基于MPX2100型传感器的高精度数据采集系统

　　2、单片机及其外围电路部分
　　
　　单片机外围电路如图4所示。
　　
　　（1）AT89S52介绍
　　
　　单片机选用的是ATMEL公司新推出的AT89S52，该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机。AT89S52有以下主要特点：
　　
　　①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器（NV-SRAM）技术；
　　
　　②其片内具有256字节RAM，8KB的可在线编程（ISP）FLASH存储器；
　　
　　③有2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式；
　　
　　④片内含有一个看门狗定时器（WDT），WDT包含一个14位计数器和看门狗定时器复位寄存器(WDTRST)，只要对WDTRST按顺序先写入01EH，后写入0E1H，WDT便启动，当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时，WDT即可有效地使系统复位，提高了系统的抗干扰性能。
　　
　　（2）外围电路部分
　　
　　接口电路的片选信号由74LS138对高位地址线P2.0（A8）、P2.1（A9）、P2.2（A10）译码后生成，主要有8155可编程接口电路片选信号CS_8155（Y0）、键盘接口片选信号CS_KEY（Y1）及液晶模块片选信号CS_LCD（Y2）等。LCD选用OCULAR公司生产的字符点阵液晶显示模块GD1602S，该模块能显示20×2的5×7点阵字符，功能强，与8位MCU接口方便；键盘接口设计为通用PC机接口（PS/2），是因为通用PC机键盘具有价格低廉、可靠性高、通用性好及操作方便等优点，而且维护方便，限于篇幅本文未介绍。A13、A14、A15组成多路模拟开关4051的编码地址线，Vxi即为4051按照键盘输入的地址选出的一路模拟信号，它将被送往信号调理模块进行放大调理。在恶劣的工业工作环境中，串行通信接口芯片很有可能受到静电的冲击而损坏，特别是在传输线架设于户外的使用场合，接口芯片乃至整个系统还有可能遭致雷电的袭击。本文选用的RS-485接口芯片SN75LBC184不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击，最大传输距离约1219m，最大传输速率为10Mb/s；可以保证与上位机进行通信时稳定可靠。
　　
　　3、双积分模/数转换接口电路
　　
　　（1）芯片ICL7135介绍
　　
　　ICL7135是美国MAXIN公司生产的一个双积分式A/D转换集成电路，该芯片抗干扰能力强、分辩率高、价格低廉。它的分辩率相当于14位二进制数，转换误差为±1LSB，转换输出为0~19999；当测量量程为0kN~2000kN时，这样的精度使得仪表的分辩率达到0.1kN；模拟输入可以保证0点在常温下的长期稳定性。由于7135输出的转换结果是动态扫描BCD码，因此常规设计一般通过并行接口与单片机连接，以节省单片机的硬件开销，同时8155中的定时器还可以满足7135对时钟的需要。
　　
　　（2）A/D转换电路及其原理
　　
　　电路原理图如图5所示。

　　7135与8155的连接是通过4位2选1数据多路开关74LS157来实现的。其选通信号由7135的D5输出控制。当A/D转换结束时，D5输出高电平，74LS157选通B类通道，单片机通过PA0~PA3读入万位数B1、状态位POL（极性）、OVR（过量程）和UR（欠量程）；当D5输出完成时，变为低电平（这一过程包括D4~D1数据输出周期在内），74LS157选通A类通道，单片机通过PA0~PA3将依次读入8421码值B8，B4，B2及B1，即低位BCD码，依次形成万、千、百、十、个各位BCD码（即转换结果）。8155A口中断请求线PC0反相后形成单片机的外中断0触发信号。当7135完成1次转换后，产生5个数据选通脉冲，分别将各位BCD码和位标志送入A口；A口收到一个数据后，中断线PC0变为高电平，启动单片机的中断服务程序，读取A/D转换的数据结果。7135的转换启动由P14控制，高电平转换开始，低电平保持。
　　
　　经调理后的0V~2V的模拟信号通过RC低通滤波后，从IN+，IN-输入。A/D转换后的结果包括2部分：极性和量程，反映转换性质的结果。转换后的数字信号为D1，D2，D3，D41及D5，其中D5（万位）只能是1或0，其他几位为0~9的BCD码。而7135所需的参考电压为量程的确良1/2，如果量程为2V，则参考电压为1V。为了保证转换的温度稳定性和精度，采用高精度基准电源MC1403，通过金属膜多圈进口电位器调节得到。参考电压上并联的CBB电容C46(0.1mF)，C47（1mF）主要是保证参考电压的稳定性。
　　
　　积分电容是决定转换精度的关键器件。按照7135应用特性，积分电容C8和积分电阻R3与量程等有关，选用时必须满足以下要求：
　　
　　R3=满度电压/20mA（3）
　　
　　C8=1000×20mA×T/积分器输出摆幅（4）
　　
　　式中，T=1/fclk。
　　
　　fclk—7135的时钟频率，一般可选择250kHz，166kHz、125kHz、及100kHz、典型值为125kHz，此时7135的转换速率为3次/s。
　　
　　在±5V系统中，如模拟地为0V，则摆幅为±4V，此时量程为?C2V~+2V，则：R3=100kW，C8=0.47mF。
　　
　　（3）PLD技术的应用
　　
　　为节省了硬件电路的开销，减少硬件电路产生的电磁干扰，系统的部分电路应用了PLD技术，其可编程逻辑电路（见图5）由可编程逻辑陈列芯片GAL16V8组成，主要完成A/D转换模块所需的时钟信号和转换结束选通信号产生单片机外中断0中断信号的逻辑转换，其逻辑方程如下：
　　
　　P16=+（与非门）（5）
　　
　　P14=P7+P8（或门）（6）
　　
　　P13=（非门）（7）
　　
　　式中，P2、P3、P7分别为单片机的、、ALE信号；
　　
　　P8—与非门输出；P9—8155的A口中断信号；P13—生成的单片机外中断触发信号。
　　
　　按照上述逻辑关系生成的PLD文件经FM软件编译后，产生熔丝文件*.LED，然后通过编程器写入GAL16V8即可。