近年來，隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，他的應(yīng)用在人們的工作和日常生活中越來越普遍。工業(yè)過程控制是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。其中由單片機(jī)構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。現(xiàn)在可以毫不夸張的說，沒有微型計(jì)算機(jī)的儀器不能稱為先進(jìn)的儀器，沒有微型計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)不能稱其為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的時(shí)代已經(jīng)到來。

壓力測(cè)量對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全生產(chǎn)具有重要的意義。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了高效、安全生產(chǎn)，必須有效控制生產(chǎn)過程中的諸如壓力、流量、溫度等主要參數(shù)。由于壓力控制在生產(chǎn)過程中起著決定性的安全作用，因此有必要準(zhǔn)確測(cè)量壓力。為了測(cè)到不同位置的壓力值，本次設(shè)計(jì)為基于單片機(jī)智能壓力測(cè)量系統(tǒng)。通過壓力傳感器將需要測(cè)量的位置的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，送至8位A／D轉(zhuǎn)換器，然后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)單片機(jī)轉(zhuǎn)換成LED顯示器可以識(shí)別的信息，最后顯示輸出。基于單片機(jī)的智能壓力檢測(cè)系統(tǒng)，選擇的單片機(jī)是基于AT89C51單片機(jī)的測(cè)量與顯示，將壓力經(jīng)過壓力傳感器變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過三運(yùn)放放將電信號(hào)放大為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為0-5V的電壓信號(hào)，然后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，我們所采樣的A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0832，ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。

正常情況下ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。

為了提高單片機(jī)系統(tǒng)I/O口線的利用效率,利用單片機(jī)AT87C51的串行口和串行移位寄存器74LS164擴(kuò)展輸出多位LED顯示.

鍵盤是單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的常用輸入設(shè)備。我們通過鍵盤，向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入各種數(shù)據(jù)和命令，亦可通過使用鍵盤，讓單片機(jī)系統(tǒng)處于預(yù)定的功能狀態(tài)。要想實(shí)現(xiàn)壓力的顯示需硬件與軟件配合，最終調(diào)試出來。

本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)組成的壓力測(cè)量，系統(tǒng)中必須有前向通道作為電信號(hào)的輸入通道，用來采集輸入信息。壓力的測(cè)量，需要傳感器，利用傳感器將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，再經(jīng)放大并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后才能由計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效處理。然后用LED進(jìn)行顯示，而鍵盤的作用是改變輸入量的系數(shù)的。它的原理圖如圖1.1所示。

圖1.1 壓力測(cè)量?jī)x表原理方框圖

我們這次主要做的是A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)鍵盤和顯示，我們選用的A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0832，單片機(jī)為AT89C51，鍵盤為4乘4的鍵盤，顯示為4位數(shù)碼管顯示。根據(jù)硬件電路編程，調(diào)試出來并顯示結(jié)果。

壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，為了保證生產(chǎn)正常運(yùn)行，必須對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量和控制，但需說明的是，這里所說的壓力，實(shí)際上是物理概念中的壓強(qiáng)，即垂直作用在單位面積上的力。

在壓力測(cè)量中，常用絕對(duì)壓力、表壓力、負(fù)壓力或真空度之分。所謂絕對(duì)壓力是指被測(cè)介質(zhì)作用在容器單位面積上的全部壓力，用符號(hào)pj表示。用來測(cè)量絕對(duì)壓力的儀表稱為絕對(duì)壓力表。地面上的空氣柱所產(chǎn)生的平均壓力稱為大氣壓力，用符號(hào)pq表示。用來測(cè)量大氣氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對(duì)壓力與大氣壓力之差。稱為表壓力，用符號(hào)pb表示。即pb=pj-pq。當(dāng)絕對(duì)壓力值小于大氣壓力值時(shí)，表壓力為負(fù)值（即負(fù)壓力），此負(fù)壓力值的絕對(duì)值，稱為真空度，用符號(hào)pz表示。

壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)，如高壓容器的壓力超過額定值時(shí)便是不安全的，必須進(jìn)行測(cè)量和控制。在某些工業(yè)生產(chǎn)過程中，壓力還直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，如生產(chǎn)合成氨時(shí)，氮和氫不僅須在一定的壓力下合成，而且壓力的大小直接影響產(chǎn)量高低。此外，在一定的條件下，測(cè)量壓力還可間接得出溫度、流量和液位等參數(shù)。

1643年，意大利人托里拆利首先測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓力值為760毫米汞柱，奠定了液柱式壓力測(cè)量?jī)x表的基礎(chǔ)。1847年，法國人波登制成波登管壓力表，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用，很快在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，一直是常用的壓力測(cè)量?jī)x表。

二十世紀(jì)上半葉出現(xiàn)了遠(yuǎn)傳壓力表和電接點(diǎn)壓力表，從而解決了壓力測(cè)量值的遠(yuǎn)距離傳送和壓力的報(bào)警、控制等問題。60年代以后，為適應(yīng)工業(yè)控制、航空工業(yè)和醫(yī)學(xué)測(cè)試等方面的要求，壓力測(cè)量?jī)x表日益向體積輕巧、耐高溫、耐沖擊、耐振動(dòng)和數(shù)字顯示等方向發(fā)展。

壓力是過程生產(chǎn)中四大重要參數(shù)之一，它在檢測(cè)生產(chǎn)過程能否完全可靠正常運(yùn)行的重要參數(shù)指標(biāo)，尤其在化工生產(chǎn)過程中壓力這一參數(shù)更顯得尤為重要。

在化工生產(chǎn)過程中，壓力即影響物料平衡，也影響化學(xué)反應(yīng)速速，是標(biāo)志生產(chǎn)過程能否正常進(jìn)行的重要參數(shù)。

安全生產(chǎn)的需要，從確保安全生產(chǎn)的角度，壓力檢測(cè)也是非常重要的。如：確保壓力容器內(nèi)的壓力在安全指標(biāo)之內(nèi)，確保易燃易爆介質(zhì)的壓力不超標(biāo)。

在其他工業(yè)生產(chǎn)中壓力檢測(cè)于控制也非常重要。常可見到一些工業(yè)裝置上都有壓力表。如：汽包壓力,當(dāng)壓力過高容易爆炸，壓力低動(dòng)力不足；還有爐膛壓力；一般維持在0mmH2O,高了爐門縫冒煙塵，低了膛內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓降低溫度。若維持在10 mmH2O，節(jié)能20%。

壓力也是間接測(cè)量物位的手段，用孔板測(cè)量流量?jī)H能產(chǎn)生差壓，而這個(gè)差壓考?jí)毫�檢測(cè)的方法來測(cè)取才能最終求出流量。液面的高度可以靠測(cè)取壓力的大小來表示。

總之，壓力檢測(cè)是一般成產(chǎn)過程所不可缺少的環(huán)節(jié)，只有按工藝要求保持壓力的穩(wěn)定，才能維持生產(chǎn)的正常進(jìn)行。所以壓力準(zhǔn)確測(cè)量在實(shí)際過程是非常重要的。

壓力傳感器是壓力檢測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分，由各種壓力敏感元件將被測(cè)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成容易測(cè)量的電信號(hào)作輸出，給顯示儀表顯示壓力值，或供控制和報(bào)警使用。力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。 而電阻應(yīng)變式傳感器具有悠久的歷史。由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、適合靜態(tài)及動(dòng)態(tài)測(cè)量、測(cè)量精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性元件和電阻應(yīng)變片構(gòu)成，當(dāng)彈性元件感受到物理量時(shí)，其表面產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片的電阻值將隨著彈性元件的應(yīng)變而相應(yīng)變化。通過測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，可以用來測(cè)量位移加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。

應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來進(jìn)行測(cè)量的，應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象,俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。對(duì)于金屬導(dǎo)體，如圖2.1所示，一段圓截面的導(dǎo)線的金屬絲,設(shè)其長(zhǎng)為L(zhǎng),截面積為A（直徑為D） ,原始電阻為R，金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：

          R=ρL∕A                         (2.1)

式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2/m）    S——導(dǎo)體的截面積（cm2）  

L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m）

圖2.1 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)

當(dāng)金屬絲受到軸向力 F而被拉伸或壓縮產(chǎn)生形變 ,其電阻值會(huì)隨之變化 ,通過對(duì)（2.1）式兩邊取對(duì)數(shù)后再取全微分得:

                                 （2.2）

式中為材料軸向線應(yīng)變 ,且 跟據(jù)材料力學(xué) ,在金屬絲單向受力狀態(tài)下 ,有

                         (2.3)

式中μ為導(dǎo)體材料的泊松比。因此 ,有

                       (2.4)

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ,金屬材料電阻率的相對(duì)變化與其體的相對(duì)變化間的關(guān)系為

                           (2.5)

式中 , c為常數(shù)(由一定的材料和加工方式?jīng)Q定)將式 (2.5)代入 (2.4) ,且當(dāng)ΔR=R時(shí) ,可得

                    (2.6)

式中，k=(1+2µ)+c(1-2µ)為金屬絲材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。

上式表明 ,金屬材料電阻的相對(duì)變化與其線應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。

電阻變化率 △R/R 的表達(dá)式為：K=ΔR/Rµ/ε，式中μ—材料的泊松系數(shù)；ε—應(yīng)變量。

當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化（通常是測(cè)量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情。

電阻應(yīng)變片主要由四部分組成。如圖 2.2所示 ,電阻絲是應(yīng)變片敏感元件;基片、覆蓋片起定位和保護(hù)電阻絲的作用,并使電阻絲和被測(cè)試件之間絕緣;引

出線用以連接測(cè)量導(dǎo)線。

圖 2.2　電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

應(yīng)變片可以將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，為了顯示于記錄應(yīng)變的大小，還要將電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，因此需要有專用的測(cè)量電路，通常采用直流電橋和交流電橋。

由于應(yīng)變片的電橋電路的輸出信號(hào)一般比較微弱，所以目前大部分電阻應(yīng)變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連，如圖2.3所示。

圖2.3直流電橋

設(shè)電橋的各臂的電阻分別為R1R3R2R4  它們可以全部或部分是應(yīng)變片。由于直流放大器的輸入電阻比電橋電阻大的多，因此可將電橋輸出端看成開路，這種電橋成為電壓輸出橋，輸出電壓U0為

U0=                         （2.7）

由上式可見：若R1R3=R2R4，則輸出電壓必為零，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，稱為平衡電橋。

平衡電橋的平衡條件為：

R1R3=R2R4      

     應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化ΔR，此時(shí)有不平衡電壓輸出。

（2.8）

由式（2.8）表明：ΔR《 R1 時(shí)，電橋的輸出電壓于應(yīng)變成線性關(guān)系。若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變活壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差，若不同時(shí)，則輸出電壓為兩者之和。若相對(duì)兩橋臂的極性一直，輸出電壓為兩者之和，反之則為兩者之差。

電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0 越大，但是，當(dāng)U大時(shí)，電阻應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會(huì)出現(xiàn)蠕變和零漂。基于這些原因可以合理的進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高傳感器的測(cè)量靈敏度。

由式（2.8）的線性關(guān)系是在應(yīng)變片的參數(shù)變化很小，極ΔR《 R1 的情況下得出的，若應(yīng)變片承受的壓力太大，則上述假設(shè)不成立，電橋的輸出電壓應(yīng)變之間成非線性關(guān)系。在在這種情況下，用按線性關(guān)系刻度的儀表進(jìn)行測(cè)量必然帶來非線性誤差。為了消除非線性誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，常采用半橋差動(dòng)或全橋差動(dòng)電路，如圖2.4所示，以改善非線性誤差和提高輸出靈敏度。

        UU

           (a)半橋差動(dòng)電路                    （b） 全橋差動(dòng)電路

                                圖2.4 差動(dòng)電橋

圖2.4（a）為半橋差動(dòng)電路，在傳感器這中經(jīng)常使用這種方法。粘貼應(yīng)變片時(shí)，使兩個(gè)應(yīng)變片一個(gè)受壓，一個(gè)受拉。應(yīng)變符號(hào)相反，工作時(shí)將兩個(gè)應(yīng)變片接入電橋的相鄰兩臂。設(shè)電橋在初始時(shí)所示平衡的，且為等臂電橋，考慮到ΔR=ΔR1=ΔR2 則得半橋差動(dòng)電路的輸出電壓為

                            （2.9）

由上式可見，半橋差動(dòng)電路不僅可以消除非線性誤差，而且還使電橋的輸出靈敏度提高了一倍，同時(shí)還能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｈ绻�按圖2.4（b）所示構(gòu)成全橋差動(dòng)電路同樣考慮到 ΔR=ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4時(shí)得全橋差動(dòng)電路的輸出電壓為

                                                        （2.10）

可見，全橋的電壓靈敏度比單臂工作時(shí)的靈敏度提高了4倍非線性誤差也得到了消除，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償?shù)淖饔茫�該電路也得到了廣泛的應(yīng)用。

被測(cè)的非電量經(jīng)傳感器得到的電信號(hào)幅度很小，無法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，必須對(duì)這些模擬電信號(hào)進(jìn)行放大處理。為使電路簡(jiǎn)單便于調(diào)試，本設(shè)計(jì)采用三運(yùn)算放大器，因?yàn)樵诰哂休^大共模電壓的條件下，儀表放大器能夠?qū)�很微弱的差分電壓信�?hào)進(jìn)行放大，并且具有很高的輸入阻抗。這些特性使其受到眾多應(yīng)用的歡迎，廣泛用于測(cè)量壓力和溫度的應(yīng)變儀電橋接口、熱電耦溫度檢測(cè)和各種低邊、高邊電流檢測(cè)。

本次設(shè)計(jì)的放大器采用了三運(yùn)放，因?yàn)樗�具有高共模抑制比的放大電路。它由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，如圖2.5所示。

2.5 三運(yùn)放高共摸抑制比放大電路

其中A1和A2為兩個(gè)性能一致(主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益)的同相輸入通用集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱差動(dòng)放大輸入級(jí)，A3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)，用來進(jìn)一步抑制A1和A2的共模信號(hào)，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。由于每個(gè)放大器求和點(diǎn)的電壓等于施加在各自正輸入端的電壓，因此，整個(gè)差分輸入電壓現(xiàn)在都呈現(xiàn)在RG兩端。因?yàn)檩斎腚妷航?jīng)過放大后（在A1 和A2的輸出端）的差分電壓呈現(xiàn)在R5，RG和R6這三只電阻上，所以差分增益可以通過僅改變RG進(jìn)行調(diào)整。 這種連接有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一旦這個(gè)減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設(shè)定后，在改變?cè)鲆鏁r(shí)不再對(duì)電阻匹配有任何要求。如果R5 ＝ R6，R1＝ R3和R2 ＝ R4，則VOUT = (VIN2－VIN1)(1＋2R5/RG)（R2/R1）。

由于RG兩端的電壓等于VIN，所以流過RG的電流等于VIN/RG，因此輸入信號(hào)將通過A1 和A2 獲得增益并得到放大。然而須注意的是對(duì)加到放大器輸入端的共模電壓在RG兩端具有相同的電位，從而不會(huì)在RG上產(chǎn)生電流。由于沒有電流流過RG（也就無電流流過R5和R6），放大器A1 和A2 將作為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號(hào)將以單位增益通過輸入緩沖器，而差分電壓將按〔1＋（2 RF/RG）〕的增益系數(shù)被放大。這也就意味著該電路的共模抑制比相比與原來的差分電路增大了〔1＋（2 RF/RG）〕倍。
    在理論上表明，得到所要求的前端增益（由RG來決定），而不增加共模增益和誤差，即差分信號(hào)將按增益成比例增加，而共模誤差則不然，所以比率〔增益（差分輸入電壓）/（共模誤差電壓）〕將增大。因此CMR理論上直接與增益成比例增加，這是一個(gè)非常有用的特性。
    最后，由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，輸入放大器的共模誤差，如果它們跟蹤，將被輸出級(jí)的減法器消除。這包括諸如共模抑制隨頻率變換的誤差。

模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。能夠完成這一任務(wù)的器件稱之為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器。本次設(shè)計(jì)的中A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將放大器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換位數(shù)字量進(jìn)行輸出。

目前單片機(jī)在電子產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)用，許多類型的單片機(jī)內(nèi)部已帶有A/D轉(zhuǎn)換電路，但此類單片機(jī)會(huì)比無A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)在價(jià)格上高幾元甚至很多，我們采用一個(gè)普通的單片機(jī)加上一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能，這里A/D轉(zhuǎn)換器可選ADC0832、ADC0809等；串行和并行接口模式是A/D轉(zhuǎn)換器諸多分類中的一種，但卻是應(yīng)用中器件選擇的一個(gè)重要指標(biāo)。在同樣的轉(zhuǎn)換分辨率及轉(zhuǎn)換速度的前提下，不同的接口方式會(huì)對(duì)電路結(jié)構(gòu)及采用周期產(chǎn)生影響。對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的選擇我們通過比較ADC0809和ADC0832來決定。這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器都是常見的A/D轉(zhuǎn)換器，其中ADC0809的并行接口A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0832是串行接口A/D轉(zhuǎn)換器。我們所做的設(shè)計(jì)選擇ADC0832，A/D轉(zhuǎn)換在單片機(jī)接口中應(yīng)用廣泛 ,串行 A/D轉(zhuǎn)換器具有功耗低、性價(jià)比較高、芯片引腳少等特點(diǎn)。

在這次設(shè)計(jì)中我們A/D轉(zhuǎn)換器選用兩通道輸入的八位ADC0832，ADC0832[3]是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變得更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。有關(guān)引腳說明如下：

• CS 片選使能，低電平芯片使能。

• CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。

• CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。

• GND 芯片參考0電位（地）。

• DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。

• DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。

• CLK 芯片時(shí)鐘輸入。

• Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。

正常情況下ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.6所示。

圖2.6 ADC0832結(jié)構(gòu)示意圖

ADC0832工作時(shí)，模擬通道的選擇及單端輸入和差分輸入的選擇，都取決于輸入時(shí)序的配置位。當(dāng)差輸入時(shí)，要分配輸入通道的極性，兩個(gè)輸入通道的任何一個(gè)通道都可作為正極或負(fù)極。ADC0832的配置位邏輯表如表2.1所示。

表2.1的配置位邏輯表

表中“+”表示輸入通道的端點(diǎn)為正極性；“-”表示輸入端點(diǎn)為負(fù)極性H或L表示高、低電平。輸入配置位時(shí)，高位（CH0）在前，低位（CH1）在后。

當(dāng) CS由高變低時(shí)，選中ADC0832 。在時(shí)鐘的上升沿，DI 端的數(shù)據(jù)移入 ADC0832內(nèi)部的多路地址移位寄存器。在第一個(gè)時(shí)鐘期間,DI為高，表示啟動(dòng)位，緊接著輸入兩位配置位。當(dāng)輸入啟動(dòng)位和配置位后，選通輸入模擬通道，轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換開始后，經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期延接著在第一個(gè)時(shí)鐘周期延遲，以使選定的通道穩(wěn)定。ADC0832緊接著在第4個(gè)時(shí)鐘下降沿輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出時(shí)先輸出最高位（D7～D0）輸出完轉(zhuǎn)換結(jié)果后，又以最低位開始重新遍數(shù)據(jù)（D7～D0 ），兩次發(fā)送的最低位共用。當(dāng)片選CS為高時(shí)，內(nèi)部所有寄存器清 ，輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)。如果要再進(jìn)行一次模 數(shù)轉(zhuǎn)換，片選 必須再次從高向低跳變，后面再輸入啟動(dòng)位和配置位。

圖2.7 ADC083工作時(shí)序圖

圖2.8 ADC0832與單片機(jī)的接口電路

正常情況下ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。

當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第2、3個(gè)脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。其功能項(xiàng)見表2.2。

表2.2ADC0832的功能表

如表2.2所示，當(dāng)此2位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對(duì)CH0進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時(shí)，只對(duì)CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時(shí)，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負(fù)輸入端IN-進(jìn)行輸入。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時(shí)，將CH0作為負(fù)輸入端IN-，CH1作為正輸入端IN+進(jìn)行輸入。

到第3個(gè)脈沖的下沉之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)脈沖下沉開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下沉輸出DATD0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。

作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí)ADC0832的輸入電壓是0~5V且8位分辨率時(shí)的電壓精度為19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè)定在某一個(gè)較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。在進(jìn)行IN+與IN-的輸入時(shí)，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的功能將更加完善，因而單片機(jī)的應(yīng)用將更加普及。它們將在智能化儀器、家電產(chǎn)品、工業(yè)過程控制等方面得到更廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)將是智能化儀器和中、小型控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的有種微型計(jì)算機(jī)。

AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本，如圖2.9所示。AT89C51單機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供靈活性高且廉價(jià)的方案。

圖2.9 AT89C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

·與MCS-51 兼容
·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器
壽命：1000寫/擦循環(huán)
數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年
·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz
·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定
·128*8位內(nèi)部RAM
·32可編程I/O線
·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器
·5個(gè)中斷源
·可編程串行通道
·低功耗的閑置和掉電模式
·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路

VCC：供電電壓。  

GND：接地。

P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。

P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口：

P3口管腳 備選功能

P3.0 RXD（串行輸入口）

P3.1 TXD（串行輸出口）

P3.2 /INT0（外部中斷0）

P3.3 /INT1（外部中斷1）

P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）

P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）

P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）

P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。

/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

2.4.4 振蕩器特性

XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。

整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。

此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。

鍵盤是單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的常用輸入設(shè)備。操作員通過鍵盤，向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入各種數(shù)據(jù)和命令，亦可通過使用鍵盤，讓單片機(jī)系統(tǒng)處于預(yù)定的功能狀態(tài)。

鍵盤按照其內(nèi)部不同電路結(jié)構(gòu)，可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤二種。編碼鍵盤本身除了帶有普通按鍵之外，還包括產(chǎn)生鍵碼的硬件電路。使用時(shí)，只要按下編碼鍵盤的某一個(gè)鍵，硬件邏輯會(huì)自動(dòng)提供被按下的鍵的鍵碼，使用十分方便，但價(jià)格較貴。由非編碼鍵盤組成的簡(jiǎn)單硬件電路，僅提供各個(gè)鍵被按下的信息，其他工作由軟件來實(shí)現(xiàn)。由于價(jià)格便宜，而且使用靈活，因此廣泛應(yīng)用在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

非編碼鍵盤按照其鍵盤排列的結(jié)構(gòu)，又可分為獨(dú)立式按鍵和行列式按鍵兩種類型。

目前各種結(jié)構(gòu)的鍵盤，主要是利用機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用，產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，然后將這個(gè)電信號(hào)傳送給CPU。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，在閉合及斷開的瞬間均有抖動(dòng)過程。抖動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短，與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般約5～10ms之間。圖2.10為閉合及斷開時(shí)的電壓抖動(dòng)波形：

圖2.10  鍵閉合及斷開時(shí)的電壓抖動(dòng)波形

按鍵的穩(wěn)定閉合期，由操作人員的按鍵動(dòng)作所確定，一般為十分之幾秒至幾秒時(shí)間。為保證CPU對(duì)鍵的一次操作僅作一次輸入處理，必須去除抖動(dòng)影響及人為的操作時(shí)問長(zhǎng)短的影響。

通常去抖動(dòng)影響的措施有硬、軟件兩種；可用基本R－S觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成硬件去抖動(dòng)電路如圖2.11所示。也可采用軟件延時(shí)的方法除去鍵盤抖動(dòng)產(chǎn)生的影響。采用軟件除去抖動(dòng)影響的辦法是，在檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一個(gè)10ms左右的延時(shí)程序，然后再去判斷該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如保持閉合狀態(tài)電平則可確認(rèn)該鍵為按下狀態(tài)，從而消除了抖動(dòng)影響。

圖2.11  RC去抖動(dòng)電路

鍵盤與單片機(jī)的連接在單片機(jī)系統(tǒng)中鍵盤中按鈕數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O口的占用，常常將按鈕排列成矩陣形式，如2.13圖所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個(gè)按鈕加以連接。這樣，一個(gè)端口（如P1口）就能組成4*4=16個(gè)按鈕，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就能組成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。在實(shí)際應(yīng)用中，4×4鍵盤主要由數(shù)字0～9和功能鍵組成。這里給出一個(gè)比較常用的鍵盤排列方式，如表2.3所示。

表2.3 按鍵表

按照鍵盤與單片機(jī)的連接方式可分為獨(dú)立式鍵盤與矩陣式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵占用一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他按鍵的工作狀態(tài)。如圖2.12所示這種按鍵軟件程序簡(jiǎn)單，但占用I/O口線較多（一根口線只能接一個(gè)鍵），適用于鍵盤應(yīng)用數(shù)量較少的系統(tǒng)中。

圖2.12獨(dú)立式按鍵接口電路

于獨(dú)立是按鍵接口電路要比較矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些如圖2.13所示。

圖2.13 單片機(jī)矩陣式鍵盤接口電路

上圖中列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鈕沒有按下時(shí)，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。具體的識(shí)別及編程辦法如下所述。矩陣式鍵盤的按鈕識(shí)別辦法 確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下介紹一種“行掃描法”。行掃描法 行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鈕識(shí)別辦法，如上圖所示鍵盤，介紹過程如下。判斷鍵盤中有無鍵按下 將全部行線Y0-Y3置低電平，然后檢測(cè)列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個(gè)按鈕之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。

判斷閉合鍵所在的位置 在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。其辦法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時(shí)，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測(cè)各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鈕就是閉合的按鈕。

本次設(shè)計(jì)是利用89C51單片機(jī)串行口和74LS164移位寄存器實(shí)現(xiàn)多個(gè)LED顯示的一種方法,利用該方法設(shè)計(jì)的多路LED顯示系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件編程容易和價(jià)格低廉等特點(diǎn).

發(fā)光二極管是由半導(dǎo)體發(fā)光材料做成的PN結(jié)，只要在發(fā)光二極管兩端通過正向電流5-20mA就能達(dá)到正常發(fā)光。LED的發(fā)光顏色通常有紅、綠、黃、白，其外形和電氣圖形符號(hào)如圖2.14所示。單個(gè)LED通常是通過亮、滅來指示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和用快速閃爍來報(bào)警。

aa)外形  b)圖形符號(hào)

圖2.14 LED

通常所說的LED顯示器由7個(gè)發(fā)光二極管組成，因此也稱之為七段LED顯示器，其排列形狀如圖2.15所示。顯示器中還有一個(gè)圈點(diǎn)型發(fā)光二極管（在圖中以dp表示），用于顯示小數(shù)點(diǎn)。通過七個(gè)發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其它符號(hào)。

LED顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法：

·共陽極接法

把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極。使用時(shí)公共陽極接＋5V。陰極端輸入低電平的段發(fā)光二極管導(dǎo)通點(diǎn)亮，輸入高電平的則不點(diǎn)亮。

·共陰極接法

把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。使用時(shí)會(huì)共陰極接地，陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管導(dǎo)通點(diǎn)亮，輸入低電平的則不點(diǎn)亮。

圖2.15 LED顯示

用LED顯示器顯示十六進(jìn)制數(shù)的字型代碼如下表所示：

表2.4 十六進(jìn)制數(shù)字形代碼

七段LED顯示器需要由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)。在七段LED顯示器中，共陽極顯示器，用低電平驅(qū)動(dòng)；共陰極顯示器，用高電平驅(qū)動(dòng)。點(diǎn)亮顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。

所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。這種顯示方法的每一位都需要有一個(gè)8位輸出口控制。

靜態(tài)顯示器的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下顯示器的亮度高，控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，僅僅在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)，CPU才執(zhí)行一次顯示更新子程序，這樣大大節(jié)省了CPU的時(shí)間，提高了CPU的工作效率；缺點(diǎn)是位數(shù)較多時(shí)，所需的I/O口太多，硬件開銷太大。

圖2.16　四位靜態(tài)顯示電路

所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描），對(duì)于顯示器的每一位而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。在同一時(shí)刻只有一位顯示器在工作（點(diǎn)亮），利用人眼的視覺暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管熄滅時(shí)的余輝效應(yīng)，看到的卻是多個(gè)字符“同時(shí)”顯示如圖2.17所示。

圖2.17　四位動(dòng)態(tài)顯示的電路

顯示器亮度既與點(diǎn)亮?xí)r的導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。

動(dòng)態(tài)顯示器的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省硬件資源，成本較低。但在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，要保證顯示器正常顯示，CPU必需每隔一段時(shí)間執(zhí)行一次顯示子程序，占用CPU大量時(shí)間，降低了CPU的工作效率，同時(shí)顯示亮度較靜態(tài)顯示器低。

若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個(gè)8位I/O口（稱為掃描口或字位口），控制各位LED顯示器所顯示的字形也需要一個(gè)8位口（稱為數(shù)據(jù)）。

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)碼管顯示器顯示常用兩種辦法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。基于LED的優(yōu)點(diǎn)在本次設(shè)計(jì)中采用了數(shù)碼管的靜態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)數(shù)碼管顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種辦法單片機(jī)中CPU的開銷小。能供給單獨(dú)鎖存的I/O接口電路很多，常用的串并轉(zhuǎn)換電路74LS164，他的電路如圖2.18所示。

圖2.18 靜態(tài)LED顯示電路

MCS-51單片機(jī)串行口方式為移們寄存器方式，外接4片74LS164作為4位LED數(shù)碼管顯示器的靜態(tài)顯示接口，把AT89C51的RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時(shí)鐘脈沖。74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中A、B（第1、2腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個(gè)管腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào)，共公一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)可并接。CLK（第8腳）為時(shí)鐘輸入端，可連接到串行口的TXD端。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到CLK端時(shí)，移位寄存器移一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164中。R（第9腳）為復(fù)位端，當(dāng)R=0時(shí)，移位寄存器各位復(fù)0，只有當(dāng)R=1時(shí)，時(shí)鐘脈沖才起作用。Q1…Q8（第3-6和10-13管腳）并行輸出端分別接LED數(shù)碼管顯示器的hg---a各段對(duì)應(yīng)的管腳上。在74LS164獲得時(shí)鐘脈沖的瞬間（是在脈沖的下降沿），如果數(shù)據(jù)輸入端（第1，2管腳）是高電平，則就會(huì)有一個(gè)1進(jìn)入到74LS164的內(nèi)部，如果數(shù)據(jù)輸入端是低電平，則就會(huì)有一個(gè)0進(jìn)入其內(nèi)部。在給出了8個(gè)脈沖后，最先進(jìn)入74LS164的第一個(gè)數(shù)據(jù)到達(dá)了最高位，再來一個(gè)脈沖，第一個(gè)脈沖就會(huì)從最高位移出。 6片7LS164首尾相串，而時(shí)鐘端則接在一起，這樣，當(dāng)輸入8個(gè)脈沖時(shí)，從單片機(jī)RXD端輸出的數(shù)據(jù)就進(jìn)入到了第一片74LS164中了，而當(dāng)?shù)诙�個(gè)8個(gè)脈沖到來后，這個(gè)數(shù)據(jù)就進(jìn)入了第二片74LS164，而新的數(shù)據(jù)則進(jìn)入了第一片74LS164，這樣，當(dāng)?shù)诹鶄�(gè)8個(gè)脈沖完成后，首次送出的數(shù)據(jù)被送到了最左面的74LS164中，其他數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在第一、二、三、四、五片74LS164中。

單片機(jī)控制系統(tǒng)中通常要用到AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)輸出格式，常用的AD轉(zhuǎn)換方式可分為并行AD和串行AD。并行方式一般在轉(zhuǎn)換后可直接接收，但芯片的引腳比較多；串行方式所用芯片引腳少，封裝小，但需要軟件處理才能得到所需要的數(shù)據(jù)。可是單片機(jī)I/O引腳本來就不多，使用串行器件可以節(jié)省I/O資源。

ADC0832是８位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可支持兩個(gè)單端輸入通道和一個(gè)差分輸入通道。相同功能的器件還有ADC0834，ADC0838，ADC0831。所不同的是它們的輸入通道數(shù)量不同。它們的通道選擇和配置都是通過軟件設(shè)置。

單片機(jī)串行工作方式時(shí) ,串行口是作為同步移位寄存器使用。這時(shí)以 P3.3端作為數(shù)據(jù)移位的入口和出口 ,而由P3.6端提供移位時(shí)鐘脈沖。單片機(jī)串行口方式 0與 ADC0832的接口,單片機(jī)P2.0接ADC0832的CS,P3.6接0832的CLK作為時(shí)鐘信號(hào)輸出端 ,P3.7 接 0832的 DO和DI作為啟動(dòng)位、配置位的發(fā)送端以及 A/D轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)據(jù)的接收端。由于 ADC0832在 CS變低后的前 3個(gè)周期內(nèi),DO端為高阻態(tài);轉(zhuǎn)換開始后 ,DI線禁止 ,因此 ,DI端和 DO端可連接在一起。ADC0832的時(shí)鐘頻率最高為 400kHz,單片機(jī)晶振可選用 4MHz,在 TXD的輸出頻率為 4MHz/12 =333. 3kHz,符合要求。ADC0832輸出的串行數(shù)據(jù)共 15位 ,由兩段 8位數(shù)據(jù)組成 ,前一段是最高位在先 ,后一段是最高在后 ,兩段數(shù)據(jù)的最低位共用。只有在時(shí)鐘的下降沿 ,ADC0832的串行數(shù)據(jù)才移出一位。由單片機(jī)控制時(shí)鐘信號(hào)的發(fā)送 ,并由P3.6發(fā)出 ,以達(dá)到控制 ADC0832輸出數(shù)據(jù)位的目的。為了得到一列完整的 8位數(shù)據(jù) ,單片機(jī)分兩次采集含有不同位的數(shù)據(jù) ,再合成一列完整的 8位數(shù)據(jù)。

ADC0832通過內(nèi)部多路器來控制選擇通道，處理器的控制命令通過DI引腳輸入。如下流程圖所示，當(dāng)模擬信號(hào)輸入開始后，首先是CS使能信號(hào)也就是片選信號(hào)有效，這時(shí)是低電平有效，如果片選是高電平時(shí)停止轉(zhuǎn)換。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)有效時(shí)輸入通道的控制字來確定所選擇的通道，讀取數(shù)據(jù)后就開始將模擬量轉(zhuǎn)換位數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)讀取數(shù)值，如果沒轉(zhuǎn)換完，又回到使能開始。

圖3.1 ADC0832數(shù)據(jù)讀取程序流程

AT89C51單片機(jī)的P1口用作鍵盤I/O口，鍵盤的列線接到P1口的低4位，鍵盤的行線接到P1口的高4位。列線P1.0-P1.3分別接有4個(gè)上拉電阻到正電源+5V，并把列線P1.0-P1.3設(shè)置為輸入線，行線P1.4-P.17設(shè)置為輸出線。4根行線和4根列線形成16個(gè)相交點(diǎn)。檢測(cè)當(dāng)前是否有鍵被按下。檢測(cè)的辦法是P1.4-P1.7輸出全“0”，讀取P1.0-P1.3的狀態(tài)，若P1.0-P1.3為全“1”，則無鍵閉合，不然有鍵閉合。 去除鍵抖動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到有鍵按下后，延時(shí)一段時(shí)間再做下一步的檢測(cè)判斷。 若有鍵被按下，應(yīng)識(shí)別出是哪一個(gè)鍵閉合。辦法是對(duì)鍵盤的行線進(jìn)行掃描。P1.4-P1.7按下述4種組合依次輸出： P1.7 1 1 1 0   P1.6 1 1 0 1   P1.5 1 0 1 1   P1.4 0 1 1 1 在每組行輸出時(shí)讀取P1.0-P1.3，若全為“1”，則表示為“0”這一行沒有鍵閉合，不然有鍵閉合。由此得到閉合鍵的行值和列值，然后可采用計(jì)算法或查表法將閉合鍵的行值和列值轉(zhuǎn)換成所定義的鍵值。為了保證鍵每閉合一次CPU僅作一次處理，必須卻除鍵釋放時(shí)的抖動(dòng)。

從以上分析得到單片機(jī)鍵盤掃描程序的流程圖如圖3.2所示。程序如下

利用單片機(jī)內(nèi)部的串行接口，可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的顯示處理。這樣不僅可以節(jié)省單片機(jī)的并行接口資源，而且在大多數(shù)不使用串行接口的情況下，可以減少或是免去擴(kuò)展接口。

在這種設(shè)計(jì)中，串行口工作于方式0，數(shù)據(jù)的輸入輸出都通過RxD實(shí)現(xiàn)，移位脈沖則由TxD發(fā)出。每次傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。每輸出一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，單片機(jī)自動(dòng)使串行中斷請(qǐng)求標(biāo)志TI置。通過測(cè)試該狀態(tài)，即可確定該字節(jié)是否發(fā)送完畢。由硬件電路圖可知，74LS164是串行輸入并行輸出的移位寄存器。它具有兩個(gè)串行輸入端和8位并行輸出端（QA~QH）。

當(dāng)顯示數(shù)據(jù)從RxD端輸出到移位寄存器74LS164的輸入端AB時(shí)，74LS164將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8位輸出碼QA~QH，然后加到共陽極LED顯示器上。究竟在哪一位上顯示，還要P1口的狀態(tài)而定。當(dāng)某一位為低電平時(shí)，該位LED顯示，其他位不顯示。由于接口電路中顯示模型輸出地址和位選信號(hào)可一次選中，故只要一次輸出即可顯示一位。

我認(rèn)為我們專業(yè)學(xué)習(xí)硬件知識(shí)相對(duì)比軟件多，所以在軟件設(shè)計(jì)方面我還有很大不足。程序的設(shè)計(jì)經(jīng)過“學(xué)習(xí)–模仿–編寫–修改–再修改–定型”等階段，在軟件的學(xué)習(xí)上我也花了比較多的時(shí)間和精力，讓我欣慰的是收獲也很大。

硬件原理圖

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2018-5-26 23:43 上傳

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