【正文】 The system uses 89C51 microcontroller as the master chip, choice the ADC0809 to plete the conversion of analog to digital. With the external circuit designed by myself, bined with the singlechip to realization the test of PTCR’s resistance in the span of 13 kΩ。盡管單片機(jī)是從 1982 年才開始在我國應(yīng)用的，但它一經(jīng)上市便顯示出強(qiáng)大的生命力，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)迅速占領(lǐng)市場并獲得廣泛應(yīng)用。 單片機(jī)最大特點(diǎn)是單片化 [3]， 體 積大大減小 、 功耗和成本低 、 可靠性 高 、易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)、易于開發(fā)。 單片機(jī)的典型代表是 Intel 公司在 20 世紀(jì) 80 年代初研制出來的 MCS51系列單片機(jī) [3]。由于其具有 80C51 的原有功能，內(nèi)部還含有大容量的 Flash 存儲器，又增加了新功能，因此在電子產(chǎn)品開發(fā)及智能化儀器儀表中有著廣泛的應(yīng)用，成為目前取代 MCS51 系列單片機(jī)的主流芯片之一。 它通常是實(shí)現(xiàn)測試和自動控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，如果沒有傳感器對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精確可靠的測量則無論是信號轉(zhuǎn)換還是信息處理，或者是最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制都將無法實(shí)現(xiàn)。 其中半導(dǎo)體傳感器中的 很 多元件所測 相關(guān)量的 變化 （ 如溫度、適度、某種氣體濃度 ） 最終都是通過電阻的變化表現(xiàn)出來的。 熱敏電阻器 的典型特點(diǎn)是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電 阻值 。cm 之間，當(dāng) 測試 溫度超過其居里溫度時，在幾十度溫度范圍內(nèi)，其電阻率可以增大 4～ 10 個數(shù)量級，即產(chǎn)生所謂的 PTC 效應(yīng)。在實(shí)際的理論研究及工業(yè)生產(chǎn)中，PTC 熱敏電阻元件的測試條件通常 都 有一定的特殊要求，比如恒定可控的溫度環(huán)境 ， 零功率 測試 條件 ， 根據(jù) PTC 熱敏材料 特 性而需要采用的特定測量方法等 。 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 4 第 2 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 系統(tǒng) 硬件設(shè)計 思路 概述 首先 本系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)電阻的測量，而電阻是不能直接測量的。參考電壓輸入的 VREF+與 V+相接， VREF與 測量電壓輸入端IN+相接， IN與 COM 接通。然后再在軟件中根據(jù)實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)電阻的算法。 電壓表設(shè)計的總體方案 設(shè)計思路 數(shù)字電壓表的系統(tǒng)設(shè)計主要包括三大模塊：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊。 圖 23 系統(tǒng)整體運(yùn)行框架 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 6 設(shè)計方案 數(shù)字電壓表的硬件電路設(shè)計由 6 個部分組成 ： 時鐘電路，復(fù)位電路，AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng) [9]， A/D 轉(zhuǎn)換電路， LED 顯示系統(tǒng)以及測量電壓輸入電路。一個 n 位的逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器只需要比較 n 次，轉(zhuǎn)換時間只取決于位數(shù)和時鐘周期，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。 （ 3） 轉(zhuǎn)換時間： 128μ s；轉(zhuǎn)換精度： %；單個 +5V 電源供電。 ADC0808 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 路模擬多路開關(guān)，可以對 8 路 05V 輸入模擬電壓信號分時進(jìn)行轉(zhuǎn)換，與各種微控制器接口，可鎖存三態(tài)輸出 ，輸出與 TTL 兼容。一般在硬件仿真時采用 ADC0808 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，實(shí)際使用時采用 ADC0809進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 ALE：地址鎖存允許輸入線，高電平有效，當(dāng) ALE 為高電平時，為地址輸入線，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。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開三態(tài)輸出門，輸出數(shù)字量。 CLK： 時鐘 脈沖 輸入端。 圖 27 ADC0808 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖 （ 1） 地址鎖存與譯碼器用于當(dāng) ALE 信號有效時，鎖存從 ADDA、 ADDB、ADDC 3 根地址線上送來的 3 位地址，譯碼后產(chǎn)生通道選擇信號，從 8 路模擬通道中選擇當(dāng)前模擬通道。 ADC0808 內(nèi)部的工作過程： 首先輸入三位地址，并使 ALE=1，將地址存入鎖存器中。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成。它是一款 低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含有 4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 和 128 字節(jié)的隨機(jī)存儲器。 圖 28 AT89C51 的引腳圖 AT89C51 芯片的各引腳功能 [11]為： P0 口：這組引腳共有 8 條， 為最低位。 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，用于輸出片外存儲器的高 8 位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不是像 P0 口那樣傳送存儲器的讀 /寫數(shù)據(jù)。該脈沖序列可以作為外部時鐘源或定時脈沖使用。通常 89C51復(fù)位有自動上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。 單片機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)電路 復(fù)位 電路 單片機(jī)在啟動運(yùn)行時都需要復(fù)位，使 CPU 和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動復(fù)位和手動復(fù)位兩種，圖6 是 51 系列單片機(jī)統(tǒng)常用的上電復(fù)位和手動復(fù)位組合電路，只要 Vcc 上 升時間不超過 1ms，它們都能很好的工作。 MCS51 單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成震蕩器， XTAL1 為該放大器的輸入端， XTAL2 為該放大器輸出端，但形成時鐘電路還需附加其他電路。 顯示模塊 顯示模塊采用的是四位一體的數(shù)碼管 ，如圖 211 所示。在單片機(jī)中使用最多的是七段數(shù)碼顯示器。數(shù)碼管按段數(shù)分為 七段數(shù)碼管 和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光 二極管 單元（多一個小數(shù)點(diǎn)顯示）；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和 共陰極數(shù)碼管 。 共陰極數(shù)碼管 是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。每個段其實(shí)就是一個發(fā)光二極管，導(dǎo)通即亮。 圖 214 四位一體共陽極數(shù)碼管內(nèi)部電路圖 從數(shù)碼管正面俯視 看，對應(yīng)的引腳如圖 215所示， 圖 215 四位一體數(shù)碼管引腳圖 1， 2， 3， 4 分別表示從左到右四個數(shù)碼管的位選端， a,b,c,d,e,f,g,dp 即分別對應(yīng)數(shù)碼管的段選，共陰極數(shù)碼管高電平有效，共陽極的數(shù)碼管低電 平有效。 本設(shè)計系統(tǒng)中為了簡化硬件線路設(shè)計，數(shù)碼管譯碼采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)。 數(shù)碼管的驅(qū)動通常分為兩種：靜態(tài)驅(qū) 動和動態(tài)顯示。 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 “ a,b,c,d,e,f,g,dp” 的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加 位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 17 外加的分壓電路 此電路時輔助測量電阻的電路同時也是電壓表的模擬電壓發(fā)生電 路 ，如圖216 所示。此外， AT89C51 還控制 ADC0808 的工作。 單片機(jī)在推廣應(yīng)用的初期，主要使用匯編語言，這是因?yàn)楫?dāng)時的開發(fā)工具只能支持匯編語言。 C51 是 專為 51 單片機(jī) 開發(fā)的一種高性能的 C 編譯器。 主程序框圖如圖 31 所示 圖 31 主程序框圖 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 20 初始化程序 初始化，是對將要用到的 51 系列單片機(jī)內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始工作狀態(tài)設(shè)定，初始化子程序 的主要工作 是設(shè)置定時器的工作模式，初值預(yù)置，開中斷和打開定時器等 。 TL1=(65536200)%256。使用定時器、外部中斷、串行口中斷中的某一個或某幾個時 EA 都要置 1。 ① 初始化時，使 ST 和 OE 信號全為低電平。 ② 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到 A、 B、 C 端口上。 ④ 當(dāng) EOC 變?yōu)楦唠娖綍r，這時給 OE 為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī) P1 口再傳遞到數(shù)碼管顯示 。 OE＝ 1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)； OE＝ 0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 將從下面幾方面 ① keil程序調(diào)試及 proteus 仿真 ② 實(shí)物完成 ③ 實(shí)際 電阻 測量及結(jié)果分析 keil 程序調(diào)試及 proteus 仿真 proteus 功能及使用概述 Protues 軟件 [18]是英國 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具軟件。 其功能特點(diǎn)如下 ： proteus 軟件具有其它 EDA 工具軟件的功能。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等， Protues 建立了完備的 電子 設(shè)計開發(fā)環(huán)境。 Proteus 可以完成單片機(jī)系統(tǒng)原理圖電路繪制、 PCB 設(shè)計，更為顯著點(diǎn)的特點(diǎn)是可以與 keil的 u Visions4 IDE 工具軟件結(jié)合進(jìn)行編程仿真調(diào)試。 Keil 中生成的 .hex 文件下載到仿真圖中的單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行仿真。 仿真結(jié)果 ： 電壓表仿真結(jié)果正常，數(shù)值以 V 為單位可以從 顯示到 。 仿真中變壓器是 1K 的，所以準(zhǔn)確的變化范圍應(yīng)該是 — （單位是 KΩ ）是 出現(xiàn)過的錯誤的顯示包括下面 兩 種 ： ① 數(shù)碼管只能顯示五個 數(shù) 、 、 、 、 。 dispbuf[1]=temp/10%10。 getdata 是從 A/D 轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字量是一個八位的二進(jìn)制數(shù)，即為所轉(zhuǎn)換好的電壓值。乘 1000 是為 了方便下面顯示成四位數(shù)值。 錯誤分析：由于 C 語言中整數(shù)相除結(jié)果取整保留，而對于電壓而言這種寫法相當(dāng)于電壓只有五個值，所以相除得出來的只是五個不準(zhǔn)確的數(shù)值 ② 在 ① 的基礎(chǔ)上 Rx=（ ） *R0*1000/V 數(shù)值顯示的顯示的即為第二種錯誤結(jié)果 錯誤分析：雖然有小數(shù)的，但是 v 是一個放大 1000 倍的數(shù)值所以相應(yīng)的量程自然也應(yīng)該放大，當(dāng)時忽略了這個問題導(dǎo)致很長時間查不出錯誤。 仿真結(jié)果如圖 4 45 所示： 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 26 圖 44 仿真結(jié)果圖 1 圖 45 仿真結(jié)果圖 2 在仿真的情況下正常顯示說明程序和電路至少在原理上正確，因?yàn)榉抡娈吘共皇菍?shí)物所以實(shí)物連接出來究竟能否正確運(yùn)行還不能確定。 電路板實(shí)物測試結(jié)果 件編譯成功后下載到單 片機(jī)中上電測試，最開始實(shí)際電路中也用的 1k 的變阻器，數(shù)據(jù)的正確性沒有問題的情況下，在指導(dǎo)老師的幫助下，接上熱敏電阻進(jìn)行測量，用電烙鐵改變熱敏電阻的溫度從而改變其阻值，顯示的結(jié)果是正確的，但是存在一個很明顯的問題， 那就是數(shù)碼管亮度嚴(yán)重不夠，只有晚上才能看清楚，而且數(shù)碼管 一直 閃爍。 ② 改變端口，讓數(shù)碼管接單片機(jī)的 P0 端， P1 口接 A/D 的輸出。焊接完成后，亮度的問題便解決了。 根據(jù)大家給的意見結(jié)合自己的程序分析了一下，程序中有可能造成閃爍的有三個部分： ① 在 A/D 轉(zhuǎn)換過程結(jié)束時讀取數(shù)據(jù)的那部分程序。 所以我著手在這三個部分做了改動。程序的含義是掃描 EOC 端， EOC 端為低時程序在 while（ EOC==0）處停留，為高是跳出，所單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 28 以這部分有可能會有空白等待的時候，有可能造成閃爍。}這樣在大方向上是沒有什么變化的，但是在掃描細(xì)節(jié)上發(fā)上如下的變化，掃描 EOC 端是否為高，為高程序繼續(xù)向下運(yùn)行，如果為低，程序繼續(xù) 顯示之前的數(shù)據(jù) 。i0。} } } 括號中的數(shù)為 i 的值所以數(shù)越大說明延時時越長頻率越低，所以閃爍還有可能是這方面的原因 。 TL1=(65536200)%256。多以程序這部分最終改為了： TH1=(6553665)/256。 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 29 實(shí)際電阻測量及結(jié)果分析 實(shí)際測量的情況 在 測量的時候?qū)崦綦娮?連接到接入電路，然后用已經(jīng)預(yù)熱好的烙鐵接觸熱敏電 阻，這時候數(shù)碼管的值就會開始隨著變化，可是由于數(shù)值變化的速度太快，無法現(xiàn)時讀數(shù)記錄只能先將數(shù)據(jù)的變化過程錄下來，然后再回去暫停取數(shù)，所以后面的數(shù)據(jù)都是這樣取出來的。 表 41 時間電阻測量值 第 一組 時間 (s) 0 4 6 8 10 12 14 16 18 20 電阻(Ω ) 5 10 22 30 50 61 77 82 93 117 時間 (s) 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 電阻(Ω ) 129 138 155 174 249 275 332 355 390 410 時間 (s) 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 電阻(Ω ) 440 480 507 554 590 650 697 752 780 810 時間 (s) 62 64 68 72 76 80 84 88 92 96 電阻(Ω ) 882 963 1060 1116