3.6 输入接口电路仿真举例
3.6.1 数字温度传感器与单片机的接口仿真
数字传感器因其可以直接输出数字信号、使用方便而受到人们的欢迎，数字温度传感器DS18B20就是其中的一种。数字温度传感器内部一般包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器和相应的接口电路，使用比较方便。
DS18B20是DALLAS公司生产的单总线接口数字温度传感器，具有3个引脚，温度测量范围为-55℃～+125℃，可通过编程输出9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测的温度用16位补码形式串行输出。
表3.7为DS18B20温度值格式表，其中S是符号位，以12位转换为例，如果测得的温度大于0，这5位都为0，只要将所测得的数值乘以0.0625/LSB即可得到实际温度；如果测得的温度小于0，这5位都为1，测得的数值要取反加一，再乘以0.0625/LSB就可以得到实际温度。温度最大转换时间为750ms。
表3.7 DS18B20温度值格式表
DS18B20与单片机连接非常简单，图3.37为DS18B20与单片机通过P1.0口串行连接的仿真图，但对DS18B20读/写编程时必须严格按照读/写时序，否则可能无法读取测温的结果。
图3.37 DS18B20与单片机接口电路
DS18B20内部有三个主要的数字部件，分别是64位ROM，温度传感器，温度报警触发器TH和TL，每个DS18B20都有一个独特的片序号（储存在ROM中），所以多个DS18B20可以同时连在一根单线总线上。根据DS18B20的通信协议，单片机控制DS18B20必须经过三步。
（1）复位（初始化）操作。通过单线总线的所有操作都从一个初始化序列开始，初始化序列包括一个由总线控制器发出的复位脉冲和紧随其后的DS18B20发出的存在脉冲。
（2）发送（写）ROM操作指令。共有五条操作指令，如表3.8所示。
（3）发送操作命令。温度变换，读温度，设置温度的上、下限值等共六条操作指令，如表3.9所示。
表3.8 ROM操作指令
表3.9 RAM操作指令
8951只接一个DS18B20，最简单的程序是初始化，跳过ROM命令，转换温度命令，再一次初始化，跳过ROM命令，读取温度命令，就完成了一次测温过程。
读取单个DS18B20转换的温度值的程序如下（读取的温度值放在31H和30H中）：
宏定义： T_L EQU 30H ；温度值低位放在30H中 T_H EQU 31H ；温度值高位放在31H中 FLAG0 EQU 00H ；DS18B20存在标记 DQ EQU P1.0 ；DS18B20的硬件接口 SKIPDS18B20 EQU 0CCH ；跳过ROM命令 STARTDS18B20 EQU 44H ；开始温度转换命令 READDS EQU 0BEH ；读温度转换命令
主程序：
ORG 0000H
SJMP MAIN
ORG 0040H
MAIN: MOV SP,#60H
CLR EA
CLR FLAG0
LCALL RE_CONFIG ；设置DS18B20
LCALL GET_TEMPER ；用DS18B20测温子程序
LJMP MAIN
测温子程序：
GET_TEMPER: SETB DQ
LCALL INITDS18B20 ；初始化
JB FLAG0,S22
RET
S22: LCALL Delay64us ；测温
MOV A,#SKIPDS18B20
LCALL WriteByDS18B20
MOV A,#STARTDS18B20
LCALL WriteByDS18B20
LCALL Delay1s
LCALL INITDS18B20
JB FLAG0,ABC
RET
ABC: LCALL Delay64us
MOV A,#SKIPDS18B20
LCALL WriteByDS18B20
MOV A,#READDS
LCALL WriteByDS18B20
LCALL READDS18B20
RET
READBYDS18B20: MOV R2,#08H ；读DS18B20的一个字节
RE1: CLR C
SETB DQ
NOP
CLR DQ
NOP
NOP
NOP
SETB DQ
MOV R3,#07H
DJNZ R3,$
MOV C,DQ
MOV R3,#23
DJNZ R3,$
RRC A
DJNZ R2,RE1
RET
READDS18B20: LCALL READBYDS18B20 ；读温度值
MOV T_L,A
LCALL READBYDS18B20
MOV T_H,A
RET
WriteByDS18B20: MOV R2,#8 ；写入DS18B20
CLR C
WR1: CLR DQ
MOV R3,#6
DJNZ R3,$
RRC A
MOV DQ,C
MOV R3,#23
DJNZ R3,$
SETB DQ
NOP
DJNZ R2,WR1
SETB DQ
RET
RE_CONFIG: LCALL INITDS18B20 ；设置DS18B20
JB FLAG0,RE_CONFIG1
RET
RE_CONFIG1: MOV A,#0CCH
LCALL WriteByDS18B20
MOV A,#4EH
LCALL WriteByDS18B20
MOV A,#00H
LCALL WriteByDS18B20
MOV A,#00H
LCALL WriteByDS18B20
MOV A,#7FH
LCALL WriteByDS18B20
RET
Delay500us: MOV R6,#00H ；延时500微秒子程序
DJNZ R6,$
RET
Delay64us: MOV R6,#20H ；延时60微秒子程序
DJNZ R6,$
RET
Delay1s: MOV B,#130 ；延时1秒子程序
DELAY1: NOP
NOP
NOP
NOP
DJNZ B,DELAY1
RET
INITDS18B20: CLR DQ ；初始化DS18B20
MOV R7,#00H
DJNZ R7,$
SETB DQ
MOV R7,#10H
DJNZ R7,$
SETB FLAG0
JNB DQ,TSR5
CLR FLAG0
LJMP TSR7
TSR5: MOV R7,#6BH
DJNZ R7,$
TSR7: SETB DQ
RET
END
从程序中可以看到，DS18B20的优点是硬件简单，CPU只需一根线就可以与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口少，可以用于多点温度测控，但软件程序相对比较长，要严格按照资料给出的时序要求编程。
仿真时还可以看到DS18B20内部温度存储器中的值和读出的温度值随温度变化的情况。假设温度为50℃，读到的温度值为0320H，如图3.38所示，对照表3.7，可知温度值为正。
图3.38 转换后输出的温度值
由图3.38可知，DS18B20内部有9个字节RAM，分别为CRC校验寄存器，温度转换后的低字节，高字节，报警用的高温度触发值，低温度触发值，在此例程序中均被设为0，配置寄存器，最后为三个保留字（可以让用户定义）。
从8051的内部RAM窗（图3.38）可见，转换后温度值保留在31H和30H中。
3.6.2 A/D转换芯片ADC0809的接口电路
ADC0809是较常用的8路输入通道的A/D转换器，由单一电源+5V供电，且片内带有锁存功能的8路模拟开关，可对0～5V的8路输入模拟电压信号进行分时转换，转换一次的时间约为100μs，带有三态锁存缓冲器，可直接与MCS-51系列单片机的数据总线相连。
由器件资料知，ADC0809的控制引脚定义为：
ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：A/D转换启动信号，输入，高电平脉冲。
EOC：A/D转换结束信号，输出，当启动转换后，该引脚为低电平，当A/D转换结束时，该引脚输出高电平信号，CPU可以通过查询该引脚得知转换是否结束，也可以由该引脚通过反相器接中断，转换结束时进入中断，读取数据。
CLOCK：时钟脉冲信号，要求时钟频率不高于640kHz。
最简单的ADC0809与8951的接口电路如图3.39所示。这里只用了一路输入，需要时可以通过改变输入地址，分时获取8路输入的转换结果。为了简洁，图中ADC0809的CLOCK端直接输入640kHz的时钟脉冲，该脉冲也可以由单片机ALE输入脉冲经分频得到，还可以由单片机编程输出。
图3.39 ADC0809与8951接口电路
ADC0809的工作流程如下所述。
（1）输入三位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器。经地址译码器从8路通道中选通一路模拟量送到比较器。
（2）送START一个高电平脉冲，其上升沿使逐次逼近寄存器复位，其下降沿启动A/D转换，并使EOC信号为低电平。
（3）转换结束，转换结果存入输出三态锁存器中，并使EOC信号回到高电平，通知CPU已转换结束。
（4）当CPU执行读数据命令时，使OE为高电平，从D0～D7中读出数据。
编写程序如下：
ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0060H MAIN: SETB P1.4 SETB P1.5 CLR P1.6 ；给出输入口地址 SETB P1.2 ；给START一个高电平脉冲 NOP NOP CLR P1.2 NOP NOP AA: JNB P1.1,AA ；查询转换是否结束 SETB P1.0 MOV A,P3 ；读取转换结果 MOV 30H,A ；存在内部RAM 30H中 SJMP $ END
可以看到，ADC0809与8951是并行连接的，相对来说硬件连接线比较多，但程序比较简单，如果P0口和P2口已并行扩展了外部数据存储器等，也可以用P0口扩展接ADC0809。
3.6.3 A/D转换芯片ADC0832的接口电路
ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片，其输入/输出电平与TTL/CMOS都兼容，5V电源供电时输入电压为0～5V，工作频率为250kHz，转换时间为32μs，采用串行通信方式输出转换后的数据，与单片机连接十分方便，如图3.40所示，其引脚功能为：
CS：片选使能，低电平有效。
CH1、CH0：模拟输入通道方式选择，当两位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换；当两位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换；当两位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-；当两位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+。
DI：数据信号输入，选择输入通道。
DO：数据信号输出，输出转换数据。
CLK：芯片时钟输入。
正常情况下，ADC0832与单片机的接口线是四条，但因为DI与DO不是同时与单片机通信，且是双向的，所以电路设计时可以用一根数据线并联DI和DO使用。图3.39给出了ADC0832与单片机最简单的连接方法。
图3.40 ADC0832与单片机接口电路
可以看到，串行连接硬件连接很方便，图中用通道0（CH0）对输入的模拟电压进行采样，转换成数字量后通过P1.2送给CPU，图中加入了一个电压表显示模拟电压值，主程序通过调用子程序ADC可获取A/D转换的数据，在主程序中送入要转换的模拟通道号，转换后的数据存放在内部RAM 30H。注意，程序中CPU主要是通过软件按协议来控制ADC0832，要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲下降前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下降前DI端应输入两位数据用于选择通道功能，本例中用P1.1端口输出时钟控制脉冲，其程序如下：
ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0060H MAIN: MOV B,#10H LCALL ADC ；调用模/数转换子程序 SJMP $ ADC: SETB P1.2 ；初始化通道选择信号 NOP NOP CLR P1.0 ；选中芯片 NOP NOP SETB P1.1 ；通过输出高/低电平形成时钟脉冲 NOP
NOP CLR P1.1 NOP NOP SETB P1.1 MOV A,B MOV C,ACC.1 MOV P1.2,C ；输入地址高位 NOP NOP CLR P1.1 NOP NOP SETB P1.1 MOV A,B MOV C,ACC.0 MOV P1.2,C ；输入地址低位 NOP NOP CLR P1.1 SETB P1.2 ；地址输入结束 NOP NOP MOV R7,#8 A1: MOV C,P1.2 ；P1.2与DO相连，CPU读取数据 MOV ACC.0,C RL A ；左循环，（首先输入最高位） SETB P1.1 NOP NOP CLR P1.1 NOP NOP DJNZ R7,A1 ；输入8位了吗？没有则继续 MOV 30H,A ；把数据存入30H SETB P1.0 CLR P1.1 SETB P1.2 RET END