【文章內(nèi)容簡介】 復(fù)位。 3 太陽能熱水器中央控制器的硬件設(shè)計(jì) 前端模擬電路設(shè)計(jì) 現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對(duì)象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。 要進(jìn)行 — 個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確 定。因?yàn)?，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需 15 要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y位置對(duì)傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的 外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡減少從外界引入的串?dāng)_信號(hào)。 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有 — 定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號(hào)的頻率較低。 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳 感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測量帶來極大的方便。 傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇 傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。 精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測量系統(tǒng)測量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。 如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值， 16 就需選用精度等級(jí) 能滿足要求的傳感器。對(duì)某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求 [11]。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以采集溫度為例，通過選用不同的傳感器及其相應(yīng)傳感器的放大電路，可實(shí)現(xiàn)多路采集不同的測量數(shù)據(jù)如溫度 、 濕度 、 壓力等數(shù)據(jù)。 溫度傳感器選用 本系統(tǒng)采用接觸式溫度傳感器 DS18B20。 DS18B DS1822 “一線總線 ”數(shù)字化溫度傳感器是 DALLAS 最新單線數(shù)字溫度傳感器， 同DS1820 一樣， DS18B20 也 支持 “一線總線 ”接口，測量溫度范圍為 55176。C~+125176。C，在 10~+85176。C 范圍內(nèi) ,精度為 177。176。C。 DS1822 的精度較差為 177。 2176。C 。現(xiàn)場溫度直接以 “一線總線 ”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持 3V~ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。 DS18B20與單片機(jī)的典型接口設(shè)計(jì) 可以采用外接電源與寄生電源供電（就是供電電源從數(shù)據(jù)線上得到）： 17 圖 外接電源供電 圖 寄生電源供電 8255A與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤 ! ADC0809 與 89C51 單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) 用單片機(jī)控制 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)，多采用查詢和中斷控制兩種方法。查詢法是在單片機(jī)把啟動(dòng)命令送到 ADC 之后，執(zhí)行別的程序，同時(shí)對(duì) ADC的狀態(tài)進(jìn)行查詢，以檢查 ADC 變換是否已經(jīng)結(jié)束，如查詢到變換已結(jié) 18 束，則讀入轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)。中斷控制法是在 啟動(dòng)信號(hào)送入 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)之后，單片機(jī)執(zhí)行別的程序。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換器變換結(jié)束并向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，單片機(jī)響應(yīng)此中斷請(qǐng)求，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，然后返回原程序 [14]。這種方法單片機(jī)無需進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)間的管理， CPU效率高，所以特別適合于變換時(shí)間較長的 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí) [14]。本系統(tǒng)就是采用中斷控制法。 89C51 與 ADC0809接口電路圖如圖 33 所示。 將 ADC0809 作為外擴(kuò)的并行 I/O 口，由 和 WR 端的脈沖同時(shí)有效時(shí)啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，通道選擇端與 A、 B、 C 分別與地址線 A0、 AA2 相連。其端口地址為 7FF8H— 7FFFH。 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后， EOC 向 89C51的 INT1 端輸入一個(gè)高電平，既向單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)外部中斷 1 信號(hào) 。 . A T 8 9 C 5 1G 7 4 L S 3 7 3 O E1C L KA D D AA D D BA D D CP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7 W RP 2 . 7 R DI N T 12 82 72 62 52 42 32 22 1S T A R TA L EO EE O C? 1? 117 4 L S 0 21 12 5 6A D C 0 8 0 9R E F ( + )R E F ( )A L E3 4 7 8 1 3 1 4 1 7 1 8I N i1 圖 33 ADC0809 與 89C51 的中斷方式原理圖 鍵盤和顯示器接口設(shè)計(jì) 鍵盤工作原理 [3] 19 鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。 鍵盤輸入應(yīng)解決的問題 1．鍵盤輸入的特點(diǎn) 鍵盤的實(shí)質(zhì)是一組開關(guān)的集合。通常按鍵所用開關(guān)為機(jī) 械彈性開關(guān)，均利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷。一個(gè)電壓信號(hào)通過機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過程，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會(huì)一下斷開。因而，在閉合和斷開的瞬間均伴隨著一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5～ 10ms。 2．消除按鍵抖動(dòng) 1) 硬件消除抖動(dòng)一般采用雙穩(wěn)態(tài)消抖電路。 2) 軟件消除按鍵抖動(dòng)。如果按鍵較多硬件電路將無法勝任，因此常采用軟件的方法進(jìn)行消抖。在第一次檢測到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10ms 子程序后再按確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài) ，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。 3．鍵盤接口的工作原理 常見的鍵盤接口分為獨(dú)立式鍵盤接口和矩陣式鍵盤接口兩種。本系統(tǒng)采用 矩陣式鍵盤接口。矩陣式鍵盤接口是適用于按鍵數(shù)量較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。矩陣式 4*4 鍵盤如圖 34 所示。從圖中可以看出，在按鍵數(shù)量較多的場合，矩陣鍵盤與獨(dú)立式按鍵相比，要節(jié)省很多 I/O 口線。 0 1 2 34 5 6 78 9 10 1112 13 14 1512341 2 3 4+ 5 V 圖 34 矩陣式 4*4 鍵盤原理圖 1）矩陣式鍵盤接口的工作原理 按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點(diǎn)上，行、列線分別連接開關(guān)的兩端。行線 通過上拉電阻接到正 +5V。平時(shí)無按鍵時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)鍵由此行線相連的列電平?jīng)Q定。列線如果為低電平，這行線電平為低；列線電平如果為高，則行線電平也高。 20 這是識(shí)別矩陣鍵盤按鍵是否被按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在的電平。因此各按鍵彼此間互相發(fā)生影響，所以必須將行、列線信號(hào)配合起來并作適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。 2）按鍵的識(shí)別方法 按鍵識(shí)別的方法主要有掃描法、線反轉(zhuǎn)法和鍵盤編碼。由于本系統(tǒng)按鍵較多所以采用鍵盤編碼的方法。 LED 顯示器工作原理 LED 顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。 1． LED 靜態(tài)顯示 LED 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時(shí)，各位的共陰極（或供陽極）連接在一起并接地 (或 +5V)；每位的段選線（ adp）分別與一個(gè)八位的鎖存器輸出相連。所以稱為靜態(tài)顯示。各個(gè) LED 的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，直到顯示另一個(gè)字符為止。也正是因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯示的亮度比較高。 2． LED 動(dòng)態(tài)顯示 在多位 LED 顯示時(shí)，為簡化硬件電路，通常將所有的位的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，由一個(gè) 8 位 I/O 口控制，形成段選線的多路復(fù)用 。而各共陽極或共陰極分別由相應(yīng)得 I/O 線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。 由于動(dòng)態(tài) 顯示所用接口管線較少，因此本系統(tǒng)采用 LED 顯示器的動(dòng)態(tài)顯示方式。 鍵盤 /顯示電路 系統(tǒng)鍵盤顯示接口采用 8279 芯片，用硬件完成鍵盤與顯示器掃描[4]。鍵盤由 09 數(shù)字鍵，報(bào)警值設(shè)定鍵，時(shí)鐘設(shè)定鍵，左位移鍵，確認(rèn)鍵，運(yùn)行鍵等組成，采用 4179。 4 鍵盤。用戶可以通過鍵盤完成人機(jī)接口的各種操作。鍵盤以中斷方式工作。當(dāng)有按鍵時(shí)， 8279 申請(qǐng)中斷 CPU響應(yīng)中斷后轉(zhuǎn)入鍵盤監(jiān)控處理程序。顯示器采用 4 個(gè) LED 數(shù)碼管，系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)經(jīng) AT89C51 單片機(jī)處理后通過 I/O 口送到驅(qū)動(dòng)電路， LED 顯示甲烷氣體現(xiàn)場濃度。 8279 與單片機(jī) AT89C51 的硬件接口電路圖如圖 313 所示。 8279 芯片外接 4179。 8 鍵盤和 4 位顯示器，工作于 4 位顯示和鍵盤輸入工作方式，均為編碼掃描，其組成可分為三個(gè)部分： 21 圖 36 8279 與單片機(jī) AT89C51 的硬件接口電路圖 1．顯示接口：由 4 個(gè) 7 段 LED 顯示器組成。 SL0SL2經(jīng) 74LS138(1)譯碼低四位掃描控制位選口，顯示字符的段選碼由 8279 芯片的一個(gè) 4位輸出口 OUB03同步輸出實(shí)現(xiàn)，并且經(jīng) 74LS06 非門輪流驅(qū)動(dòng) 7 段 LED顯示器。消隱顯示信號(hào)輸出 BD 線與 74LS138(1)的使能端 E3相連，當(dāng)顯示功換時(shí) ,BD 輸出低電平關(guān)閉 74LS138(1)，從而達(dá)到顯示消隱的目的。 2．鍵盤接口： 16 個(gè)鍵排成 4 行 4 列的矩陣。 8279 工作于鍵盤輸入方式， 4 根列掃描線由 SL0SL7 經(jīng) 74LS138(2)譯碼獲得，只用其中的四根， 4 根行信號(hào)線由 RL0， RL1， RL2， RL3 引入。 由于 8279 的輸入線RL0RL7 內(nèi)部有上位電阻，當(dāng)無鍵按下時(shí)均為高電平，而當(dāng)有鍵按下時(shí)則被鍵盤上的按鍵拉成低電平，該鍵的行、列號(hào)信息被讀人 FIFO RAM緩沖器中。同時(shí) 8279 的中斷請(qǐng)求信號(hào) IRQ 為高電平，可向 CPU 申請(qǐng)中斷，讀取鍵值代碼。 A T 8 9 C 5 18 2 7 9R DR DI R QW RW RC SD 0D 7P 0 . 0P 0 . 7P 2 . 7A L E7 4 L S3 7 3C L KA B0A0I N T 0R S T R E S E TC N T LS H I F TO U T A3O U T A07 4L S0 67 4 L S1 3 8 ( 1 )7 4 L S1 3 8 ( 2 )O U T B3O U T B0E3CBAS L2S L1S L0R L3R L2R L1R L0B DY7Y0.Y7Y0...共 陽 4 位 L E D 顯 示a b c d e f gY3Y1Y2Y Y Y YY Y Y YY Y Y YY Y Y YCBA 22 3． 8279 與