基于LabVIEW和单片机的切削力测试系统设计

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The test system can achieve the collection and monitoring of the single and three channels of cutting force .Besides the storageSave？ ,real-time display, on-line monitoring of the collected data and the creation of empirical formula can be completed too .Through the measurements and experiments of the power signal ,it proved that the test system which baseded on LabVIEW and microcontroller is convenient, low-cost, practical, and reliable .The atical specifically introduce the structural composition and test process of the cutting force test system , develope the design of cutting force test system and determine the selection of the microcontroller and the components. Besides,it designed the circuit diagram of the hardware of cutting force test system,drawing the flow chart of process and write a test program.These provides a good user interface and make the operation simple and easy.Keywords : LabVIEW microcontroller cutting force collected data目 录1 绪论11.1引言11.2课题背景11.3本文研究的主要内容11.4国内外发展现状22 切削力测试系统的总体设计42.1总体方案42.2分析切削力测试系统结构42.2.1测试系统硬件组成42.2.2测试系统软件分析42.3分析切削力硬件调试的实现过程63 硬件设计73.1单片机的概述73.1.1单片机的发展历史73.1.2单片机的特点73.1.3单片机的应用73.2传感器采集电路83.3 A/D转换电路103.4串口通讯设计123.5电源电路设计144 元器件介绍164.1 单片机89C51164.1.1主要特性164.1.2内部结构164.1.3外部特性174.2模/数转换器ADC0809184.2.1主要特性184.2.2内部结构184.2.3外部特性184.2.4ADC0809的工作过程194.3地址锁存器74LS373194.3.1地址锁存器功能204.3.2工作原理214.4数据存储器的扩展214.4.1外部特性214.4.2操作方式224.5 分频器74LS74224.6 采样保持器的选型234.6.1 主要性能234.6.2外部特性234.6.3内部结构244.6.4工作原理245 软件设计265.1单片机部分的设计265.1.1初始化程序265.1.2数据采集部分的程序设计265.1.3 串行部分的程序设计275.1.4 串行口的程序设计285.1.5 单片机查询程序295.2 虚拟仪器部分的设计295.2.1切削力测量系统的标定及经验公式创建295.2.2 多通道数据采集模块的创建325.2.3 数据存储及回放346 调试356.1 PCB设计356.2印刷板图设计中应注意事项366.3元件列表的生成377 结论38谢辞39参考文献40附录一41附录二42附录三43外文资料441 绪论1.1引言在切削加工中，切削力直接影响着切削热的产生，并进一步影响着刀具磨损、耐用度和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据。以往，在测量切削力的教学实验中，先是利用传感器把切削力信号转为电信号，再经放大，带动X-Y函数记录仪记录，然后人工整理数据，计算切削力，得到切削力经验公式。这种方式费时、误差大、精度低。针对这一情况，利用LabVIEW和89C51单片机设计了一个切削力测试系统。该系统能实现切削力信号的放大、传输及采集数据的数据存储、实时显示、在线监测，提高了工作效率和测量精度，获得了较好的实验效果。1.2课题背景在切削加工中，切削力是表征切削过程的一个重要参数。切削力测量不仅可以研究切削机理、计算功率消耗、优化切削用量和刀具几何参数、校核切削力理论计算的准确性，反映切削用量合理性、机床故障、颤振等切削状态。更重要的是，可以通过力的变化对刀具磨损或破损进行预报来监控切削过程。因此，切削力测量具有很强的实验性，实验环节至关重要。在切削力测量方面，目前我们使用的硬件是电阻应变式立式平行八角环车削测力仪、YD一21动态电阻应变仪与X一Y函数记录仪，该系统使用不便，效率与精度低，系统稳定性差，后续处理繁琐。虽然在20世纪80年代我们开发了APPLE一11微机与单板机对切削力信号进行采集处理，但由于种种原因，APPLE一11微机和单板机数据采集处理系统未能继续使用。鉴于此，现有的切削力数据采集处理系统已无法满足现阶段教学实验的需要，急需研制一套新的先进的数据采集处理系统，以适应教学实验的需要。使用本系统，我们通过虚拟仪器的前面板，可以一目了然地观测实时的切削力动态测量曲线和切削力峰值。同时可将测得的数据进行存储，用于统计分析、创建经验公式等。我们通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验，能真正理解和掌握该学科的理论知识，并获得一定的综合测试技能，具备处理实际工作的能力。1.3本文研究的主要内容这个系统实现的功能通过硬件操作平台和软件操作平台两部分实现的。建立在单片机硬件操作平台，完成：（1）设计出系统的硬件原理图；（2）完成切削力的信号采集；（3）通过串口将采集的切削力传输给上位机。建立在虚拟仪器软件平台，完成：（1）系统的主界面模块；（2）三通道数据采集与处理模块；（3）数据存储模块；（4）经验公式创建模块；（5）数据回放。1.4国内外发展现状上世纪50年代发源于美国麻省理工学院，它可以应用电补偿原理消除各切削分力间的相互干扰，在不同条件下均有较好的适应性。到70年代中后期，出现了动态性能很高的压电式测力仪，但压电式测力仪对温度与湿度十分敏感、抗干扰能力差、价格昂贵、维护困难，故应用范围受到一定限制。多年来，国内许多高校和研究所对切削力测量的研究一直比较活跃，研究成果较多，出现了一批切削力测量的数据采集处理系统。早在上世纪60年代，哈尔滨工业大学袁哲俊教授就研制了电阻应变式车削测力仪，用X-Y函数记录仪进行了数据采集；在70年代，大连理工大学孙宝元和张贻恭成功研制了压电式测力仪，并进行了实验，利用光线示波器和X-Y函数记录仪记录切削力信号，取得了良好效果。到了80年代，哈尔滨工业大学袁哲俊教授实用TP801-A单板机和TP801P微型打印机等组成三向力的数据采集处理系统以单板机作为核心，能实现均值计算、建立经验公式和打印输出的功能。90年代以后，由于计算机技术和单片机技术的飞速发展，切削力测量的测试处理普遍采用计算机或单片机进行，使测量的精度进一步提高。采用计算机或单片机进行数据采集处理，提高了测量的可靠性和数据的准确性，提高了测量效率。但是这些系统都存在某些问题，如单片机无法显示信号曲线；数据处理分析功能不完善；只能对切削力进行单独的测量，不能实现切削力的综合测量，无法满足需同时研究切削力的科研要求等，需要进一步改善。同时国内外许多大学都在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助教学中，美国的Gematics公司和Goldsmith公司等利用虚拟仪器开发工具，研制开发出了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统；清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检验；虚拟仪器已在超大规模集成电路测试、现代家用电器测试、电子组件电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、工厂测试、电工技术领域等可移动式现场测试工作中得到应用，且应用领域还将不断拓宽，华南理工大学机械工程学院开发了圆度误差测量仪，能根据测得的信号直接计算出圆度误差，并将结果显示出来；在加工表面的粗糙度的测量方面，设计者利用现有的触针式轮廓仪与虚拟仪器技术相结合，在计算机上开发了新型的虚拟仪器表面粗糙度测量系统，实现了粗糙度测量评定一体化，并能实时记录表面粗糙度轮廓曲线、存储测量数据，具有良好的性能价格比；在本课题开发设计方面，南昌工业学院机械工程系开发设计了切削力测量虚拟仪器，实现了切削力的数据采集、显示和存储等功能，实现了在线监控功能。2 切削力测试系统的总体设计2.1总体方案通过单片机的硬件操作系统和虚拟仪器的软件操作系统建立一条快速有效的测试系统。通过对测试系统进行标定，创建经验公式，这样可以对每一采集到的数据进行计算。此系统是通过传感器将力信号传到电桥盒转换成电信号通过A/D转换器将电信号转换成数字量然后传输给单片机，完成有模拟量到数字量的转换。然后由单片机过串口发送到微机通过虚拟仪器技术对采集到的信号进行滤波放大，并在上位机的软件测试平台实时显示并受力的曲线,最终目的是实现对切削力大小的测定。应用虚拟仪器实现了切削力波形的显示，给出了切削力的大小，这种方法效率高、误差小、精度高、省时。提高了系统的性能。2.2分析切削力测试系统结构2.2.1测试系统硬件组成测试系统硬件组成主要有传感器电路、采样保持及数据采集电路、串行接口、软件处理。传感器电路采用的电转换元件是电阻应变片。用电阻应变效应制成一种传感元件。采样保持及数据采集电路采用的主要原件是A/D转换器、89C51单片机为核心的电路，这部分电路实现将模拟信号转换为数字信号并且将下位机采集到的信号传输到上位机并且实现二进制数转换为十进制数。串行接口是下位机与上位机的传输通道，实现数字量的传输与反馈。图2-1是硬件方框图应是系统原理图或硬件原理图，里面没体系单片机图2-1 硬件方框图2.2.2测试系统软件分析软件设计部分主要有两部分构成单片机的汇编语言调试和虚拟仪器控制的微机部分。图2-2所示为单片机工作流程图图内选择部分应为菱形软件系统原理图应在软件部分体系图2-2 单片机工作流程图单片机软件的编制负责采集传感器转换的电信号，并且调试A/D转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号。将转换成的数据暂存到外部存储器中，然后通过串口发送到上位机。图2-3所示为虚拟仪器的软件框图图2-3 软件框图虚拟仪器软件部分负责标定数据处理实现经验公式模块的创建达到数据显示的功能，数据回放模块的创建获得切削力波形。2.3分析切削力硬件调试的实现过程此部分放在下一章各芯片介绍后是否更好些。此章应着重介绍系统的总体结构硬件电路的实现过程为：通过单片机的P1.0、P1.1控制模拟多路复用器MAX4559进行通道的选择，由输出端Y输出到采样保持器LF398的输入端。当LF398的8脚电平高于7脚电平时，5脚输出给ADC0809的一个通道，并对6脚外接电容进行充电。当8脚电平低于7脚电平时，输出端信号不变。8脚的控制信号由89C51的P3.2脚产生的脉冲信号来控制，保持时间取决于CH，CH取的值是0.1f。当和P2.6为低电平时，ADC0809的地址锁存ALE和START为高电平，开始锁存地址同时也启动转换。ADC0809的时钟频率是通过单片机的时钟频率经过二分频得到的，为500kHz。用查询的方式监控ADC0809的转换是否结束，一旦转换结束，ADC0809的EOC脚出现高电平。通过或非门将信号传输的外部中断信号P3.3，然后利用89C51的读信号RD和P2.6经一级或非门后，产生正脉冲作为OE信号，打开ADC0809内部的三态输出锁存器，将转换结果输出到数据总线上。存入地址锁存器74LS74当ALE为高电平时输出端随输入端的变化而变化，当ALE为低电平时输出端随输入端的变化而变化,输出端被锁存在已建立的数据电平。74LS74通过输出端的输出信号传输到数据存储器扩展6264中，当P2.7为高电平时，数据存储器扩展6264，将数据通过总线上输入到单片机，单片通过读出串行输出口将采集到的数据通过串口输入到微机中，完成单片机的数据采集传输的那功能。3 硬件设计3.1单片机的概述3.1.1单片机的发展历史单片机的历史非常短暂，然而发展十分迅猛。自1971年美国Intel公司首先研制出4位单片机4004以来，它的发展可粗略分为四个阶段：第一阶段 19711976年，属于萌芽阶段。发展了各种4位单片机，多用于家用电器、计算机、高级玩具。第二阶段 19761980年，为初级8位机阶段，发展了各种中、低档8位单片机，典型的如MCS-48系列单片机，片内含多个8位并行I/O接口、一个8位定时器/计数器，不带串行I/O接口，其功能可满足一般工业控制和智能化仪器仪表等的需要。第三阶段 19801983年，高级8位机阶段，发展了高性能的8位单片机，例如MCS-51系列单片机，它带有串行I/O接口和多个16位定时器/计数器，具有多级中断功能。这一阶段进一步拓宽了单片机的应用范围，使之能用于智能终端、局部网络的接口，并挤入了计算机领域。第四阶段 1983年以后，16位单片机阶段。发展了MCS-96系列等16位单片机。功能很强，价格却迅速下降。片内有A/D转换器；可快速输入、输出；可用于电机控制；网络通信能力有显著提高。3.1.2单片机的特点单片机芯片的集成度很高，它将微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，具有下列特点：（1）根据工控环境要求设计，且许多功能部件集中在芯片内部，其信号通道受外界影响小，故可靠性高，抗干体积小、重量轻、价格便宜、耗电少。（2）扰性能优于采用一般的CPU。（3）控制功能强，运行速度快。其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。有极丰富的条件分支转移指令，有很强的位处理功能和I/O口逻辑操作功能。（4）片内存储器的容量不可能很大；引脚也嫌少，I/O引脚常不够用，且兼第二功能以至第三功能。但存储器和I/O接口都易于扩展。3.1.3单片机的应用由上述单片机特点，可推知其应用最多的领域为（1）因它具有“小、轻、廉、省”的特点，尤其耗电少，又可使供电电源的体积小、重量轻，所以特别适用于“电脑型产品”，在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子称、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品上得到应用。（2）适用于仪器、仪表。不仅能完成测量，还具有处理（运算、误差修正、线性化、零漂处理）、监控等功能，易于实现数字化和智能化。（3）有利于“机电一体化”技术的发展，多用于数控机械、缝纫机械、医疗设备、汽车等。（4）广泛应用于打印机、绘图仪等许多计算机外围设备，特别是用于智能终端，可大大减轻主机负担。（5）用于各种工业控制，如温度控制、液面控制、生产线顺序控制等。（6）宜于多机应用。例如机床加工中心，其各种功能可分散由各个单片机子系统分别完成，上级主机则负责统管、协调。又如要求较高的数据检测采集系统，每一采集通道如是一个单片机子系统，可实现多点同时快速采集和预处理，然后再由主机进行集中处理和控制，以构成大型的实时测控系统。3.2传感器采集电路工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。它把被测量，如力、位移、温度等，转换为易测信号，传送给测量系统的信号调理环节。传感器处于测试装置的输入端，按一定规律将被检测数据转换成便于进一步处理的物理量（一般为电压、电流、电脉冲），其性能将直接影响整个测试装置的工作质量。理想的传感器应该能够将各种被检测量转换为高输出电平的电量，能够提供零输出阻抗，噪声极低，并具有良好的线性与重现性。传感器的分类繁多，可以按被测量分类，可分为位移传感器、力传感器、温度传感器等）；按工作原理分类，可分机械式、电气式、光学式、流体式等；按输出信号分类，可分为模拟式和数字式；按信号变换特征也可概括为物理型和结构型；本系统所采用的八角环形力传感器对切削力进行信号传输。八角环形力传感器分为固定部分、弹变部分和装刀部分，且三部分为一整体，弹性部分包括上下两个八角环，八角环的内外侧有若干个电阻应变片。如图3-1所示图3-1 八角环形力传感器的结构八角状环弹性元件由圆环演变而来，当园环上施加径向力Fy时，园环各处的应变是不同的，根据分析可知与作用力方向成39.6处B的应变等于零，此处称为变节点。在水平中心线上则由最大应变，因此将四片应变片R1、R2、R3和R4如3-2a所示那样粘贴，R1、R3受拉应力，R2和R4受压应力。图3-2测力仪贴片位置及测量电路当圆环上施加径向力Fx时，应变节电处于A-A位置，将四片应变片 R5、R6、R7和R8粘贴于如图3-2b所述（39.6），此时， R5、R7受拉应力，R6和R8受压应力。当圆环上同时受Fx、Fy作用时，把应变片组成图3-2e和3-2f所示的电桥电路，就可互不干扰地分别测得Fx、Fy，由于八角状环易于固定夹紧，所以常用它代替圆环。当八角状环受主切削力Mz的作用时，它既受到垂直向下的压力，又受到弯矩的作用 (3-2d)。Fz力与各应变片轴向垂直不起影响，却使上部环受拉应力，下部环受压应力，因此将应变片R9、R10、R11和R12组成图3-2g所示电桥就可以测出Fz。这样，通过上述测力仪各应变片组成的三个全桥电路接入测试系统，就可以分别测出Fx、Fy、Fz。3.3 A/D转换电路摸/数转换器是一种连续的模拟量转化成数字量的一种电路器件。模拟信号转换为数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过程针对不同的采样对象，有不同的A/D转换器（ADC）可供选择，其中有通用的也有抓用的，有些ADC还包含有其它功能，在选择ADC器件时需要考虑多种因素，除了关键参数、分辨率和转换速度以外，如静态与动态精度、功耗、使用环境要求、封装形式以及与软件有关的问题。ADC按功能划分，可以分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换又有逐次分级转换、积分式转换类型。A/D转换器在实际应用时，除了要设计适当的采样/保持电路、基准电路和多路模拟通道等电路外，还应根据时间的具体芯片进行通道模拟信号极性转换等设计。A/D 转换器的技术指标如下：1、量化误差与分辨率； 2、转换速率； 3、转换精度； 4、失调温度系数和增益温度系数； 5、对电源电压变化的抑制比；A/D 转换器的原理A/D 转换器是把模拟量转换为数字量的器件，简写为ADC。ADC 的品种很多，根据转换原理有双积分式、逐次逼近式、压频变换式、电压时间式等。模拟量只有被转换成数字量才能被计算机采集、分析、计算。如图3-3所示是一个具有模拟量输入输出的MCS-51 单片机系统。非电模拟信号模拟量输出传 感 器信 号 调 理转 换 器单 片 机转 换 器A/DA/D图3-3具有模拟量输入输出的单片机系统Ad转换后能有模拟量的输出么？常用A/D 转换器常用的A/D 转换器有很多种，表3-1列出了不同种类的A/D转换器的型号及基本性能。表3-1 常用A/D 转换器的型号及性能型号转换方式接口方式转换精度型号转换方式接口方式转换精度ADC0809逐次逼近并行接口8路8位TLV1572逐次逼近串行接口1路10位TCL0831逐次逼近串行接口1路8位TLC2543电容逼近串行接口11路12TCL0834逐次逼近串行接口4路8位AD7888逐次逼近串行接口8路12位AD7705-串行接口2路16位AD7714和差转换串行接口6路24位MC14433双积分BCD码三位半ICL7135双积分BCD码四位半采用逐次逼近转换器，对于这种转换方式，通常是一个比较器输入信号与作为基准的nDAC输出进行比较，并执行n次一位转换，这种方法类似于天平上用二进制砝码称量物质。采用逐次逼近寄存器，输入信号仅与最高位比较，确定DAC的最高位（DAC满量程的一半）。确定后结果（0或1）被锁存，同时加到DAC上，以决定DAC的输出（0或1/2）。逐次逼近型A/D转换器，如ADC0809、AD574等，其特点是转换速度快，精度也比较高，输出为二进制码，直接接I/O口，软件设计方便。ADC0809芯片包含8位模/数转换技术的优点，所以该芯片非常适合于过程控制、微控制器输入通道的结合口电路、智能仪器和机床控制等应用场合，并且价格低廉，降低设计成本。选用89C51作为中央处理器，A/D转换器选用ADC0809，其连接图电路如附录所示如果图不复杂，正文内也附上。用单片机控制ADC时，多数采用查询和中断控制两种方式。查询法是在单片机把启动命令送到ADC之后，执行别的程序，同时对ADC的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经完成，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。中断控制是在启动信号送入到ADC之后，单片机执行别的程序。当ADC转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应其中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据，并进行必要的数据处理，然后返回到原程序。这种方法单片机无需进行转换时间管理，CPU效率高，所以特别适合于变换时间较长的ADC。本设计采用查询方式进行数据收集。由于ADC0809片内无时钟，故利用89C51提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHz，则ALE信号的频率为1MHz，经二分频后为500kHz，与ADC0809时钟频率的典型值吻合，由于ADC0809具有三态输出锁存器，故其数据输出引脚可直接与单片机的数据总线相连。因为在ADC0809前置有模拟多路复用器进行通道选择所以地址码引脚ADD AC接地。采用单片机的P2.6作为A/D的片选信号。并将A/D的ALE和START脚相连在一起，以实现锁存通道地址的同时启动ADC0809转换。启动信号又89C51的写信号和P2.6经或非门实现控制。然后根据所选用的查询、中断，等待延时三种方式之一的条件去执行一条输入指令，读取A/D转换结果。3.4串口通讯设计串口通讯是实现PC机和单片机之间的交换的主要手段。常见的串行通信接口标准有RS-232、RS-422、RS-423、RS-449以及常见的只有232，422，48520mA电路环等，而实际应用中多采用简单易行的RS-232通信标准。RS-232通信标准包括了按位进行串行传输的电气和机械方面的规定。RS-232关于电气特性的要求规定，驱动器输出电压相对于信号地线在-5V-15V之间为逻辑1电平，表示信号状态；驱动器输出电压相对于信号地线在+5V一+15V之间为逻辑0电平，表示空号状态。在接收端，逻辑1电平为-3V一-15V，逻辑0电平为+3V一+15V，即允许发送端到接收端有2V的电压降。这样RS-232电平和TTL逻辑电路产生的电平是不一致的，因此需要专门的电平转换电路来实现电平的转换。.？RS232接口电路RS-232C标准是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发的,于1969年公布的通信协议，全称是EIA-RS-232C。它适于数据传输速率在020000bps的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电特性都作了明确规定。由于通信设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。RS-232C采用负逻辑，规定+3V+15V任意电压表示逻辑0（或信号有效），-3V-15V任意电压表示逻辑1（或信号无效）。对于用户开发系统来说，在线调试和下载功能最重要，也是最常使用的，但二者都需通过PC机上的串行COM1端口与89C51串行端口之间连接的串行端口电缆进行数据通信才能发挥作用。因此，用户在开发应用系统之前，首先要设计一个电路来实现PC机与89C51的串行接口通信。否则，开发出来的的系统将没有价值。89C51图中，读和写没有对应吧串行接口是全双工的，可以同时接收和发送数据。至串行网络的物理接口由引脚RxD（P3.0）和TxD(P3.1)提供。因此，利用这两个引脚设计的RS-232接口电路（如图3-4所示），就可实现PC机与89C51的串口通信。图3-4程序调试时与PC串口通信由于RS232的信号电平与单片机信号电平（TTL电平）不一致，必须进行电平转换。传统的RS232通讯接口是采用两片集成电路MC1488和MC1489，这样做的结果是系统的电源增加为三组：+5V、+12V和-12V，而且功耗大，所以从减少电源的组数、降低功耗和减小体积方面考虑，我们在本系统中采用最新串行通讯接口芯片MAX3232E，它只需要外加2个极性电容，就可实现电平转换。图3-5为89C51与PC机通信时的接口电路。图3-5 RS-232接口电路由于RS-232接口电路是PC机和用户开发系统的唯一通路，因此，它是在线调试和下载功能实现的关键。在用户系统的开发研制过程中，经常会出现在线通信故障问题。导致该现象发生的原因有很多，但最有可能的是接口电路工作异常所产生。要判断RS-232接口电路工作是否正常，可按以下步骤逐一检查RS-232通信是否正常。V和V引脚电压是否足够高（分别超过8V和-8V）。若电压较低，则可能MAX3232E芯片已损坏。R1IN脚是否存在12V的脉冲信号。若存在，则说明PC机方面通信发送信号正常。R1OUT脚是否存在5V信号。若存在，则说明RS232接收PC机信号工作正常图中此引脚悬空。T1IN脚是否存在5V信号。若存在，则说明89C51对PC机的通信产生响应；否则是89C51通信存在问题，说明89C51工作不正常。T1OUT脚是否存在12V的脉冲信号。若存在，但89C51还无法进入在线调试状态，则说明DB25与PC机之间的串行接口电缆有问题。表3-2为DB25功能表表3-2 DB25功能表放在表下DB25引脚简写功能说明8CD载波侦测3RXD接收数据图中没用此引脚，用的16表中没介绍2TXD发送数据20DTR数据终端准备7GND地线6DSR数据准备好4RTS请求发送5CTS清除发送22R1振铃指示3.5电源电路设计节点的电源有集成稳压器LM7805提供。微型变压器把220V的市电变压整流后输出15V电压为LM7805供电，再由LM7805输出稳定的5V电源。为了抑制干扰，在LM7805的输出端并联两个电容。一个电容为220F电解电容，对频率较低的干扰有很好的抑制作用。但由于电解电容在高频时容抗增大，为了过滤高频的干扰，还并联了一个10F的瓷片电容。为了方便使用，输出端接了一个LED作为电源正常工作指示灯，如图3-6所示。图3-6电源转换电路加入必要的原理说明4 元器件介绍4.1 单片机89C514.1.1主要特性89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。如图4-1所示为89C51单片机图4-2 89C51单片机主要特性：与MCS-51 兼容； 4K字节可编程闪烁存储器；全静态工作：0Hz-24MHz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM； 32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器； 5个中断源 、可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年。4.1.2内部结构8位CPU；片内振荡器和时钟电路；32根I/O线；外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源；两个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器。4.1.3外部特性VCC：供电电压；GND：接地；P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流；P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流；P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流；P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流； P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）；P3.1 TXD（串行输出口）；P3.2 /INT0（外部中断0）；P3.3 /INT1（外部中断1）；P3.4 T0（记时器0外部输入）； P3.5 T1（记时器1外部输入）； P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）； P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）； P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号；RST：复位输入；ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节；：外部程序存储器的选通信号； /VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；XTAL2：来自反向振荡器的输出；XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4.2模/数转换器ADC0809ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。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，只选8个中断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。4.2.1主要特性1）8路输入通道，8位AD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100s 4）单个5V电源供电 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 .7）低功耗，约15mW。4.2.2内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近4.2.3外部特性ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8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：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD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。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。4.2.4ADC0809的工作过程ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行，直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果。4.3地址锁存器74LS37374LS373是8D锁存器(3S，锁存允许输入有回环特性)，常应用在地址锁存及输出口的扩展中。74LS373都是透明的带有三态门的8个位锁存器的芯片，如图4-3所示。图4-3 74LS373SN74LS373， SN74LS374 常用的8D锁存器，常用作地址锁存和I/O输出，可以用74hc373代换。74LS373是低功耗肖特基TTL8D锁存器，74H373是高速CMOS器件，功能与74LS373相同，两者可以互换。74LS373内有8个相同的D型(三态同相)锁存器，由两个控制端(11脚G或EN；1脚OUT、CONT、OE)控制。当OE接地时，若G为高电平，74LS373接收由PPU输出的地址信号；如果G为低电平，则将地址信号锁存。4.3.1地址锁存器功能图4-4 74LS373结构图如图4-4为74LS373结构图当三态门的使能信号线为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q1Q8输出到OUT1OUT8，当端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT1OUT8处于浮空状态。G称为数据打入线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号为低电平，这时，当G输出端为高电平时，锁存器输出（Q1Q8）状态和输入端（D1D8）的数据锁入Q1Q8的8位锁存器中。74LS373的功能表如表4-1所示表4-1 74LS373锁存器功能表输出控制端（E）使能端（G）输入端（D）输出端（D）LHHHLHLLLLXQ0HXXZ注：H=高电平，L=低电平，X=不定态，Q0=建立稳态输入条件前Q的电平Z=三态输出的关闭态（高阻抗）由访问外部存储器的时序可知，在ALE下降沿P0口输出的地址是有效的。因此，在选用地址锁存器时，应注意ALE信号与锁存器选通信号的配合，即应选择高电平触发或下降沿触发的锁存器。例如，8D锁存器74LS373为高电平触发，ALE信号直接加到使能端G。若用74LS273或74LS377作地址锁存器，由于它们是上升沿触发的，故ALE信号要经过一个反相器才能加到其时钟端CLK.74LS373的引脚它有一个使能端G，一个输出控制端E，8个输入端D1D8，8个输出端Q1Q8,该芯片又称为透明的D型锁存器。“透明”是指当使能端G端为高电平时，输出端Q端将随输入端D端的变化而变化，锁存功能体现在当使能G端为低电平时，Q端的输出将锁存在已建立的电平状态，而不管此时输入端D的状态如何。4.3.2工作原理工作原理：74LS373的输出端O0O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。当LE为低电平时，Q被锁存在已建立的数据电平。4.4数据存储器的扩展6264是一种8K8的静态存储器，其内部组成主要包括512128的存储器矩阵、行列地址译码器以及数据输入输出控制逻辑电路。地址线13位，其中A12A3用于行地址译码，A2A0和A10用于列地址译码。在存储器读周期，选中单元的8位数据经列I/O控制电路输出；在存储器写周期，外部8位数据经输入数据控制电路和列IO控制电路，写入到所选中的单元中。6264有28个引脚，如图4-5所示，采用双列直插式结构，使用单一5 V电源。 图4-5 6264结构4.4.1外部特性其引脚功能如下：A12A0：地址线，可寻址8KB的存储空间。 D7D0：数据线，双向，三态。 （output enable）：读出允许信号，输入，低电平有效。 （write enable）：写允许信号，输入，低电平有效。 （chip enable）：片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。 CE2（chip enable）：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。 VCC：+5V工作电压。 GND：信号地。4.4.2操作方式Intel 6264的操作方式由, , , CE2的共同作用决定 写入：当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7D0写入被选中的存储单元。 读出：当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7D0上。 保持：当为高电平，CE2为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。 4.5 分频器74LS74如图4-6所示为74LS74分频器。74LS74分频器是选用双D触发器的其中1个D触发器，将需要分频的信号接CLK，输出/Q反馈接到输入D端。CLR和PR是清零端和置1端，都是低电平有效。不用的话就把它们接无效电平，即都接高电平即可。需要控制清零和置1就把它们接到控制端图4-6 74LS74芯片引脚：CLR:复位信号D:触发信号Q：同相位输出/Q：反相位输出PRE:控制CLK:时钟信号4.6 采样保持器的选型LF398是一种反馈型采样/保持放大器，也是目前较为流行的通用型采样/保持放大器。由场效应管构成，具有采样保持速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。4.6.1 主要性能反馈型采样/保持放大器；双极型-结型场效应管工艺制造；片内无保持电容；在采样或保持状态具有高源抑制性能；低输入漂移，保持状态下输入特性不变；可与TTL、PMOS、CMOS兼容；双电源供电，电源范围宽；采样时间（10V级，到0.01%）：20s；增益误差：0.01%；下降率：3mV/s(typ)；失调电压：7mV；保持电容：0.01pF；4.6.2外部特性LF398引脚图为引脚名称见表4-2表4-2 LF398引脚名称引脚符号功能1V+正电源电压输入引脚2偏置调零引脚3IN输入引脚4V-负电源电压输入引脚5OUT输出引脚6HC保持电容引脚7REF参考电压引脚8CON控制逻辑（+）4.6.3内部结构控制电路中A3主要起到比较器的作用；其中引脚7为参考电压，当输入控制逻辑电平高于参考端电压时，输出一个低电平信号驱动开关K闭合，此时输入信号经A1后跟随输出到A2，再由A2的输出端跟随输出，同时向保持电容（接引脚6端）充电；而当控制逻辑电平低于参考端电压时，输出一个高电平信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。因此，A1、A2是跟随器，其作用主要是对保持电容输入和输出进行阻抗变换，以提高采样/保持放大器的性能。功能框图。LF398功能框图如4-7图所示图4-7 LF398功能框图4.6.4工作原理LF398由输入缓冲器、输出驱动器和控制电路三部分组成。其3脚加输入信号，8脚加控制信号，7脚加参考电平。当8脚电平高于7脚时，输出端（5脚）信号随输入变化并对外接电容充电。当8脚电平低于7脚电平时，输出端（5脚）信号保持不变。LF398的输入信号来自低电压模拟多路复用器的输出端，5脚输出给ADC0809的一个通道。8脚的控制信号由89C51的P3.2脚产生的脉冲信号来控制，保持时间取决于CH，CH取的值是0.01F。如图4-8所示图4-8 LF3985 软件设计系统软件设计分为两部分：下位机软件设计和上位机软件设计。下位机设计主要由单片机的汇编语言组成，上位机设计主要由虚拟仪器组成。5.1单片机部分的设计这部分的设计主要负责完成对信号输入、通道的选择、采样保持、A/D转换、数据存储以及向上位机发送数据。5.1.1初始化程序首先进行定时器、串口初始化；接着对数据存储器地址指针置初值；循环计数器置初值；输入通道地址指针置初值；通道计数器、累加校验和计数器置初值。MOV TMOD， #20H ；T1初始化2MOV SCON， #50H ；串行口工作方式1，rent=1（允许接收）MOV DPH， #7FH ；数据存储器地址指针置初值 MOV DPL， #F4H MOV R7， #0CH ；循环计数器置初值MOV R0， #00 ；输入通道地址指针置初值（低位）MOV P2， #0B0H ；输入通道地址指针置初值（高位）MOV R6， #00H ；通道计数器置初值 MOV R3， #00H ；累加校验和计数器置初值5.1.2数据采集部分的程序设计根据要求，进行一次数据采集每路信号要采集1024个点，三路信号共计3072个点。先将采集到的3072个数据暂存在外部数据存储器6264中，由于采用的是8位单片机，其最大计