單片機(jī)AT89C51數(shù)字電壓表課程設(shè)計(jì)

1、等級：湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 課程名稱 單片機(jī)原理與應(yīng)用 課題名稱 簡易數(shù)字電壓表 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級 1181 學(xué) 號 201113010119 姓 名 鐘意 指導(dǎo)教師 趙葵銀、汪超、李曉秀等 2014 年 5 月 23 日湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱： 單片機(jī)原理與應(yīng)用 題 目： 簡易數(shù)字電壓表 專業(yè)班級： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 鐘意 學(xué) 號： 201113010119 指導(dǎo)老師： 李曉秀 審 批： 任務(wù)書下達(dá)日期 2014 年 5 月12 日設(shè)計(jì)完成日期 2014 年 5 月 23 日設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)內(nèi)容：1）簡易數(shù)字電壓

2、表可以測量051V的輸入電壓值，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過單片機(jī)處理后，在LED數(shù)碼管上顯示。2）如測試端輸入4.0V，則應(yīng)顯示4.0，測試精度為0.2V。設(shè)計(jì)要求：1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案正確、合理；2）進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；3）完成必要元器件選擇；4）完成應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試；*5）進(jìn)行應(yīng)用程序的調(diào)試；主 要 設(shè) 計(jì) 條 件1、MCS-51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)操作臺1臺；2、PC機(jī)及單片機(jī)調(diào)試軟件；3、Proteus軟件4、實(shí)驗(yàn)室調(diào)試說 明 書 格 式1. 封面2. 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書3. 目錄4. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)5. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)6. 軟件設(shè)計(jì)（包括流程圖）7. 系統(tǒng)的安裝調(diào)試說明8、 總結(jié) 9、參考文獻(xiàn)10、附

3、錄11、課程設(shè)計(jì)成績評分表。 進(jìn) 度 安 排第一周星期一、上午：布置課題任務(wù)，課題介紹及講課。 下午：借閱有關(guān)資料，總體方案討論。星期二、確定總體方案，學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。星期三、各部分方案設(shè)計(jì)。星期四、各部分設(shè)計(jì)。星期五、設(shè)計(jì)及上機(jī)調(diào)試。第二周星期一：設(shè)計(jì)及上機(jī)調(diào)試。星期二：調(diào)試，中期檢查。星期三：調(diào)試、寫說明書。星期四-星期五上午：寫說明書、完成電子版并打印成稿。星期五下午：答辯。參 考 文 獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1、單片機(jī)原理與應(yīng)用 王迎旭等編 機(jī)械工業(yè)出版社2、51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例 樓然苗等編 北京航空航天大學(xué)出版社3、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程 黃勤等編 重慶大學(xué)出版社4、微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及

4、應(yīng)用 劉樂善主編 華中科技大學(xué)出版社5、單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)陳光東等編 華中科技大學(xué)出版社目 錄2總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求   以MCS-51系列單片機(jī)為核心器件，組成一個(gè)簡單的直流數(shù)字電壓表。 采用1路模擬量輸入，能夠測量0-5V之間的直流電壓值。 電壓顯示用4位一體的LED數(shù)碼管顯示，至少能夠顯示兩位小數(shù)。  盡量使用較少的元器件。   2.2 設(shè)計(jì)思路 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇AT89C51單片機(jī)為核心控制器件。 A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808實(shí)現(xiàn)，與單片機(jī)

5、的接口為P1口和P2口的高四位引腳。 電壓顯示采用4位一體的LED數(shù)碼管。 LED數(shù)碼的段碼輸入,由并行端口P0產(chǎn)生：位碼輸入，用并行端口P2低四位產(chǎn)生。獨(dú)立鍵盤：按鍵傳送輸入信息；由于本次設(shè)計(jì)有4個(gè)按鍵故直接使用4個(gè)I/O口來對應(yīng)4個(gè)按鍵。 2.3 設(shè)計(jì)方案  硬件電路設(shè)計(jì)由7個(gè)部分組成; A/D轉(zhuǎn)換電路，AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)，LED顯示系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、按鍵控制電路以及測量電壓輸入電路。硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示。 如圖2.13 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1芯片的選擇 本次課程設(shè)計(jì)選用AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)

6、的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和128字節(jié)的隨機(jī)存儲器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 AT89C51功能性能:與MCS-51成品指令系統(tǒng)完全兼容；4KB可編程閃速存儲器；壽命：1000次寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：0-24MHz；三級程序存儲器鎖定；128*8B內(nèi)部RAM；32個(gè)可編程I/O口線；2

7、個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行UART通道；片內(nèi)震蕩器和掉電模式。外形及引腳排列如圖3.1所示。圖3.1 AT89C51芯片模型3.1.2主要功能特性(1) 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器。 (2) 32個(gè)雙向I/O口；128×8位內(nèi)部RAM 。(3) 2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷，時(shí)鐘頻率0-24MHz。 (4) 可編程串行通道。 (5) 5個(gè)中斷源。 (6) 2個(gè)讀寫中斷口線。 (7) 低功耗的閑置和掉電模式。 (8) 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。3.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)中CPU每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖的控制下嚴(yán)格按時(shí)間節(jié)拍進(jìn)行，而這個(gè)時(shí)鐘脈沖是單片機(jī)控制

8、中的時(shí)序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個(gè)微操作所對應(yīng)時(shí)間順序稱為單片機(jī)的時(shí)序。MCS-51單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)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(shí)鐘電路還需附加其他電路。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個(gè)晶振和2個(gè)電容即可，如圖3.1所示。 圖3.2 3.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)中CPU每執(zhí)行一條指令，都必須在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖的控制下嚴(yán)格按時(shí)間節(jié)拍進(jìn)行，而這個(gè)時(shí)鐘脈沖是單片機(jī)控制中的時(shí)序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個(gè)微操作所對應(yīng)時(shí)間順序稱為單片機(jī)的時(shí)序。MCS-51單片機(jī)

9、芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)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(shí)鐘電路還需附加其他電路。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個(gè)晶振和 2個(gè)電容即可，如圖3.2所示。 圖3.33.4 按鍵電路設(shè)計(jì) 獨(dú)立鍵盤：按鍵傳送輸入信息；由于本次設(shè)計(jì)有4個(gè)按鍵故直接使用4個(gè)I/O口來對應(yīng)4個(gè)按鍵，如圖3.3所示 圖3.43.5 顯示電路設(shè)計(jì) 在應(yīng)用系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)要求不同，使用的LED顯示器的位數(shù)也不同，因此就生產(chǎn)了位數(shù)，尺寸，型號不同的LED顯示器供選擇，在本設(shè)計(jì)中，選擇4位一體的數(shù)碼型LED顯示器，簡

10、稱“4-LED”。本系統(tǒng)中前一位顯示電壓的整數(shù)位，即個(gè)位，后兩位顯示電壓的小數(shù)位。 LED數(shù)碼管模型如圖3-6所示。圖3.5.13.5.1 LED數(shù)碼管的接口簡介LED 的段碼端口AG分別接至AT89C51的P1.0P1.7口，位選端14分別接至P3.5、P3.4、P3.1、P3.0，如圖3-7所示。圖3.5.23.6 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) ADC 0808 采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換，由單一的+5V電源供電。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由A、B、C的編碼來決定所選的通道。ADC0809完成一次轉(zhuǎn)換需100s左右，它具有輸出TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到AT89C51的數(shù)據(jù)總

11、線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，ADC0808可對05V的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過程如下： 開始時(shí)，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換時(shí)，先將最高位置1，把數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入的模擬量比較，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量小，則1保留，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的模擬量大，則1不保留，然后從第二位依次重復(fù)上述過程直至最低位，最后寄存器中的內(nèi)容就是輸入模擬量對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量。其原理框圖如圖3.4.1所示。圖3.6.13.6.2 ADC0808的外部引腳特征 ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，其引腳圖如圖3.6.2所示。 圖3.6.2 下面說明各個(gè)引腳功能:

12、60; IN0-IN7（8條）：8路模擬量輸入線，用于輸入和控制被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。 地址輸入控制（4條）：  ALE:地址鎖存允許輸入線，高電平有效，當(dāng)ALE為高電平時(shí)，為地址輸入線，用于選擇IN0-IN7上那一條模擬電壓送給比較器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 ADDA,ADDB,ADDC:3位地址輸入線，用于選擇8路模擬輸入中的一路，其對應(yīng)關(guān)系如表3.4.3所示： ADC0808通道選擇表 表3.6.3 START：START為“啟動(dòng)脈沖”輸入法，該線上正脈沖由CPU送來，寬度應(yīng)大于100ns，上升沿清零SAR,下降沿啟動(dòng)ADC工作。  EOC: EOC

13、為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線上高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入三態(tài)輸出鎖存器。  D1-D8：數(shù)字量輸出端，D1為高位。  OE：OE為輸出允許端，高電平能使D1-D8引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 REF+、REF-:參考電壓輸入量，給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。  Vcc、GND: Vcc為主電源輸入端，GND為接地端，一般REF+與Vcc連接在一起，REF-與GND連接在一起.   CLK:時(shí)鐘輸入端。3.7總體電路圖圖3.74 軟件設(shè)計(jì)多路數(shù)字電壓表系統(tǒng)軟件程序主要有主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序和中斷顯示程序組成。4.1 主

14、程序主程序包含初始化部分、調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序和相應(yīng)外部0中斷顯示電壓數(shù)值程序，初始化部分包含存放通道的緩沖區(qū)初始化和顯示緩沖區(qū)初始化。另外，對于單路顯示和循環(huán)顯示，系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志位00H控制，初始化時(shí)00H位設(shè)置為0，默認(rèn)為循環(huán)顯示，當(dāng)它為1時(shí)改變?yōu)閱温凤@示控制，00H位通過單路、循環(huán)按鍵控制。流程圖如圖4.1所示。 開始 顯示子程序 A/D轉(zhuǎn)換子程序 初始化圖4.1主程序流程圖4.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序用于對ADC0808的4路輸入模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)值存入4個(gè)相應(yīng)的存儲單元中，A/D轉(zhuǎn)換子程序每隔一定時(shí)間調(diào)用一次，即隔一段時(shí)間對輸入電壓采樣一次，如圖4.

15、2所示。進(jìn)行十六進(jìn)制調(diào)整 開始A/D轉(zhuǎn)換調(diào)用延時(shí)存轉(zhuǎn)換后的十六進(jìn)制數(shù)數(shù)據(jù)指針加一入棧保護(hù)4路轉(zhuǎn)換次數(shù)減一顯示電壓值NY圖4.2轉(zhuǎn)換子程序流程圖 判斷是否為04.3 中斷顯示程序當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置好后，一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，便會進(jìn)入外部中斷0，然后在中斷中讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)值，處理數(shù)據(jù)并送數(shù)碼管顯示輸出。 LED 數(shù)碼管采用軟件譯碼動(dòng)態(tài)掃描的方式。在中斷程序中包含多路循環(huán)顯示程序和單路顯示程序，多路循環(huán)顯示程序把4個(gè)存儲單元的數(shù)值依次取出送到4個(gè)數(shù)碼管上顯示，每一路顯示一秒。單路顯示程序只對當(dāng)前選中的一路數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。每路數(shù)據(jù)顯示時(shí)需經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成十進(jìn)制BCD碼，放于4個(gè)數(shù)碼管顯示緩沖區(qū)中。單路或多路循環(huán)顯示通過標(biāo)

16、志位00H控制。數(shù)字量送P1口取段碼地址P3.1=1？調(diào)用循環(huán)顯示程序調(diào)用單路顯示程序顯示的是第4路重新調(diào)用顯示程序NYNY圖4-3中斷顯示程序流程圖5 電路仿真圖圖6.1為4路通道用模擬電壓表測得的理論值。圖6.1模擬電壓表測量結(jié)果圖6.2為進(jìn)行模擬仿真時(shí)的電路圖圖6.2仿真時(shí)的電路圖6總結(jié)經(jīng)過兩周的努力終于設(shè)計(jì)成功，LED的顯示結(jié)果和直接用數(shù)字電壓表測試模擬量輸入所得結(jié)果幾乎一致，誤差完全在合理的范圍之內(nèi)。由于儀器誤差，LED顯示最大值只能是4.9V，離標(biāo)準(zhǔn)最大值5.0V已經(jīng)不遠(yuǎn)，達(dá)到預(yù)期目的，設(shè)計(jì)成功。 本設(shè)計(jì)參考了教材上第十一章89C51與ADC0809轉(zhuǎn)換的接口連線，設(shè)計(jì)出電路圖的連

17、線，從并中理解了許多基本的知識和接線方法，在程序的設(shè)計(jì)與電壓表調(diào)試的過程中中遇到了很多的問題，剛開始時(shí)四個(gè)數(shù)碼管根本不顯示，后來發(fā)現(xiàn)用的是共陽極的數(shù)碼管，而設(shè)計(jì)是共陰極的，更換后數(shù)碼管終于顯示，但問題又出現(xiàn)了，單路顯示和循環(huán)顯示的開關(guān)不能控制電路的單路顯示和循環(huán)顯示，經(jīng)過仔細(xì)地檢查電路和修改程序，采用中斷的方法，產(chǎn)生一次外部中斷0，程序轉(zhuǎn)移到單路顯示，按一次單路顯示開關(guān)，地址加一，轉(zhuǎn)換的模擬通道相應(yīng)的加一，如果按下循環(huán)按鍵就返回循環(huán)顯示的程序，功夫不負(fù)有心人，最后終于調(diào)試成功。在此再次向帶領(lǐng)我們這次課程設(shè)計(jì)的李曉秀老師說聲：謝謝！ 參考文獻(xiàn)1 蔣廷彪,劉電霆,高富強(qiáng),方華.單片機(jī)原理及應(yīng)用.出

18、版社:重慶大學(xué)出版社.出版時(shí)間:2005年1月第2次印刷2 8051實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書電子電氣綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng).出版社:北京精儀達(dá)盛科技有限公司3 徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設(shè)計(jì)(第二版)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20044 吳金戌,沈慶陽,郭庭吉.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社,20025 張國勛.縮短ICL7135A/D采樣程序時(shí)間的一種方法J.電子技術(shù)應(yīng)用.1993.第一期6 高峰.單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)M.北京科學(xué)出版社,2003.7 劉偉,趙俊逸,黃勇.一種基予C8051F單片機(jī)的SOC型數(shù)據(jù)采錄器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)8新型AT89S52系列單片機(jī)及其應(yīng)用 孫育才 北京

19、：清華大學(xué)出版社 2005-59MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用 蔡美琴 高等教育出版10過程控制與儀表 陳樂 中國計(jì)量學(xué)院出版社，2007-3 附錄1 源程序 ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0003H LJMP PINT0 MAIN:MOV 50H,#19H MOV 54H,#78H MOV DPTR,#7FF8H MOV 51H,DPH MOV 52H,DPL MOV R0,#04H MOV 53H,#00H MOV R7,#00H SETB EA SETB IT0 SETB EX0 L4: MOV R1,#00H ;R1存放十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后的低兩位 MOV R2

20、,#00H ;R2存放十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后的高兩位 MOV R3,#0FFH ;循環(huán)顯示十進(jìn)制數(shù) MOV R4,#00H ;存放A/D轉(zhuǎn)換后的十六進(jìn)制數(shù) MOV R5,#00H ;存放0.5相加后的數(shù) MOVX DPTR,A ;開始A/D轉(zhuǎn)換 LCALL DELAY ;調(diào)用延時(shí)大于A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間 MOVX A,DPTR ;取A/D轉(zhuǎn)換后的十六進(jìn)制數(shù) INC DPTR ;A/D轉(zhuǎn)換芯片的地址加一 PUSH DPL ;壓入堆棧 PUSH DPH DEC R0 ;4路轉(zhuǎn)換的次數(shù)減一 JZ SB2 ;判斷是否是0V MOV R4,A L1:MOV A,R1 ;進(jìn)行十六進(jìn)制到十進(jìn)制的調(diào)整 ADD A

21、,50H ;每次加19 DA A MOV R1,A JC L2 ;如果溢出則跳轉(zhuǎn)到L2 MOV A,R5 ;進(jìn)行0.5V相加 ADD A,54H DA A MOV R5,A JC L3 ;如果溢出則跳轉(zhuǎn)到L3 SB1:DJNZ R4,L1 ;判斷十六進(jìn)制數(shù)是否轉(zhuǎn)換完成，如果沒有則循環(huán) MOV A,R5 SWAP A ANL A,#0FH MOV B,R1 ADD A,B DA A MOV R1,A SB2:LCALL DISP LCALL DJW DJNZ R3,SB2 POP DPH POP DPL MOV A,53H INC A MOV 53H,A CJNE R0,#00H,L4 LJMP

22、 MAIN L2: CLR C MOV A,R2 ADD A,#01H DA A MOV R2,A LJMP SB1 L3: CLR C ;0.5V相加溢出后進(jìn)位 MOV A,R1 ADD A,#01H DA A MOV R1,A LJMP SB1 DISP:MOV A,R1 ;顯示電壓子程序 SWAP A ANL A,#0FH MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR CLR P3.0 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P3.0 MOV A,R2 ANL A,#0FH MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR CLR P3.1 MOV P1,

23、A LCALL DELAY SETB P3.1 MOV A,R2 SWAP A ANL A,#0FH MOV DPTR,#TAB2 MOVC A,A+DPTR CLR P3.4 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P3.4 RET DJW:MOV A,53H ;顯示第幾路轉(zhuǎn)換電壓子程序 MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR CLR P3.5 MOV P1,A LCALL DELAY SETB P3.5 RETINTV: PUSH ACC ;只顯示其中一路中斷 PUSH 53H MOV 53H,#00HCX2: MOV R1,#00H MOV R2,#00H

24、MOV R3,#0FFH MOV R4,#00H MOV DPH,51H MOV DPL,52H MOVX DPTR,A LCALL DELAY MOVX A,DPTR MOV R4,A JZ SB22 L11: MOV A,R1 ADD A,50H DA A MOV R1,A JC L22 MOV A,R5 ;進(jìn)行0.5V相加 ADD A,54H DA A MOV R5,A JC L33 SB11:DJNZ R4,L11 MOV A,R5 SWAP A ANL A,#0FH MOV B,R1 ADD A,B DA A MOV R1,A SB22:LCALL DISP LCALL DJW JNB P3.3,EXIT DJNZ R3,SB22