基于單片機(jī)的智能濁度儀的設(shè)計

PAGE目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 IAbstract II1引言 12系統(tǒng)的整體方案設(shè)計 22.1系統(tǒng)的整體構(gòu)架 22.2濁度測量原理 32.3光源的選擇 53系統(tǒng)硬件設(shè)計 63.1水質(zhì)濁度采集模塊（硅光電池） 63.2信號放大模塊 83.3A/D轉(zhuǎn)換模塊 103.4主控模塊 123.5液晶顯示模塊 133.6串口通信模塊 163.7復(fù)位電路 183.8電源電路 193.9STC89C52RC單片機(jī) 203.10小結(jié) 214結(jié)語 22參考文獻(xiàn) 23PAGEII基于單片機(jī)的智能濁度儀的設(shè)計摘要濁度是由微小顆粒，如淤泥、粘土、微生物和有機(jī)物等引起的，不僅與水中懸浮物質(zhì)的含量有關(guān)，而且與它們的大小、形狀及折射系數(shù)等有關(guān)。水的濁度是反映水質(zhì)優(yōu)劣的一個十分重要的指標(biāo)。隨著生活水平的改善，對水質(zhì)的要求隨之更加嚴(yán)格，從而對濁度測量也提出了更高的要求。為改變目前大量采用國外濁度儀的現(xiàn)狀，急需開發(fā)高性能的濁度測量儀器。本課程設(shè)計的設(shè)計思想是根據(jù)散射光由于濁度的不同而發(fā)生強(qiáng)弱變化的光學(xué)原理,以光電接收器件來接收散射光，接收器的電信號并進(jìn)行放大，由單片微處理器記錄和換算，最后統(tǒng)計和輸出。系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)為控制核心，由用于數(shù)據(jù)采集的硅光電池，前置放大部分，A/D轉(zhuǎn)換器，液晶顯示器，以及電源等附屬部件組成。關(guān)鍵詞:濁度；硅光電池；AT89S52DesignofWaterTurbidityAnalyzerBasedonSingleChipMicrocomputerAbstractTurbidityismade??upoftinyparticles,suchassilt,clay,microorganismsandorganicmatter.Itcausednotonlythecontentofsuspendedmatterinwater,butalsototheirsize,shapeandrefractiveindex.Theturbidityofthewatertoreflectthemeritsofaveryimportantwaterqualityindicators.Aslivingstandardsimproved,alongwithmorestringentwaterqualityrequirements,andalsoahigherturbiditymeasurementrequirements.Tochangethecurrentstatusofalargenumberoftheuseofforeignturbidimeter,turbiditymeasurementsneededtodevelophighperformanceinstruments.Thisdesignideais,accordingtothedifferentscatteredlightturbidityoccursbecausechangesinthestrengthofoptics,photoelectricreceivingdevicetoreceivethescatteredlightcollectionandopticalreceivertoamplifyelectricalsignalsfromsingle-chipmicroprocessorRecordsandconversion,thefinalstatisticsandoutput.AT89S52microcontrollerforthecontrolsystemisthecoreofthedatacollectedbytheopticalsensor,preamplifierpart,SCM,display,A/Dconverter,andotherancillarycomponents.KeyWords:Turbidity;Siliconphotovoltaiccells;AT89S52青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE241引言目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機(jī)的身影?？v觀我們現(xiàn)在生活的各個領(lǐng)域，從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，到飛機(jī)上各種儀表的控制，從計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC卡、電子寵物等，這些都離不開單片機(jī)。濁度是指水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度。水中的懸浮物一般是泥土、砂粒、微細(xì)的有機(jī)物和無機(jī)物、浮游生物、微生物和膠體物質(zhì)等。水的濁度不僅與水中懸浮物質(zhì)的含量有關(guān)，而且與它們的大小、形狀及折射系數(shù)等有關(guān)。這些懸浮物可能保護(hù)有害微生物，使其在消毒過程中不易被去除。因此無論在工業(yè)過程、飲用水或產(chǎn)品中，濁度都是一個很重要的參數(shù)。用以表示水的清澈或渾濁程度飲用、食物及飲料加工、工廠排放等場合的水都應(yīng)嚴(yán)格控制濁度。隨著人們對食品安全、環(huán)境保護(hù)越來越重視，公眾更加關(guān)注水濁度的監(jiān)視與測量。濁度為水樣光學(xué)性質(zhì)的一種表達(dá)語。它是水對光的散射和吸收能力的量度，與水中顆粒的數(shù)目、大小、折光率及入射光的波長有關(guān)。是反映天然水和飲用水的物理性狀的一項指標(biāo)，用以表示水的清澈或渾濁程度，是衡量水質(zhì)良好程度的重要指標(biāo)之一。水的濁度是表示水中不同大小、比重、形狀的懸浮、膠體物質(zhì)，浮游生物和微生物等雜質(zhì)對光所產(chǎn)生效應(yīng)的參數(shù)。它并不直接表示水樣中的雜質(zhì)的含量，但與其存在的數(shù)量有關(guān)，水濁度的測量是利用“水樣對光散射和吸收的化學(xué)性質(zhì)”，將水樣的濁度轉(zhuǎn)化為電信號，并保證一定準(zhǔn)確度和精度的在線水質(zhì)分析。使用光學(xué)散射式濁度測量方法，將濁度轉(zhuǎn)化為光電信號，通過單片機(jī)智能處理，對各種工藝過程的水質(zhì)濁度進(jìn)行連續(xù)分析測定。2系統(tǒng)的整體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)的整體構(gòu)架本系統(tǒng)采用美國Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，采用頻率特性好，具有較高的響應(yīng)頻率的硅光電池采集光信號并轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過放大電路把信號放大，再通過A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理，最后顯示出相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖2-1。單片機(jī)AT89S52單片機(jī)AT89S52硅光電池硅光電池液晶顯示液晶顯示信號放大電路信號放大電路復(fù)位電路復(fù)位電路A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換電源電路電源電路圖2-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖各框圖的作用：1．A/D轉(zhuǎn)換電路：它的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過程中同時實現(xiàn)的。2．信號放大電路：放大是最基本的模擬信號處理功能，它是通過放大電路實現(xiàn)的，大多數(shù)模擬電子系統(tǒng)中都應(yīng)用了不同類型的放大電路。放大電路也是構(gòu)成其他模擬電路，如濾波、振蕩、穩(wěn)壓等功能電路的基本單元電路。3．單片機(jī)電路：單片機(jī)電路是程序控制的中心，它把計算機(jī)的各種功能電路都集成在一塊芯片上，主要包括中央處理器CPU、程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM、輸入/輸出接口電路及計時、分頻、掃描、定時、時間設(shè)定等電路，ROM內(nèi)已固化了操作程序，單片機(jī)根據(jù)輸入指令和檢測信號，調(diào)出內(nèi)部相應(yīng)的操作程序，通過電路處理后，輸出各種電路控制信號，自動完成程序操作過程。4．液晶顯示電路：由于液晶顯示功耗低、無電磁輻射、壽命長、價格低、接口方便等一系列顯著優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表、測量顯示裝置、計算機(jī)顯示終端等諸方面。5．復(fù)位電路：置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個值。單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位，而復(fù)位時間是(時鐘周期=12×振蕩周期,振蕩周期=1/f)，這個時間只能大不能小，具體數(shù)值可以由RC電路計算出時間常數(shù)。6．電源電路：這是為主控芯片及其外圍控制電路提供穩(wěn)定電源的電路，AT89S52及其他元件需要+5V的電源,A/D轉(zhuǎn)換器需要+5V和-5V的電源。2.2濁度測量原理根據(jù)光學(xué)原理，當(dāng)一束平行光由空氣垂直照射到被測的水中，在深度為Y處的光的強(qiáng)度可表示為：IY=K0I0e-K1TY公式（2-1）其中：K0表示入射角為0°時平行光的透射系數(shù)，K1為溶液對平行光的吸收系數(shù)。I0為入射光的強(qiáng)度，T為水質(zhì)濁度。當(dāng)被測的水中微粒大小均勻時，某一區(qū)域的dy,在某方向的散射光dIs1也與濁度成正比：dIS1=K2TIYdy公式（2-2）其中：K2為溶液對光的散射系數(shù)，IY為深度Y處的光照強(qiáng)度。濁度儀的光學(xué)原理如圖2-2：圖2-2濁度儀的光學(xué)原理將式（2-1）代入式（2-2）可得Y處沿X方向散射光為：dIS1=K2TK0I0e（-K1TY）·dy公式（2-3）實際到達(dá)硅光電池的散射光的強(qiáng)度為：dIS=dIS1·e-K1TX公式（2-4）式中X為散射光到達(dá)硅光電池表面的距離。因此從0到Y(jié)0，X方向總的散射光的強(qiáng)度為：IS=0Y0=0=K2K0K1I0e-K1TX(1-e-K1TY0)對e?K1TX和e?K1TY0用泰勒公式展開，得式：IS=K2K0K1I0(1-K1TX+K1XT2!)(K1Y0T-K當(dāng)T較小且硅光電池和散射光的距離很短即X非常小的時候，則有K1XT<<1，其二次項更小，此時對其一次項和所有的二次項忽略不計，得：IS≈K0K2Y0I0T。即當(dāng)入射光強(qiáng)I0一定時，到達(dá)硅光電池的光強(qiáng)Is與濁度T成正比。2.3光源的選擇光源直接影響到穩(wěn)定的儀器來測量的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。從目前的資料來看，采用白熾燈作為光源的濁度計在國內(nèi)使用最多。作為光源白熾燈，其調(diào)整管耗散功率較大，隨著時間的推移溫度上升，從而引起電子元件產(chǎn)生溫度漂移，導(dǎo)致讀數(shù)不穩(wěn)定。而燈泡在使用一段時間后會發(fā)黑，產(chǎn)生老化光衰，這會影響結(jié)果的穩(wěn)定性和靈敏度。國際IS07027環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，散射光濁度測量方法，選擇散射光的波長為860nm進(jìn)行測定。波長入>800nm時能將水中溶解物對測量的干擾降到最低。在低于500nm的可見光波長范圍內(nèi)，光在水中的有機(jī)物質(zhì)的吸收能力，將帶來更大的測量誤差。因此，長波長濁度儀使用更準(zhǔn)確的濁度測量。本課程設(shè)計選用的光源是近紅外發(fā)光二極管(LED)。針對上述特性，光源采用恒流源進(jìn)行供電，主要有以下原因：(1)為了避免上電時對光源的瞬時沖擊，以提高其使用壽命。(2)發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度與電流成線性關(guān)系，而與電壓成對數(shù)關(guān)系，也就是說其發(fā)光特性對電壓的變化比對電流的變化敏感得多，因而采用恒流源供電，以減少發(fā)光強(qiáng)度的波動。此外儀器在測量中由于溫度的變化會引起光源發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化。由于本課題采用的是測量與參比雙光電池電路結(jié)構(gòu)，濁度由兩光電池電路電壓相除而得，即：T=aVs/VR公式（2-7）其中T為所測濁度，Vs為散射光電壓，VR為參比光電壓，a為常數(shù)。由于兩個光電池的溫度系數(shù)非常接近，這樣光強(qiáng)變化及溫度變化對濁度測量的影響也將很小。3系統(tǒng)硬件設(shè)計本課題的硬件系統(tǒng)主要由主控模塊、水質(zhì)濁度采集模塊、信號放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、串口通信模塊、電源模塊和復(fù)位模塊組成。3.1水質(zhì)濁度采集模塊（硅光電池）光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件，不用外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。它的結(jié)構(gòu)很簡單，核心部分是一個大面積的PN結(jié)，把一只透明玻璃外殼的點接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路，當(dāng)二極管的管芯(PN結(jié))受到光照時，你就會看到微安表的表針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顯示出回路里有電流，這個現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。硅光電池的PN結(jié)面積要比二極管的PN結(jié)大得多，所以受到光照時產(chǎn)生的電動勢和電流也大得多。本課程設(shè)計選用的是硅光電池，硅光電池具有價格低廉，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長等優(yōu)點，適于接受紅外光，硅光電池的參數(shù)范圍為400-1100nm，峰值在850nm附近，它的頻率特性好，且與我們所選用的光源相匹配。所以本課題選用的光電轉(zhuǎn)換器為硅光電池，其型號為2CR52。由于光電流極其微弱，是毫安級的，為了提高檢測下限本課題使用了4塊硅光電池。硅光電池是一種P—N結(jié)的單結(jié)光電池，當(dāng)光照射到P—N結(jié)時，由于光激發(fā)的光生載流子的遷移，使P—N結(jié)兩端產(chǎn)生了光生電動勢，如果他與外電路中的負(fù)載接通，則負(fù)載電路中將由光電流產(chǎn)生。硅光電池可分為單晶硅光電池和多晶硅光電池，圖3-1是常用的硅光電池的外形及結(jié)構(gòu)示意圖，為提高效率，在器件的受光面上進(jìn)行氧化，形成SiO2保護(hù)膜，以防止表面反射光，并且表面電極做成梳妝，減少光生載流子的復(fù)合機(jī)會。單晶硅光電池的轉(zhuǎn)換率一般在10%左右，最高可達(dá)15%~20%。目前，使用較廣發(fā)的太陽能電池屬于多晶硅光電池，轉(zhuǎn)換率約為7%。多晶硅光電池采用價格低廉的多晶硅作材料，而且可用簡單的真空涂鍍法制造，其大小不受晶體的大小限制，可制作大面積光電池。圖3-1硅光電池的構(gòu)造硅光電池的主要特性為：（1）硅光電池的主要參數(shù)和照度特性eq\o\ac(○,1)開路電壓曲線。硅光電池在一定的光照條件下的光生電動勢稱為開路電壓，開路電壓與入射光照度的特性曲線稱為開路電壓曲線。eq\o\ac(○,2)短路電流曲線。在一定光照條件下，光電池被短路時所輸出的光電流值稱為短路光電流。光電流密度與照度的特性曲線稱為短路電流曲線。圖3-2為硅光電池的開路電壓曲線和短路電流曲線，其中曲線1是負(fù)載電阻無窮大時的開路電壓特性曲線，曲線2是負(fù)載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小時的短路電流特性曲線。開路電壓與光照度的關(guān)系是非線性的，而且在光照度為20001x時就趨于飽和，而短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，負(fù)載電阻越小，這種線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。圖3-2硅光電池的光電特性1－開路電壓特性曲線2－短路電流特性曲線（2）硅光電池的負(fù)載特性eq\o\ac(○,1)硅光電池的伏安特性與最佳匹配。隨著負(fù)載電阻的變化，回路中電流I和硅光電池兩端的電壓U相應(yīng)地變化，稱為硅光電池的伏安特性。當(dāng)負(fù)載電阻取某一值時，其輸出功率最大，這稱為最佳匹配，此時所用的電阻稱為最佳匹配電阻。eq\o\ac(○,2)硅光電池的內(nèi)阻。從理論上可以推導(dǎo)出硅光電池的內(nèi)阻等于開路電壓除以短路電流?？梢杂^察到光照面積不同時，硅光電池的內(nèi)阻將發(fā)生變化。（3）硅光電池的轉(zhuǎn)換效率。硅光電池的最大輸出功率與輸入光功率的比值稱為硅光電池的光電轉(zhuǎn)換效率。（4）硅光電池的光譜特性。在入射光能量保持一定的情況下，短路電流與不同的入射光頻率（波長）之間的關(guān)系稱為光電池的光譜特性。圖3-3為硅光電池光譜特性曲線，從曲線可看出，硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用圖。圖3-3硅光電池光譜特性3.2信號放大模塊前置放大器是與硅光探測器直接相連的器件，其作用是把散射光電信號放大，其放大倍數(shù)、溫度參數(shù)和輸入電流漂移等對測量產(chǎn)生較大的影響，所以前置放大器的選擇非常重要。ICL7650CMOS斬波集成運算放大結(jié)構(gòu)和性能,輸入級使用MOS場效應(yīng)管,采用斬波自動穩(wěn)零結(jié)構(gòu),附帶調(diào)制和解調(diào)等措施,具有輸入偏置電流小,低失調(diào)電壓和溫度漂移以及精密的反饋特性和高的共模抑制比能力。3.2.1ICL7650芯片結(jié)構(gòu)圖3-4所示是ICL7650最常用的14腳雙列直插式封裝的引腳排列圖。圖3-4ICL的引腳排列圖3.2.2工作原理ICL7650為了消除CMOS器件固有的失調(diào)和漂移而采用了動態(tài)校零技術(shù)，從而擺脫了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零電路的束縛，克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的這些缺點。ICL7650的制造工藝采用大規(guī)模集成電路機(jī)制,輸入級使用MOS場效應(yīng)管,輸入電阻達(dá)100MΩ以上,將場效應(yīng)管和雙極型管兼容在一個硅片上,并且還附帶調(diào)制和解調(diào)等措施,采用斬波自動穩(wěn)零結(jié)構(gòu),使失調(diào)電壓和溫度漂移進(jìn)一步下降,應(yīng)用時一般無需調(diào)零即可使用,極為方便。圖3-5為ICL7650的原理方框圖。圖3-5ICL7650的工作原理圖由圖3-5可以看出,ICL7650的整個電路由下列幾個部分構(gòu)成:(1)內(nèi)部時鐘發(fā)生器用以控制圖中電子開關(guān)SA和SB的通斷。當(dāng)14腳(內(nèi)/外端)置“1”或置空時,工作在內(nèi)時鐘狀態(tài);若置“0”時,則工作在外時鐘方式下,外時鐘從13腳(外部時鐘輸入端)加入。(2)主放大器A1用以放大輸入信號并經(jīng)他輸出,N1端為他的第3個同相輸入端。(3)調(diào)零放大器A2用以降低A1直流失調(diào)的放大器,他不對外輸出信號,僅是作為一種輔助放大器使用,N2為他的一個反相輸入端。(4)箝位輸出電路用以防止因過載而出現(xiàn)的放大器阻塞。(5)內(nèi)調(diào)制補(bǔ)償用以改善電路的頻率特性。(6)模擬開關(guān)完成電路動態(tài)校零工作過程的切換,靠時鐘控制下的模擬開關(guān)來轉(zhuǎn)換。電路的整個工作在時鐘控制下分2個工作階段進(jìn)行,放大器誤差檢測與寄存;校零和放大,使穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)低失調(diào)與低溫漂。3.2.3信號放大模塊電路圖圖3-6信號放大模塊電路圖3.3A/D轉(zhuǎn)換模塊3.3.1TLC549簡介TLC549是由美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATAOUT三條口線進(jìn)行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17μs，TLC549為40000次/s?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，VREF-接地，VREF+－VREF-≥1V，可用于較小信號的采樣。圖3-7TLC549的引腳配置3.3.2TLC549的工作原理TLC549均有片內(nèi)時鐘，該時鐘與I/OCLOCK獨立工作。當(dāng)CS為高時，數(shù)據(jù)輸出(DATAOUT)端為高阻狀態(tài)，此時I/OCLOCK不起作用。CS的控制作用允許同時使用多片TLC549時，共用I/OCLOCK，用來減少多路(片)A/D并用時的I/O控制端口。其控制時序為：(1)將CS置低。內(nèi)部電路在測得CS下降沿后，再等待兩個內(nèi)部時鐘上升沿和一個下降沿后，然后確認(rèn)這一變化，最后自動將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(D7)位輸出到DATAOUT端上。(2)前四個I/OCLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5個位(D6、D5、D4、D3)，片上采樣保持電路在第4個I/OCLOCK下降沿開始采樣模擬輸入。(3)接下來的3個I/OCLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)個轉(zhuǎn)換位，(4)最后，片上采樣保持電路在第8個I/OCLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2、D1、D0)個轉(zhuǎn)換位。保持功能將持續(xù)4個內(nèi)部時鐘周期，然后開始進(jìn)行32個內(nèi)部時鐘周期的A/D轉(zhuǎn)換。第8個I/OCLOCK后，CS必須為高，或I/OCLOCK保持低電平，這種狀態(tài)需要維持36個內(nèi)部系統(tǒng)時鐘周期以等待保持和轉(zhuǎn)換工作的完成。如果CS為低時I/OCLOCK上出現(xiàn)一個有效干擾脈沖，則微處理器/控制器將與器件的I/O時序失去同步；若CS為高時出現(xiàn)一次有效低電平，則將使引腳重新初始化，從而脫離原轉(zhuǎn)換過程。在36個內(nèi)部系統(tǒng)時鐘周期結(jié)束之前，實施步驟(1)－(4)，可重新啟動一次新的A/D轉(zhuǎn)換，與此同時，正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換終止，此時的輸出是前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果而不是正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換結(jié)果。若要在特定的時刻采樣模擬信號，應(yīng)使第8個I/OCLOCK時鐘的下降沿與該時刻對應(yīng)，因為芯片雖在第4個I/OCLOCK時鐘下降沿開始采樣，卻在第8個I/OCLOCK的下降沿開始保存。3.3.3A/D轉(zhuǎn)換的電路圖圖3-8A/D轉(zhuǎn)換的電路圖3.4主控模塊3.4.1單片機(jī)AT89S52簡介AT89S52是8位單片機(jī)是MSC-51系列產(chǎn)品的升級版，有世界著名半導(dǎo)體公司ATMEL在購買MSC-51設(shè)計結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù)（掉電不丟數(shù)據(jù)）閃存生產(chǎn)技術(shù)對舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時使用新的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時，世界上其他的著名公司也通過基本的51內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)生產(chǎn)，推廣一批如51F020等高性能單片機(jī)。AT89S52片內(nèi)集成256字節(jié)程序運行空間、8K字節(jié)Flash存儲空間，支持最大64K外部存儲擴(kuò)展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設(shè)置在0-33M之間。片內(nèi)資源有4組I/O控制端口、3個定時器、8個中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門狗和斷電保護(hù)?？梢栽?V到5.5V寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機(jī)的功耗不斷降低。同時，該單片機(jī)支持計算機(jī)并口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機(jī)暢銷10年不衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插DIP-40的封裝。3.4.2AT89S52的標(biāo)準(zhǔn)功能AT89S52具有8k字節(jié)FLASH，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到出現(xiàn)下一個中斷或者復(fù)位為止。3.4.3單片機(jī)AT89S52最小系統(tǒng)圖3-9AT89S52最小系統(tǒng)原理圖3.5液晶顯示模塊液晶顯示器(LCD)具有體積小、功耗低、超薄等優(yōu)點，被廣泛用于單片機(jī)控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中。單片機(jī)可以通過數(shù)據(jù)總線與控制信號直接采用存儲器訪問形式、I/O設(shè)備訪問形式控制該液晶顯示模塊。本設(shè)計采用SMC1602A液晶屏，液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，通電后就可以顯示出圖形、文字。3.5.1SMC1602A液晶簡介SMC1602A字符型液晶是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×2即32個字符（16列2行）。3.5.2SMC1602A液晶顯示特性(1)單5V電源，功耗低、壽命長、可靠性高；(2)內(nèi)置192種字符；(3)具有64B的自定義RAM，可自定義八個5×8的點陣字符；(4)顯示方式：半透、STN、正顯；(5)驅(qū)動方式：1/16DUTY，1/5BIAS；(6)視角方向：6點；(7)背光方式：LED；(8)通訊方式：4位，8位并口可選；3.5.3SMC1602A液晶物理特性表3-11602液晶物理特性外形尺寸80×36×14（mm）可視范圍64.6（W）×16.0（H）顯示容量16字符，2行點尺寸0.55×0.75（mm）點間距0.08（mm）3.5.4SMC1602A液晶管腳功能SMC1602A字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。表3-21602液晶管腳功能管腳號符號功能1VSS電源接地（GND）2VDD電源電壓（+5V）3V0LED驅(qū)動電壓（可調(diào)）4RS寄存器選擇輸入端，輸入MPU選擇模塊內(nèi)部寄存器類型信號。RS=0，當(dāng)MPU進(jìn)行寫模塊操作，指向指令寄存器；當(dāng)MPU進(jìn)行讀模塊操作，指向地址計數(shù)器；RS=1，無論MPU進(jìn)行讀操作還是寫操作，均指向數(shù)據(jù)寄存器。5R/W讀寫控制輸入端，輸入MPU選擇讀/寫模塊操作信號。當(dāng)R/W=0時進(jìn)行讀操作，當(dāng)R/W=1時進(jìn)行寫操作。6E使能信號輸入端，輸入MPU讀/寫模塊操作使能信號。讀操作時，高電平有效；寫操作時，下降沿有效。7DB0低4位三態(tài)、向數(shù)據(jù)總線0位（最低位）8DB1低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線1位9DB2低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線2位10DB3低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線3位11DB4高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線4位12DB5高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線5位13DB6高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線5位14DB7高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線7位（最高位）15A背光電源正端+5V16K背光電源負(fù)端0V3.5.5SMC1602A液晶字符集SMC1602A液晶模塊內(nèi)部的字符存儲器（CGROM)存儲了160個不同的點陣字符圖形，包括：英文字母大小寫、阿拉伯?dāng)?shù)字、日文假名、和常用符號等，每一個字符都有一個固定的代碼，其中，字與字母同ASCII碼兼容。比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。具體內(nèi)容參照1602的16進(jìn)制ASCII碼表。3.5.6SMC1602A液晶與AT89S52接口電路圖3-101602LCD與單片機(jī)接口電路圖3.6串口通信模塊為了對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，需要利用單片機(jī)的RXD、TXD接口連接到RS232串行口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，但是單片機(jī)的TTL電平和RS232不兼容，因此使用了MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用RS-232C接口方式。采用MAX232，這種芯片可以實現(xiàn)TTL電平和RS-232C接口電平之間的轉(zhuǎn)換，也就是可以把5V電平表示“1”、0V電平表示“0”的邏輯，轉(zhuǎn)換成-3~15V電平表示“1”、+3~15V電平表示“0”的邏輯，從而解決了由于PC機(jī)的串行口是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的接口，其輸入輸出在電平上和采用TTL電平的AT89S52在接口時會產(chǎn)生電平不同的問題。3.6.1RS-232C簡介在單片機(jī)通信中,談到串口通信,必然涉及RS-232C。RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會)與BELL公司一起開發(fā)并于1969年公布的通信協(xié)議，該總線是廣泛使用在微機(jī)數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE和數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE之間的外部總線接口。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232是標(biāo)志號,C表示修改的次數(shù)。RS232C定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)與數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的物理接口標(biāo)準(zhǔn)。接口標(biāo)準(zhǔn)包括機(jī)械特性、功能特性和電氣特性等方面的內(nèi)容。在電氣特性中,采用負(fù)邏輯電平表示,規(guī)定邏輯0電平為+5V—+15V，邏輯1為-15V—-5V，常稱之為RS232電平。而單片機(jī)輸出的是TTL或COMS電平。我們知道，TTL/COMS電平規(guī)定邏輯0電平為0V，邏輯1電平為+5V。顯然,當(dāng)PC機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行通信時，其接口就不能直接相連，當(dāng)微機(jī)配備了RS一232接口后，它不僅可以與多種儀器和外設(shè)連接，而且，通過它還可以在兩臺微機(jī)之間進(jìn)行近程和遠(yuǎn)程的通信。3.6.2MAX232簡介本系統(tǒng)采用的是MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232接口芯片，該芯片就是MAXIM公司專門為PC機(jī)RS2232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的電平轉(zhuǎn)換電路。MAX232芯片與TTL/COMS電平兼容,片內(nèi)有2個發(fā)送器,2個接收器,且使用+5V單電源供電,使用非常方便。MAX232芯片能夠同時滿足TTL向RS232C和RS232C向TTL電平轉(zhuǎn)換的功能。同時，MAX232具有士15V的防靜電釋放功能，能保持在士15V的靜電釋放的情況下正常工作，不損壞兩端的器件，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。MAX232可分為三部分：（1）電荷泵。電荷泵的主要任務(wù)是將直流5V電源轉(zhuǎn)換為±10V的電源,以滿足TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成RS23電平的需要，它主要由1-6腳和外接的4個電容(C1-C4)組成。（2）將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。主要由11(T1IN)腳、10腳(T2IN)、14腳(T1OUT)和7(T2OUT)腳構(gòu)成。在實際應(yīng)用中,常將11腳(或10腳)與AT89S52單片機(jī)的串行發(fā)送端TXD相連接,而將14腳(或7腳)與RS232相連接。這樣從單片機(jī)輸出的TTL/CMOS電平,經(jīng)過MAX232內(nèi)部電路,轉(zhuǎn)換成了RS232所需要的電平,由14腳(7腳)送至RS232。（3）將±10V的RS232電平,轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS電平。RS232電平由13腳(R1IN)或8腳(R2IN)輸入,經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的TTL/CMOS電平由12腳(R1OUT)或9腳(R2OUT)輸出,送至AT89S52單片機(jī)的接收端RXD。16腳(VCC)電源端,+5V直流電源供電;15腳(GND),電源接地。MAX232芯片控制電路及接口如下圖所示：圖3-11MAX232芯片控制電路3.7復(fù)位電路3.7.1復(fù)位電路簡介關(guān)于單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位，而復(fù)位時間是(時鐘周期=12×振蕩周期,振蕩周期=1/f)，這個時間只能大不能小，具體數(shù)值可以由rc電路計算出時間常數(shù)。單片機(jī)復(fù)位后各寄存器的狀態(tài)：PSW變?yōu)?0H，寄存器0組為工作寄存器組；A賦值為00H，累加器被清零；SP為07H，堆棧指針指向片內(nèi)RAM07H字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操作的先加后壓法則，P0-P3＝FFH，表明已向各端口線寫入1，此時，各端口既可用于輸入又可用于輸出；IP＝×××00000B，表明各個中斷源處于低優(yōu)先級；IE＝0××00000B，表明各個中斷均被關(guān)斷；3.7.2復(fù)位電路圖圖3-12復(fù)位電路圖3.8電源電路電源電路為主控芯片及其外圍控制電路提供穩(wěn)定電源的電路，AT89S52及其他元件需要+5V的電源,A/D轉(zhuǎn)換器需要+5V和-5V的電源。其電路圖如圖3-14：圖3-13電源電路圖3.9STC89C52RC單片機(jī)STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。主要特性如下：增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6時鐘/機(jī)器周期和12時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機(jī)）/3.8V～2.0V（3V單片機(jī)）工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達(dá)48MHz用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)片上集成512字節(jié)RAM通用I/O口（32個），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片具有EEPROM功能具有看門狗功能共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃PDIP封裝STC89C52RC單片機(jī)的工作模式掉電模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序空閑模式：典型功耗2mA正常工作模式：典型功耗4Ma～7mA掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備3.10小結(jié)本章節(jié)主要介紹了課程設(shè)計的硬件部分，包括信號采集模塊，信號放大模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，AT89S52主控電路，1602液晶顯示模塊，串口通信模塊，復(fù)位以及電源模塊。分析了每個模塊的功能原理，畫出了原理圖，介紹了所用主要芯片的特性及用法，并簡述了模塊設(shè)計時的注意事項。信號采集模塊采用型號為2CR52的硅光電池，由于采集得到的光電流極其微弱，所以要用芯片ICL7650對信號進(jìn)行放大，再采用A/D裝換芯片TLC549把信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到單片機(jī)最小系統(tǒng)里，經(jīng)過單片機(jī)