【正文】 能處理這種電路被稱為 AD 轉(zhuǎn)換電路 AD 轉(zhuǎn)換的常用方法 AD 轉(zhuǎn)換的常用方法有雙積分式 AD 轉(zhuǎn)換逐次逼近型 AD 轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)型 AD 轉(zhuǎn)換等雙積分式 AD 轉(zhuǎn)換的工作原理是將對(duì)輸入電壓的測(cè)量轉(zhuǎn)換成對(duì)基準(zhǔn)源積分時(shí)間的測(cè)量再測(cè)量時(shí)間脈沖寬度信號(hào)或頻率脈沖頻率然后由定時(shí)器計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是分辨率高精度高抗干擾性強(qiáng)主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢逐次逼近型 AD轉(zhuǎn)換由一個(gè)比較器和 DA轉(zhuǎn)換器通過(guò)逐次比較邏輯構(gòu)成順序的增加內(nèi)部DA 的輸入值并將 其輸出電壓與 AD 測(cè)量輸入電壓比較當(dāng)二者相等時(shí)內(nèi)部 DA 的輸入值就是 AD 轉(zhuǎn)換的結(jié)果這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快功耗低主要缺點(diǎn)是抗干擾性差 ADC0809 的主要特性和結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)采用 ADC0809 大規(guī)模集成電路芯片它是一種具有 8 路模擬量輸入的 8位 AD轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近式 AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)有三態(tài)緩沖器可以和單片機(jī)直接接口 它有模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和 AD 轉(zhuǎn)換兩大部分 模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)由 8路模擬開關(guān)和 3位地址鎖存與譯碼器組成地址鎖存允許信號(hào) ALE將三位地址信號(hào) ADDCADDB和 ADDA進(jìn)行鎖存然后由譯碼電路選 通其中一路摸信號(hào)加到 AD 轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換 AD 轉(zhuǎn)換部分包括比較器逐次逼近寄存器SAR256R 電阻網(wǎng)絡(luò)樹狀電子開關(guān)控制與時(shí)序電路等另外具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器其輸出數(shù)據(jù)線可直接連 CPU的 DBADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示它由 8路模擬開關(guān)地址鎖存與譯碼器比較器 8 位開關(guān)樹型 D／ A 轉(zhuǎn)換器 圖 310 ADC0809 的原理框圖 ADC0809 的主要技術(shù)指標(biāo)為 1 它的分辨率為 8 位 2 單電源供電 5V 3 最大不可調(diào)誤差小于 1LSB 4 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μ s 時(shí)鐘頻率為 640KHz 5 模擬輸入范圍單極性 05V 6 不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿刻 度調(diào)整 7 功耗為 15mW ADC0809 管腳功能及定義 ADC0809 芯片有 28 條引腳采用雙列直插式封裝下面說(shuō)明各引腳功能如圖所示首先輸入 3 位地址并使 ALE 1 將地址存入地址鎖存器中此地址經(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(dòng) A／ D轉(zhuǎn)換之后 EOC 輸出信號(hào)變低指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行直到 A／ D 轉(zhuǎn)換完成 EOC 變?yōu)楦唠娖街甘?A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)束結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)當(dāng) OE輸入高電平 時(shí)輸出三態(tài)門打開轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 AD 轉(zhuǎn)換后 得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確認(rèn) AD 轉(zhuǎn)換的完成因?yàn)橹挥写_認(rèn)完后才能進(jìn)行傳送為此可采用下述三種方式 1方式 CPU 執(zhí)行一條輸出指令啟動(dòng) ADC 轉(zhuǎn)換然后 CPU 執(zhí)行延時(shí)程序延時(shí)時(shí)間大于所選用的 ADC芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間延時(shí)結(jié)束 CPU執(zhí)行輸入指令打開三態(tài)門獲取 ADC轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)如 ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為 128μ s相當(dāng)于 MHz 的 MCS51單片機(jī)共個(gè)機(jī)器周期可據(jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序 AD 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序延遲時(shí)間一到轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送參見(jiàn)圖 2 查詢方式 3 中斷 方式 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào) EOC 作為中斷請(qǐng)求信號(hào)以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 圖 314 中斷 ADC 接口電路 不管使用上述那種方式只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成即可通過(guò)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送首先送出口地址并以信號(hào)有效時(shí) OE 信號(hào)即有效把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線供單片機(jī)接所用的指令為 MOVX 讀指令則有 MOV DPTR FE00H MOVX A DPTR 該指令在送出有效口地址的同時(shí)發(fā)出有效信號(hào)使 0809 的輸出允許信號(hào) OE有效從而打開三態(tài)門輸出是轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線送入 A 累加器中這里需要說(shuō)明的示 ADC0809的三個(gè)地址端 ABC即可如前所述與地址線相連也可與數(shù)據(jù)線相連例如與 D0～ D2相連這是啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換的指令與上述類似只不過(guò) A的內(nèi)容不能為任意數(shù)而必須和所選輸入通道號(hào) IN0～ IN7 相一致 Random Access MemoryRAM用于存放可隨時(shí)修改的數(shù)據(jù)信息單片機(jī)使用的主要是靜態(tài) RAMMCS51 系列單片機(jī)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間可達(dá) 64KB 而片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間只有 128B 或 256B如果片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不夠用時(shí)則需進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展存儲(chǔ)器擴(kuò)展的核心問(wèn)題是存儲(chǔ)器的編址問(wèn)題所謂編址就是給存儲(chǔ)單元分配地址由于存儲(chǔ)器通常由多個(gè)芯片組成為 此存儲(chǔ)器的編址分為兩個(gè)層次即存儲(chǔ)器芯片的選擇和存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部存儲(chǔ)單元的選擇 [18] 1 地址線的譯碼 存儲(chǔ)器芯片的選擇有兩種方法線選法和譯碼法 所謂線選法就是直接以系統(tǒng)的地址線作為存儲(chǔ)器芯片的片選信號(hào)為此只需把用到的地址線與存儲(chǔ)器芯片的片選端直接相連即可 所謂譯碼法就是使用地址譯碼器對(duì)系統(tǒng)的片外地址進(jìn)行譯碼以其譯碼輸出作為存儲(chǔ)器芯片的片選信號(hào)譯碼法又分為完全譯碼和部分譯碼兩種 完全譯碼地址譯碼器使用了全部地址線地址與存儲(chǔ)單元一一對(duì)應(yīng)也就是 1個(gè)存儲(chǔ)單元只占用 1 個(gè)唯一的地址 部分譯碼地址譯碼器僅使用了部分地址 線地址與存儲(chǔ)單元不是一一對(duì)應(yīng)而是 1 個(gè)存儲(chǔ)單元占用了幾個(gè)地址 238 譯碼器 74LS138 38 譯碼器 74LS138 為一種常用的地址譯碼器芯片其中 G1G2AG2B 為控制端只有當(dāng) G1為 1且 G2AG2B均為 0時(shí)譯碼器才能進(jìn)行譯碼輸出否則譯碼器的 8個(gè)輸出端全為高阻狀態(tài) 譯碼輸入端與輸出端之間的譯碼關(guān)系如下表 33 所示 表 33 譯碼表 CBA 編碼 000 001 010 011 100 101 110 111 輸出有效位 3 讀片外 RAM 操作時(shí)序 89C52單片機(jī)若外擴(kuò)一片 RAM則應(yīng)將其 WR引腳與 RAM芯片的 WE引腳連接 RD引腳與芯片 OE 引腳連接 ALE 信號(hào)的作用即鎖存低 8 位地址以便讀片外 RAM 中的數(shù)據(jù)在第一個(gè)機(jī)器周期的 S1 狀態(tài) ALE 信號(hào)由低變高讀 RAM 周期開始在 S2 狀態(tài)CPU 把低 8 位地址送到 P0 口總線上把高 8 位地址送上 P2 口 在執(zhí)行 MOVX ADPTR指令階段時(shí)才送高 8 位若是 MOVX ARi 指令則不送高 8 位 ALE 的下降沿用來(lái)把低8 位地址信息鎖存到外部鎖存器 74HC373 內(nèi)而高 8 位地址信息一直鎖存在 P2 口鎖存器中 在 S3狀態(tài) P0口總線變成高阻懸浮狀態(tài)在 S4狀態(tài) RD信號(hào)變?yōu)橛行窃趫?zhí)行MOVX ADPTR 后使 RD 信號(hào)有效 RD 信號(hào)使得被尋址的片外 RAM 略過(guò)片刻后把數(shù)據(jù)送上 P0 口總線當(dāng) RD 回到高電平后 P0 總線變?yōu)閼腋顟B(tài)至此讀片外 RAM 周期結(jié)束 4 寫片外 RAM 操作時(shí)序 向片外 RAM 寫 存 數(shù)據(jù)是 89C52 執(zhí)行 MOVX DPTRA 指令后產(chǎn)生的動(dòng)作這條指令執(zhí)行后在 89C51 的 WR 引腳上產(chǎn)生 WR 信號(hào)的有效電平此信號(hào)使 RAM 的 WE 端被選通開始的過(guò)程與讀過(guò)程類似但寫的過(guò)程是 CPU 主動(dòng)把數(shù)據(jù)送上 P0 口總線故在時(shí)序上 CPU 先向 P0 總線上送完低 8 位地址后在 S3狀態(tài)就將數(shù)據(jù)送到 P0 總線此間 P0 總線上不會(huì)出現(xiàn)高阻懸浮現(xiàn)象在 S4 狀 態(tài)寫控制信號(hào) WR 有效選通片外 RAM稍過(guò)片刻 P0 上的數(shù)據(jù)就寫到 RAM 內(nèi)了 在數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放的設(shè)計(jì)中可用 2 片 28F512 Flash 存儲(chǔ)器 Flash 具有在線可擦寫非揮發(fā)性信息保存可靠存儲(chǔ)容量大等優(yōu)點(diǎn)每片的容量為 64K 字節(jié)它是國(guó)外最新產(chǎn)品該產(chǎn)品的讀寫一般與 RAM相同由于 89C52一般能尋址 64K字節(jié)2 片 28F512 構(gòu)成 64K 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器滿足存儲(chǔ) 10s 的要求 圖 315 系統(tǒng)原理圖 4 軟件設(shè)計(jì) 41 編程工具軟件 Keil C51 Keil C51 集成開發(fā)環(huán)境是基于 80C51 內(nèi)核的微處理器軟件開發(fā)平臺(tái)內(nèi) 嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具可以完成從工程建立管理程序編譯鏈接目標(biāo)代碼生成軟硬件仿真等完整的開發(fā)流程常用的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件編寫語(yǔ)言有匯編 CBASICC 等對(duì) 51 單片機(jī)而言使用最廣泛的還是匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言 采用 Keil C 開發(fā) 51 單片機(jī)應(yīng)用程序一般需要以下步驟 1 在開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目并為該項(xiàng)目選定合適的單片機(jī)型號(hào) 2 利用μ Vision3 的文件編輯器編寫匯編語(yǔ)言源程序文件并將文件添加到項(xiàng)目中去 3通過(guò)μ Vision3的各種選項(xiàng)配置 Cx51編譯器 Ax51宏匯編器 BL51Lx51連接定位器以及 Debug 調(diào)試器的功能 4 利用μ Vision3 的構(gòu)造功能對(duì)項(xiàng)目中的源程序文件進(jìn)行編譯鏈接生成絕對(duì)目標(biāo)碼和可選的 HEX格式的可執(zhí)行文件如果出現(xiàn)編譯連接錯(cuò)誤則返回 2步修改源程序中的錯(cuò)誤后重新構(gòu)造整個(gè)項(xiàng)目 5 將沒(méi)有錯(cuò)誤的絕對(duì)目標(biāo)代碼裝入μ Vision3 調(diào)試器進(jìn)行仿真調(diào)試調(diào)試成功后用編程器將可執(zhí)行文件寫入到單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器或單片機(jī)內(nèi)部的 ROM 中 匯編語(yǔ)言直接同計(jì)算機(jī)的底層軟件甚至硬件進(jìn)行交互它優(yōu)點(diǎn)能夠直接訪問(wèn)與硬件相關(guān)的存儲(chǔ)器或 IO 端口能夠不受編譯器的限制對(duì)生成的二進(jìn)制代碼進(jìn)行完全的控制提高運(yùn)行速度能夠最大限度地發(fā)揮硬件的 功能 42 Proteus 軟件簡(jiǎn)介 Proteus 軟件是英國(guó) Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具軟件該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司它不僅具有其它 EDA 工具軟件的仿真功能還能仿真單片機(jī)及外圍器件它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具 Proteus 主要由 ISIS 和 ARES 兩部分組成 ISIS 的主要功能是原理圖設(shè)計(jì)及與電路原理圖的交互仿真 ARES 主要用于印制電路板的設(shè)計(jì) Proteus 可仿真數(shù)字和模擬交流和直流等數(shù)千種元器件有 30 多個(gè)元件庫(kù)Proteus 可提供的仿真儀表資源 示波器邏輯分析儀虛擬終端 SPI 調(diào)試器 I2C 調(diào)試器信號(hào)發(fā)生器模式發(fā)生器交直流電壓表交直流電流表 Proteus 可提供的調(diào)試手段 Proteus 提供了比較豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) 43 軟件程序的設(shè)計(jì) 程序總體流程圖 單片機(jī) AT89C52 通過(guò)片選方式掃描鍵盤有錄音鍵按下則錄音同時(shí)錄音過(guò)程中若有暫停鍵按下則暫停錄音返回檢測(cè)鍵盤若錄音鍵按下則繼續(xù)錄音存儲(chǔ)器滿則自動(dòng)返回當(dāng)有放音鍵按下則開始播放播放過(guò)程中若檢測(cè)到暫停鍵則暫停播放在檢測(cè)到播放鍵按下則繼續(xù)播放 圖 41 主程序流程圖 主程序功能如下 系統(tǒng)初始化賦定時(shí)器 T0 初值 RAM 指針清零等 語(yǔ)音采樣程序定時(shí)讀 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果存入 RAM 中修改 RAM 指針 放音程序 DA 數(shù)據(jù)輸出程序輸出 RAM 中的存放值并修改 RAM 等 子程序設(shè)計(jì) 1 利用 AT89C52 的 INT0 和 INT1 設(shè)置錄音放音兩種按鈕 INT0 即外部中斷 0完成語(yǔ)音存儲(chǔ)功能 INT1 即外部中斷 1 完成語(yǔ)音回放功能 錄放音子程序流程圖如下 圖 42 錄放音子程序流程圖 2 定時(shí)器 T0 中斷流程圖 為了以滿足采樣頻率 8KHz 的要求在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì) T0 定時(shí)為 125μ s 當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)啟動(dòng) ADC0809進(jìn)行模數(shù) 轉(zhuǎn)換完成一次轉(zhuǎn)換之后關(guān)閉 ADC0809然后重新計(jì)時(shí)經(jīng)過(guò) 125μ s 后再次啟動(dòng) ADC0809 再進(jìn)行一次采樣 圖 43 定時(shí)器 T0 中斷程序流程圖 2 鍵盤查詢程序流程圖 圖 44 鍵盤查詢流程圖 通過(guò)掃描鍵盤判斷并確定哪個(gè)按鍵按下并做出相應(yīng)的響應(yīng)如果錄音按鍵按下則啟用錄音子程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理并存入片外 RAM 在該過(guò)程中按下暫停則停止錄音同時(shí)掃描鍵盤判斷有無(wú)按鍵按下如果按下放音鍵則啟用放音子程序讀取 RAM 數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換還原為模擬信號(hào)該過(guò)程暫停鍵按下則停止放音等待鍵盤的按下并做出相應(yīng)的反應(yīng) 系統(tǒng)仿真 圖 45 AD DA 模塊仿真電路圖 采樣信號(hào)為以正弦波狀的電壓信號(hào)經(jīng) ADC0809 進(jìn)行模擬量的數(shù)字化轉(zhuǎn)換通過(guò)單片機(jī)處理并傳送給 DAC0832再由 DAC0832進(jìn)行數(shù)字量的模擬量轉(zhuǎn)換還原為正弦波狀的電壓信號(hào) 圖 46 輸入輸出通道仿真效果圖 圖中第一條曲線為輸入到 ADC0809 的正弦波信號(hào)中間的曲線為數(shù)字量經(jīng)過(guò)DAC0832 還原后的模擬信號(hào)的波形最后一條曲線為經(jīng)過(guò)濾波器處理的模擬信號(hào)通過(guò)圖形分析可知系統(tǒng)能夠達(dá)到所要求的語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放的要求 圖 47 鍵盤仿真效果圖 通過(guò)仿真鍵盤驗(yàn)證鍵盤的管理當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)當(dāng) 按下停止按鈕時(shí)系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)等待命令如此時(shí)再按下啟動(dòng)按鈕則系統(tǒng)繼續(xù)計(jì)時(shí)按下清除按鈕系統(tǒng)停止計(jì)時(shí) 5 結(jié)論 本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)采用了 AT89C52 單片機(jī)為處理器因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)的價(jià)格低廉且功能能夠滿足我的設(shè)計(jì)所需所以我選擇它作為我設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的核心模塊在系統(tǒng)中為了保證語(yǔ)音信息存儲(chǔ)及回放的質(zhì)量增加了放大濾波電路環(huán)節(jié)同時(shí)對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)展了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器這樣就可以存儲(chǔ)較長(zhǎng)時(shí)間的語(yǔ)音信息 通過(guò)設(shè)計(jì)語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)我較以前更深刻的了解單片機(jī)學(xué)會(huì)了如何應(yīng)用 protel 設(shè)計(jì)電路應(yīng)用 proteus 進(jìn)行仿真本次設(shè)計(jì)收獲很 大對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更深刻的了解在設(shè)計(jì)之前必須仔細(xì)分析題目并進(jìn)行深入的研究分析所要