機電一體化系統(tǒng)設計課程綜合訓練項目報告3

1、機電一體化系統(tǒng)設計課程綜合訓練項目報告綜合訓練項目 機電測試儀設計研究 一、綜合訓練項目任務書綜合訓練項目 機電測試儀設計研究目的和要求：在掌握機電系統(tǒng)中測試系統(tǒng)的基本機構和信號分析處理的基礎上，設計機電測試儀器或儀表，實現(xiàn)傳感及信號處理的綜合。要求針對一具體的測試對象，設計整個傳感檢測電路，實現(xiàn)對被測對象的檢測、分析、處理、輸出顯示等。成果形式：設計計算說明書（不少于5000字）及圖紙（電路圖、流程圖）。相關參數(shù)：參看傳感器應用設計300例作者:張洪潤主編 出版社:北京航空航天大學出版社。詳細設計要求：（1）試設計一傳感測試儀，具有一定的測試功能及應用價值；（2）完成傳感器的結構設

2、計、處理電路設計等，說明各主要元器件的功能。（3）畫出系統(tǒng)的功能框圖；（4）對測試儀的控制要求及功能進行一定的陳述。二、指導教師評閱意見 指導教師簽字：三、綜合訓練項目設計內(nèi)容酒精濃度監(jiān)測儀的研究一，基本原理 硬件設計部分和軟件設計部分。硬件部分為利用mq3氣敏傳感器測量空氣中酒精濃度，并轉換為電壓信號經(jīng)a/d轉換后傳給單片機系統(tǒng)，由單片機及其外圍電路進行信號的處理，顯示濃度值以及超閾值聲光報警。軟件部分用匯編語言進行編程，程序采用模塊化設計思想。各個子程序的功能相對獨立，便于調試和修改。而硬件電路又大體可分為單片機小系統(tǒng)電路、a/d轉換電路、聲光報警電路、led顯示電路，各部分電路的設計及原

3、理將會在硬件電路設計部分詳細介紹；程序的設計使用匯編語言編程。二，傳感器的結構設計1 酒精濃度監(jiān)測儀的硬件電路設計硬件設計時，考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉換為電量，傳感器輸出的是0-5伏的電壓值并且電壓值穩(wěn)定，外部干擾小等。因此，可以直接把傳感器輸出電壓值經(jīng)過adc0809采集數(shù)據(jù)送入單片機進行處理。酒精濃度監(jiān)測儀的硬件電路設計主要包括：傳感器測量電路、89c51單片機系統(tǒng)、a/d轉換電路、聲光報警電路、led顯示電路。酒精濃度監(jiān)測儀硬件設計電路框圖如圖2-1。被測環(huán)境氣敏傳感器a/d轉換電路單片機聲光報警電路led顯示鍵盤圖2-1硬件方案總體框圖2 89c51單片機系統(tǒng)單片機是一種集成電

4、路芯片，采用超大規(guī)模技術把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(cpu)，隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(ram)，只讀程序存儲器(rom)，輸入輸出電路(i/o口)，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口(sci)，顯示驅動電路(lcd或led驅動電路)，脈寬調制電路(pwm)，模擬多路轉換器及a/d轉換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構成一個雖小然而完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。2.1 單片機片內(nèi)結構51單片機的片內(nèi)結構如圖2-2所示。它把那些作為控制應用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。按功能劃

5、分，它有如下功能部件組成： 微處理器（cpu）。 數(shù)據(jù)存儲器(ram)。 程序存儲器（rom/eprom）。 4個8位并行i/o口（p0口、p1口、p2口、p3口）。 一個串行口。 2個16位定時器、計數(shù)器。 2個16位定時器、計數(shù)器。 中斷系統(tǒng)。 特殊功能寄存器（ser）。上述功能部件都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結構依舊是cpu加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。但cpu對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。下面對框圖2-1中各功能部件作一簡單介紹：psen88eocxtal1cpu（運算器）（控制器）數(shù)據(jù)存儲器ramp0p2程序存儲器rom/epromp1串行口定時器/計

6、數(shù)器中斷系 統(tǒng)特殊功能寄存器（sfr）p3aleeain7.i0xtal288reset圖2-2 51單片機片內(nèi)結構1、中央處理器cpucpu是單片機的核心部件，它通常由運算器、控制器和中斷電路等器件組成。cpu進行算術運算和邏輯操作的字長有4位、8位、16位和32位之分，字長越長運算速度越快，數(shù)據(jù)處理能力也越強。2、存儲器在單片機內(nèi)部，rom和ram存儲器是分開制造的。通常，rom存儲器容量較大，ram存儲器的容量較小，這是單片機用于控制的一大特點。(1) rom存儲器rom存儲器一般為1-64k字節(jié)，用于存放應用程序，故又稱為程序存儲器。(2) ram 存儲器通常，單片機片內(nèi)ram存儲器容

7、量為64-256字節(jié)，最多可達48k字節(jié)。ram存儲器主要用來存放實時數(shù)據(jù)或作為通用寄存器、數(shù)據(jù)堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器之用。3、中斷系統(tǒng) 具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權。4、定時器/計數(shù)器 片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器，具有4種工作方式。在應用中，往往需要精確的定時，或對外部事件進行計數(shù)，因而需在單片機內(nèi)部設置定時器/計數(shù)器部件。 5、i/o接口和特殊功能部件i/o接口電路有串行和并行兩種。串行i/o用于串行通信，它可以把單片機內(nèi)部的并行8位數(shù)據(jù)(8位機)變成串行數(shù)據(jù)向外傳送，也可以串行接收外部送來的數(shù)據(jù)并把它們變成并行數(shù)據(jù)送給cpu處理。并行i/o口電路可以使單片機和存儲器或外設之間并行地傳送

8、8位數(shù)據(jù)(8位機)。通常，特殊功能部件包括：定時器、計數(shù)器、a/d、 d/a、 dma通道和系統(tǒng)時鐘等電路。定時器、計數(shù)器用于產(chǎn)生定時脈沖，以實現(xiàn)單片機的定時控制；a/d和d/a轉換器用于模擬量和數(shù)字量之間的相互轉換，以完成實時數(shù)據(jù)的采集和控制，dma通道可以使單片機和外設之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳送?？傊?，某一單片機內(nèi)部究竟包括哪些特殊功能部件以及特殊功能部件的數(shù)量是和它的型號有關的。單片機是整個系統(tǒng)的核心，對系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，并進行復雜的信號處理，產(chǎn)生測試信號及控制整個檢測過程。所以在選擇單片機時，參考了以下標準。(1) 運行速度。單片機運行速度一般和系統(tǒng)匹配即可。(2) 存儲空間。單

9、片機內(nèi)部存儲器容量，外部可以擴展的存儲器(包括i/0 fl)空間(3) 單片機內(nèi)部資源。單片機內(nèi)部存儲資源越多，系統(tǒng)外接的部件就越少，這可提高系統(tǒng)的許多技術指標。(4) 可用性。指單片機是否能很容易地開發(fā)和利用，具體包括是否有合適的開發(fā)工具，是否適合于大批量生產(chǎn)、性能價格比，是否有充足的資源，是否有現(xiàn)成的技術資源等。(5) 特殊功能。一般指可靠性、功耗、掉電保護、故障監(jiān)視等。從硬件角度來看，與mcs-51指令完全兼容的新一代at89cxx系列機，比在片外加eprom才能相當?shù)?031單片機抗干擾性能強，與87c51單片機技能相當，但功耗小。程序修改直接用+5v或+12v電源擦除，更顯方便、而且

10、其工作電壓放寬至2.7v-6v，因而受電壓波動的影響更小，而且4k的程序存儲器完全能滿足單片機系統(tǒng)的軟件要求，故at89c51單片機是構造本檢測系統(tǒng)的更理想的選擇。2.2 89c51芯片介紹掌握mcs-51單片機，應首先了解mcs-51的引腳，熟悉并牢記各引腳的功能，mcs-51系列中各種型號芯片的引腳是互相兼容的。制作工藝為hmos的mcs-51的單片機都采用40只引腳的雙列直插封裝方式，如圖所示。 at89c51芯片管腳圖40只引腳按其功能來分，可分為如下3類： 電源及時鐘引腳：vcc、vss、xtal1、xtal2。電源引腳接入單片機的工作電源。vcc接+5v電源，vss接地。時鐘引腳x

11、tal1、xtal2外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構成了1個晶體振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。2個時鐘引腳也可外接獨立的晶體振蕩器。xtal1接外部的一個引腳。該引腳內(nèi)部是一個反相放大器的輸入端。這個反相放大器構成了片內(nèi)振蕩器。如果采用外接晶體振蕩器時，此引腳接地。xtal2接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端。若采用外部時鐘振蕩器時，該引腳接受時鐘振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 控制引腳：、ale、reset（rst）。此類引腳提供控制信號，有的還具有復用功能。 rst/vpd引腳：reset（rst）是復位信號輸入端，高電平有效。當單片機

12、運行時，在此引腳加上持續(xù)時間大于2個機器周期（24個振蕩周期）的高電平時，就可以完成復位操作。在單片機工作時，此引腳應為0.5v低電平。vpd為本引腳的第二功能，即備用電源的輸入。當主電源發(fā)生故障，降低到某一規(guī)定值的低電平時，將+5v電源自動接入rst端，為內(nèi)部ram提供備用電源，以保證片內(nèi)ram的信息不丟失，從而使單片機在復位后能正常進行。 ale/ 引腳：ale引腳輸出為地址鎖存允許信號，當單片機上電正常工作后ale引腳不斷輸出正脈沖信號。當單片機訪問外部存儲器時，ale輸出信號的負跳沿用于單片機發(fā)出的低8位地址經(jīng)外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。即使不訪問外部鎖存器，ale端仍有正脈沖信號輸

13、出，此頻率為時鐘振蕩器頻率的1/6。 為該引腳的第二功能。在對片內(nèi)eprom型單片機編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。 引腳：程序存儲器允許輸出控制端。在單片機訪問外部程序存儲器時，此引腳輸出脈沖負跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。此引腳接外部程序存儲器的oe（輸出允許端）。 /vpp引腳：功能為片內(nèi)程序存儲器選擇控制端。當引腳為高電平時，單片機訪問片內(nèi)程序存儲器，但在pc值超過0fffh時，即超出片內(nèi)程序存儲器的4kb地址范圍時將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當引腳為低時，單片機只訪問外部程序存儲器，不論是否有內(nèi)部程序存儲器。 i/o口引腳：p0、p1、p2、p3，為四個8位i/

14、o口的外部引腳。p0口、p1口、p2口、p3口是3個8位準雙向的i/o口，各口線在片內(nèi)均有固定的上拉電阻。當這3個準雙向i/o口作輸入口使用時，要向該口先寫1，另外準雙向口i/o口無高阻的“浮空”狀態(tài)。由于單片機具有體積小、質量輕、價格便宜、耗電少等突出特點，所以本系統(tǒng)采用89c51單片機，硬件設計電路圖如圖1所示。89c51內(nèi)部有4kb的eprom，128字節(jié)的ram，所以一般都要根據(jù)所需存儲容量的大小來擴展rom和ram。本電路接高電平，沒有擴展片外rom和ram。三 傳感器的選擇由于本系統(tǒng)直接測量的是呼氣中的酒精濃度，再轉換為血液中的酒精含量濃度，故采用氣敏傳感器?？紤]到周圍空氣中的氣體

15、成分可能影響傳感器測量的準確性，所以傳感器只能對酒精氣體敏感，對其他氣體不敏感，故選用mq3型氣敏傳感器。其有很高的靈敏度、良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。mq3型氣敏傳感器由微型al2o3，陶瓷管和sno2敏感層、測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。傳感器的標準回路有兩部分組成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它可以準確反映傳感器表面電阻值的變化。傳感器的表面電阻rs的變化，是通過與其串聯(lián)的負載電阻rl上的有效電壓信號vrl輸出面獲得的。二者之間的關系表述為：rsrl=(vc-vrl)vrl，其中vc為回路電壓

16、為10v。負載電阻rl可調為05-200k。加熱電壓uh為5v。上述這些參數(shù)使得傳感器輸出電壓為0-5v。mq3型氣敏傳感器的結構和外形、標準回路、傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關系圖如圖2-4所示。為了使測量的精度達到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測量前需將傳感器預熱5分鐘。3.1 a/d轉換電路在單片機應用系統(tǒng)中，被測量對象的有關變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經(jīng)傳感器轉換成連續(xù)變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉換成數(shù)字量后才能在單片機中用軟件進行處理。實現(xiàn)模擬量轉換成數(shù)字量的器件稱為a/d轉換器（adc）。a/d轉換器大致分有三類：一

17、是雙積分a/d轉換器，優(yōu)點是精度高，抗干擾性好，價格便宜，但速度慢；二是逐次逼近式a/d轉換器，精度、速度、價格適中；三是并行a/d轉換器，速度快，價格也昂貴。該設計中選用的是adc0809屬第二類，是8位a/d轉換器。每采集一次需100s。0809具有8路模擬信號輸入端口，地址線（23-25腳）可決定那一路模擬信號進行a/d轉換。22腳為地址鎖存控制，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存。6腳為測試控制，當輸入一個2s的高電平脈沖時，就開始a/d轉換。7引腳為a/d轉換結束標志，當a/d轉換結束時，7腳輸出高電平。9腳為a/d轉換數(shù)據(jù)輸出允許端，當oe腳為高電平時，a/d轉換數(shù)據(jù)輸出。10腳

18、為0809的時鐘輸入端。 3.1.1 adc0809的引腳及功能根據(jù)a/d轉換器的轉換原理可將a/d轉換器分為兩大類。一類是直接型a/d轉換器，另一類是間接型a/d轉換器。該設計中的adc0809屬于直接a/d轉換器中的逐次比較型a/d轉換器。逐次比較型a/d轉換器在精度、速度、和價格上都適中，是最常用的a/d轉換器件。芯片采用的是adc0809，以下介紹adc0809的引腳及功能。芯片如圖2-4所示。 圖2-4 adc0809的引腳adc0809是一種逐次比較式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的a/d轉換器。由圖可見，adc0809共有28個引腳，采用雙列直插式封裝。主要引腳功能如下： in0-

19、in7是8路模擬信號輸入端。 d0-d7是8位數(shù)字量輸入端。 a、b、c與ale控制8路模擬通道的切換，a、b、c分別與3根地址線或數(shù)據(jù)線相連，3位編碼對應8個通道地址端口。c、a、b = 000-111分別對應in0-in7通道的地址。需要注意的是：adc0809雖然有8路模擬通道可以同時輸入8路模擬信號，但每個瞬間只能換1路，各路之間的切換由軟件改變c、a、b引腳上的代碼來實現(xiàn)。 oe、start、clk為控制信號端，oe為輸出允許端，start為啟動信號輸入端，clk為時鐘信號輸入端。 vr(+)和vr(-)為參考電壓輸入端。3.1.2 adc0809的結構及轉換原理adc0809的結構

20、框圖如圖2-5。adc0809采用逐次比較的方法完成a/d轉換的，由單一的+5v電源供電。片內(nèi)有鎖存功能的8路選1的模擬開關，由c、b、a引腳的功能來決定所選的通道。0809完成一次轉換需100s左右，輸出具有ttl三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到mcs-51的數(shù)據(jù)總線上。通過適當?shù)耐饨与娐罚?809可對0-5v的模擬信號進行轉換。3.2 led顯示電路 89c51的p3.0-p3.3端口作為四位led數(shù)碼管顯示控制。p3.5端口用作單路顯示/循環(huán)顯示轉換按鈕，p3.6端口用作單路顯示時選擇通道。p0端口作0809的a/d轉換數(shù)據(jù)讀入用，p2端口用作0809的a/d轉換控制。3.2.1 led顯示

21、器的結構led顯示器是由發(fā)光二極管構成的，常用的led顯示器為8段（或7段，8段比7段多了1個小數(shù)點“dp”段），每一個段對應1個發(fā)光二極管。為了使led顯示器顯示不同的符號或數(shù)字，就要把不同段的發(fā)光二極管點亮，這樣就要為led顯示器提供代碼，因為這些代碼可使led相應的段發(fā)光，從而顯示不同字型，因此該代碼稱之為段碼（或稱之為字型碼）。7段發(fā)光二極管，再加上1個小數(shù)點位，共計8段。因此提供給led顯示器的段碼正好是1b。表2-1 各段與字節(jié)中各位對應個關系代碼位d7d6d5d4d3d2d1d0顯示段dpgfedcba位選線dp g b adp g b adp g b adp g b a段碼線圖

22、2-6 4位led顯示器的構成由n個led顯示塊可拼成n位的led顯示器。圖2-6是4位的led顯示器的結構原理圖。n個led顯示塊由n位位選線和8×n根段碼線。段碼線控制顯示字符的字型，而位選線為各個led顯示塊中各段的公共端，它控制該led顯示位的亮或暗。3.2.2 led顯示器的工作原理led顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示2種顯示方式。靜態(tài)顯示電路中，各位可獨立顯示，只要在該位的段碼線上保持段碼電平，該位就能保持相應的顯示字符。由于各位分別由1個8位的數(shù)據(jù)輸出口控制段碼線，故在同一時間里，每一位顯示的字符可以不相同。這種顯示方式雖然接口編程容易，但付出的代價是占用口線較多。若用i/

23、o口線接口，則要占用4個8位i/o口，若用鎖存器接口，則要用4片74l373芯片。如果顯示的位數(shù)增多，則需要增加鎖存器。因此在顯示位較多的情況下，一般都采用動態(tài)顯示方式。該設計中采用的就是led動態(tài)顯示方式，原理如下。在多位led顯示時，為簡化硬件電路，通常將所有位的段碼線相應段并聯(lián)在一起，由1個8位i/o口控制，形成段碼線的多路復用,而各位的共陽極或共陰極分別由相應的i/o線控制，形成各位的分時選通。由于各位的段碼線并聯(lián)，8位i/o口輸出的段碼對各個顯示位來說是相同的。因此，在同一時刻，如果各位位選線都處于選通狀態(tài)的話，4位led將顯示相同的字符。若要各位led能夠同時顯示出與本位相應的顯示

24、字符，就必須采用動態(tài)顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關閉狀態(tài)，同時，段碼線上輸出相應位要顯示的字符的段碼。這樣，在同一時刻4位led中只有選通的那一位顯示出字符，而其他3位則是熄滅的。同樣，在下一時刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關閉狀態(tài)，在段碼線上輸出將要顯示字符的段碼，則同一時刻，只有選通位顯示出相應的字符，而其他各位則是熄滅的。如此循環(huán)下去，就可以使各位顯示出將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同時刻出現(xiàn)的，而在同一時刻，只有一位顯示，其他各位熄滅，但由于led顯示器的余輝和人眼的視覺暫留作用，只要每位顯示間隔足夠短，

25、則可以造成多為同時亮的假象，達到同時顯示的效果。4位8 段led動態(tài)顯示電路如圖2-7所示。 8888a-dpa-dp段碼線8位i/o位選線4位i/o（a-dp圖2-7 4位8 段led動態(tài)顯示電該設計中采用了4位led顯示，如圖2-1數(shù)字電壓表硬件設計電路圖所示，第一個顯示通道位，第二個顯示所測電壓的個位數(shù)值，第二和第三個顯示小數(shù)位數(shù)值，精確度為0.01v。 數(shù)據(jù)采集程序：a/d轉換子程序流程圖如下圖3-2所示。adc0809初始化后，把0通道輸入的0-5v的模擬信號轉換為對應的數(shù)字量ooh-ffh，然后將對應數(shù)值存儲到3fh內(nèi)存單元。 數(shù)據(jù)處理程序：數(shù)據(jù)處理子程序主要是系數(shù)調整和數(shù)制轉換，將adc0809采集的模擬電壓值轉換為8位二進制數(shù)。系數(shù)是酒精濃度的最大測量值1500/255=5.88確定。(89c51為8位處理器，當0809輸入電壓為5.00v時輸入數(shù)據(jù)為255（ffh）。)系數(shù)調整是為了使十六進制與十進制轉換方便，將轉換系數(shù)5.88放大10倍取整后