模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、今照卷反HEFEIUNIVERSITY單片機(jī)課程綜述報(bào)告主題基于51單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)姓名華奇林專業(yè)通信工程學(xué)號學(xué)05021042班級12級通信（1）班指導(dǎo)老師汪濟(jì)洲模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)號：1205021042姓名：華奇林第一章設(shè)計(jì)思想與方案1.1.1 轉(zhuǎn)換的選擇A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來分有8位、10位、12位和16位等。位數(shù)越高分辨率就越高，價(jià)格也就越貴。A/D轉(zhuǎn)換器的型號很多，在精度和轉(zhuǎn)換速度上的差異很大。(a)雙積分A/D轉(zhuǎn)換器：雙積分是一種間接式A/D轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，速度快。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間長，一般要4050mg適用于轉(zhuǎn)換速度不快的場合。(b)逐次逼近式A

2、/D轉(zhuǎn)換器：逐次逼近式的屬于直接式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高，速度高，價(jià)格適中，是目前種類最多，應(yīng)用最廣的A/D轉(zhuǎn)換器，典型的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器有ADC0809鑒于方案(b)的轉(zhuǎn)換速度方案(a)快，價(jià)格適中，種類繁多，應(yīng)用廣泛，本設(shè)計(jì)中采用ADC08091.1.2 51單片機(jī)選擇單片機(jī)是屬于嵌入式系統(tǒng)，此系統(tǒng)是把cPUra上一些少量的內(nèi)存和輸入出組件（I/O）,都嵌入在一顆芯片內(nèi)，再使用特定的組譯和編譯軟件編輯程序，利用燒錄器把程序儲存在芯片內(nèi)，如此加上一些簡單的外圍電路，即可變成一個(gè)控制系統(tǒng)，所以單芯片又稱為微控制奧TTITO本設(shè)計(jì)中選用STC89C5率內(nèi)部已有程序存儲器ROM不用再去外擴(kuò)程序存儲

3、器，使用方便。1.1.3 顯示部分LED數(shù)碼管有共陰和共陽兩種，都是由七個(gè)發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個(gè)。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣。LE或碼管以發(fā)光二極管作為發(fā)光單元，顏色有單紅，黃，藍(lán)，綠，白，七彩效果。其外殼采用阻燃PC塑料制作，強(qiáng)度高，抗沖擊，抗老化，防紫外線，防塵，防潮。LED數(shù)碼管具有功耗小，無熱量，耐沖擊，長壽命等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中采用共陰極數(shù)碼管來顯示。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖本設(shè)計(jì)主要包括：模擬數(shù)據(jù)的采集，八路模擬開關(guān)及A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理模塊，顯示模

4、塊，按鍵模塊，供電系統(tǒng)等幾個(gè)基本部分。其設(shè)計(jì)框圖如下:圖2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖系統(tǒng)原理：用電位器模擬數(shù)據(jù)輸入經(jīng)過ADC0809勺模擬開關(guān)的選擇選出一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)過單片機(jī)的處理，使輸入量得以在數(shù)碼管上顯示。按鍵復(fù)位電路是上電復(fù)位加手動(dòng)復(fù)位，使用方便，在程序跑時(shí)，可以手動(dòng)復(fù)位，這樣就不用在重啟單片機(jī)電源，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。還有兩個(gè)按鍵是實(shí)現(xiàn)在循環(huán)顯示的同時(shí)可以看任意一路模擬輸入量的顯示及確認(rèn)，即加一和確認(rèn)鍵。數(shù)碼管顯示模塊選用了4位數(shù)碼管顯示，第一位是通道顯示，后三位是輸入量的顯示。2.2 系統(tǒng)部分部件簡介1 .2.1ADC0809功能簡介ADC080提美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的

5、CMOS：藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。a、主要特性2 ）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100ws（時(shí)鐘為640kHz時(shí)），130ws（時(shí)鐘為500kHz時(shí)）4）單個(gè)+5V電源供電5）模擬輸入電壓范圍0+5V,不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。6）工作溫度范圍為-40+85攝氏度7）低功耗，約15mWb、內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC080提CMOSI片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它由8路模

6、擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。如下圖所示：, 5 ,STCLK8ALEADC0809內(nèi)部邏輯圖圖2.3AEINDnnIN3IN4IK5IN7EOCC、引腳功能ADC0809K片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。F面說明各引腳功能。IN0IN7:8路模擬量輸入端。2-12-8:8位數(shù)字量輸出端。ADDAADDBADDC3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE:地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟

7、動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。EOCA/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHzREF(+)、REF(-):基準(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一接+5V。GND接地。d、工作過程首先輸入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。STARTk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EO獺出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EO廢為高電平

8、，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號可用作中斷申請。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A/D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)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。1)定時(shí)傳送方式對于一種A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128M，相當(dāng)于6MHz的MCS-52單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D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2)查詢

9、方式A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809勺EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC勺狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。3）中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時(shí)，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。2.2.2顯示模塊LED數(shù)碼管正向壓降一般為1.52V,額定電流為10mA最大電流為40mA數(shù)碼管及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下所示：fcomab10 9 8 7 6ae d com c Dp圖2.5數(shù)碼管及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)

10、圖共陰數(shù)碼管數(shù)字編碼，如下表所示：顯示數(shù)字共陰極字段碼03FH106H- 9 25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH表2.1共陰數(shù)碼管數(shù)字編碼第三章系統(tǒng)硬件電路的仿真實(shí)現(xiàn)3.1 系統(tǒng)硬件電路的組成要完成本設(shè)計(jì)的任務(wù)，系統(tǒng)硬件電路的組成主要有：電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、電位器模擬輸入電路、A/D選擇轉(zhuǎn)換電路、分頻電路、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路等。3.2 部分硬件電路簡介3.2.1 復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路時(shí)系統(tǒng)中必不可少的，本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)復(fù)位。這種復(fù)位電路的工作原理是：通電時(shí)，電容兩端相當(dāng)于是短路，于是RST引腳上為高電平，復(fù)位按鈕松開后，電源通過電阻對電容充電，RST端電

11、壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，單片機(jī)完成復(fù)位工作。VCCRST 13 R2RSTC7iur圖3.2復(fù)位電路3.2.2 晶振電路晶振在單片機(jī)系統(tǒng)中作用非常大，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。本設(shè)計(jì)采用的電容C5、C6為30pF,晶振是12MHz工作原理：單片機(jī)晶振電路即分頻器的原始工作振蕩頻率，由石英晶體多諧振蕩器的諧振頻率來產(chǎn)生，晶振其實(shí)是一個(gè)頻率產(chǎn)生器，他主要把傳進(jìn)去的電

12、壓轉(zhuǎn)化為頻率信號。提供給分頻率一個(gè)基準(zhǔn)的振蕩頻率，它是一個(gè)多諧振蕩器的正回饋環(huán)電路，也就是說它把輸入作為輸出，把輸出作為輸入的回饋頻率，象這樣一個(gè)永無休止的循環(huán)自激過程。晶振電路如下圖所示：RD/P3.7XTAL2STC89C51XTAL1GND圖3.3晶振電路3.2.3 模擬輸入電路本設(shè)計(jì)用電位器來模擬現(xiàn)場變送器的模擬信號，采用高精度的阻值為50KQ的電位器，其輸入量可變且較為精確。電位器與ADC0809的輸入通道相接，另外本設(shè)計(jì)模擬輸入量選擇三路通道，其余五路通道全部接地，即模擬輸入量為零。模擬輸入電路如下圖所示：vcc圖3.4模擬輸入電路o 1 : 3 4 5 6 7 IN-TN-IN-

13、BIN-gIN.g3.2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計(jì)采用ADC0809乍為模擬選擇通道及A/D轉(zhuǎn)換器件，其內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHz即其轉(zhuǎn)換速度為128us。STC89C5H勺輸出頻率為晶振頻的1/6(2MHZ,STC89C51與74LS74連接提供ADC080弼工作時(shí)鐘。74LS74是雙D型觸發(fā)器，可用作分頻器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及真值表如下圖所示：74LS74|雙D型觸發(fā)器2CUCVCC2Ri2D1552Q時(shí)時(shí)唱向同回ryi一DSDq.-CLKRn_Q-7ri_ii11UJLLliJlkJLsJLifW阿ID丁1SDIQ口工ICLK丁圖3.574LS7

14、4內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其真值表11端與3端為原時(shí)鐘輸入端，5端與9端為變換后的時(shí)鐘輸出端；2端與6端聯(lián)接；8端與12端聯(lián)接；7端接電源負(fù)極，14端接電源正極。分頻器有兩組：1,2,3,4,5,6為一組；8,9,10,11,12,13為一組，如果要得到二分頻，原時(shí)鐘需接3端或11端，5端或9端為變換后的時(shí)鐘輸出端；如果要得到四分頻，原時(shí)鐘需接3端并且5端接11端，9端為四分頻輸出端；或者是原時(shí)鐘接11端。由于ADC0809的時(shí)鐘頻率為500KHz單片機(jī)輸出頻率為2MHz所以本設(shè)計(jì)需要接四分頻電路。ADC0809啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，輸出允許和讀取數(shù)據(jù)是通過STARTS腳，ALE引腳，OE引腳和EOCSI腳與單片機(jī)相聯(lián)

15、接并給定一定信號方可完成。通過用74LS02或非門將單片機(jī)的WR與P2.0接口與ADC080弼ALE端口與STAR琢口相接，當(dāng)W濟(jì)口P2.0同時(shí)為低電平時(shí)ALE和STAR琢口為高電平，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。使能端OE的輸入同1是通過74LS02與單片機(jī)的RD和P2.0口相接。這樣A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)和允許傳送數(shù)據(jù)就能夠通過調(diào)節(jié)P2.0口,WR和RD端口就能夠調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用中斷方式與單片機(jī)相接，當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行指令數(shù)據(jù)傳送指令MOVXDPTA時(shí)，產(chǎn)生地址鎖存信號ALE和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號START執(zhí)行MOVA,DPT脂令時(shí)產(chǎn)生輸出允許信號OE轉(zhuǎn)換完成信號EOC傳送到INT1輸入端作為中斷請求，STC89C5班相應(yīng)

16、的中斷服務(wù)程序里，讀取經(jīng)ADC080雎?lián)Q后的數(shù)據(jù)。ADC08091道選擇：ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A,B,C三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A,B和C為地址輸入線，用于選通IN0-IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表3.1通道選擇表AD0809的啟動(dòng)方式為脈沖啟動(dòng)方式，啟動(dòng)信號STAR的動(dòng)后開始轉(zhuǎn)換，EOC言號在START勺下降沿10us后才變?yōu)闊o效的低電平。這要求查詢程

17、序待EOC5效后再開始查詢，轉(zhuǎn)換完成后，EOCB出高電平，再由OE變?yōu)楦唠娖絹磔敵鲛D(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。我們在設(shè)計(jì)程序時(shí)可以利用EOC言號來通知單片機(jī)（查詢法或中斷法）讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，也可以在啟動(dòng)AD0809后經(jīng)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)再讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。ADC0809寸序圖如下圖所示:(CPU)WRSTART/ALEADD3,IS-復(fù)位SAR /啟動(dòng)轉(zhuǎn)換：）地址鎖存I”IEOCj/1轉(zhuǎn)換結(jié)束OE數(shù)據(jù)輸出高阻數(shù)據(jù)有效200ns應(yīng)2gs+8T；圖3.6ADC0809時(shí)序圖3.2.5 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路本設(shè)計(jì)采用共陰數(shù)碼管顯示，其公共端經(jīng)三極管接地，同時(shí)三極管連接單片機(jī)P1口做為位顯示信號選擇。數(shù)碼管段選擇用74LS48

18、來譯碼驅(qū)動(dòng)，該芯片原理簡單，74LS48三個(gè)控制端置相應(yīng)的有效電平后，輸出對應(yīng)BC刑的七段顯示碼，74LS48真值表如下：顯示DCBAYaYbYcYdYeYfYg字符000011111100000101100001001011011012001111110013010001100114010110110115011000111116011111100007100011111118100111100119表3.274LS48真值表為了能讓數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)碼管輪流連續(xù)點(diǎn)亮速度要快，每秒約50次以上，由于人眼的“視覺暫留”特性，看起來就像是連續(xù)顯示。如果我們要1秒鐘點(diǎn)亮4只數(shù)碼管50次,那么一只數(shù)

19、碼管大概要點(diǎn)亮4ms3.3 系統(tǒng)電路總原理圖完成各個(gè)模塊后就要完成整個(gè)系統(tǒng)的接線，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，在各個(gè)集成元件上分別加一個(gè)瓷片電容。綜上所述，把各個(gè)電路模塊結(jié)合在一起就完成了設(shè)計(jì)原理圖的設(shè)計(jì)，如下所示： 17 MOW M I.)aDI HI.MKUSVPEAc-J OEH.r.wrOU our 口 UN 如耳 口 UM UD qg dullWCSWT CLOCK;P 6WD 咫1酶 Fl 二 1 巾P 力；記而口辛u岬 咫IEFx。劃 1P? UW13F2打包3圖3.9系統(tǒng)電路總原理圖第四章實(shí)驗(yàn)代碼#include*引腳定義*/ 19 sbitdis_ab=P3A0;sbitdis_

20、clk=P3A1；sbitCLK=P3A4;sbitST=P3A5;sbitEOC=P3A6;sbitOE=P3A7;/*7SEG-LED段碼表*/unsignedcharcodeLedTab21=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x76,0x73,0x3e,0x00,0x40;/*/存儲十六進(jìn)制轉(zhuǎn)化為兩個(gè)單十六進(jìn)制數(shù)的值unsignedchardatanum_1;unsignedchardatanum_2;unsignedchardatanum_3;unsigned

21、chardatanum4;voidDelay(unsignedintx);voidDispClk(void);voidDisplaySerial(unsignedcharx);voidClearLed(unsignedcharx);voidHexToDec(unsignedintx);voidmain()unsignedlongnum;ST=0;OE=0;while(1)ST=1;ST=0;發(fā)高脈沖啟動(dòng)采樣信號doCLK=!CLK;/提供采樣時(shí)鐘信號，直到采樣結(jié)束為止 while(!EOC);OE=1;num=P1; 讀取采樣值num=5000*num/255;HexToDec(num);Cl

22、earLed(4);DisplaySerial(num_4);DisplaySerial(num_3);DisplaySerial(num_2);DisplaySerial(num_1);將0#FFH采樣值轉(zhuǎn)化為 05V數(shù)值(05000)將16進(jìn)制數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)據(jù)，以便于數(shù)碼管顯示/依次從高位到低為顯示采樣電壓值Delay(30000);采樣延時(shí)間隔，決定采樣頻率/*延時(shí)子程序 */void Delay(unsigned int x)unsigned int j;for(j=0;jx;j+);/*功能：串行模擬時(shí)鐘注意事項(xiàng)：用到delay.h中的延時(shí)子程序形參：無*/voidDispClk(void)dis_clk=1;Delay；dis_clk=0;Delay；/*功能：發(fā)送一個(gè)數(shù)字到串行LED上形參：unsignedcharx：0-20*/voidDisplaySerial(unsignedcharx)unsignedchari;unsignedcharnum_serial=LedTab