【正文】 （ A/D 轉(zhuǎn)換器）， A/D 轉(zhuǎn)換器是單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵接口電路，按照各種 A/D 芯片 的轉(zhuǎn)化原理可分為逐次逼近型，雙重積分型等等。雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。與雙積分相比，逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，比如 ADC080 ADC0809 等，它們通常具有 8 路模擬選通開(kāi)關(guān)及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機(jī)系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送到單片機(jī)進(jìn)行分析和顯示。一個(gè) n 位的逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器只需要比較 n 次，轉(zhuǎn)換時(shí)間只取決于位數(shù)和時(shí)鐘周期，逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，因而在實(shí)際中廣泛使用 [1]。 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器原理 逐次 逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器及控制電路組成。它利用內(nèi)部的寄存器從高位到低位一次開(kāi)始逐位試探比較。 轉(zhuǎn)換過(guò)程如下： 開(kāi)始時(shí)，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換時(shí)，先將最高位置 1，把數(shù)據(jù)送入 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入的模擬量比較，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量小，則1 保留，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量大，則 1 不保留，然后從第二位依次重復(fù)上述過(guò)程直至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量 [5]。其原理框圖如圖 2 所示： 圖 2 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器原理圖 基 于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 34 頁(yè) ADC0809 主要特性 ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，帶有使能控制端，與微機(jī)直接接口，片內(nèi)帶有鎖存功能的 8 路模擬多路開(kāi)關(guān)，可以對(duì) 8 路 05V 輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于 ADC0809 設(shè)計(jì)時(shí)考慮到若干種模 /數(shù)變換技術(shù)的長(zhǎng)處，所以該芯片非常適應(yīng)于過(guò)程控制，微控制器輸入通道的接口電路，智能儀器和機(jī)床控制等領(lǐng)域 [5]。 ADC0809 主要特性 :8 路 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8 位；具有鎖存控制的 8路模擬開(kāi)關(guān)；易與各 種微控制器接口；可鎖存三態(tài)輸出，輸出與 TTL 兼容；轉(zhuǎn)換時(shí)間： 128μ s；轉(zhuǎn)換精度： %；單個(gè) +5V 電源供電；模擬輸入電壓范圍 0 +5V，無(wú)需外部零點(diǎn)和滿(mǎn)度調(diào)整；低功耗，約 15mW[6]。 ADC0809 的外部引腳特征 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳圖如圖 3 所示。 圖 3 ADC0809 引腳圖 下面說(shuō)明各個(gè)引腳功能 : IN0IN7（ 8 條）： 8 路模擬量輸入線(xiàn)，用于輸入和控制被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。 地址輸入控制（ 4 條）： ALE:地址鎖存允許輸入線(xiàn)，高電平有效，當(dāng) ALE 為高電平時(shí)，為地址輸入線(xiàn)，用于選擇 IN0IN7 上那一條模擬電壓送給比較器進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 基 于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 34 頁(yè) ADDA,ADDB,ADDC:3 位地址輸入線(xiàn)，用于選擇 8 路模擬輸入中的一路，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 1所示： 表 1 ADC0809 通道選擇表 地址碼 對(duì)應(yīng)的輸入通道 C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START： START 為“啟動(dòng)脈沖”輸入法，該線(xiàn)上正脈沖由 CPU 送 來(lái)，寬度應(yīng)大于 100ns，上升沿清零 SAR,下降沿啟動(dòng) ADC 工作。 EOC: EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線(xiàn)，該線(xiàn)上高電平表示 A/D 轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入三態(tài)輸出鎖存器。 D1D8：數(shù)字量輸出端， D1為高位。 OE： OE 為輸出允許端，高電平能使 D1D8 引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 REF+、 REF:參考電壓輸入量，給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。 Vcc、 GND: Vcc 為主電源輸入端， GND 為接地端，一般 REF+與 Vcc 連接在一起， REF與 GND 連接在一起 . CLK:時(shí)鐘輸入端。 ADC0809 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作流程 ADC0809 由 8路模擬通道選擇開(kāi)關(guān)，地址鎖存與譯碼器，比較器， 8 位開(kāi)關(guān)樹(shù)型 A/D 轉(zhuǎn)換器，逐次逼近型寄存器，定時(shí)和控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。 基 于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 4 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 其中： （ 1） 8 路模擬通道選擇開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)從 8 路輸入模擬量中選擇一路送給后面的比較器進(jìn)行比較。 （ 2）地址鎖存與譯碼器用于當(dāng) ALE 信號(hào)有效時(shí)，鎖存從 ADDA、 ADDB、 ADDC 3 根地址線(xiàn)上送來(lái)的 3 位地址，譯碼后產(chǎn)生通道選擇信號(hào)，從 8 路模擬通道中選擇當(dāng)前模擬通道。 （ 3）比較器， 8 位開(kāi) 關(guān)樹(shù)型 A/D 轉(zhuǎn)換器，逐次逼近型寄存器，定時(shí)和控制電路組成 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，當(dāng) START 信號(hào)有效時(shí)，就開(kāi)始對(duì)當(dāng)前通道的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量送到 8 位三態(tài)鎖存器，同時(shí)通過(guò)引腳送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。 （ 4）三態(tài)輸出鎖存器保存當(dāng)前模擬通道轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，當(dāng) OE 信號(hào)有效時(shí)，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送出。 ADC0809 的工作流程為： （ 1）輸入 3 位地址，并使 ALE=1,將地址存入地址鎖存器中，經(jīng)地址譯碼器從 8路模擬通道中選通 1 路模擬量送給比較器。 （ 2）送 START 一高脈沖， START 的上升沿使逐次寄存器 復(fù)位，下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，并使 EOC 信號(hào)為低電平。 （ 3）當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入到輸出三態(tài)鎖存器中，并使 EOC 信號(hào)回到高電平，通知 CPU 已轉(zhuǎn)換結(jié)束。 （ 4）當(dāng) CPU 執(zhí)行一讀數(shù)據(jù)指令時(shí)，使 OE 為高電平，則從輸出端 D0D7 讀出數(shù)據(jù)。 基 于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 34 頁(yè) 單片機(jī)系統(tǒng) AT89C51 性能 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含有 4KB 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器和 128 字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 AT89C51功能性能 :與 MCS51成品指令系統(tǒng)完全兼容； 4KB可編程閃速存儲(chǔ)器；壽命： 1000 次寫(xiě) /擦循環(huán) ； 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年；全靜態(tài)工作： 024MHz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定； 128*8B 內(nèi)部 RAM； 32 個(gè)可編程 I/O 口線(xiàn)； 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； 5個(gè)中斷源；可編程串行 UART 通道；片內(nèi)震蕩器和掉電模式 [6]。 AT89C51 各引腳功能 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4KB 的 Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128B 內(nèi)部 RAM， 32個(gè) I/O 口線(xiàn)，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 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)震蕩器及時(shí)鐘電路，同時(shí)， AT89C51 可降至 0Hz 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，但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 AT89C51 采用 PDIP 封裝形式，引腳 配置如圖 5 所示 [7]。 圖 5 AT89C51 的引腳圖 基 于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 34 頁(yè) AT89C51 芯片的各引腳功能為： P0口：這組引腳共有 8條， 為最低位。這 8 個(gè)引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的情況，第一種情況是 89C51 不帶外存儲(chǔ)器， P0口可以為通用 I/O口使用， 用于傳送 CPU 的輸入 /輸出數(shù)據(jù)，這時(shí)輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專(zhuān)用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性；第二種情況是 89C51 帶片外存儲(chǔ)器， 在 CPU 訪(fǎng)問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)先傳送片外存儲(chǔ)器的低 8 位地址，然后傳 送 CPU 對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀 /寫(xiě)數(shù)據(jù)。 P0 口為開(kāi)漏輸出，在作為通用 I/O 使用時(shí)，需要在外部用電阻上拉。 P1口：這 8 個(gè)引腳和 P0口的 8個(gè)引腳類(lèi)似， 為最高位， 為最低位，當(dāng) P1 口作為通用 I/O 口使用時(shí)， 的功能和 P0 口的第一功能相同，也用于傳送用戶(hù)的輸入和輸出數(shù)據(jù)。 P2口：這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第一功能相同即它可以作為通用 I/O 口使用，它的第一功能和 P0 口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高 8 位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但并不是像 P0 口那樣傳送存儲(chǔ)器的讀 /寫(xiě) 數(shù)據(jù)。 P3口：這組引腳的第一功能和其余三個(gè)端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個(gè)引腳并不完全相同