【文章內(nèi)容簡介】 轉(zhuǎn)換速率，既而設(shè)計采用積分型的 A/D 轉(zhuǎn)換器，此外，連接溫度測量電阻的導(dǎo)線易引入工頻干擾和其他輻射干擾，選擇雙積分式的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，使系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力?；诖?，電路也不需要采樣保持器。 綜上所述，設(shè)計將使用方案一來實現(xiàn)。 5 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 為了實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化，設(shè)計采用了以單片機的控制為主體，利用傳感器、信號處理電路 來完成系統(tǒng)功能。 其中信號處理電路包括跟隨器、調(diào)節(jié)放大電路、濾波電路、程控放大器，然后利用 A/D 轉(zhuǎn)換，將采集到的模擬信號較為精確的轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號 供單片機備用，以實現(xiàn)報警、顯示、調(diào)控的功能。 檢測電路的設(shè)計 在本測試系統(tǒng)中，信號的檢測主要分為三個部分：溫度檢測、濕度檢測和煙霧檢測。檢測部分的主要功能就是將外界的溫度信號、濕度信號、煙霧信號這些非電量信號轉(zhuǎn)化為電量信號。 溫度檢測電路 對于溫度的檢測，采用的是傳感器 AD590。但是由于溫 度傳感器 AD590的輸出為電流，而 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入要求是電壓的形式，因此需要我們將溫度傳感器 AD590 的輸出轉(zhuǎn)化為電壓的形式，并進行放大后再輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器進行 A/D 轉(zhuǎn)換 [1]。 設(shè)計中采用了如圖 21 所示的 I/V 變換并利用集成放大器使輸出電壓為100mv/℃，電路中的參數(shù)的計算方法為：利用 V=IR 的關(guān)系， 當外界的溫度每升高 1℃時，傳感器的直接輸出電流為 1uA，而 1℃ =273K，那么 1K=1／ 273≈ ℃ ，為 方便使輸出的電壓為 100mV/℃ ,則 R=V/I，即為 。 其中 R R R2 用于相互配合調(diào)節(jié)測量的滿刻度值。 圖 21 溫度檢測電路 6 濕度檢測電路 濕度檢測電路采用的是傳感器 HS1101，利用該傳感器將外界的非電量信號濕度轉(zhuǎn)為電量信號。由于 HS1101 是電容式傳感器， 一 種是電壓輸出式，即輸出電壓與相對濕度成線性關(guān)系，比例系數(shù)為正值；另一種是頻率輸出式，輸出頻率與相對濕度也成線性關(guān)系，但比例系數(shù)為負值。在設(shè)計中，將 HS1101作為電容器接入到振蕩器中，利用了當相對濕度發(fā)生變化時，濕敏電容量隨之改變，使得振蕩頻率也發(fā)生變化的原理，再經(jīng)過整流濾波器和放大器，即可輸出與相對濕度成線性關(guān)系的電 壓信號 [2]。具體的電路框圖為 ： 圖 22 線性電壓輸出式相對濕度測量電路的框 圖 IC1 與 R R C1 組成多諧振蕩器，其振蕩頻率為 f=(R1+2R2)C1。在圖所示的參數(shù)下振蕩頻率為 50Hz，其輸出脈沖觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由 IC1， R3 以及 HS1101 組成。輸出脈寬取決于充電時間常數(shù)的值，即 t=（ C2+Cx），此輸出脈沖經(jīng)過 R C3 濾波后，經(jīng)放大器放大。其中 Rp1 用來調(diào)零， Rp2 用來調(diào) 至 滿刻度 [3]。具體的電路 如 圖 23 所示： 圖 23 濕度檢測電路 當電源電壓 Ucc=+5V、 T=+25℃ 時，輸出電壓與相對濕度的數(shù)據(jù)對照表如下： 表 1 輸出電壓與相對濕度的數(shù)據(jù)對照表 RH（ %） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 U0/V —— 振蕩電路 整流濾波器 放大器 HS1101 7 煙霧檢測電路 在火災(zāi)現(xiàn)場，產(chǎn)生的氣體一般是一氧化碳和二氧化碳。 本 設(shè)計采用的是TGS202 半導(dǎo)體氣敏傳感器。當 TGS202 傳感器檢測到一氧化碳或二氧化碳時，傳感器的內(nèi)阻變小， 輸出電壓迅速上升。選擇適當?shù)碾娮枳柚担沟卯敋怏w濃度達到一定程度（如一氧化碳的濃度達到 %時），傳感器的輸出的電壓。（設(shè)為 3V）。 圖 24 煙霧檢測電路 信號處理電路 的設(shè)計 為了準確獲得對描述被控對象特征的某些參數(shù)進行測量或檢測， 向 生產(chǎn)過程的自動化提供可靠的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集后的處理也顯得尤為重要。 程控放大電路 在多回路檢測系統(tǒng)中，由于各檢測點所采用的傳感器不同，即使同一類型的傳感器，不同的使用條件，輸出的信號電平也有較大的差異，通常從微伏到伏，變化范圍寬。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓通常規(guī)定為 0～ 10V 或者177。 5V。若上述傳感器的輸出電壓的范圍直接作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，就不能充分利用 A/D 轉(zhuǎn)換器的有效位，影響測定范圍和測量精度。因此，必須根據(jù)輸入信號電平的大小，改變測量放大器的增益，使各輸入通道均用最佳增益進行放大。在微型機系統(tǒng)中則采用可編程增益放大器，它是通用性很強的放大器，其特點是硬件設(shè)備少，放大倍數(shù)可根據(jù)需要通過編程進行控制使A/D 轉(zhuǎn)換器滿量程達到均一化。 8 一般的操作過程 為 ： Ui 圖 25 量程切換原理圖 跟隨器 電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如 果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖 ，并 起到承上啟下的作用。 在設(shè)計中都轉(zhuǎn)化為了電壓信號，為了能夠為后面的電路提供一個穩(wěn)定的電壓，在傳感器之后，加入了 電壓 跟隨器。 其 顯著特點就是 ： 輸入阻抗高，而輸出阻抗低 ， 一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。 數(shù)字濾波器 從 傳感器中 傳出來的有用信號 ，往往混雜了各種頻率的干擾信號。為了抑制這些干擾信號，去掉 數(shù)據(jù)中的干擾成分一般是在硬件上采取一些必要 的抗干擾的技術(shù)，通常 在信號入口處用 RC 低通濾波器。 RC 濾波器能抑制高頻干擾信號，但對低頻干擾信號的濾波效果較差。而數(shù)字濾波器可以對極低頻干擾信號進行濾波，以彌補 RC 濾波器的不足。此外，數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高，濾波參數(shù)修改方便的特點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 在本設(shè)計中，由于溫度、濕度這些量的響應(yīng)時間較長，因此設(shè)計采用中值濾波法以達到去掉由于偶然因素引起的波動而造成的誤差。 多路開關(guān) 在 檢測過程中， 需要同時使用多個傳感器進行檢測，為了能用一套檢測裝置對多個參數(shù)量進行檢測，就需要用到多路開關(guān)，對各傳感器進行分時采樣處理。在本設(shè)計中，用到的是 CC4052 雙 4 選 1 的模擬開關(guān)。 首先將三個從傳感器的輸出控制量輸入到芯片的 CC4052的 X端，利用 A、B 產(chǎn)生的二進制代碼來選通具體的一路信號進行處理及控制。具體的操作步驟為：當“ AB”同時為零時，選通第一路信號進行處理；當“ AB=01”時，選通第二路信號；當“ AB=10”時，選通第三路信號進行處理。這樣就實現(xiàn)了對各傳感器采集來的數(shù)據(jù)進行處理，達到對多個被測量進行集中監(jiān)視、數(shù)字顯示等目的 [4]。 PGA 多路開關(guān) A/D CPU 顯示 9 存儲器的擴展 在設(shè)計中要求單片機存儲器 RAM 達到 64K， ROM 達到 32K 的存儲空間，顯然 8051 的內(nèi)部存儲器遠遠不能夠滿足要求，因此需要進行數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的綜合擴展。 對于 ROM和 RAM的綜合擴展，分別采用了兩片 27128 芯片和兩片 62256芯片，利用線選法來實現(xiàn)。 控制信號及片選信號 地址線 分別通過一個非門接到 IC1（ 27128）和 IC3（ 62256）的片選CE 端，余下的兩片芯片 IC2 和 IC4 則直接與地址線 相連。當 =1 時，通過非門后，變?yōu)榈碗娖?，選中芯片 IC1 和 IC3，當 =0 時，芯片 IC2 和 IC4的片選端是低電平，因此被選中。每次同時選中兩個芯片， 具體是哪個芯片工作還要通過 PSEN 、 WR 和 RD 控制線控制。當片外程序存儲器讀選通信號PSEN 為低電平時，肯定到 ROM 中讀程序；當讀、寫通信號 RD 或 WR 為低電平則到 RAM 中讀數(shù)據(jù)或向 RAM 寫入數(shù)據(jù)。 PSEN 、 WR 、 RD 三個信號是在執(zhí)行指令時產(chǎn)生的，但在任一時刻，只能執(zhí)行一條指令，所以只能一個信號有效，其它信號不可能同時有效 [5]。 各芯片地址空間分配 硬件電路一旦確定，各芯片的地址范圍實際就已經(jīng)確定，編程時只要給出要選擇芯片的地址，就能準確的選中該芯片。結(jié)合 下 圖所示的連接，下面給出芯片 IC IC IC IC4 的地址范圍。 程序和數(shù)據(jù)存儲器地址均用 16 位， P0 口確定低 8 位， P2 口確定高 8 位地址。如 =0 時，選中 IC IC4。地址線 A0～ A15 與 P0、 P2 對應(yīng)關(guān)系如下： 高 8 位 0 / / / / / / / A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 低 8 位 / / / / / / / / A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 10 顯然除 固定外，其它位均可變，設(shè) =0，其它位全為 0，則為最小地址 0000H；若“ /“位均變?yōu)椤?1“則為最大地址 7FFFH，所以 IC IC4占用地址空間為 0000H～ 7FFFH 共 32KB。同理 IC IC3 地址范圍 8000H～FFFFH，此時 =1， IC2 與 IC4 占用相同的地址空間，由于二者一個為程序存儲器，一個為數(shù)據(jù)存儲器，在控制線 PSEN 、 WR 或 RD 控制下，不同時工作。地址空間重疊也 沒有關(guān)系。 圖 26 存儲器的擴展 I/O 端口的擴展 雖然 8051 本身具有 I/O 口，但是已經(jīng)被系統(tǒng)總線 P0 口和 P2 口用作 16位地址總線占用了一部分，真正用作 I/O 口線已經(jīng)不多，只有 P1 口的 8 位 I/O線和 P3 口的某些位線可作為輸入輸出線使用。因此，在本系統(tǒng)中，需要外擴I/O 接口電路來連接外部設(shè)備，如鍵盤、顯示器等。在本設(shè)計中，就直接利用單片機擴展接口芯片 8255A。通過芯片 8255A，就可以外擴 3 個 8 位的并行I/O 口。這樣就可以基本滿足外設(shè)的要求。 11 8255A 與單片機的連接 74LS373 是地址鎖存 器，鎖存器的 D0～ D7 分別與單片機的 P0 口的 8 位相連。 8255A 的地址線 A A0 經(jīng) 74LS373 接于 、 ；片選端 CS 經(jīng)74LS373 與 連通，其他地址線懸空； 8255A 的控制線 RD 、 WR 直接接于單片機的 RD 和 WR 端。 圖 27 8051 與 8255A接口電路 8255A 地址口的確定 在如 圖 27 的連接中， 8255A 只有 3 根線接于地址線。片選 CS 、地址選擇端 A A0。分別接于 、 、 其他地址線全懸空。顯然只要保證 為低電平，選中該 8255，若 、 再為“ 00”選中 8255A 的 A 口，同理 、 為“ 01”、“ 10”、“ 11”分別選中 B 口、 C 口及控制口。若地址用 16 位表示，其他無用端全設(shè)為“ 1”，則 8255A 的 A 口地址可表示為： 0 1 1 1 1 1 0 0 即為 FF7CH。 同理 B 口、 C 口及控制口地址分別為： FF7DH、 FF7EH、 FF7FH。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 利用傳感器 輸出都是模擬量，然而以單片機為核心的數(shù)據(jù)采集裝置及檢測系統(tǒng)只能接收數(shù)字量，因此，在傳感器和單片機之間要通過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為二進制的數(shù)字信號。在本系統(tǒng)中采用的是精