17 河北工程大学毕业设计说明书 4 系统硬件电路设计
4.1系统硬件概述
数据采集电路是系统的主要硬件部分，将称重传感器0~20mV的输出信号由数模转换器转换为24位精度的数字信号，即000000H~FFFFFFH中的一个值，然后送入单片机。速度数据采集部分，首先将测速传感器输出的脉冲信号进行光电隔离，然后由单片机对脉冲计数。数据采集工作完成后，由通信接口将24位转换数据和脉冲计数值送入上位机，在上位机中完成数据的量化和最终计算，实时显示计算结果，并且存入数据库。使用Altium Designer summer 08工具完成系统硬件的原理图和PCB板图设计。
Altium Disigner Sumer 08是美国Altium公司开发的设计电路板软件Protel的升级版本，沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel DXP大体相同，为了适应目前高密度和信号高速度的要求新增加了一些功能模块。在元件库中，整合了以前Protel DXP版本和Protel 99版本等各个版本的库文件，使功能更强大，使用更方便。
4.2系统微处理器
由于数据采集系统要求的芯片数据存储空间（RAM）和程序存储空间（ROM）都较小，固微处理器选择AT89S52芯片。
AT89S52是Atmel公司推出的与MCS-51兼容系列单片机。它是一种低功耗、高性能的微处理芯片。8KB片内Flash，可擦/写1000次以上；256字节片内RAM；全静态逻辑，工作频率范围0~24MHz；32个可编程I/O口；三级程序存储器加密；一个全双工串行口；三个16位定时/计数器；支持在线编程ISP（In System Programmable）功能。
4.2.1功能特性描述
AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 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 易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，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，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。
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18 河北工程大学毕业设计说明书 4.2.2引脚功能描述
图4-1AT89S52引脚图
AT89S52 VCC : 电源 GND: 地 P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O
口。作为输出口，每位能 驱动 8 个 TTL 逻 辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复 用。在这种模式下， P0 具有内部上拉电阻。 在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指 令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。
P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 输出缓 冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器的触发输入（P1.1/T2EX）。 在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。 引脚号第二功能 P1.0 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用）
P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓 冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因， 将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行
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19 河北工程大学毕业设计说明书 MOVX @DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上 拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁 存
器的内容。 在 flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信 号。
P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能。在flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。
4.3系统模数转换器
本系统称重传感器输出的信号为模拟量，需要转换为数字信号进行记录和处理，所以模数转换部件为本系统的重要部分，对整个系统的计量精度都会产生影响。由于悬梁式电阻应变称重传感器输出为频率较低的模拟量，所以需要模数转换部件具有精确的计量精度，但对响应速度没有过高要求。固本系统采用精度为24位的AD7730芯片作为模数转换器件。
AD7730是由美国ADI公司生产的24位无失码、双通道差分模式高分辨率模数转换装置，有效分辨率为21位，线性误差±0.0018%。AD7730是∑-△类型数模转换装置。∑-△类型数模转换装置同时具备反馈比较和双积分式两种数模转换器的优点，以电荷平衡式数模转换器改良而成，∑-△类型数模转换装置去掉了在电荷平衡式模数转换器中使用的复杂的稳定式电路，取而代之为结构简单的D触发器，这种设计使∑-△类型模数转换器件自身的电路组成对元件的精度要求降到了一个很低的层面。∑-△类型数模转换装置还同时具有双积分式模数转换器抑制串摸干扰的功能。∑-△类型是一个闭环的连续转换系统，所以对自身电路元器件的精度要求低于双积分式模数转换器，漂移与失调不会影响转换的精度。∑-△类型模数转换装置由于使用了数字式反馈比较方式，从而使用量化噪音大大降低、提高了转换精度、增强了系统的抗干扰能力、加快了相应速度、优化了线性度。
∑-△技术将量化噪声移到了系统数模转换频带之外，所以AD7730抗干扰能力强，适用于低频信号的动态模数转换。本系统采用AD7730转换悬梁式称重传感器输出的模拟量，并将转换结构送入单片机进一步处理。
4.3.1 AD7730的工作原理
设fs为采样频率，该芯片采集称重传感器的模拟信号时采用k倍过采样频率kfs，
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20 河北工程大学毕业设计说明书 内部通过信噪整形电路将fs/2信带宽度内的大量量化信噪移除模数转换器的转换频带，即移至fs/2至kfs/2之间的频带，从而使得系统量化信噪降低到之前的1 k。由于模拟低通滤波器只能滤除大于kfs/2频带宽度的信噪，所以需要利用采样抽取电路和数字滤波器来滤除频带无用信号和量化信噪，提取期望信号，提高转换分辨率和信噪比。使用的采用率应高于两倍输入信号频率，即fs>2fa，并且应符合Nyquist采样定律的原则。用户可以通过软件设置AD7730的工作方式寄存器，设置∑-△模数转换器的数字滤波器、信噪比、采样分辨率、采样频率，从而做出最优选择。
4.3.2 AD7730内部结构
图4-2 AD7730内部结构图
AD7730内部包含24位∑-△模数转换器、双路差分模拟输入通道、校正微型处理器、双向串行输入输出端口、两级可编程控制的数字滤波器和十三个功能控制寄存器。AD7730内部结构图如图4-2所示。
其内部的双路差分模拟输入通道，可以通过设置相应的功能寄存器的方式达到量程编程控制，传感器的量程可设置为四种单极性模拟信号以及四种双极性模拟信号范围，分别为：0~+10mV、0~+20mV、0~+40mV、0~+80mV、±10mV、±20mV、±40mV、±80mV，而且可以根据实际输入的传感器模拟信号电压幅度的不同改变量程。
多路转换器（MUX）的输出信号先与片内6为DAC的输出信号相加，从而使输入信号在可编程增益放大器（PGA）的额定量程之内，然后再加到系统PGA上。AD7730的DAC的失调值较大，对于输出信号的抵消电压范围可达±77.5mV。
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