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1 逢 大學自動控制工程學系畢業專題 可攜帶式高斯計之研製 Research and Produce of the Portable Gaussmeter 指導教授 : 洪㆔山 學生 : 石亞文許校紋 華民國九十㆒年六月

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3 感謝 在自控系專題製作期間, 衷心感謝指導教授洪㆔山老師在學業及待 處世 的悉心指導和教悔, 致使學生獲益良多, 師恩浩蕩, 永存於心 在學期間, 老師對於學生的關愛更是無所僅見, 也由於老師的指導與關心, 學生的專題製作及學士論文方能順利完成, 亦在學習生活 更加順利 相信老師所給予的㆒切, 學生將永銘於心, 也將會是學生未來永遠的學習指標 感謝專題評審委員林宸生教授的寶貴意見與指正, 使本專題能更加完善, 在此特以表示感謝之意 另外, 在專題製作的期間亦受到黃立坤學長 孫嘉宏學長 詹兆寧學長 詹世祥學長 吳明貴學長 黃柏強學長 郭靜男學長 吳昭穎學長及其他諸位同學, 在專題製作 及學業生活 的關懷, 相信這將是我㆒生 最難忘的回憶 最後, 謹以此專題製作及學士論文獻給我最愛的父母 家 及所有關心我 幫助過我的師長及朋友們 i

4 文摘要 在資訊爆炸的時代, 以及 們為了追求著更舒適的生活品質, 致使 們使用高科技的產品越來越普遍 然而因為高科技產品的日新月異, 在我們生活的空間 除了增添㆒份舒適感, 亦多了㆒份危機 ; 那就是高科技產品所帶來的隱藏危機 -- 磁場 而磁場佈滿在我們生活的空間, 且我們無法查覺 ; 像太空 所帶來的宇宙磁場 球本身也有磁場, 而現在因為高科技產品的誕生, 大至發電廠, 小至家用電器 手機, 在我們身邊到處環繞著無可估計的磁場 所以, 我們以此專題, 即是研發㆒可攜帶式簡易高斯錶, 使我們可以隨時偵測身旁的磁場計量, 而使我們可以避免在高磁場 的危害 我們以市面 購得之低成本電子零件, 以研發探討此專題 我們使用霍爾元件感測磁場的變化, 再利用運算大器電路, 經類比數位轉換, 將資料送入單晶片做判別運算, 再將訊號送到七節顯示器, 以得知目前所量測之磁場量, 藉以了解身處環境之磁場有多少, 是否對 體有所影響, 而以避免因高磁場而得到的疾病 ii

5 Abstract In Nowadays, people in order to pursue the more comfortable life, so the high technology products are used widely. However, there is a hiding crisis accompanies our life the magnetic field. The magnetic field cover everywhere in our life, and we can t sense it by ourselves; such as the magnetic field of cosmos come from the space and the earth by itself. Because we own more and more products of high technology, like the power-station, household appliances and cell-phone which have magnetic field around everywhere for us that can t be measured. Therefore, our objective is to develop one simple and convenient portable gaussmeter to measure the magnetic field in the environment and keep us off the high magnetic field s harmfulness. We use the low cost electrical component from general market conditions to design our project. We use the hall sensor to measure the variation of the magnetic field and by using operational amplifier to amplify the signal. Then through the A/D converter we can transfer the data to microprocessor to do the operations. Finally, the output digital value from the microprocessor will be transferred to the 7-segment display so that we will know how much the magnetic field is and the influences of our body. By this way, we can avoid the magnetic field further and protect us getting away from diseases. iii

6 目 錄 感謝...i 文摘要...ii 英文摘要... iii 目錄...iv 圖目錄... vi 表目錄...viii 第㆒章緒論 前言 研究動機及探討... 2 第㆓章基本理論...4 第㆔章硬體研發及軟體應用 本專題運用之磁場感測器 UGN 本專題運用之運算放大器 LM 本專題運用之穩壓 IC (Reference Diode) LM V 本專題運用之緩衝器 (Hex Non-Inverting Buffer) CD4050BM 本專題運用之類比數位轉換器 ADC 本專題運用之單晶片 MCS 硬體架構及原理 本專題之完整硬體電路 軟體架構...31 第㆕章專題實驗成果與分析 磁場測試方面 ADC 0804 之測試 可攜帶式高斯計之測試...35 iv

7 4.4 可攜帶式高斯計之硬體實體圖 生活日常用品及變電所之測試...37 第五章 結論與建議 參考文獻...41 附錄㆒ 使用元件之資料...43 附錄㆓ 89C51 定址模式與組合語言...47 附錄㆔ 本專題之完整程式...54 v

8 圖目錄 圖 2-1 霍爾效應之示意圖 ; 磁力與霍爾電場達到相互平衡...5 圖 2-2 電荷與霍爾係數之關係圖...8 圖 輸入與輸出之對應關係圖...10 圖 供應電壓源與靈敏度之關係圖...10 圖 LM 324 非反相直流增益圖 ( 以 LM 124 說明 )...12 圖 LM 324 直流加法放大電路圖 ( 以 LM 124 說明 )...12 圖 LM 324 電壓隨耦電路圖 ( 以 LM 124 說明 )...13 圖 LM 324 差動輸入訊號電路圖 ( 以 LM 124 說明 )...13 圖 (A) (B) LM 336 基本應用電路圖...14 圖 (C) (D) LM 336 基本應用電路圖...15 圖 CD4050BM 基本應用電路圖...16 圖 ADC 0804 基本應用電路圖...17 圖 ADC 0804 與微處理機之電路應用意示圖...18 圖 ADC 0804 完成轉換時序圖...18 圖 ADC 0804 輸出資料時序圖...19 圖 MCS 51 接腳圖...22 圖 MCS 51 之程式發展流程圖...25 圖 系統流程圖...26 圖 磁場感測器與差動放大電路...27 圖 定電源電路...27 圖 比較電路...28 圖 放大電路 (2 倍和 9 倍 )...28 圖 放大電路 (90 倍 )...28 圖 放大電路 (90 倍 )...29 圖 3-8 本專題之完整電路圖...30 vi

9 圖 單晶片程式流程圖...32 圖 可攜帶式高斯計之硬體實體圖...37 圖 可攜帶式高斯計之硬體實體圖...37 vii

10 表目錄 表 磁場感測器 UGN3503 之電氣特性...9 表 單晶片比較...21 表 埠 3 之特殊功能...23 表 4-1 利用不同大小的磁鐵, 做等間距離變化之反應表...33 表 4-1 利用不同大小的磁鐵, 做等間距離變化之反應表 ( 續 )...34 表 4-2 ADC 0804 之測試表...34 表 可攜帶式高斯計之測試 (2 倍率之測試 )...35 表 可攜帶式高斯計之測試 (2 倍率之測試 )...35 表 可攜帶式高斯計之測試 (2 倍率之測試 )...35 表 可攜帶式高斯計之測試 (9 倍率之測試 )...35 表 可攜帶式高斯計之測試 (9 倍率之測試 )...35 表 可攜帶式高斯計之測試 (9 倍率之測試 )...36 表 可攜帶式高斯計之測試 (90 倍率之測試 )...36 表 可攜帶式高斯計之測試 (90 倍率之測試 )...36 表 家庭常用電器用品電磁輻射檢測數據參考表...38 表 變電所磁場強度實測報告...39 表 先進國家對於磁場限制之推薦值...39 viii

11 第㆒章緒論 1.1 前言 磁場對於 類來說可是息息相關的, 因為不管身在何處, 周圍㆒定環繞著或多或少的磁場存在 ; 而 球本身即是㆒帶磁性之 體, 像這樣的磁能, 與 類有很深的交往 但遺憾的是, 類無法由感觀將其磁場感覺出來 但不管如何, 在少量的磁場, 體所受的影響㆒定少於高量磁場 所受的影響 所以磁場感測器在此時則扮演著㆒個重要的角色 磁場感測器遠從 古時代就已開始使用, 如指南針及羅盤等 但對於現代來說, 已不符感測的要求了 ; 因為科技的發達, 科技產品的推陳出新, 使 們更加便利於生活 的需求, 但卻也帶來新的困擾 例如 : 在許多新科技的產生, 如行動電話 無線電話機 微波爐等已漸漸成為生活必備品, 而這些科技產品大多皆需利用到電的運用或供給 ; 但也因為電與磁的相互作用, 磁場的產生, 使得 們在使用便利的產品之, 亦受到了磁場的影響, 而有所干擾或產生疾病 所以, 若可在身處的周圍環境 測量所在之磁場量高低, 這樣就可以避免 們在高磁場量 的曝露, 而造成干擾或產生疾病 然而, 磁場要多大才會對 體有足夠的影響, 這仍是醫學界在努力探討的話題 然而目前雖無直接撜據能指出, 長期暴露在高磁場 與其產生疾病有關, 但曾獲得兩次諾貝爾獎提名的貝卡博士 ( 美國紐約州立大學及紐約州立醫療 心 路易斯安那州立大學醫療 心教授 ) 早以懷疑電磁波的危險性並提出了多篇論文以警告 類 ; 所以電磁波潛在的危險仍是不容忽視的 所以, 我們仍需避而遠之, 因為在醫學尚未證實之前, 以盡量遠離高磁場環境 的暴露為優先 所以, 若能開發㆒簡易之測量儀器, 以量測周遭環境之磁場大小, 則將有助於 們避免於高磁場劑量 的暴露, 而其增加相關疾病的防治 1

12 1.2 研究動機及探討 由於科技的發達及 類追求的舒適感, 類處於高磁場量的機會越來越大 ; 也因此 類的現代文明病亦越來越多 所以, 其 之㆒為防止高磁場量的曝露, 而研究設計㆒磁場感測器, 以能了解周圍環境之磁場量高低, 而能加以避免或其防止方法, 使 類除了能舒適的生活亦能有㆒份安全感 雖然無有力證據能證實磁場大小對於 類的影響, 但避免暴露在高磁場 的環境卻是必要的, 例如 : 家電用品 電磁爐的使用, 在距離十公分的距離可測得強度是 840 毫高斯, 即使距離㆒百公分量測, 強度仍高達 450 毫高斯, 比各國所訂之環境安全標準 2 毫高斯要高出許多, 不過 們不會長時間及近距離 使用, 所以問題較小 ; 但醫學報告 顯示, 對於裝有心率調節器的病患, 在高磁場環境 所受的危害可能會帶來致命的結果 另外, 因著科技的發達, 們幾乎 手㆒機, 而行動電話的磁場強度, 經過測量之後發現, 其強度在電話接通時的㆒瞬間最強, 於接通後不久則降至約 60 毫高斯 ; 所以業者亦建議使用者盡量在接通時遠離, 再將其移至頭部開始通話或使用免持聽筒設備 然而在本 研究此專題之前, 已有相當多的文獻在探討有關磁場及電磁波之相關研究 [14][15][16] 如工研院量測 心在 電磁量測專輯 提到電磁波對 體的影響 ; 其電磁波對生物的影響分為熱生物效應與非熱生物效應 所謂熱效應是指電磁波照射到生物體, 使其溫度升高, 而引起體內各種生理或病理的變化 而凡不是以熱效應方式造成生物體生理變化的皆為非熱生物效應 而根據其各國研究結果, 電磁波可能對生物體產生的㆒些影響如 [14]: 1. 對眼球的影響 體眼球若在電磁波的長期照射 可能會引起白內障的病變 2. 對血液的影響電磁波會改變白血球的數量 ; 而使其增加 亦會出現造血系統和淋巴系統功能 降 2

13 3. 對 樞神經系統的影響電磁波會使 們有頭昏 乏力 失眠和健忘等症狀, 亦會使嗅覺 視覺及聽覺機能 降 4. 其他影響電磁波會抑制抗體的形成, 而減低免疫能力 亦會造成生育方面之問題及心臟血管及染色體異常的結果 故欲探討磁場及電磁波對 體的影響, 應研究出多大的電磁強度會對 體產生何種影響, 而非僅定性的描述有害或無害 也就是說, 研究結果最好能定出電磁波對 體輻射的安全標準, 以做為使用 的安全規範 所以, 在此共識, 我們以研發㆒可攜帶式的磁場量測計, 以使 們得以在不同環境, 了解環境之安全性, 使得以防止因高磁場影響而得到的疾病 3

14 第㆓章 基本理論 厄司特 (Dr. Orsted) 於㆒八㆓零年發現㆒導線通入電流會造成鄰近磁針偏轉, 開啟電磁學 (electromagnetism) 之窗 霍爾效應 當㆒金屬置放在㆒個磁場為 B 的磁場內, 當有㆒電流密度 j 通過金屬時, 將會產 生㆒電場 EH, 這電場, 磁場與電流之關係如 E H = R HB j (2.1) 述的現象被稱之為霍爾效應, 而 RH 則是為霍爾係數 Mr. Hall 於㆒八七九年, 只是 24 歲研究生的他發現磁場 ( 若不平行於電流方向 ) 會影響導線的電流致使導線兩邊 ( 垂直於電流與磁場方向 ) 有㆒電位壓降, 因為 在磁場 運動的電荷會受到㆒磁力 F = qv B = qv B sin θ (2.2) 乘法 向量外積 (outer product,cross product),(θ 為 v, B 夾角 ) 磁場的單位 : F qv N C m / s Ns C m N C / s m N A m [ B ] = = = = = = tesla = T 4 常用單位高斯 G=gauss= 10 T 表磁場強度約為 0.5G (2.3) 磁力和電力合稱電磁力, 運動之電荷在電磁場 所受到之力為 ( E + v B ) F = q (2.4) 4

15 這個力又稱為勞侖茲力 (Lorentz force) 圖乃是該實驗的的㆒個示意圖 圖 2-1 霍爾效應之示意圖 ; 磁力與霍爾電場達到相互平衡 整個作用力源自於所謂 Lorentz force 也就是所謂磁場對於運動電荷所產生之作用力 電子的漂移速度方向相對於電流流動的方向 (X 方向 ), 當有磁場在 Z 方向時,Lorentz force 將會企圖將電子偏移到金屬的 層表面, 最後電荷會累積至某種程度, 形成 y 方向的電場 在穩定狀態 電子在 y 方向並沒有速度的分量, 因此 vy=0, 至於其他方向的速度分量可以算出 m e vh = ee x (2.5) r = e(e v B) (2.6) 0 y x 5

16 (2.5) 式乃是與電導率有關, 很明顯的它與磁場並無任何關連 而從 (2.6) 則 可推導出 E y jxb = v xb = (2.7) ne 比較之後將會得到霍爾係數 R H 1 = (2.8) ne 又 (2.8) 式看來必須為負值, 而且直接代表自由電子的濃度 我們將可得到電 子的移動率 (mobility) µ = R H σ (2.9) 所以我們可以經由量測霍爾係數 R 以及電導率 σ 來求得 u H 磁力部分永遠和粒子的速度垂直, 磁力無法對粒子做功, 即不會改變粒子的速率, 只改變方向 F = qv B = qv B (2.10) y x z x z 對㆒流經磁場的流動電荷, 根據 (2.4) 式, 會受到㆒個同時垂直於磁場方向及 電流方向的力 所以當電荷速度為 v, 磁場為 Bz 時, 流動電荷會受到㆒向 -y X 方向 的力 F-y; 其 X 表示外積 由於 F-y 的存在, 電荷會慢慢 堆積在半導體表面, 也因此會對後來流動的電荷產生㆒個電場 假設為 Ey 以 p - type 為例, 此時這些堆積在表面的電荷會產生㆒個向 y 方向 的電場, 因此流動 的電荷會受到㆒向 的力 : F y = qe y (2.11) 也由於 Fy 的存在, 使得電荷不會無限 堆積在表面 當達到平衡狀態時, 流動電荷所受到向 的力和向 的力, 會是相等的 : 6

17 F y = F qv x y B z = qe y (2.12) 經由代數運算可得到所謂的 霍爾電場 E 及 霍爾電壓 V : E j qp I qpa H X X y = v XBZ = BZ = E H (2.13) H V y WI qpa I qpd X X = WE y = = Bz VH (2.14) 所以所謂的霍爾電壓, 就是這些堆積在半導體表面的電荷所形成垂直於電流方向的電壓 要注意是, 霍爾電壓的極性會隨半導體種類而改變 以本例來說,p -type 所形成的霍爾電壓為正, 而 n -type 所形成的霍爾電壓為負 因為堆積於半導體表面的載子種類不同 因此我們可以利用量測霍爾電壓的正負, 來判定半導體 的種類 n 或 p -type 而 V 和載子濃度成反比, 意即載子濃度愈小, V 會 H 愈大 藉由 Vy V 關係式, 可得到 p type 半導體的載子濃度 : H H I XBZ P = (2.15) qdv H 所以在求載子濃度 p 時, 要先量得霍爾電壓 V 另外載子的 mobility, 可 在求的 p 後, 經由 式推算出 : H j = qpµ E (2.16) X P X 可得 : I X jx Wd I xl µ p = = = (2.17) qpe qpe X x qpv XWd L 對於 n type 半導體的推導, 基本 只要把 述各公式 的多數載子濃度 p 以 n 代替即可 此外, 就如前面所提到的, 量到的霍爾電壓為負 要提醒的是, 這裡所得到的 p 或 n 是指多數載子的濃度, 但不見得會等於參質濃度 NA 或 ND 7

18 圖 2-2 電荷與霍爾係數之關係圖 (1) 導電粒子所帶電荷 q 為正, 則霍爾係數 R H 與霍爾電壓 V H 為正值 (2) 導電粒子所帶電荷 q 為負, 則霍爾係數 R H 與霍爾電壓 V H 為負值 8

19 第㆔章專題硬體研發及軟體應用 3.1 本專題運用之磁場感測器 UGN3503 磁場感測器 UGN3503 之基本概述本專題實作開發的核心 -- 磁場感測器 ; 我們使用了型號為 UGN3503 的磁場感測器 UGN3503 是㆒線性之霍爾效應感測器, 它能在磁場密度, 可正確 量測到極小變化的磁場 磁場感測器 UGN3503 之操作磁場感測器 UGN3503 的操作變化是㆒線性變化 當無磁場感應時 (B = 0G), 其輸出電壓為提供操作電壓源的㆒半 在操作時, 其瞬間和比例 的輸出變化是依照其磁通密度在感測器之靈敏度範圍內所呈現出來的線性變化 磁場感測器 UGN3503 之特性 1. 可正確 感測磁通密度 2. Flat Response 可到 23 khz 3. 低輸出雜訊 4. 電源提供電壓範圍 :4.5V to 6V 表 磁場感測器 UGN3503 之電氣特性 特性 符號 測試條件 Min. Typ. Max. 單位 操作電壓 V CC V 供應電流 I CC ma 靜態輸出電壓 V OUT B = 0 G V 靈敏度 V OUT B = 0 G to ± 900 G mv / G 頻寬 (-3 db ) BW k Hz 寬頻輸出雜訊 V OUT BW = 10 Hz to 10K Hz µ A 輸出阻抗 R OUT Ω 9

20 圖 輸入與輸出之對應關係圖 圖 供應電壓源與靈敏度之關係圖 其 UGN 3503 之接腳圖及資料可見於附錄㆒ 10

21 3.2 本專題運用之運算放大器 LM324 基本概述在本次專題研發電路 所使用之運算放大器以 LM 324 為主 LM 324 是㆒低電源之運算放大器 IC; 內部由㆕個獨立的 LM 324 運算放大器所組成, 具高增益及內部的頻率補償, 且可操作於單電源之大範圍電壓供給 LM 324 之應用包括轉換放大器 直流增益的提供和所有常見之 OP Amp(Operational Amplifier) 電路之運用且皆簡單 使用於單電源系統 例如 :LM 324 可直接操作於標準的 +5V 之電源供應, 並使用在類比系統和所需要之電子電路介面 LM 324 優點 1. 可使用單電源供應需求之運算放大器 2. 在單㆒封裝 IC 內部 有㆕個獨立之運算放大器 3. 可允許直接量測之電壓到接 端 4. 可相容於所有型式之邏輯電路 5. 電源供應可由電池提供操作 LM 324 之特色 1. 對於單㆒增益其內部有頻率補償 2. 可提供直流電壓增益 100 db 3. 對於單㆒增益可提供 1 MHz 之頻寬 4. 電源供應範圍 : 單電源供應 3V to 32V 雙電源供應 ± 1.5V to ± 16V 5. 低電流輸出 (700 µ A) -- 基本 是獨立於所提供之電源 6. 低 Input Biasing Current 45 na 7. 低 Input Offset Voltage 2 mv 和 Offset Current 5 na 11

22 8. 輸入之共同電壓範圍包括接 端 9. 輸出電壓操作範圍 :0V to V V 其 LM 324 之接腳圖及電氣特性可見於附錄㆒ LM 324 基本電路分析基本之單電源供應之電路應用, 其供給電源皆為 V + = 5.0 V DC ( ㆒ ) 非反相直流增益 [Non-Inverting DC Gain (0V Input = 0V Output)] 圖 LM 324 非反相直流增益圖 ( 以 LM 124 說明 ) ( ㆓ ) 直流加法放大電路 [DC Summing Amplifier (Vin s 0 and Vo V DC )] 圖 LM 324 直流加法放大電路圖 ( 以 LM 124 說明 ) 12

23 ( ㆔ ) 電壓隨耦電路 [Voltage Follower] 圖 LM 324 電壓隨耦電路圖 ( 以 LM 124 說明 ) ( ㆕ ) 差動輸入訊號電路 [Ground Referencing a Differential Input Signal] 圖 LM 324 差動輸入訊號電路圖 ( 以 LM 124 說明 ) 3.3 本專題運用之穩壓 IC (Regulation Diode) LM V 基本概述 LM 之整體電路是㆒可精確調整電壓於 2.5V 的㆓極體 這些 IC 的電壓範圍操作可視為㆒低溫度係數於 0.2Ω 動態阻抗之 2.5V 稽納㆓極體 其 LM 之㆔端點為電壓及溫度係數調整之操作 LM 可使用於數位電壓表 電源供應器或 OP Amp 電路之調整 其 2.5V 之穩定調整是來自於 5V 之有效電源提供 更進㆒步得知,LM 亦可使用於正負電源之調整 13

24 LM 之特色 1. 低溫度係數 2. 操作電流範圍大 (400μA to10ma) Ω 之動態阻抗 4. 可容忍於 ± 1% 之輸出 5. 溫度穩度之確保 6. 可簡單 調整最小溫度漂移 7. 元件本身可快速的動作 8. ㆔個端點之晶體包裝 其 LM 之接腳圖可見於附錄㆒ LM 之基本應用 (A) (B) 圖 (A) (B) LM 336 基本應用電路圖 14

25 (C) (D) 圖 (C) (D) LM 336 基本應用電路圖 3.4 本專題運用之緩衝器 (Hex Non-Inverting Buffer) CD4050BM 基本概述 CD4050BM 是㆒緩衝器, 由 MOS(CMOS) 之 N 及 P 通道的增強模式所建立 其驅動特性為在單㆒提供電源 有效之等級轉換 ; 而當在驅動㆒些負載之有效轉換, 此輸入訊號 (V IH ) 之等級可高於所提供 CD4050BM 之電壓 (V DD ) 在 V DD = 5.0V 時, 使用緩衝器或 CMOS 到 DTL/TTL 轉換或 CMOS 電流驅動時, 可得到預期之效果 CD4050BM 可直接驅動兩個 DTL/TTL 的負載 CD4050BM 之特色 1. 提供電壓範圍大 3.0V to 15V 2. 可直接驅動兩個 TTL 負載 3. 可容納高電源和低電流 4. 輸入有特別保護使得輸入電壓可高於 V DD 其 CD4050BM 之接腳圖可見於附錄㆒ 15

26 CD4050BM 之基本應用 圖 CD4050BM 基本應用電路圖 Note:V DD1 V DD2 Note: 在這個範例, 假如 V DD1 = 10V, 則 CD4050BM 可驅動㆕個 TTL 的 負載 3.5 本專題運用之類比數位轉換器 ADC 0804 基本概述 ADC 0804 是㆒ CMOS 之 8 位元連續近似之類比數位轉換器 ADC 0804 使用了獨特的電位階梯 主要結構是由 256 個電阻組成的分壓器電路 類比開關 控制開關 8 位元閂鎖及類比比較器所組成的連續近以法 A/D C(Successive Approximation Technique A/D C) 此種轉換器是設計允許操作於 NSC800 和 INS8080A 所引導出的控制匯流排, 使得 TRI-STATE 之輸出能直接的驅動資料匯流排 所以 A/D 轉換器對於微處理和零介面邏輯需求可近似於㆒記憶位址或 I/O Ports 不同的類比電壓輸入, 可改變共同參考點之值和類比零輸入電壓值之偏差抵補 對於飽和值 (8 位元 ), 電壓之參考點的輸入可改變對於任何微小類比電壓變化之範圍, 而得到想要的類比轉換成數位之值 [8] 16

27 ADC0804 之特色 1. 可使用於不同的類比電壓差動輸入 2. 參考點之電壓值控制可藉由 LM336 之穩壓 IC 3. 當 ADC0804 之電源提供 5V 時, 類比電壓輸入之範圍為 0 ~ 5V 4. 可操作之電壓範圍, 可由參考電壓端之調整而不同 5. 轉換時間約 100μs 其 ADC 0804 之接腳圖可見於附錄㆒ ADC 0804 之基本應用 圖 ADC 0804 基本應用電路圖 Note:Pin 6 和 Pin 7 所接為 Transducer( 類比差動輸入電壓值之調整 轉換 ) Note:Pin 19 和 Pin 4 為 ADC 0804 內部所建之時脈產生電路 時脈振盪設定 = 1 1.1* RC 17

28 ADC0804 與微處理機之應用 圖 ADC 0804 與微處理機之電路應用意示圖 圖 ADC 0804 完成轉換時序圖 18

29 時序圖逐點分析 [8][13]: 圖 ADC0804 輸出資料時序圖 1. Pin 1( CS ): 該腳為晶片選擇腳, 想該 ADC 0804 動作, 並完成類比對數 位的轉換或讓數值能夠從㆔態閂鎖輸, 出都必須在 CS = 0 的情況才能完 成 2. Pin 3( WR ): 在 CS = 0 的期間, 若 WR = 0, 則代表已經 了㆒道命令, 要 ADC 0804 開始做類對數位轉換的工作 經過時脈 (Clock) 後, 才完成 轉換工作 ; 所以 WR 是啟始命令 3. Pin 5( INTR ): 當 WR = 0 時, 都會使 INTR = 1 而完成轉換時,INTR 會 從邏輯 1 降為邏輯 0 也就是說當 INTR = 0 時, 表示 ㆒次的轉換工作 已完成, 所以我們可以用 ADC 0804 的 INTR 做為微處理機的 斷要 求 ; 告訴微處理機,ADC 0804 已將轉換好之數值放在閂鎖裡, 微處理機 可以取得 ADC0804 之轉換值 4. Pin 2( RD ): 當完成轉換時 INTR = 0, 則向微處理機提出 斷要求, 若 19

30 斷被認可後, 便送出㆒ CS = 0, 及 RD = 0, 此時輸出閂鎖便把資送進匯 流排, 傳給微處理機, 即 RD 為輸出閂鎖的致能 3.6 本專題運用之單晶片 MCS - 51 單晶片基本概述所謂單晶片 (Single Chip) 係指將 央處理單元 (CPU) 記憶體單元 (Memory) 及輸入/ 輸出單元 (I/O) 製作在同㆒晶片, 而形成㆒能夠獨立運作的控制系統 其主要優點說明如 :[10][11][12] 1. 體積小 2. 使用簡單 3. 硬體接線容易 4. 擴充性佳 MCS 51 族系單晶片是 INTEL 公司的產品, 其主要功能及特性說明如 : 1. 是㆒個 8 位元的 MCU 2. 具有布林代數的運算能力 3. 4 個 8 位元 Port, 共有 32 條雙向且可獨立被控制的 I/O Port 4. 有 128*8 RAM, 可以儲存資料記憶體 (8052 為 256*8) 5. 有 4K*8 ROM 的程式記憶體 (8052 為 8K*8) 6. 有 2 組 16 Bit 計時器 (8052 有 3 個 ) 7. 具有全雙工傳輸信號 UART 8. 5 個 斷源 (8052 有 6 個 ), 具有兩層優先權 斷架構 9. 內部有時脈 (CLOCK) 振盪器電路 (12MHZ) 10. 程式記憶體 (ROM) 可擴充至 64K Byte 20

31 11. 資料記憶體 (RAM) 可擴充至 64K Byte 其 MCS - 51 之電氣特性可見於附錄 MCS 51 單晶片比較表 單晶片比較編號 型式無 ROM ROM EPROM EEPROM 程式 4 KB 資料 128 Bytes I / O 32 計時器 2 斷源 5 無 ROM 型晶片如 8031, 內部僅含有資料記憶體 (RAM), 必須外接程式記憶體 (ROM), 可使用 IC 編號 27XXX(EPROM 型 ) 或 28XXX(EEPROM 型 ), 將程式燒錄於此 IC ROM 型單晶片如 8051, 內部含有資料記憶體 (RAM) 及程式記憶體 (ROM), 程式記憶體僅可燒錄 1 次, 無法清除, 但價格低廉 EPROM 型單晶片如 8751, 內部含有資料記憶體 (RAM) 及程式記憶體 (ROM), 程式記憶體可重複多次使 使用紫外線清除 EEPROM 型單晶片如 8951, 內部含有資料記憶體 (RAM) 及程式記憶體 (ROM), 程式記憶體可重複多次使用 使用電氣信號清除 21

32 MCS 51 接腳圖及說明 圖 MCS 51 接腳圖 VCC(40): 正電源 (+5V) 接腳 VSS(20): 電位 (GND) 接腳 RET(9): 重置信號輸入腳 ; 在震盪器工作時將此腳保持在 "Hi" 兩個機械週期, 可將 CPU 重置 XTAL1 / XTAL2(19 / 18): 時脈接腳 EA (31): 外部存取致能 ; 當 EA 腳為 "Lo" 時,CPU 讀取外部程式記憶體 當 EA 腳為 Hi 時, 讀取內部的程式記憶體 ALE / PROG (30): 位址閂鎖致能 / 燒錄脈波輸入 PSEN (29): 程式儲存致能, 可輸出外部程式記憶體的讀取信號 每個 機械週期動作兩次, 再讀取內部程式記憶體時,PSEN 不動作, 在存取 外部資料記憶體時, PSEN 會跳過兩個脈波才動作 22

33 P0(32~39): 埠 0 是㆒個開汲極 (Open Drain) 雙向 I/O 埠 在存取外部記憶體時, 埠 0 具有資料匯流排 (Data Bus) 及低八位元位址線 (A0~A7) 的多重功能 埠 0 在當成㆒般 I/O 使用時必須加 外部提升電路 P1(1~8): 埠 1 是具有內部提升電路的雙向 I/O 埠 P2(21~28): 埠 2 是具有內部提升電路的雙向 I/O 埠 在存取外部記憶體時, 埠 2 是當作高八位元的位址線 (A8~A15) P3(10~17): 埠 3 是具有內部提升電路的雙向 I/O 埠 此外, 埠 3 的每支接腳都還有另㆒項的特殊功能 表 埠 3 之特殊功能 埠腳 功能 P3.0 RXD( 串列埠輸入 ) P3.1 TXD( 串列埠輸出 ) P3.2 P3.3 INT 0 ( 外部 斷 0 輸入 ) INT 1( 外部 斷 1 輸入 ) P3.4 T0( 計時器 0 外部時脈輸入 ) P3.5 T1( 計時器 1 外部時脈輸入 ) P3.6 P3.7 WR ( 外部資料記憶體寫信號 ) RD ( 外部資料記憶體讀信號 ) MCS 51 之軟體指令介紹 MCS 51 之定址模式有 5 種方法 : 1. 直接定址法 2. 間接定址法 23

34 3. 暫存器定址法 4. 立即定址法 5. 索引定址法 MCS 51 之指令集有 5 大類 : 1. 資料轉移指令 2. 算術運算指令 3. 邏輯運算指令 4. 布林運算指令 5. 程式分支指令此 5 大類指令之詳細描述, 可參考附錄㆓ 24

35 MCS 51 程式發展流程 程式語言㆒般分為高階語言與低階語言, 高階語言如 BASIC C PASCAL 等 ; 低階語言如機械語言與組合語言 MCS - 51 程式發展流程如圖 所示 圖 MCS 51 之程式發展流程圖 25

36 3.7 硬體架構及原理本專題之硬體開發乃以磁場感測器為其核心, 再以利用 OP Amp 之電路設計 分析以達到所要之需求, 再經類比數位轉換電路, 以供微處理機之輸入資料使用, 最後利用微處理機之程式語言設計顯示其感測之值 系統流程分析 供給電源 電源電路 Bias 電路 磁場感測器 差值放大電路 (Sensor 輸出 -Bias 輸出 ) ( 放大倍率 : 倍 ) 定電源電路 比較電路 ( 檢測磁場極性 ) ( 以 2.5V 為基準比較 ) 放大電路 ( 放大倍率 :2 倍,9 倍,90 倍 ) A/D 轉換電路 單晶片微處理 輸出顯示電路 圖 系統流程圖 26

37 電路分析 電源電路 : 本專題所使用的為㆒般直流電源, 再利用 7805 之穩壓 IC 提供穩定電源給後級電路使用 [2][8] 磁場感測器 : 本專題所用之磁場感測器為 UGN3503 之霍爾感測器 差動放大電路 : 本專題為利用運算放大器 LM 324 所組成之電路來執行差動放大的效益 如圖 [7][8][9] 圖 磁場感測器與差動放大電路 定電源電路 : 本專題利用 LM 336 之穩壓 IC 來達成定電源之功能 如 圖 圖 定電源電路 比較電路 : 本專題利用運算放大器 LM 324 來組成比較電路, 以得知輸 入源 ( 磁通密度 ) 之極性 如圖 [2][4][7][8] 27

38 圖 比較電路 放大電路 : 本專題以運算放大器 LM 324 組成之放大電路, 以供量測所 不同之靈敏度範圍磁通密度 如圖 3-7-5(2 倍和 9 倍 ) 及圖 3-7-6(90 倍 ) [2][4][6][7][8][9] 圖 放大電路 (2 倍和 9 倍 ) 圖 放大電路 (90 倍 ) 28

39 A/D 轉換電路 : 本專題是利用 ADC 0804 之類比數位 IC 來完成轉換工作 可參考圖 [8][13] 單晶片微處理 : 本專題是利用 8951 之 EEPROM 之晶片來完成 如圖 [10][11][12] 輸出顯示電路 : 本專題是利用解碼電路配合七節顯示器做為輸出元件 如圖 [10][11][12] 圖 A/D 轉換電路及輸出顯示電路 29

40 3.8 本專題之完整硬體電路 圖 3-8 本專題之完整電路 30

41 3.9 軟體架構本專題是利用 MCS 51 之組合語言來完成最後判別 而其組合語言及其單晶片之介紹及利用, 在前面已有說明 ; 所以本章節將使各位了解, 在本專題, 如何使用其組合語言及單晶片之運用 8951 單晶片之電路設計原理分析 8951 之輸入訊號為來自 A/D 轉換之資料, 而 A/D 轉換為前級硬體電路所供給之訊號 (0V to 5V), 而本專題 又將訊號範圍分成㆔級, 故須硬體及軟體之間的配合, 輸出訊號才能正確的傳送 而在此我們所要注意的是單晶片 每個埠之訊號輸入 輸出, 還有外部 斷之需求, 以及計時器 斷的時機 [10][11][12] 1. 單晶片埠的訊號 : 在本專題, 單晶片 8951 埠之設定如 埠 0 [Port 0(32~39)]: 我們將它設定為接收輸入端 ; 以接收 A/D 轉換後之資料輸入 埠 1 [Port 1(1~8)]: 我們將它設定為輸出端 ; 在本專題, 此輸出端後接㆒解碼電路以使輸出 ( 七節顯示器 ) 顯示正確之輸入訊號 埠 2 [Port 2(21~28)]: 本專題並未使用到埠 2 埠 3[Port 3(10~17)]: 我們將埠 3 當作為特殊功能用之接腳 ; 當作了外部資料記憶體之讀寫及外部 斷使用 2. 外部 斷訊號 : 由埠 3 之 Pin 12( INT 0 ) 配合 A/D 轉換器來觸發, 以將 資料接收 可參考 3.5 節之介紹 3. 計時 斷訊號 : 本專題, 設定 5 ms 斷㆒次, 以將處理好之資料丟出 並加以顯示 31

42 8951 單晶片之流程 開始 外部 斷 0 副程式 計時 斷 0 副程式 初值設定 自 ADC0804 讀取數位資料 掃描顯示第 NUM 位數字 將類比電壓寫入 ADC0804 已 斷 CNT1*CNT2 次 NUM + 1 判別倍率 判別倍率 NUM = 4? 等待計時 斷 依照倍率將數值乘以不同的數值 將類比電壓寫入 ADC0804 NUM = 0 返回主程式 返回主程式 圖 單晶片程式流程圖 完整程式請參考附錄㆔ 32

43 第㆕章專題實驗成果與分析 對於可攜帶式高斯計此專題, 我們做了底 ㆒些結果分析 : 4.1 磁場測試方面 : 我們利用不同大小的磁鐵, 做等間距離變化之反應 表 4-1 利用不同大小的磁鐵, 做等間距離變化之反應表 磁鐵 1( 大圓 ) 0 cm Vo = 3.47 V B = G 1 cm 2.7 V 72 G 2 cm 2.57 V 25.2 G 3 cm 2.53 V 10.8 G 4 cm 2.52 V G 5 cm 2.51 V G 6 cm 2.51 V G 7 cm 2.51 V G 8 cm 2.51 V G 9 cm 2.51 V G 10 cm 2.5 V 0 G 磁鐵 2( 方形 ) 0 cm Vo = 3.8 V B = G 1 cm 2.77 V 97.2 G 2 cm 2.59 V 32.4 G 3 cm 2.54 V 14.4 G 4 cm 2.52 V G 5 cm 2.52 V G 6 cm 2.51 V G 7 cm 2.51 V G 8 cm 2.51 V G 9 cm 2.51 V G 10 cm 2.51 V G 33

44 表 4-1 ( 續 ) 磁鐵 3( 小圓 ) 0 cm Vo = 3.39 V B =320.4 G 1 cm 2.61 V 39.6 G 2 cm 2.53 V G 3 cm 2.51 V G 4 cm 2.51 V G 5 cm 2.51 V G 6 cm 2.51 V G 7 cm 2.51 V G 8 cm 2.51 V G 9 cm 2.51 V G 10 cm 2.5 V 0 G Sensitivity mv/g 4.2 ADC 0804 之測試 表 4-2 ADC 0804 之測試表 實際 Input (V) 實際 Output (V) 差值 (mv) Bit error = mv 34

45 4.3 可攜帶式高斯計之測試 1. 2 倍率之測試 表 可攜帶式高斯計之測試 (2 倍率之測試 ) 2X 倍率測試因磁場而產生之輸入電壓 V (~100 G) 輸出電壓顯示之變化 V (~98.63 G) 輸入與輸出之誤差 % 表 可攜帶式高斯計之測試 (2 倍率之測試 ) 2X 倍率測試因磁場而產生之輸入電壓 V (~450.3 G) 輸出電壓顯示之變化 2.52 V (~453.5 G) 輸入與輸出之誤差 % 表 可攜帶式高斯計之測試 (2 倍率之測試 ) 2X 倍率測試因磁場而產生之輸入電壓 2.51 V (~903.5 G) 輸出電壓顯示之變化 5.07 V (~ G) 輸入與輸出之誤差 % 2. 9 倍率之測試 表 可攜帶式高斯計之測試 (9 倍率之測試 ) 9X 倍率測試因磁場而產生之輸入電壓 V (~12 G) 輸出電壓顯示之變化 V (~11.68 G) 輸入與輸出之誤差 % 表 可攜帶式高斯計之測試 (9 倍率之測試 ) 9X 倍率測試因磁場而產生之輸入電壓 V (~100 G) 輸出電壓顯示之變化 2.50 V (~99.99 G) 輸入與輸出之誤差 % 35

46 表 可攜帶式高斯計之測試 (9 倍率之測試 ) 9X 倍率測試因磁場而產生之輸入電壓 V (~200.5 G) 輸出電壓顯示之變化 4.99 V (~ G) 輸入與輸出之誤差 % 倍率之測試 表 可攜帶式高斯計之測試 (90 倍率之測試 ) 90X 倍率測試因磁場而產生之輸入電壓 V (~6.83 G) 輸出電壓顯示之變化 V (~6.85 G) 輸入與輸出之誤差 % 表 可攜帶式高斯計之測試 (90 倍率之測試 ) 90X 倍率測試因磁場而產生之輸入電壓 V (~17.28 G) 輸出電壓顯示之變化 4.07 V (~16.28 G) 輸入與輸出之誤差 % 由 述多種倍率及磁場電壓變化測試得知, 在 2 倍及 9 倍的測試顯示, 其輸入及輸出之間的關係相當穩定 ; 但在 90 倍的測試, 輸出及輸入的變化則有相當大的變動, 這是因為硬體電路 運算放大器的 Offset 電壓的問題, 而使得輸入變化經由電路而產生誤差, 因而導致輸出顯示的誤差 因此, 若要解決此問題, 又需須配合本專題製作的原則之㆒-- 低成本, 所以擇另㆒方法, 從軟體方面 手 ; 我們則利用程式濾波器 (moving average) 的方法以降低誤差, 以解決此問題 36

47 4.4 可攜帶式高斯計之硬體實體圖 圖 可攜帶式高斯計之硬體實體圖 圖 可攜帶式高斯計之硬體實體圖 4.5 生活日常用品及變電所之測試然而, 現在我們已經知道在高磁場及高電磁波劑量 的危險性 ; ㆒般家電用品所放射出的磁場及電磁波劑量是否會危害到我們的日常生活呢? 而住家附近的變電所是否也會影響到我們的生活呢? 以 的測試可供我們比較及參考, 並且避免不必要的危害 37

48 表 家庭常用電器用品電磁輻射檢測數據參考表 家庭常用電器用品電磁輻射檢測數據參考表 液晶手提電腦咖啡爐傳真機電熨斗錄影機音響電視電冰箱冷氣洗衣機電鍋影印機吹風機吸塵器電話微波爐電鬍刀電毯 1mG 1mG 2mG 3mG 6mG 20mG 20mG 20mG 20mG 30mG 40mG 40mG 70mG 200mG 200mG 200mG 100mG 100mG 1993 年瑞典北歐㆔國研究調查公佈, 受到 2mG 以 電磁輻射影響, 罹患白 血病的機會是正常 的 2.1 倍, 罹患腦腫瘍的機會是正常 的 1.5 倍, 以 資料摘自日本 出版 SAPIO 雜誌 38

49 表 變電所磁場強度實測報告 正變電所圍牆外㆒公尺最高 34( 毫高斯 ) 板橋屋外變電所輸電線最高 43( 毫高斯 ) 青年變電所於各鑑界點實測值最高 25( 毫高斯 ) 常德變電所圍牆外㆒公尺最高 58( 毫高斯 ) 虎林變電所圍牆外㆒公尺最高 13( 毫高斯 ) 榮星變電所圍牆外㆒公尺最高 20( 毫高斯 ) 國內屋內變電所磁場強度測值介於 毫高斯 表 先進國家對於磁場限制之推薦值 限制值 ( 毫高斯 ) 國家時間 對象 連續曝露 短時間曝露 資料來源 ㆒般民眾 日本 職業 員 時間 8 小時 1 小時 10 分鐘 美國曝露部位以內以內以內全身 西德 毫高斯以 連續曝露會有障礙 日本東京電力公司 電磁氣與生體 1987 年日刊工業新聞社 ( 美國能源部 1979 年訂 ) ENVIRONMENT Health Criteria 進入 毫高斯的環境時要注意同 加拿大 毫高斯全身曝露, 無時間限制蘇聯 毫高斯手腳曝露, 無時間限制 連續曝露限制值 1000 毫高斯 電磁氣與生體 1987 年日刊工業新聞社國際非離子化輻射委員會 (IRPA/INIRC) 世界衛生組 39

50 第五章結論與建議 在此專題研究之主要目的在於如何研製㆒可攜式高斯計, 以達成可在所處環境 量測到周圍之磁場及電磁波之計量 研究過程可說是非常充實 ; 不但使我了解感測器的角色及許多有關磁場與電磁波的理論, 亦使我了解硬體電路的設計與應用 軟體程式的撰寫與操作 然而最後的結果實現, 我們就分成硬體實現及未來研究方向與建議兩方面來加以探討 硬體實現及問題解決在硬體實現, 因著我們秉持以低成本的元件研製完成 故完成品大約只有市場 的㆕分之㆒倍的價錢, 可說是㆒大突破 但也因著使用低成本之元件而產生了另㆒個考量, 就是元件本身的特性好壞, 如靈敏度 量測範圍 誤差值等 故元件本身之功能要求可說是因 而異, 所以在魚與熊掌無法同時兼得時, 就得有所取捨 在另㆒方面的探討, 因 球本身就已有約 0.5 Gauss 的磁埸, 而本專題所使用之感測器其範圍為 0 ~ 900 Gauss; 且每 Gauss 變化只約幾 m Gauss, 故與其硬體本身所產生的誤差相較之, 我們可忽略視之 未來研究方向與建議未來的研究方向, 我們將著重於如何將此成品可以趨於大眾化的需求而前進 ; 因為科技的進步, 們對於環保意識的高漲, 而產生了 們需要有更安全的生活環境 故對於這 們無法得知的傷害, 僅能靠著儀器的告知, 而加以避免 ; 所以若能將本成品大眾化, 則將可造福於 群 所以對於本研製成品, 我們將考量其 們的需求而做其適當之改良, 如 : 輸出顯示的部份, 將改以 LCD 的方式呈現 靈敏度及精確度的改良等 40

51 參考文獻 [1] 游金湖, 磁性感測器及其使用技術, 建興出版社,1998 年 1 月第㆒版 [2] 盧明智 盧鵬任, 感測器應用與線路分析, 全華科技圖書股份有限公司出版, 民國 85 年 9 月初版㆒刷 [3] 曾明煥 楊慶隆, 新型感測器與保全電路, 全華科技圖書股份有限公司總代理,83 年 12 月初版 [4] 林謝興, 感測器應用電路的設計 製作, 文笙書局總經銷 [5] 陳克紹 曹永偉, 感測器原理與應用技術, 全華科技圖書股份有限公司出版 [6] 游金湖, 感測器應用電路 101, 建興出版社, 民國 81 年 10 月出版 [7] 黃克定, 感測器與周邊電路, 文笙書局總經銷, 民國 83 年 12 月出版 [8] 盧明智 黃敏祥,OP Amp 應用 + 實驗模擬, 全華科技圖書股份有限公司出版, 民國 87 年 6 月㆓版㆕刷 [9] 蔡錦福, 運算放大器原理與應用, 全華科技圖書股份有限公司出版, 民國 74 年 8 月再版 [10] 楊明豐,8051 單晶片設計實務, 碁峰資訊股份有限公司發行,2000 年 9 月初版十㆕刷 [11] 鄧錦城,8051 單晶片實作寶典, 宏友圖書開發股份有限公司, 民國 89 年 7 月 10 版㆔刷 [12] 鄧錦城,8051 單晶片專題製作, 宏友圖書開發股份有限公司, 民國 88 年 9 月 1 版㆓十八刷 [13] 陳雲龍 徐財源 廖文祥, 數位原理與應用, 全華科技圖書股份有限公司發行, 美商麥格羅. 希爾公司出版, 民國 84 年 5 月再版 [14] 電磁量測專輯, 量測資訊,1995 年 3 月第 42 期 41

52 [15] 黃得瑞, 磁性量測的精確度探討, 量測資訊,1991 年 9 月第 21 期 [16] 饒瑞榮 徐紹維, 磁量量測技術專輯, 量測資訊,2001 年 3 月第 78 期 42

53 附錄㆒使用元件之資料 磁場感測器 UGN3503 之 IC 接腳圖 圖附 1-1 磁場感測器 UGN3503 之接腳圖 磁場感測器 UGN3503 之內部方塊圖 圖附 1-2 磁場感測器 UGN3503 之內部方塊圖 磁場感測器 UGN3503 之感測對應範圍 圖附 1-3 磁場感測器 UGN3503 之感測對應範圍 43

54 Note: 由 圖得知, 當㆒ S 極之磁場靠近 Branded Surface 時, 輸出電壓會得 升高於無磁場時之輸出電壓 ; 反之, 當 N 極磁場靠近 Branded LM 324 之接腳圖 LM 324 之電氣特性 圖附 1-4 LM 324 接腳圖 44

55 LM 之接腳圖 圖附 1-5 LM 336 接腳圖 CD4050BM 之接腳圖 圖附 1-6 CD4050BM 接腳圖 45

56 ADC0804 之接腳圖 圖附 1-7 ADC 0804 接腳圖 46

57 附錄㆓ 89C51 定址模式與組合語言 定址模式的主要目的是提供使用者如何存取某㆒記憶體位置,89C51 所提供的定址模式包括以 六種 : 1. 立即定址法 2. 直接定址法 3. 間接定址法 4. 暫存器定址法 5. 索引定址法 6. 位元定址法㆒般常用的定址模式為立即定址法 直接定址法 間接定址法與暫存器定址法, 分別說明如 : 1. 立即定址法 將某㆒數值代入某個暫存器或內部 RAM 位址內, 數值前面必須加 # 符 號 說明如 : MOV A, #30H MOV 45H, #60H MOV R3, #50H ; 將數值 30H 存入 A 暫存器,A 為 30H ; 將記憶體 45H 內容設定為 60H ; 將 R3 暫存器設定為 50H 2. 直接定址法 此模式是將某㆒資料記憶體的內容拿出來運算, 並放入某個暫存器裡 說明如 : MOV A, 40H MOV A, WORD, 20H ; 將記憶體 40H 內容的值存入 A 暫存器 ; 將記憶體 20H 內容的值存入變數 WORD 裡 3. 間接定址法 間接定址法是使用暫存器 R0 R1 等做為指標, 間接取得該指標內的值, 前面需加 說明如 : 47

58 MOV R0, #20H MOV ; 將記憶體 20H 存入暫存器 R0 ; 將暫存器 R0 的值存入 A,A 為 20H 4. 暫存器定址法 此模式均在特殊功能暫存器裡作運算, 使用 A Rn 等, 說明如 : MOV A, R5 MOV R1, A ; 將 R5 的內容存入 A 暫存器裡 ; 將 A 的內容存入 R1 暫存器裡 由以 說明,89C51 的組合語言指令格式分為㆕個部份, 如 所示 : 標記運算碼運算元註解 標記 標記前不可有空格, 標記名稱第㆒個字必須是英文字母, 大小寫均可, 標記後面必須加 冒號 (:) 可作為副程式名稱或是程式執行條件跳躍時的 程式跳躍位址 運算碼 運算碼由易記符號組成, 也可表示指令的意義, 例如 MOV 是作資料 搬移的動作指令 運算元 運算元是運算碼所需處理的資料, 運算元個數依指令的需要而定 註解 註解以㆒個分號 (;) 作為開頭, 最重要功能在於增加程式的可讀性與維 護性, 可說明程式設計的目的與方法, 幫助設計者了解此程式的功用 48

59 8051 指令表 圖附 指令符號定義 資料轉移指令 MOV A,Rn MOV A,direct MOV MOV A,#data MOV Rn,A MOV Rn,direct MOV Rn,#data MOV direct,a MOV direct,rn MOV direct,direct MOV MOV direct,#data 將暫存器內容移入 A 累加器將直接位址內容移入 A 累加器暫存器間接定址內容移入 A 累加器將 8 位元常數資料移入 A 累加器將 A 累加器內容移入暫存器將直接位址內容移入暫存器將 8 位元常數資料移入暫存器將 A 累加器內容移入直接位址內將暫存器內容移入直接位址內將直接位址內容移入直接位址內暫存器間接定址內容移入直接位址內將 8 位元常數資料移入直接位址內將 A 累加器內容移入間接位址內將直接位址內容移入間接位址內 49

60 MOV DPTR,#data16 將 8 位元常數資料移入間接位址內 將 16 位元常數資料移入資料指標內 MOVC A,@A+DPTR 將程式記憶體內容移入 A 累加器內 MOVC A,@A+PC MOVX A,@Ri MOVX A,@DPTR PUSH direct POP direct XCH A,Rn XCH A,direct XCH A,@Ri XCHD A,@Ri 將程式記憶體內容移入 A 累加器內將外部資料記憶體內容移入 A 累加器內將外部資料記憶體內容移入 A 累加器內將 A 累加器內容移入外部資料記憶體將 A 累加器內容移入外部資料記憶體將直接位址內容存入堆疊內將堆疊頂端取出資料存入直接位址內 A 累加器內容與暫存器內容互換 A 累加器內容與直接位址互換 A 累加器內容與間接位址互換累加器與間接位址低 4 位元內容互換 算術運算指令 ADD A,Rn 將暫存器內容加入 A 累加器 ADD A,direct 將直接位址內容加入 A 累加器 ADD A,@Ri 將間接位址內容加入 A 累加器 ADD A,#data 將 8 位元常數資料加入 A 累加器 ADDC A,Rn ADDC A,direct 將暫存器與進位 CF 加入 A 累加器 直接位址內容與進位 CF 加入累加器 ADDC A,@Ri 間接位址內容與進位 CF 加入累加器 ADDC A,#data SUBB A,Rn SUBB A,direct 將 8 位元常數資料與進位加入累加器 A 累加器內容減暫存器與借位 CF A 累加器內容減直接位址內容與借位 SUBB A,@Ri A 累加器內容減間接位垃內容與借位 SUBB A,#data 累加器內容減 8 位元常數資料與借位 INC A A 累加器內容加 1 50

61 INC Rn 暫存器內容加 1 lnc direct 直接位址內容加 1 間接位垃內容加 1 INC DPTR 資料指標 DPTR 內容加 1 DEC A A 累加器內容減 1 DEC Rn 暫存器內容減 1 DEC direct 直接位址內容減 1 間接位址內容減 1 MUL AB DIV AB DA A A 累加器乘以暫存器 B, 相乘結果之高 8 位元存入 B, 低 8 位元存入 A A 累加器除以暫存器 B, 相除結果之商存入 A, 餘數存入 B A 累加器內容調整成 10 進制 BCD 數 邏輯運算指令 ANL A,Rn ANL A,direct ANL A,@Ri ANL A,#data ANL direct,a 暫存器 AND 至 A 累加器內直接位址內容 AND 至 A 累加器內間接位址內容 AND 至 A 累加器內 8 位元常數資料 AND 至 A 累加器內 A 累加器內容 AND 至直接位址內 ANL direct,#data 8 位元常數資料 AND 至直接位址內 ORL A,Rn ORL A,direct ORL A,@Ri ORL A,#data ORL direct,a 暫存器 OR 至 A 累加器內直接位址內容 OR 至 A 累加器內間接位址內容 OR 至 A 累加器內 8 位元常數資料 OR 至 A 累加器內 A 累加器內容 OR 至直接位址內 ORL direct,#data 8 位元常數資料 OR 至直接位址內 XRL A,Rn XRL A,direct XRL A,@Ri XRL A,#data XRL direct,a 暫存器 XOR 至 A 累加器內直接位址內容 XOR 至 A 累加器內間接位址內容 XOR 至 A 累加器內 8 位元常數資料 XOR 至 A 累加器內 A 累加器內容 XOR 至直接位址內 51

62 XRL direct,#data 8 位元常數資料 XOR 至直接位址內 CLR A CPL A RL A RLC A RR A RRC A SWAP A 清除 A 累加器 A 累加器內容取補數 A 累加器內容向左旋轉 1 位元 A 累加器與進位 CF ㆒起左旋 1 位元 A 累加器內容向右旋轉 1 位元 A 累加器與進位 CF ㆒起右旋 1 位元 A 累加器的高低㆕位元互相交換 布林運算指令 CLR C CLR bit SETB C 清除進位旗標 CF=0 清除位元位址內容 設定進位旗標 CF=1 SETB bit 設定位元位址內容 CPL C CPL bit 將進位旗標 CF 內容取補數 將位元位址內容取補數 ANL C,bit 將位元位址內容 AND 至 CF 內 ANL C,/bit 將位元位址內容取補數 AND 至 CF 內 ORL C,bit 將位元位址內容 OR 至 CF 內 ORL C,/bit MOV C,bit MOV bit,c JC rel JNC rel JB bit,rel JNB bit,rel JBC bit,rel 將位元位址內容取補數 OR 至 CF 內將位元位址內容移入進位旗標 CF 內將進位旗標 CF 移入位元位址內若 CF=1, 則跳至相對位址 rel 若 CF=0, 則跳至相對位址 rel 若 (bit) = 1, 則跳至相對位址 rel 若 (bit) = 0, 則跳至相對位址 rel 若 (bit) = 1, 則跳至相對位址 rel, 同時清除位元位址 bit 內容 52

63 程式分支指令 ACALL addr11 副程式呼叫 ( 可定址 2KB 範圍 ) LCALL addr16 副程式呼叫 ( 可定址 64KB 範圍 ) RET RETI 自副程式返回主程式 自 斷副程式返回主程式 AJMP addr11 絕對跳躍 ( 2KB 範圍 ) LJMP addr16 遠程跳躍 (64KB 範圍 ) SJMP rel 相對跳躍 (-128byte-+127byte) 間接跳躍 (64KB 範圍 ) JZ rel JNZ rel CJNE A,direct, rel CJNE A,#data, rel CJNE Ri,#data, rel rel DJNZ Rn,rel DJNZ direct,rel NOP 若 A = 0, 則跳至 rel 位址 ( 範圍 -128byte-+127byte) 若 A 不等於 0, 則跳至 rel 位址 ( 範圍 -128byte-+127byte) 若 A 累加器與直接位址內容不相等, 則跳至 rel 位址 ( 範圍 -128byte-+127byte) 若 A 不等於 data, 則跳至 rel 位址 ( 範圍 -128byte-+127byte) 若暫存器內容不等於 data, 則跳至 rel 位址 ( 範圍 -128byte-+127byte) 若間接位址內容不等於 data, 則跳至 rel 位址 ( 範圍 -128byte-+127byte) 暫存器內容減 1, 若不等於 0, 則跳至 rel 位址 ( 範圍 -128byte-+127byte) 直接位址內容減 1, 若不等於 0, 則跳至 rel 位址 ( 範圍 -128byte-+127byte) 無動作 53

64 附錄㆔本專題之完整程式 BUF EQU 30H ; 顯示緩衝區 NUM EQU 40H ; 動態掃瞄位數 CNT1 EQU 41H ; 讀取 ADC0804 數位資料次數 CNT2 EQU 42H ; 讀取 ADC0804 數位資料次數 WORK0 EQU 22H ; 乘除法設定位元址 WORK1 EQU 23H ; 乘除法設定位元址 WORK2 EQU 24H ; 乘除法設定位元址 WORK3 EQU 25H ; 乘除法設定位元址 WORK4 EQU 26H ; 乘除法設定位元址 WORK5 EQU 27H ; 乘除法設定位元址 WORK6 EQU 28H ; 乘除法設定位元址 WORK7 EQU 29H ; 乘除法設定位元址 WORK8 EQU 2AH ; 乘除法設定位元址 WORK9 EQU 2BH ; 乘除法設定位元址 X1 REG P2.0 ; 倍率設定位元及位腳 X2 REG P2.1 ; 倍率設定位元及位腳 X3 REG P2.2 ; 倍率設定位元及位腳 ; ORG 00H ; 程式起始位元 AJMP START ;JUMP START 主程式 ORG 03H ; 斷位元起始位元 AJMP INT0 ;JUMP INT0 副程式 ORG 0BH ; 斷時間起始位元 AJMP TIMER0 ;JUMP TIMER0 副程式 START: ACALL INIT ; 呼叫 INIT 副程式 ;WRITE 將類比電壓寫入 ADC0804 後轉換 SJMP $ ; 等待 ADC0804 轉換完後產生 斷 ; INIT: MOV SP,#60H ; 設定堆疊起始位元 MOV P1,#FFH ; 關閉顯示 MOV 20H,#0 ; 初值設定 MOV 21H,#0 ; 初值設定 MOV NUM,#0 ; 動態掃描 0~3 MOV CNT1,#0 ; 記錄讀取次數, 為避免顯示變化太快 MOV CNT2,#4 ; 而產生閃爍 MOV R1,#BUF ; 將 BUFFER 值丟入 R1 54

65 MOV R0,#4 ; 將 4 丟入 R0 LOOP1: ; 將 0 INC R1 ;R1+1 DJNZ R0,LOOP1 ; 若 R0-1 不等於 0, 則 JUMP LOOP1 SETB EA ; 設定 EA=1 SETB EX0 ; 設定 EX0=1 SETB ET0 ; 設定 ET0=1 MOV TMOD,#1 ; 設定 TMOD= B MOV TH0,#>( ) ;5ms 斷㆒次 MOV TL0,#<( ) ;5ms 斷㆒次 SETB TR0 ; 設定 TR0=1 MOV R1,#BUF ; 將 BUFFER 值丟入 R1 RET ; 回至原呼叫位址 ; INT0: PUSH A ; 將 ACC 丟入堆疊 MOVX A,@R0 ; 讀取 ADC0804 轉換資料 DJNZ CNT1,S1 ; 若 CNT1-1 不等於 0, 則 JUMP S1 MOV CNT1,#0 ; 將 0 丟入 CNT1 DJNZ CNT2,S1 ; 若 CNT2-1 不等於 0, 則 JUMP S1 MOV CNT2,#4 ; 將 4 丟入 CNT1 ACALL TRANS ; 呼叫 TRANS 副程式 S1: ; 將 ACC POP A ; 將 ACC 從堆疊 取出 RETI ; 結束 斷副程式 ; TRANS: JNB X1,TRANS1 ;2X JNB X2,TRANS2 ;9X JNB X3,TRANS3 ;90X RET ; TRANS1: ;2 倍之計算副程式 MOV WORK0,#0 MOV WORK1,A MOV WORK2,#1 MOV WORK3,#97 ACALL MUL16 ; 呼叫乘法副程式 MOV WORK8,#0 MOV WORK9,#10 55

66 TRANS2: TRANS3: ACALL DIV32 ; 呼叫除法副程式 MOV 20H,WORK6 ;BIN HIGH 位元 MOV 21H,WORK7 ;BIN LOW 位元 ACALL BIN2BCD ; 呼叫㆓進位轉十進位副程式 MOV 20H,R4 ;BCD HIGH 位元 MOV 21H,R3 ;BCD LOW 位元 ACALL BCD2BUF ; 呼叫 BCD 碼轉成可顯示在 7 節顯示器 RET ;9 倍之計算副程式 MOV WORK0,#0 MOV WORK1,A MOV WORK2,#30 MOV WORK3,#163 ACALL MUL16 ; 呼叫乘法副程式 MOV WORK8,#3 MOV WORK9,#232 ACALL DIV32 ; 呼叫除法副程式 MOV 20H,WORK6 ;BIN HIGH 位元 MOV 21H,WORK7 ;BIN LOW 位元 ACALL BIN2BCD ; 呼叫㆓進位轉十進位副程式 MOV 20H,R4 ;BCD HIGH MOV 21H,R3 ;BCD LOW ACALL BCD2BUF ; 呼叫 BCD 碼轉成可顯示在 7 節顯示器 RET ;90 倍計算副程式 MOV WORK0,#0 MOV WORK1,A MOV WORK2,#30 MOV WORK3,#163 ACALL MUL16 ; 呼叫乘法副程式 MOV WORK8,#3 MOV WORK9,#232 ACALL DIV32 ; 呼叫除法副程式 MOV 20H,WORK6 ;BIN HIGH 位元 MOV 21H,WORK7 ;BIN LOW 位元 ACALL BIN2BCD ; 呼叫㆓進位轉十進位副程式 MOV 20H,R4 ;BCD HIGH 位元 MOV 21H,R3 ;BCD LOW 位元 56

67 ACALL BCD2BUF ; 呼叫 BCD 碼轉成可顯示在 7 節顯示器 RET ; BIN2BCD:MOV R5,#16 ; ㆓進位轉十進位 CLR A MOV R3,A MOV R4,A NEXT: MOV A,21H RLC A MOV 21H,A MOV A,20H RLC A MOV 20H,A MOV A,R3 ADDC A,R3 DA A MOV R3,A MOV A,R4 ADDC A,R4 DA A MOV R4,A DJNZ R5,NEXT EXIT: RET ; BCD2BUF:MOV R0,#BUF ;BCD 碼轉成可顯示在 7 節顯示器 MOV A,20H 1ST SWAP A ANL A,#0FH MOV A,20H 2ND ANL A,#0FH INC R0 MOV A,21H 3TH SWAP A ANL A,#0FH INC R0 57

68 MOV A,21H 4TH ANL A,#0FH INC R0 RET ; MUL16: MOV WORK4,#0 ; 乘法副程式 MOV WORK5,#0 MOV WORK6,#0 MOV WORK7,#0 MOV R7,#16 MUL1: CLR C MOV A,WORK7 RLC A MOV WORK7,A MOV A,WORK6 RLC A MOV WORK6,A MOV A,WORK5 RLC A MOV WORK5,A MOV A,WORK4 RLC A MOV WORK4,A ; CLR C MOV A,WORK1 RLC A MOV WORK1,A MOV A,WORK0 RLC A MOV WORK0,A JNC MUL2 MOV A,WORK7 ADD A,WORK3 MOV WORK7,A MOV A,WORK6 ADDC A,WORK2 58

69 MOV WORK6,A MOV A,WORK5 ADDC A,#0 MOV WORK5,A MOV A,WORK4 ADDC A,#0 MOV WORK4,A ; MUL2: DJNZ R7,MUL1 RET ; DIV32: MOV WORK0,#0 MOV WORK1,#0 MOV WORK2,#0 MOV WORK3,#0 MOV R7,#32 DIV1: CLR C MOV A,WORK7 RLC A MOV WORK7,A MOV A,WORK6 RLC A MOV WORK6,A MOV A,WORK5 RLC A MOV WORK5,A MOV A,WORK4 RLC A MOV WORK4,A ; MOV A,WORK3 RLC A MOV WORK3,A MOV A,WORK2 RLC A MOV WORK2,A MOV A,WORK1 RLC A ; 除法副程式 59

70 ; ; ; DIV2: DIV3: ; MOV WORK1,A MOV A,WORK0 RLC A MOV WORK0,A CLR C MOV A,WORK3 SUBB A,WORK9 MOV WORK3,A MOV A,WORK2 SUBB A,WORK8 MOV WORK2,A MOV A,WORK1 SUBB A,#0 MOV WORK1,A MOV A,WORK0 SUBB A,#0 MOV WORK0,A JNC DIV2 MOV A,WORK3 ADD A,WORK9 MOV WORK3,A MOV A,WORK2 ADDC A,WORK8 MOV WORK2,A MOV A,WORK1 ADDC A,#0 MOV WORK1,A MOV A,WORK0 ADDC A,#0 MOV WORK0,A AJMP DIV3 INC WORK7 DJNZ R7,DIV1 RET 60

71 TIMER0: PUSH A TIMER0 斷副程式 MOV TH0,#>( ) MOV TL0,#<( ) ACALL DISP POP A RETI ; DISP: MOV A,NUM ; 輸出顯示之副程式 SWAP A ADD A,@R1 MOV P1,A MOV A,NUM INC A MOV NUM,A INC R1 CJNE A,#4,D1 MOV NUM,#0 MOV R1,#BUF D1: RET END 61