【文章內(nèi)容簡介】 以后， 0300℃ 的溫度信號轉(zhuǎn)換為 0～ 5V 的電壓信號，輸出的電壓信號送到數(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)換開關(guān)。 電位器Ｗ用于微調(diào)冷端補償電壓。 AD595 的 7 腳是負(fù)電源端，由于不測 0℃ 以下的溫度，不用負(fù)壓供電，所以7 腳可接地 ， 1 13 腳是熱偶故障報警電路的輸出端， 13 腳接地后，集電極開路的 12 腳接上拉電阻。 熱電偶正常工作時輸出高電平；斷偶故障時輸出低電平，發(fā)光二極管亮，顯示熱電偶故障 。 圖 35 信號 處 理及放大電路 單片機系統(tǒng)主板設(shè)計 18 單 片機系統(tǒng)由 CPU、 74HC573 鎖存器、 AD574 模數(shù)轉(zhuǎn)換 器、 FM1808 數(shù)據(jù) 存儲器、 GAL16V8譯碼器、 MAX813L 看門狗芯片 、串行通訊模塊 等 組 成，完成數(shù)據(jù)采集、處理、實時顯示 等 功能，是整個系統(tǒng)的核心模塊。 系統(tǒng) 原理圖 見 附錄 一 ， 以下對各部分分別予以介紹。 CPU 的選擇 單片機是整個系統(tǒng)的核心，對系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，并進行復(fù)雜的信號處理，產(chǎn)生測試信號及控制整個檢測過程。 從硬件角度來看，與 MCS51 指令完全兼容的新一代 AT89CXX 系列 單片機 機，比在片外加 EPROM 才能相當(dāng)?shù)?8031 單片機抗干擾性能強，與 87C5 87C52 單片機性能相當(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，因而受電壓波動的影響更小，而且 4K 的程序存儲器完全能滿足單片機系統(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 作為主機。 AT89C51 性能簡介 AT89C51 是一種低功耗 、 高性能 CMOS 8 位單片機 ， 采用了 ATMEL 的高密度非易失性的存儲器工藝， 它除了具有與 MCS51 完全兼容的若干特性外，最為突出的優(yōu)點就是片內(nèi)集成了 4K 字節(jié) EEPROM，可用來存放應(yīng)用程序，這個 FLASH 程序存儲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)中實現(xiàn)在線編程，并且還提供了對程序進行三級加密保護的功能。 AT89C51 的另一個特點是工作速度更高，晶振頻率可高達 20MHz，一個機器周期僅 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器 。1000 次循環(huán)寫 /擦 。 (2) 全靜態(tài)工作： 0Hz～ 20MHz。 19 (3) 三級程序存儲器鎖定 。 (4) 128 8 位內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器， 32 條可編程 I/O 線 。 (5) 兩個十六位定時器 /計數(shù)器，六個中斷源 。 (6) 可編程串行通道，低功耗閑置和掉電模式 。 AT89C51 單片機主要接線簡介 程序存儲器為 4K，在 CPU 內(nèi)部，內(nèi)部程序存儲器能滿足本系統(tǒng)，故不需外擴程序存儲器。數(shù)據(jù)存儲器為 32K 的存儲器 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)換前對信號作了采樣保持處理。 AD574啟動 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 /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 /接收器 MAX232，用它把單片機輸出的 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)存儲器的地址及選擇向 FM1808 寫入數(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)。 — ： ～ 接多路模擬開關(guān) CD4051，作為溫度傳感器的選通信號。 — ： TTL 輸出 ， 輸出數(shù)據(jù) /地址總線的高八位；并產(chǎn)生控制信號送 GAL16V8 選通 FM1808, AD574， 8279。由于本系統(tǒng)不需要外部程序存儲器，故 31 腳 (內(nèi)部和外部程序存儲器選擇線 )接高電平。地址 0000H～ 0FFFH 空間為內(nèi)部 ROM。 CPU 最小系統(tǒng) 設(shè)計 20 時鐘電路設(shè)計 時鐘電路用于產(chǎn)生 MCS51 單片機工作時所必需的時鐘控制信號。 MCS51 單片機各功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準(zhǔn)，因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路設(shè)計有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種 方式為外部時鐘方式。 內(nèi)部 時鐘 方式 ： MCS51 內(nèi)部有一個用于構(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。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 外部 時鐘 方式： 使用外部振蕩脈沖信號。 外部 時鐘 源直接 接至輸入端 XTAL2 端，通過XTAL2 端輸入到片內(nèi)的時鐘發(fā)生器上。由于 XTAL2 端的邏輯電平不是 TTL 的，所以接一個～ 10KΩ的 上拉電阻。 （ a） 內(nèi)部時鐘方式 (b) 外部 時鐘 方式 XTAL1XTAL28 9 C 5 1V C CF C C 外部振蕩器 21 圖 36 AT89C51 的 時鐘電路 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鐘 。該系統(tǒng)晶振為 12MHz，電容 C1， C2 取 30pF，對時鐘起微調(diào)作用。 看門狗 復(fù)位 電路設(shè)計 本系統(tǒng)采用了一個硬件看門狗來監(jiān)視程序的運行。美信公司的 MAX813L 具有“看門狗”、主電源檢測的功能。單片機通過 I/O 腳加給 WDI(看門狗輸入 )腳正脈沖，如果兩次脈沖時間間隔不大于 時，則 WDO (看門狗輸出 )腳一直為高電平，說明微機程序執(zhí)行正常。當(dāng)兩次發(fā)出正脈沖的時間間隔大于 時，“看門狗”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始執(zhí) 行，起到監(jiān)視程序運行的作用 ，其 電路 如下 圖所示 圖 37 時鐘電路 圖 38 看門狗 復(fù)位 電路 單片機系統(tǒng)主板 各 功能模塊 設(shè)計 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)電路圖參見單片機系統(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，常用來為 A/D 轉(zhuǎn)換器提供固定的采樣值，它位于模擬信號源與 A/D 轉(zhuǎn)換器之間。本系統(tǒng)采用美國 National Semiconductor 公司生產(chǎn)的 LF398。 LF398是由雙極性絕緣場效應(yīng)管組成的單片采樣 /保持電路，由 Al, A2 兩個運算放大器、模擬開關(guān)和開關(guān)驅(qū)動電路、三級管 D1, D2 構(gòu)成的保護電路等組成，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、捕捉信號快及保持電壓下降速率慢等特點。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量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸出。本系統(tǒng)采用12 位逐次逼近式的轉(zhuǎn)換器 AD574，它的突出特點是芯片內(nèi)部包含微機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， 12 條輸出線均有效。此線為“ 0”時， 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，則輸出高 8 位 23 數(shù)。當(dāng) A0=1 時，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，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，芯片被選中。 R/C ：此腳為 1，讀 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果；為 0 時允許啟動 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：雙極性補償。若輸入模擬信號為雙極性，要同時使用此腳。此腳還可用于調(diào)零點。 圖 圖 39 LF398原理圖 24 圖 310 AD574 原理圖 本檢測系統(tǒng)采用雙極性輸入方式，可對 5～ +5V 的輸入電壓 進行轉(zhuǎn)換。 由 于 AD574 輸出12 位數(shù)據(jù)，因此單片機分兩次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。故本系統(tǒng)設(shè)置 12/8 腳為低電平，此時 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，采用查詢的轉(zhuǎn)換方式， AT89C51 不斷檢查 口位電平。當(dāng) STS 為高電平時， A/D 轉(zhuǎn)換器處于轉(zhuǎn)換周期 ； 為低電平時， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束。 數(shù)據(jù)存儲模塊 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)采集的過程中 ，數(shù)據(jù)需要不斷高速寫入， EEPROM 的寫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 (volatile memory)和非易失性存儲器 (nonvolatile memory)。易失性記憶體 如 SRAM 和 DRAM 在沒有電源的情況 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。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入的缺點，如寫入緩慢、有限寫入次數(shù)、寫入時需要特大功 耗等，且需要后備電源?？梢妭鹘y(tǒng)的存儲器不能滿足本系統(tǒng)的要求。 而 FRAM1808 則能較好地克服以上缺點，其 優(yōu)點如下： (1)速度快 可以跟隨總線速度 (bus speed)寫入。串口總線的 FRAM 的 CLK 的頻率高達20M，并且沒有 10ms 的寫等待，周期并口的訪問速度 為 70ns。 (2)擦寫次數(shù)多 近乎無限次寫入， 5V 供電的 FRAM 的擦寫次數(shù)可達 100 億次。 (3)超低功耗 靜態(tài)電流小于 l0μ A,讀寫電流小于 150μ A。 EEPROM 的慢速和高電流寫入令它需要高出 FRAM 2500 倍的能量去寫入每個字節(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 [7]。 由于鐵電存貯器涵蓋 RAM 技術(shù)的優(yōu)點，又同時擁有 ROM 技術(shù)的非易失性特點，本系統(tǒng)采用鐵電存儲器 FM1808。它具有 32K 內(nèi)存，完全能滿足系統(tǒng)存儲容量的需要，其管腳描述表及真值表分別見表 33, 34。 它的讀允許線 OE 和寫允許線 WE 分別與單片機的 RD 和 WR 腳相連，由單片機控制它的讀寫狀態(tài)。本系統(tǒng)電路利用單片機的 ALE 信號與譯碼電路產(chǎn)生的片選信號經(jīng)過或門產(chǎn)生帶有下降沿的 FM1808 片選信號，復(fù)位信號用于系統(tǒng)復(fù)位時封鎖 FM1808 的片選，增加芯片使用的可靠性。 其接線圖 參見單片機系統(tǒng)原理圖。 表 33 FM1808管腳描述表 26 管腳名稱 類 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 FRAM 內(nèi)存的雙向 8 位數(shù)據(jù)總線 /CE IN 芯 片使能：當(dāng)為低電平時選中芯片，在 /CE 沿時地址被內(nèi)部鎖存，在下一個下降沿來臨前，在 /CE 平時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，允許將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入在的下降沿時鎖存的地址單元 VDD Supply 電源： 5V