基于增強(qiáng)型8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)記憶示波器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究

1、引言

示波器是電子測(cè)量的基本儀器。由于其具有圖形顯示實(shí)時(shí)、直觀和形象等特性，在一般的物理實(shí)驗(yàn)室中它也是常用儀器之一。眾所周知，示波器是依據(jù)輸入電壓調(diào)制的電子束掃描、熒屏余輝以及人眼的暫留效應(yīng)等原理制成的；它要求輸入周期信號(hào)；對(duì)于非周期性的信號(hào)，普通示波器是無能為力的，必須使用具有記憶功能的專用示波器，但這種示波器價(jià)格高昂，一般的物理實(shí)驗(yàn)室無法大量配置。

信息時(shí)代，個(gè)人計(jì)算機(jī)大量普及。普通物理實(shí)驗(yàn)室以及一般的中學(xué)都已配備了大量的計(jì)算機(jī)（以下稱PC）。但這些PC大都用于文字信息處理和計(jì)算工作，其內(nèi)在的功能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮，實(shí)際上造成了巨大的浪費(fèi)。

我們知道，PC具有很強(qiáng)的圖像顯示功能。如果能夠開發(fā)、利用這一功能，配上外部接口電路，將一些物理過程，如溫度、濕度、壓力等等，經(jīng)過相應(yīng)的傳感器，將非電量轉(zhuǎn)換成電壓量，再經(jīng)調(diào)理電路處理后送入STC單片機(jī)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后再由串口發(fā)送到PC機(jī)，由PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和圖形顯示，從而構(gòu)成了記憶示波器。

2、 STC12C5408AD簡(jiǎn)介

STC12C5408AD是新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī)，速度快，集成度高，電壓范圍寬（3.8 V～5.5 V），指令系統(tǒng)和MCS-51系列完全兼容。其內(nèi)部還有8 KBFlash程序存儲(chǔ)器，512字節(jié)RAM、2 KB EEPROM、8通道10位ADC、4路PWM以及硬件看門狗（WDT）等寶貴資源，性價(jià)比極高。它的23個(gè)I／O口、內(nèi)部電源供電系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及看門狗電路都經(jīng)過特殊處理，具有超強(qiáng)的抗干擾能力。STC12C5408AD具有ISP功能，用戶在自己的目標(biāo)系統(tǒng)上，經(jīng)串口和PC連接，就可直接由PC對(duì)其進(jìn)行ISP下載編程，時(shí)間僅幾秒鐘，使用非常方便。又由于編程方便和快捷，因而可在用戶程序的任意位置插入“SJMP$”死循環(huán)指令作“斷點(diǎn)”（測(cè)試后刪除），重新匯編、下載和運(yùn)行；程序運(yùn)行到此便停住，用戶可方便地檢查當(dāng)前的硬件真實(shí)狀態(tài)；如需檢測(cè)某些寄存器的狀態(tài)?？稍凇皵帱c(diǎn)”指令前插入讀寄存器并串發(fā)到PC的指令段，便可在PC上顯示當(dāng)前的寄存器狀態(tài)供檢測(cè)，可節(jié)省專用編程器和仿真機(jī)的昂貴開支。

3、 A／D轉(zhuǎn)換

本系統(tǒng)中主要應(yīng)用了該單片機(jī)的10位A／D功能。STC12C5408AD的8路10位A／D轉(zhuǎn)換口位于P1.0～P1.7，速度可達(dá)100 kHz，其A／D功能由有關(guān)寄存器來設(shè)置。

上電復(fù)位后，P1口為弱上拉型I／O狀態(tài)。選用P1.3腳作A／D通道，必須先將其設(shè)置為開漏（或高阻輸入）狀態(tài)。P13KL子程序就是完成這個(gè)設(shè)置。

基于增強(qiáng)型8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)記憶示波器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究

3.1 轉(zhuǎn)換控制寄存器

轉(zhuǎn)換控制寄存器ADC_CONTR（地址0C5H）格式如圖1所示，各位的具體含義如下：

（1） A／D電源控制位D7

D7=1時(shí)，打開A／D電源；初次打開時(shí)，延時(shí)1ms，待A／D電路供電穩(wěn)定后，再啟動(dòng)A／D，以保證A／D精度。ADC_ON子程序如下：

（2）轉(zhuǎn)換速度控制位D6D5

D6D5=00時(shí)，轉(zhuǎn)換速度最慢（840個(gè)時(shí)鐘）

D6D5=11時(shí)，轉(zhuǎn)換速度最快（210個(gè)時(shí)鐘），本例用11。

（3）模擬輸入通道選擇位D2D1D0

其位值為i（i=0，1，2，…，7）時(shí)，選中P1.i為A／D輸入通道；本例選P1.3，i=3。

（4）轉(zhuǎn)換啟動(dòng)位D3

D3=1，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換；啟動(dòng)后硬件自動(dòng)清零。

（5）轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位D4

A／D轉(zhuǎn)換完畢，D4=1；必須由軟件清0。

3.2 轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器

A／D結(jié)果高8位寄存器ADC_DATA，地址OC6H（D7～D0）；

A／D結(jié)果低2位寄存器ADC_LW02，地址OBEH（D1D0）；

3.3 A／D轉(zhuǎn)換子程序RDAD

本例由于用PC機(jī)屏幕顯示A／D波形，PC機(jī)Y軸方向只能由8位數(shù)據(jù)控制，故只用高8位。每次讀畢再發(fā)給PC機(jī)處理。

3.4 基本程序清單

4、 PC軟件設(shè)計(jì)

PC軟件由串行通訊和圖形顯示兩部分組成。為提高運(yùn)行速度，用PC匯編語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

串行通訊主要是通訊協(xié)議和對(duì)異步串行通訊接口的有關(guān)寄存器如通訊線控制寄存器3FBH、通訊狀態(tài)寄存器3FDH、數(shù)據(jù)發(fā)送保持／數(shù)據(jù)接收緩沖寄存器3F8H等進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置和處理。

圖形顯示部分主要有640×350彩色圖形顯示方式的設(shè)置，X、Y坐標(biāo)軸的描繪及圖像點(diǎn)的繪制和清除。鑒于PC匯編語言較繁雜，在此不具體介紹。

5、效果實(shí)例

圖2、圖3分別是RC充放電A／D電路和RC微分A／D電路，圖4、5、6分別為電容充電（按下按鈕1）、放電（按下按鈕2）、微分（按下按鈕3）過程的波形圖；每調(diào)整一下電位器，曲線就相應(yīng)變化；圖形清晰、翔實(shí)、實(shí)時(shí)性好，真實(shí)、生動(dòng)地描繪了上述過程電容電壓的實(shí)際變化情況，使用非常方便。