模拟量输入通道计

1、第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展沈阳建筑大学沈阳建筑大学信息与控制工程学院信息与控制工程学院 马斌马斌微机控制技术微机控制技术 第第2 2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道2.3模拟量输入通道接口设计模拟量输入通道接口设计第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展 在数据采集的过程中，经过各种传感器来获取数据，在数据采集的过程中，经过各种传感器来获取数据，传感器将各种温度、湿度、光照、压力和酸碱度等物理传感器将各种温度、湿

2、度、光照、压力和酸碱度等物理信号或化学信号转换为电信号。信号或化学信号转换为电信号。 有些采集的信息还需要对电信号进行放大、去噪，有些采集的信息还需要对电信号进行放大、去噪，再经再经A/DA/D转换后变成离散的数字信号送给单片机。转换后变成离散的数字信号送给单片机。 采集来的信号给单片机进行处理分析，数字滤波、采集来的信号给单片机进行处理分析，数字滤波、工程量变换等处理，以反映实际测量的数值，这也是单工程量变换等处理，以反映实际测量的数值，这也是单片机系统检测部分的核心。片机系统检测部分的核心。第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MC

3、S-51单片机系统功能的扩展 模拟量输入通道模拟量输入通道: 数据采集系统输入通道中的一种，它数据采集系统输入通道中的一种，它的任务是把传感器转换后的电信号经过适当的调理，然后转的任务是把传感器转换后的电信号经过适当的调理，然后转换成数字量输入计算机。换成数字量输入计算机。一、一、 模拟量输入通道的一般结构模拟量输入通道的一般结构第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展 第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展二、多路转换器二、多路转换器 多路转换器又称多路转换器又称多路开关，多路开关多路开关，多路开关的作

4、用是用来将各路的作用是用来将各路被测信号依次地或随被测信号依次地或随机地切换到公共放大机地切换到公共放大器或器或A/DA/D转换上。转换上。 C B A X接通接通 0 0 0 0 X0 0 0 0 1 X1 0 1 1 1 X7 1 全不通全不通INH 图图11 CD405111 CD4051原理图原理图 表表1 CD40511 CD4051通道选择表通道选择表 第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展三、采样保持器三、采样保持器 HC采样时，采样时，k k 闭合，闭合，V VININ通过通过A A1 1对对C CH H快快速充电，速充电，V VO

5、UTOUT跟随跟随V VININ；保持期间，；保持期间，k k断开，由于断开，由于A A2 2的输的输入阻抗很高，理想入阻抗很高，理想情况下情况下V VOUTOUT = =V VC C保持不变，采样保保持不变，采样保持器一旦进入保持持器一旦进入保持期，便应立即启动期，便应立即启动A/DA/D转换器，保证转换器，保证A/DA/D转换期间输入转换期间输入恒定。恒定。 图图14 14 集成采样保持器集成采样保持器LF398LF398的原理图的原理图 图图13 13 采样保持器的组成采样保持器的组成第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展 四、四、A/D转换

6、元件的结构和工作原理转换元件的结构和工作原理1 1、A/DA/D转换器类型转换器类型 根据转换的原理可将根据转换的原理可将A/DA/D转换器分成两大类：转换器分成两大类： 一类是直接型一类是直接型A/DA/D转换器转换器，输入的模拟电压被，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量；直接转换成数字代码，不经任何中间变量； 另一类是间接型另一类是间接型A/DA/D转换器转换器，首先把输入的模，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量，然后再把这个中间拟电压转换成某种中间变量，然后再把这个中间变量转换为数字代码输出。变量转换为数字代码输出。 目前应用较广泛的主要有：逐次逼近式目前应用较广泛

7、的主要有：逐次逼近式A/DA/D转转换器、双积分式换器、双积分式A/DA/D转换器和转换器和V/FV/F变换式变换式A/DA/D转换器。转换器。 第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展A/D转换器分类图转换器分类图 第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展2、逐次逼近式、逐次逼近式A/D转换器结构原理转换器结构原理 第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展3、A/D转换器主要性能指标 1.分辨率：通常用转换器输出数字量的位数来表示。 2.精度：是指与数字输出量所

8、对应的模拟输入量的实际值与理论值之间的差值 。 3.转换时间:完成一次A/D转换所需要的时间。 4.温度系数和增益系数：A/D转换器受环境温度影响的程度。 5.对电源电压变化的抑制比：改变电源电压使数据发生1LSB变化范围 。第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展4、ADC0809介绍1.内部结构 第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展2.外部特性（引脚功能）IN0IN7：8路输入通道的模拟量输入端口。D0D7：8位数字量输出端。A、B、C：用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，

9、高电平有效。 START：A/D转换启动信号。EOC： AD转换结束信号。 OE：数据输出允许信号，高电平有效。CLK：时钟脉冲输入端。REF（+）、REF（）：参考电压端输入。Vcc：电源，典型值+5V。 GND：模拟和数字地。第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展3.ADC0809工作时序第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展1212位位A AD D转换器转换器 AD574A AD574A 图图16 AD574A16 AD574A的原理框图及引脚的原理框图及引脚 第第2章章 过程输入输出接口过程输入

10、输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展五、A/D转换元件的接口电路设计第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展六、单片机A/D转换软件编程中断方式程序流程图 第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展 汇编语言编程如下： ORG0000H SJMP MAIN ORG 0003HLJMPINT0A ORG 0030H;-中断设置-SETBIT0 ;允许INT0中断SETBEA ;中断总允许SETBEX0 ;外部中断0允许;-各通道循环启动-MAIN: MOV R2,#08H ;设置循环次数 MOV R

11、3,#80H MOV R4,#80H ;设置延时时间A1: MOV A,R3 MOV P2,A ;先启动IN0通道. 。;延时或其它功能程序执行第第2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展;-循环至其他通道- DJNZ R3,A2SJMP A4A2: MOV A,R3ADD A,#08HMOV R3,A SJMP A1;-处理其他子程序-A4: RET;-保护现场，存储数据-INT0A: PUSH ACC MOV P2,#40H ;转换数据MOV A,P1 ;数据送到累加器 MOV R1,A INC R1 POP ACCRETIEND第第2章章 过程输入

12、输出接口过程输入输出接口第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展3.3温度数据采集元件设计3.3.1温度数据采集元件的结构和工作原理 通过温度数据采集元件与单片机接口进行分类，将温度数据采集元件分为两类：传统分立式温度采集元件和智能数字温度采集元件。第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展一、分立式温度采集元件 分立式温度采集元件主要有：1.热电偶温度传感器2.热电阻温度传感器3.半导体热敏温度传感器 它们都是将温度值经过一定的接口电路转换后输出模拟电压或电流信号，利用A/D将其转换为数字信号，然后由单片机进行后续处理。第第3 3章章 数据采集接

13、口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展二、智能数字温度采集元件 智能数字温度采集元件是将作为温度器件的感温部分及外围电路集成在同一单片上的集成化温度传感器。与分立元式温度采集元件相比，集成温度传感器的最大优点在于小型化，使用方便和成本低廉。 美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持 一线总线接口的温度传感器。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展 1.DS18B20引脚定义 数字温度传感器DS18B20有三个引脚如图所示。1GND

14、为电源地。 2DQ为数字信号输入/输出端。3VDD为外接供电电源输入端 （在寄生电源接线方式时 接地）。DALLASDS18B20 1 2 3第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展2.DS18B20的主要特性 适应宽电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。 独特的单线接口方式，DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯。 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联，实现组网多点测温。 温度范围：55125。 可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高

15、精度测温。第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展3.DS18B20的内部结构第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展4.DS18B20工作原理第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展DS18B20的ROM指令表指 令约定代码功 能读ROM33H读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址） 符合 ROM 55H发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS1820 使之作出响应，为下一步对该 DS1820

16、 的读写作准备。 搜索 ROM 0FOH用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件作好准备。 跳过 ROM 0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变换命令。适用于单片工作。 告警搜索命令 0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。 第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展DS18B20的RAM指令表指 令约定代码功 能温度变换44H启动DS1820进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中。读暂存器 0

17、BEH 读内部RAM中9字节的内容 写暂存器 4EH 发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器 48H 将RAM中第3 、4字节的内容复制到EEPROM中。 重调 EEPROM 0B8H 将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3 、4字节。 读供电方式 0B4H 读DS1820的供电模式。寄生供电时DS1820发送“ 0 ”，外接电源供电 DS1820发送“ 1 ”。 第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展3.3.2温度数据采集元件的接口电路一、DS18B20寄生电源供电方式电路 在寄生

18、电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。 第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展二、DS18B20的外部电源供电方式 在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。 第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统

19、功能的扩展3.3.3单片机温度数据采集软件编程 单片机与DS18B20相连多采用图9-13的电路，在实际应用中具体软件编程过程如下： 1.复位：先对DS18B20芯片进行复位，复位就是由单片机给DS18B20单总线至少480S的低电平信号。 2.单片机发送ROM指令：其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理，一般只挂接单个DS18B20芯片时可以跳过ROM指令。 3.单片机发送存储器操作指令：存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。 4.执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写。第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设

20、计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展 测温程序流程图 第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展DS18B20汇编程序:ORG0000H SJMPL0 ORG0030HL0: MOV SP,#0FH XHEQUP1.6 ;1820控制线;# 温度测控89C51芯片 DS1820 #; # 温度部分操作程序 #; # 1 RD18WD-读取温度值 #; # 2 REST-温度探头复位 #; # 3 WR-发送一字节命令或数据 #; # 4 RD-读取一字节命令或数据 #; # 5 RD18BH-读取1820编号 #RD18WD: MOVR0,#

21、08H ;读取1820温度值 LCALL RSET ;复位 MOVA,#0CCH ;跳过RAM LCALL WR MOV A,#44H ;起动转换 LCALL WR LCALL YS ;延时1秒第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展RDWD0: LCALL RSET ; MOVA,#55H;校对1820编号8字节64位 LCALL WR MOVR2,#8RDWD1: MOV A,R0 LCALL WR INCR0 DJNZR2,RDWD1 MOV A,#0BEH ;读取温度值 LCALL WR LCALL RD MOV26H,A ;保存温度值

22、LCALL RD ;读符号 CLR7FH JZRDWD2 ;原码不处理返回 SETB7FH MOV A,26H ;补码处理温度值送26H中 CPLA ADDA,#01H MOV 26H,A第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展RDWD2: CLRC MOV A,#0B3H ;90的数值(180) SUBB A,26H JNCRDWD3 CLR58H ;90! JB 54H,RDWD4 MOV A,2AH ANL A,#0E0H ORL A,#10H MOV 2AH,A LCALL OUTJ ;置报警位并输出 SJMP RDWD4RDWD3: S

23、ETB 58H ;90! JNB 54H,RDWD4 JB 75H,RDWD4 CLR 54H LCALL OUTJ ;清报警位并输出第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展RDWD4: MOVA,26H MOV R0,#45H LCALL SDWD RETRSET:MOVA,#04H ;- 1820复位- CLR XH MOV R7,#0FAH ; 250*4=1000uS DJNZ R7,$ SETB XH MOV R7,#06H ;24uS CLR CWAITL: JB XH,WH DJNZ R7,WAITL DJNZ ACC,WAITL

24、SJMP SHORTWH: MOV R7,#6FH WH1: ORL C,XH DJNZ R7,WH1 MOV R7,#6FH DJNZ R7,$SHORT: RET第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展WR:MOVR7,#8 ;- 向DS18B20发送8位数据-WLOP: RRC A CLR XH NOPMOV XH,C MOV R6,#1AH DJNZ R6,$ SETB XH DJNZ R7,WLOP RETRD: MOV R7,#8 ;- 读入DS18B20的8位信息-RLOP: CLR XH NOPSETB XH MOV C,XH;M

25、OV A,P1 MOV C,E0H MOV R6,#19H DJNZ R6,$ SETB XH RRC A DJNZ R7,RLOP RET第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展YS: MOVR3,#08H ;- 延时延时1秒秒-YS1: MOV R4,#0FFHYS2: MOV R5,#0FFH DJNZ R5,$ DJNZ R4,YS2 CPL WDI DJNZ R3,YS1 RETRD18BH: LCALL RSET ;读取读取1820芯片的芯片的64位编号信息位编号信息 JNC RD18BH MOV R0,#08H ;读入读入08H开始

26、的开始的8个单元个单元 MOV A,#33H LCALL WR ;发读编号命令发读编号命令 MOV R2,#8BH: LCALL RD MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,BH MOV R4,#00H MOV R2,#08H MOV R1,#08H LCALL WR_DA1 ;写入写入E2中中 RET第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展DS18B20 的C51程序编程如下：/-函数声明，变量定义-#includesbit DQ=P10; /将p1.0口模拟时钟输出#define jump_ROM 0 xCC /跳过ROM命令#de

27、fine start 0 x44 /启动转换命令#define read_EEROM 0XBE /读存储器命令unsigned char TMPH,TMPL; /温度值/-/函数名称：delay/入口参数：N/函数功能：延时字程序。实现（16*N+24）us的延时/系统采用11.0592MHz的时钟时,延时满足要求,其他情况需要改动/-void delay(unsigned int N)int i;for(i=0;iN;i+);第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展/-/函数名称：Reset/入口参数：无/返回 deceive_ready/函数

28、功能：复位/-unsigned char Reset(void) unsigned deceive_ready; DQ=0; /拉低DQ线 delay(29); /延时至少480-960us DQ=1; /将DQ线设置位逻辑高 delay(3); /延时等待deceive_ready响应 deceive_ready=DQ; /采样deceive_ready信号 delay(25); /等待结束信号 return(deceive_ready); /有deceive_ready信号返回0，否则返回1第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展/-/函数名

29、称：read_bit/入口参数：无/返回接收数据/函数功能：读bit子程序/-unsigned char read_bit(void)unsigned char i;DQ=0; /拉低DQ线开始时序DQ=1; /升高DQ线for(i=0;i3;i+); /延时至时序开始15usreturn(DQ); /返回DQ值第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展/-/函数名称：write_bit/入口参数：bitval/函数功能：写1 bit子程序/-void write_bit(unsigned char bitval)DQ=0; /拉低DQ线开始时序i

30、f(bitval=1)DQ=1; /如果写逻辑为高delay(5); /延时DQ=1; /升高DQ线第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展/-/函数名称：write_byte/入口参数：val/函数功能：写1byte子程序/-void write_byte(unsigned char val)unsigned char i,temp;for(i=0;ii;temp=temp&0 x01;write_bit(temp);delay(5);第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展/-/函数名称

31、：read_byte/返回接收数据 value/函数功能：读一个byte子程序/-unsigned char read_byte(void)unsigned char i,m=1,receive_data=0; /初始化for(i=0;i8;i+) if(read_bit() receive_data=receive_data+(m1); /每读一位数据，左移一位 delay(6); /延时至时序结束 return(receive_data); /返回value第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展/-/函数名称：main/函数功能：主函数/-

32、void main() Reset(); write_byte(jump_ROM); /发跳过ROM命令 write_byte(start); /发启动转换命令 Reset(); write_byte(jump_ROM); /发跳过ROM命令 write_byte(read_EEROM); TMPL=read_byte(); /读低8位温度值 TMPH=read_byte(); /读高8位温度值 第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展3.43.4压力数据采集元件设计压力数据采集元件设计 压力是工程中重要的技术参数。压力测量的基本方法压力是工程中

33、重要的技术参数。压力测量的基本方法大致分成两大部分。即静态压力测量与动态压力测量。主大致分成两大部分。即静态压力测量与动态压力测量。主要采用的测量方法有以下几种。要采用的测量方法有以下几种。 1.1.弹性形变法：压力测量中，利用测压弹性元件受力弹性形变法：压力测量中，利用测压弹性元件受力变形的原理，将压力转换成位移。变形的原理，将压力转换成位移。 2.2.液体压力平衡法：基于流体静力学原理，被测压力液体压力平衡法：基于流体静力学原理，被测压力与液体产生的传递压力相平衡，从而测出被测压力。与液体产生的传递压力相平衡，从而测出被测压力。 3.3.电测法：利用某些敏感元件的物理效应与压力的关电测法：

34、利用某些敏感元件的物理效应与压力的关系，把被测压力转换成电量进行测量。系，把被测压力转换成电量进行测量。第第3 3章章 数据采集接口设计数据采集接口设计第4章 MCS-51单片机系统功能的扩展3.4.13.4.1压力数据采集元件的结构和工作原理压力数据采集元件的结构和工作原理 几乎所有的压力传感器都有三个基本部分构成：感压部分；几乎所有的压力传感器都有三个基本部分构成：感压部分；转换部分；激励部分。转换部分；激励部分。一、电阻式应变片一、电阻式应变片 在金属丝的两边受到轴向力在金属丝的两边受到轴向力F F而被拉伸而被拉伸( (或压缩或压缩) )时，将产时，将产生机械形变，使电阻发生变化。这种导体的电阻值随应力变