【正文】 專為低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的芯片類 型集成度高速度快功耗低一般稱為低功耗型單片機(jī) INTEL 的 80C3180C5180C71 是 MCS5l 系列中的 CHMOS結(jié)構(gòu) MCS51單片機(jī)基本型中的 8051是在國(guó)內(nèi)有著很大影響的單片機(jī)美國(guó) ATMEL公司所生產(chǎn)的 89系列單片機(jī)是和 8051兼容并且內(nèi)部含有 Flash存儲(chǔ)器的單片機(jī)它是一種來源于 8051而又優(yōu)于 8051的系列 [14]在工業(yè)交通儀器儀表自動(dòng)生產(chǎn)過程航空運(yùn)輸汽車家電等領(lǐng)域都有著極大的應(yīng)用前景 [6]原來 8051 的大量用戶都轉(zhuǎn)向采用 ATMEL公司的 89系列單片機(jī) ATMEL公司生產(chǎn)的 8051系列的部分單片 機(jī)性能列表 21 如下 表 31 ATMEL 公司生產(chǎn)的 8051 系列的部分單片機(jī)性能列表 ATMEL8051 主要特性列表一 型號(hào)特性 AT89C51 AT89C52 AT89S51 AT89S52 AT89S53 AT87F51 AT87F52 程序存儲(chǔ)器 4k flash 8k flash 4k flash 8k flash 12k flash 4k OTP 8k OTP 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 128 256 128 256 128 256 工頻 MHz 33 24 33 定時(shí)計(jì)數(shù)器 2 3 2 3 2 3 UART 通道 1 AD 轉(zhuǎn)換器 WDT YES SPI ISP YES 工作電壓 4060V 50V 封裝形式 PDIPPLCCTQFP AT89C51是一個(gè)低電壓高性能 CMOS 8位單片機(jī)片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM器件采用 ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 CPU 和 Flash 存儲(chǔ)單元內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89C51 提供了高性價(jià)比的解決方案 AT89C51具有 PDIPPQFPTQFP 及 PLCC等三種封裝形式以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求主要功能特性 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 32 個(gè)雙向 IO 口 兩個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 1 個(gè)串行中斷 兩個(gè)外部中斷源 可直接驅(qū)動(dòng) LED 低功耗空閑和掉電模式 5g④可承受 1000g 的劇烈沖擊⑤直流工作電壓為 27 to 525V⑥輸出靈敏度 可調(diào) 250 to 1500mVg⑦內(nèi)置緩沖放大器可用于輸出靈敏度及零加速度輸出電平調(diào)節(jié)⑧可以測(cè)量靜態(tài)加速度 如重力加速度和慣性 也可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度 如振動(dòng)和沖擊 ADXL105 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖 32 所示 圖 32 ADXL105 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖 2．工作原理 ADXLl05 是個(gè)集成于單片集成電 路的加速度測(cè)量裝置其內(nèi)部包含一個(gè)多晶硅表面的微處理傳感器和 BIMOS 信號(hào)控制電路形成開環(huán)加速度測(cè)量系統(tǒng)由于加速度的產(chǎn)生使得該結(jié)構(gòu)內(nèi)部的差動(dòng)電容器失去平衡產(chǎn)生一個(gè)幅度與加速度成正比的方渡電壓輸出同時(shí)采用相位解訶技術(shù)校正信號(hào)可以確定出加速度的方向這樣就可以獲得完整的加速度信息 ADXLl05 的輸出在默認(rèn)情況下是 250mVg 這個(gè)比例放大系數(shù)在有些場(chǎng)合并不適用芯片內(nèi)部?jī)?nèi)置 UCA 運(yùn)放模塊可用來增大這個(gè)比例系數(shù)最大可調(diào)整到 15Vg 輸出的放大比例如圖 33 所示緩沖放大器同相輸入端 VNlN 接 VMID 25V VDD2VDD 50V 調(diào)節(jié)外接電阻 R1 和 R2 的阻值可改變傳感器的輸出靈敏度 SCALE 250 R2 Rl mVg 一旦傳感器的輸出靈敏度確定下來緩沖放大器的輸出 UCAOUT 也隨之確定下來 UCAOUT 25－ AOUT R2R1＋ 25 31 從上式中可看出通過改變 ADXLl05外接電阻 R1和 R2的比例關(guān)系可調(diào)整靈敏度大小若想改變傳感器的零點(diǎn)偏置電平可在圖 33中增加一 R3電阻它一端與緩沖放大器的反相端連接另一端與 10k 電位器的中抽頭連接電位器的兩個(gè)固定端分別 接 VDD 和 COM 端那么 UCAOUT 的表達(dá)式修改如下 UCAOUT 25－ AOUT R2Rl＋ 25－ Vr R2R3＋ 25 32 調(diào)節(jié) 10K 電位器即可對(duì)零點(diǎn)進(jìn)行修正 圖 33a 使用放大器 UCA 改變 ADXLl05 靈敏度 圖 33 b 使用放大器 UCA 改變 ADXLl05 靈敏度及零點(diǎn)偏置電平 ３．２．２ 信號(hào)調(diào)理電路帶寬設(shè)定和濾波 傳感器 ADXL105 芯片直接輸出的信號(hào)存在偏移量和一些高頻干擾因此在外圍電路中增加濾波器和減法器去除雜波就顯得非常必要 帶寬的選擇將決定噪聲的基值和測(cè)量精度在 ADXL105 的測(cè)量噪聲中白高斯噪聲 white Gaussian noise 存在于所有的頻率范圍內(nèi)可以通過簡(jiǎn)單地減小帶寬來降低噪聲的幅值 ADXL105 典型的噪聲公式可表示為 噪聲 rms 33 其中單極性濾波器Ｋ＝ 16 如圖 34a 雙極性濾波器Ｋ＝ 14 如圖 34b 由此可見一味的增大帶寬將導(dǎo)致較大的噪聲 圖 34 低通濾波器 因此若給定帶寬為 100HzADXL105 的典型噪聲值為 對(duì)單極性濾波器噪聲 rms ＝ 9mg rms 對(duì)雙極性濾波器噪聲 rms ＝ 84mg rms 通?？紤]最多的是噪聲峰值噪聲的峰峰值只能通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法得到表 32可用于估計(jì)給定的 rms 值超峰值的概率噪聲的峰峰值能夠最好的估計(jì)測(cè)量方法的不確定性 表 32 峰峰值噪聲估計(jì) ３．３ AD 轉(zhuǎn)換選擇及與單片機(jī)的接口電路 AD770506 是 AD 公司推出的 16 位∑ Δ型串行輸出的 AD 轉(zhuǎn)換器用于測(cè)量低頻模擬信號(hào)這種器件具有分辨率高動(dòng)態(tài)范圍廣自校準(zhǔn)等特點(diǎn)適合于工業(yè)測(cè)控儀表測(cè)量等領(lǐng)域 圖 35 AD770506 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖 ３．３．１ AD770506 的特點(diǎn) AD770506 的片內(nèi)寄存器 AD770506 的接口時(shí)序 圖 37 向輸入位移寄存器寫入數(shù)據(jù)的時(shí)序?qū)懼芷跁r(shí)序圖 ３．３．６ AD7706 與單片機(jī)的接口 圖 38 AD7706 的連接圖 ３．４ 串行通信接口 SCI 電路 在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng) 5l 系列單片機(jī)從機(jī)用來在現(xiàn)場(chǎng)采集模擬量開關(guān)量而中央控制計(jì)算機(jī)主機(jī)在控制室或調(diào)度室用來監(jiān)測(cè)整個(gè)控制現(xiàn)場(chǎng)他們之間的數(shù)據(jù)傳送或構(gòu)成局部網(wǎng)絡(luò)多用戶系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)在這種情況下一般采用 PC 機(jī)與單片機(jī)以串行通信方式交換信息 ３．４．１ 普通串行口 RS232 測(cè)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通訊主要采用異步串行通訊方式目 前 RS232是 PC與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口 RS代表推薦標(biāo)準(zhǔn) 232是標(biāo)識(shí)號(hào) RS232采取不平衡傳輸方式即單端通信一個(gè)完整的 RS232 接口有 22 根線采用標(biāo)準(zhǔn)的 25 芯插頭座除此之外目前廣泛應(yīng)用的還有一種 9 芯的 RS232 接口它們的外觀都是一個(gè) D形對(duì)接的兩個(gè)接口又分為針式和孔式兩種 RS232 標(biāo)準(zhǔn)中定義了邏輯 1 和邏輯 0 電壓級(jí)數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率和連接器類型信號(hào)大小在正的和負(fù)的 3～ l5V之間 RS232規(guī)定接近 0的電平是無效的邏輯 1 規(guī)定為負(fù)電平有效負(fù)電平的信號(hào)狀態(tài)稱為傳號(hào) Marking 它的 功能意義為OFF 邏輯 0 規(guī)定為正電平有效正電平的信號(hào)狀態(tài)稱為空號(hào) Spacing 它的功能意義為 ON 在 RS232 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的設(shè)備可以分為數(shù)據(jù)終端設(shè)備 DTE 和數(shù)據(jù)通信設(shè)備 DCE 兩類這種分類定義了不同的線路用來發(fā)送和接收信號(hào)一般來說計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備有 DTE連接器調(diào)制解調(diào)器和打印機(jī)有 DCE連接器表 34所示為在 PC機(jī)調(diào)制解調(diào)器和路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中被廣泛使用的 9 芯 RS232 接口的信號(hào)和管腳分配 表 34 9 芯 RS232 接口引腳含義表 RS232 是用正負(fù)電平表示邏輯狀態(tài)與 TTL 以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不 同為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的 TTL 器件連接必須在 RS232 與 TTL 之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換 232 芯片可完成 RS232 與 TTL 的雙向電平轉(zhuǎn)換 232 與單片機(jī) AT89C51 的電平轉(zhuǎn)換電路如圖 39 所示 圖 39 電平轉(zhuǎn)換電路 ３．４．２ USB 通用串行總線 USBUniversal Serial Bus 即通用串行總線是現(xiàn)在非常流行的一種快速雙向廉價(jià)可以進(jìn)行熱插撥的接口在現(xiàn)在的每一臺(tái) PC 機(jī)上都可以找到一對(duì) USB 接口在遵循 USB11規(guī)范的基礎(chǔ)上 USB接口最高傳輸速度可達(dá) 12Mbs而在 USB20規(guī)范下更可以達(dá)到 480Mbs 同時(shí)它可以連接 127 個(gè) USB 設(shè)備而且連接的方式也十分靈活既可以使用串行連接也可以使用集線器 Hub 把多個(gè)設(shè)備連接在一起再同 PC 機(jī)的USB接口相連此外它還可以從系統(tǒng)中直接汲取電流無需單獨(dú)的供電系統(tǒng) USB的這些特點(diǎn)使它獲得了廣泛的應(yīng)用但是使用上的方便則意味著開發(fā)上的復(fù)雜主要是編程的復(fù)雜性大大的增加了 USB 總線的特點(diǎn)如下接口小巧共享式接口支持即插即用和熱插拔節(jié)省系統(tǒng)資源支持多種操作成本低可以提供電源良好的兼容性表 35 所示為目前使用較多的計(jì)算機(jī)接口主要性能比較 表 35 常用計(jì)算機(jī)接口比較 常用計(jì)算機(jī)接 口比較 接口類型 數(shù)據(jù)格式 傳輸速率 最大設(shè)備數(shù) 電纜長(zhǎng)度 是否支持熱插拔 并行口 并行 8Mbits 2 或 8 個(gè) 小于 10m 否 RS232 串行 20Mbits 2 小于 30m 否 RS485 串行 10Mbits 32 小于 1200m 否 ISA 并行 128Mbits 否 EISA 并行 266Mbits 否 PCI 并行 1056Mbits2112Mbits 否 AGP 并行 高于 2112Mbits 否 以太網(wǎng) 串行 10Mbits100Mbits1GMbits 1024 500m 否 USB 串行 15Mbits12Mbits480Mbits 126 無要求 是 IEEE1394 串行 400Mbits32GMbits 63 45m 是 隨著 USB