气敏传感器信号采集系统设计(编辑修改稿)

气敏传感器信号采集系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

图 （ a， b)所示 [8]。 AD623 的增益 g 由 Rg 进行电阻编程 ， 或更准确的说 ， 由 1 脚和 8 脚之间的阻抗来决定。 Rg 可以由以下公式计算。 )1/(1 0 0  GKRg （ ） 图 AD623原理图 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 13 页 共 46 页 a 双电源供电 b 单电源供电 图 AD623供电电路连接 信号调理电路 将双极性信号加到单电源模数转换器 (adc) 上通常是件很困难的事情 , 因为这要将双极性信号范围变换成 adc 的允许输入范围 ，而 AD623正好可以满足这个转换条件，此外， 综合考虑输入阻抗，温漂，共模抑制比，线性度以及价格等因素，决定采用仪用放大器 AD623。 其与桥式电路输出的连接如下图所示。 图 信号调理电路 桥式电路的输出为 0～ ，为了防止输出电压过小被地吞没，放大器基准电压接+1V，它通过对 5V的电压进行分压而得到。 增益为默认的单位增益，即不外接电阻，则通过放大电路后输出电压范围为 1～。 主控电路 AT89C51 芯片介绍 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称 单片机。 AT89C2051 是一种带 2K字节闪存可编程可擦除 只读存储器 的单片机。 单片机的可擦除只 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 14 页 共 46 页 读存储器可以反复擦除 1000 次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C51 单片机为很多 嵌入式控制系统 提供了一种灵活性高且价廉的方案。 其管脚图如下图所示。 图 AT89C51外形及管脚图 AT89C51 提供以下标准功能： 4K 字节 Flash 闪速存储器， 128 字节内部 RAM,32 个I/O 口线，两个 16位定时器， 一个 5向量两级中断机构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89C51 可降至 0HZ 的静辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位 [9]。 单片机时钟电路 单片机内部每个部件想要协调一致的工作，必须在统一口令，即时钟信号的控制下工作。 单片机的时序就是 CPU 在执行指令时所需控制信号的时间顺序。 为了保证各个部件间的同步工 作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地按照时序进行工作。 单片机工作所需要的时钟信号由两种产生方式，即内部时钟方式和外部时钟方式。 本设计中采用内部时钟方式： AT89C51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。 电容器通常取 30pF 左右，可稳定频率并对振荡器有微调作用。 石英晶体选择范围最高可选 24MHz,它决定了单片机电路产生的时钟信号的振荡频率，晶体振荡的频率高，则系统的时钟频率也高，单 片机运行的速度也就快。 在本系统 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 15 页 共 46 页 中选择的是 12MHz。 其连接电路如下。 图 单片机时钟电路 单片机复位电路 89 系列单片机与其它微处理器一样，在启动时都需要复位，使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。 89系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内的施密特触发器中的，当系统处于正常工作状态时，且震荡期稳定后，如 RST 引脚上有一个高电平并维持两个机器周期，则 CPU就可以 响应并将系统复位。 复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。 本机采用手动按键复位和自动复位组合，上电自动复位是在加电瞬间电容通过充电来实现，在通电瞬间，电容 C通过电阻 R 充电， RST 端出现正脉冲，用以复位。 手动复位是指通过接通一按钮开关，是单片机进入复位状态，系统上电运行后，若需要复位，一般通过手动复位来实现。 由于AT89C51 属于 CMOS 型，在 RST 端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，外接电容使用 1uF。 图 单片机复位电路 单片机控制电路连接 系统采用单片机进行控制 ,选用 AT89C51 单片机 .该单片机为 ATMEL 公司的产品 ,其指令系统完全与 8031/8051 兼容 ,内带 4K 字节的内存和程序保护系统 ,便于程序的调试修改和保密 ,在本设计中各管脚的功能如下 : 1)P0 口的功能 :P0 口与 LCD1602 的双向数据端相连，传输命令及数据。 2)P1 口的功能 :P1口与 ADC0809 的数据输出口相连 ， 接收 AD 转换结果。 3)P2 口的功能 : 端与 ADC0809 的 START 和 ALE 相连，用以启动 AD 转换， 且将 8 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 16 页 共 46 页 路地址锁存； 端与 ADC0809 的 EOC 端连接，用来检测转换是否完成； 端与ADC0809 的 OE 端相连 ,用以允许将 AD 转换结果输出，让单片机读取转换结果； 端用作系统灯光报警信号控制端，低电平有效； 端用作系统声音报警信号控制端，低电平有效； ~ LCD1602 的 RS、 RW、 E 三端 ， 控制 液晶显示。 4)P3 口的功能 : 接 ADC0809 的 CLOCK 端，用定时器来控制产生 500kHz 时钟信号以驱动 ADC0809； 接存储芯片的 SCL 端，控制存储芯片的串行 时钟输入； 接存储芯片的 SDA 端，用于控制单片机与存储芯片之间的数据交换。 模数转换电路 ADC0809 芯片介绍 由传感器采集回来的模拟信号需要转换成单片机能识别的数字信号才能进行分析处理，所以需要 A/D 转换电路。 A/D 转换器按其工作方式，转换速度，转换精度等情况，可满足不同的使用场合和要求。 按工作原理不同 A/D 转换器可分为两大类： (a)积分型，这类转换器先将模拟量转换成中间变量，再将中间变量转换成对应的数字量，国内外在此类产品中主要是低速 A/D 转换器。 (b)比较型，这种转换 器是将模拟量与基准电压直接进行比较，再转换相应的数字量。 其又可分为逐次逼近型、跟踪比较型、并行比较型、串行比较型。 其中逐次逼近型是目前应用最为广泛的中高速 A/D 转换器，其最大特点是转换速率较快，而且在售价、转换精度、转换速率三个指标之间容易取得的较好的平衡。 本课题拟采用逐次逼近型 A/D 转换器 ADC0809。 逐次逼近式 A/D 转换器利用内部的寄存器从高位到低位依次开始逐位试探比较。 开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置 1，把数据送入 A/D 转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的 模拟量小，则 1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则 1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。 ADC0809 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8通道， 8 位逐次逼近式 A/D模数转换器。 其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，选通 8路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。 它由 8路模拟开关、 8 位 A/D 转换器，三态输 出锁存器及地址锁存译码器等组成，其内部逻辑结构图如图 所示。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 17 页 共 46 页 图 ADC0809内部结构框图 其 主要特性： 1） 8路输入通道， 8 位 A/D 转换器，即分辨率为 8位。 2） 具有转换起停控制端。 3） 转换时间为 100μ s(时钟为 640kHz 时 )， 130μ s（时钟为 500kHz 时）。 4） 单个 +5V 电源供电。 5） 模拟输入电压范围 0～ +5V，不需零点和满刻度校准。 6） 工作温度范围为 40～ +85摄氏度。 7） 低功耗，约 15mW。 ADC0809 各引脚功能如下 :  IN0～ IN7： 8路模拟量输入端。  D0～ D7： 8位数字量输出端。  ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。  ALE：地址锁存选通信号，由低至高电平时，把三位地址信号送入通道号地址锁存器并经译码得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。  START： A/D 转换启动信号，加入正脉冲后， A/D 转换开始进行。  EOC： A/D 转换结束信号，转换开始后， EOC 信号变低，转换结束时， EOC 返回高电平。  OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。 当 A/D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 18 页 共 46 页  CLK：时钟脉冲输入端。 要求时钟频率 不高于 640KHZ。  REF（ +）、 REF（ ）：基准电压输入端 ,它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值。  VCC：电源电压，由于是 CMOS 芯片，允许的电压范围较宽，可以是 +5~+15V。  GND：接地。 图 ADC0809引脚图 ADC0809 的时序图如下。 图 ADC0809时序图。