任務12

5V直流數字電壓表的設計12.1任務內容與分析 12.2任務實施12.3任務相關知識

12.1任務內容與分析

1.任務內容

在工程實踐中，非電物理量(如溫度、流量、壓力、位移、速度等)須經傳感器轉換成模擬電信號(電壓或電流)，再轉換成數字量，才能在單片機中處理。數字量也常常需要轉換成模擬信號。任務12以5V直流數字電壓表的設計為例，介紹A/D轉換技術的應用。

2.任務分析

數字電壓表(DigitalVoltmeter)簡稱DVM。傳統的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數字化時代的要求，而采用單片機的數字電壓表，精度高、抗干擾能力強、可擴展性強、集成方便，還可與PC進行實時通信。本任務是以單片機89S51為核心，設計一個簡易的電壓檢測電路，由5V直流電源供電。在硬件方面，通過一個可變電阻調節(jié)輸入電壓的變化來反映所檢測到的電壓變化。此變化的電壓通過ADC0809的一個通道(IN0)送入并進行A/D轉換，將轉換后的數字量在單片機89S51中進行處理，再轉換成相應的實際電壓值，最后通過三位LED數碼管顯示，精確到十分位。LED采用的是動態(tài)掃描顯示。一個簡易的數字電壓表的功能。數字電壓表主要指標與功能要求：電壓表量程為0～5V，精確到十分位，測量最大電壓值為5V，顯示最大值為5.00V，最大分辨率0.02V。電壓值在LED上的顯示效果如圖12-1所示。圖12-1數字電壓表顯示效果

12.2任務實施

步驟1：硬件電路如圖12-2所示。ADC0809通過IN0采集電壓信號并送給單片機，單片機將采集來的信號進行一定的處理，然后通過共陰極數碼管顯示采集的電壓值。圖12-2數字電壓表電路原理圖由于EOC未接入單片機，故只能采用延時等待的方法來讀取A/D轉換結果。即當單片機啟動ADC0809后延時一段時間，再主動去讀ADC0809的轉換結果。

數碼管顯示采用動態(tài)顯示的原理，將要顯示的數據通過單片機的串口發(fā)送，然后通過74LS164轉換為并行信號，分別加到a～dp的三個數碼管上，而三個數碼管的公共端分別接P1.0、P1.1、P1.2三個端口，因此要顯示哪個數碼管，就將相應的公共端置“0”即可。步驟2：繪制程序流程圖。

程序設計思路：ADC0809的VR(－)接地，VR(+)接+5V電源，因此采集電壓的范圍是0～+5V。A/D轉換輸出的結果D0～D8為8位二進制數。轉換輸出的結果在0～255之間，分別對應著0～+5V之間的256個電壓值。因此，單片機必須把A/D轉換輸出的結果轉換成可以顯示的電壓值，具體方法是：VIN?=(12-1)其中，DOUT是ADC0809輸出的8位二進制數。由式(12-1)可知，當ADC0809輸出為11111111B時，輸入電壓值VIN=5.00V；當ADC0809輸出為00000000B時，輸入電壓值VIN=0.00V；當ADC0809輸出為10000000B時，輸入電壓值VIN=2.50V。但是，單片機在進行數學運算時結果只取整數部分，故當輸出為10000000B時計算得到電壓值VIN=2V。由此可以看出，這樣運算的輸出結果很不準確，在0～+5V之間只有0、1、2、3、4、5六個電壓值，故必須把單片機運算結果中的小數部分保留下來。具體方法是：如果保留小數點后兩位，在運算的時候分子乘以100，保留三位就乘以1000。小數點后保留兩位的公式如下：VIN==DOUT×(12-2)由式(12-2)可知，當ADC0809輸出為10000000B時，單片機的運算結果為250。然后，單片機將250除以10得到商為25，余數為0，再將25除以10得到商為2，余數為5。這樣就可以得到電壓值的三個數字，最后顯示在三個數碼管上，并且把第一個數碼管的dp腳(小數點)直接接地，使其一直發(fā)亮，那么數碼管上就可以顯示輸入的電壓值“2.50”。

主程序流程圖如圖12-3所示。圖12-3主程序流程圖

(1)?A/D轉換子程序，轉換后的數字量放置在AD_TEMP中。

(2)對A/D轉換的結果進行運算DOUT×100/51，可以這樣實現：先進行DOUT×100運算(調用雙字節(jié)乘法運算子程序)，其結果保存到R2、R3、R4、R5中，再將數值51送到R7中，數值0送到R6中，進行R2R3R4R5/R6R7(調用雙字節(jié)除法運算子程序)，商在R2R3中，R2為0，則R3為運算DOUT×100/51的結果。

(3)調用BCD碼轉換子程序，將R3轉換成三位BCD碼，轉換后的三位BCD碼(即個位、十位、百位)分別存入DIS、DIS+1、DIS+2單元中。

(4)顯示程序，請參考“任務8”中的顯示程序。

//********A/D轉換子程序**********//

;功能:啟動A/D轉換,讀取A/D轉換結果

;出口信息：A/D轉換后的8位數字量存入AD_TEMP中

AD_CONV:MOVDPTR,#7FF8H ;指向0通道

MOVX@DPTR,A ;啟動A/D轉換

ACALLDELALY_200μs

;延時等待A/D轉換結束

MOVXA,@DPTR ;讀取A/D轉換結果

MOVAD_TEMP,A ;存儲數據

RET

//************數據處理子程序***************//

;功能:進行DOUT×100/51運算

;入口參數： A/D轉換后的數字量存入AD_TEMP中

;出口參數: DOUT×100/51運算結果存放在R3中

AD_DC: MOV?R2,#0

MOV?R3,AD_TEMP

MOV?R6,#0 MOV?R7,#100;把100送入R7，為做

DOUT×100運算

LCALL?MULD;調用雙字節(jié)乘法子程序

MOVR6,#0

MOVR7,#51;把51送入R7，為做

DOUT×100/51運算

LCALL

DIVD;調用雙字節(jié)除法子程序

RET

//************雙字節(jié)乘法子程序MULD**********//

;功能:雙字節(jié)二進制無符號數乘法

;入口參數：被乘數在R2、R3中，乘數在R6、R7中。

;出口參數：乘積在R2、R3、R4、R5中。

MULD: MOV?A,R3 ;計算R3乘R7

MOV?B,R7

MUL ?AB

MOV?R4,B ;暫存部分積 MOV?R5,A

MOV?A,R3 ;計算R3乘R6

MOV?B,R6

MUL ?AB

ADD ?A,R4 ;累加部分積

MOV?R4,A

CLR?A

ADDC?A,B

MOV?R3,A

MOV?A,R2 ;計算R2乘R7

MOV?B,R7

MUL ?AB

ADD?A,R4 ;累加部分積

MOV?R4,A

MOV?A,R3

ADDC?A,B

MOV?R3,A

CLR ?A

RLC ?A

XCH ?A,R2 ;計算R2乘R6

MOV?B,R6

MUL ?AB

ADD A,R3 ;累加部分積

MOV?R3,A

MOV?A,R2

ADDC?A,B

MOV?R2,A

RET

//*******雙字節(jié)除法子程序DIVD**********//

;功能：雙字節(jié)二進制無符號數除法

;入口參數：被除數在R2、R3、R4、R5中，除數在R6、

R7中

;出口參數：OV=0時，雙字節(jié)商在R2、R3中，OV=1時

溢出

DIVD:CLR

C

;比較被除數和除數

MOVA,R3

SUBBA,R7

MOVA,R2

SUBBA,R6

JCDVD1

SETBOV ;溢出

RET

DVD1: MOVB,#10H ;計算雙字節(jié)商

DVD2: CLR C ;部分商和余數同時左移一位

MOVA,R5

RLC A

MOVR5,A

MOVA,R4

RLC A

MOVR4,A

MOVA,R3

RLC A

MOVR3,A

XCH A,R2

RLC A

XCH A,R2

MOVF0,C ;保存溢出位

CLR C

SUBBA,R7 ;計算(R2R3－R6R7)

MOVR1,A

MOVA,R2

SUBBA,R6

ANL C,/F0 ;結果判斷

JCDVD3

MOVR2,A ;夠減，存放新的余數

MOVA,R1

MOVR3,A

INCR5 ;商的低位置1

DVD3: DJNZB,DVD2 ;計算完十六位商(R4R5)

MOVA,R4 ;將商移到R2R3中

MOVR2,A

MOVA,R5

MOVR3,A

CLR OV ;設立成功標志

RET

//******BCD碼轉換子程序**************//

;功能：AD采集值轉為三位BCD碼子程序

;DOUT×100/51運算結果存放在R3中,故將R3轉換出個、十、百位

;出口參數：轉換的三位BCD碼(即個、十、百位)分別存入DIS、DIS+1、DIS+2

;單元中

AD_BCD:MOVA,R3

MOVB,#10

DIVAB

MOVDIS,B ;保存?zhèn)€位

MOVB,#10

DIVAB

MOVDIS+1,B ;保存十位

MOVDIS+2,A ;保存百位

RET

12.3任務相關知識

12.3.1A/D轉換器基礎知識

1.?A/D轉換器的原理及分類

模/數轉換器又稱A/D轉換器，簡稱ADC，是將模擬量轉變成數字量的器件。模擬量可以是電壓、電流等信號，也可以是聲、光、壓力、溫度、濕度等隨時間連續(xù)變化的非電物理量。

A/D轉換器的種類很多，目前市場上主要有雙積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、Σ-Δ調制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型等不同結構的A/D轉換器，使用較多的是前三種。并行比較型A/D是一種用編碼技術實現的高速A/D轉換器，其速度最快，價格也高，通常用于視頻處理等需要高速變換的場合；逐次逼近型A/D轉換器在精度、速度和價格上都適中，是目前最常用的A/D轉換器；雙積分型A/D轉換器具有精度高、抗干擾性好、價格低廉等優(yōu)點，但速度較慢，經常用于對速度要求不高的儀器儀表中。圖12-4就是逐次逼近法A/D轉換器的原理電路。其主要原理為：將一個待轉換的模擬輸入信號VIN與一個參考信號VREF相比較，根據參考信號是大于還是小于輸入信號來決定減小還是增大該參考信號，以便向模擬輸入信號逼近。參考信號由D/A變換器的輸出獲得，當參考信號與模擬輸入信號“相等”時，向D/A轉換器輸入的數字即為對應的模擬輸入的數字。圖12-4逐次逼近法A/D轉換器其“比較”的算法描述如下。使二進制計數器中二進制數的每一位從最高位起依次置1。每接一位，都要進行測試。若模擬輸入信號VIN小于推測信號V1，則比較器的輸出為零，并使該位置零；否則，比較器的輸出為1，并使該位保持1。無論哪種情況均應繼續(xù)比較下一位，直到最末位為止。此時，D/A變換器的數字輸入即為對應于模擬輸入信號的數字量，將此數字輸出，即完成其A/D轉換過程。

【例12-1】對于一個兩位的電壓模/數轉換器，如果將參考電壓設為1V，那么輸出的信號有00、01、10、11共4種編碼，分別代表輸入電壓在0～0.25V，0.26～0.5V，0.51～0.75V，0.76～1V時的對應輸入，分為4個等級編碼。當一個0.8V的信號輸入時，轉換器輸出的數據為11。

【例12-2】對于一個4位的電壓模/數轉換器，如果將參考電壓設為1V，那么輸出的信號有0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111，共16種編碼，分別代表輸入電壓在0～0.0625V，0.0626～0.125V，…，0.9376～1V，分為16個等級編碼(比較精確)。當一個0.8V的信號輸入時，轉換器輸出的數據為1100。

2.?A/D轉換器的主要技術指標

(1)分辨率：表示轉換器對微小輸入量變化的敏感程度，通常用轉換器輸出數字量的位數來表示。例如：8位A/D轉換器，其數字輸出量的變化范圍為0～255。當輸入電壓滿刻度為5V時，轉換電路對輸入模擬電壓的分辨能力為

5V/255≈19.6mV。目前，常用的A/D轉換集成芯片的轉換位數有8位、10位、12位和14位等。

(2)精度：指與數字輸出量所對應的模擬輸入量的實際值與理論值之間的差值。A/D轉換電路中與每個數字量對應的模擬輸入量并非是單一的數值，而是一個范圍Δ，如圖12-5所示。圖12-5A/D轉換器的精度圖12-5中Δ的大小在理論上取決于電路的分辨率。例如：對滿刻度輸入電壓為5V的12位A/D轉換器，Δ為1.22mV。定義Δ為數字量的最小有效位LSB。但在外界環(huán)境的影響下，與每一數字輸出量對應的輸入量實際范圍往往偏離理論值Δ。精度通常用最小有效位LSB的分數值來表示。在圖12-5(a)中，設Δ的中點為A，如果輸入模擬量在A±Δ/2的范圍內產生唯一的數字量D，則這時稱轉換器的精度為±0LSB。若模擬量變化范圍的上限值和下限值各增減Δ/4，轉換器輸出仍為同一數碼D，則稱其精度為±(1/4)LSB，如圖12-5(b)所示。如果模擬量的實際變化范圍如圖12-5(c)所示，則稱其精度為±(1/2)LSB。

(3)轉換時間：完成一次A/D轉換所需要的時間。目前，常用的A/D轉換集成芯片的轉換時間為幾微秒至數百微秒。在選用A/D轉換集成芯片時，應綜合考慮分辨率、精度、轉換時間、使用環(huán)境溫度及經濟性諸因素。12位A/D轉換器適用于高分辨率系統；陶瓷封裝A/D轉換芯片適用于－25～+85℃或?－55～+125℃的應用場合，塑料封裝芯片適用于0～70℃的應用場合。12.3.2并行A/D轉換器ADC0809

1.?ADC0809簡介

1)主要技術指標

(1)電源電壓：單+5V。

(2)分辨率：8位。

(3)時鐘頻率：640kHz。

(4)轉換時間：100μs。

(5)未經調整誤差：(1/2)LSB和1LSB。

(6)模擬量輸入電壓范圍：0～5V。

(7)功耗：15mW。

2)引腳與結構

ADC0809的引腳圖和內部邏輯結構如圖12-6所示。圖12-6ADC0809的引腳圖和內部邏輯結構由圖12-6可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個8位A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道IN0～IN7，允許8路模擬量分別輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉換完的數字量。當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。

3)引腳功能

(1)?IN0～IN7：8條模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量的要求是信號單極性，電壓范圍是0～5V，若信號太小，必須進行放大。輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。

(2)地址輸入和控制線：共4條，即ALE、C、B、A。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將C、B、A三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道模擬量進轉換器進行轉換。C、B和A為地址輸入線，用于選通IN0～IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇如表12-1所示。

(3)數字量輸出及控制線：共11條，即START、EOC、OE、D0～D7。

①?D0～D7：8位數字量輸出端。

②?START：轉換啟動信號。在START上升沿，所有內部寄存器清零；在下降沿，開始進行A/D轉換。在轉換期間，START應保持低電平。

③?EOC：轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行A/D轉換。④?OE：輸出允許信號，用于控制輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=1，輸出轉換得到的數據；OE=0，輸出數據線呈高阻狀態(tài)。

(4)?CLK：時鐘輸入信號線。由于ADC0809的內部沒有時鐘電路，因此所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500kHz，最大不能超過1280kHz。

(5)?VREF(+)、VREF(－)：參考電壓輸入，決定了輸入模擬量的范圍。一般情況下，VREF(－)接地，VREF(+)接

+5V電源。

2.?ADC0809與51單片機的接口

圖12-7是ADC0809與89S51單片機的接口電路。圖12-7ADC0809與89S51單片機的接口電路由于ADC0809片內無時鐘，故利用89S51提供的地址鎖存允許信號ALE經D觸發(fā)器二分頻后獲得時鐘信號。ALE引腳的頻率是單片機時鐘頻率的1/6。如果單片機時鐘頻率為12MHz，則ALE引腳的頻率為2MHz，再經二分頻后為1MHz，可以滿足ADC0809的時鐘頻率要求。

由于ADC0809具有輸出三態(tài)鎖存器，故其8位數據輸出線可直接與單片機數據總線相連。

74LS373輸出的低三位信號分別加到ADC0809的通道選擇端A、B、C，作為通道編碼。

START、ALE和OE分別由單片機的、和P2.7經或非門后接入，這樣接主要是為了滿足ADC0809的信號與時序要求。ADC0809的EOC端經反相器連接到單片機的P3.3(

)引腳，作為查詢或中斷信號，一般情況下采用查詢方式。采用查詢方式，分別對8路模擬信號輪流取樣一次，并依次把轉換結果存儲到片內RAM以DATA為起始地址的連續(xù)單元中。子程序如下：

AD_CONV: MOVR1,#DATA ;置數據區(qū)首地址

MOVDPTR,#7FF8H ;指向0通道

MOVR7,#08H

;置通道數

LOOP: MOVX@DPTR,A ;啟動A/D轉換

HER: JBP3.3,HER

;查詢A/D轉換是否結束

MOVXA,@DPTR

;讀取A/D轉換結果

MOV@R1,A

;存儲數據

INCDPTR

;指向下一個通道

INCR1;修改數據區(qū)指針

DJNZR7,LOOP;判斷8個通道是否轉換完

RET12.3.3串行A/D轉換器ADC0832

1.?ADC0832簡介

ADC0832采用串行通信方式，通過DI數據輸入端進行通道選擇、數據采集及數據傳送。由于其體積小、兼容性好、性價比高，深受單片機愛好者及企業(yè)的歡迎，目前已經有很高的普及率。其引腳如圖12-8所示。圖12-8ADC0832引腳圖

1)主要技術指標

(1)?8位分辨率。

(2)雙通道A/D轉換。

(3)輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容。

(4)?5V電源供電時輸入電壓在0～5V之間。

(5)工作頻率為250kHz，轉換時間為32μs。

(6)一般功耗僅為15mW。

(7)有8腳和14腳兩種，采用DIP(雙列直插)和PICC多種封裝形式。

2)引腳說明

(1)?片選使能端，低電平有效。

(2)?CH0模擬輸入通道0，差分輸入時，作為IN+或

IN-使用。

(3)?CH1模擬輸入通道1，差分輸入時，作為IN+或

IN-使用

(4)?GND芯片參考0電位(地)。

(5)?DI數據信號輸入，選擇通道控制。

(6)?DO數據信號輸出，轉換數據輸出。

(7)?CLK芯片時鐘輸入。

(8)?VCC/REF電源輸入及參考電壓輸入(復用)。

3)?DI和DO復用一根控制線的工作原理

由于在變低后的前3個時鐘周期內DI端被檢測，DO端呈高阻態(tài)。數據轉換開始后，DI線被禁止，直到下一次轉換開始。因此，DI端和DO端可以連接在一起，節(jié)省一根單片機的端口資源。

2.?ADC0832工作原理

1)?ADC0832的工作時序

當把ADC0832的置高時，內部所有寄存器清0，輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)。此時將CLK置低，完成ADC0832的初始化工作。

當把ADC0832的由高變低時，選中ADC0832，在時鐘的上升沿，DI端的數據移入ADC0832內部的多路地址寄存器。當輸入啟動位和配置位后，選擇模擬輸入通道。配置位的邏輯如表12-2所示。輸入配置位時，高位(CH0)在前，低位(CH1)在后，如圖12-9所示。在第一個時鐘期間，若DI為高，表示輸入啟動位，緊接著輸入兩位配置位。在第二個時鐘期間，若DI為高(CH0為H)，表示選擇單通道輸入；若DI為低(CH0為L)，表示選擇差分輸入。在第三個時鐘期間，在選擇單通道輸入的情況下，若DI為低(CH1為L)，表示選擇CH0通道輸入；若DI為高(CH1為H)，表示選擇CH1通道輸入。在選擇差分輸入的情況下，若DI為低(CH1為L)，表示CH0為差分輸入“+”端，CH1為差分輸入“－”端；若DI為高(CH1為H)，表示CH0為差分輸入

“－”端，CH1為差分輸入“+”端。

在每個CLK下降沿，串行數據從DO端移出一位。數據輸出時，先輸出最高位(D7～D0)，輸出完轉換結果后，又從最低位開始重新輸出一遍數據(D0～D7)，兩次發(fā)送數據的最低位(D0)共用。最后，將置高電平禁用芯片，直接將轉換后的數據進行處理就可以了。ADC0832的詳細工作時序如圖12-10所示。圖12-10ADC0832的工作時序若選擇單通道模擬信號輸入，ADC0832的輸入電壓是0～5V，8位分辨率時的電壓精度為19.53mV。若選擇由IN+

與IN－?輸入，可以將電壓值設定在某一個較大范圍之內，從而提高轉換的寬度。但值得注意的是，在進行IN+與IN－?的輸入時，如果IN－?的電壓大于IN+的電壓，則轉換后的數據結果始終為00H。

2)?ADC0832模/數轉換程序

根據ADC0832的工作時序來編寫ADC0832的模/數轉換子程序，本程序只讀取先輸出的最高位(D7～D0)的轉換結果。程序根據CH_BJ輸入通道選擇標志的值來確定模擬輸入

通道。

//************ADC0832轉換子程序*************//

;?AD轉換值存放在AD_TEMP中

;?ADC0832先初始化，后采集數據

;?CH_BJ輸入通道選擇標志

;?CH_BJ=0,選擇CH0為輸入,CH_BJ=1,選擇CH1為輸入

AD_CONV:SETBAD_CS;?ADC0832初始化

CLRAD_CLK ;置高，CLK拉低 NOP

;完成ADC0832初始化

NOP

CLRAD_CS

;片選有效，啟動A/D轉換

NOP

SETBAD_DI

;?DI置1，啟動位

SETBAD_CLK

;第一個脈沖

NOP

NOP

CLRAD_DI;在負跳變之前加一個DI反轉操作

CLRAD_CLK

SETBAD_DI;?DI置1，設為單通道輸入

NOP

NOP

SETBAD_CLK;第二個脈沖

NOP

NOP CLRAD_CLK

NOP

JBCH_BJ,CH1_IN;根據標志位選擇輸入通道

CLRAD_DI ;?DI置0，選擇通道CH0

AJMPNEXT

CH1_IN: SETBAD_DI;?DI置1，選擇通道CH1

NEXT: NOP

SETBAD_CLK;第三個脈沖 NOP

NOP

CLRAD_CLK

SETBAD_DI

NOP ;延時，等待選定的通道穩(wěn)定

NOP

SETBAD_CLK ;第四個脈沖

MOVR1,#08H ;計數器初值，讀取8位數據

AD_READ:CLRAD_CLK;