【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第 2章 主要元器件選型 轉(zhuǎn)換電路芯片選擇 采用 8位 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0809。 ADC0809是逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換 器 ，雙列直插式，最快的轉(zhuǎn)換速度為 100us，其引腳圖如圖 21所示： I N 026m s b2 1212 220I N 1272 3192 418I N 2282 582 615I N 312 714lsb2 817I N 42E O C7I N 53A D D A25I N 64A D D B24A D D C23I N 75A L E22r e f ( )16E N A B L E9S T A R T6r e f ( + )12C L O C K10 圖 21 ADC0809引腳圖 它由 8路模擬開關(guān)， 8位 A/D轉(zhuǎn)換器，三態(tài)輸出鎖存器以及地址鎖存器譯碼器等組成。但由于其抗工頻干擾能力較弱，因此綜合考慮下來，我們決定采用雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器。 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力。對(duì)正負(fù)對(duì)稱的工頻干擾信號(hào)積分為零，所以對(duì) 50HZ 的工頻干擾抑制能力較強(qiáng)，對(duì)高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用 [5]。只要干擾電壓的平均值為零，對(duì)輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對(duì)本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號(hào)，很容易受到工頻信號(hào)的影響。故而采用雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路 的要求。 作為稱重儀，系統(tǒng)對(duì) AD 的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上 11 位的 AD 足以滿足要求。另外雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器較強(qiáng)的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價(jià)格。綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我最終選擇了 MC14433。 MC14433 是美國(guó) Motorola 公司推出的單片 3 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器所有的 CMOS 模擬電路和數(shù)字電路 [3]。具有外接元件少，輸入阻蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的 A/D 轉(zhuǎn)換器 ，其主要功能特性如下： ：讀數(shù)的 177。%177。1 字 ； ： 和 兩檔 ；： 2—25 次 /s； ：大于 1000MΩ ； ： 177?！?77。8V；： 8mW（ 177。5V 電源電壓時(shí)，典型值）； BCD 碼輸出方式，即千、百、十、個(gè)位 BCD 碼分時(shí)在 Q0—Q3 輪流輸出，同時(shí)在 DS1—DS4 端輸出同步字位選通脈沖，很方便實(shí)現(xiàn) LED 的動(dòng)態(tài)顯示。 MC1443內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 22所示： 圖 22 MC1443 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 主 控芯片選擇 本設(shè)計(jì)開始時(shí)，我原本想采用 CPLD（復(fù)雜可編程邏輯電路）或 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門列陣）作為系統(tǒng)的控制器。因?yàn)?CPLD具有豐富的可編程 I/O引腳，使用方便靈活，不但可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序邏輯功能，適合完成各種算法和組合邏輯 [9]。但是功耗要比較大 ,且集成度越高越明顯。 FPGA可作為實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，特別用于大電流、大電壓場(chǎng)合的控制，規(guī)模大，密度高，它將所有的器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可用 EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。 FPGA采用并行 的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 但考慮到由于設(shè)計(jì)的是擺錘運(yùn)動(dòng)控制， FPGA的高速處理功能不能得到充分的體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)芯片的引腳多使實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)的實(shí)際焊接的工作，降低了 PCB板的靈活性。因此我們決定改變思路，采用普通單片機(jī)控制，第一個(gè)想到的便是 8位的 51單片機(jī) AT89C51。 AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes的可反復(fù)擦寫的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes的 隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案 [7]。 單片機(jī) AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)， 40個(gè)引腳， 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2個(gè)外中斷口， 2個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2個(gè)全雙工串行通信口， AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash存儲(chǔ)器結(jié)合 在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。如圖為 AT89C51引腳圖 ： E A /V P31X119X218R E SE T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E /P30T X D11R X D10A T 89C 51 圖 23 AT89C51引腳圖 儀表放大器選擇 由于壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，所以對(duì)運(yùn)算放大器精度的要求很高。因此我們?cè)鞠氩捎酶呔鹊推七\(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器。因?yàn)椴顒?dòng)放大蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放 ( 如 OP07) 做成一個(gè)差動(dòng)放大器，如圖 24 所示： 圖 24 OP07 構(gòu)成的差動(dòng)放大器 電阻 R R2 電容 C1 、 C2 、 C3 、 C4 用于濾除前級(jí)的噪聲， C1 、 C2 為普通小電容，可以濾除高頻干擾， C C4 為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。 但考慮到其電路復(fù)雜，需要的元器件多，成本較高。因此綜合討論下來我們還是 選用儀表放大器 INA121 芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 25 所示： 圖 25 INA121 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 INA121 是 Texes Instruments BB 公司生產(chǎn)的 FET 輸入、低功耗儀器放大電路，性能優(yōu)越。前置放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置為 50。較小的前置放大倍數(shù)可以避免極化蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 電壓的影響。電壓放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置的較高（取為 100~200 倍），則可以保證總的放大倍數(shù)。同時(shí)采用儀表放大器 INA121 構(gòu)成的電路還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元器件少，成本較低等優(yōu)勢(shì)。 電源選擇 放大模塊與 A/D 轉(zhuǎn)換模塊需要正負(fù)電源，且要求電源具有穩(wěn)定性。故剛開始首先考慮采用 MC7812(正壓 )MC7912MC（負(fù)壓）構(gòu)成的的 177。12V 穩(wěn)壓電源。但其不可調(diào)，不能滿足所需要的正負(fù) 5V 電源的要求，所以我 采用自制電源，可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的 CW317系列（ LM317）三端穩(wěn)壓器；有輸出負(fù)電壓的 CW337 系列（ LM337）三端穩(wěn)壓器。 其中， CW317系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓， CW337 系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的負(fù)電壓。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流、過熱保護(hù)電路。 自制電源輸出電壓的可調(diào)范圍為Uo=12~12V，滿足要求。 如圖 26 所示為 CW317 應(yīng)用電路圖： 圖 26 穩(wěn)壓器 CW317 應(yīng)用電路圖 顯示模塊選擇 顯示模塊主要用于重量的顯示，原本采用字符型液晶模塊 JM1602C， JM1602C能顯示基本的 ASCⅡ 碼字符，采用 CMOS 工藝低功耗，內(nèi)置 KS0066 驅(qū)動(dòng)器，數(shù)據(jù)蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 可直接傳送，用并行輸入輸出形式，數(shù)據(jù)傳送快，低延遲顯示體現(xiàn)多樣性，但是JM1602C 的引腳電平為 +5V， RAM 的引腳電平為 +，這樣就要解決電壓不匹配問題，靈活性降低 [10]。因此經(jīng)過反復(fù)比較決定選用七段 LED 數(shù)碼管顯示， LED 能顯示數(shù)字和一些基本的字母，簡(jiǎn)單易用，把它和 74LS164（串入并出移位寄存器）相使用，大大減少了控制器的 I/O 口。 本章小結(jié) 經(jīng)過仔細(xì)的分析和比較、實(shí)際模擬和理論論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：（ 1）電源模塊：采用 自制可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓電源 ；（ 2）放大模塊：采用儀表放大器 INA121；（ 3） A/D轉(zhuǎn)換模塊：采用雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器 MC14433；（ 4）控制模塊：采用單片機(jī) AT89C51；（ 5）顯示模塊：采用七段 LED數(shù)碼管 。 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 3 章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)單片機(jī)選用 ATMEL 公司的閃速存儲(chǔ)器 (flash ROM)型單片機(jī)芯片AT89C51。 AT89C51 是 ATMEL 公司的新一代 8 位的一片機(jī)產(chǎn)品，帶有 4KROM、128BRAM，最大工作頻率 24MHZ[13]；同時(shí)，具有 32 條輸入輸出線， 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 5 個(gè)中斷源，一個(gè)串行口；它具有集成度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小可靠性高，處理功能強(qiáng)，速度快等特點(diǎn)。 乳粉稱重控制的總 體結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。輸入信號(hào)送入前級(jí)放大器放大，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成 BCD 碼，然后把 BCD 碼送入單片機(jī) AT89C51 中進(jìn)行處理，最后把數(shù)據(jù)送出數(shù)碼管顯示。 圖 31 系統(tǒng)總體原理框圖 主芯片引腳應(yīng)用 1．電源引腳。 2．外接晶體引腳 XTAL1。 XTAL1 是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端， XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻，如晶振為 12MHz，時(shí)鐘頻 率就為6MHz。晶振的頻率可以在 1MHz24MHz 內(nèi)選擇。電容取 30PF 左右，具體實(shí)現(xiàn)如圖 32 所示： 輸入信號(hào) 前級(jí)放大 A/D 轉(zhuǎn)換 AT89C51 數(shù)碼管顯示 鍵盤處理 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 C2C3X1X2 圖 32 晶振電路圖 3． 復(fù)位 RST。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期（ 24 個(gè)振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腿時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個(gè)腳保持高電平， 51 芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后 P0－ P3 口均置 1 引腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器 SFR全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片為 ROM 的 00H 處開始運(yùn)行程序，如圖 33 所示： S1R E SE TE A /V ppV C C 圖 33 復(fù)位 RST 電路圖 4． 輸入輸出引腳 (1) P0 端口 [] P0 是一個(gè) 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口，端口置 1（對(duì)端口寫 1）時(shí)作高阻抗輸入端。作為輸出口時(shí)能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL。對(duì)內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收指令字節(jié) 。校驗(yàn)程序時(shí)輸出指令字節(jié)，要求外接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口是分時(shí)轉(zhuǎn)換的地址 (低 8 位 )/數(shù)據(jù)總線，訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。 (2) P1 端口 [－ ] P1 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL。端口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用，對(duì)內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收低 8 位地址信息。 (3) P2 端口 [－ ] P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 時(shí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL。端口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對(duì)內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收高 8 位地址和控制信息。在訪問外部程序和 16位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口送出高 8 位地址。而在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)其引腳上的內(nèi)容在此期間不會(huì)改變。 (4) P3 端口 [－ ] P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL。端口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。 P1－ 3 端口在做輸入使用時(shí)，因內(nèi)部有上接電阻，被外部拉低的引腳會(huì)輸出一定的電流。對(duì)內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接控制信息。除此之外 P3 端口還用于一些專門功能，具體如表 34 所示： 表 34 P3 端口的功能 P3 引腳 兼用功能 串行通訊輸入（