基于C8051F020單片機(jī)的16位A

-.z基于C8051F020單片機(jī)的16位A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)1引言

本文給出了基于C8051F020單片機(jī)的16位A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)方法。在設(shè)計(jì)中，充分利用了C8051F020單片機(jī)內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器，本文給出的設(shè)計(jì)與常規(guī)的雙積分ADC相比，具有轉(zhuǎn)換速率高、可對(duì)雙極性模擬電壓進(jìn)展轉(zhuǎn)換等顯著優(yōu)點(diǎn)，且實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。2A/D轉(zhuǎn)換器硬件電路

圖1為A/D轉(zhuǎn)換硬件電路。圖中，LM336為5V電壓基準(zhǔn)源，CD4052為2路四選一電子開關(guān)。

在正常轉(zhuǎn)換過程中，Vin輸入端的開關(guān)RY斷開，輸入待測電壓信號(hào)(-5V～+5V)，此信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放OP07-1構(gòu)成的電壓跟隨器后，輸入到運(yùn)放OP07-2的反相輸入端，參加電壓跟隨器的目的是進(jìn)展阻抗變換。運(yùn)放OP07-2構(gòu)成加法器，其輸出為：

VOI=-(VI+VCP)(1)

VCP為補(bǔ)償電壓，將雙極性輸入電壓VI轉(zhuǎn)換成單極性電壓VO1，以實(shí)現(xiàn)與偏移二進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換，其值為輸入電壓VI的上限值。假設(shè)輸入電壓VI取值*圍為：-5V<VI<5V，則VCP=5V。輸出電壓VO1的取值*圍為-10V<VO1<0V。

3A/D轉(zhuǎn)換器程序流程及工作原理

圖2為A/D轉(zhuǎn)換過程程序流程圖：

A/D轉(zhuǎn)換開場前先將計(jì)數(shù)器清零。在軟件控制下，選通CD4052的2Y管腳，構(gòu)成放電回路使積分電容C完全放電，然后開場A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換操作分兩步進(jìn)展：

第一步，選通CD4052的0*管腳，積分器對(duì)VO1進(jìn)展固定時(shí)間T1的積分，積分完畢時(shí)積分器的輸出電壓VO2為：

(2)

第二步，選通CD4052的1*管腳，積分器對(duì)參考電壓VREF向相反方向積分，假設(shè)積分器的輸出電壓到零時(shí)所經(jīng)過的積分時(shí)間為T2，則有：

(3)

故得到：

(4)

上述三式中VREF為A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓，由C8051F020片內(nèi)的12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0提供。可見，T2與進(jìn)展固定時(shí)間間隔積分的電壓信號(hào)VO1成正比，令計(jì)數(shù)器在這段時(shí)間里對(duì)固定頻率為fc(fc=1/TC)的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值即為轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量，即

(5)

式中D為表示計(jì)數(shù)結(jié)果的數(shù)字量，即A/D轉(zhuǎn)換值。

因?yàn)門1為計(jì)數(shù)器計(jì)滿2n個(gè)脈沖的時(shí)間，即T1=2nTc，將其代入(5)式得出

(6)

再將(1)式代入(6)式得出

(7)

由(7)式可知：本文給出的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器與常規(guī)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的主要不同之處在于參加了偏移電壓VCP可對(duì)雙極性電壓信號(hào)VIN進(jìn)展轉(zhuǎn)換。

積分器輸出電壓過零時(shí)，比較器LM311輸出電平翻轉(zhuǎn)，將比較器LM311輸出端與C8051F020單片機(jī)內(nèi)部比較器0輸入端CP0+相連，使比較器輸出電平的翻轉(zhuǎn)引發(fā)程序中斷進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量顯示。4實(shí)現(xiàn)不同分辨率下的A/D轉(zhuǎn)換

常規(guī)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的主要弊端之一是轉(zhuǎn)換速率低，無法適應(yīng)要求高速A/D轉(zhuǎn)換的工業(yè)現(xiàn)場。本文所論述的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器采用C8051F020單片機(jī)內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，顯著提高了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率由分辨率與晶振頻率決定。在晶振頻率一定的情況下，欲提高分辨率，則需降低轉(zhuǎn)換速率。因此，為了提高雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，可在對(duì)分辨率要求不高的應(yīng)用場合將分辨率適當(dāng)降低。

根據(jù)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理可知：當(dāng)進(jìn)展定時(shí)間間隔積分的電壓與基準(zhǔn)電壓幅值VREF相等時(shí)，進(jìn)展一次A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間最長，具體關(guān)系見下式：

式中T為一次A/D轉(zhuǎn)換的最長時(shí)間，fosc為給單片機(jī)外加的晶振頻率，n為A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。

通過軟件編程控制固定積分時(shí)間T1可方便地使A/D轉(zhuǎn)換器具有8位、10位、12位、14位、16位等多種不同的分辨率，以適應(yīng)不同轉(zhuǎn)換速率的要求。5改善性能的主要措施(1)量程擴(kuò)展。在待測電壓輸入端連接放大器和衰減器，即可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器量程的擴(kuò)展。

(2)零漂校準(zhǔn)。每次測量前，通過程控閉合開關(guān)RY，使輸入量為零，即可測得A/D轉(zhuǎn)換器的零漂，再由單片機(jī)對(duì)實(shí)際的測試進(jìn)展誤差補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)的功能。6完畢語

此A/D轉(zhuǎn)換器線性誤差小于0.5％；當(dāng)給單片機(jī)外加的晶振頻率為11.0592MHz時(shí)，在16位分辨率下轉(zhuǎn)換速率可達(dá)168.75次/s；通過軟件編程可實(shí)現(xiàn)8位、10位、12位、14位、16位等多種分辨率，當(dāng)分辨率設(shè)定為10位時(shí)，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)10800次/s。除此之外，還可進(jìn)展量程擴(kuò)展、校零、誤差補(bǔ)償?shù)鹊取?引言風(fēng)量和煤粉的均勻分配是保障工業(yè)燃煤鍋爐平安和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要條件，也是保證煤粉充分燃燒的決定性因素。鍋爐良好的燃燒狀態(tài)可有效防止?fàn)t內(nèi)火焰中心偏移、防止?fàn)t鏜兩側(cè)溫差過大、降低能耗及提高設(shè)備的使用壽命。因此，采用科學(xué)的方法，較為準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)控各噴燃器入口的風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度等參數(shù)，是工業(yè)燃煤鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必備前提。在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，由于受測量手段等諸多因素的影響，目前國內(nèi)電廠對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐一、二次風(fēng)速的檢測普遍采用靜壓測量方式，因此不能正確反映一、二次風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速等狀況；此外，由于在單位時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入噴燃器的風(fēng)量不僅取決于壓力，還與風(fēng)速、溫度有著密切的關(guān)系，增加了測量難度。傳統(tǒng)的鍋爐參數(shù)測量多采用單通道、專門功能的計(jì)量儀表，不能滿足多通道的綜合檢測、集中監(jiān)控與數(shù)據(jù)比較分析的需要。本設(shè)計(jì)采用低本錢的單片機(jī)和外圍監(jiān)測電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐多通道風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測與顯示，并與上位機(jī)通訊，進(jìn)展數(shù)據(jù)處理、打印與存儲(chǔ)。2系統(tǒng)組成和工作原理2.1系統(tǒng)組成本監(jiān)測儀采用89C52單片機(jī)作為核心控制器件，按照模塊化的設(shè)計(jì)原則，將監(jiān)測系統(tǒng)分為：CPU主控卡、通道控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、A／D轉(zhuǎn)換、放大電路、鍵盤及顯示等功能模塊，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。模塊化設(shè)計(jì)的結(jié)果使監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)造簡潔，便于維護(hù)，可靠性得到提高，而且也使系統(tǒng)的功能擴(kuò)展成為可能，可為系統(tǒng)預(yù)留一定的升級(jí)空間。2.2工作原理鍋爐多路風(fēng)壓、風(fēng)速在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理為：鍵盤／顯示模塊作為外設(shè)與CPU實(shí)現(xiàn)人一機(jī)信息交流；同時(shí)，CPU經(jīng)通道控制模塊選擇采集通道，對(duì)被選擇通道的數(shù)據(jù)相繼進(jìn)展信號(hào)采集、放大、A／D轉(zhuǎn)換后輸入CPU，在CPU內(nèi)部經(jīng)運(yùn)算、比較、數(shù)值轉(zhuǎn)換處理后輸出到鍵盤／顯示模塊，顯示所要監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)要求顯示風(fēng)壓大小時(shí)，直接將采集的風(fēng)壓數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換即可；當(dāng)要求顯示風(fēng)速大小時(shí)，則須將采集的風(fēng)壓和溫度數(shù)據(jù)按照式(4)計(jì)算(軟件程序計(jì)算)后，送鍵盤／顯示模塊顯示相應(yīng)通道及風(fēng)速。3硬件設(shè)計(jì)3.1通道選擇電路本系統(tǒng)共有16路數(shù)據(jù)采集通道，表1為通道選擇真值表，可以通過89C52的P1口控制16個(gè)通道的選通狀態(tài)(Q1～Q4)。圖2為通道選擇控制電路，8D鎖存器74LS373的輸入引腳D1～D8與89C52的P1口連接，輸出腳Q1～Q6用于選擇控制16個(gè)通道，其中：Q4，Q5，Q6分別與A1(74LS138)的A、B、C腳相連；定義A1的輸出口Y0，Y1為A2或A3的片選控制信號(hào)，當(dāng)Y0為低電平時(shí)選擇A2芯片工作，當(dāng)Y1為低點(diǎn)平時(shí)選擇A3工作；74LS373的Q1，Q2，Q3則分別與A2，A3芯片的A，B，C腳直接相連，實(shí)現(xiàn)采集通道的8選1控制，再與Q4高／低電平2個(gè)狀態(tài)結(jié)合，就可實(shí)現(xiàn)16路通道的選擇。3.2程控信號(hào)放大電路傳感器輸出的電壓信號(hào)比較小，與A／D轉(zhuǎn)換輸入端口不匹配，必須在A／D轉(zhuǎn)換前加一個(gè)信號(hào)放大電路，選用超低漂移高精度運(yùn)算放大器OPO7。又由于通道數(shù)較多，各通道參數(shù)的精度、量程不同，因此，監(jiān)測到的信號(hào)需要根據(jù)不同的通道，選擇適宜的放大倍數(shù)，更好地完成信號(hào)的放大處理，為A／D轉(zhuǎn)換器提供更為準(zhǔn)確的采集信號(hào)。圖3為放大電路，采用4路選擇開關(guān)CD4052芯片來選擇放大倍數(shù)Ki。用圖2中的74LS273的Q7，Q8輸出端口控制CD4052芯片，選擇*0，*1，*2，*3，實(shí)現(xiàn)電阻R1，R2，R3，R4的切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改變放大倍數(shù)的目的。放大倍數(shù)

3.3A／D轉(zhuǎn)換電路選用ADI公司的16位串行口的A／D轉(zhuǎn)換芯片AD7715，它使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A／D轉(zhuǎn)換過程，只有1路模擬輸入。逐次轉(zhuǎn)換各個(gè)通道數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里，需要用時(shí)再取出來。該芯片具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，可以消除零點(diǎn)誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。圖4為AD7715與89CA2的連接，單片機(jī)的P2.2，P2.1，P2.0引腳分別與AD7715的SCLK、DRDY、DOUT(DIN)引腳連接。由于AD7715的輸入與輸出不同步，所以輸入與輸出引腳接在單片機(jī)的同一個(gè)引腳P2.0上。AD7715的片選信號(hào)(CS)直接接地，模擬信號(hào)由AIN(+)引腳進(jìn)入，經(jīng)轉(zhuǎn)A／D換后由DOUT輸出數(shù)字信號(hào)到單片機(jī)，而單片機(jī)運(yùn)算處理過的數(shù)據(jù)則由DIN輸入給AD7715，其中AIN(+)，AIN(-)，DIN，DOUT均是串行口。MCLKIN，MCLKOUT主時(shí)鐘信號(hào)端(即晶振連接端)。3.4鍵盤／顯示接口電路采用8279鍵盤顯示專用芯片與單片機(jī)相連。在該設(shè)計(jì)中，一共設(shè)置了6個(gè)控制鍵，6個(gè)LED數(shù)碼顯示管(前2個(gè)用來顯示被測通道號(hào)，后4個(gè)用來顯示所監(jiān)測通道的具體數(shù)值)；其中6個(gè)按鍵的功能說明如下：

“設(shè)置〞鍵：通電后儀表可隨時(shí)按“設(shè)置〞鍵，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，輸入密碼，再次按“設(shè)置〞鍵，可修改設(shè)置參數(shù)(密碼錯(cuò)誤時(shí)，按設(shè)置鍵將返回監(jiān)測狀態(tài))，當(dāng)該參數(shù)項(xiàng)不需要修改時(shí)，可直接按“設(shè)置〞鍵，進(jìn)入下一個(gè)參數(shù)的設(shè)定?！岸c(diǎn)〞鍵：按“定點(diǎn)〞鍵，顯示方式將在固定顯示*一通道的參數(shù)和循環(huán)顯示各通道參數(shù)兩種方式間來回切換。如原來為定點(diǎn)方式，按“定點(diǎn)〞鍵，將變?yōu)檠h(huán)顯示方式；如原來為循環(huán)方式，按“定點(diǎn)〞鍵，將變?yōu)槎c(diǎn)顯示方式?！啊浓?、“∧〞鍵：設(shè)置數(shù)據(jù)采集通道。在循環(huán)顯示方式時(shí)，按上下鍵無效，在定點(diǎn)方式時(shí)，通道號(hào)分別加減1?！扒袚Q〞鍵：可使顯示內(nèi)容為風(fēng)速、風(fēng)壓顯示兩個(gè)參數(shù)中的一種，如原來顯示風(fēng)速，按“切換〞鍵，數(shù)碼顯示管將顯示風(fēng)壓值?！皬?fù)位〞鍵：將外部512BRAM中的數(shù)據(jù)傳送給上位PC機(jī)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)打印。3.5可編程看門狗監(jiān)控E2PROM*25045電路89C52單片機(jī)有8kB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間，256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。系統(tǒng)的程序量不大，8kB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，無需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器；多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)據(jù)頻繁、數(shù)據(jù)量比較大的系統(tǒng)，256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間達(dá)不到要求，需要外擴(kuò)效據(jù)存儲(chǔ)器來保存和處理采集的數(shù)據(jù)。采用串行E2PROM器件*25045芯片作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其主要特點(diǎn)為：利用低VCC檢測電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響；存儲(chǔ)器局部是CMOS的串行E2PROM，內(nèi)部按512×8組織，10萬次寫人次數(shù)，100年數(shù)據(jù)儲(chǔ)存；看門狗定時(shí)器對(duì)單片機(jī)提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。圖5是*25045與單片機(jī)的連接圖。在整個(gè)工作期內(nèi)，片選CS端為低電平；WP端為高電平時(shí)，所有寫保護(hù)功能正常。SCK，SI，SO分別接單片機(jī)的P2.4，P2.5，P2.6。其中SCK串行時(shí)鐘輸入，上升沿寫入數(shù)據(jù)或命令，下降沿輸出數(shù)據(jù)；SI串行輸入，由此引腳逐位寫入數(shù)據(jù)或命令；SO串行輸出，由此引腳逐位輸出數(shù)據(jù)。3.6檢測電路該系統(tǒng)需要監(jiān)測風(fēng)壓與風(fēng)速2個(gè)參數(shù)，而風(fēng)速是有風(fēng)壓與溫度計(jì)算得到的，計(jì)算公式見式(4)。在風(fēng)壓監(jiān)測時(shí)，將采集到的電流信號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，電壓大小等于該電阻上的電壓，得到的電壓信號(hào)通過放大器放大，輸入到A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，再根據(jù)存儲(chǔ)在RAM中的數(shù)據(jù)查找到相應(yīng)的壓力即可得到相對(duì)的壓力大小。在溫度監(jiān)測時(shí)，見圖6，采用熱電阻的三線接法來監(jiān)測溫度，這樣可以消除導(dǎo)線電阻RL引起的監(jiān)測誤差，使監(jiān)測結(jié)果更準(zhǔn)確。測得Rt如下：

其中V3，R1，V0都為數(shù)，V3為電阻R1上的電壓。由熱電阻阻值跟溫度的關(guān)系可得溫度t。

R0為溫度為0℃時(shí)熱電阻的電阻值。風(fēng)速：

其中：K為測速管標(biāo)定系數(shù)；P為風(fēng)壓；t為熱風(fēng)溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，事先將溫度平均分成很多段，用中值法算出每段中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值，然后根據(jù)這些點(diǎn)描出電阻一溫度的曲線，通過軟件局部制成表，放入單片機(jī)的RAM中，然后在巡測過程中通過查表可以知道此電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。4軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)用單片機(jī)內(nèi)部RAM及其中斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集、暫時(shí)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及其他的輔助功能。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，考慮到程序的可讀性，系統(tǒng)的可擴(kuò)展