【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 （ a， b)所示 [8]。 AD623 的增益 g 由 Rg 進(jìn)行電阻編程 ， 或更準(zhǔn)確的說(shuō) ， 由 1 腳和 8 腳之間的阻抗來(lái)決定。 Rg 可以由以下公式計(jì)算 。 )1/(1 0 0 ??? GKRg （ ） 圖 AD623原理圖 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 共 46 頁(yè) a 雙電源供電 b 單電源供電 圖 AD623供電電路連接 信號(hào)調(diào)理電路 將雙極性信號(hào)加到單電源模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (adc) 上通常是件很困難的事情 , 因?yàn)檫@要將雙極性信號(hào)范圍變換成 adc 的允許輸入范圍 ，而 AD623正好可以滿足這個(gè)轉(zhuǎn)換條件，此外， 綜合考慮輸入阻抗，溫漂，共模抑制比，線性度以及價(jià)格等因素，決定采用儀用放大器 AD623。 其與橋式電路輸出的連接如下圖所示。 圖 信號(hào)調(diào)理電路 橋式電路的輸出為 0～ ，為了防止輸出電壓過(guò)小被地吞沒(méi)，放大器基準(zhǔn)電壓接+1V，它通過(guò)對(duì) 5V的電壓進(jìn)行分壓而得到。增益為默認(rèn)的單位增益，即不外接電阻，則通過(guò)放大電路后輸出電壓范圍為 1～ 。 主控電路 AT89C51 芯片介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱 單片機(jī) 。AT89C2051 是一種帶 2K字節(jié)閃存可編程可擦除 只讀存儲(chǔ)器 的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 共 46 頁(yè) 讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。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， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 AT89C51 單片機(jī)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。 其管腳圖如下圖所示。 圖 AT89C51外形及管腳圖 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM,32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè) 16位定時(shí)器， 一個(gè) 5向量?jī)杉?jí)中斷機(jī)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)， AT89C51 可降至 0HZ 的靜輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式，空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信中斷系統(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 [9]。 單片機(jī)時(shí)鐘電路 單片機(jī)內(nèi)部每個(gè)部件想要協(xié)調(diào)一致的工作，必須在統(tǒng)一口令，即時(shí)鐘信號(hào)的控制下工作。單片機(jī)的時(shí)序就是 CPU 在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)的時(shí)間順序。為了保證各個(gè)部件間的同步工 作，單片機(jī)內(nèi)部電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)下嚴(yán)格地按照時(shí)序進(jìn)行工作。單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)由兩種產(chǎn)生方式，即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)中采用內(nèi)部時(shí)鐘方式： AT89C51 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，兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容器通常取 30pF 左右，可穩(wěn)定頻率并對(duì)振蕩器有微調(diào)作用。 石英晶體選擇范圍最高可選 24MHz,它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)的振蕩頻率，晶體振蕩的頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單 片機(jī)運(yùn)行的速度也就快。在本系統(tǒng) 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 46 頁(yè) 中選擇的是 12MHz。 其連接電路如下。 圖 單片機(jī)時(shí)鐘電路 單片機(jī)復(fù)位電路 89 系列單片機(jī)與其它微處理器一樣，在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開(kāi)始工作。 89系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的，當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且震蕩期穩(wěn)定后，如 RST 引腳上有一個(gè)高電平并維持兩個(gè)機(jī)器周期，則 CPU就可以 響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。 復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。本機(jī)采用手動(dòng)按鍵復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位組合，上電自動(dòng)復(fù)位是在加電瞬間電容通過(guò)充電來(lái)實(shí)現(xiàn)，在通電瞬間，電容 C通過(guò)電阻 R 充電， RST 端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。手動(dòng)復(fù)位是指通過(guò)接通一按鈕開(kāi)關(guān)，是單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，系統(tǒng)上電運(yùn)行后，若需要復(fù)位，一般通過(guò)手動(dòng)復(fù)位來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于AT89C51 屬于 CMOS 型，在 RST 端內(nèi)部有一個(gè)下拉電阻，故可將外部電阻去掉，外接電容使用 1uF。 圖 單片機(jī)復(fù)位電路 單片機(jī)控制電路連接 系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行控制 ,選用 AT89C51 單片機(jī) .該單片機(jī)為 ATMEL 公司的產(chǎn)品 ,其指令系統(tǒng)完全與 8031/8051 兼容 ,內(nèi)帶 4K 字節(jié)的內(nèi)存和程序保護(hù)系統(tǒng) ,便于程序的調(diào)試修改和保密 ,在本設(shè)計(jì)中各管腳的功能如下 : 1)P0 口的功能 :P0 口與 LCD1602 的雙向數(shù)據(jù)端相連，傳輸命令及數(shù)據(jù)。 2)P1 口的功能 :P1口與 ADC0809 的數(shù)據(jù)輸出口相連 ， 接收 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果 。 3)P2 口的功能 : 端與 ADC0809 的 START 和 ALE 相連，用以啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換， 且將 8 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 16 頁(yè) 共 46 頁(yè) 路地址鎖存； 端與 ADC0809 的 EOC 端連接，用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)換是否完成； 端與ADC0809 的 OE 端相連 ,用以允許將 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出，讓單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果； 端用作系統(tǒng)燈光報(bào)警信號(hào)控制端，低電平有效； 端用作系統(tǒng)聲音報(bào)警信號(hào)控制端，低電平有效； ~ LCD1602 的 RS、 RW、 E 三端 ， 控制 液晶顯示。 4)P3 口的功能 : 接 ADC0809 的 CLOCK 端，用定時(shí)器來(lái)控制產(chǎn)生 500kHz 時(shí)鐘信號(hào)以驅(qū)動(dòng) ADC0809； 接存儲(chǔ)芯片的 SCL 端，控制存儲(chǔ)芯片的串行 時(shí)鐘輸入； 接存儲(chǔ)芯片的 SDA 端，用于控制單片機(jī)與存儲(chǔ)芯片之間的數(shù)據(jù)交換。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ADC0809 芯片介紹 由傳感器采集回來(lái)的模擬信號(hào)需要轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)才能進(jìn)行分析處理，所以需要 A/D 轉(zhuǎn)換電路。 A/D 轉(zhuǎn)換器按其工作方式，轉(zhuǎn)換速度，轉(zhuǎn)換精度等情況，可滿足不同的使用場(chǎng)合和要求。按工作原理不同 A/D 轉(zhuǎn)換器可分為兩大類： (a)積分型，這類轉(zhuǎn)換器先將模擬量轉(zhuǎn)換成中間變量，再將中間變量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，國(guó)內(nèi)外在此類產(chǎn)品中主要是低速 A/D 轉(zhuǎn)換器。 (b)比較型，這種轉(zhuǎn)換 器是將模擬量與基準(zhǔn)電壓直接進(jìn)行比較，再轉(zhuǎn)換相應(yīng)的數(shù)字量。其又可分為逐次逼近型、跟蹤比較型、并行比較型、串行比較型。 其中逐次逼近型是目前應(yīng)用最為廣泛的中高速 A/D 轉(zhuǎn)換器，其最大特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率較快，而且在售價(jià)、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速率三個(gè)指標(biāo)之間容易取得的較好的平衡。本課題擬采用逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809。 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器利用內(nèi)部的寄存器從高位到低位依次開(kāi)始逐位試探比較。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。 ADC0809 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8通道， 8 位逐次逼近式 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，選通 8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。它由 8路模擬開(kāi)關(guān)、 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，三態(tài)輸 出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 共 46 頁(yè) 圖 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 其 主要特性： 1） 8路輸入通道， 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率為 8位 。 2） 具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。 3） 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μ s(時(shí)鐘為 640kHz 時(shí) )， 130μ s（時(shí)鐘為 500kHz 時(shí)） 。 4） 單個(gè) +5V 電源供電 。 5） 模擬輸入電壓范圍 0～ +5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn) 。 6） 工作溫度范圍為 40～ +85攝氏度 。 7） 低功耗，約 15mW。 ADC0809 各引腳功能如下 : ? IN0～ IN7： 8路模擬量輸入端。 ? D0～ D7： 8位數(shù)字量輸出端。 ? ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。 ? ALE：地址鎖存選通信號(hào)，由低至高電平時(shí)，把三位地址信號(hào)送入通道號(hào)地址鎖存器并經(jīng)譯碼得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。 ? START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，加入正脈沖后， A/D 轉(zhuǎn)換開(kāi)始進(jìn)行。 ? EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，轉(zhuǎn)換開(kāi)始后， EOC 信號(hào)變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)， EOC 返回高電平。 ? OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入高電平有效。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) 共 46 頁(yè) ? CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率 不高于 640KHZ。 ? REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓輸入端 ,它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值。 ? VCC：電源電壓，由于是 CMOS 芯片，允許的電壓范圍較寬，可以是 +5~+15V。 ? GND：接地。 圖 ADC0809引腳圖 ADC0809 的時(shí)序圖如下。 圖 ADC0809時(shí)序圖