654是美国模拟器件公司生产的一种低成本，8脚封装等的电压频率转换器。他由低漂移输入放大器、精密振荡器系统和输出驱动级组成，使用时只需一个RC网络，即可构成应用电路。AD654既可以使用单用源供电，也可以使用双电源供电，且工作电压范围跟宽。输出频率受控于输入电压的方波。主要技术性能：单电源供电电压：4.536V；双电源供电电压：518V输出频率范围：0500KHZ；线性误差：0.06%（250KHZ）；输入阻抗：250M；静态电流：2.0mA；在信号调制电路中，把输入的交变调幅信号Vin转换为频率与幅值对应的调频信号，它是模数转换器的另一种形式，是一种输出频率和输入信号成正比的电路。压力信号调理电路如图3.4所示：图3.6 压力信号调理电路工作原理是：通过电源给压力传感器供电，通过INA118把压力传感器输出的毫伏级信号放大，以适应变换器AD654的需要，在通过AD654，把输出的电压信号变换为频率信号输送到单片机的T0口来记录脉冲数，以与传感器感受的压力成比例关系。3.3.4 流速信号调理电路由磁电式转速传感器输出的慢变信号经电容工作隔直后，由运算放大器进行放大、整形，然后把输出的信号接入单片机的T1端，用T1来记录脉冲数，以与传感器转数称比例关系。电路图如3.7所示：图3.7 流速信号调理电路3.3.5 主机板电路光3.3.6 伺服电机以及驱动器的选择伺3.4 上位机与多单片机之间的通讯电路设计3.4.1 PC机与单片机之间的通讯介绍实际3.4.2 上位机与MAX485之间的硬件连接图上位机与3.4.3 下位机与MAX485之间的连接3.5 辅助功能电路的设计 3.5.1 温度检测电路温度3.5.2 湿度检测电路湿3.5.3 控制输出电路设计因为3.5.4 A/D转换电路设计A/D3.5.5 电源电路设计本设计中需要的电源是双极性电源，分别为12V和5V。下面设计一种通过7805和7912实现的双极性电源，结构如图3.16，它的功能将AC220V电源转换为DC12V和5V的电源。用分立元件组装的直流稳压电源不但装调、维修麻烦，而且所占的体积很大。在电子设备日益小型化、微型化、智能化的今天，集成电路越来越多的代替了传统的用分立元件组装的电子电路，这同样也是直流稳压电源电路发展的趋势。随着功率集成技术的不断发展，人们已经可以把直流稳压电源电路中的电源调整管、比较放大电路、基准电压电路、取样电路、过压过流保护电路等集成在一块芯片上，制成集成稳压器。成稳压器由于使用方便，体积小，成本低，性能优良，一致性好等优点，在各种电子设备中得到了广泛的应用。在实际生产生活中，最常用的三端稳压集成电路有78系列稳压集成电路和79系列稳压集成电路。，它们的共同特点是输出的直流电压是不可调的，不同点是78系列稳压集成电路是输出直流正电压的，而79系列稳压集成电路是输出直流负电压的。+5V-5V-12V+12V图3.16 电源电路第4章 软件设计4.1 生物芯片点样仪工作流程根据点样仪要完成的工作内容，绘制点样仪工作流程图，如图4.1所示。运行主程序系统启动下位机准备好点样仪回零辅助电路工作读文件判断位置玻片点样开始点样光栅迟检测是否合格完成选择工作位置写入文件YNYN图4.1 生物芯片点样仪工作流程图4.2 通讯程序设计PC机通信采用C语言编写。按照通信协议的要求，主程序应首先丢8250初始化，然后根据用户输入的地址码寻找从机。从机应答后，用户键入命令，如键入“R”表示请求单片机向主机发送数据。如键入“S”表示主机向单片机发送数据。图4.2为PC机主程序流程图，图4.3为PC机发送子程序流程图，图4.4为PC机接受子程序流程图。8250初始化开始键入从机地址码发送地址码寻址成功键入命令发送命令命令从机发送调发送子程序调接收子程序返回YNYN图4.2 PC机主程序流程图若要PC机发出帧的奇偶校验位为“1”，则编如下程序：MOVE DX，3FBH；MOVE AL，2BHOUT DX，AL装入字节数开始发数据发累加和收应答信号正确返回NY图4.3 PC机发送子程序流程图若要PC机发出的帧的奇偶校验位为“0”，则编如下程序：MOVE DX，3FBH；MOVE AL，3BHOUT DX，AL显然，若采用11位帧格式，则前者可以做地址帧，后者可以做数据帧。接收字节数开始收数据收累加和正确发“00”返回发“FF”NY图4.4 PC机接受子程序流程图4.3 运动控制系统软件设计运动控制系统是指利用AT89C51控制的运动芯片LM628的运动程序。它的流程图如图4.5所示。上位机输入数据上位机与下位机进行数据传输AT89C51将数据传送到LM628LM628进行数据分析送通道号，启动D/A转换转换结束否？将信号传送到驱动器YN驱动器驱动电机工作距离到达否？否？返回YN图4.5 运动控制系统流程图4.4 附加功能系统软件设计附加功能系统包括，温度检测，湿度检测，加热器控制，风扇控制，加湿器控制等。温、湿度检测系统流程图如图4.6所示。过程入口置采样值缓冲区首地址通道号和计算器初值送通道号，启动A/D转换读状态信号值转换结束否？读结果，存入缓冲区YN修改通道号和记数器采样值缓冲区指针检测完否？返回YN图4.6 温、湿度检测系统流程图第5章 总结此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。从最初的选题、开题到硬件设计、利用Protel进行电路图的绘制、程序设计直到完成总体的设计，都倾注了我大量的努力。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改电路图，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次实践，我了解了生物芯片点样仪的用途及工作原理，熟悉了生物芯片点样仪的设计步骤，增强了利用单片机进行生产控制系统设计的实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力。 但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。这次实践是对自己大学四年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人，为中国的发展与进步贡献自己的微薄之力。致 谢本论文是在指导教师赵越岭教授的悉心指导下完成的。导师渊博的知识以及严谨的治学态度和精益求精的工作作风使我深深受益。本论文从系统的设计和调试、理论指导和论文的框架、成文以及修改上，毕老师都严格把关、倾注了大量的心血。正是由于导师的正确指导，使得论文工作得以顺利完成，在此仅向毕老师表示衷心的感谢！本论文的研究方向是在赵越岭教授敏锐的科学预见力下选定的，在三个多月的设计过程中，始终得到赵老师学术上的帮助和生活上的关心，在此再次向赵老师表示衷心的感谢!感谢所有曾经关心和帮助过我的老师、同学和朋友!因为有了你们，我的论文才逐步的趋于完善。最后，再次对关心、帮助过我的老师和同学表示衷心地感谢！参考文献 1 梅丽凤. 单片机原理及接口技术.北京：清华大学出版社. 20042 何立民. 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Tseng W.-C. TengThe design of a single-chip tool monitoring system for on-line turni