【文章內(nèi)容簡介】 分析振 動(dòng)變化情況，從而得出電梯轎廂振動(dòng)各 個(gè) 方向 上 的參數(shù)變化趨勢，以便設(shè)計(jì)人員做出相應(yīng)的對(duì)策來消減電梯 轎廂 的振動(dòng)。 本章小結(jié) 本章首先 介紹了電梯轎廂的 組成 結(jié)構(gòu)，并 對(duì)電梯轎廂進(jìn)行了受力 數(shù)學(xué) 分析，然后根據(jù)分析所得 的 結(jié)論，通過虛擬儀器進(jìn)行了振動(dòng)仿真，最后，提出了電梯轎廂振動(dòng)檢測系統(tǒng)的 總體 設(shè)計(jì)方案。 本章主要是通過對(duì)振動(dòng)分析，在整體上 來 把握電梯轎廂振動(dòng)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 方案 ，為下面第二章 著重介紹系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)提供 明確的 方向。 8 第 三 章 硬 件 設(shè)計(jì) 通過上一章節(jié)對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的介紹可知：電梯轎廂振動(dòng)檢測系統(tǒng)的硬件電路是以單片機(jī)為核心，由振動(dòng)信號(hào)檢測模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊及串口通信模塊四部分組成。因此，本章節(jié)主要是針對(duì)以上各模塊進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。 單片機(jī) 模塊 該模塊 使用的 單片機(jī) 是美國 Atmel 公司的 AT89S52 單片機(jī) ， 該型號(hào)單片機(jī)功能強(qiáng)大 ， 價(jià)格低廉 ，可以靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT89S52 單片機(jī)是一種高性能 8 位單片微型計(jì)算機(jī)，它在單一芯片內(nèi)集成了并行 I/O 口、異步串行口、 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、片內(nèi) RAM 和片內(nèi) ROM 以及其他一些功能部件。 AT89S52 單片機(jī)的基本組成如下圖 3－ 1 所示： C P U時(shí) 鐘 電 路R O M R A M定 時(shí) 器 / 計(jì)數(shù) 器并 行 接 口 中 斷 系 統(tǒng)串 行 接 口晶 振P 0 P 1 P 2 P 3 T X D R X D I N T 0 I N T 1T 0 T 1 圖 3－ 1 AT89S52 單片機(jī)的基本組成 ? 中央處理器 CPU： 單片機(jī)的核心 部件，用于產(chǎn)生各種控制信號(hào)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算和傳送； ? 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM：用于存放可以讀 /寫的數(shù)據(jù) ； ? 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 ROM：用于存放程序指令或某些常數(shù)表格 ； ? 4 個(gè) 8 位的并行 I/O 接口 P0、 P P2 和 P3：每個(gè)口都可以用作輸入或者輸出 ； 9 ? 3 個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器：用來作外部事件計(jì)數(shù)器，也可以用來定 時(shí) ； ? 內(nèi)部中斷系統(tǒng)：具有 8 個(gè)中斷源、 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)的嵌套中斷結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷服務(wù)程序嵌套， 每一個(gè)中斷源都可以用軟件程序規(guī)定為高優(yōu)先級(jí)中斷或低優(yōu)先級(jí)中斷 ； ? 一個(gè)串行接口電路：可以用于異步接收發(fā)送器； ? 內(nèi)部時(shí)鐘電路：振蕩頻率可以高達(dá) 40MHz，但是晶體和微調(diào)電容需要外接 ； 單片機(jī) AT89S52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I/O 口線，看門狗（ WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位 的 定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89S52 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 下面 對(duì) 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)時(shí) 所 用到的引腳 作下說明 ： RST（ 9腳） ：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 EA / Vpp（ 31腳） ：外部訪問允許。欲使 單片機(jī) CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器 （地址為 0000H~FFFFH） ， EA端必須 保持低電平（接地） 狀態(tài) 。需 要 注意的是：如果加密位 LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA端狀態(tài)。當(dāng) EA為高電平即 接 Vcc端時(shí) ， CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 當(dāng) F1ash存儲(chǔ)器 進(jìn)行 編程時(shí)，該引腳加上 +12V的編程電壓 Vpp。 XTAL2（ 18 腳）：接外部晶振 和微調(diào)電容的一端。在 AT89S52 片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體的固有頻率。若采用外部時(shí)鐘電路，則該引腳 須 懸空。 XTAL1（ 19 腳）：接外部晶振 和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi) 它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳 輸入外部時(shí)鐘脈沖。 單片機(jī)模塊電路連接圖如下圖 3－ 2 所示。該電路由 5V 電源給單片機(jī)供電，該芯片的 ~ 用作 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口，由于 ADC0809 輸出的是高電平，所以在程序初始化后， ~ 為低電平。 ~ 用作四位數(shù)碼管的顯示段碼輸入端口， ~ 用作動(dòng)態(tài)顯示的選位端口， ~用作串口通信的接收和發(fā)送端口， 和 分別用來控制 ADC0809 的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)和地址鎖存允許信號(hào)，由于二者均為高電平有效，所以在程序初始化后， 和 均為低電平。 10 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2C53 0 p FC63 0 p FX11 1 .0 5 9 2 M H zR11 0 kC71 0 u F+ 5 V 圖 3－ 2 單片機(jī)模塊電路連接圖 由上圖可知，該模塊 采用的是內(nèi)部方式時(shí)鐘電路。 AT89S52 單片機(jī)要形成時(shí)鐘信號(hào)，必須外接相關(guān)元件。所以用外接 晶振以及電容 C1 和C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，從而可以形成穩(wěn)定的自激振蕩器，然后將其接在反饋回路中。當(dāng)振蕩頻率在 6~12MHz 時(shí)，通常使電容 C1 和 C2 的值選擇為 30pF來進(jìn)行微調(diào)。 內(nèi)部方式時(shí)鐘電路連接圖如下圖 3－ 3 所示： X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 0 39P 0 .1 /A D 1 38P 0 .2 /A D 2 37P 0 .3 /A D 3 36P 0 .4 /A D 4 35P 0 .5 /A D 5 34P 0 .6 /A D 6 33P 0 .7 /A D 7 32P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D 10P 3 .1 /T X D 11P 3 .2 /I NT 0 12P 3 .3 /I NT 1 13P 3 .4 /T 0 14P 3 .7 /R D 17P 3 .6 /W R 16P 3 .5 /T 1 15P 2 .7 /A 1 5 28P 2 .0 /A 8 21P 2 .1 /A 9 22P 2 .2 /A 1 0 23P 2 .3 /A 1 1 24P 2 .4 /A 1 2 25P 2 .5 /A 1 3 26P 2 .6 /A 1 4 27U1A T 8 9 C5 2C53 0 p FC63 0 p FX11 1 .0 5 9 2 M H z+ 5 V 圖 3－ 3 內(nèi)部方式 時(shí)鐘電路 AT89S52 單片機(jī) 同 其他微處理器一樣，在啟動(dòng)時(shí)需要復(fù)位，使 CPU 和系統(tǒng)的各個(gè)部件 處于一種確定的初始狀態(tài)。復(fù)位信號(hào)從 RST 引腳輸入 且 高電平有效，其有效電平應(yīng)維持至少 2 個(gè)機(jī)器周期。 該模塊 采用 的是 按鍵手動(dòng)復(fù)位 方式 ， 復(fù)位 電路如下圖 3－ 4 所示 。單片機(jī)的復(fù)位是通過電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要 電源 VCC 的 電壓上升時(shí)間不超過 1ms且 通過在 VCC 與 RST 之間加一個(gè) 22uF 的電容 C3， RST 與 GND 之間加一個(gè)1k 的電阻 R1， 在按下復(fù)位按鈕后電容 C3 通過 R2 放電，同時(shí)電源 VCC 通過R1 和 R2 分壓 ， 而 R1 要比 R2 大許多， 所以 大部分電壓降落在 R1 上，使 RST 11 端得到一個(gè)高電平 從而 導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2C53 0 p FX11 1 .0 5 9 2 M H zR11 0 kC71 0 u F+ 5 V 圖 3－ 4 按鍵 手動(dòng)復(fù)位電路 一個(gè)實(shí)際單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否正常工作，首先要檢查能否產(chǎn)生正確的復(fù)位信號(hào)。復(fù)位以后，單片機(jī)內(nèi)部各寄存器的狀態(tài)如下 表 3－ 1 所示 ： 表 3－ 1 單片機(jī)內(nèi)部各寄存器復(fù)位狀態(tài) PC 0000H TMOD 00H ACC 00H TL0 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0～ P3 FFH SCON 00H IP XX000000B SBUF 不定 IE 0X000000B PCON 0XXX0000B 振動(dòng) 信號(hào)檢測模塊 該模塊所選 MMA7260QT 低成本微型電容式加速度傳感器采用了信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，提供 4 個(gè)量程可選，并且因其小巧輕便，將其安裝在電梯轎廂中實(shí)時(shí)檢測電梯運(yùn)行中的轎廂振動(dòng)狀況，從而可以提高電梯的安全性能。 MMA7260QT 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖 3－ 5 所示。 gnSelect1 和 gnSelect2 為量程選擇控制， Sleep Mode 為休眠模式控制，當(dāng)其為高電平時(shí) MMA7260QT 正常工作，低電平時(shí)休眠。 Xout、 Yout、 Zout 分別為 X、 Y、 Z 三個(gè)方向的模擬輸出，并且該芯片采用 5V 直流電作為其工作電壓，所以 Vss 為 5V供電源的正極，在 5V 的工作電壓下，當(dāng)檢測到有振動(dòng)信號(hào)時(shí)輸出電壓為 ，輸出端經(jīng) NPN 型三極管將電流放大后與 ADC0809 的 IN0 連接。 三軸加速度傳感器是一種可以對(duì)物體運(yùn)動(dòng)過程中的加速度進(jìn)行測量的電子設(shè)備，本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)技術(shù)將 MMA7260QT 應(yīng)用在電梯轎廂振動(dòng)檢測圖 時(shí)鐘電路 12 方面。 gn S e l e c t 1gn S e l e c t 2S l e e p M o d eVD DXO U TYO U TZO U TV s sG C e l l傳 感 器 單元振 蕩時(shí) 鐘發(fā) 生 器X 溫 度補(bǔ) 償增 益 +濾 波 器Y 溫 度補(bǔ) 償Z 溫 度補(bǔ) 償容 壓轉(zhuǎn) 換 器控 制 邏 輯 、 E E P R O M及 微 調(diào) 電 路 圖 3－ 5 MMA7260QT 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 振動(dòng)信號(hào)檢測模塊的