用AT89C51实现模数转换

    本期教程通过一个简单的电压测量电路，讲解AT89C2051片内比较器的使用及模数转换主程序的设计，说明利用RC充电规律实现模数转换，取得被测电压近似值的原理。

一、电路构成与功能

    由图1可知，本电路主要由AT89C2051(IC1)、R10、C4等组成，被测电压从P1.1输入，电路通过对C4充电电压与被测电压的比较得到电压值，然后将被测电压值转换为相应的显示代码，送LED1、LED2中显示出来。

二、AT89C2051简介

    AT89C2051与AT89C51相比，除去掉了P0口和P2口，并在P1口的P1.0、P1.1与P3口的P3.6之间嵌入了一个精确的模拟比较器外，其他硬件资源完全相同。AT89C2051具有以下一些标准特性：2K字节的闪速存储器，128字节RAM，15条I/O线，2个16位定时/计数器，5个两级中断源结构，一个全双工串行口，一个精确的模拟比较器，片内振荡器和时钟电路。此外，AT89C2051设有静态逻辑，可以在低到零频率的条件下工作，支持两种软件可选的省电模式：在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时器/计数器、串口和中断系统仍在工作；在掉电模式下，保存RAM中的内容并且冻结振荡器，禁止所有其他片内控制单元功能，直到下一个硬件复位为止。

    AT89C2051只有20个引脚。引脚排列及片内比较器连接示意图见图2。由图可知，P1.0与比较器的同相输入端相接，

    P1.1与比较器的反相输入端相接，比较器的输出端在片内与P3.6相接，而P3.6并无片外引脚。因此，AT89C2051的P1口有完整的8条I/O口线的片外引脚，而P3口只有7条I/O线的片外引脚，使其可供片外使用的I/O线为15条。AT89C2051性能同AT89C51一样卓越而结构又十分简单，从而为很多嵌入式控制系统提供了灵活而又廉价的方案，因此，在各种智能化、自动化仪器、仪表及家电中得到广泛应用。

三、数模转换原理

    图3为数模转换电路的简化图。由图可知，比较器IC1的同相输入端P1.0与P1.4之间接有电阻R10，而被测电压是通过P1.1输入至比较器IC1的反相端，这样，当被测电压Ui从P1.1输入并开始测量时，先使P1.4置低电位，C4就会对地放电，使P1.0的电位为零，由于此时P1.1的电位高于P1.0的电位（Ui>0），因此，IC1的输出端P3.6为低电位。进入测量程序，先使P1.4跳高电位，VCC就会通过R9、R10向C4充电，P1.0的电位就会随时间按指数规律上升。当P1.0的电位上升至与P1.1的电位相同或略高一点时，IC1的输出端P3.6就会由低电位跳变为高电位，由此，我们可用程序控制CPU在C4充电的同时，不间断检测P3.6的电位，当P3.6电位发生高跳时，我们就认为P1.0的电压与P1.1的电压相等。由于C4的充电电压是可以通过充电时间的长短来准确计算的，所以，计算出C4的充电压，也就间接地测出了被测电压Ui的值。VCC通过R10（R9和P1.4上拉电阻的影响忽略）向C4充电，C4两端的电压是随时间按指数规律上升的，可根据UC=VCC（1-e-t/RC）求出任一时刻的充电电压值。为了便于理解，我们只在图4所示的充电曲线中选取一小段，将其取直，然后按直线变化规律对模数转换原理加以阐述。由图4可以看出，C4充电曲线的起始部分0～500mV这一段是较陡的，且接近直线，为了使程序设计简单，我们就把OA段看做是直线。这样，当C4自零电位开始充电到充电电压达500mV的这段时间里，充电时间与其两端的电压是成正比的，我们适当地对R10和C4取值，使C4的充电电压每20μs上升10mV，再编制与之相匹配的程序，自C4开始充电起，每隔20μs就检测一次P3.6的电位，并将检测的次数在寄存器中累计下来，直到P3.6的电位发生跳变才停止累计。这样，寄存器中的累计数便与C4两端的充电电压有了对应关系。如果第5次检测时，P3.6的电位由低跳高，说明被测电压是50mV。这样，我们测到P3.6电位跳高后，就停止检测，将寄存器中的数值乘以10mV，就得到了被测电压Ui的电压值，这就实现了模量与数量的转换。

四、显示原理

    在图1中，LED1与LED2的a、b、c、d、e、f、g端分别与IC1P3口的P3.0至P3.7相接（P3.6除外），GND端分别与IC1的P1.2和P1.3相接。显示时，将段选码送P3口，将位选码送P1口，测量值就会在LED1和LED2中显示出来。有关原理及变换过程，前几讲中已有详述。

五、程序设计思想

    系统上电后进行初始化，熄灭数码管LED1和LED2，然后进入测量子程序：执行CLR P1.4，使P1.4呈低电位，C4便通过R10对地放电，调用40ms显示子程序后，C4电荷放尽，P1.0的电位为零，执行MOV R0，#00H，将检测次数累计寄存器R0清零，然后执行SETB P1.4, 使P1.4呈高电位，VCC通过R10对C4充电，经数次空操作，执行INC R0指令，将R0中的内容加1，再执行JNB P3.6，000FH，判断充电电压与被测电压是否相等。如果P3.6电位为低，说明C4的充电电压较被测电压低，程序跳转至000F处，经空操作充电延时后再对P3.6的电位进行检测；如果P3.6的电位为高，说明P1.0的电压与P1.1的电压相等，执行SJMP 0006H，程序立刻返回0006处，使C4放电，并进入显示子程序，对测量数据进行处理，将处理后的数据送数码管显示，然后进行下一次测量。从程序清单中的000FH至0018H空间可以看出，6次空操作及INC R0为单机器周期指令，执行时间皆为2μs，而JNB P3.6，000FH为双机器周期指令，执行时间为4μs，这样，便使每次对P3.6的检测时间间隔为18μs。按图1电路中R10及C4的取值运行上述程序，能使每检测一次P3.6的电位，C4充电电压的上升约10mV。然后进入显示子程序，将R0中的数据经变换后送LED中显示出来，我们就可读出被测电压Ui的值了。模数转换主程序安放在0000H至001AH空间内，数据显示子程序要在001BH处开始安放。显示子程序的主要功能是将数据经译码后得到显示代码，其原理不再赘述。如果对模数转换有较高的精度要求，就要事先根据UC=VCC（1-e-t/RC）计算出多个时刻的对应值，这样，组成充电时间与充电电压值的对应数据表，然后编一段程序，将充电时间，也就是寄存器R0中的数据取出来，经查表比较，取得较精确的充电电压数值，本文旨在说明一下模数转换的基本原理，对此不作详述。

六、主程序清单

地址 机器码 指令 解释

0000 75B000 MOV P3，#00H ； 初始化

0003 7590EF MOV P1， #EFH ； 关显示

0006 C294 CLR P1.4 ； 放电

0008 12001B LCALL 001B ； 调40ms显示子程序

000B 7800 MOV R0，#00H ； 清累计寄存器

000D D294 SETB P1.4 ； 开始充电

000F 00 NOP ； 空操作延时

0010 00 NOP ；

0011 00 NOP ；

0012 00 NOP ；

0013 00 NOP ；

0014 00 NOP ；

0015 08 INC R0 ； 累计检测次数

0016 30B6F6 JNB P3.6,000FH； 低于Ui，再充电比较

0019 80EB SJMP 0006H ； 返回进行下次测量