【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)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，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大小；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線(xiàn)或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)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(xiàn)性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥?靈敏度高時(shí)，與被測(cè)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(cè)量無(wú)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(cè)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?gòu)耐饨缫氲拇當(dāng)_信號(hào)。 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)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(cè)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(cè)信號(hào) 的頻率較低。 15 傳感器的線(xiàn)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(xiàn)性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類(lèi)確定以后首先要看其量程是否滿(mǎn)足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線(xiàn)性，其線(xiàn)性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線(xiàn)性誤差較小的傳感器近似看作線(xiàn)性的，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)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(chēng)為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)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(cè)量系統(tǒng)測(cè)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(mǎn)足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。這樣就可以在滿(mǎn)足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。 如果測(cè)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(cè)量值，就需選用精度等級(jí)能滿(mǎn)足要求的傳感器。對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合，無(wú)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(mǎn)足使用要求 [11]。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以采集溫度為例，通過(guò)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(cè)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(xiàn)總線(xiàn) ”數(shù)字 化溫度傳感器是 DALLAS 最新單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器， 同DS1820 一樣， DS18B20 也 支持 “一線(xiàn)總線(xiàn) ”接口，測(cè)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(chǎng)溫度直接以 “一線(xiàn)總線(xiàn) ”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(chǎng)溫度測(cè)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。 16 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(xiàn)上得到）： 圖 外接電源供電 圖 寄生電源供電 17 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(xún)和中斷控制兩種方法。查詢(xún)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(xún)，以檢查 ADC 變換是否已經(jīng)結(jié)束，如查詢(xún)到變換已結(jié)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(wú)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(zhǎng)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(xiàn) 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 18 圖 33 ADC0809 與 89C51 的中斷方式原理圖 鍵盤(pán)和顯示器接口設(shè)計(jì) 鍵盤(pán)工作原理 [3] 鍵盤(pán)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(pán)輸入應(yīng)解決的問(wèn)題 1．鍵盤(pán)輸入的特點(diǎn) 鍵盤(pán)的實(shí)質(zhì)是一組開(kāi)關(guān)的集合。通常按鍵所用開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)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(guò)機(jī)械觸點(diǎn)的斷開(kāi)、閉合過(guò)程，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)一下斷開(kāi)。因而，在閉合和斷開(kāi)的瞬間均伴隨著一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)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(wú)法勝任，因此常采用軟件的方法進(jìn)行消抖。在第一次檢測(cè)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(pán)接口的工作原理 常見(jiàn)的鍵盤(pán)接口分為獨(dú)立式鍵盤(pán)接口和矩陣式鍵盤(pán)接口兩種。本系統(tǒng)采用 矩陣式鍵盤(pán)接口。矩陣式鍵盤(pán)接口是適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，它由行線(xiàn)和列線(xiàn)組 成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。矩陣式 4*4 鍵盤(pán)如圖 34 所示。從圖中可以看出，在按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，矩陣鍵盤(pán)與獨(dú)立式按鍵相比，要節(jié)省很多 I/O 口線(xiàn)。 0 1 2 34 5 6 78 9 10 1112 13 14 1512341 2 3 4+ 5 V 19 圖 34 矩陣式 4*4 鍵盤(pán)原理圖 1）矩陣式鍵盤(pán)接口的工作原理 按鍵設(shè)置在行、列線(xiàn)的交叉點(diǎn)上，行、列線(xiàn)分別連接開(kāi)關(guān)的兩端。行線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接到正 +5V。平時(shí)無(wú)按鍵時(shí)，行線(xiàn)處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線(xiàn)電平狀態(tài)鍵由此行線(xiàn)相連的列電平?jīng)Q定。列線(xiàn)如果為低電平，這行線(xiàn)電平為低；列線(xiàn)電平如果為高，則行線(xiàn)電平也高。這是識(shí)別矩陣鍵盤(pán)按鍵是否被按下的關(guān)鍵所在。由 于矩陣鍵盤(pán)中行、列線(xiàn)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(xiàn)信號(hào)配合起來(lái)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(xiàn)反轉(zhuǎn)法和鍵盤(pán)編碼。由于本系統(tǒng)按鍵較多所以采用鍵盤(pán)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(yáng)極）連接在一起并接地 (或 +5V)；每位的段選線(xiàn)（ adp）分別與一個(gè)八位的鎖存器輸出相連 。所以稱(chēng)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(jiǎn)化硬件電路，通常將所有的位的段選線(xiàn)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(xiàn)的多路復(fù)用。而各共陽(yáng)極或共陰極分別由相應(yīng)得 I/O 線(xiàn)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(xiàn)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(pán) /顯示電路 系統(tǒng)鍵盤(pán)顯示接口采用 8279 芯片，用硬件完成鍵盤(pán)與顯示器掃 描[4]。鍵盤(pán)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(pán)。用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)完成人機(jī)接口的各種操作。鍵盤(pán)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(pán)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(cè)數(shù)據(jù)經(jīng) AT89C51 單片機(jī)處理后通過(guò) I/O 口送到驅(qū)動(dòng)電路， LED 顯示甲烷氣體現(xiàn)場(chǎng)濃度。 20 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(pán)和 4 位顯示器，工作于 4 位顯示和鍵盤(pán)輸入工作方式，均為編碼掃描，其組成 可分為三個(gè)部分： 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(mén)輪流驅(qū)動(dòng) 7 段 LED顯示器。消隱顯示信號(hào)輸出 BD 線(xiàn)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(pán)接口： 16 個(gè)鍵排成 4 行 4 列的矩陣。 8279 工作于鍵盤(pán)輸入方式， 4 根列掃描線(xiàn)由 SL0SL7 經(jīng) 74LS138(2)譯碼獲得，只用其中的四根， 4 根行信號(hào)線(xiàn)由 RL0， RL1， RL2， RL3 引入。由于 8279 的輸入線(xiàn)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(yáng) 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 21 RL0RL7 內(nèi)部有上位電阻，當(dāng)無(wú)鍵按下時(shí)均為高電平，而當(dāng)有鍵按下時(shí)則被鍵盤(pán)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。 3． 8279 與 AT89C51 的接口：在硬件連線(xiàn)圖中，單片機(jī) AT89C51的 腳經(jīng)反向器接片選信號(hào) CS。 8279 的 A0端用于控制讀寫(xiě)命令 /狀態(tài)和數(shù)據(jù)， A0 與地址鎖存器 74LS373 輸出的最低位地址線(xiàn) AB0 相接，所以 8279 的數(shù)據(jù)口地址為 8FFEH，命令 /狀態(tài)口地址為 8FFFH。 8279 的CNTL、 SHIFT 引腳接地。 單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把程序計(jì)數(shù)器 PC 值初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，程 序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，