單片機原理及接口技術課程設計(數....doc

遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 單片機原理及接口技術單片機原理及接口技術 課程設計（論文）課程設計（論文） 題目：題目： 數字電壓表設計數字電壓表設計 院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 電氣電氣10103 3 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字） 起止時間：起止時間：2012013 3.06.24-201.06.24-2013 3.0707.1212 本科生課程設計（論文） i 課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語 院（系）：電氣工程學院 教研室：電氣工程及其自動化 注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算 學 號學生姓名專業(yè)班級 課程設計 （論文） 題目 數字電壓表設計 課程設計（論文）任務 電壓測量范圍：0500 v；測量精度：05；量程自動切換；采用 led 顯示；可用 現場提供的 220 v 交流電源。 設計任務：設計任務： 1. cpu 最小系統設計（包括 cpu 選擇，晶振電路，復位電路） 2. 電壓檢測電路設計 3. 顯示電路及電源電路設計 4. .程序流程圖設計及程序編寫 技術參數：技術參數： 1電壓測量范圍：0500 v；測量精度：05 2工作電源 220v 設計要求設計要求： 1、分析系統功能，選擇合適的單片機及傳感器，電壓檢測電路以及顯示電路設計等； 2、應用專業(yè)繪圖軟件繪制硬件電路圖和軟件流程圖； 3、按規(guī)定格式，撰寫、打印設計說明書一份，其中程序開發(fā)要有詳細的軟件設計說明， 詳細闡述系統的工作過程，字數應在 4000 字以上。 進度計劃 第 1 天 查閱收集資料 第 2 天 總體設計方案的確定 第 4 天 cpu 最小系統設計 第 5 天 電壓檢測電路設計 第 6 天顯示電路及電源電路設計 第 7 天 程序流程圖設計 第 8 天 軟件編寫與調試 第 9 天 設計說明書完成 第 10 天 答辯 指導教師評語及成績 平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日 本科生課程設計（論文） ii 摘 要 數字電壓表（digital voltmeter）簡稱 dvm，它是采用數字化測量技術，把 連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續(xù)、離散的數字形式并加以顯示的儀 表。 本課題是利用單片機設計一個數字電壓表，能夠測量 0500v 之間的直流電 壓值，四位數碼管顯示，使用的元器件數目較少。外界電壓模擬量輸入到 a/d 轉 換部分的輸入端，通過 adc0809 轉換變?yōu)閿底中盘?，輸送給單片機。然后由單片 機給數碼管數字信號，控制其發(fā)光，從而顯示數字。 關鍵詞：數字電壓表；單片機；at89c51；adc0809 本科生課程設計（論文） iii 目 錄 第 1 章 緒論 1 1.1 數字電壓表概況 .1 1.1 本文研究內容 .1 第 2 章 cpu 最小系統設計.2 2.1 數字電壓表總體設計方案 .2 2.2 cpu 的選擇 2 2.3 數據存儲器擴展 .3 2.4 復位電路設計 .4 2.5 時鐘電路設計 .4 2.6 cpu 最小系統圖 5 第 3 章 數字電壓表輸入輸出接口電路設計 6 3.1 數字電壓表量程的選擇 .6 3.2 數字電壓表檢測接口電路設計 .6 3.2.1 a/d轉換器選擇.6 3.2.2 模擬量檢測接口電路圖.7 3.3 數字電壓表輸出接口電路設計 .8 3.4 電源電路設計 .8 第 4 章 數字電流表軟件設計 .10 4.1 流程圖設計 10 4.1.1 主程序流程圖設計.10 4.1.2 a/d流程圖設計.10 第 2 章 系統設計與分析 .12 2.1 系統原理圖 12 2.2 系統原理綜述 13 第 5 章 課程設計總結 .14 參考文獻 15 本科生課程設計（論文） 1 第 1 章 緒論 1.1 數字電壓表概況 數字電壓表（digital voltmeter）簡稱 dvm，它是采用數字化測量技術， 把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續(xù)、離散的數字形式并加以顯示的 儀表。傳統的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數字化時代的需求，采 用單片機的數字電壓表，由精度高、抗干擾能力強，可擴展性強、集成方便，還 可與 pc 進行實時通信。目前，由各種單片 a/d 轉換器構成的數字電壓表，已被 廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統等智能化測量領域， 示出強大的生命力。與此同時，由 dvm 擴展而成的各種通用及專用數字儀器儀表， 也把電量及非電量測量技術提高到嶄新水平。 數字電壓表是諸多數字化儀表的核心與基礎,電壓表的數字化是將連續(xù)的模 擬量如直流電壓轉換成不連續(xù)的離散的數字形式并加以顯示,這有別于傳統的以 指針加刻度盤進行讀數的方法, 避免了讀數的視差和視覺疲勞。目前數字電壓表 的內部核心部件是 a/d 轉換器, 轉換器的精度很大程度上影響著數字電壓表的準 確度,本文 a/d 轉換器采用 adc0809 對輸人模擬信號進行轉換, 控制核心 at89c51 再對轉換的結果進行運算和處理,最后驅動輸出裝置顯示數字電壓信號。 數字電壓表是當前電子、電工、儀器、儀表和測量領域大量使用的一種基本 測量工具有關數字電壓表的書籍和應用已經非常普及了 1.1 本文研究內容 本課題是利用單片機設計一個數字電壓表，其設計要求如下： 1. 電壓測量范圍：0500 v； 2. 測量精度：05；量程自動切換； 3. 采用 led 顯示； 4. 可用現場提供的 220 v 交流電源。 本科生課程設計（論文） 2 第 2 章 cpu 最小系統設計 2.1 數字電壓表總體設計方案 數字電壓表的系統工作原理：首先，被測電壓信號進入 ad 轉換器，單片 機中控制信號線發(fā)出控制信號，啟動 ad 轉換器進行轉換，其采樣得到的數字 信號數據在相應的碼制轉換模塊中轉換為顯示代碼。最后發(fā)出顯示控制與驅動信 號，驅動外部的數碼管顯示相應的數據。圖 2.1 所示為數字電壓表系統硬件設計 框圖。 時鐘電路 復位電路 a/d 轉換電路測量電壓輸入 顯示系統 at89c51 圖 2.1 數字電壓表系統硬件設計框圖 2.2 cpu 的選擇 在本次課題設計中我們選擇了 at89s51 芯片。at89s51 是美國 atmel 公司生 產的低功耗，高性能 cmos 8 位單片機，片內含 4k bytes isp(in-system programmable)的可反復擦寫 1000 次的 flash 只讀程序存儲器，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準 mcs-51 指令系統及 80c51 引 腳結構，芯片內集成了通用 8 位中央處理器和 isp flash 存儲單元，功能強大的 微型計算機的 at89s51 可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。 at89c51 提供以下標準功能：4kb 的 flash 閃速存儲器，128b 內部 ram，32 個 i/o 口線，兩個 16 位定時/計數器，一個 5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串 行通信口，片內震蕩器及時鐘電路，同時，at89c51 可降至 0hz 靜態(tài)邏輯操作， 本科生課程設計（論文） 3 并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 cpu 的工作，但允許 ram， 定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續(xù)工作，掉電方式保存 ram 中的內容， 但振蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個硬件復位。at89c51 采用 pdip 封裝形式，引腳配置如圖 2.2 所示。 圖 2.2 at89c51 引腳配置 2.3 數據存儲器擴展 當 74ls373 用作地址鎖存器時，應使 oe 為低電平，此時鎖存使能端 c 為高 電平時，輸出 q1q8 狀態(tài)與輸入端 d18 狀態(tài)相同；當 c 發(fā)生負的跳變時，輸入 端 d1d8 數據鎖入 q1q8。51 單片機的 ale 信號可以直接與 74ls373 的 c 連接。 在 at89c51 單片機系統中，常采用 74ls373 作為地址鎖存器使用，其連接方法如 圖 2.3 所示。 e a /v p 31 x 1 19 x 2 18 r e se t 9 r d 17 w r 16 in t 0 12 in t 1 13 t 0 14 t 1 15 p1 0 1 p1 1 2 p1 2 3 p1 3 4 p1 4 5 p1 5 6 p1 6 7 p1 7 8 p0 0 39 p0 1 38 p0 2 37 p0 3 36 p0 4 35 p0 5 34 p0 6 33 p0 7 32 p2 0 21 p2 1 22 p2 2 23 p2 3 24 p2 4 25 p2 5 26 p2 6 27 p2 7 28 ps e n 29 a l e / p 30 t x d 11 r x d 10 e a /v p 31 x 1 19 x 2 18 r e se t 9 r d 17 w r 16 in t 0 12 in t 1 13 t 0 14 t 1 15 p1 0 1 p1 1 2 p1 2 3 p1 3 4 p1 4 5 p1 5 6 p1 6 7 p1 7 8 p0 0 39 p0 1 38 p0 2 37 p0 3 36 p0 4 35 p0 5 34 p0 6 33 p0 7 32 p2 0 21 p2 1 22 p2 2 23 p2 3 24 p2 4 25 p2 5 26 p2 6 27 p2 7 28 ps e n 29 a l e / p 30 t x d 11 r x d 10 80 51 d 0 3 q 0 2 d 1 4 q 1 5 d 2 7 q 2 6 d 3 8 q 3 9 d 4 13 q 4 12 d 5 14 q 5 15 d 6 17 q 6 16 d 7 18 q 7 19 o e 1 l e 11 74ls373 本科生課程設計（論文） 4 圖 2.3 51 單片機與 74ls373 連接方法 其中輸入端 d1d8 接至單片機的 p0 口，輸出端提供的是低 8 位地址，g 端接 至單片機的地址鎖存允許信號 ale。輸出允許端 oe 接地，表示輸出三態(tài)門一直打 開。 2.4 復位電路設計 復位是單片機的初始化操作。其功能主要是將程序計數器(pc)初始化為 0000h，使單片機從 0000h 單元開始執(zhí)行程序，并將特殊功能寄存器賦一些特定 值。復位是使單片機退出低功耗工作方式而進入正常狀態(tài)一種操作。復位是上電 的第一個操作，然后程序從 0000h 開始執(zhí)行。在運行中，外界干擾等因素可能會 使單片機的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或“跑飛” 。要使其進入正常狀態(tài)，唯一辦法是 將單片機復位，以重新啟動。 rst 引腳是復位端，高電平有效。在該引腳輸入至少連續(xù)兩個機器周期以上 的高電平，單片機復位。rst 引腳內部有一個斯密特 st 觸發(fā)器以對輸入信號整形， 保證內部復位電路的可靠，所以外部輸入信號不一定要求是數字波形。使用時， 一般在此引腳與 vss 引腳之間接一個下拉電阻，與 vcc 引腳之間接一個電解電容， 即可保證上電自動復位。復位電路如圖 2.4 所示。本文選用手動復位電路。 自動復位 手動復位 圖 2.4 自動和手動復位電路圖 2.5 時鐘電路設計 單片機中 cpu 每執(zhí)行一條指令，都必須在統一的時鐘脈沖的控制下嚴格按時 間節(jié)拍進行，而這個時鐘脈沖是單片機控制中的時序電路發(fā)出的。cpu 執(zhí)行一條 指令的各個微操作所對應時間順序稱為單片機的時序。mcs-51 單片機芯片內部有 r e s e t 9 a t 8 9c 51 10 uf 10 k v cc r e se t 9 a t 89 c 51 10 uf 1k sw 47 0 v cc 本科生課程設計（論文） 5 一個高增益反相放大器，用于構成震蕩器，xtal1 為該放大器的輸入端，xtal2 為該放大器輸出端，但形成時鐘電路還需附加其他電路。 本設計系統采用內部時鐘方式，利用單片機內部的高增益反相放大器，外部 電路簡，只需要一個晶振和 2 個電容即可，如圖 2.5 所示。 圖 2.5 時鐘電路 電路中的器件選擇可以通過計算和實驗確定，也可以參考一些典型電路的參 數，電路中，電容器 c1 和 c2 對震蕩頻率有微調作用，通常的取值范圍是 3010pf，在這個系統中選擇了 33pf；石英晶振選擇范圍最高可選 24mhz，它決 定了單片機電路產生的時鐘信號震蕩頻率，在本系統中選擇的是 12mhz，因而時 鐘信號的震蕩頻率為 12mhz。 2.6 cpu 最小系統圖 根據上述 4 節(jié)圖，形成完整的 cpu 最小系統圖如圖 2.6 所示。 圖 2.6 cpu 最小系統圖 x t a l 1 19 a t 89 c 51 x t a l 2 18 x 1 c ry st a l c 1 33 uf c 2 33 uf e a /v p 31 x 1 19 x 2 18 r e se t 9 r d 17 w r 16 in t 0 12 in t 1 13 t 0 14 t 1 15 p1 0 1 p1 1 2 p1 2 3 p1 3 4 p1 4 5 p1 5 6 p1 6 7 p1 7 8 p0 0 39 p0 1 38 p0 2 37 p0 3 36 p0 4 35 p0 5 34 p0 6 33 p0 7 32 p2 0 21 p2 1 22 p2 2 23 p2 3 24 p2 4 25 p2 5 26 p2 6 27 p2 7 28 ps e n 29 a l e /p 30 t x d 11 r x d 10 80 51 d 0 3 q 0 2 d 1 4 q 1 5 d 2 7 q 2 6 d 3 8 q 3 9 d 4 13 q 4 12 d 5 14 q 5 15 d 6 17 q 6 16 d 7 18 q 7 19 o e 1 l e 11 74ls373 1k c 1 33 uf x 1 c ry st a l v cc c 2 33 uf 10 uf 本科生課程設計（論文） 6 本科生課程設計（論文） 7 第 3 章 數字電壓表輸入輸出接口電路設計 3.1 數字電壓表量程的選擇 量程電路如圖 3.1 所示，對待側模擬電壓值按不同的范圍，分為 ui，0.1ui，0.01ui，0.001ui，0。0001ui 五檔，處理的信號送入單片機進行處 理并顯示。 量程的選擇電路原理是采用電阻分壓的原理制成的。 圖 3.1 量程設計 3.2 數字電壓表檢測接口電路設計 3.2.1 a/d 轉換器選擇 a/d 轉換器是模擬量輸入通道中的一個環(huán)節(jié)，單片機通過 a/d 轉換器把輸入 模擬量變成數字量再處理。a/d 轉換的常用方法有：計數式 a/d 轉換，逐次 逼近型 a/d 轉換，雙積分式 a/d 轉換， v/f 變換型 a/d 轉換。在這些轉換方 式中，記數式 a/d 轉換線路比較簡單，但轉換速度較慢，所以現在很少應用。雙 積分式 a/d 轉換精度高，多用于數據采集及精度要求比較高的場合，如 5g14433（31/2 位） ，ad7555（41/2 位或 51/2 位）等，但速度更慢。隨著大規(guī)模 集成電路的發(fā)展，目前不同廠家已經生產出了多種型號的 a/d 轉換器，以滿足不 同應用場合的需要。如果按照轉換原理劃分，主要有 3 種類型，即雙積分式 a/d 轉換器、逐次逼近式 a/d 轉換器和并行式 a/d 轉換器。目前最常用的是雙積分和 9k 90k 900k 9m 1k 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 rp? re spack 4 ui vin(+) vin(-) 本科生課程設計（論文） 8 逐次逼近式。根據設計參數以及要求，選擇 a/d 轉換器芯片，并介紹其性能特性， 轉換精度。 逐次逼近型 a/d 轉換既照顧了轉換速度，有具有一定的精度，這里選用的是 逐次逼近型的 a/d 轉換芯片 adc0809。芯片 adc0809 如圖 3.2 所示。 圖 3.2 a/d 轉換芯片 adc0809 ad0809 是 8 位逐次逼近型 a/d 轉換器，它是由一個 8 路的模擬開關、一個 地址鎖存譯碼器、一個 a/d 轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選 通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 a/d 轉換器進行轉換。些 a/d 轉換器是的特點是 8 位精度，屬于并行口，如果輸入的模擬量變化大快，必 須在輸入之前增加采樣電路。 3.2.2 模擬量檢測接口電路圖 cpu 和 ad 轉換器電路連接圖，即完整的模擬量檢測硬件電路如圖 3.3 所示。 in -0 26 m sb2 -1 21 2- 2 20 in -1 27 2- 3 19 2- 4 18 in -2 28 2- 5 8 2- 6 15 in -3 1 2- 7 14 lsb2- 8 17 in -4 2 e o c 7 in -5 3 a d d -a 25 in -6 4 a d d -b 24 a d d -c 23 in -7 5 a l e 22 re f(-) 16 e n a bl e 9 st a r t 6 re f(+) 12 c l o ck 10 a d c 08 09 9k 90k 900k 9m 1k 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 rp? respack4 ui vin(+) vin(-) ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale/p 30 txd 11 rxd 10 89c51 in-0 26 msb2-1 21 2-2 20 in-1 27 2-3 19 2-4 18 in-2 28 2-5 8 2-6 15 in-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 in-4 2 eoc 7 in-5 3 add-a 25 in-6 4 add-b 24 add-c 23 in-7 5 ale 22 ref(-) 16 enable 9 start 6 ref(+) 12 clock 10 adc0809 d0 3 q0 2 d1 4 q1 5 d2 7 q2 6 d3 8 q3 9 d4 13 q4 12 d5 14 q5 15 d6 17 q6 16 d7 18 q7 19 oe 1 le 11 74ls373 本科生課程設計（論文） 9 圖 3.3 完整的模擬量檢測硬件電路 3.3 數字電壓表輸出接口電路設計 由于單片機的并行口不能直接驅動 led 顯示器，所以，在一般情況下，必須 采用專用的驅動電路芯片，使之產生足夠大的電流，顯示器才能正常工作7。如 果驅動電路能力差，即負載能力不夠時，顯示器亮度就低，而且驅動電路長期在 超負荷下運行容易損壞，因此，led 顯示器的驅動電路設計是一個非常重要的問 題。 為了簡化數字式直流電壓表的電路設計，在 led 驅動電路的設計上，可以利 用單片機 p0 口上外接的上拉電阻來實現，即將 led 的 a-g 段顯示引腳和 dp 小數 點顯示引腳并聯到 p0 口與上拉電阻之間，這樣，就可以加大 p0 口作為輸出口德 驅動能力，使得 led 能按照正常的亮度顯示出數字，如圖 3.4 所示。 圖 3.4 led 與單片機接口間的設計 a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g ds3 dpy_7-se g a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g ds4 dpy_7-se g a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g ds2 dpy_7-se g a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g ds1 dpy_7-se g r4 r3 r2 r1 q1 pn p q2 pn p q3 pn p q4 pn p vcc 本科生課程設計（論文） 10 第 4 章 數字電流表軟件設計 4.1 流程圖設計 4.1.1 主程序流程圖設計 根據模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，a/d 轉換子程序和顯示子 程序，這三個程序模塊構成了整個系統軟件的主程序，如圖 4.1 所示。 圖 4.1 數字式直流電壓表主程序框圖 4.1.2 a/d 流程圖設計 a/d 轉換子程序用來控制對輸入的模塊電壓信號的采集測量，并將對應的數 值存入相應的內存單元，其轉換流程圖如圖 4.2 所示。 開始 初始化 調用 a/d 轉換子程序 調用數據處理子程序 調用顯示子程序 本科生課程設計（論文） 11 否 是 圖 4.2 a/d 流程圖設計 啟動轉換 a/d 轉換結束？ 輸出轉換結果 數值轉換 顯示 本科生課程設計（論文） 12 第 2 章 系統設計與分析 2.1 系統原理圖 圖 5.1 數字電壓表的硬件原理電路圖 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale/p 30 txd 11 rxd 10 89c51 in-0 26 msb2-1 21 2-2 20 in-1 27 2-3 19 2-4 18 in-2 28 2-5 8 2-6 15 in-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 in-4 2 eoc 7 in-5 3 add-a 25 in-6 4 add-b 24 add-c 23 in-7 5 ale 22 ref(-) 16 enable 9 start 6 ref(+) 12 clock 10 adc0809 d0 3 q0 2 d1 4 q1 5 d2 7 q2 6 d3 8 q3 9 d4 13 q4 12 d5 14 q5 15 d6 17 q6 16 d7 18 q7 19 oe 1 le 11 74ls373 1 2 3 4 5 6 7 8 j? con8 c3 22uf c2 30pf y1 crystal r4 200 c1 30pf sw -pb r3 1k 9k 90k 900k 9m 1k 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 rp? respack4 ui vin(+) vin(-) a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g ds3 dpy_7-seg a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g ds4 dpy_7-seg a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g ds2 dpy_7-seg a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g ds1 dpy_7-seg r4 r3 r2 r1 q1 pnp q2 pn