任務１溫度測量與報警任務２數控電壓源知識點◎傳感器在單片機測控系統中的作用；◎A/D轉換的基本知識；◎ADC0809芯片的主要特性、引腳功能及基本應用；◎LM35的主要特性。技能點◎能應用單片機通過傳感器測量模擬量；◎能正確應用單片機編程控制A/D轉換器完成模數轉換。任務１溫度測量與報警在機電控制系統中，經常把聲音、溫度、濕度、壓力、位移、氣壓等各種物理量作為控制系統的輸入信號，根據這些物理量的變化值，通過單片機系統去實現某些功能控制。由于電氣控制系統能夠處理的信號均為電信號，所以要實現各種物理量的輸入，就需要使用傳感器將其他物理量轉換為電量。傳感器輸出的信號是模擬信號。任務提出單片機的輸入信號和輸出信號都是數字信號（數字量），因而還需要一種特殊的電路，將來自外部傳感器的模擬量轉換為單片機能夠識別的數字信號。在單片機外部接口電路中，常采用模數（A/D）轉換器來完成將模擬量轉換為數字量。本任務是利用模數（A/D）轉換器將溫度傳感器輸出的模擬電壓信號轉換為數字信號，并顯示輸出。該系統的主要指標為：1.

溫度測量范圍：0~100℃；2.

溫度測量精度：<±0.5℃；3.

超限報警：>120℃。本任務需要使用傳感器將溫度轉換為電學量。溫度傳感器的種類有很多，如鉑電阻、熱電偶、熱敏電阻以及各類半導體測溫器件，這里選用精密溫度傳感器LM35作為系統的測溫器件。LM35內部集成了半導體測溫傳感器和信號處理電路，可將溫度轉為模擬信號，其輸出信號為模擬電壓信號。單片機不能直接將LM35輸出的模擬電壓作為輸入信號，需要一個A/D轉換器將模擬電壓信號轉換為數字信號，然后傳輸給單片機。任務分析本任務以單片機為控制核心，輸入A/D轉換器輸出的數字信號，將其轉換為溫度后在數碼管上顯示出來，判斷是否超限報警。因此，需要在單片機最小系統的基礎上增加A/D轉換電路、顯示器件及其驅動電路、報警電路，故整個系統的框圖如圖所示。溫度測量硬件系統框圖一、輸入通道概述在機電控制系統中，單片機往往需要對控制對象的過程參數進行監測。被監測的過程參數通常是一種非電量，如溫度、壓力、載荷、位移等，這些物理量不能被單片機直接讀取。相關知識傳感器是敏感于待測非電量并可將它轉換成與之對應的電信號的元器件或裝置。從傳感器輸出的電信號類型有電壓和電流類型，信號的幅度不一，往往需要對這些信號進行放大、濾波等處理，以便于單片機或模數轉換電路的接收。按輸出信號的性質可將傳感器分為模擬傳感器和數字傳感器兩大類。由于被測物理量是連續變化的，如聲音、壓力等，傳感器往往輸出為模擬電信號。模擬信號需要進行模數轉換后，才能送入單片機處理。數字量輸出的傳感器信號，經放大整形后可直接通過單片機引腳送入單片機。在同一個測控系統中，被檢測的參數有可能不止一個，考慮到單片機的工作速度快，物理量變化速度相對比較慢，可以使用一個A/D轉換來輪流處理各個被測量，如圖所示。輸入通道二、A/D轉換器簡介能將模擬量轉換成數字量的電路，稱為A/D轉換器。完成這種轉換的具體電路有多種，特別是單片大規模集成A/D轉換器的問世，為實現模數轉換提供了極大的方便，使用者只要借助手冊提供的器件性能指標及典型應用電路，即可正確使用這些器件。1.直接A/D轉換器直接A/D轉換器通過一套基準電壓與取樣保持電壓進行比較，從而直接轉換成數字量。其特點是工作速度快，轉換精度容易保證，使用也比較方便。2.間接A/D轉換器間接A/D轉換器是將取樣后的模擬信號先轉換成時間t（即電壓時間變換型，簡稱VT變換型）或頻率f（電壓頻率變換型，簡稱VF變換型），然后再將t或f轉換成數字量。3.A/D轉換器的主要技術指標（1）分辨率和量化誤差。分辨率是指A/D轉換器對輸入模擬信號的分辨能力，是衡量A/D轉換器分辨輸入模擬量最小變化程度的技術指標。（2）轉換速度。轉換速度是指A/D轉換器在每秒鐘內所能完成的轉換次數，也可表述為轉換時間，即完成一次A/D轉換所需時間，兩者互為倒數。（3）轉換精度。A/D轉換器的精度通常有兩種表示形式：絕對精度和相對精度。三、ADC0809簡介ADC0809是美國國家半導體（公司生產的單片CMOS8路8位逐次逼近式A/D轉換器，包括8位的A/D轉換器、8通道多路轉換器、三態輸出鎖存緩沖器和與微處理器兼容的控制邏輯。8通道多路轉換器能直接連通8個單極性模擬信號中的任何一個。ADC0809片內帶有鎖存功能的8位模擬多路開關，可對8路0~+5V的輸入模擬電壓信號分時進行轉換，片內具有多路開關的地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻T形網絡、樹狀電子開關、逐次逼近寄存器SAR、控制與時序電路等。輸出具有TTL三態輸出鎖存緩沖器，可直接連接到單片機數據總線上。1.ADC0809的主要特性（1）8路輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位。線性誤差為±1LSB。（2）單一+5V電源供電，模擬輸入電壓范圍為0~+5V，不需零點和滿刻度校準。（3）轉換速度取決于芯片時鐘頻率。時鐘頻率范圍為10~1280kHz。當時鐘頻率為640kHz時，轉換時間為100μs；當時鐘頻率為500kHz時，轉換時間為130μs。ADC0809轉換器邏輯框圖及引腳排列a）邏輯框圖

b）引腳排列2.ADC0809芯片引腳功能3.ADC0809工作時序ADC0809工作時序如圖所示。在ALE出現脈沖后，ADC0809將地址輸入端ADDC、ADDB、ADDA三個地址送入內部鎖存器，并選擇輸入的模擬通道；在啟動端（START）加啟動脈沖（正脈沖），A/D開始轉換，EOC控制輸出為低電平，當轉換完畢后，EOC端重新回到高電平；當在OE端加上高電平時，在數據輸出端D7～D0輸出A/D轉換的結果。ADC0809時序圖4.采用總線方式控制ADC0809的電路在圖所示電路中，JK觸發器構成一個二分頻器，使ALE的輸出頻率降低為1MHz后給ADC0809提供時鐘信號。ADC0809與AT89S51的總線連接方式四、LM35簡介LM35是NS公司生產的集成電路溫度傳感器系列產品之一，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件的輸出電壓與攝氏溫度成線性比例關系。LM35無須外部校準或微調，可以提供±1/4℃的常用室溫精度。主要特性為：工作電壓：直流4～30V；輸出電壓：-1.0～+6V；輸出阻抗：1mA負載是0.1Ω；精度：0.5℃精度（在+25℃時）；比例因數：線性+10.0mV/℃；非線性值：±1/4℃；使用溫度范圍：-55～+150℃額定范圍。一、硬件設計根據任務分析，本任務通過LM35采集溫度信號，LM35輸出的模擬電壓信號經由A/D轉換后送顯示模塊。任務中要求0~100℃實現小于0.5℃的識別，也就是要求A/D的分辨率小于0.5%。為實現將模擬電壓信號轉換為單片機可以直接讀入的數字信號，選擇8位模數轉換集成電路ADC0809作為系統的A/D轉換器件。任務實施在0~120℃（報警溫度上限）范圍內，LM35輸出的模擬電壓的范圍為0~1.2V。為滿足轉換范圍和轉換精度，選擇NS公司的串聯精密基準電壓源集成電路LM385作為ADC0809的基準電壓提供器件。LM385的輸出電壓是可調的，本任務中使用其最小基準電壓1.24V。因ADC0809內部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機直接相連。為了更直觀地理解ADC0809的工作時序，本任務中采用普通I/O端口控制的方式進行連接，沒有采用擴展總線的方式。溫度的顯示采用LED數碼管作為顯示器件。報警指示采用LED作為指示器件，在實際系統中可以使用其他聲光報警電路，只要能夠采用高低電平控制即可。通過電路及元器件選擇，整個溫度顯示與報警系統的硬件系統原理如圖所示，其中單片機最小系統電路及7407、ADC0809的電源等在圖中沒有畫出來。溫度顯示與報警硬件系統原理圖二、軟件設計圖所示電路要求單片機把顯示輸出和ADC0809的操作分時進行。由于溫度信號變化緩慢，可以讓數碼管顯示一段時間后再讀入ADC0809的數據。系統的流程圖如圖a所示。溫度顯示與報警軟件流程圖a）主程序

b）ADC0809數據讀入程序根據ADC0809的時序，可以確定ADC0809的操作步驟如下：（1）初始化時，使START和OE信號全為低電平。（2）送要轉換的通道地址到ADDA、ADDB、ADDC端口上，在ALE上加上鎖存脈沖。（3）在START端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。（4）等待ADC0809轉換完畢。（5）使OE為高電平，ADC0809的數據端將輸出轉換后的有效數據，單片機可以從端口中讀入數據。三、Proteus仿真1.打開ProteusISIS軟件，按照硬件原理圖繪制Proteus仿真電路，仔細檢查，保證線路連接無誤。2.在Keil軟件開發環境下，創建項目，編輯源程序，編譯生成HEX文件，并裝載到Proteus虛擬仿真硬件電路AT89C51芯片中。3.運行ProteusISIS軟件，仔細觀察運行結果，如果有不完全符合設計要求的情況，調整源程序并重復步1、2，直至完全符合本項目提出的各項設計要求為止。溫度顯示與報警系統仿真效果圖溫度顯示與報警系統仿真效果圖任務2

數控電壓源知識點◎D/A轉換的基本知識；◎DAC0832芯片的引腳功能及基本應用。技能點◎能實現單片機與DAC0832的硬件連接；◎能編程控制DAC0832輸出需要的模擬電壓信號。在機電控制系統中，被采樣的物理量經單片機運算處理后輸出控制量，這些控制量再通過各種輸出設備轉換為機電控制系統所需要的非電量，如熱量、壓力、聲音、位移等。單片機輸出的是數字信號，若控制設備需要模擬信號輸入，則必須使用D/A器件將數字信號轉換為模擬信號后再送控制設備。任務提出本任務以按鍵控制單片機系統輸出模擬電壓為例，說明單片機輸出模擬信號的控制電路和控制程序的設計方法。本系統的具體功能要求為：1.輸出電壓范圍：0~9.9V，步進0.1V，即每按下一次按鍵，電壓值變化0.1V；2.輸出電壓值由數碼管顯示；3.由“加”“減”兩個按鍵分別控制輸出電壓步進增減。根據任務目標，需要輸出0~9.9V的直流電壓，步進為0.1V。如果每個電壓值對應一個數據，也就是要求輸出100個數據，表示100個數據最少需要7位二進制數，因此，在本任務中選擇8位數模轉換器件DAC0832來實現數模轉換。任務分析要實現按鍵輸入和數據顯示，系統硬件以單片機最小系統為控制核心，增加按鍵接口和顯示器件的驅動接口，同時將單片機的數據連接到DAC0832的數據接口，即可形成數控電壓源的基本硬件電路。整個系統的框圖如圖所示。數控電壓源硬件系統框圖一、輸出通道概述在機電控制系統中，被采樣的過程參數需要經單片機運算處理后輸出控制量，從而驅動執行機構工作，如用輸出量控制調節閥門的開度、電動機的啟停、信號指示燈的亮滅、繼電器的通斷、步進電動機的運行等。相關知識由模擬信號驅動的執行機構，如調節閥等，需先將經單片機運算處理后的數字量轉換為執行機構能接收的模擬電壓或模擬電流，以達到利用單片機實現控制的目的。由開關量控制的執行機構，如低壓電磁閥等，一般在單片機和執行機構之間需增加隔離電路和OC門或三極管、電磁繼電器、晶閘管、固態繼電器等驅動輸出。二、D/A的基本概念能將數字量轉換成模擬量的電路，稱為數/模轉換器或D/A轉換器。完成D/A轉換的具體電路有多種。目前市場上供應的D/A變換器芯片種類頗多，按數字位數分為8位、10位、12位等，按轉換速度有低速、高速之分，按照數據的傳送方式有串行和并行之分。在線性DAC中，輸出的模擬電壓的公式為：三、D/A的主要性能指標1.分辨率指D/A能分辨的最小輸出模擬增量，取決于輸入數字量的二進制位數。2.建立時間從數字信號輸入DAC起，到輸出電流（或電壓）達到穩態值所需的時間為建立時間。建立時間的長短決定了模/數轉換速度，是DAC最重要的指標之一。3.轉換精度指滿量程時DAC的實際模擬輸出值和理論值的接近程度。4.偏移量誤差偏移量誤差是指輸入數字量為零時，輸出模擬量對零的偏移值。5.線性度線性度是指DAC的實際轉換特性曲線和理想直線之間的最大偏移差。四、DAC0832的簡介DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片電流輸出型8位數模轉換器。DAC0832邏輯框圖和引腳排列DAC0832的引腳功能DAC0832轉換器應用電路一、硬件設計本任務要輸出0~9.9V的模擬電壓，可以采用DAC0832來實現數模轉換。DAC0832是典型的R-2R網絡的DAC器件，按DAC0832的典型應用電路，其輸出電壓與基準電壓的極性相反，且輸出的幅度略小于基準電壓。在本任務中選擇DAC0832的基準電壓為-10V，用并聯可調基準