【文章內(nèi)容簡介】 用在外部擴展存儲器，這樣電路也可簡化。這些配置能夠很好地實現(xiàn)本儀器的測量和控制要求 。 51 系列單片機： 由 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微放大電路 A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換 壓力信號采集 MSP430F135 單片機 LED 顯示 報警裝置 哈爾濱理工大學學士學位論文 6 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。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在線系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。 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，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路?？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。而且，它還具有一個看門狗（ WDT）定時 /計數(shù)器，如果程序沒有正常工作，就會強制整個系統(tǒng)復位，還可以在程序陷入死循環(huán)的時候，讓單片機復位而不用整個系統(tǒng)斷電，從而保護你的硬件電路 [3] 。 430 系列單片機： MSP430 系列單片機是一個特別強調(diào)超低功耗的單片機品種，很適合應用與電池供電的長時間工作場合。在這個系列中有很多個型號，它們是由一些基本功能模塊按不同的應用目標 組合而成。 MSP430 系列的 CPU 采用 16 位精簡指令系統(tǒng)，集成有 16 位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率。它采用數(shù)字控制振蕩器（ DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于 6181。s。其中 MSP430x41x 系列微控制器設計有一個 16 位定時器，一個比較器， 96 段 LCD 驅(qū)動器和 48 個通用 I\O 引腳。 MSP430F1x 系列具有以下一些共同特點： （ 1） 超低功耗。 （ 2） 強大的處理能力。 （ 3） 豐富的片上外圍模塊。 （ 4） 方便高效的開發(fā)方式。 （ 5） 多種存儲器形式。 （ 6） 適應工業(yè)及運行環(huán)境 。 在本設計中選擇 MSP430F135 系列單片機 [14]。 數(shù)據(jù)采集部分 電子秤的數(shù)據(jù)采集部分主要包括稱重傳感器、處理電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路，因此對于這部分的論證主要分三方面。 傳感器的選擇 PSD 光電位置傳感器 在設計中 ， 傳感器是一個十分重要的元件 ， 因此對傳感器的選擇也顯的特別的重要 ， 不僅要注意其量程和參數(shù) ， 還有考慮到與其相配置的各種哈爾濱理工大學學士學位論文 7 電路的設計的難以程度和設計性價比等等 。 高靈敏度光電位置傳感器 PSD 是一種新型的光電器件 ， 或稱為坐標光電池 ， 它是一種非分割型器件 ， 可將光敏面上的光點位置轉(zhuǎn)化為電信號。當一束光射到 PSD 的光敏面上時 ， 在同一面 上的不同電極之間將會有電流流過 ， 這種電壓或電流隨著光點位置變化而變化的現(xiàn)象就是半導體的橫向光電效應。因此利用 PSD 的 pn 結(jié)上的橫向光電效應可以來檢測入射光點的照射位置。它不像傳統(tǒng)的硅光電探測器只能作為光電轉(zhuǎn)換、光電耦合、光接收和光強測量等方面的應用 。 而能直接用來測量位置、距離、高度、角度和運動軌跡等。它與陣列式圖像傳感器也不一樣 , 不像固態(tài)圖像傳感器的測量表面由于敏感單元有一定大小而存在死區(qū) ； PSD 器件能連線檢測光點的位置 ， 沒有死區(qū)分辨力高 。 適配電路簡單等特點 ； 正日益引起人們的重視。 PSD 應用于 位移測量基本原理如圖所示 ， 由半導體激光器 (LD) 發(fā)射出的光束經(jīng)過透鏡 1聚焦 ， 光斑照射到待測物體上 ， 部分反射光通過透鏡 2會聚到 PSD的光敏面上。當激光光斑投射到被測物的某一位置時 ， 會聚到PSD的光斑恰好位于光敏面的中央位置。此時 ， PSD兩電極輸出電流相同。由圖 (22)可知光敏面上位置坐標 x = 0， 以該位置作為基準點。圖中 B 點表示待測物的基準點 ， 則其散射光斑會聚到 PSD光敏面中央 b處 ， 而待測點 A 和 C的散射光斑分別會聚到 PSD光敏面 a c兩處 ， 分別測得兩電極的電流信號 ， 再經(jīng)過后續(xù)處理電路就可以精確測試出 A、 C兩點與基準點 B之間的位移 [2]。 圖 22 位移測試原理圖 當重力壓在位移敏感傳感器的重力盤上時，重力盤彈性元件的形變位移在上圖中位置 A、 B、 C 范圍內(nèi)變化，此時 PSD 的敏感表面上的光斑位置發(fā)生變化，從而使 PSD 產(chǎn)生相應的電流信號，有電流信號的變化可以看出重力大小的變化，再經(jīng)過后續(xù)一系列處理使電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號顯示出來。 放大電路的介紹 經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)由電橋等哈爾濱理工大學學士學位論文 8 電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行 A/D 轉(zhuǎn)換。為此，測量電路中常設有模擬放 大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件構成具有各種特性的放大器來完成。 放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一些要求： 1． 輸入阻抗應遠大于信號源內(nèi)阻。否則，放大器的負載效應會使所測電壓造成偏差。 2． 抗共模電壓干擾能力強。 3． 在預定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。 4． 能附加一些適應特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)整 、方便準確的量程切換、極性自動變換等。 我們考慮了以下幾種方案： 方案一 利用普通低溫漂運算放大器構成多級放大器。 普通低溫漂運算放大器構成多級放大器會引入大量噪聲。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此種方案不宜采用。 方案二 由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器。 差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放 (如OP07)做成一個差動放大器，如圖 23 所示： C1C3C2C4R1R2R3 R6R4R8R5R7R 1 0+ 5V 5VR9VoViVi 圖 23 利用普通運放構成的放大器 電阻 R R2 和電容 C C C C4 用于濾除前級的噪聲， C C2哈爾濱理工大學學士學位論文 9 為普通小電容，可以濾除高頻干擾， C C4 為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。 優(yōu)點：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器 R6 可以調(diào)節(jié)輸出零點，最后一級可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。輸出級為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應用要求。 缺點：此電路要求 R R4 相等，誤差將會影響輸出精度， 難度較大。實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲，對精度影響較大 [12]。 方案三 采用專用儀表放大器，如： AD620， INA126 等。 此類芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。 以 AD620 為例，內(nèi)部結(jié)構如圖 24 所示： 圖 24 AD620 的內(nèi)部等效圖 接口如圖 25 所示： 圖 25 AD620 的接口圖 AD620 由傳統(tǒng)的三運算放大器發(fā)展而成 ， 但一些主要性能卻優(yōu)于三運哈爾濱理工大學學士學位論文 10 算放大器構成的儀表放大器的設計 ， 如電源范圍寬 (177?！?177。18V),設計體積小 ， 功耗非常低 (最大供電電流僅 )， 因而適用于低電壓、低功耗的應用場合。 AD620 的單片結(jié)構和激光晶體調(diào)整 ， 允許電路元件緊密匹配和跟蹤 ，從而保證電路固有的高性能。 AD620 為三運放集成的儀表放大器結(jié)構 ， 為保護增益控制的高精度 ,其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入 ， 并采用 β 工藝獲得更低的輸入偏置電流 ， 通過輸入級內(nèi)部運放的反饋 ， 保持輸入三極管的集電極 電流恒定 ， 并使輸入電壓加到外部增益控制電阻 RG上。 AD620 的兩個內(nèi)部增益電阻為 ， 因而增益方程式為： 1/ ??? RGKG (21) 對于所需的增益 ， 則外部控制電阻值為： ??? KGRG )1/( (22) AD620 具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點。其最大輸入偏置電流為 20nA，這一參數(shù)反映了它的高輸入阻抗。AD620 在外接電阻 Rg 時，可實現(xiàn) 1~1000 范圍內(nèi)的任意增益；工作電源范圍為 177。~177。18V；最大電源電流為 ；最大輸入失調(diào)電壓為 125V；頻帶寬度為 120kHz（在 G=100 時） [6]。 在本設計中，根據(jù) PSD 原理選用相應的放大電路，且先需要首先應對PSD 輸出的光電流進行電流 電壓轉(zhuǎn)換，在進行放大，如圖 26 所示： A1O P 07A2O P 07A3O P 07A4O P 07A5O P 07Rf20kRf20kR51kR61kR71kR 1 020kR 1 210kR 1 310kR81kR 1 11kC4 U FC5 50 p FC3 50 p FR910k+ 12 vabPSDC O MIXI X 39。+ 12 V+ 12 V+ 12 V+ 12 V + 12 V 12 V 12 V 12 V 12 V 12 V 圖 26 常用的 PSD 測量電路及相應的放大電路 哈爾濱理工大學學士學位論文 11 顯示電路部分的選擇 數(shù)據(jù)顯示是電子秤的一項重要功能 ， 是人機交換的主要組成部分，它可以 將測量電路測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過微處理器處理后直觀的顯示出來。數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩種方案供選擇。的組成有以下兩種方案可供選擇：一是 LED 數(shù)碼管顯示 ， 二是 LCD 液晶顯示兩種選擇 。 LCD 液晶顯示器是一種極低功耗顯示器，從電子表到計算器，從袖珍時儀表到便攜式微型計算機以及一些文字處理機都廣泛利用了液晶顯示器。 超量程報警部分選擇 智能儀器一般都具有報警和通訊功能，報警主要用于系統(tǒng)運行出錯、當測量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設置的上下限時為提醒用戶而設置。在本系統(tǒng)中，設置報警的目的就是在超出電子秤測量范圍時 ，發(fā)出報警信號，提示用戶，防止損壞儀器。 超限報警電路是由單片機的 I/O 口來控制的，當稱重物體重量超過系統(tǒng)設計所允許的重量時，通過程序使單片機的 I/O 值為高電平，從而三極管導通，使蜂鳴器 SPEAKER 發(fā)出報警聲 。 本章小結(jié) 本章對電路設計所用元件進行了比較和選型，并主要對控制器部分和數(shù)據(jù)采集部分進行了進行了分析。最后決定采用 MSP430F135 單片機，內(nèi)含 A/D 轉(zhuǎn)換器；數(shù)據(jù)采集部分運用 PSD 常用的測量電路以及其相應的放大電路。 哈爾濱理工大學學士學位論文 12 第 3章 硬件電路設計 TI 公司 MSP430 單片機簡介 MSP430 系列是一個 16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，在 1996 年問世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。 MSP430 系列單片機的迅速發(fā)展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以下的特點。 強大的處理能力 MSP430 系列單片機是一個 16 位的單片機，采用了精簡指令集（ RISC）結(jié)構，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高 的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動下指令周期為 125ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。 在運算速度方面， MSP430 系列單片機能在 8MHz 晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn) 125ns 的指令周期。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 125μs 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如FFT 等） [15]。 MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只用 6μs。 超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯 片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。 首先， MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 ~ 電壓。因而