毕业设计（论文）-转辙机测力仪控制器--硬件设计.doc

摘要 转辙机测力仪控制器 硬件设计摘要转辙机是铁路系统中常用的一种重要电气信号设备，是铁路上用来改变轨道在铁路道岔处的走向，控制列车的运行路线的重要设备。转辙机测力仪控制器是一种专门用来在现场对转辙机进行检测的测试设备，其测量对象为转辙机动作过程中的输出力和输出电流。本论文首先对转辙机测力仪控制器的各种设计要求进行了分析，包括了仪器的各种使用功能要求。然后提出了测力仪控制器的总体设计方案，主要是两方面的设计：硬件电路的设计和接口的设计。 关键词：转辙机测力仪，转辙机，转换力，指示灯 I Abstract The Electric Point Switch Tester HardwareAbstractThe electric point switch is an important electrical sigal equipment that is ofen used in train system，which is used to change the orbit to branch at the railroad way,and change movement route of the railroad.The portable electric point switch tester is one test equipment that is specially used to test the electric point switch on the spot,the measuring objects are the output power and electric machine current in the working process of the electric point erface level and application level.This thesis firstly analyzes the design specification of the electric point switch，including the various application functional purpose purpose .And then puts forward the overall design plan of the tester：the equipment is divided into two arrangements,including hardware circuit level .Key Words:electric point switch tester，electric point switch ,the output power ,indicator light II 1 绪论 1 绪论1.1课题的研究背景转辙机是铁路系统中常用的一种重要电气信号设备，是铁路上用来改变轨道在铁路道岔处的走向，控制列车的运行路线的重要设备。它具有转换，锁闭和表示岔道位置的三种功能。转辙机对提高铁路运输效率、保证行车安全起着至关重要的作用。转辙机的各项指标，其中包括主副机定、反向的拉力、转换时间、工作电流、摩擦电流等是否正常是其安全工作的重要保证。我国铁路系统目前使用的多为电动转辙机。电动转辙机主要由电动机、减速器、自动开闭器、主轴、动作杆锁闭齿轮等部件构成。其中，自动开闭器是跟随转辙机一起工作的电器节点，它与岔道控制电路和表示电路直接发生联系，能够直接或间接的反映出道岔定位密贴和反位密贴。根据电动转辙机中的电动机类型可将电动转辙机分为直流电动转辙机和交流电动转辙机两类。直流电动转辙机主要有ZD6,ZD7系列，交流电动转辙机主要由:S700系列。为了确保铁路交通的安全，需要对铁路上的转辙机进行定期的性能检测，但是由于受实际环境条件的限制，我们不可能亲临现场进行测试；同时，由于转辙机深出和缩回的速度很快，普通仪表难以计量；所以需要设计一种安全，可靠方便，快捷的智能测试仪表来实现转换力的测量；并且，对于检修人员来说，一种测量准确、可靠耐用的转辙机专用测力仪将会是他们的好帮手，将会极大的帮助他们提高工作效率。1.2转辙机测力仪的简介 目前，对转辙机的测试设备主要有两种：一种是电动转辙机综合参数测试台，另一种是便携式的电动转辙机测试仪。其中，电动转辙机综合参数测试台多用与对电动转辙机大修之后，用以对检修结果进行检测；而便携式电动转辙机测试仪多用于现场对转辙机的各种性能进行检测。转辙机测力仪主要由两部分组成：用于对转辙机性能指标参数进行测量的传感器（力传感器，电流传感器）和用于对测量结果进行显示、保存的二次仪表。转辙机测力仪具有体积小，重量轻，携带方便等优点，但其所能测量的参数类型有限。而且在安装传感器时，人为的影响因素较多，因此测量时的得到的结果会存在偏差。1.3本论文的主要工作本论文的主要工作内容包括以下两个方面：33 （1）提出测力仪的使用功能方面的要求，包括仪器的一些必要辅助功能等。 西安工业大学学士学位论文 并提出了仪器的设计方案。（2）根据测力仪的各项技术要求和设计方案，完成对仪表的各个功能模块的设计。 2 仪器的设计要求与设计方案 2 仪器的设计要求与设计方案 测量仪器的基本功能是完成对被测物理量参数进行实时测量，通过信号变换将采样信号变换成标准信号，再将这一信号进行显示与记录。通常，一台测量仪器可分为三个部分：参数测量部分，信号调整部分，显示和记录部分。其中，测量部分由传感器来完成，它在测量仪器中被称为一次仪表；而信号调整部分，显示和记录部分被统称为测量仪器的二次仪表。对测量仪器的设计主要是对仪器的机械结构，电路结构进行设计或选配。传感器信号调整 电 路显示记录设 备电源辅助功能电路 图2.1 测量仪器的组成框图2.1仪表的设计要求 仪表的设计要求是指根据一起的使用环境和使用方式的不同而提出的仪器所必须要满足的条件。仪器的设计要求通常是指仪器的测量精度，仪器的功能要求和仪器的操作方法等。测量仪器完成的基本功能是对被测物理参数进行测量，以及对测量结果的显示和保存。测量结果显示，保存应该方便，快捷和直观。在满足基本功能的基础上，测试仪器还应满足操作人员对其操作的具体要求，也就是对测试仪器的使用功能的要求。对仪器的使用功能要求包括：对测量仪器操作的使用功能要求和对仪器显示，保存测量结果方式的要求。本论文中所讨论的转辙机测力仪的使用功能要求：可以启动和停止转辙机的正转和反转测试；可以显示测试结果，并可识别正转和反转；可以手动复位，以防止测试中的死机现象； 西安工业大学学士学位论文 可根据不同的主机号来切换测试的对象；可以在测试结束后将测试结果固定显示。2.2仪表的设计方案继电器2.2.1仪表的功能框图 光电耦合锁存器显示驱动电源稳压单片机调整电路及A/D转换传感器力传感器 显示手动复位主机型选择 图2.2 仪表的功能框图2.2.2仪表的结构分析a.输入部分本部分主要由力传感器，调整电路，A/D转换以及电源稳压这四大部分组成。 力传感器：将输入力信号转换为电压信号，输入的力大小范围是010.24KN,输出电压范围是05V。 调整电路：调整电路在整个测力仪中起到从传感器到A/D转换器之间的桥梁作用。传感器信号调整电路用来对传感器的输出信号进行滤波，放大，将从传感器上的到模拟信号的值的范围转换到A/D转换器的输入范围之内，以供对数据进行模数转换。A/D转换：将传感器输出的电压信号转换为数字量，并通过数据总线与单片机相连。这部分采用MAXIM公司的MAX197芯片，它具有12位的分辨率，输入电压范围为05V，输出的数字量范围为02048。 电源稳压部分：由于A/D转换芯片对输入的模拟电压信号精度要求很高，故在力传感器上加入一个电源稳压部分，以滤除脉冲信号和高频分量。b.继电器控制部分 本部分由光电耦合和锁存器这两块组成。光电耦合：输入端接继电器的两个输出触点，输出端接上拉电阻与锁存器相连。由继电器输出触点的断开与闭合来控制仪表的正转/反转测试的启动与停止。由于外接的触点信号我们无法对其评估，为确保安全，我们在此使用光电耦合器进行光电隔离。锁存器： 将光电耦合器输出的信号锁存。当单片机读信号有效时，将其读入单片机。c.手动按键部分该部分有RESET手动复位电路和主机型选择两部分组成。RESET复位电路： 输出端与单片机的RESET管脚相连，当有键按下时，输出高电平有效，单片机清零复位。ZD6/ZD7选择电路：输出端与单片机的INTO管脚相连，当有键按下时，输出一个下降沿，产生外部0中断，通过中断服务程序完成ZD6/ZD7的选择。d.显示输出部分该部分由显示驱动，LED显示，指示灯三部分组成。显示驱动部分：输入端与单片机的P1.0，P1.1,P1.2相连，输出端接四个LED和四个发光二极管。LED显示部分：由四个LED组成。分别表示符号位，个位，十分位，百分位。指示灯部分：由四个发光二极管组成。分别作为ZD6和ZD7的选择指示灯和测试，保持灯指示。 西安工业大学 3 仪表硬件电路的设计 3 仪表硬件电路的设计 上一章对仪表的模块结构进行了初步分析，本章将对仪表的各个部分的硬件电路进行详细分析。3.1 单片机部分电路的设计3.1.1单片机的选择 本次设计的仪表以8位AT89C52单片机为核心。由于本次设计需要编写的程序代码较长，日后还要重复编程，因此对程序区的要求较高，而AT89C52除了具有普通MCS-51系列单片机的功能外，片内的8K闪速存储器可以容许系统内部的程序存储器重复编程，故而选用它。3.1.2AT89C52单片机简介a. 功能特性描述：AT89C52是一个低功耗, 高性能CMOS 型8位单片机，它具有8k字节电擦除可编程只读存储器(PEROM)。 该装置使用高密度挥发性记忆体技术制造,是符合80C51 而80C52指令集和管脚输出。多功能8位CPU与闪存形成一个完整的芯片, 对于嵌入式控制应用AT89C52微处理器提供了一个强大的,高度灵活和有效的解决方案。AT89C52提供下列标准特性:8k字节的闪存,256字节的内部数据存储器，32个I/O口，3个16位定时/计数器,3个16位的定时器/计数器,1个6种类型的二级中断结构,1个全双工的串行口,片内振荡器和时钟电路。此外，AT89C52静态逻辑操作的设计降低到零频率,并且支持两种可选软件的节电模式。当允许RAM的定时器/计数器,串口和中断系统继续运作时，闲置模式就会终止CPU，关闭电源模式保存RAM的内容,终止振荡器关闭所有其他芯片功能,直到下一个硬件复位。b.芯片引脚图和封装图： 西安工业大学学士学位论文 图3.1 AT89C52芯片引脚图 图3.2 AT89C52的封装图c.管脚说明： VCC：供电电压。 GND：地上。 P0口：P0口是一个8位的双向输入/输出口。作为输出口每个管脚可以接8个TTL输入端。当“1”被写到P0口管脚时，管脚可作高阻抗输入端。当P0口与外部程序存储器和数据存储器连通时，它也可作为低位地址/数据总线复用。在这种模式中，P0口可以在闪速编程时接受码位，而在程序编译时输出码位。程序编译时外部上拉电阻是必需的。P1口：P1口是一个8位双向输入/输出口。 P1口的输出缓冲可驱动4个TTL输入端。当“1”被写入P1口时TTL被上拉电阻拉高用作输入端。 作为输入端，由于内部上拉电阻P1口的管脚外部被拉低而产生电流。P1口在闪速编程和程序编译时接受低位地址。此外, P1.0和p1.1可配置成定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)及定时器/计数器2触发输入(P1.1/T2EX)，见表3.1。当闪存编程和程序编译时，P1口也可接收低位地址。表3.1 P1口的第二功能输入管脚第二功能P1.0P1.1T2（定时器/计数器的外部计数输入）外部时钟T2EX（定时器/计数器2锁定/重载触发和指令控制输入P2口：P2口是一个8位字节的双向输入/输出口。P2口的输出缓冲可驱动4个TTL输入端。当“1”被写入P2口时TTL被上拉电阻拉高用作输入端。作为输入端，由于内部上拉电阻P2口的管脚外部被拉低而产生电流。当从外部程序存储器中取数或者连接到外部程序存储器上而用到16位地址时（MOVXDPTR），P2 口可以输出高位地址。输出高电平时这种器件会用到很强的内部上拉电阻。当连接到8位地址的外部数据存储器时，P2口可以运用特殊功能寄存器。在闪速编程和程序编译时，P2口可以接受高位地址和一些控制信号。P3口：P3口是一个8位的上拉电阻的输入输出口。P3口的输出缓冲可驱动4个TTL输入端。当“1”被写入P3口时，TTL被上拉电阻拉高用作输入端。作为输入端，由于内部上拉电阻P3口的管脚外部被拉低而产生电流。P3口也可以为AT89C52提供特殊功能服务，见表3.2：表3.2 P3口的第二功能管脚第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD （串行数据接收）TXD （串行数据发送）INT0 （外部中断0 ）INT1 （外部中断1 ）T0 （定时器/计数器0）T1 （定时器/计数器1）WR （外部RAM写选通）RD （外部RAM读选通REST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作ALE/PROG：地址锁存控制信号/外部程序存储器读选通信号。当CPU访问外部程序存储器时，ALE的作用是锁存16位地址的低位字节。在编程期间，PROG可作为编程脉冲的输入管脚。在常规操作中，ALE产生固定的六分之一晶振频率，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。注意，一个ALE脉冲是每次访问外部数据存储器时输出的。如果需要的话，ALE的操作可以通过置0来停止。当置0后，只有在指令MOVC执行时或MOVC执行时ALE才能工作。否则管脚点评会被拉高。微控制器在外部执行模式下设置ALE停止位是无效的。PSEN:：读选通信号。 当AT89C52向外部程序存储器取指令时，PSEN将在每个机器周期中发两次信号。在每一次访问外部数据存储器时都会有两个PSEN信号输出。EV/VPP：访问程序存储器控制电平/编程电源。 为了使CPU能够在外部程序存储器0000H到FFFFH范围内读取指令，EA管脚必须接地。注意，当EA信号为高电平时，则对ROM的读写操作是从内部程序存储器开始的。EA可接电源，访问内部程序存储器。在编程时这个管脚可以接12V的编程电压。XTAL1：输入到反向振荡放大器和内部时钟控制电路。XATL2：从反向振荡放大器输出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2是倒置的放大器，可分别作为输入和输出，可作为芯片的振荡器使用，如图1.3所显示。石英晶体或陶瓷谐振器都可以。 要驱动一个外部时钟源，当驱动XTAL1时， XTAL2应该未连接，如图3.3所显示。 对于外部时钟信号的工作周期没有要求，因为内部时钟电路会进行1/2分频，但必须观察最小电压和最大电压在各个时间的值。 图3.3 振荡器连接注：C1，C2=30pF， 作为晶体振荡器时 =40pF， 作为陶瓷谐振器时图3.4 外部时钟信号驱动连接3.2模数转换电路的设计 将模拟信号转换为数字信号的电路称作模/数转换电路（或A/D转换电路），在此出的作用是将传感器输出的电压信号转换成数字输出至单片机中。本A/D设计采用的是MAXIM公司的MAXIM197芯片。3.2.1.芯片的选择由于转辙机轴的伸出和缩回速度十分快，而且为了测试精确需要采集多个点，这就要求A/D转辙的时间要短，MAX197的转换时间只有6微秒，符合我们的要求。由于测试结果的精确度高，所以要求A/D转换得转换精度也要搞，MAX197具有12位的分辨率，可以满足我们的要求。由于传感器设计的不同，输入同样的力输出的电压范围也会不同，本设计中传感器输出的电压范围是05V。MAX197可以用软件实现四种量程的选择，下面会介绍到。衡量转辙机性能的指标除了转换力以外还有工作电流，摩擦电流，转辙机轴的伸出时间和缩回时间等，所以为了以后扩展的需要，要求A/D转换芯片具有多个模拟输入通道。MAX197具有八个模拟通道，可以满足我们的扩展需求。电路图如图3.5： 图3.5 A/D转换电路3.2.2.MAX197芯片介绍：a.特点：十二位的分辨率，1/2LSB线性误差一个+5V工作电压 软件选择输入量程：5V, 10V,05V,010V输入偏差保护（16.5V）八个模拟量输入通道6us转换时间，100ksps采样速率内部/外部采样控制内部4.096V或外部参考电压两种低功耗模式内部和外部两种时钟b.芯片引脚图： 图3.6 MAX197芯片引脚图c.管脚描述：CLK:时钟输入，在外部时钟模式下，输入与TTL/MOS相匹配额的时钟脉冲。在内部时钟模式下，从这个引脚接一个电容CCLK至地，设置内部时钟频率；当CCLK=100pF时，CLK典型值为1.56MHz。CS:片选脚，低电平有效。WR:当CS 为低电平时，在内部采用采集模式，WR的上升沿将锁住数据，并发出一个采集脉冲。当CS为地点平时，在外部采集模式下,WR的第一个上升沿启动第一次采集，WR的第二个上升沿结束采集并开始第一次转换。RD:如果CS为低电平，RD的下降沿将实现数据总线上的一次读操作。HBEN：输入脚，控制数据总线复用，以得到12位转换结果。当HBEN为高电平时，数据总线上输出高4位数据；当HBEN为低电平时，器件进入掉电工作状态。SHDN:掉电输入脚，当SHDN 为低电平时，器件进入掉电工作状态。D7D4:三态数据I/O口。D3/D11-D0/D8三态数据I/O口，当HBEN=0时，输出为D3-D0的数据，当HBEN=1时，输出为D11D8数据。AGND:模拟地。CH0CH7:八路模拟输入通道。INT：中断输入脚，当转换完毕，输出数据准备就绪，INT变为低电平。REFADJ:为带隙电压基准输出/ADC基准电压输入，可连接一个0.01uF电容旁路至地。当在REF脚上采用外部基准电压时，此管脚连接到VDD上。REF：缓冲器基准电压输出/ADC基准电压输入，在内部基准电压模式下，基准脉冲器提供4.096V的标准输出电压，可在REFADJ脚微调，在外部基准电压模式下，通过REFADJ接至VDD 使内部缓冲器无效。VDD:+5V电源，通过0.1u F电容旁路至地。DGND:数字地。d.MAX197的控制字 MAX197的三态平行接口是输入数据(控制命令字)和输出数据复用口。这种I/O口可以非常方便的与微处理器链接。CS,WR和人的将控制芯片的读和写操作。CS是标准的片选信号，它可以让微处理器把MAX197当作一个I/O来进行寻址，当它为高时，会使RD和WR的输入无效，并把接口强制置为高阻状态。在写周期，控制命令字通过D7-D0管脚被写入芯片中。下面的表3.3给出了控制字的格式。表3.3 控制字格式D7(MSB) D6 D5D4 D3D2D1D0PD1PD0ACOCMODRNGBIPA2A1A0D7,D6:这两位用来选择时钟和低功耗模式。（见表3.5）D5:为0时，内部控制采样(六个时钟周期)。为1时，外部控制采样。D4:输入量程选择。(见表3.4)D3:选择单极性还是双极性转换模式。（见表3.4）D2,D1,D0:这几个位作为地址位来选择要有被使用的模拟通道。（见表3.6表3.4输入电压量程选择 表3.5 时钟和低功耗模式选择 表3.6 模拟通道选择e.MAX197的工作时序：图3.7 MAX197的内部采样模式图3.8 MAX197的外部采样模式3.3LED显示的设计 这一部分电路用来实现测试结果和测试状态的显示。它通过一个显示驱动芯片来驱动4个LED和4个发光二极管。4个LED用来显示伸出/缩回力的测试结果，4个发光二极管。4个发光二极管作为ZD6，ZD7，测试，保持指示灯。ZD6，ZD7的选择原理在按键电路中已做说明，这里只是将选择的结果通过指示灯来显示出来。此外，当测试开始时测试指示灯点亮，测试结束时指示灯熄灭，同时保持指示灯点亮，最终的测试结果会定格在LED显示板上。3.3.1芯片的选择由于仪表有4个LED 和4个发光二极管指示灯显示，这就要求所采用的显示驱动芯片有较强的驱动能力，可同时驱动多个LED或发光二极管。本设计中使用的显示驱动芯片是MAXIM公司MAX7219，它有八条位控线，八条段控线，位控线低电平有效，段控线高电平有效，可同时驱动八个共阴极LED。同时MAX7219还可以进行解码/不解码两种模式的选择，当选择解码模式时，只需向MAX7219输入十进制的BCD码它就可自动翻译成LED 显示所需的字形代码，大大减轻了编程的工作量。电路图如图3.9： 图3.9 显示部分电路3.3.2 MAX7219芯片介绍a.MAX7219的特点10MHz的串行接口LED数码管单个段的控制解码/无解码的数字选择150uA的低功耗（保留数据）数字和模拟亮度控制高功耗时的空白显示驱动共阴极4脚的窄DIP（300mil）和宽DIP（600mil）封装b.芯片引脚图： 图3.10 MAX7219芯片引脚图c.管脚描述：DIN：串行数据输入。在CLK的上升沿，数据被送入内部16位转移寄存器中。DIG0-DIG7：八条位控线，与显示的共阴极端相连，低电平有效。当关闭显示时，MAX7219把该位的输出电压拉至+5V。GND：地（两个GND管脚必须相连）。LOAD：使数据读入。在LOAD的上升沿，16位串行数据被读入。CLK：串行时钟输入。在CLK的上升沿时，数据被送入内部转移寄存器。在CLK的下降沿，数据从DOUT端被计时输出。SEGA-SEGG,DP:提供七段和小数点的驱动电流给显示设备。当关闭某一段显示时，段控端电压被拉至GND。ISET：通过一个上拉电阻街道V+来设置断电流的峰值（通过改变上拉电阻的大小）。V+：连接+5V电压。DOUT：串行数据输出，在DOUT第16.5个时钟周期后，从DIN端输入的数据无效。d.MAX7219的串行数据格式（16位）表3.7 MAX7219的串行数据格式e.MAX7219的时序图如图3.11所示： 图3.11 MAX7219的时序图f.典型应用电路：如图3.12所示 图3.12 MAX7219的典型应用g.说明由MAX7219的电气特性可知，MAX7219的最大工作电流最大电流可达330mA,但在实际应用中我们并不需要这么大的电流；显示太亮，既浪费又对设备有影响；电流达100mA即可。因此，我们将上拉电阻设计为10K。3.4正反转测试启动/停止控制电路这部分电路主要用来实现仪表测试的启动和停止。它主要由两个光电耦合器和一个573锁存器构成。3.4.1光电耦合部分a.光电耦合的选用由于这里需要外接一个继电器的开关信号，而这个开关信号具体特性我们不清楚，为了安全期间，我们需要对其进行电隔离。而光电耦合器恰好具有这一功能，因此选用光电耦合。电路图如3.13所示：图3.13 光电耦合电路图光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。b.光电耦合器的介绍光电耦合器是光电传感器的一种。光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。这种传感器在测量非电量时，将这些非电量的变化转换成光信号的变化即可。这样的测量方法具有结构简单，非接触，可靠性高，高精度和反应快等优点，故广泛用于各种自动检测系统中。c光电耦合器原理及应用光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。光电耦合器广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小,因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小,它所能提供的电流并不大,不易使半导体二极管发光;由于光电耦合器的外壳是密封的,它不受外部光的影响;光电耦合器的隔离电阻很大（约1012）、隔离电容很小（约几个pF）所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。线性方式工作的光电耦合器是在光电耦合器的输入端加控制电压,在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级的电路的电压。线性光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成,当发光二极管接通而发光,光敏三级管导通,光电耦合器是电流驱动型,需要足够大的电流才能使发光二极管导通,如果输入信号太小,发光二极管不会导通,其输出信号将失真。在开关电源,尤其是数字开关电源中,利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。3.4.2 锁存器部分a.锁存器的选用在单片机系统中，数据输出都是通过系统的公用数据通道（数据总线）进行的，但是由于单片机的工作速度越来越快，数据在数据总线上保留地时间十分短暂，无法满足输出设备的需要。为此，在扩展I/O接口电路中应具有数据锁存器，以保证输出数据至能为输出设备所接受。锁存器就是把当前的状态锁存起来，使CPU送出的数据在接口电路的输出端保持一段时间锁存后状态不再发生变化，直到解除锁定。b.锁存器的连接 此处使用了74HC573锁存器，使能端C接VCC有效，单片机的RD和A9端通过或门与573的输出允许端相连，当读信号有效且A9为低时，锁存器中的数据被读入单片机中。单片机通过对读入的数据进行分析来决定测试过程是启动还是停止。3.5复位及主机型的选择电路部分 此部分电路用来实现测试过程的手动复位以及测试对象ZD6/ZD7的按键选择。按键共有四个管脚，有两个接地，另两个通过上拉电阻接VCC。当有键按下时，输出端被拉成低电平。电路图如3.14所示： 图3.14 按键电路 3.5.1.RESET键与单片机的连接 当RESET 键按下时，输出端被拉成低电平，经4093取反后输出高电平至单片机的RESET管脚，单片机清零复位。3.5.2.ZD6/ZD7选择键与单片机的连接 当ZD6/ZD7键按下时，输出端由原来的高电平变成低电平，相当于输出一个下降沿，经4093取反后，最后输出一个下降沿至INT0端，启动外部中断0，执行中断服务程序，实现ZD6/ZD7的选择。3.6辅助功能电路的设计3.6.1传感器电源及信号调整电路的设计a.传感器部分电源设计测力仪所使用的力传感器是有源传感器，需要外加电源才能工作。传感器部分所需要的电压是015V,设计电源电路图如图3.15所示： 图3.15 传感器电源电路b.信号调整的设计力传感器的测量原理是用电阻应变计构成电桥电路，通过测量电桥臂的电压差完成对转辙机输出力的测量。因此力传感器的调整电路的作用是：先将电压差信号进行转换放大，再对放大后的信号进行滤波处理。一般采用差动放大电路来对电压差值进行转换放大。原理图如下： 图3.1 6 差动放大电路原理图差动放大电路的信号输入输出关系如公式公式（3.1.1）： （公式3.1.1）上述电路具有高输入阻抗，低输入阻抗的优点，同时还具有较高的抑制笔和较高的差模增益。对于转换放大后的信号还应经过滤波处理，才可输出到模/数转换电路。滤波电路采用一阶有源低通滤波器。电路原理图如图3.17： 西安工业大学学士学位论文 图3.17 一阶有源低通滤波电路原理图测力仪的力传感器调整电路实用的是改进电路的单片机集成电路AD620。与上述电路相比，更具有使用简单、可靠，自身噪声低、温漂小的优点。AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为11000的低功耗、高精度仪表放大器。尽管AD620由传统的三运放放大器发展规律而成,但一些主要性能却优于三运算当代器构成的仪表放大器设计,电源范围宽(2.3V-18V),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅为1.3mA)因而使用于低电压、低功耗的应用场合。图3.18、3.19分别是AD620的引脚图和结构简图。 图3.18 芯片引脚图 图3.19 AD620结构简图AD620的工作原理：AD620是在传统的三运放组合方式改进的基础上研制的单片仪用放大器。输入三极管Q1和Q2提供了唯一双极差分输入，因内部的超处理，它的输入偏移电流比一般情况低10倍。通过Q1-A1-R1环路和Q2-A2-R2环路的反馈，保持了Q1，Q2集成极电流为常量，所以输入电压相当于加在外接电阻Rg的两端，从输入到A1/A2输出的差分放大倍数为G=（R1+R2）/Rg+1。由A3组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与REF管脚电位有关的单路输出。Rg的值还确定了前级运放的跨导。当Rg减小时，放大倍数增大，对输入三极管的跨导渐渐地增大，这具有明显的优点：放大倍数增加使得开环增益增大，因此减小了增益带宽乘积增加，因此频率响应得到改善；主要由输入三极管集成电极电流和基极电阻确定的输入电压噪声减小到9nV/。内部增益电阻R1和R2被精确确定24.7k,使得运放增益精确地有Rg确定。 G=49.4 k/Rg+1 或 Rg=49.4 k/(G-1)3.6.2单片机和A/D供电电路的设计本次设计中，大部分电源都采用VCC+5V电源，电路图如图3.20所示：图3.20 VCC电源电路如上图所示，从AC2-1和AC2-2端外接10V的交流电经桥式整流再由电容进行滤波后接到电源稳压芯片MC7805的输入端，输出端再接电容进行滤波，最终输出+5V电压，同时点亮电源指示灯。由于此部分中，MC7805较为重要，因此对它进行简单介绍。a.MC7805芯片介绍1).特点可输出大于1A电流无需外部器件辅助内部过热保护内部短路电流限制输出端晶体管安全区域补偿输出电压2%4%的偏差三种封装形式: 、DPAK及标准的三线晶体管封装T0-2202).说明 MC7805是5V的单块集成电路，用途十分广泛。它采用内部限流，低热功耗，安全区域补偿。它可以输出超过1A的电流。虽然它主要被用来作为5V稳压器，但也可以和其他外部设备一起使用获得可调的电压或电流。3).标准应用 图3.21 MC78XX的标准应用如图3.21所示，MC7805的输入端和输出端之间需要接一个公共地。而输入电压即使在输入波形的最低点时也要保证比输出电压显著高出2V。如果离电源输入端较远，就要接入Cin Co并不能够提高稳定性，但它能够增强暂态的响应。当Co取值小于0.1uf时将会影响稳定性。3.6.3光电耦合部分供电电路设计光电耦合部分的电源电路与单片机部分电源电路不同，需要重新设计，电路图如图3.22所示：图3.22光电耦合部分电源电路3.7仪表的显示面板的设计14523 6 1.TEST 指示灯 2.HOLD指示灯3.ZD6选择指示灯 4.ZD7选择指示灯5.RESET复位键 6.ZD6/ZD7选择键a. 可以通过仪表上的Reset键进行手动复位，防止测试中的死机现象。b. 可一通过仪表上的ZD6/ZD7按键来自由的切换测试对象，并通过面板上的指示灯来显示选择的主机号。c. 可以通过面板上的测试和保持指示灯来观察测试状态。西安工业大学学士学位论文 4 原理图及PCB图的设计 4 原理图及PCB图的设计4.1概述电路板的基本设计过程可分为以下四个步骤： （1）电路原理图的设计 电路原理图的设计主要是利用Protel 99SE的原理图设计系统(Advanced Schematic)来绘制一张电路原理图。 （2）生成网络报表 网络报表就是显示电路原理与中各个元器件的链接关系的报表，它是连接电路原理图设计与电路板设计（PCB设计）的桥梁与纽带，通过电路原理图的网络报表，可以迅速地找到元器件之间的联系，从而为后面的PCB设计提供方便。 (3) 印刷电路板的设计 印刷电路板的设计即我们通常所说的PCB设计，它是电路原理图转化成的最终形式，这部分的相关设计较电路原理图的设计有较大的难度，我们可以借助Protel 99SE的强大设计功能完成这一部分的设计。 (4) 生成印刷电路板报表 印刷电路板设计完成后，还需生成各种报表，如生成引脚报表、电路板信息报表、网络状态报表等，最后打印出印刷电路图。 4.2原理图的设计原理图的设计是整个电路设计的基础，它的设计的好坏直接决定后面PCB设计的效果。本设计的原理图见附录A。一般来说，电路原理图的设计过程可分为以下七个步骤： 4.2.1 启动Protel 99 SE电路原理图编辑器 用户首先必须启动原理图编辑器,才能进行设计绘图工作.a. 首先进入Protel 99 SE系统,执行File/New命令建立新的设计数据库,或打开一个已经存在的设计数据库。b. 建立或打开数据库后，就可以进行创建新的原理图文件操作。c. 接着执行当前界面中的File/New命令，弹出New Document对话框，选取Schematic Document 图标，然后单击OK 按钮。d. 新建立的文件将包含在当前的数据库中，系统默认文件名为“sheet1”，用户可以在设计管理器中更改文件名显示在设计数据库中。4.2.2设置电路原理图的大小与版面 西安工业大学学士学位论文 a. 图纸大小、方向和颜色主要在“Documents Options”对话框中实现，执行DesignOptions命令，即可打开“Documents Options”对话框，在Standard styles区域可以设置图纸尺寸，单击此按钮，在下拉列表框中可以选择A4 OrCADE的纸型。b. 图纸方向的设置通过“Documents Options”对话框中Options部分的Orientation选项设置，单击 按钮，选中Landscape，设置水平图纸；选中Portrait，设置竖直图纸。c. 图纸颜色的设置在图纸设置对话框中的Options部分实现，单击Border Color色块，可以设置图纸边框颜色，单击Sheet Color色块，可以设置图纸底色。d. 执行DesignOptionsChange System Font命令，弹出“Font”对话框，通过该对话框用户可以设置系统字体，可以设置系统字体的颜色、大小和所用的字体。4.2.3从元件库取出所需元件放置在工作平面 在这个阶段，根据实际电路的需要，从元件库中取出所需的元器件放置到工作平面上。用户可以根据实际元器件之间的走线等联系对元器件在工作平面上的位置进行调整，修改，并对元器件的编号，封装进行定义和设定等，为下一步工作打好基础。a. 通过输入元器件的编号来选取元器件b. 从元器件列表中选取执行DesignBrowse Library.命令，弹出Libraries元器件库面板，单击元器件库面板中的Libraries按钮，弹出“Add Remove Libraries”对话框，单击Add Library按钮，弹出“Open”对话框，在该对话框中选中想要加载的元器件库，单击Open按钮可以加载元器件库。单击Open按钮后，系统自动返回到“Add Remove Libraries”对话框并显示刚刚加载的元器件库，单击Close按钮即可完成元器件库的加载过程。c. 使用工具栏放置元器件4.2.4根据设计需要连接元器件 该过程实际就是一个画图的过程。用户利用Protel 99 SE提供的各种工具，指令进行不限，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线，符号连接起来，构成一个完整的电路原理图。4.2.5 对布线后的元器件进行调整 这一阶段，用户利用Protel 99 SE所提供的各种强大功能对所绘制的原理图进行进一步的调整和修改，以保证原理图的美观和正确。这就需要对元器件位置重新调整，删除，移动导线位置，更改图形尺寸，属性及排列。a.元器件的旋转具体操作方法如下： （1）用鼠标左键单击单个元器件，并按住鼠标左键，同时按一次空格键，可以让元件旋转90度。 （2）在元件上方双击鼠标左键，将显示编辑元器件属性对话框，在其中的Orientation选项中可以选择元器件旋转的角度。0度、90度、180度和270度共四种。 b. 移动单个元器件，可以用鼠标单击同时进行拖动，当移动到目标位置时松开鼠标即可实现元器件的移动。也可先选中所要移动的元器件，此时鼠标变成 型，单击元器件的同时拖动鼠标可实现该元器件的移动。 c. 元器件的综合布排和对齐主要在“Align Objects”对话框中实现，执行菜单命令EditAlignAlign，将弹出“Align Objects”对话