DZ254廢水處理微機(jī)控制系統(tǒng)

DZ254廢水處理微機(jī)控制系統(tǒng),dz254,廢水處理,微機(jī),控制系統(tǒng) 長 春 工 業(yè) 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文題 目 廢水處理微機(jī)控制系統(tǒng) 學(xué) 院 電氣與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化 0112 班 指導(dǎo)教師 蒲春華 姓 名 趙發(fā)才 年 月 日 長 春 工 業(yè) 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文題 目 廢水處理微機(jī)控制系統(tǒng) 學(xué) 院 電氣與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化 0112 班 指導(dǎo)教師 蒲春華 姓 名 趙發(fā)才 年 月 日指導(dǎo)教師簽字：年 月 日評(píng)閱人簽字：年 月 日摘 要廢水中和值控制系統(tǒng)是通過控制電石渣的流量，使電石渣與給定流量的酸性廢水中和后的值穩(wěn)定在 7 附近。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)核心為單片微型計(jì)算機(jī)，其控制過程是：從測電石渣的流量計(jì)和測量 PH 值的 PH 計(jì)出來的電流信號(hào)經(jīng)過 I/V 變換后，將電壓信號(hào)送入 A/D 把模擬量變?yōu)閿?shù)字量后送入 8031，經(jīng)程序處理后再將信號(hào)送入D/A，再由 V/I 變換把電流信號(hào)送給調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)節(jié)電石渣的流量，以保證 PH 值穩(wěn)定于 7。本系統(tǒng)采用串級(jí)控制，內(nèi)環(huán)控制電石渣的流量，時(shí)間為 1 秒；外環(huán)控制 PH 值，時(shí)間為 4 秒。對(duì)電石渣流量進(jìn)行采樣，一般可采三次，當(dāng)采集過后達(dá)到一定時(shí)間時(shí)，再對(duì)PH 值進(jìn)行顯示，如果顯示的 PH 值在 7 附近波動(dòng)較大時(shí)，則相應(yīng)地調(diào)整電石渣的流量，使值穩(wěn)定于 7，以便于達(dá)到最佳效果。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 調(diào)節(jié)流量 穩(wěn)定 PH 值Title The Controlling System of The Waste WaterAbstractThis controlling system of the waste water neutralizes ph value makes the ph value which is produced by the way that carbide dregs neutralize the acid waste water of given rate of flow stabilized around 7 by controlling the rate of flow of the carbide dregs .The system is core of hardware is MCS-51microcomputor，Its controlling process is the signal which come from the measure of ph and rate of flow change by I/V, and send the signal to 8031,because the signal is small , and magnify it by 4558.At last, we send the signal which will be changed by V/I to the valve, thus it can control the rate of flow and convenient for stabilizing the ph value. The system uses serial controlling system, the small annuals controls the rate of flow of the carbide dregs，the big annuals controls the ph value, the time are one minute and four minutes. It can sample the carbide dregs rate of flow ,later it will show the ph value .If the showing of ph value fluctuates strong around 7,we can gear correspondingly the carbide dregs rate of flow ,which make ph value stabilized around 7,thus it can be better .Keywords ：Single-Chip，control the rate of flow ,stabilize the ph value目 錄第一章 緒論………………………………………………………………………1第二章 控制方案的確定及方案論證………………………………………32．1 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)………………………………………………………………32．2 系統(tǒng)串級(jí)控制方案的確定………………………………………………… 4第三章 控制算法的確定………………………………………………………63．1 數(shù)字 PID 控制技術(shù)…………………………………………………………63．2 PID 參數(shù)的整定……………………………………………………………8第四章 控制系統(tǒng)的硬件選擇…………………………………………………114．1 單片機(jī)的發(fā)展趨勢…………………………………………………………114．2 單片機(jī)的選擇………………………………………………………………124．3 單片機(jī)芯片的引腳描述……………………………………………………134. 4 單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)………………………………………………………154．4.1 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)…………………………………………………154．4.2 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)………………………………………………………164. 5 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展…………………………………………………………………164.5.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展……………………………………………………164.5.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展……………………………………………………194．6 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇…………………………………………………………194．7 D/A 轉(zhuǎn)換器的選擇…………………………………………………………224．8 電壓/電流的轉(zhuǎn)換……………………………………………………………254．9 電流/電壓的轉(zhuǎn)換………………………………………………………………264．10 傳感器的選擇………………………………………………………………274．10.1 PH 計(jì)的選擇…………………………………………………………274．10.2 流量計(jì)的選擇…………………………………………………………314．11 調(diào)節(jié)閥的選擇…………………………………………………………………324．12 顯示器的選擇…………………………………………………………………32第五章 軟件設(shè)計(jì)…………………………………………………………………365.1 主程序的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………365.2 中斷程序的設(shè)計(jì)……………………………………………………………375.3 PID 算法程序的設(shè)計(jì)………………………………………………………405.4 標(biāo)度變換子程序的設(shè)計(jì)…………………………………………………………40第六章 抗干擾的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………42 6.1 主要干擾渠道…………………………………………………………………426.2 供電系統(tǒng)干擾…………………………………………………………………426.3 過程通道干擾…………………………………………………………………436.4 空間干擾………………………………………………………………………436.5 印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì)……………………………………………………436.6 軟件的抗干擾設(shè)計(jì)……………………………………………………………44致謝 ……………………………………………………………………………………45參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………46附錄 A 程序清單…………………………………………………………………………47附錄 B 程序流程圖…………………………………………………………………………56附錄 C 硬件電路圖…………………………………………………………………………571Introduction to DC MachinesDC machines are characterized by their versatility．By means of various combinations of shunt，series，and separately excited field windings they can be designed to display a wide variety of volt-ampere or speed-torque characteristics for both dynamic and steady- state operation．Because of the ease with which they can be controlled，systems of DC machines are often used in applications requiring a wide range of motor speeds or precise contro1 of motor output．The essential features of a DC machine are shown schematically．The stator has Salient poles and is excited by one or more field coils. The air-gap flux distribution created by the field winding is symmetrical about the centerline of the field poles． This axis is called the field axis or direct axis．As we know，the．AC voltage generated in each rotating armature coil is converted to DC in the external armature terminals by means ofnl，the m．m．f．F 2 rotates in the direction opposite to the rotor rotation and，when interacting with m．m．f．F l，develops the electromagnetic torque directed against emMrotor rotation．Consequently，torque is a retarding torque。and the eminduction machine operates as a generator．To construct the vector diagram of an induction generator，let US lay off the main fluxvector in the positive direction on the abscissa m?axis．The current vector I。and the e．m．f．vector El=E’2will then occupy their usual positions on the diagram，but the current vector 2'Iwill now be in the second and not in the third quadrant as would be the case for the motor operating condition．The primary current = —1m．The voltage across the stator terminals is Vl= 一 El+ ．The angle2'I 1ZI>90°，i．e． ，the electric power of the machine inegative．This means 1?that at the conditions considered above the mechanical power delivered to the induction machine from the primary mover is converted into electric power and is supplied to the circuit．The magnetic flux is produced in the induction generator by the m?14magnetising current For this purpose synchronous generators are used mIto feed the external circuit together with the induction generator．Since current Im amounts to from 25％to 45％of and is fed to the generator at nIcircuit voltage，the excitation power(in kVA)amounts to the same 25％to 45％of the rating of the generator．In other words，if 2 to 4 induction generators of equal output are installed in a power station，their excitation will take the full output of one synchronous generator of the same capacity as each of the induction generators．Recall that the power of excitation of a large synchronous generator is less that 1％．This difference in excitation power being unfavourable for the induction generator is its essential drawback as compared with the synchronous generator．In addition，the current lags the voltage by practically mI90°．Consequently，parallel operation of induction and synchronous generators results in a considerable loss in power factor(cos )of the ?latter even when the external load is purely active．The connection of an induction generator to the circuit does not present any difficulties．The rotor is run in the same direction in which the flux is rotating at a speed as close as possible to synchronism．When the generator is connected to the circuit the same phenomena arise as when transformers or induction motors are connected．A change in active power supplied by the generator to the circuit，as in synchronous generators，is achieved by varying the mechanical power applied to the generator shaft．The efficiency of an induction generator is not lower than that of a synchronous generator。In practice induction generators are used only in low—power stations，most frequently in automatic hydropower stations and wind—driven installations．If the induction generator is to work alone into an external circuit，the magnetising current may be obtained id the process of self—excitation of the induction generator．For this purpose it is necessary to connect to the stator terminals a battery of chosen condensers and run the rotor at required speed．The indispensable condition for self—excitation of the induction generator．For this purpose it is necessary to connect to the stator terminals a battery of chosen condensers and run 15the rotor at required speed．The indispensable condition for self—excitation of the induction generator is the presence of a residual magnetic flux in the rotor steel．With the external circuit disconnected from the stator，the residual magnetic flux creates a certain resid?e．m．f． in the stator winding，the effect of which is to cause residEcurrent to flow into the condenser battery，thus strengthening fluxcI．The process then proceeds in the same way as in the case of self—resid?excitation of D．C．shunt generators．The most costly part of induction self—excited generator installations is the condenser battery，that is why such generators have not obtained wide use．C)Electromagnetic brake conditions．If we continue to load a motor more and more，its speed will decrease and then，when the load torque exceeds the maximum torque，the motor will stall．After this，we may run the rotor opposite the field with the help of some auxiliary motor．We have previously agreed to call these operating conditions electromagnetic brake conditions．Since the speed in these conditions should be assumed to be negative，then ln1，磁勢 F2以與18轉(zhuǎn)子相反方向的 轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其與定子磁勢 F1相互作用時(shí)，便產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩 Mem。因此，該轉(zhuǎn)矩 Mem為阻轉(zhuǎn)矩，感應(yīng)電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。為了繪出感應(yīng)發(fā)電機(jī)的向量圖，我們將主磁通向量 置于橫軸的正方向上，m?那么電流 向量 Im和電勢向量 1= 在向量圖上將仍處于原位置，但電流向量 現(xiàn)E'2 '2I在是處于第二象限而不是處于作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的第三象限。原邊電流 I1=Im－ 。定子'兩端電壓為 Vl=－E l+I1Z1。相位角 >90°，即電機(jī)的電功率為負(fù)。這就是說在上述1?討論的運(yùn)行狀態(tài)下，由原動(dòng)機(jī)提供給感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械功率已轉(zhuǎn)換成電功率且送入了電網(wǎng)。在感應(yīng)發(fā)電機(jī)中，磁通 。是由激磁電流 Im產(chǎn)生的。為此目的，需由同步發(fā)m?電機(jī)與感應(yīng)發(fā)電機(jī)一道向電網(wǎng)供電。由于激磁電流 Im的數(shù)量為額定電流的In25％～45％，且是在網(wǎng)上電壓下供電，因此激磁功率的大小也為發(fā)電機(jī)額定功率的 25~45％，換句話說，若由相同容量的 2～4 臺(tái)感應(yīng)發(fā)電機(jī)建立一電站，那么激磁容量便占據(jù)了與感應(yīng)電機(jī)單機(jī)相同的一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的滿載輸出。而大型同步發(fā)電機(jī)的激磁功率不到額定功率的 1％。感應(yīng)電機(jī)的這種所需激磁功率較大方面的差值是與同步發(fā)電機(jī)相比的主要缺點(diǎn)。除此之外，激磁電流 Im。滯后電壓接近 90°，因此，盡管當(dāng)外電路負(fù)載為完全的純電阻時(shí)，仍然會(huì)在與感應(yīng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生由于滯后的功率因數(shù)而引起的可觀的損耗。感應(yīng)發(fā)電機(jī)并人電網(wǎng)不存在任何困難。其轉(zhuǎn)子與磁通同方向旋轉(zhuǎn)，且盡可能接近同步。當(dāng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，其物理現(xiàn)象與當(dāng)變壓器或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)接到電網(wǎng)上時(shí)是一樣的。與同步發(fā)電機(jī)一樣，由發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供的有功功率的變化是通過調(diào)節(jié)施加于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械功率來實(shí)現(xiàn)的。感應(yīng)發(fā)電機(jī)的功率并不比同步發(fā)電機(jī)的效率低。在實(shí)際運(yùn)用中，感應(yīng)發(fā)電機(jī)只是用于小功率電站，其中尤其是無人值守的水電站和風(fēng)力發(fā)電裝置更為常用。如果感應(yīng)發(fā)電機(jī)要接負(fù)載單獨(dú)運(yùn)行，勵(lì)磁電流可在感應(yīng)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過程中得到。為此目的，必須在定子端聯(lián)接一組經(jīng)選定的電容器，并且將轉(zhuǎn)子拖至所需的轉(zhuǎn)速。感應(yīng)發(fā)電機(jī)自勵(lì)的必要條件是在轉(zhuǎn)子鐵芯中必須有剩磁。當(dāng)負(fù)載電路還未與定子端相聯(lián)時(shí)，剩磁磁通 φ resid在定子繞組中產(chǎn)生的剩磁電勢 Eresid便產(chǎn)生一流向電容器組的電流 Ic，這樣便加強(qiáng)了磁通 φ resid。隨后的過程便與直流并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過程的情形是一樣的。自勵(lì)感應(yīng)發(fā)電機(jī)組中最費(fèi)錢的部分是電容器組，這便是該類發(fā)電機(jī)不能得到廣泛運(yùn)用的原因所在。c)電磁制動(dòng)狀態(tài)。如果繼續(xù)向電動(dòng)機(jī)施加越來越多的負(fù)載，其轉(zhuǎn)速將下降，而后當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過其最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)將停轉(zhuǎn)。從這時(shí)后便可借助某一輔助電動(dòng)機(jī)令主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子朝磁場相反的方向運(yùn)轉(zhuǎn)。前面我們已經(jīng)約定，稱該運(yùn)行狀態(tài)19為電磁制動(dòng)狀態(tài)。由于該狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速 n應(yīng)該假定為負(fù)，因此 s的范圍便為 l2fmax，但由于被控對(duì)象的物理過程及參數(shù)的變化比較復(fù)雜，致使模擬信號(hào)的最高頻率 fmax 很難確定，所以，采樣周期的選擇需根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況綜合考慮多種因素來決定。1、從系統(tǒng)控制品質(zhì)的需求來看，希望采樣周期取小些這樣在連續(xù)系統(tǒng) PID 整定參數(shù)時(shí)可得到較好的控制效果。2、從執(zhí)行元件的要求來看，對(duì)于執(zhí)行速度較慢的執(zhí)行器，要求采樣周期不能過小。3、從對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性和抗干擾性來看，采樣周期要短些。4、當(dāng)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間 τ 與被控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù) Tc 相比有 τ≥0。5T 時(shí)， 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文9通常認(rèn)為是大滯后系統(tǒng)，這時(shí)，選采樣周期 T 等于或接近 τ。5、從計(jì)算的精度考慮，采樣周期 τ 不能過小，過小將使前后兩次采樣值反映不出差別，使調(diào)節(jié)作用減弱。6、從微型機(jī)的工作量考慮，采樣周期 T 應(yīng)大些。特別是控制回路較多，計(jì)算量較大時(shí)，要使每個(gè)回路有足夠的計(jì)算時(shí)間。可見，采樣周期的選擇涉及到很多因素，有些是相互制約和矛盾的。實(shí)際中需要考慮上述原則，根據(jù)具體情況和主要要求作出適當(dāng)?shù)恼壑小＃ǘ?PID 參數(shù)的整定1、臨界比例度法這是一種通過臨界穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)來整定 PID 參數(shù)的常用的工程方法之一。所謂比例度就是比例增益的倒數(shù) δ=1/Kp.這一方法的步驟：（1）選擇一個(gè)足夠短的采樣周期 Tmin（2）選用純比例控制，給定值 γ 作階躍擾動(dòng)，將比例度由小到大，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩。此時(shí)的比例度稱為臨界比例度，對(duì)應(yīng)的震蕩周期稱為臨界震蕩周期。2、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法這一方法適用于多容量自平衡系統(tǒng)，其步驟如下：（1）斷開控制器，在系統(tǒng)的開環(huán)狀態(tài)下，求出階躍響應(yīng)曲線。（2）在曲線的最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間 τ，對(duì)象時(shí)間常數(shù) Tc 和放大倍數(shù) K。3、試湊法試湊法是從一組初始數(shù)據(jù)出發(fā)，通過閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的運(yùn)行效果，根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)本質(zhì)的定性影響，反復(fù)試湊修改參數(shù)，直到結(jié)果滿意為止。PID 各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的定性影響。（1）增益 KP 與系統(tǒng)快速性成正比，與系統(tǒng)的靜差成反比。但 KP 過大將使系統(tǒng)超調(diào)過大振蕩加劇，穩(wěn)定性變壞。（2）積分時(shí)間 Ti 有利于減小超調(diào)和振蕩。有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，但消除靜差的過程將加長。（3）微分時(shí)間 Td 與系統(tǒng)快速性成正比，并能使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但抗干擾性將變差。根據(jù)上述結(jié)論，可按如下步驟對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，再微分的整定步驟。（1）采用比例控制，Kp 由小變大。如果響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)、靜差已達(dá)到要求，則只需用比例控制即可，并由此確定比例增益系數(shù)。（2）如果靜差達(dá)不到要求，則加入積分控制。Kp 減小，例如每次減小到原來 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文10的 90%，積分時(shí)間 Ti 由大變小，反復(fù)試湊多組 Kp，Ti 只從中確定合適的參數(shù)。（3）如果動(dòng)態(tài)特性不滿足，則加入微分控制，Tα 由 0 增大，逐步試湊多組參數(shù)，從中找出最優(yōu)者。為了減小參數(shù)試湊的盲目性，表 3.2 給出對(duì)幾種常見過程變量 PID 控制參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)范圍可作為參數(shù)試湊的初值。由表 3.2 可見，其除溫度控制外，其他三種過程參數(shù)的控制一般都不用微分控制。表 3.2 PID 控制參數(shù)被調(diào)量特點(diǎn) Kp Ti(分) Td(分)流量 對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，并有噪聲，故 Kp 較小，Ti 較短，不用微分1～2.5 0.1～1溫度 對(duì)象為多容系統(tǒng)，有較大滯后，常用微分1.6～5 3～10 0.5～3壓力 對(duì)象為容量系統(tǒng)，滯后一般不大，不用微分1.4～3.5 0.4～3在 PID 控制中，比例、積分、微分三部分參數(shù)具有一定的互補(bǔ)性，往往某一參數(shù)的減小可由其他參數(shù)的增加來補(bǔ)償，所以不同的參數(shù)往往可以達(dá)到相同的控制效果。對(duì)實(shí)際應(yīng)用來說，只要控制效果已達(dá)到要求，就可以確定對(duì)應(yīng)的 PID 參數(shù)。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文11第 四 章 控制系統(tǒng)的硬件選擇4.1 單片機(jī)的發(fā)展趨勢現(xiàn)在可以說單片機(jī)是百花齊放，百家爭鳴的時(shí)期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī)，從 8 位、16 位到 32 位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流 C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補(bǔ)，為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地?？v觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢，大致有：⑴低功耗 CMOS 化MCS-51 系列的 8031 推出時(shí)的功耗達(dá) 630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在 100mW 左右，隨著對(duì)單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。象 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和 CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS 雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而 CHMOS 則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。⑵微型單片化現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(RAM)、只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、PWM (脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機(jī)將 LCD(液晶)驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。⑶主流與多品種共存現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以 80C51 為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品，ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺(tái)灣的 Winbond 系列單片機(jī)。所以 C8051 為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而Microchip 公司的 PIC 精簡指令集(RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，中國臺(tái)灣的HOLTEK 公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，與其低價(jià)質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機(jī)。在一定的時(shí)期內(nèi)， 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文12這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)，相輔相成、共同發(fā)展的道路。4.2 單片機(jī)的選擇美國 Intel 公司繼 1976 年推出 MCS-48 系列單片機(jī)后，1980 年又推出了 MCS-51系列高檔 8 位單片機(jī)。由于 MCS-51 單片機(jī)是在 MCS-48 的基礎(chǔ)上推出的增強(qiáng)型產(chǎn)品，它的出現(xiàn)直接與 HMOS 工藝有關(guān)，并提高了芯片的集成度，因而后者比前者在性能上大為提高，增加了多種片內(nèi)硬件功能，并擴(kuò)展了功能單元的種類和數(shù)量。MCS-51 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)有如下一些主要特點(diǎn)：⑴內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量⑵輸入/輸出口MCS-51 單片機(jī)內(nèi)的 I/O 口的數(shù)量和種類較多且齊全，尤其是它有一個(gè)全雙工的串行口。⑶外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間MCS-51 可對(duì) 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址且不受該系列中各種芯片型號(hào)的影響，而對(duì)程序存儲(chǔ)器是內(nèi)外總空間為 64KB.⑷中斷與堆棧MCS-51 有 5 個(gè)中斷源，分為 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)是可編程的，它的堆棧位置也是可編程的，堆棧深度可達(dá) 128 字節(jié)。而 MCS-48 只有不分優(yōu)先級(jí)的 2個(gè)中斷源，且堆棧設(shè)置在片內(nèi) RAM 的 16 個(gè)字節(jié)的固定單元內(nèi)。⑸定時(shí)/計(jì)數(shù)器與寄存器區(qū)MCS-51 子系列有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，通過編程可以實(shí)現(xiàn)四種工作模式。MCS-52 子系列有 3 個(gè) 16 位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。而 MCS-48 只有一個(gè) 8 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。MCS-51 在內(nèi)部 RAM 中開設(shè)了四個(gè)通用工作寄存器區(qū)，共 32 個(gè)通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的要求。而 MCS-48 的內(nèi)部 RAM 中只有兩個(gè)通用工作寄存器區(qū)，每個(gè)寄存器區(qū)包含 8 個(gè) 8 位寄存器。⑹指令系統(tǒng)MCS-51 有一個(gè)比 MCS-48 功能強(qiáng)得多的指令系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在 MCS-51 的指令系統(tǒng)中增添了減法、乘法、除法、比較、堆棧操作和多種位操作指令。當(dāng)振蕩器頻率接最高 12MHZ 時(shí)，大部分指令執(zhí)行時(shí)間為 1μs，少部分為 2μs，乘除指令的執(zhí)行時(shí)間也只有 4μs。⑺布爾處理器特別值得一提的是 MCS-51 的布爾處理器。它實(shí)際上是一個(gè)完整的一個(gè)微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位微機(jī)有自己的 CPU ,位寄存器、I/O 口和指令集。把八位微機(jī)和一位微機(jī)結(jié) 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文13合在一起是微機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破。一位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真和實(shí)時(shí)測控方面非常有效，而八位機(jī)在運(yùn)算處理、智能儀表常用的數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長處。在 MCS-51 系列單片機(jī)中八位機(jī)和一位機(jī)（布爾處理器）的硬件資源是復(fù)合在一起的，二者相輔相成，這是 MCS-51 在設(shè)計(jì)上的精美之處，也是一般微機(jī)所不具備的。MCS-48 的內(nèi)部沒有布爾處理器。綜上就是 MCS-51 單片機(jī)的主要特點(diǎn)，顯然在性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于 MCS-48 系列。MCS-51 的這些優(yōu)良特性和較高的性能價(jià)格比就是它為什么能迅速在我國代替TP801,Z80,MCS-48 的根本原因，也是為什么 MCS-51 應(yīng)用熱經(jīng)久不衰的理由。因此在本課題中選擇 8031 為核心設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件線路圖。4.3 單片機(jī)芯片的引腳描述⑴主電源引腳 VCC和 VSSVCC-(40 腳)接+5V 電壓；VSS-(20 腳)接地。⑵外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2XTAL1（19 腳）接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，對(duì) HMOS 單片機(jī)，此引腳應(yīng)接地；對(duì) CHMOS 單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。XTAL2(18 腳)接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)，對(duì) HMOS 單片機(jī)，該引腳接外部振蕩器的信號(hào)，即把外部振蕩器的信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端；對(duì) CHMOS，此引腳應(yīng)懸浮。⑶控制或與其他電源復(fù)用引腳 RST/VPD、ALE/PROG,、PSEN 和 EA/VPP①RST/VPD(9 腳)：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。推薦在此引腳與 VSS引腳之間連接一個(gè)約 8.2kΩ 的下拉電阻，與 VCC引腳之間連接一個(gè)約 10μF 的電容，以保證可靠的復(fù)位。VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng) VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而 VPD 在其規(guī)定的電范圍內(nèi)，VPD 就向內(nèi)部 RAM 提供備用電源。②ALE/PROG(30 腳)：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE 端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。ALE 端可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型的 TTL 輸入電路。對(duì)于 EPROM 型的單片機(jī),在 EPROM 編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖. 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文14③PSEN(29 腳):此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào).在從外部程序存儲(chǔ)器取指令期間,每個(gè)機(jī)器周期兩次有效.但在此期間,每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn).PSEN 同樣可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS 型的 TTL 輸入.④EA/VPP(引腳):當(dāng) EA 端保持高電平時(shí),訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器,但在 PC 值超過0FFFH 或 1FFFH 時(shí),將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序.當(dāng) EA 保持低電平時(shí),則只訪問外部程序存儲(chǔ)器,不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器.對(duì)于常用的 8031 來說,無內(nèi)部程序存儲(chǔ)器,所以 EA 腳必須常接地,這樣才能只選擇外部程序存儲(chǔ)器.⑷輸入/輸出（I/O）引腳 P0、P1、P2、P3① P0 口(39 腳-32 腳):是雙向 8 位三態(tài) I/O 口,在外接存儲(chǔ)器時(shí),與地址總線的低 8 位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用,能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS TTL 負(fù)載.②P1 口(1 腳-8 腳):是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口.由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài),輸入也不能鎖存,故不是真正的雙向 I/O 口.P1 口能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS TTL 負(fù)載.對(duì)8052、8032,P1.0 引腳的第二功能為 T2 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的外部輸入,P1.1 引腳的第二功能為捕捉、重裝觸發(fā),即 T2 的外部控制端.對(duì) EPROM 編程和程序驗(yàn)證時(shí),它接收低 8位地址。③P2 口(21 腳-28 腳):是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口.在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí),它可以作為擴(kuò)展電路高 8 位地址總線送出高 8 位地址.在對(duì) EPROM 編程和程序驗(yàn)證期間,它接收高 8 位地址.可以驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS TTL 負(fù)載.④P3 口(10 腳-17 腳):是 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口,在 MCS-51 中,這 8 個(gè)引腳還用于專門功能,是復(fù)用雙功能口.P3 能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS TTL 負(fù)載.作為第一功能使用時(shí),就作為普通 I/O 口用,功能和操作方法與 P1 口相同.作為第二功能使用時(shí),各引腳的定義如圖所示.值得強(qiáng)調(diào)的是,P3 口的每一條引腳的定義均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能. 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文15圖 4.1 8031 引腳結(jié)構(gòu)圖4.4 單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)4.4.1 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)51 系列單片機(jī)通過 RST 片腳輸入復(fù)位信號(hào)。當(dāng) RST 保持個(gè)機(jī)器周期高電平就是先復(fù)位操作。CPU 測試到復(fù)位信號(hào)后在第二個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行一系列片內(nèi)復(fù)位操作，并且在 RST 變低前的每一個(gè)周期重復(fù)執(zhí)行。復(fù)位結(jié)束時(shí)，四個(gè)并行口（P0～P3）為全高，即可直接作第二功能使用，或作第一功能輸入信號(hào)。堆棧指針（SP）設(shè)為 07H，即通用寄存器 0 區(qū)未設(shè)成堆棧，這樣，寄存器 0 區(qū) R0～R7 與棧區(qū)不重迭。串行口緩沖寄存器 SBUF 內(nèi)容不定。其他所有控制位，標(biāo)志位全部為零。按鍵復(fù)位操作不影響片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（用戶 RAM）00～7FH 各單元。如果斷電后再上電復(fù)位，則用戶 RAM 內(nèi)容不確定。RET 片腳也是雙功能的。除復(fù)位外，另一功能是在斷電時(shí)，通過 RST/Vpd 片腳引入備用電源。利用這一特性，在檢測到電源即將短開時(shí)，擁護(hù)系統(tǒng)應(yīng)中斷，把有關(guān)數(shù)據(jù)送到片內(nèi) RAM 保護(hù)，并在單片機(jī)正常電源 Vcc 下降到操作允許極限之前把備用電源加到 RST/Vpd，單片機(jī)進(jìn)入掉電運(yùn)行方式，備用電源向片內(nèi) RAM 供電。這樣單片機(jī)雖然不能工作，但能保存信息。當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，Vpd 應(yīng)保持到片內(nèi)振蕩電路開始正常工作再加 2 個(gè)機(jī)器周期以完成復(fù)位操作后才可撤消。對(duì)于一般 51 系列單片機(jī)只有上述掉電運(yùn)行方式，而對(duì)于 CMOS 工藝制作的 51 系列單片機(jī)則具有更完善的掉電保護(hù)功能。圖 4.2 8031 與復(fù)位電路接口4.4.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文168031 片內(nèi)設(shè)有一個(gè)有反向放大器構(gòu)成的振蕩器，XTAL1 和 XTAL2 分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以有內(nèi)部方式產(chǎn)生和外部方式產(chǎn)生。在 XTAL1 和XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體可以在 1.2MHz 到 12MHz 之間選擇，電容值在5~30PF 之間選擇，電容的大小可起頻率微調(diào)作用。XTAL1 接地，XTAL2 接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率底于 12MHz 的方波信號(hào)。時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘信號(hào) P1 和 P2 供時(shí)鐘使用。P1 在每一個(gè)狀態(tài)的前半部分有效。P2 在每一個(gè)狀態(tài)的后半部分有效。時(shí)鐘電路如圖（4.3）所示：圖 4.3 時(shí)鐘電路接口4.5 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展4.5.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展MCS-51 的程序存儲(chǔ)器空間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲(chǔ)器尋址空間為 64K 字節(jié)（0000H～FFFFH）,其中 8051、8751 片內(nèi)包有 4K 字節(jié)的 ROM 或 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文17EPROM,8031 片內(nèi)不帶 ROM..當(dāng)片內(nèi) ROM 不夠用或采用 8031 芯片時(shí)，需擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。用作程序存儲(chǔ)器的器件是 EPROM 和 EEPROM.程序存儲(chǔ)器一般采用芯片 ，國內(nèi)一般無條件使用掩模，也極少使用，經(jīng)常使用的是芯片。由于 MCS-51 單片機(jī)的 P0 口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須利用地址鎖存器將地址信號(hào)從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開來。通常，地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八 D 鎖存器 74LS373 或 8282，也可以使用帶清除端的八 D 鎖存器 74LS273，地址鎖存信號(hào)為 ALE 。74LS373 和 8282 都是透明的帶有三態(tài)門的八 D 鎖存器。當(dāng)三態(tài)門的使能信號(hào)線 OE 非為低電平時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許 1Q～8Q輸出到 OUT1～8，當(dāng) OE 非端為高電平時(shí)，輸出三態(tài)門斷開，輸出線 OUT1～8 處于浮空狀態(tài)。G 稱為數(shù)據(jù)打入線，當(dāng) 74LS373 用作地址鎖存器時(shí)，首先應(yīng)使三態(tài)門的使能信號(hào) OE 非為低電平，這時(shí)，當(dāng) G 輸入端為高電平時(shí)，鎖存器輸出狀態(tài)和輸入端狀態(tài)相同；當(dāng) G 端從高電平返回到低電平時(shí)，輸入端的數(shù)據(jù)鎖入 1Q～8Q 的 8 位鎖存器中。當(dāng)用 74LS373 和 8282 作為地址鎖存器時(shí)，它們的鎖存控制端 G 和 STB 可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào)端 ALE 相連，在 ALE 下降沿進(jìn)行地址鎖存，而 74LS273 作為地址鎖存器時(shí)，單片機(jī) ALE 端輸出的鎖存控制信號(hào)必須經(jīng)反相器后才能連到74LS273 的 CLK 端，以滿足 CLK 在上升沿鎖存的要求。常用 EPROM 芯片介紹紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器 EPROM 可作為 MCS-51 單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器，其典型產(chǎn)品是 INTEL 公司的系列芯片 2716、2732、2764、27128、27256、27512 等。這些芯片上均有一個(gè)玻璃窗戶，在紫外光下照射 20 分鐘左右，存儲(chǔ)器中的各位信息均變?yōu)?1，此時(shí)，可以通過編程器將工作程序固化到這些芯片中。① 2716EPROM2716 是 2K×8 位的紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，運(yùn)行時(shí)最大功耗為 252mW，維持功耗位 132mW，讀出時(shí)間最大位 450ns，24 腳雙列直插式封裝，其管腳配置如圖所示。其中 A0～A10 是地址線；O0～O7 是數(shù)據(jù)線；CE 非是片選線，低電平有效；OE 非是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp 是編程電源；Vcc 是工作電源。② 2732A EPROM2732A 是一種 4K×8 位的紫外線擦除電可編程知識(shí)讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，最大靜態(tài)工作電流位 100mA，維持電流為 35mA，讀出時(shí)間最大為 250ns。2732A 為 24線雙列直插式封裝。③ 2764A EPROM2764A 是 8K 字節(jié)的紫外線擦除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，工作電 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文18流為 75mA，維持電流為 35mA，讀出時(shí)間最大為 250ns，28 腳雙列直插式封裝。④ 27128A EPROM27128A 是 16K×8 位的紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，工作電流為 100mA，維持電流 40mA，讀出時(shí)間最大為 250ns，28 線雙列直插式封裝，各引腳含義如下：A0～A13 為地址線；O0～O7 為數(shù)據(jù)輸出線；CE 非為片選線；OE 非為數(shù)據(jù)輸出選通線；PGM 非為編程脈沖輸入端；Vpp 為編程電源。⑤ 7256 EPROM27256 是 64K×8 位的紫外線擦除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，工作電流為 100mA，維持電流為 40mA，讀出時(shí)間為 250ns，28 線雙列直插式封裝，其各引腳如下：A0～A14 是地址線；O0～O7 是數(shù)據(jù)輸出線；CE 非是片選線；OE 非是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp 是編程電源⑥ 27512 EPROM27512 是 64K×8 位的紫外線擦除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V 供電，工作電流最大 125mA，維持電流 40mA，讀出時(shí)間最大為 250ns。27512 為 28 線雙列直插式封裝，各引腳含義如下：A0～A15 為地址線；O0～O7 為數(shù)據(jù)輸出線；CE 非是片選線，OE 非/Vpp 是數(shù)據(jù)輸出選通/編程電源。圖 4.4 8031 與 27128 的接口圖 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文194.5.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展8031 單片機(jī)內(nèi)部具有 128 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，CPU 對(duì)內(nèi)部 RAM 具有豐富的操作指令，這個(gè) RAM 區(qū)是十分珍貴的資源，可作為工作寄存器，堆棧，軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。但在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，可利用外接 RAM 電路作為外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器地址重疊編號(hào)使用不同的控制信號(hào)和指令，但它于I/O 口以及外圍設(shè)備實(shí)行統(tǒng)一編址，任何擴(kuò)展 I/O 口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只使用 WR，RD 控制線而不用 PSEN。在本次設(shè)計(jì)中適用靜態(tài)RAM，靜態(tài) RAM 不必考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，且它與主機(jī)的硬件連接簡便，方便。圖 4.5 8031 與 6264 的接口圖6264 是 8K×8 位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片，采用 CMOS 工藝制作，單一+5V 電源，額定功耗 165mw，典型存取時(shí)間為 200ns，24 線雙列直插式封裝，其管腳與邏輯符號(hào)如上圖所示。A0~A12 為片內(nèi) 13 位地址線，D0~D7 為 8 位數(shù)據(jù)線 CE 為片選信號(hào)，OE 為讀允許信號(hào)線，WE 為寫信號(hào)線。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路與程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路相似，所用的地址線，數(shù)據(jù)線完全相同，讀，寫控制線用 WR，RD 但要考慮的問題比程序存儲(chǔ)器涉及的問題要多，如I/O 口擴(kuò)展的統(tǒng)一編址問題。4.6 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇在單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制和智能化儀表等應(yīng)用系統(tǒng)中，常需要將檢測到的連續(xù)變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，才能輸入到單片機(jī)微機(jī)中進(jìn)行處理。然后再將處理結(jié)果的數(shù)字量經(jīng) D/A 變換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，實(shí)現(xiàn) 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文20對(duì)被控對(duì)象的控制。實(shí)現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量的設(shè)備稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。A/D 轉(zhuǎn)換器按照輸出代碼的有效位數(shù)分為 4 位、6 位、8 位、10 位、12 位、16位等；按照轉(zhuǎn)換速度可以分為超高速、高速、中速、低速等幾種不同轉(zhuǎn)換速度的芯片。A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)：⑴如何確定 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)A/D 轉(zhuǎn)化器的位數(shù)的確定與整個(gè)測量控制系統(tǒng)所要測量控制的范圍和精度有關(guān)，但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度。因?yàn)橄到y(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)較多，包括傳感器變換精度、信號(hào)預(yù)處理電路精度和 A/D 轉(zhuǎn)換器及輸出電路、伺服機(jī)構(gòu)精度，甚至還包括軟件控制算法。然而估算時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。實(shí)際選取的 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)與其他環(huán)節(jié)所能達(dá)到的精度相適應(yīng)。只要不低于它們就行，選得太高既沒有意義，而且價(jià)格還要高得多。對(duì)轉(zhuǎn)換器位數(shù)的另一點(diǎn)考慮是如果微處理器是 8 位的，采用 8 位以下的轉(zhuǎn)換器，其接口電路最簡單。因?yàn)榻^大部分集成轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出都具有電平，而且數(shù)據(jù)輸出寄存器具有可控三態(tài)輸出功能，可直接掛在數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)采用 8 位以上的轉(zhuǎn)換器時(shí)，就要加緩沖器接口，數(shù)據(jù)要分兩次讀出。假如微處理器是 16 位的，采用多少位的轉(zhuǎn)換器都一樣。綜上所述，因此該課題選擇 8 位以下的，如 ADC0809。⑵如何確定 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率A/D 轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時(shí)間，這就是 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間；其倒數(shù)就是每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。用不同原理實(shí)現(xiàn)的 A/D 轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換時(shí)間是大不相同的?？偟膩碚f，積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度較慢，轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾毫秒到幾十毫秒不等，只能構(gòu)成低速 A/D 轉(zhuǎn)換器，一般適用于對(duì)溫度、壓力、流量等緩變參量的檢測和控制。逐次比較型的 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間可從幾微秒到 100 微秒左右，屬于中速A/D 轉(zhuǎn)換器，常用于工業(yè)多通道單片機(jī)控制系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。⑶如何決定是否要加采樣保持器原則上直流和變化非常緩慢的信號(hào)可不用采樣保持器。其他情況都要加采樣保持器。根據(jù)分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、信號(hào)帶寬關(guān)系可得到如下數(shù)據(jù)作為是否要加采樣保持器的參考：如果 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間是 100ms、ADC 是 8 位時(shí)、沒有采樣保持器時(shí)，信號(hào)的允許頻率是 0.12HZ；如果 ADC 是 12 位，該頻率為 0.0077HZ。如果轉(zhuǎn)換時(shí)間是 100μs，ADC 是 8 位時(shí)，該頻率為 12HZ，12 位時(shí)是 0.77HZ。⑷工作電壓和基準(zhǔn)電壓有些早期設(shè)計(jì)的集成 A/D 轉(zhuǎn)換器需要±15V 的工作電壓，最近開發(fā)的產(chǎn)品可在+12V～+15V 范圍內(nèi)工作，這就需要多種電源。如果選擇使用單一＋5V 工作電壓的芯片，與單片機(jī)系統(tǒng)可共用一個(gè)電源就比較方便。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文21基準(zhǔn)電源是提供給 A/D 轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換時(shí)所需要的參考電壓，這是為保證轉(zhuǎn)換精度的基本條件。在要求較高精度時(shí)，基準(zhǔn)電壓要單獨(dú)用高度穩(wěn)定電源供給。⑸正確選用 A/D 轉(zhuǎn)換器有關(guān)量程的引腳A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入有時(shí)需要是雙極性的，有時(shí)是單極性的。輸入信號(hào)最小值有從零開始，也有從非零開始的。有的 A/D 轉(zhuǎn)換器提供了不同的量程的引腳，只有正確使用，才能保證轉(zhuǎn)換精度。有些 A/D 轉(zhuǎn)換器如 ADC0809 提供有兩個(gè)參考電壓引腳，一個(gè)為 REF(+)，另一個(gè)為 REF(-)。通常情況下，可將 REF(-)接地。當(dāng)輸入的模擬量不是從零開始，最大值也不是滿量程時(shí)，就可利用這兩個(gè)參考電壓引腳連成。例如輸入模擬量來自壓力傳感器，壓力為零時(shí)模擬量電壓為 1.25V；壓力為額定值時(shí)模擬電壓值為 3.75V。使用對(duì)稱參考電壓接法，則可使壓力為零時(shí)的 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出字為 00H，壓力為額定值時(shí)輸出字為 FFH。此種接法可提高測量精度。綜上，該課題選擇 ADC0809ADC0809 片內(nèi)帶有鎖存功能的 8 路模擬多路開關(guān)，可對(duì) 8 路 0～5V 的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻 T 型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器 SAR、控制與時(shí)序電路等。輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。分辨率為 8 位。最大不可調(diào)誤差 ADC0809 小于±1LSB.單一+5V 供電，模擬輸入范圍為 0～5V.具有鎖存控制的 8 路模擬開關(guān)?？涉i存三態(tài)輸出，輸出與 TTL 兼容。功耗為 15 兆瓦.不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。芯片引腳功能如下：IN0～I(xiàn)N7:8 路輸入通道的模擬量輸入端口。2-1-2-8:8 位數(shù)字量輸出端口。START,ALE:START 為啟動(dòng)控制輸入端口，ALE 為地址鎖存控制信號(hào)端口。這兩個(gè)信號(hào)端可連接在一起，當(dāng)通過軟件輸入一個(gè)正脈沖，便立即啟動(dòng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。EOC,OE:EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)脈沖輸出端口，OE 為輸出允許控制端口。這兩個(gè)信號(hào)也可連接在一起表示模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE 端的電平由低變高，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。REF(+),REF(-),VCC,GND:REF(+)和 REF(-)為參考電壓輸入端，V CC為主電源輸入端，GND 為接地端。一般 REF(+)與 VCC連接在一起，REF(-)與 GND 連接在一起。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文22CLK:時(shí)鐘輸入端ADDA,B,C:8 路模擬開關(guān)的三位地址選通輸入端，以選擇對(duì)應(yīng)的輸入通道。其對(duì)應(yīng)的輸入通道。圖 4.6 A/D 轉(zhuǎn)換器的接法4.7 D/A 轉(zhuǎn)換器的選擇在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常要用到模擬輸出，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)就是一種把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)的器件。實(shí)際上，D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的電量并不真正能連續(xù)可調(diào)，而是以所用 D/A 轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)分辨率為單位增減，所以這實(shí)際上是準(zhǔn)模擬量輸出。為了滿足計(jì)算機(jī)的總線控制要求，適應(yīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在 D/A 轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)增加了一些計(jì)算機(jī)接口相關(guān)電路及引腳，其結(jié)構(gòu)特征是：具有數(shù)字輸入鎖存功能電路，能和 CPU 數(shù)據(jù)總線直接相連；帶有數(shù)據(jù)寄存器及 D/A 轉(zhuǎn)換控制端，CPU 可直接控制數(shù)字量的輸入和轉(zhuǎn)換；與 CPU 相同的單一+5V 電源供電。這類芯片適用于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的 D/A 接口，故稱這類芯片為與微處理器完全兼容的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片。這類芯片主要有：⑴DAC0830 系列。DAC0830 系列為美國 National Semiconductor 公司生產(chǎn)的具有兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換芯片，該系列產(chǎn)品包括DAC0830、DAC0831、DAC0832，管腳完全兼容為 20 腳的雙列直插式封裝。