《單片機應(yīng)用與實踐教程》課件第4章

項目4測控系統(tǒng)的設(shè)計

任務(wù)一數(shù)字電壓表任務(wù)二鋸齒波發(fā)生器習(xí)題與思考題

任務(wù)一數(shù)字電壓表

任務(wù)要求

【任務(wù)內(nèi)容】

利用ADC0809做A/D轉(zhuǎn)換，編制程序，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過二位七段數(shù)碼管顯示器顯示。

【知識要求】

了解A/D芯片ADC0809的轉(zhuǎn)換性能及編程方法；了解單片機如何進行數(shù)據(jù)采集；掌握A/D轉(zhuǎn)換芯片與單片機的接口方法。

相關(guān)知識

知識1A/D轉(zhuǎn)換器

1．常見A/D轉(zhuǎn)換器

常見的A/D轉(zhuǎn)換器有雙積分式、逐次比較式、并行式等三種。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是精度高、抗干擾性好、價格便宜，但速度慢；逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器的精度、速度、價格適中；并行式A/D轉(zhuǎn)換器的速度快，價格最昂貴。與三種A/D轉(zhuǎn)換器對應(yīng)的種類也很多。單片集成逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器芯片主要有ADC0801～0805(8位，單通道輸入)、ADC0808/0809(8位，8輸入通道)和ADC0816/0817(8位，16輸入通道)等。

下面將以ADC0809為例，介紹A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

2．A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

1)?ADC0809的主要特性

8路模擬信號輸入；

8位數(shù)字量輸出，即分辨率為8位；

輸入/輸出與TTL兼容，易與單片機連接；

轉(zhuǎn)換時間為128μs；

單個?+5V電源供電；

單極性模擬量輸入，輸入電壓范圍為0～+5V；

具有轉(zhuǎn)換啟停控制端口；

工作溫度范圍是－40～+85℃。

2)?ADC0809的引腳功能

ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖4-1所示。圖4-1ADC0809芯片引腳圖各引腳定義如下：

IN0～IN7：8路模擬量輸入端，范圍為0～+5V，一次只能選通其中的一路進行轉(zhuǎn)換，選通信號由ALE上升沿時的C、B、A引腳信號決定。

ADDC、ADDB、ADDA(C、B、A)：3位地址輸入線，用于選擇8路輸入模擬信號中的一路，為000～111的組合，分別選擇IN0～IN7。

D0～D7(2－8～2－1)：8位數(shù)據(jù)量輸出端，可與單片機的P0口相連，2－8為最低位，2-1為最高位。

START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。上升沿時逐次比較寄存器復(fù)位，下降沿時開始A/D轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中START保持低電平。

EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(EndOfConvert)輸出端。轉(zhuǎn)換期間EOC維持為低電平，EOC=1時表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，該信號可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用。

VREF(+)、VREF(－)：參考電源，用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。VREF(+)=+5V，VREF(－)=0V。

ALE：地址鎖存允許信號，在它的上升沿，它將C、B、A的狀態(tài)送入地址鎖存器中。

CLK：時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，通常使用頻率為500kHz的時鐘

信號。

OE：輸出允許信號(OutputEnable)，用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。

VCC：+5V電源。

GND：地。知識2ADC0809與單片機的接口

ADC0809的工作過程是：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上升沿將逐次比較寄存器復(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)換正在進行。直到轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入數(shù)據(jù)鎖存器。EOC信號可用作中斷申請，也可用來查詢。當(dāng)OE輸入高電平時，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線上。

ADC0809與單片機的一種典型接口電路如圖4-2所示。圖4-2ADC0809與單片機的典型接口電路

1．8路模擬輸入的選擇

A、B、C分別接地址鎖存器74LS373提供的低3位，在ALE=1時，實現(xiàn)通道的選擇。ADC0809的ALE由單片機P2.0與信號相“或”后再經(jīng)反相產(chǎn)生，因此，ADC0809的8路通道地址確定為：0000H～0007H(P2.0=0)。

2．SATRT信號

START與ALE連在一起，P2.0與同為0時，反相器就會出現(xiàn)高電平，在其上升沿，A、B、C地址狀態(tài)將被裝入地址鎖存器中，在下降沿時啟動轉(zhuǎn)換。因此，啟動轉(zhuǎn)換只需執(zhí)行下面的指令： MOV DPTR，#0000H ；選通通道0

MOVX @DPTR，A

MOVX指令使=0，地址0000H使P2.0=0。

3．轉(zhuǎn)換時鐘CLOCK

ADC0809的轉(zhuǎn)換時鐘不能超過640kHz，若單片機fosc=

6MHz，則單片機的ALE信號頻率為2×fosc/12=1MHz，經(jīng)過二分頻后得到500kHz信號，可滿足ADC0809的時鐘要求。

4．轉(zhuǎn)換完成后數(shù)據(jù)的傳送

A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)應(yīng)傳入單片機中進行處理，但只能在確認(rèn)轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成后，才能進行傳送。可采用查詢方式或中斷方式。

圖4-2中將EOC引腳經(jīng)反相器接在單片機的引腳上，轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC=1，反相后的信號可向單片機發(fā)出中斷請求，也可作為查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志。

5．OE信號

與P2.0相“或”后反相接至OE腳，因此只要兩者同為0就能使OE出現(xiàn)高電平，打開三態(tài)輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換的結(jié)果出現(xiàn)在P0口上。因此，讀取數(shù)據(jù)只需執(zhí)行下面的指令：

MOVX A，@DPTR

ADC0809每采集一次一般需100μs。由于ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束后會自動產(chǎn)生EOC信號(高電平有效)，取反后將其與AT89C51的INT0相連，可以用中斷方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

任務(wù)實施

【設(shè)備與器件清單】

1．設(shè)備清單：PC機、單片機開發(fā)系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表。

2．器件清單：

插座 DIP40 2

單片機 AT89C51 2

晶體振蕩器 6MHz或12MHz 1

瓷片電容 30pF 2

電解電容 22μF 1 ADC0809 1

數(shù)碼管2

74LS02 1

電阻若干

【跟我做】

1．準(zhǔn)備器件，設(shè)計硬件電路圖。

參考圖4-2，在IN0端輸入0～5V電壓，參考圖3-15進行顯示。

2．軟件設(shè)計

ORG 0000H

LJMP MAIN

ORG 06D0H

MAIN： MOV A，#00H

MOV DPTR，#0000H

MOVX @DPTR，A

MOV A，#00H

CLR T1

MOV SBUF，A JNB T1，$

CLR T1

MOV SBUF，A

JNB T1，$

MOVX A，@DPTR

DISP：MOV R0，A

ANL A，#0FH

LP： MOV DPTR，#TAB

MOVC A，@A+DPTR

CLR T1

MOV SBUF，A

JNB T1，$

CLR T1

MOV A，R0

SWAP A

ANL A，#0FH

MOVC A，@A+DPTR

CLR T1

MOV SBUF，A

JNB T1，$

CLR T1

LCALL DELAY AJMPMAIN

TAB：DB 0FCH，60H，0DAH，0F2H，66H，0B6H，

0BEH，0E0H

DB 0FEH，0F6H，0EEH，3EH，9CH，7AH，

9EH，8EH

DELAY：MOV R6，#0FFH

DELY2：MOV R7，#0FFH

DELY1：DJNZ R7，DELY1

DJNZ R6，DELY2

RET

END

【課后任務(wù)】

1．編寫實訓(xùn)報告，總結(jié)實訓(xùn)過程中遇到的問題、解決方法和收獲。

2．修改程序，將顯示值改為電壓顯示。

3．參考圖4-3，利用12位串行A/D轉(zhuǎn)換TLC2543設(shè)計數(shù)字電壓表。圖4-3TLC2543的連接圖

任務(wù)擴展

知識3逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換原理

逐次比較式轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖4-4所示，其核心是逐次比較寄存器(SAR)，它的各位分別代表一定的權(quán)值，從高位到低位分別是2－1～2－n。它在時鐘脈沖的作用下，逐次提供代表不同基準(zhǔn)電壓的基準(zhǔn)碼，并通過D/A轉(zhuǎn)換輸出量化的基準(zhǔn)電壓(2－1VREF～2－nVREF)，加至比較器與輸入模擬電壓比較。圖4-4逐次比較式轉(zhuǎn)換器原理框圖逐次比較式轉(zhuǎn)換器的工作過程如下：比較開始時，首先將SAR的最高位置“1”，即選擇了最大的“電壓砝碼”，D/A轉(zhuǎn)換輸出基準(zhǔn)電壓Vo=2－1VREF，在比較器與輸入模擬電壓Vin比較，若Vo<Vin，“小者留”，即保持SAR位為“1”，否則“大者棄”，即將該位重新置“0”。然后對SAR較低的位依次按照這個規(guī)則進行。顯然，對于N位的SAR，總共需要重復(fù)這種操作N次，最終數(shù)據(jù)寄存器中保存的就是A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。

任務(wù)二鋸齒波發(fā)生器

任務(wù)要求

【任務(wù)內(nèi)容】

利用單片機及DAC芯片，設(shè)計一個鋸齒波發(fā)生電路，輸出一個0～+5V的遞增鋸齒波。

【知識要求】

了解D/A芯片DAC0832的轉(zhuǎn)換性能及編程方法；了解

單片機控制信號的輸出；掌握D/A轉(zhuǎn)換芯片與單片機的接口方法。

相關(guān)知識

知識1D/A轉(zhuǎn)換器

1．常見D/A轉(zhuǎn)換器

單片機應(yīng)用系統(tǒng)中均采用集成芯片形式的D/A轉(zhuǎn)換器。通常這類芯片具有數(shù)字輸入鎖存功能，帶有數(shù)據(jù)存儲器和D/A轉(zhuǎn)換控制器，CPU可直接控制數(shù)字量的輸入和輸出，

對應(yīng)的芯片系列有：DAC0830系列、DAC1208系列和DAC1230系列。

2．D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

1)?DAC0832的主要特性

分辨率為8位，建立時間為1μs，功耗為20mW；

8位數(shù)字量輸出，即分辨率為8位；

與TTL兼容，易于單片機連接；

單電源供電，可在?+5～+15V范圍內(nèi)；

內(nèi)部無參考電壓，需外接，范圍是－10～+10V；

電流輸出型，若要獲得模擬電壓輸出，需外接轉(zhuǎn)換

電路；

數(shù)字輸入端具有雙重鎖存功能，可以雙緩沖、單緩沖或直通數(shù)字輸入，實現(xiàn)多通道D/A的同步轉(zhuǎn)換輸出。

2)?DAC0832的引腳功能

DAC0832芯片為20引腳，雙列直插式封裝，其引腳排列如圖4-5所示。

各引腳定義如下：

DI7～DI0：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入。

：片選信號(輸入)，低電平有效。

ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許信號(輸入)，高電平有效。

：第1寫信號(輸入)，低電平有效。圖4-5DAC0832引腳圖：第2寫信號(輸入)，低電平有效。

：數(shù)據(jù)傳送控制信號(輸入)，低電平有效。

上述兩個信號控制DAC寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式；當(dāng)=0和=0時，為DAC寄存器直通方式；當(dāng)=1和=0時，為DAC寄存器鎖存

方式。

IOUT1：電流輸出1。

IOUT2：電流輸出2，IOUT1+IOUT2=常數(shù)。

Rfb：反饋電阻端。

DAC0832是電流輸出，為了取得電壓輸出，需要在電流輸出端接運算放大器，Rfb即為運算放大器的反饋電阻端。運算放大器的接法如圖4-6所示。圖4-6電壓輸出轉(zhuǎn)換電路

VREF：基準(zhǔn)電壓，其電壓范圍為－10～+10V。

VCC：邏輯電源端，其電壓范圍為?+5～+15V。

DGND：數(shù)字地。

AGND：模擬地。

知識2DAC0832的雙緩沖結(jié)構(gòu)

DAC0832的內(nèi)部具有雙重鎖存的功能，如圖4-7所示。圖4-7DAC0832的雙緩沖結(jié)構(gòu)知識3DAC0832與單片機的接口

DAC0832實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換有三種方法：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。通常直通方式用于不采用微機的控制系統(tǒng)中；單緩沖方式通常用于只有一路模擬輸出的情況；雙緩沖方式常用于多路D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以實現(xiàn)多路模擬信號同步輸出的目的。

其連接方式有兩種，如圖4-8所示。圖4-8DAC0832單緩沖方式連接圖4-9(a)中將兩級寄存器的控制端分別接到一起，這樣單片機輸出的控制信號便可同時打開兩級緩沖；圖4-9(b)中將第二級的控制端、直接接地，即令第二級寄存器處于直通狀態(tài)，也可實現(xiàn)單緩沖功能。

在如圖4-9所示的連接下，設(shè)DAC0832的端口地址為7FFFH(由片選P2.7決定)，執(zhí)行下面的一條輸出指令就可以啟動D/A轉(zhuǎn)換，在其輸出端得到模擬電流輸出。

MOV DPTR，#7FFFH

MOV A，#data ；待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量裝入A

MOVX @DPTR，A ；啟動轉(zhuǎn)換

其他數(shù)據(jù)、電源、地線的連接在此不再贅述。

在實際應(yīng)用中，如果有幾路模擬量，但不需要同時輸出時，也可以采用這種方式。

任務(wù)實施

【設(shè)備與器件清單】

1．設(shè)備清單：PC機、單片機開發(fā)系統(tǒng)、示波器。

2．器件清單：

【跟我做】

1．準(zhǔn)備器件，設(shè)計硬件電路圖。

參照DAC0832與單片機的單緩沖方式典型連接電路，分別接好電源、地線、數(shù)據(jù)線、各控制線以及輸出轉(zhuǎn)換電路，得到輸出電壓VOUT1。根據(jù)設(shè)計要求，輸出鋸齒波的電壓變化范圍是0～+5V，但該電路在數(shù)字量從00H變化到FFH時，對應(yīng)輸出VOUT1的變化范圍是0～－5V。因此，還需添加運算電路，如圖4-9所示，添加反相運算電路后可以實現(xiàn)輸出VOUT滿足要求。圖4-9鋸