【文章內容簡介】 ADC0809是位A/D轉換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉換的。ADC0809由單+5V電源供電；片內帶有鎖存功能的8路模擬多路開關，可對8路0～5V的輸入模擬電壓分時進行轉換，完成一次轉換約需100181。S；片內具有多路開關的地址譯碼器和鎖存器、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256電阻T型網絡和樹狀電子開關以及逐次逼近寄存器。ADC0809是引腳雙列直插式封裝，引腳及其功能（圖22）：1．D7～D0：8位數(shù)字量輸出引腳。2．IN0～IN7：8路模擬量輸入引腳。3．VCC：+5V工作電壓。4．GND：接地。5．REF（+）：參考電壓正端。6．REF（）：參考電壓負端。7．START：A/D轉換啟動信號輸入端。8．A、B、C：地址輸入端。9．ALE：地址鎖存允許信號輸入端。10．EOC：轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。11．OE： 輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。12．CLK：時鐘信號輸入端，譯碼后可選通IN0～IN7八個通道中的一個進行轉換。表21 A、B、C的輸入與被選通道的通道關系被選中的通道CBAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7000011110011001101010101圖22 ADC0809的管腳圖本次設計所用的運算放大器是LM324，而LM324的系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特點是短跑保護輸出、真差動輸入級、底偏置電流為最大100mA、每封裝含四個運算放大器、具有內部補償?shù)墓δ堋⒐材７秶鷶U展到負電源、行業(yè)標準的引腳排列、輸入端具有靜電保護功能。運算放大器LM324的引腳圖如圖23：圖23運算放大器LM324的引腳圖由于本次設計中采集電路所采集到的信號值與我們所預期的結果有時會有很大的差距，因此信號值要被真實地反映出來，須采用放大電路進一步處理。按比例將信號放大的電路，稱為比例運算放大電路，簡稱比例電路。對于比例電路，在實際應用中可分為以下幾種，下面也做一些簡單的介紹。1．反相比例放大器如圖24所示，集成運放的同相輸入端通過電阻R接地，電阻與信號源串聯(lián)，另一端接到運放的反相輸入端，運放的輸出端與反相輸入端之間接有電阻，為保證集成運放輸入級兩邊對稱， （22）比例電路輸出電壓與輸入電壓之間的函數(shù)關系為： （23） （24）圖24 反向比例電路 注意：反相比例電路的特點是深度電壓并聯(lián)負反饋電路。因此，集成運放的反相輸入端為“虛地”點，它的共模輸入電壓可視為零，對運放的共模抑制要求低；比例電路的輸入電阻小，可視為，因此對輸入電流有一定要求；輸出電阻視為零，在適應不同大小負載的能力較強。2．同相比例放大器如圖25所示，為同相比例電路，為保證電路輸入對稱仍要求： （25）輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關系為： （26） （27）圖25 同相比例電路注意：同相比例電路的特點是深度電壓串聯(lián)負反饋電路。電路的輸入電阻很大，可達100M以上；輸出電阻很小可視為零，因此有較強的帶負載能力。由于，集成運放的共模抑制比要求較高，這是缺點。移位寄存器74LS164的引腳如圖26所示：圖26移位寄存器74LS164引腳圖74LS164為串行輸入、并行輸出移位寄存器，其引腳功能如下：A、B —— 串行輸入端；Q0～Q7 —— 并行輸出端； —— 清除端，低電平有效；CLK —— 時鐘脈沖輸入端，上升沿有效。多片74LS164串聯(lián)，能實現(xiàn)多位LED靜態(tài)顯示。每擴展一片164就可增加一位顯示。MR接+5V，不清除。圖27數(shù)碼顯示管LED引腳圖LED顯示器是單片機應用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機的應用上也是被廣泛運用的。如果需要顯示的內容只有數(shù)碼和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。 LED數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它是由若干個發(fā)光二極管組成的。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮，控制不同組合的二極管導通，就能顯示出各種字符，常用的LED數(shù)碼管有7段和“米”字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極接在一起，通常此共陽極接正電壓，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示。本次設計所用的LED數(shù)碼管顯示器為共陽極。LED數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，～2V，額定電流為10MA，最大電流為40MA。靜態(tài)顯示時取10MA為宜，動態(tài)掃描顯示可加大脈沖電流，但一般不超過40MA。在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離的溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術。另外考慮到一般的測量現(xiàn)場的電磁環(huán)境非常的惡劣，各種干擾信號較強，模擬信號很容易受到干擾而產生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力較強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效的方案。在實際的溫度測量過程中被廣泛應用，同時也取得了良好的測量效果。DS18S20數(shù)字溫度計的主要特性：1．DS18S20的適應電壓范圍更寬，其范圍為：，而且它能夠直接由數(shù)據(jù)線獲取電源(寄生電源)，無需外部工作電源。2．DS18S20提供了9位攝氏溫度測量，具有非易失性、上下觸發(fā)門限用戶可編程的報警功能。3．DS18S20通過1Wire174?？偩€與中央微處理器通信，僅需要單根數(shù)據(jù)線(或地線)。同時，在使用過程中，它不需要任何的外圍的元件，全部的傳感元件和轉換電路集成在形狀如一只三極管的集成電路內。4．DS18S20具有55176。C至+125176。C的工作溫度范圍，在10176。C至+85176。C溫度范圍內精度為177。176。C。5．每片DS18S20具有唯一的64位序列碼，這些碼允許多片DS18S20在同一條1Wire總線上工作，因而，可方便地使用單個微處理器控制分布在大范圍內的多片DS18S20器件。6．DS18S20的測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時還可以傳送給CRC校驗碼，它具有極強的抗干擾糾錯的能力。7．DS18S20具有負載特性，當電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但是不能正常的工作。根據(jù)以上這些特性而從中受益的應用包括：HVAC環(huán)境控制、室內，設備或者機器內部的溫度監(jiān)測系統(tǒng)、過程監(jiān)控和控制系統(tǒng)。第3章電路設計第3章電路設計本設計采用按鍵作為輸入控制，通過溫度多采樣單元采集溫度信息，經過LM324放大器放大及ADC0809數(shù)模轉換器將其轉換，由主機AT89C51進行處理并將實際溫度值和設定溫度值分別顯示在共陽極數(shù)碼顯示管LED上。單片機控制單元，如圖31所示，包括按鍵控制電路，其中按鍵控制電路這一模塊設置了：“設置”、“加1”、“右移”、“確定”四個按鍵，來實現(xiàn)人機對話。人為地設定溫度門限值，使電路在人為設定的某一溫度值相對穩(wěn)定的工作。圖31 按鍵控制電路溫度采樣單元，如32所示，用于采集被控對象的溫度參數(shù)，它由溫度電壓轉換、小信號放大及A/D轉換三部分組成。其中，將溫度轉化為電量的溫度電壓轉換由溫度傳感器熱敏電阻實現(xiàn)，小信號放大由橋式放大電路實現(xiàn)，A/D轉換選擇模數(shù)轉換器ADC0809，將采集到的溫度模擬信號轉換為AT89C51能夠處理的二進制數(shù)字信號。圖32 溫度采樣單元溫度傳感器：廣義來講，一切隨溫度變化而物體性質亦發(fā)生變化的物質均可作為溫度傳感器。例如，我們平常使用的各種材料、元件，其性質或多或少地都會隨其所處的環(huán)境溫度變化而變化，因而它們幾乎都能作為溫度傳感器使用。但是，一般真正能作為實際中可使用的溫度傳感器的物體一般需要具備下述條件：1．物體的特性隨溫度的變化有較大的變化，且該變化量易于測量。2．對溫度的變化有較好的一一對應關系，即對除溫度外其他物理量的變化不敏感。3．性能誤差及老化小、重復性好，尺寸小。4．有較強的耐機械、化學及熱作用等的特點。5．與被檢測的溫度范圍和精度相適應。6．價格適宜，適合于批量生產。符合上述條件的常用溫度傳感器有熱電偶、熱電阻、光輻射溫度計、玻璃溫度計、半導體集成溫度傳感器等。模數(shù)轉換是將模擬輸入信號轉換為N位二進制數(shù)字輸出信號的技術。采用數(shù)字信號處理能夠方便地實現(xiàn)各種先進的自適應算法，完成模擬電路無法實現(xiàn)的功能，因此，越來越多的模擬信號處理正在被數(shù)字技術所取代。與之相應的是，作為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)之間橋梁的模數(shù)轉換的應用日趨廣泛。為了滿足市場的需求，各芯片制造公司不斷推出性能更加先進的新產品、新技術，令人目不暇接。本次設計還涉及到數(shù)模轉換技術，而模數(shù)轉換技術包括采樣、保持、量化和編碼四個過程。1．采樣就是將一個連續(xù)變化的模擬信號x(t)轉換成時間上離散的采樣信號x(n)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，對于采樣信號x(t)，如果采樣頻率fs大于或等于2fmax(fmax為x(t)最高頻率成分)，則可以無失真地重建恢復原始信號x(t)。實際上，由于模數(shù)轉換器器件的非線性失真、量化噪聲及接收機噪聲等因素的影響采樣速率一般取fs=。通常采樣脈沖的寬度tw是很短的，故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。2．要把一個采樣輸出信號數(shù)字化，需要將采樣輸出所得的瞬時模擬信號保持一段時間，這就是保持過程。3．量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉換成離散時間、離散幅度的數(shù)字信號，量化的主要問題就是量化誤差。假設噪聲信號在量化電平中是均勻分布的，則量化噪聲均方值與量化間隔和模數(shù)轉換器的輸入阻抗值有關。4．編碼是將量化后的信號編碼成二進制代碼輸出。這些過程有些是合并進行的，例如，采樣和保持就利用一個電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在轉換過程中同時實現(xiàn)的，且所用時間又是保持時間的一部分。積分型模數(shù)轉換器稱雙斜率或多斜率數(shù)據(jù)轉換器，是應用最為廣泛的轉換器類型。雙斜率轉換器包括兩個主要部分：一部分電路采樣并量化輸人電壓，產生一個時域間隔或脈沖序列，再由一個計數(shù)器將其轉換為數(shù)字量輸出。雙斜率轉換器由1個帶有輸人切換開關的模擬積分器、1個比較器和1個計數(shù)單元構成。積分器對輸入電壓在固定的時間間隔內積分，該時間間隔通常對應于內部計數(shù)單元的最大計數(shù)。時間到達后將計數(shù)器復位并將積分器輸入連接到反極性(負)參考電壓。在這個反極性信號作用下，積分器被“反向積分”直到輸出回到零，并使計數(shù)器終止，積分器復位。 積分型模數(shù)轉換器的采樣速度和帶寬都非常低，但它們的精度可以做得很高，并且抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾(如50 Hz或60 Hz)的能力，使其對于嘈雜的工業(yè)環(huán)境以及不要求高轉換速率的應用非常有效。通過74LS164芯片將主機處理的溫度信息顯示在LED數(shù)碼管上。圖33則為溫度控制系統(tǒng)的單片機顯示部分。而顯示部分在整個的設計過程中的作用也是很大的。圖33 溫度顯示電路 調節(jié)執(zhí)行單元 調節(jié)執(zhí)行單元，如圖34所示，采用實時控制的方法，由光電耦合器MOC3041（光電耦合器）和可控硅SCR組成。其中光電耦合器MOC3041的作用是將單片機系統(tǒng)與可控硅SCR電路隔開，避免在高壓過程中的干擾信號影響單片機的運行；可控硅SCR的作用是相當于一個固態(tài)的觸點，使之有能力開啟或關斷電爐，從而控制電爐通斷，以實現(xiàn)對水溫的實時控制。圖34 調節(jié)執(zhí)行單元 第4章 軟件設計第4章 軟件設計 系統(tǒng)的軟件部分由主程序流程圖、中斷子程序流程圖、按鍵流程圖和顯示流程圖四部分組成。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖41，當有信號輸入時，主程序啟動，根據(jù)內部設定的條件逐步運行，達到設計目的。NY初 始 化處理按鍵、顯示設定值啟動A/D轉換數(shù)值處理顯示實際溫度比較設定溫度值和實際溫度值是否大于？加 熱開 始停 止圖41主程序流程圖 圖42為中斷子程序的流程圖，這個主要是為了保障整個軟件程序在運行時可以達到中斷，從而使系統(tǒng)進一步達到完善。NYYNYNYN關中斷保護現(xiàn)象A右移一位讀P1口送至AC=1? C=1? C=1? C=1? 右移一位右移一位右移一位中斷返回開中斷恢復現(xiàn)場MOV 35H,1MOV 35H,2MOV 35H,3MOV 35H,4開始圖42 中斷子程序圖43為系統(tǒng)的按鍵流程圖。主要是通過人為的對外部按鍵的控制來調節(jié)系統(tǒng)的溫度，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對溫度的手動和自動控制。NYN中 斷=0?=0?=0?=0?轉 IR1轉 IR4轉 IR2轉