便攜式瓦斯檢測儀設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 (31) 62521 R UUR UU OiiO ??? (32) 所以由式 (31)和式 (32)得： 51634256 )1()1(RURRRURRU iiO?????? (33) 又因?yàn)檩斎牍材ｋ妷?2/)( 21 iiic UUU ?? ，輸入 差模電壓 12 iiid UUU ?? ，將它們帶入式 (33)可得： idicOURR RRRRURR RRU???????)21(21)1(5364565364 (34) 為了獲得零共模增益，式 (34)右邊第一項(xiàng)必須為零，可取 6453 RRRR ? 此時(shí)，電路得差動(dòng)閉環(huán)增益為：561 RRKd ?? 因?yàn)閺膫鞲衅鬏敵龅秒妷盒盘?hào)為 090mv，為了取得較大的 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)，需要對(duì)其放大，取 R3=R6=5000Ω， R4= R5=100Ω，放大倍數(shù)為 51 倍。 A/D 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) 在檢測系統(tǒng)中，傳感器輸出的模擬信號(hào)首先由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理，如放大、硬件濾波、非線性補(bǔ)償、信號(hào)變換等。信號(hào)調(diào)理之后，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便采用微處理器或微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步分析、處理、存儲(chǔ)等。由模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來完成的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行長時(shí)間的數(shù)字化測量，從而獲得大量數(shù)據(jù)以便進(jìn)一步分析與處理的電路。它是外部被測模擬信號(hào)進(jìn)入測量系統(tǒng)的前置通道，有時(shí)也稱預(yù)處理系統(tǒng)。所謂數(shù)字化測量，就是以一定時(shí)間間隔測定某個(gè)時(shí)刻的瞬 時(shí)值，再將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 。 ADC0809 芯片 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 ADC0809 是采樣分辨率為 8 位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模 —數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一 個(gè) 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通 8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 [12]。 芯片的引腳圖如圖 36 所示： 圖 36 ADC0809 引腳圖 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 38 所示。下面說明各引腳功能。 (1) IN0IN7： 8 路模擬量輸入端 ； (2) D0D7： 8 位數(shù)字量輸出端 ； (3) ADDA、 ADDB、 ADDC： 3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路 ； (4) ALE： 地址鎖存允許信號(hào)輸入 端 ，高電平有效 ； (5) START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使 ADC0809 復(fù)位，下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換 ）； (6) EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平） ； (7) OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量 ； (8) CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ； (9) REF(+)、 REF()： 基準(zhǔn)電壓 ； (10) Vcc： 電源，單一＋ 5V； (11) GND： 接 地。 ADC0809 的主要特性有： (1) 8 路輸入通道， 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率為 8 位 ； (2) 具有轉(zhuǎn)換起停控制端 ； (3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μs； 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 (4) 單個(gè)＋ 5V 電源供電 ； (5) 模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn) ； (6) 工作溫度范圍為 40～＋ 85 攝氏度 ； (7) 低功耗，約 15mW。 ADC0809 的工作過程： 首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng) OE 輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 74LS373 鎖存器 單片機(jī)系統(tǒng)中常用的地址鎖存器芯片 74LS373 是帶三態(tài)緩沖輸出的 8D 觸發(fā)器，其引腳 圖與 真值表 如圖 37 和表 32 所示。 圖 37 74LS373 引腳圖 表 32 74LS373 鎖存器真值表 輸入管腳 輸出 OEN G D Q H X X 高阻 L H L L（數(shù)據(jù)傳送） L H H H（數(shù)據(jù)傳送） L L X （數(shù)據(jù)鎖存） 74LS373 引 腳 端符號(hào)： 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 D0D7：鎖存 數(shù)據(jù)輸入端 ； OE： 三態(tài)允許控制端（低電平有效） ； G： 鎖存允許端 ； Q0Q7：鎖存數(shù)據(jù) 輸出端 。 74LS373 為三態(tài)輸出的 8D 透明鎖存器。 74LS373 的輸出端 Q0Q7 可直接與總線相連 。當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時(shí)， Q0Q7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時(shí)， Q0Q7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不 驅(qū)動(dòng) 負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端 G 為 高 電平時(shí)， Q 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) G 為 低 電平時(shí)， Q 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)系統(tǒng)基本組成包括輸入控制、輸出顯示、晶振、復(fù)位電路以及外圍功能器件等。 AT89C51 單片機(jī)的介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃存可編程可擦除 只讀存儲(chǔ)器 的低電壓，高性能CMOS 8 位微處理器， 也被稱作單片機(jī) [13]。 單片機(jī)的 可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器 [14]。 AT89C51 的主要特性為： 與 MCS51 兼容 ； 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命： 1000 寫 /擦 ， 循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ； 128*8 位內(nèi)部 RAM； 32 可編程 I/O 線 ； 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； 5 個(gè)中斷源 ； 可編程串行通道 ； 低功耗的閑置和掉電模式 ； AT89C51 的引腳圖如圖 38 所示 。 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 38 AT89C51 的引腳圖 振蕩器的特性 XTAL1： 接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。 XTAL2： 接外部晶振的一個(gè)引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接 外部振蕩信號(hào)的輸入 [15]。 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 [16]。 單片機(jī)和 ADC0809 的硬件連接電路 ADC0809 和單片機(jī)系統(tǒng)的基本組成主要有單片機(jī)和 A/D 轉(zhuǎn)換器。其中單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部分 ， 單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)以啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣 。 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì)在連接上應(yīng)主要考慮三總線 (控制總線、地址總線、 數(shù)據(jù)總線 )的連接。 如 圖39 所示是一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口電路。圖中 A/D 轉(zhuǎn)換器選用的是ADC0809，單片機(jī)則選用 AT89C51。其中 ， ADC0809 是 采樣分辨率為 8 位的 、 以逐次逼近原理進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件 。 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 39 單片機(jī)和 ADC0809 的硬件連接電路 圖 單片機(jī)的復(fù)位電路及看門狗電路設(shè)計(jì) 這節(jié)內(nèi)容是詳細(xì)說明一下，單片機(jī)的復(fù)位電路以及看門狗電路的設(shè)計(jì)。 單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì) 簡單復(fù)位電路有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種。 上電復(fù)位要求接通電 源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。手動(dòng)復(fù)位要求在電源接通的條件下， 在單片機(jī)運(yùn)行期間，如果發(fā)生死機(jī)，用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。 單片機(jī)要完成復(fù)位， 必須向復(fù)位端輸出并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。 不管是哪一種復(fù)位電路都要保證在 RESET 引腳上提供 10ms 以上穩(wěn)定的高電平。本設(shè)計(jì)所用復(fù)位電路如圖 310 所示 。 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 310 單片機(jī)復(fù)位電路圖 看門狗電路設(shè)計(jì) 看門狗電路是嵌入式系統(tǒng)需要的抗干擾措施之一。 本設(shè)計(jì) 用 X25045 芯片設(shè)計(jì)了一種新的看門狗電路，具有體積小、占用 I/O 口線少和編程方便 的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于儀器儀表和各種工控系統(tǒng)中 [17]。 工控系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，通常都會(huì)遇到各種各樣的現(xiàn)場干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。看門狗電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的重要保證，幾乎所有的工控系統(tǒng)都包含看門狗電路。 X25045 是美國 Xicor 公司的生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化 8 腳集成電路，它將 EEPROM、看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個(gè)芯片之內(nèi)，大大簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對(duì)印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機(jī)外圍芯片。 X25045 引腳如圖 311 所示。 圖 311 X25045 芯片引腳圖 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 其引腳功能如下： CS：片選擇輸入； SO：串行輸出，數(shù)據(jù)由此引腳逐位輸出； SI：串行輸入，數(shù)據(jù)或命令由此引腳逐位寫入 X25045； SCK：串行時(shí)鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出； WP：寫保護(hù)輸入。當(dāng)它低電平時(shí)，寫操作被禁止； Vss：地； Vcc：電源電壓； RESET：復(fù)位輸出。 看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個(gè)定時(shí)器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且 若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的 “程序運(yùn)行監(jiān)視器 ”，如計(jì)數(shù)型的看門狗電路通常由 555 多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運(yùn)行不夠可靠。 X25045 芯片內(nèi)包含有一個(gè)看門狗定時(shí)器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間。在看門狗定時(shí)器預(yù)置的時(shí)間內(nèi)若沒有總線活動(dòng)，則 X25045 將從 RESET 輸出一個(gè)高電平信號(hào)，經(jīng)過微分電路 C1 R21 輸出一個(gè)正脈沖，使 CPU 復(fù)位。圖 312 電路中， CPU 的復(fù)位信號(hào)共有 3 個(gè)：上電復(fù)位 (C1 R19)，人工復(fù) 位 (S R1 R20)和 看門狗 復(fù)位 (C1 R21)，通過或門綜合后加到 RESET 端。 C1 C15 的時(shí)間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可 ， 因?yàn)檫@時(shí) CPU 的振蕩器已經(jīng)在工作。 看門狗硬件連接電路如圖 312 所示 。 圖 312 看門狗電路硬件連接圖 東北石油大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 看門狗定時(shí)器的預(yù)置時(shí)間是通過 X25045 的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來設(shè)定的。X25045 狀態(tài)寄存器共有 6 位有含義，其中 WD WD0 和看門狗電路有關(guān)，其余位和 EEPROM 的工作設(shè)置有關(guān)。 看門狗電路的定時(shí)時(shí)間長短可由具體應(yīng)用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時(shí)最大循 環(huán)周期的時(shí)間略長即可。編程時(shí)，可在軟件的合適地方加一條喂狗指令，使看門狗的定時(shí)時(shí)間永遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)置時(shí)間，系統(tǒng)就不會(huì)復(fù)位而正常工作。當(dāng)系統(tǒng)跑飛，用軟件陷阱等別的方法無法捕捉回程序時(shí)，則看門狗定時(shí)時(shí)間很快增長到預(yù)置時(shí)間，迫使系統(tǒng)復(fù)位。 X25045 狀態(tài)寄存器 如表 33 所示。 表 35 X25045 狀態(tài)寄存器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 X X WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP WD1＝ 0， WD0=0，預(yù)置時(shí)間為 ； WD1＝ 0， WD0=1，預(yù)置時(shí)間為 ； WD1＝ 1， WD0=0，預(yù)置時(shí)間為 ； WD1＝ 1， WD0=1，禁止看門狗工作 。 LED 顯示電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器件有 LED（發(fā)光二極管顯示器）和 LCD（液晶顯示器）。這兩種器件都具有成本低廉、配置靈活、與單片機(jī)接口方便的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用 LED 顯示。 LED