【文章內容簡介】 號幅度很小，無法進行 A/D 轉換，必須對這些模擬電信號進行放大處理。為使電路簡單便于調試，本設計采用三運算放大器，因為 在具有較大共模電壓的條件下，儀表放大器能夠對很微弱的差分電壓信號進行放大，并且具有很高的輸入阻抗。這些特性使其受到眾多應用的歡迎，廣泛用于測量壓力和溫度的應變儀電橋接口、熱電耦溫度檢測和各種低邊、高邊電流檢測。 三運放大電路 本次設計的放大器采用了三運放，因為它具有高共模抑制比的放大電路。它由三個集成運算放大器組成，如圖 所示。 三運放 高共摸抑制比放大電路 其中 A1和 A2 為兩個性能一致 (主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益 )的同相輸入通用集成運算放大器，構成平衡對稱差動放大輸入級， A3 構成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制 A1和 A2的共模信號，并適應接地負載的需要。由于每個放大器求和點的電壓等于施加在各自正輸入端的電壓，因此，整個差分輸入電壓現(xiàn)在都呈現(xiàn)在 RG兩端。因為輸入電壓經(jīng)過放大后（在 A1 和 A2的輸出端）的差分電壓呈現(xiàn)在 R5， RG和 R6這三只電阻上，所以差分增益可以通過僅改變 RG 進行調整 。 這種連接有另外一個優(yōu)點：一旦這個減法器電路的增益用比率基于 MCS51 單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設計 12 匹配的電阻器設定后，在改變增益時不再對電阻匹配有任何要求。如果 R5 ＝ R6，R1＝ R3 和 R2 ＝ R4，則 VOUT = (VIN2－ VIN1)(1＋ 2R5/RG)（ R2/R1）。 由于 RG兩端的電壓等于 VIN，所以流過 RG 的電流等于 VIN/RG，因此輸入信號將通過 A1 和 A2 獲得增益并得到放大。然而須注意的是對加到放大器輸入端的共模電壓在 RG兩端具有相同的電位，從而不會在 RG 上產(chǎn)生電流。由于沒有電流流過 RG（也就無電流流過 R5和 R6），放大器 A1 和 A2 將作為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號將以單位增益通過輸入緩沖器，而差分電壓將按〔 1＋（ 2 RF/RG）〕的增益系數(shù)被放大。這也就意味著該電路的共模抑制比相比與原來的差分電路增大了〔 1＋（ 2 RF/RG）〕倍 。 在理論上表明，得到所要求的前端增益（由 RG 來決定），而不增加共模增益和誤差，即差分信號將按增益成比例增加，而共模誤差則不然，所以比率〔增益（差分輸入電壓） /（共模誤差電壓）〕將增大。因此 CMR 理論上直接與增益成比例增加，這是一個非常有用的特性。 最后，由于結構上的對稱性 ，輸入放大器的共模誤差，如果它們跟蹤，將被輸出級的減法器消除。這包括諸如共模抑制隨頻率變換的誤差。 A/D 轉換器 模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉換成數(shù)字量。能夠完成這一任務的器件稱之為模數(shù)轉換器，簡稱 A/D 轉換器。本次設計的中 A/D 轉換器的任務是將放大器輸出的模擬信號轉換位數(shù)字量進行輸出。 A/D 轉換模塊器件選擇 目前單片機在電子產(chǎn)品中已得到廣泛應用，許多類型的單片機內部已帶有A/D 轉換電路，但此類單片機會比無 A/D轉換功能的單片機在價格上高幾元甚至很多，我們采用一個普通的單片機加上一 個 A/D 轉換器，實現(xiàn) A/D 轉換的功能，這里 A/D 轉換器可選 ADC083 ADC0809 等；串行和并行接口模式是 A/D 轉換器諸多分類中的一種，但卻是應用中器件選擇的一個重要指標。在同樣的轉換分辨率及轉換速度的前提下，不同的接口方式會對電路結構及采用周期產(chǎn)生影響。對A/D 轉換器的選擇我們通過比較 ADC0809 和 ADC0832 來決定。這兩個轉換器都是常見的 A/D 轉換器，其中 ADC0809 的并行接口 A/D 轉換器， ADC0832 是串行接口基于 MCS51 單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設計 13 A/D 轉換器。 我們所做的設計選擇 ADC0832， A/D 轉換在單片機接口中應用廣泛 ,串行 A/D 轉換器具有功耗低、性價比較高、芯片引腳少等特點。 A/D 轉換器的簡介 在這次設計中我們 A/D 轉換器選用兩通道輸入的八位 ADC0832， ADC0832[3]是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。 ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉換芯片，其最高分辨可達 256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸 入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V 之間。芯片轉換時間僅為 32μ S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變得更加方便。通過 DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。有關引腳說明如下： ? CS 片選使能，低電平芯片使能。 ? CH0 模擬輸入通道 0，或作為 IN+/使用。 ? CH1 模擬輸入通道 1，或作為 IN+/使用。 ? GND 芯片參考 0 電位（地）。 ? DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。 ? DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉換數(shù)據(jù)輸出。 ? CLK 芯片時鐘輸入。 ? Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）。 正常情況下 ADC0832 與單片機的接口應為 4條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、 CLK、 DO、DI。 它的結構示意圖如圖 所示。 圖 ADC0832結構示意圖 基于 MCS51 單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設計 14 配置位說明 ADC0832 工作時，模擬通道的選擇及單端輸入和差分輸入的選擇，都取決于輸入時序的配置位。當差輸入時，要分配輸入通道的極性，兩個輸入通道的任何一個通道都可作為正極或負極。 ADC0832 的配置位邏輯表如表 所示。 表 的配置位邏輯表 表中“ +”表示輸入通道的端點為正極性；“ ”表示輸入端點為負極性 H 或L表示高、低電平。輸入配置位時，高位（ CH0）在前，低位（ CH1 ）在后 。 ADC0832 工作時序圖 當 CS 由高變低時，選中 ADC0832 。在時鐘的上升沿， DI 端的數(shù)據(jù)移入 ADC0832 內部的多路地址移位寄存器。在第一個時鐘期間 ,DI 為高，表示啟動位，緊接著輸入兩位配置位。當輸入啟動位和配置位后，選通輸入模擬通道，轉換開始。轉換開始后，經(jīng)過一個時鐘周期延接著在第一個時鐘周期延遲，以使選定的通道穩(wěn)定。 ADC0832 緊接著在第 4個時鐘下降沿輸出轉換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出時先輸出最高位（ D7～ D0）輸出完轉換結果后，又以最低位開始重新遍數(shù)據(jù)（ D7～ D0 ），兩次發(fā)送的最低位共用。 圖 ADC083工 作時序圖 基于 MCS51 單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設計 15 單片機對 ADC0832 的控制原理 圖 ADC0832與單片機的接口電路 正常情況下 ADC0832與單片機的接口應為 4條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、 CLK、 DO、DI。但由于 DO端與 DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將 DO和 DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。 當 ADC0832未工作時其 CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用， CLK和 DO/DI的電平可任意。當要進行 A/D轉換時，須先將 CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端 CLK輸入時鐘脈沖， DO/DI端則使用 DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第 1個時鐘脈沖的下沉之前 DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第 3個脈沖下沉之前 DI端應輸入 2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能 。 其功能項見表 。 表 MUX Address Channel SGL/ DIF ODD/ SIGN 0 1 1 0 + 1 1 + 基于 MCS51 單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設計 16 MUX Address Channel SGL/ DIF ODD/ SIGN 0 1 1 0 + 1 1 + 如表 所示，當此 2位數(shù)據(jù)為 “1” 、 “0” 時，只對 CH0 進行單通道轉換。當 2 位數(shù)據(jù)為 “1” 、 “1” 時，只對 CH1 進行單通道轉換。當 2位數(shù)據(jù)為 “0” 、“0” 時，將 CH0作為正輸入端 IN+， CH1 作為負輸入端 IN進行輸入。當 2位數(shù)據(jù)為 “0” 、 “1” 時，將 CH0 作為負輸入端 IN， CH1 作為正輸入端 IN+進行輸入。 到第 3個脈沖的下沉之后 DI 端的輸入電平就失去輸入作用，此后 DO/DI 端則開始利用數(shù)據(jù)輸出 DO 進行轉換數(shù)據(jù)的讀取。從第 4個脈沖下沉開始由 DO 端輸出轉換數(shù)據(jù)最高位 DATA7，隨后每一個脈沖下沉 DO 端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11 個字節(jié)的下沉輸出 DATD0。隨后輸出 8位數(shù)據(jù)，到第 19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標志著一次 A/D 轉換的結束。最后將 CS 置高電平禁用芯片，直接將轉換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了。 單片機 隨 著電子技術的發(fā)展，單片機的功能將更加完善，因而單片機的應用將更加普及。它們將在智能化 儀器、家電產(chǎn)品、工業(yè)過程控制等方面得到更廣泛的應用。單片機將是智能化儀器和中、小型控制系統(tǒng)中應用最多的有種微型計算機。 AT89C51 單片機簡介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲 的低電壓，高性能CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。 單片機的 可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片基于 MCS51 單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設計 17 中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本 ，如圖 。 AT89C51單機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供 靈活性高且廉價的方案。 圖 AT89C51單片機的結構示意圖 主要特性 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 基于 MCS51 單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設計 18 管腳說明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下 拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1” 時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2口當用于外部程序存儲器或