【文章內容簡介】 分析振 動變化情況，從而得出電梯轎廂振動各 個 方向 上 的參數(shù)變化趨勢，以便設計人員做出相應的對策來消減電梯 轎廂 的振動。 本章小結 本章首先 介紹了電梯轎廂的 組成 結構，并 對電梯轎廂進行了受力 數(shù)學 分析，然后根據(jù)分析所得 的 結論，通過虛擬儀器進行了振動仿真，最后，提出了電梯轎廂振動檢測系統(tǒng)的 總體 設計方案。 本章主要是通過對振動分析，在整體上 來 把握電梯轎廂振動檢測系統(tǒng)的設計 方案 ，為下面第二章 著重介紹系統(tǒng)硬件電路的設計提供 明確的 方向。 8 第 三 章 硬 件 設計 通過上一章節(jié)對系統(tǒng)總體設計方案的介紹可知：電梯轎廂振動檢測系統(tǒng)的硬件電路是以單片機為核心，由振動信號檢測模塊、 A/D 轉換模塊，顯示模塊及串口通信模塊四部分組成。因此，本章節(jié)主要是針對以上各模塊進行硬件電路設計。 單片機 模塊 該模塊 使用的 單片機 是美國 Atmel 公司的 AT89S52 單片機 ， 該型號單片機功能強大 ， 價格低廉 ，可以靈活應用于各種控制領域。 AT89S52 單片機是一種高性能 8 位單片微型計算機，它在單一芯片內集成了并行 I/O 口、異步串行口、 16 位定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、片內 RAM 和片內 ROM 以及其他一些功能部件。 AT89S52 單片機的基本組成如下圖 3－ 1 所示： C P U時 鐘 電 路R O M R A M定 時 器 / 計數(shù) 器并 行 接 口 中 斷 系 統(tǒng)串 行 接 口晶 振P 0 P 1 P 2 P 3 T X D R X D I N T 0 I N T 1T 0 T 1 圖 3－ 1 AT89S52 單片機的基本組成 ? 中央處理器 CPU： 單片機的核心 部件，用于產生各種控制信號，完成對數(shù)據(jù)的算術邏輯運算和傳送； ? 內部數(shù)據(jù)存儲器 RAM：用于存放可以讀 /寫的數(shù)據(jù) ； ? 內部程序存儲器 ROM：用于存放程序指令或某些常數(shù)表格 ； ? 4 個 8 位的并行 I/O 接口 P0、 P P2 和 P3：每個口都可以用作輸入或者輸出 ； 9 ? 3 個定時器 /計數(shù)器：用來作外部事件計數(shù)器，也可以用來定 時 ； ? 內部中斷系統(tǒng)：具有 8 個中斷源、 2 個優(yōu)先級的嵌套中斷結構，可實現(xiàn)二級中斷服務程序嵌套， 每一個中斷源都可以用軟件程序規(guī)定為高優(yōu)先級中斷或低優(yōu)先級中斷 ； ? 一個串行接口電路：可以用于異步接收發(fā)送器； ? 內部時鐘電路：振蕩頻率可以高達 40MHz，但是晶體和微調電容需要外接 ； 單片機 AT89S52 提供以下標準功能： 4K 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內部 RAM， 32 個 I/O 口線，看門狗（ WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16 位 的 定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時， AT89S52 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 下面 對 單片機模塊設計時 所 用到的引腳 作下說明 ： RST（ 9腳） ：復位輸入。當振蕩器工作時， RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 EA / Vpp（ 31腳） ：外部訪問允許。欲使 單片機 CPU僅訪問外部程序存儲器 （地址為 0000H~FFFFH） ， EA端必須 保持低電平（接地） 狀態(tài) 。需 要 注意的是：如果加密位 LB1被編程，復位時內部會鎖存 EA端狀態(tài)。當 EA為高電平即 接 Vcc端時 ， CPU則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。 當 F1ash存儲器 進行 編程時，該引腳加上 +12V的編程電壓 Vpp。 XTAL2（ 18 腳）：接外部晶振 和微調電容的一端。在 AT89S52 片內它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體的固有頻率。若采用外部時鐘電路，則該引腳 須 懸空。 XTAL1（ 19 腳）：接外部晶振 和微調電容的另一端。在片內 它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳 輸入外部時鐘脈沖。 單片機模塊電路連接圖如下圖 3－ 2 所示。該電路由 5V 電源給單片機供電，該芯片的 ~ 用作 A/D 轉換模塊的輸出端口，由于 ADC0809 輸出的是高電平，所以在程序初始化后， ~ 為低電平。 ~ 用作四位數(shù)碼管的顯示段碼輸入端口， ~ 用作動態(tài)顯示的選位端口， ~用作串口通信的接收和發(fā)送端口， 和 分別用來控制 ADC0809 的 A/D轉換結束信號和地址鎖存允許信號，由于二者均為高電平有效，所以在程序初始化后， 和 均為低電平。 10 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2C53 0 p FC63 0 p FX11 1 .0 5 9 2 M H zR11 0 kC71 0 u F+ 5 V 圖 3－ 2 單片機模塊電路連接圖 由上圖可知，該模塊 采用的是內部方式時鐘電路。 AT89S52 單片機要形成時鐘信號，必須外接相關元件。所以用外接 晶振以及電容 C1 和C2 構成并聯(lián)諧振電路，從而可以形成穩(wěn)定的自激振蕩器，然后將其接在反饋回路中。當振蕩頻率在 6~12MHz 時，通常使電容 C1 和 C2 的值選擇為 30pF來進行微調。 內部方式時鐘電路連接圖如下圖 3－ 3 所示： X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 0 39P 0 .1 /A D 1 38P 0 .2 /A D 2 37P 0 .3 /A D 3 36P 0 .4 /A D 4 35P 0 .5 /A D 5 34P 0 .6 /A D 6 33P 0 .7 /A D 7 32P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D 10P 3 .1 /T X D 11P 3 .2 /I NT 0 12P 3 .3 /I NT 1 13P 3 .4 /T 0 14P 3 .7 /R D 17P 3 .6 /W R 16P 3 .5 /T 1 15P 2 .7 /A 1 5 28P 2 .0 /A 8 21P 2 .1 /A 9 22P 2 .2 /A 1 0 23P 2 .3 /A 1 1 24P 2 .4 /A 1 2 25P 2 .5 /A 1 3 26P 2 .6 /A 1 4 27U1A T 8 9 C5 2C53 0 p FC63 0 p FX11 1 .0 5 9 2 M H z+ 5 V 圖 3－ 3 內部方式 時鐘電路 AT89S52 單片機 同 其他微處理器一樣，在啟動時需要復位，使 CPU 和系統(tǒng)的各個部件 處于一種確定的初始狀態(tài)。復位信號從 RST 引腳輸入 且 高電平有效，其有效電平應維持至少 2 個機器周期。 該模塊 采用 的是 按鍵手動復位 方式 ， 復位 電路如下圖 3－ 4 所示 。單片機的復位是通過電容充電來實現(xiàn)的。只要 電源 VCC 的 電壓上升時間不超過 1ms且 通過在 VCC 與 RST 之間加一個 22uF 的電容 C3， RST 與 GND 之間加一個1k 的電阻 R1， 在按下復位按鈕后電容 C3 通過 R2 放電，同時電源 VCC 通過R1 和 R2 分壓 ， 而 R1 要比 R2 大許多， 所以 大部分電壓降落在 R1 上，使 RST 11 端得到一個高電平 從而 導致單片機復位。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2C53 0 p FX11 1 .0 5 9 2 M H zR11 0 kC71 0 u F+ 5 V 圖 3－ 4 按鍵 手動復位電路 一個實際單片機應用系統(tǒng)能否正常工作，首先要檢查能否產生正確的復位信號。復位以后，單片機內部各寄存器的狀態(tài)如下 表 3－ 1 所示 ： 表 3－ 1 單片機內部各寄存器復位狀態(tài) PC 0000H TMOD 00H ACC 00H TL0 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0～ P3 FFH SCON 00H IP XX000000B SBUF 不定 IE 0X000000B PCON 0XXX0000B 振動 信號檢測模塊 該模塊所選 MMA7260QT 低成本微型電容式加速度傳感器采用了信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，提供 4 個量程可選，并且因其小巧輕便，將其安裝在電梯轎廂中實時檢測電梯運行中的轎廂振動狀況，從而可以提高電梯的安全性能。 MMA7260QT 內部結構如下圖 3－ 5 所示。 gnSelect1 和 gnSelect2 為量程選擇控制， Sleep Mode 為休眠模式控制，當其為高電平時 MMA7260QT 正常工作，低電平時休眠。 Xout、 Yout、 Zout 分別為 X、 Y、 Z 三個方向的模擬輸出，并且該芯片采用 5V 直流電作為其工作電壓，所以 Vss 為 5V供電源的正極，在 5V 的工作電壓下，當檢測到有振動信號時輸出電壓為 ，輸出端經 NPN 型三極管將電流放大后與 ADC0809 的 IN0 連接。 三軸加速度傳感器是一種可以對物體運動過程中的加速度進行測量的電子設備，本設計是基于單片機技術將 MMA7260QT 應用在電梯轎廂振動檢測圖 時鐘電路 12 方面。 gn S e l e c t 1gn S e l e c t 2S l e e p M o d eVD DXO U TYO U TZO U TV s sG C e l l傳 感 器 單元振 蕩時 鐘發(fā) 生 器X 溫 度補 償增 益 +濾 波 器Y 溫 度補 償Z 溫 度補 償容 壓轉 換 器控 制 邏 輯 、 E E P R O M及 微 調 電 路 圖 3－ 5 MMA7260QT 內部結構 振動信號檢測模塊的