【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)必須在一系列選定的瞬間對(duì)模擬信號(hào)采樣，然后再把該取樣值用二進(jìn)制數(shù)表示出來(lái)。由于將采樣值再用二進(jìn)制表示出來(lái)需要一定的時(shí)間，因此，采樣后的模擬量還必須要保持、量化和編碼等過(guò)程。所以， A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程一般要四 步：采樣、保持、量化和編碼。 （ 1） 采樣和保持 采樣是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的信號(hào)，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入的模擬量。 如圖 所示。 第 12 頁(yè) 圖 采樣電路 該電路 就是在一系列選定的時(shí)間瞬間對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的電路。電路中 S 是理想的模擬開(kāi)關(guān)， CH 是保持電容， S開(kāi)關(guān)有采樣脈沖信號(hào) VS控制。當(dāng) VS高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合 VI(t)對(duì)電容 CH 充電（采樣）；當(dāng) VS低電平時(shí)，電容器上采樣的電壓保持。進(jìn)而可畫(huà)出采樣后 39。()IVt的波形，如圖 所示。 圖 采樣保持波形圖 為了能使采樣后的信號(hào)不失真地再現(xiàn)原采樣前的輸入信號(hào)，由此，對(duì)采樣的信號(hào)頻率 Sf 就有一定的要求。由采樣定理得： max2Siff? ，式中 maxif 為輸入模擬信號(hào) ()IVt頻譜中的最高頻率成分。在實(shí)際的 A/D 轉(zhuǎn)換中，允許存在一定的誤差下，采 樣脈沖頻率 Sf 常按下式選?。?max2Siff? 。 由于每次把采樣得到的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以采樣以后必須再將采樣電壓保持一段時(shí)間。因此，進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓實(shí)際是每次采樣結(jié)束時(shí)的 iu 值。 （ 2） 量化和編碼 輸入的模擬的電壓經(jīng)過(guò)采樣保持后，得到的是階梯波。由于階梯的幅度是任意的，將會(huì)有無(wú)限個(gè)數(shù)值，因此該階梯波 仍是一個(gè)可以連續(xù)取值的模擬量。另一方面，由于數(shù)字量的位數(shù)有限，智能表示有限個(gè)數(shù)值（ n為數(shù)字量智能表示 2n個(gè)數(shù)值）。因此，用數(shù)字量來(lái)表示連續(xù)變化的模擬時(shí)就有一個(gè)類似于四舍五入的近似問(wèn)題。必須將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個(gè)過(guò)程稱為量化。指定的離散電平稱為量化電平。用二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示各個(gè)量化電平的過(guò) 第 13 頁(yè) 程稱為編碼。兩個(gè)量化電平之間的差值稱為量化間隔 S，位數(shù)越多，量化等級(jí)越細(xì)， S就越小。取樣保持后未量化的 U0值與量化電平 Uq 值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差 ? ，即 0 qUU???。量化的方法一般有兩種：舍尾取整法和四舍五入法。 a、舍尾取整法 舍尾取整量化特性如圖 所示。 圖 舍尾取整量化特性 舍去不足一個(gè)量化單位的尾部，取其證書(shū)。當(dāng) S表示為量化單位時(shí)，即有： 圖 10 舍尾取整量化特性 ( 1) IK S V KS? ? ?。取量化值 ( 1)IV K S??。如當(dāng) S=1V 時(shí)， IV ＝ IV＝ 3V； 量化單位的計(jì)算： 2imnVS?， n是 ADC 的位數(shù) imV 采樣后的最大值電壓。 b、四舍五入法：大與 S/2 量化單位的尾部歸整，舍去小于 S/2 量化單位的尾部。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo) （ 1） 分辨率 分辨率反映轉(zhuǎn)換器所能分辨的被測(cè)量最小值，通常用輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)來(lái)表示。 （ 2） 精度 精度是指轉(zhuǎn)換結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的偏差，精度有兩種表示方法： a、 絕對(duì)精度：用二進(jìn)制最低位 (LSB)的倍數(shù)來(lái)表示。 b、 相對(duì)精度：用絕對(duì)精度除以滿量程值的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。 應(yīng)當(dāng)指出，分辨率與精度是兩個(gè)不同的概念。同樣分辨率的 A/D轉(zhuǎn)換器其精 度可能不同。 第 14 頁(yè) （ 3） 量程（滿刻度范圍） 量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。 （ 4） 線性度誤差 理想的轉(zhuǎn)換器特性應(yīng)該是線性的，即模擬量輸入與數(shù)字量輸出成線性關(guān)系。線性度誤差是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換關(guān)系與理想的直線關(guān)系不同而出現(xiàn)的誤差，通常用多少 LSB 表示。 （ 5） 轉(zhuǎn)換時(shí)間 從發(fā)出啟 動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)始直至獲得穩(wěn)定的二進(jìn)代碼所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換器工作原理及其位數(shù)有關(guān)。同種工作原理的轉(zhuǎn)換器，通常位數(shù)越多，其轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。 結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并考慮到單片機(jī)的 I/O 接口資源緊張等因素，最終確定選用專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的 24 位 A/D轉(zhuǎn)換器芯片 HX711。 STC89C52RC 單 片機(jī) STC89C52RC 單片機(jī)是宏晶公司推出的一款完全兼容 MCS51 的單片機(jī)，單片機(jī)片內(nèi)集成了 8K的 FLASH 程序存儲(chǔ)器， 512 字節(jié)的 RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，至少 1K的E2PROM， 2個(gè)數(shù)據(jù)指針， 1個(gè) UART， 8個(gè)中斷源， 4 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)， 3 個(gè)定時(shí)器。單片機(jī)可通過(guò) 32個(gè) I/O 口與外部電路連接。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 flash 允許程序存儲(chǔ)器在線可編程，也適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)上可編程 閃爍存儲(chǔ) 單元，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié) 閃爍存儲(chǔ)器 ， 256字節(jié)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器， 32位 I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許讀寫(xiě)存儲(chǔ)器、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，讀寫(xiě)存儲(chǔ)器內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 第 15 頁(yè) STC89C52RC 引腳功能 VCC：電源 。 GND：地 。 P0 口 ： P0 口是一個(gè) 8位漏極開(kāi)路的雙向 I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P0端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也被作為低 8位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。在 閃爍編程 時(shí)， P0 口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P1端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 P2 口： P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P2端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送“ 1”。在使用 8 位地址訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2口輸出 P2鎖存器的內(nèi)容。在閃爍編程和校驗(yàn)時(shí)， P2口也接收高 8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 P3 口： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P3端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng) 晶振工作 時(shí)， RST 引腳 持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使 單片機(jī)復(fù)位。 EA/VPP： 訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令， EA 必須接 GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 應(yīng)該接 Vcc。在閃爍編程期間， EA 也接收 12 伏 VPP 電壓。 XTAL1： 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2： 振蕩 器反相放大器的輸出端。 第 16 頁(yè) 圖 STC89C52引腳圖 復(fù)位電路 單片機(jī)上電時(shí)，當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，只要持續(xù)給出 RST 引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，便可完成系統(tǒng)復(fù)位。外部復(fù)位電路是為提供兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平而設(shè)計(jì)的 。系統(tǒng)采用上電自動(dòng)復(fù)位，上電瞬間電容器上的電壓不能突變， RST上的電壓是 Vcc 上的電壓與電容器上的電壓之差，因而 RST上的電壓與 Vcc 上的電壓相同。隨著充電的進(jìn)行，電容器上的電壓不斷上升， RST 上的電壓與 Vcc上的電壓相同。隨著充電的進(jìn)行，電容器上的電壓不斷上升， RST上的電壓就隨著下降， RST 腳上只要保持 10ms 以上高電平，系統(tǒng)就會(huì)有效復(fù)位。電容 C1 可取10~33μF ， R 取 10kΩ ，充電時(shí)間常數(shù)為 1010 61010 3=100ms。 晶振電路 STC89C52 單片機(jī)有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部 振蕩器的反相放大器， XTAL1 和 XTAL2分別是放大器的輸入、輸出端，外接石英晶體或陶瓷振蕩器以及補(bǔ)償電容 CC3構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。當(dāng)外接石英晶體時(shí)，電容 C C3 選 30pF177。10pF ；當(dāng)外接陶瓷振蕩器時(shí)，電容 C C3 選 40pF177。10pF 。 STC89C52 系統(tǒng)中晶振頻率一般在~12MHz 選擇。外接電容 C C3 的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩頻率 第 17 頁(yè) 的穩(wěn)定度、起振時(shí)間及溫度穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，晶振和電容應(yīng)靠近單片機(jī)，以便減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠工作。在本系統(tǒng)中，選擇了 12MHz 石英晶振， 電容 C C2 為 30pF。其電路圖如圖 。 圖 STC89C52單片機(jī)復(fù)位、晶振電路 自動(dòng)量程 控制電路 為了保證系統(tǒng)的測(cè)量精度 , 常常需要設(shè)計(jì)量程轉(zhuǎn)換功能。在自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路中 , 這里設(shè)計(jì)采用的方案是用微處理器控制程控增益放大器 。這種方法速度快、精度高 ,電路簡(jiǎn)單 ,判別和設(shè)置量程不會(huì)占用微處理器大量時(shí)間。 CD4052B 介紹 CD4052B 模擬多路器是數(shù)字控制的模擬開(kāi)關(guān) ,具有低導(dǎo)通阻抗以及低截止漏電流 ,模擬信號(hào)可以高至 20V 的峰峰值 ,通過(guò)數(shù)字控制來(lái)完成 ,這個(gè)數(shù)字信號(hào)可以從 4. 5V 到 20V (如果 Vdd Vss =3V,那么 Vdd Vee 直到 13V 都可以被控制 ,如果高于 13V 這個(gè)值 ,Vdd Vss 至少要 4. 5V)例 :如果 Vdd = ,Vss =0V,Vee = 13. 5V,那么從 13. 5V 到 4. 5V 的模擬信號(hào)都可以被 0 到 5V 的數(shù)字信號(hào)控制 ,當(dāng)電源在最大的電壓范圍供電 ,控制信號(hào)是獨(dú)立的邏輯狀態(tài) ,電路的損耗是 第 18 頁(yè) 非常低。如果禁止輸入信號(hào)引腳輸入信號(hào)是邏輯 1 的話 ,所有通道關(guān)閉。 CD4052的真值表和引腳圖見(jiàn)表 和圖 所示。 CD4052B真值表 圖 輸入 信號(hào) A1 A0 0 0 0 0x,0y 0 0 1 1x,1y 0 1 0 2x,2y 0 1 1 3x,3y 1 X X None 圖 CD4052B引腳圖 自動(dòng)控制量程工作過(guò)程 將測(cè)量電壓范圍分為四個(gè)檔位 ,通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇其中的一個(gè)輸入端 ,選用差動(dòng) 4 通道雙向模擬開(kāi)關(guān) CD4052B 來(lái)實(shí)現(xiàn) ,電源部分用正負(fù)電源供電。被測(cè)的電壓通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò) ,將被測(cè)的電壓進(jìn)行初步采樣 ,電壓量程、分壓系數(shù)和對(duì)應(yīng)的輸入電阻值如表 電壓量程、分壓系數(shù)與對(duì)應(yīng)的輸入電阻值 表 量程 分壓系數(shù) 輸入電阻 ~ 1 大于 10M ~ 5MΩ CD4052B 是獨(dú)立的四通道多路器 ,擁有兩個(gè)二進(jìn)制輸入控制口 A與 B,還有禁止輸入控制口 ,二進(jìn)制輸入控制信號(hào)選擇四對(duì)通道中的一對(duì) ,連通模擬信號(hào)輸入與輸出。 當(dāng)電路開(kāi)始工作的時(shí)候 ,單片機(jī)將 A1與 A0置 1,此時(shí) ,CD4052B中 ,X3與 COMX接通 , COMY 與 Y3接通。被測(cè)量電壓通過(guò)又四個(gè)電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò) ,其中 ,在 R4上的壓降為被測(cè)電壓的 0. 0025 倍 , R4 上的電壓通過(guò) X COMX、 R5,加在運(yùn)算放大器 U3A 上 ,又因?yàn)?U3A 與 R D1 組成一個(gè)正向電壓跟隨器 , (其中 D1 作用為單向?qū)?、使測(cè)量表筆極性接反時(shí)沒(méi)有信號(hào)通過(guò) ) ,信號(hào)到達(dá) U4A 后 ,經(jīng)過(guò)由于 U4A、 第 19 頁(yè) UAR (Y3 COMY) 、 R8構(gòu)成了放大倍數(shù)接近 1的同相放大器 ,加在 MAX1292 的0通道上。經(jīng)過(guò) MAX1292 采樣 ,單片機(jī)的處理 ,如果信號(hào)幅值過(guò)小 (小于 0. 25V) ,則應(yīng)把量程減小。依次判斷調(diào)整量程。反過(guò)來(lái) ,量程小的檔要測(cè)量超出該量程的電壓 ,則單片機(jī)要識(shí)別出來(lái) ,并切換到