（控制理论与控制工程专业论文）基于stc89c58rd的电磁阀检测系统设计.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：丕馥 日期： 7 , , o 0 s 、 8 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：查! 查 指导教师签名：孳丝一 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着汽车工业的飞速发展，汽车电磁阀被广泛的用来控制汽车的油路、气路以及汽车 的制动等方面，它们将直接影响着汽车的性能。因此，对电磁阀的质量进行检测就非常必 要了。 目前，国内用于检测电磁阀的仪器大都是各企业自行设计的手动检测台，这种检测装 置操作复杂、精确度低。在国外发达国家，采用的自动检测装置操作简单、速度快、精度 高，但是价格昂贵。 因此，我们自主开发了一款自动检测台，对电磁阀的状态进行检测。该检测台上配置 了两套完全一样的系统，标为左系统和右系统，它可以同时检测两个电磁阀，这样就提高 了检测的速度。该系统以s t c 8 9 c 5 8 r d + 单片机为控制核心，包括数据采集、l c d 显示、数 据存储等功能模块。系统通过对流过待测电磁阀的气体进行采样和分析，再结合它上面的 电压、电流来判断电磁阀的状态。该检测台用l e d 显示检测结果，用l c d 作显示终端，该 显示终端的嵌套菜单设置了信息汇总、密码修改、参数设置等众多显示界面，对电磁阀的 检测信息作全面的反馈。检测人员还可以通过键盘系统来实现人机交互，修改检测参数和 密码，此时的l c d 起到了上位机的作用。 经过几个月的调试和软件的不断改进，该检测仪的各项指标已经达到了厂家的要求。 据厂家反馈的信息，该检测仪大大提高了检测精度和工作效率，降低了操作人员的劳动强 度。 关键词：l c d ；显示终端；嵌套菜单；人机交互 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , a u t o m o b i l es o l e n o i dv a l v ei sw i d e l y u s e dt oc o n t r o lt h ec a r so i ll i n e ，g a sl i n ea n dc a rb r a k ea n ds oo n ，t h e yw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h e p e r f o r m a n c eo f t h ec a r t h e r e f o r e ，t e s t i n gt h eq u a l i t yo ft h es o l e n o i dv a l v ei sv e r yn e c e s s a r y c u r r e n t l y , t h ed o m e s t i ca p p a r a t u sf o rd e t e c t i n gs o l e n o i dv a l v ed e s i g n e db ys o m ee n t e r p d s e s a r em a n u a li n s p e c t i o ns t a t i o n , s u c hd e t e c t i o nd e v i c e sa r ec o m p l e xa n di m p r e c i s e i nf o r e i g n c o b n t r i e s ，t h ea u t o m a t i cd e t e c t i o nd e v i c e st h e yu s ea r es i m p l e , f a s ta n dh i g hp r e c i s i o n , b u tv e r y e x p e n s i v e t h e r e f o r e ，w ed e v e l o p e das e l f - a u t o m a t e dd e t e c t i o np l a t f o r mt o d e t e c tt h es t a t eo ft h e s o l e n o i dv a l v e t h et e s tp l a t f o r me q u i p p e dw i t ht w os e t so f s a m es y s t e m ，s i g nt h es y s t e mf o rt h e l e f ta n dr i g h t ，a n di tc a ns i m u l t a n e o u s l yd e t e c tt w os o l e n o i dv a l v e s ，w h i c hw i l li m p r o v et h e d e t e c t i o nr a t e t h es y s t e mu s e ss t c 8 9 c 5 8 r d + m c ua s t h ec o n t r o lc e n t e r , i n c l u d i n gd a t a c o l l e c t i o n , l c dd i s p l a ya n dd a t as t o r a g em o d u l e sa n ds oo n i td e t e r m i n e st h e s t a t eo ft h e s o l e n o i dv a l v eb ys a m p l i n ga n da n a l y s i s i n go ft h eg a st h a tf l o w e dt h r o u g ht h es o l e n o i dv a l v e w h i c hu n d e rt e s t , a n dc o m b i n i n gt h ev o l t a g ea n dc u r r e n tw h i c hw o r ko ni t t h et e s ts t a t i o n d i s p l a y st e s tr e s u l t sw i t hl e d ，a n d u s e sl c da sd i s p l a yt e r m i n a l ，t h en e s t e dm e n uo f t h ed i s p l a y t e r m i n a ls e t su pm a n yd i s p l a yi n t e r f a c e st of e e d b a c kac o m p r e h e n s i v ed e t e c t i o ni n f o r m a t i o no f t h es o l e n o i dv a l v e s u c ha si n f o r m a t i o ns u m m a r y , p a s s w o r dc h a n g e sa n dp a r a m e t e rs e t t i n g i n s p e c t o r sc a l l a l s oa c h i e v eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nt h r o u g ht h ek e y b o a r ds y s t e m , a n d m o d i f yt e s tp a r a m e t e r sa n dp a s s w o r d ，t h e n t h el c dh a sp l a y e dt h er o l eo fh o s tc o m p u t e r a f t e rm o n t h so fd e b u g g i n ga n dc o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fs o f h v a r e ，t h ei n d e xo ft h e d e t e c t o rh a sr e a c h e dt h er e q u i r e m e n t so fm a n u f a c t u r e r s a c c o r d i n gt om a n u f a c t u r e r sf e e d b a c k , t h ed e t e c t o rg r e a t l yi m p r o v e st h ed e t e c t i o na c c u r a c ya n de f f i c i e n c y , a n dr e d u c e st h ea m o u n to f l a b o ri n t e n s i t y k e yw o r d s ：l c d ；d i s p l a yt e r m i n a l ；n e s t e dm e n u ；h u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s h 哦i i 第一章绪论”l 1 1 研究背景与目的1 1 2国内外研究现状1 1 3 系统开发概述1 第二章系统硬件架构”3 2 1电磁阀概述3 2 2 系统设计要求3 ： 2 3 系统硬件描述4 第三章信号采集系统一5 3 1 信号选择单元5 3 2 信号处理单元7 3 2 1 滤波电路的作用和分类7 3 2 2 一阶有源低通滤波电路9 3 2 3 低功耗高精度仪表放大器i n a l 2 8 9 3 3a d 采样单元”1 0 3 3 1a d 9 7 6 的特点及引脚l o 3 3 2a d 9 7 6 的控制时序l l 3 3 3a d 9 7 6 的应用电路及分析1 1 第四章人机交互系统1 3 4 1键盘模块”l3 4 1 1z l g 7 2 9 0 的主要特性以及引脚说明1 4 4 1 2z l g 7 2 9 0 的主要寄存器一1 5 4 1 3 键盘的硬件电路设计”1 6 4 2l e d 显示模块l8 4 2 18 1 5 5 的i o 扩展一1 8 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 4 2 27 4 l s l 5 4 译码”1 9 4 2 3l e d 显示的实现2 0 4 3 l c d 显示模块2 0 4 3 1 s e d l 3 3 5 的特性和引脚2 1 4 3 2s e d l 3 3 5 指令集2 2 4 3 3l c d 硬件电路2 8 4 3 4 l c d 各显示界面的设计及功能2 9 4 4 数据存储模块“3 8 4 4 1c a t 2 4 w c 0 1 特点”3 8 4 4 2 1 2 c 总线特点及工作原理3 9 4 4 3 数据存储的设置与实现”4 0 4 5 固态继电器控制模块4 l 第五章电磁阀检测的软件设计4 4 第六章系统设计特点描述4 7 结束语4 8 参考文献4 9 致 射5 l 读硕士学位期间发表的论文5 2 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 1 1 研究背景与目的 第一章绪论 随着基础学科的不断发展，自动控制技术也越来越成熟了，使用这方面技术的产品也 被广泛的应用到社会生活和生产的各个方面，给生活和生产带来了极大的方便，电磁阀就 是其中的一种。在冶金、电力、机械、石油化工等工业生产中，以及汽车行业中，广泛地 利用电磁阀来控制液体和气体的通断，进而间接控制其他的一些设备，从而达到自动控制 的目的。这样，对于那些要用到电磁阀的企业，所使用的电磁阀的质量与企业生产安全、 产品质量、生产效率、能源节约等重大技术、经济指标紧密相关【l 】。因此，电磁阀的质量 是否过关就直接关系到相关企业产品质量和经济效益问题了。在这样一个大背景下，电磁 阀的可靠性、稳定性在出厂前得到厂家的认证就显得非常重要、必要了。 但是，生产的电磁阀的性能达到一个怎样的层次才算合格，怎样的性能才算优质，这 些我国目前还没有一个可供参考的标准，就连检测电磁阀时应该检测哪些性能也没有一个 共同的标准。在这种情况下，研究开发电磁阀检测仪，最终申请一套标准就非常必要了。 因此，我们希望能开发一款全自动的电磁阀检测仪，对电磁阀的性能进行检测，以确 保出厂的电磁阀产品都是合格产品，都能满足性能要求，并且让检测仪对不合格的产品自 行分类汇总，及时反馈信息，提示工人在今后的生产中要注意哪些地方，哪些地方还有待 改进和提高，使得检测过程更加的人性化。 1 2 国内外研究现状 现在，国内各个厂家检测电磁阀时都是使用手动的检测台，不同的厂家自行设计的检 测台也不一样，但总体上都是通过工人的经验进行判断。由于存在一定的主观因素，也就 直接影响了检测精度。而且操作复杂，需要操作人员时刻注意检测仪表上数值的变化，这 样，操作人员的工作强度会很大，也就容易出现误差。因此这种手动检测台的工作效率不 能令人满意。 国外电磁阀生产厂家使用的电磁阀检测仪都是自主研发的，都保有自主知识产权，这 种全自动的电磁阀检测仪检测精度高，操作方便，但是价格昂贵。 1 3 系统开发概述 我们按照厂家的要求设计一款全自动的电磁阀检测仪。在进行电磁阀检测时，我们只 需要将待测电磁阀放在操作台上的相应位置，然后按下“开始 键，该检测仪就会自动 对待测电磁阀的各项指标进行检测，等待大约2 0 秒后，检测仪上的相应的l e d 灯就会亮， 显示待测电磁阀的状态，操作人员就知道该待测电磁阀是否合格。这样就不必让操作人员 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 时刻盯着测量数据，提高了检测工作的效率。 在该系统中，我们按照厂家的要求采用了l c d 和l e d 相结合的显示方式，l e d 主要 显示待测电磁阀的检测状态，而l c d 则显示较为丰富的内容，有很多的嵌套界面显示。 系统还设置了按键模块，这里面包括数字键和功能键。功能键的设置大大提高了检测仪的 实用性，通过操作这些功能键，我们可以通过l c d 界面看到已测产品的信息汇总，它对 不合格的产品自行分成l l 类，并且实行累加，我们可以看到已检测的电磁阀的不同状态的 数量，还有检测的总数量。这个汇总及时反馈信息，提示工人在今后的生产中哪些环节要 加强注意，哪些地方有待改进和提高，使得检测过程更加的人性化。我们还可以自行设置 检测参数，这样，l c d 界面就起到了上位机的作用，而且系统中还设置了数据存储模块， 将那些掉电后不可丢失的数据都存储起来。 总之，该系统对比手动操作而言，大大提高了检测精度，而且操作简便，很大程度地 降低了检测人员的劳动强度。关于该系统各个模块的理论和功能，在后面章节中我们会作 详细的介绍。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 2 1 电磁阀概述 第二章系统硬件架构 电磁阀是用来控制流体方向的自动化基础元件，属于执行器，通常用于机械控制和工 业阀门上面，对介质方向进行控制，从而实现对阀门开关的控制。 电磁阀由电磁部件和阀体组成，其中电磁部件包括固定铁芯、动铁芯、线圈等部件， 阀体部分则包括滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等【羽。电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有 通孔，每个孔都通向不同的气管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电 阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排气的孔，而进气孔是 常开的，气就会进入不同的排气管，然后通过气的压力来推动汽缸的活塞，活塞又带动活 塞杆，活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动p 儿4 。 2 2 系统设计要求 该电磁阀检测系统利用操作台上的气缸臂，将电磁阀固定在操作台上，然后接通控制 气源的电磁阀对待测电磁阀通气，通过控制各种开关通断的不同顺序和时间来测量电磁阀 在不同状态下进、出口两端的实时压力，再通过这些压力值与测量时待测电磁阀上的电压、 电流值之间的对应关系来判断电磁阀的状态。 按照厂家的检测要求，我们在一台检测台上配置了2 套一样的检测系统，让检测台的 左右两边能同时进行检测，并且都拥有各自的采样电路、显示电路、存储电路等，左、右 系统之间不存在干扰。这样不仅节约了成本，还提高了工作效率。系统将电磁阀检测结果 分为合格和不合格，其中不合格的电磁阀的故障一共有1 1 种不同的状态：短路、断路、不 通气、通气慢、吸合电压高、不放气、放气慢、阀漏气、不回位、阀体漏气和线圈搭铁。 因此，电磁阀的检测结果归为1 2 类。系统采用1 2 个l e d 灯对结果进行显示，这样便于检 测人员能快速作出判断，提高工作效率。同时，在这个系统中，还有一个压力表、一个电 源、一个l c d 显示器，压力表用来显示气源压力、进口压力和出口压力，电源用来给电 磁阀供电同时监测电磁阀上的电流，l c d 作为显示终端使用，既美观又直观。 该系统中，l c d 显示屏不仅仅是一个显示终端，它还有一个很重要的作用就是和键盘 形成人机交互系统。键盘模块采用具有i 2 c 总线接口的z l g 7 2 9 0 来控制，总共设置了2 4 个按键，直接和单片机通信。在电磁阀检测中，有些不同型号的电磁阀仅仅是参数的不同， 而检测方法是一样的，这样，设计的系统能在线改变参数就很必要了。这就避免了一台机 器只能检测一种型号产品的尴尬，同时也提高了该系统的实用性，使测量仪器变得更人性 化。由于参数可改，为了防止检测人员在检测过程中随意修改参数或者错误操作导致的参 数变化等等一些意外的出现，我们按照厂家的要求，设置了密码系统，只有知道密码的管 理人员才能修改参数，这样就避免了一些不必要的麻烦。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3 系统硬件描述 该系统主要由以下几部分组成：采样电路、键盘输入、l e d 显示、l c d 显示、数据存 储和s s r 输出等，系统框图如图2 1 所示。 匝匝 1一i。，。一 圊匝 叵匝 图2 1 系统框图 采样电路由信号源、滤波电路、信号通道选择( 模拟多路开关) 和a d 转换电路构成。 其中，信号源分为：电流信号、电压信号和压力信号。压力信号由p g 系列压力传感器检 测，压力传感器将压力信号转换成1 5 v 电压信号，再通过滤波电路后进行a d 采样【5 】。 本系统采用宏晶科技公司生产的s t c 5 1 系列单片机控制器( s t c 8 9 c 5 8 r d + ) 。该单片 机具有强加密性，无法解密；具有超强的抗干扰性能，且芯片内部自带看门狗。 s t c 8 9 c 5 8 r d + 单片机最高时钟频率为0 - - - 8 0 m h z ，3 2 k 的f l a s h 存储器、1 6 k 字节的e 2 p r o m 可以提供比其它单片机更多的存储空剧6 】。本系统由于增加了一些辅助功能，编写的程序 也增加了很多，这样就要求使用存储空间大的单片机，否则单片机r o m 和r a m 空间都 不够。而s t c 8 9 c 5 8 r d + 单片机拥有很大的存储空间，很好地解决了存储空间不足的问题， 而且它兼容5 1 单片机的指令【7 1 ，使用起来相当方便【8 】。 显示系统包括l e d 模块和l c d 模块。l e d 主要用于显示检测的最终结果，便于检测 人员判断被检测的电磁阀属于哪种状态。l c d 则显示比较丰富的内容，同时还将同键盘一 起组成人机交互系统，关于其原理和显示内容将在后续内容进行详细的说明。在键盘输入 中，我们采用了2 4 个按键，分为数字键和功能键，用z l g 7 2 9 0 进行控制。还能通过l c d 和键盘将检测的数据存入c a t 2 4 w c 0 1 里面，同时c a t 2 4 w c 0 1 里面还将起到存储检测参 数的作用，检测人员可以根据检测需求改变相关检测参数，起到了上位机的作用。固态继 电器输出主要是通过控制继电器的开关来控制电磁阀的开关，起到弱电控制强电的作用。 在后面的章节中，我们将对以上的几个模块做详细的介绍。 习习习圜圃 一袱一赫一稣一椭一祧一 一一一一一1|一一蹦一 卜 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第三章信号采集系统 信号采集系统由信号选择、信号处理和a d 采样三个单元组成阳1 。其中信号处理包括滤 波电路和信号的稳定性处理，首先通过s n 7 4 h c 2 3 8 选择采样通道，然后滤波电路滤波，最 后通过a d 9 7 6 采样取得模拟量并通过a d 转换得到最终所需的数字量。下面，分别对各部 分的组成、原理、电路和功能作进一步的介绍。 3 1 信号选择单元 在该电磁阀检测系统中，我们有5 路待测信号要检测，分时对不同的信号进行采样， 这样就要用到模拟多路开关。集成模拟开关通常包括多个通道，有2 选l 、4 选l 、8 选l 和1 6 选l ，但是通道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的影响，通道数越多， 寄生电容和泄漏电流就越大。因为当选通一路时，其它阻断的通道并不是完全断开，而是 处于高阻状态，会对导通通道产生泄漏电流，通道越多，漏电流越大，通道之间的干扰也 越强。为此，我们采用2 选1 模拟多路开关m a x 3 1 9 来控制一路信号，一共需要5 个多路 开关，然后用译码器s n 7 4 h c 2 3 8 来控制这5 路开关的通断，这样就防止了多路开关内部 通路之间的干扰。 m a x 31 9 是单刀双掷的c m o s 单片集成模拟开关，有一个常开脚和一个常闭脚。图 3 1 即为m a x 3 1 9 的引脚图和逻辑真值表。n o 为常开脚，n c 为常闭脚。本系统从c o m 端输入信号，通过l n 脚的逻辑真值来实现n c 端的导通与断开。当逻辑真值为0 时，n c 端导通：当逻辑真值为1 时，n o 端导通、n c 端断开。v l 是参考电压输入端，接v c c 即可，v + 、v 分别接+ 1 2 v 和1 2 v 电压。 图3 1m a x 3 1 9 的引脚图和逻辑真值表 我们把m a x 3 1 9 的n o 脚作为这条信号采样通路上的开关，任一时刻，5 个m a x 3 1 9 只能有一个芯片的i n 脚为高电平，即任一时刻只能有一条采样通道是闭合的，否则会使 多路信号发生串扰。在这种多选一的情况下，应该采用译码器，由于只有5 路信号需要控 制，并且是高电平实现采样通道的连通，系统就选择了3 线一8 线译码器s n 7 4 h c 2 3 8 。 s n 7 4 h c 2 3 8 控制m a x 3 1 9 实现采样通道选择的电路如图3 2 所示。s n 7 4 h c 2 3 8 工作时， 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 只有一个引脚输出高电平，其余引脚低为低电平，这样就满足了系统要求。表3 1 即为 s n 7 4 h c 2 3 8 的逻辑真值表。 ：耋- _ 、 v l - 1 3 1 9 v c c ! 鼍；i - 1 2 v l 。= 5 兰1 ，1 9v c c u s n l 3 ； y 7 一 ：v ；i 1 l 1 5 翌关拿 。=5 尝一菇g i 兰- 丰铕 ，1 9 v o c # 嚣； v - 1 2 i 。，=5 兰 ，1 9v o c ：8 h 鬯 ；i _ 1 2 图3 2 采样通道选择电路 根据采样通道选择电路和s n 7 4 h c 2 3 8 的逻辑真值表，我们可以得出采样通道选择电 路的单片机指令如下： 电流采样通道：p 2 = 0 x f f ；电压采样通道：p 2 0 x d f ； 气源压力采样通道：p 2 = o x e f ；进气压力采样通道：p 2 = 0 x c f ； 出气压力采样通道：p 2 = 0 7 。 数据采集时，先通过上述指令选择通道，再进行a d 采样，这样就实现了不同信号的 分时采样。 表3 1s n 7 4 h c 2 3 8 逻辑真值表 输入输出 g ig 2 bg 2 aab cy oy ly 2y 3y 4 y s y 6 y ， hxxxxxllllllll xhxx xxllllllll xxlx xxllllllll llhl l lhl lllll l l lhhl l lhllllll llhlhl llhlllll llhh hl lllhllll llhl lhl lllhlll ll hhlhlllllhll llhlh hllllllhl llhhhh lllllllh 注：h 为高电平，l 为低电平，x 为不影响位 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 3 2 信号处理单元 3 2 1 滤波电路的作用和分类 电子应用系统中，输入信号往往包含一些噪声信号，为了保证信号的准确性，必须设 法将它衰减掉，或者提取有用信号，这样就要用到滤波电路。滤波电路的作用实质上是“选 频 ，即允许某一部分频率的信号顺利通过，而将另一部分频率的信号滤掉【l o j 。 以前滤波电路主要采用模拟滤波器，它由无源r 、l 和c 组成，6 0 年代后，集成运放 的迅速发展使有源滤波电路得到了广泛应用。有源滤波电路由集成运放和r 、c 组成，具 有体积小、重量轻、不需要磁屏蔽等优点。此外，集成运放的开环电压增益和输入阻抗都 很高，而输出阻抗却很低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用，它实际 上是一种具有特定频率响应的放大器【1 1 1 。但是，有源滤波器通带范围受有源器件( 如集成运 算放大器) 的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、 大功率的场合不适用。 在有源滤波电路中，信号的频带分为通带和阻带。所谓通带，就是能够通过的信号频 率范围；阻带就是受阻或衰减的信号频率范围；通带和阻带的界限频率就是截止频率。根 据工作信号的频率范围，我们把有源滤波器分为四大类：低通滤波器( l p f ) 、高通滤波器 ( h p f ) 、带通滤波器( b p f ) 和带阻滤波器( b e f ) 【1 2 】。下面详细介绍这四种滤波电路。 低通滤波器使低频信号能够通过而高频信号不能通过的滤波器。低通滤波电路的幅频 响应曲线如图3 3 所示，( 由于各种滤波电路的实际频响特性与理想情况是有差别的，在图 3 3 3 6 中，分别用粗线和细线表示) 其中为低频增益，l 彳i 为增益的幅值，带宽b w = w h 。 a o 0 图3 3 低通滤波电路的幅频响应曲线 高通滤波器使高频信号能够通过而低频信号不能通过的滤波器。高通滤波电路的幅频 响应曲线如图3 4 所示，理论上，它的带宽b w = ，但在实际应用中，由于受有源器件带 宽的限制，高通滤波电路的带宽也是有限的。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 图3 4 高通滤波电路的幅频响应曲线 带阻滤波器使信号在某个频带范围内的信号被阻断，但允许在此频带范围之外的信号 通过。带阻滤波电路的幅频响应曲线如图3 5 所示，同高通滤波电路相似，由于受有源器 件带宽的限制，通带w 屹也是有限的。 0 w hw ow l w 图3 5 带阻滤波电路的幅频响应曲线 带通滤波器使信号在某一个频带范围内的信号通过，而在此频带范围之外的信号均不 能通过。带通滤波电路的幅频响应曲线如图3 6 所示，带宽b 形= 一屹。 ia i 0 w lw ow - i 图3 6 带通滤波电路的幅频响应曲线 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 3 2 2 一阶有源低通滤波电路 用简单的r c 低通电路与集成运算放大器就可以构成一阶有源低通滤波电路。一阶有 源低通滤波器通带内具有增益4 同时，采用同相输入比例运算电路，可将实际负载蜀与 无源r c 滤波电路隔开，从而使尺，对滤波器特性影响很小。在该系统的滤波电路中，我们 在一阶r c 低通滤波电路的输出端加上了一个电压跟随器，使之与负载隔离开来。如图3 7 所示，由于电压跟随器的输入阻抗很高，输出阻抗很低，因此，其带负载能力很强。为了 让电路有滤波功能的同时还能维持信号的稳定性，我们将电路中的电压跟随器改为同相比 例放大电路，这样就起到了信号放大的作用【1 3 1 。最后通过实验我们选择了低功耗高精度的 通用仪表放大器i n a l 2 8 来做电压跟随器。 图3 7 一阶有源低通滤波器 3 2 3 低功耗高精度仪表放大器i n a l 2 8 i n a l 2 8 是低功耗、高精度的通用仪表放大器，它具有差分输入特性，在整个频率范 围内具有良好的公模抑制比，同时还可用单电源供科1 4 1 。 i n a l 2 8 用单个外部电阻可实现从1 至1 0 0 0 0 的任一增益选择。i n a l 2 8 的增益 g = l + 半，如果令2 ，即让1 脚和8 脚开路，那么增益就趋近于l 这时i n a l 2 8 就可以当电压跟随器使用了。这样，无源r c 低通滤波电路和i n a l 2 8 就构成了有源滤波 器。该系统设计的有源低通滤波电路如图3 8 所示。 r gr g 一一 r n 87 5r n 9lk ， 隔。c 荔土 。 喜 i n v + 7 i 。 u 输a g - - g - ) c 甘剧北主 小什v o1 h u i 【jj 1 0 4j 匕= 卜一j v r e f却 图3 8 有源低通滤波电路 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 3 3 a d 采样单元 a d 采样单元要对5 路信号进行采样，完成a d 变换。由于a d 采样的结果直接关系 到后面的检测判断，采样的精确性就非常重要。为了达到精确的多通道快速数据采集的目 的，我们选用了1 6 位a d 转换器a d 9 7 6 。下面我们将介绍它的特点和功能。 3 3 1 a d 9 7 6 的特点及引脚 a d 9 7 6 是美国模拟器件( a n a l o gd e v i c e ) 公司推出的一款1 6 位高精度、高速、低功耗 a d c ，采用电荷重分布技术的逐次逼近工作原理，最大通过率为1 0 0 k s p s ，输入信号范围 为一1 0 v 计l o v ，带宽为1 5 m h z ，它可以与8 位、1 6 位单片机和d s p 方便接口，使用十分 方便灵活【1 5 】。图3 9 是a d 9 7 6 的引脚图，引脚功能见表3 2 。 图3 9a d 9 7 6 的引脚排列图 表3 2a d 9 7 6 引脚功能表 引脚号功能备注 l模拟电压输入端 输入电压范闱为1 0 v 2 模拟地用于r e f 引脚的参考点 该引脚可接内部的2 5 v 参考电压，也可选用外部的参考源。通 3参考电压输入输出引脚 常需在a a 旧l 和r e f 引脚之间连接一个2 2uf 的钽电容。 4 参考缓冲输出在c a p 和a g n d 2 引脚之间连接一个2 2 uf 的钽电容。 6 2 21 6 位数据转换结果输出 b y t e 为低电平时，6 _ 1 3 引脚上的数据为高字节，1 5 2 2 引脚上的 2 3 字节选择 数据为低字节；当b y t e 为高电平时，6 - 1 3 引脚上的数据为低字 节，1 5 2 2 引脚上的数据为高字节。 当c s 引脚为低电平时，可在眦引脚的下降沿使内部采样保 2 4 读转换输入 持器进入保持状态并起动一次转换。 当眦引脚为低电平时，可在c s 引脚的下降沿起动一次转换： 2 5 片选信号输入当眦引脚为高电平时，在c s 引脚的下降沿输出数据位有效： 当c s 引脚为高电平时，输出数据位将早高阻状态。 2 6状态输出 帆瓣爵旺一哪m眦嘴酣昕 武汉科技大学硕士学位论文第11 页 3 3 2a d 9 7 6 的控制时序 a d 9 7 6 有两种工作时序，第一种是利用尺c 的负脉冲信号控制第一次转换的开始，而 利用b u s y 信号的上升沿控制数据的读出，在这种时序中c s 信号始终保持低电平。第二种 模式是通过c s 信号来控制转换及输出数据的读出过程，这种方式对r c 和c s 信号间的时 序关系要求比较严格【16 1 。通过实际的实验，我们发现第一种时序易于程序的编写，于是该 系统采取第一种时序，时序图见图3 1 0 。 髓， 0 燕 n t a 叫s |t l l 州 ny i 一 t 2 - i 一 n 一 一 7 j fj 3 卜 + t 5 a c o u i a e 1f c o n v e r t m r e x 洲v e r t 栩：翻 jiil 71 i i p r o u s x h i - z y 同程v 幻时s 1辩o t 1， 鼢xn l - gx 鼢 d t v 朋d d a t a v a l i d ii v a l i d jl + b 卜卜+t 1 1 +q - t l o 图3 1 0c s 信号固定为低电平时的转换时序 在这种时序中，r c 信号的负跳变信号脉冲宽度至少应为5 0 n s ，这样才能有足够的时 间来触发转换的开始。当r c 变为低电平并延迟t l 后，b u s y 信号将变为低电平直到转换 完成，等到转换结束后，移位寄存器中的数据将被新的二进制补码数据所更新。由于a d 9 7 6 的转换结果以二进制补码形式输出，与计算机内数据处理、存储格式相同，因而对采样结 果的后续处理非常方便【1 7 1 。该模式下的采样速率可由r 石信号的负脉冲间隔来决定，即图 中的t 1 3 。 3 3 3 0 ) 9 7 6 的应用电路及分析 a d 9 7 6 与单片机连接如图3 1 1 所示。在电路设计时，我们按照a d 9 7 6 的使用说明书 在a g n d l 与r e f 之间、c a p 与a g n d 2 之间、v a n a 与a g n d 2 之间都连接了一个钽电 容，具体大小如图所示。钽电容是由稀有金属钽经过细磨，再与其它的介质一起经烧结而 成。钽电容由于金属钽的固有本性，具有稳定好、不随环境的变化而改变、寿命长、耐高 温、准确度高、滤波性能极好等优点，在该电路中使用钽电容能提高采样精度。 图3 1 1a d 9 7 6 与单片机连接图 结合前面介绍的时序图和连接电路【1 8 】，我们编写a d 采样的程序1 9 1 如下： u n s i g n e di n ta d ( ) u n s i g n e dc h a ra d _ h = 0 ，a d _ l = 0 ，i = o ； u n s i g n e di n tmd a t a = 0 ； u n s i g n e dl o n ga l l _ d a t a = o ； p 2 = 0 x 0 f ； 接通采样通道并拉低a d 片选 a d _ b y t e = 0 ； a d r ( o ； w h i l e ：a d _ b u s y = 1 ) ； a dr c = 1 ； a d _ l = p 0 ； a d _ b y t e = l ； a d _ h = p 0 ； a d _ d a t a = ( a d _ h 8 ) l a d _ l ； p 2 - - 0 x f f ；断开采样通道并置高a d 片选 l e 吨q l r na d _ d a t a ； ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 第四章人机交互系统 人机交互系统主要包括键盘模块、显示模块、控制模块和数据存储模块。通过l c d 液 晶显示屏上的多级嵌套菜单显示，以及键盘和单片机的通信来实现人机交互。下面，将就 各模块的组成、原理、电路和功能作进一步的介绍。 4 1 键盘模块 在本系统中，我们采用z l g 7 2 9 0 芯片来控制键盘的2 4 个按键，按键包括功能键和数 字键，分别对应不同的功能和值，具体示意图如图4 1 所示。按键中，“肚9 代表数字键， “上 、“下”、“左 、“右 为方向键，这些键只有在进入功能键设置的模块之后才有效。 按下参数设定、信息汇总、密码修改等键将显示信息界面，每个界面又嵌套了相关的一些 子界面，可以通过上面的数字键和其他功能键对其进行修改和设定，界面设计非常人性化， 操作员只要根据界面上的提示信息进行操作，就可以进入相应的嵌套界面了，既直观又方 便。按键模块功能键的程序框架如下： ：i ， k e y = k e y s c a n ( ) ； s w i t c h ( k e y ) c a s e 1 ：j i a o y a n 0 ； 气源校验 b r e a k ； c 嬲e 2 ：j i a n y a n 0 ； 密码检验 i f ( c s s e t u p = 0 ) c a n s h u s d 0 ；参数设定 b r e a k ； c a s e 3 ：i n f o r m a t i o n ( ) ； 信息汇总 b r e a k ； c a s e 4 ：e h a n g e _ m i m a 0 ； 修改密码 b r e a k ； c a s e 5 ：j i a n y a n 0 ； 密码检验 i f ( c s _ s e t u p = o ) c l e a r ( ) ； 清零 b r e a k ； c a s e 9 ：d i s _ s t a r t 0 ； 开始检测 b r e a k ； d e f a u l t ：b r e a k ； ) 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 ooo o ooo 图4 1 键盘示意图 4 1 1 z l g 7 2 9 0 的主要特性以及引脚说明 z l g 7 2 9 0 键盘l e d 驱动器是周立功公司针对仪器仪表行业的需要自行研制的一款芯 片。该芯片能自动完成8 位l e d 数码管的动态扫描和( 最多) 6 4 个按键检测扫描，大大减轻 单片机的用于显示键盘的工作时间和程序负担，可集中资源用于信号的检测和控制。由于 采用了1 2 c 总线方式，使得芯片与单片机间的通讯只用2 个f o 口便可完成，大大节省了 单片机有限的f o 口资源。该芯片为工业级芯片，抗干扰能力强，在工业测控中已有大量 应用【2 0 】。z l g 7 2 9 0 的主要特性如下： 直接驱动8 位共阴式数码管( 1 英寸以下) 或6 4 只独立的l e d ； 能够管理多达6 4 只按键，自动消除抖动，其中有8 只可以作为功能键使用； 段电流可达2 0 m a