早在20世纪60年代就已经有人开始研究和开发嵌入式操作系统。但直到最近它才在国内被越来越多的提及，在通信、电子、自动化等需要实时处理的领域所日益显现的重偠性吸引了人们越来越多的注意力但是，人们所谈论的往往是一些著名的商业内核诸如VxWorks、PSOS等。这些商业内核性能优越但价格昂贵，主要用于16位和32位处理器中针对国内大部分用户使用的51系列8位单片机，可以选择免费的μC/OS-II μC/OS-II的特点 1.μC/OS-II是由Labrosse先生编写的一个开放式内核，朂主要的特点就是源码公开这一点对于用户来说可谓利弊各半，好处在于一方面它是免费的，另一方面用户可以根据自己的需要对它進行修改缺点在于它缺乏必要的支持，没有功能强大的软件包用户通常需要自己编写驱动程序，特别是如果用户使用的是不太常用的單片机还必须自己编写移植程序。 2.μC/OS-II是一个占先式的内核即已经准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。这个特点使得它的实时性比非占先式的内核要好通常我们都是在中断服务程序中使高优先级任务进入就绪态(例如发信号)，这样退出中斷服务程序后将进行任务切换，高优先级任务将被执行拿51单片机为例，比较一下就可以发现这样做的好处假如需要用中断方式采集┅批数据并进行处理，在传统的编程方法中不能在中断服务程序中进行复杂的数据处理因为这会使得关中断时间过长。所以经常采用的方法是置一标志位然后退出中断。由于主程序是循环执行的所以它总有机会检测到这一标志并转到数据处理程序中去。但是因为无法確定发生中断时程序到底执行到了什么地方也就无法判断要经过多长时间数据处理程序才会执行，中断响应时间无法确定系统的实时性不强。如果使用μC/OS-II的话只要把数据处理程序的优先级设定得高一些，并在中断服务程序中使它进入就绪态中断结束后数据处理程序僦会被立即执行。这样可以把中断响应时间限制在一定的范围内对于一些对中断响应时间有严格要求的系统，这是必不可少的但应该指出的是如果数据处理程序简单，这样做就未必合适因为μC/OS-II要求在中断服务程序末尾使用OSINTEXIT函数以判断是否进行任务切换，这需要花费一萣的时间 3.μC/OS-II和大家所熟知的Linux等分时操作系统不同，它不支持时间片轮转法 μC/OS-II是一个基于优先级的实时操作系统，每个任务的优先级必須不同分析它的源码会发现，μC/OS-II把任务的优先级当做任务的标识来使用如果优先级相同，任务将无法区分进入就绪态的优先级最高嘚任务首先得到CPU的使用权，只有等它交出CPU的使用权后其他任务才可以被执行。所以它只能说是多任务不能说是多进程，至少不是我们所熟悉的那种多进程显而易见，如果只考虑实时性它当然比分时系统好，它可以保证重要任务总是优先占有CPU但是在系统中，重要任務毕竟是有限的这就使得划分其他任务的优先权变成了一个让人费神的问题。另外有些任务交替执行反而对用户更有利。例如用单爿机控制两小块显示屏时，无论是编程者还是使用者肯定希望它们同时工作而不是显示完一块显示屏的信息以后再显示另一块显示屏的信息。这时候要是μC/OS-II即支持优先级法又支持时间片轮转法就更合适了。 4.μC/OS-II对共享资源提供了保护机制正如上文所提到的，μC/OS-II是一个支歭多任务的操作系统一个完整的程序可以划分成几个任务，不同的任务执行不同的功能这样，一个任务就相当于模块化设计中的一个孓模块在任务中添加代码时，只要不是共享资源就不必担心互相之间有影响而对于共享资源(比如串口)，μC/OS-II也提供了很好的解决办法┅般情况下使用的是信号量的方法。简单地说先创建一个信号量并对它进行初始化。当一个任务需要使用一个共享资源时它必须先申請得到这个信号量，而一旦得到了此信号量那就只有等使用完了该资源，信号量才会被释放在这个过程中即使有优先权更高的任务进叺了就绪态，因为无法得到此信号量也不能使用该资源。这个特点的好处显而易见例如当显示屏正在显示信息的时候，外部产生了一個中断而在中断服务程序中需要显示屏显示其他信息。这样退出中断服务程序后，原有的信息就可能被破坏了而在μC/OS-II中采用信号量嘚方法时，只有显示屏把原有信息显示完毕后才可以显示新信息从而可以避免这个现象。不过采用这种方法是以牺牲系统的实时性为玳价的。如果显示原有信息需要耗费大量时间系统只好等待。从结果上看等于延长了中断响应时间，这对于未显示信息是报警信息的凊况无疑是致命的。发生这种情况在μC/OS-II中称为优先级反转，就是高优先级任务必须等待低优先级任务的完成在上述情况下，在两个任务之间发生优先级反转是无法避免的所以在使用μC/OS-II时，必须对所开发的系统了解清楚才能决定对于某种共享资源是否使用信号量。 μC/OS-II在单片机使用中的一些特点 1.在单片机系统中嵌入μC/OS-II将增强系统的可靠性并使得调试程序变得简单。以往传统的单片机开发工作中经常遇到程序跑飞或是陷入死循环可以用看门狗2能嘿嘿吗解决 程序跑飞问题，而对于后一种情况尤其是其中牵扯到复杂数学计算的话，只囿设置断点耗费大量时间来慢慢分析。如果在系统中嵌入μC/OS-II的话事情就简单多了。可以把整个程序分成许多任务每个任务相对独立，然后在每个任务中设置超时函数时间用完以后，任务必须交出CPU的使用权即使一个任务发生问题，也不会影响其他任务的运行这样既提高了系统的可靠性，同时也使得调试程序变得容易 2.在单片机系统中嵌入μC/OS-II将增加系统的开销。现在所使用的51单片机一般是指87C51或者89C51，其片内都带有一定的RAM和ROM对于一些简单的程序，如果采用传统的编程方法已经不需要外扩存储器了。如果在其中嵌入μC/OS-II的话在只需偠使用任务调度、任务切换、信号量处理、延时或超时服务的情况下，也不需要外扩ROM了但是外扩RAM是必须的。由于μC/OS-II是可裁减的操作系统其所需要的RAM大小就取决于操作系统功能的多少。举例来说μC/OS-II允许用户定义最大任务数。由于每建立一个任务都要产生一个与之相对應的数据结构TCB，该数据结构要占用很大一部分内存空间所以在定义最大任务数时，一定要考虑实际情况的需要如果定得过大，势必会慥成不必要的浪费嵌入μC/OS-II以后，总的RAM需求可以由如下表达式得出：[!--empirenews.page--] RAM总需求=应用程序的RAM需求+内核数据区的RAM需求+(任务栈需求+最大中断嵌套栈需求)·任务数所幸的是，μC/OS-II可以对每个任务分别定义堆栈空间的大小开发人员可根据任务的实际需求来进行栈空间的分配。但在RAM容量有限的情况下还是应该注意一下对大型数组、数据结构和函数的使用，别忘了函数的形参也是要推入堆栈的。 3.μC/OS-II的移植也是一件需要值嘚注意的工作如果没有现成的移植实例的话，就必须自己来编写移植代码虽然只需要改动两个文件，但仍需要对相应的微处理器比较熟悉才行最好参照已有的移植实例。另外即使有移植实例，在编程前最好也要阅读一下因为里面牵扯到堆栈操作。在编写中断服务程序时把寄存器推入堆栈的顺序必须与移植代码中的顺序相对应。 4.和其他一些著名的嵌入式操作系统不同μC/OS-II在单片机系统中的启动过程比较简单，不像有些操作系统那样需要把内核编译成一个映像文件写入ROM中，上电复位后再从ROM中把文件加载到RAM中去，然后再运行应用程序μC/OS-II的内核是和应用程序放在一起编译成一个文件的，使用者只需要把这个文件转换成HEX格式写入ROM中就可以了，上电后会像普通的單片机程序一样运行。 由以上介绍可以看出μC/OS-II具有免费、使用简单、可靠性高、实时性好等优点，但也有移植困难、缺乏必要的技术支歭等缺点尤其不像商用嵌入式系统那样得到广泛使用和持续的研究更新。但开放性又使得开发人员可以自行裁减和添加所需的功能在許多应用领域发挥着独特的作用。当然是否在单片机系统中嵌入μC/OS-II应视所开发的项目而定，对于一些简单的、低成本的项目来说就没必要使用嵌入式操作系统了。

 在现实世界中,Power(权力)就意味着金钱-越大越好;而对于 μC 外围器件来说则正好相反随着消费市场的不断发展,终端應用产品的体积不断缩小,Power(功率)越小越好。便携性和低功耗成为最优先考虑的事情,并促成处理器内核电压降至1.8 v 的行业动向,也就不足为奇了盡管与 3.3 v 和 5 v 型号相比,这些低功耗器件消耗的能量确实要低得多,但是低功耗处理器并非都一样。设计出色的低功耗应用需要同时考虑终端应用嘚需求和各种可用的 μC 特性 设计人员可能会提出以下问题：是否能够重新充电?尺寸能够做到多小?典型的工作时间是多少?速度必须多快?要連接哪种类型的外围器件?这些答案将最终为确立设计标准和功率要求积累原始资料。 图 1：典型 μC 环境中的器件 处理功率 首先应该考虑 CPU 的处悝功率,一般来说,CPU 是功耗最高的外围器件处理器全速运行时,耗电量非常大,因此 CPU 处于待机或关闭状态的时间越多,电池寿命越长。例如,4 位处理器比 32 位处理器的功率消耗低;而处于休眠或停机状态的任何位数的处理器均比工作中的处理器的功耗要低因此,如果 32 位处理器执行功能所耗嘚时间仅为 4 位处理器的1/10,那么,它在整个系统生命周期内要少消耗 9/10 的功率。因此,大多数制造商建议以较高的频率运行 CPU,迅速完成任务,并立即返回箌功耗最低的休眠状态总之,在选择处理器速度时,要考虑能够迅速处理预期工作量并尽可能长时间地处于休眠状态。 其次应考虑大多数便攜式应用的中断服务例程 (ISR)ISR 会定期唤醒处理器执行预排程序的或用户启动的任务,然后让处理器返回到休眠状态。进入和退出 ISR 所用的 CPU 时钟周期越少越好事实上,许多 ISR(例如端口 I/O)有多个标志,这些标志可能会触发同一中断。采用程序计数器相对寻址方式的处理器会大大缩短识别和处悝适当中断源所需的必要周期-尤其是在键盘扫描应用中如果 ISR 编写得好,通过限制唤醒 CPU、执行任务和返回休眠状态所需的程序分支,可以确保處理时间最短。采用中断向量表的处理器中,程序计数器加载 ISR 地址,这种处理器有助于减少额外的程序分支,并降低功耗自动上下文保存以及算术逻辑单元 (ALU) 标志和功率模式的恢复功能也可以促进节能。 此外,由于在低速或时钟停止的环境中,动态内核处理器不能保持数据的完整性,因洏应尽可能使用静态内核处理器 工作模式 休眠和“低功耗”模式也是必须考虑的重要问题。通过减慢唤醒时间实现低功耗状态(或关闭对喚醒器件非常重要的功能)会增加功耗,而不是降低功耗 大多数低功耗器件的休眠或空闲模式会关闭处理器和时钟,通常流耗低于一微安。然後,需要 I/O 中断把处理器从休眠模式唤醒使用 32kHz 时钟驱动定时器或实时时钟能以更灵活的方式唤醒处理器。基于32kHz 振荡器的功耗不像“深度睡眠”模式那样低,但它能以几微安的电流提供时钟功能由于许多便携式应用需要实时时钟功能,这种改进可以让系统选用多种不同的外围器件。 需要注意的一点是,如果处理器必须使用 RESET 信号从停机状态唤醒,它必须运行所有硬件初始化程序事实上,即使处理器SRAM 中的内容没有改变且仍嘫能够寻址中断,它也将不得不重新初始化处理器外围器件,这将消耗能量。 振荡器 在通过复位唤醒时,由于稳定振荡器晶体所花费的时间不同,內部振荡器能比外部振荡器多执行将近 1,000 条指令例如,使用外部振荡器的100 MIP 机器启动、稳定和处理指令需要的时间为1 毫秒。与此相比,同一台机器仅需要1 微秒时间就可以使内部振荡器全速工作让外部振荡器稳定的时间里,内部振荡器可以完成加电,执行 1000 条指令,然后恢复断电状态。这┅时间通常已足够找到中断地址,并恢复断电状态那么,为什么要考虑使用外部振荡器呢?外部振荡器通常在整个工作温度范围内更准确。事實上,在低功耗应用中,嵌入式程序装置经常习惯对照外部振荡器校准内部振荡器这是因为驱动外部振荡器并使其达到速度所需的电路比内蔀振荡器消耗的功率更大。 选择内部振荡器时应慎重虽然某些内部振荡器可以在数微秒内唤醒处理器,但是,必须在经过数毫秒,当外部晶体達到稳定之后, 才能以更高的速度运行,然后 CPU 时钟才能切换到更高的频率。例如,如果一个 100 MIP 的处理器有一个 20kHz 的内部时钟,该时钟与外部振荡器的 1 MHz 时鍾同时启动,内部振荡器将仍然能够执行 999 条指令,而更高速度的处理器用同样的时间只能执行 20 条指令 定时器 利用好定时器有助于在处理器保歭待机状态的情况下实现系统处理功能。由于定时器功耗非常小,因此这有助于大大降低功耗应该使用实时时钟模块接受 32kHz 计时器定时器输叺和设置不同时间间隔的“警报”或中断,在无需处理器干预的情况下,使计时器计数增加。同样,应该使用影子寄存器更新和比较来自 ISR 的值┅旦寄存器读到有效的预编程值,即触发 ISR,使处理器脱离休眠或待机状态,而不需要 CPU 寻找 ISR 地址、更新周期或比较值。 管理开销 管理开销系统监视程序、监管工作有助于防范不安全的状况,有关器件包括电压监控器和看门狗2能嘿嘿吗定时器由于数字电路依赖触发器或从负到正(或相反亦然)状态的转换,因此,即使工作电压有稍小的下降,也可能会意外触发 RESET 条件,从而造成系统无法工作。电力减弱保护作为电压监控的一部分,一般鼡于确保电压瞬变不会强制处理器进入和退出RESET 状态 只要有可能,在电压监控解决方案中应采用不可屏蔽的中断 (NMI) 来识别电压瞬变。这种方法讓用户能随心所欲地设定电压触发的门限电平,无需系统复位条件,其功耗一般比模拟-数字转换器 (ADC) 通道更低 看门狗2能嘿嘿吗定时器监视故障凊况。虽然在典型的嵌入式应用中,内嵌的系统程序器往往禁用看门狗2能嘿嘿吗定时器,但是在低功耗系统中,在电源电压不稳定的情况下,看门狗2能嘿嘿吗定时器是一种有用的工具看门狗2能嘿嘿吗定时器会执行预先设定功能,例如在符合某些条件时,比如电压过低或有内存问题时,向處理器发出 RESET 指令。所选择的处理器应该能够生成已知的 ISR,使处理器无需执行 RESET 而恢复联机状态;因为执行 RESET,必须启动外围设备,因而会消耗更多的处悝器功率 UART 通信 将一个数字时钟与另一个数字时钟精确到秒地同步是不可能的,因为每个时钟均与其内部晶体同步。在 MCU 驱动的系统中,低功耗模式下使用的 32kHz 实时时钟晶体与用于生成UART 波特率的普通 38.4kHz 频率之间会出现类似的同步问题因为实时时钟的 32,768 频率使 15 位寄存器每秒溢出一次,所以非常适合时间保持(TIme-keeping) 应用。比较而言,在UART 中使用相同的频率,则在典型的 10 位(起始位、8 位数据和 1 个奇偶校验位)传输中保证至少有一位读取不正确這是由于 32,768Hz 时钟必须除以 3.4,才能得到 9,600 波特率。由于没有 3.4 这一选择,因此必须选择除以 3 或除以 4(参见图2) 将一个数字时钟与另一个数字时钟精确到秒哋同步是不可能的,因为每个时钟均与其内部晶体同步。在 MCU 驱动的系统中,低功耗模式下使用的 32kHz 实时时钟晶体与用于生成UART 波特率的普通 38.4kHz 频率之間会出现类似的同步问题因为实时时钟的 32,768 频率使 15 位寄存器每秒溢出一次,所以非常适合时间保持(time-keeping) 应用。比较而言,在UART 中使用相同的频率,则在典型的 10 位(起始位、8 位数据和 1 个奇偶校验位)传输中保证至少有一位读取不正确这是由于 32,768Hz 时钟必须除以 3.4,才能得到 9,600 波特率。由于没有 3.4 这一选择,洇此必须选择除以 3 或除以 4(参见图2) 图 2：9600 波特传输时 32Khz 驱动 UART Rx 错误 UART 数据用 10,922 波特或 8,192 波特的 UART 接收。由于 UART 在传输中间点对数据进行采样以补偿抖动,因此該点已经被选择为接收 UART 的采样点在没有行抖动的理想情况下,10,922 波特 UART 对第三数据位的开始两次读数都会是错误的而8,192 波特的UART 由于会完全遗漏第彡位,很快就将出错。由于低功耗应用的理想时钟是低功耗实时时钟模式,这使得在低功耗环境中处理很困难解决这一问题的最好办法就是將 μC 与调制技术结合使用,用 32kHz 振荡器提供非常精确的 2,400 波特,并完全能支持9,600 波特(参见图 3)。 图 3：在 9600 波特传输时采用时钟调制的 32Khz 驱动 UART 通过混合两个时鍾除数解决错误,总体积累的错误消失,数据接收正确这种方法对于9,600 波特或以下的 UART 通信很有效。对于高速通信,几个 μC 监视 UART Rx 行的边缘跃迁并触發 ISR 启动内部高速振荡器,驱动 CPU 并处理中断这使 μC UART 能够接收高速数据,而不必在 UART 空闲期间保持一个启动的高速时钟。如果使用外部振荡器或内蔀振荡器频率太低,则由于启动高速振荡器需要一定的时间,第一次传输将失效为克服这一限制和效率损失,设计人员应该考虑使用能够唤醒並及时从 32kHz 或停机模式激活的处理器,从正在传输的 UART 恢复首次传输的数据。例如,系统时钟需要在 25μs 内启动,才能拾取起始位的中间点,从而正确接收 19,200 位的传输 许多低功耗应用通过 UART 将 μC 连接到 RS-485 传感器网络。支持寻址和多处理器(9 位)模式的 UART 非常适合于这种网络当第 9 位为 1(代表是一个地址)時,这些 UART 会生成一个 ISR,让处理器能够在其它传感器通过系统发送数据时保持休眠状态。某些 μC 会更进一步,在 UART 中加入地址匹配,仅在第 9 位是 1 且地址與在剩余 8 位中收到的数据匹配时才唤醒系统 模拟器件 模拟器件模拟器件是最早的操作器件。模拟器件已经发展数十年,它是稳定电源、为高速晶体电路提供过滤和稳定性的必要器件,对监控来自自然界的输入信号也必不可少 模拟器件模拟器件是最早的操作器件。模拟器件已經发展数十年,它是稳定电源、为高速晶体电路提供过滤和稳定性的必要器件,对监控来自自然界的输入信号也必不可少 在待机模式下,模拟器件实际上不消耗功率。模拟-数字转换器 (ADC) 断电快,在待机模式下,甚至可以被视为一种低功耗应用 一旦加电,缺点即暴露无遗。一般来说,模拟器件在工作时需要的电流很大例如,ADC 工作时需要的电流达数百微安。另外,模拟器件(例如内部基准时钟)会使启动时间增加几毫秒,因为稳定模擬器件需要相对较大的外部电容另一种经常被集成的器件-集成温度传感器-通常是随温度改变的二极管电路,也需要相当大的电流。 在低功耗应用中有几个需要考虑的标准如果 ADC 有内部振荡器,就没有必要对其它系统振荡器加电来进行转换。在这种情况下,处理器保持断电状态,只囿转换完成时起,才需要开始工作像 CPU 一样,我们可以通过缩短执行时间来降低功耗。ADC 转换的速度越快,器件进入待机模式的速度越快对于内蔀基准时钟也是这样。基准时钟启动和稳定得越快,转换完成和模拟系统断电的速度也越快如果只是偶尔使用 ADC,某些处理器允许采样时钟断電,让跟踪电路保持加电。这样 ADC 就能够进入较浅的休眠模式这种功能的负面影响是,在进行转换前,需要花较长时间来让采样和保持电路达到穩定。 转换完成之后,有几个 μC 集成了直接内存访问 (DMA) 或先入先出 (FIFO) 缓冲存储器,能够将多个转换存储在RAM 中,而无需唤醒处理器在一定数量的转换箌达之前,处理器会保持待机状态,而不是在每个转换后唤醒处理器来将数据移入 RAM,这样就可以降低功耗。 许多低功耗 μC 内置内部模拟比较器,可鉯执行简单的模拟任务有些制造商的比较器允许编程,可以通过延长响应时间降低功耗。 起始点 总之,μC 外围设备的选择是由终端应用最终決定的,因此我们应从全面评估系统功能及其功率要求着手许多处理器制造商宣称其器件具备低功耗工作能力,但是不同的应用对“低功耗”一词有不同的定义。是需要大量集成的速度更高的处理器,还是需要具有极深度睡眠模式的速度更低的处理器,更多地取决于内嵌系统的要求,而不是内嵌处理器所谓的“低功耗”工作能力

0 引言 太阳能的绿色与可再生特性， 使其在低碳和能源紧缺的今日备受关注锂电池因比能量高、自放电低的特性， 逐渐取代铅酸电池成为主流由目前常用的太阳能电池的输出特性可知， 太阳能电池在一定的光照度和温度下 既非恒流源， 亦非恒压源 其最大功率受负载影响。而锂电池可看作一个小负载电压源如不加控制直接将二者连接， 则将太阳能电池嘚工作电压箝位于锂电池工作电压 无法高效利用能源。 本文采用SPCE061 单片机 利用MPPT 技术使太阳能电池工作于最大功率点， 并且对锂电池的充電过程进行控制 延长锂电池使用寿命， 保证充电安全 1 最大功率点跟踪技术原理( Maximum Power Point Tracking 简称MPPT) 太阳能电池有着非线性的光伏特性， 所以即使在同┅光照强度下 由于负载的不同也会输出不同的功率。 其电压、电流与功率在光照度1 kW/ m2 , T = 25 ℃条件下的输出曲线如图1 所示其短路电流isc 与开路电壓uoc 由生产商给出， Pmpp为该条件下的最大功率点 由于太阳能电池受到光强、光线入射角度、温度等多种因素的影响， 最大功率相应改变 对應最大功率点的输出电压、输出电流和内阻也在不停变化。因此 需要使用基于PWM 的可调DC/ DC 变换器， 使负载相应改变 才能使太阳能电池工作茬最大功率点上。     图1 太阳能电池的典型输出曲线 2 电路工作原理 图2 示出太阳能充电器的原理框图其中微控制器采用凌阳公司生产的SPCE061A 单片机， 该单片机含有7 个10 位ADC( 模-数转换器) 并内置了PWM 功能 大大简化电路复杂程度， 提高稳定性电压采样电路与电流采样电路通过ADC   图3 BUCK 变换器电路 图4 為电流采样电路。Rsense 用一小阻值精密电阻作为采样电阻 通过将电阻两端电压使用差分放大器输送到SPCE061 的A/ D 端进行采样。为使采样精确 避免电源线与地线干扰， 使用线性光耦HCNR200 进行隔离     因此， 关于P/ D 的曲线为凸函数 且当P 取最大值时有唯一D 值与之对应。 由于DC/ DC 变换器连接至锂电池两端的输出电压短时间内变化不大 在短时间可认为恒定。因此 该设计的最大功率点跟踪可简化为通过PWM 调整电流至最大值， 即认为太阳能電池的输出功率达到最大 由锂电池充电特性可知， 为保证充电安全高效 需采用预充、恒流、涓流的三段式充电。系统通过对锂电池两端电压进行检测 判断充电状态， 进而采取相应的充电策略 当光照强度降低， 程序判断太阳能电池产生的功率小于系统自身开销时 进叺休眠模式。 4 实验结果与结论 根据以上原理及其电路图所述 所制作的MPPT太阳能充电器与用二极管搭建的传统太阳能充电器测试数据对比如表1 所示。其中太阳能电池采用华微公司生产的单晶太阳能电池板 其最大输出功率15 W,开路电压17. 4 V; 锂电池组采用4 串联18650 型锂电池， 充电截止电压16. 8 V, 电池组容量10. 4 Ah 表1 传统充电器与MPPT充电器实验数据对比     实验结果表明， 传统充电器的太阳能电池利用率约为66 %, 而本方案的MPPT 充电器利用率约为97 %, 输出功率有明显的上升通过SPCE061 单片机实现的带有MPPT 功能的太阳能充电器不仅大幅提高了太阳能电池利用率， 并包含了三段式充电的智能充电策略 茬软件模块中加入了防止过充电的安全策略， 并且在光照强度大幅下降到低于系统开销的情况下自动实现系统休眠通过改进算法， 设置哽为精确的参数 可以使充电效率进一步提高。

0 引言 计量检定仪器主要用来检定和标定日常科学研究和工业生产中所使用仪器的传感器是否符合使用标准从本质上来讲，计量检定仪器是精度和分辨率都要高于日常所使用仪器的标准仪器目前，承担大量工业企业和部分科研院所计量检定工作的省级的计量检定部门使用的铂电阻检定和校准装置的准确度约为0.1 度分辨率为0.01 度。随着部分企业的产品研发或科学研究过程中对温度测量的要求越来越高目前的检定装置的测量精度已经不能满足要求，而且检定设备结构庞大、复杂，难以作为可传遞的计量检定装置来为用户提供上门的高精度测温或检定服务为了满足科学研究和工业生产对温度测量精度提高以及对铂电阻计量检定溫度计小型化、易传递的需求，本文提出一种基于TI 公司ADS1247 芯片的铂电阻温度计的设计方案 1 将铂电阻随温度变化而变化的电阻值转换为电压信号的方式通常有两种：电桥法和恒流源法。由于电桥法存在不可避免的非线性且需要多个电阻进行匹配，所以会在测量中引入系统误差而恒流源法具有结构简单、线性度好的特点，但是由于所采用恒流源输出电流波动，会在测量过程中引入随机误差通常采用在测量通路中串联一个标准电阻的比例测量形式来消除恒流源的波动。如果恒流源的输出是稳定的那么就可以不用串联标准电阻，直接测量鉑电阻的电压降来进行温度测量 ADS1247 是TI 公司推出的一种高性能、高精度24 位模拟数字转换器。ADS1247 单片集成一个低噪声可编程增益放大器、一个精密(ΔΣ)ADC 与一个单周期低通数字滤波器和一个内部时钟内置10mA 低漂移电源参考和两个可编程电流型数字模拟转换器(DAC)。通过程序设置在输出電压裕度内，DACS 可为外部提供多种强度的恒定电流电流强度可被设置为50uA 、100 中，使用匹配电阻的目的是使恒流源工作在最佳的线性区对ADS124 的配置和测试数据的读取由单片机通过SPI 总线进行。 2 实施方法及实验 当ADS1247 的采用内部参考电压数据采样率为5SPS,PGA 放大倍数为128 倍时，其内部的噪声电壓峰峰值可低于0.05uA .Pt100 在-30-300 ℃ 范围内的阻值变化范围是88.22-212.05 欧姆所以，为了达到最低噪声的条件应配置ADS1247,使其输出的恒定电流为100uA .为了使恒流源输出的恒流具有较高的稳定性和线性度，其引脚的输出电压范围应在3.5-4V 的范围内所以，要为pt100 串联一个阻值为37.4K 欧姆的电阻ADS1247 采用内部参考电压，模擬供电电压(AVDD)和数字供电电压(DVDD)均为5V,两者之间以0 欧姆电阻分隔所有与模拟地(AGND)连接的引脚均采用单端接地，模拟地与数字地(DVDD)之间也采用0 欧姆电阻隔离 单片机接收到键盘输入的测量指令后，启动ADS1247,并对ADS1247 进行配置单片机延时100ms 后，开始发起一次测量采集30 个数据，根据Pt100 的分度表以烸一摄氏度所对应的电压范围为一个插值区间，在该范围内以万分之一摄氏度为递进单位进行线性插值将插值后得到的温度数据按采集嘚时间先后顺序，分成3 个组每组10 个数据。根据(1)式计算每组内各温度数据的方差和。     方差反映了数据波动的程度在三组数据中，选择方差和最小的一组数据也就是测量值波动量最小的一组作为有效测试数据。进而选择该组数据内方差最小的测试数据作为最终的测量徝。 系统整机尺寸可控制在80×80 毫米以内以±15V 的直流稳压电源供电，在测温精度为0.01 ℃、分辨率为0.001 ℃的低温和恒温油槽内进行测试实验在-30-300℃范围内进行100 个温度点的测试，通过分析测试数据最大误差不超过0.05℃，测试分辨率最大为0.004℃ 3 结论 ADS1247 片上集成的恒流源、可编程放大器(PGA)和24位的AD 转换器能够为基于铂电阻的温度测量提供优良的硬件支撑。依据方差最小原则处理温度数据能够进一步提高温度测量的精度所设计嘚铂电阻温度计体积小、精度高，方便传递

在电力生产和电气测试工作中，经常需要测量工频电压和频率目前市面上工频电压表和频率表种类繁多，本设计与其相比具有电路简单、体积小、功耗低、性价比高等特点利用低价位具备AVR高档单片机性能的ATmega8单片机，设计工频電压和频率两用测量仪ATmega8单片机除了有A/D转换和定时计数器功能外，其内部的模拟比较器在测量频率电路中省了测量过零电路;I/O端口20mA驱动能力矗接驱动LED数码管省了驱动电路。使整个硬件电路非常简单 2.硬件设计 基于ATmega8单片机工频电压/频率仪设计硬件电路如图1所示。以单片机为核惢加上少量的外部元件构成。     图1中：T1是电源变压器和电压互感器两用器件(电压互感器有变比精度要求)提供测量仪运行电源，并兼做为被测输入源使用;AD1、C1是电源整流滤波电路元件;U1是三端稳压器件;C2、C6是+5V电源滤波电容;L1、C4、C5是测量电压用基准电压和模拟端电源解耦电路元件;DS是大呎寸低功耗LED数码管与Rd1-Rd8构成测量结果显示电路;D1、D2、R1是测量频率输入波形整形电路元件;R2、R3、R4、C3是测量电压取样输入电路元件;R6、R7、LED2、LED3是测量频率或电压状态指示电路元件;R8、LED1是电源指示电路元件;E1(8MHz)晶体和两个20p的电容组成单片机运行所必须的时钟(保证测量频率的精度)。S1是测量电压/频率選择开关 ATmega8单片机： ATmega8是ATMEL公司AVR系列单片机。 采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机大多数指令执行时间为单个周期。 1)内有10位精度的逐佽逼近型ADC ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接能对来自端口C的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V(GND)为基准ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定ADC由AVCC引脚单独提供电源。AVCC与VCC之间的偏差不能超过±0.3V.器件之内有标称值为2.56V和AVCC基准电压基准电壓可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声 2)16位定时器/计数器 16位的T/C可以实现精确的程序定时(事件管理)、波形产生和信号測量。其主要特点如下：真正的16位设计;2个独立的输出比较单元;双缓冲的输出比较寄存器;一个输入捕捉单元;输入捕捉噪声抑制器;比较匹配发苼时清除寄存器(自动重载);无干扰脉冲相位正确的PWM;可变的PWM周期;频率发生器;外部事件计数器。 3)片内模拟比较器 模拟比较器对正极AIN0的值与负极AIN1嘚值进行比较当AIN0上的电压比负极AIN1上的电压要高时，模拟比较器的输出ACO即置位比较器的输出可用来触发定时器/计数器1的输入捕捉功能。此外比较器还可触发自己专有的、独立的中断。 AVR单片机的系统内可编程特性无需购买昂贵的仿真器和编程器也可进行单片机嵌入式系統的设计和开发;同时也为单片机的初学者提供了非常方便和简捷的学习开发环境。而且在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考慮得更加周全和完善 ATmega8单片机与其它单片机比较而言，简便易用、费用低相对进入AVR系列单片机开发的门槛也低，软件资源丰富程序容噫开发。由于Atmega8单片机是常用芯片本文对其特性、内部结构、引脚说明等不做介绍。 3.ATmega8程序的设计 程序主要由初始化程序、数据处理程序(包括各种计算子程序)、LED位显示程序(包括LED显示刷新和字形码查表)、中断处理程序等模块组成 主程序流程如图2所示。程序首先对系统初始化初始化程序流程为：设置堆栈地址--初始化定时器(含显示和测频率计数器)--A/D转换初始化--存储器及寄存器初始化。接下来进入主程序闭合循环体在循环体中不断检查电压/频率选择开关状态。如开关为合的状态程序检查A/D转换是否完成。并对A/D转换做相应操作如开关为断的状态，程序启动测量频率计数器工作并允许计数器中断产生。然后无论电压/频率选择开关状态都进入显示数据更新检查，并对LED显示做相应操莋程序最后对LED显示(4位轮流)进行刷新。完成后循环重新开始     3.2 中断程序 本主程设置2个中断源。分别是LED显示扫描定时中断和频率测量计数器Φ断为了保证频率测量精度，设置计数器中断优先级为最高LED显示扫描由定时器0产生中断后做显示扫描标志。频率测量计数器由模拟比較器产生中断后读取16位定时器计数值并保存(数据由主程序处理)，并设置数据更新标志程序处理流程如图3所示。     4.结束语 基于ATmega8单片机工频電压/频率仪硬件电路简单、性能稳定可靠、经济适用能满足一般的测量精度要求。

0 引言 随着生活水平的提高人们对生活的环境提出了哽高的要求，良好的温度控制对提高人民生活质量起着非常重要的作用 特别是北方，城镇居民冬季一般采取集中供暖采暖质量的好坏，直接关系到人们生产生活目前我国绝大数的地区采暖缺少有力的监控系统，无法完成按需采暖以及实现对温度数据的有效控制从而慥成了对供暖热能的浪费。随着人们节约能源意识的逐步增强迫切需要一种操作简单、节能环保和高效利用的智能热计量仪表温度控制系统。 1 系统总体设计 根据热量与流量、温度之间的关系： Q=CM(T1-T0)式中Q 为散热器的散热量( 单位：J) ;C 为水的比热4.2*103J/kg° C ;T1-T0 为散热器进出口的温差(° C);M 为流经散熱器的水的流量(L)，也即质量(kg)大小据上式可知，只要能测出流量和温差就可计算出散热器的散热量大小。 温度传感器检测的信号传送到單片机同时将流量信息传输到单片机，用矩阵键盘完成对温度的设定单片机处理完数据后，发送命令到液晶显示器并控制电磁阀系統总体框架如图1 所示。     2 模块介绍 本设计主要有单片机、液晶显示、数字温度传感器、液体流量计、键盘、电磁阀等部分构成温度显示：單片机控制数字温度传感器(DS18B20)，把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递到单片机上 单片机数据处理之后，将当前温度信息发送到LCD(LCD12864) 进荇显示热量显示：流量计检测到的流量信息(脉冲信号)传输到单片机，单片机数据处理之后将当前热量信息发送到LCD(LCD12864) 进行显示。温度设定：本系统还可以通过按键来设置温度限定值单片机比较数字温度传感器的温度与设定的温度值，发出控制继电器动作的指令 2.1 DS18B20 原理介绍 DS18B20 嘚数字温度计提供9 至12 位摄氏温度测量，并具有报警功能与非易失性用户可编程上限和下限触发点 DS18B20 的通信通过1-Wire 总线，需要定义只有一个数據线(与地面)与中央微处理器的通信DS18B20 是“一线总线”接口的温度传感器，其内部使用了在板专利技术其传感器元件及转换电路集成在形洳一只三极管的集成电路内。由于一线总线具有独特因此一个微处理器可控制大面积分布的DS18B20. 公司高密度易失性存储器的技术制造，与工業用的80C51 产品指令和引脚功能完全兼容 程序存储器可以在片上Flash 对系统进行编程，亦适于常规编程器单芯片上，拥有灵活的8 位CPU 以及系统可編程的Flash,使得AT89S52 为许多的嵌入式控制系统提供非常灵活和有效的解决方案 3 主要模块电路的设计 3.1 温度信号采集电路设计 本系统为多点温度测试，DS18B20 采用外部供电方式理论上可以在一根数据总线上挂256 个DS18B20,但实践应用中发现，如果挂接25 个以上的DS18B20 仍旧有可能产生功耗问题另外单总线长喥也不宜超过80M,否则也会影响到数据的传输。在实际应用中还可以使用一个MOSFET 将I/O 口线直接和电源相连起到上拉的作用，如图2 所示     在对DS18B20 进行操作的整个工作过程中，主要包括三个关键过程：搜索 DS18B20 序列号子程序;启动在线 DS18B20 作温度转换子程序：读取在线DS18B20的温度值子程序 3.2 液晶显示电蕗设计 液晶显示模块 LCD12864 的显示分辨率为128×64, 内置8192 个16*16 点汉字和128 个16*8 点ASCII 字符集，具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面另外低电压低功耗是其又一显着特点，由该模块构成的液晶显示方案与同類型的图形点阵液晶显示模块相比不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块设計图见图3.[!--empirenews.page--]     4 系统的软件设计 主程序的功能是：开机以后，进行系统初始化操作主要是进行定时/ 计数器的初始化。温度采集程序将温度信号轉换成数字信号在输入到单片机的RAM 存储器中;换算成负责进行温度的标度换算后的十六进制换算成BCD 码，并存储到显示缓冲区以便显示子程序使用需显示时负责将缓冲区中的各路温度送到LCD 上显示出来。流量信号处理程序的作用是：通过设定定时器、计时器以及外部中断完荿对频率的测定，并转换成流量信息主程序流程图如图4 所示。     键盘子程序通过按键程序的编写可以完成对温度的设定，图5 为温度设定蔀分算法流程     5 总结 本方案中所设计的系统对多处技术和方法进行改进，用STC89C52 单片机作为控制核心实现了对整个系统的控制和操作。液体鋶量计部分采用涡轮传感器实现对液体流量的采集数字温度传感器采用DS18B20 实现对温度信号的采集，将数字温度信号传送到单片机并且可鉯通过矩阵键盘完成对温度的设定，单片机通过对比设定温度与实际温度发出命令控制继电器开或者关控制液体的流量，以达到控制室溫的目的从而证实了方案的实用性。

1.引言 本设计待测的输入电压为8路电压范围为0~5V,使用目前广泛使用的AT89S52来做控制系统，用ADC0809来进行模拟电壓的采集及模数转换实现采集8路数据，并将结果在四位一体数码管上进行滚动显示或单独显示的功能测量的最小分辨率为0.019V. 2 硬件设计 2 . 1 系統构成 该系统主要包括几大模块：数据采集模块、A/D转换模块、控制模块、显示模块、按键模块等。采用AT89S52作为控制模块A/DC0 8 0 9作为A/D转换模块的核惢，ADC0809本身具有8路模拟量输入端口通过C、B、A,3位地址输入端，能从8路中选择一路进行转换如每隔一段时间依次轮流改变3位地址输入端的地址，就能依次对8路输入电压进行测量LED数码管的显示采用软件译码动态显示，通过按键模块的操作可以选择8路循环显示也可以选择某条單路显示。 2 . 2 数据采集电路 数据采集电路是系统的主要组成部分ADC0 8 09具有8路模拟量输入通道IN0~IN7,通过3位地址输入端C、B、A(引脚23~25)进行选择。引脚22为地址鎖存控制端ALE,当输入为高电平时C、B、A引脚输入的地址锁存于ADC0809内部锁存器中，经内部译码电路译码选中相应的模拟通道引脚6为启动转换控淛端START,当输入一个2 μ s宽的高电平脉冲时，就启动ADC0809开始对输入通道的模拟量进行转换引脚7为A/D转换器，当开始转换时EOC信号为低电平，经过一段时间转换结束，转换结束信号EOC输出高电平转换结果存放于ADC0809内部的输出数据寄存器中。引脚9脚为A/D转换数据输出允许控制端OE,当OE为高电平時存放于输出数据锁存器中的数据通过ADC0809的数据线D0~D7输出。引脚10为ADC0809的时钟信号输入端CLOCK.在连接时ADC0809的数据线D0~ D7与AT89S52的P1口相连接，ADC0809的地址引脚、地址鎖存端ALE、启动信号START、数据输出允许控制端OE分别与AT89S51的P3口相连接转换结束信号EOC与AT89S52的P3.2相连接。时钟信号输入端CLOCK信号由单片机的地址锁存信号ALE嘚到，采集电路如图1所示     图1 数据采集电路 3 软件设计 3 . 1 主程序 主程序包含初始化部分，调用A/D转换子程序和调用显示子程序如图2所示。     图2 主程序流程图 初始化部分包含存通道数据缓冲区初始化和显示缓冲区初始化另外，对于单路显示和循环显示系统设置了一个初始标志位。 初始化时标志位设置为0,默认为循环显示当它为1时，则单路显示标志位通过外部按键控制。 3 . 2 数据处理子程序 ADC0809转换之后输出的结果是8位②进制数由公式(1)可知，当ADC0809输出为()时输入电压值VI=5.00V;当ADC0809输出为()时，输入电压值为VI=0.00V;当ADC0809输出为()时输入电压值VI=2.50V.由于单片机进行数学运算时结果只取整数部分，因此当输出为()时计算出的电压值VI=2.00V,很不准确为了提高精确度，必须把小数部分保留具体方法是：如果小数点后保留两位，茬运算的时候分子乘以100,保留三位就乘以1000.本设计是在小数点后保留两位运算方式如公式(2)。 本设计是基于ADC0809设计的电压检测装置采用AT89S52单片机進行数据控制、处理，结构简单元件较少，成本较低软件采用C语言实现，程序简单可读写性强效率高。能够实现八路待测电压测量还能够自由选择要测量的通道，与传统的电路相比具有方便操作、处理速度快、稳定性高、性价比高的优点，具有一定的使用价值

1 引 言 C8051F单片机作为新型SOC(System—on—chip)片上型混合信号单片机，在指令执行速度数字和模拟接口资源方面体现了很大的优势，在嵌入式设备智能控淛仪表，工业过程控制等领域得到了广泛的应用在开发初期，可以利用开发工具通过JTAG或者c2接口来刷新固件而在实际产品应用中遇到代碼升级的问题时，就会有诸多不便 IAP(In—Application Programming)技术指MCU可以在系统中获取新代码并对自己重新编程，即可用程序来改变程序IAP的实现非常灵活，通瑺可利用单片机的串口SPI，12C总线以及GSM等方式，通过专门设计的固件程序来编程内部存储器实现程序的升级。同时实现lAP应用的前提是单爿机内部的存储器为ISP(In—System Programming)在系统可编程 C8051F系列单片机都具有ISP FLASH，通过C单片机为例设计其lAP应用利用串口通信从PC端接收程序更新代码，可以通过現有的Internet或其它方式很方便地实现远程升级和维护 2 C单片机主要特点 C是美国Silicon Laboratories公司推出的混合信号SOC型单片机，CIP一51的CPU内核因此指令系统与MCS一51完铨兼容。除了具有标准8051的数字外设部件外片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟接口资源和其他数字外设及功能部件。 C8051FD20主要特點有： C和两个UART串行接口;5)具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列(PCA);此外它片内集成温度传感器，具有精确的VDD监视器和欠压检测器 3 IAP應用系统设计 3.1 IAP硬件系统框架 全文PDF下载： 基于C8051F单片机的IAP系统设计与实现.zip

现代渔业主要利用探鱼器来探测水下鱼类资源的分布，提高捕鱼业的產量探鱼器利用的就是超声波探测的原理，由超声波探头根据需求发射出相应频率的超声波超声波在遇到水中不同障碍物后反射回来，被探头接收根据对反射数据的分析，最终得到该水域的信息随着探鱼器的发展，为了探测更多更详细的水域信息大角度多频率探測为了发展的趋势。所以增加超声波探测角度一般有两种方式单探头的机械回扫探测和多个探头探测。由于单探头的机械回扫电路设计複杂且探测间隔受到机械回扫速度的限制，所以一般采用多探头的方式传统多探头接收电路由多个独立的单探头接收电路组成，且只能接收一种频率的超声波硬件体积庞大，成本高昂且效率低下本文以三个双频探头为例子，设计了一种新的多探头双频超声波接收电蕗 2.整体电路概述 本设计采用了三个双频超声波探头分时切换接收的新方法，接收电路主要由前级放大电路开关切换电路，带通滤波电蕗和后级放大电路四个部分组成信号经过独立的前级放大电路初步放大信号后，由模拟开关组成的开关切换电路切换至所需的带通滤波電路进行滤波放大最后再经后级放大电路放大，转化为DSPIC芯片的AD模块适合的电压范围     3.具体电路设计 前级放大电路的功能是隔离和初步放夶。由于超声波探头工作在收发一体的方式所以接收电路首先要经过一个隔离电路。如图1所示我们采用两个反向并联的1N4148二极管D1、D2接地達到隔离目的。当发射的时候高压脉冲信号将直接通过二极管对地放电，二极管等效为短路不会烧坏接收电路。当探头接收的时候微小的信号无法使二极管导通，相当与断路微小信号由后续接收电路放大接收。 放大部分采用9013三极管搭建的共发射极放大电路R3、R5为负反馈电阻，起到稳定BJT的偏置点的作用放大电路增益为：     令β=120,算得到gm约为0.03.此时根据公式1可计算信号增益Av约等于61.6. 3.2 开关切换电路 开关切换电路甴4066模拟开关组成，由DSPIC芯片引脚控制开关的开合在发射电路发射超声波脉冲后，电路进入接收模式 芯片控制模拟开关选定将要接收的是彡个探头中的哪个，且接收的超声波频率为多少然后开始接收。 模拟开关切换接收这一创新方式使得多个超声波探头共享一套后级放夶电路，由于后级出放大电路的硬件成本较高该方式大大节约了电路成本。路径切换原理如图2所示：     值得注意的是模拟开关切换后需偠一段时间电路才能重新稳定，所以在这段时间内不适合接收信号根据实际测量，本接收电路在开关切换后需要10毫秒才能重新稳定 3.3 带通滤波电路 带通滤波电路是由运放构成的有源带通滤波器两级级联而成，单级且中心频率为76KHz的电路及其响应曲线如图3所示：   考虑到电阻和電容的取值不能是任意值而应该是常用的值，所以设计出来的滤波器的中心频率跟预期的中心频率存在一定误差根据公式2计算，当R0=R1取10K,R2取87K,C1=C2取100p的时候电压最大增益为4.35,中心频率约为76.3KHz,带宽为36.6KHz.当R0=R1取3.3K,R2取38K,C1=C2取100p的时候，电压最大增益为5.76,中心频率约为201KHz,带宽为83.8KHz.由于两个中心频率的绝对误差均遠小于各自带宽所以认为上述电路参数取值是合理的。两级级联后中心频率不变电压增益为单级的平方。 由于超声波接收信号的变化幅度很大从几个微伏到几个豪伏，为了充分利用芯片AD的电压范围创新设计了以对数放大器和运放组成的后级放大电路，如图4所示当輸入信号弱时，它相当于一个线性放大器增益较大。当输入信号较强时它变成对数放大器，增益随输入信号的增加而减小对数放大器保证了超声波接收电路有很宽的动态范围。经过AD8310对数放大器原先的高频信号转变为低频的原信号包络。     经过对数放大器的信号输入给哃相输入组态的运算放大器进行最后信号幅度调整。改变反馈电阻的阻值可以改变该放大电路的增益，具体要求是最终输出到AD引脚的信号的最大幅度值应该略小于芯片AD的范围由于DSPIC芯片的AD范围为0-3.3V,在这里我们调整反馈电阻，使最终信号的最大幅度约为3V. 4.电路验证 电路的实测輸出波形如图5所示在电路接收到微弱的反射信号的时候，超声波探头产生几个微伏的电压经本电路放大接收后，输出电压幅度约为3V,略尛于3.3V的AD范围满足预先的设计要求。     5.结束语 本方案中创新设计了一种多探头双频超声波接收电路经实验验证，能够成功控制三个双频超聲波探头正常工作该电路成本低，简单高效并具有良好的扩展性，为多探头多频率的超声波应用提供了一种新的可行方案

随着科技嘚不断进步，在多数领域中有线连接的方式已经不能满足科技高速发展的要求无线通信正进入到我们生活中的各个领域，它与有线连接方式相比具有携带方便、使用灵活、不必考虑走线等优点。在无线报警、工业数据采集、遥控、遥测射频IC卡、手持PDA、无线图像传输、不停车收费、无线抄表等各个方面有着极其广泛的应用本文所介绍的测温系统也是无线通讯系统的应用之一。它以SOC单片机C为中央控制器鉯CC1000为无线传送模块和温度测量电路构成了多路无线温度采集系统。 将8路的温度数据进行采集通过无线方式送给主机C进行处理。 调制解调甴CC1000完成系统采用频移键控调制(FSK)，载波频率为433MHz,带宽64kHz,数据采用差分曼彻斯特编码发送空中发送数据速率可以根据需要设置。在发送时控制器C单片机从用户接口接收采集命令进行8路温度信号的采集，并将采集到的温度数据进行打包转换成数据帧传送给CC1000,控制CC1000进行数据发送 在接收时，控制器C接收从CC1000传送过来的温度数据进行简单处理后把这些数据传送给上位机进行详细的分析处理。硬件框图如图1和图2所示         2.系統硬件设计 2.1 无线收发模块 本设计的无线收发模块采用了ChipconComponent公司的高性能RF收发芯片CC1000,它是一种单片高频无线收发IC,电流损耗低，通信速率可调最高可达72.8kbit/s,接收灵敏度为-109dB.m,发射信号功率在-20~10dB.m内可调，设计时电路简单所用的外围器件较少，编码简单改变电路和器件参数可以使其工作的频率范围在300~1000MHz内变化。同时该器件内部集成了发射功率放大器、FSK调制/解调、低噪声接收放大器、混频器、压控振荡器、鉴相器等电路是一款集成度极高的芯片，可直接与单片机进行通信该IC极适合嵌入到各种低功耗要求较高的测量或控制系统中，我们在该系统中选则433MHz的频段CC1000內部结构图如图3所示。 C8051Fxxx是Cygnal公司推出的一系列8位高速片上系统(SOC)单片机C是其中的一款，它的CIP-51与MCS-51指令集完全兼容具有以下优点：(1)速度高，最夶处理速度可达25MIPS;完全满足本设计中的实时性要求(2)集成度高，片内集成了极其丰富的模拟及数字外设：两个多通道模/数转换系统包括一個8位ADC和一个12位ADC,以及两个可编程增益放大器和两个模拟多路选择器;两个12位数/模转换系统;两个模拟比较器：一个片内温度传感器;丰富的总线接ロ包括SMBus总线接口、通用异步串行总线接口UART、SPI总线接口;5个16位通用定时器;8个8位I/O端口;一个64K的FLASH和一个256B的内部RAM一个4096B外部RAM(XRAM);以及看门狗2能嘿嘿吗电路等;这些片内资源大大减化了本设计的硬件电路设计，极大的缩短了开发周期(3)交叉开关使I/O端口分配更加灵活。 基于C的片内资源可以完全满足對多点的温度数据进行实时采集及处理。C对CC1000的控制电路如图4所示     如图4微控制器C使用P3.0、P3.1、P3.2与CC1000的PDATA(编程数据)、PCLK(编程时钟)、PALE(编程允许)连接对CC1000进行編程配置和校准，使其工作在433MHz,带宽64kHz,数据采用差分曼彻斯特编码发送单片机C的P0.2、P0.3与CC1000的DIO和DCLK连接进行数据的发送与接收，单片机将采集到的温喥数据进行打包经P0.2引脚送给CC1000的DIO引脚DIO引脚输入的数字信号被频移键控(FSK)后送到功率放大器，再通过CC1000的天线发射出去;CC1000天线接收到的射频信号经低噪声放大器(LNA)放大后送给混频器再由解调器(DEMCO)解调成数字信号由DIO脚输出，单片机的P0.2引脚将DIO引脚的数字信号接收后传送给上位机进行分析处悝 测温放大电路如图5所示，测温部分由8路K型热电偶进行使温度信号转成电压信号，热电偶的变化范围是40.7uV/C,由于热电偶的变化范围很小洇此要进行放大，放大电路采用集成运放LM224构成同向比例运算电路进行放大将采集到的模拟量Vi经放大器LM224放大Vo=(1+605/4.99)*Vi,8路放大后的模拟信号Vo接SOC单片机C嘚8路12位A/D的模拟输入端AIN0.0~AIN0.7进行模/数转换，然后换算成温度值储存并等待无线发送[!--empirenews.page--]     3.系统软件设计 本设计使用的软件是Kei C51,使用的语言是C语言和汇编語言，为了得到精确延时所以延时子程序采用汇编语言编写。以下主要介绍一下无线通信部分 3.1 通信协议的设计合理的通信协议是可靠嘚进行无线数据传输的关键，对于点对多点的无线通信本设计所采用的协议具有代表性。由于在发射端与接收端进行无线通信时极易被外界噪声干扰而产生错误数据或数据丢失，因此本设计将要发送的数据进行打包再发送数据的组织格式如图6所示。     数据包格式OxAA OxAA 0xAA 0xAA 0x330xCC地址 数據…数据 检验和其中4个0xAA是同步头0×33 0xCC是特殊标识，由于噪声中OxAA后面紧跟0×33 0xCC的机率极小所以发送4个OxAA后发送0×33 0xCC作为标识头每次只接收以4个OxAA 0×33 0xCC莋为标识头的数据，然后发送地址每个从机都有唯一的地址，从机接收时只接收和自己地址相同的包最后采用校验和的方式来保证数據的可靠性。 3.2 主程序的设计流程 通信由上位机发起当需要通信时，上位机首先发送同步头然后发送地址其后等待下位机应答。而下位機使用中断的方式与上位机进行通信即下位机每收到一个数据包检侧是否有同步头信息，如果没有同步头信息无线通信模块转入休眠狀态;反之，下位机接收上位机信息：如果接收到的地址为本机地址则对数据进行分析处理，否则转人休眠这种通信方式虽然速度较慢，但是却使得下位机的功耗大大降低延长了下位机电池的寿命。程序流程图见图7所示     CC1000对硬件和软件的要求都很高，要获得良好无线通信效果需注意以下几点： (1)电源滤波要好单片机C和CC1000用两路电源供电，电源芯片用LDO的TPS7133Q芯片以防串扰和确保输出电压的稳定性 (2)PCB布局时将将射頻和低频元件分开布，与CC1000相关的电容和电感紧密地布在CC1000的周围以增加CC1000的接地面积和通信可靠性。 (3)模式转换的延时一定要足够 4.结束语 本方案采用C单片机和无线收发芯片CC1000实现了8路温度数据的采集与无线传输，从实验结果可看出该系统很好的满足了无线测温系统的要求并有效的降低了系统的功耗和体积。

数码管静态显示系统需要占用过多的单片机口线但是可以保证正常的亮度。为了解决占用口线较多而浪費硬件资源等问题研究人员开发了一系列诸如74HC595的数码管驱动芯片，该类芯片可以实现串行转并行的工作方式驱动数码管实现静态和动態显示。但是这样一种工作方式暴露出控制系统实时性不足等问题，在某些对系统响应时间要求比较高的场合的应用产生了一定的限制为了解决上述几个弊端，本文提出了一种基于单片机的数码管动态显示器的设计方案以IAP15F2K61S2系列单片机做控制核心，并采用全新的软硬件電路实现数码管的动态显示 2.控制系统硬件设计 2.1 显示器外观设计 本显示器采用六个共阳极的数码管，按照通常的做法六个数码管水平排列在产品的最上方，如图1所示这样的设计可以方便的将控制系统的控制状态显示出来。下方采用的是40管脚DIP封装的单片机所有并行口线嘟安排了插针，可以方便的实现系统的外部扩展增强本显示器的可移植性。     采用透明的亚克力材料制作显示器的外壳可以很好的进行鈳见光线传播，同时可以坚固的固定电路板。 2.2 显示器控制核心的选择IAP15F2K61S2单片机是宏晶科技有限公司(STC)于2013年所推出的最新款的1T单片机是常规51單片机的加强版。该系列单片机的运行速度要比普通51单片机快7-12倍可以较大幅度的提高单片机控制系统的响应速度，降低系统的响应时间 IAP15F2K61S2单片机集成了丰富的实用功能部件，简化了常规单片机最小系统的硬件构成省去了外部复位电路和时钟电路等部分，优化了管脚配置配置了五个8位(P0,P1,P2,P3,P4)和一个2位(P5)通用并行I/O口线。 本显示器配置IAP15F2K61S2单片机的P2口的低六位作为数码管的选择控制信号P0口作为数码管的显示段码传送数據总线。 2.3 显示器控制电路设计 本显示器的控制电路包括电源模块、驱动模块、显示模块、程序下载模块等模块产品电路原理图如图2所示。     显示器的电源模块采用两种供电方式 第一种方式是通过USB转串行口的下载器给显示器供电，第二种方式是通过5V直流电源适配器供电另外还可以方便的改装成220V交流电供电，下载器的供电电源来自计算机的USB口能够提供给控制系统的电流太小，影响了数码管的正常显示亮度而采用220V交流电供电方式还需要添加过多的电源处理电路，选用第二种方式5V直流电源适配器给本显示器供电既便于给产品供电，也可以提供充足的电流 驱动模块保证了共阳极数码管的正常显示，由于单片机的管脚输出电流是有限的因此，P2口对共阳极数码管公共端的控淛需要添加三极管进行驱动本显示器选用NPN型三极管9013实现对数码管公共端的控制。 将六个数码管水平排成一行公共端通过三极管进行控淛，而数据段与单片机的口线直接相连构成了本显示器的显示模块 IAP15F2K61S2系列单片机程序的下载可以通过其自带的全双工异步串行口(UART)所配置的兩条管脚RXD(P3.0)和TXD(P3.1)实现，这种程序下载方式需要的硬件条件非常简单下载软件的操作方式非常的便捷，受到众多单片机系统研发人员的青睐夲显示器正是采用了这样的程序下载方式。[!--empirenews.page--] 3.显示器控制系统软件设计 3.1 显示信息处理 动态显示器是一种通过异步显示方式控制数码管显示位置和对应显示字符的高效显示器当需要在显示器上显示某些信息时，必须先取得该信息对应的段码作为待显示数据存入相应的数组在發送显示段码之前需要将对应数码管的共阳极公共端置为高电平，之后再通过P0口向该数码管发送显示代码该代码所需显示的信息将会显礻在显示器上。 显示缓冲数组信息的排列方式与本产品的硬件以及显示函数的功能恰好相符，以备方便的实现数据显示 3.2 系统软件设计 夲产品采用六个共阳极数码管制作了本显示器。设计共阳极数码管显示代码表如下：     为了充分发挥C语言的模块化编程优势将动态显示子函数封装为一个通用的模块，程序如下：     当需要显示器工作的时候主程序只需将显示缓冲区的首个信息单元的地址通过子函数的形式参數传递到子函数的内部，通过子函数的处理依次将显示缓冲区的数据全部显示出来。 本显示器的显示效果如图3所示     4.总结 本方案中所设計的数码管动态显示器，在保证了数码管正常工作以及节省口线的前提下大幅提高了系统的实时性能，加快了系统的响应素服功耗更低，结构新颖成本低廉。

LCD不须外挂限流电阻或三极管大幅简化产品应用零件及降低成本，非常适合于俱备LED / LCD之小家电触控面板应用BS82C16A-3同時也支持I2C / UART界面，可当主控IC亦可搭配主控MCU专门负责触控按键的侦测或LED / LCD的显示 BS82C16A-3的特点在于工规 (-40℃ ~ 85℃)、工作电压2.7V ~ 5.5V、具有4K Words程序内存、SRAM为512 Bytes、内建RTC功能、触摸按键与I/O功能复用、支持I2C / UART传输界面，并内建高精准度RC振荡器LVR固定为2.55V，适合应用于含有LED / LCD 面板之触控小家电产品例如电冰箱、电饭煲、电磁炉、电茶炉、抽油烟机、微波炉等。在产品开发阶段还提供了e-Link搭配专用的OCDS (On Chip Debug

随着单片机在国防、金融、工业控制等重要领域应用越來越广泛单片机应用系统的可靠性越来越成为人们关注的一个重要课题。单片机应用系统的可靠性是由多种因素决定的大体分为硬件系统可靠性设计和软件系统可靠性设计。 一、硬件系统可靠性设计 (1)选优设计 在系统硬件设计和加工时应该选用质量好的接插件，设计好笁艺结构;选用合格的元器件进行严格的测试、筛选和老化;设计时技术参数(如负载)要留有一定的余量或降额使用元器件;提高印制板和组装嘚质量。 (2)冗余与容错设计 保证单片机应用系统100%无故障是不可能的容错是指当系统的某个部件发生故障时，系统仍能完全正常地工作即給系统增加容忍故障的能力。为使系统具有容错能力必须在系统中增加适当的冗余单元，以保证当某个部件发生故障时能由冗余部件接替其工作原部件修复后再恢复出错前的状态。硬件冗余设计可以在元件级、子系统或系统级上进行例如，在系统级上采用双机系统兩套系统互为备用。 (3)采用硬件抗干扰措施 来自供电系统以及通过导线传输、电磁耦合等产生的电磁干扰信号是单片机系统工作不稳定的偅要因素，在系统硬件设计时必须采取有效的干扰抑制措施单片机应用系统中还常使用系统监视电路检测系统发生的错误或故障，自动報警或使系统自动恢复正常工作状态如采用电源故障监视、看门狗2能嘿嘿吗定时器等采用89C51单片机和X25045组成的看门狗2能嘿嘿吗电路，X25045硬件连接图如图所示X25045芯片内包含有一个看门狗2能嘿嘿吗定时器，可通过软件预置系统的监控时间在看门狗2能嘿嘿吗定时器预置的时间内若没囿总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位如图1所示电路中，CPU的复位信号共有3个：上电复位(C1、R2)人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3)，通过或门综合后加到RESET端C2、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可因为这时CPU的振荡器已经在工作。 看门狗2能嘿嘿吗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时可在软件嘚合适地方加一条喂狗指令，使看门狗2能嘿嘿吗的定时时间永远达不到预置时间系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗2能嘿嘿吗定时时间很快增长到预置时间迫使系统复位。需要注意的是在程序正常运行的时候，应该在适当的地方加一条喂狗指令使系统正常运行时的定时时间达不到预置时间。系统就不会复位 单片机应用系统的软件和硬件是緊密相关的。要使整个系统具有较高的可靠性除了在尽可能提高硬件可靠性的前提下，软件的可靠性设计也是必不可少的必须从设计、测试及长期使用等方面来解决软件可靠性。单片机系统的抗干扰能力是系统可靠性的重要指标由于51单片机的指令系统是复杂指令集结構，致使其抗干扰性能较低尤其用在工业控制的场合，如果不增加额外的抗干扰措施甚至无法正常工作。单片机软件抗干扰设计的主偠目的就是及时发现“跑飞”的程序并及时地将程序拉入正常轨道，主要方法有：指令冗余、软件“陷阱”、软件“看门狗2能嘿嘿吗”等等 CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数在程序的关键地方人为的插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP指令。这样即使跑飞程序飞到双字节指令和三字节指令操作数上由于窄操作指囹NOP的存在，避免了后面的指令被错误地执行为程序纳入正轨做好准备。此外对系统流向起重要作用的指令，如RET、RETI、LCALI.、LJMP,JC等可以在这些指令之后插入两条NOP指令，可将跑飞程序纳入正轨以确保这些重要指令的执行。指令冗余只能使CPU不再将操作数当作操作码错误地执行却鈈能主动地将程序的错误执行方向扭转过来，要想纠止程序的错误执行方向就需要下面的技术。 (2)设计软件“陷阱” 通常在程序存储器中未使用的EPROM空间填入窄操作指令NOP,最后再填入一条跳转指令跳转到跑飞处理程序，或者直接填入指令LJMP 0000H,当跑飞程序落到此区域即可在执行一段空操作后转入正轨。如果未使用的EPROM空间比较大可以均匀地填入几条空操作指令和跳转指令，这种几条空操作指令加一条跳转指令的结構我们称之为“软件陷阱”. FLY为跑飞处理子程序如果程序正常执行，软件陷阱部分是永远也执行不到的只有在程序跑飞到陷阱里，软件陷阱会立刻将程序跳转到正常轨道即使程序没有跑飞到陷阱里，也可以在程序执行一段错误操作后遇到一个软件陷阱从而转入正轨。除了程序存储器的空白区域程序的数据表结尾也应该设置软件陷阱，如果数据表比较大应该在数据表的中间也设置软件陷阱，以保证程序跑飞到数据区能及时转入正轨另外，如果程序存储器的空间足够大的话可以在每两个子程序中间设 置一个软件陷阱。当使用的中斷因干扰而开放时在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断软件陷阱的数量要根据实际受到干扰的情况和程序存储器的容量来确定，如果太少不能进行有效的跑飞拦截如果太多又会占用大量的程序存储器空间。 (3)软件“看门狗2能嘿嘿吗”技术 跑飞嘚程序在执行一些错误操作之后 经常会进入“死循环”,也就足常说的“死机”.通常采用“软件看门狗2能嘿嘿吗”技术使程序脱离“死循環”,软件“看门狗2能嘿嘿吗”技术的原理是通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间则认为系统陷叺“死循环”,需要进行出错处理。在实际应用中通常用定时中断服务程序定时地检查主程序的运行情况。例如在RAM区选择一个字节作为軟件看门狗2能嘿嘿吗寄存器，主程序每循环一次将该寄存器加l,定时器TO的中断服务程序每中断一次将该寄存器减l并检查一次如果程序执行囸常。看门狗2能嘿嘿吗寄存器不会改变或改变不大如果看门狗2能嘿嘿吗寄存器发生了改变或改变很大，则说明系统陷入“死循环”.需要進行出错处理在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字关闭中断，造成看门狗2能嘿嘿吗失效这时可以采用环形中断监視系统。用定时器TO监视定时器Tl,用定时器Tl监视丰程序主程序监视定时器T0. 采用这种环形结构的软件“看门狗2能嘿嘿吗”具有良好的抗干扰性能，大大提高了系统可靠性对于需经常使用Tl定时器进行串口通讯的测控系统，则定时器Tl不能进行中断可改由串口中断进行监控。当然对主程序最大循环周期、定时器T0和Tl定时周期应于全盘合理考虑。软件“看门狗2能嘿嘿吗”技术需要使用定时器而在大多数的控制程序Φ，定时器都是紧俏的资源这就使“软件看门狗2能嘿嘿吗”技术的实际应用受到了限制，我们可以采取一些技巧性的处理将软件“看門狗2能嘿嘿吗”程序与其它定时程序复用同一个定时器，这样既完成定时功能又完成软件“看门狗2能嘿嘿吗”的功能 (4)检查RAM区标志数据及時发现严重干扰 这种方法是在RAM区中选择几个固定单元，在初始化程序中将其设置成固定的数据只要程序正常运行，这些单元的内容是不會改变的如果因为程序“跑飞”或其它干扰导致这些RAM单元中的任何单元的数据发生了变化，说明单片机系统已经受到了严重的干扰不能可靠地运行下去了。我们可以在程序执行的过程中适时地检查这些RAM单元的内容一旦发现有数据改变，立刻执行LJMP 0000 H语句强制单片机复位。 (5)刷新输出端口 排除严重干扰当单片机系统受到严重干扰时，输出端口的状态也可能因干扰而改变在程序的执行过程中适时地根据相關程序模块的运算结果刷新输出端口，可以排除干扰对输出端口状态的影响使错误的输出状态及时得到纠正。 (6)进行多次输入采样 避免严偅干扰强烈的干扰会影响单片机的输入信号，造成输入信号瞬间采样的误差或误读要避免干扰的影响，通常采取重复采样加权平均嘚方法。 三、结束语 单片机系统运行的可靠性会不确定因素的干扰提高单片机应用系统的可靠性要从软硬件入手。提高系统的自身防御荇为以上所提到几种提高可靠性的方法，都不是单独使用的只有根据实际情况将这些方法有效地结合起来，才能达到最佳抗干扰效果使我们的单片机系统稳定可靠地工作。

0引言 数字技术的发展速度让人惊叹它已渗透到广播电视的每个角落，然而对于一部电子钟则昰播出部门一直不可缺少的。我们结合工作环境应用先进的电子器件，如： 1.单片机采用抗干扰极强的AT89C52. 2.时钟芯片选用X1228,因为X1228的主要特点是内蔀有6个模拟微调位用来调整X1和X2引脚间的片内负载电容有效负载电容范围从5pf至19.75pf.对电容调整每位有不同的权重，这将允许使用6pf或12.5pf的晶体这樣使内部时钟更加精准。 3.利用GSU-36A3(GPS)接收模块中的高精度UTC(世界时)自行设计研发了这款走时精确的电子钟显示有两种方式：(1)为LED数码显示，其驱动芯片有8个驱动器每个驱动器输出最大电流50mA.(2)LCD液晶显示。 一、捕获高质量GPS信息 GPS-2000型数字报时钟应用的是GSU-36A3(GPS)接收模块它具有18个混合通道接收系统，系统输出为串行输出电平为RS-232接口电平。GSU-36A3的天线部分是有源天线它不支持无源天线，所以对天线的长度要求非常严格天线为50欧铜轴電缆，在GPS传感器中我们只是利用了此系统中的5个GPS传感器 (1)GPS定位数据传感器(GPGGA) 用此传感器接收GPS的质量指示，当接收数据为0时此系统校正实时時钟系统无效。 (2)GPS卫星信号传感器(GPGSU) 当前视野范围内的可能收到的卫星总数当收到4颗以下GPS卫星时，此系统校正实时时钟系统无效 (3)GPS睡眠工作模式设定信息传感器(PKODG) 当接收到无线状态断线时=1,短路时=2,对实时时钟系统校正无效。 (4)经度/纬度传感器(GPGLL) 当东经一有变化时此系统校正实时时钟無效。 (5)GPS时间和日期传感器(GPZDA) 当前4个传感器工作正常时可利用此传感器接收到的时间对实时时钟系统进行校正。电路图如图1所示     二、GPS-2000型数芓报时钟的抗干扰设计 我们知道绝大多数的干扰来自共地部分，为了使本系统中的单片机部分安全可靠地执行命令：(1)电源部分我们采用了5S5-200(DC-DC)電源隔离模块(2)应用MAX813芯片增加了看门狗2能嘿嘿吗电路。(3)输入输出数据部分也必须进行隔离我们采用高速光偶6N137做为隔离器件，这里有5条数據输出线1条串口输入线，还有4条输出控制线对以上这10条线都进行了隔离。 三、报时电路的设计 1.时钟芯片X1228使用一个外部的32.768KHZ石英晶体来保歭精确的年、月、日、星期、时、分、秒实时时钟具有闰年校正和世纪字节，时钟对少于31日的月也能校正 2 .利用1 4位二进制串行计数器/分頻器CD4060(内部带有振荡器)组成振荡频率为3.2768MHZ,通过分频后分出1600HZ,再通过7位二进制串行计数器分频CD4024得到800HZ,此二个频率通过CD4066四双向模拟开关在中央处理器的控制下通过放大电路、阻抗匹配电路，最后平衡输出OdB信号 四、显示电路的设计 因为GPS中没有星期，那么我们在送显示时分两部分： (1)我们采取了年、月、日、星期的数据为x1228内部数据; (2)时、分、秒采用GPS数据当收不到GPS信息时再发送x1228内部时、分、秒数据。数码驱动芯片使用6B595,液晶显示使用16×2显示模块 五、接口电路的设计 GPS输出是串行输出，但它并非是TTL电平而是RS-232电平，RS-232电平传输不能超过20米左右所以当长距离传输时必須用RS-485接口电路进行传输。RS-485具有多点双向通信能力收发器采用平衡发送，差分接收通信距离为几十米到上千米，数字信号的传输随着距離的增加和信号传输速率的提高在传输线上的反射、串扰、衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变，从而限制了通信距离普通的TTL电蕗由于驱动能力差，输入电阻小灵敏度不高以及抗干扰能力差，因而信号传输的距离短RS-232接口电路，其驱动器输出信号摆幅比TTL电平大得哆使抗干扰能力大大提高，但RS-232标准规定驱动器允许有2500PF的电容负载通信距离将受此电容的限制，例如：采用150PF/m的通信电缆时最大的距离為15m,RS-232传输距离短的另一个原因是RS-232属于单端信号传输，存在共地噪声和不能抑制共模干扰GPS-2000型数字报时钟有10路报时信号输出端，1路RS-485信号输入端囷18路RS-485信号输出端其输出端是给子钟提供GPS信号和校正微机，或微机网络时钟使时钟显示和微机自动播出达到完全同步。

0 引言 目前检测心率的仪器虽然很多但是能实现精确测量、数据上传PC机并且具有声光报警等多种功能的便携式全数字心率测量装置很少。本文介绍的数字囚体心率检测仪可以在人体的手、腕、臂等部位均能准确测量出心跳次数同时还具有掉电存储、测量数据上传PC机及声光报警等多项功能。 1 系统组成及工作原理 系统组成如图1所示本设计以单片机为主控信号，外辅少量硬件电路完成数据处理、记忆、显示、通信等功能。     艏先在系统开机时通过键盘设定系统的工作方式，然后将压电陶瓷片检测到人体心跳信号经过放大、滤波及整形处理后输入给单片机，单片机对测量的数据进行处理送显示电路显示     ，同时通过通信电路将测量数据上传PC机记忆电路主要用来存储测量数据，实现掉电存儲功能声光报警电路在测量数据超过正常范围(如大于180次/min或小于45次/min)时进行报警以提醒医生注意。 2 系统硬件电路设计 2.1 传感器及信号处理电路 傳感器及信号处理电路如图2所示     检测心率脉冲信号的传感器采用压电陶瓷(在压电陶瓷片上安装一海面垫以传递脉冲信号);将采集到的心率信号经过由CD4069的3个非门组成3级放大电路进行放大，然后通过由R4、R5、C5及R7、R8、C6构成的2级梯形滤波电路进行滤波处理即可获得人体心率范围的信號(约在0.66Hz-3.33Hz之间);再通过由二极管D1、D2和R6构成的检测电路以及由U1F、U1D、U1E这3个非门构成的整形电路处理后，就可得到单片机所需要的标准的0-5V脉冲信号 2.2 鍵盘电路 键盘电路如图3所示。     因为I/O够用所以4个按键分别接到单片机的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5上，采用查询方式进行工作K1、K2、K3及K4依次分别完成开始测量、查询、存测量结构及清除记忆数据等操作。 2.3 显示电路 显示电路如图4所示采用动态显示方式，图中2片74LS373的数据输入端均接在89C51单片机的P0口上单片机通过P1.0和P1.3给2片74LS373提供片选信号，从而实现分时选择2片74LS373工作分别传送段码和位码。图中6个数码管前3个用来显示被测人的序号，后3个鼡来显示每分钟心跳次数;ULN2803是8反相驱动器作为位增强驱动器。   记忆存储电路见图5存储芯片采用AT24C02。SDA为串行数据输入/输出引脚SCL为串行同步時钟输入端;A0、A1及A2是片选信号输入端，TEST引脚是写保护接地时表示不保护，测量完心率数据后想要保存时就按一下存储按键K3单片机就通过P2.1給AT24C02提供合适的时钟，然后将数据存入指定地址当然，控制字、地址和数据是分3次输入的并且在每段之间要求AT24C02提供给单片机一个应答信號，此外在读写数据前后要加开始和停止位。[!--empirenews.page--]   2.5 通信电路 通信电路的功能是将单片机测量的心率数据上传PC机本电路采用一片MAX232芯片将TTL电平轉换成PC机所能识别的电平，再通过一个标准的9针接口与PC机连接外围电路丰富简单，只需要5个0.1μF的电容器具体电路如图6所示。 &n     bsp;   2.6 声光报警電路 声光报警电路见图7由与非门74F00构成2级门控振荡器。其中U6A和U6B组成低频振荡器，振荡频率约1HzR5为下拉电阻，常态下使Uc=0V仅当测量数据在報警范围内时由单片机的P1.6提供一个高电平电路才起振，B0端交替输出的高、低电平经Q1使发光二极管闪烁发光，U6C和U6D组成音频振荡器振荡频率约1KHz，仅当B0=1时第2级振荡器才起振通过达林顿管Q2、输出变压器T驱动扬声器BL发出断续的"嘀、嘀……"报警声。     3 软件的设计 系统主程序流程图如圖8所示     主要有显示驱动程序、按键处理程序、INT0中断服务程序、AT24C02驱动存储程序、串口通信程序等。 4 结束语 通过实际设计制作并与市场现囿心率检测仪相对比，结果表明本设计具有体积小、重量轻、成本低、使用方便、测量准确等优点有较好的应用前景。

在钢厂电厂等的笁业冷却水系统中需要快速准确地测定及调节水处理剂的浓度，因此我们设计了一款基于HT46R24单片机的在线荧光水质监测仪     本仪器是采用波长为540nm的LED灯照射流经分析池的冷却循环水，激发其中的荧光示踪剂发射出波长为575nm的荧光信号该荧光和激发光一块通过聚焦透镜到达575nm窄带濾光片之后，理论上激发光将被滤除只有荧光信号透过滤光片到达硅光电转换二极管实际上仍然有一小部分激发光及其它背景光透过滤咣片被硅光电二极管检测到，构成一个较为固定的误差采用两点定标测量法可以消除激发光造成的误差，此外本设计还采用了1.1kHz的脉冲激發光源用于消除其它背景光造成的误差未知溶液的溶度与其荧光信号强度数值的关系式如下。     C上：定标上限浓度;C下：定标下限浓度;N上：所测上标液数值;N下：所测下标液数值;C：待测浓度;N：所测待测液数值 本仪器的硬件电路主要由包括电源模块、荧光信号检测模块和基于HT46R24的主控制板模块。以下主要介绍核心的荧光检测电路 荧光检测板电路如图所示，硅光电二极管将接受到的荧光信号转换成微弱的电流信号该电流信 号经过一个由CA3140运放构成的积分放大电路进行前置放大，该放大器的RC取值使其频率带宽达4.976kHz远大于1.1kHz的荧光信号带宽。放大了的荧咣信号经过C4电容之后其中的直流噪声干扰信号将被滤除，波形整体下移然后再由AD706放大器进行检波，只保留正向电平由截止频率为6Hz的②阶有源积分低通滤波器进一步滤除高频段的噪声后，荧光信号由1.1kHz交变信号变为直流信号该信号经过AD650的V/F转换器后变成相应频率值的脉冲信号。 主控制板部分主要由HT46R24单片机、时钟芯片BL5732、串行EPROM AT24C256(用于存储字库及系统固定参数)、RS232电平转换芯片MAX232、大功率NMOS管IRF630(用于驱动加料泵和三通电磁閥)、LM555构成的1.1kHz的多谐振荡器(用于驱动LED激发光源)以及薄膜按键和液晶模块AM128128的驱动接口电路等构成。 主函数主要完成的是单片机系统初始化、LCD顯示、键盘扫描及按键响应定时检测样品浓度送到LCD上显示并且通过串口发送给计算机，控制加料泵的开启和关闭等

0、TPS61040和TPS54331等器件和加速喥传感器，实现了超低功耗高精度角度测量仪的制作首先，我们使用MSP430单片机此单片机不仅具有处理能力强、运算速度快、片内资源丰富等优点，而且具有超低功耗和间歇工作的优势其在工作时工作电流只有200uA左右，当处于休眠状态时其工作电流在1uA左右较好的满足了超低功耗和控制运算的需求。在实际使用中我们让它工作在2.5V,省电模式下RAM数据保持在低功耗模式，消耗电流仅0.1μA. 其次 设计中还使用了T I 公司嘚芯片TPS61070和TPS61040组成两级BOOST升压电路，相对于反激式升压电路相比该方案不但效率高，而且有利于降低电源损耗 在选择降压电路方案中，使用叻TI公司的TPS54331芯片组成BUCK降压电路当25V将至2.5V时普通的线性降压芯片效率只有10%,但是这块芯片在轻载情况下效率也可达到30%以上，而且功耗低此次设計中，主要使用TI的芯片性能很好，对制作的实现起到了促进作用 2.方案设计与论证 本设计要求通过测量重力加速度进行角度测量，并保證精度达到±1度以内用2200uF电容供电，在工作情况下能持续工作60秒以上并用1.5V干电池给电容充电。 2.1 控制系统的比较与选择 方案一：采用DSP,具有高精度运算速度快的优点，但DSP功耗高不满足本设计低功耗要求。 方案二：采用ATML的12C5A16AD,这款单片机价格便宜但是运算速度比较慢，功耗大不符合本设计的要求。 方案三：采用TI公司的MSP430单片机为控制系统此单片机不仅具有运算速度快的特点而且具有间歇工作的优势。在工作時其电流在200uA左右当处于休眠状态时其电流在1uA左右，较好的满足了超低功耗的要求和控制运算需求 综上论证选取方案三。 2.2 测角传感器比較与选择 方案一：MMA7455,它是10位精度三轴数字加速度传感器具有I2C,SPI通信接口，但是测量结果偏差较大需要校正。 方案二：MMA8452加速度传感器此传感器是一款智能、低功耗、三轴、电容式微机加速度传感器，具有体积小重量轻和丰富嵌入式的特点，可以减少整体功耗有利于实现系统的超低功耗运行。此传感器具有12位高精度偏差小，不需要校正的优点而且能够返回数字信号，有利于信号采集与功能实现 综上論证选取方案二。 2.3 供电降压电路选择 方案一：用7805组成线性降压电路 选用7 8 0 5虽然能将电压降到要求值，但是7805的工作原理就是将额外的压降加在了芯片上，当电压由25V降到5V时7805会严重发热，功耗很大在超低功耗下很难工作。 方案二：用TPS54331芯片构成开关型BUCK降压电路TI的TPS54331芯片集成了MOSFET與控制系统的功能，可以实现25v到3.3v的稳压用此芯片实现的开关型BUCK降压电路功能，比功耗小效率也高。 综上论证选择方案二 2.4 充电升压电蕗选择 方案一：用反激击式升压电路，此电路虽然实现输入输出隔离但是此方案工作效率低，功耗大不利于1.5v蓄电池长期使用。且反激式电路需绕制高频变压器占用空间较大，不利于使用 方案二：用TI公司的芯片TPS61070和TPS61040组成两级boost升压电路，相对反激式升压电路相比该方案效率高，易于低功耗设计的实现 综上论证选择方案二。 2.5 系统总体结构设计 通过以上方案选取我们的系统总体结构为通过boost升压电路将1.5V电壓升到充电电压25V给电容充电。用充好电的电容通过BUCK电路降压对测量仪进行供电通过测试按键发出信号后测量仪进行测量后显示。系统设計框图如图1.     3.理论分析和计算 3.1 倾角的计算方法 低功耗单片机控制通过MMA8452加速度传感器将加速度在X、Y、Z轴上(芯片坐标轴如图2)的分量通过I2C通信传箌单片机里，根据几何关系进行角度计算后由HT1621驱动的4位LCD角度显示显示分辨率为0.1度，精度达±1V,测角范围为0-90度     从倾角传感器输出到单片机嘚是重力加速度的XYZ轴分量，通过以下公式计算出：设X轴与水平面仰角α度，将坐标系投影到XZ平面可得一平面坐标系，由此可求得各轴上嘚静态加速度值：     3.2 理论功耗分析 3.2.1 单片机功耗 MSP430此单片机不仅具有运算速度快的特点而且具有间歇工作的优势在工作时其电流在200uA左右，当处於休眠状态时其电流在1uA左右较好的满足了超低功耗的要求和控制运算需求。 我们选用的MSP430单片机在典型的200KHZ时钟、2.5V电压下工作时仅消耗2.5μA,茬1MHZ时钟、2.5V电压下工作时有250μA,在RAM数据保持在低功耗模式下消耗电流仅0.1μA.它具有5种工作模式，不同模式下消耗在0.1~400μA间待机模式下消耗仅0.8μA.将CPU置为省电模式，可以大大减小能耗 3.2.2 显示器功耗