基于CAN总线的隧道监控系统设计

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。本设计是基于隧道交通监控系统的设计与实现工作。该系统的主要设计目的是要实现监控上的自动化远程控制，并研究设计出更加合理的监控方案，提高监控系统的智能性，减少能耗，以保证隧道的长期顺畅运行。通过CAN 总线将下节点模块连接在一起，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。本设计融合了网络技术、计算机控制技术、现场总线技术、面向对象设计方法等，在实际部署整体系统时需要综合布线技术。通过对隧道监控系统的软硬件进行分析设计及实现，论证了利用PLC和CAN现场总线技术结合组态软件开发隧道监控系统的优点:降低开发成本，系统可靠性高，可扩展性高，易操作等。关键词：隧道监控；CAN总线；PLC；数据采集AbstractWith rapid development of information technology, various data collection and processing of real-time control in modern industry has become indispensable. 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。 The gradual development of modern control systems to open, distributed system development, that is, a set of real-time data acquisition, data processing and decision-making in one data control system. 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。 This control system collected data accurate, timely, well-integrated expert system, able to provide accurate and timely decision-making system. This design is based on the tunnel traffic control system design and implementation work. 该系统的主要设计目的是要实现监控上的自动化远程控制，并研究设计出更加合理的监控方案，提高监控系统的智能性，减少能耗，以保证隧道的长期顺畅运行。 The main purpose of the system design is to achieve automatic control on the remote control, and research and design a more rational surveillance programs to improve the monitoring system of ntelligence, reduce energy consumption, to ensure the tunnel running smoothly. The next node through the CAN bus modules connected together to form an open intelligent perception module can easily increase or decrease in the number of nodes and types can be achieved on-site plug and play data acquisition module, and remotely via the Web data acquisition and control functions, to achieve work-site environment, remote monitoring and control.The design combines network technology, computer control technology, field bus technology, object-oriented design methods, the actual deployment of the whole system needs to integrate wiring technology. 通过对隧道监控系统的软硬件进行分析设计及实现，论证了利用PLC和CAN现场总线技术结合组态软件开发隧道监控系统的优点:降低开发成本，系统可靠性高，可扩展性高，易操作等。 Tunnel monitoring system by analyzing the hardware and software design and implementation, demonstrate the use of PLC and CAN bus configuration software combines the advantages of the tunnel control system: Reduce development costs, high reliability, high scalability and easy operation and so on. 关键词：隧道监控；CAN总线；PLC；数Key words: tunnel monitoring; CAN bus; PLC; data acquisition 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 隧道监控的发展现状随着我国城市化，现代化进程的加快，交通流量变的越来越大，为了缓解或有效解决日益严重的城市交通问题，提高道路的空间利用率，修建各种城市隧道或地下构筑物己成为急剧增长的趋适。城市隧道对减少城市道路用地、缩短行车里程、疏导城市交通起到积极的作用。目前我国己建成的隧道超过1069座，单通道延长超过340公里，建成的3000米以上的隧道13座，随着国家加大公路建设的步伐和力度，国家主干线上正在建设和“十五”将要建设的特长隧道不少于30座。因此，隧道安全问题日益引起关注。解决方法是采用隧道交通监控系统，通过传感器采集各种隧道运行信息，并进行分析、判断、决策，对隧道采取恰当的控制措施、减小偶发事件的影响，使得隧道内的交通流平稳、安全、通畅地运行，改善环境质量和提高能源利用率，以获取隧道最佳的运行效益。(1)发达国家的交通控制系统当前世界各国广泛使用的最具代表性且有实效的城市道路交通控制系统有英国TRANSYT与SCOOTS交通控制系统和澳大利亚的SCATS系统。下面就它们做一简单的介绍。TRANSYT是由英国道路研究所花费近十年时间研制成功的控制系统，经过不断改进，已发展到TRANSYT一8型，被世界400多个城市采用，是最成功的静态系统。其不足是:计算量大;不对周期进行优化;离线优化，需要大量的路网几何、交通流数据。系统是澳大利亚于70年代末开发的。SCAT系统呈现分层阶梯形式，充分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更改，控制方案较为容易变换。不足是:实际上是一种方案选择系统，限制了配置时参数的优化程度;过分依赖计算机硬件，移植能力差;SCOOT系统也是由英国道路研究所在TRANSYT系统的基础上采用自适应控制方式，经过八年的研究于1980年提出的动态交通控制系统。SCOOT仍采用了TRANSYT的交通模型，吸收了TRANSYT各方面的优点，并因SCOOT的实时控制，获得了明显优于静态系统的效果，被很多国家采用。其不足是:相位不能自动增减，任何路口只能有固定的相序;独立的控制子区的划分不能自动完成，只能人工完成。 (2)中国交通控制系统发展状况我国的城市交通控制系统发展的比较晚，七十年代北京市采用DJS一130型计算机对干道协调控制进行了研究。八十年代以来，国家一方面进行以改善城市中心交通为核心的UTSM技术研究;另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通控制系统。比如北京使用的交通信号控制系统主要是简易单点信号机、MSKE一20型处理器路口信号机(属于TRANSYT系统)和T-20OMKZ型路口信号机(属于SCOOT系统)。这些信号系统在北京的运行取得了满意的效果，但是我国的人文地理等方面决定了我国的国情具有特殊性，交通状况与国外也有较大的差距。因此需要开发适合我国交通现状的信号控制器。令人高兴的是，国内己经有很多的研究所或大学或公司开发了微机化、模块化的信号控制系统，比如由我们西北工业大学空中交通管理研究所研制与开发的XATM系列智能交通信号机、由深圳市英特利信息技术有限公司开发的ARGUS交通信号控制系统、由杭州美伦电声有限公司开发的MLTC04交通信号机等，这些信号控制系统都采用了多相位、多时段控制方式，克服了早期信号机简单的两相位、单时段控制带来的不灵活性等缺点，在功能方面也增加了不少，比如XATM系列智能交通信号机，在控制模式、应急方案、硬件事故检测与保护、联网功能、软件人机界面、控制优化算法等方面都比早期的信号机有了较大的提高。1.2 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。1.3 PLC在现代工业发展中的应用可编程序控制器（PLC）作为新一代的工业控制器，因其具有通用性好，可靠性高，维修方便、编程方法容易等优点而广泛应用于工业领域。自动化技术的应用可以显著提高机械设备的生产率、柔性及灵活性，以及完成复杂动作的能力，是产业机械设备功能提升的核心技术。从控制规模上来说，PLC有大型机和超小型机；从控制能力上来说，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。伴随而用的可编程控制器(PLC)向着高性能小型一体化发展。该类高性能、高品质的PLC技术及产品，充分融合了计算机技术、通讯技术、电子技术和自动控制技术的最新研发成果，而产品在方案没计、硬件选择、软件功能、网络通讯、用户接口等方面充分考虑用户的使用习惯和应用现场的特点，深受市场青睐。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。1.4 隧道监控系统设计的内容及任务1、 系统的主要内容隧道监控系统主要由照明系统、通风系统、火灾报警系统、消防控制系统、排水系统等子系统构成。本课题工作主要有传感器选择；系统软、硬件的设计（上、下节点）；现场总线网络设计。2、 要达到的目标（1） 让管理人员能实时全面掌握隧道交通、环境和设备运行状态。（2） 及时发现各种突发事件，达到预防隧道发生火灾和交通事故的目的，从而保证隧道设备的安全运行。（3） 确保隧道行车舒适、安全、流畅。第2章 隧道监控系统功能概述2.1 城市隧道特点概述隧道现己是高速公路及城市公路系统的重要组成部分，其中城市隧道内有车流量大、光线不充足、空气质量较差等特点，因此相比于一般路段一旦发生交通事故，由于空间有限，隧道内的事故处理起来会比较困难，会导致中断交通时间较长，若发生火灾，则危险更大;，再由于其明显的低地势特点，容易形成积水，尤其是在大雨时，因此隧道的排水系统也处于十分重要的地位。城市隧道一般处于城市公路交通网的咽喉地段，并且路段交通流量一向较大，尤其是在上下班的高峰时间。因此如果发生交通意外，很容易造成大量汽车拥堵，给救援、维护工作增加困难。所以，保持隧道的安全畅通对整个公路网的正常运行非常重要。建立隧道交通监控系统是保障隧道交通安全畅通、提高隧道交通通行效率和舒适度的关键系统。2.2 系统总体功能针对以上城市隧道的特点以及该隧道本身的实际情况，建立隧道监控系统的主要目的是使系统对隧道的各种环境参数值进行实时监测，一旦发生异常可迅速的感知异常发生的地域、类型，对隧道内的偶发事故及时发现并处理，解决因偶发事故而产生的交通堵塞问题。这需要实现对行车、环境、设备以及隧道本身结构等状态的监视与控制;才能达到通道行车畅通、提高通道通过能力、改善运营环境的目的。其主要的功能是对系统的各个子系统以及相关的外围设备进行全天候不间断的监视、控制、报警。系统实时采用隧道内各区域的各种数据信息，对它们进行实时运算、分析与处理;并具有事故自动检测功能;交通控制预案自动选择功能;显示功能;图像监视功能;系统设备检测功能;协调处理系统内部交通管理业务功能等;将处理数据实时的上传到数据中心。2.3 系统功能的划分我们将系统的总体功能进行了详细划分，由此决定该监控系统由多个子系统组成。(1) 中心计算机集成信息系统中心计算机系统是整个隧道监控的核心部分。它具有以下功能:实现全隧道各监控子系统的集成显示和控制;全隧道监控的集中显示、统一管理;环境、行车、电话广播等参数的统计、显示、存储、打印等;隧道异常情况下，提供阂值警示等;(2)视频图像监控子系统它具有的功能:监视整条隧道的车流状况;在有事故报警或火灾情况下，通过控制台将电视墙监视画面切换至相关区段并且可以对画面进行推进或拉远控制，使中央控制室能更加清晰地全面地监视事故现场情况，特别是火灾时，能及时了解现场的灾害规模及车辆、乘客疏散情况;系统能对视频信号进行数字化存储和回放，普通视频信息存储周期大于一周，敏感信息可保存三个月以上。(3)广播通讯和紧急电话子系统在隧道内设置紧急电话和隧道广播系统，当隧道出现紧急情况时，监控中心可以利用紧急电话和隧道广播系统呼叫，及时疏导交通。也可以通过隧道紧急电话向监控中心报警。(4)交通控制子系统一该子系统根据中心计算机信息系统得到的交通参数，环境参数等综合判断，通过控制平台发出自动或手动控制信号，控制隧道口交通信号灯和隧道内车道控制灯，调整隧道的交通状况。交通信号灯有自动、手动方式，均受控制平台控制。通常情况下交通信号灯显示可通行信号，在交通阻塞或出现异常状况时，由中控室操作人员发出控制信号改变交通信号灯状态。(5)交通流环境监控子系统本子系统包含两个大功能模块:交通流检测与隧道环境参数检测。交通流检测隧道交通流信息主要指隧道内实时的车辆参数信息，采用环形线圈检测器进行交通流检测，保证检测结果的可靠性和准确性。主要检测以下交通参数:每一车道和同一行驶方向上一段时间内所通过的车流量、平均车辆速度、每一车道的车道占有率等信息。交通流检测是交通监控子系统的重要组成部分，本系统在隧道全线范围内，实时收集各类交通运行信息，对全线交通流的变化进行监视环境参数检测完成隧道内能见度、CO浓度、纵向风速、风向和洞口内外光强的检测。这些环境参数是保障隧道内行车舒适、安全，实现通风、照明节能控制的重要基础。系统通过专用光强检测仪(分别设于隧道一端外50米处和隧道入口内30米处)，实时检测隧道口的内、外光强，由监控系统计算光强差。这是因为隧道是一种特殊的管状构造物。与洞外明亮宽敞的道路不同，车辆进入通过隧道过程是一个从明亮进入黑洞，又从黑洞走向明亮的过程，对于由明到暗或者由暗到明的过程需要一个适应过程，在这个适应过程中，司机很难辨认洞内路面目标或物体，因而产生视觉心理或障碍，使行车显得不安全。因此隧道口处照明的设计目的是创造良好的视觉过渡环境，避免产生黑洞现象1121。(6)消防与火灾报警监控子系统网络化的消防与火灾报警系统是整个消防系统的核心，它将完成报警信号的采集、处理、联动设备的控制。系统实时采集和处理用户火灾自动报警终端的报警数据和系统运行状态数据等，并且生成待处理信息数据库，无须处理的数据将直接存入历史数据库。这些数据来自于:隧道内点势双波段火灾探测器缆式定温探测器(用于电缆通道、安全通道)的火灾报警隧道及控制中心手动报警按钮的报警信号隧道内变电所、泵房及控制中心用房的光电式烟温感应探测仪的报警信号(7)其他外围设备监控子系统供配电监控系统: 是隧道机电系统的保障，它一旦出故障，整个隧道机电系统也将陷于瘫痪，因此该系统运行好坏，直接关系到整个隧道能否正常运行。该子系统的主要检测数据是变电所内的温度和湿度，必要时(一般指温度或湿度过高)控制变电所内通风设备调节。通风控制系统:保证隧道内通风顺畅，加快隧道内汽车运行时引起的扬尘、排放的尾气的扩展和稀释速度。由于汽车行驶排放的尾气主要是二氧化氮和一氧化碳，在一定的气候条件(一般在夏季、阳光照射、相对湿度较低)、地理环境以及连续排放的情况下，产生多种二次污染物，形成光化学烟雾，它对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道勃膜。人暴露在高浓度的氮氧化合物环境中，可引起中枢神经系统受刺激，并导致麻痹和痉挛等现象，造成免疫系统的伤害。在一氧化碳浓度过高的环境中，人的心血管系统和神经系统会受到危害。因此，该系统对于隧道内行车人员健康十分重要，尤其是在发生堵塞车辆行驶不顺畅时。照明控制系统:它是整个机电工程中投资最大的一个系统，给隧道内提供一个良好的视觉环境。由于隧道内明显是自然光线不足，需要照明系统长时间的不间断运行，因此照明设备被分成三组进行控制，其中两组分奇、偶数交替运行，一组作为应急照明备用由UPS供电。合理的安排它们的工作时间，可以延长设备寿命;同时，照明也是隧道运行成本的一个大头，优化控制方案实现降低能耗，在保证安全运行的前提下降低运行成本。排水控制系统:城市隧道处于明显的低地势，雨水很容易大量流入隧道内淹没道路，因此需要专门的排水系统及时的进行抽水工作。首义广场隧道采用一个液位仪(位于隧道中部即地势最低处)实时监测隧道内积水深度，并安装有4台水泵。防雷接地系统:随着计算机技术的发展，对隧道机电设备普遍采用计算机技术控制。但是同时也带来了新的问题，由于计算机控制电路板采用大规模、超大规模集成电路元件，在雷电过压情况下使系统非常脆弱。为了隧道的安全运行，机电系统普遍采用防雷接地设施。硬件设计2.4 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2.5 传感器的选择2.5.1 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%）。；2.5.2 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：2.6 数据采集系统电路的设计2.6.1 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）TMOD00H2.6.2 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2.6.3 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。2.6.4 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2.6.5 主机板电路光2.6.6 伺服电机以及驱动器的选择伺2.7 上位机与多单片机之间的通讯电路设计2.7.1 PC机与单片机之间的通讯介绍实际2.7.2 上位机与MAX485之间的硬件连接图上位机与2.7.3 下位机与MAX485之间的连接2.8 辅助功能电路的设计 2.8.1 温度检测电路温度2.8.2 湿度检测电路湿2.8.3 控制输出电路设计因为2.8.4 A/D转换电路设计A/D2.8.5 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3章 软件设计3.1 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3.2 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，