用AT89C51實現模數轉換

本期教程通過一個簡單的電壓測量電路，講解AT89C2051片內比較器的使用及模數轉換主程序的設計，說明利用RC充電規(guī)律實現模數轉換，取得被測電壓近似值的原理。

一、電路構成與功能

由圖1可知，本電路主要由AT89C2051(IC1)、R10、C4等組成，被測電壓從P1.1輸入，電路通過對C4充電電壓與被測電壓的比較得到電壓值，然后將被測電壓值轉換為相應的顯示代碼，送LED1、LED2中顯示出來。

二、AT89C2051簡介

AT89C2051與AT89C51相比，除去掉了P0口和P2口，并在P1口的P1.0、P1.1與P3口的P3.6之間嵌入了一個精確的模擬比較器外，其他硬件資源完全相同。AT89C2051具有以下一些標準特性：2K字節(jié)的閃速存儲器，128字節(jié)RAM，15條I/O線，2個16位定時/計數器，5個兩級中斷源結構，一個全雙工串行口，一個精確的模擬比較器，片內振蕩器和時鐘電路。此外，AT89C2051設有靜態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下工作，支持兩種軟件可選的省電模式：在閑置模式下，CPU停止工作，但RAM、定時器/計數器、串口和中斷系統仍在工作；在掉電模式下，保存RAM中的內容并且凍結振蕩器，禁止所有其他片內控制單元功能，直到下一個硬件復位為止。

AT89C2051只有20個引腳。引腳排列及片內比較器連接示意圖見圖2。由圖可知，P1.0與比較器的同相輸入端相接，

P1.1與比較器的反相輸入端相接，比較器的輸出端在片內與P3.6相接，而P3.6并無片外引腳。因此，AT89C2051的P1口有完整的8條I/O口線的片外引腳，而P3口只有7條I/O線的片外引腳，使其可供片外使用的I/O線為15條。AT89C2051性能同AT89C51一樣卓越而結構又十分簡單，從而為很多嵌入式控制系統提供了靈活而又廉價的方案，因此，在各種智能化、自動化儀器、儀表及家電中得到廣泛應用。

三、數模轉換原理

圖3為數模轉換電路的簡化圖。由圖可知，比較器IC1的同相輸入端P1.0與P1.4之間接有電阻R10，而被測電壓是通過P1.1輸入至比較器IC1的反相端，這樣，當被測電壓Ui從P1.1輸入并開始測量時，先使P1.4置低電位，C4就會對地放電，使P1.0的電位為零，由于此時P1.1的電位高于P1.0的電位（Ui>0），因此，IC1的輸出端P3.6為低電位。進入測量程序，先使P1.4跳高電位，VCC就會通過R9、R10向C4充電，P1.0的電位就會隨時間按指數規(guī)律上升。當P1.0的電位上升至與P1.1的電位相同或略高一點時，IC1的輸出端P3.6就會由低電位跳變?yōu)楦唠娢?，由此，我們可用程序控制CPU在C4充電的同時，不間斷檢測P3.6的電位，當P3.6電位發(fā)生高跳時，我們就認為P1.0的電壓與P1.1的電壓相等。由于C4的充電電壓是可以通過充電時間的長短來準確計算的，所以，計算出C4的充電壓，也就間接地測出了被測電壓Ui的值。VCC通過R10（R9和P1.4上拉電阻的影響忽略）向C4充電，C4兩端的電壓是隨時間按指數規(guī)律上升的，可根據UC=VCC（1-e-t/RC）求出任一時刻的充電電壓值。為了便于理解，我們只在圖4所示的充電曲線中選取一小段，將其取直，然后按直線變化規(guī)律對模數轉換原理加以闡述。由圖4可以看出，C4充電曲線的起始部分0～500mV這一段是較陡的，且接近直線，為了使程序設計簡單，我們就把OA段看做是直線。這樣，當C4自零電位開始充電到充電電壓達500mV的這段時間里，充電時間與其兩端的電壓是成正比的，我們適當地對R10和C4取值，使C4的充電電壓每20μs上升10mV，再編制與之相匹配的程序，自C4開始充電起，每隔20μs就檢測一次P3.6的電位，并將檢測的次數在寄存器中累計下來，直到P3.6的電位發(fā)生跳變才停止累計。這樣，寄存器中的累計數便與C4兩端的充電電壓有了對應關系。如果第5次檢測時，P3.6的電位由低跳高，說明被測電壓是50mV。這樣，我們測到P3.6電位跳高后，就停止檢測，將寄存器中的數值乘以10mV，就得到了被測電壓Ui的電壓值，這就實現了模量與數量的轉換。

四、顯示原理

在圖1中，LED1與LED2的a、b、c、d、e、f、g端分別與IC1P3口的P3.0至P3.7相接（P3.6除外），GND端分別與IC1的P1.2和P1.3相接。顯示時，將段選碼送P3口，將位選碼送P1口，測量值就會在LED1和LED2中顯示出來。有關原理及變換過程，前幾講中已有詳述。

五、程序設計思想

系統上電后進行初始化，熄滅數碼管LED1和LED2，然后進入測量子程序：執(zhí)行CLR P1.4，使P1.4呈低電位，C4便通過R10對地放電，調用40ms顯示子程序后，C4電荷放盡，P1.0的電位為零，執(zhí)行MOV R0，#00H，將檢測次數累計寄存器R0清零，然后執(zhí)行SETB P1.4, 使P1.4呈高電位，VCC通過R10對C4充電，經數次空操作，執(zhí)行INC R0指令，將R0中的內容加1，再執(zhí)行JNB P3.6，000FH，判斷充電電壓與被測電壓是否相等。如果P3.6電位為低，說明C4的充電電壓較被測電壓低，程序跳轉至000F處，經空操作充電延時后再對P3.6的電位進行檢測；如果P3.6的電位為高，說明P1.0的電壓與P1.1的電壓相等，執(zhí)行SJMP 0006H，程序立刻返回0006處，使C4放電，并進入顯示子程序，對測量數據進行處理，將處理后的數據送數碼管顯示，然后進行下一次測量。從程序清單中的000FH至0018H空間可以看出，6次空操作及INC R0為單機器周期指令，執(zhí)行時間皆為2μs，而JNB P3.6，000FH為雙機器周期指令，執(zhí)行時間為4μs，這樣，便使每次對P3.6的檢測時間間隔為18μs。按圖1電路中R10及C4的取值運行上述程序，能使每檢測一次P3.6的電位，C4充電電壓的上升約10mV。然后進入顯示子程序，將R0中的數據經變換后送LED中顯示出來，我們就可讀出被測電壓Ui的值了。模數轉換主程序安放在0000H至001AH空間內，數據顯示子程序要在001BH處開始安放。顯示子程序的主要功能是將數據經譯碼后得到顯示代碼，其原理不再贅述。如果對模數轉換有較高的精度要求，就要事先根據UC=VCC（1-e-t/RC）計算出多個時刻的對應值，這樣，組成充電時間與充電電壓值的對應數據表，然后編一段程序，將充電時間，也就是寄存器R0中的數據取出來，經查表比較，取得較精確的充電電壓數值，本文旨在說明一下模數轉換的基本原理，對此不作詳述。

六、主程序清單

地址 機器碼 指令 解釋

0000 75B000 MOV P3，#00H ； 初始化

0003 7590EF MOV P1， #EFH ； 關顯示

0006 C294 CLR P1.4 ； 放電

0008 12001B LCALL 001B ； 調40ms顯示子程序

000B 7800 MOV R0，#00H ； 清累計寄存器

000D D294 SETB P1.4 ； 開始充電

000F 00 NOP ； 空操作延時

0010 00 NOP ；

0011 00 NOP ；

0012 00 NOP ；

0013 00 NOP ；

0014 00 NOP ；

0015 08 INC R0 ； 累計檢測次數

0016 30B6F6 JNB P3.6,000FH； 低于Ui，再充電比較

0019 80EB SJMP 0006H ； 返回進行下次測量