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1、可启动、停止的模拟信号采样显示电路 物理与电子信息工程学院 07 通信 朱丽娟 07110003138 指导老师：王环摘要：摘要：本文从基本的 8051 系列的单片机出发，设计可启动、停止的模拟信号采样显示电路。关键字：关键字：单片机 8051，ADC0809单片机系统采集的信号有模拟电压信号、模拟电流信号、PWM 信号、数字逻辑信号等。 现在，绝大多数传感器输出的信号都是模拟信号量，电流和电压。所以模拟信号的采集应 用最为广泛，处理过程也相对复杂。相比于模拟信号，PWM 信号和数字逻辑信号的采集比 较直接，单片机能够直接处理这类信号，无需额外的器件进行信号转换。 可启动、停止的模拟信号采样显
2、示电路使得单片机能够根据自己的需要来采样外界的 信号，通过处理显示在数码管上。本项目要实现的功能是能检测 0V 到 4.5V 之间的电压， 并且能在 7 段数码管上显示所测的电压值。其误差要在 0.1V 之内，具有自动换挡功能，有 换挡提示。通过功能的模块化划分，该电路包括单片机最小系统模块、显示模块、AD 模 块等部分。一、硬件设计 （1）单片机 80511946 年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电 子管晶体管集成电路大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。特 别是近 20 年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和 航空航天
3、领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。 单片机诞生于 20 世纪 70 年代，象 Fairchild 公司研制的 F8 单片微型计算机。所谓单 片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(Center Processing Unit,也即常称的 CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他 I/O 通信口集成在一块芯片上，构成一 个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单 80 年代，世界各大公司均竞相研制 出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300 多个品种，此时的单片机均属于真正的 单片化，大多集成了 CPU、RAM、ROM、数目繁多
4、的 I/O 接口、多种中断系统，甚至还有一 些带 A/D 转换器的单片机，功能越来越强大，RAM 和 ROM 的容量也越来越大，寻址空间甚 至可达 64kB，可以说，单片机发展到了一个新的平台 单片机的晶振电路是整个电路的心脏，系统里的所有电路的时钟信号都来源于此。晶 振电路主要由石英晶体和两个电容构成。两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两 个脚上和对地的电容，一般在几十皮发。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，晶振的 负载电容=(Cd*Cg)/(Cd+Cg)+Cic+C 式中 Cd,Cg 为分别接在晶振的两个脚上和对地的电 容,Cic（集成电路内部电容）+C（PCB 上电容）经验值为
5、3 至 5pf。各种逻辑芯片的晶 振引脚可以等效为电容三点式振荡器。晶振引脚的内部通常是一个反相器,或者是奇数个反 相器串联。在晶振输出引脚 XO 和晶振输入引脚 XI 之间用一个电阻连接, 对于 CMOS 芯片通常是数 M 到数十 M 欧之间。很多芯片的引脚内部已经包含了这个电阻,引脚外部就 不用接了。这个电阻是为了使反相器在振荡初始时处与线性状态,反相器就如同一个有很大 增益的放大器,以便于起振。石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间,等效为一个并联 谐振回路,振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率。晶体旁边的两个电容接地, 实际上就 是电容三点式电路的分压电容, 接地点就是分压点。以接地
6、点即分压点为参考点, 振荡引脚 的输入和输出是反相的, 但从并联谐振回路即石英晶体两端来看, 形成一个正反馈以保证电路持续振荡。在芯片设计时, 这两个电容就已经形成了, 一般是两个的容量相等, 容量大小 依工艺和版图而不同, 但终归是比较小,不一定适合很宽的频率范围。本文采用了 11.0592M 的石英晶体和两个 30PF 的电容。 单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态 等情况下都需要复位。复位作用是使 CPU 以及其他功能部件，如串行口，中断都恢复到一 个确定初始状态，并从这个状态开始工作。复位电路有两种：上电、按钮复位。上电复位 发生在系统上电时将使单
7、片机处于复位状态，直到电源稳定。 确定外围电路及单片机最小系统电路后，电路图如图所示。（2）ADC0809 ADC0809 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模 数转换的器件。其 内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8 路模 拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 AD 转 换器，内部结构如图 1322 所示，它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 8 位开关树型 A/D 转换器、逐次逼近 。START 为转换启动控制信号,高电平有效;ALE 为 模拟信号输入选通端口地址锁存信号,上升沿有效;一
8、旦 START 有效,状态信号 EOC 即变为低 电平,表示进入转换状态,转换时间约为 100us.转换结束后,EOC 将变为高电平。此后外部控 制可以使 OE 由低电平变为高电平(输出有效),此时,0809 的输出数据总线 D7.0从原来的 高阻态变为输出数据有效。由状态图也可看到，在状态 st2 中需要对 0809 工作状态信号 EOC 进行测试，如果为低电平，表示转换没有结束，仍需要停留在 st2 状态中等待，直到 变成高电平后才说明转换结束，在下一时钟脉冲到来时转向状态 st3。在状态 st3，由状态 机向 0809 发出转换好的 8 位数据输出允许命令，这一状态周期同时可以作为数据输
9、出稳定 周期，以便能在下一状态中向锁存器中锁入可靠的数据。在状态 st4，由状态机向 FPGA 中 的锁存器发出锁存信号（LOCK 的上升沿），将 0809 输出的数据进行锁存。D7D0模拟量输入通道。ADC0809 对输入模拟量的要求主要有：信号单极性，电压 范围 05V，若信号过小，还需进行放大。另外，模拟量输入在 A/D 转换的过程中，其值 应保持不变，因此，对变化速度快的模拟输入量，在输入前应增加采样保持电路。 ADDA地址线。A 为低位地址，为 8 路模拟信号输入通道的地址输入端。 ALE地址锁存允许信号。由低电平至高电平的正跳变将通道地址锁存至地址锁存器 中。 START启动转换信
10、号。当 START 为上升沿时，所有内部寄存器清 0；当 START 为下 降沿时，才开始进行 A/D 转换。因此，在 A/D 转换期间，START 应保持低电平。 Q7Q0数据输出线。为八位数据输出端，在该设计中，可以和发光二极管直接相连。OE输出允许信号。用于控制输出锁存器向输出数据总线输出转换得到的数据。 OE=0，输出数据线呈高电阻态；OE=1，输出转换得到的数据。 CLK时钟信号。ADC0809 内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，要求频率 范围 10kHz1280kHz。通常使用频率为 500 kHz 的时钟信号。 EOC转换结束状态信号。当 EOC0 时，表示正在进行转换；
11、当 EOC=1 时，表示转换 结束。该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。 在进行波形仿真之后，分配管脚如图（9）所示。然后按照引脚分布进行硬件连接，并 进行编程下载。输入 CLK 接时钟信号，EOC 接拨码开关。输出 Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7 分别接发光二极管 A、B、C、D、E、F、G、H。进行编程 下载之后验证 ADC0809 选择输出电路的控制功能。 START 为高电平有效时，状态信号 EOC 即变为低电平, 进入转换状态, 转换结束后,EOC 变为高电平。此后外部控制使 OE 由低电平变为高电平，此时,输出数据总线 D7.0从原 来的高
12、阻态变为输出数据有效。接着，对工作状态信号 EOC 进行测试，为低电平，表示转 换没有结束，变成高电平后转换才结束，在下一时钟脉冲到来时，允许输出 8 位数据，数 据输出稳定，LOCK 为上升沿时，输出数据得到有效锁存。 二、软件设计 软件系统的主程序的主要任务为按键的扫描，通过按键的判断然后进入各个子功能语言模块，程序思路清晰，语言易懂。首先是系统上电复位，而后是系统的初始化，然后进入 键盘扫描程序，若有按键按下，进行键值判断，执行相应的子功能程序，完成后返回键盘 扫描程序。程序框图如下所示。 键盘一般有两种读取方式，循环扫描法、查表法。 循环扫描法：2x4 键盘分为 4 行和 2 列，CP
13、U 对每一条扫描线进行读取，然后计数得到 按键值，这种方式用的比较多。查表法：对行和列读取一次，然后通过查表得到按键值。 程序很简单，建议使用这种方式。键盘子程序如下：uchar key(void)uchar key_num; if( ( P2 /消除抖动if(P2 case 0x3d:return key_num=02;开始键值初始化读取键盘值是否结束AD 数据转换并显 示否返回主程序是case 0x3b:return key_num=03; case 0x37:return key_num=04;case 0x2f:return key_num=05; case 0x1f:return k
14、ey_num=06; default:return key_num=00; return key_num; 系统中 4 只 LED 显示器采用动态方式显示，公共端分别连接到 P00-P03 上。单片机的 P10-P17 分别连接到上七段显示器的 ABCDEFG 和 DP 上。因此 P1 口控制 LED 显示的字形， P00-P03 输出控制显示的灯位。 unsigned char display(unsigned char disp_key,unsigned char n) / n 灯位if (n=1) LED_light=lightn-1;else LED_light=0xff;if (di
15、sp_key=0)else LED_seg=0x00; void delay(unsigned char k) /延时 k msunsigned int i,j;for (j=0;j=k;j+)for(i=0;i=1085;i+);ADC0809 的程序采用外部中断模式来提高效率。表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。只要一旦确定转换完成，即出发单片机中断，在中断中通过指令进行数据传送。单片机首先送出口地址并以RD信号有效时， OE 信号即有效，把转换数据送上数据总线，单片机接受转换完成的数据。中断程序如下所示：void int_ex0() interrup
16、t 0 EA=0;CH_data =CH_base_Adr;P1=CH_data;delay(50000);EA=1;CH_base_Adr=0; 3、实验结果：、实验结果：万用表测得值实验电路显示 值绝对误差相对误差单位/V单位/V单位/V单位/V0.21450.21500.00050.0023 0.68840.6845-0.0036-0.0053 1.07131.0730.00170.0016 1.41571.4160.00030.0021 1.9861.9960.0100.0049 2.4562.5200.0640.0026 2.9873.0290.0420.0140 3.4163.4560.0400.0117 3.7743.8670.0930.0245 3.8663.9480.0820.0207 3.9744.0520.0780.0192
