【文章內(nèi)容簡介】 址空間尋址(根據(jù)型號不同),MCS51 系列單片機有 2個 16位定時器/計數(shù)器，它可利用兩根 I/O口線作為 334個通用工作寄存器區(qū)，共 32個通用寄存器，以適應多種中斷或子程序嵌套的情況。Intel 公司還為 MCS51單片機設計了 5個中斷源，分為 2個中斷優(yōu)先級，且每個中斷源的優(yōu)先級是可編程的。同樣，MCS 51單片機的堆棧位置是可編程的，堆棧深度可達 128字節(jié)。Intel 公司還為 MCS51單片機設計了 1個由直接可尋址位組成的布爾處理機，即位處理機，同時在指令系統(tǒng)中包含了 1個指令子集，專用于對布爾處理機的各位進行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問題，值得一提的是，MCS51 有一個功能非常強的指令系統(tǒng)，它含有加法、減法、乘法、除法、比較、堆棧操作(壓入和彈出)和多種位操作指令，當所采用的振蕩器頻率為 12MHZ時，它的大部分指令執(zhí)行時間為 lμs，少部分為 2μs，乘法和除法指令的執(zhí)行時間也只有4μs。我們由以下 MCS51系列單片機的一些特點和性能可以看出，MCS51 系列單片機是非常適用于智能化儀器儀表的微機選擇的。本課題硬件電路設計中首先應確定單片機機型，根據(jù)自己對單片機的熟悉程度和智能變送器的性能指標要求，我選擇了 8051單濰坊學院?？飘厴I(yè)（論文）9片機，根據(jù)以上的分析，8051 都帶有 4K ROM,無需外部擴展，因此，采用 MCS51系列的 8051單片機。8051 單片機的應用模式通常，按照單片機系統(tǒng)擴展與系統(tǒng)配置狀況，單片機應用系統(tǒng)可分為最小系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型系統(tǒng)等。智能型壓力變送器力圖采用最小功耗系統(tǒng)，使得整個系統(tǒng)運行的功耗最小。這樣，我們采用 CMOS工藝的單片機供應狀態(tài)。但是，對于智能型變送器，它要完成工業(yè)測、控功能所必須具備的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)又屬于典型應用系統(tǒng)。比如我們的智能型壓力變送器的系統(tǒng)擴展是指在單片機中的 ROM,RAM及 1/O口等片內(nèi)部件不能滿足系統(tǒng)要求時，在片外擴展相應的部分。這樣，我們在片外擴展了 ROM。所以本設計采用了單片機的最小功耗系統(tǒng)和典型系統(tǒng)相結(jié)合的方式。以求達到最佳的配置狀態(tài)，當然，在設計時我們應該注意到硬件與軟件相結(jié)合的問題，我們不能只追求它的單方面，8051 單片機盡管屬于比較舊的一種機型，但是它的功能能夠滿足智能型壓力送送器的要求，這就是我們在采用它的時候充分考慮的，而且它的價格也不貴，這充分體現(xiàn)了性價比高的要求。當然，8051 單片機也有其不足之處，這些缺點我們可以盡量通過軟件來克服和避免。模擬量輸入通道（簡稱模入通道）一般有濾波電路、多路模擬開關(guān)、放大器、采樣保持電路（S/H）和 A/D轉(zhuǎn)換器組成，其中 A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)/模轉(zhuǎn)換的主要器件。模入通道有單通道和多通道之分。多通道的結(jié)構(gòu)又可以分為以下兩種：每個有獨自的放大器、S/H 和 A/D，結(jié)構(gòu)如下圖所示，這種形式通常用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它允許各通道同時進行轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)如圖 22圖 22 具有各自放大、S/H、以及 A/D的結(jié)構(gòu)濰坊學院?？飘厴I(yè)（論文）10多路通道共享放大器、S/H 和 A/D，其結(jié)構(gòu)見圖。這種形式通常用于對數(shù)據(jù)要求不高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。由多路模擬開關(guān)輪流采入各通道模擬信號，經(jīng)放大、保持和 A/D轉(zhuǎn)換送入主機電路。 圖 23 共享放大、S/H、以及 A/D的結(jié)構(gòu)本題目中，由于待測數(shù)據(jù)變化并不非常急劇，且路數(shù)較少，所以采用共享結(jié)構(gòu)即可滿足要求。如圖 24 圖 24 實際共享電路濰坊學院?？飘厴I(yè)（論文）11信號采集系統(tǒng)主要包括模擬電路和數(shù)字電路。從信號通路來說 A/D變換之前是模擬電路之后是數(shù)字電路。模擬電路和 A/D變換電路決定了系統(tǒng)的信噪比，而這是評價采集系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。為了提高信噪比，通常要想辦法抑制系統(tǒng)中噪聲對模擬和 A/D電路的干擾。在各種噪聲當中，由數(shù)字電路產(chǎn)生并串入模擬及 A/D電路的噪聲普遍存在且較難克服。數(shù)字電平上下跳變時集成電路耗電發(fā)生突變，引起電源產(chǎn)生毛刺，通常對開關(guān)電源影響比較大。因此設計選擇了光電耦合器件 6N136。6N136 信號從腳 2和腳 3輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏二極管光照后導通，經(jīng)電流—電壓轉(zhuǎn)換后動到與門的一個輸入端，與門的另一個輸入為使能端，當使能端為高時經(jīng)與門輸出為高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當輸入電流小于觸發(fā)閥值或使能端為低時，輸出為高電平，但這個邏輯高是集電極開路的，可針對接收電路加上上拉電阻或電壓調(diào)整電路。本設計中應在 RS—485總線驅(qū)動收發(fā)器和單片機之間加上光電隔離器，以防止電壓過高，損壞單片機。放大環(huán)節(jié)由高性能的集成儀表放大器 AD623和非易失性數(shù)控電位器 X9241組成。利用程序，采用程控改變運放的反饋電阻來實現(xiàn)可變增益的放大器。非易失性數(shù)控電位器克服了模擬電位器的主要缺點，無噪聲，壽命長，阻值可程控改變，設定阻值掉電記憶。設計采用的電路具有增益范圍寬，成本低，適用單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為傳感器與 ADC之間的信號放大器。下面具體介紹 AD623與 X9241：AD623是一個集成單電源儀表放大器，其引腳如圖 25，該芯片內(nèi)含 3個運算放大器，它能在單電源下提供滿電源幅度的輸出。AD623 允許使用單個增益設置電阻進行增益編程，以得到更好的用戶靈活性，且符合 8引腳的工業(yè)標準配置。在無外接電阻的條件下，AD623 被設置為單倍增益，在接入外界電阻后，AD623 可編程設置增益，且其增益最高可達 1000倍。AD623 通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比而保持最小的誤差。線路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達 200HZ時仍保持恒定而受到抑制。AD623 具有較寬的共模輸入范圍，它可以放大具有低于地電平 150mv共模電壓的信號，雖然 AD623是按照工作于單電源方式進性的優(yōu)化設計，但當它工作于雙電源濰坊學院?？飘厴I(yè)（論文）12（177。 至177。）時，仍然能提供優(yōu)良的性能。低功耗（3V 時 ） 、寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出，使 AD623成為本課題設計的理想選擇。AD623的特性 A. DC特性 %增益誤差（G=1）%增益誤差（G1）25ppm增益漂移（G=1）200μV 最大輸入失調(diào)電壓（AD623A）2μV /℃最大輸入失調(diào)漂移（AD623A）100μV 最大輸入失調(diào)電壓（AD623B）1μV /℃最大輸入失調(diào)漂移（AD623B）25nA最大輸入偏置電流B. 噪聲 35nV/ Hz 針對輸入端（RTI）噪聲@1kHz（G=1）C. 良好的 AC特性最小 90dB共模抑制比（CMRR） （G=10）最小 84dB共模抑制比（CMRR） （G=5） X9241是把四個非易失性 數(shù)控電位器集成在一個單片的 CMOS微電路中。X9241包含四個電阻陣列，每個陣列包含有 63個電阻單元，所有的四個 電位器分享串行接口并分享一個公共的結(jié)構(gòu)。每個電位器包括一個電阻陣列、一個滑動端計數(shù)寄存器以及 4個數(shù)據(jù)寄存器。在每個單元之間和二個端點都有可以被滑動單元訪問的抽頭點?；瑒訂卧陉嚵兄械奈恢糜捎脩敉ㄟ^二線串行總線接口控制。每個電阻陣列，與一個滑動端計數(shù)寄存器（WCR）和四個 8位數(shù)據(jù)寄存器聯(lián)系在一起，這四個數(shù)據(jù)寄存器可以由用戶直接寫入和讀出?；瑒佣擞嫈?shù)寄存器的內(nèi)容控制滑動端在電阻陣列中的位置。數(shù)據(jù)寄存器可以由用戶讀出和寫入。數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容可以傳輸?shù)交瑒佣擞嫈?shù)寄存器以 設置滑動端的位置。當前滑動端的位置可以被傳輸?shù)脚c它相聯(lián)系的任一個數(shù)據(jù)寄存器。這些陣列可以串聯(lián)起來成為具有 12190 或 253個抽頭的電阻元件。X9241 引腳及其說明：主要引腳：串行時鐘（SCL） 用于時鐘脈沖觸發(fā)數(shù)據(jù)輸入和輸出 X9241圖 25 AD623芯片引腳濰坊學院專科畢業(yè)（論文）13串行數(shù)據(jù)線（SDA） SDA是一個雙向的引腳，用來向器件輸入和輸出數(shù)據(jù)。它是一個漏極開路輸出，因此可以與任何數(shù)目的漏極開路或集電極開路輸出進行線或。漏極開路輸出需要使用上拉電阻。地址線（A0—A3） 地址輸入端用來設置8位從屬地址的低4位。從屬地址的串行數(shù)據(jù)流必須與輸入地址相匹配以便開始與X9241的通信 圖 26 X9241引腳圖表 21 X9241 引腳功能濰坊學院?？飘厴I(yè)（論文）14X9241 工作原理： X9241是包含了四個電阻陣列以及它們有關(guān)的寄存器、計數(shù)器和在主機與電位器間提供直接通訊的串行邏輯接口的高集成度的微電路。(1) 串行接口X9241支持雙向總線的定向規(guī)約。這個規(guī)約定義任何器件，當它把數(shù)據(jù)送至總線時為發(fā)送器而當它從總線接收數(shù)據(jù)時為接收器。一個控制傳輸?shù)钠骷侵鳈C，而被控制的器件則為從機。主機總是啟動數(shù)據(jù)的傳輸并為發(fā)送和接收操作提供時鐘。所以，X9241在所有應用中被考慮成一個從屬器件。(2) 時鐘和數(shù)據(jù)的約定在 SDA線上的數(shù)據(jù)只有在 SCL為低的期間（tLOW）才能改變狀態(tài)。當 SCL為高時，SDA狀態(tài)的改變被保留用作表示開始或終止的條件。(3) 開始條件送給 X9241所有的命令都由開始條件引導，這個條件就是當 SCL為高時（tHIGH） ，SDA由高至低的跳變。X9241 連續(xù)地監(jiān)視 SDA和 SCL線上的開始條件，在遇到這個條件之前將不響應任何命令。(4) 終止條件所有的通信必須由一個終止條件來結(jié)束，這個條件就是當 SCL為高時 SDA由低至高的跳變。(5) 應答應答是一個軟件規(guī)約，這個規(guī)約用來在主、從器件的總線間提供一個正的握手信號，以表示數(shù)據(jù)接收成功。發(fā)送器件（不管是主或從）在發(fā)送 8位數(shù)碼以后將釋放 SDA總線。主器件將產(chǎn)生第 9個時鐘周期，而在這個期間接收器把 SDA線拉低，作為成功地接收了前 8位數(shù)據(jù)的響應。在識別出開始條件和它的從地址以后，X9241 將給出一個應答作為響應，而在成功地接收命令字節(jié)后再一次應答。如果命令后面跟一個數(shù)據(jù)字節(jié)，則 X9241將響應一個最終的應答。(6) 陣列說明濰坊學院?？飘厴I(yè)（論文）15X9241包含四個電阻陣列。每個陣列包含 63個串聯(lián)連接的分立的電阻段。每個陣列的物理終端等效于一個機械電位器的固定端（VH 和 VL輸入端） 。在每個陣列的二個終端以及每個電阻段之間是一個連接到滑動輸出端（VW）的 FET開關(guān)。在每個單獨的陣列中，同一時間只有一個開關(guān)可以接通。這些開關(guān)由滑動端計數(shù)寄存器（WCR）控制。WCR 中的低 6位被譯碼以選擇和使能六十四選一的開關(guān)。WCR可以直接被寫入，或者它也可以通過把 4個輔助數(shù)據(jù)寄存器之一的內(nèi)容傳輸?shù)絎CR中來改變其內(nèi)容。這些數(shù)據(jù)寄存器和 WCR都可以由主系統(tǒng)來讀出和寫入。(7) 器件尋址在開始條件的后面，主器件必須輸出它所要訪問的從器件的地址。從器件的高 4位地址是器件類型辨識符（見圖 27） 。對 X9241來說，這個辨識符固定為 0101[B]。從器件地址的后 4位是該器件的地址。物理器件地址由 A0~A3輸入端的狀態(tài)來定義。X9241把串行數(shù)據(jù)流與地址輸入端的狀態(tài)比較；若要 X9241作出一個應答響應，則必須是 4個比較位都成功。 （8） 指令結(jié)構(gòu) 送到 X9241的下一個字節(jié)包括指令以及寄存器指針的信息。最高 4位是指令。后4位指出四個電位器中的一個，當應用是他還指出 4個輔助寄存器中的一個。其格式如圖 28所示 4個高位決定了指令。接著二位（P1和 P0）選擇四個電位器中的哪一個。最后兩位（R1 和 R0）選擇四個寄存器中的一個，當一條與寄存器有關(guān)的指令發(fā)出時，該寄存器將受影響。本環(huán)節(jié)主要由單片機及內(nèi)部程序構(gòu)成，硬件為單片機及附加電路，主要工作為軟件處理采集到的數(shù)據(jù)，將在軟件部分進行討論。圖 27 從器件的地址圖 28 X9241指令字節(jié)的格式濰坊學院?？飘厴I(yè)（論文）16 數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)目前的很多 A/D轉(zhuǎn)換芯片已經(jīng)在內(nèi)部集成了采樣保持功能，所以采用此類芯片可以不必連接外部采樣保持電路，如美國 MAXIM公司的 MAX186/MAX188芯片內(nèi)含 8通道多路切換開關(guān)、高帶寬跟蹤/保持器、12位逐次逼近 A/D轉(zhuǎn)換器、串行接口電路等，MAX186自帶 (MAX188 需外加參考基準源)，本身即為一完整的單片 12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖 29給出了 MAX186結(jié)構(gòu)框圖。 MAX186轉(zhuǎn)換速度最高可達 133ksps，同時提供了 SHDN引腳和兩種軟件可選關(guān)斷模式，使它能通過在兩次轉(zhuǎn)換之間處于關(guān)斷模式而使功耗達到最低。MAX186 的引腳說明MAX186 為 20腳 DIP器件(如圖??所示)。CH0CH7 為模擬信號輸入。 為三態(tài)關(guān)斷模式輸入腳，將 拉低可進入關(guān)斷模式，此時最大工作電流僅為 10μA，將 拉高使參考緩沖放大器處在內(nèi)部補償模式，浮空則為外部補償模式。V REF為模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓端，當采用外部精密參考源時也可作為輸入。REFADJ 為參考緩沖放大器的輸入腳。SCLK 為數(shù)據(jù)輸入輸出用的移位時鐘，在外部時鐘模式下 SCLK還作為逐次逼近 A/D轉(zhuǎn)換用的時鐘信號(占空比需在 40%至 60%之間)。 為低電平有效片選信號，只有在 為低時，