測(cè)控專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)(精密測(cè)試系統(tǒng),人機(jī)交互,精密絲桿加工)

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1、第一部分 精密測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 第一章 緒論 1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介 數(shù)據(jù)采集，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)（或微處理器）的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。 本次設(shè)計(jì)的精密測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，將傳感器測(cè)得的微弱電信號(hào)經(jīng)過放大、濾波，以8051單片機(jī)為核心，配以ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，并且通過RS232協(xié)議將信息送到PC上位機(jī)中進(jìn)行顯示。 1.2應(yīng)用背景及意義 在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集在多個(gè)領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連

2、接的橋梁。利用串行或紅外通信方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用軟件升級(jí)，通過制訂上位機(jī)(PC)與移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器的通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)兩者之間阻塞式通信交互過程。在工業(yè)、工程、生產(chǎn)車間等部門，尤其是在對(duì)信息實(shí)時(shí)性能要求較高或者惡劣的數(shù)據(jù)采集環(huán)境中更突出其應(yīng)用的必要性。例如：在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，常常利用PC或工控機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這其中有很多地方需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等；衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是利用航天遙測(cè)、遙控、遙監(jiān)等技術(shù)，對(duì)航天器遠(yuǎn)地點(diǎn)進(jìn)行各種監(jiān)測(cè)，并根據(jù)需求進(jìn)行自動(dòng)采集，經(jīng)過衛(wèi)星傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心處理后，送給用戶使用的應(yīng)用系統(tǒng)。隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各領(lǐng)域

3、的應(yīng)用將越來重要，發(fā)揮舉足輕重的作用。 第二章 設(shè)計(jì)安排 2.1設(shè)計(jì)目標(biāo) 針對(duì)國(guó)際電工電壓標(biāo)準(zhǔn)（+、-）5v的規(guī)定。要求能根據(jù)信號(hào)源電壓的范圍進(jìn)行調(diào)理和計(jì)算，并能根據(jù)采樣定理設(shè)計(jì)滿足要求的濾波器，然后針對(duì)處理后的電壓值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)標(biāo)定以及數(shù)碼顯示。 2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 1利用運(yùn)算電路把不同電壓范圍的信號(hào)處理到0至5V之間。 2根據(jù)采樣定理，利用有源濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混濾波。 3利用ADC0809等器件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采用C語言編寫A/D轉(zhuǎn)換過程。 4編寫C語言上位機(jī)通訊程序（采用RS232協(xié)議）實(shí)現(xiàn)對(duì)底層數(shù)據(jù)的采集與處理。 5已知數(shù)據(jù) 信號(hào)電壓范圍：-0.5V—

4、2.5V；頻率成分：信號(hào)頻率50—100Hz，干擾頻率650—750Hz；濾波器類型:巴特沃思有源濾波器，通帶增益Kp=1。 2.3設(shè)計(jì)分析 數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition）就是將要獲取的信息通過傳感器轉(zhuǎn)換為信號(hào)，并經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼和傳輸?shù)炔襟E，最后送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)和顯示。相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常是由傳感器（sensor）、信號(hào)調(diào)理電路（signal conditioning circuit）、A/D轉(zhuǎn)換器（analog-digital converter，ADC）及微型計(jì)算機(jī)等4個(gè)主要部分組成。信號(hào)調(diào)理電路包括信號(hào)放大

5、、隔離、模擬濾波、多路轉(zhuǎn)換等。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得到所需的數(shù)據(jù)。同時(shí)，將計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的見識(shí)，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應(yīng)有盡可能高的采樣速度，以滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制對(duì)速度的要求。 2.4設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有硬件和軟件兩部分組成，其中硬件部分又可分為模擬部分和數(shù)字部分。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件基本組成如下圖2-1所示。

6、 圖2-1 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件基本組成 從圖1可以看出，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般有傳感器、前置放大器、濾波器、多路模擬開關(guān)、采樣/保持（Ｓ/Ｈ）器、模數(shù)（Ａ/Ｄ）轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。以下介紹各個(gè)組成部分的功能。 2.4.1傳感器 傳感器的作用是把非電的物理量（如速度、溫度、壓力等）轉(zhuǎn)變成模擬電量（如電壓、電流、電阻或頻率）。 2.4.2前置放大器 前置放大器用來放大和緩沖輸入信號(hào)。由于傳感器輸出的信號(hào)較小（如：常用熱電偶的輸出變化往往在幾毫伏到幾十毫伏之間，電阻應(yīng)變片輸出電壓的變化只有幾個(gè)毫伏），因此需要加以放大以滿足大多數(shù)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器的慢量程輸入５～１０Ｖ的

7、要求。此外，某些傳感器內(nèi)阻比較大，輸出功率較小，這樣放大器還起到阻抗變換器的作用來緩沖輸入信號(hào)。由于各類傳感器輸出信號(hào)的情況各不相同，因此放大器的種類也較多。例如，為了減少輸入信號(hào)的共模分量，就產(chǎn)生了各種差分放大器、儀用放大器和隔離放大器；為了減少放大器輸出的漂移，就產(chǎn)生了斬波穩(wěn)零和激光修正的精密放大器。 2.4.3濾波器 傳感器以及后續(xù)處理電路中的器件常會(huì)產(chǎn)生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合渠道使信號(hào)通道感染上噪聲。例如，工頻信號(hào)可以成為一種人為的干擾源。為了提高模擬輸入信號(hào)的信噪比，常常需要使用濾波器對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行一定的衰減。 2.4.4多路模擬開關(guān) 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往要對(duì)

8、多個(gè)物理量進(jìn)行采集，即所謂多路巡回檢測(cè)，這可以通過多路模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，這樣可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本。多路模擬開關(guān)可以分時(shí)選通來自多個(gè)輸入通道中的某一路通道。因此，在多路模擬開關(guān)后的單元電路，如采樣/保持電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及處理器電路等，只需要一套即可，這樣可以節(jié)省成本和體積，但這僅適用于物理量變化比較緩慢、變化周期在數(shù)十至數(shù)百毫秒之間的情況下。因?yàn)檫@時(shí)可以使用普通的微秒級(jí)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器從容地分時(shí)處理這些信號(hào)。但當(dāng)分時(shí)通道較多時(shí)，必須注意泄露及邏輯安排等問題，當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，使用多路分路開關(guān)后，對(duì)A/D的轉(zhuǎn)換速率要求也隨之上升。在數(shù)據(jù)通過慮超過40~50kHz時(shí)，一般不宜使用分時(shí)的多路開關(guān)技術(shù)

9、。模擬多路開關(guān)有時(shí)也可以安排在放大器之前，但當(dāng)輸入的信號(hào)電平較低時(shí)，需注意選擇多路模擬開關(guān)的類型；若選用集成電路的模擬多路開關(guān)，由于它比干簧或繼電器組成的多路模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻大、泄露電流大，因而有較大的誤差產(chǎn)生。所以要根據(jù)具體情況來選擇多路模擬開關(guān)。 一般模擬多路開關(guān)有個(gè)模擬輸入端，N個(gè)通道選擇器，由N個(gè)選通信號(hào)控制選擇其中一個(gè)開關(guān)閉合，使對(duì)應(yīng)的模擬輸入端與多路開關(guān)的輸出端接通，讓該路模擬信號(hào)通過。有規(guī)律地周期性改變N個(gè)選通信號(hào)，可以按固定的序列周期性閉合各個(gè)開關(guān)，構(gòu)成一個(gè)周期性分組的分時(shí)復(fù)用輸出信號(hào)，由后面的A/D轉(zhuǎn)換器分時(shí)復(fù)用對(duì)個(gè)通道模擬信號(hào)進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換。 2.4.5采樣/保持器

10、多路模擬開關(guān)之后是模擬通道的轉(zhuǎn)換部分，它包括采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取多路模擬開關(guān)輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，如果把采樣/保持電路放在模擬多路開關(guān)之前（毎道一個(gè)），還可實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣。 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)希望A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的模擬信號(hào)電壓保持不變，以保證有較高的轉(zhuǎn)換精度。這可以利用采樣/保持器來實(shí)現(xiàn)，采樣/保持器的加入，大大提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率。 2.4.6模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 采樣/保持電路輸出的信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。由于輸入信號(hào)變

11、化的速度不同，系統(tǒng)對(duì)分辨率、精度、轉(zhuǎn)換速率及成本的要求也不同，因此Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器的種類也較多。目前，采樣/保持電路和Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換電路普遍采用單片集成電路，有的單片A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還包含有采樣/保持電路、基準(zhǔn)電源和接口電路。A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果輸出給計(jì)算機(jī)，有的采用并行輸出，有的則采用串行輸出。使用串行輸出結(jié)果的方式對(duì)長(zhǎng)距離傳輸和需要光電隔離的場(chǎng)合較為有利。 2.4.7計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心。計(jì)算機(jī)控制整個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常工作，并且把A/D轉(zhuǎn)換器輸出的結(jié)果讀入到內(nèi)存，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件，其中計(jì)算機(jī)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

12、的基礎(chǔ)，而計(jì)算機(jī)軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂。 2.4.8定時(shí)與邏輯控制電路 定時(shí)電路就是按照各個(gè)器件的工作次序產(chǎn)生各種時(shí)鐘信號(hào)，而邏輯控制電路是依據(jù)時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生各種邏輯控制信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)個(gè)器件的定時(shí)關(guān)系是比較嚴(yán)格的，如果定時(shí)不合適就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的精度。 微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)是： （1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，能夠滿足中、小規(guī)模數(shù)據(jù)采集的要求。 （2）微型計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境的要求不是很高，能夠在比較惡劣的環(huán)境下工作。 （3）微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格低廉，降低了數(shù)據(jù)采集的成本。 （4）微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可作為集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)基本組成部分。 （5）微型計(jì)算機(jī)的各種I/O

13、模板及軟件比較齊全，很容易構(gòu)成系統(tǒng)，便于使用和維護(hù) 第三章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì) 3.1測(cè)量放大器的介紹和選用 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被檢測(cè)的物理量經(jīng)過傳感器變換成模擬電信號(hào)，往往是很微弱的毫伏級(jí)信號(hào)，需要用放大器加以放大。而通用運(yùn)算放大器一般都具有毫伏級(jí)的失調(diào)電壓和毎度數(shù)的溫漂，因此通用運(yùn)算放大器不能直接用于發(fā)達(dá)微弱信號(hào)，而測(cè)量放大器則能較好地實(shí)現(xiàn)此功能。 測(cè)量放大器是一種帶有精密差動(dòng)電壓增益的器件，由于它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)，使其在檢測(cè)微弱信號(hào)的系統(tǒng)中被廣泛用作前置放大器。 測(cè)量放大器的電路原理如下圖3-1 所示。由圖可見，

14、測(cè)量放大器由三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成，并分為二級(jí)：第一級(jí)是兩個(gè)同相放大器、，因此輸入阻抗高；第二級(jí)是普通的差動(dòng)放大器，把雙端輸入變成對(duì)地的單端輸出。 圖3-1測(cè)量放大器電路原理圖 在此次課程設(shè)計(jì)中，選用了美國(guó)Analog Devices公司提供的AD522型放大器。該放大器就是按照上述原理設(shè)計(jì)的單片集成測(cè)量放大器。 AD522集成數(shù)據(jù)采集放大器可以在環(huán)境惡劣的工作條件下進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)采集。它線性好，并具有高共模抑制比、低電壓漂移和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，適用于大多數(shù)12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD522通常用于電阻傳感器（電熱調(diào)節(jié)器、應(yīng)變儀等）構(gòu)成的橋式傳感器放大器以及過程控制、儀器儀表、信息處理和醫(yī)療儀器等方

15、面。 AD522是集成精密測(cè)量放大器，它的非線性度為0.005%（G=100時(shí)），在0.1Hz~100Hz頻帶內(nèi)噪聲的峰-峰值為1.5mV，共模抑制比MRR>100dB(G=100)。AD522采用14腳雙列直插式封裝，它的引腳功能如下圖及表1所示： 圖3-2 AD522引腳 表1 引腳功能說明 引 腳 名 稱 功 能 1 +INPUT 正輸入端 2 R GAIN 增益被償端 3 -INPUT 輸入端 4 NULL 空端 5 V- 負(fù)電源端 6 NULL 空端 7 OUTPUT 輸出端 8 V+ 正電源端 9 GND 地參考

16、端 10 NC 不接 11 REF 參考端 12 SENSE 補(bǔ)償端 13 DATA GUARD 數(shù)據(jù)保護(hù)端 14 R GAIN 增益補(bǔ)償端 引腳OFFSET（4，6）用于調(diào)整放大器零點(diǎn)，調(diào)整線路是芯片4、6端接到10電位器的兩個(gè)固定端，電位器滑動(dòng)端接負(fù)電源（腳5），AD522的基本連接如下圖所示。 圖3-3 AD522的基本連接 引腳2和14連接調(diào)整放大倍數(shù)的電阻。 引腳13用于連接信號(hào)傳輸導(dǎo)線的屏蔽網(wǎng)，以減少外電場(chǎng)對(duì)輸入信號(hào)的干擾。 AD522具有如下特性： ●低漂移：2.0μV/℃(AD522B)； ●非線性低：0.005%（G=100）；

17、 ●高共模抑制比：>110dB(G=1000)； ●低噪聲：1.5μVp-p(0.1～100Hz)； ●單電阻可編程增益：1≤G≤1000； ●具有輸出參考端及遠(yuǎn)程補(bǔ)償端； ●可進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償； ●除增益電阻外，不需其它外圍器件； ●可調(diào)整偏移、增益和共模抑制比。 AD522的器件特性 AD522可以提供高精度的信號(hào)調(diào)理，它的輸出失調(diào)電壓漂移小于1V/℃，輸入失調(diào)電壓漂移低于2.0μV/℃,共模抑制比高于80dB(在G=1000時(shí)為110dB)，G=1時(shí)的最大非線性增益為0.001%，典型輸入阻抗為10 9Ω。 AD522使用了自動(dòng)激光調(diào)整的薄膜電阻，因而公差小、損耗低、體積

18、小、性能可靠。同時(shí)，AD522還具有單片電路和標(biāo)準(zhǔn)組件放大器的最好特性，是一種高性價(jià)比的放大器。 為適應(yīng)不同的精確度要求和工作溫度范圍，AD522提供有三種級(jí)別。其中“A”和“B”為工業(yè)級(jí)，可用于-25～+85℃?！癝”為軍事級(jí)，用于-55～+125℃。AD522可以提供四種漂移選擇。輸出失調(diào)電壓的最大漂移隨著增益的增加而增加。失調(diào)電流漂移所引起的電壓誤差等于失調(diào)電流漂移和不對(duì)稱源電阻的乘積。另外，AD522的非線性增益將隨關(guān)閉環(huán)增益的降低而增加。 AD522放大器的共模抑制比的測(cè)量環(huán)境條件為10V,使用阻值為1kΩ的不對(duì)稱電阻。在低增益情況下，共模抑制比主要取決于薄膜電阻的穩(wěn)定性，但由于

19、增益帶寬的影響，AD522在60Hz以下頻率時(shí)相對(duì)比較恒定。但在有限的帶寬中，AD522的相移將隨著直流共模抑制比的升高而增加。 在動(dòng)態(tài)性能方面，AD522的穩(wěn)定時(shí)間、單位增益帶寬和增益成正比。 第四章 信號(hào)的濾波 4.１頻率混疊和采樣定理 模擬信號(hào)經(jīng)過 A/D 變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程稱之為采樣，信號(hào)采樣后其頻譜產(chǎn)生了周期延拓，每隔一個(gè)采樣頻率ωs，重復(fù)出現(xiàn)一次。 1. 頻混現(xiàn)象 頻混現(xiàn)象又稱為頻譜混疊效應(yīng)，它是由于采樣信號(hào)頻譜發(fā)生變化，而出現(xiàn)高、低頻成分發(fā)生混淆的一種現(xiàn)象，如圖1所示。信號(hào)x(t)的傅里葉變換為X(ω)，其頻帶范圍為-ωm~+ωm；采樣信號(hào)x(t)的傅里葉變

20、換是一個(gè)周期譜圖，其周期為ωs，并且： Ωs=2π／Ts Ts為時(shí)域采樣周期．當(dāng)采樣周期Ts較小時(shí)，ωs＞2ωm，周期譜圖相互分離如圖1-5中（b）所示；當(dāng)Ts較大時(shí)，ωs＜2ωm，周期譜圖相互重疊，即譜圖之間高頻與低頻部分發(fā)生重疊，如圖1-6中(c)所示，此即為頻混現(xiàn)象，這將使信號(hào)復(fù)原時(shí)丟失原始信號(hào)中的高頻信息。 圖4-1 采樣信號(hào)的頻混現(xiàn)象 下面從時(shí)域信號(hào)波形來看這種情況。圖1-6(a)是頻率正確的情況，以及其復(fù)原信號(hào)；(b)是采樣頻率過低的情況，復(fù)原的是一個(gè)虛假的低頻信號(hào)。 圖4-2 發(fā)生頻混現(xiàn)象的時(shí)域信號(hào)波形 當(dāng)采樣信號(hào)的頻率低于被采樣信號(hào)的最高頻率時(shí)，采樣所得

21、的信號(hào)中混入了虛假的低頻分量，這種現(xiàn)象叫做頻率混疊。 2. 采樣定理 上述情況表明，如果ωs＞2ωm，就不發(fā)生頻混現(xiàn)象，因此對(duì)采樣脈沖序列的間隔Ts須加以限制，即采樣頻率ωs（2π／Ts）或 fs(1／Ts)必須大于或等于信號(hào)x(t)中的最高頻率ωm的兩倍，即：ωs＞2ωm，或 fs＞2fm。 為了保證采樣后的信號(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)的信息，采樣信號(hào)的頻率必須至少為原信號(hào)中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。 需要注意的是，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，滿足了采樣定理，只能保證不發(fā)生頻率混疊，對(duì)信號(hào)的頻譜作逆傅立葉變換時(shí)，可以完全變換為原時(shí)域采樣信號(hào)，而不能保證此時(shí)的采樣信

22、號(hào)能真實(shí)地反映原信號(hào)。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信號(hào)中最高頻率成分的3到5倍。 4.2濾波器 濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)。 4.2.1濾波器的類型 1、按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。 2、按所通過信號(hào)的頻段 按所通過信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。 低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。 高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。 帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。 帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信

23、號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。 3、按所采用的元器件 按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。 3.1、無源濾波器： 僅由無源元件(R、L 和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。 3.2、有源濾波器：由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運(yùn)算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明

24、顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。 4.2.2三種常用有源濾波器的比較 巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）和貝塞爾（Bessel），具有相同的基本組成，即電阻R、電容C和運(yùn)算放大器，但通過各器件的信號(hào)和輸出量是有區(qū)別的，關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)折頻率及運(yùn)算放大器的增益。此三種濾波器的復(fù)頻響應(yīng)曲線如下圖4-3所示 圖4-3復(fù)頻響應(yīng)曲線

25、 巴特沃斯濾波器是最簡(jiǎn)單的一種，只要保證處的轉(zhuǎn)折頻率不變，即不變，R和C的數(shù)值的選擇有較大的自由度。 貝塞爾濾波器的增益和時(shí)間常數(shù)都是不同的，因?yàn)椋菢?biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，是轉(zhuǎn)折頻率。 切比雪夫是復(fù)雜的一種，因?yàn)閭鬟f函數(shù)的極點(diǎn)分布要復(fù)雜得多。 4.2.3巴特沃思低通濾波器的設(shè)計(jì) 1.1 巴特沃斯低通濾波器簡(jiǎn)介: 巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種，特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。這種濾波器最先由英國(guó)工程師斯替芬巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年發(fā)表在英國(guó)《無線電工程》期刊的一篇論文中提出的，可以構(gòu)成低通、高通、帶通和帶阻四

26、種組態(tài)，是目前最為流行的一類數(shù)字濾波器 ,經(jīng)過離散化可以作為數(shù)字巴特沃思濾波器 ,較模擬濾波器具有精度高、穩(wěn)定、靈活、不要求阻抗匹配等眾多優(yōu)點(diǎn) ,因而在自動(dòng)控制、語音、圖像、通信、雷達(dá)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是一種具有最大平坦幅度響應(yīng)的低通濾波器。 1.2巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)原理: 巴特沃斯低通濾波器的幅度平方函數(shù)用下式表示： 其中 N為濾波器的階數(shù)。當(dāng)=0時(shí)，=1；=時(shí)，=1/,是3dB截止頻率。=時(shí)，逐漸增大，幅度下降非常迅速。、N同幅度特性關(guān)系如圖1.1所示。N決定了幅度下降速度，N越大，通帶就越平坦，過渡帶也隨之變窄，阻帶幅度同過渡帶下降的速度越迅速，總體頻響特性同理想低

27、通濾波器的實(shí)際誤差 圖4-4 、N同幅度特性關(guān)系 用s代替，把幅度平方函數(shù)變成s的函數(shù)： s=，此公式說明了幅度平方函數(shù)有2N個(gè)極點(diǎn)，極點(diǎn)可以用下面的公式來表達(dá)： k=0,1,2，，2N-1。2N個(gè)極點(diǎn)等間隔分布在半徑為的圓上

28、，間隔是/N rad。如圖4-5所示： 圖4-5三階巴特沃斯濾波器極點(diǎn)分布 為形成穩(wěn)定的濾波器，2N個(gè)極點(diǎn)中只取s平面左半平面的N個(gè)極點(diǎn)構(gòu)成，而右半平面的N個(gè)極點(diǎn)構(gòu)成。的表示式為 例如N=3,通過下式可以計(jì)算出6個(gè)極點(diǎn) ，，，，， 當(dāng)N=3時(shí)，6個(gè)極點(diǎn)中位于左半平面的三個(gè)分別為: ，， 取s平面左半平面的極點(diǎn)組成： 將對(duì)3dB截止頻率Ω

29、c 歸一化后的表示為： 令，p稱為歸一化拉氏復(fù)變量。 ，稱為歸一化頻率。 經(jīng)過歸一化后巴特沃斯濾波器的傳輸函數(shù)為： (1.1) 式中，為歸一化極點(diǎn)，為位于左半平面的極點(diǎn)用下式表示： 將極點(diǎn)表示式代入(1.1)式，得到的的分母是p的N階多項(xiàng)式，用下式表示： 下面來確定N： 由技術(shù)指標(biāo)， 和確定

30、。 在定義 (1.2) (1.3) (1.4) 中，將Ω=和Ω=分別代入(1.4)式中，得到和，再將和代入(1.2)和(1.3)式中，得到：

31、 整理得： (1.5) (1.6) 由(1.5)和(1.6)式得到： 令

32、 (1.7) 則N由下式表示： (1.8) 取大于等于N的最小整數(shù)。 關(guān)于3dB截止頻率，如果技術(shù)指標(biāo)中沒有給出，可以按照(1.7)式或(1.8)式求出， (1.9) (1.10)

33、 由(1.9)式得到： 由(1.10)式得到： 1.3傳遞函數(shù)的計(jì)算 在本次課程設(shè)計(jì)中，信號(hào)頻率為50—100Hz，干擾頻率650—750Hz。通帶增益Kp=1，fp=100HZ，αp= 0.1dB；fs=650Hz，αs=50dB，取截止頻率fc=600Hz. 1.該濾波器的技術(shù)要求： αp=0.1dB，Ωp=2πfp=2π100rad/s=200πrad/s=628rad/s αs=50dB，Ωs=2πfs=2π650rad/s=1300πrad/s

34、=4082rad/s 2.確定階數(shù)N ksp==0.00048 λsp=Ωs／Ωp=2π650／2π100=6.5 N= -lgksp／lgλsp=4.08，取N=5 (實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體要求也可能取N=4，指標(biāo)稍微差一點(diǎn)，但階數(shù)低一階，使系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電路得到簡(jiǎn)化。) 3.按照《數(shù)字信號(hào)處理》156頁公式，pk歸一化極點(diǎn)，）（k=0,1,2,3,4） 故其極點(diǎn)為p0= ，p1= ，p2= ， p3= ， p4= 按照課本（6.2.12）式，歸一化低通原型系統(tǒng)函數(shù)為 上式分母可以展開成五階多項(xiàng)式，或者將共軛極點(diǎn)放在一起，

35、形成因式分解式，這里不如直接查表課本157頁表6.2.1簡(jiǎn)單，由N=5，直接查表得到： 極點(diǎn)：，，-1.0000 歸一化低通原型函數(shù)為 式中b0=1.0000， b1=3.2361， b2=5.2361， b3=5.2361， b4=3.2361 分母因式分解形式為 以上公式中的數(shù)據(jù)均取小數(shù)點(diǎn)后四位。 4.為將Ga(p)去歸一化，先求3dB截止頻率，按照課本（6.2.19）式，得到： == 將代入課本（6.2.20）式=得： 此時(shí)算出的比題目中給的小，因此，過渡帶小于指標(biāo)要求。或者說，在時(shí)衰減大于50dB，

36、所以說阻帶指標(biāo)有富余量。將 代入中得到： 1.4 Matlab仿真 MATLAB的信號(hào)處理工具箱提供了濾波器的函數(shù) buttap、buttord、butter。 由[z,p,k] = buttap(n)函數(shù)可設(shè)計(jì)出n階巴特沃斯低通濾波器原型,其傳遞函數(shù)為 所以事實(shí)上z為空陣。上述零極點(diǎn)形式可以化為： 其中，令，得到巴特沃斯濾波器歸一化結(jié)果,如表所示。 表 階的巴特沃斯濾波器系數(shù) n b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1

37、 b0 1 1.0000 2 1.4142 1.0000 3 2.0000 2.0000 1.0000 4 2.6131 3.4142 2.6131 1.

38、0000 5 3.2361 5.2361 5.2361 3.2361 1.0000 6 3.8637 7.4641 9.1416 7.4641 3.8637 1.0000 7 4.4940 10.0978 14.5918 14.5918 10.0978 4.4940 1.0000 8 5.1258 13.1371 21.8462 25.8462 21.8462 13.1371 5.

39、1258 1.0000 buttord函數(shù)可在給定濾波器性能的情況下 ,選巴特沃斯濾波器的階數(shù) n 和截止頻率,從而可用butter函數(shù)設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器的傳遞函數(shù)。[9] [n ,] = buttord (,,,,′s′) 可得到足性能的模擬巴特沃斯濾波器的最小階數(shù) n及截止頻率 ,其中為通帶的拐角頻率, 為阻帶的拐角頻率, 和的單位均為rad/s; 為通帶區(qū)的最大波動(dòng)系數(shù),為阻帶區(qū)的最小衰減系數(shù), 和的單位都為dB。 [b,a] = butter (n,,′s′) 可設(shè)計(jì)截止頻率為的n 階低通模擬巴特沃斯濾波器,其傳遞函數(shù)為: [10] 具體設(shè)計(jì)步驟 經(jīng)過總結(jié)，巴特沃斯低通

40、濾波器的設(shè)計(jì)步驟大致為： （1）通過,,和的值，用公式算出濾波器的階數(shù) （2）根據(jù)公式，求出歸一化極點(diǎn)，將代入 中，得出歸一化傳輸函數(shù)。 （3）將去歸一化。將p=s/Ωc代入之中，從而得到實(shí)際的濾波器傳輸函數(shù)。 MATLAB程序 MATLAB 程序如下: （1）.輸入信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜的設(shè)計(jì)： N=256; t=linspace(0,1,N);dt=t(2)-t(1); xt=cos(2*pi*4*t)+cos(2*pi*10*t)+cos(2*pi*20*t); f=(0:(N/2-1))/(dt*N);Xt=fft(xt,N); subplot(2,1,1),

41、 plot(t(1:128),xt(1:128)), subplot(2,1,2), plot(f(1:64),abs(Xt(1:64))), xlabel(f(kHz)) （2）輸出的巴特沃斯低通濾波器的波特圖的設(shè)計(jì) Qc=5.2775; b0=1; b1=3.2361; b2=5.2361; b3=b2; b4=b1; Q=f%Q=linspace(0,25,N); Ha=Qc^5./((j*Q).^5+b4*Qc*(j*Q).^4+b3*Qc^2*(j*Q).^3+b2*Qc^3*(j*Q).^2+b1*Qc^4*(j*Q)+b0*Qc^5); L=lengt

42、h(Ha) Has=20*log10(abs(Ha)); figure, plot(Q(1:64),Has(1:64),Q,-30,r*,12,Has,*,5,Has,*), axis([0 30 -70 2]), xlabel(f(kHz)), ylabel(20lg(abs(H_{a}(j{\Omega})))(dB)); （3）巴特沃斯低通濾波后的時(shí)域波形和頻譜的設(shè)計(jì) Yt=Xt(1:L).*Ha ; yt=ifft(Yt); figure, subplot(2,1,1), plot(t(1:128),abs(yt(1:128))), subplot(2,1,2

43、), plot(f(1:64),abs(Yt(1:64))); xlabel(f(kHz)) 圖形結(jié)果顯示： 圖4-6輸入信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜 圖4-7 輸出的巴特沃斯低通濾波器的波特圖 圖4-8 進(jìn)行巴特沃斯低通濾波后的時(shí)域波形和頻譜 1.5電路設(shè)計(jì) 1. 在電路設(shè)計(jì)中，高階濾波器通常采用一階或二階濾波器級(jí)聯(lián)來完成。本次課程設(shè)計(jì)中，是5階低通濾波器，所以采用2個(gè)二階低通濾波器和1個(gè)一階低通濾波器來實(shí)現(xiàn)。 本次課程設(shè)計(jì)使用的二階濾波器電路時(shí)薩倫——基（Sallen-Key）電路。薩倫——基電路看作是壓控電壓源低通濾波器，因?yàn)樗怯靡粋€(gè)運(yùn)算放大器和適當(dāng)連接的

44、兩個(gè)電阻構(gòu)成一個(gè)壓控電壓源。如圖4-9所示： 圖4-9巴特沃斯濾波器電路圖 在二階低通濾波器的情況下，傳遞函數(shù)為， 濾波器參數(shù)：，， ，R0=0. <1> 第一級(jí)二階濾波器： 由以上兩式可得： 由實(shí)驗(yàn)法得到： ，，，取 <2> 第二級(jí)二階濾波器： 由以上兩式可得： 由實(shí)驗(yàn)法得到： ，，，取 <3> 第三級(jí)一階濾波器：時(shí)一階濾波器傳遞函數(shù)形式為 由實(shí)驗(yàn)法得到：， 表4-1 截止頻率fc,電容C 2.由于本次課程設(shè)計(jì)電壓范圍為-0.5V-2.5V，首先利用加法電路變成單級(jí)為0-3V 采用圖4

45、-10同相加法電路 圖4-10同相加法電路 其中1是輸入信號(hào)電壓范圍-0.5V-2.5V，ui2是固定電壓0.5V，u0是輸出電壓0-3V,電阻R2=R3=R=10，Rf=2R=400，R1=200 3.電壓放大到0-3V后必須經(jīng)過同相比例放大電路，電路圖如4-11圖： 圖4-11同相比例放大電路 此ui為上級(jí)加法電路輸出0-3V,放大后輸出u0為0-5V。由此確定放大倍數(shù) ，故可得到R1=300，R2=10，Rf=200 綜上所述，可得到總的濾波器電路圖如圖4-12所示： 圖4-12濾波器總電路圖 第五章 模數(shù)轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換器是將時(shí)間上連續(xù)的模擬信

46、號(hào)(通常是電壓信號(hào))轉(zhuǎn)換為n位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的重要接口，A/D 轉(zhuǎn)換器常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?，F(xiàn)在，A/D轉(zhuǎn)換電路已集成在一塊芯片上，所以應(yīng)用比較方便。在本次課設(shè)中，選用了ADC0809。 5.1ADC0809與CPU的接口設(shè)計(jì) ADC0809是逐次逼近型8位單片A/D 轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換時(shí)間100μs。片內(nèi)含8路模擬開關(guān)，可允許8 個(gè)模擬量輸入。另外片內(nèi)帶有三態(tài)輸出緩沖器，因此可直接與系統(tǒng)總線相連。ADC0809 的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間都不是很高，但其性能價(jià)格比有較明顯的優(yōu)勢(shì)，是應(yīng)用較廣泛的芯片之一。 1.ADC0809的引腳及功能 ADC0809 的

47、外部引腳如圖5-1所示。 圖5-1 ADC0809引腳圖 它是28個(gè)引腳的雙列直插式芯片，其引腳功能如下： (1) D0～D7 輸出數(shù)據(jù)線。 (2) IN0～I(xiàn)N7 8 路模擬電壓輸入端，可連接8 路模擬量輸入。 (3) ADDA、ADDB、ADDC 3 個(gè)引腳組合起來選擇8路模擬量輸入中的一路輸入。ADDC為最高位，ADDA為最低位。如表所示模擬輸入通道的選擇情況，比如要選擇通道IN0，使ADDC=0、ADDB=0、ADDA=0即可。 表5-1 模擬輸入通道的選擇 模擬通道 ADDC ADDB ADDA IN 0 0 0 IN 0 0 1

48、IN 0 1 0 IN 0 1 1 IN 1 0 0 IN 1 0 1 IN 1 1 0 IN 1 1 1 (4) START 啟動(dòng)信號(hào)輸入端，下降沿有效。在啟動(dòng)信號(hào)的下降沿，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 (5) ALE 模擬通道地址鎖存信號(hào)，用來鎖存ADDA、ADDB、ADDC端的地址輸入，上升沿有效。 (6) EOC A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)。當(dāng)該引腳輸出低電平時(shí)表示正在轉(zhuǎn)換，輸出高電平時(shí)表示一次轉(zhuǎn)換已結(jié)束。 (7) OE 讀允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)EOC=1 且OE=1 時(shí)，CPU 可將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量讀入。 (8) CLK 時(shí)鐘輸入端，作為A

49、DC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)間基準(zhǔn)，可輸入頻率范圍10kHz～1.2MHz，一般可取500kHz。 (9) VCC 電源端，接+5V。 (10) GND 電源地，也是模擬地和數(shù)字地。 (11) VREF(+)，VREF(-) 參考電壓輸入端。一般VREF(+)接+5V 電源，VREF(-)接地 2.ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，它由模擬電壓輸入選擇部分、轉(zhuǎn)換器部分和輸出部分組成。 圖5-2 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 模擬電壓輸入選擇部分包括一個(gè)8路模擬選擇部分、地址鎖存與譯碼電路。輸入的3位通道地址信號(hào)由鎖存器鎖存，經(jīng)譯碼電路譯碼后控

50、制模擬開關(guān)選擇相應(yīng)的模擬輸入。轉(zhuǎn)換器部分主要包括比較器、8位D/A 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近數(shù)碼寄存器以及時(shí)序控制邏輯電路等。輸出部分包括一個(gè)8 位三態(tài)輸出鎖存器。 3.ADC0809的工作過程 ADC0809 的工作時(shí)序如圖所示，由時(shí)序圖可以看出ADC0809的工作過程如下： 圖5-3 ADC0809工作時(shí)序圖 (1) 首先CPU發(fā)出3位通道地址信號(hào)ADDC、ADDB、ADDA。 (2) 在通道地址信號(hào)有效期間，使ALE 引腳上產(chǎn)生一個(gè)由低到高的電平變化，即脈沖上升沿，它將輸入的3 位通道地址ADDC、ADDB、ADDA鎖存到內(nèi)部地址鎖存器。ALE的下降沿不影響地址鎖存器原來鎖存

51、的數(shù)據(jù)。 (3) 然后給START引腳加上一個(gè)由高到低變化的電平，即脈沖下降沿，啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換； (4) A/D 轉(zhuǎn)換期間，輸出引腳EOC呈現(xiàn)低電平，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC變?yōu)楦唠娖剑? (5) CPU在檢測(cè)到EOC變?yōu)楦唠娖胶螅敵鲆粋€(gè)正脈沖到OE端，然后讀取轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)字量。 另外，如果只用0809 的一個(gè)模擬輸入通道，ADDC、ADDB、ADDA 均直接接地(即接低電平)，固定使用通道0(IN0)。一般情況下ALE和START 可短接使用，短接后先使該引腳為低電平，當(dāng)通道地址ADDC、ADDB、ADDA信號(hào)輸出后，CPU 往該引腳發(fā)送一個(gè)正脈沖，其上升沿鎖存地址，下降沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

52、根據(jù)實(shí)際情況CPU 可選擇延時(shí)、查詢、中斷和DMA 方式讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，延時(shí)方式就是在啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換后等待一段時(shí)間(大于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間)后，使OE=1，然后直接讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；查詢方式就是在啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換后檢測(cè)到EOC變?yōu)楦唠娖胶?，使OE=1，然后讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；中斷方式就是在啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換后由EOC由低電平變?yōu)楦唠娖揭餋PU 的一個(gè)外部中斷，然后由CPU 的中斷服務(wù)子程序來讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 5.2 AT89C51單片機(jī)的主要特性 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

53、存儲(chǔ)器鎖定；1288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。 5.3AT89C51單片機(jī)的引腳 圖5-4 AT89C51引腳圖 AT89C51引腳圖如圖1-20所示。各引腳定義： （1）VCC：供電電壓。 （2）GND：接地。 （3）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

54、驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 （4）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，可用圖1-11 AT89c51引腳 作輸入，P1口被外部下

55、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。 （5）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)

56、和控制信號(hào)。 （6）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，如下表示： P3口引腳的特殊功能 引腳 名稱 功能 引腳 名稱 功能 10 P3.0/RXD 串行輸入口 14 P3.4/T0 記時(shí)器0外部輸入 11 P3.1/TXD 串行輸出口 15 P3.5/T1 記時(shí)器1外部輸入 12 P3.2/INT0 外部中斷0

57、16 P3.6/WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 13 P3.3/INT1 外部中斷1 17 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)。 （7）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。 （8）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

58、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。 （9）/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)。 （10）/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，在此期間外部程序存儲(chǔ)（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

59、也用于施加12V編程電源（VPP）。 （11）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。 （12）XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 5.4 AT89C51串行異步通訊的波特率 因?yàn)槲覀兪褂脴?biāo)準(zhǔn)串行口進(jìn)行RS-232串行通訊，因此，串行口應(yīng)工作于方式1或方式3（波特率可變的模式）,定時(shí)器 T1 應(yīng)工作于方式2（8位定時(shí)器，自動(dòng)重載模式，用作波特率發(fā)生器）。在這里，對(duì)于CMOS工藝的微處理器，根據(jù)SMOD位是否被設(shè)置，所有的公式均可提供2個(gè)時(shí)間除數(shù)的選擇。對(duì)于NMOS工藝的器件，總是使用默認(rèn)值（SMOD≠1）。 定時(shí)器重載值的基本公式規(guī)定如下： 例如當(dāng)晶振頻率為1

60、1.0592MHZ時(shí)，如果需要獲得9600波特率的通訊速率，則定時(shí)器重載值為： （十六進(jìn)制的0xFD） 也可以根據(jù)公式，從其他一直條件求出波特率和晶振頻率，如下式： 所需的最小晶振頻率=設(shè)定的波特率 38（4若SMOD = 1則乘數(shù)為192） 按上述公式，對(duì)于SMOD＝1的CMOS器件，若使用19.2K的通訊波特率，則應(yīng)使用的最小晶振頻率為19200＊192，即3.6864MHz。當(dāng)使用這個(gè)公式時(shí)，作為最大波特率的定時(shí)器重載值總是為255（十六進(jìn)制數(shù)0xFF），即TH1＝256-1。 因此，按此方法計(jì)算，使用相差偶倍數(shù)的晶振頻率，采用不同的定時(shí)器重載值，可以產(chǎn)生相同的波特率。舉例

61、來說，3.6864MHz的4倍是14.7456MHz。在14.7456MHz的晶振頻率下，只要使用1/4的定時(shí)器溢出率：252（十六進(jìn)制數(shù)0xFC），即TH1＝256-4，作為定時(shí)器重載值，就可以同樣產(chǎn)生19.2k的通訊波特率。 本次設(shè)計(jì)采用波特率9600，晶振頻率為11.0592MHZ 5.5硬件連接 圖5-5 ADC0809與AT89C51的接口連接圖 5.6ADC0809數(shù)據(jù)采集的c語言程序 為此可選擇關(guān)于數(shù)據(jù)采集的C程序 #include #include #include #define u

62、long unsigned long #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar code LED[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; sbit g = P2^0;//個(gè)位 sbit sf = P2^1;//十分位 sbit bf = P2^2;//百分位 sbit KA = P2^6;//百分位 sbit START = P3^4;//啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 sbit EOC = P3^3;//轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志 sbit OE = P3

63、^2;//輸出使能 sbit ALE = P3^0;//地址鎖存 uint vol=0;//采樣得到的0~255之間的離散數(shù)據(jù) ulong V=0;//處理后的電壓數(shù)據(jù)。V的高到低位依次為：整數(shù)位個(gè)位、小數(shù)十分位、百分位。 //----------------------------------- void delay(uint x) { for(;x>0;x--) ; } //------------------------------------ void start(void) { ALE=1; _nop_(); START=1; _nop_(); ALE

64、=0; _nop_(); START=0; } //------------------------------------- void check(void) { while(EOC==1) ; //等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 _nop_(); _nop_(); while(EOC==0) ; _nop_(); _nop_(); OE=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); vol=P1;// 從P1口讀取數(shù)據(jù) OE=0; } //------------------------------------ void deal(void) {

65、V = (vol*5); V *= 100; V /= 256;//V的高到低位依次為：整數(shù)位個(gè)位、小數(shù)十分位、百分位。 } //----------------------------------- void display(void) { KA=0; g=0; P0=LED[V/100]&0x7f;//共陽顯示加小數(shù)點(diǎn) delay(800); g=1; delay(50); sf=0; P0=LED[(V/10)%10];//&0x7f; delay(800); sf=1; delay(50); bf=0; P0=LED[V%10]; del

66、ay(800); bf=1; KA=1; } void main() { EA=0; while(1) { start(); check(); deal(); display(); } } 第六章 PC機(jī)與單片機(jī)通信(RS232協(xié)議) 6.1 RS-232協(xié)議 RS-232是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補(bǔ)RS-232之不足而提出的。 為改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（速率低于100kb/s時(shí)），并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-422-A標(biāo)準(zhǔn)。 為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上