利用單片機實現多路監測系統的設計與研究

摘 要：利用AT89C52單片機為核心器件，設計的多路信號實時監測系統采用串行技術實現多路參數的實時監測。其最大特點是所采用的單片機、A/D轉換器、數據存儲器、顯示模塊、時實時鐘、打印機等體積都很小巧。該系統全部采用串行，除了具有對采集的數據及采集數據時的時間進行記錄、顯示、打印、掉電保護等一般功能外，還具有體積小、成本低、性能穩定可靠，可應用到煙草業、制藥業，對生產過程中的溫度、濕度等多路信號的監測；也可應用到養殖業，對養殖水中的一些物理參數如溫度、PH 值等多路信號的監測等。

關鍵詞：監測系統；串行技術；實時監測；性能穩定可靠

中圖分類號：TP39303 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)10-164-03

Design and Research of Implementing Microcontroller-based Multi-channel Monitoring System

NIU Yongkui，MA Zhenfeng，HE Shouxian

(Dalian Fisheries University，Dalian，116300，China)

Abstract：In this paper，a real-time multi-channel monitoring system by using AT89C52 microcontroller as the core component is introduced.This system uses serial communication technique to implement real-time multi-channel monitoring.Its major characteristic is the tiny structure of the microcontroller，the A/D converter，the data memory，the display module，the real time clock，the printer and so on.The serial communication technique is used extensively in the system，providing not only the general functions of recording，displaying，printing the acquired data and the time of the acquisition，and power-off protection，but also the tight volume，low cost，and stable and reliable performance.This system can be applied in the tobacco industry，and the drug manufacture industry to monitor the temperature，humidity and other multichannel signals in the production process，also it can be used in the cultivation industry to monitor some physical parameters in the water such as the temperatures，PH value and so on.

Keywords：monitoring system;serial communication technique;real-time monitoring;stable and reliable performance

1 引 言

本文采用AT89C52單片機作為核心器件，設計的多路信號實時監測系統是一個集多路數據采集、處理、顯示、打印的單片機應用系統。該系統最大特點是所采用的單片機、A/D轉換器、數據存儲器、顯示模塊、時實時鐘、打印機等體積都很小巧，系統全部采用串行技術設計，大大減少系統引腳數量、簡化系統結構、相應地提高系統的可靠性、穩定性。該監測系統可應用到煙草業、制藥業，對生產過程中的溫度、濕度等多路信號的監測；也可應用到養殖業，對養殖水中的一些物理參數如溫度、PH 值等多路信號的監測。但由于養殖業中PH值、溶解氧、氨氮傳感器多做成玻璃電極型的，輸出阻抗高，并有溫度漂移的特點^[1]，針對這類高輸出阻抗傳感器的輸入放大電路的高輸入阻抗和溫度漂移問題也進行研究。

2 硬件設計

多路監測系統采用AT89C52單片機做為處理器，其外圍接口電路包括：輸入變換電路、模擬多路開關、A/D轉換器、 E2PROM存儲器、LCM顯示模塊、實時時鐘、打印機、鍵盤、掉電保護等電路如圖1所示。

單片機AT89C52是高性價比8位單片機，其硬件及指令系統均與8051完全兼容，其存儲器除256 B的RAM外，還有8 kB的內程序存儲器，使用壽命長，數據不易揮發，而且具有邏輯加密的性能，由于片外無需接程序存儲器，省去了常規系統的EPROM和地址鎖存芯片，硬件上具有簡單、方便等優點。在他的基礎上只需擴充少量的外圍芯片就可完成所需的功能^[2]。

2.1 輸入通道

輸入通道由輸入變換電路、多路開關和A/D轉換器組成。

輸入變換電路：由于各類傳感器的輸出信號大都不是標準信號(4~20 mA/0~5 V)，因此，所設計的變換電路應把輸入信號變換成標準信號，輸出電壓要有較好的溫度穩定性，同時為了滿足測量精度的要求，對輸出阻抗高的PH值、溶解氧等玻璃電極式的傳感器，他的變換電路的輸入級應選擇高輸入阻抗的放大電路。實現高輸入阻抗的方法很多，本設計采用高輸入阻抗差動運算放大器TL064CN來實現的。該放大器不僅輸入阻抗很高，而且具有低漂移的特點，適合作電極信號處理。為抑制電極的溫度漂移，在電路中又采用了“非線性反饋”方法補償溫度(見圖2)。R為1 kΩ，1%精密電阻，其溫度系數與電極溫度系數相近，補償后輸出電壓有了較好的溫度穩定性，同時也提高了測試的準確性。變換電路后級要求輸入0~5 V的標準信號，為了滿足后級電路實現輸出信號的調零與調滿的要求，設計了運算放大器A2和A3。

模擬多路開關電路采用CD4051 芯片，其公共輸出/輸入端OUT/IN與AT89C52的AIN相連，地址邏輯輸入端A，B，C與AT89C52的P2.2，P2.1，P2.0口相連，禁止輸入端INH接地，該芯片在AT89C52的控制下完成8個通道中的1個通道的信號選擇，將信號送到AT89C52的AIN端，完成對監測參數的選擇。

A/D轉換器采用美信公司生產的串行模數轉換器MAX187，他有優越的交流特性和極低的功率消耗，易于使用，而且封裝體積小，適合于便攜式儀器。該芯片具有12位分辨率，由單一+5 V電源供電，可以接受0~5 V的模擬輸入。有一個8.5 μs逐次逼近ADC、一個快速(1.5 μs)跟蹤/保持電路及高速三線串行接口。MAX187的SCLK為串行時鐘輸入端，與AT89C52的P2.3口相連；DOUT為串行數據輸出端，與AT89C52的P2.5口相連，在SCLK的下降沿，數據改變狀態；CS為片選端，與AT89C52的P2.4口相連，低電平有效，在下降沿啟動轉換，當CS為高時，DOUT為高阻抗；AIN為采樣輸入端，與CD4051的OUT/IN相連，接收被選擇信號。

2.2 顯示電路

選擇合適的顯示液晶模塊對監測系統的外觀和功能的實現起到非常重要的作用，液晶顯示模塊LCM是由LCM控制器、RAM，ROM和LCD顯示器組成的集成顯示模塊。與傳統的顯示器件相比，具有顯示質量高、接口簡單、體積小、重量輕、功率消耗小等優點。LCM為EDM-C002型顯示模塊，是1個8位串行輸入段碼式LCD模塊，單電源+5V供電，2個接口端為串行數據輸入端DIN與串行時鐘輸入端CLK，DIN與AT89C52的P2.7口相連， CLK與AT89C52的P2.6口相連。

2.3 E2PROM

該系統采用的E2PROM是一片32 kB的AT24C256芯片 ，用來記錄采集的數據和采集數據時的時間。該芯片存儲容量大，特別適用于具有大容量數據儲存要求的數據采集系統。他是二線制串行接口芯片，由數據線SDA和時鐘線SCL構成。SCL為串行時鐘輸入端，用于控制數據的輸入與輸出，與AT89C52的P1.1口相連；SDA為雙向串行數據輸入與輸出的共用端，與AT89C52的P1.0口相連。 

2.4 時鐘

本系統采用串行通訊方式的DS1302時鐘芯片給系統提供時鐘信號(年、月、日、時、分、秒)；該芯片體積小，采用專用晶振器，幾乎無需調整即可達到國家要求的時鐘誤差標準，片內含RAM，可增加系統RAM，與AT89C52通訊只需要3條線。DS1302中的I/O為數據輸入/輸出端，與AT89C52的 P1.3口相連；SCLK為串行時鐘端，與AT89C52的P1.5口相連； RST為復位端，與AT89C52P1.4口相連。

2.5 鍵盤、打印機接口電路

鍵盤采用4×4行列式的非編碼鍵盤，行線與列線直接與AT89C52的P0口相連，高4位用于列控制，低4位用于行控制。若有鍵按下，并且僅當鍵盤陣列的對應列為低電平，通過程序對鍵盤陣列行線的讀取，可惟一地確定所按下的鍵值^[3，4]。

打印機選用串行微型打印機Tpμp-16S。AT89C52單片 機經RS 232口與Tpμp-16S連接，但因RS 232的信號電平與TTL邏輯電路產生的電平標準不一樣，所以在RS 232與AT89C52之間加一片MAX202E線驅動/接收器芯片，用來進行電平間的轉換^[5]。MAX202E線驅動/接收器內部含有2個驅動器，2個接收器；每個發送器的輸出端和接收器輸入端設有保護；使用單一的+5 V工作電壓，正常工作時需外接4個0.1 μF電容，由于在實際工作中易受到電源干擾，用0.1 μF電容接在Vcc到地之間去耦。采用MAX202E芯片避免使用其他需要±(12~15) V供電的集成電路芯片所帶來不便。打印機接口電路圖如圖3所示。

3 軟件設計

多路監測系統軟件設計的主程序流程圖見圖4。本系統起動后，首先對各種接口及相關部分進行初始化且自檢，以保證設備處在正常的工作狀態，接著對鍵盤進行掃描，當發現有鍵入命令時，即根據相應的鍵入命令執行相關操作。

在A/D變換中為了提高變換的準確度及抗干擾能力，本系統是用平滑濾波算法對測試數據進行處理，數據處理后存儲，經過相應的變換(二進制-BCD碼)后顯示，并根據要求進行打印。

4 結 語

本系統應用了單片機的串行接口技術進行設計，使該系統體積小、重量輕、成本低、性能穩定、可靠，應用該系統能提高產品的質量，給國民經濟帶來可觀效益。

對本系統輸入電路部分稍加改動，可應用于其他各行業，具有非常廣闊地應用前景。

參 考 文 獻

［1］呂俊芳.傳感器接口與檢測系統電路[M].北京:北京航空航天大學出版社，2000.

［2］薛棟梁.MCS-51/151/251單片機原理與應用(二)[M].北京:中國水利水電出版社，2001.

［3］胡漢才.單片機原理及系統設計[M].北京:清華大學出版社，2002.

［4］何立民.單片機應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社，1991.

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作者簡介

牛永奎 男，1951年出生，遼寧大連人，副教授。研究方向為電子技術應用。