【文章內容簡介】 路中，所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大、再 A/D 轉 換為數(shù)字信號；另一種是將該濕敏電容置于 555 振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集 頻率輸出的 555 測量振蕩電路如圖 37 所示。集成定時器 555 芯片外接電阻 R R2 與濕敏電容 C，構成了對 C 的充電回路。 7端通過芯片內部的晶體管對地短路又構成了對 C的放電回路，并將引腳 6端相連引入到片內比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外， R3 是防止輸出短路的保護電阻， R1 用于平衡溫度系數(shù)。 圖 3頻率輸出的 555振蕩電路 該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程 如下：首先電源 Vs 通過 R R2 向C充電，經 t充電時間后， Uc 達到芯片內比較器的高觸發(fā)電平，約 ，此時輸出引腳 3端由高電平突降為低電平，然后通過 R2 放電，經 t放電時間后， Uc 下降到比較器的低觸發(fā)電平，約 此時輸出，此時輸出引腳 3端又由低電平突降為高電平，如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為 t 充電 =C（ R4+R2） Ln2 t 放電 =CR2 Ln2 因而，輸出的方波頻率為 f=1/(t放電 +t 充電 )=1/[ C（ R4+R2） Ln2] 可見，空氣濕度通過 555 測量電路就轉變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表31 給出了其中的一組典型測試值。 表 3空氣濕度與電壓頻率的典型值 8/11/2020 12 12 07 3 5 16 06 6 0 01 07 2 2 47 06 4 6 82 07 1 0 0 8 06 3 3 03 06 9 7 69 06 1 6 84 06 8 5 3 1 0 0 6 0 3 35 0 6 7 2 8頻 率濕 度頻 率濕 度% R HH Z% R H H Z 三、 多路檢測信號的實現(xiàn) 本設計系統(tǒng)為八路的 濕 度信號采集，故采用 CD4051 組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖 38所示 圖 38八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口 3． 1． 3 多路開關 多路開關，有稱?多路模擬轉換器?。多路開關通常有 n個模擬量輸入通道 和一個公共的模擬輸入端，并通過地址線上不同的地址 信號把 n個通道中任一通道輸入的模擬信號輸出，實現(xiàn)有 n線到一線的接通功能。反之，當模擬信號有公共輸出端輸入時 ，作為信號分離器，實現(xiàn)了 1線到 n 線的分離功能。因此，多路開關通常是一種具有雙向能力的器件。 在本設計中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號采集中將有兩個模擬量被提取，這時選用多路開關就是很必要的。 我選用的是 CD4051 多路開關，它是一種單片、 COMS、 8 通道開關。該芯片由 DTL/TTLCOMS電平轉換器，帶有禁止端的 8選 1譯碼器輸入，分別加上控制的 8個 COMS 模擬開關 TG 組成。 CD4051的內部 原理框圖如圖 39所示 。 8/11/2020 13 13 圖 3 CD4051的內部原理框圖 圖中功能如下： 通道線 IN/OUT（ 1 1 1 13）：該組引腳作為輸入時，可實現(xiàn) 8選 1功能，作為輸出時，可實現(xiàn) 1分 8功能。 XCOM（ 3）：該引腳作為輸出時，則為公共輸出端；作為輸入時，則為輸入端。 A、 B、 C（ 1 9）：地址引腳 INH（ 6）：禁止輸入引腳。若 INH為高電平，則為禁止各通道和輸出 端 OUT/IN接至；若 INH 為低電平，則允許各通道按表 32關系和輸出段 OUT/IN 接通。 VDD（ 16）和 VSS（ 8）： VDD為正電源輸入端，極限值為 17V； VSS為負電源輸入端，極限值為 17V。 VGG（ 7）；電平轉換器電源，通常接 +5V或 5V。 CD4051 作為 8 選 1功能時，若 A、 B、 C 均為邏輯? 0?（ INH=0），則地址碼 00013 經譯碼后使輸出端 OUT/IN和通道 0接通。其它情況下，輸出端 OUT/IN輸出端 OUT/IN和各通道的接通關系如下 表 32 輸入狀態(tài) 接通 通道 輸入狀態(tài) 接通 通道 INH C B A INH C B A 0 0 0 0 0 0 1 0 1 5 0 0 0 1 1 0 1 1 0 6 0 0 1 0 2 0 1 1 1 7 0 0 1 1 3 1 x x x 均不顯示 8/11/2020 14 14 0 1 0 0 4 3． 2 信號分析 與處理 3． 2． 1 A/D轉換 一． A/D轉換器的特點 為了把溫度、濕度檢測電路測出的模擬信號轉換成數(shù)字量送 CPU 處理，本系統(tǒng)選用了雙積分 A/D 轉換器 MC14433， 它精度高，分辨率達1/1999。由于 MC14433 只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測的多路溫度與濕度信號輸入，故選用多路選擇電子開關，可輸入多路模擬量。 MC14433 A/D 轉換器 由于雙積分方法二次積分時間比較長，所以 A/D 轉換速度慢，但精度可以做得比較高；對周期信號變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能也比較好。 目前，國內外雙積分 A/D 轉換器集成電路芯片很多，大部分是用于數(shù)字測量儀器上。常用的有 位雙積分 A/D 裝換器 MC14433 和 位雙積分 A/D轉換器 ICL7135 二． MC14433A/D轉換器件 簡介 MC14433是三位半雙積分型的 A/D 轉換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu)點，其缺點是轉換速率低，約 1— 10 次 /秒。在不要求高速轉換的場合，例如，在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。 MC14433A/D 轉換器與國內產品 5G14433完全相同，可以互換。 MC14433A/D轉換器的被轉換電壓量程為 。轉換完的數(shù)據(jù)以 BCD碼的形式分四次送出（最高位輸出內容特殊，詳見表 33）。 8/11/2020 15 15 多 路 選 擇 開 關鎖 存 器個 位 十 位 百 位 千 位極 性判 別溢 出控 制 電 路 C M O S 線 性 電 路時 鐘 / O R 過 量 程V R 基 準 電 壓V A G 模 擬 地V X 被 測 電 壓D UE O C R 1R 1 / C 1C 1C 0 1C 0 2Q 0 ～ Q 3 D S 1 ～ D S 4實 時 顯 示 轉 換 周 期 圖 310 MC14433A/D轉換器 的內部邏輯框圖 圖 311 MC14433引腳圖 MC14433 的框圖 （圖 310） 和引腳 （圖 311） 功能說明 各引腳的功能如下： 電源及共地端 VDD： 主工作電源 +5V。 VEE: 模擬部分的負電源端，接 5V。 VAG： 模擬地端。 VSS： 數(shù)字地端。 VR： 基準電壓。 外界電阻及電容端 RI： 積分電阻輸入端， VX=2V 時， R1=470?； VX=200Mv時， R1=27K? 。 C1： 積分電容輸入端。 C1 一般為 。 C0 C02： 外界補償電容端，電容取值約 。 R1/C1： R1 與 C1 的公共端。 8/11/2020 16 16 CLKI、 CLKO ： 外界振蕩器時鐘調節(jié)電阻 Rc， Rc 一般取 470 K?左右。 轉換啟動 /結束信號端 EOC：轉換結束信號輸出端，正脈沖有效。 DU： 啟動新的轉換，若 DU 與 EOC 相連，每當 A/D 轉換結束后，自動啟動新的轉換。 過量程信號輸出端 /OR ： 當 |Vx|? VR，過量程 /OR 輸出低電平。 位選通控制線 DS4DS1： 選擇個、十、百、千位，正脈沖有效。 DS1 對應千位， DS4 對應個位。每個選通脈沖寬度為 18 個時鐘周期，兩個相應脈沖之間間隔為 2個時鐘周期。 ～～～～～～1 / 2 C L K 周 期1 6 4 0 0 個 時 鐘 脈 沖 周 期1 8 個 時 鐘 脈 沖 周 期E O CD S 1D S 2D S 3D S 4( 最 高 位 ) 1 / 2 位 2 個 時 鐘 脈 沖 周 期最 低 位 圖 312 MC14433選通脈沖時序圖 BCD 碼輸出線 Q0Q3： BCD碼輸出線。其中 Q0 為最低位， Q3 為最高位。當 DS DS3和 DS4 選通期間，輸出三位完整的 BCD 碼數(shù)，但在 DS1 選通期間，輸出端 Q0Q3 除了表示個位的 0或 1外，還表示了轉化值的正負極性和欠量程還是過量程其含意見表 33 表 3 DS1選通時 Q3～ Q0 表示的結果 Q 2Q 1Q 0 01000011表 示 結 果千 位 數(shù) 為 0千 位 數(shù) 為 1結 果 為 正結 果 為 負輸 入 過 量 程輸 入 欠Q 31001 8/11/2020 17 17 由表可知 Q3 表示 1/2位， Q3=? 0?對應 1，反之對應 0。 Q2 表示極性， Q2=? 1?為正極性，反之為負極性。 Q0=? 1?表示超量程：當 Q3=? 0?時，表示過量程；當 Q3=? 1?時，表示欠量程； 一． MC14433與 8031單片機的接口設計 由于 MC14433 的 A/D 轉換結果是動態(tài)分時輸出的 BCD 碼， Q0～ Q3HE DS1～ DS4 都不是總線式的。因此， MCS51 單片機只能通過并行 I/O 接口或擴展 I/O 接口與其相連。對于 8031 單片機的應用系統(tǒng)來說， MC14433可以直接和其 P1口或擴展 I/O口 8155/8255相連。下面是 MC14433與 8031單片機 P1 口直接相連的硬件接口，接口電路如圖 313所示 圖 313 MC14433與 8031單片機 P1口直接相連的硬件接口 3. 2. 2 單片機 8031 為了設計此系統(tǒng)，我們采用了 8031 單片機作為控制芯片，在前向通道中是一個非電信號的電量采集 過程。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經過功率放大過程，使信號放大，再經過模 /數(shù)轉換成為計算機能識別的數(shù)字信號，再送入計算機系統(tǒng)的相應端口。 由于 8031 中無片內 ROM，且數(shù)據(jù)存儲器也不能滿足要求，經擴展2762和 6264 來達到存儲器的要求，其結果通過顯示器來進行顯示輸出。 8/11/2020 18 18 3. 2. 2. 1 8031的片內結構 8031 是有 8 個部件組成，即 CPU，時鐘電路，數(shù)據(jù)存儲器，并行口（ P0～ P3）串行口，定時計數(shù)器和中斷系統(tǒng)，它們均由單一總線連接并被集成在一塊半導體芯片上，即組成了單片微型計算機， 8031 就是 MCS51系列單片機中的一種。 圖 314 8031 基本組成 CPU 中央處理器： 中央處理器是 8031 的核心，它的功能是產生控制信號，把數(shù)據(jù)從存儲器或輸入口送到 CPU 或 CPU 數(shù)據(jù)寫入存儲器或送到輸出端口。還可以對數(shù)據(jù)進行邏輯和算術的運算。 時鐘電路： 8031內部有一個頻率最大為 12MHZ的時鐘電路，它為單片機產生時鐘序列，需要外接石英晶體做振蕩器和微調電容。 內存： 內部存儲器可分做程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，但在 8031 中無片內程序存儲器 。 定時 /計數(shù)器： 8031有兩個 16 位的定時 /計數(shù)器，每個定時器 /計數(shù)器都可以設置成定時的方式和計數(shù)的方式，但只能用其中的一個功能，以定時或計數(shù)結果對計算機進行控制。 并行 I/O口 ： MCS51 有四個 8位的并行 I/O 口， P0， P1， P2， P3，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出。 串行口： 它有一個全雙工的串行口，它可以實現(xiàn)計算機間或單片機同其它外設之間的通信，該并行口功能較強，可以做為全雙工異步通訊的收發(fā)器8/11/2020 19 19 也可以作為同步移位器用。 中斷控制系統(tǒng)： 8031 有五個中斷源，既外部中斷兩個，定時計數(shù)中斷兩個，串行中斷一個，全部的中斷分為高和低的兩個輸出級。 3. 2. 2. 2 8031的引腳 圖 315 8031引腳圖 8031 的制作工藝為 HMOS，采用 40 管腳雙列直插 DIP 封裝，引腳說明如下： VCC（ 40 引腳）正常運行時提供電源。 VSS（ 20 引腳）接地。 XTA