【文章內(nèi)容簡介】 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，因而在實際中廣泛使用。 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 [10]，最開始時，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換時，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)上述過程直至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量。 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 7 圖 25 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理圖 ADC0808 主要特性 ： （ 1） 8 路 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8 位。 （ 2） 具有轉(zhuǎn)換起始控制端。 （ 3） 轉(zhuǎn)換時間： 128μ s；轉(zhuǎn)換精度： %；單個 +5V 電源供電。 （ 4） 模擬輸入電壓范圍 0 +5V，不需外部零點和滿刻 度調(diào)整。 （ 5） 低功耗，約 15mW[6]。 （ 6）工作溫度范圍為 40 攝氏度到 +85 攝氏度。 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。由于 ADC0808 設(shè)計時有考慮到若干種模 /數(shù)變換技術(shù)的長處，所以該芯片非常適應(yīng)于過程控制，微控制器輸入通道的接口電路，智能儀器和機(jī)床控制等領(lǐng)域。 ADC0808 是 ADC0809 的簡化版本，功能基本相同。 區(qū)別在于 ADC0808 的輸出端口 D0D7 是高位到低位，而 ADC0809 是低位到高位。一般在硬件仿真時采用 ADC0808 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，實際使用時采用 ADC0809進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 ADC0808 外部各引腳功能 ADC0808 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳圖如圖 3 所示。 下面說明各個引腳功能： IN0IN7（ 8 條）： 8 路模擬量輸入線，用于輸入和控制被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。 D0D7(8 條 )： 8 位數(shù)字量輸出端 D0 是高位。 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。 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 8 圖 26 ADC0808 引腳圖 ADDA,ADDB,ADDC： 3 位地址輸入線，用于選擇 8 路模擬輸入中的一路，其對應(yīng)關(guān)系如表 2 所示： 表 21 ADC0808 通道選擇表 地址碼 對應(yīng)的 輸入通道 C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START： START 為“啟動脈沖”輸入法，該線上正脈沖由 CPU 送來，寬度應(yīng)大于 100ns，上升沿清零 SAR,下降沿啟動 ADC 工作。 EOC： EOC 為 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束 信號 輸出線，該線上高電平表示 A/D 轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入三態(tài)輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換期間一直是低電平。 OE： OE 為 數(shù)據(jù) 輸出允許端，高電平 有效。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。 REF+、 REF： 參考電壓輸入量，給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。 VCC、 GND： VCC 為主電源輸入端， 單一接 +5V。 GND 為接地端，一般REF+與 Vcc 連接在一起， REF與 GND 連接在一起 。 CLK： 時鐘 脈沖 輸入端。 要求時鐘頻率不高于 640KHz。 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 9 ADC0808 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) ADC0808 由一個八路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個 A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。如下圖所示。 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。 （ 2） 8 路模擬通道選擇開關(guān)實現(xiàn) 從 8 路輸入模擬量中選擇一路送給后面的比較器進(jìn)行比較。 （ 3）比較器 8 位開關(guān)樹型 A/D 轉(zhuǎn)換器 逐次逼近型寄存器，定時和控制電路組成 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，當(dāng) START 信號有效時，就開始對當(dāng)前通道的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量送到 8位三態(tài)鎖存器，同時通過引腳送出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。 （ 4）三態(tài)輸出鎖存器保存當(dāng)前模擬通道轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，當(dāng) OE 信號有效時，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送出。 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。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成。 EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已經(jīng)存入鎖存器，這個信號可做終端申請。當(dāng) OE 輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 10 輸出到數(shù)據(jù)總線上。 數(shù)據(jù)處理模塊 AT89C51 單片機(jī)性能介紹 數(shù)據(jù)處理模塊由單片機(jī)系統(tǒng)完成，在這里我采用的是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51[9]。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。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(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 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 AT89C51 的 性能 [8]： 與 MCS51 成品指令系統(tǒng)完全兼容； 4KB 可編程閃速存儲器；壽命： 1000 次寫 /擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時間： 10 年；全靜態(tài)工作： 024MHz；三級程序存儲器鎖定； 128*8B 內(nèi)部 RAM； 32 個可編程 I/O 口線 ； 2個 16 位定時 /計數(shù)器； 5 個中斷源；可編程串行 UART 通道；片內(nèi)震蕩器和掉電模式。 AT89C51 外部 引腳功能 AT89C51 采用 PDIP 封裝形式，引腳配置如圖 5 所示。 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。這 8 個引腳有兩種不同的功能，分別適用于不同的情況，第一種情況是 89C51 不帶外存儲器， P0 口可以為通用 I/O 口使用， 用于傳送 CPU 的輸入 /輸出數(shù)據(jù)，這時輸出數(shù)據(jù)單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 11 可以得到鎖存，不需要外 接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性；第二種情況是 89C51 帶片外存儲器， 在 CPU 訪問片外存儲器時先傳送片外存儲器的低 8 位地址，然后傳送 CPU 對片外存儲器的讀 /寫數(shù)據(jù)。 P0 口為開漏輸出，在作為通用 I/O 使用時，需要在外部用電阻上拉。 P1 口：這 8 個引腳和 P0 口的 8 個引腳類似， 為最高位， 為最低位，當(dāng) P1 口作為通用 I/O 口使用時， 的功能和 P0 口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。 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)。 P3 口：這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個引腳并不完全相同，如下表 22 所示： 表 22 P3口各位的第二功能 P3 口各位 第二功能 RXT（串行口輸入） TXD（串行口輸出） /INT0（外部中斷 0輸入） /INT1(外部中斷 1輸入 ) T0（定時器 /計數(shù)器 0 的外部輸入） T1（定時器 /計數(shù)器 1 的外部輸入） /WR（片外數(shù)據(jù)存儲器寫允許） /RD(片外數(shù)據(jù)存儲器讀允許 ) Vcc 為 +5V 電源線， Vss 接地。 ALE：地址鎖存允許線，配合 P0 口的第二功能使用，在訪問外部存儲器時， 89C51 的 CPU 在 引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀 /寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時， 89C51 自動在 ALE 線上輸出頻率為 1/6 震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時鐘源或定時脈沖使用。 /EA： 片外 存儲器訪問選擇線，可以控制 89C51 使用片內(nèi) ROM 或使用片外 ROM， 當(dāng) /EA=1 的時候 ，允許使用片內(nèi) ROM, 當(dāng) /EA=0 的時候 ，只使用片外 ROM。 /PSEN：片外 ROM 的選通線，在訪問片外 ROM 時， 89C51 自動在 /PSEN單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 12 線上產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，作為片外 ROM 芯片的讀選通信號。 RST：復(fù)位線，可以使 89C51 處于復(fù)位 (即初始化 )工作狀態(tài)。通常 89C51復(fù)位有自動上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。 XTAL1 和 XTAL2：片內(nèi)震蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接 89C51 片內(nèi) OSC(震蕩器 )的定時反饋回路。 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4KB 的 Flash 閃速存儲器， 128B 內(nèi)部RAM， 32 個 I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)震蕩器及時鐘電路，同時， AT89C51 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個硬件復(fù)位。 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。 MCS51 單片機(jī)有一個復(fù)位引腳RST[11],采用施密特觸發(fā)輸入。當(dāng)震蕩器起振后，只要該引腳上出現(xiàn) 2 個機(jī)器周期以上的高電平即可確保時器件復(fù)位。復(fù)位完成后，如果 RST 端繼續(xù)保持高電平， MCS51 就一直處于復(fù)位狀態(tài)，只要 RST 恢復(fù)低電平后，單片機(jī)才能進(jìn)入其他工作狀態(tài)。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。 復(fù)位電路如圖 29 所示。 圖 29 單片機(jī)復(fù)位電路 時鐘發(fā)生電路 單片機(jī)中 CPU 每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時鐘脈沖的控制下嚴(yán)格單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 13 按時間節(jié)拍進(jìn)行，而這個時鐘脈沖是單片機(jī)控制中的時序電路發(fā)出的。 CPU執(zhí)行一條指令的各個微操作所對應(yīng)時間順序稱為單片機(jī)的時序。 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。本設(shè)計系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式，利用單片機(jī) 內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個晶振和 2 個電容即可，如圖 210 所示。 圖 210 單片機(jī)時鐘發(fā)生電路 電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定，也可以參考一些典型電路 [12]的參數(shù)，電路中，電容器 C1 和 C2 對震蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍是 30177。 10pF，在這個系統(tǒng)中選擇了 33pF；石英晶振選擇范圍最高可選24MHz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時鐘信號震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是 12MHz，因而時鐘信號的震蕩頻率為 12MHz。 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。 圖 211 顯示模塊圖 LED 是發(fā)光二極管顯示器的縮寫。 LED 由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、與單片機(jī)接口方便等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。 LED 顯示器 [13]即數(shù)碼管 是由若干個發(fā)光二極管組成顯示字段的顯示器件。在單片機(jī)中使用最多的是七段數(shù)碼顯示器。七段數(shù)碼 管 由 8 個發(fā)光二極管組成顯示字段，其中 7 個長條形的發(fā)光二極管排列成“日”字形，另一個圓點形的發(fā)光二極管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，其通過不同的組合可用來顯示各種數(shù)字。 單通道動態(tài)數(shù)字電阻測量儀 14 四位數(shù)碼管概述 四位 數(shù)碼管 是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是 發(fā)光二極管 。 能顯示 4個數(shù)碼管叫四位數(shù)碼管。數(shù)碼管按段數(shù)分為 七段數(shù)碼管 和八段數(shù)碼管，八