畢業(yè)設(shè)計(jì)--微機(jī)皮帶秤

1、<p><b>　　引 言</b></p><p>　　火力發(fā)電廠主要采用煤作燃料，在火力發(fā)電廠的生產(chǎn)成本中燃料費(fèi)用約占70%以上，因此煤量的檢測(cè)是電廠經(jīng)濟(jì)管理和成本核算的重要參數(shù)，現(xiàn)在各電廠都采用電子皮帶秤測(cè)量煤量。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和企業(yè)管理水平的提高，在我國(guó)現(xiàn)代物料運(yùn)輸過(guò)程中，各種連續(xù)輸送大宗散狀物料的皮帶輸送機(jī)，都廣泛采用了皮帶秤，以作計(jì)量和控制之用，60年代我國(guó)由機(jī)械滾

2、輪式皮帶秤發(fā)展到電子式皮帶秤。微型計(jì)算機(jī)是近代重大科技成就之一，它使計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志?；谶@一科技成果，我國(guó)生產(chǎn)皮帶秤廠家和科研部門(mén)以及使用單位，于1982年就開(kāi)始對(duì)微機(jī)應(yīng)用進(jìn)行了研究，將其成功運(yùn)用到了皮帶秤系統(tǒng)中，并取得了良好的成果。目前研制成功的各式皮帶秤已經(jīng)過(guò)多次校驗(yàn)，準(zhǔn)確度均優(yōu)于0.5%，近年來(lái)更將這一精度升級(jí)至0.06%，標(biāo)志著我國(guó)微機(jī)皮帶秤系統(tǒng)發(fā)展到一個(gè)新的水平。</p>

3、<p>　　微機(jī)的引入是皮帶秤系統(tǒng)發(fā)展的一大飛躍，其良好的控制性能使其迅速占領(lǐng)了大型工業(yè)領(lǐng)域的物料輸送市場(chǎng)。本設(shè)計(jì)正是基于工礦企業(yè)中物料輸送這一課題，設(shè)計(jì)了一個(gè)用單片機(jī)8051進(jìn)行檢測(cè)和控制的皮帶秤系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)共分為八章，第一章介紹了該微機(jī)皮帶秤的總體設(shè)計(jì)；第二章進(jìn)行了MCS-51系列單片機(jī)介紹及其設(shè)計(jì)；第三章詳細(xì)介紹了傳感器選擇及放大整形電路的設(shè)計(jì)；第四章介紹了硬件電路設(shè)計(jì)；第五章介紹了模擬信號(hào)的采樣保持及A/D轉(zhuǎn)換；第六

4、章D/A轉(zhuǎn)換及V/I轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)及選用；第七章系統(tǒng)抗干擾措施及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。</p><p>　　由荷重傳感器測(cè)出的壓力信號(hào)和速度傳感器取得的皮帶速度信號(hào)一并送入單片機(jī)中，兩個(gè)信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)按照既定的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件完成過(guò)程測(cè)量計(jì)算和處理。通過(guò)該設(shè)計(jì)完成了對(duì)皮帶輸送物料流量的實(shí)時(shí)顯示，并可通過(guò)輸出的控制信號(hào)完成對(duì)電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度控制以調(diào)節(jié)給料量的大小。</p><p>　　第一章 微機(jī)皮

5、帶秤的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　電子皮帶秤是測(cè)量皮帶運(yùn)輸量的設(shè)備。它由稱量框架傳感器和顯示儀表等組成，可以稱出皮帶的瞬時(shí)輸送量，也可以指示皮帶上的累計(jì)輸送量。在我國(guó)各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)皮帶輸送物料時(shí)，稱量段上的物料重量通過(guò)皮帶稱量托輥載臺(tái)作用于稱重傳感器，稱重傳感器將重量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(mv級(jí))，送入運(yùn)算器，經(jīng)過(guò)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號(hào)。裝在回程皮帶上的測(cè)速傳感器把皮帶運(yùn)行的速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈

6、沖信號(hào)，送入運(yùn)算器。運(yùn)算器將兩路信號(hào)進(jìn)行工程運(yùn)算，從而得出物料的流量并顯示。</p><p>　　電子皮帶秤的結(jié)構(gòu)形式有很多種，目前現(xiàn)場(chǎng)采用較多的是帶微處理器的電子皮帶秤。本設(shè)計(jì)的內(nèi)容即為一個(gè)微機(jī)皮帶秤系統(tǒng)，它主要由稱重傳力機(jī)構(gòu)，荷重傳感器，測(cè)速傳感器，放大整形電路，單片機(jī)控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。</p><p>　　輸煤皮帶在單位時(shí)間內(nèi)輸送的原煤量Q為</p><p&

7、gt;　　Q = q v (1-1)</p><p>　　式中 q——單位長(zhǎng)度皮帶上的原煤質(zhì)量(Kg/m)；</p><p>　　v——皮帶運(yùn)行速度(m/s)。</p><p>　　從式(1-1)可知，只要測(cè)量出單位長(zhǎng)度上的原煤質(zhì)量和皮帶的運(yùn)行速度，就可求得單位時(shí)間內(nèi)輸送的原煤質(zhì)量。</p>

8、<p>　　微機(jī)皮帶秤的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 總體設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　通過(guò)圖1-1可知，本設(shè)計(jì)檢測(cè)壓力和速度兩路模擬信號(hào)，具體檢測(cè)重量信號(hào)采用的是電阻應(yīng)變式壓力傳感器，其輸出信號(hào)為毫伏級(jí)，故在接入A/D轉(zhuǎn)換器前需要進(jìn)行放大，該信號(hào)通過(guò)三運(yùn)放構(gòu)成的精密差動(dòng)放大電路進(jìn)行放大、濾波后，經(jīng)LF398采樣-保持器接入ADC0809進(jìn)行A/D

9、轉(zhuǎn)換并送入單片機(jī)8051。另一路速度信號(hào)由電磁式速度傳感器檢出，經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器構(gòu)成的整形電路變?yōu)橹芷诿}沖序列，將該信號(hào)接入8051內(nèi)部的計(jì)數(shù)器計(jì)得每分鐘的脈沖個(gè)數(shù)，即可得轉(zhuǎn)速信號(hào)。這兩路信號(hào)在8051中進(jìn)行運(yùn)算并得出物料的瞬時(shí)流量信號(hào)，通過(guò)8255芯片擴(kuò)展的顯示器可完成實(shí)時(shí)顯示。由于實(shí)際控制中的需要，所以在8051外部分別擴(kuò)展了8K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與8K的程序存儲(chǔ)器，由此構(gòu)成了8051最小應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)還配有一路控制信號(hào)的輸出端口，即通

10、過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出一路模擬電壓控制信號(hào)，考慮到電壓信號(hào)不利于遠(yuǎn)距離傳輸并且多數(shù)電動(dòng)閥門(mén)的控制信號(hào)是電流信號(hào)，所以本設(shè)計(jì)還配有一個(gè)V/I轉(zhuǎn)換器以將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA電流信號(hào)。</p><p>　　第二章MCS-51單片機(jī)介紹及其設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 MCS系列單片機(jī)的應(yīng)用</p><p>　　MCS系列單片機(jī)應(yīng)用范圍很廣，根據(jù)使用情況大致可分

11、為如下四大類：</p><p>　　1．單片機(jī)在智能儀器儀表中的應(yīng)用</p><p>　　單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，故可廣泛應(yīng)用于各類儀器儀表中引入單片機(jī)使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能大大提高。例如，精密數(shù)字溫度計(jì)、智能電度表、智能流速儀、微機(jī)多功能PH測(cè)試儀等等，本設(shè)計(jì)正是單片機(jī)在智能儀器儀表中的應(yīng)用。</p><p>　　2．單片機(jī)

12、在工業(yè)測(cè)控中的應(yīng)用</p><p>　　用單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。例如，MCS-51單片機(jī)控制電鍍生產(chǎn)線、溫室人工氣候控制、報(bào)警系統(tǒng)控制、IBM-PC/XT和單片機(jī)組成的二級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。</p><p>　　3．單片機(jī)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)中的應(yīng)用</p><p>　　MCS系列單片機(jī)具有通信接口，為單片機(jī)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與

13、通信設(shè)備中的應(yīng)用提供了良好的條件。例如，MCS-51系列單片機(jī)控制的串行自動(dòng)呼叫應(yīng)答系統(tǒng)、列車無(wú)線通信系統(tǒng)和無(wú)線遙控系統(tǒng)等。</p><p>　　4．單片機(jī)在日常生活及家電中的應(yīng)用</p><p>　　由于單片機(jī)價(jià)格低廉、體積小、控制功能強(qiáng)，且內(nèi)部具有定時(shí)/計(jì)數(shù)器，所以廣泛的應(yīng)用于家電設(shè)施，例如電腦縫紉機(jī)、心率監(jiān)護(hù)儀、電冰箱控制、彩色電視機(jī)控制、洗衣機(jī)控制等等。</p>&l

14、t;p>　　2.2 MCS-51系列單片機(jī)概述</p><p>　　所謂單片機(jī)，即把組成微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件，如中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、輸入/輸出接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通信接口等集成在一塊芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。因此單片機(jī)早期的含義為單片微型計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer），直接譯為單片機(jī)，并一直沿用至今。</p>

15、<p>　　MCS-51系列單片機(jī)包括基本型、增加內(nèi)存單元型、低功耗型、A/D型、高級(jí)語(yǔ)言型、可編程技術(shù)陣列（PCA）型、DMA型以及多并行口型等幾種類型。我們通常所用的是基本型，包括8031、8051、8751等，基本型的典型產(chǎn)品是8051，其基本特性如下：</p><p>　　1．具有8位的CPU及指令系統(tǒng)；</p><p>　　2．128字節(jié)的片內(nèi)RAM；</p&

16、gt;<p>　　3．21個(gè)特殊功能寄存器；</p><p>　　4．4個(gè)8位并行I/O口；</p><p>　　5．2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；</p><p>　　6．一個(gè)全雙工串行口；</p><p>　　7．5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；</p><p>　　8．4K字節(jié)片內(nèi)ROM；</p>

17、<p>　　9．一個(gè)片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路；</p><p>　　10．片外可擴(kuò)展64K ROM 和64K RAM。</p><p>　　2.3 MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)和原理分析</p><p>　　2.3.1 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　MCS-51的典型產(chǎn)品有：8031、8051、8751。8051內(nèi)部有4K

18、B ROM，8751內(nèi)部有4KB EPROM，8031片內(nèi)無(wú)ROM；除此之外，三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。圖2-1所示為MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，它有 8個(gè)部件組成，即中央處理器（CPU）、片內(nèi)數(shù)據(jù)處理器（RAM）、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ROM/EPROM）、輸入/輸出接口（I/O口，分為P0口、P1口、P2口、P3口）、可編程串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（SFR）。各部分通過(guò)內(nèi)部總線相連，其基本結(jié)構(gòu)依然是通過(guò)CPU加

19、上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上，卻采用了特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方法。</p><p>　　圖2-1 MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　單片機(jī)內(nèi)部最核心的部分是CPU，它是單片機(jī)的大腦和心臟。CPU的主要功能是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制存儲(chǔ)器、輸入/輸出端口的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及位操作處理等。圖2-2為MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。<

20、;/p><p>　　圖2-2 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.3.2 MCS-51系列單片機(jī)引腳功能</p><p>　　圖2-3為MCS-51系列單片機(jī)引腳圖及邏輯符號(hào)，這些引腳的功能如下：</p><p>　　1．電源引腳Vcc和Vss</p><p>　　Vcc（40腳）：電源端，接+

21、5V。</p><p>　　Vss（20腳）：接地端。</p><p>　　通常Vcc 和Vss之間應(yīng)接高頻和低頻濾波電容。</p><p>　　2．時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2</p><p>　　XTAL1（19腳）：接外部晶體一端。在片內(nèi)它是振蕩器反相放大器的輸入，若采用外部振蕩器時(shí)該引腳應(yīng)接地。</p><p

22、>　　XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器反相放大器的輸出。若采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接收振蕩器的信號(hào)。</p><p>　　3．控制信號(hào)引腳ALE、、和RST</p><p>　　ALE/(ADDRESS LATCH ENABLE/PROGRAMMING，30腳)：地址鎖存允許信號(hào)輸出端。在存取片外存儲(chǔ)器時(shí)，用于鎖存低8位地址。即使不訪問(wèn)外部設(shè)備，ALE端仍周

23、期性地以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6的固定頻率向外輸出正脈沖信號(hào)。ALE端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入。</p><p>　　圖2-3 MSC-51系列單片機(jī)引腳圖</p><p>　　此引腳的第二功能是對(duì)片內(nèi)帶有4K字節(jié)EPROM的8751固化程序時(shí)，作為編程脈沖輸入端。</p><p>　　(PROGRAM STORE ENABLE，29腳)：程序存儲(chǔ)允許輸出端。是片外程

24、序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效。CPU從外部程序存儲(chǔ)器取指令時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期中兩次有效。但在訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，至少產(chǎn)生兩次負(fù)脈沖信號(hào)。</p><p>　　/VPP (ENABLE ADDRESS/VOLTAGE PULSE OF PROGRAMMING，31腳)：程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端。當(dāng)為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令，但當(dāng)PC中的值超過(guò)0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。當(dāng)為低

25、電平時(shí)，CPU只執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。在8751中，當(dāng)對(duì)片內(nèi)EPROM編程時(shí)，該端接21V的編程電壓。</p><p>　　RST/VPD(9腳)：復(fù)位信號(hào)輸入端。高電平有效，在此輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作。此外，該引腳還有掉電保護(hù)功能，若在該端接+5V備用電源，一旦在使用中Vcc突然消失（掉電），則可以保護(hù)片內(nèi)RAM中信息不丟失。</p><p>　　復(fù)位以后

26、，P0~P3口均為高電平，SP指針重新賦值為07H，PC被賦值為0000H。復(fù)位后各內(nèi)部寄存器初態(tài)見(jiàn)表2-1。</p><p>　　表2-1 MCS-51單片機(jī)復(fù)位后各內(nèi)部寄存器的狀態(tài)</p><p>　　最常見(jiàn)的復(fù)位電路如圖2-4所示。在通電瞬間，由于RC的充電過(guò)程，在RST端出現(xiàn)一定寬度的正脈沖，只要該正脈沖保持10ms以上，就能使單片機(jī)可靠復(fù)位。當(dāng)采用6MHz時(shí)鐘時(shí)，CR取22F、R

27、1取200、R2取1k便能可靠地上電復(fù)位及手動(dòng)復(fù)位。</p><p>　　圖2-4 上電復(fù)位電路</p><p>　　4．輸入/輸出口引腳P0、P1、P2和P3</p><p>　　P0口（P0.0~P0.7，39~32腳）：P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8位準(zhǔn)雙向I/O口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載，在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，它分時(shí)作為8位地址線和8位雙向數(shù)據(jù)線。當(dāng)P0口作為

28、普通輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向鎖存器寫(xiě)“1”。</p><p>　　P1口（P1.0~P1.7，1~8腳）：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。P1口的每一位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載，P1口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向鎖存器寫(xiě)“1”。</p><p>　　P2口（P2.0~P2.7，21~28腳）：P2口也是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。P2口的每一位也能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載

29、。在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，它作為高8位地址線。</p><p>　　P3口（P3.0~P3.7，10~17腳）：P3口也是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P3口除了作為一般準(zhǔn)雙向口使用外，每個(gè)引腳還有下列特殊功能：</p><p>　　P3.0 RXD(串行輸入口)</p><p>　　P3.1 TXD(串行輸出口

30、)</p><p>　　P3.2 (外部中斷0輸入口)</p><p>　　P3.3 (外部中斷1輸入口)</p><p>　　P3.4 T0(定時(shí)器0外部輸入口)</p><p>　　P3.5 T1(定時(shí)器1外部輸入口)</p>&

31、lt;p>　　P3.6 (寫(xiě)選通輸出口) </p><p>　　P3.7 (讀選通輸出口)</p><p>　　2.3.3 單片機(jī)的時(shí)序電路</p><p>　　1．MCS-51內(nèi)部時(shí)鐘電路</p><p>　　MCS-51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XT

32、AL2分別是此放大器的輸入和輸出端。在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部的時(shí)鐘電路。</p><p>　　(a)振蕩電路 (b)外接時(shí)鐘源</p><p>　　圖2-5 振蕩電路及外接時(shí)鐘</p><p>　　圖2-5中(a)圖為MCS-51的振蕩電

33、路，當(dāng)外接晶振時(shí)，C1和C2值通常選擇30PF；在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶振和電容應(yīng)盡可能安裝在單片機(jī)芯片附近，以減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定和可靠工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。C1、C2對(duì)頻率有微調(diào)作用，振蕩頻率范圍是1.2MHz~12MHz。</p><p>　　2．MCS-51外部時(shí)鐘源的接法</p><p>　　MCS-51也可采用外部振蕩器，外部振蕩器的信號(hào)接至XTAL

34、2端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，而內(nèi)部反相放大器的輸入端XTAL1端應(yīng)接地，如圖2-5中(b)圖所示。由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，故應(yīng)外接一個(gè)上拉電阻。</p><p>　　本設(shè)計(jì)所采用的是內(nèi)部振蕩方式，晶振選擇為12MHz，電容C1、C2大小為30PF。</p><p>　　2.4 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器原理分析</p><p>　　MC

35、S-51單片機(jī)片內(nèi)有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，定時(shí)器0(T0)和定時(shí)器1(T1)。它們均可用作定時(shí)控制、延時(shí)以及對(duì)外部事件的計(jì)數(shù)及檢測(cè)。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 定時(shí)/計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)圖(X=0,1)</p><p>　　由圖可見(jiàn)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的核心是一個(gè)加1計(jì)數(shù)器。16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器分別由兩個(gè)8位的專用寄存器組成，即T0由TH0和TL0構(gòu)成，T1由TH

36、l和TL1構(gòu)成。地址順序依次是8AH~8DH。這些寄存器用來(lái)存放定時(shí)或計(jì)數(shù)初值，每個(gè)定時(shí)器都可以由軟件設(shè)置成定時(shí)工作方式或計(jì)數(shù)工作方式。這些功能都是由定時(shí)器方式寄存器TMOD設(shè)置，由定時(shí)器控制寄存器TCON控制的。當(dāng)定時(shí)器工作在計(jì)數(shù)方式時(shí)，外部輸入信號(hào)是加到T0(P3.4)或T1(P3.5)端。外部輸入信號(hào)的下降沿將觸發(fā)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間采樣外部輸入信號(hào)，若一個(gè)周期的采樣值為1，下一個(gè)周期的采樣值為0，則計(jì)數(shù)器加1

37、，故識(shí)別一個(gè)從1到0的跳變需2個(gè)機(jī)器周期，所以對(duì)外部輸入信號(hào)最高的計(jì)數(shù)速率是晶振頻率的1/24。同時(shí)外部輸入信號(hào)的高電平與低電平保持時(shí)間均需大于一個(gè)機(jī)器周期。本設(shè)計(jì)選取的晶振頻率為12MHz，則計(jì)數(shù)速率不得高于500KHz，而從測(cè)速傳感器出來(lái)的信號(hào)是0.5V~2V，50Hz~2000Hz的正弦波信號(hào)，完全可以滿足輸入條件。</p><p>　　當(dāng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作在定時(shí)方式時(shí)，加l計(jì)數(shù)器每一個(gè)機(jī)器周期加1，直至計(jì)滿

38、溢出。</p><p>　　一旦定時(shí)/計(jì)數(shù)器被設(shè)置成某種工作方式后，它就會(huì)按設(shè)定的工作方式獨(dú)立運(yùn)行。不再占用CPU的操作時(shí)間，直到加1計(jì)數(shù)器計(jì)滿溢出，才向CPU申請(qǐng)中斷。</p><p>　　定時(shí)/計(jì)數(shù)器是一種可編程的部件，在其工作之前必須將控制字寫(xiě)入工作方式和控制寄存器，用以確定工作方式，這個(gè)過(guò)程稱為定時(shí)/計(jì)數(shù)器的初始化，下面具體分析其工作方式。</p><p>

39、　　一、工作方式寄存器TMOD</p><p>　　TMOD用于控制T0和T1的工作方式，其各位定義如下：</p><p><b>　　各位功能如下：</b></p><p><b>　　1．M1、M0</b></p><p>　　工作方式控制位，可構(gòu)成以下4種工作方式：</p>&l

40、t;p>　　M1 M0 工作方式 說(shuō)明</p><p>　　0 0 0 13位計(jì)數(shù)器</p><p>　　0 1 1 16位計(jì)數(shù)器</p><p>　　1 0 2

41、 可再裝入8位計(jì)數(shù)器</p><p>　　1 1 3 T0：分成兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　T1：停止計(jì)數(shù)</b></p><p>　　2．C/：計(jì)數(shù)器工作方式/定時(shí)方式選擇位</p><p>　　C/=0，設(shè)置為定時(shí)工作方式；<

42、/p><p>　　C/=1，設(shè)置為計(jì)數(shù)工作方式。</p><p>　　3．GATE：選通控制位</p><p>　　GATE=0，只要用軟件對(duì)TR0(或TR1)置1就啟動(dòng)了定時(shí)器。</p><p>　　GATE=1，只有在(或)引腳為1，且用軟件對(duì)TR0(或TR1)置1才能啟動(dòng)定時(shí)器工作。</p><p>　　TMOD的所

43、有位在整機(jī)復(fù)位后清零。TMOD不能位尋址，只能用字節(jié)方式設(shè)置工作方式。</p><p>　　二、控制寄存器TCON</p><p>　　TCON用于控制定時(shí)器的啟動(dòng)、停止以及標(biāo)明定時(shí)器的溢出和中斷情況。各位的含義如下：</p><p>　　1．TF1：定時(shí)器1溢出標(biāo)志，T1溢出時(shí)由硬件置1，并申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷后，又由硬件清零。TF1也可由軟件清零。</

44、p><p>　　2．TF0：定時(shí)器0溢出標(biāo)志，功能與TF1相同。</p><p>　　3．TR1：定時(shí)器1運(yùn)行控制位，可由軟件置1或清零來(lái)啟動(dòng)或停止T1。</p><p>　　4．TR0：定時(shí)器0運(yùn)行控制位，功能與TR1相同。</p><p>　　5．IE1：外部中斷1請(qǐng)求標(biāo)志。</p><p>　　6．IE0：外部中斷0

45、請(qǐng)求標(biāo)志。</p><p>　　7．IT1：外部中斷1觸發(fā)方式選擇位。</p><p>　　8．IT0：外部中斷0觸發(fā)方式選擇位。</p><p>　　TCON中的低4位用于中斷工作方式。當(dāng)整機(jī)復(fù)位后，TCON中的各位均為0。</p><p>　　第三章 傳感器選擇及放大整形電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 稱

46、重傳力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)</p><p>　　微機(jī)皮帶秤的稱重傳力機(jī)構(gòu)由前、后承重杠桿，無(wú)摩擦絞支點(diǎn)，承重托輥和計(jì)算箱等組成，如圖3-1所示。</p><p><b>　　圖3-1 傳力機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　支承點(diǎn)；2—承重杠桿；3—傳力簧片；4—固定塊；5—計(jì)量箱；6—托輥</p><p>　　電子皮帶秤采用雙杠桿

47、多組托輥稱量框架拖住稱量段的皮帶及其上的煤層，如圖3-1中顯示，當(dāng)皮帶上有物料通過(guò)時(shí)，物料首先經(jīng)皮帶將載荷力傳遞給承重托輥。由于承重托輥直接支承在承重杠桿上，而前后承重杠桿的端部又可作微小轉(zhuǎn)動(dòng)的無(wú)摩擦支點(diǎn)承在地基上，因此承重托輥上的載荷力最后分別在兩個(gè)承重杠桿的另一端（秤體中部）綜合，并由傳力簧片傳遞到計(jì)量箱內(nèi)。</p><p>　　計(jì)量箱位于秤體中部的皮帶下方，它分為有平衡結(jié)構(gòu)和無(wú)平衡結(jié)構(gòu)兩種。計(jì)量箱的作用是將

48、傳力簧片送來(lái)的載荷力傳遞給力-電式荷重傳感器變?yōu)殡娦盘?hào)送出。</p><p>　　有平衡結(jié)構(gòu)的計(jì)量箱是一個(gè)平衡杠桿系統(tǒng)，工作時(shí)載荷力先由傳力桿傳給平衡杠桿，然后再由平衡杠桿按一定的比例分配給力-電式傳感器，秤體的自重（包括皮帶和托輥的重量）則由平衡杠桿的配重抵消掉，因此參與稱量的只是純物料量，而在實(shí)際中完全平衡掉自重，在實(shí)載時(shí)平衡系統(tǒng)易產(chǎn)生振動(dòng)，造成稱量不穩(wěn)定。所以必須讓荷重傳感器保留10%~20%的電量程（俗稱

49、預(yù)壓力）不被平衡掉，才能保證稱量時(shí)有較好的穩(wěn)定性。</p><p>　　無(wú)平衡結(jié)構(gòu)的計(jì)量箱是沒(méi)有平衡杠桿的系統(tǒng)，工作時(shí)載荷力直接由傳力吊杠送給傳感器，因此它的傳力誤差環(huán)節(jié)減小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作時(shí)比前一種結(jié)構(gòu)要穩(wěn)定。無(wú)平衡結(jié)構(gòu)的計(jì)量箱通常用兩只傳感器（秤體兩側(cè)各1只），由于秤體自重約占去傳感器有用量程的50%左右，因此秤體一般用輕質(zhì)箱形型材制造或者供電橋源采用并聯(lián)供電串聯(lián)輸出方式（如圖3-2所示）以求獲得盡可能大的信

50、號(hào)。</p><p>　　傳力機(jī)構(gòu)中的無(wú)摩擦絞支點(diǎn)是皮帶秤中常用的支承方式，目前用的較多的是X形支承結(jié)構(gòu)（如圖3-3所示）。這種支承部件用2~3片0.5mm~2.0mm厚的錳鋼簧片與固體座交叉連接制成，固體座用普通工具鋼制成，X形支承部件的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)摩擦支承強(qiáng)度大，扭轉(zhuǎn)靈活，恢復(fù)性好，能防止秤體前后移動(dòng)，易于安裝，缺點(diǎn)是體積大，密封困難。</p><p>　　圖3-2 兩只傳感器的接線方法

51、</p><p>　　圖3-3 X形支承部件</p><p>　　1——簧片；2——固定座</p><p>　　秤體部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于秤體長(zhǎng)度的選擇，設(shè)計(jì)原則是以承重機(jī)托輥間距a的偶數(shù)倍為準(zhǔn)。為減少皮帶張力的影響，本設(shè)計(jì)采用4a，當(dāng)a=1200mm時(shí)，則秤體總長(zhǎng)應(yīng)為4.8m，承重杠桿可采用普通槽鋼或箱形型材，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)最大輸送功荷（考慮秤體自重）選擇承重杠桿材料的承

52、載強(qiáng)度和剛度。另外，對(duì)于秤體長(zhǎng)度的選擇也應(yīng)適當(dāng)考慮物料的輸送速度，即當(dāng)速度較快時(shí)適當(dāng)考慮加長(zhǎng)秤體。這樣做的目的主要是延長(zhǎng)物料在秤體上的停留時(shí)間，以提高稱量精度。當(dāng)秤體長(zhǎng)度確定后，物料的輸送速度對(duì)稱量段的長(zhǎng)度的比值，就是物料在秤體上的變化速率。如稱量段長(zhǎng)為2.4m，物料的輸送速度為5m/s，則其變化速率為2.08次/s，它決定了儀表的采樣條件。</p><p>　　圖3-1中的傳力簧片是前后承重杠桿上載荷力的匯合點(diǎn)

53、，它由長(zhǎng)200mm、寬50mm的優(yōu)質(zhì)錳鋼片制作，厚度則由最大承載決定，一般取0.5mm~3.0mm。</p><p>　　3.2 荷重傳感器的原理及選用</p><p>　　荷重傳感器的種類很多，有壓磁式荷重傳感器及電阻應(yīng)變式荷重傳感器等。電子皮帶秤中多采用電阻應(yīng)變式荷重傳感器。</p><p>　　圖3-4 電阻應(yīng)變式荷重傳感器原理圖</p>&l

54、t;p>　　在電阻應(yīng)變式荷重傳感器中用的最多的是箔式應(yīng)變片。圖3-4所示為電阻應(yīng)變式荷重傳感器的作用原理。首先把被測(cè)力G（重力）轉(zhuǎn)換成受壓體（應(yīng)變彈性體）的應(yīng)變，粘貼在上的電阻應(yīng)變片的阻值（R1~R4）隨應(yīng)變大小而變化，R1、R3阻值減??；R2、R4阻值增加，電阻應(yīng)變片組成電橋電路，測(cè)出電橋的輸出信號(hào)就能測(cè)出G的大小。應(yīng)變彈性體的形式很多，有懸臂梁式、雙端固定梁式、圓筒式等。本設(shè)計(jì)選擇雙端固定梁式傳感器（如圖3-5所示）作為荷重傳

55、感器。</p><p>　　以圖3-5中荷重傳感器為例，未受力時(shí)R1=R2=R3=R4，當(dāng)彈性體頂部受壓力作用時(shí)，貼于上方的兩片應(yīng)變片R2、R4被拉伸，阻值增大，而貼于下方的兩片應(yīng)變片R1、R3被壓縮，阻值減小，設(shè)電橋的負(fù)載電阻RL很大（>50K），電源內(nèi)阻Ri較小，且RL〉〉Ri（如圖3-6所示），經(jīng)化簡(jiǎn)后可寫(xiě)出電橋的電壓輸出公式為</p><p><b>　　(3-1)

56、</b></p><p>　　式中：UAB為上橋電壓；K為電阻絲的靈敏系數(shù)；為應(yīng)變。這樣，當(dāng)UAB恒定時(shí)，可由輸出電壓Uo得知應(yīng)變的大小，也就是得知所測(cè)重力的大小。將荷重傳感器安裝在電子皮帶秤的托輥上方或底部，就可稱量出皮帶上的煤量。</p><p>　　圖3-5雙端固定梁式剪切力傳感器</p><p>　　圖3-6 應(yīng)變電阻測(cè)量電橋</p>

57、<p>　　3.3 測(cè)速傳感器的設(shè)計(jì)與選用</p><p>　　皮帶秤中皮帶線速度的檢測(cè)通常采用磁電感應(yīng)式速度/電脈沖傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖3-7所示。</p><p>　　測(cè)速傳感器由與皮帶接觸的測(cè)速輪，連接軸，測(cè)速齒輪，測(cè)速頭組成，測(cè)速頭由繞在磁鋼上的線圈構(gòu)成，工作時(shí)置于返程皮帶上的測(cè)速輪在皮帶的摩擦帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也帶動(dòng)測(cè)速齒輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在測(cè)速齒輪的周圍均勻的銑了幾個(gè)

58、槽齒，當(dāng)測(cè)速頭與凸齒相對(duì)時(shí)，磁通最大，凹齒與測(cè)速頭相對(duì)時(shí)磁通最小，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，周期變化的磁通在線圈中將感應(yīng)出周期變化的電壓，其頻率f正比于皮帶的線速度V。</p><p>　　圖3-7 測(cè)速傳感原理</p><p>　　1——測(cè)速輪；2——連接軸；3——測(cè)速齒輪；4——測(cè)速磁頭</p><p><b>　　(3-2)</b></p&

59、gt;<p>　　式中 n——測(cè)速齒輪的齒數(shù)；</p><p>　　V——皮帶線速度(m/s)；</p><p>　　D——測(cè)速齒輪直徑(m)。</p><p>　　公式(3-2)中的f一般要求在1000Hz以上，以保證與荷重傳感器有同等的精度，當(dāng)f確定后，根據(jù)此即可找出符合要求的其它參數(shù)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。電脈沖輸出方式的測(cè)速傳感器，具有抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳

60、輸距離遠(yuǎn)和容易被數(shù)字電路所接收等優(yōu)點(diǎn)，因此選用它作為本設(shè)計(jì)的測(cè)速傳感器，其輸出信號(hào)為0.5V~2V，50Hz~2000Hz的正弦波信號(hào)。</p><p>　　3.4 放大電路的分析與設(shè)計(jì)</p><p>　　經(jīng)荷重傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號(hào)，其信號(hào)幅度很小，是毫伏級(jí)，由于A/D轉(zhuǎn)換器的接收的是0～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓。所以需要對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大處理，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前，將荷重傳感器的輸

61、出信號(hào)放大至0～5V。這里，傳感器的輸出是放大器的信號(hào)源。然而，多數(shù)傳感器的等效電阻均不是常量，它們隨所測(cè)物理量的變化而變。</p><p>　　這樣，對(duì)于放大器而言，信號(hào)源內(nèi)阻Rs是變量，根據(jù)電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式</p><p>　　可知，放大器的放大能力將隨信號(hào)大小而變。為了保證放大器對(duì)不同幅值信號(hào)具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)，就必須使得放大器的輸入電阻Ri>>Rs，Ri愈大，因信號(hào)

62、源內(nèi)阻變化而引起的放大誤差就愈小。</p><p>　　此外，從傳感器所獲得的信號(hào)常為差模小信號(hào)，并含有較大共模部分，其數(shù)值有時(shí)遠(yuǎn)大于差模信號(hào)。因此，要求放大器應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。</p><p>　　綜上所述，我們選用的放大器除具備足夠大的放大倍數(shù)外，還應(yīng)具有高輸入電阻和高共模抑制比。</p><p>　　3.4.1 基本差動(dòng)放大電路的原理分析<

63、;/p><p>　　圖3-8 基本的差動(dòng)放大器電路</p><p>　　如圖3-8所示，基本放大電路由一個(gè)運(yùn)算放大器和四個(gè)匹配的電阻構(gòu)成，共模電壓的存在是大多數(shù)傳感器的特點(diǎn)，共模電壓是電橋中的直流電平或噪聲干擾。假設(shè)運(yùn)算放大器是理想的，根據(jù)零子模型條件，在兩個(gè)輸入端的電壓相等，且通過(guò)兩輸入端的電流為零，則很容易導(dǎo)出差動(dòng)放大器的運(yùn)算方程</p><p><b>

64、　　或改成下式</b></p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　式中 Uom——共模輸入信號(hào)電壓。</p><p>　　Uo的兩個(gè)方程都帶有共模輸入信號(hào)電壓，第一項(xiàng)是反相輸入信號(hào)對(duì)輸出的貢獻(xiàn)；第二項(xiàng)是同相輸入信號(hào)對(duì)輸出的貢獻(xiàn)；第三項(xiàng)是共模輸入信號(hào)對(duì)輸出的影響。顯然這運(yùn)算放大器是理想的，但差動(dòng)放大器的輸出端

65、仍有共模信號(hào)的干擾，主要原因在于差動(dòng)運(yùn)算電路的外部參數(shù)不理想使閉環(huán)共模特性變壞，四個(gè)電阻不匹配和比例失調(diào)是關(guān)鍵因素，若取四個(gè)電阻滿足條件。即：</p><p>　　則Uo的方程可以簡(jiǎn)化為：</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　因此可以看出，四個(gè)電阻匹配的足夠好，相當(dāng)于兩個(gè)差動(dòng)信號(hào)閉環(huán)增益絕對(duì)值相等的條件。此時(shí)，共

66、模輸入信號(hào)對(duì)輸出貢獻(xiàn)為零。實(shí)際上，四個(gè)電阻很難做到完全匹配，所以在差動(dòng)放大器輸出端總存在一定大小的共模干擾信號(hào)，在高精度差動(dòng)放大器中，應(yīng)當(dāng)把這個(gè)共模干擾信號(hào)控制在一定的范圍之內(nèi)。</p><p>　　3.4.2 放大電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3-9 放大電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　簡(jiǎn)單的差動(dòng)放大電路在抗干擾方面存在一定缺陷，在本設(shè)計(jì)中采用的是三個(gè)運(yùn)算放

67、大器組成的增益可調(diào)的高輸入阻抗差動(dòng)式運(yùn)算電路（如圖3-9所示），可有效地抑制共模干擾。電路中A1和A2都是同相輸入放大器。如果兩個(gè)運(yùn)算放大器特性相同，則其等效輸入阻抗相近，因而輸入信號(hào)UI1和UI2的負(fù)載效應(yīng)也一致。電路中A3是差動(dòng)放大輸出電路?？勺冸娮鑂1跨接在A1和A2的反相輸入端，R2和R3分別為兩個(gè)反饋電阻。根據(jù)理想運(yùn)算放大器條件，可得到：</p><p><b>　　(3-5)</b&g

68、t;</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　式中，Uom為加在兩個(gè)輸入信號(hào)源與共端的共模電壓信號(hào)。根據(jù)歐姆定律，很容易得到下列平衡方程組：</p><p>　　式中，Uo1和Uo2分別為A1和A2的輸出電壓值，聯(lián)解上述四個(gè)方程組，經(jīng)過(guò)整理可以得到：</p><p>　　把Uo1和Uo2送入A

69、3中，很容易得到運(yùn)算方程：</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　如果選R2=R3，則變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　顯而易見(jiàn)，圖3-9所示的放大電路對(duì)差動(dòng)信號(hào)的增益為 (1+2R2/R1)Rf/R，當(dāng)UI1=UI2=UIc時(shí)

70、，由于UA=UB=UIc，R1中電流為零，Uo1=Uo2=UIc，輸出電壓Uo=0?？梢?jiàn)，電路放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。差模放大倍數(shù)數(shù)值愈大，共模抑制比愈高。當(dāng)輸入信號(hào)中含有共模噪聲時(shí)，也將被抑制。不管電阻R2和R1如何不對(duì)稱，對(duì)差模增益的貢獻(xiàn)總是相同的，而對(duì)共模增益則沒(méi)有任何影響。由此可見(jiàn)，改變R1將有同樣效果。通過(guò)改變可變電阻R1可以連續(xù)調(diào)節(jié)增益而不影響共模抑制能力。末級(jí)放大器A3把差動(dòng)輸入變?yōu)閱味溯敵鲂问剑瑸楸ＷC該級(jí)不降低共模抑

71、制能力，電阻R、Rf應(yīng)精確匹配。為減少偏置電流的影響，可以把R2和R3取得小些，這并不影響差動(dòng)電路的輸入阻抗值。由于差動(dòng)放大器的增益由輸入段決定，所以只有運(yùn)算放大器A1和A2的失調(diào)電壓才起重要作用。輸出失調(diào)電壓正比于兩個(gè)運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓之差，所以輸出失調(diào)很少。</p><p>　　荷重傳感器的測(cè)量電路輸出的電壓滿度值為20mV，而放大電路的輸出應(yīng)為0～5V，故Au=5/0.02=250。</p>

72、<p>　　故我們?nèi)1=1K，R2 =2K，Rf =50K，R=1K，可滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　3.4.3 放大電路的輸入輸出保護(hù)</p><p>　　為了防止輸入信號(hào)超過(guò)量程，造成元器件的損壞以及系統(tǒng)的癱瘓，須對(duì)放大電路進(jìn)行相應(yīng)的輸入輸出保護(hù)措施。</p><p>　　圖3-10 輸入保護(hù)圖</p><p>　　

73、圖3-11 輸出保護(hù)圖</p><p><b>　　1．輸入保護(hù)</b></p><p>　　其電路如圖3-10所示，它采用兩個(gè)反向并聯(lián)的限幅二極管，防止信號(hào)過(guò)大或過(guò)小而損壞運(yùn)放。</p><p><b>　　2．輸出保護(hù)</b></p><p>　　為防止輸出電壓過(guò)高，接到外部電壓可能過(guò)流或者擊穿

74、，所以需加穩(wěn)壓二級(jí)管構(gòu)成輸出保護(hù)，其電路如圖3-11所示。</p><p><b>　　3．濾波電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換和放大后的電壓信號(hào)，屬于低頻信號(hào)，容易受測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的干擾和放大電路本身的影響，含有多種頻率成分的噪聲信號(hào)，所以需要用到濾波器。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中用到的經(jīng)放大器出來(lái)的信號(hào)為直流低電平，屬低頻

75、信號(hào)，因此在放大器輸出端要引入低通濾波器。其低通濾波器的作用是：讓直流指定的截止頻率的低頻分量順利的通過(guò)，而使高頻分量受到很大的衰減。采用的是RC無(wú)源濾波器，電路如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 RC濾波電路圖</p><p>　　當(dāng)信號(hào)頻率升高時(shí)，電容容抗減小，使輸出電壓幅值下降，因而高頻信號(hào)衰減較多。當(dāng)信號(hào)頻率降低時(shí)電容的容抗增加，信號(hào)基本不受損耗。</p>

76、;<p>　　圖3-13 放大電路總設(shè)計(jì)圖</p><p>　　電路中取R=1K，電容C=1000 PF，可得到該濾波電路的上限截止頻率為：</p><p>　　fH=（2RC）-1=（2×1000×1000×10-12）-1=1.6×105Hz</p><p>　　由此綜合以上的分析，系統(tǒng)放大電路的總設(shè)計(jì)圖如圖

77、3-13所示。</p><p>　　3.4.4 稱重傳感器與放大器的聯(lián)接</p><p>　　圖3-14 稱重傳感器與放大器的四線聯(lián)接</p><p>　　稱重傳感器一般只有四個(gè)端子，兩個(gè)端子為電源端子，由供橋電壓供給5~20V直流電壓。另外兩個(gè)端子輸出電阻應(yīng)變片形變所產(chǎn)生的不平衡電壓信號(hào)，直接送往放大器電路（如圖3-14所示）。</p><p

78、>　　3.5 速度信號(hào)的脈沖整形</p><p>　　電磁式數(shù)字傳感器輸出信號(hào)為0.5V~2V，50Hz~2000Hz的正弦波信號(hào)，要想把該信號(hào)送入8051單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，必須通過(guò)波形變化將其變?yōu)橥l率的脈沖信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用整形電路中常用到的施密特觸發(fā)器的進(jìn)行波形變換。</p><p>　　3.5.1 施密特觸發(fā)器工作原理分析</p><p>　　施密特觸

79、發(fā)器（Schmitt Trigger）是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路。它在性能上有兩個(gè)重要的特點(diǎn)：</p><p>　　第一，輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從高電平下降過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。</p><p>　　第二，在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)電路內(nèi)部的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。</p><p>　　利用

80、施密特觸發(fā)器的這兩個(gè)特點(diǎn)我們就可以把測(cè)速傳感器輸出的周期變化的正弦交流信號(hào)整形為邊沿陡峭的矩形脈沖信號(hào)，圖3-16所示為門(mén)電路組成的施密特觸發(fā)器，下面具體分析它的工作原理。</p><p>　　將兩級(jí)反相器串接起來(lái)，同時(shí)通過(guò)分壓電阻把輸出端的電壓反饋到輸入端，就構(gòu)成了圖3-16(a)所示的施密特觸發(fā)器電路。</p><p>　　圖3-16 用CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器</p&g

81、t;<p>　　(a) 電路 (b) 圖形符號(hào)</p><p>　　假定反相器G1和G2是CMOS電路，它們的閾值電壓為VTH≈VDD，且R1<R2。</p><p>　　當(dāng)時(shí)，因G1、G2接成了正反饋電路，所以。這時(shí)G1的輸入。</p><p>　　當(dāng)從0逐漸升高并達(dá)到時(shí)，由于G1進(jìn)入了電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)（

82、放大區(qū)），所以的增加將引發(fā)如下的正反饋過(guò)程</p><p>　　于是電路的狀態(tài)迅速地轉(zhuǎn)換為。由此便可以求出上升過(guò)程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平VT+。因?yàn)檫@時(shí)有</p><p>　　所以 (3-9)</p><p>　　VT+稱為正向閾值電壓。</p><p>　　

83、當(dāng)從高電平VDD逐漸下降并達(dá)到時(shí)，的下降會(huì)引發(fā)又一個(gè)正反饋過(guò)程</p><p>　　使電路的狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為。由此又可以求出下降過(guò)程中電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平VT-。由于這時(shí)有</p><p>　　所以 </p><p>　　將VDD=2VTH代入上式后得到</p><p><b>　　

84、(3-10)</b></p><p>　　VT-稱為負(fù)向閾值電壓。</p><p>　　我們將VT+與VT-之差定義為回差電壓VT，即</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　根據(jù)公式(3-9)和公式(3-10)畫(huà)出的電壓傳輸特性如圖3-17(a)所示。因?yàn)楹偷母?、低電平是同相?/p>

85、，所以也把這種形式的電壓傳輸特性叫做同相輸出的施密特觸發(fā)特性。</p><p>　　圖3-17 圖2-16電路的電壓傳輸特性</p><p>　　(a) 同相輸出 (b)反相輸出</p><p>　　如果以圖3-16(a)中的作為輸出端，則得到的電壓傳輸特性將如圖3-17(b)所示。由于與的高、低電平是反相的，所以把這種形式的電壓傳輸特性叫做

86、反相輸出的施密特觸發(fā)特性。</p><p>　　圖3-18 用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)波形變換</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用同相輸出的施密特觸發(fā)特性來(lái)對(duì)測(cè)速傳感器輸出的交流正弦信號(hào)進(jìn)行脈沖整形，使之變?yōu)橥l率的矩形脈沖信號(hào)以便送入8051內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。</p><p>　　通過(guò)改變圖3-16(a)所示電路中的R1和R2的比值可以調(diào)節(jié)VT+、VT-和回差電壓的

87、大小。在對(duì)應(yīng)具體的測(cè)速傳感器輸出信號(hào)時(shí)，我們即可通過(guò)該信號(hào)的幅值及周期來(lái)確定VT+、VT-的大?。ㄈ鐖D3-18所示）并利用公式(3-9)、(3-10)和(3-11)來(lái)計(jì)算整形電路的相關(guān)參數(shù)如R1和R2的比值以及VDD的選取等，應(yīng)注意R1必須小于R2，否則電路將進(jìn)入自鎖狀態(tài)，不能正常工作。</p><p>　　3.5.2 速度信號(hào)放大整形電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3-19為轉(zhuǎn)速信號(hào)

88、的放大整形電路，圖中D201為齊納二極管，作保護(hù)作用。運(yùn)算放大器接成反相放大器，增益為10倍，放大的目的是提高輸入信號(hào)的斜率以避免整形電路的誤動(dòng)作，D202和D203將對(duì)放大器輸出限幅并將負(fù)的部分去掉，經(jīng)處理后的信號(hào)接入施密特觸發(fā)器進(jìn)行脈沖整形，最后送入8051的計(jì)數(shù)器輸入端計(jì)得脈沖數(shù)并通過(guò)工程運(yùn)算即得轉(zhuǎn)速。</p><p>　　圖3-19 轉(zhuǎn)速信號(hào)放大整形電路</p><p>　　第四章

89、 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展</p><p>　　4.1.1 2764芯片介紹</p><p>　　MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)中，使用較多的是Intel公司的系列芯片：2716（2K×8），2732（4K×8），2764（8K×8），27128（16K×8），27256（32K×8）

90、，27512（64K×8）。</p><p>　　本設(shè)計(jì)所用到的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8K。所以這里用到的芯片是2764（8K×8）。圖4-1為2764的功能引腳圖。</p><p>　　圖4-1 2764功能引腳圖</p><p>　　芯片介紹：2764是8K×8字節(jié)的紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V供電，工作電流為75mA，維持電

91、流為35mA，讀出時(shí)間最大為250ns，28腳雙列直插式封裝。各引腳的含義為：</p><p>　　1．A0～A12：13根地址線，可尋址8K字節(jié)。</p><p>　　2．O0～O7：數(shù)據(jù)輸出線。</p><p><b>　　3．：片選線。</b></p><p>　　4．：數(shù)據(jù)輸出選通線。</p>&l

92、t;p>　　5．PGM：編程脈沖輸入端。</p><p>　　6．VPP：編程電源。</p><p>　　7．VCC：主電源，一般為＋5V。</p><p>　　8．GND：接地引腳。</p><p>　　4.1.2 8051與2764的連接方法</p><p>　　單片機(jī)的P0和P2口的16根I/O線輸出地址

93、信號(hào)。其中，P2口與EPROM（或EEPROM）高8位地址總線連接，直接作為高8為地址A8～A15，P0口作為分時(shí)復(fù)用的低8位地址/數(shù)據(jù)線，通過(guò)鎖存器輸出低8位地址A0～A7。在本設(shè)計(jì)中用到的是P2口的高5位地址即A8～A12。端與外部程序存儲(chǔ)器的輸出允許連接，ALE端與鎖存器CLK端連接。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中，選擇2764的片選信號(hào)由三八譯碼器的輸出端控制。</p><p>　

94、　圖4-2為2764與8051連接圖。</p><p>　　圖4-2 2764與8051連接圖</p><p>　　4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展</p><p>　　4.2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及6264芯片的介紹</p><p>　　8051單片機(jī)內(nèi)部有128B存儲(chǔ)空間，CPU對(duì)內(nèi)部RAM具有豐富的操作指令，內(nèi)部RAM區(qū)是十分珍貴的資源，通常作為工

95、作寄存器、堆棧、軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。但在實(shí)際中，僅有的128B是不夠用的，因此需要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。</p><p>　　8051單片機(jī)設(shè)置專門(mén)指令MOVX來(lái)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。共有四條寄存器間接尋址指令，分為下列兩種情況：</p><p>　　第一種為訪問(wèn)前256B的外部RAM，用寄存器R0，R1間接尋址：</p><p>　　讀操作：MOVX A，@Ri<

96、;/p><p>　　寫(xiě)操作：MOVX @Ri ，A i=0，1</p><p>　　第二種為訪問(wèn)外部RAM的任何單元，用特殊功能寄存器DPTR間接尋址：</p><p>　　讀操作：MOVX A，@DPTR</p><p>　　寫(xiě)操作：MOVX @DPTR，A</p><p>　　第二種情況可以訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

97、器的64K空間。</p><p>　　首先看讀外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)序。在第一個(gè)機(jī)器周期的S1，允許地址鎖存器信號(hào)ALE由低變高，開(kāi)始讀周期。在S2狀態(tài)，CPU把低8位地址送上P0總線，把高8位地址送上P2口。ALE的下降沿用以把低8位地址信號(hào)鎖存到外部鎖存器內(nèi)，而高8位地址鎖存在P2口上。在S3狀態(tài)，P0總線驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入高阻狀態(tài)。在S4狀態(tài)，讀控制信號(hào)回到高電平后，被尋址的存儲(chǔ)器把其本身的總線驅(qū)動(dòng)器懸浮起來(lái)，使P0總

98、線又進(jìn)入高阻狀態(tài)。</p><p>　　寫(xiě)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)序與上述類似，但寫(xiě)的過(guò)程中是CPU把數(shù)據(jù)送上總線上，CPU向P0總線送完被尋址存儲(chǔ)器的低8位地址后，在S3狀態(tài)，就由送地址直接改為送數(shù)據(jù)到P0總線上，其間P0總線上不出現(xiàn)高阻狀態(tài)。在S4狀態(tài)，寫(xiě)控制信號(hào)有效選通被尋址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，此后，P0上的數(shù)據(jù)就寫(xiě)到被尋址的存儲(chǔ)器單元內(nèi)了。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中所擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為8K

99、，由于地址線和片選信號(hào)的限制，所以選用的芯片型號(hào)為6264。圖4-3為6264的功能引腳圖。</p><p>　　圖4-3 6264的功能引腳圖</p><p>　　芯片介紹：6264是8K×8位靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片，采用CMOS工藝制造，單一+5V供電，額定功耗200mW，典型存取時(shí)間200ns，28線雙列直插式封裝。其引腳功能說(shuō)明如下：</p><p>

100、　　1．A0～A12：地址輸入線。</p><p>　　2．O0～O7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線，有時(shí)用D0～D7表示。</p><p>　　3．：片選信號(hào)輸入端，低電平有效。</p><p>　　4．：讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效。</p><p>　　5．：寫(xiě)選通信號(hào)輸入線，低電平有效。</p><p>　　6．VCC：工作

101、電源輸入引腳，＋5V。</p><p>　　7．NC：為空引腳。</p><p>　　8．CS：第二選片信號(hào)引腳，高電平有效。</p><p>　　9．GND：線路地。</p><p>　　4.2.2 8051與6264的連接圖</p><p>　　圖4-4 8051與6264連接圖</p><p

102、>　　本設(shè)計(jì)中，選擇6264的片選信號(hào)由三八譯碼器的輸出端控制。</p><p>　　4.3 I/O口的擴(kuò)展</p><p>　　在MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)本身提供給用戶使用的輸入、輸出口線并不多，對(duì)片內(nèi)有ROM/EPROM的8051/8751，若無(wú)須擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，則有4個(gè)8位口（P0~P3）可作為通用I/O口使用。而對(duì)于8031單片機(jī)來(lái)說(shuō)，因其P0口和P2口必須用作外部程序

103、存儲(chǔ)器的地址線，而不能直接用來(lái)作為輸入/輸出口，故只有P1口和P3口的一部分口線可直接用作輸入/輸出口，因此需要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。</p><p>　　由于MCS-51單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和I/O口是統(tǒng)一編址的，因此用戶可以把外部64K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM空間的一部分作為擴(kuò)展外部I/O口的地址空間。這樣單片機(jī)就可以像訪問(wèn)外部RAM一樣訪問(wèn)外部接口芯片，對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作。</p><

104、p>　　4.3.1 8255A的結(jié)構(gòu)及功能</p><p>　　8255A是Intel86系列微處理機(jī)的配套并行接口芯片，它可為86系列CPU與外部設(shè)備之間提供并行輸入/輸出的通道。由于它是可編程的，可以通過(guò)軟件來(lái)設(shè)置芯片的工作方式。所以，用8255A連接外部設(shè)備時(shí)，通常不用再附加外部電路，給使用者帶來(lái)很大方便。本設(shè)計(jì)就是采用8255芯片來(lái)擴(kuò)展鍵盤(pán)和顯示器，及ADC0809和DAC0832的。</p

105、><p>　　圖4-5為8255的引腳圖和圖4-6為8255的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖。它由以下幾部分組成：</p><p>　　圖4-5 8255的引腳圖</p><p>　　三個(gè)8位的I/O口：A口、B口、C口</p><p>　　A口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器?？删幊虨?位輸入輸出或雙向寄存器。</p>

106、<p>　　B口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器?？删幊虨?位輸入或輸出寄存器，但不能雙向輸入/輸出。</p><p>　　圖4-6 8255的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　C口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。C口可分作兩個(gè)4位口使用。它除了作為輸入輸出口外，還可以作為A口、B口選通方式工作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)。<

107、/p><p><b>　　讀/寫(xiě)控制邏輯</b></p><p>　　讀/寫(xiě)控制邏輯的功能用于管理所有的數(shù)據(jù)、控制字或狀態(tài)字的傳送。它接收來(lái)自CPU的地址信號(hào)及一些控制信號(hào)來(lái)控制各個(gè)口的工作狀態(tài)。其控制信號(hào)有：</p><p>　　（片選信號(hào)）：低電平有效。允許8255與CPU交換信息。</p><p>　?。ㄗx信號(hào)）：低電

108、平有效。允許CPU從8255端口讀取數(shù)據(jù)或外設(shè)狀態(tài)信息。</p><p>　　（寫(xiě)信號(hào)）：低電平有效。允許CPU將數(shù)據(jù)、控制字寫(xiě)入8255中。</p><p>　　RESET (復(fù)位信號(hào))：輸入信號(hào)線，高電平有效。此引腳為高電平時(shí)，所有8255內(nèi)部寄存器都清零，所有通道都設(shè)置為輸入方式，24條I/O引腳為高阻狀態(tài)。</p><p>　　A1A0（端口選擇信號(hào)）：這是

109、倆條輸入信號(hào)線，通常一一對(duì)應(yīng)接到地址的最低倆位A0和A1上，它們與、信號(hào)相配合用來(lái)選擇端口及內(nèi)部控制寄存器，并控制信息傳送的方向，如表4-1所示。</p><p>　　表4-1 8255A端口選擇及功能</p><p><b>　　A組和B組控制電路</b></p><p>　　這是兩組根據(jù)CPU的命令控制8255工作方式的電路。每組控制電路從

110、讀、寫(xiě)控制邏輯接受各種命令，從內(nèi)部數(shù)據(jù)總線接收控制字（指令）并發(fā)出適當(dāng)?shù)拿畹较鄳?yīng)的端口。</p><p>　　A組控制電路控制A口及C口的高4位（PC7~PC4）。</p><p>　　B組控制電路控制B口及C口的低4位（PC3~PC0）。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)總線緩沖器</b></p><p>　　這是一

111、個(gè)雙向三態(tài)的8位緩沖器，用于和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線直接相連，以實(shí)現(xiàn)CPU和8255間傳送消息。CPU執(zhí)行輸出命令時(shí)，可將控制字或數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線緩沖存儲(chǔ)器傳送給8255A。CPU執(zhí)行輸入命令時(shí)，8255A可將狀態(tài)信息或數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線緩沖存儲(chǔ)器向CPU輸入。因此它是CPU與8255A之間交換信息的必經(jīng)之路。</p><p>　　4.3.2 8255的工作方式選擇</p><p>　　8255A

112、共有3種工作方式，即工作方式0、工作方式1、工作方式2，如圖4-7所示。</p><p>　?。?）方式0（基本輸入/輸出方式）：這種工作方式不需要任何選通信號(hào)。A口、B口及C口的高4位和低4位都可以設(shè)定為輸入或輸出。作為輸出口時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)被鎖存；作為輸入口時(shí)，輸入數(shù)據(jù)不鎖存。</p><p>　　圖4-7 8255的三種工作方式</p><p>　　（2）方式1