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簡(jiǎn)要描述:本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成,硬件部分主要完成各種傳感器信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、各種信息的顯示等;軟件主要完成信號(hào)的處理及控制功能等。其工作原理是89C51單片機(jī)一次查詢各種傳感器的輸出信號(hào),然后89C51對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)空氣質(zhì)量檢測(cè)儀pGas200-TD
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該系統(tǒng)硬件主要包括:89C51主控模塊、傳感器模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊A/D574A、44780顯示模塊等。其中89C51主要完成信號(hào)的采樣功能,44780顯示模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能。
主控模塊
系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī),它帶有4KB閃速存儲(chǔ)器、128B內(nèi)存,最大工作頻率24MHz,同時(shí),具有32條輸入輸出線,16定位時(shí)/計(jì)數(shù)器,5個(gè)中斷源,1個(gè)串行口。
AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器,俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。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,AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。
傳感器的選型
選用定電位電解式傳感器。它是一種濕式電化學(xué)氣體傳感器,通過測(cè)定空氣在某個(gè)確定電位電解時(shí)所產(chǎn)生的電流來測(cè)量氣體濃度。傳感器輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA的信號(hào),為了滿足后續(xù)電路的需要采用兩個(gè)運(yùn)算放大器組成I/V轉(zhuǎn)換電路,采用RCV420集成芯片。下圖是RCV420與后續(xù)放大電路的原理圖。
當(dāng)4-20mA電流輸入對(duì)應(yīng)0-5V電壓輸出時(shí),要求電路的傳輸阻抗為: VOUT/IIN=5V/16mA=0.3125V/mA 為了得到期望的輸出(4mA時(shí)0V,20mA時(shí)5V),放大器的輸出必須有一個(gè)偏置: VOS=-4mA×(0.3125V/mA)=-1.25V 輸入電流信號(hào)接至+IN端還是接至-IN端取決與信號(hào)的極性,并經(jīng)過中心抽頭CT返回地端。兩個(gè)匹配的75Ω檢測(cè)電阻Rs構(gòu)成對(duì)稱輸入,可最程度地抑制CT腳的共模電壓信號(hào),消除不同輸入端電流在差分電壓轉(zhuǎn)換時(shí)的不均衡。檢測(cè)電阻將輸入的電流信號(hào)經(jīng)差分放大器放大,轉(zhuǎn)換成一個(gè)與之成正比的電壓?!∥挥诜糯笃鞣答佂ǖ乐械?/span>T型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于產(chǎn)生所需要的-1.25V偏置電壓。輸入電阻網(wǎng)絡(luò)提供了很高的輸入阻抗,并將共模輸入電壓衰減至運(yùn)算放大器的共模信號(hào)容限內(nèi)。
電源和信號(hào)的連接 圖3所示是RCV420電源和信號(hào)的正確接法。正負(fù)電源腳各接一個(gè)1μF的退耦電容,并盡能地靠近放大器。為避免由外部電路引入的增益和CMR誤差,應(yīng)按圖示方法接地,并確保最小接地電阻。輸入信號(hào)視其極性或接至+IN腳,或接至-IN腳,經(jīng)中心抽頭CT腳返回地端。電壓基準(zhǔn)的輸出Ref OUT腳應(yīng)接至Ref IN,以產(chǎn)生電平偏置。Ref IN腳不用時(shí)必須接地,以維持高共模抑制。
增益調(diào)節(jié) 圖4所示是RCV420的增益調(diào)節(jié)電路。在運(yùn)放的反饋通道插入一個(gè)小電阻R1,可以增大增益。采用此方法增大增益將導(dǎo)致CMR下降,因此,增益調(diào)節(jié)應(yīng)盡可能的小。例如,用一個(gè)125Ω電阻可使增益增大1%,但CMR將下降約6dB。 在檢測(cè)電阻上并聯(lián)匹配電阻RX,可以減小增益。增益值由下式表示: VOUT/IIN=0.315RX/(RX+RS) 并聯(lián)7.5kΩ電阻可使增益減小1%。為了維持高共模抑制,并聯(lián)電阻的匹配很重要。并聯(lián)電阻的溫度參數(shù)的任何不一致,都將引起增益誤差和CMR的漂移。 偏置調(diào)零 有兩個(gè)方法可對(duì)RCV420的輸出偏置電壓進(jìn)行調(diào)零。一是用片內(nèi)10V基準(zhǔn)作電平移動(dòng),對(duì)電壓基準(zhǔn)的輸出進(jìn)行調(diào)整。二是采用圖5電路,在Rcv Com腳外接低輸出阻抗運(yùn)放,這種方法可對(duì)輸出偏置電壓進(jìn)行較大范圍地調(diào)節(jié)。采用這個(gè)辦法調(diào)零,Ref IN腳必須與Rcv Com腳相連,且要求Rcv Com腳對(duì)地端為低阻抗,以維持高共模抑制。
AD574A是12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,如圖2所示。它轉(zhuǎn)換速度快,12位精度一次轉(zhuǎn)換時(shí)間為25us,轉(zhuǎn)換功率為40MSPS。片內(nèi)具有三態(tài)輸出鎖存緩沖期,全8位或16位微處理器接口,250us總線讀取時(shí)間,與微處理器接口簡(jiǎn)單,非線性誤差小于+-1/2LBS或+-1LBS。在-55C~125C溫度范圍內(nèi)滿足線性要求。其管腳及接口電路如圖所示。
多路轉(zhuǎn)換開關(guān)4051及電路設(shè)計(jì)
4051是典型的八選一CMOS多路開關(guān),它們用幅度為0~+VDD~-VEE的正負(fù)極性的模擬信號(hào),4051的靜態(tài)功耗最大為100uW,最大靜態(tài)電流為10uA,開關(guān)延遲時(shí)間為720ns。其管腳及接口電路如圖3所示。
2.5 44780顯示模塊
本系統(tǒng)采用Fig3 4051 and interface clrcult 44780驅(qū)動(dòng)的LCD,HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技術(shù)制造的大規(guī)模點(diǎn)陣LCD控制器(兼帶驅(qū)動(dòng)器),和4bit/8bit微處理器相連,它能使點(diǎn)陣LCD顯示大小寫英文字母、數(shù)字和符號(hào)等豐富的信息,同時(shí)又較強(qiáng)的通用性應(yīng)用,使用方便,用戶能用少量元件就可組成一個(gè)完整點(diǎn)陣LCD系統(tǒng),送入相關(guān)的數(shù)據(jù)和指令即可實(shí)現(xiàn)所需的顯示
44780現(xiàn)實(shí)模塊有8條數(shù)據(jù)線,3條控制線,可與微處理器或微控制器相連,通過送入數(shù)據(jù)和指令,就可使模塊正常工作,44780顯示模塊和89C51單片機(jī)連接如圖4所示。
2.6 抗干擾設(shè)計(jì)
在危機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中,系統(tǒng)抗干擾性能的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。因此,抗干擾設(shè)計(jì)師系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容,本系統(tǒng)采用的是由硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾措施。
2.6.1系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì)
(1)濾波技術(shù):1 將電源變壓器的進(jìn)線段加入濾波器,以消弱瞬變?cè)肼暩蓴_;2 在直流電源線和地線之間接濾波電容,以抑制電源噪聲。
(2)去藕電路:在印刷電路板的各個(gè)集成電路的電源線端與地線端之間配置去藕電容。
(3)屏蔽技術(shù):屏蔽技術(shù)主要由電場(chǎng)屏蔽,電磁場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽三類,本系統(tǒng)是電場(chǎng)和電磁場(chǎng)屏蔽的方法。主要使用低電阻材料作為屏蔽材料,把需要隔離的部分保衛(wèi)起來。磁場(chǎng)屏蔽則應(yīng)采用高導(dǎo)磁率的材料。
(4)光電隔離:在I/O通道上采用光電隔離器,將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)從電器上隔離開來,很大一部分干擾可被阻擋。
2.6.2 系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計(jì)
對(duì)于微機(jī)測(cè)控系統(tǒng),僅僅考慮硬件的抗干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,采取一定的軟件抗干擾措施非常必要,它不僅能降低系統(tǒng)的硬件成本,又可以充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢(shì),使系統(tǒng)具有自我診斷,自我恢復(fù)的能力。本系統(tǒng)采用的軟件抗干擾措施主要有以下幾種:
(1)數(shù)字濾波技術(shù),采用數(shù)字濾波技術(shù)除去輸入信號(hào)中所摻雜的各種隨機(jī)干擾。
(2)軟件陷阱技術(shù),當(dāng)系統(tǒng)受到干擾,PC值發(fā)生變化,程序“亂飛"等情況,可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。具體的講,可以在RAM中埋一些標(biāo)志,在每次程序復(fù)位時(shí),通過這些標(biāo)志,可以判斷復(fù)位原因并根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相應(yīng)的程序。這樣可以使程序運(yùn)行有連續(xù)性,用戶在使用時(shí)也不易察覺到程序被重新復(fù)位過。
3軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件主要由主程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、報(bào)警子程序等六大模塊組成,因?yàn)?/span>C語言編寫的軟件易于實(shí)現(xiàn)模塊化,生成的機(jī)器代碼質(zhì)量高、可讀性強(qiáng)、移植好,所以本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫,在KeilVision3 Demo版本的集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯連接。
3.1 主程序設(shè)計(jì)
主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能,主程序流程圖如圖5所示。
3.2 數(shù)據(jù)采集自程序設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序根據(jù)輸入?yún)?shù)對(duì)相應(yīng)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、量化及處理,并將相應(yīng)的信號(hào)的數(shù)值返回主程序
3.3 顯示子程序設(shè)計(jì)
顯示子程序完成符號(hào)、數(shù)值的顯示輸出。
3.4 報(bào)警子程序
主要實(shí)現(xiàn)異常情況下控制告警信號(hào)輸出。如當(dāng)室內(nèi)甲醛升高到某一點(diǎn)時(shí),或苯含量升高到某一規(guī)定值時(shí),音頻報(bào)警裝置會(huì)發(fā)出不同頻率的告警信號(hào),同時(shí)相應(yīng)的指示燈亮(點(diǎn)亮報(bào)警指示燈的任務(wù)由顯示子程序完成),以引起工作人員的注意
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