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电气电子毕业设计论文
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毕业设计138弱信号检测电路,电气电子毕业设计论文
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1 目 录 摘 要： 2 Abstract： 3 引 言： 5 第一章 放大电路 7 1.1 基本放大电路的工作原理 7 1.2 多级放大电路 11 1.3 放大电路的信号仿真波形示意图： 12 1.4 负反馈功能和用途简介 13 第二章 滤波电路 15 2.1 滤波电路概述 15 2.2 无源滤波电路 16 2.3 有源滤波电路 16 2.4 放大信号的滤波以及通过滤波过后的仿真波形示意图： 19 2.5 两种滤波电路的优差和选用 20 第三章 转换电路 21 3.1 ADC0809 的原理和功能介绍 21 第四章 单片机简介及运用 23 4.1 8051单片机简介 23 4.2 8051的芯片引脚 （如图 4.2-1）所示 25 第五章 转换与储存 27 5.1 ADC0809简介 27 5.2 ADC0809 与 8051 的接口电路 29 5.3 ADC0809 与 8051 的接口程序 32 第六章 总体设计电路 35 6.1 总体流程框图 35 6.2 设计电路原理图 35 6.3 总电路印刷板图 40 第七章 总结 42 第八章 谢 辞 44 第九章 参考文献 45 nts 2 摘 要： 在实际的数据采集和信号处理系统中，由于信号的幅值较小，测量时又受到信号端、传输器件及变换器件等本身存在的本底噪声的影响，表现出的总体效果是有用信号被大量的噪声和干扰所淹没。如何检测这种强噪声干扰情况下的微弱信号，是 信号处理中的重要研究内容。许多科研工作者已提出了一些有效的处理方法，如基于高增益的宽带波束形成的微弱信号检测方法及微弱信号的相干检测法等，但都存在灵敏度不高或适应性不强的问题。那么在现在的生活之中，人的心脏水准越来越受人关注。因此我们这次设计的弱信号检测电路就是以心电图为基础，以滤波电路、放大电路、 A/D 转换电路和计算机存储等部分组成，共同来探讨心电图。 弱信号检测电路是一种运用电子原器件组成的一个能够完成对弱信号的检测。如：对心电信号的检测。它是由滤波电路、放大电路、A/D 转换电路和计算机存储等部分组成。 通过放大电路我们可以将输入的微弱的电信号放大，使得以后的电路能够对信号进行处理放大。它通过滤波电路，放大电路可以将很微弱的电信号较清晰的分析出来，并通过示波器等模拟信号显示设备较完整准确的显示出来，设计的成功对心电信号的检测与利用有极为重要的作用，最终 并可以通过 A/D 转换电路，将模拟信号存入计算机当中，为以后信号的处理和再次应用提供了必要的前提条件。所以，弱信号检测与转换电路的 对医学方面的发展起到了很大的推动作用。 关键词 ： 弱信号 弱信号检测 滤波电路 放大电路 A/D 转换电路 nts 3 Abstract： The actual data acquisition and signal processing systems, due to smaller signal amplitude measured by the signal -again, transmission devices and transform itself devices such as the background noise impact, show the overall effect is useful signal was a lot of noise and interference drowned. How to detect such strong noise interference of the weak signal, signal processing is an important research topic. Many researchers have made a number of effective treatment methods, As for the high-gain broadband beamforming the weak signal detection method and the coherent weak signal detection. But there is not high sensitivity or adaptability is the problem. Well, now lives, the heart of standards of concern. Therefore, we designed this weak signal detection circu it is to ECG as the foundation, the filter circuit, the amplifier circuit, A / D conversion circuit and computer memory and other components, to jointly explore electrocardiogram. The weak signal examination electric circuit is an examination that can complete to the weak signal that a kind of spare part with original usage electronics constitutes.Such as:To the examination of heart telecommunication number.It from filter an electric circuit and enlarge electric circuit, the A/D conversion electric circuit and calculator saving etc. part to constitute. Pass to enlarge electric circuit us can will input of the weak telecommunication number enlarge, can make the later electric circuit carry on a processing to enlarge to the signal.It passes to filter an electric circuit, enlarging the electric circuit can come out very weak telecommunication number clearer analysis, and pass to show the more complete and accurate manifestation of the manifestation equipments of the emulation signal of a machine etc. to come ou t, and can pass the A/D nts 4 conversion electric circuit, deposit the emulation signal into the calculator in the middle, is later signal of processing with again applied provide necessary of prior condition.So, the success ofwith design of the weak signal examination and conversion electric circuit has extremely important function to examination and exploitation of heart telecommunication number, end have very great push to the developments of medical sciences function. Key word: Weak signal Weak signal examination circuit Filter circuit Electric circuit A/D conversion electric circuit nts 5 引 言： 人体最重要的身体器官莫过于心脏，它是人体血液循环的动力源。它的运动机能运动正确与否直接影响着整个人体能否正常运行，血液循环不仅是为人体提供营养与氧的交换，还影响各个身体器官的运行状况，所以说心脏是人体最重要的器官，也是最为重要的组成部分。 心脏病和肿瘤是发达国家患病率、死亡率最高的两 种疾病，随着人口老龄化，心脏患者呈逐渐上升的趋势。我国早在 20 世纪 80 年代统计数据表明心血管病死亡率为 119.34/10 万，是总死亡的 21.49%位居第一。近年来，高血压心脏病和心率失常显上升趋势。 正常心脏处于胸腔内，它所处的位置，与周边脏器关系十分稳定。在生理状况下，每个人心脏的大小、重量、容量都是相对稳定的，因此心脏的生理过程容易用物理、生化、数学术语表示。心脏的生物信号易于获取、规范化和解释。 以心动周期为例，心脏规律运动，使得心脏在运动各期的状态，各房室腔内压力，心音节律和强弱、心电活动都有 着恒定的规律。这样，我们采集到的各种数据易于标准化，易于提取具有医学诊断的特征参数，也易于对数据本身或其变化做出解释。心电图、心音图、房室腔压力曲线就是计算机信息技术对临床数据应用的代表。 心脏的大小：医生可以通过扣诊心脏的浊音界而描绘心脏的大小和形态。心浊音界的各数据是以前正中线为纵轴， 为横轴形成坐标点，各坐标点与前正中线的垂直距离构成了正常值数据。当我们将这些坐标点相连，便显示正常心脏外形和大小，当心脏发生病变时，其外形和大小常产生变化，这些坐标点随之产生位移，其连线构成的图形常显示特征性病变。例 如当心浊音界为 “靴形 ”时提示可能为主动脉关闭不全；为 “犁形 ”时，提示可能为二尖瓣狭窄； “烧瓶样 ”时，提示可能为心包积液。计算机对这些数据的利用将自动地在病历描绘相应的心浊音界图，并提示疾病可能。 nts 6 心跳频率（每两次心跳间的时间）、心跳节律（心跳之间的间隔规律）、心音高低（音频赫兹数），以及异常心音产生的阶段，这些数据都易于规范化定义。因此，医生都能够利用计算机处理这些数据，也可以利用计算机信息技术处理这些生物信号，从而得到更为精确的心音图，为临床诊疗服务。 心脏实验室检查项目很多，常见的有： 临床生化检查：如 血液肌酸激酶及其同工酶、乳酸脱氢酶测定等，嵌入计算机及应用软件的全自动生化分析仪可以快速准确地提供检测到的数据。 心电图：是心脏科最常用的检测手段，也是使用计算机处理的结果，运动心电图和 24 小时连续记录心电图（ Holter）则是它的更进一步发展。 此外，还有着冠状动脉造影、超声心动图等检测方法。而在心脏病的治疗方面有着心脏科的电子病历以及心脏介入性治疗等，包括瓣膜球囊扩张术、冠状动脉球囊扩张术、冠状动脉支架置入术、心律失常射频销蚀术等，均可以通过血液数字减影（ DSA）中的计算机系统，生成数字图象，为远距离会 诊的医生同步共享。 所以怎样将来源心脏的震动通过转换，变成电信号，再将电信号通过特殊电路转换成能够被医疗机械识别的信号，这样就可以对心脏的机能有大概的了解！ 我们所设计的电路就是将检测到的弱信号，经过滤波电路、放大电路、 A/D 转换电路和计算机存储等，使得相关信息可以很好的保存下来！为其他提供可用的参数！ nts 7 第一章 放大电路 1.1 基本放大电路的工作原理 放大电路的主要技术指标 ： 放大电路的性能如何是由它的性能指标来衡量的 ,而且性能指标决定了放大电路的应用范围。放大电路的性能指标很多 下面我们讨论几个主要性能指标。图 2.1.3 是性能指标的测试电路。 1.1.1 放大倍数 放大倍数又称为增益 ,是衡量一个放大电路放大能力的指标 .放大倍数愈大 ,则放大电路的放大能力愈强。 放大倍数定义为输出信号与输入信号的比值，根据输入输出端所取的是电压信号或电流信号的不同又可分为电压放大倍数，电流放大倍数等。 (1) 电压放大倍数 u (2) 输出电压对输入电压的比值，用 u 表示 即： u = UiUo 上式是不考虑输入信号通过放大电路时可能产生相位移的情况 ,严格地说 ,应该是用输出电压和输入电压的相量之比表示电压放大倍数。 (3) 电流放大倍数 Ai 同理 ,可用输出电流 的有效值与输入电 流的有效值之比 ,用 Ai 表示 ,即： Ai = IiIo (4) 在工程上 , u 和 Ai 常用以 10 为底的对数增益表示 ,这种表示方法也称为放大倍数的分贝表示法。 可写为： nts 8 (5) u =20 UiUo Ai =20 IiIo 当放大倍数小于 1 时 ,则用分贝表示的增益为负数 .用非分贝表示的放大倍数公式中出现的负号 ,则表示输出与输入电压相位相反。 1.1.2 输入 电阻 Ri 输入 电阻是衡量一个放大电路向信号源索取的电流的大小。输入电阻愈大，则放大电路向信号源索取的电流愈小，同时，输入回路的电路在信号源内阻 Rs 上的电压降又愈小，因次，放大电路输入端得到的电压 Ui 与信号源电压 Us 的数值愈接近。 输入电阻是从放大电路输入端看进去的电阻 ,由图 2.1.3 可得： Ri = IiUi 1.1.3 输出电阻 Ro 输出电阻是一个表征放大电路带负载能力的参数。对于电压输出， Ro 愈小，带负载能力愈强 ,即负载变化时放大电路输出给负载 的电压基本不变，而对于电流输出， Ro 愈大，则带负载能力愈强 ,即负载变化时放大电路输出给负载的电流基本不变 . 输出电阻是从放大电路输出端看进去的电阻，见图 2.1.3.定义为 ,当输入端信号电压 Us 等于零 ,输出端开路 ,即载电阻 RL 为无穷大时，输出电压 Uo 与相应的输出电流 Io 之比，即： Ro = IoUo (Us=0;RL =) 1.1.4 最大输出幅度 UOM 指当输入信号增 大 ,使输出波形不失真时的最大输出幅度，用 UOM表示，一般指输出正选交流信号的最大值。 1.1.5 最大输出功率与效率 放大电路的最大输出功率，表示在输出波形基本上不失真的情况下能够向负载提供的最大输出功率，用 POM 表示。 nts 9 前面已提大放大电路是利用三极管的控制作用将放大电路中智力电源的能量转换为交流。 输出能量，既然放大的过程实质上是一个能量转换的过程 ,因此肯定存在转换效率。即： = PvPom 式中 Pv 指支流电源提供的功率。 1.1.6 失真系数 由于放大管输入。输出特性的非线形 ,即使工作在放大区内，输出波形仍然难免出现或多或少的失真 ,这种失真叫非线形失真。集体表现为，当输入一定频率的正选波信号时 ,放大电路的输出波形中，除了由输入信号频率决定的基波成分外 ,还可以出现二次谐波，三次谐波甚至更高次谐波成分。 定认失真系数为： THD = mnnmII122其中 n=2 式中 I1 为输出电流的基波幅值， Inm 为二次谐波以上的各谐波分量幅值。 1.1.7 通频带 通频带反映了放大电路对输入信号频率变化的适应能力。由于放大电路中电抗元件的电抗值与频率有关，因此它的电压放大倍数的值和相位都随频率发生变化 .通常在中间一段频率范围内，受电抗元件影响最小，其放大倍数基本不变 ,而当频率过高或过低时，放大倍数都将下降。放大倍数 Au 与 f 的这种关系可用图 2.1.4 表示。 我们把放大倍数下降到中频放大倍数 Aum 的 0.707 倍的两个点所限定的频率范围称为放大电路的通频带，用符号 fbw 表示。 在图 1.1.7-1 的单管共射极放大电路中， =50,设三极管的输入 ，输出特性曲线 试用图解法求放大电路的电压放大倍数 u =? nts 10 图 1.1.7-1 单管共射极放大电路 本例虽然只要求放大电路的动态技术指标 u ,但分析的一般过程仍应是先静态后动态 。 在确定静态工作点的基础上再求 u 。 AmAVRVI bCCBQ 8008.02 4 020 mAmABIIBQCQ 408.050 VKmAVRIVU CCQCCC E Q 105.2420 负载线方程为 : cCcCCCE iRiVU 5.220 假设基极电流 iB 在 Q 点附近上下各变化 40 A ,即从 iB2=40 A 增加到 iB1=120 A ,由图 2.2.5 中的输入特性曲线可知 ,当三极管的工作点由 B 点移动到 A 点时 ,相应 UBE 的变化范围为从 UBE2=0.67V 增至UBE1=0.73V。 在图 2.2.6 所示的输出特性曲线上 ,当 IB 由 40A 增加到 120A 时 ,三极管的工作点从 B 点沿负载线移动到 A 点 ,相应的集电极电压 UCE则从 15V 减小到 5V,由此可求得放大电路的电压放大倍数为： 16767.073.0/155/ 21210 BEBECECEiU UUUUUUA nts 11 （ 1）交流信号在放大电路中的传输通路称为交流通路，画交流通路的原则是：在信号频率范围内 ,电路中耦合电容的容抗很小 ,可视为短路；而直流电源的内阻一般很小，也可忽略，可视为短路。 （ 2）交流通路可见 ,交流电压 UCE 与交流电流 iC 之间的关系可又下式表示： LRUi CEc 其中LC RRLR / 上式表示的是交流量之间的关系，它也是一条直线，而此直线的斜率是 LR1 ，而不是CR1了，我们把斜率为 LR1 的这条直线称为交流负载线。它表示动态时工作点移动的轨迹。一般来说，由于 RL小于 Rc，由此交流负载线比支流负载线更陡。 但是仅仅知道交流负载线的斜率，还不能完全决定这条直线的位置。为此还必须确定该 直线上的一个点，如壤土 2.2.10 所示。经过分析可以知道，静态工作点 Q 一定也在交流负载线上。应为当放大电路加上正选输入电压 ui 时，工作点将在交流负载线上移动，但是当输入电压 ui 的交流瞬时值等于零时，相当于放大电路处于静态时的情况。所以，此时放大电路的工作点既在交流负载线上，又在静态工作点 Q 上，可见交流负载线必须通过 Q 点。 1.2 多级放大电路 nts 12 1.3 放大电路的信号仿真波形示意图： 心电原始信号的波形仿真示意图： 图 1.3-1 信号前级放大后的 波形仿真示意图： 图 1.3-2 信号后级放大后的 波形仿真示意图： nts 13 图 1.3-3 1.4 负反馈功能和用途简介 负反馈在电子电路中有着非常广泛的应用，虽然它使放大器的放大倍数降低，但能在多方面改善放大器的动态指标，如稳定放大倍数，改变输入。输出电阻，减小非线形失真和展宽通频带等。应此，几乎所用的实用放大器都带有负反馈。 负反馈放大器有 4 种组态，既电压串联 .电压并联 .电流串联 .电流并联。次毕业设计以电压串联阀反馈为例，分析负反馈对放大器各项性能指标的影响。 1.4.1电压串联负反馈放大器的主要性能指标 图 1.3.1-1 为带有负反馈的两极阻容耦合放大电路。在电路中通过 Rf 把输出电压 U0（ C3 的正极电压）引回到输入端，加在晶体管V1 的发射极上，在发射极电阻 Rf1 上形成反馈电压 Uf。根据反馈的判断法可知，它属于电压负反馈。 该负反馈放大器的主要性能指标如下： （ 1）闭环电压放大倍数： vfA =vvv FA1A 式中： vA =ioUU 为基本放大器（无反馈）的电压放大倍数，既开环电压放大倍数。 1+AvFv 为反馈深度，它的大小决定了负反馈对放大器性能改善的程度。 （ 2）反馈系数 Fv =F1fF1 RRR （ 3）输入电阻 ifR = AvFv1 Ri 式中， Ri 为基本放大器的输入电阻。 （ 4）输出电阻 Rof =vv00 FAR nts 14 式中： R0 为基本放大器的输出电阻； Av0 为基本放大器在 Rl=时的电压放大倍数。 图 1.4.1-1 负反馈的两极阻容耦合放大电路 1.4.2 测量基本放大器的动态参数 本设计还需要测量基本放大器的动态参数。然而。如何实现无反馈而得到基本放大器呢？不能简单地短开反馈支路，而是要去掉反馈作用，但又要把反馈网络的影响（负载效应）考虑到基本放大器中去。 （ 1） 在画基本 放大器的输入回路时，因为是电压负反馈，所以可将负反馈放大器的输出端交流短路，即令 U0=0V，此时 Rf相当于并联在 RF1 上。 （ 2） 在基本放大器的输出回路时，由于输入端是串联负反馈，因此需将反馈放大器的输入端（ V1 管的射极）开路，此时（ Rf+Rf1）相当于并接在输出端。由此可近似认为 Rf 并接在输出端。 nts 15 第二章 滤波电路 2.1 滤波电路概述 所谓滤波，就是保留信号中所需频段的成分，抑制其他频段信号的过程。 根据输出信号中所保留的频率段的不同，可将滤波分为低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波等四类。被保留的频 率带称为 “通带 ”，被抑制的频率带称为 “阻带 ”。 滤波电路的理想特性是： （ 1） 通带范围内信号无衰减地通过，阻带范围内无信号输出； （ 2） 通带与阻带之间的过渡带为零。 以下是低通滤波、高通滤波、带通滤波、 带阻滤波四种电路的幅频特性图： 低通滤波 高通滤波 带通滤波 带阻滤波 我们根据电路组成的不同，将滤波电路分为了无源滤波电路和有源滤波电路。 nts 16 2.2 无源滤波电路 下图所示 的 R, C 网络为无源滤波电路 . 图 2.2-1 图 2.2-2 图 2.2-1 电路中 ,电容 C 上的电压为输出电压 ,对输入信号中的高频信号 ,电容的容抗 Xc 很小 ,则输出电压中的高频信号幅值很小 ,受到抑制 ,为低通滤波电路。在图 2.2-2 中 ,电阻上的电压为输出电压 ,由于高频时容抗很小 ,则高频信号能顺利通过 ,而低频信号被抑制 ,为高通滤波电路，它们的幅频特性如图 2.2-3,2.2-4 所示。 图 2.2-3 图 2.2-4 无源滤波电路结构简单，但有以下缺点： （ 1） 由于 R 及 C 上有信号压降，使输出信号幅值下降； （ 2） 带负载能力差，当 Rl 变化时，输出信号的幅值随之改变，滤波特性也随之变化。 （ 3） 过渡带较宽，幅频特性不理想。 2.3 有源滤波电路 为了克服无源滤波电路的缺点，可将 RC 无源滤波电路接到集成nts 17 运放的同向输入端。因为集成运放为有源元件，故称这种电路为有源滤波电路。根据其不同的用途和功能，我们将有源滤波电路分为：有源低通滤波电路，有源高通滤波电路等。 2.3.1 有源低通滤波电路 R 和 C 为无源低通滤波器，原算放大器接成同相比例放大组 态，对输入信号中各频率分量均有如下的关系： 0U = BudUA = 1( )1RRfUB= 1( )1RRfcjRcj11ui 由上式可以看出，输入信号频率越高，相应的输出电压越小，而低频信号则可得到有效的放大，故称为低通滤波器。 令： H=RC1则： uiu0= 1( )1RRf )0/(1 1 j当 = H 时， Au =0.707(1+Rf/R1)此电路的最大增益 Aum。 我们将 H 称为上限截止频率，也可用 fH， fH= RC21 。此时Au =0.707 Aum。对于高于截止频率的高频信号， Au 0.707 Aum。 由于集成运放引入的是电压串联负反馈，其输入电阻很大，它作为 RC 无源滤波电路的负载，对 RC 电路的影响可忽略不计，它的输入电阻很小，故负载能力强，其放大作用又使通带放大的倍数增加。但通带与阻带之间仍无明显界限，幅频特性、滤波性能较差，一般只用于滤波要求不高的场合。 为了得到更好的滤波效果，可在一阶有源低通滤波电路前加一级RC 滤波，组成二阶有源低通滤波电路，如图（ 2.3.1-1）所示，其幅频特性如图（ 2.3.1-2）所示。由图可以看出。二阶低通滤波器的幅频特性比一阶的好。 nts 18 图 2.3.1-1 二阶有源低通滤波电路图 图 2.3.1-2 幅频特性图 2.3.2有源高通滤波电路 将图中的 R 和 C 的位置对换，就成为有源高通滤波电路，如图2.3.2-1 所示。在图中，滤波电容接在集成运放输入端，它将阻隔、衰减低频信号，而让高频信号 树立通过。 同低通滤波电路分析类似，我们可以得出有源高通滤波电路的下限截 止 频 率 为 fH= RC21 ，对 于 低 于截 止 频 率的 低 频 信号 ， Au0.707 Aum。 一阶有源高通滤波电路带负载的能力强，并能补偿 RC 网络上压降对通带增益的损失，但存在过渡带较宽，滤波性能较差的缺点。采用二阶高通滤波，可明显改变滤波性能。将图中的 R 和 C 的位置对换，就成为二阶有源高通滤波电路。 滤波电路广泛应用于广播、通讯、测量和控制系统中，常用来选取有用频率的信号，滤除无用频率的信号。 图 2.3.2-1 有源低高通滤波电路 nts 19 2.4 放大信号的滤波以及通过滤波过后的仿真波形示意图： 2.4.1滤波电路原理： 在滤波的过程中，信号通过放大过后接入滤波电路。但是在放大的信号当中存在我们不需要的信号，比如我们的心电信号一般情况下所需要的频率范围为 20HZ200HZ。所以在滤波的过程中必须要将 20HZ 以下的波形滤去，还有大于 200HZ 的信号也要滤去。从而才能达到我们所需要的信号频率，使信号更加纯朴。其电路的工作原理大概就是先将信号通入电路中低通滤波，将其 20HZ 以下的波形信号滤去，然后信号继 续通入高通滤波电路将 200HZ以上的信号滤去。这样就取到了我们所需要的心电频率。 2.4.2放大信号通过滤波后的波形仿真示意图： 信号经过放大后的波形仿真示意图如 图 2.4.2-1 所示 ： 图 2.4.2-1 信号滤波后的波形仿真示意图 如 图 2.4.2-2 所示： nts 20 图 2.4.2-2 2.5 两种滤波电路的优差和选用 由于无源滤波电路有以下等缺点： （ 1） R 及 C 上有信号压降，使输出信号幅值下降。 （ 2） 带负载能力差，当 Rl 变化时，输出信号的幅值随之改变，滤波特性也随之变化。 （ 3） 过渡带较宽，幅频特性不理 想。 所以我们在选用滤波电路时通常都用有源滤波电路来代替无源滤波电路。 总的来说，根据不同的电路选择的不同滤波，这样才能更好更充分的利用我们所学的知识来实践证明不同电路的特性争取在实验的过程中找出优缺点，不断学习不断改进，达到理想中的效果。这样我们就能使电路的滤波效果达到更好。 nts 21 第三章 转换电路 3.1 ADC0809 的原理和功能介绍 ADC0809 的结构和引脚 ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A/D 转换器，带 8 个模拟量输入通道，芯片内带通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存 器，启动信号为脉冲启动方式，每一通道的转换大约 100us。 图 3.1-1 ADC0809 的结构图 图 3.1-1 是 ADC0809 的结构图。 ADC0809 有两大部分组成：一部分为输入通道，包括 8 为模拟开关 .3 条地址线的锁存器和译码器，可以实现 8 路模拟输入通道的选择；另一部分为一个逐次逼近型 A/D转换器。 图 11-2 是 ADC0809 的引脚和通道地址码。其中， IN0 IN7： 8 个模拟通道输入端。 START：启动转换信号。 EOC：转换结束信号。 nts 22 OE：输出允许信号。信 号由 CPU 读信号和片选信号组合产生。 CLOCK：外部时钟脉冲输入端，典型值为 640KHz。 ALE：地址锁存允许信号。 A， B， C：通道地址线。 CBA 的 8 种组合状态 000 111 对应了8 个通道选择。 VRE F（ +）， VRE F（ -） ：参考电压输入端。 VCC： +5V 电源。 GND：地。 C， B， A 输入的通道地址在 ALE 有效时被锁存。启动信号 START启动后开始转换，但是， EOC 信号是在 START 的下降沿到来 10us后才变无效的低电平。着要求查询程序待 EOC 无效后再开始查询，转换结束后又 OE 产生信号输出数据。 图 3.1-2 ADC0809 的引脚和通道地址码 nts 23 第四章 单片机简介及运用 4.1 8051单片机简介 单片机诞生于 20 世纪 70 年代，单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元和数据存储器、程序存储器及其他 I/O 通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及 A/D 转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大。 80 年代，世界各大公司均相新阶段，许多家用电 器均走向利用单研制出品种多功能强的单片机，使单片机应用更加广泛。可以说：单片机发展到了一个全片机控制的智能化发展道路。尽管目前单片机品种繁多 ,但其中最为典型的仍当属 Intel 公司的 MCS-51 系列单片机 .它的功能强大 ,兼容性强 ,软硬件资料丰富 .国内也以此系列的单片机应用最为广泛 .直到现在 MCS-51 仍不失为单片机中的主流机型 .在今后相当长的时间内 ,单片机应用领域中的 8 位机主流地位还不会改变。 1、 单片机的基本组成 单片机的结构特征是将组成计算机的主要功能部件集成在一块晶体芯片上 ,构成一台功能独特 ,完整的微型计算机 . 2、单片机的特点 单片机独特的结构使得他具有以下特点： (1)高集成度 ,高可靠性 为了 “达到以小控大 ”，单片机将各功能部件集成在一块微小的晶体芯片上 ,集成度很高 .芯片本身是按工业测控环境要求设计的 ,内部布线极短 ,其抗工业噪音性能优于一般的通用 CPU.单片机程序指令 ,常数及表格等固化在 ROM 中不易破坏 ,许多信号通道也在一个芯片内 ,故可靠性高 . (2)控制功能强 单片机的指令系统中具有极强的功能 :分支转移能力 ,I/O 口的逻nts 24 辑操作及位处理能力 ,非常适用于专门的控制功能，控制能力 十分强大 (3)低电压 ,低功耗 随着社会的发展，便携式被越来越多的人所青睐，为了满足广泛的需求 ,许多单片机内的工作电压仅为 1.8V 3.6V,而工作电流仅为数百微安 . (4)优异的性能价格比 单片机的性能 极高 .为了提高速度 和运行效率 ,单片机 已开始使用 RISC 流水线和 DSP 等技术 .单片机的寻址能力也已突破 64KB 的限制 ,有的已可达到 1MB 和 16MB,片内的 ROM 容量可达 62MB,RAM 容量则可达 2MB.由于单片机的广泛使用 ,因而销量极大 ,各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉 ,其性能价格比极高 . 3、单片机的应用 由于单片机具有体积小、功耗低、价格便宜的优点，使它的应用范围日益广泛 ,已不仅仅应用于计算机科学领域。在各行各业都发挥了不可磨灭的作用。小到玩具 ,信用卡 ,大到航天器 ,机器人 ,从实现数据采集 ,过程控制 ,模糊控制等智能系统到人类的日常生活 ,到处都离不开单片机 .其主要的应用领域如下： (1)在测控系统中的应用 单片机可以用于构成各种工业控制系统 ,自适应控制系统 ,数据采集系统等 .例如 ,工业上的锅炉控制 ,电机控制 ,车辆检测系统 ,水闸自动控制 ,数控机床及军事上的雷达 ,导弹系统等。 (2)在 智能化仪器仪表中的应用 单片机应用于仪器仪表设备中促使仪器仪表向数字化 ,智能化 ,多功能化和综合化等方向发展 .单片机的软件编程技术使长期以来测量仪表中的误差修正 ,线性化的处理等难题迎刃而解。 (3)在机电一体化中的应用 单片机与传统的机械产品结合使传统的机械产品结构简化 ,控制走向智能化 ,构成新一代的机电一体化产品 .这是机械工业发展的方nts 25 向。 (4)在智能接口中的应用 计算机系统 ,特别是较大型的工业测控系统中采用单片机进行接口的控制管理 ,单片机与主机并行工作 ,可大大提高系统的运行速度 .例如 ,在大 型数据采集系统中 ,用单片机对模 /数转换接口进行控制不仅可提高采集速度 ,还可以对数据进行预处理 .如数字滤波 ,误差修正 ,线性化处理等 . (5)在人类生活中的应用 由于单片机其价格低廉 ,体积小 ,被广泛应用在人类生活的诸多场合 ,大的如电冰箱 ,洗衣机 ,空调。小的如电饭煲 ,视听音响设备 ,声控电灯 ,电子玩具 ,MP3，信用卡等 .单片机的诞生和发展让人类生活更加方便舒适 ,多姿多彩。 4.2 8051的芯片引脚 （如图 4.2-1）所示 8051 单片机是采用 40 引脚双列直插封装的芯片，有些引 脚具有两种功能。引脚图如下： 下面是引脚功能介绍 VCC（ 40）：电源 +5V。 VSS（ 20）：接地。 XTAL1（ 19）和 XTAL2（ 18）：使用内部振荡电路时，用来接石英晶体和电容；使用外部时钟时，用来输入始时钟脉冲。 P0 口（ 39 32）：双向 I/O 口 ，既可作地址 /数据总线口用，也可作普通 I/O 口用。 P1 口（ 1 8）：准双向通用 I/O 口。 P2 口（ 21 28）：准双向口，既可作地址总线口输出地址高 8位，也可作普通 I/O 口用。 P3 口（ 10 17）：多用途端口，既可作普通 I/O 口用，也可按每位 定义的第二功能操作。 nts 26 ALE/PROG（ 30）：地址锁存信号输出端。在访问片外存储器时，若 ALE 为有效高电平，则 P0 口输出地址低 8 位，可以用 ALE信号作外部地址锁存器的锁存信号。 FA LE=1/6 fO SC，可以作系统中其他芯片的时钟源。第二功能 PROG 是对 8751 的 EPROM 编程时的编程脉冲输入端。 RST/VPD（ 9）：复位信号输入端。 8051 接通电源后，在时钟电路作用下，该脚上出现两个机器周期（ 24 个振荡周期）以上的高电平，使内部复位。第二功能是 VPD，既备用电源输入端。当主电源 VCC 发生故障，降低到低 电平规定值时， VPD 将为 RAM提供备用电源，以保证存储在 AM 中的信号不丢失。 EA/VPP（ 31）：内部和外部程序存储器选择线。 EA=0 时访问外部 ROM 0000H FFFFH； EA=1 时，地址 0000H 0FFFH 空间访问 ROM， DIZHI 1000H FFFFH 空间访问外部 ROM。在对8751 的 EPROM 编程时，此引脚接编程电压 12.5V。 PSEN（ 29）：片外程序存储器选通信号，低电平有效。 图 4.2-1 芯片引脚 图 nts 27 第五章 转换与储存 5.1 ADC0809简介 ADC0809 是美国国家半导体公司（ National Semiconduct Corporation）产品。是逐次逼近型芯片，片内带有锁存功能的 8 路模拟多路开关，可对 8 路 05V 的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、 256R 电阻 T 型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器 SAR，控制与时序电路等。输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线。 ADC0809的分辨率为 8 位，单一 5V 供电，功耗为 15mW，不必进行零点和满刻度调整，外部时钟频率范围为 10KHz1280KHz，ADC0809AT89C51 的硬件接口有三种方式：查询方式，中断方式，等待延时方式。此测量仪采用中断方式。虽然 ADC0809 走过了自己的辉煌时期，已经不是目前功能最好的模数转换器件，但是他的廉价和品质在许多领域被广泛使用。 ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、 8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口 。 5.1.1 ADC0809的内部逻辑结构 ADC0809 由 一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 IN0 IN7： 8 条模拟量输入通道 nts 28 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 0 5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线： 4 条 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A， B， C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 A， B 和 C 为地址输入线，用于选通 IN0 IN7
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