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接外部晶振的另一端,在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。
若采用外部时钟振荡器时,该引脚接收时钟振荡器的信号,即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
⑵输入输出I/O引脚
共4个8位的并行I/O口,32根I/O线。
P0.0-P0.7(32-39引脚):
统称为P0口。
在不接片外存储器与不扩展I/O口时,可作为准双向输入/输出口。
在接有片外存储器或扩展I/O口时,P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。
P1.0-P1.7(1-8引脚):
统称为P1口。
可作为准双向I/O口使用。
对于52子系列,P1.0与P1.1还有第二功能:
P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2,P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。
P2.0-P2.7(21-28引脚):
统称为P2口。
一般可作为准双向I/O口使用;
在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时,P2口用作高8位地址总线。
P3.0-P3.7(10-17引脚):
统称为P3口。
除作为准双向I/O口使用外,还可以将每一位用于第二功能,而且P3口的每一条引脚均可以独立定义为第一功能的输入输出或第三功能。
P3口的第二功能如表1所示。
表1P3口第二功能
P3.0
(串行口输入)
P3.1
(串行口输出端)
P3.2
(外部中断0请求输入端,低电平有效)
P3.3
(外部中断1请求输入端,低电平有效)
P3.4
(定时器/计数器0计数脉冲输入端)
P3.5
(定时器/计数器1计数脉冲输入端)
P3.6
(外部数据存储器写选通信号输入端,低电平有效)
P3.7
(外部数据存储器读选通信号输入端,低电平有效)
⑶控制信号引脚
(9引脚):
RST(RESET)是复位信号的输入端,高电平有效。
当单片机运行时,在此引脚加上持续时间大于两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时,就可以完成复位操作。
在此单片机正常工作时,此引脚应为≤0.5V低电平。
VPD为本引脚的第二功能,即备用电源输入端。
当主电源Vcc发生故障,降低到某一规定值的低电平时,将+5V电源自动接入RST端,为内部RAM提供备用电源,以保证片内RAM中信息不丢失,从而使单片机在复位后能继续正常运行。
(30引脚):
ALE引脚输出为地址锁存允许信号,当单片机上电正常工作后,ALE引脚不断输出正脉冲信号。
当单片机访问外部存储器时,ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存控制信号。
即使不访问外部锁存器,ALE端仍有正脉冲信号输出,此频率为时钟振荡器频率的1/6。
如果想初步判断单片机芯片的好坏,可用示波器查看ALE端是否有正脉冲信号输出。
如果有脉冲信号输出,则单片机基本上是好的。
PROG为本引脚的第二功能。
在对片内EPROM型单片机编程写入时,此引脚作为编程脉冲输入端。
(29引脚):
访问外部程序存储器选通信号,低电平有效。
在访问外部程序存储器读取指令码时,每个机器周期产生2次PSEN信号。
在执行片内程序存储器取指令时,不产生PSEN信号;
在访问外部数据存储器时,亦不产生PSEN信号。
:
EA为内外程序存储器选择控制端。
当EA引脚为高电平时,单片机访问片内程序存储器,但在PC(程序计数器)值超过0FFFH时,即超出片内程序存储器的4KB地址范围时,将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
当EA引脚为低电平时,单片机则只访问外部程序存储器,不论是否有内部存储器。
图2-89C51最小系统
2.3A/D转换装置
2.3.1A/D转换基本原理
单片机在日常生活中用得越来越多,其集成度也越来越高,目前拥有多种单片机都集成有A/D转换功能,如PIC,AVR,SUNPLUS,SH等。
处理器的位数从4位到32位或更高,转换精度从6位,8位,10位或更高。
单片机内集成的A/D转换,一般都有相应的特殊功能寄存器来设置A/D的使能标志,参考电压,转换频率,通道选择,A/D输入口的属性(模拟量输入还是普通的I/O口),启动,停止控制等。
有了这些寄存器,使得我们控制单片机的模拟量采集变得非常方便。
A/D转换的基本原理是:
将参考电平按最大的转换值量化,再利用输入模拟电平与参考电平的比例来求得输入电平的测量值(V测=V参*(AD量化值/AD转换的最大值))。
有些MCUA/D转换的参考电平可以选择由一个外部引脚输入,这样使得用户可以对A/D转换进行更好的控制。
值得注意的一点就是A/D转换的输入电平必须比参考电平低或相等,不然测试的结果就会有很大的偏差。
下面以参考电平为5V,转换的精度为8位为例来说明如何取得实际的测量值是多少。
如果AD量化值为128,则V测=5*128/256=2.5V。
因为V测=V参*(AD量化值/AD转换的最大值)=AD量化值*(V参/AD转换的最大值),而针对具体的硬件电路,“V参/AD转化的最大值”是一个固定的系数。
而这个系数,就相当于测试的精度了。
对于10位的A/D,5V的参考电压的测试精度约5毫伏,而用2.048伏的参考电压,精度就可以达到2毫伏。
当然测试的电压范围相应的也减小了。
我曾经就用这种减小测量范围来提高精度,使用PIC16F76做A/D测量,使得正负误差不超过5毫伏的高精度测试电源。
当误差超过5毫伏时,电路发出报警声,提示操作员,重新调解电压到规定范围内。
2.3.2A/D转换器的主要技术参数
①分辨率
分辨率指输出数字量的位数,常用的有8位、10位、12位、14位等。
一般地,位数越多,价格越贵。
分辨率表示的是转换器对微小输入量变化敏感程度。
例如:
8位ADC的分辨率是8位,数字量变换范围是0~255,当输入电压满刻度为5V时,转换电路对输入模拟电压的分辨能力为5V/255≈19.6mV。
②转换精度
转换精度是指对应于输入的模拟电压得到的数字量与应得到的理想数字量之间的差值。
通常用数字量的最低有效位(LSB)来表示。
③转换时间
转换时间指完成一次A/D转换所需要的时间,一般为几个至几百微秒。
④线性度
模拟电压输入与A/D转换后得到的数字量成线性增加的程度。
本设计采用的是ADC0809是NSC公司生产的CMOS逐次比较式A/D转换器。
2.3.3ADC0809内部构造
ADC0809的内部结构框图如图3所示。
通过引脚IN0~IN7可输入8路模拟电压,但每次只能转换一路,其通道号由地址信号ADDA、ADDB、ADDC译码后选定,如表10-4所示,片内有地址锁存和译码器。
转换结果送入三态输出锁存缓冲器,当输出允许信号OE有效时才输出到数据总线上。
图3-ADC0809的内部结构
ADC0809引脚信号及功能如下所示。
ADC0809为28引脚。
其主要引脚信号如下:
图4-ADC0809引脚图
1ST为启动模/数转换引脚,当该引脚收到高电平时,开始启动A/D转换。
2EOC为模/数转换结束输出引脚,转换结束时,该引脚输出高电平。
在启动A/D转换后,可以通过对该引脚状态查询(读入)得知模/数转换是否完成
3OE为输出允许控制,该引脚用于控制选通三态门。
A/D转换完成得到的数字量存在芯片内。
当OE=1时,三态门打开,A/D转换后得到的数字量才可通过三态门到达数据总线,进而被读入CPU。
4CLK为外加时钟输入引脚。
其频率为50~800kHz,使用时常接500~600Kh
5ALE为模拟通道锁存信号。
当此引脚由低电平到高电平跳变时,将加到ADDC、ADDB、ADDA引脚的数据锁存并选通相应的模拟通道。
6ADDA、ADDB、ADDC模拟通道选择端。
2.3.4ADC0809引脚连线
图5-ADC0809接线图
2.4D/A转换装置
2.4.1D/A转换基本原理
D/A转换有多种方法,如权电阻网络法、T形电阻网络法和开关树法,但最常见的是T形电阻网络法。
图6是一个4位D/A转换器示意图,其中数字量的每一位D3~D0分别控制一个模拟开关。
当某一位为1时,对应开关倒向右边;
反之,开关倒向左边。
容易分析出图中X0~X3各点的对应电位分别为VREF、VREF/2、VREF/4、VREF/8,而与开关方向无关。
图6-梯形电阻网络DAC
2.4.2D/A转换器的主要性能指标
分辨率指D/A转换器所能分辨的最小量化信号的能力。
这是对微小输入量变化的敏感程度的描述,一般用转换器的数字量的位数来表示。
对于一个分辨率为n位的DAC,它能对满刻度的2-n倍的输入变换量做出反应。
常见的分辨率有8位、10位、12位等。
②建立时间
建立时间是DAC转换速度快慢的一个重要参数,指DAC的数字输入有满刻度值的变化时,输出模拟信号电压(或电流)达到满刻度值1/2LSB时所需要的时间。
对电流输出形式的DAC,建立时间是很短的;
而对电压输出形式的DAC,建立时间主要是其输出运放所需的响应时间。
一般DAC的建立时间为几个纳秒至几个微秒。
本设计选用8位DAC芯片———DAC0832。
引脚图如图7所示。
图7-DAC0832引脚图
2.4.3DAC0832内部构造
DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路组成,内部逻辑结构如图8和功能表所示。
图8-DAC0832内部逻辑结构
表2-DAC0832功能表
2.4.4DAC0832的工作方式
根据对DAC0832的输入锁存器和DAC寄存器的不同的控制方法,DAC0832有如下三种工作方式。
1单缓冲方式
此方式控制输入寄存器和DAC寄存器同时跟随或锁存数据,或只控制这两个寄存器之一,而另一个接成直通方式。
此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情形。
参考电路如a图所示
②双缓冲方式
双缓冲方式此方式分别控制输入寄存器和DAC寄存器,适用于多路D/A同时输出的情形。
它使各路数据分别锁存于各输入寄存器,然后同时(相同控制信号)打开各DAC寄存器,实现同步转换。
参考线路如图b所示,程序片段如下:
③直通方式
输入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式。
此时提供给DAC的数据必须来自锁存端口。
本设计采用较为简单的单缓冲方式。
2.4.5DAC0832的输出方式
DAC0832的输出是电流型的。
在微机系统中,通常需要电压信号。
这时,可用运算放大器转换为单极性或双极性的输出电压。
①单极性输出
如下图(a)所示,对应数字量00H~FFH的模拟电压Vo的输出范围是0~-VREF。
②双极性输出
如上图(b)所示,图中的单极性输出电压Vo1经运放OP2电平偏移、放大后,对应数字量00H~FFH的模拟电压Vo2输出范围是-VREF~VREF。
本设计采用单极性输出。
由于DAC0832是单路转换,为了使系统能有更好的控制性,我加了个多路开关74HC4051,从而实现系统的多路控制!
74HC4051是单8通道数字控制模拟电子开关,有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入,具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5~20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。
例如,若VDD=+5V,VSS=0,VEE=-13.5V,则0~5V的数字信号可控制-13.5~4.5V的模拟信号。
这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗,与控制信号的逻辑状态无关。
当INH输入端=“1”时,所有的通道截止。
三位二进制信号选通8通道中的一条通道,可连接该输入端至输出。
图9-74HC4051引脚图
2.5锁存器
本设计采用两个74LS373锁存器芯片,它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器,在单片机系统中为了扩展外部存储器,通常需要用到74LS373芯片。
锁存就是把信号暂存以维持某种电平状态,最主要的作用是缓存,其次完成高速的控制其与慢速的外设的不同步的问题,再其次是解决驱动问题,最后是解决一个I/O口既能输出也能输入的问题。
89C52访问外部存储器时P0口和P2口共做地址总线,P0口常接锁存器再接存储器,以防止总线间的冲突。
而P2口直接接存储器,因为单片机内部时序只能锁住P2口的地址,如果用P0口传输数据时不用锁存器的话,地址就改变了,使用锁存器来区分单片机的地址和数据。
2.5.174LS373性能特点
图10-74LS373引脚图
1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);
当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态。
1D~8D为8个输入端。
1Q~8Q为8个输出端。
G是数据锁存控制端;
当G=1时,锁存器输出端同输入端;
当G由“1”变为“0”时,数据输入锁存器中。
OE为输出允许端;
当OE=“0”时,三态门打开;
当OE=“1”时,三态门关闭,输出呈高阻状态。
其中输入端1D~8D接至单片机的P0口,输出端提供的是低8位地址,G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。
输出允许端OE接地,表示输出三态门一直打开。
2.6分频器
由于89C51的晶振频率为6KHz,而A/D0809所要输入的频率为12KHz。
所以需要加一个分频器74LS74.74LS74内含两个独立的D上升沿双D触发器,每个触发器有数据输入(D)、置位输入(
)复位输入(
)、时钟输入(CP)和数据输出(Q)。
、
的低电平使输出预置或清除,而与其它输入端的电平无关。
当
均无效(高电平式)时,符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。
图11-74LS74引脚图
2.7其它电路
2.7.1报警显示电路
当系统正常运行时,绿灯亮。
当传感器所采集的信息通过单片机处理,如果超过设置的上限值或低于下限值时,蜂鸣器进行报警,红灯亮起。
其电路图如图12所示。
图12-报警电路
2.7.2看门狗电路
在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片,俗称“看门狗”。
看门狗电路电路的应用,使单片机可以在无人状态下实现连续工作,其工作原理是:
看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平),这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的,一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段不进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位。
图13-看门狗电路示例
2.7.3扩展电路
用8255A扩展并行I/O接口,8255是通用可编程并行接口芯片,为40脚双列直插式封装型。
片内有3个8位并行I/O接口,分别称为PA口(PA0-PA7),PB口(PB0-PB7),PC口(PC0-PC7),其中PC口又分为高4位和低4位口,通过编程可设三种工作模式。
数据端A口、B口、C口均为8位,可编程选择为输入或输出。
端口C也可编程为两个4位端口来用,在具体结构上三者略有区别:
A口输入/输出均有锁存器,而B口和C口均有输出锁存器,输入无锁存器,有缓冲器。
图14-8255A引脚图
2.7.4上位机通讯电路
上位机通讯对单片机而言意义重大,不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端,而且也能实现电脑对单片机的控制。
比如你可以把写入单片机的数据码显示在电脑上,如可使用一个按键当按下它时通过单片机的串口将它发送到电脑上显示,起到仿真器的功效。
通信芯片采用MAX487,该芯片是RS485通讯的低功耗收发器件,最大可连接128个子系统,最远传输距离1200米,传输速度可达250KB/s。
MAX487是个个准双向口,即要通过选通来确定是发送还是接收。
需发送数据时,发送方选通自己的发送驱动器(MAX487的DE),该信号反向后选通接收方的接收驱动器(MAX487的/RE)。
图15-MAX487接线图
2.7.5LED显示电路
加入LED显示是为了便于人机互动,方便工作人员及时了解此时工况。
其具体电路如图15。
图16-LED显示电路
3、系统工作过程
3.1ADC0809工作过程
①时钟信号由于0809无片选端,因此电路增加了或非门74LS02及锁存器74LS373,以便对0809进行读/写控制。
单片机采用6MHz的晶振,ALE输出6MHz/s时钟信号,经74LS74触发器2分频,得到500kHz的时钟信号,与0809的时钟端CLK相连。
②通道选择三位通道选择端ADDA、ADDB、ADDC与数据线P0口的低三位P0.0、P0.1、P0.2相连,用数据线进行通道选择,由P0.0、P0.1、P0.2三位决定选择哪一通道。
也可以用地址线选择通道。
③AD0809的启动端START、地址锁存端ALE均为高电平有效。
将START与ALE端连在一起,与74LS02的输出端相连。
或非门74LS02的两个输入端WR和Y0均为低电平时,其输出为高电平。
当74LS373的3个输入端为0时,Y0为低电平,执行外部I/O口写操作时,WR为低电平。
④其中输入端1D~8D接至单片机的P0口,输出端提供的是低8位地址,G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。
⑤转换结束标志EOC转换结束标志EOC端经反向器与单片机的INT0相连,即转换一旦结束,外部中断0则申请中断。
3.2DAC0832工作过程
因ILE为+5V,故在P2.0为低电平时,在写信号的作用下,输入数据直接打入DAC寄存器,经过A/D转换后输出相应的模拟量。
在这种工作方式下,输入寄存器和DAC寄存器只占用一个I/O地址。
在本例中,它们的地址可设为FEFFH(还可以是P2.0=0时其他地址,但注意不要和外部RAM及其他I/O口冲突)。
由于DAC0832具有数字量的输入锁存功能,故可以和89C51的P0口直接相连。
4、元器件清单
芯片产品型号规格
性能说明
数量
DAC0832
D/A转换器
1片
ADC0809
A/D转换器
DM74LS373
8位数据锁存器
2片
SN74LS04N
六反相器
1片
SN74LS02D
四2输入或非门
MAX487
收发器芯片
74HC4051
多路开关
74HC74
分频器
MAX698
看门狗芯片
5、心得体会
经过两周的努力,我终于将计控课程设计做完了.在这次作业过程中,我遇到了许多困难,但在老师,同学的帮助和我的努力下,我顺利的完成了设计。
这次的课程设计让我受益匪浅。
刚开始在设计时由于对芯片没有具体认知,所以一次又一次的修改设计方案,这都暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
但在同学的帮助和老师的辅导下。
最终将设计成功完成。
尽管这次设计的时间是短暂的,但过程是曲折的,.对我来说,收获最大的是方法和能力.那些分析和解决问题的方法与能力.在整个过程中,我发现像我们这些学生最最缺少的是经验,没有感性的认识,空有理论知识,有些东西很可能与实际脱节.总体来说,我觉得做这种类型的作业对我们的帮助还是很大的,它需要我们将学过的相关知识都系统地联系起来,从中暴露出自身的不足,以待改进。
通过这次设计,我懂得了学习的重要性,了解到理论知识与实践相结合的重要意义,学会了坚持、耐心和努力,这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。
6、参考文献
[1]王义军.数字电子技术基础.北京:
中国电力出版社,2007
[2]刘连浩等.单片机原理与嵌入式应用系统设计.湖北:
武汉大学出版社,2007
[3]徐玮等.C51单片机高效入门.北京:
机械工业出版社,2006
[4]张洪润等.单片机原理应用.湖南:
湖南大学出版社,2007
7、工作日记
1、7月5日工作日记
今天是第二个课程设计的第一天,上午在听了《计算机控制系统》课程设计动员大会后,我回到寝室又仔细的看了一遍老师给的设计内容以及设计要求,并把《计算机控制系统》和《单片机》的教材找了出来,将有关章节翻看一遍,对课程设计有了初步的认识及印象,并确定一下大体的设计方案以及设计计划。
2、7月6日工作日记
今天是课程设计的第二天,上午我去了图书馆,找了一些有关单片机和计算机控制系统的书,下午我在自习室仔细阅读上午借阅的书籍,看过之后,我更加明确了设
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