【正文】 據(jù)采集系統(tǒng)所需的程序空間 (ROM)和數(shù)據(jù)空間 (RAM)較小，選用AT89C52 單片機(jī)作為該系統(tǒng)的核 心，它含有 8K 字節(jié)的 EPROM 和 256 字節(jié)的 RAM足夠本設(shè)計(jì)所用 ，并且 功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)可 提供許 多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，所以采用 AT89C52 單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控制器。 時(shí)鐘電路 的選擇 ： AT89C52 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器 ,引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端 。 這個(gè)放大器與作為反饋的元件的片外石英晶體和陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。 方案一：內(nèi)部 時(shí)鐘方式 ，如圖 31 圖 31 內(nèi)部時(shí)鐘方式 外接石英 晶 體 (或陶瓷諧振器 )及電容 C1, C2 接 在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容 C1, C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英 晶 體，我們推薦電容使用 30pF 士 10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇 40pF 士 l0pF。 方案二：外部 時(shí)鐘方式，如圖 32 8路輸入模擬信號(hào)數(shù)值顯示器的設(shè)計(jì) 5 圖 32 外部 時(shí)鐘方式 外部振蕩器信號(hào)的接法與芯片類型有關(guān)。 CMOS 工藝的 MCU 其 XTAL1 端接外部時(shí)鐘信號(hào)， XTAL2 端可懸空。 HMOS 工藝的 MCU 則 XTAL2 端接外部時(shí)鐘信號(hào)， XTAL1 端須 接地。 由于外部時(shí)鐘方式 常用于多片單片機(jī)同時(shí)工作，以便于各單片機(jī)同步。所以時(shí)鐘電路采取內(nèi)部時(shí)鐘方式。 數(shù)據(jù)采集 模塊 的 分析與 選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)需要對(duì) 8路模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并且最小分辨率為 。 a 轉(zhuǎn)換原理的選擇 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展， A/D 轉(zhuǎn)換器新品不斷推出。按工作方式原理分， ADC 的主要種類有：逐次逼近式 和 雙積分式。 方案一：逐次逼近式 ADC 的轉(zhuǎn)換原理 8路輸入模擬信號(hào)數(shù)值顯示器的設(shè)計(jì) 6 圖 33 是逐次逼近式 ADC 的工作原理圖。由圖可見， ADC 由比較器、 D/A 轉(zhuǎn)換器 、逐次逼近寄存器和控制邏輯組成。 圖 33 逐次逼近式 ADC 原理圖 在時(shí)鐘脈沖的同步下，控制邏輯先使 N 位寄存器的 D7 位置 1（其余位為 0）。此時(shí)該寄存器輸出的內(nèi)容為 80H，此值經(jīng) DAC 轉(zhuǎn)換為模擬量輸出為 VN， 與待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào) VIN相比較，若 VIN大于等于 VN，則比較器輸出為 1。于是在時(shí)鐘脈沖的同步下，保留 D7=1，并使下一位 D6=1，所得新值（ C0H）再經(jīng) DAC 轉(zhuǎn)換得到新的 VN，再與 VIN比較，重復(fù)前述過程。反之，若使 D7=1 后，經(jīng)比較，若 VIN小于 VN，則使 D7=0， D6=1，所得新值 VN再與 VIN比較，重復(fù)前述過程。以此類推，從 D7 到 D0 都比較完畢，轉(zhuǎn)換便結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，控制邏輯使 EOC 變?yōu)楦唠娖?，表?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)的 D7~D0 即為對(duì)應(yīng)于模擬輸入信號(hào) VIN的數(shù)字量。 方案二：雙積分式 ADC 的轉(zhuǎn)換原理 圖 34 是雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器 。 D/ A轉(zhuǎn) 換器鎖存緩存器N位 寄存器控制邏輯V INV NSTARTEOCV REFOE數(shù)據(jù)輸出 8路輸入模擬信號(hào)數(shù)值顯示器的設(shè)計(jì) 7 圖 34 雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器 圖 35 是雙積分式 ADC 的工作原理圖?？刂七壿嬒葘?duì)未知的輸入模擬電壓 VIN進(jìn)行固定時(shí)間 T 的積分，然后轉(zhuǎn)為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分，直至積分輸出返回起始值。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓的積分時(shí)間 t2（或 t2’）正比于模擬輸入電壓 VIN。輸入電壓大，則反向積分時(shí)間長。用高頻率標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖來測(cè)量積分時(shí)間 t2（或 t2’），即可得到對(duì)應(yīng)于模擬電壓 VIN的數(shù)字量。 圖 35 雙積分式 ADC 工作原理 b 轉(zhuǎn)換時(shí)間的選擇 轉(zhuǎn)換速度是指完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)，是一個(gè)很重要的指標(biāo)。 A/D轉(zhuǎn)換器型號(hào)不同，轉(zhuǎn)換速度差別很大。通常， 8 位逐次比較式 ADC 的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us 左右。由于本系統(tǒng)的控制時(shí)間允許， 可選 8 位逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器。 8路輸入模擬信號(hào)數(shù)值顯示器的設(shè)計(jì) 8 c ADC 位數(shù)的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定著信號(hào)采集的精度和分辨率。 對(duì)于該 8 個(gè)通道的輸入 信號(hào)， 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其精度為 8 %2? ? 輸入為 0～ 5V時(shí)，分辨率為 85 0 .0 1 9 61122FsN Vv ???? Fsv— A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程值 N — ADC 的二進(jìn)制位數(shù) 量化誤差為 8 5 0 . 0 0 9 8( 1 ) 2 ( 1 ) 222FsNQVv? ? ?? ? ? ? ADC0809 是 TI公司生產(chǎn)的 8 位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括一個(gè) 8 位的逼近型的 ADC 部分，并提供一個(gè) 8 通道的模擬 多路開關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯，為模擬通道的設(shè)計(jì)提供了很大的方便。 用它可直接將 8 個(gè)單端模擬信號(hào)輸入，分時(shí)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回監(jiān)測(cè)、過程控制等領(lǐng)域中使用非常廣泛 ， 所以本設(shè)計(jì)中選用該芯片作為 A/D 轉(zhuǎn)換電路的核心。 d ADC0809 與單片機(jī)的 接口 ADC0809 與單片機(jī)的接口 方式 是該系統(tǒng)的核心部分，選擇好的接口 方式 是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能的重要步驟。 方案一：經(jīng)典接口方式。 ADC0809 與單片機(jī)的接口電路如圖 36 所示。 8路輸入模擬信號(hào)數(shù)值顯示器的設(shè)計(jì) 9 圖 36 ADC0809 與 MCS51 的接口電路 由于 ADC0809 無片內(nèi)時(shí)鐘，時(shí) 鐘信號(hào)可由單片機(jī)的 ALE 信號(hào)經(jīng) D 觸發(fā)器二分頻后獲得。 ALE 引腳得脈沖頻率是 AT89C52 時(shí)鐘頻率的 1/6。單片機(jī)時(shí)鐘頻率采用12MHz,則 ALE 輸出的頻率是 2MHz，二分頻后為 1MHz,符合 ADC0809 對(duì)頻率的要求。 由于 ADC0809 內(nèi)部設(shè)有地址鎖存器，所以通道地址由 P0 口的低 3 位直接與ADC0809 的 A、 B、 C 相連。通道基本地址為 0000H～ 0007H。其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 31所示。 表 31 0809 輸入通道地址 地址碼 輸入通道 C B A 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 8路輸入模擬信號(hào)數(shù)值顯示器的設(shè)計(jì) 10 控制信號(hào)：將 作為片選信號(hào)，在啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號(hào)和 控制 ADC 的地址鎖存和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。由于 ALE 和 START 連在一起，因此ADC0809 在鎖存通道地址的同時(shí)也啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號(hào) RD 和 引腳經(jīng)或非門后，產(chǎn)生正脈沖作為 OE 信號(hào)，打開三態(tài)輸出鎖存器。 方案二：簡(jiǎn)易接口方式。 ADC0809 轉(zhuǎn)換的必要條件就是 CLOCK 引腳得到一個(gè)能夠正常工作的時(shí)鐘脈沖，以經(jīng)典接口方式來看，是由單片機(jī)的 ALE 引腳經(jīng)分頻器給 CLOCK 一個(gè)時(shí)鐘脈沖，通過硬件電路直接給 CLOCK 引腳一個(gè)時(shí)鐘脈沖。所以，只要能讓 ADC0809的 CLOCK 引腳得到一個(gè)能夠工作的時(shí)鐘脈沖，那么 A/D 轉(zhuǎn)換也就基本能實(shí)現(xiàn)。但是直接利用單片機(jī)的任意的一個(gè) I/O 口與 CLOCK 引腳連接，通過軟件編程的方法給 CLOCK 引腳送入一個(gè)時(shí)鐘脈沖，那么 ADC0809 也就可以滿足 A/D 轉(zhuǎn)換的必要條件了。這樣，不僅可以節(jié)省了器件，而且又不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)橛布栴} 而產(chǎn)生錯(cuò)誤。所以，方案二成為該設(shè)計(jì)首選的 ADC0809 與單片機(jī)接口的方式。 數(shù)據(jù)顯示模塊分析 與 選擇 用單片機(jī)作為這一控制系統(tǒng)的核心，接 收 來自 ADC0809 的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后通過串口傳送，由于系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，單片機(jī)通過與 LED 數(shù)碼顯示器相連，驅(qū)動(dòng) LED顯示器顯示相應(yīng)通道采集到的數(shù)據(jù)。 要求 最大顯示數(shù)值為 255，并且要對(duì) 8 個(gè)通道進(jìn)行輪流顯示，所以需要 4 個(gè) LED數(shù)碼管對(duì)其進(jìn)行顯示， 1 個(gè)顯示通道數(shù)，其余 3 個(gè)顯示采樣值。 用單片機(jī)驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管有很多方法，按譯碼方式可分 為 硬件譯碼和軟件譯碼 ； 按顯示方式 可 分 為 靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)（掃描）顯示 。 a 譯碼方式 方案一：硬件譯碼 硬件譯碼就是顯示的段碼完全由硬件完成， CPU只要送出標(biāo)準(zhǔn)的 BCD 碼即可，硬件接線有一定標(biāo)準(zhǔn)。 方案二：軟件譯碼 軟件譯碼是用軟件來完成硬件的功能，接線靈活，顯示段碼完全由軟件來處理，是目前常用的顯示驅(qū)動(dòng)方式。 8路輸入模擬信號(hào)數(shù)值顯示器的設(shè)計(jì) 11 由于采樣信號(hào)非固定值，所以采用軟件譯碼 方式 對(duì) LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示驅(qū)動(dòng)。 b 顯示方法 方案一：靜態(tài)顯示 靜態(tài)顯示，顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出 后停止傳送 ，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時(shí)再傳送一次數(shù)據(jù)。 編程容易 ，管理簡(jiǎn)單，顯示亮度高，顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的 CPU 時(shí)間。但引線多，線路復(fù)雜，硬件成本高。 方案二：動(dòng)態(tài)顯示 動(dòng)態(tài)顯示 就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器的各個(gè)位（掃描）。對(duì)于顯示器的每一位而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次， 需要 CPU 時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)會(huì)有閃爍感，占用的 CPU時(shí)間多。 這兩種顯示方式各有利弊；靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的 CPU 時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的硬件較多；動(dòng)態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的 CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。 當(dāng)顯示裝置中有多個(gè) 多段 LED 時(shí)，通常采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路，節(jié)省開銷。所以采用動(dòng)態(tài)顯示方式對(duì) LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示控制。 系統(tǒng)各個(gè)模塊的最終方案 經(jīng) 上述一系列的 理論分析，本系統(tǒng) 最終 采用 AT89C52單片機(jī)， 數(shù)據(jù)采集 核心采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809， 采 用 7段共陽 LED數(shù)碼管 動(dòng)態(tài)顯示采集到的數(shù)據(jù) 。 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件電路 各模塊 簡(jiǎn)介 AT89C52 單片機(jī) AT89C52 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電 壓 ,高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù) 擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器 （ EPROM） 和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM ),器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與 8路輸入模擬信號(hào)數(shù)值顯示器的設(shè)計(jì) 12 標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng) 及 8052 產(chǎn)品引腳兼容 ，片內(nèi)置通用 8 位中 央處理器 (CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元， 功能強(qiáng)大 的 AT89C52 單片機(jī)可 提供許 多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各 種控制領(lǐng)域 a 技術(shù)指標(biāo)及 功能特性 AT89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能 :8k 字 節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 256 字 節(jié)內(nèi) RAM,32 個(gè)可編程 I/O 口線， 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量?jī)杉?jí)中 斷結(jié) 構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口， 片 內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89C52 可 降至 OHz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可 選的 節(jié)電工作模式?？臻e方 式停 止 CPU的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中 斷系統(tǒng)繼 續(xù)工作。掉電方 式保存 RAM 中 的內(nèi)容，但振蕩器停 止 工作并禁 止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù) 位。 主要 特性 參數(shù) ： 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 8k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲(chǔ)器 1000 次擦寫 周期 全靜態(tài)操作 :OHz24MHz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 256*8 字節(jié) 內(nèi) 部 RAM 32 個(gè) 可 編程 I/O 口線 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 8 個(gè) 中 斷源 可 編程串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 b 引腳功能說明 引腳圖如圖 41 8路輸入模擬信號(hào)數(shù)值顯示器的設(shè)計(jì) 13 圖 41 AT89C52 引腳圖 引腳功能說明 ： Vcc： 電源電壓 GND： 地 P0 口 ： PO 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/0 口，也即地址 /