【文章內(nèi)容簡介】 軟件流程圖基于單片機的粉塵檢測儀控制電路 9 3 粉塵測試儀硬件設計 單片機部分 系統(tǒng) CPU 器件選擇 CPU 是粉塵檢測器的核心 [1]，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示 等功能 ,是整個儀器正常工作的基礎，它的選擇直接關系到整個系統(tǒng)的工作。選擇通用性強、功耗小、性能穩(wěn)定良好的 8位 CMOS 微處理器芯片 AT89S52 以低廉的價格、強大的功能 ,完全符合經(jīng)濟的原則并且滿足本系統(tǒng)的要求。所以 ,在本系統(tǒng)中我們選用 AT89S52 作為 CPU 芯片。 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程 器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，具有越低功耗、強大的 LCD 驅(qū)動能力等功能力，實踐證明，它具有性能價格比高、外圍擴展器件少、系統(tǒng)功耗低。使得AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 1） AT89S52功能特性： AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32位 I/O口線，看門狗定時器， 2個數(shù)據(jù)指針，三個 16位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52可降至 0Hz靜態(tài)邏 輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 2） 部分引腳功能： XTAL1： 接外部晶振的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一反相 放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時，此 引腳應接地。 XTAL2： 接外部晶振的一個引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。當采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。 RST: 復位輸入。晶振工作時， RST腳持續(xù) 2個機器周期高電平將使單片機復位?？撮T狗計時完成后， RST 腳輸出 96個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。 DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效 。 ALE/PROG ： ALE表示允許地址鎖存允許信號。當訪問外部存儲器時， ALE信號負跳變來觸發(fā)外部的 8位鎖存器 (如 74LS373)，將端口 P0 的地址總線 (A0A7)鎖存進入鎖存器中。在非訪問外部存儲器期間， ALE引腳的輸出頻率 是系統(tǒng)工作頻率的 1/16，因此可以用來驅(qū)動其他外圍芯片的時鐘輸入。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 10 PSEN ： 訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效。在訪問外部程序存儲器讀取指令碼 時， 每個機器周期產(chǎn)生二次 PSEN 信號。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器指令時，不產(chǎn)生 PSEN 信號，在訪問外部數(shù)據(jù)時，亦不產(chǎn)生 PSEN 信號。 P0： P0口 (～ )是一個 8位漏極開路雙向輸入輸出端口， 內(nèi)部沒有上拉電阻，所以端口要外接八個上拉電阻。 當 訪問外部數(shù)據(jù)時，它是地址總線（低 8位）和數(shù)據(jù)總線復用。外部不擴展而單片應用時，則作一般雙向 I/O口用。 P0口每一個引腳可以推動 8個 LSTTL負載。 P1： P1口 (～ )口是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/0端口 (準雙向并行 I/O口 )，其輸出可以推動 4個 LSTTL負載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。 P2： P2口 (～ )是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/0端口 (準雙向并行 I/O口 )，當訪問外部程序存儲器時，它是高 8位地址。外部不擴展而單片應用時，則作一般雙向 I/O口用。每一個引腳可以推動 4個 LSTL負載。 P3： P3 口 (～ )口是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/0 端口 (準雙向并行 I/O口 )，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部隨機存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其特殊功能引腳分配如下： RXD 串行通信輸入 TXD 串行通信輸出 0INT 外部中斷 0輸入 ,低電平有效 1INT 外部中斷 1輸入 ,低電平有效 T0 計數(shù)器 0 外 部事件計數(shù)輸入端 T1 計數(shù)器 1 外部事件計數(shù)輸入端 WR 外部隨機存儲器的寫選通，低電平有效 RD 外部隨機存儲器的讀選通，低電平有效 引腳如圖 31所示： 基于單片機的粉塵檢測儀控制電路 11 圖 31 89S52單片機引腳 3)89S52單片機的基本結(jié)構(gòu) 如圖 42所示它由 8個部件組成，即中央處理器（ CPU），片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）內(nèi)部程序存儲器，輸入輸出接口（ Input/Output,簡稱 I/O口，分為 P0口、 P1口、 P2口、 P3口）可編程串口，定時 /計數(shù)器，中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（ SFR），各部分通過內(nèi)部總線相連。基本結(jié)構(gòu)依然是通用 CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上，卻采用了特殊功能寄存器（ SFR）的集中控制方法。如圖 32所示： 圖 32 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 12 單片 機引腳分配及連接 1） 振蕩器電路 89S52 單片機 它采用外部振蕩器時 XTAL1 引腳應接地 ， XTAL2 引腳接外部振蕩信號的輸入 。如圖 33所示。晶振范圍在 0～ 24MHZ，本設計選擇 12MHZ， 1C 與 2C 值為 30pF，1C 與 2C 可穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào)作用。為了減少寄生電容振蕩器和電容盡可能安裝得與單片機芯片靠近。 圖 33振蕩器電路 2） 復位 電路 復位操作可以使單片機初始化，也可以使死機狀態(tài)下的單片機重新啟動，因此非常重要。單片機的復位都是靠外部復位電路來實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要單片機的RESRT 引腳上出現(xiàn) 24 個時鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機 就能實現(xiàn)復位。 簡單復位電路有上電復位、按鍵電平復位、按鍵脈沖復位，本設計采用按鍵電平復位。如圖 34所示。 圖 34 復位電路 I/O 口功能分配 ： ～ 將經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器的 8 位數(shù)字信號傳入單片機 ～ 完成數(shù)碼管的段選 ～ 完成數(shù)碼管的位選 基于單片機的粉塵檢測儀控制電路 13 ～ 連接鍵盤電路 3P 口主要完成外圍電路的控制 信號采集電路 敏感元件 粉塵濃度傳感器的結(jié)構(gòu)特征如圖 35 所示，外部空氣在抽風機的吸力下通過迷宮式進氣口進入傳感器暗室?？諝庵械母∮畏蹓m在暗室內(nèi)受到激光發(fā)生器發(fā)出的平行光照射時，粉塵的散射光強度正比于質(zhì)量濃度，該散射光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光電流，經(jīng)主控板的光電流積分電路轉(zhuǎn)換成與散射光強成正比的光電脈沖數(shù)。計算 脈沖數(shù)即可測出粉塵的相對質(zhì)量濃度，通過標定在設置鍵盤上預設 K 值，工作時便可直接在數(shù)碼顯示屏上顯示空氣中的粉塵質(zhì)量濃度（ mg/m179。）。 在本設計中利用可變電阻滑動時不同的電壓模擬粉塵濃度傳感器。如圖 36 所示。 圖 35 粉塵濃度傳感器 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 14 圖 36 模擬粉塵濃度 A/D 轉(zhuǎn)換電路 因為單片機不能直接接收模擬量信號，所以電壓測量信號，必須通過 A/D 轉(zhuǎn)換后方可以輸入單片機進行處理。 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片有很多種 ,在此選擇比較熟悉的 ADC0809。ADC0809 是 8 路 8 位逐次逼近行 A/D 轉(zhuǎn)換 CMOS 器件，能對多路模擬信號進行分時采集和 A/D 轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號通過三態(tài)緩沖器，可直接與微處理器的數(shù)據(jù)總線相連接。 ADC0809 的主要特性 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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 圖 37 是 ADC089 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 ADC0809 的主要特性如下 。 分辨率為 8 位 a） 最大不可調(diào)誤差小于177。 ULSB b） 可鎖存三態(tài)輸出，能與 8 位微處理器接口 c） 輸出與 TTL 兼容 d） 不必進行零點和滿度調(diào)整 e） 單電源供電，供電電壓為 +5V f） 轉(zhuǎn)換速率取決于芯片的時鐘頻率，時鐘頻率范圍是： 10～ 1280KHZ，當時鐘頻率為 500KHZ 時，對應的轉(zhuǎn)換時間為 125us。 基于單片機的粉塵檢測儀控制電路 15 圖 37 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809 芯片的引腳圖及引腳功能 ADC0809 引腳功能說明如圖 38所示。 圖 38 ADC0809引腳 IN0～ IN7： 8路模擬信號輸入端 D0～ D7： 8 位數(shù)字量輸出端 START：啟動控制輸入端，高電平有效，用于啟動 ADC0809 內(nèi)部的 A/D轉(zhuǎn)換過程 ALE：地址鎖存控制輸入端。 ALE 端可與 START 端連接在一起，通過軟件輸入一個正脈沖，可立即啟動 A/D 轉(zhuǎn)換。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，開始 A/D轉(zhuǎn)換時為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時輸出高電平。 OE：輸出允許控制端，用于打開三態(tài)輸出鎖存器。當 OE 為高電平時，打開三臺數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到數(shù)據(jù)總線上。 CLK：時鐘信號輸入端。 ADDA（ ADDB、 ADDC）： 8路模擬選通開關的 3 位地址選通輸入端。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 16 VREF+：參考 電壓正端。 VREF：參考電壓負端。 VCC： +5V工作電壓。 GND：地。 ADC0809 對輸入模擬量要求及通道選擇 信號單極性，電壓范圍是 0－ 5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線： 4條 ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當 ALE 線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將 A， B， C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。 A， B和 C為地址輸入線，用于選通 IN0－ IN7 上的一路模擬量輸入。 數(shù)字量輸出及控制線： 11 條 ST 為轉(zhuǎn)換啟動信號。當 ST 上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間， ST應保持低電平。 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當 EOC 為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行 A/D 轉(zhuǎn)換。 OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 OE＝ 1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)； OE＝ 0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 D7－ D0 為數(shù)字量輸出線。 CLK 為時鐘輸入信號線。因 ADC0809 的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使 用頻率為 500KHZ 表 31 ADC0809通道選擇 C B A 選擇的通道 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 基于單片機的粉塵檢測儀控制電路 17 ADC0809 的應用說明 （ 1） ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與 AT89S52 單片機直接相連。 （ 2） 初始化時，使 ST和 OE信號全為低電平。 （ 3） 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到 A， B， C端口上。 （ 4） 在 ST端給出一個至少有 100ns寬的正脈沖信號。 （ 5） 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù) EOC信號來判斷。 （ 6） 當 EOC變?yōu)楦?電平時，這時給 OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。 ADC0809 數(shù)據(jù)采集時序圖 ADC0809數(shù)據(jù)采集及輸出控制信號時序如圖 39所示： 圖 39 ADC0809時序圖 ADC0809 與 AT89C51 單片機的接口設計 ADC0809 與 AT89C51 的硬件接口 [11]方式有：查詢方式、中斷方式和等待延時方式。采用中斷方式 不浪費 CPU 的等待時間，但如果 A/D 轉(zhuǎn)換時間較短，也可采用程序查詢方式和等待延時方式。在此采用中斷方式，接口電路如圖 310所示。 74LS373 為地址鎖存器，控制選通那路輸入本設計用 IN3 輸入信號。 與 WR相或非，產(chǎn)生啟動信號 START 和地址鎖存控制信號 ALE； 與 RD相或非產(chǎn)生輸出允許控制信號 OE。 OE 為高電平時，打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)量輸送到數(shù)據(jù)總線上。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 18