【正文】 g g g g gdpdpdpdpdpdp1 2 3 4 5 6數(shù)碼管片選端數(shù)碼管碼段端 圖 211 數(shù)碼管顯示電路 16 第三章 軟件設(shè)計(jì) 第一節(jié) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明 進(jìn)行微機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)測(cè)量對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。其 中數(shù)碼管的段碼位分別接單片機(jī)的 P0 口，公共端通過(guò)三極管接到單片機(jī) ～ 端對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行位選。其電路圖如下圖 210 所示 。 E A /V P P31X T A L 119X T A L 218R S T /V P D9P 3. 7/ R D17P 3. 6/ W R16P 3. 2/ I N T 012P 3. 3/ I N T 113P 3. 4/ T 014P 3. 5/ T 115P 1. 0/ T1P 1. 1/ T2P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633P 0. 732P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P S E N29A L E /P R O G30P 3. 1/ T X D11P 3. 0/ R X D10V c c40G nd20A T 89 S 5XA T 89 S 51R 20V C Cabcdefgdp123456Y212MC3102C 12104C 1310uFR 15S1V C C12345678161514131211109R P 1V C CP 3 .0P 3 .1P 3 .2C L O C KD1D0/ C SS C L KI/ ORST 圖 29 單片機(jī)控制電路 第八節(jié) 按鍵和顯示電路 1. 按鍵電路 本設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì) 3 個(gè)按鍵，用來(lái)設(shè)置和修改時(shí)間。 1 RAM /CK A4 A3 A2 A1 A0 RD /WR 14 第七節(jié) 單片機(jī)控制電路 本設(shè)計(jì)是采用 AT89S51 單片機(jī)作為主控電路，其中 P1 口為 A/D 轉(zhuǎn)換器和 DS1302 時(shí)鐘芯片的通信端口， , 為按鍵控制， P0 口接數(shù)碼管的段碼， P2 口接數(shù)碼管的片選端，用于對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行片選。 與單片機(jī)的連接 DS1302 與 CPU 的連接需要三條線，即 SCLK(7)、 I/O(6)、 RST(5)。時(shí)鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。 4. DS1302 的寄存器 DS1302 有 12 個(gè)寄存器，其中有 7 個(gè)寄存器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD 碼形式 ,其日歷、時(shí)間寄存器及其控制字見圖 所示。 3. 數(shù)據(jù)輸入輸出 (I/O) 在控制指令字輸入后的下一個(gè) SCLK 時(shí)鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入 DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位 0 開始。位 5 至位 1 指示操作單元的地址輸入或輸出。 V cc21X12X23GND4 RST 5I/O 6SCL K 7V cc 8D S13 02 圖 27 DS1302 引腳圖 2. DS1302 的控制字節(jié) 13 DS1302 的控制字 如圖 所示。SCLK 始終是輸入端。只有在 SCLK 為低電平時(shí)，才能將 RST 置為高電平。如果在傳送過(guò)程中 RST 置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送， I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。 RST 輸入有兩種功能：首先， RST 接通控制邏輯，允許地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。 X1 和 X2 是振蕩源，外接 晶振。當(dāng)Vcc2 大于 Vcc1＋ 時(shí)， Vcc2 給 DS1302 供電。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)中采用 DS1302時(shí)鐘芯片產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理控制，并顯示出實(shí)時(shí)的時(shí)間，可以用于對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。 DS1302 內(nèi)部有一個(gè) 318 的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的 RAM寄存器。 圖 26 TLC2543 電路 A0 1 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 A8 9 GND 10 A9 11 A10 12 R 13 R+ 14 /CS 15 DO 16 DI 17 CLOK 18 EOC 19 VCC 20 TLC2543 VCC 5V CLOK D1 D0 /CS A0 12 第六節(jié) DS1302 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) DS1302 是美國(guó) DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為 ～ 。當(dāng) CS 為高時(shí)， I/O CLOCK 和 DATA INPUT 被禁止， DATA OUT 為高阻態(tài)。 TLC2543 每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送使用 16 個(gè)時(shí)鐘周期，且在每次傳送周期之間插入 CS 的時(shí)序。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差 。 REF＋、 REF－：正、負(fù)基準(zhǔn)電壓端。在最后的 I/O CLOCK 下降沿之后， EOC 由 高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸 。 DATA OUT： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果三態(tài)輸出端，在 CS 為高時(shí)，該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng) CS 為低時(shí)，該引腳由前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的 MSB 值置成相應(yīng)的邏輯電平 。 CS 由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間內(nèi)禁止 DATA INPUT 和I/O CLOCK。對(duì) 的 I/O CLOCK，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于 50Ω。 TLC2543 的引腳排列如圖 25 所示 。 TLC2543 的主要特性 (1) 11 個(gè)模擬輸入通道； (2) 66ksps 的采樣速率； (3) 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 10μs； (4) SPI 串行接口； (5) 線性度誤差最大為 177。 TLC2543 與外圍電路的連線簡(jiǎn)單，三個(gè)控制輸入端為 CS(片選 )、輸入 /輸出時(shí)鐘(I/O CLOCK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端 (DATA INPUT)。 其轉(zhuǎn)換原理為： A/D 轉(zhuǎn)換器將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓 Ui 與一個(gè)預(yù)先設(shè)定的電壓 Ui（預(yù)定的電壓由逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器中的 D/A 輸出獲得）電壓相比較，根據(jù)預(yù)設(shè)的電壓 Ui 是大于還是小于待轉(zhuǎn)換成的模擬輸入電壓 Uin 來(lái)決定當(dāng)前轉(zhuǎn)換的數(shù)字量是 “0” 還是 “1”，據(jù)此逐位比較，以便使轉(zhuǎn)換結(jié)果（相應(yīng)的數(shù)字量）逐漸與模擬輸入電壓相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量接近。特點(diǎn)：可以有效的消除干擾和電源噪聲，轉(zhuǎn)換精度高，但是轉(zhuǎn)換速度慢。電路先對(duì)被測(cè)的輸入電壓 Vx 進(jìn)行固定時(shí)間 (T0)的正向積分，然后控制邏輯將積分器的輸入端通過(guò)電子開關(guān)接參考電壓 Vr，由于參考電壓與輸入電壓反向且參考電壓值是恒定的，所以反向積分的斜率是固定的，從反向積分開始到結(jié)束，對(duì)參考電壓進(jìn)行反向積分的時(shí)間 T,正比于輸入電壓。 1. 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器工作原理 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器采用間接測(cè)量的方法，它將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間常數(shù) T，雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)，積分器，比較器，計(jì)數(shù)器和控制邏輯等部分組成。 R910kR740k85326741U3A D 62 085326741U2op 07V R 12kR82kV R 24kV C C+ 12 V 12 V+ 12 V 12 VR 1010kA023增益調(diào)整放大器 1 放大器 2 及偏置電路傳感器信號(hào)的輸入 圖 24 放大電路 第 五節(jié) A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇與設(shè)計(jì)電路 在我們所測(cè)控的信號(hào)中均是連續(xù)變化的物理量，通常需要用計(jì)算機(jī)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，則需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， A/D 轉(zhuǎn)換器就是為了將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)字量。 由于我們的溫度測(cè)量范圍是 0～ 100℃ ，而此時(shí)的溫度傳感器的電阻值根據(jù)分度表為 100歐姆～ 歐姆，由于我們?cè)O(shè)計(jì)的恒流源為 5/3 毫安，因此 AD620 的輸入端為 毫伏，假設(shè)考慮我們的 TLC2543 的最大輸入為 ，我們?cè)O(shè)計(jì)的放大器的增益在盡量保證分辨率的條件下，則為 20 倍，假設(shè)我們只用一個(gè) AD620，則 AD620 的輸出為 2V～ 5V(TLC 只能轉(zhuǎn)換 5V)，這樣 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率則大于題目的要求 ℃ ，因此，我們必須將 100歐姆以下的值通過(guò)偏置的方法將其減掉，然后 通過(guò)增加放大倍數(shù)來(lái)盡量提高分辨率，這里我 9 們?cè)O(shè)計(jì)的偏置電路同樣見下圖 24 所示。 AD620 是低價(jià)格、低功耗儀用放大器，它只需要一只 外部電阻就可設(shè)置 1～ 1000 倍的放大增益，它具有較低的輸入偏置電流、較快的 建立時(shí)間和較高的精度，特別適合于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如稱重和傳感器接口，也非常適 合醫(yī)療儀器的應(yīng)用系統(tǒng)（如 ECG 檢測(cè)和血壓監(jiān)視）、多路轉(zhuǎn)換器及干電池供電的前置放大器 使用。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展 ，市場(chǎng)上出現(xiàn)了專用的高性能的儀用放大器，它 的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)還是三運(yùn)放，但是，采用微電子來(lái)解決剛才 的參數(shù)匹配問(wèn)題已不是什么復(fù)雜的問(wèn)題。 這里值得注意的是恒流效果的好壞與下面幾個(gè) 因素有關(guān)，圖示 電阻的精度及溫度穩(wěn)定性要好，我們采用的是高精度高穩(wěn)定的電阻 ；還有是一定要選擇輸入阻抗高的運(yùn)放，包括產(chǎn)生虛地處的運(yùn)放（圖中 OP07）和后級(jí)的放大器（圖中的 AD620），否則較大的輸入電流也將直接影響恒流的效果；最后一點(diǎn)是參考電壓 （圖中是－ ）的穩(wěn)定性要高，這里的參考電壓采用是 作為參考電壓基準(zhǔn)。 恒流源電路的設(shè)計(jì)，有用三極管構(gòu)成的，有用 專門的恒流管，也有用價(jià)格低廉的器件通過(guò)比較巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)成的，本系統(tǒng)是 采用價(jià)格低廉的運(yùn)放為核心來(lái)構(gòu)成的，恒流效 果十分理想，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的恒流源電路見下圖 22 所示。上述兩種電路的結(jié)構(gòu)形 式見圖 21 所 示。 第二節(jié) 信號(hào)調(diào)理電路 調(diào)理電路的作用是將來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào) 變換成前向通道中 A/D 轉(zhuǎn)換器能識(shí)別的信號(hào)，作為本系統(tǒng)，由于溫度傳感器是熱電阻 PT100，因此調(diào)理電路完成的是怎樣將與溫度有關(guān)的電阻信號(hào)變換成能被 A/D 轉(zhuǎn)換器接受的電壓信號(hào)。 6 方案二：采用惠斯頓電橋，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用 Pt100 熱電阻，當(dāng) Pt100 電阻值變化時(shí) ，測(cè)試端產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，由此電勢(shì)差換算出溫度。 主要技術(shù)指標(biāo) ： 1. 測(cè)溫范圍 ： 200～ 650 攝氏度 ； 2. 測(cè)溫精度： 攝氏度 ； 3. 穩(wěn)定性： 攝氏度 Pt100 是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)， 然后 再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。 PT100 溫度傳感器是一種以鉑 (Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù) , 其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示： 在 0～ 650℃ 范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2) 在 200～ 0℃ 范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t100)t3) 式中 A、 B、 C 為常數(shù)， A=103； B=107； C=1012； 由于它的電阻 —溫度關(guān)系的線性度非常 好，因此在測(cè)量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下： R=Ro(1+αT) 其中 α=, Ro 為 100Ω(在 0℃ 的電阻值 ),T 為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為 PT100。 系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖 11 所示 。 4 第四節(jié) 系統(tǒng)框圖 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括溫度信號(hào)采集單元，時(shí)間信號(hào)采集單元，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元，時(shí)間、溫度顯示單元。 第三節(jié) 系統(tǒng)的工作原理 測(cè)溫的模擬電路是把當(dāng)前 PT100 熱電阻傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓值，經(jīng)過(guò)放大器放大信號(hào)后送給 A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后傳給單片機(jī) AT89S51，單片機(jī)再根據(jù)公式換算把測(cè)量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并將數(shù)據(jù)送出到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。相對(duì)與方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，