第4章 基于單片機(jī)的控制器

1、第4章基于單片機(jī)的控制器 第4章 基于單片機(jī)的控制器 4.1 MCS-51單片機(jī)單片機(jī) 4.2 模擬數(shù)據(jù)采集模擬數(shù)據(jù)采集 4.3 模擬數(shù)據(jù)輸出模擬數(shù)據(jù)輸出 4.4 功率輸出功率輸出 4.5 單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制器單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制器 4.6 其他嵌入式處理器其他嵌入式處理器 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.1MCS51單片機(jī)單片機(jī)MCS51是Intel公司生產(chǎn)的一個(gè)單片機(jī)系列的名稱。屬于這一系列的單片機(jī)有多種，如8051/8751/8031，8052/8752/8032，80C51/87C51/80C31，80C52/87C52/80C32等。該系列單片機(jī)的生產(chǎn)工藝有兩種：一是HMOS工藝（即高密度短溝道

2、MOS工藝），二是CHMOS工藝（即互補(bǔ)金屬氧化物的HMOS工藝）。CHMOS是CMOS和HMOS的結(jié)合，它既保持了HMOS高速度和高密度的特點(diǎn)，又具有CMOS低功耗的特點(diǎn)。在產(chǎn)品型號(hào)中凡帶有字母“C”的，即為CHMOS芯片，不帶有字母“C”的，即為HMOS芯片。HMOS芯片的電平與TTL電平兼容，而CHMOS芯片的電平既與TTL電平兼容，又與CMOS電平兼容。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，一般應(yīng)盡量采用CHMOS工藝的芯片。 第4章基于單片機(jī)的控制器 在功能上，該系列單片機(jī)有基本型和增強(qiáng)型兩大類，通常以芯片型號(hào)的末位數(shù)來(lái)區(qū)分，末位數(shù)為“1”的型號(hào)為基本型，末位數(shù)為“2”的型號(hào)為增強(qiáng)型。在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器

3、的配置上，該系列單片機(jī)有三種形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMLess（無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器）。如80C51含有4KB的掩膜ROM，87C51含有4KB的EPROM，而80C31在芯片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，應(yīng)用時(shí)要在單片機(jī)芯片外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。 第4章基于單片機(jī)的控制器 各廠商以8051為基本核開(kāi)發(fā)出的CHMOS工藝單片機(jī)產(chǎn)品統(tǒng)稱為80C51系列。當(dāng)前常用的80C51系列單片機(jī)主要產(chǎn)品有：Intel公司的80C31、80C51、87C51、80C32、80C52、87C52等；ATMEL公司的89C51、89C52、89C2051、89C4051等。除此之外，還有Philips、華邦、Dallas

4、、Siemens（Infineon）等公司的各種產(chǎn)品。這些產(chǎn)品在某些方面有一些差異，但基本結(jié)構(gòu)和功能是相同的。所以，以80C51代表這些產(chǎn)品的共性，而在具體的應(yīng)用電路中，有時(shí)會(huì)采用某一產(chǎn)品的特定型號(hào)。 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.2模擬數(shù)據(jù)采集模擬數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集是單片機(jī)控制系統(tǒng)中最為普遍的應(yīng)用需求。數(shù)據(jù)采集的對(duì)象可以是溫度、壓力、流量等各種物理量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以是復(fù)雜控制系統(tǒng)的一部分，也可以是配備顯示（或打印）輸出的獨(dú)立系統(tǒng)（或儀表）。模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入通道的構(gòu)成如圖41所示。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖41模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入通道的構(gòu)成 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.2.1傳感器

5、傳感器傳感器把被測(cè)的物理量（如溫度、壓力等）作為輸入?yún)?shù)，將其轉(zhuǎn)換為電量（電流、電壓、電阻等）后輸出。物理量的性質(zhì)和測(cè)量范圍不同，傳感器的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)就不同。通常，傳感器輸出的電信號(hào)是模擬信號(hào)（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。當(dāng)信號(hào)的數(shù)值符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，可以不用放大器放大；當(dāng)信號(hào)的數(shù)值不符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級(jí)時(shí)，就需要放大器放大。 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.2.2多路模擬開(kāi)關(guān)多路模擬開(kāi)關(guān)多路模擬開(kāi)關(guān)的作用是將多路模擬信號(hào)分別與A/D轉(zhuǎn)換器接通，逐一進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以達(dá)到分時(shí)享用A/D轉(zhuǎn)換器的目的。以多路模擬開(kāi)關(guān)AD7501為例（圖42所示），AD7501是CMOS型

6、8選1多路模擬開(kāi)關(guān)，每次從8個(gè)輸入端中選擇一路與公共端相連，選擇的通道號(hào)由輸入的地址編碼確定（如表41所示），與TTL電平兼容。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖42AD7501 第4章基于單片機(jī)的控制器 表表41地址編碼表地址編碼表 A2 A1 A0 EN OUT 0 0 0 1 S1 0 0 1 1 S2 0 1 0 1 S3 0 1 1 1 S4 1 0 0 1 S5 1 0 1 1 S6 1 1 0 1 S7 1 1 1 1 S8 X X X 0 X 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.2.3放大器放大器放大器通常采用集成運(yùn)算放大器。常用的集成運(yùn)算放大器有0P07、5G7650等。在環(huán)境條件較差

7、時(shí)，可以采用數(shù)據(jù)放大器（也稱為精密測(cè)量放大器）或傳感器接口專用模塊。 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.2.4采樣采樣/保持器保持器因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，為了保證轉(zhuǎn)換精度，在A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，要求信號(hào)的電壓保持不變，在A/D轉(zhuǎn)換完成后，又要能跟蹤信號(hào)電壓的變化。能完成這個(gè)功能的電路叫采樣/保持電路（或稱為采樣/保持器，Sample/Hold，簡(jiǎn)稱S/H）。香農(nóng)采樣定理：對(duì)于一個(gè)有限頻率的連續(xù)信號(hào)，當(dāng)采樣頻率fs2f信max時(shí)，采樣函數(shù)才能不失真地恢復(fù)原來(lái)的連續(xù)信號(hào)。 第4章基于單片機(jī)的控制器 采樣定理給出的是采樣的最低頻率，為了保證精度，工程上通常要求fs=(410)f信max。 圖43

8、為采樣/保持電路的原理圖。采樣/保持電路由存儲(chǔ)電容CH、模擬開(kāi)關(guān)T（N溝道增強(qiáng)型MOS管）、輸入電阻RI（限流）、反饋電阻RF和運(yùn)算放大器A組成。在開(kāi)關(guān)控制信號(hào)S的作用下，電路有兩種工作模式： 采樣模式：控制信號(hào)S為高電平，T導(dǎo)通，輸入信號(hào)UI通過(guò)RI、T向電容CH充電，若RI=RF，則充電結(jié)束后，UO=UC=-UI； 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖43 采樣/保持電路的原理圖第4章基于單片機(jī)的控制器 保持模式：控制信號(hào)S為低電平，T截止，輸出電壓UO由電容CH兩端電壓保持。根據(jù)上述工作方式，要求采樣/保持電路:在采樣階段，存儲(chǔ)電容要盡快充電，以快速跟蹤信號(hào)電壓；在保持階段，存儲(chǔ)電容漏電流必須接

9、近于零，以保持信號(hào)電壓（相當(dāng)于一個(gè)模擬信號(hào)存儲(chǔ)器）。集成采樣/保持器主要有AD582、AD583（一般）、HTS0025（高速）、SHA1144（高分辨率）等。 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.2.5A/D轉(zhuǎn)換器及其與單片機(jī)接口轉(zhuǎn)換器及其與單片機(jī)接口A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，其主要指標(biāo)是分辨率。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與其分辨率有直接的關(guān)系。8位的A/D轉(zhuǎn)換器可以對(duì)滿量程的1/256進(jìn)行分辨。A/D轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)重要指標(biāo)是轉(zhuǎn)換時(shí)間。選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)必須滿足采樣分辨率和速度的要求。采樣/保持輸出電平仍是模擬量，把采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，稱為量化，指定的離散電平稱為量化

10、電平。量化必然存在誤差（系統(tǒng)誤差）。量化一般有兩種方法：只舍不入（類似于取整運(yùn)算）和有舍有入（類似于四舍五入），前一種量化誤差（1LSB）是后一種量化誤差（0.5LSB）的兩倍。 第4章基于單片機(jī)的控制器 用二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示各個(gè)量化電平的過(guò)程稱為編碼。量化單位電壓就是兩個(gè)量化電平之間的差值，二進(jìn)制數(shù)碼位數(shù)越多，量化單位電壓就越小，量化誤差就越小，精度就越高。在A/D轉(zhuǎn)換中，模擬電壓的輸入范圍一般有05V、010V、-55V等，其中05V、010V稱為單極性輸入，-5V5V稱為雙極性輸入。在輸入范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換前后的模擬電壓與數(shù)字碼之間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼一般有二進(jìn)制碼和BCD碼兩種。B

11、CD碼常用于直接顯示數(shù)字，二進(jìn)制碼用于與計(jì)算機(jī)的接口，有8、10、12、16位等，位數(shù)越多，精度越高。對(duì)于雙極性輸入，一般給出二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式或雙極性偏移碼的形式，如表42所示。 第4章基于單片機(jī)的控制器 表42A/D編碼 數(shù)字碼數(shù)字碼 模擬量模擬量 8位位 12 位位 16 位位 0V （00000000） （XXXX0000，00000000） （00000000，00000000） 2.5V （10000000） （XXXX1000，00000000） （10000000，00000000） 3.75V （11000000） （XXXX1100，00000000） （11000000，0

12、0000000） 5V （11111111） （XXXX1111，11111111） （11111111，11111111） 單極性 （05V） -5V （00000000） （XXXX0000，00000000） （00000000，00000000） -2.5V （01000000） （XXXX0100，00000000） （01000000，00000000） 0V （10000000） （XXXX1000，00000000） （10000000，00000000） 2.5V （11000000） （XXXX1100，00000000） （11000000，00000000） 5V （1

13、1111111） （XXXX1111，11111111） （11111111，11111111） 雙極性 （-5V5V） （偏移碼） 0V （00000000） （XXXX0000，00000000） （00000000，00000000） 第4章基于單片機(jī)的控制器 1.12位位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD574A實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法比較多，常見(jiàn)的有計(jì)數(shù)法、雙積分法和逐次逼近法。由于逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換具有速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，而且采用該法的A/D轉(zhuǎn)換器芯片的成本較低，因而目前絕大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器都采用這種方法。AD574A是一款逐次逼近式12位A/D轉(zhuǎn)換器，其引腳排列如圖44所示，其引腳及功能說(shuō)

14、明如表43所示。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖44AD574A的引腳圖 第4章基于單片機(jī)的控制器 表43AD574A的引腳及功能 管腳管腳 功能功能 10VIN 量程為（0+10）V 的單極性輸入端（10V Span Input） BIP OFF 量程為（0+20）V 的單極性輸入端（20V Span Input） BIP OFF 雙極性偏置輸入端（Bipolar Offset） ，量程為（-5+5）V DB11DB0 共 12 條輸出引線，其中 DB11為最高有效位，DB0為最低有效位 CE 芯片使能引腳，高電平有效 CS 片選信號(hào)，低電平有效 CR / 讀/轉(zhuǎn)換控制信號(hào)（Read/Conv

15、ert） ，高電平時(shí)為讀有效，低電平時(shí)為轉(zhuǎn)換有效 8/12 數(shù)據(jù)模式選擇端（Data Mode Select） 。當(dāng)它為高電平時(shí)，從 DB11DB0輸出 12 位數(shù)據(jù)，低電平時(shí)，12 位數(shù)據(jù)要分兩次輸出 A0 字節(jié)地址短周期信號(hào)（Byte Address Short Cycle） ，用于選擇轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度 第4章基于單片機(jī)的控制器 STS 狀態(tài)輸出信號(hào)，它用于指示轉(zhuǎn)換的狀態(tài)。當(dāng)它為高電平時(shí)表示正在轉(zhuǎn)換，低電平時(shí)表示轉(zhuǎn)換已結(jié)束 VCC +12V 或+15V 電源，輸入 VEE -12V或-15V 電源，輸入 VLOGIC 邏輯電源，接+5V REF OUT 輸出 10V 基準(zhǔn)電壓 REF IN

16、參考電壓輸入引腳 AC 模擬地（Analog Common） DC 數(shù)字地（Digital Common） 第4章基于單片機(jī)的控制器 表表44AD574A控制信號(hào)的真值表控制信號(hào)的真值表 第4章基于單片機(jī)的控制器 2.帶采樣帶采樣/保持器的保持器的12位位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD1674AD1674從引腳到功能都與AD574/674完全兼容，只是AD1674內(nèi)部增加了采樣/保持電路，采樣頻率為100kHz，大大高于AD574A，并且有全控模式和單一工作模式，其精度達(dá)0.05%。 第4章基于單片機(jī)的控制器 AD1674采用BIMOS工藝，主要由寬頻帶采樣/保持器、10V基準(zhǔn)電源、時(shí)鐘電路、D/A轉(zhuǎn)

17、換器、SAR寄存器、比較器和三態(tài)輸出緩沖器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖45所示。當(dāng)控制部分發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令時(shí)，首先使采樣/保持器工作在保持模式，并使SAR寄存器復(fù)零。一旦開(kāi)始轉(zhuǎn)換，就不能停止或重新啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，此時(shí)輸出緩沖器的數(shù)據(jù)輸出無(wú)效。逐次逼近寄存器按時(shí)鐘順序從高位到低位順序進(jìn)行比較，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，返回一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志給控制部分，控制部分立即禁止時(shí)鐘輸出，并使采樣/保持器工作在采樣模式。與此同時(shí)，延遲STS信號(hào)下跳的時(shí)間來(lái)穩(wěn)定轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，以滿足12位的精度。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖45AD1674內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 第4章基于單片機(jī)的控制器 當(dāng)AD1674工作在全控模式時(shí)，利用CE、C

18、S和R/C來(lái)控制轉(zhuǎn)換和讀數(shù)。如果CE1且CS0，則R/C1時(shí)讀數(shù)；反之，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。這種模式適合用唯一地址總線或數(shù)據(jù)總線譯碼的多個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)。 當(dāng)AD1674工作在單一模式時(shí)，CE1，CS0，12/8 、A00，它是通過(guò)R/C來(lái)完成讀數(shù)和轉(zhuǎn)換功能的。這種模式適用于有足夠輸入口而無(wú)需擴(kuò)充數(shù)據(jù)總線的系統(tǒng)，尤其適用于16位數(shù)據(jù)總線。AD1674為標(biāo)準(zhǔn)28腳雙列直插式封裝，如圖46所示。其引腳意義及功能說(shuō)明如表45所示。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖46AD1674引腳說(shuō)明 第4章基于單片機(jī)的控制器 表45AD1674引腳及功能 管腳管腳 功能功能 l 腳：+V +5V邏輯電源端 2 腳：12/8

19、 數(shù)據(jù)格式選擇端（注意：此信號(hào)是非邏輯電平） 。當(dāng) 12/8為 1 時(shí)，輸出數(shù)據(jù)為 12位格式，反之輸出數(shù)據(jù)為 8 位格式 3 腳：CS 片選端，低電平有效 4 腳：A0 數(shù)據(jù)輸出方式控制。當(dāng) A0 為低電平時(shí)，如果啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，則為 12 位轉(zhuǎn)換；當(dāng)A0 為高電平時(shí)，啟動(dòng)的是 8 位短周期轉(zhuǎn)換。在 l 2/8為 0，R/Cl 期間當(dāng) A0為低電平時(shí)，允許高 8 位（DB4DBll）輸出；當(dāng) A0 為高電平時(shí)，允許低 4 位（DB0DB3)輸出，且 DB7DB40 5 腳：R/C 讀數(shù)/轉(zhuǎn)換端。在全控模式下，R/C為高電平時(shí)讀數(shù)，反之啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換。在單一工作模式下，R/C的下降沿啟

20、動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換 第4章基于單片機(jī)的控制器 6 腳：CE 使能端。高電平有效，主要用于啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換和讀操作 7 腳：V +12V/+l 5V 電源電壓輸入端 8 腳：REFOUT +10 V 基準(zhǔn)電壓輸出端 9 腳：AGND 模擬地 10 腳：REFIN A/D 基準(zhǔn)電壓輸入端。正常使用時(shí)，可通過(guò) 50 左右的電阻與 REFOUT 相連 11 腳：V -12V/-15V 電源電壓輸入端 12 腳：BIPOFF 極性偏移端 13 腳：10Vi 滿 10V 模擬電壓輸入端。單極性輸入范圍為 010V，雙極性輸入范圍為-5V+5V。當(dāng) ADl674 滿度為 20V 時(shí)，此端應(yīng)該懸空 14 腳：2

21、0Vi 滿 20 V 模擬電壓輸入端。 單極性輸入范圍為 020V， 雙極性輸入范圍為-10+10 V。當(dāng) ADl674 滿度為 10 V 時(shí)，此端應(yīng)該懸空 15 腳：DGND 數(shù)字地 l 627 腳：DB0DBll A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端 28 腳：STS 轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志。當(dāng)轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時(shí)，STS 為 1，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，STS 為 0 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖47AD1674與8031單片機(jī)的硬件接口電路 第4章基于單片機(jī)的控制器 中斷方式的A/D轉(zhuǎn)換服務(wù)子程序如下：初始化程序：INITI：SETBIT1 ；啟動(dòng)中斷1初始化編程SETB EASETB EX1MOV DPTR，#4000H；啟

22、動(dòng)AD1674的轉(zhuǎn)換MOVXDPTR，A第4章基于單片機(jī)的控制器 中斷服務(wù)子程序：INT1：MOVDPTR，#4000H；讀取A/D高8位轉(zhuǎn)換結(jié)果MOVX A，DPTR；放入8031內(nèi)部RAM的20H單元 MOV20H，A INCDPTR；讀取低4位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOVX A，DPTR；放入8031內(nèi)部RAM的21H單元 ANLA，0F0H；屏蔽掉A中低4位 MOV21H，A；留下低4位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 RETI；在A累加器的高4位 第4章基于單片機(jī)的控制器 3.3位半位半BCD碼輸出雙積分碼輸出雙積分A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器MC14433MC14433是美國(guó)Motorola公司生產(chǎn)的3位半雙積分A

23、/D轉(zhuǎn)換器，是目前市場(chǎng)上廣為流行的、典型的A/D轉(zhuǎn)換器。MC14433具有抗干擾性能好、轉(zhuǎn)換精度高（相當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù)）、自動(dòng)校零、自動(dòng)極性輸出、自動(dòng)量程控制信號(hào)輸出、動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出、單基準(zhǔn)電壓、外接元件少、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。其轉(zhuǎn)換速度約為110次/秒，在不要求高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合被廣泛采用，如溫度控制系統(tǒng)中。5G14433與MC14433完全兼容，可以互換使用。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖48MC14433的內(nèi)部組成框圖及引腳定義 第4章基于單片機(jī)的控制器 表表46MC14433引腳及功能引腳及功能 管腳管腳 功能功能 VAG 被測(cè)電壓 VX和基準(zhǔn)電壓 VR的接地端（模擬地） VR 外

24、接輸入基準(zhǔn)電壓（+2V 或+200mV） VX 被測(cè)電壓輸入端 R1、R1/C1、C1 外接積分電阻 R1和積分電容 C1元件端，外接元件典型值為：當(dāng)量程為 2V 時(shí)，C1=0.1F，R1=470k；當(dāng)量程為 200mV 時(shí)，C1=0.1F，R1=27k C01、C02 外接失調(diào)補(bǔ)償電容 C0端，C0的典型值為 0.1F DU 更新輸出的 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果的輸入端。當(dāng) DU 與 EOC 連接時(shí)，每次的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果都被更新 CLK1 和 CLK0 時(shí)鐘振蕩器外接電阻 RC端。時(shí)鐘頻率隨 RC的增加而下降。RC的值為 300k 時(shí)，時(shí)鐘頻率為 147kHz（每秒約轉(zhuǎn)換 9 次） VEE

25、模擬部分的負(fù)電源端，接-5V VSS 除 CLK0 端外所有輸出端的低電平基準(zhǔn)（數(shù)字地） 。當(dāng) VSS接 VAG（模擬地）時(shí)，輸出電壓幅度為 VAGVDD（0+5V） ；當(dāng) VSS接 VEE（-5V）時(shí)，輸出電壓幅度為 VEEVDD（-5V+5V） ，10V 的幅度。實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般是 VSS接 VAG，即模擬地和數(shù)字地相連 EOC 轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出。每當(dāng)一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，EOC 端輸出一個(gè)寬度為時(shí)鐘周期二分之一寬度的正脈沖 OR 過(guò)量程標(biāo)志輸出， 平時(shí)為高電平。當(dāng)VRVX時(shí) （被測(cè)電平輸入絕對(duì)值大于基準(zhǔn)電壓） ，OR端輸出低電平 DS1DS4 多路選通脈沖輸出端 Q0Q3 BCD

26、碼數(shù)據(jù)輸出線。其中 Q0 為最低位，Q3 為最高位 VDD 正電源端，接+5V 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖49MC14433選通脈沖時(shí)序圖 第4章基于單片機(jī)的控制器 當(dāng)DS2、DS3和DS4選通期間，輸出3位完整的BCD碼，即09十個(gè)數(shù)字中的任何一個(gè)都可以。但在DS1選通期間，數(shù)據(jù)輸出線Q0Q3除了千位的0或1外，還表示了轉(zhuǎn)換值的正/負(fù)極性和欠/過(guò)量程，其含義見(jiàn)表47。 第4章基于單片機(jī)的控制器 表47DS1選通時(shí)Q3Q0表示的輸出結(jié)果 DS1 Q3 Q2 Q1 Q0 輸出結(jié)果狀態(tài)輸出結(jié)果狀態(tài) 1 1 0 千位數(shù)為 0 1 0 0 千位數(shù)為 1 1 1 0 輸出結(jié)果為正值 1 0 0 輸出結(jié)

27、果為負(fù)值 1 0 1 輸入信號(hào)過(guò)量程 1 1 1 輸入信號(hào)欠量程 第4章基于單片機(jī)的控制器 由表4-7可知： Q3表示千位（1/2）數(shù)的內(nèi)容，Q30（低電平）時(shí)，千位數(shù)為1；Q31（高電平）時(shí)，千位數(shù)為0； Q2表示被測(cè)電壓的極性，Q21表示正極性，Q20表示負(fù)極性； Q01表示被測(cè)電壓在量程外（過(guò)或欠量程），可用于儀表自動(dòng)量程切換。當(dāng)Q30時(shí)，表示過(guò)量程；當(dāng)Q31時(shí)，表示欠量程。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖410MC14433與80C51的接口電路 第4章基于單片機(jī)的控制器 盡管MC14433需外接的元件很少，但為使其工作于最佳狀態(tài)，也必須注意外部電路的連接和外接元器件的選擇。由于片內(nèi)提供

28、時(shí)鐘發(fā)生器，使用時(shí)只需外接一個(gè)電阻，也可采用外部輸入時(shí)鐘或外接晶體振蕩電路。MC14433芯片工作電源為5V，正電源接VDD，模擬部分負(fù)電源端接VEE，模擬地VAG與數(shù)字地VSS相連為公共接地端。為了提高電源的抗干擾能力，正、負(fù)電源分別經(jīng)去耦電容0.047F、0.02F與VSS（VAG）端相連。 第4章基于單片機(jī)的控制器 MC14433芯片的基準(zhǔn)電壓需外接，可由MC1403通過(guò)分壓提供+2V或+200mV的基準(zhǔn)電壓。在一些精度不高的小型智能化儀表中，由于+5V電源是經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓器穩(wěn)定的，工作環(huán)境又比較好，這樣就可以通過(guò)電位器對(duì)+5V直接分壓得到。EOC是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的輸出標(biāo)志信號(hào)，每一次A/

29、D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC端都輸出一個(gè)1/2時(shí)鐘周期寬度的脈沖。當(dāng)給DU端輸入一個(gè)正脈沖時(shí)，當(dāng)前A/D轉(zhuǎn)換周期的轉(zhuǎn)換結(jié)果將被送至輸出鎖存器，經(jīng)多路開(kāi)關(guān)輸出，否則將輸出鎖存器中原來(lái)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。所以，DU端與EOC端相連，以選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，每次轉(zhuǎn)換結(jié)果都送至輸出寄存器。 第4章基于單片機(jī)的控制器 由于MC14433的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出的BCD碼，Q0Q3和DS1DS4都不是總線式的，因此，80C51單片機(jī)只能通過(guò)并行I/O接口或擴(kuò)展I/O接口與其相連。對(duì)于80C31單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，MC14433可以直接和其P1口或擴(kuò)展I/O口8155/8255相連。80C51讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)可以采

30、用中斷方式或查詢方式。采用中斷方式時(shí)，EOC端與80C51外部中斷輸入端INT0或INT1相連。采用查詢方式時(shí)，EOC端可接入80C51任一個(gè)I/O口或擴(kuò)展I/O口。圖中采用中斷方式（接INT1）。 第4章基于單片機(jī)的控制器 根據(jù)圖410的接口電路，將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存入片內(nèi)RAM中的2EH、2FH單元，并給定數(shù)據(jù)存放格式為： 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.3模擬數(shù)據(jù)輸出模擬數(shù)據(jù)輸出模擬量輸出是單片機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬功率元件控制的關(guān)鍵手段。單片機(jī)產(chǎn)生的控制決策是以數(shù)字量形式表現(xiàn)的，這些數(shù)字量必須通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓或模擬電流，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件的控制。另外，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器也可

31、以實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器的功能。常用D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方式分為并行轉(zhuǎn)換和串行轉(zhuǎn)換。前者因各位代碼都同時(shí)送到轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的輸入端，轉(zhuǎn)換時(shí)間只取決于轉(zhuǎn)換器中的電壓或電流的建立時(shí)間及求和時(shí)間（一般為微秒級(jí)），所以轉(zhuǎn)換速度快，應(yīng)用較多。 第4章基于單片機(jī)的控制器 DAC1210是一款12位D/A轉(zhuǎn)換器，它的輸入寄存器由一個(gè)8位寄存器和一個(gè)4位寄存器組成，DAC寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器都是12位。圖411是該芯片的結(jié)構(gòu)框圖。 DAC1210的引腳排列如圖412所示，其引腳及功能說(shuō)明如表48所示。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖411DAC1210內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖412DAC1210引腳排列 第4章

32、基于單片機(jī)的控制器 表表48DAC1210引腳及功能引腳及功能 管腳管腳 功能功能 1 腳：CS 片選信號(hào)（低電平有效） 2腳：1WR 寫信號(hào)（低電平有效） 23 腳：BYBY / 字節(jié)順序控制信號(hào)。該信號(hào)為高電平時(shí)，開(kāi)啟 8 位和 4 位兩個(gè)鎖存器， 將 12 位全部打入鎖存器，該信號(hào)為低電平時(shí)，則開(kāi)啟 4 位輸入鎖存器 22 腳：2WR 輔助寫信號(hào) （低電平有效） 。 該信號(hào)與XREF相結(jié)合， 當(dāng)XREF與2WR同時(shí)為低電平時(shí)，把鎖存器中數(shù)據(jù)打入 D/A 寄存器。當(dāng)2WR高電平時(shí)，D/A寄存器中的數(shù)據(jù)被鎖存起來(lái) 21 腳：XREF 傳送控制信號(hào)（低電平有效） 。該信號(hào)與2WR信號(hào)相結(jié)合，用

33、于將輸入鎖存器中 12 位數(shù)據(jù)送至 D/A寄存器 94、2015 腳：D0D11 12 位數(shù)據(jù)輸入端 13 腳，IOl D/A 電流轉(zhuǎn)換輸出 1。當(dāng) D/A 寄存器全“1”時(shí)，輸出電流最大，全“0”時(shí)，輸出為 0 14 腳：IO2 D/A 電流轉(zhuǎn)換輸出 2，并滿足 IO1+IO2常數(shù) 11 腳：RFB 反饋電阻 10腳：VR 參考電源輸入端（-10+10 V） 24 腳：V+ 電源電壓輸入端（+5+15V） 3、12 腳：DGND，AGND 分別為數(shù)字地和模擬地 第4章基于單片機(jī)的控制器 當(dāng)DAC1210與MCS51單片機(jī)連接時(shí)，數(shù)據(jù)需分兩次寫入，必須保證12位數(shù)據(jù)同時(shí)送入D/A轉(zhuǎn)換器并進(jìn)行轉(zhuǎn)

34、換。如圖413所示，地址鎖存器74LS373的Q6作為DAC1210的CS控制信號(hào)，Q7作為輸入鎖存器允許和傳輸控制信號(hào)。寫入高8位時(shí)，Q6=0，Q7=1，此時(shí)高8位的低半字節(jié)也被4位輸入寄存器鎖存；Q6=0，Q7=0，寫入低4位，同時(shí)也打通12位DAC寄存器，開(kāi)始進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖413DAC1210與單片機(jī)的接口電路 第4章基于單片機(jī)的控制器 以圖413為例，要求DAC1210輸出鋸齒波，波形周期自由，程序清單如下：ORG0030HSTART：MOVR2，#0FFH；輸出高8位初值MOVR3，#0F0H；輸出低4位初值A(chǔ)GAIN：MOVA，R2MOVR0，#0B

35、FHMOVXR0，A；輸出高8位MOVA，R3 SWAPAMOVR0，#3FH 第4章基于單片機(jī)的控制器 MOVX R0，A；輸出低4位CLRCMOVA，R3SUBBA，#10H；輸出值減一個(gè)單位MOVR3，AMOVA，R2SUBBA，#00HMOVR2，AORLA，R3JNZAGAIN；輸出值不為0則繼續(xù)SJMPSTART；輸出值為0，重新開(kāi)始END 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.4功率輸出功率輸出 4.4.1功率晶體管接口功率晶體管接口1.晶體管驅(qū)動(dòng)繼電器晶體管驅(qū)動(dòng)繼電器如圖414所示，可以直接使用單片機(jī)并行口P2的一位，經(jīng)晶體管功率放大后驅(qū)動(dòng)繼電器。P2口輸出高電平時(shí)，晶體管導(dǎo)通，繼電器

36、線圈流過(guò)電流，觸點(diǎn)吸合。單片機(jī)輸出低電平時(shí)，晶體管截止，繼電器線圈沒(méi)有電流，觸點(diǎn)釋放。單片機(jī)輸出高電平時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流大約為100A。晶體管電流放大倍數(shù)不夠大時(shí)，會(huì)使晶體管達(dá)不到飽和，這時(shí)應(yīng)采用達(dá)林頓管接法或在晶體管基極與+5V之間接上拉電阻。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖414晶體管驅(qū)動(dòng)繼電器電路 第4章基于單片機(jī)的控制器 2.晶體管陣列晶體管陣列當(dāng)需要多路晶體管驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)，可選用集成晶體管陣列，以簡(jiǎn)化電路，降低成本。圖415是7路晶體管陣列MC1413的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和引腳圖。 圖415MC1413的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.4.2光電耦合器隔離光電耦合器隔離光電耦合器是將

37、發(fā)光器件和光敏器件集成在一起，通過(guò)光信號(hào)耦合構(gòu)成的電光電轉(zhuǎn)換器件。光電耦合器的發(fā)光部分和受光部分間沒(méi)有電的聯(lián)系，具有很高的絕緣電阻，可承受2000V以上的高壓，并能避免輸出端對(duì)輸入端的電磁干擾。普通光電耦合器的傳輸速率在10kHz左右，高速光電耦合器的傳輸速率超過(guò)1MHz，實(shí)際使用中光電耦合器輸入側(cè)的發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流取1020mA，輸出側(cè)的光敏三極管的耐壓大于30V。光電耦合電路可以用于開(kāi)關(guān)量或脈沖信號(hào)的輸入隔離和輸出隔離。圖416與圖417分別是輸入隔離電路和輸出隔離電路。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖416輸入隔離電路 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖417輸出隔離電路 第4章基于單片機(jī)的

38、控制器 4.4.3雙向晶閘管接口雙向晶閘管接口用單片機(jī)控制工頻交流電，最方便的方法是采用雙向晶閘管。為避免晶閘管導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生的沖擊電流所帶來(lái)的干擾和對(duì)電源的影響，可以使用過(guò)零觸發(fā)的方式。圖418是利用過(guò)零觸發(fā)帶光電隔離的雙向晶閘管MOC3061觸發(fā)大容量雙向晶閘管的電路。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖418過(guò)零觸發(fā)雙向晶閘管觸發(fā)電路 第4章基于單片機(jī)的控制器 MOC3061是輸出端為雙向晶閘管的光電耦合器，其內(nèi)部帶有過(guò)零檢測(cè)電路，輸入端發(fā)光二極管發(fā)光后，只有主回路正弦電壓過(guò)零時(shí)雙向晶閘管才導(dǎo)通。MOC3061輸出端額定電壓為600V，最大重復(fù)浪涌電流為1A，最大電壓上升率大于1000V/s，輸

39、入/輸出隔離電壓大于7500V，輸入控制電流為15mA。 第4章基于單片機(jī)的控制器 單片機(jī)輸出高電平時(shí)，經(jīng)反相器反相，發(fā)光二極管中流過(guò)電流，發(fā)光二極管發(fā)光，當(dāng)主回路正弦電壓過(guò)零時(shí)，MOC3061內(nèi)部雙向晶閘管導(dǎo)通，經(jīng)27電阻向外接雙向晶閘管提供觸發(fā)電流使其導(dǎo)通。單片機(jī)輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管中無(wú)電流，發(fā)光二極管不再發(fā)光，當(dāng)雙向晶閘管內(nèi)電流過(guò)零后阻斷。雙向晶閘管兩端接的阻容電路是保護(hù)雙向晶閘管的。使用雙向晶閘管控制交流電壓時(shí)要注意，雙向晶閘管的漏電流較大。 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.5單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制器單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制器以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（即工業(yè)PC）構(gòu)成上位機(jī)，以單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制器構(gòu)成下位機(jī)，是集

40、散控制系統(tǒng)典型的組成模式。這種模式由上位機(jī)下達(dá)控制要求，下位機(jī)完成對(duì)被控制對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，并定期將被控制對(duì)象狀態(tài)數(shù)據(jù)返回上位機(jī)，適用于被控制對(duì)象分布距離較遠(yuǎn)，實(shí)時(shí)控制要求較高的場(chǎng)合。單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制器需要具備上、下位機(jī)通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警、實(shí)時(shí)處理等功能。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖419是一種用于溫度集散控制系統(tǒng)的單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制器的原理圖，可用于對(duì)多點(diǎn)分布的溫度控制對(duì)象進(jìn)行集散控制?，F(xiàn)場(chǎng)控制器通過(guò)傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)溫度，根據(jù)輸入的控制參數(shù)和一定的算法計(jì)算輸出值，傳輸給固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱器的功率控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象溫度的控制。現(xiàn)場(chǎng)控制器與上位機(jī)之間通過(guò)RS485總線通信。

41、現(xiàn)場(chǎng)控制器有兩種數(shù)據(jù)輸入的方法，一是通過(guò)鍵盤，二是通過(guò)上位機(jī)通信傳輸信息?，F(xiàn)場(chǎng)控制器的數(shù)碼管用于顯示溫度以及各種狀態(tài)信息。 第4章基于單片機(jī)的控制器 圖419用于溫度集散控制系統(tǒng)的單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制器原理圖 第4章基于單片機(jī)的控制器 該現(xiàn)場(chǎng)控制器采用與MCS51系列單片機(jī)兼容的自帶看門狗單片機(jī)AT89S52，它由傳感器輸入、鍵盤輸入、固態(tài)繼電器輸出控制、顯示輸出、EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信等6個(gè)模塊組成。溫度傳感器DS18B20是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字溫度傳感器，它具有獨(dú)特的單總線接口，僅需占用一位通用I/O端口即可完成與單片機(jī)的通信，在-10+85溫度范圍內(nèi)具有0.5的精度，用戶可

42、編程設(shè)定912位的分辨率?？梢圆捎枚鄿囟葌鞲衅鲉尉€連接構(gòu)成局部傳感器網(wǎng)絡(luò)。這里采用了兩個(gè)DS18B20，具備雙點(diǎn)溫度采集功能。 第4章基于單片機(jī)的控制器 固態(tài)繼電器SSR1和SSR2為北京科通JGX3A型直流固態(tài)繼電器，輸入控制信號(hào)為336V，輸出額定電壓為30V，輸出額定電流為3A，用于控制電加熱器加熱。為了與上位機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)距離通信，采用了MAX485集成電路實(shí)現(xiàn)RS485串行總線通信。EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用AT24C02。AT24C02是一個(gè)2KB串行EEPROM，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。 第4章基于單片機(jī)的控制器 4.6其他嵌入式處理器其他嵌入式處理器1.AR

43、M處理器處理器ARM（AdvancedRISCMachines）公司成立于1990年，是知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）供應(yīng)商，本身不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作伙伴公司來(lái)生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM公司是32位嵌入式RISC微處理器的領(lǐng)先供應(yīng)商，在世界范圍內(nèi)的合作伙伴超過(guò)100個(gè)，具有大量的開(kāi)發(fā)工具和豐富的第三方資源，保證了基于ARM處理器核的設(shè)計(jì)可以很快投入市場(chǎng)。ARM處理器具有高性能、低功耗、小體積、低成本和緊湊代碼密度的特點(diǎn)，采用16位/32位雙指令集，具備全球眾多合作伙伴，可保證芯片供應(yīng)。ARM已成為移動(dòng)通信、手持計(jì)算和多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)。ARM32位體系結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為業(yè)界領(lǐng)先，所有ARM處理器共享這一體系結(jié)構(gòu)。 第4章基于單片機(jī)的控制器 A