測控課程設(shè)計-最小系統(tǒng)設(shè)計實驗報告

1、本科學(xué)生學(xué)年論文論文題目：單片機最小系統(tǒng)測控課程設(shè)計學(xué) 院：電子工程學(xué)院年 級：專 業(yè)：自 動 化姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師： 2016年5月1日摘要意義：單片機比專用處理器最適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機,現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機如：手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機，而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作，汽車上一般配備40多部單片機，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過PC機和其他計算的綜合，甚至比人類的數(shù)量

2、還要多。因此單片機地研究前景比較廣闊。結(jié)合本專業(yè)選取8051單片機作為研究方向。內(nèi)容：單片機最小系統(tǒng)中應(yīng)用到的芯片、外設(shè)及接口電路等，通過擴展單片機外設(shè)，包括單片機儲存器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示模塊和鍵盤輸入模塊，并將軟件設(shè)計和外圍芯片結(jié)合來實現(xiàn)最小系統(tǒng)的功能；掌握單片機系統(tǒng)設(shè)計與實施的一般原則，基本實現(xiàn)從理論到實踐行動，鞏固所學(xué)的知識；同時學(xué)會微機系統(tǒng)的硬件和基礎(chǔ)軟件設(shè)計，學(xué)習(xí)硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，以及基本的技能和調(diào)試。成果：單片機可靠性高、便于擴展、控制功能強、低電壓、低功耗、片內(nèi)存儲量小、集成度高、應(yīng)用于社會生活的各個方面。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：單片機；數(shù)模轉(zhuǎn)換器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；光電隔

3、離；掉電保護；接口擴展Abstract Meaning: the single chip processor is the most suitable for the embedded system, so it has the most application. In fact SCM is the worlds largest number of computers, modern human life in almost every piece of electronic and mechanical products will be integrated single chip suc

4、h as: mobile phone, telephone, calculator, household appliances, electronic toys, palm computers and computer accessories such as a mouse are equipped with 1-2 SCM and PC will also have a large number of SCM in the work, the general car with more than 40 SCM, complex industrial control systems may h

5、ave even hundreds of SCM to work at the same time! SCM is not only far more than the number of PC machines and other computing, even more than the number of human. So the research prospect of single chip computer is quite broad. Combined with the professional selection of 8051 single chip as the res

6、earch direction.Content: minimum system of microcontroller is applied to the chip, peripherals and interface circuit, by extending MCU peripherals, including SCM storage, digital to analog conversion, analog to digital conversion, digital tube display module and a keyboard input module and will soft

7、ware design and peripheral chips are combined to achieve the function of the minimum system; master MCU system design and implementation of the general principles, the basic realization of from theory to practice, consolidate the learned knowledge; and at the same time, learn the microcomputer syste

8、m hardware and software design, learning experience in the design of hardware and software of the system, and the basic skills and debugging.Results: single chip with high reliability, easy extension, strong control function, low voltage, low power consumption, small chip storage, high integration a

9、nd application in all aspects of social life.Key wordsKeywords: SCM; DAC; ADC; photoelectric isolation; power off protection; interface目錄摘要I關(guān)鍵IAbstract.IIKey word.II前言.1（一）單片機簡述.2 1.1單片機c8051簡述.2 1.2單片機發(fā)展趨勢.3 1.3單回路控制器4 1.4設(shè)計思想4（二）單片機外部設(shè)備擴展.52.1 外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴展及掉電保護.5 2.1.1晶振接口設(shè)計5 2.1.2復(fù)位電路設(shè)計.5 2.1.

10、3地址鎖存器74LS374.6 2.1.4外部數(shù)據(jù)存儲器擴展.6 2.1.5掉電保護.7 2.2外部接口擴展.72.2.1DAC0830電壓輸出電路.72.2.2電壓變化電路82.2.3AD轉(zhuǎn)換.92.2.4電壓/電流變換電路.92.3模擬輸入、光電隔離及采樣保持器.10 2.3.1模擬輸入和光電隔離.102.3.2采樣保持器.11 2.4LED顯示擴展12 2.4.1 8155H與單片機接口設(shè)計12 2.4.2 按鍵擴展.132.4.3 LED顯示器.14 2.5開關(guān)量.15 2.5.1開關(guān)量輸入電路 .152.5.2 開關(guān)量輸出.152.6看門狗及復(fù)位電路.16結(jié)論.16參考文獻.16附電

11、路原理圖.17附PCB制版圖18前言自從1972年Intel公司推出第一顆微處理器以來，計算機技術(shù)遵循著摩爾先生提出的摩爾定律，以每18個月為一個周期微處理器性能提高一倍、價格降低一半的速度快步向前發(fā)展。以微處理器為核心的微型計算機在最近20年中發(fā)生了巨大的變化，閃電般地經(jīng)歷了從8088/8086到286、386、486、586、P-、P-等奔騰(Pentium)系列眾多CPU的飛躍。計算機對整個社會進步的影響有目共睹，其應(yīng)用面的迅速拓寬，對個人與社會等多方面的滲透表明，計算機技術(shù)已不再是深踞于高層次科技領(lǐng)域里的寵兒，它已經(jīng)深入到社會活動的一切領(lǐng)域之中，闖進了平常百姓的生活里，使人們跨入了信息

12、時代隨著電子技術(shù)的發(fā)展和近代超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，通過對計算機的功能部件進行剪裁及優(yōu)化，將CPU、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、并行I/O口(PIO)、串行I/O口(SIO)、定時/計數(shù)器(CTC)及中斷控制器(ICU)等基本部件集成在一塊芯片中，制成了單芯片微型計算機(Single Chip microcomputer)，簡稱單片機，又叫微控制器(Micro Controller Unit，簡稱MCU)。由于它能嵌入到某個電路或電子產(chǎn)品設(shè)備中，故被稱為嵌入式控制器(Embedded Controller)。要把前面提到的眾多功能集合在一起，在過去需要具備專門的知識，采用許多電

13、路組建成一個電子系統(tǒng)來實現(xiàn)。而今卻簡化成只需選擇一片合適的單片機，并對其已有的功能、指標(biāo)、參數(shù)及引腳進行合理的使用即可完成。20世紀90年代，單片機在我國迅速普及。在電子技術(shù)日新月異的今天，在人們的生活里，到處都可以看到單片機的具體應(yīng)用。單片機可以嵌入到各種電子產(chǎn)品之中，成為機電產(chǎn)品的核心部件，控制著各種產(chǎn)品的工作。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機已從過去的單一品種，發(fā)展成為多品種、多系列機型，內(nèi)部結(jié)構(gòu)從過去的基本部件發(fā)展到集成有A/D、D/A、監(jiān)控定時器(WDT)、通信控制器(CCU)、脈寬調(diào)制器(PWM)、浮點運算器(FPU)、模糊控制器(FCU)、數(shù)字信號處理器(DSP)，以及具有I2C

14、、SPI、ISP等眾多特殊功能部件，成為功能越來越強的增強型、高檔型單片機。由于單片機具有功能強、體積小、功耗低、成本低、裸機編程、軟件代碼少、工作可靠、自動化程度高、實時響應(yīng)速度快以及使用方便等特點，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、過程控制、數(shù)據(jù)采集、通信、智能化儀器儀表、汽車、船舶、航空航天、軍工及消費類電子產(chǎn)品中。 現(xiàn)今，炙手可熱的“三網(wǎng)”(即電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng))融合產(chǎn)品、物聯(lián)科技已開始興起；在汽車中普遍都需要有30多個單片機被用于其中的空調(diào)、音響、儀表盤、自動窗、遙控門、自控前后蓋、空氣質(zhì)量監(jiān)測、反射鏡角度調(diào)整、自動滅火、防盜報警等的控制，協(xié)調(diào)控制著發(fā)動機、傳動器、制動器、安全氣

15、囊、車載全球定位系統(tǒng)(GPS)等多方面有條不紊地工作；此外，還有工業(yè)自動化控制和軍事科技等。這些領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)都還存在許多技術(shù)問題尚要解決，這正是電子技術(shù)人員可以大展拳腳的領(lǐng)域。（一）單片機概述1.1單片機c8051簡述： C8051F單片機中有豐富的模擬和數(shù)字資源，并采用了一些在單片機中前所未有的新技術(shù)，在CPU內(nèi)核的內(nèi)部和外部有幾項關(guān)鍵性的改進。提高了整體性能，更易于在最終使用中使用。下面對C8051F單片機的主要特點加以介紹。高速CIP-51內(nèi)核，C8051F單片機使用Silabs的專利CIP-51核。CIP-5核采用流水線結(jié)構(gòu)，機器周期由標(biāo)準8051F的12個系統(tǒng)時鐘同期降為1個系統(tǒng)時

16、鐘周期，處理能力大大提高。在采用相同振蕩器頻率的情況下，C8051F單片機的峰值執(zhí)行速度的標(biāo)準8051的12倍。大部分C8051F單片機的峰值性能達到25MIPS，而8051F12X系列的峰值性能達到100MIPS。CIP-51擴展了標(biāo)準的中斷系統(tǒng)，這個擴展的中斷系統(tǒng)可以提供22個中斷源（標(biāo)準8051F只有7個中斷源）允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個中斷驅(qū)動的系統(tǒng)需要較少的MCU干預(yù)，卻有更高的執(zhí)行頻率。在設(shè)計一個多任務(wù)實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。豐富的模擬和數(shù)字資源，C8051F單片機內(nèi)部集成了大量的模擬和數(shù)字資源。模擬資源主要包括：1）由逐次逼近型ADC、多通道模擬

17、輸入選擇器和可編程增益放大器組成的完整ADC子系統(tǒng)。ADC可以由多種轉(zhuǎn)換啟動方式，10位或12位的ADC數(shù)據(jù)字可以被編程為左對齊或右對齊方式。大部分器件中的ADC都可被編程差分輸入或單端輸入。ADC子系統(tǒng)可以產(chǎn)生窗口比較中斷，即當(dāng)ADC數(shù)據(jù)位于一個規(guī)定的窗口之內(nèi)或之外時向CPU申請中斷，這一特性允許用ADC以后臺方式監(jiān)視一個關(guān)鍵電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的窗口之內(nèi)時才向CPU申請中斷。2）數(shù)、模轉(zhuǎn)換器（DAC）。大部分C8051F器件內(nèi)部有一個或兩個電壓輸出DAC子系統(tǒng)。C8051F02X的DAC還有靈活的輸出更新機制，允許用軟件命令和定時器2、定時器3及定時器4的溢出信號更新DAC輸出。3）模

18、擬比較器。大多數(shù)C8051F單片機內(nèi)部都有兩個模擬電壓比較器?？梢杂密浖O(shè)置比較器的回差電壓。每個比較器都能在上升沿或下降沿產(chǎn)生中斷，或在兩個邊沿都產(chǎn)生中斷，比較器得我輸出狀態(tài)可以用軟件查詢?？赏ㄟ^設(shè)置交叉開關(guān)端11MUX將比較器的輸出接到端口I/O引腳。數(shù)字資源主要包括：1）標(biāo)準8052單片機的數(shù)字資源。如三個16位定時器/計數(shù)器,256字節(jié)內(nèi)部RAM,UART等.2）片內(nèi)可編程計數(shù)器/定時器陣列(PCA).PCA包括一個專用的16位計數(shù)器/定時器時間基準和3-6個可編程的捕捉/比較模塊.PCA的時鐘源可以是系統(tǒng)時鐘分頻、定時器溢出、外部時鐘輸入、外部振蕩源分頻等。每個捕捉/比較模塊都有多種

19、工作方式：如邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、脈沖寬度調(diào)制器、頻率輸出等。3）SPI總線和SMBus/I2C總線。大部分C8051F單片機中集成了SPI總線和SMBus/I2C總線。這些串行總線不“共享”定時器、中斷或端口I/O，所以可以使用任何一個或全部同事使用。多源復(fù)位C8051F單片機可有多達7個復(fù)位源：一個片內(nèi)VDD監(jiān)視器、一個看門狗定時器、一個時鐘丟失檢測器、一個由比較器O提供的電壓檢測器、一個強制軟件復(fù)位、CNVSTR引腳及外部復(fù)位引腳。外部復(fù)位引腳是雙向的，可接受外部復(fù)位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位信號輸出到外部復(fù)位引腳。除了VDD監(jiān)視器復(fù)位和外部引腳復(fù)位以外，每個復(fù)位源都可以由用戶

20、用軟件禁止。雙重系統(tǒng)時鐘：C8051F單片機內(nèi)部有一個能獨立工作的時鐘發(fā)生器件并具有外部振蕩器驅(qū)動電路。在復(fù)位后內(nèi)部時鐘發(fā)生器被默認為系統(tǒng)時鐘。外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧震器、電容、RC電路或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行期間在內(nèi)部振蕩器和外部振蕩器之間切換。這種時鐘切換功能在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節(jié)電）外部晶體源運行，當(dāng)需要時再周期性地切換到高速的內(nèi)部振蕩器?？删幊虜?shù)字I/O和交叉開關(guān)1.2單片機發(fā)展趨勢集成更多功能及兼容性 目前微控制器的另一個發(fā)展趨勢是在芯片上集成更多的功能,如模擬功能,包括模擬比較器,AD和DA轉(zhuǎn)換等。PHILIPS

21、的P87LPC76X系列單 片機中就有兩個模擬比較器,輸入和輸出選擇允許比較器配置成不同模式;還有外圍功能,如USB(UniversalSerialBUS)、LCD(液晶顯示)、CAN(ControllerAreaNetwork)、硬件加速器等。 USB是解決PC機環(huán)境工業(yè)標(biāo)準連接的有效途 徑,允許把很多外圍器件連接到一個公共界面上。MOTOROLA提供了一個FaStackUSB器件庫。 CAN直譯為控制器區(qū)域網(wǎng),它是一種可靠、廉 價、快速、靈活的串行總線系統(tǒng),它由許多相等的節(jié)點以線狀的拓撲結(jié)構(gòu)相連接而成，用來在高噪音環(huán)境中進行實時數(shù)據(jù)交換工作。InfineonTechnologies在解釋C

22、AN基本原理時提出了一種“完整型”CAN控制器的結(jié)構(gòu),強抗干擾能力 用戶最初不肯選擇微控制器的一個原因是電磁噪聲,而STMicroelectronics推出的ST62系列單片機在這方面無疑是佼佼者,其優(yōu)良的抗干擾能力使得許多大公司將其應(yīng)用在系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件上。加強內(nèi)核開發(fā) (1)M.CORE M.CORE是新一代Motorola微控制器內(nèi)核產(chǎn) 品,采用32位存取RISC結(jié)構(gòu),使之適用于高性能嵌入式控制應(yīng)用;全靜態(tài)設(shè)計,動態(tài)時鐘管理和低電壓工作方式又大大減小了功耗。 (2)TriCore TriCore是Infineon推出的32位單片機與DSP融合為一的內(nèi)核芯片,它基于TriCore21的 “

23、superscalar”結(jié)構(gòu),真正融合了單片機的實時性能和DSP的計算能力,以及RISC存取結(jié)構(gòu)帶來的高性能價格比,減少了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。TriCore被廣泛應(yīng)用在語音指紋識別、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、工業(yè)產(chǎn)品、PC周邊設(shè)備以及通訊器材等領(lǐng)域。1.3單回路控制器 單回路控制系統(tǒng)又稱單回路反饋控制；它是最基本、結(jié)構(gòu)最簡單的一種，單回路控制器一般可接受多個輸入信號，單輸出只有一個模擬信號，構(gòu)成單回路直接數(shù)字控制；單回路反饋控制由四個基本環(huán)節(jié)組成即：被控對象或被控過程、測量變送裝置、控制器和控制閥。單回路控制器一種以微處理器為計算、控制核心，配以相應(yīng)軟件，在外觀及使用上類似常規(guī)模擬控制器的數(shù)字式控制儀表，又

24、稱單回路數(shù)字控制器。單回路控制器一般可接受多個輸入信號，但只輸出一個模擬量 信號，構(gòu)成單回路直接數(shù)字控制。它可以由用戶編 制程序，組成各種調(diào)節(jié)規(guī)律，所以又稱為“可編程控制器”。 單回路控制器一般由微處理器、過程輸入/輸出通道、正面板、側(cè)面板、供電電源、數(shù)字通信系統(tǒng)等硬 件部分和監(jiān)控系統(tǒng)、基本算式編程系統(tǒng)等軟件部分組成 單回路控制由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象（簡稱對象）或被控過程（簡稱過程）、測量變送裝置、控制器和控制閥。 單回路控制器就是對控制系統(tǒng)的整定，對于一個已經(jīng)設(shè)計并安裝就緒的控制系統(tǒng)，通過控制器參數(shù)的調(diào)整，使得系統(tǒng)的過渡過程達到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。 單回路控制器具有兩個控制回路：

25、比例積分模擬回路和比例積分溫度控制回路。工作原理 編輯單回路控制器將控制中常用的比例積分微分 (PID)、超前滯后(E/L)、四則運算、開方等幾十種 算式寫人只讀存儲器中。這些固化算式稱為“軟件 功能模塊”。將這些功能模塊根據(jù)用戶的需要按某 種規(guī)律“連接”起來，組成控制方案的過程，就稱為控 制器的編程。編程工作通過專用的編程器或某些控 制器本身所附的編程器進行。方法有“在線”編程和 “離線”編程兩種。“在線”編程要求控制器中的隨機 存儲器RAM有較大的容量，并有可靠的掉電保護 裝置。 溫度控制 控制器既可以通過內(nèi)置溫度傳感器也可以通過外接傳感器測量溫度。使用內(nèi)置或外接的傳感器可通過一個跳線裝置

26、進行選擇?？刂破魍ㄟ^輸出給閥門執(zhí)行器或風(fēng)門執(zhí)行器一個連續(xù)的010V DC信號使被控區(qū)域溫度恒定在設(shè)定點。溫度控制使用比例積分控制函數(shù)（PI）。特點 編輯單回路控制器的型號有許多種，但它們一 般都具有以下共同特點: (l)數(shù)字量和模擬量顯示棍合使用，輸人和輸 出信號采用國際統(tǒng)一標(biāo)準的模擬信號41孔A一201llA IX二及IV一SVLo (2)外形結(jié)構(gòu)、安裝方式、正面操作面板的設(shè) 置、操作及顯示方式都與模擬控制器相似，使習(xí)慣于 模擬控制器的人員容易掌握。 (3)用戶程序編制采用“面向過程語言”，使用 上類似袖珍計算器的編程。 (4)調(diào)節(jié)器外部采用硬接線，與模擬控制器兼 容;它的內(nèi)部功能模塊通過軟

27、件連接。控制器中配 有數(shù)十種常用的控制算式和操作功能。用戶可根據(jù) 需要，按照系統(tǒng)的控制方案及算式，從中任意選擇和 組態(tài)。 (5)具有數(shù)據(jù)通信功能。它既能代替模擬儀表 單獨使用，也可與其它單回路控制器或數(shù)字儀表、 CRT操作站、上位計算機進行信息交換，構(gòu)成不同 規(guī)模的計算機控制系統(tǒng)。 (6)具有自診斷功能。能對儀表的各功能模塊 和軟件進行在線檢查，發(fā)現(xiàn)異常立即顯示診斷代碼， 指出故障部位并隨時報警。 (7)在儀表的軟硬件開發(fā)上采用了后備操作、 后備電源、無擾動切換、故障自動切換與隔離及冗余 措施等可靠性技術(shù)。 1.4設(shè)計思想 單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以

28、工作的系統(tǒng). 對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、晶振電路、復(fù)位電路、按鍵輸入、顯示輸出等。單片機接口電路主要用來連接計算機和其它外部設(shè)備.各功能模塊的原理及功能如下: 復(fù)位電路:由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成,由圖并結(jié)合電容電壓不能突變的性質(zhì),可以知道,當(dāng)系統(tǒng)一上電,RST腳將會出現(xiàn)高電平,并且,這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定.典型的51單片機當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復(fù)位,所以,適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位 晶振電路:典型的晶振取11.0592MHz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產(chǎn)生精確的u

29、S級時歇,方便定時操作) ； 利用Protel電路設(shè)計軟件進行原理圖繪制、元器件的排布、PCB自動布線，以此鞏固單片機應(yīng)用、模擬電路、數(shù)字電路課程的知識，以及熟練運用工程軟件Protel的使用。（二）單片機外部設(shè)備擴展2.1 外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴展及掉電保護2.1.1晶振接口電路設(shè)計 晶振電路: 晶體振蕩器簡稱晶振，典型的晶振取11.0592MHz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產(chǎn)生精確的uS級時歇,方便定時操作)，為系統(tǒng)提供一個基本時鐘信號，系統(tǒng)內(nèi)通常公用一個時鐘信號，便于各部分同步，一般晶振振蕩電路都是在一個反相器的兩端接入

30、晶振，再有兩個電容另一端分別接地，兩個電容串聯(lián)的容量值就等于負載電容；2.1.2復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位電路:由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成,由圖并結(jié)合電容電壓不能突變的性質(zhì),可以知道,當(dāng)系統(tǒng)一上電,RST腳將會出現(xiàn)高電平,并且,這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定.典型的51單片機當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復(fù)位,所以,適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位。 2.1.3地址鎖存器74LS374 地址鎖存器74LS374是帶有三態(tài)門的八D鎖存器，共有8個輸入端D1-D8及8個輸出端Q1-Q8。當(dāng)三態(tài)端OE為有效低電平，74LS373的G端為輸入選通端，使能端G為有效高電平時，輸出跟隨輸入變化

31、；它的G端可直接與單片機ALE相連，在ALE下降沿時進行地址鎖存，當(dāng)ALE輸出端為高電平時，鎖存器處于透明狀態(tài)，Q端等于D端；當(dāng)ALE從高電平下降為低電平時，產(chǎn)生一個下降沿，使輸出端D的數(shù)據(jù)存入鎖存器中，在ALE為低電平期間，不論D端如何變化，Q端輸出保持不變 2.1.4外部數(shù)據(jù)存儲器擴展數(shù)據(jù)存儲器擴展與程序存儲器擴展基本相同，所以地址總線和數(shù)據(jù)完全相同，與程序存儲器擴展不同的是，數(shù)據(jù)存儲器的讀寫控制信號為W、G。如下圖：數(shù)據(jù)總線是共用總線，不能被獨占使用，這就要求接在上面的芯片必須具備“三態(tài)”功能，因此擴展輸入接口實際上就是要找一個能夠用于控制且具備三態(tài)輸出的芯片。以便在輸入設(shè)備被選通時，它

32、能使輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)線和單片機的數(shù)據(jù)總線直接接通；而當(dāng)輸入設(shè)備沒有被選通時，它又能隔離數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)總線(即三態(tài)緩沖器為高阻抗?fàn)顟B(tài))。 2.1.5掉電保護 外部數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護是十分重要的，發(fā)生意外停電時，電容和電池（BATTERY）向外部數(shù)據(jù)存儲器（U2）供電，可避免多次重建數(shù)據(jù)存儲器，保證測量過程不發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況。外配電池在主電源失去時，對單片機的繼續(xù)運行提供能源，此時的電池能源是非常寶貴的，往往都是以“ uA ”級進行計算。而且還有一個不能避免的結(jié)果，就是隨著保護時間的延長，電池的電量也會用完的。所以，保護電路有一個最長保護時間的參數(shù)。使用中不能超過，否則，保護就會失效；當(dāng)電池經(jīng)過保

33、護時間的使用之后，就需要補充電能，以便下一次保護時能夠以充足的電能投入保護工作。所以，又有一個如何給電池充電的問題。也就是電池在主電源正常供電時，需要由主電源對其進行充電：當(dāng)主電源失去時，又由電池放電以保持單片機系統(tǒng)的運行 2.2 外部接口擴展2.2.1 DAC0830輸出電路 DAC0832共用數(shù)據(jù)接口P0，通過74LS138來控制哪一個DA接口使能，再通過放大器將電壓放大輸出，其中輸出值V為（05V），不符合國際標(biāo)準電壓的使用，因此需外加電壓變換電路,將電壓變換為（15V）。集成D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832（及DAC0830和DAC0831）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個8位輸入寄存器、一個8位DAC

34、寄存器、一個8位D/A變換器和有關(guān)控制邏輯電路組成。其中的8位D/A變換器是R-2R T形電阻網(wǎng)絡(luò)式的。這種D/A變換器在改變基準電壓VREF的極性后輸出極性也改變。所有輸入均與TTL電平兼容。在使用時，可以采用雙緩沖方式（利用兩個寄存器），也可以采用單緩沖方式（只用一級鎖存，另一級直通），還可以采用直通方式。DAC0832只需要一組供電電源，其值可以在+5V+10V范圍內(nèi)。DAC0832的基準電壓VREF=-10V+10V，因而可以通過改變VREF的符號來改變輸出極性。但AD1408等模擬輸出電壓只能是一個方向，因為其基準電壓極性不允許改變。DAC0832的單極性輸出DAC0832以單緩沖方

35、式與8086CPU相連接的電路。由于DAC0832內(nèi)部有8位數(shù)據(jù)輸入寄存器，可以鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)總線直接連接到DAC0832的DI7DI0上。按單緩沖方式工作，ILE接+5V,/WR2接 2.2.2 電壓變換電路 通過恒壓源電路將VCC電壓變?yōu)?V的電壓作為電壓加法器的一端輸入，然后再將AD582的輸出（05V）電壓通過電阻分壓以4:1的比例，將電壓變?yōu)椋?4V）。再將R56和R59設(shè)置為1:1，使兩路電壓按1:1比例相加，從而得到15V標(biāo)準電壓。2.2.3 AD轉(zhuǎn)換邏輯控制信號由8051的數(shù)據(jù)接口P0口發(fā)出，并由三態(tài)鎖存器74ALS374鎖存到輸出端Q端，再有Q端的輸出控制AD

36、582的工作過程；AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)通過P0數(shù)據(jù)總線連至8051,；由于只使用了8位數(shù)據(jù)口，12位數(shù)據(jù)需要分兩次進入8051，此時要求CE端為高電平，因此通過與非門（NADN）與AD582的使能端CE相連，采用逐次漸進型模數(shù)轉(zhuǎn)換，屬于反饋比較型的模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過DA轉(zhuǎn)換器輸出值與輸入模擬信號有次序地進行比較，從而確定輸出數(shù)字信號的各個位的值。其啟動轉(zhuǎn)換后，控制邏輯電路首先把逐次比較寄存器（SAR）的最高位置1，其它位置0，SAR中的內(nèi)容經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到的電壓值送入比較器中與輸入模擬信號Ui進行比較。比較的結(jié)果輸出到SAR，并在下一次比較前對最高位進行修正。接著，在時鐘信號驅(qū)動下，SAR中次高

37、位置1，SAR中的內(nèi)容經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的電壓值再次送入比較器中與Ui進行比較，并在下一次比較前對次高位進行修正。這樣SAR中的各位從高到低不斷置1，不斷的送入DA轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換后值不斷送入比較器中與Ui進行比較，通過比較器的輸出實現(xiàn)對該位的修正。當(dāng)完成SAR中最低位的修正后，AD轉(zhuǎn)換完成，這時SAR中的值即為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。2.2.4 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路AM422是一個應(yīng)用于一端接地的輸入信號轉(zhuǎn)換處理的電壓到電流的接口集成電路。通過少量 的外接元件就可以使輸出電流在一個很大的范圍內(nèi)可調(diào)。除了外接電阻R0到R5和電容C1(C2)之外，要使電路正常工作還需要一個外接的三極管T1和一個起

38、保護作用的二極管D1。外接的三極管降低了集成電路AM422的耗散功率。當(dāng)外接電源的極性接反的話，二極管將起保護三極管的作用。在選擇二極管和三極管時請注意它們的耗散功率。 AM422可以用作為二線方式或者三線方式輸出的電壓到電流的接口電路。三線方式輸出。外接的參考點Ground是管腳7（GND）一致的，此時集成電路的工作電壓和電源電壓是一樣的VCCVS。二線方式輸出，此時的管腳7（GND虛地）是接在R5和負載電阻RL之間。在這種情況下，集成電路的工作電壓VCC和電源電壓VS的關(guān)系是： Vcc=Vs-Iout*RL2.3模擬輸入、光電隔離及采樣保持器2.3.1 模擬輸入和光電隔離模擬信號轉(zhuǎn)換成計算

39、機可以接收的數(shù)字信號，計算機系統(tǒng)模擬量是輸入通道中的一種模擬量存儲裝置，它是連接采樣器和模數(shù)轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)。MAX232是TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換的典型芯片，取振蕩電容為uF的時候，若輸入為5V,輸出可以達到-14V左右，輸入為0V ,輸出可以達到14V,在扇出電流為20mA的時候，處處電壓可以穩(wěn)定在 12V和-12V.因此，在功耗不是很大的情況下，可以將MAX232的輸出信號經(jīng)穩(wěn)壓塊后作電源使用。光電隔離：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。R4和R72是保護電阻，防止外部電壓過高將發(fā)光二級管擊穿，

40、通過光電耦合將電信號傳輸進MAX232，外加電源VCC、R5和R71是為了加大輸入電流，R的阻值由VCC和通過光耦流入的電流大小決定2.3.2采樣保持器采樣保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件，是計算機系統(tǒng)模擬量輸入通道中的一種模擬量存儲裝置。它是連接采樣器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的中間環(huán)節(jié)。采樣保持器把采樣器在固定時間點上取出被處理信號的值放大后存儲起來，保持一段時間，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，直到下一個采樣時間再取出一個模擬信號值來代替原來的值。2.4 LED顯示擴展2.4.1 8155H與單片機接口設(shè)計8155H簡介：8155共有40個引腳，采用雙列直插的封裝，8155是按外部數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，有

41、16位地址，其中高8位有片選線提供當(dāng)CE=0時選中該片。當(dāng)CE=0、IO/M=0時，選中8155片內(nèi)RAM，這時8155只能作為片外RAM使用，其RAM的低8位編址為00HFFH；當(dāng)CE=0、IO/M=1時，選中8155的I/O口，其端口地址的低8位有AD0AD7決定。74LS373芯片：74LS373 的輸出端 Q0Q7可直接與總線相連。 當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，Q0Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當(dāng)OE為高電平時，Q0Q7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。 當(dāng)鎖存允許端 LE 為高電平時，Q隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng) LE為低電平時，Q被

42、鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。2.4.2按鍵擴展鍵盤由N條I/O線作為行線，M條I/O線作為列線組成鍵盤，在每個行線和列線的交叉位置設(shè)置一個按鍵，形成N*M鍵盤矩陣。 矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。當(dāng)鍵被按下時，其交點的行線和列線接通，相應(yīng)的行線或列線上的電平發(fā)生變化，單片機通過檢測行或列線上的電平變化可以確定哪個按鍵被按下。 矩陣鍵盤不僅在連接上比單獨式按鍵復(fù)雜，它的按鍵識別方法也比單獨式按鍵復(fù)雜；矩陣鍵盤的檢測方法有多種，常見的有：逐點掃描法、逐行掃描法、全局掃描法；采用逐行掃描法來實現(xiàn)按鍵檢測，其中PA0-PA7作為列線，PC0-PC3作為行線。識別過程如下：1、判斷鍵

43、盤中是否有鍵按下。設(shè)置所有行線為輸出口，并輸出低電平；設(shè)置列線為輸入口，讀取列線上的電平狀態(tài)，只要有一列的電平為低，就表示有按鍵按下，并且被按下的鍵位于電平為低的列線與4跟行線相交叉的4個按鍵中，若所有列線都為高電平，表示沒有按鍵按下；2、判斷被按下按鍵所在的位置。在確認有鍵按下后（進行按鍵消抖處理后），接下來就是確定具體哪個案件被按下，方法是：依次將每根行線設(shè)置為輸出口，并輸出低電平（同時剩余行線輸出高電平），然后逐列檢查每根列線的電平狀態(tài)，若某列為低電平，則該列線與設(shè)置為輸出低電平的行線交叉處的按鍵就是被按下的按鍵。鍵盤的所有行線和列線都接了上拉電阻，這是為了確保在沒有按鍵按下的時候，I/O口的電平狀