【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 以后， 0300℃ 的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為 0～ 5V 的電壓信號(hào)，輸出的電壓信號(hào)送到數(shù)據(jù)采集處理電路。 AD595 要求接熱電偶的正極，故熱電偶負(fù)極就接多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。 電位器Ｗ用于微調(diào)冷端補(bǔ)償電壓。 AD595 的 7 腳是負(fù)電源端，由于不測(cè) 0℃ 以下的溫度，不用負(fù)壓供電，所以7 腳可接地 ， 1 13 腳是熱偶故障報(bào)警電路的輸出端， 13 腳接地后，集電極開(kāi)路的 12 腳接上拉電阻。 熱電偶正常工作時(shí)輸出高電平；斷偶故障時(shí)輸出低電平，發(fā)光二極管亮，顯示熱電偶故障 。 圖 35 信號(hào) 處 理及放大電路 單片機(jī)系統(tǒng)主板設(shè)計(jì) 18 單 片機(jī)系統(tǒng)由 CPU、 74HC573 鎖存器、 AD574 模數(shù)轉(zhuǎn)換 器、 FM1808 數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器、 GAL16V8譯碼器、 MAX813L 看門(mén)狗芯片 、串行通訊模塊 等 組 成，完成數(shù)據(jù)采集、處理、實(shí)時(shí)顯示 等 功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊。 系統(tǒng) 原理圖 見(jiàn) 附錄 一 ， 以下對(duì)各部分分別予以介紹。 CPU 的選擇 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，并進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理，產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)及控制整個(gè)檢測(cè)過(guò)程。 從硬件角度來(lái)看，與 MCS51 指令完全兼容的新一代 AT89CXX 系列 單片機(jī) 機(jī)，比在片外加 EPROM 才能相當(dāng)?shù)?8031 單片機(jī)抗干擾性能強(qiáng)，與 87C5 87C52 單片機(jī)性能相當(dāng)，但功耗小。程序修改直接用 +5 伏或 +12 伏電源擦除，更顯方便、而且其工作電壓放寬至 伏 ~6伏，因而受電壓波動(dòng)的影響更小，而且 4K 的程序存儲(chǔ)器完全能滿足單片機(jī)系統(tǒng)的軟件要求 ，此外， AT 89C51 還支持由軟件選擇的 2 種掉電工作方式，非常適用于電池供電或其它要求低功耗的場(chǎng)合 。 鑒于以上的分析、比較， 本系統(tǒng)選用 ATMEL 生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī) 作為主機(jī)。 AT89C51 性能簡(jiǎn)介 AT89C51 是一種低功耗 、 高性能 CMOS 8 位單片機(jī) ， 采用了 ATMEL 的高密度非易失性的存儲(chǔ)器工藝， 它除了具有與 MCS51 完全兼容的若干特性外，最為突出的優(yōu)點(diǎn)就是片內(nèi)集成了 4K 字節(jié) EEPROM，可用來(lái)存放應(yīng)用程序，這個(gè) FLASH 程序存儲(chǔ)器除允許用一般的編程離線編程外，還允許在應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)在線編程，并且還提供了對(duì)程序進(jìn)行三級(jí)加密保護(hù)的功能。 AT89C51 的另一個(gè)特點(diǎn)是工作速度更高，晶振頻率可高達(dá) 20MHz，一個(gè)機(jī)器周期僅 500ns，比 MCS51 快了一倍 [5]。 其特性如下 ： (1) 4K 字節(jié)可編程閃速程序存儲(chǔ)器 。1000 次循環(huán)寫(xiě) /擦 。 (2) 全靜態(tài)工作： 0Hz～ 20MHz。 19 (3) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 。 (4) 128 8 位內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 32 條可編程 I/O 線 。 (5) 兩個(gè)十六位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，六個(gè)中斷源 。 (6) 可編程串行通道，低功耗閑置和掉電模式 。 AT89C51 單片機(jī)主要接線簡(jiǎn)介 程序存儲(chǔ)器為 4K，在 CPU 內(nèi)部，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器能滿足本系統(tǒng)，故不需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為 32K 的存儲(chǔ)器 FM1808，地址為 8000H～ FFFFH。 A/D 轉(zhuǎn)換器采用精度高，速度快的 AD574，并在轉(zhuǎn)換前對(duì)信號(hào)作了采樣保持處理。 AD574啟動(dòng) 地址為 4000H，高八位地址為 4002H，低八位地址為 4003H。 . 8279 是一種通用可編程鍵盤(pán) /顯示器接口芯片，其地址為 7000H～ 7FFFH。 串行通信接口采用美信的 RS232 驅(qū)動(dòng) /接收器 MAX232，用它把單片機(jī)輸出的 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS232 標(biāo)準(zhǔn)電平。該芯片適用于電池供電系統(tǒng)。 AT89C51 的主要管腳接線如下： — ： TTL 輸出，接地址鎖存器 74HC573 的 1D～ 8D、 FM1808 的數(shù)據(jù) /地址線。用于鎖存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址及選擇向 FM1808 寫(xiě)入數(shù)據(jù)的地址，被定義為數(shù)據(jù) /地址總線 的低八位；接 AD574 的 12 位數(shù)據(jù)線，從 AD574 接收數(shù)據(jù)。 — ： ～ 接多路模擬開(kāi)關(guān) CD4051，作為溫度傳感器的選通信號(hào)。 — ： TTL 輸出 ， 輸出數(shù)據(jù) /地址總線的高八位；并產(chǎn)生控制信號(hào)送 GAL16V8 選通 FM1808, AD574， 8279。由于本系統(tǒng)不需要外部程序存儲(chǔ)器，故 31 腳 (內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器選擇線 )接高電平。地址 0000H～ 0FFFH 空間為內(nèi)部 ROM。 CPU 最小系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 20 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生 MCS51 單片機(jī)工作時(shí)所必需的時(shí)鐘控制信號(hào)。 MCS51 單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種 方式為外部時(shí)鐘方式。 內(nèi)部 時(shí)鐘 方式 ： MCS51 內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。 外部 時(shí)鐘 方式： 使用外部振蕩脈沖信號(hào)。 外部 時(shí)鐘 源直接 接至輸入端 XTAL2 端，通過(guò)XTAL2 端輸入到片內(nèi)的時(shí)鐘發(fā)生器上。由于 XTAL2 端的邏輯電平不是 TTL 的，所以接一個(gè)～ 10KΩ的 上拉電阻。 （ a） 內(nèi)部時(shí)鐘方式 (b) 外部 時(shí)鐘 方式 XTAL1XTAL28 9 C 5 1V C CF C C 外部振蕩器 21 圖 36 AT89C51 的 時(shí)鐘電路 方式 在本系統(tǒng)中采用內(nèi)部振蕩方式， 其電路如圖 37 所示。采 用芯片內(nèi)部反相器和電阻組成的振蕩電路，在 XTAL1， XTAL2 引腳上外接定時(shí)組件，如晶振和電容組成的并聯(lián)諧振回路 ,則在內(nèi)部可產(chǎn) 生與外接晶振同頻率的振蕩時(shí)鐘 。該系統(tǒng)晶振為 12MHz，電容 C1， C2 取 30pF，對(duì)時(shí)鐘起微調(diào)作用。 看門(mén)狗 復(fù)位 電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用了一個(gè)硬件看門(mén)狗來(lái)監(jiān)視程序的運(yùn)行。美信公司的 MAX813L 具有“看門(mén)狗”、主電源檢測(cè)的功能。單片機(jī)通過(guò) I/O 腳加給 WDI(看門(mén)狗輸入 )腳正脈沖，如果兩次脈沖時(shí)間間隔不大于 時(shí)，則 WDO (看門(mén)狗輸出 )腳一直為高電平，說(shuō)明微機(jī)程序執(zhí)行正常。當(dāng)兩次發(fā)出正脈沖的時(shí)間間隔大于 時(shí)，“看門(mén)狗”便使 WDO 引腳變?yōu)榈碗娖?，?WDO 腳與 MR 相連，可使 RESET 腳 (與單片機(jī)的 RST 相連 )產(chǎn)生高電平的復(fù)位脈沖，使程序能從頭重新開(kāi)始執(zhí) 行，起到監(jiān)視程序運(yùn)行的作用 ，其 電路 如下 圖所示 圖 37 時(shí)鐘電路 圖 38 看門(mén)狗 復(fù)位 電路 單片機(jī)系統(tǒng)主板 各 功能模塊 設(shè)計(jì) 22 數(shù)據(jù)采集處理模塊 本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理電路主要由采樣保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器 組成。其相關(guān)電路圖參見(jiàn)單片機(jī)系統(tǒng)原理圖。 (1)采樣保持器 采樣保持器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常用來(lái)為 A/D 轉(zhuǎn)換器提供固定的采樣值，它位于模擬信號(hào)源與 A/D 轉(zhuǎn)換器之間。本系統(tǒng)采用美國(guó) National Semiconductor 公司生產(chǎn)的 LF398。 LF398是由雙極性絕緣場(chǎng)效應(yīng)管組成的單片采樣 /保持電路，由 Al, A2 兩個(gè)運(yùn)算放大器、模擬開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、三級(jí)管 D1, D2 構(gòu)成的保護(hù)電路等組成，其原理圖如圖 39 所示。是反饋型采樣 /保持器，具有采樣速度高、捕捉信號(hào)快及保持電壓下降速率慢等特點(diǎn)。當(dāng) 8 端為高 電平，處于跟蹤狀態(tài)，當(dāng) UK負(fù)跳變（由“ 1”到“ 0” ）則 LF398 轉(zhuǎn)向保持狀態(tài) [6]。 (2) A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器把采集到的采樣模擬信號(hào)量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸出。本系統(tǒng)采用12 位逐次逼近式的轉(zhuǎn)換器 AD574，它的突出特點(diǎn)是芯片內(nèi)部包含微機(jī)接口控制邏輯電路和三態(tài)輸出緩沖器，可以直接與 8 位、 12 位或 16 位微處理器的數(shù)據(jù)總線相連。它由模擬芯片和數(shù)字芯片兩部分組成，除了包含 D/A 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式寄存器 SAR、比較器等基本結(jié)構(gòu)外，還有時(shí)鐘、控制邏輯、基準(zhǔn)電壓和三態(tài)輸出緩沖器等部分組成，其原理如圖 310 所示。 其 芯片引腳功能如下： DB0— DB11： 12 位數(shù)據(jù)輸出。 12/8：數(shù)據(jù)模式選擇，此線為“ 1”時(shí)， 12 條輸出線均有效。此線為“ 0”時(shí)， 12 位輸出線分成高 8 位和低 4 位兩次輸出。本系統(tǒng)此腳為低電平。 A0/SC：字節(jié)地址 /短周期。在讀數(shù)狀態(tài)，如果 2 腳為低電平，當(dāng) A0=0 時(shí)，則輸出高 8 位 23 數(shù)。當(dāng) A0=1 時(shí)，則輸出低 4 位數(shù)，禁止高 8 位輸出 ； 當(dāng) 2 腳為高電平，此腳的狀態(tài)不起作用。另一功能是控制轉(zhuǎn)換周期，在轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng) A0=0 時(shí)，產(chǎn)生 12 位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期為 25μ s，反之產(chǎn)生 8 位 轉(zhuǎn) 換，轉(zhuǎn)換周期為 16μ s。 CS ：此腳為 0 時(shí)，芯片被選中。 R/C ：此腳為 1，讀 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果；為 0 時(shí)允許啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換。 CE：芯片允許。 REFout：基準(zhǔn)電壓輸出。 REFin：基準(zhǔn)電壓輸入。 BPLROF：雙極性補(bǔ)償。若輸入模擬信號(hào)為雙極性，要同時(shí)使用此腳。此腳還可用于調(diào)零點(diǎn)。 圖 圖 39 LF398原理圖 24 圖 310 AD574 原理圖 本檢測(cè)系統(tǒng)采用雙極性輸入方式，可對(duì) 5～ +5V 的輸入電壓 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 由 于 AD574 輸出12 位數(shù)據(jù)，因此單片機(jī)分兩次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。故本系統(tǒng)設(shè)置 12/8 腳為低電平，此時(shí) 由 A0 的狀態(tài)決定控制高、低位數(shù)據(jù)的讀取。本系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)線 STS 與 AT89C51 的 相連，采用查詢(xún)的轉(zhuǎn)換方式， AT89C51 不斷檢查 口位電平。當(dāng) STS 為高電平時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換器處于轉(zhuǎn)換周期 ； 為低電平時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 數(shù)據(jù)采集包括記錄和存貯數(shù)據(jù)，更重要的是能在失去電源的情況下，不丟失任 何資料。在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中 ，數(shù)據(jù)需要不斷高速寫(xiě)入， EEPROM 的寫(xiě)入壽命和速度往往不能滿足要 25 求。傳統(tǒng)半導(dǎo)體記憶體有兩大體系 ： 易失性存儲(chǔ) (volatile memory)和非易失性存儲(chǔ)器 (nonvolatile memory)。易失性記憶體 如 SRAM 和 DRAM 在沒(méi)有電源的情況 下 都不能保存數(shù)據(jù)，但這種存貯器具有高性能和易用等優(yōu)點(diǎn)。非易失性記憶體 如 EPROM， EEPROM 和 FLASH 能在斷電后仍保存資料，但 由 于所有這些記憶體均起源自只讀存貯器 (ROM)技術(shù)，所以，不難想到它們都有不易寫(xiě)入的缺點(diǎn)，如寫(xiě)入緩慢、有限寫(xiě)入次數(shù)、寫(xiě)入時(shí)需要特大功 耗等，且需要后備電源?？梢?jiàn)傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器不能滿足本系統(tǒng)的要求。 而 FRAM1808 則能較好地克服以上缺點(diǎn)，其 優(yōu)點(diǎn)如下： (1)速度快 可以跟隨總線速度 (bus speed)寫(xiě)入。串口總線的 FRAM 的 CLK 的頻率高達(dá)20M，并且沒(méi)有 10ms 的寫(xiě)等待，周期并口的訪問(wèn)速度 為 70ns。 (2)擦寫(xiě)次數(shù)多 近乎無(wú)限次寫(xiě)入， 5V 供電的 FRAM 的擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá) 100 億次。 (3)超低功耗 靜態(tài)電流小于 l0μ A,讀寫(xiě)電流小于 150μ A。 EEPROM 的慢速和高電流寫(xiě)入令它需要高出 FRAM 2500 倍的能量去寫(xiě)入每個(gè)字節(jié)。 (4)非易失性 掉電后數(shù)據(jù)能保存 10 年，所有產(chǎn)品都是工業(yè)級(jí) [7]。 由于鐵電存貯器涵蓋 RAM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)擁有 ROM 技術(shù)的非易失性特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用鐵電存儲(chǔ)器 FM1808。它具有 32K 內(nèi)存，完全能滿足系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的需要，其管腳描述表及真值表分別見(jiàn)表 33, 34。 它的讀允許線 OE 和寫(xiě)允許線 WE 分別與單片機(jī)的 RD 和 WR 腳相連，由單片機(jī)控制它的讀寫(xiě)狀態(tài)。本系統(tǒng)電路利用單片機(jī)的 ALE 信號(hào)與譯碼電路產(chǎn)生的片選信號(hào)經(jīng)過(guò)或門(mén)產(chǎn)生帶有下降沿的 FM1808 片選信號(hào)，復(fù)位信號(hào)用于系統(tǒng)復(fù)位時(shí)封鎖 FM1808 的片選，增加芯片使用的可靠性。 其接線圖 參見(jiàn)單片機(jī)系統(tǒng)原理圖。 表 33 FM1808管腳描述表 26 管腳名稱(chēng) 類(lèi) 型 功 能 A0A14 IN 地址： 15 位地址線選擇內(nèi)存的某一字節(jié)，地址值在 /CE 被鎖存 DQ0DQ7 I/O 數(shù)據(jù)：訪問(wèn) FRAM 內(nèi)存的雙向 8 位數(shù)據(jù)總線 /CE IN 芯 片使能：當(dāng)為低電平時(shí)選中芯片，在 /CE 沿時(shí)地址被內(nèi)部鎖存，在下一個(gè)下降沿來(lái)臨前，在 /CE 平時(shí)地址值的改變被忽略 /OE IN 輸出使能：低電平有效，在讀周期中允許輸出緩沖區(qū)輸出，使 /OE 電平后將使 DQ 轉(zhuǎn)變?yōu)槿龖B(tài)狀態(tài) /WE IN 輸入使能：低電平時(shí)，允許將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入在的下降沿時(shí)鎖存的地址單元 VDD Supply 電源： 5V