單片機(jī)AD和DA信號(hào)轉(zhuǎn)換

1、目 錄1 題目背景與意義22 設(shè)計(jì)題目介紹22.1 設(shè)計(jì)題目22.2 題目要求23 系統(tǒng)總體框架34 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)34.1 主控制芯片805134.1.1 8051引腳說明44.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)54.2 A/D轉(zhuǎn)換電路64.2.1 ADC083274.3 D/A轉(zhuǎn)換電路94.3.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC083294.3.2 外接運(yùn)放124.4 LED顯示電路136 結(jié)論14參考文獻(xiàn)151 題目背景與意義本課程設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程理論為基礎(chǔ)，以其他電子類、計(jì)算機(jī)及接口類相關(guān)課程內(nèi)容為輔助，在實(shí)踐中鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、理論應(yīng)用能力、總結(jié)歸納能力以及自我學(xué)習(xí)能力，提高其實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)與

2、創(chuàng)業(yè)精神。2 設(shè)計(jì)題目介紹2.1 設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的具有A/D和D/A功能的信號(hào)測(cè)控裝置。要求該信號(hào)測(cè)控裝置能夠接入典型傳感器、變送器信號(hào)，同時(shí)可輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號(hào)。并滿足抗干擾、通用性、安全性、性價(jià)比等原則性要求。標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號(hào)此處定為：05V/420mA (020mA)2.2 題目要求1. 基本要求：1) 充分理解題目要求，確定方案。2) 合理選擇器件型號(hào)。3) 用1號(hào)圖紙1張或者采用Protel軟件畫出電原理圖。4) 用1號(hào)圖紙1張畫出軟件結(jié)構(gòu)框圖。5) 寫出設(shè)計(jì)報(bào)告，對(duì)課程設(shè)計(jì)成品的功能進(jìn)行介紹及主要部分進(jìn)行分析與說明。6) 每天寫出工作日記。2. 發(fā)揮部分：1) 可

3、將系統(tǒng)擴(kuò)展為多路。可在此系統(tǒng)中擴(kuò)展鍵盤、顯示（LCD/LED）、與上位機(jī)通訊功能。2) 完成以上基本設(shè)計(jì)部分之后，可以運(yùn)用Protues仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的編程和仿真，調(diào)試測(cè)控系統(tǒng)并觀察其運(yùn)行結(jié)果(可以分部分完成)。3 系統(tǒng)總體框架8051穩(wěn)壓電源顯示模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊鍵盤模塊數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊模擬量輸出模擬量輸入圖1 總體設(shè)計(jì)方案此控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。被控對(duì)象經(jīng)傳感器，變送器輸入電壓信號(hào)或電流信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中調(diào)理電路送入A/D轉(zhuǎn)換器，通過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，所檢測(cè)到的電壓信號(hào)和送入單片機(jī)進(jìn)行比較，以顯示模塊顯示結(jié)果，聲光報(bào)警判斷是否正常工作。由鍵盤模塊設(shè)定報(bào)警上下限值。穩(wěn)壓電

4、源提供穩(wěn)定電壓。數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模擬量進(jìn)行控制。4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 主控制芯片8051本設(shè)計(jì)的主控制芯片我們選擇性價(jià)比高的8051單片機(jī)，8051單片機(jī)是一款8位的CPU，與通用的微處理器基本相同。片內(nèi)有128個(gè)字節(jié)RAM，片外最多可以外擴(kuò)到64k。8051有4k字節(jié)的ROM；具有5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先權(quán)；3個(gè)8位的并行I/O口、一個(gè)全雙工的串行口，2個(gè)16為的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，基于從經(jīng)濟(jì)出發(fā)，本設(shè)計(jì)我們選擇8051單片機(jī)完全能實(shí)現(xiàn)控制的要求。原理圖如圖2。圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)4.1.1 8051引腳說明圖3 8051引腳圖8051共有4個(gè)I/O端口，為P0、P1、P2、P3，四個(gè)I/O口都是雙向

5、的，且每個(gè)口都具有鎖存器。每個(gè)口有8條線，共計(jì)32條I/O線。各端口的功能敘述如下：1、P0口 有三個(gè)功能：（1）外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作數(shù)據(jù)總線（D0D7）。（2）外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（A1A7）。（3）不擴(kuò)充時(shí)，可做一般I/O口使用，但內(nèi)部沒有上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。2、P1口 只做I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。3、P2口 有兩個(gè)功能：（1）擴(kuò)充外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（A8A15）使用。（2）做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。4、P3口 有兩中功能除了作為I/O口使用外（內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設(shè)置。P30RXD（串行輸入口

6、）P31TXD（串行輸出口）P32/INT0（外部中斷）P33/INT1（外部中斷）P34T0（TIMER0的外部輸入腳）P35T1（TIMER1的外部輸入腳）P36/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫入控制信號(hào)）P37/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀取控制信號(hào)）端口1、2、3有內(nèi)部上拉電阻，當(dāng)作為輸入時(shí)，其電位被拉高，若輸入為低電平可提供電流源；其作為輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS TTL。而端口0作為輸入時(shí)，處在高阻抗的狀態(tài)，其輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS TTL（需要外部的上拉電阻）。5、EA/VPP（1）接高電平時(shí)：a、CPU讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM），如8051/8052。b、擴(kuò)充外部ROM：當(dāng)讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)

7、器超過0FFFH（8051）、1FFFH（8052）時(shí)，自動(dòng)讀取外部ROM。（2）接低電平時(shí)：CPU讀取外部程序存儲(chǔ)器（ROM），如8031/8032。4.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)1）單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般采用1030uF，51單片機(jī)最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時(shí)間越短。2）51單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度，頻率越大處理速度越快。3）51單片機(jī)最小系統(tǒng)起振電容C2、C3一般采用1533pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機(jī)越近越好。4）在單片機(jī)啟動(dòng)0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)候10K電阻兩端的電壓接

8、近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。5）設(shè)置為定時(shí)器模式時(shí)，加1計(jì)數(shù)器是對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)（1個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)振蕩周期，即計(jì)數(shù)頻率為晶振頻率的1/12）。計(jì)數(shù)值N乘以機(jī)器周期Tcy就是定時(shí)時(shí)間t。設(shè)置為計(jì)數(shù)器模式時(shí)，外部事件計(jì)數(shù)脈沖由T0或T1引腳輸入到計(jì)

9、數(shù)器。在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間采樣T0、T1引腳電平。當(dāng)某周期采樣到一高電平輸入，而下一周期又采樣到一低電平時(shí)，則計(jì)數(shù)器加1，更新的計(jì)數(shù)值在下一個(gè)機(jī)器周期的S3P1期間裝入計(jì)數(shù)器。由于檢測(cè)一個(gè)從1到0的下降沿需要2個(gè)機(jī)器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)晶振頻率為12MHz時(shí)，最高計(jì)數(shù)頻率不超過1/2MHz，即計(jì)數(shù)脈沖的周期要大于2 ms。 4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)AD的要求比較高，因此，我采用的是8位的高精度的AD轉(zhuǎn)換器。圖4 A/D轉(zhuǎn)換模塊電路圖4.2.1 ADC0832 ADC0832 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由

10、于它體積小，兼容性，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用ADC0832 可是使我們了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高。其主要功能特性如下： 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容； 5V電源供電時(shí)輸入電壓在05V之間； 工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32S； 一般功耗僅為15mW； 8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝； 商用級(jí)芯片溫寬為0C to +70C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為40C to +85C；芯片接口說明： 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

11、作為IN+/-使用。 GND 芯片參考0 電位（地）。 DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。 DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。 CLK 芯片時(shí)鐘輸入。 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。1） ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。2） AD574引腳功能

12、 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(hào)輸入，選擇通道控制。 DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。 CLK 芯片時(shí)鐘輸入。 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。圖5 AD574A引腳圖2）工作方式 正常情況下ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)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(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為

13、高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK 輸入時(shí)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(hào)。在第1 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第2、3個(gè)脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。當(dāng)此2 位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對(duì)CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時(shí)，只對(duì)CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時(shí)，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負(fù)輸入端IN-進(jìn)行輸入。

14、當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時(shí)，將CH0作為負(fù)輸入端IN-，CH1 作為正輸入端IN+進(jìn)行輸入。到第3 個(gè)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(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)脈沖下沉開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個(gè)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(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下沉輸出DATD0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。作

15、為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí)ADC0832的輸入電壓是05V且8位分辨率時(shí)的電壓精度為19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè)定在某一個(gè)較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進(jìn)行IN+與IN-的輸入時(shí)，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H。4.3 D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路采用DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。由于DAC0832是單路轉(zhuǎn)換，為了使系統(tǒng)能有更好的控制性，我加了個(gè)多路開關(guān)CD4051，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多路控制。圖6 D/A轉(zhuǎn)換電路4.3.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，它采用CMOS工藝制作，具有

16、雙緩沖器輸入結(jié)構(gòu)。1）0832引腳功能DAC0832是20引腳的雙列直插式芯片。各引腳的特性如下： CS片選信號(hào)，和允許鎖存信號(hào)ILE組合來決定 是否起作用。 ILE允許鎖存信號(hào)。 WR1寫信號(hào)1，作為第一級(jí)鎖存信號(hào)，將輸入資料鎖存到輸入寄存器（此時(shí)， 必須和 、ILE同時(shí)有效）。 WR2寫信號(hào)2，將鎖存在輸入寄存器中的資料送到DAC寄存器中進(jìn)行鎖存（此時(shí)，傳輸控制信號(hào) 必須有效）。 XFER傳輸控制信號(hào)，用來控制 。 DI7DI08位數(shù)據(jù)輸入端。 IOUT1模擬電流輸出端1。當(dāng)DAC寄存器中全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中全為0時(shí)，輸出電流為0。 IOUT2模擬電流輸出端2。IOUT

17、1+IOUT2=常數(shù)。 RFB反饋電阻引出端。DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以，RFB端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端。相當(dāng)于將反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。 VREF參考電壓輸入端?？山与妷悍秶鸀?0V。外部標(biāo)準(zhǔn)電壓通過VREF與T型電阻網(wǎng)絡(luò)相連。 VCC芯片供電電壓端。范圍為+5V+15V，最佳工作狀態(tài)是+15V。 AGND模擬地，即模擬電路接地端。 DGND數(shù)字地，即數(shù)字電路接地端。圖7 DAC0832引腳圖2）0832工作方式DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，可以采用兩種方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。 第一種方法是使輸入寄存器工作在鎖存狀態(tài)，而DAC寄存器工作在直通狀態(tài)。具體

18、地說，就是使 和 都為低電平，DAC寄存器的鎖存選通端得不到有效電平而直通；此外，使輸入寄存器的控制信號(hào)ILE處于高電平、 處于低電平，這樣，當(dāng) 端來一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，就可以完成1次轉(zhuǎn)換。 第二種方法是使輸入寄存器工作在直通狀態(tài)，而DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)。就是使 和 為低電平，ILE為高電平，這樣，輸入寄存器的鎖存選通信號(hào)處于無效狀態(tài)而直通；當(dāng) 和 端輸入1個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，使得DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)，提供鎖存數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 根據(jù)上述對(duì)DAC0832的輸入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3種工作方式： 單緩沖方式。單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時(shí)接收資料，或者

19、只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式適用只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。 雙緩沖方式。雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。此方式適用于多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情節(jié)。 直通方式。直通方式是資料不經(jīng)兩級(jí)鎖存器鎖存，即 CS*，XFER* ，WR1* ，WR2* 均接地，ILE接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路和不帶微機(jī)的控制系統(tǒng)，不過在使用時(shí)，必須通過另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換。 本設(shè)計(jì)采用的是單緩沖方式。由于DAC0832有數(shù)據(jù)鎖存器、片選、讀、寫控制信號(hào)線，故可與 8088

20、CPU 總線直接接口。/CS和/XFER相接后作為0832芯片的片選CS。這樣， 對(duì)DAC0832執(zhí)行一次寫操作就把一個(gè)數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器，模擬量輸出隨之而變化。4.3.2 外接運(yùn)放由于A/D轉(zhuǎn)換輸入需要以穩(wěn)定電壓形式輸入。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。若需要相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，可通過一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。運(yùn)放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接。 以下為模擬輸入的放大電路和D/A輸出信號(hào)運(yùn)放電路 圖11 模擬輸入運(yùn)放電路圖12 模擬輸出運(yùn)放電路模擬輸入通過電位器控制，輸入一個(gè)可由0變化到0.5v的電壓模擬信號(hào)，經(jīng)過U4：A跟隨電路監(jiān)控（虛短連接），在由U4：B進(jìn)行電壓放大。放大比例由R4,R5決定。即放大倍數(shù)N=(R5+R4)/R4，在此設(shè)計(jì)中，考慮到輸入輸出的要求，故設(shè)置放大倍數(shù)為10倍。將放大后的電壓信號(hào)送入ADC0804進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換后，由IOUT1和IOUT2輸出幅值很小的電流信號(hào)。經(jīng)過U9：A放大，輸出一個(gè)易識(shí)別的電壓信號(hào)，在經(jīng)過U9:B進(jìn)行反相一比一放大。由電壓計(jì)可測(cè)的一個(gè)幅值在05v變化的電壓信號(hào)。 8位