發布日期：2022-10-09 點擊率：80
3.計步器系統硬件電路設計
3.1 加速度傳感器電路
因為計步器控制系統需要傳感器提供電信號，而由加速度傳感器模塊省略了調理電路和濾波電路，所以在電路設計與制作時較為方便。本身我們也可以選擇振動傳感器，而考慮到精確問題，最后選擇了加速度傳感器。理論上加速度傳感器如果被測物處于勻加速直線運動中應該是加速度傳感器有測量值而振動傳感器沒有，不過實際中基本可以用加速度傳感器只要讀值不為0即可認為有震動。
3.1.1 加速度傳感器的選擇
由于加速度傳感器是電路的核心部分，所以它的選擇格外重要，在選擇傳感器時我們應該注重以下幾點。
（1）靈敏度的選擇
靈敏度原則上來說是越靈敏越好， 最小加速度測量值也稱最小分辨率， 考慮到后級放大電路噪聲問題，應盡量遠離最小可用值，以確保最佳信噪比。最大測量極限要考慮加速度計自身的非線性影響和后續儀器的最大輸出電壓，估算方法：最大被測加速度×傳感器的電荷/電壓靈敏度， 以上數值是否超過配套儀器的最大輸入電荷/電壓值，建議如已知被測加速度范圍可在傳感器指標中的“參考量程范圍”中選擇(兼顧頻響、重量)，同時，在頻響、重量允許的情況下，靈敏度可考慮高些，以提高后續儀器輸入信號，提高信噪比。
在兼顧頻響、重量的同時，可參照以下范圍選擇傳感器靈敏度：土木工程原型和超大型機械結構的振動在 0.1g～10g 左右， 可選 3000pC/g～300pC/g 的加速度計，13機械設備的振動在 10g～100g 左右，可選擇 20pC/g～200pC/g 的加速度計，沖擊可選 0.1pC/g～20pC/g 左右的加速度計。
（2）頻率選擇
選擇加速度計的頻率應高于被測物的振動頻率，有倍頻分析要求的加速度計頻響應更高。土木工程是低頻，加速度計可選擇 0.2Hz～1kHz 左右，機械設備一般是中頻段，可根據設備轉速、設備剛度等因素綜合估計頻率，選擇 0.5Hz～5kHz 的加速度計。沖擊測量高頻居多。
加速度計的安裝方式不同也會改變使用頻響(對振動值影響不大)，安裝面要平整、光潔，安裝選擇應根據方便、安全的原則。這里給出同一只 KD1005 加速度計不同安裝方式的使用頻率：螺釘 5kHz，環氧或“502”4kHz，磁吸盤 1.5kHz，雙面膠0.5kHz，由此可見，安裝方式對測試頻響影響很大，應注意選擇。
加速度計的重量、靈敏度與使用頻率成反比，靈敏度高，重量大，使用頻率低，這也是選擇的技巧。
（3）內部結構
內部結構是指敏感材料晶體片感受振動的方式及安裝形式，有壓縮和剪切兩大類，常見的有中心壓縮、平面剪切、三角剪切、環型剪切。中心壓縮頻響高于剪切型，剪切型的環境適應性好于中心壓縮型。如配用積分型電荷放大器測量速度、位移時，最好選用剪切型產品，這樣所得信號波動小，穩定性好。
內置的概念是將電荷/電壓轉換放大電路置于加速度計內， 成為具有電壓輸出功能的傳感元件。它可分雙電源(四線)及單電源(二線并帶偏置的稱 ICP)兩種，下面所指內裝電路專指 ICP 型。目前，內置電路傳感器在國內使用較多的方面是用于機械故障、樁基檢測，不少在線監測項目上也在使用該類產品。ICP 傳感器的芯線作供電并又是信號輸出通道。內置電路傳感器靈敏度的選型計算：如選用目前最為通用的 100mV/g,可測 50g 以內振動，因為該傳感器動態范圍±5Vp，如測量 100g，則用 50mV/g 的加速度計，其余以此類推。內置電路的優勢是低價位，抗干擾好，可長線使用，但它的耐高溫、可靠性不如電荷輸出產品，且動態范圍也因輸出電壓和偏置電壓的作用而受到限制。
（5）環境影響
某些測試現場的環境較為惡劣，考慮的因素較多，如防水、高溫、安裝位置、強磁電場及地回路等，均會給測量帶來極大的影響。防水有兩個概念，淺層防水和深層防水，尤以深層防水為難，如三峽工程永久船閘閘門的振動監測，水深近百米，它涉及地回路干擾、高壓滲水、導線防護、長期可靠性等諸多問題。多數廠商給出的溫度范圍為可用值，而不是高溫狀況的靈敏度，實際上，高溫時靈敏度偏差較大，特殊用戶應向廠商索取專用的高溫時的靈敏度指標，靈敏度指標是保證測試準確的關鍵。加速度計永久安裝在現場會受到人為碰撞，應選擇工業型產品，在加速度計外加裝防護罩，這可同時起絕緣、防塵的作用，對出線方向有要求也應向廠商提出，對于不能觸及的部位，可用手持式加速度計(帶長探針)。14絕緣、地回路及磁電場輻射：輻射較強的測試現場，應選擇特殊外殼材料的加速度計和專用導線，此類研究國內罕見。對于多點接地、潮濕等現場，要解決好測試干擾則可用浮地或絕緣型加速度計。 為了克服多點接地產生地回路電流影響測試，可以選用浮地或絕緣傳感器。沒有特殊要求且干擾不大的工況，可用絕緣型加速度計。而永久型監測或干擾大的工況則應采用浮地型。這二種命名的區別在于絕緣型傳感器的外殼為信號地，底座采取絕緣方法，而浮地型產品的外殼為屏蔽層，要采取三線方式。附加質量：在振動結構上安裝的加速度計的質量只要小于結構自身質量的 1/10 即可，認為對被測信號無大影響。
3.1.2 幾種重要的加速度傳感器
（1）ADXL335
ADXL335 是一種熱對流式三軸加速度傳感器,經信號調理電壓輸出,最大測量范圍為±2g,X 和 Y 軸的帶寬從 0.5Hz 到 1600Hz,Z 軸帶寬從 0.5Hz 到 550Hz,具有良好的零 g 偏壓穩定性和良好的靈敏度精確度,特別適合于低頻、 高精度的控制、 測量場合。
圖 10.ADXL335 圖 11.ADXL335 內部結構
（2）MMA7260
MMA7260 三軸高靈敏度加速度傳感器，是一種電容式加速度傳感器，融合了信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，并且具有4種不同的高靈敏度選擇模式.
圖 12.MMA7260 圖 13.MMA7260 內部結構
（3）MMA7455
MMA745 是一款數字輸出（I2C/SPI） 、低功耗、緊湊型電容式微機械加速度計，具有信號調理、低通濾波器、溫度補償、自測、可配置通過中斷引腳（INT1 或 INT2）檢測 0g、以及脈沖檢測（用于快速運動檢測）等功能。0g 偏置和靈敏度是出廠配置，無需外部器件。客戶可使用指定的 0g 寄存器和 g-Select 量程選擇對 0g 偏置進行校準， 量程可通過命令選擇 3 個加速度范圍（2g/4g/8g） 。MMA745xL 系列具備待機模式，使它成為以電池為電源的手持式電子器件的理想選擇。
圖 14.MMA7455
在加速度傳感器的選擇上我們采取的是成本，功能，性能綜合考慮的原則。對于ADXL335 來說精度過高，它一般用于高精度，例如軍工等。對于 MMA7260 來說它的精度沒有 ADXL335 高，但它具有的多功能切換是多功能智能儀器的不二之選，但是由于計步器只是需要加速度傳感器而已， 對于使用 MMA7260 來說， 顯得過于奢侈了。而最后的 MMA7455，它的精度一般，但它足夠計算人們在步行或者跑步時候的頻率，而且它的內部電路如信號調理、低通濾波器、溫度補償、自測等功能齊全，所以綜上所述我們選擇 MMA7455 作為本次設計的傳感器芯片。
3.1.3 MMA7455的工作原理與管腳排列
MMA7455 數字三軸加速度傳感器模塊核心為MMA7455L數字三軸加速度傳感器，該模塊設計板卡線路經過高電磁兼容設計和優化，具有輸出精確，體積小，工作可靠，各種標識清晰，擴展性好等特點。MMA7455L 芯片安裝在帶DIP 插腳的印刷電路板（PCB）上。模塊主要參數包括 Z 軸自測，低壓操作：2.4V – 3.6V，用于偏置校準的用戶指定寄存器，可編程閥值中斷輸出，電平檢測17模式運動識別（沖擊、震動、自由下落） ，脈沖檢測模式單脈沖或雙脈沖識別，靈敏度 64 LSB/g @ 2g /8g 10 位模式，8 位模式的可選靈敏度（±2g、±4g、±8g），可靠的設計、高抗震性（5000g） ，環保型產品，低成本。
MMA7455加速度傳感器由2部分組成：G-單元和信號調理ASIC電路，如圖15所示。G-單元是機械結構，它是用半導體制作技術、由多晶硅半導體材料制成，并且是密封的，圖1中的積分、放大、濾波、溫度補償、控制邏輯和EEPROM相關電路、 振蕩器、時鐘生成器、以及自檢等電路組成，完成G-單元測量的電容值到電壓輸出的轉換。
圖 15
G-單元的等效電路如圖 16 所示，它相當于在 2 個固定的電容極板中間放置 1
個可移動的極板。當有加速度作用于系統時，中間極板偏離靜止位置。用中間極板偏離靜止位置的距離測量加速度，中間極板與其中一個固定極板的距離增加，同時與另一個固定極板的距離減少，且距離變化值相等。距離的變化使得 2 個極板間的電容改變(如圖 2 所示)，電容值的計算公式是：C=Ae/D，其中 A 是極板的面積，D是極板間的距離，e 是電介質常數。 信號調理 ASIC 電路將 G-單元測量的 2 個電容值轉換成加速度值，并使加速度與輸出電壓成正比。當測量完畢后在 INT1/INT2 輸出高電平， 用戶可以通過 I2C 或 SPI 接口讀取 MMA7455L 內部寄存器的值， 判斷運動的方向。自檢單元用于保證 G-單元和加速計芯片的電路工作正常，出電壓成比例。
圖 16 圖 17.MMA7455 的管腳排列
圖 18.MMA7455
對于 MMA7455 的引腳功能，
引腳 1 DVDD_IO 為 3.3V 電源輸入端（數字）
引腳 2 GND 為接地線
引腳 3 N/C 為空引腳，不接或接地
引腳 4 IADDR0 為 I2C 地址 0 位
引腳 5 GND 為接地
引腳 6 AVDD 為 3.3V 電源輸入端（模擬）
引腳 7 CS 為 SPI 使能(0)，I2C 使能(1)
引腳 8 INT1/DRDY 為中斷 1/數據就緒
引腳 9 INT2 為中斷 2
引腳 10 引腳 11 N/C 為空引腳，不接或接地
引腳 12 SDO 為 SPI 串行數據輸出
引腳 13 SDA/SDI/SDO為I2C 串行數據輸出/SPI 串行數據輸入/3 線接口串行數據
輸出。
引腳14 SCL/SPC為I2C 時鐘信號輸出/SPI 時鐘信號輸出。
3.1.4 MMA7455與單片機的接口電路
MMA7455與單片機的接口電路非常簡單，分別是SDA與SCL兩個接口與單片機
相連。傳感器其他部分如接地，接電源，懸空等都是固定接法。在VCC端口接3.3V到5V電源供電均可，另有兩個10千歐的電阻保護電路。
由于采用網絡標號，只需看到SDA，SCL分別接到14,15引腳。
圖19.傳感器與單片機連接圖
3.2 單片機系統電路
3.2.1 單片機最小系統
隨著電子技術的發展，單片機的功能將會更加的完善，因而單片機的應用將更加普及。單片機在家電，電子，軍工等控制方面得到更加廣泛的應用。單片機將是智能儀器應用最多的。單片機的最小系統是由組成單片機系統必需的一些元件構成的，除了單片機之外，還需要包括電源供電電路、時鐘電路、復位電路。
3.2.2 AT89S52 單片機簡介
AT89S52是一種低功耗、 高性能CMOS 8位微控制器， 具有8K 在系統可編程Flash存儲器。 使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造， 與工業 80C51 產品指令
和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。
AT89S52 具有以下標準功能：8k 字節 Flash， 256 字節 RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個 16 位 定時器/計數器，一個 6 向量 2 級中斷結構， 全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態邏 輯操作，支持 2 種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工 作。掉電保護方式下，RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅動 8 個 TTL 邏 輯電平。對 P0 端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當訪問外部程序和數據存儲器時，P0 口也被作為低 8 位地址/數據復用。在這種模式下， P0 不具有內部上拉電阻。 在 flash 編程時，P0 口也用來接收指令字節；在程序校驗時，輸出指令字節。程序校驗 時，需要外部上拉電阻。
P1 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅動4個TTL 邏輯電平。此外，P1.0 和 P1.1 分別作定時器/計數器 2 的外部計數輸入（P1.0/T2）和定時器/計數器 2 的觸發輸入（P1.1/T2EX） 。 在 flash 編程和校驗時，P1 口接收低 8 位地址字節。
引腳號第二功能：
P1.0 T2（定時器/計數器 T2 的外部計數輸入） ，時鐘輸出
P1.1 T2EX（定時器/計數器 T2 的捕捉/重載觸發信號和方向控制）
P1.5 MOSI（在系統編程用）
P1.6 MISO（在系統編程用）
P1.7 SCK（在系統編程用）
P2 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL） 。 在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數據存儲器（例如執行 MOVX @DPTR） 時，P2 口送出高八位地址。在這種應用中，P2 口使用很強的內部上拉發送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX @RI）訪問外部數據存儲器時，P2 口輸出 P2 鎖存器的內容。 在 flash 編程和校驗時，P2 口也接收高 8 位地址字節和一些控制信號。
P3 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，p3 輸出緩沖器能驅動4個TTL 邏輯電平。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用端口引腳第二功能：
P3.0 RXD(串行輸入口)
P3.1 TXD(串行輸出口)
P3.2 INTO(外中斷 0)
P3.3 INT1(外中斷 1)
P3.4 TO(定時/計數器 0)
P3.5 T1(定時/計數器 1)
P3.6 WR(外部數據存儲器寫選通)
P3.7 RD(外部數據存儲器讀選通
RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST 引腳出現兩個機器周期以上高電平將
是單片機復位。
ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節。一般情況下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。對 FLASH 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG） 。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的 8EH單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。
PSEN： 程序儲存允許 （PSEN） 輸出是外部程序存儲器的讀選通信號， 當 AT89S52由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。EA/VPP： 外 部 訪 問 允 許 ， 欲 使 CPU 僅 訪 問 外 部程 序 存 儲 器（ 地 址為0000H-FFFFH） ，EA 端必須保持低電平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復位時內部會鎖存 EA 端狀態。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端） ，CPU 則執行內部程序存儲器的指令。FLASH 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源 Vpp，當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。
XTAL1：振蕩器反相放大器和內部時鐘發生電路的輸入端。
XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。
圖20.單片機系統電路
3.3 LCD顯示電路
3.3.1 LCD1602簡介
在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產品中都可以看到，顯示的主要是數字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發光管、LED 數碼管、液晶顯示器。
1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。 它由若干個 5X7 或者 5X11 等點陣字符位組成， 每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義 CGRAM，顯示效果也不好） 。 1602LCD 是指顯示的內容為 16X2,即可以顯示兩行， 每行 16 個字符液晶模塊 （顯示字符和數字） 。 市面上字符液晶大多數是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。
圖21 LCD1602
3.3.2 LCD1602管腳功能
1602 采用標準的 16 腳接口，其中：
引腳 1：VSS 為電源地
引腳 2：VCC 接 5V 電源正極
引腳 3：V0 為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高
引腳 4：RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。
引腳 5：RW 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。
引腳 6：E(或 EN)端為使能端,高電平時讀取信息，負跳變時執行指令。
引腳 7～14：D0～D7 為 8 位雙向數據端。
引腳 15～16：空腳或背燈電源。15 腳背光正極，16 腳背光負極。
圖 22 1602 管腳圖
3.3.3 LCD1602顯示電路設計
1602與單片機的接法較為固定，1602 液晶的控制管腳都接到了單片25機管腳上，在功能設置指令中可以將液晶設為8 位數據接口和4 位數據接口，當然也可以當四位數據接口來用。液晶電源正端接5V，負端接地，背光正端接5V，負端接地。此外，液晶的偏壓管腳（VO）接到一個電位器的中間抽頭，電位器的兩端分別接5V 和地，這樣就可通過調節電位器來實現對1602 液晶對比度的調節。但由于考慮到最后制作PCB板的空間有限，不設計液晶對比度問題。
圖 23 LCD 與單片機連接圖
3.4 開關與電源電路
3.4.1 開關電路
在開關電路中，根據計步器所要實現的功能，我設定了 3 個基本按鍵，分別代表開始、停止與重新開始。它們的功能是通過軟件來實現的，分別與單片機相接，達到所要求的目的。在具體設計中，我采用四角開關，在接線時注意對角接為導通，平角接為短路。
圖 24.按鍵電路
三個按鍵分別接單片機的 p14p15p16 口，其中按鍵一是開始，在計步器通電后，按開始按鍵才能計數，不按開始鍵則無法計數。按鍵二為停止鍵，在計步器工作到一段時間使用者希望查看當前計步狀態，則可以停止當前計步。按鍵三為重新開始，特別注意的是重新開始無需再按按鍵一， 即可在原有的步數上繼續計步。 如要清零，則可以使用單片機復位鍵。
3.4.2 電源電路
電源電路中，我采用三節五號電池，4.5V 足夠帶動單片機、傳感器、LCD運作。只需要配上合適的電池盒，用導線在 PCB 板上焊好即可。簡單，方便。
圖 25.電源電路
在電源電路中放置了一個 LED 小燈泡，用來檢測電源是否損壞或者沒有連接好。（未完待續）
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