【正文】 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 18 圖 46 單片機(jī)外圍電路 系統(tǒng)硬件電路完成系 統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，需將采集結(jié)果通過串口傳送給 PC 機(jī)，以便PC 機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于 89S52 芯片的低 8 位地址總線和數(shù)據(jù)總線共用 P0 口，因此用地址鎖存器 74LS373 控制地址總線和數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用 P0 口。 在該系統(tǒng)中， 89S52 控制數(shù)據(jù)采集， 4K 字節(jié)的 EPROM 容量已能滿足系統(tǒng)要求?？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。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在線系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。它在一塊芯片上集成了中央處理單元 CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器 ROM、定時器 /計數(shù)器和多種輸入 /輸出（如并行 I/O、串行 I/O）和 A/D 轉(zhuǎn)換器等。單片機(jī)的全稱為微型計算機(jī)（ SingChip Microputer）或微型控制器（ Microcontroller）。 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號端 STS 接至 89S52 的 引腳，采用查詢方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng) 為低電平時，通過控制 74LS245 的使能信號和數(shù)據(jù)讀出方向兩個端口，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到指定存儲單元。系統(tǒng)選用 138 譯 碼器的 Y7 與 RD 的邏輯或作為 A/D 轉(zhuǎn)換器高 8 位字節(jié)數(shù)據(jù)接口選通控制信號。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 17 通過地址及 RD 控制 74LS245 芯片的選通和數(shù)據(jù)傳送方向。在該電路中， A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束時，保證 CR =1，使轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出到緩沖器中，并已打開三態(tài)緩沖器，也就是數(shù)據(jù)已在數(shù)據(jù)總線上。因此 AD774 的其它四個輸入控制端口接線為： CS 和 A0 接數(shù)字地， CE和 812 接 +5V。 CCD 輸出的視頻信號經(jīng)濾波后從連接 AD774 的 20V端的 AD711 正向輸入端輸入，啟動轉(zhuǎn)換信號 CR由外部采樣控制電路輸出的脈沖序列信號控制。 圖 45 A/D 轉(zhuǎn)換接口電路 由于 AD774 的輸入阻抗不高，在應(yīng)用時，最好采用輸入緩沖器連接。 與大多數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換器一樣， AD774 有模擬地和數(shù)字地，以使靈敏的模擬信號和雜亂的數(shù)字信號分開。 A/D 轉(zhuǎn)換由 CR 信號的下降沿來啟動，轉(zhuǎn)換過程中， STS 信號為高電平。 AD774 的獨(dú)立工作方式是指轉(zhuǎn)換器的控制只限于對 CR信號的操作。完全控制方式由選擇 8 或 12 位轉(zhuǎn)換周期、啟動轉(zhuǎn)換、選定輸出數(shù)據(jù)格式和讀輸出數(shù)據(jù)幾個步驟完成。 具有可控三態(tài)輸出緩沖器。 具有采樣 /保持電路。它是 12 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能。不同的應(yīng)用場合，對 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片的選擇也是不同的。單片集成 A/D 轉(zhuǎn)換器體積小、成本低，在一塊芯片內(nèi)集成了多種高性能模擬和邏輯電路，在精度、速度及商業(yè)性等方面都獲得了優(yōu)異的綜合特性，其控制邏輯大多與微處理器兼容。與此類推，第 5 次按上述規(guī)律給 8253 賦初值， 8253 在 SP 信號的不同位置輸出低脈沖，來控制 A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動轉(zhuǎn)換。當(dāng) FC 為高電平時， 8253 計數(shù)器對SP 信號開始計數(shù)，計完 1 個 SP 脈沖， OUT2 輸出一個負(fù)脈沖，脈沖寬度為 1 個 SP周期（ 8 s? ），同時，在 OUT2 輸出低脈沖的下降沿時刻，重新給 8253 寫計數(shù)初值 5，由 CPU 執(zhí)行寫計數(shù)初值的時間為 5 s? ＜ 8 s? ，因此 OUT2 在輸出的第 1 個負(fù)脈沖的上升沿， 8253 按新的計數(shù)初值開始計數(shù)， OUT2 輸出連續(xù)的負(fù)脈沖，每個脈沖的低電平的寬度為一個計數(shù)時鐘 SP 周期，輸出脈沖周期等于寫入計 數(shù)器的初值 5 乘以 SP周期（ 40 s? ）。為減少對 CCD 輸出信號的掃描周期，并兼顧線陣 CCD 的工作特性，將驅(qū)動頻率設(shè)為第三檔 125KHz,那么對 125KHz 的時鐘信號進(jìn)行 5 分頻，就可以滿足A/D 轉(zhuǎn)換器的要求。 74LS138 的Y6 接 8253 的 CS 腳， 74LSS373 鎖存的地址 1Q、 2Q 連接到 8253 的 A1 和 A0。 INTEL8253 接口電路及其工作原理：系統(tǒng)設(shè)計的 8253 接口電路如圖 44 所示。 當(dāng)門控 GATE=0 時，立即停止計數(shù)并強(qiáng)迫輸出為高電平；當(dāng) GATE=1 時，便啟動一次新的計數(shù)周期。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 14 圖 43 8253 方式 2 計數(shù)定時波形 當(dāng) GATE 為低電平時禁止計數(shù)，此時 OUT 為高電平。方式 2 為脈沖發(fā)生器方式，產(chǎn)生連續(xù)的負(fù)脈沖信號。它有三個獨(dú)立的 16 位計數(shù)器，通過對 其編程，可實(shí)現(xiàn)各種方式的計數(shù)器。為實(shí)現(xiàn)上述功能系統(tǒng)選用 INTEL8253 計數(shù)器 /定時器對 CCD 驅(qū)動脈沖信號分頻，輸出多周期間隔采樣信號來控制 A/D 轉(zhuǎn)換器啟動轉(zhuǎn)換。 系統(tǒng)選用的 TCD1206SUP 線陣 CCD 的驅(qū)動頻率較高，根據(jù)硬件電路設(shè)計方案的分析，系統(tǒng)選用普通 A/D 轉(zhuǎn)換器，低于 CCD 的驅(qū)動頻率，系統(tǒng)采取多周期間隔采樣，然后重新將采集數(shù)據(jù)拼接在一起的方法。該電路是為 A/D 轉(zhuǎn)換器提供采樣脈沖序列信號的邏輯電路。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 13 圖 42 二階有源低通濾波電路 圖中，放大器為精密低噪聲運(yùn)算放大器 OPA177，其中 R12=R13=R= ，C8=C10=C=100P，則濾波電路的截止頻率 KH zRCfdB 250213 ??? ?； 增益為： ? ? ??? RRG 。實(shí)驗(yàn)裝置中，濾波器的截止頻率設(shè)計為 CCD 工作頻率的 2 倍，既能有效地濾除高頻噪聲，也滿足奈奎斯特采樣定理，對測量精度影響較小。當(dāng)測量精度要求較高時，為了改善濾波效果，使大于截止頻率的信號迅速衰減，常采用二階有源低通濾波器。與無源濾波器相比較，有源濾波器具有體積小、效率高、頻率特性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。 由于 CCD 輸出的視頻信號 中，混雜有幅度較大的復(fù)位脈沖干擾和攜帶有高頻噪聲信號，為了削弱頻率較高的干擾、噪聲，需要設(shè)計一個低通濾波電路，濾去高頻干擾信號，以保證硬件電路的系統(tǒng)精度。該單元的主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)完整、可靠、正確的采集。光譜響應(yīng)峰值波長： 550nm CCD 工作的基本原理： CCD 的感光面是若干個獨(dú)立光刻單元的集合，它能存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當(dāng)對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在 CCD 內(nèi)作定向傳輸 , 并輸出電信號。像元尺寸： 14 m? 14 m? （相鄰像元中心距） 其主要特性參數(shù)如下： 在水準(zhǔn)測量中，我們主要是得到像質(zhì)較好的圖像，通過比較決定選擇 CCD 圖像傳感器作為光電轉(zhuǎn)換的光敏器件。電源及耗電量 。 CMOS 與 CCD 同時產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 70 年代 ， 從技術(shù)的角度比較， CCD與 CMOS 有四個方面的不同 :信息讀取方式 。 1970 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了 CCD，它是一種新型的半導(dǎo)體成像器件，是在大規(guī)模集成電路工藝基礎(chǔ)上研制而成的一種新型 MOS 型集成74LS138AD 774CCD低通濾波A 0CS12 / 8CEFC OU T 2P 0 . 0 P 0 . 7A LEP 2 . 5P 2 . 6 P 2 . 7AB CLE+ 5 VGNDGA TE2CLK 2OUT 2S TSR / CA 0 A 7DI RDB 4 DB 11P 1 . 0I NT 0CS20 VIND 0 D 7A 0 A 7A 8 A 12CSD 0 D 7ERDFCSPB 0 B 7P 2 . O P 2 . 4D 0 D 7Q 0 Q 7Y 0Y 6Y 774 LS 2458253626474 LS 37389 S 52串口U 0P 1 . 1天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 12 電路芯片。 圖像傳感器的功能就是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號圖像，并將電信號送入圖像處理電路，進(jìn)行圖像識別，完成電子讀數(shù)。如圖 41 所示。 單片機(jī)程序流程圖 上位機(jī)程序流程圖 圖 33 系統(tǒng)軟件流程圖 開始系統(tǒng)初始化外部中斷 ？數(shù)據(jù)采集串口通訊YN開始濾波處理視距和視線高計算邊緣檢測及條碼識別結(jié)束天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 11 4 數(shù)字水準(zhǔn)儀測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計 數(shù)字水準(zhǔn)儀測量系統(tǒng)硬件部分主要由 CCD 檢測模塊、單片機(jī)外圍電路以及通信接口模塊電路組成。系統(tǒng)將采集來的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)與 PC 機(jī)通訊AT89S52 數(shù)據(jù)處理模塊 PC機(jī) CCD檢測模塊 TCD1206SUP 數(shù)據(jù)采集模塊 A/D 轉(zhuǎn)換 低通濾波 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 10 存入微機(jī)后，首先采用數(shù)字濾波的方法將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再進(jìn)行邊緣檢測，確定條碼的邊沿點(diǎn)后，就可以求出條碼的寬度，進(jìn)而可以識別出條碼，最后根據(jù)條碼的編碼規(guī)則求出視距和視線高。 數(shù)據(jù)采集模塊： CCD 圖像傳感器輸出的模擬電信號經(jīng)整形后進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器，從 而轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號送入單片機(jī)，單片機(jī)通過串口傳輸入 PC 機(jī)，存儲轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以供后續(xù)的處理。如圖 32 所示。 本文設(shè)計的數(shù)字水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以 AT89S52 單片機(jī)為核心， Intel8253 計數(shù)器作為同步控制器，控制 A/D 轉(zhuǎn)換器對 CCD 的輸出信號定時采樣。當(dāng)數(shù)字水準(zhǔn)儀標(biāo)尺上有局部受損現(xiàn)象，或測量視場內(nèi)部分條碼被遮擋時，要實(shí)現(xiàn)讀數(shù)，就必須依靠碼元內(nèi)在的某種變化規(guī)律。然后再求出此處 R碼距 CCD中心線的距離，最后 將兩者進(jìn)行加或減運(yùn)算，就可知道該處到標(biāo)尺底部的高度。 它們在標(biāo)尺上每組條碼組合具有唯一性。從上述表達(dá)式可以看出， A碼、 B碼和 C碼的寬度均在 2 mm 到 8 mm 之間變化，它們的周期分別為 200mm 、 240mm 、 280mm ，最小公倍數(shù)為 840cm 。其中 R 碼為參考碼 ,其碼條圖案由三條黑色碼條和兩條白色碼條組成，碼條的寬度均為 2mm 。設(shè)計的條碼標(biāo)尺中的部分 條碼圖案如圖 31 所示。視距由成像于 CCD 上的 R 碼的間距與標(biāo)尺上R 碼的問距根據(jù)幾何成像原理求得。由 A和 B兩信號的相位求相位差，即可得到視線高。 A碼和 B碼條的寬度都是在 0mm～ 10mm之間按正弦曲線 A和 B變化，其中曲線 A的周期為300mm，曲線 B的周期為 330mm，它們的最小公倍數(shù)為 3300mm。在每組 R碼條左邊 10 ? ??? ? ?????? ???????? ?? ni iii bbAGgnH 1 121211AfL?0n bbngA?物鏡 光軸（中絲） 間距 中點(diǎn) Gn Gi+1 Gi Gn G0 B0 Bi Bi+1 Bn bi bi+1 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 7 mm處有一道黑色的 B碼條。 R表示參考碼，其中有三條 2mm寬的黑條，每兩條黑色碼條之間是一條 1mm寬的白條。 根據(jù)幾何相似原理，得視線高的計算公式為： （ 22） 視距為： （ 23） 以上兩式中， 表示物像比， bn和 b0分別為 CCD上 30 cm測量截距上下 邊界到光軸的距離， f為望遠(yuǎn)鏡物鏡焦距。 圖 22 幾何法原理圖 圖中， Gi為某測量間距的下邊界， Gi+1為上邊界，它們在 CCD上的成像為 Bi及 Bi+1 ，它們到光軸 (中絲 )的距離分別用 bi及 bi+l表示。標(biāo)尺采用雙相位碼，每 2cm為一個測量間距，其中的碼條構(gòu)成一個碼詞，每個測量間距的邊界由黑白過渡線構(gòu)成，其下邊界到標(biāo)尺底部的高度，可由該測量間距中的碼詞判讀出來。參考信號的 ―寬窄 ‖與視距相對應(yīng)，參考信號的位移與視線高相對應(yīng)，用公式可表示為： （ 21） 上式中， P