【正文】 過實際程序設(shè)計和調(diào)試，逐步掌握模塊化程序設(shè)計方法和調(diào)試技術(shù)。 意義 通過完成一個包括電路設(shè)計和程序開發(fā)的完整過程，使學(xué)生了解開發(fā)一單片機應(yīng)用系統(tǒng)的全過程， 強化鞏固所學(xué)， 為今后從事相應(yīng)打下基礎(chǔ)。 本系統(tǒng)一般包括模擬信號的輸入輸出通道和數(shù)字信號的輸入輸出通道。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入又稱為數(shù)據(jù)的收集；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出又稱為數(shù)據(jù)的分配。 本系統(tǒng)的任務(wù)，具體地說，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)值顯示，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視。 由系統(tǒng)的任務(wù)可以知道，系統(tǒng)具有以下幾方面的功能 :數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)輸出。 對于不同的采集對象，系統(tǒng)設(shè)計的具體要求是不相同的。但是，本系統(tǒng)設(shè)計是由硬件和軟件兩部分組成的 ，因此，系統(tǒng)設(shè)計的一些基本原則是大體相同的。 6 硬件設(shè)計的基本原則 (1) 經(jīng)濟合理 系統(tǒng)硬件設(shè)計中，一定要注意在滿足件能指標(biāo)的前提下，盡可能地降低價格，以便得到高的性能價格比，這是硬件設(shè)計中優(yōu)先考慮的一個主要因素，也是一個產(chǎn)品爭取市場的主要因素之一。 (2) 安全可靠 選購設(shè)備要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動、粉塵等要求，以保認(rèn)在規(guī)定的下作環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠。要有超量程和過載保護，保證輸入、輸出通道正常工作。要注意對交流市電以及電火花等的隔離。要保證連接件的接觸可靠。 (3) 足夠 的抗干擾能力 有完善的抗干擾措施，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯誤的必要條件。 軟件設(shè)計的基本原則 (1) 結(jié)構(gòu)合理 程序應(yīng)該采用結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計。這不僅有利于程序的進一步擴充，而且也有利于程序的修改和維護。在程序編序時，要盡量使得程序的層次分明，易于閱讀和理解，同時還可以簡化程序，減少程序?qū)τ趦?nèi)存的使用量。當(dāng)程序中有經(jīng)常需要加以修改或變化的參數(shù)時，應(yīng)該設(shè)計成獨立的參數(shù)傳遞群序，避免程序的頻繁修改。 (2) 操作性能好 操作件能好是指使用方便。這點對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說是很重要的。在開發(fā)程序時， 應(yīng)該考慮如何降低對操作人員專業(yè)知識的要求。 (3) 系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計一定的檢測程序，例如狀態(tài)檢測利診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時容易確定故障部位，對于重要的參數(shù)要定時存儲，以防止因掉電而丟失數(shù)據(jù)。 (4) 提高程序的執(zhí)行速度。 (5) 給出必要的程序說明。 7 基于單片機的 8 路輸入模擬信號數(shù)值顯示電路 ， 以 ADC0809 和 AT89C51 為核心，該系統(tǒng)有三個部分：數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和顯示。 數(shù)據(jù)采集 由集成電路 AD0809 完成 。 0809 具有 8 路模擬輸入端口 , 地址線(2325 腳 )可決定對 那一路模擬輸入做 A/D 轉(zhuǎn)換 。 第 22 腳為地址鎖存控制 ,當(dāng)輸入為高電平時 ,對地址信號進行鎖存 , 9腳為 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制 ,當(dāng) OE腳為高電平時 ,A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從端口輸出 。10 腳為 0809 的時鐘輸入端 。 單片機的P1,P3 端口做四位 LED 數(shù)碼管顯示控制 ,P0 端口做 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入用 ,P2 口用做 0809 的 A/D 轉(zhuǎn)換控制 。其中，控制選通那一路作為模擬輸入，有兩種方案：一是利用單片機編程軟件控制實現(xiàn)；二是利用開關(guān)硬件控制實現(xiàn)。 數(shù)據(jù)處理由單片機芯片 AT89C51 實現(xiàn)，作為核心器件。 顯示選用八段數(shù)碼管。 系統(tǒng)工作原理 單片機處理核心模塊 AT89C51 是一種高性能低功耗的采用 CMOS 工藝制造的 8位微控制器，擁有8KB 的可編程的閃存（ Flash programmable and erasable read only memory）。它提供下列標(biāo)準(zhǔn)特征： 8K 字節(jié)的閃速存儲器， 56 字節(jié)的 RAM， 32 條 I/O 線， 3個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個六中斷源兩個優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)，一個雙工的串行口，片上震蕩器和時鐘電路。其管腳圖如圖 1 所示： 8 引腳說明： VCC：電源電壓 GND:地 P0 口： P0口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O 口，作為輸出口用時，每個引腳能驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路。當(dāng)對 0 端口寫入 1時，可以作為高阻抗輸入端使用。 當(dāng) P0 口訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，它還可設(shè)定成地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用的形式。在這種模式下， P0 口具有內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時， P0 口接收指令字節(jié)，同時輸出指令字節(jié)在程序校驗時。程序校驗時需要外接上拉電阻。 P1 口： P1口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P1 口的輸出緩沖能接受或輸出 4個 TTL 邏輯門電路。當(dāng)對 P1口寫 1時，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉升為高電平，此時可以作為輸入端使用。當(dāng)作為輸入端使用時， P1 口因為內(nèi)部存在上拉電阻，所以當(dāng)外部被拉低時會輸出一個低電流（ IIL）。 P2 口： P2是一帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向的 I/O 端口。 P2口的輸出緩沖能驅(qū)動 4個 TTL 邏輯門電路。當(dāng)向 P2口寫 1時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（ IIL）。 圖 1. AT89C51 芯片管腳圖 9 P2 口在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如 MOVX ＠ DPTR）時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下， P2 口使用強大的內(nèi)部上拉電阻功能當(dāng)輸出 1時。當(dāng)利用 8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時（例 MOVX ＠R1）， P2 口輸出特殊功能寄存器的內(nèi)容。 當(dāng) Flash 編程或校驗時， P2 口同時接收高 8位地址和一些控制信號。 P3 口： P3是一帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向的 I/O 端口。 P3口的輸出緩沖能驅(qū)動 4個 TTL 邏輯門電路。當(dāng)向 P3口寫 1時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（ IIL）。 P3 口同時具有 AT89C51 的多種特殊功能，具體如下表所示： 端口引腳 第二功能 RXD (串行輸入口 ) TXD（串行輸出口） 0INT (外部中斷 0) 1INT （外部中斷 1） T0（定時器 0） T1（定時器 1） WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD （ 外部數(shù)據(jù)存儲器都選通） 表 1. P3 口的第二功能 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時， RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。 ALE/PROG :當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低 8 位字節(jié)。當(dāng)在 Flash 編程時還可以作為編程脈沖輸出（ PROG ）。 一般情況下， ALE是以晶振頻率的 1/6 輸出，可以用作外部時鐘或定時目的。但也要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 PSEN ：程序存儲允許時外部程序存儲器的讀選通信號。當(dāng) AT89C52 執(zhí)行外部程序存儲器的指令時，每個機器周期 PSEN 兩次有效，除了當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， PSEN 將跳過兩個信號。 10 EA /VPP:外部訪問允許。為了使單片機能夠有效的傳送外部數(shù)據(jù)存儲器從 0000H 到 FFFH 單元的指令， EA 必須同 GND 相連接。需要主要的是，如 果加密位 1 被編程，復(fù)位時 EA 端會自動內(nèi)部鎖存。 當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部編程指令時， EA 應(yīng)該接到 VCC 端。 XTAL1：振蕩器反相放大器以及內(nèi)部時鐘電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 (1) ADC0809 主要特性 ADC0809 是采用 CMOS 工藝制造的雙列直插式單片 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。分辨率 8 位，精度 7 位，帶 8 個模擬量輸入通道，有通道地址譯碼鎖存器，輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。啟動信號為脈沖啟動方式 ，最大可調(diào)節(jié)誤差為177。 1LSB， ADC0809 內(nèi)部設(shè)有時鐘電路，故 CLK 時鐘需由外部輸入， fclk 允許范圍為 500kHz~1MHz，典型值為 640kHz。每通道的轉(zhuǎn)換需 66~73 個時鐘脈沖，大約 100~110μ s。工作溫度范圍為 40℃ ~+85℃。功耗為 15mW，輸入電壓范圍為 0~5V，單一 +5V 電源供電。它可以接與 Z80、 808 8080、 8031 等 CPU 相連，也可以獨立使用。 (2) ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳 ADC0809A/D 轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 34所示。包括一個高阻抗 斬波比較器；一個帶有 256 個電阻分壓器的樹狀開關(guān)網(wǎng)絡(luò)；一個邏輯控制環(huán)節(jié)和 8 位逐次比較寄存器 (SAR)；一個 8 位三態(tài)輸出緩沖器。引腳功能介紹如下： 11 A、 IN0~IN8： 8 路輸入通道的模擬量輸入端，輸入； B、 21~28： 8 位數(shù)字量輸出端； 21 為最低位 (LSB)， 28 為最高位 (MSB)，輸出，三態(tài)； C、 ALE：地址鎖存控制信號，輸入，上升沿有效。將地址選擇信號 A、 B、 C 鎖入地址寄存器； D、 START：啟動 A/D 轉(zhuǎn)換控制信號，輸入，上升沿有效。當(dāng)輸入一個正脈沖，便立即啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，同時使 EOC 變?yōu)榈碗娖剑? E、 EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，高電平有效。 EOC 由低電平變?yōu)楦唠娖?，表明本?A/D 轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束； F、 OE：輸出允許控制信號，輸入，高電平有效。 OE 由低電平變?yōu)楦唠娖?，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線上； G、 VREF()、 VREF(+)：片內(nèi) D/A 轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入端。 VREF()不能為負(fù)值， VREF(+)不能高于 VCC， 且 1/2[VREF()+VREF(+)]與 1/2VCC 之差不得大于 ； H、 CLOCK：時鐘輸 入端。 500kHz~1MHz，典型值為 640kHz。 I、 A、 B、 C： 8 路模擬開關(guān)的 3 位地址選通輸入端，其對應(yīng)關(guān)系如表 32 所示。 圖 2. ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳圖 12 表 2. 8路模擬開關(guān)地址選通輸入端 ADC0809 時序圖如圖 3 所示。其中， tWS：最小起動脈寬，典型值為 100ns，最大值為 200ns； tWE：最小 ALE 脈寬，典型值為 100ns，最大值為 200ns； tD：模擬開關(guān)延時，典型值為 1μ s，最