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1、倾角测量仪的设计倾角测量仪的设计摘摘 要要当前,大多数行业测量角度时依然沿用传统的水泡式(条式)水平仪.其检测方法有诸多缺点，如测量值因人而易、功能单一、测量范围小等。本倾角测量仪，它与传统的水泡式（条式）水平仪相比具有电子检测、即时数值显示、测量精度高、测量范围大、使用及携带方便等特点，大大提高了工作效率。本文详细介绍了一种利用倾角传感器、AD 转换器、单片机实现高精度倾角测量的方法，它可以测量-45+45范围内的任意倾角,分辨率可达 0.1。此外，由于该倾角仪输出为数字结果,因此它也可以与其他的数字设备结合起来,组成一个功能更加强大的仪器。该装置可满足大量工程上的应用。该数字倾角仪具有携带
2、方便、精度高、功能多等特点。它使用方便,应用范围广泛。该数字倾角仪可广泛用于建筑、机械、道路、桥梁、石油、煤矿和地质勘探等各种需要测量重力参考系下倾角的场合。关键词：倾角测量；AD 转换器；单片机目 录引 言.6第 1 章 绪论.71.1 测试系统方案选择.71.2 测试系统一般结构.7第 2 章 系统硬件设计.92.1 系统硬件组成.92.2 倾角传感器选择.92.2.1 选择传感器的的基本原则.92.2.2 倾角传感器原理.102.2.3 本设计选用的传感器.112.3 单片机的选择及其外围电路设计.162.3.1 89S52 单片机的原理与结构.172.3.2 89S52 在本设计中的应
3、用.192.4 A/D转换电路设计.222.4.1 AD574A的 A/D 转换原理.222.4.2 AD574A在本设计中的应用.232.4.3 AD574A在本系统中的应用.262.5 显示模块设计.272.5.1 LED 驱动器功能简介.282.5.2 本设计 LED 显示器的应用.32第 3 章 系统软件设计.353.1 系统主流程图.353.2 系统初始化设计.353.3 A/D转换子程序设计.363.4 数制转换程序设计.373.5 LED 显示模块子程序设计.383.6 X5045 模块程序设计.39致 谢.43参考文献.44附录 A 电气原理图.45附录 C 主要参考文献及其摘
4、要.51附录 D 程序清单.531引 言当前,大多数行业测量角度时依然沿用传统的水泡式(条式)水平仪.其检测方法依然是水泡移动，肉眼分辨。这种原始的检测方法有诸多缺点，如测量值因人而易（由于是用肉眼观察水泡的位置来估计值，所以测量误差偏大，且测量误差主要有认为因素导致）、功能单一（其只能在一定的环境下测量角度，而不能完成其他测量）、测量范围小（传统的水泡式水平仪由于是靠观察水泡的位置来估计值的，所以其测量范围受到很大的限制）等9。本倾角测量仪，它与传统的水泡式（条式）水平仪相比具有电子检测、即时数值显示、测量精度高、测量范围大、使用及携带方便等特点，彻底摆脱了看水泡移动、估计值的传统测量方法，
5、大大提高了工作效率。此外，由于该倾角仪输出为数字结果,因此它也可以与其他的数字设备结合起来,组成一个功能更加强大的仪器。该装置测量误差小于 0.1,可满足大量工程上的应用。该数字倾角仪具有携带方便、精度高、功能多等特点。它使用方便,应用范围广泛,该倾角测量仪可广泛用于建筑、机械、道路、桥梁、石油、煤矿和地质勘探等各种需要测量重力参考系下倾角的场合。所以该倾角仪有良好的发展前景和使用价值。它与传统的一些测量角度的仪器相比有着很大的优越性，所以其必将逐渐取代传统的水泡式（条式）水平仪。本文分 3 章对本设计进行了阐述。第1 章绪论介绍了系统整体方案的选择，提出了系统的整体结构及设计思路。第2 章为
6、系统硬件的设计，对倾角传感器、主控模块、A/D 转换模块和显示模块的选择及应用分别做了说明。第 3 章为系统软件的设计，介绍了系统各个模块的软件设计思想及程序。嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-7-第 1 章 绪论1.1 测试系统方案选择本设计采用了单片机测试系统。随着超大规模集成电路技术的发展，微型计算机正以惊人的速度飞速发展。目前，微型计算机的发展有两个大的趋向：一个发展是向128 位以上的巨型机迈进，另一个发展方向是向更加微型化、多功能化，使其在一块芯片是构成一台完整的微型计算机，即所谓的单片机。单片机只要用于工业过程控制及智能控制仪器中，特别是在传感器智能仪器发展中，已显示
7、出巨大的优越性，因而深受人们的欢迎，成为近年来最为活跃的领域3。单片机之所以在智能仪器中广泛采用，主要是因为其具有以下特点11。体积小、价格低廉目前的单片机不但把 CPU、存储器及 I/O 接口集成在一块芯片上，而且集成了用户常用的硬件内容，使用起来特别方便、灵活。例如，目前刚传入国内不久的高速SOC（system on chip,片上系统）美国CYGNAL 公司的 80C51 系列单片机，全兼容 51 指令集、最高配置为芯片上集成了高达64KB 的 Flash存储器、4352B 的 RAM、12 位 ADC（转换速率为 500kb/s，32 通道输入）、两路12 位 DAC（带基准电源）、两
8、路模拟电压比较器、温度传感器等，采用TQ48、TQ64、TQ100 和 MLP11封装。芯片的输入、输出口由用户自定义，而且直接在线仿真编程、擦除、校验、加密，大大简化了传统的仿真器+编程器结构。便于产品小型化、智能化由于单片机体积小、功能强、用它不仅能代替常规的控制逻辑，而且还具有计算和处理功能，因而被广泛用于智能化仪器、自动化测控装置、家用电器和机器人等广大领域。研发周期短、可靠性高一般微型机用于过程控制和智能仪器的研制周期都比较长，需要二次开发；而单片机通过简单的开发装置，即可实现所谓在线开发，因而大大缩短了研制周期。此外，由于单片机都集成在一块芯片上，所以节省了大量的外部连线，简化了印
9、刷线路板的设计和加工，因而减小了外部干扰，其可靠性大大提高。单片机集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉，因此在非电量测控、传感器智能化仪器仪表中得到了广泛应用9。基于以上单片机的优点和使用范围，本设计采用了单片机为倾角测量系统的微处理器。1.2 测试系统一般结构2传感器与单片机相结合构成的检测系统，本质上就是单片机控制系统。一般说来，采用单片机做智能控制部件的测控系统，为了对被测控非电量实施控制，对其参数和状态进行检测是必不可少的。单片机控制是以自动化控制理论和计算机技术为基础的。控嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-8-制对象从小到大，从简单到复杂，都可以有单片机参与控
10、制。传感器与单片机相结合构成的检测系统，根据其用途和功能的不同可以采用各种不同的类型。但是，实际上这些系统的基本结构是完全相同的，如图 1-1 所示。收集信息端把从传感器得到的信息通过输入接口送给单片机，把结果通过输出接口送给显示器、记录设备等11。根据本设计的任务要求：测量范围：-45+45 测量精度：0.1 本倾角测量仪的设计按照图1-1 系统结构进行设计。检测对象传感器输入接口单片机输出接口显示/记录设备图 1-1 单片机测试系统的一般结构嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-9-第 2 章 系统硬件设计前面我们对测试系统的一般结构有了个大概的了解，在接下来的一章中我们将对倾角测
11、量仪的传感器、A/D 转换电路、单片机电路、LED 显示以及驱动电路等进行设计和分析并给出以上各部分的实际电路，为系统软件开发打下坚实的基础。2.1 系统硬件组成系统硬件结构主要包括以下组成部分：倾角传感器、A/D 转换模块、单片机、显示模块、如图2-1 所示。其中，倾角传感器作为测试单元输出电压信号；A/D 转换模块则将调理过的电压模拟信号转换为数字信号，以便送给单片机进行数据的处理；单片机是整个系统的核心，负责协调各部分的工作，以及进行数据处理；显示模块则是人机交互的通道。2.2 倾角传感器选择从单片机诞生的最初年代开始，非电量测量技术和仪器仪表行业就成为单片机应用的重要领域。传统的仪器仪
12、表配以单片机做智能部件，构成了当今各种的所谓智能化仪器仪表。这些智能化仪器仪表主要由硬件和软件两部分组成。其中的硬件主要由传感器（包括信号的采集和放大）和单片机两部分组成。二者通过一定的接口进行连接，构成典型的智能化仪表。所以选择一个合适的倾角传感器对本设计至关重要12。2.2.1 选择传感器的的基本原则实现非电量测量的关键技术之一就是正确地选择和使用好传感器。传感器处于系统前向通道的最前端，是构成系统信息输入的主要窗口，为系统提供进行处理和决策控制所必须原始信息。倾角传感器的精度直接影响整个自动测试系统的精度，能否找到一些恰当的传感器来准确、迅速、全面反映倾角的特性，并把它变换成便于识别、传
13、输、接收、处理和控制的信息，即尽可能地选择性能优异有价格低廉的合适倾角传感器至关重要13。倾角传感器单片机A/D 转换模块显示模块3图 2-1 系统硬件结构框图嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-10-传感器种类繁多，性能各异。从测量角度看，根据输出电信号形式的不同，可以把传感器分为开关式、数字式和模拟式 3 大类11。（1）开关式传感器 其工作特性是：当输入位移量高于某一设定值（阈值）时，传感器处于接通状态，输出高电平（或低电平）；当输入位移量低于某一设定值（阈值）时，传感器处于断开状态，输出低电平（或高电平）。所以这类传感器输出是高、低电平变化的。（2）数字式传感器采用数字式传感
14、器可将被测参数直接转换成数字信号输出，因此它具有以下特点：精确度和分辨率高；抗干扰能力强，便于远距离传送；信号易于处理和存储，便于与计算机接口；可以减小读数误差。正因为如此，数字式传感器引起了人们的普遍重视。然而到目前为止，数字式传感器的种类还不多。根据工作原理不同可分为脉冲数字式传感器（如光电编码传感器、光栅传感器、感应同步器、磁栅传感器等）和频率输出式数字传感器（如振弦式传感器、振筒式传感器和振膜式传感器等）。（3）模拟式传感器其输出以各种连续量的形式变化，可以是电压、电流、电阻、电感、电容等。连续变化量与数字系统连接，需要通过模拟通道，再经 A/D 转换器把模拟信号转换成数字信号。实际应
15、用中，选择传感器的基本原则可概括为以下几方面：具有确定的传感特性，即能保证一定的灵敏度、精确度、重视性和长时间的工作稳定性；具有高的可靠性，能在价格适中的前提下有较长的工作寿命；具有良好的工作环境适应性，受外界因素如高低温冲击、振动、潮湿等的影响小；具有高的非电量识别和抑制能力，即在多个非电量环境中，要求传感器对不属于它们的自然输入量应有较强的识别和抑制能力；具有较小或者适宜的几何尺寸和形状，便于使用。2.2.2 倾角传感器原理倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为固体摆式、液体摆式、气体摆三种倾角传感器1，下面就它们的工作原理进行介绍。（1）固体摆式惯性器件 固体摆在设计中广泛
16、采用力平衡式伺服系统，其由摆锤、摆线、支架组成，摆锤受重力 G 和摆拉力 T 的作用，其合外力 F 为：F=Gsin=mgsin(2-1)其中，为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为 F 与 成线性关系。如应变式倾角传感器就是基于此原理。（2）液体摆式惯性器件液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-11-根电极相互平行且间距相等。当壳体水平时，电极插入导电液的深度相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻R1 和 R2。若液体摆水平时，则
17、 R1R2。当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻 R1 增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻R2 减少，即 R1R2。反之，若倾斜方向相反，则 R1R2。在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的液体摆。（3）气体摆式惯性器件 气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总
18、是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。气体摆式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成。当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时，热线的阻值发生变化，并且热线阻值的变化是角度 或加速度的函数，因而也具有摆的效应。其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交4换引起的。气体摆式惯性器件的敏感机理基于密闭腔体中的能量传递，在密闭腔体中有气体和热线，热线是唯一的热源。当装置通电时，对气体加热。在热线能量交换中对流是主要形式5。基于以上传感器的选择原则及本设计的任务要求，本设计采用了气体摆式倾角传感器。在下一目中将做一阐述。2.2.3 本设计选用的传感器本设计采用的是 CJRS-A01 型气
19、体摆式倾角传感器。（1）CJRS-A 型气体摆式倾角传感器 CJRS-A型气体摆式倾角传感器是一种新型传感器。它的工作介质是气体，敏感元件是热敏丝。这种传感器可用于坦克、舰船和机器人的姿态测控系统，也可用于测井斜、房屋建筑等工程中。它具有测量范围宽、响应快、精度高、寿命长和成本低等优点。在重力场内，密度大的气体下沉，密度小的气体上浮。利用热敏丝加热空气，其周围空气密度减小，由于浮升力的存在，热空气上浮，热气流力图保持在竖直向上方向，这就形成一个具有单摆特性的气体摆。VhRRr2r1V0敏感轴方向图 2-2 A型气体摆式倾角传感器敏感头示意图嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-12-利
20、用一对热敏丝作敏感元件，既可形成气体摆，又可以检测敏感元件的倾斜角度。热敏丝装在敏感元件内，敏感元件内腔内为圆柱形或球形。图2-2 示出采用平行丝结构的敏感元件电路示意图。热敏电阻r1 和 r2 是电桥的两臂。敏感元件平直并无振动时，r1和 r2 在同一水平面内，r1=r2=r，电桥平衡，输出为零。当有倾角输入时，由于 r1 和r2 的温度相互影响，r1r2，输出信号为 V0，其大小与倾角呈线性关系，即V0=K(2-2)式中，K 为比例常数。通过信号处理，根据终端信号的大小和极性，就可以得知倾角的大小及方向。倾角传感器的电路包括电源、电桥电源、放大、滤波、补偿、限幅等电路，其电路框图如图 2-
21、3 所示8。工作原理：CJRS 型气体摆式倾角传感器是一种新型传感器，它的工作介质是气体，敏感元件是热敏丝。在重力场内，密度大的气体下降，密度小的气体上升。利用热敏丝加热空气，其周围空气密度减小，由于浮力的存在，热空气上升，热气流力图保持在竖直向上方向。这就形成一个具有单摆特性的气体摆。利用热敏丝既可以产生气体摆又可以检测摆的倾斜角度。特点：输出电压 敏感元件零位补偿灵敏度补偿零位补偿非线性补偿5滤波倾角图 2-3 倾角传感器电路原理图补偿电路放大电路嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-13-它具有测量范围宽、响应快、精度高、交叉耦合小、寿命长和成本低等优点。采用气体作为敏感质量，由
22、于气体质量极小，在高过载和强冲击情况下引入的惯性力小，因此可以承受高过载和强冲击。试验表明，气体摆式倾角传感器承受 16000g 冲击后还能正常工作。并且，此种类型的传感器不受电磁干扰的影响。应用范围：可广泛用于坦克、舰船、汽车和机器人的姿态测控系统，也可应用于测井斜、海上石油平台、建筑、桥梁、交通（铁路和公路）等工作。主要性能指标：表 2-1 CJRS-A 型一维气体摆式倾角传感器的主要性能指标指标 型号测量范围分辨率非线 性度满量程输出供电 电源响应 时间质量工作温度外形尺寸(mm)CJRS-A1450.011%5V15VDC75mA100ms350g-40+506070CJRS-A230
23、0.5%CJRS-A3150.5%（2）CJRS-A01 型气体摆式倾角传感器 本设计要求倾角仪的测量范围为-45+45，精度为0.1。所以选择CJRS-A01型做为本设计的倾角传感器。CJRS-A01型气体摆式倾角传感器工作原理如图2-4所示，在密闭腔体中设置一热源，热敏电阻构成电桥的两个敏感臂，当传感器水平放置时，热气流垂直通过两个热敏电阻组成的平面，两个热敏电阻吸收的热量相同，温度也相同，电桥平衡；当传感器倾斜时，热气流由于摆的特性，仍然保持垂直向上，但偏离热敏电阻平面法线方向，从而使热敏电阻6吸收的热量不一样。温度不相同，导致电桥失去平衡，输出与倾角成正比的电压信号。法线a）b）图 2
24、-4 CJRS-A01 型气体摆式倾角传感器工作原理热敏丝热敏丝气流法线热敏丝热敏丝气流嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-14-CJRS-A01 型气体摆式倾角传感器结构如图 2-6 所示。敏感元件是圆柱的密闭腔体，两电极通过玻璃绝缘子向外引出。热敏电阻 r1 和 r2 既起加热作用，使密闭腔体内气体产生自然对流，又起敏感倾角的作用。密闭腔体内的气体为干燥空气。传感器壳体平行于水平面时，密闭腔体内两个几何对称的热敏电阻 r1 和 r2 所产生的热气流均垂直向上，两者互不影响，故由它们分别使电桥电路臂的电桥平衡，输出为零。若传感器壳体相对于水平面产生倾角 时，由于自然对流气体的浮升力
25、（方向与重力相反）作用，两个热敏丝产生的热气流仍然保持在铅直方向，而两束热气流对彼此的气流源（r1 和 r2）产生作用。当 角为正时，r2 产生的热气流作用在 r1 上，电桥失去平衡，输出与倾角 大小成正比的正模拟电压；当 为负时，r1 产生的热气流作用在 r2 上，电桥失去平衡，输出与倾角 大小成正比的负模拟电压。即V0=K，CJRS-A01 型气体摆式倾角传感器的比例系数K 为（1001）mV/()，本设计以 K=100 mV/()来进行计算。如：当倾角=25时，V0=K=2.5V 则经 A/D 转换后输送给单片机的数字量：D=2048（1+2VIN/VFS）=2048（1+22.5V/1
26、0V）=3072=C00H 当倾角=0时，V0=K=0V 则经 A/D 转换后输送给单片机的数字量：D=2048（1+2VIN/VFS）=2048（1+20V/10V）=2048=800H 当倾角=-25时，V0=K=-2.5V 则经 A/D 转换后输送给单片机的数字量：D=2048（1+2VIN/VFS）=20481+2（-2.5V）/10V=1024=400H嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-15-本设计中，倾角传感器的 1 脚接+12V，2 脚接-12V，3 脚接地，5 脚悬空。由于 CRJS-A1 型气体摆式倾角传感器内部电路包括放大、滤波、补偿、限幅等电路，输出电压为-5
27、V+5V，所以将 4 脚直接与 A/D 转换器件的输入端相连。CJRS-A01 型气体摆式倾角传感器主要技术指标见表2-2。表 2-2 CJRS-A01 型气体摆式倾角传感器主要技术指标测量范围45非线性度1%分辨率0.01Vhr27电极RRV0敏感轴方向敏感元件外壳r1图 2-6 CJRS-A01 型气体摆式倾角传感器结构原理124531（红）+12V 2（黑）地 3（黄）-12V 4（绿）输出 5（白）外壳图 2-5 CJRS-A01 型气体摆式倾角传感器插座接点分配图嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-16-比例系数（1001）mv/()显示时间100ms准备时间5min零位电
28、压50mV工作电源DC15V,250mA工作温度-40+65外形尺寸60mm70mm输出电压-5V+5V2.3 单片机的选择及其外围电路设计单片机就是单片微型计算机，它是把微型计算机的主要部件CPU、存储器、I/O 接口电路部分及其他功能部件，如定时/计数器、中断系统和串、并行口，都集成在一片半导体芯片上，它具有微型计算机最基本的功能。MCS-51 系列单片机是美国 Intel 公司在 1980 年继 MCS-48 系列 8 位单片机之后推出的 8 位单片机。具有性价比高、稳定性可靠、通用性强、体积小及价格低等优点，目前是国内单片机应用及教学的主流产品。MCS-51 系列单片机的典型产品有80
29、31、8051、8751 和 89S52，它们的功能、内部逻辑部件基本相同，引脚都一样（40 个引脚），可以互换，不同的是 8031 内部没有程序存储器ROM，8051 内部有 4KB 的 ROM，8751 内部有 4KB 的紫外线可擦除可编程只读存储器EPROM，而89S52 内部有 8KB 的电擦除可编程只读存储器 6。本次设计选用的单片机是 AT89S52，下面对AT89S52 单片机的硬件结构、引脚功能用法以及在本设计中的应用作一阐述。AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 八位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器，使用 ATMEL公司高密度非易失性存储器技术
30、制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许 ROM 在系统可编8程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案。其主要特性为：与 MCS-51 单片机产品兼容；8K 字节在系统可编程 Flash 存储器；1000 次擦写周期；全静态操作：0Hz33Hz；三级加密程序存储器；32 个可编程 I/O 口线；三个 16 位定时器/计数器；八个中断源；全双工 UART串行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-17-看门狗定时器；双数
31、据指针；掉电标识符。单片机是本设计的核心，它要负责系统个模块的协调工作和数据处理。选择AT89S52 完全满足本设计的要求。2.3.1 89S52 单片机的原理与结构（1）89S52 单片机的内部结构89S52 单片机内部的主要功能部件有CPU，4KB 的程序存储器 ROM，256B 的数据存储器 RAM，两个 16 位的定时/计数器 T0 和 T1，4 个 8 位的并行 I/O 接口 P0、P1、P2、P3，1 个串行接口；5 个中断源。其功能结构示意图2-7 所示2。其中，CPU 是单片机内部最核心的部件，它是单片机的大脑和心脏，单片机的性能主要取决于 CPU 的性能。CPU 的主要功能是
32、控制程序的运行、数据的传送和运算，其主要功能部件如下：控制器：程序计数器PC（16 位，用户不可用指令改变其内容、数据（地址）指针寄存器 DPTR（16 位，用户可用指令改变其内容）等。运算器：算术逻辑运算单元（ALU）、累加器（ACC）、程序状态寄存器（PSW）等。（2）89S52 单片机引脚及功能89S52 单片机有 40 个引脚，采用双列直插（DIP）封装形式，其引脚见图2-8 所示。VCC（40 脚）：接+5V 电源线。V SS（20 脚）：接地线。外部计数脉冲总线复位电路CPU晶振电路8KB ROM 256B RAM16 位2定时/计数器并行接口 串行接口 中断系统P0 P1 P2
33、P3RXD TXD INT0图 2-7 单片机内部结构图嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-18-XTAL1（19 脚）、XTAL2（18 脚）：外接晶振引脚。51 系列单片机的晶振频率fosc的范围在 1.212 MHz。RST（9 脚）：复位引脚。信号输入引脚（即该引脚功能受输入信号控制），高电平9有效，就是该引脚高电平使单片机复位，当该引脚输入的高电平信号保持至少两个机器周期以上时即可使单片机复位（如晶振频率fosc 为 12 MHz，机器周期就等于1 s,也就是说，只要 RST 引脚有 2s 以上的电平，就可以使单片机复位）。单片机正常工作期间该引脚应该为低电平。PSEN（2
34、9 脚）：CPU 访问片外程序存储器输出信号。低电平有效。该引脚在CPU要从某片外程序存储器读取指令时，输出负脉冲作为读该片外程序存储器的选通信号。ALE（30 脚）：低 8 位地址锁存允许引脚。信号输出引脚，高电平有效。当CPU 访问片外存储器时，在 ALE 引脚输出高电平期间用于将低8 位地址锁存起来。平常ALE引脚输出矩形脉冲，频率为晶振频率的1/6。因此 ALE 引脚也可用来作时钟脉冲。例如：当晶振频率 fosc 为 12 MHz 时，ALE 引脚输出 2 MHz 的方波。EA（31 脚）：低电平时 CPU 访问片外程序存储器；高电平时CPU 先访问片内程序存储区 4KB 的地址范围，
35、若访问片内程序存储器的地址超过4KB 范围时，CPU 会自动使 PC 指向片外程序存储器。4 个 8 位并行 I/O 接口：用来输入/输出数据。P0 口（P0.0P0.7）：3932 脚；作低 8 位地址线和 8 位数据线用。程序中用到外部存储器时，不能作 I/O 接口。P0 口在不作数据/地址总线时可作 I/O 口用，当作为输出口用时要外接上拉电阻。P1 口（P1.0P1.7）：18 脚；是用户最常用的 I/O 口。输出可直接（或通过同相反相驱动集成电路）带发光二极管或数码管。P2 口（P2.0P2.7）：2128 脚；可作为 8 位 I/O 接口，又可有第二功能，若某个P389S52EA/
36、VP 31X119X2 18RESET9INT0 12INT113T014T115P1.0 1P1.12P1.23P1.34P1.4 5P1.5 6P1.6710P1.78P0.0 39P0.1 38P0.237P0.336P0.435P0.5 34P0.6 33P0.732P2.021P2.1 22P2.2 23P2.324P2.425P2.526P2.6 27P2.7 28RD17WR16PSEN 29ALE/P 30TXD11RXD10图 2-8 89S52 单片机引脚图嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-19-口位已经用作第二功能，就不能再用作I/O 接口使用。一般在接有片外
37、数据存储器或I/O芯片的情况下，P3.6（WR）和 P3.7（RD）不作为 I/O 使用。P3 口的第二功能如表 2-3所示。表 2-3 89S52 P3 口第二功能2.3.2 89S52 在本设计中的应用由于本设计选用的 A/D 转换器 AD574A 为 12 位逐次逼近型 A/D 转换器。所以单片11机的 P0 口作为数据线分别与AD574A 高 8 位输出接口相连，AD574A 的低 4 位分别与P0.4P0.7 相连。然后通过控制总线RD、WR、PSEN、ALE 和 EA 等信号将采集到的数据传送给单片机。单片机对这些数据量处理后在显示器中显示对应的角度值。单片机是本设计的核心不但要进
38、行数据的处理，而且还要负责系统各部分的协调工作。单片机是一个复杂的系统，它需要有合适的外围电路和内部程序才能达到整个系统的要求15-17，下面就介绍一下本设计单片机的外围电路（1）振荡器和时钟电路如果说 CPU 是单片机的心脏，那么石英晶振就相当于心脏起搏器。单片机系统的各部分都要以时钟频率为基准，才能在CPU 的指挥下有条不紊一拍一拍地协调工作。在 89S52 单片机内部有一个高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚 XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体震荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激震荡器。这是单片机时钟信号产生的方式之一，称为内部时钟方
39、式。另一种称为外部时钟方式，如图2-9（b）所示。其是把外部时钟信号引入到单片机内。本设计单片机的时钟电路如图2-9(a)所示。其中 C1 和 C2 的作用是稳定频率和快速口线 专 用 功 能 口线 专 用 功 能P3.0 RXD P3.4 T0P3.1 TXD P3.5 T1P3.2 INT0 P3.6 WRP3.3INT1 P3.7 RD(a)C2C1晶振XTAL1XTAL289S52XTAL1XTAL289S52悬空外部时钟信号(b)图 2-9 单片机时钟电路嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-20-起振，电容值为 30pF。晶振的振荡频率为 6MHz。（2）复位电路的设计单片
40、机的 RST 引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高电平有效的持续时间应为 2 个机器周期以上。复位后，单片机内部各部件恢复到初试状态，单片机从 ROM 的 0000H 开始执行程序。单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系12统工作的可靠性。许多人在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了死机、程序走飞等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。考虑到倾角测量仪的应用环境，本设计采用了看门狗复位电路。看门狗型复位电路主要利用CPU 正常工作时，定时复位计数器，使得计数器的值不超过某一值；当 CPU 不能正常工作时，由于计数器不能被复位，因此其计数会超过某一
41、值，从而产生复位脉冲，使得CPU 恢复正常工作状态。此复位电路的可靠性主要取决于软件设计，即将定时向复位电路发出脉冲的程序放在何处。一般设计，将此段程序放在定时器中断服务子程序中。然而，有时这种设计仍然会引起程序走飞或工作不正常。原因主要是：当程序走飞发生时定时器初始化以及开中断之后的话，这种走飞情况就有可能不能由 Watchdog 复位电路校正回来。因为定时器中断一但在产生，即使程序不正常，Watchdog 也能被正常复位。为此提出定时器加预设的设计方法。即在初始化时压入堆栈一个地址，在此地址内执行的是一条关中断和一条死循环语句。在所有不被程序代码占用的地址尽可能地用子程序返回指令RET 代
42、替。这样，当程序走飞后，其进入陷阱的可能性将大大增加。而一旦进入陷阱，定时器停止工作并且关闭中断，从而使 Watchdog 复位电路会产生一个复位脉冲将CPU 复位。当然这种技术用于实时性较强的控制或处理器件中有一定的困难。在选用或自己设计Watchdog 型复位电路时，应注意输入 Watchdog 的喂狗信号应该是沿信号，而不是电平信号，同时应考虑撤销复位电压的电源电压值应大于系统最小正常电压值。美国 Xicro 公司生产的 X5045 芯片集断电数据保存功能、看门狗功能、上电掉电复位功能、电源电压监控功能于一身，所以这次复位电路的设计用X5045 来完成。.X5045 芯片介绍X5045
43、芯片的引脚排列如图2-10 所示。VCC8RESET7SCK6SI5CS/WDI1SO2WP3VSS4X5 045引脚功能：串行输出(SO)：SO 是串行数据输出引脚。在读周期内，数据在此引脚上输出，数据由串行时钟的下降沿同步输出。串行输入(SI)：SI 是串行数据输入引脚。所有操作码,字节地址以及写入存储器的数据在此引脚上输入。串行时钟的上升沿锁存SI 数据。图 2-10 X5045 引脚排列图13嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-21-串行时钟(SCK)：串行时钟控制用于数据输入和输出的串行总线定时。出现在SI引脚上的操作码,地址或数据在时钟输入的上升沿锁存，而SO 引脚上的数
44、据在时钟输入的下降沿之后发生改变。芯片选择(CS)：当 CS 为高电平时，将 X5045 置于等待电源方式，SO 输出引脚处于高阻状态。CS 为低电平将 X5045 置于工作电源方式。上电之后,在任何操作开始之前需要 CS 从高电平至低电平的跳变。写保护(WP)：当 WP 为低电平时，禁止向X5045 的非易失性写操作，但是器件的其它功能还正常。当 WP 保持高电平时，所有的功能都正常。在CS 仍为低电平时,WP 变为低电平将中断对 X5045 的写操作。如果内部写周期已经开始,则 WP 变为低电平将不影响写操作。复位(RESET)：X5045 的复位是高电平有效。CS 的下降沿将复位看门狗定
45、时器。另有接地端和电源端，X5045 芯片的电源电压有两种规格，一种是4.55.5V，另一种是2.75.5V。X5045 为 4K 位串行 EEPROM 芯片，可编程的看门狗定时器。低电压VCC 检测，直至 VCC=1V 复位输出有效；SPI 接口方式；低功耗，待机电流为10 A，工作电流为 3mA,工作电压为 2.75V；具有块锁定保护功能，可以保护1/4、1/2，或所有 EEPROM 阵列；片内异常事件写保护：上电、掉电保护电路，写锁存，写保护引脚；1MHz 时钟频率；可擦写次数 100000 次，数据保存期为 100 年；ESD 静电放电保护；有 8 引脚 DIP 和 SOIC或 14
46、引脚 TSSOP 封装三种形式；高电平复位信号输出。（最高有效位）在前方式传送。读写指令中 3 位的 A8 是高位地址，此位用于选择器件的上半部或下半部13。表 2-4 X5045 指令寄存器指令集指令名称 指令格式 操作WREN 00000110 设置写使能锁存器，允许写操作WRDI 00000100 复位写使能锁存器，禁止写操作RDSR 00000101 读状态寄存器WRSR 00000001 写状态寄存器READ 0000A8011 从所选地址开始的存储器中读数据WRITE 0000A8010 把数据写入所选地址开始的存储器中.X5045 芯片与 AT89S52 单片机接口电路本设计 X
47、5045 芯片与 AT89S52单片机的接口电路如图2-11 所示。该电路为 AT89S52扩展了上电复位、可编程看门狗定时、电源电压监控、串行EEPROM 等功能。该芯片在其上电后自动产生复位信号，这样就实现单片机的上电自动复位；当电源VCC 低于规定值时，（如 VCC=5V，则规定值为 4.25-2.5V），将产生复位信号。这样就实现系统电源的掉电复位；当程序在编程选择的时间里没有访问X5045 时，即设有一个看WDT 的语句Feed DOG 语句，则看门狗（WDT）将起作用 RST 将产生复位信号，迫使单片机复位。电阻 R1 选择为 10K。CS1SI6SCK5SO142RESET7Vs
48、s4Vcc8WP3X5045+5VR10KP1.0P1.1P1.2P1.3RST嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-22-2.4 A/D转换电路设计在一些信号处理电路中，输出往往是连续变化的模拟量，由于计算机只能处理离散的数字量，需要将连续变化的模拟量转换为数字量，这一操作过程就是A/D 转换。目前，市场上A/D 转换器芯片种类繁多，为了适应各种需要，不同的厂家生产了很多不同类型、不同性能和档次的A/D 转换芯片。根据本设计的要求，倾角测量仪的测量范围为-45+45，精度要求 0.1。则由 45-（-45）/212=0.022知选择 12 位的 A/D 转换器可以满足设计精度的要求。
49、而且要求A/D 转换器内部必须具有双极性输入电路。这里选择美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12 位逐次比较型 A/D 转换器AD574A。它内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高（0.05%）等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D 转换器。所以选择 AD574A 完全能够满足本设计的要求。2.4.1 AD574A的 A/D 转换原理A/D 转换的原理很多，常见的有双积分式、逐次逼近式、计数式等，输出码制有二进制、BCD 码等，输出数据宽度有 8 位、12 位、16 位、20 位等（二进制）。根据设计的
50、需要，我们这里只介绍12 位逐次逼近式 A/D 转换器。由于在本设计中选择的是逐次逼近式A/D 转换器，所以我们这里简单阐述一下逐次逼近式 A/D 转换器原理。原理如图 2-12 所示，当转换器接收到启动信号后，逐次逼近寄存器清 0，通过内部 D/A 转换器输出使输出电压V0 为 0，启动信号结束后开始A/D 转换10。控制电路8 位 D/A 转换器逐次 逼近 寄存器CLK启动信号转换结束Vi比较器：ViV0 输出为“1”ViV0 输出为“0”输出 模拟电压 V015嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。-23-2.4.2 AD574A在本设计中的应用为了说明 AD574A 在本设计中的