【文章內容簡介】 ， 驅動 步進電機的轉速和轉向， P2口 輸出信號控制 發(fā)光二極管 的亮滅 。 從真空度穩(wěn)定控制系統(tǒng)整圖中，可以看出本系統(tǒng)包括信號采集模塊 ，數(shù)據轉換模塊，單片機最小系統(tǒng)，驅動模塊和執(zhí)行模塊。信號采集模塊包括電離真空計和電離規(guī)信號采集放大電路，數(shù)據轉換模塊包括 ADC0809轉換器，單片機最小系統(tǒng)包括時鐘電路，復位電路和狀態(tài)顯示電路，驅動模塊包括 ULN2021功率放大器及其電路，執(zhí)行模塊包括四相八拍步進電機。 電離真空計 電離真空計概述 普通型電離真空計用于低于 101Pa的高真空測量，在結構上它包括作為傳感元件的規(guī)管和由控制及指示電路所組成的測量儀表兩部分。其工作原理是：利用某種手段是進入規(guī)管中的部分氣體分子發(fā)生電離，收集 這些離子形成的離子流；由于被測氣體分子所產生的離子流在一定的壓力范圍內與氣體的壓力呈現(xiàn)正比的關系，則通過測量離子流的大小就可以反應出被測氣體的壓力值，電離真空計就是以此得名的 [3]。 電離真空計可按電離方式的不同分為三類：第一類是應用最廣的依靠高溫陰極熱電子發(fā)射原理工作的熱陰極電離真空計；第二類是沒有熱陰極而依靠冷發(fā)射（場致發(fā)射）原理工作的冷陰極電離真空計；第三類是采用放射性同位素作為電離源的放射性電離真空計。 本設計采用最常用的熱陰極電離真空計作為信號采集電路的輸入端。 熱陰極電離真空計的工作 原理 電子在電場中飛行時從電場獲得能量，若與氣體分子碰撞，將使氣體以一定的幾率發(fā)生電離，產生正離子和次級電子，其電離幾率與電子能量有關，電子在飛行途中產生的正離子數(shù)，正比于氣體的密度 n，在一定的溫度下正比于氣體的壓力 P。因此，可根據離子電流的大小指示真空度，這就是電離真空計的工作原理。 由于電離現(xiàn)象的過程極其迅速， 微小 的離子流的測量技術亦不難解決，故而電離真空計在高真空領域中得到廣泛應用，在極高真空領域中甚至是唯一實際可行的真空計。 第 10 頁 由燈絲加熱提供電子源的電離真空計稱為熱陰極電離真空計，其型式繁多，各具不同 特點和使用不同的壓力測量范圍。 按線性壓力范圍的不同，熱陰極電離真空計主要分為三類： （ 1）普通型電離真空計（ 1101 105Pa） （ 2）超高真空電離真空計（ 1101 108Pa，有的下限為 1010Pa） （ 3）高壓力電離真空計（ 102 103Pa） 圖 電離規(guī)結構圖 本系統(tǒng)采用普通型熱陰極電離真空計來測量真空室內真空度，其電離規(guī)規(guī)管結構如圖 ， 由筒狀板極 (離子收集極 )C，柵極網 G和位于柵極網中心的陰極燈絲 F構成，筒狀板極在陽極柵網外面。 由于采用了普通型熱陰極電離 真空計，因此本系統(tǒng)所能保持的真空度范圍即為 1101 105Pa。真空計采集的微小電壓信號需要通過信號采集放大電路放大后，才能傳輸?shù)?A/D轉換器中進行模數(shù)轉換。下面我要分別介紹電離規(guī)信號采集放大電路和 A/D轉換器。 第 11 頁 電離規(guī)信號采集放大電路 由于真空規(guī)管輸出的是微小的信號，因此需要對采集信號進行放大處理。信號放大電路中關鍵的元件是運算放大器，本設計選用 ICL7650。斬波穩(wěn)零高精度運算放大器 ICL7650具有超低失調和超低溫漂，高輸入阻抗，高增益的特點 ,其性能良好 ， 價格便宜，和其他運放相比，這種 運放由單一時鐘控制，分節(jié)拍進行工作，前一節(jié)拍將輸入失調采集并存儲于一電容中，后一節(jié)拍進行采樣和放大信號，并可將此刻的失調相抵消，因此此時的電路總的失調和溫漂極小，性能十分優(yōu)越、穩(wěn)定。由于具有其他高阻運算放大器沒有的自動穩(wěn)零優(yōu)點，及適合作緩變微電流放大器。 ICL7650的內部時鐘為 200Hz，如果要得到較好的頻率響應，必須使其輸出負載電阻大于 10kΩ，而且由于濾波器影響頻率的特性，其性能的優(yōu)越性在直流和超低頻時使用中會體現(xiàn)出來。由于本設計所采集的傳感器輸入信號是緩變信號， ICL7650是合適的選擇 [8]。 高 輸入阻抗運算放大器 CA3140，是由美國無線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS高電壓的運算放大器，在一片集成芯片上， CA3140A和 CA3140 BiMOS運算放大器功能保護 MOSFEF的柵極（ PMOS上）中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入抗阻，極低的輸入電流和高速的性能。操作電源電壓從 4V至 36V（無論單或雙電源），它結合了壓電 PMOS晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點，是一種互補對稱金屬氧化物半導體良好性能的運放。 CA3140封裝圖如圖 。 圖 CA3140封裝圖 第 12 頁 CA3140的輸出信號量 在經過穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓后傳遞到選擇器的通道 Y。高輸入阻抗運放 CA3140，其輸入級和輸出級均為 MOSFET(絕緣柵場效應管 )，其輸入阻抗可達 101Ω，反應速度比較快，輸入的偏流很小。 CA3140的 8腳是選通端，為高電平有效，但當 8腳為低電平時，放大器的輸出也立即變?yōu)榈碗娖?。?8腳接高電平或懸空，則放大器可正常工作， CA3140輸入回路的電流不能超過1mA，所以一般在其反饋回路和輸入回路中要加入限流電阻，一般不小于 5kΩ，在設計原理圖中定為 10kΩ。 圖 電離規(guī)輸入放大電路原理圖 a 圖 電 離規(guī)輸入放大電路原理圖 b 第 13 頁 在 圖 為電離規(guī)的信號采集放大控制電路，其中與 ICL7650連接的兩個記憶電容 C C5要求是高品質的低漏電電容。在選用內部時鐘時，采用ICL7650的內部時鐘 200Hz，因此 C C5電容量可取 。輸入端輸入的是電離規(guī)的離子流信號。離子流通過 R1轉換為電壓量，輸入到 ICL7650的同相端，ICL7650對其進行放大，放大倍數(shù)約為 10倍。 7650的輸出信號還需要經過一級放大才能轉換成要求的 05V信號。該輸出信號輸入到 CA3140的同相端。根據CA3140的接 法可以計算出其放大倍數(shù)約為 4到 5倍之間，可通過手動調節(jié) 100kΩ的可變電阻 R12，達到手動調節(jié)放大倍數(shù)的目的。 A/D轉換 ADC0809是帶有 8位 A/D轉換器、 8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的 CMOS組件 [9]。它是逐次逼近式 A/D轉換器，可以和單片機直接接口。 ADC0809內部邏輯結構 由圖 ， ADC0809由一個 8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通 8個模擬通道，允許 8路模擬量分時輸入，共用 A/D轉換器進行轉換 。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D轉換完的數(shù)字量，當 OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據。 第 14 頁 圖 ADC0809內部邏輯圖 ADC0809外部引腳 ADC0809芯片有 28條引腳，采用雙列直插式封裝，見圖 ADC0809封裝圖。 圖 ADC0809封裝圖 下面說明各引腳功能（圖 ）： IN0～ IN7： 8路模擬量輸入端。 21～ 28： 8位數(shù)字量輸出端。 A、 B、 C： 3位地址輸入線，用于選通 8路模擬輸入中的一路，見表 。 ALE：地址鎖存允許信號輸入端。在 ALE的上升沿，將 A、 B、 C上的通道地址鎖存到內部的地址鎖存器。 START： A/D啟動信號輸入端。 START為正脈沖，其上升沿清除 ADC0808的內部的各寄存器，其下降沿啟動 A/D開始轉換。 EOC： 轉換結束信號輸出引腳。開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。 OE：輸出允許控制端。當 OE=1時，即為高電平，允許輸出鎖存器輸出數(shù)據。 CLK：時鐘信號輸入端（一般為 500KHz）。 REF（ +）、 REF（ ）：基準電壓。 ccV ： +5V工作電源。 GND：地。 第 15 頁 圖 ADC0809引腳圖 表 通道地址選擇 由于本系統(tǒng)只有 IN0一路模擬量輸入，即 A、 B、 C全為低電平，因此將 A、 B、C全部接地。 地址碼 選擇的通道 C B A 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 第 16 頁 ADC0809轉換 原理 首先輸入 3位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通 8路模擬輸入之一到比較器。 START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后 EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到 A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指?A/D轉換結束，結果數(shù)據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當 OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據總線上。 轉換數(shù)據的傳送 A/D轉換后得到的數(shù)據應及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據傳送的關鍵問題是如何確認 A/D轉換的完成，因為只有確認完 成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。 （ 1）定時傳送方式 對于一種 A/D轉換器來說，轉換時間作為一項技術指標是已知的和固定的。例如 ADC0809轉換時間為 128μs，相當于 6MHz的 MCS51單片機共 64個機器周期?？蓳嗽O計一個延時子程序， A/D轉換啟動后即調用此子程序，延遲時間一到，轉換肯定已經完成了，接著就可進行數(shù)據傳送。 （ 2）查詢方式 A/D轉換芯片由表明轉換完成的狀態(tài)信號，例如 ADC0809的 EOC端。因此可以用查詢方式，測試 EOC的狀態(tài)，即可確認轉換是否完成，并接著進行數(shù)據傳送。 （ 3）中斷方式 把表明轉換完成的狀態(tài)信號（ EOC）作為 中斷請求 信號，以中斷方式進行數(shù)據傳送。 本系統(tǒng)采用查詢方式來確認轉換是否完成。 A/D轉換電路設計 在設計 A/D轉換電路時，還應注意 ADC0809對輸入模擬量的要求：信號單極性，電壓范圍是 0－ 5V，若信號太小，必須進行放大，由于信號從電離規(guī)真空計輸出后已經過信號采集放大電路進行放大處理，使其輸入到 ADC0809中的電壓信號處于 0— 5V之間， 因而滿足 0809的輸入要求。 A/D轉換部分具體的電路如圖 。 第 17 頁 圖 A/D轉換電路設計 單片機最小系統(tǒng) 單片機的最小系統(tǒng)就是要讓單片機里面的程序運行，需要的最小配置，一般包括時鐘電路，復位電路，片選 EA接法， LED電路等。本系統(tǒng)的單片機最小系統(tǒng)如圖 ，接下來我會對單片機最小系統(tǒng)的種類和作用做詳細的介紹。 輸出數(shù)據 :P0 口 轉換結束 : EOC=1 通道地址信號 通道選擇 : IN0 參考電壓 : 5V 轉換時鐘：接單片機 ALE 輸出經四分頻后得到。 輸出使能信號 啟動和地址鎖存信號 RD WR 第 18 頁 圖 單片機最小系統(tǒng)電路圖 時鐘電路 AT89C51單片機的時鐘產生方法有兩種：內部時鐘方式和外部時鐘方式。我們最常采用內 部時鐘方式，利用芯片內部的振蕩電路，在 XTAL XTAL2引腳上外接定時元件，內部的振蕩電路便產生自激振蕩。本設計也采用這種內部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在 12MHz之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響， CX CX2可在 20pF到 100pF之間取值，在本設計中，振蕩晶體選擇 12Hz，電容選擇 30pF，如圖 ?？芍袷幹芷冢〞r鐘周期）為 1/12us，機器周期為 12個時鐘周期，因此其機器周期為 1us。 在制作電路板時，晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用 NPO電容。 第 19 頁 圖 時鐘電路 復位電路 AT89C51的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位電路中